METODO DE ANALISIS MULTICANAL DE ONDAS SUPERFICIALES (MASW)

¿Que es el Metodo de Analisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW)?

El Metodo MASW o Análisis Multicanal de Ondas Superficiales se basa en la interpretación de ondas superficiales (Ondas Rayleigh) a partir de un registro en arreglo multicanal, generadas por una fuente de energía impulsiva en puntos ubicados a distancias predeterminadas a lo largo de un eje sobre la superficie del suelo, obteniendo el perfil de velocidades de ondas de corte (Vs) para el punto central de esta línea.

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¿Por que preferirnos?

El método de análisis multicanal de ondas superficiales (MASW) se originó a partir del enfoque de exploración sísmica tradicional que emplea múltiples (doce o más) receptores colocados a lo largo de una línea de levantamiento lineal.
La principal ventaja es su capacidad para reconocer diferentes tipos de ondas sísmicas en función de las características de propagación de las ondas, como la velocidad y la atenuación.
El método MASW utiliza esta capacidad para discriminar la onda Rayleigh de modo fundamental contra todos los demás tipos de ondas superficiales y corporales generadas no solo a partir de la fuente sísmica sino también de las condiciones ambientales del sitio.
Las características dispersivas de las ondas sísmicas se obtienen a partir de una transformación objetiva de campo de ondas bidimensional.
Dado que la capacidad de reconocimiento de patrones multicanal puede tolerar cierto grado de influencia adversa de los efectos de campo cercano, así como de las ondas de ruido, el procedimiento de adquisición de datos también es una tarea simple, ya que es insensible a factores de campo como la fuente sísmica, el espaciamiento del receptor, y distancia de la fuente.
De esta manera, el método MASW puede producir un mapa de sección transversal 2-D de la distribución de Vs dentro del suelo de manera precisa y eficiente. El presente artículo indica los resultados del estudio MASW en un sitio a lo largo del río Tennessee con un lecho rocoso relativamente poco profundo.
Tanto las técnicas SASW como MASW demostrarán ser herramientas importantes para evaluar el potencial de licuefacción para la futura comunidad de ingeniería geofísica y geotécnica y este documento presenta aspectos importantes de la técnica MASW y su efectividad en la caracterización geofísica de sitios.

¿Como se origino el Metodo de Analisis Multicanal de Ondas Superficiales MASW?

En principios de la década de 2000, el método MASW (Análisis multicanal de ondas superficiales) se hizo popular entre los ingenieros geotécnicos. El término «MASW» se originó en la publicación realizada en Geofísica por Park et al. (1999).

El proyecto en realidad comenzó a mediados de los años 90 en el Servicio Geológico de Kansas (KGS) por geofísicos que habían estado utilizando el método de reflexión sísmica, utilizado durante mucho tiempo en la industria del petróleo para obtener imágenes del interior de la tierra a profundidades de varios kilómetros.

Llamado método de reflexión de alta resolución, se utilizó para obtener imágenes de profundidades muy poco profundas de interés de ingeniería (por ejemplo, 100 mo menos). Irónicamente, las ondas superficiales en ese momento se consideraban el ruido más problemático para atenuarse a cualquier costo.

Fue a mediados de los 90 cuando KGS inició un proyecto para utilizar superficies ondas. Conociendo las ventajas del método multicanal probado a lo largo de casi medio siglo de su historia para la exploración de recursos naturales, su objetivo era un método multicanal para utilizar ondas superficiales principalmente para fines de ingeniería geotécnica proyectos.

De los extensos estudios realizados por SASW investigadores, reconocieron que las propiedades de las ondas superficiales deben ser más complejo de lo que se suponía o especulaba anteriormente, y que el enfoque de dos receptores había alcanzado claramente su limitación para manejar la complejidad.

Basado en la noción normal de que el número de Los canales utilizados en la exploración sísmica pueden determinar directamente poder de resolución del método, utilizaron diversas técnicas ya disponible después de una larga historia de análisis de datos sísmicos (Telford et al., 1976; Robinson y Treitel, 1980; Yilmaz, 1987) y también desarrolló nuevas estrategias en campo y procesamiento de datos al detalle propiedades de propagación de ondas superficiales y aspectos clave caracterizados para sacar un método sísmico de uso rutinario.

El primer enfoque multicanal documentado para ondas de superficie El análisis se remonta a principios de los 80 cuando el investigador en los Países Bajos utilizó un sistema de adquisición de 24 canales para deducir la velocidad de la onda de corte estructura de las planicies de marea analizando las ondas superficiales registradas (Gabriels et al., 1987) Primero mostró la validez científica del enfoque multicanal en el análisis de dispersión de ondas superficiales y, en este sentido, el estudio puede considerarse como una prueba de viabilidad del enfoque para uso rutinario en el futuro.

