Exploración Sísmica I

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Sísmica SERIE 1 de 6

I. INTRODUCCIÓN I.1. I.2. I.3. I.4. I.5. I.6.

Métodos Sísmicos: Refracción y Reflexión Ventajas y desventajas de los métodos sísmicos contra otros métodos estudiados Ventajas y desventajas de los Métodos de Refracción y Reflexión Ondas Elásticas Tipos de Ondas Sísmicas Propagación de Ondas: Frentes de Onda y Trayectoria de rayos

Ex loración Símica

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I. INTRODUCCIÓN I.1.

Métodos Sísmicos: Refracción y Reflexión

Como los métodos de resistividad DC, los métodos sísmicos, tan aplicados en la exploración sismológica, son considerados métodos geofísicos activos. En los prospectos geofísicos, el movimiento del terreno es causado por alguna fuente1 y es medido a distancia desde la fuente. El tipo de experimento sísmico difiere dependiendo los aspectos en que el movimiento del terreno registrado sea usado en los análisis subsecuentes. Nosotros damos a entender con esto, que cualquier experimento sísmico puede ser hecho a partir de un determinado conjunto de observaciones. Por lo contrario, los dos tipos de experimentos describen lo que hay en el subsuelo y tienen diferentes requerimientos para su adquisición. Las diferencias de adquisición, sin embargo, se originan desde la necesidad de grabar partes específicas del movimiento del suelo en distancias específicas. Uno de los primeros experimentos sísmicos fue conducido en 1845 por Robert Mallet, considerado por muchos como el padre de la sismología instrumental. Mallet midió el tiempo de transmisión de las ondas sísmicas, probablemente ondas superficiales, generadas por una explosión. Para hacer esta medición, Mallet coloco pequeños contenedores de mercurio a varias distancias desde el origen de la explosión y anoto el tiempo que tomo para la superficie del mercurio ondear después de la explosión. En 1909, Andrija Mohorovicic usando los tiempos de viaje de terremotos como fuente realizo un experimento de refracción sísmica y descubrió la existencia del límite de la corteza y el manto, ahora llamado el Moho. Los primeros usos de las observaciones sísmicas para la exploración de petróleo y recursos minerales datan de los 1920's. La técnica de refracción sísmica, descrita brevemente abajo, fue usada extensivamente en Irán para delinear las estructuras que contienen petróleo. El método de reflexión, ahora el método sísmico más comúnmente usado en la industria del petróleo, fue primero demostrada en Oklahoma en 1921. Una placa conmemorativa a este evento fue colocada en el sitio por la Society of Exploration Geophysicists (La Sociedad de Exploración Geofísica) en 1971.

Sismología de Refracción - Los experimentos de refracción son basados en los tiempos de arribo del movimiento inicial del suelo generado por una fuente y registrados a varias distancias. Las complicaciones por el retraso de los arribos en el movimiento del suelo registrado es descartado. De esta manera el conjunto de datos derivados de los experimentos de refracción consisten en una serie de tiempos contra distancias. Estas son entonces interpretadas en términos de las profundidades de las interfases del subsuelo y las velocidades en las cuales viajaron las ondas en cada capa. Esas velocidades son controladas por un grupo de constantes físicas, llamadas parámetros elásticos que describen el material. Sismología de reflexión .- En experimentos de reflexión, el análisis es concentrado en la energía arribada después del movimiento inicial del suelo. Específicamente, el análisis se concentra en el movimiento del suelo que ha sido reflejado fuera de las interfases del subsuelo. En este sentido, la reflexión sismológica es una versión sofisticada del sondeo de eco usada en submarinos, barcos y sistemas de radar. En suma, examinando los tiempos de arribo de estos, el método de reflexión sísmica procesa información acerca del subsuelo desde la amplitud y la forma del movimiento del suelo. Las estructuras del subsuelo pueden ser complejas en forma. 1

Cualquiera de una variedad de fuentes que pueden ser usadas. Típicamente esas fuentes son hechas por el hombre, así satisface nuestra definición de un prospecto geofísico activo, lo que llamamos Sismología Activa. Uno puede usar fuentes naturales, como los terremotos. Los experimentos que usan fuente s naturales para estudiar el movimiento del suelo, son considerados experimentos pasivos y a la rama para su estudio es conocida como Sismología Pasiva.

