Abstract In the seismic refraction method, refracted waves provide the velocity and irregularity of the substratum. In this study, we took advantage of this method to construct 3D images of the refractor subsurface for two rectangular arrays of sources and receivers. The procedure consists of fitting a straight line to the refracted arrival times that pass through each of the cells that discretize the study surface. The slope inverse is the P-wave velocity, and the intercept time allows us to estimate the substratum depth. We applied this method to two archaeological zones where it was necessary to know the structure of the subsoil velocity and the possible presence of anomalies associated with buried constructions. The results show velocity anomalies related to buried structures and lateral discontinuities due to changes in the refractor layer composition. At the site of Plazuelas, Guanajuato, the slope irregularity of this refractor indicates the unevenness of the ground that had to be filled for the Pyramid's construction. At the Xalasco site, Tlaxcala, impedance contrast is low, but lateral velocity variations show anthropogenic anomalies related to the distribution of remains of ceremonial archaeological foundations.

Resumen En el método de refracción sísmica las ondas refractadas proveen la velocidad e irregularidad del subestrato. En este estudio aprovechamos el principio de este método para construir imágenes 3D de la superficie refractora para dos arreglos rectangulares de fuentes y receptores. El procedimiento consiste en ajustar los tiempos de arribo de las ondas refractadas que cruzan cada una de las celdas que discretizan la superficie de estudio. El inverso de la pendiente es la velocidad de onda compresional y el intercepto permite calcular la profundidad del subestrato. Aplicamos este método a dos zonas arqueológicas donde se requería conocer la estructura de velocidad del subsuelo y la posible presencia de anomalías asociadas a construcciones enterradas. Los resultados muestran la presencia de anomalías de velocidad que se pueden relacionar con estructuras enterradas y discontinuidades laterales por cambios en la composición de los materiales del subestrato refractor. En el sitio de Plazuelas, Guanajuato, la irregularidad en la pendiente de este refractor indica el desnivel del terreno que tuvo que ser rellenado para la construcción de la Pirámide. En el sitio de Xalasco, Tlaxcala, el contraste de impedancia es bajo, pero las variaciones laterales de velocidad muestran anomalías de origen antropogénico que se pueden relacionar con estructuras arqueológicas de interés.

Abstract In this work, we applied the seismic interferometry (SI) method in order to determine the lateral variation of S wave velocity (Vs) in the subsoil structure of a rock mass with a slope located on Joaquin Claussell Street in the 3rd Section of Chapultepec Park. Geological and geotechnical studies show that a pumice stratum, overlying semi-permeable materials, is susceptible to failure and causing a landslide due to fracturing and rains, typical factors that cause landslides in the western part of Mexico City. In order to show the applicability of the SI method to quantify the elastic properties and their distribution in the slope, we generated cross-correlation functions among 4560 pairs of receivers in an irregular array of 96 vertical geophones. By means of the temporal variations of the maximum correlation pulse, as a function of frequency (4 to 24 Hz), we built tomographic images of relative Vs velocity. We found that Vs values close to 300 m/s are related to the pumice strata, velocities that are located primarily on the slope face and at its lowest topographical level. The velocity of these materials contrasts with an underlying stratum with values greater than 1000 m/s. These results are corroborated with the soil structure derived from two seismic refraction lines. This study suggests that the SI method is appropriate to assess the geological hazards associated with slope stability.

Resumen En este trabajo aplicamos el método de Interferometría Sísmica (IS) para determinar la variación lateral en la distribución de la velocidad de onda S (Vs) en la estructura de un macizo rocoso que contiene un talud localizado en el circuito Joaquín Claussell de la 3a Sección del Bosque de Chapultepec. Estudios geológicos y de geotecnia muestran la presencia de un estrato pumicítico, que sobreyace a materiales semi permeables; el cual es susceptible a fallamiento y provocar deslizamientos, debido al estado de fracturamiento y el aporte de agua durante la época de lluvias, factores comúnmente asociados a deslizamientos en la zona poniente de la Ciudad México. A fin de mostrar la aplicabilidad del método de IS para cuantificar las propiedades elásticas y su distribución en los estratos que conforman el cuerpo del talud, se generaron funciones de correlación cruzada entre 4560 pares de receptores en un arreglo irregular de 96 geófonos verticales. Mediante el uso de las variaciones temporales del máximo pulso de correlación en función de la frecuencia (4 a 24 Hz), construimos imágenes a partir de la tomografía de Vs relativa. Encontramos que valores de Vs cercanos a 300 m/s se relacionan con los estratos de pómez, los cuales se encuentran principalmente alojados hacia la cara del talud y en su parte topográfica más baja. La velocidad en estos materiales contrasta notablemente con la del estrato subyacente de valores superiores a 1000 m/s. Los valores de Vs y la geometría del estrato susceptible a deslizarse fueron corroborados por dos líneas de refracción sísmica. Los resultados de este estudio, sugieren que el método de IS es apropiado, debido a su carácter no invasivo ni destructivo, para analizar este tipo de riesgos geológicos asociados con la estabilidad de taludes.