Luego, usando no correlacionado Datos de Vibroseis, Park et al. (1999) destacó la efectividad del enfoque detallando las ventajas con la adquisición multicanal y conceptos de procesamiento más apropiados para la geotecnia aplicaciones de ingeniería.

Un auge posterior en la onda de superficie aplicaciones que utilizan el método MASW para varios tipos de proyectos de ingeniería geotécnica se han observado en todo el mundo desde ese tiempo. Hubo algunas otras aplicaciones anteriores de Enfoque multicanal para ayudar a los estudios de reflexión sobre exploración petrolera. (Al-Husseini y col., 1981; Mari, 1984).

A medida que los profesionales e investigadores de todo el mundo reconocieron la eficacia del método MASW, comenzó su aplicación a la investigación de pavimentos (Ryden et al., 2003; 2004; Forbriger, 2003; Ryden y Lowe, 2004) y la naturaleza complicada del fenómeno de onda guiada sobre una estructura de pavimento de alta velocidad inversa comenzó a ser desvelado.

La naturaleza más precisa de las ondas superficiales en este caso, que fue especulada por primera vez por Martincek (1994), fue claramente probada por Ryden et al. (2003) como dominado por ondas Lamb sísmicas.

Los modos más altos y las ondas con fugas (Gucunski y Woods, 1992) informados previamente podrían estudiarse y confirmarse de una manera mucho más amplia. de manera detallada siguiendo el enfoque multicanal (Ryden et al., 2003; 2004; Ryden y Lowe, 2004).

Bases Teoricas del Metodo de Analisis Multicanal de Ondas Superficiales Masw

El método MASW se basa en la medición y análisis de las ondas de Rayleigh que se propagan a través de un espacio hlf estratificado.

Dispersión y atenuación de las ondas de Rayleigh La existencia de propagación de las ondas de Rayleigh en un medio espacio en capas se busca estableciendo en cero la relación de dispersión de Rayleigh R (f, k). La relación de dispersión de Rayleigh correlaciona las propiedades geométricas y mecánicas de las n capas del semiespacio estratificado con la frecuencia f y el número de onda k:

Se pueden encontrar más detalles en (Roma V. 2007, Roma V. 2001). La búsqueda de las raíces de la ecuación (2) se puede realizar manteniendo la frecuencia en un valor f0 y buscando los números de onda k que satisfacen la ecuación (2). Para un medio espacio en capas, la relación de dispersión (2) es multivalor, es decir, para un valor dado de frecuencia, más de un número de onda k puede satisfacer la relación (2). Cada raíz de la ecuación (2), dada por un par de valores (f, k) representa una onda simple o modo de Rayleigh, que puede propagarse a través del medio espacio en capas. Para una frecuencia dada ω0 = 2πf0, el primer modo de Rayleigh, llamado modo fundamental, corresponde al mayor número de onda, que satisface la ecuación (2). Los otros números de onda más pequeños que satisfacen la ecuación (2) definen los modos superiores de Rayleigh. Por tanto, la ecuación (2) para un medio espacio en capas establece la existencia de varios modos de Rayleigh, que para una frecuencia asignada se propagan a diferentes velocidades de fase y grupo.

La interpretación física de tal modelo matemático se explica por la observación del fenómeno de dispersión, es decir, durante la propagación de un tren de ondas formado por varias ondas Rayleigh simples, las diversas ondas se separan o se dispersan con el tiempo y la distancia crecientes, ya que viajan a diferentes velocidades (Figura 1). Además del fenómeno de dispersión, las ondas de Rayleigh están sujetas a la atenuación de su amplitud, causada tanto por la atenuación geométrica como por la atenuación disipativa. La atenuación geométrica se debe al hecho de que la misma energía se distribuye a una superficie cilíndrica, que aumenta con la distancia a la fuente. La atenuación disipativa es causada por la disipación de energía cuando las partículas oscilan alrededor de sus posiciones de equilibrio durante la propagación de la onda (Roma V. 2003).

Curva de dispersión aparente o efectiva

La medición de las ondas superficiales a lo largo de los sensores en la superficie libre del suelo da el movimiento de las ondas en el dominio del tiempo-espacio. La perturbación generada por la fuente puntual contiene todos los modos de Rayleigh (las ondas Sv y P se atenúan después de unos pocos metros desde la fuente puntual), que forman un tren de ondas completo y no se pueden discernir cerca de la fuente puntual. La dispersión de los modos de Rayleigh se puede observar completamente solo a una distancia adecuada de la fuente puntual (esta distancia es mayor de aproximadamente 100 m en la práctica).