Estudiantes de Geofísica


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pero los métodos de refracción son interpretados en términos de los límites, separando el material por la diferencia en los parámetros elásticos. Cada una de esas técnicas tiene ventajas y desventajas específicas cuando se comparan a cada una y cuando se comparan con otras técnicas geofísicas. Por esas razones, diferentes industrias aplican esas técnicas en diferentes grados. Por ejemplo, las industrias del gas y del petróleo usan el método sísmico de reflexión casi a la excepción de otras técnicas geofísicas. Las comunidades ambientales y de ingeniería usan menos veces las técnicas sísmicas que otras técnicas geofísicas. Cuando los métodos sísmicos son usados en esas comunidades, tienden a preferir los métodos de refracción sobre los métodos de reflexión.

I.2.

Ventajas y desventajas de Métodos sísmicos

Cuando son comparados a otros métodos geofísicos hemos descrito lo siguiente, los métodos sísmicos tienen muchas ventajas y también muchas desventajas. Métodos Sísmicos Ventaja Puede detectar variaciones laterales y de profundidad en un parámetro físico relevante: la velocidad sísmica. Puede producir detalles de rasgos estructurales presentes en el subsuelo.

Desventaja La cantidad de datos colectados en un prospecto puede rápidamente hacerse agobiante. Los datos son caros de adquirir y la logística de la adquisición de datos es mas intensa que otros métodos Geofísicos. Pueden ser usados para delinear estratigrafía y en La reducción de datos y el procesado puede ser consumo algunos cosos rasgos depositacionales. de tiempo, requiere sofisticados equipos de cómputo y una demanda considerable de experiencia. La respuesta para la propagación de la onda sísmica es El equipo para la adquisición de observaciones sísmicas dependiente de la densidad de roca y la variedad de las son, en general, mas caros que el equipo requerido por constantes físicas (elasticidad). Así, cualquier mecanismo otros prospectos geofísicos considerados. de cambio de esas constantes (cambios de porosidad, cambios de permeabilidad, compactación, etc.) puede, en principio, ser trazado con los métodos sísmicos. La detección directa de hidrocarburos, en algunas La detección directa de contaminantes comunes instancias, es posible. presentes en niveles similarmente vistos en derramamiento en residuos peligrosos no es posible.

Si un investigador ha estimado que el blanco de interés es producir una anomalía, tú puedes ver desde la lista arriba citada que las desventajas primarias para manejar los métodos sísmicos sobre otros métodos se conducen económicamente. Los métodos sísmicos son simplemente más caros para emprender que otros métodos geofísicos. La sísmica puede producir imágenes notables del subsuelo, pero esto origina altos costos económicos relativamente.



I.3.

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Ventajas y desventajas de los Métodos de Refracción y

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En la página anterior, se intentó describir algunas de las ventajas y de las desventajas en los métodos sísmicos cuando son comparados con otros métodos geofísicos. Como los métodos eléctricos, los métodos sísmicos engloban un ancho rango de actividades y tales generalizaciones como esas hechas en páginas anteriores son peligrosas. Un mejor sentido para las inherentes fuerzas o debilidades de la metodología sísmica pueden ser obtenidas comparando y contrastando los dos métodos sísmicos predominantes, refracción y reflexión, uno al otro.

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Ventaja Las observaciones generalmente ocupan pocas fuentes y receptores así de está forma son mas baratos para adquirir. ,

El proceso es pequeño al hacer observaciones de refracción con la excepción de la escala de la traza o el filtrado para ayudar al proceso de obtener los tiempos de arribo del movimiento inicial. Puesto que una porción pequeña de la grabación del movimiento del suelo es usada el desarrollo de modelos y la interpretación no es más difícil que nuestro trabajo con otros prospectos geofísicos. ,

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Desventaja

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Desventaja Porque muchas fuentes y receptores pueden ser usados para producir imágenes significantes del subsuelo de la tierra las observaciones de reflexión sísmica pueden ser caras para adquirir. El proceso de la reflexión sísmica puede tener ser muy intenso en la computadora requiriendo sofisticados equipos de cómputo a un elevado nivel de costo. Así que las observaciones del proceso de la reflexión sísmica son relativamente caras. Porque 1) Es agobiadora la cantidad de datos colectados 2) Las posibles complicaciones impuestas por la propagación del movimiento del suelo a través del complejo subsuelo 3) Las complicaciones impuestas por alguna de las simplificaciones necesarias requeridas por el diseño del procesado de datos y 4) La interpretación de las observaciones de la reflexión sísmica. Todo esto requiere de más conocimientos específicos sobre el proceso. ,

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Ventaja

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Desventaja Las observaciones de refracción sísmica requieren relativamente de largos offsets fuentereceptor (distancias entre la fuente y donde el movimiento del suelo es grabado por el r eceptor). La refracción sísmica solo trabaja si la velocidad en la que se propagan los movimientos a través de la Tierra se incrementa con la profundidad.

