Entender la sísmica de refracción¶
Esta página explica qué mide un ensayo de sísmica de refracción y por qué funciona. Si es la primera vez que abordas este tipo de prospección, léela antes de usar el software: casi todas las decisiones que EasyRefract te pide tomar (cuántos estratos, dónde cae la primera llegada, qué velocidad elegir) resultan obvias una vez que el principio queda claro.
1. Qué es¶
La sísmica de refracción es una prospección geofísica indirecta: no excava ni toma muestras. Se genera un impulso sísmico en superficie y se mide cuánto tiempo tarda la onda en llegar a una serie de receptores (geófonos) alineados sobre el terreno. A partir de los tiempos de llegada se deduce la velocidad de las ondas en los distintos materiales y, por tanto, la geometría del subsuelo.
Las ondas generadas son de dos tipos: ondas P (primarias, de compresión) y ondas S (secundarias, de corte). La refracción trabaja con las ondas P, porque son las más rápidas y, por tanto, las primeras en registrarse: es su instante de llegada —la primera llegada— el único dato que tendrás que leer en los sismogramas.
2. Por qué la onda "vuelve arriba": refracción total¶
Cuando un rayo sísmico encuentra la superficie que separa dos materiales con velocidades distintas (\(V_1\) arriba, \(V_2\) abajo), se refracta según la ley de Snell. El ángulo cambia en función de la relación entre las velocidades:
- si \(V_2 < V_1\) el rayo se "verticaliza" y se pierde en profundidad: no vuelve a los geófonos;
- si \(V_2 > V_1\) el rayo tiende, en cambio, a horizontalizarse.
Los dos casos. En a) la velocidad disminuye hacia abajo (\(V_1>V_2\)): el rayo refractado se aleja de la interfaz y se pierde en profundidad. En b) la velocidad aumenta (\(V_1<V_2\)): el rayo se acerca a la horizontal, y es el único caso útil para la prospección.
Al aumentar el ángulo de incidencia se llega a un valor particular —el ángulo crítico— para el cual el ángulo de refracción resulta exactamente 90°: el rayo viaja a lo largo de la superficie de discontinuidad, a la velocidad \(V_2\) del estrato inferior. Esta es la refracción total.
Mientras recorre la discontinuidad, el rayo se comporta como un generador continuo de ondas: cede energía hacia arriba, devolviendo una familia de rayos paralelos entre sí, inclinados según el ángulo crítico. Son las ondas de cabeza (u ondas cónicas), y es lo que registran los geófonos.
La condición fundamental
La refracción total se produce solo si la velocidad aumenta con la profundidad (\(V_1 < V_2 < V_3 \dots\)). Si un nivel profundo es más lento que el que lo cubre, el método no lo ve: no es un problema de software ni de instrumentación, es un límite físico del método.
3. Onda directa y onda refractada: el punto de cruce¶
A los geófonos llegan dos familias de ondas:
- la onda directa, que viaja en superficie a la velocidad \(V_1\) del estrato más superficial, por el recorrido más corto;
- la onda refractada (de cabeza), que sigue un recorrido más largo —baja, corre a lo largo del refractor, sube— pero recorre un tramo a la velocidad mayor \(V_2\).
A los geófonos cercanos a la fuente llega antes la onda directa, porque el recorrido es corto. Pero al alejarse, el tramo rápido a \(V_2\) se hace cada vez más largo y en un cierto punto la onda refractada recupera y adelanta a la directa: el punto en el que ambas se equivalen es el punto de cruce. A partir de ahí, la primera llegada que lees ya no es la onda directa, sino la refractada.
4. La dromocrona: el gráfico que usaremos¶
Llevando a un gráfico la distancia del geófono (eje X) y el tiempo de la primera llegada (eje Y) se obtiene la dromocrona (o curva tiempo-distancia).
