CAPITULO II. MARCO TEÓRICO

Transcripción

1 CAPITULO II. MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes La construcción de sismógrafos nace de la necesidad de estudiar los movimientos del terreno en el que habitamos, para lo cual, se han creado numerables modelos de sismógrafos, permitiendo así, a los laboratorios tecnológicos e inclusive personas comunes, construir estos instrumentos. El Observatorio Astronómico de Agache (1) desarrolló de manera casera un sismógrafo tipo Lehman, el cual describen como, una barra vertical que sujeta otra horizontal con un peso cerca de uno de sus extremos [1], a dicho diseño se le incorporó un alambre al final de la barra, en el cual pendiera un altavoz para amplificar el sonido del alambre en el momento de un sismo. En el del CIMAT (Centro de Investigación en Matemáticas de México) (S/F) se desarrollaron modelos de varios sismógrafos, como es el caso de un sismógrafo vertical, en donde se guinda una masa inerte en el centro de una base cuadrada, dicha masa tiene adherida un lápiz, el cual trazará el movimiento del terreno en un papel.[2] Dentro de los trabajos que aplican sismómetros electromagnéticos se pueden señalar: Antonio Pazos (2004) [3]: Estación sísmica digital. Tratamiento digital de señales; Tejedor y García (1993) [4]: Funciones de transferencia de las estaciones de la Red Sísmica Nacional Española. (1) Observatorio privado y sin fines de lucro que se encuentra en la Islas Canarias y Tenerife.

2 Dentro de la UNEXPO vicerrectorado Puerto Ordaz, se encuentran trabajos de grado que utilizaron Labview, dentro de los cuales podemos nombrar: Gamboa Gustavo (2001) [5]: Instrumento virtual para la medida de temperatura a través de Labview, donde se simuló el comportamiento de un medidor físico de temperatura, el de Tuly Gonzalez (2008) [6] desarrollo de software de visualización y adquisición de salida y llegada en actividades de atletismo. 2.2 Bases teóricas Sismología La sismología, es una rama de la geofísica que se encarga de estudiar y conocer las causas y consecuencias de los movimientos telúricos y la propagación de las ondas elásticas, se generan tanto en el interior como en la superficie de la Tierra. El núcleo interno de la tierra está conformado por material incandescente, el cual asciende a la litósfera, atravesando las demás capas de la tierra a través de un intenso volcanismo no explosivo, este fenómeno se debe a la convección, el cual es responsable de que las placas tectónicas que se encuentran en la litósfera. El contacto entre placas se puede clasificar de la siguiente forma: a) Convergente: este movimiento se da cuando dos placas tectónicas chocan. Se forma una zona de subducción donde una placa es desplazada hacia abajo, por acción de las altas temperaturas empieza a derretirse luego, convertido en material magmático es expulsado a la superficie de la placa que quedó en la superficie, creando volcanes y nuevos relieves. Se puede producir por el choque entre dos placas oceánicas, entre dos placas continentales y/o entre una placa oceánica y una continental. Generalmente esta interacción se observa entre una placa continental y una oceánica, en donde la continental es la que queda en la superficie. Ver Figura 2.1 parte a). 7

3 b) Divergente: cuando dos placas se separan se produce un adelgazamiento de la corteza terrestre, permitiendo el ascenso del magma y la creación de las dorsales oceánicas. Ver Figura 2.1 parte b). c) Transformantes: en este caso las placas se mueven horizontalmente en sentidos opuestos, originando transformaciones en el terreno, más no aparece ni desaparece parte de la corteza terrestre. Ver Figura 2.1 parte c). En la Figura 2.1 se pueden observar las interacciones entre placas. Figura 2.1. Contacto interacción entre placas. Fuente: htm Al producirse estos movimientos se presentan fracturas y desplazamientos de rocas, lo que ocasionan que aparezcan ondas sísmicas Sismos Los sismos se pueden definir vibraciones de la tierra cuando ocurren movimientos en las profundidades de la corteza terrestre, liberando tensión acumulada en la estructura del planeta. El punto en el que ocurre el sismo es llamado hipocentro o foco, este puede ser superficial (cercano a la superficie terrestre); intermedio (a más de 70 km de la superficie terrestre); profundo (a más de 300 km de la superficie terrestre). El punto donde el sismo es más intenso es el epicentro, que es 8

