Técnicas de sísmica pasiva HVSR aplicadas a la geotecnia. Aplicación al estudio de Movimientos en Masa en la Planificación Territorial e Infraestructura Civil en Ecuador

Abstract

[ES] Los deslizamientos son uno de los riesgos naturales que más trascendencia tiene en la actividad humana. En Ecuador, en época de lluvias (una de las dos estaciones del año), este tipo de eventos supone una de las mayores preocupaciones y situaciones de peligro en todo su territorio. El estudio de los deslizamientos supone una inversión importante cuando se trata de enfrentarlo aplicando sondeos mecánicos. Desde hace ya unas décadas, el uso de técnicas geofísicas en las investigaciones, incluso en la definición de la superficie de ruptura, ha permitido reducir costes y obtener información más amplia correlacionable con técnicas directas. No obstante, el empleo de geofísica de forma única en los estudios geológicos y geotécnicos precisa de la combinación de varios métodos, de manera que se pueda obtener un modelo ajustado y preciso. Las técnicas del método sísmico son las más empleadas en los estudios de deslizamientos y la sísmica pasiva se han venido aplicando recientemente con éxito. La técnica de cociente espectral (HVSR), que Nakamura definió en los 80, trata de la medida del ruido ambiental (de forma pasiva) mediante un sistema de tres geófonos orientados en las direcciones del espacio. Esta técnica es admitida en la definición del periodo de vibración del terreno (microzonificación sísmica, interacción suelo-estructura), pero su aplicación en otros campos es aún restringida. Esto es debido a su escasa capacidad de definición de los materiales en profundidad a partir de un modelo de dos capas. Sin embargo, aprovechando esta característica se ha desarrollado su aplicación al estudio y determinación de la superficie de ruptura de deslizamientos en Ecuador. Partiendo de los resultados de estudios de la determinación del basamento bajo la Presa de San Marcos (Cayambe, provincia de Pichincha) donde la aplicación de la técnica HVSR ha permitido delinear el substrato rocoso en una zona profunda (más de 80 m) compuesta por rellenos de valle. Esto se ha realizado mediante la correlación de las frecuencias naturales de vibración del terreno y la información en perforaciones que alcanzaron el substrato. Este estudio también permitió definir nuevas estructuras tectónicas. Los resultados fueron transferidos al estudio de dos deslizamientos diferentes. En Pujilí (Cotopaxi) se investigó un deslizamiento de materiales similares (deslizados y estáticos) donde el contraste de impedancias (cambios de velocidad sísmica y densidad del terreno) permitió diferenciar la superficie de ruptura. También se pudo identificar zonas de inestabilidad potencial (continuación del movimiento) y estudiar fracturas interiores en la masa movilizada (usando la directividad), relacionadas con sus tensiones internas. La aplicación del HVSR se respaldó mediante perfiles de sísmica de refracción y MASW para obtener un estudio en dos dimensiones de la zona deslizada, aplicando la relación entre la frecuencia natural del terreno y la velocidad de la onda de corte para los materiales en movimiento. El otro caso es un deslizamiento en Guarumales (Azuay) donde los materiales deslizantes están sobre un basamento metamórfico. Las zonas de actividad fueron analizadas y determinadas comprobándose que se relacionaban con la estabilización acometida en la zona para la habilitación de la vía de acceso a instalaciones de una hidroeléctrica. La metodología empleada fue similar a la empleada en Cayambe, pero basándose exclusivamente en otras técnicas geofísicas (SEV y sísmica activa). Estas investigaciones han podido constatar la aplicabilidad de las técnicas geofísicas como herramientas en estudios preliminares que proporcionan información espacial, con tiempos reducidos de aplicación y procesado y económicamente rentables. Estos estudios pueden ser aplicados en fases iniciales o en análisis premonitorios y ser empleados en la toma de decisiones, permitiendo la identificación de la superficie de ruptura.

