Apuntes Geología
S. Griem-Klee (2016)

Apuntes Exploraciones Mineras

Sismica: Geófonos

www.geovirtual2.cl
Métodos de Exploración y Prospección

Capitulo
4.7

linea 150

Contenido página
Geófono electromagnético
Geófono de reluctancia
Geófono de capacidad
Geófono piezoeléctrico
Frecuencia natural
amortiguamiento











Sismica: Geófonos


Geófonos

Generalmente en la superficie terrestre firme se detecta el movimiento de las partículas generado por una fuente energética relacionando la velocidad de la partículas con el tiempo. El geófono es la unidad en contacto directo con la superficie terrestre, que convierte el movimiento de la Tierra generado por un tiro por ej. en señales eléctricas. Casi todos los geófonos empleados para la prospección sísmica a partir de la superficie terrestre firme son de este tipo electromagnético. Las señales se introduce en un sistema instrumental, que entrega la presentación de la información geológica del subsuelo como producto final. Usualmente esta presentación es una sección por el subsuelo a lo largo de un perfil, que se basa en los datos detectados y corregidos. En operaciones submarinas se observa la variación de la presión, que resulta del paso de las ondas sísmicas por el agua. El instrumento de detección empleado es el hidrófono. A partir de la superficie terrestre firme en la refracciones sísmica se utilizan los geófonos sensibles a vibraciones entre 5 y 100 ciclos per segundos (cps), en las reflexión sísmicas se utilizan los geófonos sensibles a vibraciones entre 10 y 150 cps.


El geófono sólo responde a la componente vertical del movimiento del suelo.

Los geófonos funcionan según los mismos principios que aquellos de los sismógrafos, que se emplean para el registro de las ondas sísmicas generadas por un terremoto o un temblor. Como se quiere registrar los movimientos del suelo de un orden de 10-8cm = 10-10m = 0,1nm los geófonos están equipados con amplificadores y registros eléctricos. Se distinguen los siguientes tipos de geófonos : los geófonos electromagnético, de reluctancia variable, de capacidad, piezoeléctrico o tipo de presión.



Geófono electromagnético

El geófono electromagnético es el más sencillo y el más empleado de los varios tipos de geófonos. Se constituye de una bobina y de un imán. Uno de estos dos elementos está fijado rígidamente con respecto a la superficie terrestre de tal manera, que se moverá junto con la superficie terrestre en repuesta a los movimientos sísmicos. El otro es el elemento inerte y cuelga sujetado por un resorte en un soporte fijo. En la figura 4.1 la bobina está sujetada rígidamente con respecto a la superficie terrestre y el imán, que cuelga sujetado por un resorte en el cajón, es el elemento inerte. Cualquier movimiento relativo entre la bobina e el imán produce una fuerza electromotriz entre los terminales de la bobina. El voltaje correspondiente a esta fuerza electromotriz es proporcional a la velocidad del movimiento. En la mayoría de los geófonos construidos para la prospección sísmica (véase fig.) la bobina presenta el elemento inerte y el imán forma una parte del cajón , que se mueve, si la superficie, en que se ubica el cajón, se mueve. La sensibilidad del geófono depende de la fuerza del imán, de la cantidad de espiras de la bobina y de la configuración del sistema. El tamaño de los geófonos electromagnéticos no sobresale la altura de 10cm.


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Geófono de reluctancia

El geófono de reluctancia variable (véase fig.siguiente) se constituye de un sistema de bobina y armadura, siendo el elemento inerte y de una pareja de imanes permanentes alineados en oposición magnética y separados entre sí por un espacio de aire. Los imanes, que están unidos con una caja por medio de un resorte presentan el elemento rígido moviéndose con las partículas de la superficie terrestre debido a un evento sísmica. En la posición del equilibrio los dos entrehierros son iguales y los circuitos magnéticos de los imanes superior e inferior al tener fuerzas electromotrices opuestas, pero del mismo valor se anulan exactamente, no pasa un fluido electromagnético por la armadura. En un desplazamiento de su posición de equilibrio los dos entrehierros no son iguales y la reluctancia del circuito magnético formado por el imán superior y la armadura no es igual a la reluctancia del circuito generado por el imán inferior y la armadura. Por lo tanto pasará un flujo electromagnético por la armadura y la bobina producirá una fuerza electromotriz a medida que este flujo varíe. El máximo de variación tiene lugar cuando la armadura pasa por la posición de equilibrio y el voltaje inducido tiene su valor máximo. En la posición del desplazamiento máximo el voltaje es cero. Este tipo de geófono responde a la velocidad, por consiguiente su señal de salida está desfasada 90° con respecto al desplazamiento de las partículas moviéndose debido a un evento sísmico.