Curva de dispersión experimental

Cuando el campo de ondas se transforma del dominio del tiempo-espacio al número de ondas de frecuencia o de manera equivalente al dominio de la velocidad de la fase de frecuencia para mostrar la ecuación de la relación de dispersión (2), entonces se observa que no es posible distinguir entre los varios modos de Rayleigh como predice la teoría. En lugar de los varios modos de Rayleigh, generalmente, sólo se observa una curva de dispersión aparente única, también dicha efectiva.

La curva de dispersión aparente experimental obtenida del movimiento ondulatorio medido en campo es el resultado de la interacción entre los distintos modos de Rayleigh, también incluyó la matriz geométrica de sensores utilizados para la medición. De hecho, la configuración geométrica de los sensores puede influir en el valor de la curva de dispersión aparente a determinadas frecuencias (Roma V. 2001, b, Roma V. et al. 2002).

Dependiendo de la geometría (espesores) y mecánica (Vs, Vp, ρ) de las capas del suelo, algunos modos de Rayleigh pueden aparecer como predominantes con respecto a los otros modos en determinadas frecuencias. Por lo general, cuando la rigidez de las capas aumenta gradualmente con la profundidad, el primer modo de Rayleigh o fundamental se vuelve predominante en todas las frecuencias. Sin embargo, existen varias estratigrafías con capas rígidas atrapadas entre capas más blandas, o viceversa con capas blandas atrapadas entre capas más rígidas, o más generalmente con un fuerte contraste de rigidez entre dos capas consecutivas, donde los modos más altos de Rayleigh se vuelven predominantes a ciertas frecuencias. Puede ocurrir que en cualquier frecuencia no haya predominio de un modo único, pero dos o más modos tienen la misma energía. En estas condiciones, la curva de dispersión aparente no coincide con ningún modo de Rayleigh, ya que la curva de dispersión aparente es la combinación de todos los modos predominantes.

Curva de dispersión teórico-numérica

La curva de dispersión teórica aparente o efectiva se puede calcular una vez determinados los modos de Rayleigh (Figura 4). Para alcanzar este propósito existen varios métodos, como el método de los romaníes y el método de Lai y Rix (Roma V. 2001, b, Roma V. 2007, b). Se puede demostrar que la curva de dispersión aparente teórica determinada por el procedimiento de Roma coincide con la curva de dispersión efectiva teórica determinada por el procedimiento de Lai y Rix, si se respetan las condiciones adecuadas sobre la suavidad de la curva de dispersión (Roma V. 2000, Roma V. 2007, b) La curva de dispersión aparente teórica determinada por el procedimiento de Roma se calcula de la misma manera que se siguió para determinar la curva de dispersión experimental. La única diversidad se refiere a la forma en que se obtiene el espectro (f-k) del campo de ondas. El espectro experimental (f-k) se obtiene mediante una transformada de Fourier 2D del campo de onda espacio-temporal; en cambio, el espectro numérico (f-k) se obtiene únicamente mediante la transformada de Fourier 1D, aplicada a la función de Green del medio espacio en capas. Alternativamente, la curva de dispersión aparente numérica se puede determinar mediante el procedimiento de Lai y Rix (Lai, 1998), que se basa en el concepto de que el tren de ondas de todos los modos de Rayleigh puede considerarse como una perturbación compleja única, donde todos los modos de Rayleigh forman una fase de onda única.

Clasificacion de Sitios Sísmicos Mediante el Metodo MASW

El método MASW es una técnica de investigación no invasiva (no se necesitan perforaciones), que permite determinar la velocidad de onda de corte vertical Vs midiendo la propagación de las ondas superficiales en varios sensores (acelerómetros o geófonos) en la superficie libre del sitio.

La principal contribución a las ondas superficiales viene dada por las ondas de Rayleigh, que viajan por la parte superior del sitio a una velocidad que se correlaciona con la rigidez del suelo.

En un suelo estratificado, las ondas de Rayleigh son dispersivas, es decir, las ondas de Rayleigh con diferente longitud de onda viajan con diferente velocidad (tanto de fase como de velocidad de grupo) (Achenbach, J.D., 1999, Aki, K. y Richards, P.G., 1980). Dispersión significa que la velocidad de fase (o grupo) aparente o efectiva depende de la frecuencia de propagación.