La buena interpretación de datos estadísticos de refracción sísmica depende de la identificación acertada y confiable de los tiempos de llegada. Los primeros tiempos de llegada se pueden identificar en un gráfico o imagen por picado convencional, pero este proceso depende de factores externos como la escala y la calidad de información de la imagen, el índice de amplitud, la sensibilidad del cursor de recolección y la experiencia del usuario. Bajo estas consideraciones, la identificación de los tiempos de llegada bajo información ruidosa se vuelve más compleja e inestable. En este estudio, la técnica de Correlación Cruzada (CCT, en inglés), que es ampliamente trabajada en el proceso de análisis de datos de reflexión, se utilizó para seleccionar los primeros tiempos de llegada en información sísmica ruidosa o no ruidosa con un proceso semiautomático. La CCT redujo la dependencia en el usuario y bajó el nivel de selección incorrecta causada por el ruido ambiental al desplegar características y factores de escala. La CCT se ha probado en modelos sintéticos con diferentes contenidos de ruidos y diversa información de campo. El error de la norma Chi-cuadrado se utilizó para evaluar el desempeño de las selecciones. En adición, los efectos de las pequeñas diferencias de tiempo entre el proceso convencional de selección y la CCT se han demostrado en una tomografía reflexiva de velocidad. Además, se estima que el método propuesto es una contribución útil a los métodos existentes de la recolección de los primeros tiempos de llegada.

The high-quality interpretation of seismic refraction data depends on the accurate and reliable identification of the first arrival times. First arrivals can be identified on a graphic or image by conventional picking, but this process depends on external factors, such as the scale and quality of the imaging data, amplitude ratio, sensitivity of the picking cursor and user experience. Under these considerations, identifying first arrivals in noisy data becomes more complex and unstable. In this study, the Cross-Correlation Technique (CCT), which is widely used in the process of analyzing reflection data, has been used to pick the first arrival times in noisy or noiseless seismic refraction data by a semi-automatic process. The CCT has reduced the dependence on user and decreased incorrect picking caused by environmental noise, displaying characteristics and scaling factors. The CCT has been tested with synthetic models with different noise contents and various field data. The Chi-square error criterion was used to assess the performance of the pickings. In addition, effects of small-time differences between the conventional picking process and the CCT have been demonstrated on a refraction tomography velocity section. Therefore, we believe that our proposed method is a useful contribution to the existing methods of first arrival picking.

Se llevó a cabo un estudio geofísico de tomografía sísmica por refracción (SRT) con ondas compresionales en la Sierra de Santa Clara, provincia de San Juan, República Argentina en julio de 2009. El propósito del estudio geofísico fue determinar las variaciones de velocidad de ondas P en el interior del macizo rocoso con el fin de inferir el grado de fracturación y rigidez del mismo, y proyectar la construcción de un túnel vial de 290 m de longitud, que atravesará la montaña de forma casi perpendicular al eje de la misma, a 100 m de profundidad desde la cumbre. Varias dificultades se presentaron desde el punto de vista operativo, que tornaron altamente compleja la realización del trabajo de campo en circunstancias normales. En primer lugar las condiciones topográficas, con pendientes de 45° y profundidades de investigación de 100 m, que implicaba el uso de explosivos para generar ondas sísmicas que alcanzaran los sensores con suficiente relación señal-ruido para distinguirlas. Restricciones legales respecto al uso de explosivos, por una parte, y la potencia insuficiente en caso de uso de golpe de maza por otra, hicieron necesario el diseño y construcción de un cañón impulsado por gas en busca de generar la energía mínima (2 kJ) necesaria para la detección de las señales sísmicas. En segundo lugar, no fue posible la utilización de los métodos convencionales de interpretación que emplean modelos de capas, inoperable en este tipo de estructuras geológicas; por ello resultó imprescindible utilizar el método de tomografìa sísmica que hace uso del concepto de gradientes de velocidades, tanto laterales como en profundidad. Ello posibilitó mapear las variaciones de velocidad en subsuelo en forma de curvas de nivel.

A geophysical survey involving seismic refraction tomography (SRT) for mapping 'P' waves was carried out in Sierra Santa Clara, San Juan Province, Argentina in July 2009. The purpose of the geophysical survey was to determine the degree of fracturing and the rigidity of the rock mass through which it is planned to build a 290 m long road tunnel traversing the mountain almost perpendicular to the axis thereof, at around 100 m depth from the summit. Several difficulties arose from the operational point of view which made it almost impossible to conduct fieldwork in normal circumstances. Firstly, the topography had almost 45° slopes and 100 m research depths which would have involved having had to use explosives to generate seismic waves reaching sensors which had sufficient signal-to-noise ratio for distinguishing them. Legal restrictions regarding the use of explosives on the one hand and insufficient power when using hammer blows on the other made it necessary to design and build a gas-powered gun to achieve the minimum energy (2 kJ) required for detecting seismic signals. Secondly, using conventional interpretation methods involving layered models was inoperable in such geological structures; seismic tomography methods were thus used which make use of the velocity gradient concept (both lateral and in-depth). This allowed mapping subsurface velocity variations in the form of velocity contour lines. The methodology used with the new seismic waves' source generator, as well as SRT application in this type of geological structure, demonstrated that satisfactory results could be obtained for this kind of geophysical study for geotechnical purposes.