Métodos de prospección sísmica

Autor:Maria del Carmen Fuentesmarcaf_geo@yahoo.com

MÉTODOS DE PROSPECCIÓN SÍSMICA

Autor: MARÍA DEL CARMEN FUENTESEmail: marcaf_geo@yahoo.com

SEMINARIO METODOS GEOFISICOS DE SUPERFICIE

ESCUELA DE MINERÍA LA GUAJIRARiohacha, La Guajira, Colombia

Octubre del 2008

Resumen•Sísmica de reflexión de alta resolución.•Sísmica de ondas superficiales.•Tomografía sísmica. Cross-hole. Down-hole. Tomografía sísmica.•Sísmica en sondeos.•Sísmica en turneladoras.Métodos con ondas Rayleigh. Ondas monocromáticas.Análisis espectral de las ondas de superficie.Medición de la velocidad de fase.Utilización de altas frecuencias, hasta 1300 Hz.Sísmica marina.Con nuevos equipos, algunos en desarrollo, adaptados a estos métodos.

Estudian la propagación en el terreno de ondas sísmicas producidas artificialmente, estableciendo su relación con la configuración geológica del subsuelo.La velocidad de propagación depende básicamente delas constantes elásticas y de la densidad del medio.Los contactos entre los cuerpos geológicos con diferente velocidad de transmisión de las ondas sísmicas, definen superficies de separación en las que las ondas sufren refracción, reflexión o difracción (ley de Snell).

METODOS SISMICOS

FUNDAMENTO FISICO GEOLOGICO DE LA PROSPECCIÓN SÍSMICA.

Sismógrafo ES-2415P de EG&G.

Fuente: Geologo. M. Sc. Ivan D. Olaya

INSTRUMENTACION SISMICA

SISMICA DE REFRACCIÓN Tres métodos “clásicos” de interpretación: Tiempos interceptados. Deduce las velocidades de las ondas en los terrenos y las profundidades de los refractores, de acuerdo con unos gráficos y fórmulas determinadas.Sencillo de aplicar e interpretar para estructuras sencillas. Es el que veremos. Método de los tiempos de retraso. Una gran variedad de disposiciones de tiro y geófonos. Más complejo (depende de las disposiciones) de interpretar. Da más resolución en estructuras complejas. Método de los frentes de ondas. Método iterativo basado en un primer modelo geológico y geofísico del terreno y una previsión de los registros, a comparar con las llegadas reales. A medida que el modelo del terreno es más complejo, también lo son las previsiones de registros, número de mediciones a realizar.•Pero hay más; el desarrollo de programas informáticos permite analizar llegadas, tratar miles de datos, filtrar, sumar, etc. Un ejemplo es la tomografía sísmica.

TIEMPOS INTERCEPTADOSEstudia las primeras llegadas de las ondas sísmicas producidas en una refracción total.En geófonos próximos al punto de disparo las primeras llegadas son de las ondas superficiales. A partir de una determinada distancia, llamada distancia crítica, llegan las ondas refractadas. Necesita que se produzca una refracción total, por lo que la velocidad de propagación en el cuerpo inferior ha de ser mayor que en el superior (v2 > v1). Es una de las limitaciones del método.Por simple registro de los tiempos de llegada y de la distancia entre geófonos se puede llegar a saber la velocidad de transmisión de la onda sísmica en el cuerpo inferior.

Refracción total: Ángulo de refracción de 90º.sen i = V1/ V2

El ángulo “i” para el cual el ángulo de refracción es de 90º se denomina ángulo crítico.

La onda sísmica refractada en este caso se desplaza por la superficie de contacto entre ambos medios, a la velocidad, V2, del segundo.

Refracción total: Ángulo de refracción de 90º. sen r = 1sen i = V1/ V2

SISMICA de refracción

Ángulo crítico de refracción. Distancia crítica

DROMOCRONA

Curva espacio tiempo, que representa en abscisas las distancias del punto de disparo al geófono, y en ordenadas el tiempo desde el disparo a la llegada de las primeras ondas.En el caso más simple, refractor único plano:

– Dos rectas, una que pasa por el origen (para las ondas directas), y otra para los recorridos refractados

– Punto crítico, las ondas superficiales llegan al mismo tiempo que las refractadas (xc)

– La pendiente nos da la velocidad de las ondas sísmicas correspondientes, en las capas.