Esta circunstancia implica que las ondas de alta frecuencia con longitudes de onda relativamente cortas contienen información sobre la parte superior del sitio, en cambio, las ondas de baja frecuencia con longitudes de onda más largas proporcionan información sobre las capas más profundas del sitio.

El método MASW puede aplicarse como método activo o pasivo (Zywicki, D.J. 1999) o una combinación de ambos activos y pasivos. En el método activo, las ondas superficiales son generadas por una fuente ubicada en un punto de la superficie libre y luego el movimiento de las ondas se mide a lo largo de una matriz lineal de sensores.

En el método pasivo los sensores pueden ubicarse en matrices de diferente forma geométrica: lineal, circular, triangular, cuadrada, forma de L, y la fuente está representada por el ruido ambiental, cuya dirección no se conoce a priori.

El método activo generalmente permite determinar una velocidad de fase aparente experimental (o curva de dispersión) dentro del rango de frecuencia de 5Hz -70Hz.

Por lo tanto, el método activo puede proporcionar información sobre los primeros 30 a 35 m, dependiendo de la rigidez del sitio. El método pasivo generalmente permite definir una velocidad de fase aparente experimental (o curva de dispersión) dentro del rango de frecuencia de 5Hz -15Hz. Por lo tanto, el método pasivo generalmente puede proporcionar información sobre capas más profundas, por debajo de 50 m, dependiendo de la rigidez del sitio.

A continuación, se explicarán tanto el método MASW activo como el pasivo y se aplicará la combinación de ambos a un caso real. Como método pasivo se utilizará el procedimiento ReMi (Refraction Microtremors), ya que los resultados proporcionados por el MASW pasivo y ReMi son equivalentes.

Pasos para desarrollar el Metodo de Analisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW)

El método análisis multicanal de ondas superficiales (MASW) se divide en tres pasos (Roma, 2002):

En el primer paso se determina la velocidad de fase aparente experimental (o curva de dispersión).

En el segundo paso la fase aparente numérico-teórico velocidad (o dispersión curva).

En el último paso se determina el perfil de velocidad de onda de corte vertical Vs, modificando adecuadamente el espesor h, el corte V y las velocidades de onda de compresión Vp (o en alternativa a Vp es posible modificar el parámetro de Poisson υ), la densidad de masa ρ de todas las capas consideradas en el modelo de sitio, hasta lograr la coincidencia óptima entre las curvas de dispersión experimental y teórica.

Durante el paso 3, el modelo del sitio y, por lo tanto, el perfil de velocidad de la onda de corte se puede determinar mediante un procedimiento de prueba y error o un procedimiento automático, o una combinación de ambos.

Normalmente se asigna el número de capas, el parámetro de Poisson υ y la densidad de masa ρ y sucesivamente se modifican el espesor y la velocidad de la onda de corte de las capas.

Una vez que se ha determinado el perfil de velocidad de la onda de corte, se puede calcular el Vs30 equivalente y, por lo tanto, se puede establecer la clase sísmica del sitio (Figura 6). Es significativo adquirir cualquier información adicional sobre la naturaleza geotécnica del sitio, de modo que se pueda reconocer la existencia de los sitios especiales de tipo S1 y S2.

Adquisición y análisis de datos Masw

El análisis de datos comienza con archivos de campo sísmicos de entrada (también llamados registros) generalmente en formato SEG-2, que es un estándar.

Todos los pasos se pueden dividir en pre y mantenimiento pasos del proceso como se ilustra en un diagrama de flujo generalizado en el derecho.

Paso previo al proceso Este es un paso opcional que puede ser necesario o no dependiendo del software de análisis específico que se utilice, y también sobre las acciones tomadas durante la adquisición de datos (por ejemplo, si la información de la geometría de adquisición fue codificada previamente durante la adquisición de datos).

Formato interno: Según el análisis específico software, los datos de entrada establecidos en SEG-2 a menudo se convierten en un formato propietario del software como el primer paso del procesamiento.

Esto puede tener lugar internamente con el software o requiere una preparación separada del conjunto de datos convertido.

Configuración de fuente / receptor (SR): todos los archivos de campo (registros) tener que poseer información correcta sobre la adquisición geometría como las coordenadas de la superficie de la fuente y receptores.

Aunque esta información a menudo está codificada por software de adquisición durante la adquisición de datos en el campo, es generalmente codificado (o recodificado) a través de un dato paso de procesamiento proporcionado por el software de análisis.

Paso del proceso principal Este es un paso obligatorio que realiza un análisis teórico de las ondas superficiales contenidas en el conjunto de datos sísmicos de entrada con información de geometría de campo adecuada.

