Introducción a la prospección sísmica

XXX Curso Centroamericano y del Caribe de F´
ısica
—
´ A LA EXPLORACION
INTRODUCCION ´
S´
ISMICA
—

Manuel Rodriguez
IHCIT, UNAH
manuelr@uwalumni.com

Tegucigalpa, Honduras 20 de abril de 2012

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

1 / 70

Tabla de Contenido

Ondas S´
ısmicas y Propagaciń de Ondas
o
Exploraciń S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
Coeficientes El´sticos
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
Ondas Superficiales
Velocidad de las Ondas S´
ısmicas
Rayos


2 / 70

Desglose

Ondas S´
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
ısmicas
Rayos


3 / 70

Desglose

Ondas S´
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
ısmicas
Rayos


4 / 70

Exploraciń S´
o ısmica
Sismolog´ Global
ıa Reflexiń y Refracciń S´
o o ısmica

Fuente terremotos Fuente controlada
Ondas atraviesan la tierra Ondas viajan en la corteza y
Imagen 3D del interior de la manto superior
Tierra Estructura de la corteza

5 / 70

Desglose

Ondas S´
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
ısmicas
Rayos


6 / 70

Ondas

Punto fuente
Ondas de cuerpo
Ondas superficiales
Frentes de onda
Rayos
Perturbaciń
o
Piedra en un estanque,
terremotos. Medio el´stico, homogńeo
a e
Perturbaciń en el medio se
o e isotr´pico.
o
propaga a trav´s de ´l.
e e


7 / 70

Ondas-Terminolog´
ıa

Velocidad
Longitud de onda
Amplitud
Frecuencia
Per´
ıodo


8 / 70

Desglose

Ondas S´
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
ısmicas
Rayos


9 / 70

a

Esfuerzo-stress (fuerza/´rea)
a
Deformaciń-strain
o
Medio el´stico, Ley de Hooke
a

Coeficientes:
M´dulo de Young (E)
o
Razń de Poisson (µ)
o
M´dulo de compresibilidad (K)
o
M´dulo de corte o rigidez (G)
o


10 / 70

Desglose

Ondas S´
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
ısmicas
Rayos


11 / 70

Ondas S´
ısmicas - Ondas de Cuerpo

De las ecuaciones del movimiento en un medio el´stico,
a
homog´neo e isotr´pico se puede demostrar que existen 2 tipos de
e o
ondas que se transmiten en el medio (ondas de cuerpo):

Ondas - P
Ondas - S


12 / 70

Ondas - P
Onda primarias
Ondas longitudinales
Compresiones y rarefacciones, sin rotaci´n
o
Causa cambios en el volumen en el medio a medida que se
propaga la onda.
Similar al sonido viajando en el aire


13 / 70

Ondas - S

Ondas secundarias o de corte (shear)
Ondas transversales
No hay cambio de volumen


14 / 70

Ondas P y S


15 / 70

Desglose

Ondas S´
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
ısmicas
Rayos


16 / 70


Ondas Rayleigh y Love
Amplitud disminuye con la profundad
Amplitud mayores y mas lentas que las ondas de cuerpo
Per´
ıodos mas largos
Se pueden considerar como ruidos para nuestros fines.
Las ondas P son las m´s importantes en exploraciń s´
a o ısmica,
al ser las m´s r´pidas es fćil observarlas, explosiones solo
a a a
producen ondas P.


17 / 70



18 / 70

Sismogramas


19 / 70

Sismogramas


20 / 70

Desglose

Ondas S´
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
ısmicas
Rayos


21 / 70

ısmicas

Vp
Vs
Vp/Vs

El m´dulo de compresibilidad K > 0 , Vp > Vs
o
M´dulo de corte G = 0 para los l´
o ıquidos, Vs = 0
Fracturas en las rocas o alta porosidad produce disminuci´n
o
en la Vp.