4 el lugar en la corteza terrestre que está ubicado encima del hipocentro. Al momento de un sismo se producen las siguientes ondas: a) Ondas P: son las ondas primarias, y tienen un movimiento de compresión y expansión longitudinal, se mueven en la misma dirección de la onda, tienen gran velocidad pero son de poca magnitud y pueden atravesar todo tipo de material. Ver Figura 2.2, parte a). b) Ondas S: son las ondas secundarias. Como se indica estas ondas aparecen luego de las ondas P, tienen un movimiento transversal cuya dirección es perpendicular a la onda de propagación. Son de mayor magnitud, menor velocidad y duración más corta y a diferencia de las ondas P solo atraviesan sólidos que no tienen variaciones de volumen. Ver Figura 2.2, parte b). c) Ondas Superficiales: estas se producen cuando la onda de propagación llega a la superficie de la tierra. Dentro de estas se encuentran las ondas Raylegih que tienen una trayectoria elíptica retrógrada y las ondas Love que se mueven de una forma horizontal y perpendicular a la onda de propagación. Ver Figura 2.2, partes c) y d). sismo. En la Figura 2.2 se pueden observar las ondas producidas al momento de un Figura 2.2. Ondas sísmicas. Fuente: 9

5 Un sismo puede ser medido de la siguiente manera: Intensidad: se mide el movimiento de acuerdo a las impresiones que causan en las personas, en las infraestructuras y las fracturas que causan en la placa terrestre. relativa, ya que se deben tomar diversos factores como la energía que se liberó, los daños a las estructuras y el número de personas que lo sintieron. Se evalúa en grados y la escala más aceptada es la escala de Mercalli, la cual tiene (12) grados. Magnitud: Se determina mediante registros sísmicos del evento. Conociendo la distancia del sismómetro al epicentro del sismo y observando la amplitud máxima de la señal, se puede estimar la energía liberada de los sismos. Dependiendo del tipo de onda que se utilice se usa una escala diferente:, Magnitud Local (Richter): se representa mediante la ecuación 2.1: (2.1) Donde, A representa la amplitud máxima en el registro del sismo para el cual se desea calcular su magnitud, a la amplitud para el sismo de magnitud cero y la distancia epicentral. Magnitud de Ondas de Volumen : Es representada mediante la ecuación 2.2 (2.2) Donde, A es la amplitud de la señal sísmica medida sobre la componente vertical de registro (micras), T el periodo (seg) y Q el factor de atenuación de la onda expresado en función de la distancia epicentral y la profundidad del foco (h) según las tablas de Gutenberg y Richter. 10

6 Magnitud de Ondas Superficiales (Ms): es representada por la ecuación 2.3: (2.3) Donde, A es la amplitud del desplazamiento del suelo en micras y la distancia epicentral en grados. La fórmula anterior es válida para sismos con focos localizados a profundidades menores a 70 km. En la Tabla 2.1 se puede observar la escala de Mercalli y la de Richter, en donde se hace una relación entre los valores de escala y magnitud. Tabla 2.1: Escalas de amplitud e intensidad relacionadas. Fuente: Sismógrafo El sismógrafo es un instrumento empleado para medir y registrar en gráficas 11

7 denominadas sismogramas las ondas sísmicas producidas en el suelo durante un sismo, el cual está basado en el principio de la inercia de los cuerpos, y como el movimiento del suelo se produce en las tres componentes del espacio, se puede registrar de manera horizontal o vertical. La construcción de equipos de medición sismológicos, puede remontarse a la construcción de sismógrafos en los siglos VII-XI, donde el científico chino Zhang Heng construyó un detector de temblores e indicador de la dirección del epicentro de este con bastante precisión. En el siglo XX aparecen otro tipo de sismógrafos, que básicamente consta de tres partes: el sensor que miden el movimiento de la tierra y cuenta con dispositivos de amortiguamiento para retornar al reposo luego del movimiento, un sistema de amplificación que permite aumentar la señal para procesarla mejor y un sistema de registro de la señal transformada en el desplazamiento de la tierra en función del tiempo. Dentro de los sismógrafos que se utilizan actualmente, se puede nombrar: Sismógrafo vertical: en este tipo de sismógrafo, el sismómetro empleado que trabaja con el principio de inercia de los cuerpos, tiene la masa suspendida de manera que cuando la onda sísmica golpee a esta, solo la componente el movimiento vertical (Y) del suelo sacará de reposo a dicha masa, haciendo que el sismómetro genere una señal que pase por una etapa de amplificación y luego sea registrado en sismogramas. En la Figura 2.3 se pueden observar un ejemplo de un sismógrafo básico que registra el movimiento vertical del suelo. 12

