exploración sísmica i

8/16/2019 Exploración Sísmica I

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SERIE 1 de 6

Sísmica

I. INTRODUCCIÓN

I.1. Métodos Sísmicos: Refracción y Reflexión I.2. Ventajas y desventajas de los métodos sísmicos contra otros métodos estudiados I.3. Ventajas y desventajas de los Métodos de Refracción y Reflexión I.4. Ondas Elásticas I.5. Tipos de Ondas Sísmicas I.6. Propagación de Ondas: Frentes de Onda y Trayectoria de rayos



Ex loración Símica Serie 1 de 6

Estudiantes de Geofísica

I. INTRODUCCIÓN

I.1. Métodos Sísmicos: Refracción y Reflexión

Como los métodos de resistividad DC, los métodos sísmicos, tan aplicados en la exploraciónsismológica, son considerados métodos geofísicos activos. En los prospectos geofísicos, el movimientodel terreno es causado por alguna fuente1 y es medido a distancia desde la fuente. El tipo deexperimento sísmico difiere dependiendo los aspectos en que el movimiento del terreno registrado seausado en los análisis subsecuentes. Nosotros damos a entender con esto, que cualquier experimentosísmico puede ser hecho a partir de un determinado conjunto de observaciones. Por lo contrario, los dostipos de experimentos describen lo que hay en el subsuelo y tienen diferentes requerimientos para suadquisición. Las diferencias de adquisición, sin embargo, se originan desde la necesidad de grabar partesespecíficas 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 detransmisión de las ondas sísmicas, probablemente ondas superficiales, generadas por una explosión. Parahacer esta medición, Mallet coloco pequeños contenedores de mercurio a varias distancias desde elorigen de la explosión y anoto el tiempo que tomo para la superficie del mercurio ondear después de laexplosión. En 1909, Andrija Mohorovicic usando los tiempos de viaje de terremotos como fuente realizoun 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 recursosminerales datan de los 1920's. La técnica de refracción sísmica, descrita brevemente abajo, fue usadaextensivamente 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 ofExploration Geophysicists (La Sociedad de Exploración Geofísica) en 1971.

Sismología de Refracción - Los experimentos de refracción son basados en los tiempos dearribo del movimiento inicial del suelo generado por una fuente y registrados a variasdistancias. Las complicaciones por el retraso de los arribos en el movimiento del sueloregistrado es descartado. De esta manera el conjunto de datos derivados de los experimentosde refracción consisten en una serie de tiempos contra distancias. Estas son entoncesinterpretadas en términos de las profundidades de las interfases del subsuelo y lasvelocidades en las cuales viajaron las ondas en cada capa. Esas velocidades son controladas porun grupo de constantes físicas, llamadas parámetros elásticosque describen el material.

Sismología de reflexión.- En experimentos de reflexión, el análisis es concentrado en laenergía arribada después del movimiento inicial del suelo. Específicamente, el análisis seconcentra en el movimiento del suelo que ha sido reflejadofuera de las interfases del subsuelo.En este sentido, la reflexión sismológica es una versión sofisticada del sondeo de eco usada ensubmarinos, barcos y sistemas de radar. En suma, examinando los tiempos de arribo de estos, elmétodo de reflexión sísmica procesa información acerca del subsuelo desde la amplitud y laforma 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, comolos terremotos. Los experimentos que usan fuentes naturales para estudiar el movimiento del suelo, son consideradosexperimentos pasivos y a la rama para su estudio es conocida como Sismología Pasiva.





I.3. Ventajas y desventajas de los Métodos de Refracción y Reflexión.

En la página anterior, se intentó describir algunas de las ventajas y de las desventajas en losmétodos 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 hechasen páginas anteriores son peligrosas. Un mejor sentido para las inherentes fuerzas o debilidades de lametodología sísmica pueden ser obtenidas comparando y contrastando los dos métodos sísmicospredominantes, refracción y reflexión, uno al otro.

Refracción Reflexión

Ventaja Desventaja Venta ja Desventaja

Las observacionesgeneralmente ocupanpocas fuentes yreceptores, así de estáforma son mas baratospara adquirir.

Porque muchas fuentes yreceptores pueden serusados para producirimágenes significantes delsubsuelo de la tierra, lasobservaciones dereflexión sísmica puedenser caras para adquirir.

El proceso es pequeño alhacer observaciones derefracción con laexcepción de la escalade la traza o el filtradopara ayudar al procesode obtener los tiempos

de arribo delmovimiento inicial.

