UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELAFACULTAD DE INGENIERIAESCUELA DE GEOLOGIA, MINAS Y GEOFISICADEPARTAMENTO DE INGENIERIA GEOFISICAGUIA DE PROSPECCION SISMICA POR REFRACCIONversin 1.4, mayo 2000jos m. cavadaINTRODUCCIONLa prospeccin por refraccin es un procedimiento de exploracin geolgica del subsuelo mediante ondaselsticas. Es un mtodo relativamente barato, que proporciona informacin de propiedades fsicas del subsuelo conaplicacin en la construccin de obras civiles, evaluacin de riesgo ssmico y localizacin de aguas subterrneas. Existeuna demanda creciente de esta tcnica debido al incremento en los costos de sondeos por perforacin y a las nuevasregulaciones legales que exigen estudios geolgicos previos a la construccin.En esta gua se expone el fundamento fsico del mtodo, su ubicacin con relacin a otras tcnicas geofsicas,procedimientos prcticos de adquisicin de datos ylas frmulas matemticas para calcular velocidades y espesores deestratos del subsuelo.OBJETIVOSEl objetivo principal es proporcionar una informacin bsica de la prospeccin por refraccin con las siguientescaractersticas: Material en idioma Castellano. Resumen del fundamento fsico en el contexto general de propagacin de ondas elsticas. Ubicacin entre otros mtodos geofsicos utilizados con fines similares. Ventajas e inconvenientes respecto a las perforaciones y otros mtodos geofsicos. Aspectos prcticos de la adquisicin de datos no cubiertos en libros de texto. Mtodo sencillo de clculo de espesores y velocidades del subsuelo tomando en cuenta el relieve topogrfico.INDICE PginaExploracin del subsuelo mediante ondas elsticas 1Mtodos de prospeccin ssmica 3Prospeccin por reflexin 3Prospeccin por refraccin 4VSP 4WST 4Registro snico 4Downhole 5Crosshole 5Tomografa 5Ssmica de galera 5Ventajas y desventajas de la prospeccin por refraccin respecto a las perforaciones 6Prospeccin por refraccin ssmica 7Aplicaciones del mtodo de prospeccin por refraccin 7Fundamento fsico 7Etapas de la prospeccin por refraccin 10Recopilacin de informacin y planificacin 10Adquisicin de datos en campo 12Procedimiento de adquisicin 16Procesamiento 17Interpretacin 25Ventajas y limitaciones del mtodo de prospeccin por refraccin 25Bibliografa 26EXPLORACION DEL SUBSUELO MEDIANTE ONDAS ELASTICASLa prospeccin con mtodos ssmicos consiste en explorar el subsuelo mediante ondas ssmicas. El mtodoinvolucra un elemento generador de ondas ssmicas denominado fuente, un medio de propagacin (rocas, aire, agua) y unelemento detector-registrador de las ondas denominado receptor. Analizando las ondas registradas se espera obtenerinformacin de las propiedades elsticas y morfolgicas del medio de propagacin.El mtodo de obtener informacin mediante ondas elsticas es utilizado por todos los animales que disponen deun sistema para producir sonidos y un sistema para detectarlas (sistema auditivo). Los ms parecidos a los utilizados enprospeccin ssmica son los sistemas de ecolocalizacin o reflexin de ondas de los murcilagos y gucharos en el aire y elde los delfines en el agua.Producto de la tecnologa humana son los ecosonogramas usados principalmente para observar el feto en elvientre materno, los mtodos ultrasnicos para detectar fisuramientos y puntos de debilidad en piezas mecnicas y el sonarusado para determinar la profundidad del fondo marino, localizar submarinos y bancos de peces.Las ondas elsticas que se propagan por el aire y el agua son ms conocidas como ondas acsticas u ondassnicas (sean o no audibles por el ser humano) y las que se propagan por el subsuelo se conocen como ondas ssmicas;sin embargo, desde el punto de vista fsico no se diferencian.La energa de deformacin elstica liberada por una fuente ssmica se propaga por el subsuelo mediante ondas.Pero estas ondas adoptan diversas caractersticas. Segn el espacio en que se propagan existen ondas superficiales y ondasde cuerpo. Las ondas superficiales slo se originan y propagan cerca de la superficie entre dos medios con propiedadeselsticas distintas. Las ms importantes son las que se propagan cerca de la superficie del suelo y entre las que se cuentanlas ondas Rayleigh y las ondas Love. Estas son las ondas que ms dao causan durante los terremotos y tambin las quemayores problemas causan en los registros de prospeccin ssmica por reflexin, porque debido a su gran amplitud ocultanlas dbiles reflexiones en las capas a mayor profundidad. Las ondas de cuerpo se propagan a travs de todo el volumen dematerial elstico. Cuando el material del subsuelo es istropo slo pueden propagarse dos tipos de ondas de cuerpo: lasondas P y las ondas S.Las ondas P, tambin se conocen como ondas primarias, ondas irrotacionales u ondas compresionales. Como ellaspresentan siempre mayor velocidad que las ondas S y que las ondas superficiales, son siempre las primeras en llegar acualquier distancia de la fuente. En materiales istropos las ondas P se caracterizan porque el movimiento de las partculasdel suelo al paso de la onda sigue la misma direccin en que esta se propaga.Las ondas S, tambin se conocen como ondas secundarias, ondas de corte u ondas equivoluminales. Siempretienen menor velocidad que las ondas P y las partculas del suelo se mueven en una direccin ortogonal a la direccin enque se propaga la onda.Las ondas S se pueden descomponer en dos componentes vectoriales: ondas SV en las que el movimiento ocurreenteramente en un plano vertical, y ondas SH en las que el movimiento ocurre en un plano horizontal.En materiales homogneos la velocidad de las ondas P y S se puede expresar en funcin de los parmetroselsticos mediante las siguientes frmulas:Vp243Vs++ kDonde:Vp velocidad de onda P m mdulo de rigidezVs velocidad de onda S k mdulo de volumenl parmetro de Lame r densidadNotar que la velocidad de propagacin de ondas ssmicas es independiente de la potencia de la fuente y slodepende de las propiedades del material por el que viajan. Esto simplifica la caracterizacin de los estratos geolgicos delsubsuelo por sus velocidades. En cambio, la amplitud del movimiento del terreno al paso de una onda ssmica si dependede la potencia de la fuente y tambin de otros factores como la distancia a la fuente y de las propiedades de atenuacin delos materiales atravesados.A efectos prcticos de la prospeccin ssmica las ondas S no se transmiten en el agua ni en el aire, porque elmdulo de rigidez de los mismos es muy pequeo y la atenuacin de las ondas es muy grande.Las rocas y sedimentos no suelen ser materiales homogneos, sino que son agregados de diferentes minerales, conespacios porosos de forma variable, llenos de fluidos como agua o aire, fracturas y microfracturas de diversas formas yorientaciones. Por ello, las frmulas anteriores para calcular las velocidades de onda P y S no son exactas en rocas ni ensedimentos. Lo mejor que se dispone es una gran variedad de frmulas semiempricas para calcular velocidades, en las quese toma en cuenta los parmetros elsticos de la matriz y de los fluidos, la porosidad, etc.En general se cumple, con excepciones, que los valores de velocidad son mayores (Mooney, 1977): en rocas gneas bsicas que en rocas gneas cidas en rocas gneas que en rocas sedimentarias en sedimentos consolidados que en no consolidados en sedimentos no consolidados saturados que en sedimentos no consolidados secos en suelos hmedos que en suelos secos en carbonatos que en areniscas en areniscas que en lutitas en rocas slidas que en rocas fracturadas o con diaclasas en rocas inalteradas que en rocas meteorizadas en rocas densas que en rocas livianas en rocas viejas que en rocas jvenesLos sedimentos presentan casi siempre velocidades inferiores a 2000 m/s. Las areniscas y lutitas velocidades entre1000 y 3000 m/s. Las rocas gneas y metamrficas velocidades superiores a los 3500 m/s. Las velocidades tpicas de ondaP de algunos materiales son:Material Velocidad (m/s)agua 1475aire 350arena 1400-2500arcilla 900-2500carbn 1500-2500lutita 2000-3900arenisca 1800-4200caliza 3000-5000gneis 3500-5000esquisto 3000-4500granito 4000-6000gabro 6000Generalmente, el primer estrato est constituido por roca meteorizada o por sedimentos transportados. Suvelocidad suele estar entre 300 y 800 m/s y su espesor alrededor de los 5 m. Si el suelo est constituido por arena suelta,tal como arena de playa o mdano (dunas), la velocidad de propagacin puede ser inferior a la velocidad del sonido en elaire (350 m/s). Si en cambio, las arenas estn saturadas de agua la velocidad puede ser inferior a la de propagacin en elagua (1475 m/s).En rocas gneas y metamrficas no meteorizadas existe una buena correlacin entre la velocidad de ondasssmicas y el ndice RQD o el grado de fracturacin (Sjgren et al,1979), la cual se resume en la siguiente tabla:RELACION ENTRE VELOCIDAD DE ONDA P Y PARAMETROS MECANICOS DE ROCAS IGNEAS YMETAMORFICAS NO METEORIZADASSEGUN SJGREN ET AL, 1979Velocidad (m/s) Fracturas por metro 0.8 fracturas/m RQD (%) 3.5% Edin (GPa) 2 GPa m(Gpa) 1 GPa k (Gpa) 1 GPa3000 19.0 25 18.3 6.2 17.73500 13.5 454000 9.5 63 30.5 11.5 27.04500 6.5 785000 4.0 88 52.5 19.5 41.55500 3.5 94 64.5 25.0 51.5La correlacin entre velocidad y grado de meteorizacin no es tan buena y depende entre otras cosas de lalitologa; por ejemplo, una velocidad de 2000 m/s en un granito es indicativo de un grado alto de meteorizacin ofracturamiento, en cambio en una arenisca es indicativo de roca inalterada. Sin embargo, el grado de meteorizacin esmayor cuanto menor sea la velocidad registrada con relacin a la velocidad tpica de la roca considerada en estadoinalterado.El radar es un mtodo de exploracin que en lugar de ondas elsticas utiliza ondas electromagnticas. Es bienconocido que el radar se utiliza para localizar aviones en vuelo, misiles y barcos o determinar la velocidad de vehculos.Pero tambin tiene aplicacin en sensores remotos desde avin o satlite para determinar el relieve topogrfico a travs delas nubes, tipos de suelo, vegetacin, litologa, etc. Menos conocido es que tambin se utiliza para prospeccin delsubsuelo a poca profundidad en forma casi idntica a la prospeccin ssmica.METODOS DE PROSPECCION SISMICALos mtodos de prospeccin ssmica se pueden clasificar segn el tipo de ondas utilizadas para obtener informa-cin del subsuelo. Segn este criterio se tienen mtodos basados en:- ondas reflejadas- ondas cnicas o refractadas crticamente- ondas directas- ondas superficialesCuando se efecta un registro ssmico, casi siempre es inevitable que se reciban y graben todos estos tipos deondas; sin embargo, slo uno de ellos se considera til. Las ondas consideradas tiles se las denomina seal, mientrasque las ondas de otro tipo se las denomina ruido y se consideran inconvenientes.Por ejemplo, en el mtodo de re-flexin, slo se consideran tiles las ondas ssmicas reflejadas, mientras que las cnicas, directas y superficiales seconsideran ruido. Por el contrario, cuando se utilizan mtodos basados en ondas superficiales, estas son la seal,mientras que las reflejadas forman parte del ruido.El mtodo de exploracin ssmica mas utilizado para prospeccin de hidrocarburos es el que utilizan ondasreflejadas y se denomina mtodo de reflexin ssmica.El siguiente mtodo mas utilizado en prospeccin de hidrocarburos es el que utiliza ondas