8 Figura 2.3- Ejemplo de sismógrafo vertical Fuente: Sismógrafo horizontal: en este tipo de sismógrafo, el sismómetro empleado que trabaja con el principio de inercia de los cuerpos, tiene la masa suspendida de manera que cuando la onda sísmica golpee a esta, solo las el movimiento horizontal del suelo sacará de reposo a dicha masa, haciendo que el sismómetro genere una señal que pase por una etapa de amplificación y luego sea registrado en sismogramas. El sismómetro se coloca en dirección de la componente que se desee medir (X ó Z). En la Figura 2.4 se observa un ejemplo de sismógrafo horizontal básico. Figura 2.4- Ejemplo de sismógrafos horizontales Fuente: Sismógrafo de banda ancha: es un instrumento electrónico, en la cual hay una masa que está inmóvil por medios eléctricos, y cuando hay movimiento sísmico se mide la fuerza aplicada para que esta se mantenga en su lugar; son bastante sensibles y pueden llegar a tener alcance universal. Poseen una gran sensibilidad y tienen un amplio registro de tiempo. 13

9 Un conjunto de sismógrafos distribuidos en una amplia región geográfica se denominan red sismológica, la cual mediante el análisis de la información obtenida por los sismogramas, cuya señal independientemente de si es velocidad o aceleración, es transformada en desplazamiento, luego, mediante el uso de algoritmos matemáticos, se encuentra en la capacidad de determinar los datos de un sismo, como el hipocentro, epicentro y escala de este Sistema de medición: En todo proceso se encuentran situaciones en donde es indispensable conocer el estado o valor de una o más variables, es por eso que un sistema de medición consta de varios bloques para la captura, análisis y control de estas variables. En el modelo de medición de la investigación, se pueden encuentran los bloques que se observan en la Figura 2.5. Figura 2.5. Bloques del sistema de medición Fuente: Elaboración Propia Dispositivo de entrada: De acuerdo a Rodríguez (2006:6), se define el dispositivo que capta la variable física a medir y la transforma en energía equivalente capaz de ser 14

10 manipulada por algún medio o tecnología [7], lo que quiere decir que la magnitud real de la variable (calor, desplazamiento, vibración) será transformada en una variable eléctrica. Comúnmente, los dispositivos de entrada que son utilizados son los sensores, pues estos abarcan todas las características antes mencionadas, además de que existe una gran variedad que se ajustan a las condiciones ambientales requeridas. En el caso de los sismos, dichos sensores comúnmente reciben el nombre de sismómetros si son transductores de velocidad y de acelerómetros cuando son transductores de aceleración. Los sismómetros y acelerómetros basan su funcionamiento en diferentes fenómenos características, como la intensidad de las vibraciones, rango de frecuencias y períodos de retorno de evento. En la Tabla 2.2 se muestra la clasificación de los sensores sísmicos de acuerdo a su frecuencia de operación. Tabla 2.2 Clasificación de los sensores sísmicos de acuerdo a su frecuencia. Fuente : Dispositivo de procesamiento y transmisión: Es un dispositivo o circuito donde se toma la señal del dispositivo de entrada, se procesa y se transmite en las magnitudes físicas requeridas al dispositivo de salida y visualización. 15

11 Un dispositivo de procesamiento bastante común es un microcontrolador, el cual es un circuito integrado de pequeño tamaño de alta tecnología, en el que incluye tres de las grandes funciones de una computadora normal como un CPU, unidad de memoria y puertos de entrada y salida. Tienen incluidos varias funciones lógicas y matemáticas, funciones con timers, conversión analógica digital, PLL, entre otros y tiene la ventaja de que se le puede programar cómo debe procesar la información analógica o digital que le llega por los puertos. En la función de conversión analógico-digital, como su nombre lo indica, el microcontrolador toma las señales analógicas que entran en los pines indicados y, las transforma en señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento y que sean más inmunes al ruido. También se encuentra dentro de las funciones del microcontrolador, la transmisión de la información de manera serial, uno de los métodos más comunes es a través del protocolo RS232, en donde se estandariza los niveles de velocidad, voltaje y canales de transmisión y recepción de información entre los dispositivos involucrados. Un ejemplo muy común es la comunicación entre el computador y el microcontrolador. Los puertos seriales con el paso del tiempo han quedando obsoletos; ante la necesidad de establecer comunicación entre el microcontrolador y la computadora a través de los nuevos puertos de comunicación USB, se creó un driver especial de emulación de puerto serial a través del puerto paralelo para que se instale en la computadora, con lo que la comunicación paralela, junto con un arreglo de capacitores que es más simple que el de la transmisión serial, sea llevada a cabo y permite vaciar los datos en varios software de visualización como por ejemplo, el Labview Dispositivo de salida: 16

