Ruido sísmico
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En geofísica , geología , ingeniería civil y disciplinas relacionadas, el ruido sísmico es un nombre genérico para una vibración relativamente persistente del suelo, debido a una multitud de causas, que a menudo es un componente no interpretable o no deseado de las señales registradas por sismómetros .

Físicamente, el ruido sísmico surge principalmente debido a fuentes superficiales o cercanas a la superficie y, por lo tanto, consiste principalmente en ondas superficiales elásticas . Las ondas de baja frecuencia (por debajo de 1 Hz ) se denominan comúnmente microsísmos y las ondas de alta frecuencia (por encima de 1 Hz) se denominan microtremotos . Las fuentes primarias de ondas sísmicas incluyen actividades humanas (como transporte o actividades industriales), vientos y otros fenómenos atmosféricos, ríos y olas del océano .

El ruido sísmico es relevante para cualquier disciplina que dependa de la sismología , incluida la geología , la exploración petrolera , la hidrología y la ingeniería sísmica , y el monitoreo de la salud estructural . A menudo se le llama campo de ondas ambientales o vibraciones ambientales en esas disciplinas (sin embargo, el último término también puede referirse a vibraciones transmitidas a través del aire, edificios o estructuras de soporte).

El ruido sísmico es a menudo una molestia para las actividades que son sensibles a vibraciones extrañas, incluida la supervisión e investigación de terremotos , el fresado de precisión , los telescopios , los detectores de ondas gravitacionales y el crecimiento de cristales . Sin embargo, el ruido sísmico también tiene usos prácticos, incluida la determinación de las propiedades dinámicas de baja deformación y variables en el tiempo de las estructuras de ingeniería civil, como puentes , edificios y presas ; estudios sísmicos de la estructura del subsuelo a muchas escalas, a menudo utilizando métodos de interferometría sísmica ; Monitoreo ambiental ; y estimación de microzonificación sísmica mapas para caracterizar la respuesta terrestre local y regional durante los terremotos.

Causas

La investigación sobre el origen del ruido sísmico [1] indica que la parte de baja frecuencia del espectro (por debajo de 1 Hz) se debe principalmente a causas naturales, principalmente las olas del océano . En particular, el pico observado globalmente entre 0,1 y 0,3 Hz está claramente asociado con la interacción de ondas de agua de frecuencias casi iguales pero probando en direcciones opuestas. [2] [3] [4] [5] A alta frecuencia (por encima de 1 Hz), el ruido sísmico se produce principalmente por actividades humanas como el tráfico rodado y el trabajo industrial; pero también hay fuentes naturales, incluidos los ríos. [6] Por encima de 1 Hz, el viento y otros fenómenos atmosféricos también pueden ser una fuente importante de vibraciones del suelo. [7][8]

El ruido antropogénico detectado durante períodos de baja actividad sísmica incluye "terremotos" de los fanáticos del fútbol pateando sus pies en Camerún. [9]

La actividad no antropogénica incluye pulsos a intervalos entre 26 y 28 segundos (0.036–0.038 Hz) centrados en la ensenada de Bonny en el Golfo de Guinea que se cree que son causados ​​por olas de tormenta reflejadas, enfocadas por la costa africana, que actúan sobre el fondo marino relativamente poco profundo. [9]

Características físicas

La amplitud de las vibraciones del ruido sísmico suele ser del orden de 0,1 a 10 μm / s . Los modelos de ruido de fondo alto y bajo en función de la frecuencia se han evaluado a nivel mundial. [10]

El ruido sísmico incluye una pequeña cantidad de ondas corporales ( ondas P y S), pero las ondas superficiales ( ondas Love y Rayleigh ) predominan ya que son excitadas preferentemente por procesos de fuentes superficiales. Estas ondas son dispersivas , lo que significa que su velocidad de fase varía con la frecuencia (generalmente, disminuye al aumentar la frecuencia). Dado que la curva de dispersión (velocidad de fase o lentitud en función de la frecuencia) está relacionada con las variaciones de la velocidad de la onda de corte con la profundidad, se puede utilizar como una herramienta no invasiva para determinar la estructura sísmica del subsuelo y un problema inverso .

Historia

En condiciones normales, el ruido sísmico tiene una amplitud muy baja y no lo pueden sentir los humanos, y también era demasiado bajo para ser registrado por la mayoría de los primeros sismómetros a fines del siglo XIX. Sin embargo, a principios del siglo XX, el sismólogo japonés Fusakichi Omori ya podía registrar vibraciones ambientales en edificios, donde las amplitudes se magnifican. Determinó las frecuencias de resonancia de los edificios y estudió su evolución en función del daño. [11] El ruido sísmico de 30 s – 5 s globalmente visible fue reconocido temprano en la historia de la sismología como proveniente de los océanos, y Longuet-Higgins publicó una teoría completa de su generación en 1950. [2] Rápidos avances a partir de 2005 enLa interferometría sísmica impulsada por avances teóricos, metodológicos y de datos ha dado como resultado un gran interés renovado en las aplicaciones del ruido sísmico.