22 / 70

´
Algunas Aproximaciones Utiles

Vs = 0,6Vp Rocas cristalinas
Vs = 0,5Vp Rocas sedimentarias
Vs = 0,4Vp Suelos y materiales poco consolidados
VR = 0,9Vs


23 / 70

Desglose

Ondas S´
o
Exploraci´n S´
o ısmica
Ondas
Terminolog´
ıa
a
Ondas de Cuerpo
Ondas - P
Ondas - S
ısmicas
Rayos


24 / 70

Rayos

Rayos son l´
ıneas
perpendiculares a los frentes
de onda.
Principio de Huygen: cada
punto en el frente de ondas
es un nuevo punto fuente.
Principio de Fermat:
Distancia mas corta en
tiempo mas corto


25 / 70

Reflexiń y Refracciń
o o

La onda cruza la frontera entre 2 medios diferentes.
Parte de la energ´ rebota y parte cruza el medio.
ıa


26 / 70

Reflexiń y Refracciń
o o


27 / 70

Reﬂexi´n
o


28 / 70

Refracciń
o

Refracciń
o
Ley de Snell
Refracciń critica
o
Reflexiń interna total
o
Ondas frontales


29 / 70

Difracci´n
o

Cambio brusco en la
curvatura de la interfaz
produce frentes de onda
esf´ricos, falla la teor´ de
e ıa
rayos


30 / 70

Ondas en la Superﬁcie


31 / 70

Ondas en la Superﬁcie


32 / 70

Atenuaciń de la Amplitud de Onda
o

Propagaciń geom´trica
o e
Energ´ decae 1/r , amplitud de la onda 1/r 2
ıa
Absorciń
o
La onda viajando distorsiona el medio transformando energ´
ıa
en calor interno.
Frecuencias m´s altas decaen m´s r´pido.
a a a
Particiń de la energ´
o ıa
Cuando una onda choca con una interfaz parte de la energ´
ıa
se refleja y parte es refractada.
Adem´s ocurren generaciń de nuevas ondas.
a o


33 / 70

Fuentes de Energ´
ıa

Factores a considerar:
Costos
Energ´ de entrada
ıa
Repetitividad conveniencia


34 / 70

Martillos

Costos bajos
Seguro, con entrenamiento
15-50m


35 / 70


36 / 70

Lanzamiento de Pesos

Barato
Profundidades 50m


37 / 70

Explosivos

Seguridad y
costos pueden
ser problema.
Diferentes
tama˜os Seg´n
n u
profundidad.


38 / 70

Fuentes Vibradoras

Serie de pulsos en lugar de uno solo.
100s m a kms


39 / 70

Ge´fonos
o

Bobina suspendida en un campo
magn´tico, al moverse produce corrientes
e
el´ctricas.
e
Respuesta en frecuencia importante para
aprovechar la m´xima amplitud de salida
a


40 / 70


41 / 70

Arreglos de Ge´fonos
o

Separaciones pequeãs
n
Alta resoluciń del
o
subsuelo
An´lisis de reflexiń
a o
Separaciones grandes
Mayores profundidades
Mejora la sensibilidad a la
velocidad
An´lisis de refracciń
a o


42 / 70

Diagrama Esquem´tico de Equipo para Exploraci´n S´
a o ısmica


43 / 70


44 / 70

Osciloscopio


45 / 70

M´todo de Refracciń
e o
Dromocronas: gr´ficas de tiempo en funciń de la distancia
a o
(tiempo de viaje)
Ecuaciones de tiempo de viaje


46 / 70

M´todo de Refracci´n
e o


47 / 70

V1 V2 V3


48 / 70

Gr´ﬁca de tiempo de viaje a partir de sismogramas
a


49 / 70

La Superﬁcie No Ideal

Zonas escondidas
Variaciones laterales
Discontinuidad en interfaces


50 / 70

Zona Escondida: capa de baja velocidad

Velocidad aumenta con la profundidad en general
V 1 < V 2 < V 3. . .
En un modelo de 3 capas si V 1 > V 2 < V 3 rayos no se
refractaran en la primera interfaz.
M´todo de refracci´n no detecta la capa 2, desventajas de
e o
este m´todo.
e
Informaci´n adicional previa es necesaria.
o


