Introducción a la prospección sísmica

M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012

XXX Curso Centroamericano y del Caribe de Fısica

—INTRODUCCION A LA EXPLORACION

SISMICA—

Manuel RodriguezIHCIT, UNAH

[email protected]

Tegucigalpa, Honduras 20 de abril de 2012

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Tabla de Contenido

Ondas Sısmicas y Propagacion de OndasExploracion SısmicaOndas

Terminologıa

Coeficientes ElasticosOndas de Cuerpo

Ondas - POndas - S

Ondas SuperficialesVelocidad de las Ondas SısmicasRayos

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Desglose


Terminologıa


Ondas - POndas - S


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Desglose


Terminologıa


Ondas - POndas - S


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Exploracion Sısmica

Sismologıa Global

I Fuente terremotos

I Ondas atraviesan la tierra

I Imagen 3D del interior de laTierra

Reflexion y Refraccion Sısmica

I Fuente controlada

I Ondas viajan en la corteza ymanto superior

I Estructura de la corteza

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Desglose


Terminologıa


Ondas - POndas - S


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Ondas

I Punto fuente

I Ondas de cuerpo

I Ondas superficiales

I Frentes de onda

I Rayos

Perturbacion

I Piedra en un estanque,terremotos.

I Perturbacion en el medio sepropaga a traves de el.

I Medio elastico, homogeneoe isotropico.

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Ondas-Terminologıa

I Velocidad

I Longitud de onda

I Amplitud

I Frecuencia

I Perıodo

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Desglose


Terminologıa


Ondas - POndas - S


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Coeficientes Elasticos

I Esfuerzo-stress (fuerza/area)

I Deformacion-strain

I Medio elastico, Ley de Hooke

Coeficientes:

I Modulo de Young (E)

I Razon de Poisson (µ)

I Modulo de compresibilidad (K)

I Modulo de corte o rigidez (G)

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Desglose


Terminologıa


Ondas - POndas - S


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Ondas Sısmicas - Ondas de Cuerpo

De las ecuaciones del movimiento en un medio elastico,homogeneo e isotropico se puede demostrar que existen 2 tipos deondas que se transmiten en el medio (ondas de cuerpo):

I Ondas - P

I Ondas - S

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Ondas - P

I Onda primarias

I Ondas longitudinales

I Compresiones y rarefacciones, sin rotacion

I Causa cambios en el volumen en el medio a medida que sepropaga la onda.

I Similar al sonido viajando en el aire

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Ondas - S

I Ondas secundarias o de corte (shear)

I Ondas transversales

I No hay cambio de volumen

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Ondas P y S

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Desglose


Terminologıa


Ondas - POndas - S


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Ondas Superficiales

I Ondas Rayleigh y Love

I Amplitud disminuye con la profundad

I Amplitud mayores y mas lentas que las ondas de cuerpo

I Perıodos mas largos

I Se pueden considerar como ruidos para nuestros fines.

I Las ondas P son las mas importantes en exploracion sısmica,al ser las mas rapidas es facil observarlas, explosiones soloproducen ondas P.

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Ondas Superficiales

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Sismogramas

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Sismogramas

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Desglose


Terminologıa


Ondas - POndas - S


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Velocidad de las Ondas Sısmicas

I Vp

I Vs

I Vp/Vs

I El modulo de compresibilidad K > 0 , Vp > Vs

I Modulo de corte G = 0 para los lıquidos, Vs = 0

I Fracturas en las rocas o alta porosidad produce disminucionen la Vp.

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Algunas Aproximaciones Utiles

I Vs = 0,6Vp Rocas cristalinas

I Vs = 0,5Vp Rocas sedimentarias

I Vs = 0,4Vp Suelos y materiales poco consolidados

I VR = 0,9Vs

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Desglose


Terminologıa


Ondas - POndas - S


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Rayos

I Rayos son lıneasperpendiculares a los frentesde onda.

I Principio de Huygen: cadapunto en el frente de ondases un nuevo punto fuente.

I Principio de Fermat:Distancia mas corta entiempo mas corto

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Reflexion y Refraccion

I La onda cruza la frontera entre 2 medios diferentes.

I Parte de la energıa rebota y parte cruza el medio.

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Reflexion y Refraccion

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Reflexion

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Refraccion

I Refraccion

I Ley de Snell

I Refraccion critica

I Reflexion interna total

I Ondas frontales

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Difraccion

I Cambio brusco en lacurvatura de la interfazproduce frentes de ondaesfericos, falla la teorıa derayos

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Ondas en la Superficie

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Ondas en la Superficie

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Atenuacion de la Amplitud de Onda

I Propagacion geometrica

I Energıa decae 1/r , amplitud de la onda 1/r2

I Absorcion

I La onda viajando distorsiona el medio transformando energıaen calor interno.

I Frecuencias mas altas decaen mas rapido.

I Particion de la energıa

I Cuando una onda choca con una interfaz parte de la energıase refleja y parte es refractada.

I Ademas ocurren generacion de nuevas ondas.

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Fuentes de Energıa

Factores a considerar:

I Costos

I Energıa de entrada

I Repetitividad conveniencia

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Martillos

I Costos bajos

I Seguro, con entrenamiento

I 15-50m

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Lanzamiento de Pesos

I Barato

I Profundidades 50m

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Explosivos

I Seguridad ycostos puedenser problema.