directas, y en estacategora caen todos los registros ssmicos de pozo. Las ondas directas tambin se utilizan en geologa aplicada a obrasciviles, ya sea en pozos o en galerias.En la ssmica de pozos se cuenta con una variedad de tcnicas, entre las que se citan:- VSP- WSTSsmica de - Registro snico Pozos - Downhole- Crosshole- TomografaProspeccin por reflexinLa fuente y los detectores se encuentran en o cerca de la superficie y puede ser en tierra o en agua. La informacindel subsuelo es aportada por las ondas ssmicas que se reflejan a manera de un eco, en las superficies de contacto(interfases) de estratos con propiedades elsticas diferentes. La informacin se suele presentar en forma de seccionesssmicas que constituyen una especie de radiografa o ecosonograma que revela las principales estructuras geolgicas en elsubsuelo tales como pliegues, fallas, intrusiones, patrones de sedimentacin. Se utiliza principalmente para localizacin ydetalle de estructuras geolgicas favorables a contener yacimientos de hidrocarburos a profundidades entre 1000 y 4000 m. Tambin se utiliza con fines geotcnicos principalmente en agua, por ejemplo para determinar las condiciones del fondomarino para el anclaje de plataformas petroleras o el tendido de tuberas. En este caso la resolucin suele ser excepcional-mente buena. Por contraste, el mtodo presenta muchos inconvenientes para su utilizacin con fines geotcnicos en tierra,a profundidades menores de 300 m .La adquisicin, el procesamiento y la interpretacin por el mtodo de reflexin son las ms complejas y costosas;sin embargo, se considera en general el mejor mtodo de exploracin geofsica del subsuelo.La adquisicin de datos con fines petroleros se suele efectuar a lo largo de un mallado de lneas ssmicas conextensiones del orden de 5 a 100 km por lnea. Los tendidos ssmicos puede tener una longitud de 3 o 4 km a cada lado dela fuente y utilizar entre 48 y 1024 canales de grabacin. El nmero de canales de grabacin se ha ido incrementando conel tiempo y actualmente puede llegar hasta 10000 canales. La exploracin puede ser de reconocimiento, de detalle y 3D.En la exploracin de reconocimiento la distancia entre lneas es de hasta 10 km, en la de detalle hasta 2 km y en 3D hasta50 m . El tiempo de registro por cada disparo es de 4 a 6 segundos con explosivos, y de 10 a 15 segundos si la fuente soncamiones vibradores. El intervalo de muestreo es de 2 ms o 4 ms y el rango de frecuencias tiles de las reflexiones est enla banda de 10 a 80 Hz, con un mximo entre 35 y 40 Hz.La exploracin del subsuelo mediante radar tambin utiliza las tcnicas del mtodo de reflexin ssmica, pero lasprofundidades alcanzadas son mucho ms cortas: entre 0 y 50 m, aunque en la mayora de las ocasiones no alcanza muchoms de los 5 m . Las mayores penetraciones se consiguen en sal, hielo y rocas gneas y metamrficas. La menor ensedimentos arcillosos. Su principal aplicacin es en Arqueologa para localizar muros de construcciones antiguas, canales,tumbas. Tambin se utiliza para localizar tuberas, sitios de enterramiento de desechos txicos y cavidades.Prospeccin por refraccinLa fuente y los detectores se encuentran en la superficie, la cual en la mayora de los casos es tierra. La informa-cin del subsuelo es aportada por las ondas ssmicas refractadas crticamente en las interfases entre estratos de diferentevelocidad de ondas ssmicas compresionales (ondas P). Estas ondas refractadas crticamente tambin se conocen comoondas cnicas, ondas de primera llegada, ondas de cabezera, ondas laterales. Ellas son, con excepcin de las ondas directashasta cierta distancia, las que primero llegan a los receptores desde el instante en que se produce la liberacin de energaen la fuente, por lo que identificarlas y medirles el tiempo de llegada suele ser relativamente sencilloLa mayor aplicacin del mtodo es explorar el subsuelo con fines geotcnicos o mineros a profundidades entre 0 y100 m . Es efectivo para delimitar la interfase entre medios elsticos con un fuerte contraste de velocidad (mayor que 2:1),tal como el que existe entre el basamento de roca inalterada y el material de recubrimiento constituido por aluvin o porroca meteorizada. No suele ser de utilidad para delimitar estratos sedimentarios entre si.VSPEl VSP (Vertical Seismic Profile) o perfil ssmico vertical es una tcnica de exploracin ssmica en la que se tieneuna fuente ssmica en la superficie con varios detectores fijos en un pozo. Se obtienen registros ssmicos, similares a los dereflexin, para varias distancias de la fuente al pozo, con los que se construye un seccin ssmica de su entorno. Lasprincipales aplicaciones del VSP son: diferenciar entre reflexiones primarias y mltiples, medir velocidades de ondacompresional y de corte y ayudar en la conversin de tiempo a profundidad de las secciones ssmicas de reflexin.Este mtodo aprovecha ondas directas y ondas reflejadas.WSTEl WST (Well Seismic Tool) o tiros de verificacin, es una tcnica en la que se tiene un fuente ssmica fija ensuperficie y una sonda (WST) con un receptor dentro del pozo. Para una profundidad dada de la sonda, se obtiene unregistro ssmico en el cual se mide el tiempo de viaje de las ondas primarias desde la fuente hasta el receptor. El procedi-miento se repite para varias profundidades de la sonda. Sus principales aplicaciones son obtener la funcin de conversinde tiempo a profundidad para las secciones ssmicas de reflexin y calibrar los registros snicos.Registro snicoEn esta tcnica se utiliza una herramienta de pozo, la cual contiene un emisor de ondas ssmicas y un par dereceptores a distancias fijas del emisor. La herramienta se introduce por el pozo y a intervalos regulares de profundidad(por ejemplo 1 pie) se mide el tiempo de trnsito de una seal ssmica desde el emisor hasta los receptores. Esta es unaonda cnica producida por refraccin crtica en la formacin geolgica. El inverso de ese tiempo de trnsito representa lavelocidad de propagacin de las ondas ssmicas en el subsuelo a la profundidad donde se efectu la medicin. El mtodo secaracteriza por su alta resolucin para delimitar estratos y tiene extensa utilidad en estudios de petrofsica, estratigrafa,produccin de yacimientos y correlacin de secciones ssmicas con las formaciones geolgicas. Es catalogado como unmtodo de testificacin petrofsica de pozo como los registros elctricos, neutrnicos, gamma ray, SP.Tambin existen sondas que en lugar de pulsos ssmicos utilizan pulsos de radar. Presenta la ventaja de utilizarantenas direccionales por lo que permite medir distancias hasta cavidades y fracturas, determinar ngulos de interseccinentre los estratos y la perforacin y el rumbo del buzamiento de fracturas. Tiene aplicaciones en minera, hidrogeologa ymecnica de rocas. Se usa para investigar sitios para tneles, represas y sitios de excavacin. El equipo es mucho mscostoso que el de ondas ssmicas y la tcnica todava no est muy desarrollada.DownholeEste mtodo es similar al WST, la diferencia estriba en que las aplicaciones del downhole estn ms enfocadas ala Geotecnia, las profundidades son someras (0-100 m) y usualmente se utilizan sondas con detectores de tres componentesvectoriales: una vertical y dos horizontales en direcciones ortogonales. Se registran las ondas P y S tpicamente a interva-los de profundidad de 1 pie. Su finalidad es obtener los parmetros elsticos dinmicos como funcin de la profundidad enel entorno del pozo. Suele ser bastante efectivo y permite aprovechar mejor la inversin realizada en la perforacin. Dosdificultades con este mtodo es que requiere mucha precisin en la determinacin de los tiempos de primera llegada de lasondas si se desea obtener velocidades intervlicas y que el pozo est revestido.CrossholeEsta tcnica para objetivos geotcnicos requiere la perforacin de al menos dos pozos de igual profundidad,preferiblemente tres pozos alineados, con una separacin de unos 3 a 8 m . Igual que en el downhole, se utiliza una sondaque detecta tres componentes vectoriales de las ondas ssmicas; la diferencia est en que la fuente no permanece fija ensuperficie, sino que se coloca a la misma profundidad que la sonda en un pozo adyacente. Si se utilizan tres pozos alinea-dos, se baja la fuente en uno de ellos y una sonda en cada uno de los otros dos. Las dificultades son las mismas que las deldownhole, a las que se agrega la dificultad de utilizar una fuente ssmica dentro de un pozo. Se pueden usar tambinemisores y sensores de radar.TomografaAl igual que el crosshole requiere la perforacin de dos o tres pozos alineados. Tambin se colocan detectores enuno o dos pozos y la fuente en el tercero. La variante es que se toman registros de todas las combinaciones posibles deprofundidades de fuentes y detectores. De esta forma el subsuelo entre los pozos es atravesado por numerosas y diferentestrayectorias fuente-receptor, lo cual permite plantear sistemas de ecuaciones para calcular la distribucin de velocidades ycalidad de la roca. Existen modalidades en que tambin se utilizan fuentes en superficie a diversas distancias del pozo(como en el VSP). Esta tcnica requiere un procesamiento ms elaborado pero proporciona secciones bidimensionales delsubsuelo de buena resolucin. Tiene aplicaciones en Geotecnia y minera. Existe una versin que utiliza radar en lugar deondas ssmicas.Ssmica de galeraSe efecta entre galeras de una mina subterrnea o entre tneles y la superficie. En ella la fuente se encuentra enuna galera o en la superficie y los detectores en otra galera. Se presta para utilizar tcnicas de tomografa. El principalobjetivo es determinar parmetros elsticos dinmicos entre galeras o hasta la superficie. Tambin se usa para localizarfallas, vetas, grado de fracturacin, cavidades, localizar tneles abandonados. Tambin puede utilizarse radar.Recordando que la prospeccin por mtodos ssmicos consiste en explorar el subsuelo mediante ondas ssmicas esevidente que la informacin acerca del subsuelo que se puede extraer directamente de esta forma est limitada a laspropiedades fsicas que gobiernan la propagacin de ondas elsticas. A partir de los registros ssmicos se pueden medirtiempos de llegada de las ondas, amplitudes y frecuencias. Con estas mediciones se pueden calcular velocidades depropagacin de ondas, espesores de estratos, coeficientes de atenuacin, constantes elsticas dinmicas (mdulo dePoisson, mdulo de rigidez, mdulo de volumen, etc). Indirectamente y bajo la suposicin de la existencia de una relacinentre estos parmetros y la litologa se puede construir una imagen aproximada de la geologa del subsuelo.Algunos de los datos que usualmente se especifican en el reporte o informe tcnico de una prospeccin ssmica aprofundidad somera son: Perfil sismoelstico del subsuelo en distancia y profundidad representado mediante el grfico de las interfases entre losdiferentes estratos (esto proporciona espesores y profundidades) Velocidad de ondas compresionales de cada estrato Posible litologa Posibles estructuras geolgicas tales como fallas, altos o depresiones en el basamento rocoso, zonas de fracturacin odisolucin, cavidades Parmetros elsticos dinmicos Grado de fracturamiento, de meteorizacin o de facilidad de fracturacin de la roca Volmenes de materialLgicamente, dependiendo del