Análisis de dispersión (paso 1 de 2: generación de imágenes de dispersión): genera una imagen de dispersión (a menudo llamada sobretono) a partir de un registro de campo mediante el uso de un método de transformación de campo de ondas 2-D adecuado (por ejemplo, método de cambio de fase, transformación tau-pi, f-k, etc.). Análisis de dispersión

(Paso 2 de 2: Extracción de la curva de dispersión): Esto extrae una curva de dispersión de modo fundamental (M0) de cada de la imagen de dispersión (sobretono) generada en el paso anterior.

Esta curva se denomina «curva M0 medida». Inversión de la curva de dispersión (M0): Esto intenta encontrar un modelo 1-D de velocidad de onda de corte (Vs) (es decir, Vs variación con la profundidad) cuya La curva de dispersión (M0) coincide mejor con la curva M0 medida.

La salida final es un perfil de velocidad 1-D (Vs) para cada registro de campo. Si el conjunto de datos de entrada contenía registros de campo obtenidos utilizando un receptor estacionario matriz, entonces solo habrá un perfil 1-D Vs obtenido como salida.

Por otro lado, si se obtienen varios registros de campo en sucesivamente diferentes Las ubicaciones a lo largo de una línea de levantamiento se usaron como un conjunto de datos de entrada, luego se generarán múltiples perfiles de velocidad 1-D (Vs) al final. En este caso, un 2-D El esquema de interpolación se utiliza para generar una sección transversal de velocidad 2-D (Vs) como salida.

MASW - Analisis de Dispersion

Este es el primer paso del procesamiento de datos en la mayoría de los métodos de ondas superficiales. El objetivo es estimar una o más curvas de dispersión que a su vez son pasó al siguiente paso del proceso de inversión, que trata de encontrar un modelo de capa adecuado (velocidad de corte, Vs) cuya curva (s) de dispersión teórica Haga coincidir el (los) medido (s) lo más cerca posible.

Tradicionalmente, ha sido la curva de modo fundamental (M0) generalmente estimada.

¿Que es la dispersión?

El análisis de dispersión en sí consta de dos pasos, como se ilustra a continuación.

El primer paso genera una imagen de dispersión a partir del registro de campo sísmico que ha configuración de fuente / receptor (SR) codificada mediante el uso de un método de transformación de campo de ondas 2-D (tiempo y espacio) (por ejemplo, método de cambio de fase, transformación tau-pi, f-k, etc.).

El segundo paso extrae una curva de dispersión de modo fundamental (M0) de la imagen. Esta curva extraída se llama «medida» curva de dispersión que es un dato de entrada al siguiente paso de análisis de datos («Inversión»).

Durante la primera etapa del método de ondas de superficie en los años 50 y 60 del uso de un vibrador monótono que excitaba a una sola frecuencia (f) a la vez, la distancia (Lf) entre dos máximos de amplitud consecutivos se midió escaneando la superficie del suelo con un sensor. Entonces, fase correspondiente La velocidad (Cf) se calculó como:

Cf = Lf * f.

Esta medición se repitió luego para diferentes frecuencias para construir una curva de dispersión. Subyacente La suposición de este enfoque fue el dominio M0 de las ondas superficiales en el campo.

Este enfoque se amplió a principios de la década de 1908 mediante el método de análisis espectral de ondas superficiales (SASW) para ser más eficiente.

En lugar de intentar medir la distancia de Lf, intenta medir la diferencia de fase (dp) para una frecuencia (f) entre los dos receptores a una distancia conocida aparte de la relación: Cf = 2 * pi * f / dp (pi = 3,14159265).

Luego, se repite para diferentes frecuencias para construir una curva de dispersión. La misma suposición de La dominación M0 de las ondas superficiales como se usaba en épocas anteriores se adoptó en el proceso de inversión posterior durante la etapa inicial del SASW método.

El concepto de curva de dispersión aparente se introdujo, entonces, a principios de la década de 1990, que trató de dar cuenta de la posibilidad de influencia durante el proceso de inversión.

La forma en que se construye una curva de dispersión, sin embargo, permanece básicamente sin cambios.

Por otro lado, el enfoque multicanal no intenta calcular primero la velocidad de fase individual, sino que construye un espacio de imagen donde Las tendencias de dispersión se identifican a partir del patrón de acumulación de energía en este espacio.

Luego, las curvas de dispersión necesarias se extraen siguiendo las tendencias de la imagen.

Se toman imágenes de todos los tipos de ondas sísmicas que se propagan horizontalmente si toman alguna energía significativa perceptible de la relativa intensidad de la imagen.

