El geófono: cómo escuchamos a la Tierra.

Un geófono es una herramienta fundamental para los geocientíficos que desean ver (o, más precisamente, escuchar) lo que ocurre bajo tierra. Al igual que un estetoscopio, los geófonos captan los latidos y vibraciones del interior de la Tierra.

Estas vibraciones pueden provenir de diversas fuentes: vehículos que traquetean en las carreteras, árboles que se mecen con el viento y cuyas raíces levantan el suelo, explosiones mineras y, por supuesto, terremotos.

¿Cómo funciona un geófono?

Un geófono funciona mediante una bobina de alambre enrollada alrededor de una masa, suspendida por un resorte sobre un imán. A medida que la masa se mueve, el imán desplaza los electrones a través de la bobina, generando una señal eléctrica (voltaje). Los sismógrafos registran esta señal de voltaje. Un sismógrafo es un tipo especial de registrador de datos de voltaje que mide con precisión señales eléctricas tanto muy pequeñas como muy grandes. Como resultado, los geocientíficos obtienen una visión de alta resolución del movimiento del terreno.

El término «geófono» suele describir un sensor de vibración de alta frecuencia de tipo puramente mecánico. No requieren energía eléctrica para funcionar y, por ello, también se les denomina sensores «pasivos». Los sismómetros y acelerómetros «activos» modernos utilizan circuitos electrónicos para mejorar la sensibilidad a determinadas frecuencias.

Si mueves un geófono a una velocidad de 10mm por segundo, debería producir el mismo voltaje tanto si lo agitas 5 veces por segundo (5Hz) como a 100Hz. Esto se conoce como la "respuesta lineal" del geófono. La banda de frecuencia de un sensor es donde la amplitud del voltaje se encuentra dentro del 50% de la respuesta lineal. En el ejemplo, si agitas un sensor a 10mm /s pero la salida es inferior a 5mm /s, entonces la frecuencia que estás probando está fuera del rango de rendimiento del sensor. El límite inferior de frecuencia suele definir un geófono. Por ejemplo, un geófono 4.5Hz emitirá menos del 50% del voltaje correcto cuando se agita a una velocidad inferior a 4.5Hz. Ten en cuenta que una diferencia de ±50% en la amplitud equivale a una diferencia de magnitud de terremoto de ±0.3 unidades.

El tamaño (y el seis) importan

Una masa pequeña y un resorte rígido en un geófono le permiten vibrar muy rápidamente. Al aumentar la masa y ablandar el resorte, se mejora la sensibilidad del geófono a las bajas frecuencias. Sin embargo, esto disminuye su sensibilidad a los movimientos rápidos y aumenta su sensibilidad a la inclinación. Esto se debe a que la gravedad comienza a afectar la masa y el resorte. Por ejemplo, un geófono 14Hz tiene un resorte lo suficientemente rígido como para producir una respuesta lineal independientemente de la orientación del sensor. En cambio, un sensor 4.5Hz debe diseñarse para una orientación vertical u horizontal e instalarse en dicha orientación con poca o ninguna inclinación.

Al aumentar la sensibilidad a bajas frecuencias de un geófono, el tamaño físico del dispositivo y su coste aumentan exponencialmente. Un geófono 2Hz tiene un volumen aproximadamente 6 veces mayor que uno 4.5Hz y cuesta unas 10x. La masa interna de un geófono 1Hz es casi 100x mayor que la de un sensor 4.5Hz, y su precio también es casi 100x superior.

Una mayor masa, bobina e imán también generan una mayor tensión de salida. Así, mientras que un sensor pequeño puede generar una señal de tan solo 20 V /m/s de velocidad, un sensor grande podría generar 200V /m/s o más.

La elección de un geófono depende del rango de frecuencia de las vibraciones que se desean monitorear. Para la mayoría de las vibraciones de corto alcance provenientes de la construcción, demolición o voladura cercanas, se puede utilizar un geófono pequeño de alta frecuencia. sensores de geófono ubicados a muchos kilómetros de la fuente de vibración solo detectarán ondas de energía de baja frecuencia, ya que la Tierra absorbe gran parte de la energía de alta frecuencia. En estos casos, un geófono más sensible 1-2Hz sería la mejor opción.

¿Cómo se utilizan los geófonos?

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Los geófonos pequeños de alta frecuencia se utilizan a menudo para la exploración sísmica. Para ello, se disponen decenas o cientos de geófonos en líneas o conjuntos. Estos conjuntos detectan las ondas de energía provenientes de una fuente de impacto cercana. Las ondas de energía viajan desde la fuente hasta los geófonos receptores y, mediante el análisis de datos, revelan estructuras en el interior de la Tierra. Este análisis puede determinar posibles yacimientos de petróleo o gas para la producción de energía, o utilizarse para determinar las propiedades de velocidad de las capas superficiales sobre las que se podría construir una estructura. Estos sensores pueden detectar frecuencias de hasta varios miles de hercios.

Los geófonos 2Hz son utilizados por los observatorios sísmicos locales y las autoridades de control de cumplimiento. Emplean un conjunto 3D de geófonos (orientados de norte a sur, de este a oeste y de arriba a abajo) para registrar el movimiento del suelo provocado por voladura y actividad sísmica cercanas. Estos eventos suelen ocurrir a decenas o cientos de kilómetros de la estación de monitoreo.

Los geófonos 1Hz son menos comunes hoy en día, ya que los sismómetros activos modernos son mucho más pequeños, económicos y sensibles para detectar oscilaciones lentas del suelo. En lugar de detectar solo 1 ciclo por segundo (1Hz), los sismómetros pueden registrar movimientos tan lentos como 1 ciclo cada 10 segundos (0.1Hz) o 360 segundos (0.003Hz), hasta 50-150Hz. Para la investigación sísmica, estos sismómetros son ideales, ya que el 0.01-50Hz generalmente cubre la banda de frecuencia de la energía sísmica.

Soluciones de monitoreo

ESS Earth Sciences utiliza diversos tipos de geófonos y sismómetros con sus propios registradores de datos sísmicos, e incluso integra algunos tipos en sismógrafos digitales todo en uno como Gecko Blast y Gecko Tremor. Para obtener más información sobre cómo elegir el geófono adecuado para su aplicación de monitoreo, comuníquese con nuestros expertos en geotecnia y sismología.