objetivo de la exploracin y de la tcnica aplicada es posible suministrar uno ovarios de los parmetros citados.En principio, la utilidad de los mtodos ssmicos dependen de la existencia de una relacin entre los parmetroselsticos de los materiales del subsuelo y su litologa (o cualquier otra propiedad que se desee conocer). En general, en lamayora de las situaciones tal relacin existe, sin embargo no suele ser unvoca; por ejemplo, si las mediciones indican quela velocidad de propagacin de ondas ssmicas en el subsuelo es de 2000 m/s esta velocidad no es indicativa de ningunalitologa concreta como caliza, arenisca o arcilla.En general los mtodos geofsicos aportan datos para aproximarse a la solucin de un problema geolgico, mineroo geotcnico, que se suman a los proporcionados por geologa de superficie, perforaciones, ensayos de penetracin, ensayosestticos sobre muestras o in situ, etc. Slo en casos muy particulares la informacin geofsica por si sola es suficiente pararesolver el problema.Los mtodos de exploracin ssmica, en los sitios donde resultan efectivos, suelen utilizarse para reducir costos yaque son ms baratos y rpidos que las perforaciones. Ellos no sustituyen las perforaciones, simplemente disminuyen sunmero. Si en un programa de exploracin se requeran 10 perforaciones, estas pueden reducirse a 4 estratgicamentesituadas y el resto del rea se rellena mediante perfiles ssmicos. En este caso las perforaciones y los sondeos ssmicos secalibranmutuamente.Ventajas y desventajas de la prospeccin por refraccin respecto a las perforacionesLos sondeos ssmicos tienen ventajas y desventajas respecto a las perforaciones, que se pueden resumir en lasiguientelista:Ventajas Ms baratos por metro de profundidad y por sondeo Mayor rapidez de ejecucin No requieren de maquinaria compleja o pesada, la operacin de los instrumentos es relativamente sencilla. Pueden efectuarse an en terrenos con gran pendiente No requieren apertura de vas de acceso, ni acondicionamiento del terreno para operar maquinaria. Slo es necesarioabrir una pica (trocha) para el cable de detectores si la vegetacin es densa. Los datos que aportan reflejan las propiedades promedio de un volumen del subsuelo, es decir, no son puntuales.Desventajas Resolucin muy pobre: no son capaces de diferenciar estratos muy delgados o de propiedades elsticas similares No proporcionan informacin unvoca de la litologa Su efectividad decrece al aumentar la profundidad a explorar Requieren el uso de explosivos para obtener registros ssmicos de buena calidad. Si se usan explosivos es necesario abrir huecos (1-2 m de profundidad) para colocar la carga. El mantenimiento y reparacin de los instrumentos electrnicos de medicin de ondas ssmicas es difcil de obtener enVenezuela. Resultan intiles en zonas de litologa lateramente heterognea o estructuralmente compleja (sedimentacin cruzada,lentes, intercalaciones, conglomerados, zonas de falla), en masas rocosas gneas o metamrficas o en zonas de fuerteatenuacin de ondas ssmicas (rellenos, arenas sueltas secas)PROSPECCION POR REFRACCION SISMICAEs probablemente el mtodo geofsico ms utilizado para obtener datos para Geotecnia del subsuelo somero. Eneste mtodo la fuente y los detectores se encuentran alineados en la superficie del terreno. Se obtienen registros de lasondas que viajan desde la fuente hasta los detectores a travs del subsuelo siguiendo diversas trayectorias o caminos. Enparticular aqu interesan aquellas ondas que siguen la trayectoria de tiempo mnimo y que son las primeras que llegan acada detector. Con ellas se dibuja un grfico donde las abcisas son distancias desde la fuente hasta cada detector y el eje delas ordenadas son los respectivos tiempos de primera llegada. Este grfico se denomina grfico tiempo-distancia, y lascurvas representadas son las dromocrnicas. En principio, a partir de este grfico es posible calcular el perfil de espesoresy la velocidad de propagacin de las ondas ssmicas primarias de cada estrato en el subsuelo.Aplicaciones del mtodo de prospeccin por refraccinEl mtodo proporciona informacin de los espesores y velocidades de los estratos del subsuelo. Esto puede resultarde utilidad principalmente en geologa aplicada a obras civiles (Geotecnia) tales como en la construccin de edificios,puentes, represas, carreteras, taludes en los que interesa la profundidad de la roca inalterada, el grado de meteorizacin delrecubrimiento, localizar materiales de construccin y grado de fractura o de facilidad de fracturacin de la roca y evaluarel riesgo ssmico. En minera para calcular volmenes de material explotable y en Hidrogeologa para ayudar a determinarla continuidad y extensin de acuferos. En general, el mtodo se aplica para: Obtener perfiles del espesor de sedimentos hasta el basamento en una cuenca sedimentaria Localizar fallas, paleocauces, zonas de fracturas en el basamento rocoso somero. Obtener un perfil de espesores y velocidades hasta la roca fresca, diferenciando suelo, roca meteorizada, rocasubmeteorizada y roca inalterada. Calcular volumen de material explotable principalmente en minas de arena, caliza, oro de aluvin, ocre, caoln. Determinar la continuidad de estratos acuferos Calcular los tiempos de trnsito de las ondas a travs de las capas de baja velocidad cercanas a la superficie, paracorreccin esttica de campo en prospeccin por reflexin.El mtodo de refraccin de ondas ssmicas tambin se utiliza en Sismologa para determinar la estructura internade la Tierra, en estudios de la corteza terrestre (con fuentes ssmicas naturales o artificiales) y en las dcadas de los aos30 a 50 se utiliz en prospeccin de hidrocarburos, principalmente para ubicar domos salinos a los cuales suelen estarasociadas trampas de petrleo. Actualmente prcticamente no se utiliza en prospeccin de hidrocarburos, excepto indirec-tamente para calcular la correccin esttica de campo.Fundamento fsicoEn los registros ssmicos de refraccin se utilizan slo, o principalmente, los tiempos de las ondas que lleganprimero a los detectores desde que se activa la fuente de ondas ssmicas. Las ondas que normalmente llegan primero son:1. las denominadas ondas directas, que son ondas P que viajan en trayectoria recta desde la fuente hasta los detectores2. las ondas P refractadas crticamente, denominadas tambin ondas cnicas, las cuales, aunque no siguen una trayectoriarecta entre la fuente y los detectores (distancia mnima), sin embargo, llegan primero que cualquier otra onda porqueviajan por una trayectoria de tiempo mnimo.En la figura 1 se muestra una simulacin matemtica de la propagacin de un campo de ondas en un subsueloformado por dos estratos de espesor constante. El estrato ms superficial tiene una velocidad de ondas P de 500 m/s yespesor 15 m . El estrato subyacente tiene una velocidad de ondas P de 1500 m/s. La fuente ssmica est ubicada en elextremo superior izquierdo del perfil, el cual tiene 97 m de largoy 40 m de profundidad.La onda directa est representada por el frente semicircular que se propaga por el estrato ms somero (medio 1).Es el primer frente de onda en perturbar los puntos de la superficie desde el instante de activacin de la fuente hasta unos88 ms. Durante ese lapso de tiempo, la onda directa recorre una distancia de 42 m desde la fuente (distancia de cruce). Apartir de la distancia de cruce, la primera en llegar es la onda cnica.La onda cnica se presenta en la simulacin bidimensional como un frente de onda recto, pero en tres dimensio-nes sera la superficie inclinada de un tronco de cono, cuyo eje vertical pasa por la fuente, la base est en la interfase entrelos dos estratos y el tope en la superficie. Como se observa en la simulacin, este frente de onda se origina a partir delfrente de onda que se transmite al estrato inferior (segundo medio), concretamente slo de la porcin del mismo que viajaparalela a la interfase. Esta porcin del frente transmitido, que viaja por el segundo medio paralelamente a la interfase, esel frente de refraccin crtica o refraccin total. El da origen a la onda cnica a lo largo de la interfase, porque constituyeuna onda hipersnica respecto a la velocidad de ondas ssmicas en el primer estrato (1500 m/s vs 500 m/s). Es el mismofenmeno que produce la estela de ondas en abanico de una lancha rpida sobre la superficie del agua o el estampidosnico cuando un avin supera la barrera del sonido, es decir, cuando vuela a ms de 350 m/s.Evidentemente, el fenmeno que origina la onda cnica se produce slo si el estrato subyacente tiene una veloci-dad de ondas P mayor que el estrato por encima. Si esto no es as, se tiene una inversin de velocidad y el estratosubyacente no es posible detectarlo con el mtodo de refraccin ssmica.Si la velocidad de las ondas ssmicas es mayor para estratos ms profundos, entonces se originarn ondas cnicasen cada interfase, las cuales sern sucesivamente primeras llegadas. Por cada interfase se tendr una distancia de cruce ensuperficie.Si el primer estrato tiene espesor constante, el frente de onda cnico aparenta propagarse por la superficie con unavelocidad igual a la del segundo estrato. La distancia de cruce entre la onda directa y la onda cnica proporciona informa-cin del espesor del primer estrato (evidentemente el espesor es mayor cuanto mayor sea la distancia de cruce).Cuando los estratos no son paralelos, sino que presentan inclinacin relativa, las velocidades de onda cnicacalculadas para cada estrato a partir de una dromocrnica, son velocidades aparentes. Para poder calcular las velocidadesverdaderas es necesario efectuar dos registros de refraccin: primero se obtiene un registro con la fuente en un extremo deltendido de receptores y despus se obtiene un segundo registro con la fuente en el otro extremo. Esto se conoce como latcnica del doble disparo.Para calcular las inclinaciones de los estratos es necesario disponer de los registros efectuados en dos tendidos dedoble disparo. Estos tendidos deben estar en direcciones cruzadas, preferiblemente a 90 uno respecto al otro. En total seobtendran cuatro registros. De esta forma es posible calcular la inclinacin de cada estrato respecto a la horizontalFigura 1 Mapas que muestran la evolucin del campo de ondas a intervalos de 8 ms en un subsuelo constituido pordos estratos. El estrato superior tiene una velocidad de ondas ssmicas de 500 m/s y un espesor constante de 15 m . Elestrato inferior tiene una velocidad de ondas ssmicas de 1500 m/s. Se destacan: el avance de la onda directa por elrecubrimiento (8 ms, 16 ms, 24 ms); la formacin de la onda transmitida al basamento, la cual tiene mayor velocidadylongituddeondaqueladirecta(32ms,40ms);laaparicindelaondacnicaenelrecubrimiento(48ms),notndose que es tangente a la reflejada (56 ms); la llegada de la onda reflejada y la onda cnica a la superficie (64ms); el adelantamiento de la onda cnica a la onda directa en su llegada a la superficie (80 ms, 88 ms). Notar que elavancedelaondadirectaporlasuperficieesreal,mientrasqueeldelaondacnicaesaparente.Laondacnicaavanza por la superficie con una velocidad aparente igual a la velocidad verdadera del basamento porque el espesordelrecubrimientoesconstante(mapas64a96ms).Lasflechasindicanlaposicindelfrentedeondadeprimerallegada en la superficie. 