REFRACTOR PLANO HORIZONTALTiempos de llegadas de las ondas

SISMICA - Refractor plano horizontalCurvas distancia / tiempo (dromocronas)

REFRACTOR PLANO HORIZONTAL

Vp= ΔX/Δt utilizando el grafico anterior (Vp, m/seg)H1 = (ti/2) * [(V2-V1)/ √(V2²-V1²)] ti (Tiempo de intersección primera pendiente (grafico t(seg) vs. X(m)) H2=1/2*[ti2 - 2h1 * (√(V3²-V1²) / V3 * V1)] * [(V3 * V2)/ √(V3²-V2²)]ti2: Tiempo de intersección de la segunda pendiente grafico t(seg) vs. X(m).

DOS REFRACTORES PLANOS HORIZONTALES

.

TRES REFRACTORES PLANOS HORIZONTALES

.

REFRACTORES PLANOS INCLINADOS Se dan dos disparos, en los puntos de emisión y de registro.Las velocidades de desplazamiento de la onda en la superficie son distintas en un sentido y en el otro (ley de velocidades aparentes) mayor subiendo, inferior bajando.Las profundidades determinadas por los tiempos interceptados son las distancias en perpendicular desde el punto a la capa, AA’ y DD’.Ecuaciones:• DD’ = V0T1d/2cosi1

• AA’ = V0T1a/2cosi1

• cosi1 = (V1

2 – V02)1/2/V1

REFRACTORES PLANOS INCLINADOS La velocidad V1 o el ángulo a1 no pueden determinarse desde las curvas de tiempos de llegada. Puede saberse aproximadamente a partir de una estimación del ángulo a1:

V1=2V1dV1a/(V1a+2V1d)cosa1

El ángulo a1 puede definirse en función de las velocidades V0, V1d, y V1a

REFRACTORES PLANOS INCLINADOS

HODOGRAFOS

SISMICA DE REFRACCIÓN. EJEMPLO DROMOCRONAS Y PERFIL SÍSMICO

PRINCIPIOS BÁSICOS INTERPRETACIÓNPrincipios básicos de interpretación en refracción

Son principios aplicados a la refracción, algunos ya vistos1.- Ley de Snell (o de Descartes). 2.- Ley de las velocidades aparentes.3.- Principio de la reciprocidad.4.- Principio del tiempo interceptado en el origen.5.- Principios del paralelismo.

Ejemplo de interpretación de sísmica de refracciónPerfil sísmico de refracción, los colores más fríos corresponden a mayores velocidades de propagación de las ondas elásticas

METODOLOGIAS DE LOS TRABAJOS DE CAMPO(No todos estos pasos son siempre necesarios)(Considerarla en conjunto con otros métodos)

DEFINICIÓN DEL PROGRAMA•Recopilación de datos existentes. (geología, litología, sondeos mecánicos, etc.)

•Modelizaciones previas. (dromocronas, refractores, fallas, velocidades, etc.).

•Sismogramas sintéticos previos.•Diseño previo del programa. Parámetros. Perfiles. Solapes.•Equipos e instrumentación a utilizar. Calibraciones.•Disparo (s) previo (s). •Validación de las técnicas previstas. •Diseño definitivo del programa. Parámetros. Perfiles. Solapes.

Tratamiento y procesado de los datos“Del disparo se aprovecha todo”

A considerar, entre otros puntos:

•Análisis directo desde el sismógrafo.•Software, adaptado al método e interactivo.•Simulaciones e iteraciones. •Sismogramas sintéticos (previos, o en cualquier momento de la campaña)

Trabajos finales

•Síntesis de los resultados de la sísmica.•Transformación de los registros en profundidades.• Interpretación sísmica. •Correlación de la interpretación con otros métodos. (grupo interdisciplinar)

•Memoria final.