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Geófono de capacidad

En este geófono (véase fig. siguiente) el elemento inerte, una masa está fijada a una de las placas de un condensador y la otra placa del condensador es fijo con respecto al suelo. El movimiento del suelo causa una variación de la capacidad del condensador y por consiguiente se produce una variación de la capacidad del condensador. En un tipo de estos geófonos la capacidad variable altera la sintonización y por lo tanto la potencia de salida de un circuito oscilatorio. En un otro tipo la variación de la capacidad regula el voltaje de rejilla del primer paso de un amplificador, como lo sucede en un microscopio electrostático. La salida de corriente es proporcional al desplazamiento, si la frecuencia natural está por debajo de la gama de frecuencias sísmicas que hayan de ser registradas.


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Geófono piezoeléctrico

En el geófono piezoeléctrico (véase fig. siguiente) un peso descansa sobre una batería de placas hechas de algún material piezoeléctrico sensible a la presión tal como cuarzo, turmalina, titanito de bario, que fueron cortados paralelamente a sus ejes ópticos o como un material cerámico de la misma característica. Una aceleración del suelo hacia arriba como está indicado en la figura siguiente aumentará el peso aparente de la masa y en consecuencia subirá la presión, que actúa en los cristales piezoeléctricos.Una aceleración del suelo hacia abajo disminuirá el peso aparente de la masa, y en consecuencia la presión ejercida a las placas. La variación de la presión induce variaciones de voltaje en las placas. Se mide las aceleraciones en lugar de los desplazamientos (geófono de capacidad) o de las velocidades (geófonos electromagnético y de reluctancia).


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Frecuencia natural y amortiguamiento de los geófonos

Cada detector sísmico sea construido para detectar terremotos naturales o para registrar las ondas sísmicas generadas en la prospección sísmica, se caracteriza por un período de oscilación natural, que depende de la masa y de la fuerza restauradora de la suspensión elástica del resorte. En un geófono electromagnética el período de oscilación natural T depende de la masa m del elemento inerte (en la fig.4-1 el imán, en el segundo ejemplo la bobina) y de la flexibilidad del resorte k (stiffness coefficient). La flexibilidad del resorte se expresa por medio de una constante de proporcionalidad, que relaciona la fuerza, que actúa en el resorte, con la elongación correspondiente a esta fuerza. La fórmula siguiente expresa la relación arriba explicada:


T = 2x(pi) (m/k), donde T = período de oscilación natural, m = masa del elemento inerte (imán o bobina), k = flexibilidad del resorte.

La frecuencia es el recíproco del período, por consiguiente vale:

f = 1/T = 1/[(2xpi)(k/m)]



Con un amortiguamiento pequeño del geófono, cualquier impulso sísmico introducido y causando un movimiento del resorte genera una señal de salida oscilatoria con una frecuencia, que es el recíproco del período de oscilación natural. Pero de este modo no se acentúa la repuesta a una señal introducida en el geófono como es deseable para la detección de ondas sísmicas. Introduciendo un amortiguamiento propio (una fricción interna) se puede aproximar la repuesta del geófono a todas las frecuencias mayores que la frecuencia de resonancia del geófono. En este modo la señal de salida del geófono da una representación de alta fidelidad con respecto al movimiento de la superficie terrestre. En los geófonos antiguos se realizaron el amortiguamiento del geófono por el arrastre viscoso de una lámina metálica sumergida en aceite para producir un amortiguamiento mecánico viscoso. En los geófonos dinámicos modernos se emplea un amortiguamiento eléctrico suprimiendo la oscilación mecánica por medio de corrientes parásitas. Generalmente los geófonos empleados en la prospección sísmica son caracterizados por repuestas de forma somera. En circunstancias, en que la detección de un señal distinto (como este por ej., que corresponde a la primera interfase en la refracción sísmica) es de importancia mayor en comparación al registro de la forma de onda, y si este señal es superpuesto por un fondo de alto nivel, ‘sharp tuning’ del detector con respecto a la frecuencia dominante de la señal esperado puede ser la única manera para observar el señal de mayor importancia.