12 Es cualquier instrumento que sirva para la representación visual del procesamiento de los datos recogidos durante el proceso. Existen diversos instrumentos como osciloscopios, pantallas LCD, indicadores, multímetros o computadoras. Para este proyecto se empleó un PC en el cual se instaló una aplicación en Labview Descripción funcional de los sismómetros electromagnéticos: Los sismómetros, también llamados geófonos, son aparatos que miden la velocidad del suelo con un transductor electromagnético. De acuerdo con el Instituto Físico Global de París, los sismómetros electromagnéticos detectan las altas frecuencias superiores a 1 Hz, que se propagan sobre distancias mucho más cortas, pero se prestan mejor para la observación de los seísmos volcano-tectónicos de baja magnitud observada en los volcanes [7]. Este sismómetro se basa en una bobina adherida a una masa que se mueve en el campo magnético de un imán permanente. El movimiento induce un voltaje V(t) en los bornes de la bobina. En la Figura 2.7 se puede observar el esquema de funcionamiento de un sismómetro con transductor electromagnético. Figura 2.7. Esquema de funcionamiento de sismómetro con transductor electromagnético. Fuente : 17

13 La magnitud que se mide ahora es el potencial, la cual es proporcional a la velocidad relativa ecuación 2.4 de la bobina respecto al imán permanente se observa en la (2.4) Siendo G una constante de proporcionalidad. Como el registro es proporcional a transductor electromagnético es:, se tiene que la magnificación del (2.5) (2.6) (2.7) Haciendo una representación de las gráficas asintóticas para cada una de las sensibilidades, en la Figura 2.8 se puede determinar que el sismómetro es adecuado para registrar la velocidad del suelo, cuando la frecuencia de vibración es superior a la del instrumento siendo su sensibilidad registrada en Vm/s. Figura 2.8. Gráficas asintóticas aproximadas para un sismómetro electromagnético: a) Desplazamiento. b) Velocidad. c) Aceleración. Fuente : 18

14 Cada instrumento tiene sus propias especificaciones de oscilación natural y su sistema de magnificación, detectando de manera diferente la onda sísmica, cuando se conocen estos parámetros, se dice que el instrumento está calibrado. La mayoría de estos sismómetros traen una bobina de calibración, que permite, al introducir un voltaje patrón con una frecuencia conocida, simula una aceleración del suelo, la cual es enviada a la etapa de amplificación del sismógrafo; en función del voltaje de salida de la etapa de amplificación, es que se permite realizar la curva de respuesta del sismómetro para determinar la frecuencia de oscilación del sismómetro y junto con los parámetros de masa y constante motora de calibración (G), se puede calcular la magnificación o transducción del sensor. En la Figura 2.9 se observa el esquema de calibración de los sismómetros electromagnéticos. Generador Sismómetro Amplificación Visualización AM FM + - R 100 L SALIDA U1 6 LM741 A B C D LCALIBRACION Figura 2.9. Circuito para calibración de sismómetro de electromagnético. Fuente: Elaboración Propia Para esta investigación se empleará el sismómetro de corto período portable, M-S-13 de Teledyne Geotech, el cual, dentro de sus características (ANEXO IV), se pueden nombrar las siguientes: Sismómetro ofrecido por FUNVISIS para la realización de pruebas y comparaciones. 19

15 Está empleado en las estaciones sismológicas de la UDO, la ULA y FUNVISIS. Determina una componente del movimiento de la onda sísmica Constante de motora de calibración 0,1975. Resistencia de la bobina de calibración 0,023. Resistencia de la bobina principal 3,6 Peso de la masa 5Kg. Frecuencia natural 1Hz Hipótesis: El desarrollo de un sismógrafo con un sistema que permita recolectar la información de la vibración del suelo a partir del sismómetro electromagnético, donde dichos datos se transmitan a un computador, para luego ser graficados y almacenados en una interfaz de usuario práctica y amigable, abrirá paso al campo de estudio de los movimientos telúricos del territorio en la UNEXPO núcleo Puerto Ordaz Sistema de variables: A continuación se presenta las variables que se utilizaron a lo largo del desarrollo de la presente investigación Variable independiente El sismómetro electromagnético o dispositivo de entrada que se encarga de la recolección de la información Variable Dependiente 20

16 El conjunto de dispositivos que conforman el dispositivo de transmisión y de salida que se encargan de recibir y almacenar los datos obtenidos por el dispositivo de entrada. 21