A la izquierda: cada geófono, a distancia \(x_1 \dots x_4\) de la fuente, registra un sismograma del que se lee el tiempo de la primera llegada \(t_1 \dots t_4\). A la derecha: esos mismos tiempos representados en función de la distancia forman la dromocrona. Se reconocen la onda directa, la primera onda de cabeza y el punto de cruce en el que la segunda adelanta a la primera.
Es el núcleo de la interpretación, porque:
- cada tramo rectilíneo corresponde a una onda que viaja en un material a velocidad constante;
- la pendiente de ese tramo es el inverso de la velocidad: cuanto más "tumbado" está el tramo, más rápido es el material;
- los puntos de quiebre (los cambios de pendiente) son los puntos de cruce, es decir, el paso de una onda a la siguiente.
De aquí se deriva la regla que usarás continuamente en EasyRefract:
Estratos y refractores
Un refractor es la superficie que separa dos estratos. Por tanto: N estratos ⇒ N−1 refractores. Si en la dromocrona reconoces la onda directa más dos tramos refractados, tienes 2 refractores y por tanto 3 estratos. Contar los cambios de pendiente es la forma práctica de decidir cuántos estratos configurar en el software.
5. Cómo se adquiere en campo¶
El tendido (o stendimento) es la fila de geófonos. La fuente —maza, cañón sísmico o carga— se hace detonar en posiciones distintas, denominadas disparos (o shots). La distancia fuente-geófono se llama offset.
El esquema clásico, el mismo que se usa en el ejemplo del tutorial, prevé 5 disparos:
| Disparo | Posición | Nombre |
|---|---|---|
| 1 | fuera del tendido, antes del primer geófono | shot externo directo |
| 2 | en el extremo inicial del tendido | shot directo |
| 3 | en el centro del tendido | shot central |
| 4 | en el extremo final del tendido | shot inverso |
| 5 | fuera del tendido, después del último geófono | shot externo inverso |
Hacen falta disparos directos e inversos porque un refractor inclinado da tiempos distintos según el sentido en que se lo "atraviesa": solo combinando ambos sentidos se separa la verdadera velocidad del refractor del efecto de la pendiente.
6. Qué hace el método G.R.M.¶
EasyRefract interpreta los datos con el Método Recíproco Generalizado (G.R.M.) de Palmer (1980). Los métodos anteriores (tiro conjugado, delay time, plus-minus) funcionaban bien solo con refractores de pendiente suave y regular.
Palmer introduce el parámetro XY óptimo, que permite reconstruir también superficies irregulares o con variaciones bruscas. La idea geométrica: la proyección de cada geófono sobre la discontinuidad se trata como el radio de una circunferencia; trazando estos arcos bajo todos los geófonos, el refractor es la envolvente de las tangentes a los arcos de circunferencia.
De ello se deriva una consecuencia práctica importante: cuanto más próximos están los geófonos, más detallado resulta el refractor y más fiable es la interpretación.
7. Límites que conviene conocer antes de empezar¶
Cuándo la refracción se equivoca (y no te lo dice)
- Inversión de velocidad — si un estrato profundo es más lento, el método falla: ese estrato no se detecta.
- Estrato oculto — un estrato con velocidad intermedia entre el de arriba y el de abajo puede quedar "saltado" y no aparecer.
- Espesores demasiado delgados — un nivel demasiado delgado no produce un tramo reconocible en la dromocrona.
- Distancia entre geófonos — ampliarla aumenta la profundidad investigada pero empeora la precisión en las profundidades.
- No unicidad — los mismos tiempos pueden explicarse con varios modelos. Donde sea posible, calibra la interpretación con un sondeo.
Una última advertencia que resultará útil al final, cuando asignes un nombre litológico a los estratos: la velocidad no identifica por sí sola una litología. Dentro de un mismo material la velocidad cambia con la compactación, la fracturación y la porosidad.
Aclarado el principio, se puede pasar a la práctica: continúa con Datos iniciales.