[CA] Els lliscaments són un dels riscos naturals que més transcendència té en l'activitat humana. A l'Equador, en època de pluges (una de les dues estacions de l'any), este tipus d'esdeveniments suposa una de les majors preocupacions i situacions de perill en tot el seu territori. L'estudi dels lliscaments suposa una inversió important quan es tracta d'enfrontar-lo aplicant sondejos mecànics. Des de fa ja unes dècades, l'ús de tècniques geofísiques en les investigacions, fins i tot en la definició de la superfície de ruptura, ha permés reduir costos i obtindre informació més àmplia correlacionable amb tècniques directes. No obstant això, l'ús de geofísica de manera única en els estudis geològics i geotècnics precisa de la combinació de diversos mètodes, de manera que es puga obtindre un model ajustat i precís. Les tècniques del mètode sísmic són les més emprades en els estudis de lliscaments i la sísmica passiva s'han vingut aplicant recentment amb èxit. La tècnica de quocient espectral (HVSR), que Nakamura va definir en els 80, tracta de la mesura del soroll ambiental (de manera passiva) mitjançant un sistema de tres geófonos orientats en les direccions de l'espai. Esta tècnica és admesa en la definició del període de vibració del terreny (microzonificació sísmica, interacció sòl-estructura), però la seua aplicació en altres camps és encara restringida. Això és degut a la seua escassa capacitat de definició dels materials en profunditat a partir d'un model de dues capes. No obstant això, aprofitant esta característica s'ha desenvolupat la seua aplicació a l'estudi i determinació de la superfície de ruptura de lliscaments a l'Equador. Partint dels resultats d'estudis de la determinació del basament sota la Presa de Sant Marcos (Cayambe, província de Pichincha) on l'aplicació de la tècnica HVSR ha permés delinear el substrat rocós en una zona profunda (més de 80 m) composta per farciments de vall. Això s'ha realitzat mitjançant la correlació de les freqüències naturals de vibració del terreny i la informació en perforacions que van aconseguir el substrat. Este estudi també va permetre definir noves estructures tectòniques. Els resultats van ser transferits a l'estudi de dos lliscaments diferents. En Pujilí (Cotopaxi) es va investigar un lliscament de materials similars (lliscats i estàtics) on el contrast d'impedàncies (canvis de velocitat sísmica i densitat del terreny) va permetre diferenciar la superfície de ruptura. També es va poder identificar zones d'inestabilitat potencial (continuació del moviment) i estudiar fractures interiors en la massa mobilitzada (usant la directivitat), relacionades amb les seues tensions internes. L'aplicació del HVSR es va recolzar mitjançant perfils de sísmica de refracció i MASW per a obtindre un estudi en dues dimensions de la zona lliscada, aplicant la relació entre la freqüència natural del terreny i la velocitat de l'ona de tall per als materials en moviment. L'altre cas és un lliscament en Guarumales (Azuay) on els materials lliscants estan sobre un basament metamòrfic. Les zones d'activitat van ser analitzades i determinades comprovant-se que es relacionaven amb l'estabilització escomesa en la zona per a l'habilitació de la via d'accés a instal·lacions d'una hidroelèctrica. La metodologia emprada va ser similar a l'empleada en Cayambe, però basant-se exclusivament en altres tècniques geofísiques (SEV i sísmica activa). Estes investigacions han pogut constatar l'aplicabilitat de les tècniques geofísiques com a eines en estudis preliminars que proporcionen informació espacial, amb temps reduïts d'aplicació i processament i econòmicament rendibles. Estos estudis poden ser aplicats en fases inicials o en anàlisis premonitòries i ser emprats en la presa de decisions, permetent la identificació de la superfície de ruptura.

[EN] Landslides are one of the most significant natural risks in human activity. In Ecuador, during the rainy season (one of the two seasons of the year), this type of event is one of the most significant concerns and dangerous situations throughout its territory. The study of landslides represents a significant investment in dealing with it by applying mechanical surveys. For decades now, the use of geophysical techniques in investigations, including in the definition of the rupture surface, has made it possible to reduce costs and obtain broader information correlatable with direct techniques. However, using geophysics in a unique way in geological and geotechnical studies requires the combination of several methods so an adjusted and accurate model can be obtained. The seismic method techniques are the most used in landslide studies, and passive seismic has been successfully applied recently. The spectral ratio technique (HVSR), which Nakamura defined in the 1980s, deals with measuring environmental noise (passively) using a system of three geophones oriented in spatial directions. This technique is accepted in the definition of the ground vibration period (seismic microzonation, soil-structure interaction), but its application in other fields is still restricted. That is due to its poor ability to define materials in depth from a two-layer model. However, taking advantage of this characteristic, its application to the study and determination of the landslide rupture surface in Ecuador has been developed. Based on the results of studies of the determination of the basement under the San Marcos Dam (Cayambe, province of Pichincha), where the application of the HVSR technique has allowed the delineation of the rock substrate in a deep area (more than 80 m) composed of fills of valley. That has been done by correlating the natural vibration frequencies of the ground and the information in drillings that reached the substrate. This study also allowed new tectonic structures to be defined. The results were transferred to the study of two different landslides. In Pujilí (Cotopaxi), a landslide of similar materials (slid and static) was investigated where the contrast of impedances (changes in seismic velocity and ground density) allowed the rupture surface to be differentiated. Identifying areas of potential instability (continuation of movement) and studying internal fractures in the mobilized mass (using directivity) related to its internal tensions was also possible. The application of HVSR was supported by refraction seismic profiles and MASW to obtain a two-dimensional study of the slipped zone, applying the relationship between the natural frequency of the terrain and the shear wave velocity for moving materials. The other case is a landslide in Guarumales (Azuay), where the sliding materials are on a metamorphic basement. The areas of activity were analyzed and determined, proving that they were related to the stabilization carried out in the area to enable the access road to hydroelectric facilities. The methodology was similar to that used in Cayambe but was based exclusively on other geophysical techniques (VES and active seismic). These investigations have confirmed the applicability of geophysical techniques as tools in preliminary studies that provide spatial information with reduced application and processing times and are economically profitable. These studies can be applied in initial phases or premonitory analyses and used in decision-making, allowing the identification of the rupture surface.