En geofísica , geología , ingeniería civil y disciplinas afines, el ruido sísmico es un nombre genérico para una vibración relativamente persistente del suelo, debida a una multitud de causas, que a menudo es un componente no interpretable o no deseado de las señales registradas por los 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 microsismos y las ondas de alta frecuencia (por encima de 1 Hz) se denominan microtemblores . Las fuentes principales de ondas sísmicas incluyen actividades humanas (como el transporte o las actividades industriales), vientos y otros fenómenos atmosféricos, ríos y olas oceánicas .
El ruido sísmico es relevante para cualquier disciplina que dependa de la sismología , incluidas la geología , la exploración petrolera , la hidrología , la ingeniería sísmica y el monitoreo de la salud estructural . En esas disciplinas, a menudo se lo denomina campo de ondas ambiental o vibraciones ambientales (sin embargo, este último término también puede referirse a vibraciones transmitidas a través del aire, los edificios o las estructuras de soporte).
El ruido sísmico suele ser una molestia para las actividades que son sensibles a vibraciones extrañas, incluyendo el monitoreo e investigación de terremotos , fresado de precisión , telescopios , detectores de ondas gravitacionales y crecimiento de cristales . Sin embargo, el ruido sísmico también tiene usos prácticos, incluyendo la determinación de las propiedades dinámicas de baja deformación y variación temporal de estructuras de ingeniería civil, como puentes , edificios y represas ; estudios sísmicos de la estructura del subsuelo a muchas escalas, a menudo utilizando los métodos de interferometría sísmica ; monitoreo ambiental , como en sismología fluvial ; y estimación de mapas de microzonificación sísmica para caracterizar la respuesta del suelo local y regional durante los terremotos.
Las investigaciones sobre el origen del ruido sísmico [1] indican 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 que se propagan en direcciones opuestas. [2] [3] [4] [5] A alta frecuencia (por encima de 1 Hz), el ruido sísmico es producido 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" producidos por aficionados al fútbol que patean el suelo en Camerún. [9]
La actividad no antropogénica incluye pulsos a intervalos entre 26 y 28 segundos (0,036–0,038 Hz) centrados en la bahía 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]
La amplitud de las vibraciones del ruido sísmico suele ser del orden de 0,1 a 10 μm / s . Se han evaluado globalmente modelos de ruido de fondo alto y bajo en función de la frecuencia. [10]
El ruido sísmico incluye un pequeño número de ondas de cuerpo (ondas P y S), pero predominan las ondas superficiales ( ondas Love y Rayleigh ) 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 transversal con la profundidad, puede usarse como una herramienta no invasiva para determinar la estructura sísmica del subsuelo y un problema inverso .
En condiciones normales, el ruido sísmico tiene una amplitud muy baja y no puede ser sentido por los humanos, y también era demasiado bajo para ser registrado por la mayoría de los primeros sismómetros a finales 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, visible globalmente, fue reconocido temprano en la historia de la sismología como proveniente de los océanos, y Longuet-Higgins publicó una teoría integral de su generación en 1950. [2] Los rápidos avances que comenzaron alrededor de 2005 en interferometría sísmica impulsados por avances teóricos, metodológicos y de datos han resultado en un renovado interés en las aplicaciones del ruido sísmico.
Después del terremoto de Long Beach de 1933 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 por el 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 los ingenieros sísmicos, incluidos G. Housner , D. Hudson, K. Kanai, T. Tanaka y otros. [13]
En ingeniería, las vibraciones ambientales fueron suplantadas -al menos por 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 atractivas, debido a su costo relativamente bajo y conveniencia, y a las recientes mejoras en los equipos de registro y métodos de cálculo. Los resultados de su sondeo dinámico de baja deformación demostraron ser lo suficientemente cercanos a las características dinámicas medidas bajo fuertes sacudidas, al menos mientras los edificios no sufran daños severos. [15]
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 los conjuntos sísmicos. Las principales contribuciones en ese momento para el análisis de estas grabaciones vinieron del sismólogo japonés K. Aki [16] en 1957. Propuso varios métodos utilizados hoy en día para la evaluación sísmica local, como la autocorrelación espacial (SPAC), la frecuencia-número de onda (FK) y la 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 dieron lugar 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 transversales dominan el microtremor, Nakamura observó que la relación espectral H/V de las vibraciones ambientales era aproximadamente igual a la función de transferencia de ondas 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 finales de la década de 1990, los métodos de matriz aplicados a los datos de ruido sísmico comenzaron a generar 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 mediante las características locales del suelo.
El análisis de las vibraciones ambientales y del campo de ondas sísmicas aleatorias motiva una variedad de métodos de procesamiento utilizados para caracterizar el subsuelo, incluidos espectros de potencia , análisis de picos H/V, curvas de dispersión y funciones de autocorrelación .