Ventaja Las observaciones sísmicas de reflexión son colectadas en pequeños offsets fuente-receptor.

Desventaja

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Las Observaciones de la Refracción sísmica son generalmente interpretadas en términos de capas. Esas capas pueden tener buzamiento y topografía. Las observaciones de Refracción sísmica solo usa el tiempo de arribo del movimiento del suelo en las diferentes distancias desde la fuente (e jem. offsets)

Los métodos de reflexión sísmica pueden trabajar sin importar como la velocidad a la cual se propaga el movimiento a través de la Tierra varíe con la profundidad. Las observaciones de Reflexión sísmica pueden ser mas fácilmente interpretadas en términos de geología comple ja. Las observaciones de Reflexión sísmica usan totalmente el campo de onda reflejada (e jem. la historia de los tiempos de movimiento del suelo en las diferentes distancias entre la fuente y el receptor) El subsuelo es directamente representado desde las observaciones adquiridas. ,

Una modelo del subsuelo es construido intentando reproducir los tiempos de arribo observados.

Como puedes observar en la lista anterior, las técnicas de reflexión tienen el potencial para ser más poderosas en términos de su habilidad para generar observaciones interpretables sobre estructuras geológicas complejas. Como se dijo antes, sin embargo, esto viene con un costo. Este costo es principalmente económico. Los prospectos de Reflexión son más caros para proceder que los prospectos de Refracción. Como una consecuencia, los interesados en ambiente e ingeniería optan por realizar prospectos de Refracción cuando es posible. Por otra mano, la industria del petróleo usa las técnicas de sísmica de Reflexión casi siempre excluyendo los demás métodos geofísicos.

En este grupo de notas, Nosotros consideramos únicamente los métodos de refracción.



I.4.

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Ondas Elásticas

Cuando la Tierra rápidamente es desplazada o se distorsiona en algún punto, la energía impartida dentro de la Tierra por el origen de la distorsión puede ser transmitida en forma de ondas elásticas . Una onda es un disturbio que se propaga entre o sobre la superficie de una medio. Las ondas elásticas satisfacen esta condición y también se propagan a través del medio sin causar deformación permanente sobre cualquier punto del medio. Las ondas elásticas son bastante comunes. Por ejemplo, el sonido que se propaga a través del aire como ondas elásticas, ó las ondas en el agua, que se propagan a través de la superficie de un estanque como ondas elásticas. De hecho, las ondas elásticas en la superficie de un estanque ofrecen una analogía conveniente para la propagación de ondas a través de la Tierra. Cuando una piedrita es arrojada dentro del estanque, la perturbación causada por la piedrita se propaga radialmente hacia el exterior en todas direcciones. Como las ondas se mueven hacia afuera de su fuente, nota que hay dos formas distintas de observar la manera en que las ondas viajan. Esas formas distintas de puntos de vista son llamadas Marcos de referencia. Podemos ver las ondas propagándose a través de la superficie del estanque estando encima del estanque. En cualquier momento, las ondas forman un anillo circular alrededor de la fuente con algún radio que es controlado por la velocidad en la cual las ondas se propagan a través del agua y el tiempo transcurrido desde la onda originada en la fuente. En este punto de vista, fijamos tiempo y vemos el campo de onda en cualquier punto a través de toda la superficie. Podemos ver esas mismas ondas, como se propagan a través de algún punto fijo en la superficie del estanque. Esto es, visualiza que en lugar de eso, estas observando las ondas desde encima del estanque, estamos en un pequeño bote en la superficie del estanque y registramos como el bote se mueve hacia arriba y hacia abajo con respecto al tiempo como las ondas se propagan al pasar el bote. En este punto de vista, fijamos nuestra localización espacial y vemos el campo de onda en este punto en todas las veces. De esos dos puntos de vista obtenemos dos imágenes diferentes fundamentales de exactamente la misma onda. Asumimos que nuestra onda propagada hacia afuera desde la fuente pude ser aproximada por una onda senoidal. Desde la primera perspectiva, podemos examinar la onda en cualquier punto de la superficie del estanque en algún tiempo fijo. Esa onda podría ser descrita como la que se muestra en la siguiente figura.