SISMICA

Ejemplo de registro sísmico

• Estudia las ondas reflejadas en las superficies de separación entre terrenos de distinta velocidad de transmisión de las ondas sísmicas

• Permite obtener datos de gran profundidad.• Sistema preciso (aunque caro).• No válido para fuertes pendientes.• Variedad de métodos, perfiles, ubicación de geófonos,

software, etc.• En principio para capas profundas, ahora hay técnicas

para investigación superficial. (reflexión de alta resolución)

• Longitud de la línea de geófonos activos: 1,5 a 2 la profundidad prevista de los reflectores. Hay otros sistemas.

• No está limitado por las velocidades de transmisión de las distintas capas.

SISMICA DE REFLEXION

Son de aplicación las leyes de la propagación de ondas:• Principio de Huygens.• Ley de reflexión: el ángulo de incidencia es igual al de reflexión, y los rayos están en el mismo plano.• Principio de reversibilidad temporal.• Principio de reciprocidad.

.

FUNDAMENTO FISICO GEOLOGICO DE LA PROSPECCIÓN SÍSMICA.

ESQUEMA GENERAL.

TIEMPOS DE LLEGADA Y PROFUNDIDAD DEL REFLECTORReflector horizontal

Vp= ΔX/Δt utilizando el grafico anterior (Vp, m/seg)H1 = (ti/2) * [(V2-V1)/ √(V2²-V1²)] ti (Tiempo de intersección primera pendiente (grafico t(seg) vs. X(m)) H2=1/2*[ti2 - 2h1 * (√(V3²-V1²) / V3 * V1)] * [(V3 * V2)/ √(V3²-V2²)]ti2: Tiempo de intersección de la segunda pendiente grafico t(seg) vs. X(m).

SISMICA de REFLEXIÓN. Dromocronas ondas directas (verde), reflexión (azul) y refracción (rosa)

TIEMPOS DE LLEGADA Y PROFUNDIDAD DEL REFLECTOR REFLECTOR HORIZONTAL

TIEMPOS DE LLEGADA Y PROFUNDIDAD DEL REFLECTOR. REFLECTOR INCLINADO

.

.Reflector inclinado

PGPPGPPPGPPGP ''22'2' cos2

vtGP '

hPP 2'

senPGP 90coscos '

TIEMPOS DE LLEGADA Y PROFUNDIDAD DEL REFLECTOR. REFLECTOR INCLINADO

TIEMPOS DE LLEGADA Y PROFUNDIDAD DEL REFLECTOR. REFLECTOR INCLINADO

La dromocrona es una hipérbola de ecuación:

El tiempo interceptado en el origen, t0, es:

h no es la profundidad en la vertical del disparo. Esta profundidad en la vertical de P es:

2

2

0

0

vth

v

ht

hxsenhxtv

v

hxsenhxt

44

44

2222

22

vsen

vt

sen

hhp

0

EFECTO DE LAS REFRACCIONES

Efecto de las refracciones en la trayectoria de la vibración

En general:n

m

n

m

V

V

sen

sen

SISMICA de REFLEXIÓN. REFLEXIONES “APÓCRIFAS”

Difracciones.Se producen cuando los rayos alcanzan un punto singular: ángulo, salto de falla, diaclasas, etc., de dimensiones del mismo orden de magnitud que la longitud de onda. Fenómeno similar al de la difracción óptica.Fallas. Además de la difracción el salto de falla da origen a reflexiones irregulares, zonas oscuras, etc.Horts. Pueden considerarse a estos efectos como una combinación de fallas.Reflexiones múltiples.Los rayos sísmicos se reflejan varias veces, en capas inferiores y superiores, antes de llegar a la superficie.

Método punto común en profundidad

ESQUEMA DEL MÉTODO COMMON-OFFSET

REGISTRO MÉTODO COMMON-OFFSET

PROCESAMIENTO DE LOS REGISTROSCorrecciones:Estáticas:

Cotas de geófonos y punto de disparo. Capa superficial alterada Reducción al Datum

Dinámicas:NMODMO

Procesamiento de los registrosMezcla de trazas: combinar una traza con las adyacentesComposición de trazas: combinar con cualquiera de las restantes.Composición de registros. Filtrados: Muting, velocidad, deconvolución, frecuencia.Migración.Alineación de reflectores.Restitución de los registrosEtc.