I Diferentestamanos Segunprofundidad.

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Fuentes Vibradoras

I Serie de pulsos en lugar de uno solo.

I 100s m a kms

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Geofonos

I Bobina suspendida en un campomagnetico, al moverse produce corrienteselectricas.

I Respuesta en frecuencia importante paraaprovechar la maxima amplitud de salida

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Arreglos de Geofonos

I Separaciones pequenas

I Alta resolucion delsubsuelo

I Analisis de reflexion

I Separaciones grandesI Mayores profundidadesI Mejora la sensibilidad a la

velocidadI Analisis de refraccion

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Diagrama Esquematico de Equipo para Exploracion Sısmica

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Osciloscopio

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Metodo de Refraccion

I Dromocronas: graficas de tiempo en funcion de la distancia(tiempo de viaje)

I Ecuaciones de tiempo de viaje

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Metodo de Refraccion

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V1 V2 V3

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Grafica de tiempo de viaje a partir de sismogramas

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La Superficie No Ideal

I Zonas escondidasI Variaciones lateralesI Discontinuidad en interfaces

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Zona Escondida: capa de baja velocidad

I Velocidad aumenta con la profundidad en generalV 1 < V 2 < V 3. . .

I En un modelo de 3 capas si V 1 > V 2 < V 3 rayos no serefractaran en la primera interfaz.

I Metodo de refraccion no detecta la capa 2, desventajas deeste metodo.

I Informacion adicional previa es necesaria.

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I Con la info de las curvas:V 1 y V 3 OK.h1 = 25,5m >> h1 real

I Si de info geologica se estaseguro de la existencia de lacapa 2 se puede calcular

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Si de info geologica se esta seguro de la existencia de la capa 2 sepuede calcular h2 usando:

h2 =(ti2 −

2h1(V 23 −V 2

1 )12

V3V1

)V3V2

2(V 23 −V 2

2 )12

Calcular ti y estimar h2

Es necesario conocer h1 previamente, de info adicional

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Capa Delgada

I Modelo de 3 capas, capa intermedia muy delgada, rayosrefractados en capa 3 llegan antes que los de la capa 2 seidentifican solo 2 capas, 1 y 3.

I La profundidad a la capa 3 menor que la real.

I Se necesita info adicional de la existencia de esta capa.

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Capa Delgada

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Variaciones Laterales de Velocidad

Variaciones en velocidad son comunes, si bajas se puedendespreciar, si son grandes como en contacto de unidades geologicashabran efectos inusuales en graficas tiempo de viaje.

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Variaciones Laterales de Velocidad

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Discontinuidad en las Interfaces: difraccion

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Capas Inclinadas

I Las capas en el subsuelo pueden ser no completamentehorizontales.

I Debido a la trayectoria de los rayos refractados en la interfazinclinada las velocidades calculadas son diferentes a las reales.

I En curva de tiempo de viaje no se puede detectar esto, esnecesario realizar experimento intercambiando de posicion lafuente y los geofonos, para tener un perfil “directo” y otro“reverso”

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Sondeo Directo y Reverso

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Procedimientos de Campo

I Seleccion del sitio y consideraciones deplaneacion.

I Consideraciones de equipo:I Geofonos, hacer buen contacto con el suelo.I Evitar trafico pesado y viento, introducen ruido. Realizar el

estudio de noche si es necesario.

I Fuente de ondas acorde con el objetivo delestudio a realizar.

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Arreglos Geometricos de Geofonos Mas Comunes

I Arreglo en lınea

I Arreglo en lınea con separacion lateral

I Arreglo en lınea con fuente en el centro

I Arreglo en abanico

I Longitud del sondeo al menos 3 veces laprofundidad del objetivo del sondeo

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Arreglos Geometricos de Geofonos Mas Comunes

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Aplicaciones Usando el Metodo de Refraccion Sısmica

I Whately, Massachusetts. 1300 habitantes depende de laagricultura, mayor parte del agua proviene de pozossuperficiales, acuıfero no confinado.

I 1984 contaminacion por pesticidas se descubrio en variospozos. Era necesario buscar otra fuente de agua, contrato unafirma consultora geofısica.

I Registros de la geologıa local buenos. Registro de pozosdemuestran la presencia de una capa de grava y arena enmedio de arcillas glaciales encima y roca debajo (arcosa,arenisca de cuarzo y feldespato).

I La capa de arcilla forma una barrera impermeable entre lasarenas superficiales que forman el acuıfero no confinado y lacapa de grava y arena lo que evita el paso de la contaminacion

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Refraccion sısmica y resistividadelectrica complementado conperforaciones en sitioscuidadosamente seleccionados.Ningun metodo pudo diferenciarentre las arcillas y las arenas ygravas, pero si determinar laprofundidad a la roca. Sedelimito un valle aluvialenterrado lleno con la secuenciade gravas con una extensionsuficiente para constituir unafuente de agua que en laactualidad esta siendo explotada.

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¿PREGUNTAS?

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MUCHAS GRACIASPOR SU ATENCION

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