El diagrama fig.4-6 ilustra unas curvas características para la repuesta de un geófono como una función de la frecuencia del movimiento de la superficie terrestre y del amortiguamiento. Estas curvas se obtiene colocando el geófono en una mesa oscilante, que se deja oscilar a varias frecuencias. El eje y del diagrama (fig. 4-6) representa las señales de salida normalizadas (es decir el eje y presenta el cociente: salida de voltaje dividida por la salida, que se obtendría por medio de una excitación con la misma amplitud de velocidad y con una frecuencia mucho mayor que la frecuencia natural), al eje x corresponde el cociente siguiente: frecuencia de la señal/frecuencia de la oscilación natural del geófono. Teoréticamente la ausencia de amortiguamiento resulta en una repuesta infinita a la resonancia. La curva superior corresponde a un sistema sin amortiguamiento, en los sistemas con amortiguamiento representados por las curvas inferiores del diagrama la altura y la agudeza de los altos de las curvas se disminuyen con el grado de amortiguamiento subiendo. El grado máximo de amortiguamiento que se puede aplicar sin destruir el carácter oscilatorio de la repuesta se denomina amortiguamiento crítico. Un sistema amortiguado por la mitad de su valor critico (curva con h = 0,5) es caracterizado por una curva con un alto, lo cual se produce a una frecuencia más elevada que la frecuencia natural. Muchos geofísicos consideran este grado de amortiguamiento muy adecuado para los geófonos empleados en las reflexiones sísmicas. Con un amortiguamiento 0,707 veces el valor crítico el alto desaparece y la salida del voltaje aumenta suavemente al aumentar la frecuencia, aproximándose asintóticamente a su valor máximo. La curva para un amortiguamiento critico sigue una marcha análoga.

Si se emplease un geófono con frecuencia natural de 6Hz como es común en las reflexiones sísmicas con frecuencias dominantes alrededor de 30Hz, no habría necesidad de regular el amortiguamiento con tanto cuidado como en un geófono de la misma frecuencia natural de 6Hz empleado en la refracción sísmica, en la cual se encuentran frecuencias tan bajas como de 5Hz.

La frecuencia natural del geófono se puede manipular por medio del resorte de un cierto valor k (= flexibilidad del resorte), que entra en la fórmula para calcular la frecuencia. Se elige la frecuencia natural del geófono teniendo en cuenta la frecuencia mínima de la señal a detectar. En los tiempos pasados en las reflexiones sísmicas se han preferido restringir las frecuencias a las partes elevadas de la gama total pasada por la Tierra y suprimir las frecuencias bajas (que podrían ser asociadas con el ruido del fondo). De tal modo se ha utilizado el geófono mismo como un filtro de paso alto y las frecuencias naturales comunes de los geófonos se ubicaron a 30Hz o más. Hoy día se suprime el ruido de fondo colocando los tiros en una forma adecuada y por medio de la configuración de los geófonos. Por esto se puede utilizar geófonos de frecuencias naturales menores por ej. de 20Hz, de 8 y 6 Hz en las reflexiones sísmicas, que pueden detectar las señales de frecuencias más bajas procedentes de las formaciones geológicas de la corteza terrestre más profundas. El mercado ofrece los geófonos adecuados para las reflexiones sísmicas con una gama de frecuencia natural desde 4,5 y 100Hz.

En la refracción sísmica generalmente se emplea geófonos con frecuencias naturales menores de 10Hz (normalmente menores de 5Hz con la excepción de los geófonos empleados en configuraciones de larga distancia entre tiro y geófono).

Generalmente se agrupa varios geófonos (grupos de 24, 48 o 96 geófonos), de tal modo que se puede sumar las salidas de todos los geófonos del grupo.

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Contenido

Exploración Mineras

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Contenidos
1. Introducción
2. Remote Sensing
3. Geoquímica
4. Métodos sísmicos

4.1 Sismología
4.2 Historia
4.3 Fundamentos teóricos
4.4 ondas sísmicas
4.5 Método refracción
4.6 Método reflexión
4.7 Geófonos
4.8 Características

5. Método magnético
6. Método gravimétrico
7. Métodos eléctricos
Índice
Bibliografía

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© Susanne Griem-Klee & W. Griem, Copiapó - Región de Atacama, Chile
Publicado: 3.9.2016
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