(pre-apilado, apilado y post-apilado)–Supresión de registros defectuosos.–Supresión de ruido–Restablecimiento de trazas invertidas.–Ajuste de amplitudes.–Reducción al datum. –Mezclado, composición de trazas o de registros, filtrado de velocidad o de frecuencias, borrado de pulsos, migración, deconvolución, etc.

–Correcciones (NMO, DMO, etc).–Simulaciones e iteraciones. Sismogramas sintéticos.–Procesados específicos: Difracciones, ondas guiadas, cambios laterales, acuñamientos onda aérea, ruido, aliasing, etc.

–Límites resolutivos (l/3)–Etc.

TRATAMIENTO Y PROCESADO DE LOS DATOS

EJEMPLO DE REGISTRO REFLEXIÓN SUPERFICIAL

SÍSMICA DE REFLEXIÓN SUPERFICIAL•Ha ampliado el campo de utilización de la sísmica. Se pueden

obtener buenos resultados, en profundidades de varios kilómetros a profundidades de pocos metros.

•Las técnicas a aplicar son distintas en cada caso. Varían las frecuencias a utilizar, el número y posición de geófonos, etc.

•En sísmica superficial es necesario filtrar la onda aérea, considerar el nivel freático, se necesitan geófonos más próximos, es necesario un procesamiento de datos más complejo y una interpretación más especializada.

•En desarrollo; su uso sistemático empezó hace menos de dos décadas.

• Aplicación desde la superficie hasta más de 500 m de profundidad.• Alcanza más profundidad que otros métodos utilizados en geotecnia.• Complemento a la sísmica de refracción y a la sísmica de reflexión

convencional.• Coberturas (repetición de medidas) de alto rango, hasta más del 2400 %.• Altas frecuencias, necesarias para discriminar capas superficiales. Una

frecuencia de 100 Hz, desplazándose a una velocidad de 1500 m/s, representa una longitud de onda de 15 m.

• Sismógrafos sensibles y rápidos, capaces de registrar datos cada 250 microsegundos.

• Desarrollo informático para el tratamiento de la señal sísmica.• Puede utilizar fuentes sísmicas débiles. Coeficientes de reflexión R tan

pequeños como 0,02. R=(d2V2-d1V1)/ (d2V2+d1V1)• Con trazas relativamente pequeñas, para pequeñas profundidades.• Discriminación de ruidos: difracciones, refracciones reflejadas, onda aérea,

etc. • Interpretador experimentado. Buena base geológica.

OTRAS TÉCNICAS. RESUMEN

En el disparo se producen múltiples tipos de ondas sísmicas, de las que en los métodos clásicos se utilizan unas pocas. El resto es ruido que entorpece la interpretación y que hay que filtrar selectivamente.Pero el filtrado selectivo permite separar los distintos tipos de llegadas: ondas superficiales, reflexiones, refracciones, etc.La situación óptima queda resumida en la frase: “del disparo se aprovecha todo”. Es un ideal al que no se ha llegado, pero se está en esa línea.Este mayor aprovechamiento, basado en la programación informática, ha dado lugar a técnicas, conocidas desde hace tiempo pero que están en desarrollo en la actualidad.

SÍSMICAS ESPECIALES – ONDAS RAYLEIG

Ondas superficiales. Su amplitud decae exponencialmente con la profundidad.Sencillas y con buena relación entre su velocidad y la velocidad de las ondas de cizalladura en los terrenos de superficie.Una forma de trabajar es produciendo ondas de una frecuencia determinada (monocromáticas) y estudiando el tiempo de paso entre dos puntos, con lo que se determina la longitud de onda.La profundidad de la investigación es del orden de la mitad de la longitud de onda

SÍSMICAS ESPECIALES ESPECTRO DE ONDAS

Análisis espectral de las ondas de superficie (SASW).Dos campos:• Velocidad de desplazamiento de las ondas de superficie en función de las frecuencias.• Curva de dispersión, producida por una determinada estructura y comparación con modelos.

SISMICA de REFLEXIÓN. Ejemplo

Ejemplo de interpretación de sísmica de reflexión

Fin de la presentación