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En este marco de referencia, la onda es definida por dos parámetros, la amplitud (amplitude) y la longitud de onda (Wavelength). La amplitud es la altura desde el pico hasta la base dividido por dos. Longitud de onda es la distancia sobre la cual una onda hace un ciclo completo (ejem. desde un pico a otro pico, o de una base a la siguiente). Desde nuestra segunda perspectiva, podemos examinar la onda en un punto fijo en la superficie del estanque como este se propaga pasándonos. Eso es, como varia en tiempo. Esa onda podría ser descrita como sigue.

Con este marco de referencia la onda es descrita por una amplitud (amplitude) y un periodo (Period). La amplitud es la misma que describimos anteriormente. El periodo es el tiempo sobre el cual la onda es observada al completar un simple ciclo. Otra descripción comúnmente usada para relacionar el periodo es la frecuencia (frequency). La frecuencia no es mas que el reciproco del periodo. Si el periodo es medido en segundos (s), la frecuencia tiene unidades de Herz (Hz), 1/s.



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Como puedes ver, periodo y longitud de onda son relacionadas. Ellas son relacionadas por la velocidad en la cual la onda se propago a través de la superficie del estanque, c, donde c es igual a la longitud de onda dividida por el periodo de la onda.

I.5.

Tipos de Ondas Sísmicas

Las ondas que se propagan a través de la tierra como ondas elásticas (elastics waves) son referidas como ondas sísmicas .Hay dos amplias categorías de ondas sísmicas: las ondas de cuerpo y las ondas superficiales.

Ondas de cuerpo (Body waves). - Éstas son ondas elásticas que se propagan a través del interior de la Tierra. En prospecciones de reflexión y refracción, las ondas de cuerpo son la fuente de información usadas para reflejar el interior de la Tierra. Como las ondas en la superficie del ejemplo del estanque descrito anteriormente, las ondas de cuerpo se propagan desde la fuente hacia el exterior en todas direcciones. Si la velocidad en la cual las ondas de cuerpo se propagan a través del interior de la Tierra es constante, entonces en cualquier momento, esas ondas forman una esfera a rededor de la fuente cuyo radio es dependiente del tiempo transcurrido desde la fuente generadora de las ondas. Abajo se muestra una sección de la Tierra con las ondas de cuerpo radiando desde la fuente (circulo rojo) mostrado en varios tiempos diferentes. En la figura abajo, ms representa milisegundos. Un milisegundo es igual a una milésima parte de un segundo, es decir, hay mil milisegundos en un segundo.

El color iluminado es proporcional a la amplitud de la onda de cuerpo. El color azulverde es la amplitud cero, rojo es una gran amplitud positiva, el púrpura es una gran amplitud negativa. Nota que esta imagen esta explícitamente construida en un marco de referencia que fija el tiempo, así nos permite examinar las variaciones espaciales de las ondas sísmicas. En cualquier tiempo obtenido, nota que la onda es circular con su centro localizado en la fuente. Este círculo es, por supuesto, nada más que una sección bidimensional de una forma esférica de la onda en tres dimensiones. Las ondas sísmicas de cuerpo pueden ser divididas dentro de dos clases de ondas. Las ondas P y las ondas S.



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Ondas P (P waves) - Las ondas P son llamadas también ondas primarias, por que se propagan a través del medio más rápido que cualquier otro tipo de ondas. En las ondas P, las partículas que constituyen el medio son desplazadas en la misma dirección que la propagación de la onda, en este caso, la dirección radial. Así, el material esta siendo extendido y comprimido como onda P propagada a través del medio. Las ondas P son análogas a la propagación de las ondas de sonido en el aire. Ondas S (S waves) - Las ondas S son algunas veces llamadas ondas secundarias, porque son propagadas a través del medio más lento que las ondas P. En las ondas S, las partículas que constituyen el medio son desplazadas en dirección perpendicular a la dirección a la que la onda se esta propagando. En este ejemplo, como las ondas son propagadas radialmente, el medio esta siendo deformado a lo largo de superficies esféricas.

La mayoría de los prospectos sísmicos usan las ondas P como su fuente de información primaria. La figura mostrada arriba puede, sin embargo, representar cualquier onda S o P dependiendo de la velocidad elegida para generar la imagen.

