Capitulo
4.7
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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.
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.
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.
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).
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)-½, 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)-½]
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.
CApuntes
- Geología
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
Páginas de Geología
Apuntes Geología General
Apuntes Geología Estructural
Apuntes
Depósitos Minerales
Colección de Minerales
Periodos y épocas
Figuras históricas
Citas geológicas
Exploración - Prospección
Módulo de Citas
Depósitos
Depósitos en el Mundo
Depósitos en Chile
Depósitos en Atacama
Bibliografía Depósitos Minerales
