¿Qué es el método MASW?
- GEOLANEL SAS
- 27 ago
- 8 Min. de lectura
Probablemente has escuchado el termino MASW en repetidas ocasiones, especialmente en los campos de ingeniería sísmica, geotecnia, y exploración del subsuelo. A pesar del amplio uso que esta técnica tiene en la actualidad, el entendimiento de su funcionamiento puede resultar muy retador.
En el presente artículo queremos discutir las bases teóricas y prácticas de esta técnica, buscando brindar un entendimiento sólido a aquellos profesionales que lo necesiten.
Introducción
El termino MASW tiene su origen en el acrónimo de palabras en inglés: Multichannel Analysis of Surface Waves, lo cual traduce a: Análisis Multicanal de Ondas Superficiales. Recientemente, esta técnica ha adquirido una gran popularidad en el campo de la ingeniería sísmica y la exploración geotécnica del subsuelo, gracias a su relativa facilidad de adquisición en campo y a que, con los conocimientos adecuados, su procesamiento es relativamente sencillo y rápido.
Por otro lado, el método MASW puede resultar confuso para los profesionales a cargo de llevar a cabo su procesamiento o para quienes les corresponde supervisar y evaluar la calidad de los productos entregados por empresas de exploración del subsuelo que realizan este ensayo sísmico. La dificultad para comprender el método MASW radica principalmente en el hecho de que esta técnica analiza las ondas superficiales desde el punto de vista de la frecuencia, empleando herramientas como la generación de espectros frecuencia-número de onda (F-K), y espectros frecuencia-velocidad fase. El entendimiento de estos conceptos puede resultar retador hasta para el más juicioso de los profesionales, dificultando la tarea de realizar este método, así como de evaluar la calidad de un ensayo MASW realizado por un contratista o proveedor de servicios.
Para comenzar, discutamos los principios básicos del análisis multicanal de ondas superficiales (MASW)
Generalidades del método MASW
Como su nombre lo indica, el método MASW estudia las ondas de superficie, más específicamente las Ondas de Rayleigh. Esto lo distingue de los métodos que estudian las ondas de cuerpo como es el caso de la sísmica de refracción y de reflexión. Existen otros métodos que estudian las ondas de superficie, los más conocidos son: Autocorrelación Espacial (SPAC) y Refracción de Microtremores (ReMi). El método MASW hace parte de la familia de los métodos que estudian las ondas de superficie, pero tiene sus características distintivitas:
Tipo de arreglo de adquisición: geófonos colineales con espaciamiento constante.
Tipo de fuente sísmica: Activa
Tipo de onda estudiada: Ondas de Rayleigh.
Tipo de geófono requerido: geófonos verticales (convencionales).
Producto principal generado: Perfil 1D de velocidad de onda-S del subsuelo.
El método MASW comparte con el método ReMi el hecho de que los dos emplean un arreglo de geófonos colineales para medir y estudiar las Ondas Rayleigh, sin embargo, se diferencian por su tipo de fuente sísmica, pues el método MASW utiliza una fuente sísmica activa, mientras que el método ReMi utiliza el ruido sísmico ambiental. Por otro lado, el método SPAC se distingue por ser de fuente pasiva y porque no requiere de un arreglo de geófonos colineales.
El producto principal del método MASW es un perfil 1D de variación de velocidad de onda-S del subsuelo. Este es de gran valor pues es el insumo principal para llevar a cabo un análisis del perfil sísmico del subsuelo como es el caso del análisis de respuesta dinámica de sitio.
Ahora bien, conociendo las generalidades de este método, discutamos sus aspectos teóricos más relevantes.
Teoría del método MASW
Para entender adecuadamente el método MASW es necesario comprender que este estudia la dispersión de las ondas de Rayleigh. El estudio del fenómeno de dispersión es el pilar fundamental de todos los métodos que estudian las ondas superficiales (MASW, ReMi y SPAC). De hecho, si analizamos cuidadosamente estos tres métodos veremos que todos ellos tienen algo en común: los tres generan una curva de dispersión durante su rutina de procesamiento. Entonces surge la pregunta ¿Qué es la dispersión de las ondas de Rayleigh?
La dispersión se define como el fenómeno de la separación de las ondas en función de su frecuencia, especialmente cuando transitan a través de un medio. En sismología, se ha observado que las ondas de Rayleigh son dispersivas, es decir que, a medida que transitan a través de un medio, las ondas con diferentes frecuencias exhiben velocidades distintas y comienzan a separarse entre sí. La separación de las ondas en función de su frecuencia genera un aumento del “ancho” o duración de la onda de superficie detectada por los geófonos a medida que esta se propaga desde la fuente sísmica hacia los geófonos más alejados. En la Figura 1 se aprecia un conjunto de trazas sísmicas adquiridas por el equipo profesional de GEOLANEL SAS, la fuente sísmica se ubica en el extremo izquierdo del conjunto de geófonos. Al observar detalladamente dicha figura se aprecia que la onda de superficie aumenta su duración o “ancho” debido al fenómeno de dispersión.
Ahora bien, surgen más preguntas de forma natural ¿de qué nos sirve conocer la dispersión de las ondas de superficie? ¿Cómo esto nos ayuda a estudiar el perfil de onda-S del subsuelo en el método MASW? Para responder las anteriores preguntas basta con entender el origen de la dispersión de las ondas de superficie:
La dispersión de las ondas de superficie se debe a dos factores:
La penetración en el terreno de las ondas de superficie depende de su frecuencia, las ondas de baja frecuencia tienen una mayor penetración (transitan a través del sector profundo del terreno) mientras que las ondas de alta frecuencia tienen una menor penetración (transitan a través del sector somero del terreno).