Ingeniería civil

Después del terremoto de 1933 en Long Beach en California, una gran campaña experimental dirigida por DS Carder [12] en 1935 registró y analizó las vibraciones ambientales en más de 200 edificios. Estos datos se utilizaron en los códigos de diseño para estimar las frecuencias de resonancia de los edificios, pero el interés del método disminuyó hasta la década de 1950. El interés por las vibraciones ambientales en las estructuras creció aún más, especialmente en California y Japón, gracias al trabajo de ingenieros de terremotos, incluidos G. Housner , D. Hudson, K. Kanai, T. Tanaka y otros. [13]

Sin embargo, en ingeniería, las vibraciones ambientales fueron suplantadas, al menos durante algún tiempo, por técnicas de vibración forzada que permiten aumentar las amplitudes y controlar la fuente de vibración y sus métodos de identificación del sistema. Aunque M. Trifunac demostró en 1972 que las vibraciones ambientales y forzadas conducían a los mismos resultados, [14] el interés en las técnicas de vibración ambiental solo aumentó a fines de la década de 1990. Ahora se han vuelto bastante atractivos, debido a su costo y conveniencia relativamente bajos, y a las recientes mejoras en los equipos de grabación y métodos de cálculo. Se demostró que los resultados de su sondeo dinámico de baja deformación están lo suficientemente cerca de las características dinámicas medidas bajo fuertes sacudidas, al menos siempre que los edificios no sufran daños graves. [15]

Estudio científico y aplicaciones en geología y geofísica.

El registro del ruido sísmico global se expandió ampliamente en la década de 1950 con la mejora de los sismómetros para monitorear las pruebas nucleares y el desarrollo de matrices sísmicas. Las principales contribuciones en ese momento para el análisis de estos registros vinieron del sismólogo japonés K. Aki [16] en 1957. Propuso varios métodos utilizados hoy para la evaluación sísmica local, como la Autocorrelación espacial (SPAC), Frecuencia-número de onda (FK ) y correlación. Sin embargo, la implementación práctica de estos métodos no fue posible en ese momento debido a la baja precisión de los relojes en las estaciones sísmicas .

Las mejoras en la instrumentación y los algoritmos llevaron a un renovado interés en esos métodos durante la década de 1990. Y. Nakamura redescubrió en 1989 el método de la relación espectral horizontal a vertical (H / V) para derivar la frecuencia de resonancia de los sitios. [17] Suponiendo que las ondas de corte dominan el microtremor, Nakamura observó que la relación espectral H / V de las vibraciones ambientales era aproximadamente igual a la función de transferencia de la onda S entre la superficie del suelo y el lecho de roca en un sitio. (Sin embargo, esta suposición ha sido cuestionada por el proyecto SESAME).

A fines de la década de 1990, los métodos de matriz aplicados a los datos de ruido sísmico comenzaron a producir propiedades del suelo en términos de perfiles de velocidad de ondas de corte. [18] [19] [20] [21] El proyecto de investigación europeo SESAME [22] (2004-2006) trabajó para estandarizar el uso del ruido sísmico para estimar la amplificación de los terremotos por las características locales del suelo.

Usos actuales del ruido sísmico

Caracterización de propiedades del subsuelo

El análisis de las vibraciones ambientales y el campo de ondas sísmicas aleatorias motiva una variedad de métodos de procesamiento utilizados para caracterizar el subsuelo, que incluyen espectros de potencia , análisis de picos H / V, curvas de dispersión y funciones de autocorrelación .

Métodos de estación única:

  • Cálculo de espectros de potencia , por ejemplo, sísmica pasiva . Por ejemplo, el monitoreo de las características de densidad espectral de potencia del microsísmo de fondo oceánico y el zumbido de muy largo período de la Tierra en estaciones distribuidas global y regionalmente proporciona estimaciones aproximadas de la energía de las olas del océano, particularmente en entornos cercanos a la costa, incluidas las propiedades de atenuación de las olas del océano de las variaciones polares anuales. hielo marino [23] [24]

[25] [26]