8 ms 16 ms24 ms32 ms40 ms48 ms56 ms64 ms72 ms80 ms88 ms96 ms 104 ms112 ms120 ms50100150200250300350400450500Distancia (m) 10 20 30 40 50 6070 80 90100 110120Canal1 2345 6 7 891011 12CARFigura 2. Ejemplo de registro ssmico. El registro contiene 12 trazas. Cada traza representa las oscilaciones delterreno captadas por un sensor (gefono), el cual las enva como seales elctricas a su correspondiente canal en elsismgrafo. En el ejemplo, los sensores se encuentran alineados a intervalos de 10 m, estando el sensor del primercanal a 10 m de la fuente ssmica, el sensor del segundo canal a 20 m, etc. El tiempo total de grabacin es 500 ms.En el registro se destacan varios trenes de ondas coherentes. Estn las ondas superficiales de gran amplitud (G), laonda de aire de alta frecuencia (A), reflexiones (R), la onda directa (D) y la onda cnica (C). En prospeccin porrefraccin slo se utilizan los tiempos de llegada de las ondas directa y cnica. En prospeccin por reflexin seutilizan slo las reflejadas, despus de haber procesado el registro ssmico para eliminar todas las dems ondas.GDTiempo (ms)(buzamiento o echado) y su direccin (rumbo).En la figura 2 se muestra un registro ssmico real de refraccin. El registro consta de 12 trazas. Cada traza es unarepresentacin grfica de las oscilaciones del terreno con el tiempo, captadas por un sensor en la superficie del mismo. Elsensor al ser movido por las ondas ssmicas genera seales elctricas, las cuales son enviadas a travs de un cable hasta uncanal del sismgrafo. En el sismgrafo las seales son amplificadas, filtradas, grabadas y representadas grficamente enforma de traza. As, este registro de 12 trazas fue generado por un sismgrafo de 12 canales.En el terreno los sensores se encontraban alineados, colocados a intervalos de 10 m . La fuente ssmica se encon-traba a 10 m del primer sensor (la traza del primer canal es la situada mas a la izquierda en el registro). El registro seinici en el instante en que se activ la fuente ssmica y la grabacin dur 500 ms (medio segundo). Las lneas horizonta-les en el registro representan intervalos de 50 ms, con lo que proporcionan una escala de tiempo.Mediante flechas se indican algunas de las oscilaciones en las trazas producidas por diversos tipos de ondas. Enestos registros, los trenes de ondas que presenten mayor pendiente tienen menor velocidad, mientras que los que tienden aseguir un patrn horizontal son los de mayor velocidad. Las mayores amplitudes se deben a ondas superficiales, las cualesaunque dominan en el registro, no son de utilidad en el mtodo de prospeccin por refraccin y por ello se las consideraruido. Otra onda de ruido que se destaca es la onda de aire, la cual se caracteriza por su alta frecuencia (oscilaciones deperiodo corto), no ser dispersiva y velocidad de propagacin de unos 350 m/s .Los trenes de onda que son de utilidad en este registro son los primeros en llegar en cada traza. Naturalmente sedescartan los eventos de ruido ambiental casi siempre presentes y mas notorios en las trazas de los canales mas lejanos a lafuente. Estos eventos normalmente no presentan coherencia, es decir no pueden ser seguidos traza a traza de acuerdo a unpatrn de oscilacin, como el los casos de las ondas superficiales, onda de aire, onda directa y onda cnica. Existenalgunos eventos de ruido al comienzo de algunas trazas que presenta muy alta frecuencia y muy alta velocidad. Estos sedeben a interferencia elctrica probablemente producida internamente por el sismgrafo.En este registro la onda directa se destaca como primera llegada nicamente en la primera traza. En las demstrazas, la primera llegada es de la onda cnica, la cual proviene slo de una interfase.Etapas de la prospeccin ssmica por refraccinLa prospeccin por refraccin tiene cuatro etapas:1. Recopilacin de informacin y planificacin2. Adquisicin de datos en campo3. Procesamiento de los datos4. InterpretacinRecopilacin de informacin y planificacinEn esta etapa se obtienen todos los datos disponibles relevantes sobre la zona de prospeccin, ello incluye: mapas e informes de geologa de superficie registros e informes geofsicos previos registros e informes de perforaciones geotcnicas informes de pozos de agua mapas topogrficos fotografas areasEn base al objetivo de la prospeccin y la informacin disponible se disean los parmetros de adquisicin, en los que secuentan: rumbo de las lneas ssmicas nmero de lneas ssmicas distanciaentrelneas distanciaentretendidos distancia entre receptores distanciafuente-primerreceptor duracin de registro intervalo de muestreo tipo de fuente ssmica si la fuente son explosivos: profundidad de hueco y cantidad de explosivoLos mapas e informes de geologa de superficie proporcionan informacin de la distribucin areal y vertical delas formaciones geolgicas presentes en el lugar. Adems, conociendo la litologa de los estratos podemos estimar losvalores de velocidad que son de esperarse en los registros de refraccin, incluyendo la posibilidad de fenmenos deinversin de velocidad y capa delgada. Con la informacin de espesores y buzamientos se puede estimar el tiempo deregistro. Finalmente, el rumbo de los estratos en los afloramientos permite establecer el rumbo preferente de los tendidosde refraccin.Los informes geofsicos previos de refraccin permiten preveer la relacin seal/ruido del sitio, los requerimien-tos de energa, posibles dificultades de adquisicin, cantidad de estratos detectables y sus velocidades y tiempo de registro.Los informes geofsicos de otros mtodos como sondeos elctricos tambin resultan de utilidad porque tambin definenestratos y profundidad de basamento. Tambin pueden ayudar en la interpretacin en caso de inversin de velocidad, yaque los estratos con inversin que no se detectan por refraccin ssmica, pueden sin embargo manifestarse en el sondeoelctrico.Los informes de perforaciones geotcnicas pueden proporcionar informacin de los espesores y distribucinvertical de las principales unidades geolgicas. Si la informacin incluye medidas de SPT o RQD estas se pueden utilizarpara estimar las velocidades de refraccin, y detectar la presencia de inversiones de velocidad o capa delgada. Los datos depozos son muy importantes para calibrar los espesores calculados por refraccin e identificar las unidades geolgicas quese manifiestan en los registros ssmicos.Los informes de pozos de agua tambin pueden proporcionar informacin sobre litologas y espesores. Son muyimportantes cuando el objetivo del sondeo ssmico de refraccin es el seguimiento de un estrato acuifero, porque ayuda aidentificar las ondas de primera llegada del acufero en el registro ssmico y permite calibrar la profundidad calculada conel mismo.Los mapas topogrficos permiten preveer la irregularidad del terreno en el sitio de adquisicin, planificar laubicacin de los tendidos ssmicos, calcular correcciones por topografa de los espesores calculados (si no es posiblerealizar un perfil topogrfico para los tendidos ssmicos). Una vez realizado el levantamiento tambin sirven como mapade ubicacin de los sondeos para el informe tcnico.Las fotografas areas sirven para conocer las condiciones del terreno donde se efectuar el sondeo (por ejemplovegetacin, pantano, taludes). Tambin para ubicar las vas de acceso al lugar.La fuente ssmica y los sensores usualmente se colocan alineados sobre una recta porque es necesario que lossensores capten las ondas a lo largo de la direccin en que estas se propagan. Esto permite calcular su velocidad. Escorrecto suponer que en la mayor parte de las situaciones la proyeccin horizontal de la trayectoria seguida por las ondases una recta. Cuando se efectan varios sondeos a lo largo de una recta, esta se denomina lnea ssmica. El rumbo de laslneas ssmicas se procura en lo posible que sea perpendicular al rumbo de las estructuras a explorar en el subsuelo. Lainformacin del rumbo se obtiene normalmente de datos de geologa de superficie, de la tectnica regional o de lneasssmicas previas. Si se desea realizar un mapa de los refractores en el subsuelo es conveniente efectuar tambin lneasortogonales a las lneas principales.La distancia entre tendidos en una misma lnea debe ser tal que permita un seguimiento continuo del refractorde inters, sin que queden intervalos sin registrar. Esto siempre implica el solapamiento de los tendidos. Por ejemplo, untendido puede medir 300 m, pero el siguiente tendido en la lnea puede estar a slo 120 m, por lo que existir unsolapamiento de 180 m .La separacin entre lneas paralelas depende del detalle que se desea del relieve del subsuelo. Como regla, ladistancia entre lneas debera ser menor o igual que la mitad de la longitud del detalle deseado del subsuelo. Por ejemplo,si se desea cartografiar paleocauces con un ancho de 10 m en el basamento, la distancia entre lneas debera ser menor de5 m . No obstante, por razones econmicas esta regla pocas veces es aplicable. Se pueden utilizar distancias mayores conel fin de localizar estructuras pero no para cartografiarlas arealmente.No es indispensable que los receptores se coloquen a intervalos regulares. Si el sondeo consta de un solo registrodoble disparo es conveniente que el espaciamiento entre detectores sea menor cuanto menor sea su distancia a la fuente,con el fin de favorecer el que las ondas cnicas provenientes de capas mas someras sean detectadas. Sin embargo, cuandose realiza una lnea ssmica con mltiples tendidos solapados, se acostumbra mantener los sensores a una distanciaconstante para facilitar las operaciones de campo. En este caso la distancia entre receptores sigue la misma regla que ladistancia entre lneas. La restriccin econmica en este caso no es tan fuerte. No obstante hay que tomar en cuenta que lossismgrafos para prospeccin ssmica tienen un nmero limitado de canales de grabacin, y que adems los cables dedetectores tienen una longitud mxima prefijada entre las conexiones elctricas de cada canal. Actualmente el nmero decanales es tpicamente de 12 a 48y las distancias mximas entre conexiones oscilan entre 5 y 30 m . As que para calcularla distancia entre detectores tambin hay que tomar en cuenta el equipo que se dispone.Ampliando lo referente a la distancia entre lneas o entre detectores, esta no debe ser mayor que 0.5 veces lalongitud de onda de las estructuras de la interfase refractora para evitar el aliasing o solapamiento espectral. Preferible-mente la distancia mxima entre detectores debe ser 4 veces menor que la menor longitud de onda estructural que se deseadefinir. Por otra parte, existe una restriccin que permite estimar la distancia mnima entre detectores: fsicamente no esposible obtener una resolucin espacial o temporal ilimitada; por ejemplo, no es posible distinguir la presencia de unguijarro de 10 cm de dimetro a 10 m de profundidad. Por ello, sera intil colocar detectores cada 5 cm con la esperanzade localizar el guijarro. El lmite de resolucin (capacidad de separar, distinguir, diferenciar) depende del ancho de bandade longitudes de onda recibidas del subsuelo y de la distancia entre el rasgo geolgico observado y el detector ssmico. Paradistinguir estructuras pequeas se requieren longitudes de onda corta y gran ancho de banda. Como las ondas ssmicas delongitud de