Las Ondas Superficiales (Surface waves) - Las ondas superficiales son ondas que se propagan a lo largo de la superficie de la Tierra. Su amplitud en la superficie puede ser muy grande, pero esta amplitud decae exponencialmente con la profundidad. Las Ondas superficiales se propagan a velocidades que son más lentas que las ondas S, son poco generadas por fuentes enterradas y tienen amplitudes que decaen con la distancia desde la fuente mas lentamente que las observadas por las ondas de cuerpo. La imagen abajo es una sección cruzada a través de un modelo simplificado de la Tierra (la velocidad de la propagación de la onda es asumida a ser constante en todas partes) mostrando como las ondas superficiales podrían aparecer en distintos tiempos en este medio.



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Como las ondas de cuerpo, hay dos clases de ondas superficiales, las ondas Love y las ondas Rayleigh, que son distinguidas por el tipo de movimiento de partícula impuesta en el medio. Para nuestros propósitos, no es necesario detallar en esas diferencias. Suficiente es decir que virtualmente para todos los prospectos de exploración, las ondas superficiales son una forma de ruido que atenuamos o suprimimos. Para prospectos de reflexión en particular, la eliminación de la energía de las ondas de superficie son particularmente importantes, porque las amplitudes de las ondas superficiales generadas desde fuentes poco enterradas son poco observadas al ser más grandes que las amplitudes de las ondas de cuerpo que estas intentando grabar o interpretar. Para los prospectos de refracción, las ondas de las ondas superficiales son un problema menor porque estamos solo interesados en el tiempo de arribo de la primera onda. Las ondas superficiales nunca son el primer arribo. En todas las discusiones siguientes acerca de las ondas sísmicas, solo consideraremos las ondas de cuerpo.

I.6.

Frente de onda y trayectoria de rayos

En los métodos geofísicos de exploración, en particular en magnéticos y en los de resistividad, a menudo ocupamos dos diferentes descripciones de las observaciones hechas a los fenómenos físicos existentes. Por ejemplo, cuando discutimos magnetismo miramos en ambos la fuerza del campo magnético y la dirección del campo magnético. Los cuales se discuten en el estudio de resistividad, hablando de potenciales eléctricos y flujo de corriente. Similarmente, hay dos descripciones en las ondas sísmicas igualmente útiles: Frente de Onda (Wavefronts) y la trayectoria de los rayos (Raypaths). Las relaciones de esas dos descripciones están mostradas debajo.

Trayectoria de rayos (Raypaths) - Trayectoria de rayos son nada más líneas que se muestran en la dirección a la cual las ondas sísmicas son propagandas. Para cualquier onda determinada, hay un infinito grupo de trayectorias de rayos que pueden ser usadas. En el ejemplo mostrado anteriormente, por instancia, un trayecto de rayo puede ser cualquier línea radial dibujada desde la fuente. En la imagen se muestra solo algunas pocas líneas de todas las trayectorias de rayos posibles.



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Frentes de Onda (Wavefront) - Los frentes de onda conectan posiciones de las ondas sísmicas que están haciendo las mismas cosas en el mismo tiempo. En el ejemplo mostrado arriba, los frentes de onda son en forma esférica. Uno de tales frentes de onda podría ser la esfera dibujada a través de la mitad del área azul marino. Esta superficie podría conectar todas las porciones de las ondas que tienen las más grandes amplitudes negativas posibles en algún tiempo particular. En la teoría en la práctica, las trayectorias de rayos equivalen a las direcciones de flujo de corriente y los frentes de onda son equivalentes a las líneas equipotenciales descritas en resistividad. Nota que en el ejemplo, los frentes de onda son perpendiculares a la trayectoria de rayos. Esto en general es siempre real. Así, teniendo un grupo de frentes de ondas o un grupo de trayectorias de rayos, podemos construir el otro. En muchas de las siguientes ocasiones, usaremos la descripción de la trayectoria de rayos al hablar sobre la propagación de las ondas sísmicas. Esta descripción permitirá hacer cálculos más fácilmente sobre la propagación en tiempos de una fase sísmica específica, porque seremos capaces de construir explícitamente la trayectoria a lo largo de la cual viajo la onda sísmica.

Este material es una traducción directa del curso de Refraction Seismic de la Colorado School of Mines. Copyright Statement: Copyright © Thomas M. Boyd, 1996 - 2002, All rights reserved. http://galitzin.mines.edu/INTROGP/ Reeditado por: Joseph Huanca Cárdenas email: [email protected] Blog : http://geofisicosas.blogspot.com/ Sitio Web: http://estugeofisica.scienceontheweb.net/ Foro de la Web: http://geofisica.mforos.com/


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