Metodos geofisicos

Por: Ing. Lars Gosta Erick Backstrom

La utilización de métodos geofísicos es una de las maneras mas rápidas y baratas de estudiar las propiedades de las superficies de poca profundidad, cosa que podría ser de interés para proyectos de ingeniería y del medio ambiente.

La mayoría de los métodos geofísicos son excelentes para descubrir capas y descontinuidades en la tierra. Su principal desventaja es que los resultados pueden ser ambiguos. Sin embargo, se pueden combinar los resultados de diferentes métodos para reducir la ambiguedad. Hacer perforaciones es mucho mas caro que las agrimensuras geofísicas. Al utilizar métodos geofísicos para sacar resultados preliminares, hacer perforaciones puede reducirce a tan solo confirmar los resultados obtenidos en los estudios geofísicos, especialmente en los puntos de interés.

A continuaciónvoy a describir dos estudios utilizando métodos geofísicos que se usan para estudiar superficies de poca profundidad, y algunos de sus posibles usos en la práctica de la ingeniería.

1. TEMBLORES GLACIARES EN EL GRAN GLACIAR EN EL MACIZO THE KEBNEKAISE, SUECIA.

El estudio de los glaciares se ha vuelto de suma importancia debido al calentamiento global. Los glaciares reaccionan rápidamente a los cambios en la temperatura, precipitación pluvial y nevadas. El así llamado “Gran Glaciar”, en el macizo de Kebnekaise, es un glaciar pequeño tipo valle , en una zona de clima templado. Su longitud es de aproximadamente tres kilómetros y su profundidad máxima es de 250 metros . El movimiento del glaciar es de aproximadamente tres metros al año, pero solamente avanza durante el verano. Ha sido estudiado y monitoreado continuamente desde principios de los sesentas, por lo tanto hay suficiente información para usar en combinación con cualquier estudio que se quiera llevar a cabo.

Podría decirse que se pueden comparar los movimientos del glaciar con los movimientos de las placas terrestres: la fricción entre el hielo y los lados del valle, mas la irregularidad en el fondo del glaciar causan presión y tensión. Esto ocasiona que las superficies que tienen menos de 40 metros de profundidad se cuarteen. A mayor profundidad la deformación es plásitca debido a la presión. Cuando estas cuarteaduras se forman el hielo se rompe de una manera muy similar a los mecanismos que causan los terremotos.

Mi asistente y yo queriamos estudiar el glaciar a principios del verano, cuando el aumento en la temperatura ocasiona que el glaciar se derrita. El agua derretida hace que el fondo del glaciar se empiece a deslizar, comenzando así su movimiento anual.

Nuestra formación de geófonos sensibles a cualquier movimiento fue colocado casi exactamente en medio del glaciar. La intención era caputrar las primeras señales de movimiento y formación de cuarteraduras.

Utilizamos un modelo simplificado del glaciar que consistía en dos capas: la primera estaba congelada y seca, y tenía una profundidad de 40 metros ; la segunda capa, que estaba debajo de la primera, estaba hecha de hielo semiderretido. La velocidad de las ondas sísmicas en la capa superior fueron de 3650 m/s para las ondas de presión, P, y las de deslizamiento, S, fueron de 1820 m/s. Respecto a la capa inferior, las ondas de presión alcanzaron una velocidad de 3420 m/s y las de deslizamiento la mitad. Nosotros esperabamos que las ondas directas fueran las primeras en llegar a las geófonos, no las refractadas.

No tratamos de medir la profundidad a la que los temblores glaciares ocurrieron, porque la profundidad hubiera sido a menos del 10% de la distancia, asi el márgen de error hubiera sido demasido para calcular la exactitud. La distancia se calculó usando esta simple fórmula

OT = Pat - Ptt
OT = Sat - Stt

Donde:
OT = Tiempo de origen
Pat, Sat =P y S tiempo de llegada respectiamente
Ptt, Stt = P y S tiempo de desplazamiento respectivamente

Relacionándolos:
Ptt = D/Vp and Stt = D/Vs

Donde:
D = Distancia del epicentro
Vp, Vs = Velocidad de las ondas P y S respectivamente.

