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.

7

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

2.2.1 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).

8

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:http://rincongeologico.iespana.es/volcanes%20y%20terremotos/terremotos%20y%20volcanes.

htm

Al producirse estos movimientos se presentan fracturas y desplazamientos de

rocas, lo que ocasionan que aparezcan ondas sísmicas.

2.2.2 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

9

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).

En la Figura 2.2 se pueden observar las ondas producidas al momento de un

sismo.

Figura 2.2. Ondas sísmicas.

Fuente: http://kenologia.blogspot.com/2007/08/los-terremotos.html

10

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.

11

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: www.monografias.com

2.2.1.2 Sismógrafo

El sismógrafo es un instrumento empleado para medir y registrar en gráficas

12

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.

13

Figura 2.3- Ejemplo de sismógrafo vertical

Fuente: http://books.google.co.ve/books

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: http://books.google.co.ve/books

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.

14

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.

2.2.3 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

2.2.3.1 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

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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 : www.uniquindio.edu.co

2.2.3.2 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.

16

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 8.2.1

2.2.3.3 Dispositivo de salida:

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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 8.2.

2.2.4 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 : www.uniquindio.edu.co

18

La magnitud que se mide ahora es el potencial, la cual es proporcional a la

velocidad relativa de la bobina respecto al imán permanente se observa en la

ecuación 2.4

(2.4)

Siendo G una constante de proporcionalidad.

Como el registro es proporcional a , se tiene que la magnificación del

transductor electromagnético es:

(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 : www.uniquindio.edu.co

19

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.

A

B

C

D

3

26

74

15

U1

LM741

100R

LCALIBRACION

AM FM

+

-

L SALIDA

Sismómetro Amplificación VisualizaciónGenerador

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.

20

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

2.2.4 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.

2.2.5 Sistema de variables:

A continuación se presenta las variables que se utilizaron a lo largo del desarrollo

de la presente investigación.

2.2.5.1 Variable independiente

El sismómetro electromagnético o dispositivo de entrada que se encarga de la

recolección de la información.

2.2.5.2 Variable Dependiente

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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.