  • HVSR (relación espectral H / V): la técnica H / V está especialmente relacionada con las grabaciones de vibraciones ambientales. Bonnefoy-Claudet y col. [27] mostró que los picos en las relaciones espectrales horizontales a verticales pueden estar vinculados al pico de elipticidad de Rayleigh , la fase Airy de las ondas Love y / o las frecuencias de resonancia SH, dependiendo de la proporción de estos diferentes tipos de ondas en el ruido ambiental. . Sin embargo, todos estos valores dan aproximadamente el mismo valor para un terreno dado, de modo que el pico H / V es un método confiable para estimar la frecuencia de resonancia de los sitios. Para 1 capa de sedimento en el lecho de roca, este valor f 0 está relacionado con la velocidad de las ondas S V sy la profundidad de los sedimentos H siguiente: . Por lo tanto, se puede utilizar para mapear la profundidad del lecho rocoso conociendo la velocidad de la onda S. Este pico de frecuencia permite restringir los posibles modelos que se obtienen utilizando otros métodos sísmicos, pero no es suficiente para derivar un modelo terrestre completo. Además, se ha demostrado [28] que la amplitud del pico H / V no estaba relacionada con la magnitud de la amplificación.

Métodos de matriz: el uso de una matriz de sensores sísmicos que registran simultáneamente las vibraciones ambientales permite una mayor comprensión del campo de ondas y obtener imágenes mejoradas del subsuelo. En algunos casos, se pueden realizar múltiples matrices de diferentes tamaños y los resultados se fusionan. La información de los componentes verticales solo está vinculada a las ondas de Rayleigh y, por lo tanto, es más fácil de interpretar, pero también se desarrolla un método que utiliza los tres componentes de movimiento del suelo, lo que proporciona información sobre el campo de ondas de Rayleigh y Love. Los métodos de interferometría sísmica , en particular, utilizan métodos basados ​​en correlación para estimar el impulso sísmico ( función de Green) respuesta de la Tierra al ruido de fondo y se han convertido en un área importante de aplicación e investigación con el aumento de datos de ruido de alta calidad registrados continuamente en una amplia variedad de entornos, que van desde la superficie cercana [29] hasta la escala continental [30].

  • FK, HRFK utilizando la técnica de formación de haces
  • Método SPAC ( autocorrelación espacial )
  • Métodos de correlación
  • Microtremor de refracción (ReMi)

Caracterización de las propiedades vibratorias de las estructuras de obra civil.

Al igual que los terremotos , las vibraciones ambientales fuerzan a vibrar las estructuras de ingeniería civil como puentes , edificios o presas . La mayor parte de los métodos utilizados supone que esta fuente de vibración es un ruido blanco , es decir, con un espectro de ruido plano, de modo que la respuesta del sistema registrada es realmente característica del propio sistema. Las vibraciones son perceptibles por los humanos solo en casos raros (puentes, edificios altos). Las vibraciones ambientales de los edificios también son provocadas por el viento y por fuentes internas (máquinas, peatones ...) pero estas fuentes generalmente no se utilizan para caracterizar estructuras. La rama que estudia las propiedades modales de los sistemas sometidos a vibraciones ambientales se denomina Operacional.análisis modal (OMA) o análisis modal de solo salida y proporciona muchos métodos útiles para la ingeniería civil . Las propiedades de vibración observadas de las estructuras integran toda la complejidad de estas estructuras, incluido el sistema de carga , elementos no estructurales pesados ​​y rígidos (paneles de mampostería de relleno ...), elementos no estructurales ligeros (ventanas ...) [31] y la interacción con el suelo (la base del edificio puede no estar perfectamente fijada al suelo y pueden ocurrir movimientos diferenciales). [32] Esto se enfatiza porque es difícil producir modelos que se puedan comparar con estas medidas.

Métodos de estación única: el cálculo del espectro de potencia de los registros de vibraciones ambientales en una estructura (por ejemplo, en el piso superior de un edificio para amplitudes mayores) proporciona una estimación de sus frecuencias de resonancia y, finalmente, su relación de amortiguación .

Método de la función de transferencia: asumiendo que las vibraciones ambientales del suelo son la fuente de excitación de una estructura, por ejemplo, un edificio, la función de transferencia entre la parte inferior y la parte superior permite eliminar los efectos de una entrada que no sea blanca. Esto puede ser particularmente útil para señales de baja relación señal / ruido (edificios pequeños / alto nivel de vibraciones del suelo). Sin embargo, este método generalmente no puede eliminar el efecto de la interacción suelo-estructura . [32]

Matrices: Consisten en la grabación simultánea en varios puntos de una estructura. El objetivo es obtener los parámetros modales de las estructuras: frecuencias de resonancia , ratios de amortiguamiento y formas modales para toda la estructura. Tenga en cuenta que sin conocer la carga de entrada, los factores de participación de estos modos no se pueden recuperar a priori. Con un sensor de referencia común, se pueden combinar los resultados de diferentes matrices.