En este proceso de generación de imágenes, un registro multicanal en el dominio de tiempo (t) -espacio (x) se transforma en frecuencia (f) -número de onda (Kx) o dominio de frecuencia (f) -velocidad de fase (Cf). El método tradicional f-k es el primer tipo, mientras que la transformación pi-omega (McMechan y Yedlin, 1981) y el método de cambio de fase (Park et al., 1998) son dos ejemplos del último tipo. Generalmente se sabe que el método f-k da como resultado la resolución más baja en imágenes, mientras que el método de cambio de fase logra una resolución más alta que el método pi-omega (Park et al., 1998; Moro et al. al., 2003).

MASW - Análisis de inversión

La inversión de ondas superficiales ha significado una estimación de las propiedades de la tierra a partir de los datos medidos de ondas superficiales.

Es la propiedad elástica de la tierra que se estima entre muchas propiedades, eléctricas y magnéticas, por nombrar algunas.

Se pueden usar varios tipos de datos de ondas superficiales para la estimación que pueden incluir campos sin procesar registro, imagen de dispersión, curva (s) de dispersión y un mapa preliminar 2D de velocidad de onda (Vs) de cizallamiento (S) (consulte los diferentes enfoques de inversión que se enumeran a continuación).

Independientemente del tipo De los datos utilizados, la inversión de la onda superficial no se puede resolver directamente, lo que requiere una técnica de optimización para encontrar la solución más probable en un grupo de candidatos infinitos. Esta La técnica puede ser un enfoque determinista, aleatorio o una combinación de ambos. Por otro lado, el modelado directo (Fig.2) de los fenómenos de ondas superficiales suele ser un problema.

La propiedad elástica suele estar representada por varios parámetros independientes llamados módulos elásticos, como el de Young, corte, volumen, entre otros.

En la práctica, sin embargo, es más común representado por propiedades físicas más fáciles de medir, como velocidades sísmicas de ondas P y S (Vp y Vs) y densidad (rho), en las que Vp y Vs son teóricamente derivable en combinación de los módulos elásticos y la densidad.

Por lo tanto, generalmente se refiere a estos Vp, Vs y rho cuando términos como «propiedad de la tierra» o «un modelo terrestre (en capas)» se utilizan en un método sísmico.

Entre estas propiedades, generalmente es la velocidad de la onda S (Vs) la que se estima a partir de la inversión de los datos de la onda superficial.

Esto se debe a que el tipo Uno de los datos utilizados para la inversión ha sido la curva de dispersión de modo fundamental (M0), cuya forma está determinada principalmente por la estructura Vs de la tierra.

La expresión precisa debería ser que históricamente se ha asumido que el modo fundamental domina en los datos de campo registrados. En consecuencia, los datos de ondas superficiales el procesamiento ha estado siguiendo este procedimiento de construir la curva M0 y luego encontrar la estructura Vs de la tierra cuya curva M0 teórica se asemeja más a la curva M0 construida (experimental o medida).

S-Velocity (Vs) es uno de los parámetros críticos en la ingeniería geotécnica porque puede ser un indicador directo de cortante y Módulos de Young, que a su vez se asocian a menudo con la rigidez de los materiales y la capacidad de carga del suelo.

Aplicaciones del Metodo MASW:

Deteccion de oquedades y anomalías

Una anomalía se define como aquella parte de los materiales cercanos a la superficie que tienen propiedades elásticas significativamente diferentes en la forma de generación de modos superiores de ondas de superficie, difractadas y reflejadas.

La generación de modos superiores está relacionada directamente a inversiones de velocidad y su energía tiende a ser más significante en frecuencias mucho más altas. Todas estas firmas de anomalías pueden aparecer en los registros área de estudio circundante.

Durante un estudio MASW, una anomalía dejara la marca de su presencia sobre los registros multicanal de varias formas.

La más normal serán diferentes velocidades de fase, para aquellas frecuencias que se propagan a través o cerca de la anomalía.

Otra será diferentes formas de atenuación.

Una anomalía podría revelar cuando los receptores o la fuente se encuentran en o cerca de la localización de la anomalía. Para este procedimiento se requiere un análisis de ondas de difracción BSA (Back Scattering Analysis).

Los registros del ensayo MASW también son utilizados por la herramienta BSA para identificar, por una inspección visual, la difracción de ondas propagadas hacia atrás causadas por anomalías presentes en el subsuelo.

Una vez identificadas las características de difracción se procesan nuevamente los datos para conocer la profundidad mínima de existencia y la ubicación horizontal de ellas.