onda corta se atenan rpidamente, pocas veces se pueden diferenciar rasgos de longitud menor que 1 metro.La resolucin disminuye adems con la profundidad del refractor y la distancia fuente-receptor, debido al efecto de zonasde Fresnel y a que cuanta mayor distancia recorra una onda por el subsuelo ms se atenuar.La distancia fuente-primer receptor suele ser ms corta que la distancia entre detectores para asegurar elregistro de primera llegada de la onda directa, la cual proporciona la velocidad de la primera capa y un estimado de suespesor. Esta distancia generalmente es inferior a los 10 m .La duracin del registro debe ser suficiente para asegurar la llegada de ondas cnicas del refractor ms profundoque se desea registrar. Se puede hacer un estimado en base a la profundidad del objetivo y la distribucin de velocidadeshasta la superficie. El rango tpico es de 100 a 400 ms de duracin. Sin embargo, la forma mas correcta de establecer laduracin del registro y la longitud total del tendido es mediante registros de prueba. Para ello, manteniendo la fuente fijaen un punto, se van tomando registros ssmicos para sucesivos tendidos contiguos de gefonos, cada vez mas alejados de lafuente. Por ejemplo, si en el primer registro el primer gefono se encontraba a 5 m de la fuente y el ltimo gefono a 60 m,en el segundo registro el primer gefono se colocar a 65 m de la fuente y el ltimo a 120 m, en el tercer registro el primergefono se colocar a 125 m y el ltimo a 180 m, etc. El tendido se sigue alejando hasta que aparece la onda cnica delrefractor de inters (normalmente un basamento de roca inalterada, caracterizado por una alta velocidad). El tiempo degrabacin durante esta adquisicin de prueba se pone suficientemente grande desde el primer registro para asegurarse porexceso. La energa de la fuente ssmica debe incrementarse a medida que se aleja el tendido para compensar la atenuacinde las ondas con la distancia. Los registros obtenidos se pueden colocar unos al lado de otros, formando el equivalente alregistro de un tendido con una longitud total igual a la suma de longitudes de los tendidos individuales. Este registrocompuesto permite conocer la longitud de tendido necesaria para que aparezca la onda cnica del objetivo, el tiempo degrabacin, el nmero de refractores y un estimado de sus velocidades y espesores. Aunque es mas fcil de realizar encampo, no es correcto ni es equivalente, el mantener el tendido fijo e ir obteniendo registros con la fuente a distancias cadavez mayores.El intervalo de muestreo depende de la precisin con que se deseen medir los tiempos de llegada de las ondasssmicas. Esto afecta la precisin de las profundidades y velocidades calculadas. En la prctica depende tambin de laduracin del registro ssmico, porque los sismgrafos slo pueden almacenar un nmero finito de valores de amplitud porregistro. El producto de el intervalo de muestreo por el nmero de muestras de una traza es igual a la duracin del regis-tro. Tambin depende de la mayor frecuencia que es posible recibir del subsuelo debido a la atenuacin. Los valores tpicosdel intervalo de muestreo son 0.5 y 0.25 milisegundos, los cuales permite grabar seales con frecuencias en el rango de 0hasta 1000 y 2000 Hz respectivamente.La fuente ssmica ms adecuada son los explosivos, tales como plvora o dinamita. Ellos proporcionan la mayorcantidad de energa para una buena deteccin de las primeras llegadas. Presentan inconvenientes, como son la necesidadde tomar medidas de seguridad en su manejo, transporte y almacenamiento; los trmites y permisos para su adquisicin;su costo; la necesidad de excavar hoyos para su explosin. Otras fuentes son los impactos de mandarria sobre una placametlica o la cada de pesos. Su alcance es bastante limitado y la mayora de las veces slo son tiles para tendidosssmicos no mayores de 60 m .La cantidad de carga ssmica depende de la longitud del tendido y de la atenuacin del subsuelo en el sitio deprospeccin. Lo normal es usar 100 g de plvora negra por cada 60 m . Esta cantidad puede ser mayor en lugares donde elsuelo es arena seca y suelta, relleno, roca fragmentada o el ruido ambiental es grande.La profundidad del hoyo como regla debe ser lo mayor posible, y asegurar un buen taponamiento del mismo paraevitar que se pierda energa de la explosin en proyectar material (soplo). Preferiblemente debe tener una profundidadmayor que 1.5 mAdquisicin de datos en campoInstrumentosDetectores:Existen dos tipos principales de detectores: gefonos e hidrfonos. Los gefonos son unos transductores queconvierten el movimiento vibratorio del terreno en seales elctricas. Fsicamente estn descritos por un oscilador mecni-co simple, de un slo grado de libertad que comprende una masa, un resorte y un amortiguador viscoso. Elctricamente esun oscilador descrito por un sistema RCL. Constan de una bobina y un imn, siendo el imn la masa inercial. Al paso deuna onda, la bobina se mueve con relacin al imn, originando por induccin una corriente elctrica proporcional a lavelocidad del movimiento relativo. El mximo voltaje que pueden generar no suele pasar de 1 v.Los gefonos detectan las componentes de un campo vectorial, como lo son el desplazamiento, la velocidad y laaceleracin de las partculas del terreno. La mayora de los gefonos usados en prospeccin ssmica son gefonos develocidad; esto es, tienen una respuesta espectral plana a la velocidad de la partcula en una banda usualmente compren-dida entre 10 - 500 Hz. En Sismologa se usan sensores para medir la aceleracin de la partcula (acelermetros).Debe diferenciarse entre velocidad de la partcula y velocidad de la onda. La velocidad de la partcula es lavelocidad con que se mueve una determinada partcula del suelo al paso de una onda ssmica. Esta velocidad depende delmaterial de la partcula, la potencia de la fuente, la distancia a la fuente y de la atenuacin. Usualmente tiene magnitud delorden de milsimas a millonsimas de metro por segundo. La velocidad de la onda se refiere a la velocidad con que setransmite o propaga una perturbacin ssmica por un medio material. Esta velocidad slo depende de las propiedadeselsticas del material y no de la potencia de la fuente. Normalmente es del orden de 200 a 6000 metros por segundo.La gran mayora de los gefonos que se fabrican, son gefonos de componente vertical. Estn diseados pararesponder slo a la componente vertical de la velocidad de la partcula, por eso deben colocarse lo ms vertical posiblepara evitar que pierdan sensibilidad. Si el terreno est inclinado, como en la ladera de una montaa, de todas formasdeben colocarse verticales segn la gravedad, y no perpendiculares al suelo.Existen tambin gefonos de componente horizontal, los cuales se usan cuando se desea registrar preferentementeondas S. No son de mucha utilidad en prospeccin por refraccin. Tambin existen gefonos de tres componentesortogonales: una vertical y dos horizontales. En realidad se trata de tres gefonos independientes ensamblados dentro deuna misma carcasa. Se usan en reflexin ssmica, ssmica de pozos y ssmica de galeras para la medicin de parmetroselsticos dinmicos.Los gefonos vienen provistos de un clavo, de unos 5 cm de largo para fijarlos al suelo. El gefono debe quedarfirme al suelo para que se mueva solidario con este, por ello se debe tener cuidado cuando el suelo es arena suelta, arcillamojada o tiene una capa de restos vegetales gruesa. En estos casos debe removerse la arena o los restos vegetales antes declavar el gefono. Un clavo extralargo ayuda a mejorar el acople del gefono con el terreno.Los hidrfonos son detectores de ondas acsticas en el agua. Son anlogos a los micrfonos de telfono, quedetectan ondas acsticas en el aire. Al paso de una onda ssmica por el agua se producen variaciones de presin, las cualesinducen una seal elctrica en los hidrfonos. La deteccin se basa en el efecto piezoelctrico. El campo registrado es uncampo escalar (campo de variacin de presin).Cables de transmisinLa seal elctrica generada por los gefonos o hidrfonos es transmitida mediante un conductor elctrico hasta elsismgrafo. La seal de cada detector a una distancia dada a la fuente es independiente de la de otros detectores a otrasdistancias; por ello, por cada uno se requiere un par de conductores elctricos aislados. Cada par de conductores lleva laseal a un canal de amplificacin y registro en el sismgrafo. Por ejemplo, si se tienen 12 gefonos independientes, elcable de gefonos debe tener 24 conductores aislados y el sismgrafo debe tener 12 canales. Esto es similar a los cables detelfonoA intervalos regulares el cable de transmisin tiene conectores o puntos de toma para los detectores. La conexinentre detectores y el cable puede efectuarse mediante pinzas o mediante enchufes banana. La distancia entre puntos deconexin es fija de fbrica y se pueden comprar cables con separacin tpicas entre tomas de 5 m, 10 m, 30 m o 50 m . Losconductores elctricos dentro del cable de transmisin deben estar aislados y blindados. El blindaje es para evitar queocurra el paso de la seal de los conductores de un canal a los de otro por induccin electromagntica (crossfeed). Estopuede suceder si la seal de un canal es muy fuerte. Igualmente el blindaje contribuye a evitar que el cable de transmisinse convierta en una gran antena de 60 o 300 m de largo que capte seales electromagnticas emitidas por estaciones deradio, lneas elctricas, tormentas atmosfricas, motores elctricos, etc.SismgrafoLos sismgrafos son aparatos electrnicos que amplifican, filtran y registran las seales elctricas generadas porlos detectores de ondas ssmicas. Equivalen en cierta forma a un osciloscopio de mltiples canales.Los sismgrafos usados actualmente en refraccin tienen 12, 24, 48 o 64 canales. Cada canal recibe una sealelctrica independiente y tiene su propio mdulo de amplificacin, filtrado y memoria. Si un canal se estropea o suprimelos dems no quedan afectados.Los sismgrafos de refraccin tienen una ganancia fija en tiempo en el rango de 0 a 90 decibeles, con paso de 6decibeles. Es posible especificar individualmente la ganancia de cada canal en dicho rango.Disponen de filtros pasobajo, pasoalto, pasabanda, rechazabanda y filtro estrecho (notch) de 60 Hz. Estos filtros,en la prospeccin por refraccin, estn destinados principalmente a eliminar el ruido ambiental (ruido no generado por lafuente ssmica). Un ruido ambiental fuerte no permite establecer con seguridad el tiempo de primeras llegadas de las ondasssmicas; sin embargo, un filtrado intenso del ruido ambiental tambin afecta la forma de la seal ssmica, ya sea hacin-dola ms suave o provocando que presente ms rizos segn el tipo de filtro usado. Ambos efectos son inconvenientes paradeterminar con exactitud el tiempo de primera llegada.Los sismgrafos tambin poseen un monitor en el cual se representan las oscilaciones de las ondas registradas. Enel monitor se pueden observar las seales recibidas de los detectores en tiempo real, -igual que en un osciloscopio- o lasseales grabadas en la memoria del sismgrafo despus de efectuar un registro. La grfica de las oscilaciones recibidas enun canal se denomina traza. En el monitor se mostrarn tantas trazas como canales disponga el sismgrafo.Los sismgrafos