Métodos de estación única:
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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 mejores imágenes del subsuelo. En algunos casos, se pueden realizar múltiples matrices de diferentes tamaños y fusionar los resultados. 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 han desarrollado métodos que utilizan los tres componentes del 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 la correlación para estimar la respuesta del impulso sísmico ( función de Green ) de la Tierra a partir del ruido de fondo y se han convertido en un área importante de aplicación e investigación con el crecimiento de datos de ruido de alta calidad registrados de forma continua en una amplia variedad de entornos, que van desde la superficie cercana [29] hasta la escala continental [30].
Al igual que los terremotos , las vibraciones ambientales hacen vibrar las estructuras de ingeniería civil, como puentes , edificios o presas . La mayoría de los métodos utilizados consideran 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 excepcionales (puentes, edificios altos). Las vibraciones ambientales de los edificios también son causadas por el viento y fuentes internas (máquinas, peatones...), pero estas fuentes generalmente no se utilizan para caracterizar las estructuras. La rama que estudia las propiedades modales de los sistemas bajo vibraciones ambientales se denomina análisis modal operacional (OMA) o análisis modal de solo salida y proporciona muchos métodos útiles para la ingeniería civil . Las propiedades de vibración observadas en las estructuras integran toda la complejidad de estas estructuras, incluido el sistema de soporte de carga , los elementos no estructurales pesados y rígidos (paneles de mampostería de relleno...), los 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 puedan compararse con estas mediciones.
Métodos de estación única: el cálculo del espectro de potencia de los registros de vibración ambiental en una estructura (por ejemplo, en el piso superior de un edificio para amplitudes mayores) proporciona una estimación de sus frecuencias de resonancia y, eventualmente, de su relación de amortiguamiento .
Método de la función de transferencia: Suponiendo 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 superior permite eliminar los efectos de una entrada no blanca. Esto puede ser particularmente útil para señales con baja relación señal-ruido (edificio pequeño/alto nivel de vibraciones del suelo). Sin embargo, este método generalmente no puede eliminar el efecto de la interacción suelo-estructura . [32]
Arrays: Consisten en el registro simultáneo de varios puntos de una estructura. El objetivo es obtener los parámetros modales de las estructuras: frecuencias de resonancia , coeficientes de amortiguamiento y formas modales para toda la estructura. Nótese que sin conocer la carga de entrada, no se pueden obtener a priori los factores de participación de estos modos. Utilizando un sensor de referencia común, se pueden fusionar los resultados de diferentes arrays.
Diversos métodos utilizan las matrices de densidad espectral de potencia de registros simultáneos, es decir, las matrices de correlación cruzada de estos registros 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 la frecuencia).
Existen numerosos métodos de identificación de sistemas en la literatura para extraer las propiedades del sistema y pueden aplicarse a las vibraciones ambientales en las estructuras.
La pandemia de COVID-19 generó una situación única en la que el transporte humano, la industria y otras actividades se vieron significativamente limitadas en todo el mundo, en particular 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 global más prolongada y prominente del ruido sísmico antropogénico jamás observada. [33] El ruido sísmico también se ha investigado como un indicador del desarrollo económico. [34]
Las mediciones directas de las propiedades del ruido no pueden proporcionar información directa sobre los parámetros físicos (velocidad de las ondas S, rigidez estructural...) de las estructuras terrestres o de 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 directo adecuado que luego se pueda comparar con los datos experimentales. Dado el problema directo, el proceso de estimación del modelo físico se puede plantear como un problema inverso .
La cadena de adquisición está formada principalmente por un sensor sísmico y un digitalizador . El número de estaciones sísmicas depende del método, desde un único punto (espectro, HVSR) hasta conjuntos (3 sensores y más). Se utilizan sensores de tres componentes (3C), excepto en aplicaciones particulares. La sensibilidad del sensor y la frecuencia de corte también dependen de la aplicación. Para las mediciones en tierra, son necesarios los velocímetros, ya que las amplitudes son generalmente inferiores a la sensibilidad de los acelerómetros , especialmente a baja frecuencia. Su frecuencia de corte depende del rango de frecuencia de interés, pero generalmente se utilizan frecuencias de corte inferiores a 0,2 Hz. Los geófonos (generalmente de frecuencia de corte de 4,5 Hz o superior) generalmente no son adecuados. Para las mediciones en estructuras de ingeniería civil, la amplitud es generalmente mayor, así como las frecuencias de interés, lo que permite el uso de acelerómetros o velocímetros con una frecuencia de corte más alta. Sin embargo, dado que el registro de puntos en el suelo también puede ser de interés en tales experimentos, es posible que se necesiten instrumentos sensibles. Excepto para 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 mediante un control remoto o mediante el uso de un único digitalizador que permita el registro de varios sensores. La ubicación relativa de los puntos de registro se necesita con mayor o menor precisión para las diferentes técnicas, que requieren mediciones de distancia manuales o ubicación GPS diferencial .
Las ventajas de las técnicas de vibración ambiental en comparación con las técnicas activas comúnmente utilizadas en geofísica de exploración o registros de terremotos utilizados en tomografía sísmica .
Las limitaciones de estos métodos están relacionadas con el campo de ondas de ruido, pero especialmente con suposiciones comunes que se hacen en sísmica:
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