El análisis BSA procesa los datos recopilados para eliminar todas las propagaciones de onda hacia adelante producidas por la fuente y por cualquier otro objeto enterrado y realzar todas las propagaciones de onda hacia atrás producidas por los mismos objetos enterrados.

Para realizar una evaluación en forma más precisa de la profundidad de existencia de una anomalía se pueden procesar los datos con herramientas especializadas como, por ejemplo, el procesamiento (Common-Offset), el cual es hecho realizando un barrido de distintos distanciamientos comunes entre fuente y receptores de todos los registros obtenidos en cada línea sísmica.

2. Prospeccion de Fundaciones

Una aplicación de la metodología MASW que permite determinar la forma y profundidad de diferentes tipologías de fundaciones en estructuras, como por ejemplo en cepas y estribos de Puentes ya construidos. La metodología es sobre la base de un análisis de ondas sísmicas difractadas y refractadas.

El método requiere generar, al igual que el ensayo MASW, vibraciones activas tanto en el suelo como en la estructura en estudio, para posteriormente realizar un análisis y separación de las ondas refractadas en el suelo y las difractadas en reverso por la estructura en el subsuelo.

El análisis e interpretación de resultados se basa en la identificación de primeros arribos de las ondas, por medio de imágenes gráficas especiales, que son parte de módulos especializados de los softwares, y con los cuales se realiza el ensayo MASW.

Caracterización Geotecnica de Parques Eolicos con Metodos Geofisicos

Los proyectos de energía eólica van con ritmo acelerado y cubren grandes terrenos. Tales condiciones resultan en un incremento de los riesgos geotécnicos y se requieren exploraciones geotécnicas especiales con técnicas de análisis de datos diseñadas para manejar el riesgo en diferentes estados de desarrollo del proyecto.

El uso de métodos geofísicos, además de los métodos de exploración del subsuelo tradicionales (calicatas y sondajes), es especialmente útil para recopilar datos críticos de diseño.

Durante las primeras etapas de desarrollo del proyecto, al usar métodos geofísicos cualitativamente rápidos, puede resultar ventajoso para la finalización del diseño del parque eólico y el diseño preliminar de la fundación.

Sin embargo, a medida que avanza el proyecto, se requiere una investigación geotécnica más completa. En todas las etapas de un proyecto, una comprensión de las herramientas geotécnicas disponibles, junto con sus riesgos asociados e implicaciones de costos, es esencial para minimizar la probabilidad de cambios de diseño que resultan en costos adicionales sobre la marcha.

Por lo tanto, la caracterización geotécnica a través de métodos geofísicos presenta un enfoque de exploración optimizado para la eficiencia y el riesgo.

El objetivo es evaluar el riesgo y detectar fallas tan pronto como sea posible en la fase de desarrollo, que es el tiempo más oportuno para identificar riesgos geotécnicos significantes. En esta etapa, todavía hay oportunidades de cambios antes de gastar fondos de desarrollo significativos y una investigación geotécnica preliminar es crítica para planificar y asignar los riesgos para los inversionistas.

Como en todos los grandes proyectos de gasto, las decisiones tempranas tienen impacto en el desempeño financiero. La motivación entonces, es minimizar el costo de la infraestructura civil relacionada con proyectos energéticos eólicos (cimientos de turbinas, vías de acceso e instalaciones tales como la subestación y la operación y mantenimiento de construcciones) a través de una redistribución racional del esfuerzo en la exploración geotécnica.

Análisis de velocidad Compresional (Vp) y de corte (Vs) de mantos rocosos

Las velocidades (Vs y Vp) del manto rocoso pueden ser representadas en las imágenes de dispersión por patrones de energía creados por ondas de cuerpo refractadas, antes que, por ondas de superficie, ya que las ondas refractadas también viajan horizontalmente a lo largo de la superficie.

En la imagen de dispersión de un estudio MASW, estas ondas refractadas crean patrones de energía no dispersivos que ocurren en frecuencias mucho más altas (por ejemplo, 50 a 300 Hz, con velocidades entre 1.000 y 5.000 m/s) que aquellas de las ondas de superficie (por ejemplo, 5 a 50 Hz, con velocidades entre 0 y 1.000 m/s).

Ambas velocidades (P y S) siempre se originan simultáneamente, respecto a la orientación del impacto en el punto de fuente.

Como consecuencia, en cualquier registro de campo de un estudio MASW, la refracción de onda P aparece como como un evento lineal, llamado comúnmente primeros arribos, y luego, en un tiempo posterior, aparecen las refracciones de onda S, junto con las ondas de superficie y otras ondas de cuerpo.