actuales son digitales. Esto implica dos caractersticas:1.La seal elctrica recibida de cada canal es muestreada a intervalos regulares de tiempo. Cadamuestra es un valor de amplitud de la seal, medido en microvoltios. De esta forma no se tiene un registro continuo de laseal, como en una grabacin analgica, sino valores numricos de su amplitud a intervalos de, por ejemplo, 0.5milisegundos. Si se efecta un registro de 1 segundo de duracin, con un intervalo de muestreo de 0.5 milisegundos,entonces se tendrn 2000 valores de amplitud por cada traza.2.Los valores de amplitud de las muestras slo pueden ser valores enteros dentro de cierto rango. Es decir,la seal est cuantizada. La representacin digital de amplitudes es en base 2 debido a la lgica binaria de los circuitoselectrnicos. Entonces el rango de valores de amplitud que puede manejar el sismgrafo depender de cuantos bits se usenpor muestra. Valores tpicos son 8, 10, 12 y 16 bits por muestra. Cuantos ms bits, mayor es el rango de amplitudes, menores la posibilidad de que una seal supere el valor mximo representable y ms costoso es el sismgrafo.Los sismgrafos digitales tienen la capacidad de apilar: despus que se efecta un registro, este queda guardadoen la memoria electrnica del sismgrafo, de forma que si se efecta un segundo registro este ltimo se puede sumar alanterior, e igualmente se puede hacer con registros sucesivos. Esta tcnica se usa para mejorar la relacin seal/ruido, esdecir: destacar las ondas de las refracciones y reflexiones con relacin al ruido incoherente ambiental. Si la seal y el ruidomantienen sus caractersticas espectrales con el tiempo, entonces el mejoramiento de la relacin seal/ruido ser n,donde n es el nmero de registros sumados. De acuerdo a esto, para mejorar la relacin seal/ruido dos veces debensumarse cuatro registros y para mejorarla tres veces se deben sumar nueve registros. Este mtodo es til mientras larelacin seal/ruido de cada registro individual no sea demasiado baja. Si es pequea, la cantidad de registros a sumarpara mejorarla es tan grande que se torna imprctico. Tambin se debe notar que el mejoramiento es respecto al ruidoincoherente ambiental. Si el ruido es coherente, y sobre todo si est asociado a la propia fuente, la suma de registros nomejora la relacin seal/ruido.Dependiendo del sismgrafo, se pueden presentar las trazas en forma de oscilacin simple o con rea variable. Enmodo rea variable las deflexiones positivas de las oscilaciones se rellenan con el fin de ayudar visualmente a seguir lasllegadas de ondas de un canal a otro. El rea variable es ms til en registros de reflexin que de refraccin.Se puede tener un registro permanente de varias formas. Una es mediante una impresin en papel. El sismgrafolleva incorporado un pequeo impresor el cual puede ser de tipo trmico o tipo electrosttico. Los modelos de los aos 70usaban papel fotosensible y los primeros sismgrafos de prospeccin utilizaban pelcula fotogrfica, la cual haba querevelar despus de la adquisicin.Otra forma conveniente de almacenar los registros ssmicos es mediante una unidad normal de disquetes decomputadora, la cual viene tambin incorporada al sismgrafo. Otra forma es transferirlo va puerto electrnico a unaunidad externa de lectura/escritura de cintas magnticas o a una computadora.Actualmente los sismgrafos poseen un procesador de computadora, lo que le permite procesar los datos encampo en el momento de la adquisicin. Los programas necesarios pueden ser cargados desde una unidad de disco.Algunas de los procesos que pueden efectuar son: seleccin automtica de los tiempos de primeras llegadas en refraccin,clculo de velocidades y espesores, aplicar filtros a las trazas en memoria, realizar anlisis de velocidad en reflexin, etc.FuentesPara prospeccin por refraccin existen dos fuentes principales de ondas ssmicas: explosivos y fuentes deimpacto.ExplosivosLos explosivos proporcionan la mayor cantidad de energa posible requerida en prospeccin. Producen un pulso ovibracin de corta duracin, alta intensidad y fase mnima, todas ellas caractersticas deseables.La duracin corta del pulso de explosin implica que contiene una banda espectral de frecuencias ancha y ello esdeseable para tener buena resolucin y unos tiempos de primera llegada bien definidos. La alta intensidad es necesariapara poder observar refracciones o reflexiones de estratos profundos y receptores alejados de la fuente. Cuanto mayor seala distancia que tenga que recorrer la onda ssmica desde la fuente hasta el receptor ms se atenuar, reduciendo de estaforma la relacin seal/ruido. Por ello cuanto ms largo sea el tendido o ms atenuante el material se requerir mayorcantidad de explosivo por disparo.Los explosivos son normalmente plvora negra, dinamita y fulminantes. La plvora negra es menos potente, tieneun tiempo de explosin ms lento y presenta dificultades para su manipulacin segura; sin embargo es ms barata, tienemejor rendimiento por peso, el fulminante es sencillo (por ejemplo un bombillo de flash) y requiere menos permisos parasu uso. La dinamita es ms segura porque requiere una mayor energa de activacin para iniciar la explosin y adems esmas potente. Los fulminantes, cuyo fin es detonar explosivos mas potentes como la dinamita, pueden usarse por si soloscomo fuente de energa. Para aumentar su potencia se conectan varios en serie.Todas las fuentes explosivas deben ser detonadas en un hoyo con el fin de mejorar el rendimiento de la explosin.No debe olvidarse que el objetivo es lograr generar la mayor cantidad de ondas elsticas, no volar el suelo. Es mejor laexplosin que ocurre sin ningn efecto visible en la superficie que la que produce un chorro espectacular de tierra. Lacarga se aprovechar mejor cuanto mejor confinada est y ms rgido sea el material que la rodea. Al ocurrir una explo-sin, los gases se expanden deformando el material del entorno. Hasta cierto radio desde el punto de la explosin ladeformacin es plstica o anelstica, la energa se pierde en calor y en romper, comprimir y deformar el material dentrodel rango no elstico. Esta energa no se aprovecha para generar ondas ssmicas. A partir de cierta distancia, la presin dela explosin disminuye lo suficiente para que los materiales se deformen dentro del rango que se considera lineal, que esdonde comienzan a propagarse ondas elsticas. Cuanto ms rgido sea el material mejor resistir la presin de la explosinsin romperse ni deformarse en forma no lineal. Tambin por esta razn las cargas pequeas tienen un mejor rendimientopor peso de explosivo, aunque en trminos absolutos generen menos energa. Unas reglas prcticas para mejorar elrendimiento de la explosin son: Excavar el hoyo lo ms profundo y estrecho posible. Si la excavacin es manual esto implica una profundidad entre1.25 y 2.00 m y un dimetro entre 12 y 20 cm . Conviene que el hoyo sea profundo para que la carga explote enmaterial ms compacto y no se pierda tanta energa por proyeccin de material hacia la superficie ni en la generacinde ondas superficiales. Si el nivel fretico est presente cerca de la superficie procurar colocar la carga por debajo del mismo. El suelo satura-do presenta mayor resistencia a la deformacin y as ms energa de la explosin ser invertida en generar ondaselsticas. Compactar el material a medida que se entierra la carga y agregar agua. Esto es para evitar que parte de la energa dela explosin se pierda en expulsar la tierra hacia la superficie. Evitar en lo posible excavar los hoyos en tierra seca, arenosa, suelta, con grava. En estos casos el rendimiento suelo sermuy bajo. Si no se tiene alternativa entonces procurar saturar el hoyo con abundante agua y taponar el hueco conarcillahmeda.No tapar el hueco con material que contenga piedras, ni colocarle ningn peso encima. Si sale proyectado elmaterial con la explosin esto podra causar heridas, daar equipos, romper vidrios de automviles. Tampoco utilizartierra que contenga races, plantas o ramitas porque debilita el taponamiento.La forma tpica de detonar la carga en fuentes ssmicas es mediante el paso de una corriente elctrica la cualactiva un fulminante y este a su vez la carga explosiva. En el caso de plvora el fulminante puede ser un bombillo de flash,que al quemarse prende la plvora. Con dinamita el fulminante es una pequea carga de una sustancia explosiva activadapor un filamento elctrico que se pone incandescente al pasar la corriente. El fulminante a su vez proporciona la energade activacin necesaria para la dinamita.Se denomina tiempo cero al instante en que se activa la fuente ssmica y a partir del cual se calcula el tiempo dellegada de las ondas ssmicas. El sismgrafo requiere conocer el instante de la explosin o tiempo cero para iniciar elregistro. Esto se le proporciona mediante la apertura o cierre de un circuito elctrico o una seal elctrica.Una forma consiste en colocar un gefono de referencia cerca del hoyo donde est la carga. Cuando sta explota,el gefono genera una fuerte seal que es enviada mediante un cable elctrico hasta el conector para tiempo cero en elsismgrafo. La seal es tomada por el sismgrafo para iniciar la grabacin. La ventaja es su simplicidad. Los inconvenien-tes son: 1) un ruido ambiental fuerte puede iniciar la grabacin antes de tiempo, 2) el tiempo cero est retrasado porque lasondas deben viajar desde el fondo del hoyo hasta el gefono de referencia, este retraso debe ser corregido, 3) el gefono dereferencia puede daarse o perderse si sale proyectado material con la explosin.Otra forma consiste en utilizar la seal elctrica generada al cerrar el circuito elctrico para explotar la carga.Esto se realiza mediante una derivacin elctrica en paralelo que se conecta al circuito de tiempo cero del sismgrafo.Tiene el inconveniente de que el tiempo cero presenta un adelanto respecto a la explosin, debido a que el explosivo tardacierto tiempo en quemarse desde que se cierra el circuito elctrico. Esto es particularmente notorio en explosivos lentoscomo la plvora, la cual puede tardar hasta 50 ms en quemarse, mientras que la precisin deseada en los tiempos deprimera llegada es del orden de 1 o 2 ms. Tambin se presenta retardo en la explosin si las pilas del detonador se encuen-tran agotadas, porque entonces el filamento del fulminante tarda mas en alcanzar la temperatura de ignicin. Adems estadiferencia de tiempo es variable de una explosin a otra. El problema se reduce si se utilizan explosivos rpidos y baterasde automvil para activar la detonacin.Una tercera alternativa es rodear la carga mediante un cable, el cual completa un circuito elctrico hasta laconexin de tiempo cero del sismgrafo. Al ocurrir la explosin el cable se rompe y el circuito elctrico se abre, siendoesta la seal para que el sismgrafo inicie el registro. Este mtodo tiene el inconveniente de requerir dos cables que entranal hoyo con la carga: uno para detonarla y el otro para establecer el tiempo cero. En este caso se debe poner especialcuidado en identificar los cables para evitar accidentes: si por error se conecta el cable de detonacin al circuito de tiempocero del sismgrafo ste podra detonar la carga inesperadamente.De todas formas, sea cual sea el mtodo para establecer el tiempo cero, cuando se utilizan explosivos como