  • Métodos basados ​​en correlaciones

Varios métodos utilizan las matrices de densidad espectral de potencia de grabaciones simultáneas, es decir, las matrices de correlación cruzada de estas grabaciones en el dominio de Fourier . Permiten extraer los parámetros modales operacionales (método Peak Picking) que pueden ser el resultado del acoplamiento de modos o los parámetros modales del sistema (método de descomposición en el dominio de frecuencia).

  • Métodos de identificación del sistema

Existen numerosos métodos de identificación de sistemas en la literatura para extraer las propiedades del sistema y se pueden aplicar a las vibraciones ambientales en estructuras.

Ciencias Sociales

La pandemia de COVID-19 produjo una situación única en la que el transporte humano, la industria y otras actividades se redujeron significativamente en todo el mundo, particularmente en áreas densamente pobladas. Un análisis de las fuertes reducciones concomitantes en el ruido sísmico a altas frecuencias demostró que estas acciones excepcionales dieron como resultado la reducción de ruido sísmico antropogénico global más larga y prominente jamás observada. [33] El ruido sísmico también se ha investigado como un indicador del desarrollo económico. [34]

Inversión / actualización de modelos / enfoque multimodelo

Las mediciones directas de las propiedades del ruido no pueden proporcionar información directa sobre los parámetros físicos (velocidad de la onda S, rigidez estructural ...) de las estructuras del suelo o las estructuras de ingeniería civil que suelen ser de interés. Por lo tanto, se necesitan modelos para calcular estas observaciones (curva de dispersión, formas modales ...) en un problema de avance adecuado que luego se pueda comparar con los datos experimentales. Dado el problema de avance, el proceso de estimación del modelo físico se puede plantear como un problema inverso .

Material necesario

La cadena de adquisición está compuesta principalmente por un sensor sísmico y un digitalizador . El número de estaciones sísmicas depende del método, desde un solo punto (espectro, HVSR) hasta matrices (3 sensores y más). Se utilizan sensores de tres componentes (3C) excepto en aplicaciones particulares. La sensibilidad del sensor y la frecuencia de las esquinas también dependen de la aplicación. Para las mediciones en tierra, los velocímetros son necesarios ya que las amplitudes son generalmente más bajas que la sensibilidad de los acelerómetros , especialmente a baja frecuencia. Su frecuencia de esquina depende del rango de frecuencia de interés, pero generalmente se utilizan frecuencias de esquina inferiores a 0,2 Hz. Geófonos(generalmente frecuencia de esquina de 4.5 Hz o mayor) generalmente no son adecuados. Para mediciones en estructuras de ingeniería civil, la amplitud es generalmente más alta, así como las frecuencias de interés, lo que permite el uso de acelerómetros o velocímetros con una frecuencia de esquina más alta. Sin embargo, dado que registrar puntos en el suelo también puede ser de interés en tales experimentos, es posible que se necesiten instrumentos sensibles. A excepción de las mediciones de una sola estación, es necesario un sello de tiempo común para todas las estaciones. Esto se puede lograr mediante un reloj GPS , una señal de inicio común usando un control remoto o el uso de un solo digitalizador que permite la grabación de varios sensores. La ubicación relativa de los puntos de registro es necesaria con mayor o menor precisión para las diferentes técnicas, requiriendo mediciones de distancia manuales oubicación GPS diferencial .

Ventajas y limitaciones

Las ventajas de las técnicas de vibración ambiental en comparación con las técnicas activas comúnmente utilizadas en la exploración geofísica o los registros de terremotos utilizados en la tomografía sísmica .

  • Método relativamente barato, no invasivo y no destructivo.
  • Aplicable al entorno urbano.
  • Proporcionar información valiosa con pocos datos (por ejemplo, HVSR)
  • Curva de dispersión de la onda de Rayleigh relativamente fácil de recuperar
  • Proporcionar estimaciones fiables de Vs30

Las limitaciones de estos métodos están vinculadas al campo de ondas de ruido, pero especialmente a las suposiciones comunes hechas en sísmica:

  • La profundidad de penetración depende del tamaño de la matriz, pero también de la calidad del ruido, la resolución y los límites de aliasing dependen de la geometría de la matriz.
  • Complejidad del campo de ondas (Rayleigh, ondas de Love, interpretación de modos superiores ...)
  • Supuesto de onda plana para la mayoría de los métodos de matriz (problema de fuentes dentro de la matriz)
  • Supuesto 1D de la estructura subterránea, aunque también se realizó 2D [35]
  • Problema inverso difícil de resolver como ocurre con muchos métodos geofísicos

Referencias

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enlaces externos

  • Software de código abierto Geopsy desarrollado para análisis e investigación de vibraciones ambientales.
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