Estas refracciones de onda P y S de la roca se pueden repetir varias veces debido a las múltiples reflexiones dentro de la capa de suelo.

Luego, la energía de refracción que aparece en las imágenes de dispersión está siempre contaminada de otros patrones de energía creados por eventos de onda de cuerpo (por ejemplo, de ondas reflejadas y difractadas de origen sísmico o acústico), así como de artefactos computacionales (por ejemplo, efectos de aliasing espacial y de borde).

Para mejorar la habilidad de estimar la velocidad de fase de refracción, todas las amplitudes de una imagen de dispersión son reunidas o apiladas (stacking) a lo largo del eje de la frecuencia.

Este proceso suma todas las amplitudes constructivamente, alineadas a lo largo de una línea recta, lo cual resulta en un peak en la curva de sumatoria de amplitudes, que ocurre en la más probable velocidad de fase que el patrón de energía observado puede representar.

Este proceso de sumatoria en el eje de la frecuencia. Los valores peak observados de Vs y Vp de la roca en la curva de sumatoria de amplitudes (figura 3), indican que la velocidad de corte del suelo es Vs suelo = 350 m/s (figura 1) y las posibles velocidades de la roca pueden ser Vp roca = 2500 m/s y Vs roca = 1400

Los patrones de energía de refracción pueden o no reflejarse en la imagen de dispersión procesada de un registro de campo de un estudio MASW; esto es, las refracciones de ondas s y p podrían estar ahí, o solo una de ellas, o posiblemente ninguna de estas pueda ser identificada. Existen varios factores que controlan esto:

La longitud del arreglo de receptores (L)
Las propiedades de atenuación del suelo (Qp y Qs)
El contraste de velocidad entre el suelo y la roca
Las características de la fuente sísmica.

Ventajas del Metodo Analisis Multicanal de ONDAS Superficiales (MASW)

La gran ventaja de un método de registro multicanal es la capacidad para reconocer los varios comportamientos, esto permite identificar y extraer la señal útil del conjunto de diferentes tipos de ondas sísmicas.

Cuando se impacta sobre la superficie del terreno todas estas ondas se generan simultáneamente con diferentes propiedades de atenuación, velocidad y contenidos espectrales.

Estas propiedades son identificables una a una por medio de una grabación multicanal y la fase sucesiva del proceso procura gran versatilidad en la extracción de la información útil. MASW es uno de los métodos sísmicos más fáciles el cual proporciona resultados altamente favorables y competentes.

Diferencias entre MASW y Refraccion Sismica

MASW

La técnica de Análisis Multicanal de Ondas Superficiales (MASW) es un método que realiza análisis las propiedades de propagación de las ondas sísmicas superficiales (Vs), principalmente las Ondas de Rayleigh, las cuales se propagan horizontalmente desde la fuente emisora hasta los geófonos receptores.

En un medio estratificado, la velocidad de propagación (velocidad de fase) de las ondas de Rayleigh depende de la frecuencia. Esta propiedad se conoce como dispersión.

Refraccion Sismica

Este método consiste en determinar los tiempos de recorrido de las ondas P (primarias), longitudinales o compresionales, desde un punto conocido (fuente sísmica) hasta una serie de sensores (geófonos) ubicados a lo largo de una línea de adquisición.

Conociendo tiempo de recorrido y distancia entre geófonos y fuente, se determina la velocidad de propagación del medio situado entre ambos.

Este método permite reconstruir un perfil de Vp 2D o 3D en función de la profundidad a lo largo de la línea de geófonos.

Estas velocidades están controladas por los parámetros elásticos que describen el material y se correlacionan con numerosas propiedades geomecánicas.

La refracción sísmica es muy útil para determinar, de manera rápida, la estructura del subsuelo.

Sus aplicaciones más frecuentes son la detección del sustrato rocoso y de su estado mecánico (fiabilidad del terreno grado de compactación), estabilidad de taludes, entre otros.

Una de las aplicaciones del método de refracción sísmica en la ingeniería civil es la determinación de la profundidad al basamento.

Fuentes:

Berchichevsky, M.N. y Dmitriev, V.I., 1976. Basic principles of interpretation of magnetotelluric curves. Geoelectric and Geothermal Studies, pp. 165-221, ed. Adam A., KAPG Geophysical Monograph, Budapest.
Bourgeois, J., Eguez, A., Butterlin, J., De Wever, P., 1990. Evolution géodynamique de la Cordille`re occidentale des Andes e´quateur; la de´couverte de la formation eoce`ne d’Apagua, C. R. Acad. Sci. Ser. 311 (1), pp. 173-180.

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