fuentede energa, las ondas ssmicas siempre se originan con retraso respecto al instante de la detonacin, porque mientras seforma la cavidad explosiva la deformacin del suelo no es elstica. Este retraso es mayor cuanto mas blando sea el terreno.Si se tienen dudas de la certeza del tiempo cero que utiliza el instrumento es conveniente colocar el sensor del primercanal cerca de la fuente y utilizar la tcnica de ruptura de circuito elctrico para establecer el tiempo cero. Si todo funcionacorrectamente el tiempo de primera llegada en el primer canal debera ser de unos pocos milisegundos: que es aproxima-damente el tiempo necesario para recorrer una distancia igual a la profundidad del hueco donde se coloc el explosivo. Enla prctica debe estar entre 2 y 5 milisegundos para huecos menores de 2 m.Fuentes de impactoLa ms simple consiste en un golpe de mandarria sobre una placa metlica. La mandarria pesa unos 8 kg. Ungolpe de mandarria directamente sobre el suelo no se traducira en la generacin de ondas elsticas, sino en la deforma-cin no elstica del suelo. La placa de acero, que apenas se deforma, reparte la fuerza del golpe en toda la superficie decontacto con el terreno, por lo que la presin aplicada es relativamente pequea y de esta manera la deformacin del suelose mantiene dentro de su rango elstico. Lo que se debe asegurar es un buen acople entre la placa y el terreno. Para ello sedebe aplanar y librar de vegetacin el sitio donde se coloque la placa. Si el suelo presenta cantos o grava es convenientecrear una cama de arcilla o arena para la placa. Debe procurarse siempre empapar el suelo con agua en el punto fuentepara mejorar el acople.Otra fuente de impacto consiste en una masa metlica grande (50-100 kg) que se deja caer desde una altura deunos 2 m. Conviene que la masa tenga una base redonda para que el impacto sobre el suelo sea uniforme. Presenta algunasdificultades, como son el transporte y manipulacin de la masa y la necesidad de un trpode y sistema de poleas paraalzarla.El tiempo cero se puede establecer utilizando un gefono de referencia cerca de la plancha o del punto de impac-to. Tiene los inconvenientes de el retraso en el tiempo cero, el de que un ruido ambiental fuerte puede iniciar el registro, yla posibilidad de estropear accidentalmente el gefono.Con mandarria se suele utilizar un sensor de impacto o bien un circuito elctrico especial que se atornilla o atafirmemente al mango. Cuando la mandarria golpea la placa, el impacto hace que se cierre el circuito elctrico, lo cualsirve de seal al sismgrafo para iniciar el registro.Procedimiento de adquisicinEl proceso tpico es el siguiente: Se ubican las lneas sobre el terreno de acuerdo a los mapas y se abren las picas o rebaja la vegetacin para facilitar elmovimiento de equipo, cables, detectores, etc. Se clavan estacas en los sitios donde estarn ubicados los detectores y las fuentes Se efecta un perfil topogrfico de las lneas ssmicas sino se dispone de uno adecuado a partir de los mapas. Suele sersuficiente un perfil de nivelacin, con valores de cota en los puntos donde estarn situados las fuentes y los detectores. Se abren los hoyos para las cargas ssmicas en caso de utilizarse explosivos como fuente de energa. Se extiende el cable de detectores para el primer tendido de la lnea ssmica. Cada toma elctrica del cable debe caer enla estaca que seala la ubicacin de un detector. Se clavan los detectores en el terreno (gefonos). Luego se conectan a la toma o conexin elctrica del cable dedetectores, que lleva la seal al sismgrafo. Se conecta el cable de detectores al sismgrafo. Se verifica desde el sismgrafo que no existan cortocircuitos en el cable de detectores o circuitos abiertos por gefonosestropeados o no conectados. Se verifica el nivel de ruido ambiental. Se colocan las ganancias y filtros adecuados en cada canal del sismgrafo Se entierran las cargas ssmicas en los puntos fuentes del tendido. Se efecta la explosin de la carga en uno de los extremos del tendido y se registran las ondas. Estas quedan almacena-das provisionalmente en la memoria electrnica del sismgrafo Se acomodan las amplitudes de cada traza registrada para facilitar posteriormente la lectura de los tiempos de primerallegada de las ondas Se graban en un medio permanente las trazas. Esto puede ser en papel, disquete o cinta magntica. Se borra el registro de la memoria del sismgrafo Se efecta la explosin en el otro punto fuente del tendido y se repite de forma similar el proceso de registro y graba-cin Se mueve el cable de detectores y el sismgrafo a la posicin del segundo tendido. Se sacan los detectores de suposicin actual y se colocan en los puntos de recepcin del segundo tendido, repitiendo el proceso seguido en el primertendido. Esta rutina se extiende a tendidos y lneas sucesivas.Debe asegurarse que los detectores queden clavados firmemente al suelo y verticales. Debe procurarse que quedenbien alineados. A veces no es posible clavar un detector en el lugar asignado, en cuyo caso se puede clavar en otro lugar,preferiblemente manteniendo la alineacin del tendido y se debe anotar la nueva posicin a efecto de los clculos.ProcesamientoEl procesamiento de datos de refraccin ssmica es relativamente sencillo en comparacin con otros mtodos.Existen sismgrafos que efectan automticamente el procesamiento a medida que se van adquiriendo los datos en campo.El procesamiento manual involucra: Leer los tiempos de primeras llegadas en los registros Representar estos tiempos en grficos tiempo-distancia (dromocrnicas) Agrupar los puntos por alineaciones (ramas) de primeras llegadas. Debe existir una rama por cada estrato, siempre queno ocurran inversiones de velocidad o que las capas sean muy delgadas. La primera rama debe corresponder a lostiempos de llegada de la onda directa y las dems correspondern a ondas cnicas provenientes de refractores cada vezms profundos. Determinar las pendientes de cada rama, as como los tiempos de interseccin de las rectas de ajuste de cada rama conel eje del tiempo. Tambin se pueden determinar el tiempo total y las distancias de cruce entre ramas. Calcular las velocidades y espesores de cada estrato.Existen varios mtodos para calcular espesores y velocidades. El ms simple es el mtodo de los tiempos deintercepto, el cual slo proporciona espesores en los extremos de cada tendido ssmico, bajo los puntos fuente.Otros mtodos aprovechan todos los tiempos ledos para calcular espesores en la mayor parte del tendido. Casitodos son muy similares. Se mencionan: mtodo de los tiempos de retardo o de Gardner mtodo ABC o de Heiland mtodo de sumas y diferencias o de Hagedoorn mtodo de Haguiwara mtodo de Hales mtodo generalizado de Palmer mtodo de los frentes de ondaMediante un ejemplo se ilustra la aplicacin de dos de los mtodos ms utilizados: el mtodo de los tiempos deintercepto y el mtodo ABC. Los registros del ejemplo se muestran en la figura 3. Son dos pares de registros, los de laparte superior son iguales a los de la parte inferior, pero los primeros se muestran sin interpretar para que puedan sercomparados. Estos son registros reales, tomados cerca de las costas del Estado Miranda, hacia la poblacin de El Guapo.El tendido fue realizado sobre un terreno de roca metagnea meteorizada.Tiempo (ms) 10 20 30 40 50 60 70 8090100 110 12010 20 30 40 50 60 70 8090100 110 120 10 20 30 40 50 60 70 8090100 110 12010 20 30 40 50 60 70 8090100 110 120Distancia(m) Distancia(m)Distancia(m) Distancia(m)080604020100120140160180200080604020100120140160180200Figura 3. Registros de refraccin del tendido esquematizado en la figura 4. En los registros de la parte inferior sehan sealado los tiempos de primera llegada de onda directa y onda cnica mediante flechas. El registro de laizquierda corresponde a la fuente A, la cual se encuentra a la distancia 0 m;y el de la derecha a la fuente B,ubicada en 130 m .Tiempo (ms)Cada registro corresponde a un disparo en los extremos del tendido ssmico. En la figura 4 se muestra el esquemadel tendido. El tendido constaba de 12 gefonos, a intervalos de 10 m . La distancia entre cada fuente y el gefono mascercano era de 10 m . La distancia entre las dos fuentes era de 130 m . La duracin del registro es 200 ms, con lneas detiempo cada 20 ms .Figura 4. Esquema del tendido ssmico usado para obtener los registros de la figura 3El primer paso es sealar los tiempos de primera llegada de la onda directa y ondas cnicas. En los registros de laparte inferior de la figura 3 se indican los tiempos de primeras llegadas mediante flechas. Idealmente, si no existiera ruidoambiental, no debera existir ninguna oscilacin en las trazas hasta la llegada de una onda directa o de una onda cnica.En tales condiciones, la primera deflexin desde cero en una traza indicara el tiempo de primera llegada. Sin embargo,los tiempos de primeras llegadas estn sujetos a incertidumbre debido principalmente a la presencia de ruido ambiental y ala atenuacin de las ondas. El ruido ambiental origina falsas primeras llegadas o desplaza la deflexin desde cero de lasverdaderas primeras llegadas. La atenuacin, por una parte, hace las amplitudes de las seales que interesan mas dbilescon relacin al ruido. En algunos casos puede llegar a interpretarse como primera llegada un tren de ondas posterior alverdadero. Por otra parte, la atenuacin suaviza la deflexin de primera llegada, lo que hace ms difcil establecer suubicacin. La seleccin de los tiempos de primeras llegadas en un registro tiene elementos subjetivos debido a estasincertidumbres. La siguiente tabla recoge los tiempos de las primeras llegadas sealadas por las flechas.TABLA 1 Tiempos medidos de primera llegada AX (m) tAX (ms) tBX (ms)010 25.6 100.020 38.8 94.430 46.4 88.840 51.2 81.650 57.6 76.860 64.4 70.870 71.2 65.680 78.4 58.090 82.4 51.2100 88.8 45.6110 95.2 39.2120 100.0 22.8130AX: distancia desde la fuente A hasta un receptor en X; tAX: tiempo de primera llegada al receptor en X desdela fuente A; tBX: tiempo de primera llegada alreceptor en X desde la fuente BEn los registros de la figura 3, las trazas de canales mas lejanos a la fuente parecieran tener mayor ruido ambien-tal. En realidad lo que ocurre es que todas las trazas han sido normalizadas, por ello, en las trazas de canales cercanos a lafuente como la seal es muy fuerte no se notan las oscilaciones producidas por el ruido, mientras que en las trazas decanales lejanos el nivel de ruido es el mismo pero la amplitud de las seales es menor.Clculo de velocidades y espesoresPrimero se grafican las dromocrnicas con los tiempos de primera llegada (recogidos en la tabla 1), tal como semuestra en la figura 5DROMOCRONICAS RECIPROCAS01020304050607080901001100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130Distancia (m)Tiempo (ms)tAXtBXFigura 5. Grfica de los tiempos de primera llegada correspondientes a los registros de la figura 4 y compilados en la tabla1Luego se identifican las alineaciones de puntos en las dromocrnicas correspondientes a las ondas directas y a lasondas cnicas y trazar rectas de ajuste en cada alineacin, como se muestra en la figura 6.DROMOCRONICAS INTERPRETADAS01020304050607080901001100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130Distancia (m)Tiempo (ms)tAXtBXtiA=27.2 mstiB=27.6 msP1B=2.28 ms/mP2B=0.609 ms/m P2A=0.616 ms/mP1A=2.56 ms/mXcA=14.0XcB=16.5 mtBA=106.6 ms tAB=107.4 msB AFigura 6. Dromocrnicas de tiempos de primera llegada interpretadas, en las que se ajustan los puntos de las ondasdirectas y ondas cnicas mediante rectasA continuacin se miden en las dromocrnicas los siguientes parmetros:P1A: pendiente de la recta de ajuste de los tiempos de llegada de la onda directa con fuente en AP1B: pendiente de la recta de ajuste de los tiempos de llegada de la onda directa con fuente en BP2A: pendiente de la recta de ajuste de los tiempos de llegada de la onda cnica con fuente en AP2B: pendiente de la recta de ajuste de los tiempos de llegada de la onda cnica con fuente en BtiA: tiempo de intercepto de la recta de ajuste de la onda cnica con fuente en AtiB: tiempo de intercepto de la recta de ajuste de la onda cnica con fuente en AtAB: tiempo total de la onda cnica con fuente en A (extrapolando recta de ajuste si no hay detector en B)tBA: tiempo total de la onda cnica con fuente en B (extrapolando recta de ajuste si no hay detector en A)De acuerdo a los datos de la figura 6 se tiene:TABLA 2 Valores de parmetros medidos en las dromocrnicasP1A P1B P2A P2B tiA tiB tAB tBA XcA XcB2.56ms/m 2.28ms/m 0.616ms/m 0.609ms/m 27.2 ms 27.6 ms 107.4 ms 106.6 ms 14.0 m 16.5 mSe establece a continuacin la lentitud promedio de la primera capa:PP A P BPms m ms mms m11 1212 56 2 2822 42++. / . /. /El inverso de la lentitud promedio P1 es la velocidad promedio armnico V1:VPVms mm s111112 42413 . //Ahora se calculan el ngulo de refraccin crtica y el buzamiento de la interfase:cP BPP APP BPP APcms mms mms mms mms mms mms mms m

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arcsen arcsenarcsen arcsenarcsen. /. /arcsen. /. /.arcsen. /. /arcsen. /. /.21212212120 6092 420 6162 42214 660 6092 420 6162 4220 09Un buzamiento negativo implica que el espesor de la primera capa se incrementa de A hacia B. En este caso elvalor es pequeo y puede considerarse que la primera capa mantiene su espesor constante.Obtenido el ngulo crtico, se puede calcular la lentitud de la segunda capa y su velocidad:( )( )P P cP ms m ms mVPVms mm s2 12 2 42 14 66 0 612212210 611633 sen. / sen . . /. //Tambin se puede usar la siguiente frmula para obtener V2 sin tener que calcular el ngulo crtico:( ) ( )VP P A P B P P A P P B221 2 2 1 2 1 22 2 2 2 2+ Mtodo de los tiempos de interceptoLos espesores verticales de la primera capa, H1A y H1B bajo las fuentes A y B respectivamente, se calculan conlas siguientes frmulas:H ATiAP cH BTiBP cH Amsms mmH Bmsms mm12 112 1127 22 2 42 14 66 0 0958127 62 2 42 14 66 0 0959 cos( ) cos( )cos( ) cos( ).. / cos( . ) cos( . )... / cos( . ) cos( . ). Cuando los tiempos de intercepto son muy similares, como en este ejemplo, ello es indicativo de que el espesor dela primera capa probablemente se mantiene constante. En ese caso, se puede calcular una lentitud aproximada de lasegunda capa mediante el promedio de las lentitudes aparentes:

P2P2A P2B2P20.616ms / m 0.609ms / m20. ms / m++ 613Tambin se pueden calcular el espesor aproximado de la segunda capa mediante:H1XcA+ XcB22P1 P2P1 P2H114.0m+16.5m42.42ms / m 0.613ms / m2.42ms / m 0.613ms / m5.9m

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donde:P1 : lentitud promedio de la primera capaP2: lentitud aparente promedio de la segunda capaXcA: distancia de cruce entre la onda directa y la onda cnica con fuente en AXcB: distancia de cruce entre la onda directa y la onda cnica con fuente en AH1: espesor de la primera capaMtodo ABC o mtodo de HeilandCon este mtodo se calcula un punto de la interfase por cada detector que reciba primeras llegadas de onda cnicadesde las dos fuentes en los extremos del tendido. Segn el ejemplo de la figura 5, esto es posible para los gefonossituados entre 20 m y 110 m, pero no para los gefonos en 10 m y en 120 m, porque estos reciben como primera llegadaonda directa desde una fuente y onda cnica desde la otra.Las coordenadas de un punto R de la interfase (figura 7), calculadas con datos de un receptor situado en el punto genricoC, estarn dadas por:( )( ) X Xt t tPR CAC BC ABc ++ 21cossen( )( ) Z Zt t tPR CAC BC ABc + 21coscosdonde:XR, ZR: coordenadas de un punto R de la interfaseXC, ZC: coordenadas de un receptor en el punto C de la superficietAC: tiempo de primera llegada de onda cnica al receptor en C con fuente en AtBC: tiempo de primera llegada de onda cnica al receptor en C con fuente en BtAB: tiempo total de viaje de la onda cnica entre las fuentes en A y BP1: lentitud de la onda directab: buzamiento en el punto R de la interfaseac: ngulo crticoFigura 7. Trayectoria de rayos para calcular las coordenadas del punto R de la interfase por el mtodo ABC.El ngulo crtico ac y el buzamiento b en el punto R de la interfase se calculan utilizando las siguientes frmulas, respec-tivamente:cA BPPPP

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1]11122121arcsen arcsen

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1]11+122121arcsen arcsenPPPPB Adonde:P2A: lentitud aparente de la onda cnica en el punto C con fuente en AP2B: lentitud aparente de la onda cnica en el punto C con fuente en Bs: ngulo de inclinacin del terreno respecto a la horizontal en el punto CEl origen de coordenadas est en la fuente A. La coordenada x de los puntos C y R es paralela a la horizontaltopogrfica y la coordenada z a la vertical. Las distancias en los grficos tiempo-distancia de las dromocrnicas se midendesde la fuente A siguiendo el perfil del terreno, sin proyectar a la horizontal. Como consecuencia, en la frmula delbuzamiento aparece el ngulo de inclinacin del relieve, medido en la posicin del detector. Los valores de cotas y pen-dientes del terreno se obtienen por datos de topografa, los valores de tiempos y lentitudes a partir de las dromocrnicas(figura 8).Figura 8. Tiempos y lentitudes de las dromocrnicas en el punto C utilizados con el mtodo ABC.Estas frmulas se prestan para obtener los resultados en forma tabular mediante un programa de hoja de clculo.Para el ejemplo, se obtiene la tabla 3:TABLA 3 TABLA PARA CALCULAR ESPESORES POR EL MTODO ABCAX (m) ZX(m) tAX (ms) tBX (ms) tiX (ms) XR (m) ZR (m) H (m)0 20.310 20.0 25.6 100.020 19.6 38.8 94.4 26.2 20.0 14.0 -5.630 18.9 46.4 88.8 28.2 30.0 12.9 -6.040 18.4 51.2 81.6 25.8 40.0 12.9 -5.550 17.6 57.6 76.8 27.4 50.0 11.7 -5.960 16.9 64.4 70.8 28.2 60.0 10.9 -6.070 16.6 71.2 65.6 29.8 70.0 10.2 -6.480 16.2 78.4 58.0 29.4 80.0 9.9 -6.390 15.8 82.4 51.2 26.6 90.0 10.1 -5.7100 15.3 88.8 45.6 27.4 100.0 9.4 -5.9110 14.8 95.2 39.2 27.4 110.0 8.9 -5.9120 14.6 100.0 22.8130 14.2AX: distancia desde la fuente A hasta un receptor en X; ZX: cota del receptor en X;tAX: tiempo de primerallegada al receptor en X desde la fuente A;tBX: tiempo de primera llegada al receptor en X desde la fuente B;tiX: tiempo de intercepto en X (tiX=tAX+tBX-tAB) ; XR: coordenada x de un punto de la interfase calculado condatos del receptor en X; ZR: coordenada z de un punto de la interfase calculado con datos del receptor en X; H:espesor vertical de la primera capa bajo el receptor en XFinalmente se grafica el perfil del subsuelo en base a los datos de la tabla 3 (figura 9)PERFIL CALCULADO DEL SUBSUELO0510152025-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140Distancia (m)Cota (m)ZXZRABSuperficieInterfase calculadaV1=413 m/sV2=1633 m/sFigura 9. Perfil de subsuelo calculado con los datos de las dromocrnicas de la figura 6InterpretacinLa prospeccin por refraccin proporciona una informacin de baja resolucin acerca del espesor y las velocida-des de las principales capas del subsuelo. Normalmente los registros de refraccin no permiten distinguir capas muydelgadas o con poco contraste de velocidad. Lo que se interpreta como un estrato, suele en realidad estar constituido poruna cierta cantidad de estratos delgados con poca diferencia de velocidad. El espesor calculado para este paquete de capasno es igual a la suma de los espesores de los estratos individuales, ni tampoco la velocidad de conjunto es igual al prome-dio aritmtico de sus velocidades. Cuando existen inversiones de velocidad los espesores calculados son mayores que losreales, mientras que cuando existen capas delgadas no diferenciadas el espesor calculado es menor que el real. Como reglaprctica se adopta que las profundidades calculadas tienen una incertidumbre del 30% . Por ello, el mtodo slo sirve degua para determinar la estructura a grandes rasgos del subsuelo. Siempre debe disponerse de datos adicionales de geologade superficie, as como perforaciones de pozo que permitan limitar las posibles interpretaciones a una que sea consistentedentro de ciertos rangos. Los datos de prospeccin por refraccin estn afectados por las propiedades promedio de un granvolumen del subsuelo. Esto en algunas aplicaciones representa una ventaja, porque disminuye la posibilidad de tomarcomo general lo que es una propiedad local del suelo (caso de perforaciones); en otras, cuando lo que importa es una buenaresolucin, constituye una desventaja.Ventajas y limitaciones del mtodo de prospeccin por refraccinVentajas Permite prospectar estratos a muy poca profundidad en tierra. Esto es difcil de lograr con mtodos de reflexin. La adquisicin, procesamiento e interpretacin son relativamente rpidos y sencillos. Es un mtodo barato tanto por el equipo de adquisicin de datos como por el procesamiento. No requiere el uso de filtros espaciales, ni tcnicas de cobertura mltiple. La determinacin de las velocidades es bastante sencilla. La identificacin de las ondas de inters es sencilla porque son las primeras llegadas.Desventajas Presenta limitaciones impuestas por la fsica de propagacin de ondas, tales como el fenmeno de inversin de veloci-dad, el de capa delgada, el solapamiento de ondas cnicas de un mismo refractor, difracciones, refracciones no crticas. Presenta limitaciones de resolucin debidas a la atenuacin rpida de las longitudes de onda corta. Para detectar capas a mayor profundidad requiere tendidos de mayor longitud. Capas ms profundas son ms difciles de diferenciar por su velocidad en las dromocrnicas. Slo permite diferenciar las capas del subsuelo que presenten mayor contraste de velocidad y mayor espesor. En la prctica est limitado a profundidades hasta unos 100 metros y a 3 o 4 estratos principales. No es fcil identificar ondas S refractadas porque como nunca son primera llegada siempre llegan mezcladas con ondasP de reflexiones o refracciones, con ondas S convertidas, con ruido superficial, etc. En consecuencia el mtodo presentadificultad para determinar parmetros elsticos dinmicos.BIBLIOGRAFAAstier, J. (1975) Geofsica aplicada a la Hidrogeologa. Paraninfo. 344 p.Dobrin, M. (1960) Introduction to Geophysical Prospecting. 3a edic. McGraw-Hill. 630 p.Mooney H. (1977) Handbook of Engineering Geophysics. Bison Instruments, Inc.Musgrave, A. (1967) editor. Seismic Refraction Prospecting. Society of Exploration Geophysicists. 604 p.Parasnis, D. (1971) Geofsica Minera. Paraninfo. 376 p.Palmer, D. (1980) The Generalized Reciprocal Method of Seismic Refraction Interpretation. 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