51 / 70

Con la info de las curvas:
V 1 y V 3 OK.
h1 = 25,5m >> h1 real
Si de info geol´gica se esta
o
seguro de la existencia de la
capa 2 se puede calcular


52 / 70

Si de info geol´gica se est´ seguro de la existencia de la capa 2 se
o a
puede calcular h2 usando:

1
2 2
2h1 (V3 −V1 ) 2 V3 V2
h2 = ti2 − V3 V1 2 2
1
2(V3 −V2 ) 2

Calcular ti y estimar h2

Es necesario conocer h1 previamente, de info adicional


53 / 70

Capa Delgada

Modelo de 3 capas, capa intermedia muy delgada, rayos
refractados en capa 3 llegan antes que los de la capa 2 se
identiﬁcan solo 2 capas, 1 y 3.
La profundidad a la capa 3 menor que la real.
Se necesita info adicional de la existencia de esta capa.


54 / 70

Capa Delgada


55 / 70

Variaciones Laterales de Velocidad

Variaciones en velocidad son comunes, si bajas se pueden
despreciar, si son grandes como en contacto de unidades geol´gicas
o
habr´n efectos inusuales en gr´ﬁcas tiempo de viaje.
a a


56 / 70

Variaciones Laterales de Velocidad


57 / 70

Discontinuidad en las Interfaces: difracci´n
o


58 / 70

Capas Inclinadas

Las capas en el subsuelo pueden ser no completamente
horizontales.
Debido a la trayectoria de los rayos refractados en la interfaz
inclinada las velocidades calculadas son diferentes a las reales.
En curva de tiempo de viaje no se puede detectar esto, es
necesario realizar experimento intercambiando de posici´n la
o
fuente y los ge´fonos, para tener un perﬁl “directo” y otro
o
“reverso”


59 / 70

Sondeo Directo y Reverso


60 / 70



61 / 70



62 / 70

Procedimientos de Campo

Selecciń del sitio y consideraciones de
o
planeaciń.
o
Consideraciones de equipo:
Ge´fonos, hacer buen contacto con el suelo.
o
Evitar tr´fico pesado y viento, introducen ruido. Realizar el
a
estudio de noche si es necesario.
Fuente de ondas acorde con el objetivo del
estudio a realizar.


63 / 70

Arreglos Geom´tricos de Ge´fonos M´s Comunes
e o a

Arreglo en l´
ınea
Arreglo en l´
ınea con separaci´n lateral
o
Arreglo en l´
ınea con fuente en el centro
Arreglo en abanico
Longitud del sondeo al menos 3 veces la
profundidad del objetivo del sondeo


64 / 70

Arreglos Geom´tricos de Ge´fonos M´s Comunes
e o a


65 / 70

Aplicaciones Usando el M´todo de Refracciń S´
e o ısmica

Whately, Massachusetts. 1300 habitantes depende de la
agricultura, mayor parte del agua proviene de pozos
superficiales, acu´
ıfero no confinado.
1984 contaminaciń por pesticidas se descubri´ en varios
o o
pozos. Era necesario buscar otra fuente de agua, contrato una
firma consultora geof´ısica.
Registros de la geolog´ local buenos. Registro de pozos
ıa
demuestran la presencia de una capa de grava y arena en
medio de arcillas glaciales encima y roca debajo (arcosa,
arenisca de cuarzo y feldespato).
La capa de arcilla forma una barrera impermeable entre las
arenas superficiales que forman el acu´ ıfero no confinado y la
capa de grava y arena lo que evita el paso de la contaminaciń
o


66 / 70

Refracciń s´
o ısmica y resistividad
elćtrica complementado con
e
perforaciones en sitios
cuidadosamente seleccionados.
Ningń m´todo pudo diferenciar
u e
entre las arcillas y las arenas y
gravas, pero si determinar la
profundidad a la roca. Se
delimito un valle aluvial
enterrado lleno con la secuencia
de gravas con una extensiń o
suficiente para constituir una
fuente de agua que en la
actualidad esta siendo explotada.


67 / 70


68 / 70

¿PREGUNTAS?


69 / 70

MUCHAS GRACIAS
´
POR SU ATENCION


70 / 70

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