Obtenemos:
Sat - Pat = D(Vp - Vs)/(VsVp)

Usando la relación:
Vp = 2Vs

Tenemos:
D = Vp(Sat - Pat)

Combinando todo obtenemos:
OT = 2Pat -Sat

La actividad sísmica fue mucho más alta de lo esperado, y la identificación de los tiempos de llegada muchisimo más difícil que lo anticipado. El tiempo asignado para el proyecto, que fue muy limitado, solamente nos permitió localizar siete temblores.

Obtuvimos dos resultados sorprendentes durante la investigación:

1. El aumento de la temperatura incrementó la presión del agua derretida dentro del glaciar, lo que ocasionó que este vibrara, un efecto jamás observado.

2. Hubo un temblor que tuvo una intensidad inesperada, en un área normalmente no asociada con temblores. Al año siguiente hubo un colapso parcial en esta área del glaciar.

Algunas aplicaciones de microsismidad en ingeniería y estudios medioambientales:

*Cuando se inyectó agua en pozos petroleros en California hubo un incremento considerable de pequeños temblores. Se descubrio que el agua lubricó las fallas, minimizando la fricción, lo que incrementó el número de temblores de poca intensidad. Se ha sugerido que se utilice éste método para reducir la tensión en áreas proclives a terremotos mayores, como en California.

*Cuando el Departamento Nuclear Sueco sugirió almacenar deshechos nucleares en el norte de Suecia se llevó a cabo una investigación sísmica del lugar. Se descubrió que el àrea era tan activa sísmicamente, que se descartó la idea de almacenar allí los deshechos nucleares debido a la inestabilidad de la tierra.

*las minas cambian las tensiones en las zonas rocosas que las rodean. Los temblores de las rocas, “rock-bursts”, se pueden estudiar exactamente de la misma manera que los terremotos. Los temblores en las rocas pueden causar que las minas colapsen, o también puede mostrar que la estructura de la mina es inestable.

*Microsismicidad es uno de los problemas potenciales de la energía geotérmica.Esta podría causar daños en la zona donde se encuentra la estación de energía geotermal.

2. Como analizar el fondo del glaciar utilizando reflexiones sísmicas poco profundas.

El Gran Glaciar en el macizo de Kebnekaise descansa en un fondo compuesto de sedimento fino. Durante el invierno este se congela, pero en el verano se derrite parcialmente; la presión del agua aumenta cuando mas agua se derrite, lo que hace que el glaciar empiece a moverse. La diferencia en densidad entre el hielo y la capa de sedimento semicongelado es mínima. La capa de sedimento es tan delgada, que hace que su estudio sea muy difícil. Georadar, perforación y métodos de resistencia eléctrica han fallado en estudiar el sedimento con exactitud.

Ayudé en un proyecto en donde se trató de investigar el sedimento utilizando una formación de refelxión sísmica de poca profundidad. La fuente sísmica consistió en el disparo de una bola de pólvora del tamaño de una posta de escopeta. La refracción sísmica no funcionaría porque el fondo es delgado y tiene una onda de propagación de menor velociad que las ondas del glaciar y las rocas debajo del sedimento. la señal simplemente desaparecería. El programa de computación usado se desarrolló para estudiar “valles escondidos”, o sea, valles antiguos que ahora estan cubiertos de sedimento. La fórmula básica para calcular la reflexión sísmica es:

  o   

donde

La velocidad, V1, da la capa superior y la profundidad h1 hacia la capa inferior se puede determinar gráficamente. Se hace una gráfica de SQR(T) versus SQR(x) para diferentes valores x, donde x es la distancia entre la fuente y geofono. La inclinacion de la gráfica, que debe de ser una linea recta, nos da y el punto donde esta intercepta el axis y nos da

, pudiendo entonces calcular h1.

Con mas de una capa obtenemos estas ecuaciones:

es el tiempo de ida y vuelta para x = 0 para la capa kth. , es la velocidad promedio, o para ser mas exactos la velocidad “root mean square”, directo hacia el límite profundo de la capa de máxima profundidad. Vk es la velocidad en la capa kth, y Tk es es tiempo de recorrido de la onda reflejada en la capa kth.

Descubrimos que el fondo no es una capa homogénea, sino una seria de depresiones con un grosor de entre uno y tres metros.

Este método de reflexiones sísmicas de poca profundidad se usa extensivamente para detectar agua subterránea. También se puede localizar capas de lodo o arenas movedizas, mismas que pueden causar inestabilidad en proyectos de construcción.