Si el terreno presenta variaciones de la velocidad sísmica en profundidad, entonces las ondas de diferentes frecuencias se moverán a diferentes velocidades y, por ende, se dispersarán.
Es decir que la dispersión de las ondas de superficie se debe a que el terreno presenta variaciones de velocidad sísmica en profundidad, por ende, si conocemos y estudiamos la dispersión de las ondas de superficie podemos entender como la velocidad sísmica del subsuelo varía en profundidad. El anterior concepto es el corazón del método MASW, así como de los métodos ReMi y SPAC.
Ahora bien, ¿cómo podemos estudiar la dispersión de las ondas de superficie empleando el método MASW? En esencia, este método utiliza un arreglo de geófonos colineales para medir la velocidad de propagación de las ondas a través de dicho arreglo. En la Figura 2 se ilustra el funcionamiento de una adquisición MASW, en la cual, la fuente sísmica se ubica en el extremo de una línea sísmica, el avance de las ondas de superficie es registrado con el propósito de estudiar la velocidad de las ondas en función de su frecuencia.
La siguiente pregunta que surge es ¿Cómo medimos la velocidad de las ondas de superficie? Entender este proceso es tal vez uno de los aspectos más retadores del método MASW, pues emplea el análisis de Fourier para generar un espectro de frecuencia-número de onda (conocido también como espectro F-K), este espectro es una herramienta de gran importancia, su elaboración requiere de la utilización de la transformada de Fourier, y es considerablemente complejo conceptualmente, por lo que lo dejaremos para otro artículo.
En el espectro F-K, las ondas de superficie generan una región con altos valores de amplitud (esto es así debido a que las ondas de superficie poseen la mayor amplitud entre todas las ondas registradas en una adquisición sísmica activa). Esta zona de altos valores en el espectro F-K es manualmente seleccionada, y a partir de estos valores de frecuencia temporal y espacial se calcula la curva de dispersión. Dicha curva le asigna un valor de velocidad a cada frecuencia temporal. En la Figura 3 se aprecia el proceso típico de análisis del espectro F-K en una adquisición tipo MASW, en el lado izquierdo se aprecia el espectro F-K, en dicho espectro se aprecia una región con altos valores (color amarillo), los cuales corresponden a las ondas de superficie, esta zona se selecciona manualmente para posteriormente obtener la curva de dispersión. En el lado derecho, se aprecia el sismograma en el cual se midió la propagación de una onda generada a partir del impacto de un martillo de 10 kg.
Una vez se han seleccionado manualmente las zonas con valores máximos del espectro F-K, se procede a calcular los valores de velocidad de fase para cada frecuencia. Este procedimiento es sencillo si tenemos en cuenta que la velocidad de fase de una onda se puede calcular de la siguiente manera:
Es decir que la velocidad de onda es el cociente entre su frecuencia temporal y su frecuencia espacial, estas dos variables se extraen del espectro F-K como se aprecia en el lado izquierdo de la Figura 3, y de esta forma, puede calcularse fácilmente la velocidad de fase para cada frecuencia temporal (es decir, calcular la curva de dispersión). Dicho proceso se ilustra en la Figura 4, en esta, se aprecia la curva de valores máximos del espectro F-K (izquierda) y la curva de dispersión calculada a partir de dichos valores.
Una vez se cuenta con la curva de dispersión, se procede a realizar el último proceso del método MASW, el cual, corresponde a la inversión geofísica, el resultado de este proceso es el perfil de velocidades de onda-S del terreno, el cual se calcula a partir de la curva de dispersión de las ondas de superficie (como la que se observa en el lado derecho de la Figura 4). Este último proceso de inversión es idéntico en los métodos MASW, ReMi y SPAC. La diferencia de estas técnicas radica en la manera en cómo miden la curva de dispersión como tal. El proceso de inversión geofísica de la curva de dispersión está fuera del alcance de este artículo, pues su complejidad amerita un articulo exclusivo, sin embargo, los softwares comerciales para llevar a cabo el análisis MASW incluyen una rutina para llevar a cabo la inversión. En ejemplo del resultado de este proceso se aprecia en la Figura 5.
El perfil que se aprecia en la Figura 5 es el resultado final del método MASW, y es representativo para la línea sísmica de adquisición. El perfil de velocidad de onda-S de los primeros 30 metros del terreno es de importancia fundamental para la ingeniería sísmica pues es un insumo necesario para la caracterización del perfil sísmico del terreno y para el estudio de la respuesta dinámica de sitio.
El método MASW es especialmente adecuado para escenarios en los cuales hay un ruido ambiental reducido y cuando la profundidad de exploración es relativamente somera (menor a 30 metros). Sin embargo, en circunstancias en las cuales exista un ruido ambiental fuerte o en las cuales se requiera investigar una profundidad superior a los 30 metros, resulta prudente considerar la utilización de técnicas de sísmica pasiva como los métodos ReMi o SPAC.
Conclusión
El método MASW es una técnica de exploración sísmica del subsuelo con una gran versatilidad y relativa facilidad de ejecución y procesamiento, esta ofrece una manera rápida y confiable de medir el perfil de velocidad de onda-S del subsuelo y es por ende una gran herramienta para estudiar el perfil sísmico del terreno y la respuesta dinámica de sitio.
¿Deseas educarte más acerca de la técnica MASW, ReMi o SPAC? Háznoslo saber y recibirás información acerca de nuestros cursos en exploración sísmica del subsuelo.
Comentarios