SÍSMICA DE REFRACCIÓN. Definición, aplicaciones e interpretación

¿Qué es la sísmica de refracción?

La sísmica de refracción es, quizás, el método geofísico más empleado en geotecnia para estudiar el terreno debido a su rapidez, economía y versatilidad. Mide el tiempo de llegada o de propagación de las ondas longitudinales (ondas P) y con ello es posible establecer un perfil del subsuelo.

Es decir, los perfiles de sísmica de refracción permiten determinar la estructura del terreno a partir de la transmisión de ondas sísmicas P.

Las ondas P, recordemos, son las ondas longitudinales y las más rápidas, más que las ondas S (transversales) y su velocidad depende de las propiedades elásticas de los materiales.

Esta técnica geofísica permite, por tanto, determinar la velocidad de las ondas P en modelos litológicos en los que se representa la velocidad de propagación de las ondas P en las distintas unidades que componen el terreno.

El método se basa en el principio físico de la refracción. Cuando una onda incide en una superficie que separa dos medios con velocidades de propagación diferentes se produce un cambio en la trayectoria de dicha onda, este efecto se denomina refracción y puede cuantificarse a partir de la Ley de Snell.

V1/sen ( i )=V2/sen ( i2 )

Cuando el ángulo de incidencia aumenta lo suficiente alcanza un valor denominado ángulo crítico a partir del cual toda la energía que se transmite al segundo medio se propaga a lo largo de la interfase entre ambos medios. Esta onda se denomina onda refractada crítica, se propaga con la velocidad del medio inferior y retorna a la superficie con gran amplitud.

Un tipo especialmente útil de sísmica de refracción es la tomografía sísmica.

Las tomografías sísmicas consiguen una mayor resolución y detalle de los modelos del terreno ya que se basan en la diferencia de tiempos recorridos de las ondas P teóricos y medidos (inversión de residuos).

Equipo sísmica de refracción

El equipo de registro de sísmica de refracción consta de tres partes fundamentales:

• Fuente sísmica. Habitualmente una maza que golpea el terreno, pero también puede emplearse una carga explosiva, una masa en caída libre o cualquier otro elemento que produzca un impulso mecánico en el terreno.
• Sensores. Se emplean geófonos que registran el movimiento del terreno (normalmente en la dirección vertical) generado por la fuente sísmica a intervalos regulares.
• Unidad de registro. Consta de un sismógrafo que almacena en formato digital la información proveniente de los geófonos.

Una vez generada la onda (emisor de la fuente sísmica) desde un punto conocido y conocida la separación entre geófonos, es posible medir la velocidad de propagación de las ondas longitudinales y con ellas construir perfiles geofísicos 2D o, incluso 3D en función de la distancia cuya resolución y profundidad dependerá, entre otros, de la separación de los geófonos y la distancia a la fuente sísmica.

Existen numerosas configuraciones de dispositivos pero lo más habitual son perfiles sísmicos de 50 a 250 m de longitud así como separaciones de geófonos entre 1 y 10 m. En grandes obras de ingeniería se emplean perfiles incluso de hasta 1 km de longitud.

Aplicaciones sísmica de refracción

La principal aplicación de la sísmica de refracción es estudiar la excavabilidad de los materiales del subsuelo. Para ello se correlacionan las velocidades sísmicas obtenidas en los modelos con tablas de ripabilidad.

La sísmica de refracción además permite definir la geometría de los niveles de roca sana, roca alterada y recubrimiento así como la profundidad de éstos niveles puesto que los materiales más resistentes y compactos presentarán una velocidad de propagación mayor.

Puede determinar las condiciones de fracturación y meteorización de un macizo rocoso por lo que son especialmente útiles en túneles y minería.

También permiten la detección de cavidades o cuevas en combinación con perfiles de tomografías eléctricas mediante estudios específicos de karstificación ya que ayudan a discriminar aquellas anomalías de alta resistividad eléctrica asociadas a huecos o a rocas muy cristalizadas.

Así mismo también es posible determinar superficies de deslizamiento, zonas de debilidad o fallas entre otros.

Limitaciones sísmica de refracción

Las principales limitaciones de esta técnica son:

• No recomendable en zonas urbanas o con alto grado de vibraciones ambientales.
• Los modelos no son capaces de detectar niveles o capas de baja velocidad.
• Modelos simplistas que no son capaces de reproducir fuertes gradientes laterales o buzamientos importantes.
• Ausencia de una estimación fiable en la incertidumbre de los modelos.