El proceso de la reflexiónsísmica puede tener sermuy intenso en lacomputadora, requiriendo sofisticados equipos decómputo a un elevadonivel de costo. Así que

las observaciones delproceso de la reflexiónsísmica son relativamentecaras.

Puesto que una porciónpequeña de la grabacióndel movimiento del sueloes usada, el desarrollode modelos y lainterpretación no es másdifícil que nuestrotrabajo con otrosprospectos geofísicos.

Porque 1) Es agobiadorala cantidad de datoscolectados, 2) Lasposibles complicacionesimpuestas por lapropagación delmovimiento del suelo através del complejosubsuelo, 3) Las

complicaciones impuestaspor alguna de lassimplificacionesnecesarias requeridas porel diseño del procesadode datos y 4) Lainterpretación de lasobservaciones de la reflexión sísmica. Todo esto requiere demás conocimientosespecíficos sobre elproceso.





I.4. 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 elásticassatisfacen esta condición y también se propagan a través del medio sin causar deformación permanentesobre cualquier punto del medio. Las ondas elásticas son bastante comunes. Por ejemplo, el sonido que sepropaga a través del aire como ondas elásticas, ó las ondas en el agua, que se propagan a través de lasuperficie de un estanque como ondas elásticas.

De hecho, las ondas elásticas en la superficie de un estanque ofrecen una analogía conveniente parala propagación de ondas a través de la Tierra. Cuando una piedrita es arrojada dentro del estanque, laperturbación 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 lamanera 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 delestanque. En cualquier momento, las ondas forman un anillo circular alrededor de la fuente conalgún 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, fijamostiempo 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 superficiedel estanque. Esto es, visualiza que en lugar de eso, estas observando las ondas desde encimadel estanque, estamos en un pequeño bote en la superficie del estanque y registramos como elbote 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 deonda en este punto en todas las veces.

De esos dos puntos de vista obtenemos dos imágenes diferentes fundamentales deexactamente la misma onda. Asumimos que nuestra onda propagada hacia afuera desde la fuente pudeser aproximada por una onda senoidal.

Desde la primera perspectiva, podemos examinar la onda en cualquier punto de la superficie delestanque en algún tiempo fijo. Esa onda podría ser descrita como la que se muestra en la siguientefigura.





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 aotro pico, o de una base a la siguiente).

Desde nuestra segunda perspectiva, podemos examinar la onda en un punto fijo en la superficiedel estanque como este se propaga pasándonos. Eso es, como varia en tiempo. Esa onda podría serdescrita 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 laonda es observada al completar un simple ciclo. Otra descripción comúnmente usada para relacionar elperiodo es la frecuencia (frequency). La frecuencia no es mas que el reciproco del periodo. Si el periodoes medido en segundos (s), la frecuencia tiene unidades de Herz (Hz), 1/s.





Como puedes ver, periodo y longitud de onda son relacionadas. Ellas son relacionadas por lavelocidad en la cual la onda se propago a través de la superficie del estanque, c, donde c es igual a lalongitud 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) sonreferidas como ondas sísmicas.Hay dos amplias categorías de ondas sísmicas: las ondas de cuerpo y lasondas superficiales.

Ondas de cuerpo (Body waves). - Éstas son ondas elásticas que se propagan a través del interiorde la Tierra. En prospecciones de reflexión y refracción, las ondas de cuerpo son la fuente deinformación usadas para reflejar el interior de la Tierra. Como las ondas en la superficie delejemplo del estanque descrito anteriormente, las ondas de cuerpo se propagan desde la fuentehacia 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, esasondas forman una esfera a rededor de la fuente cuyo radio es dependiente del tiempotranscurrido desde la fuente generadora de las ondas. Abajo se muestra una sección de laTierra con las ondas de cuerpo radiando desde la fuente (circulo rojo) mostrado en variostiempos diferentes. En la figura abajo, ms representa milisegundos. Un milisegundo es igual auna 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 azul-verde es la amplitud cero, rojo es una gran amplitud positiva, el púrpura es una gran amplitudnegativa. Nota que esta imagen esta explícitamente construida en un marco de referencia quefija el tiempo, así nos permite examinar las variaciones espaciales de las ondas sísmicas. Encualquier 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 dela onda en tres dimensiones.

Las ondas sísmicas de cuerpo pueden ser divididas dentro de dos clases de ondas. Lasondas P y las ondas S.





o Ondas P (P waves) - Las ondas P son llamadas también ondas primarias, por que sepropagan a través del medio más rápido que cualquier otro tipo de ondas. En las ondasP, 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 siendoextendido y comprimido como onda P propagada a través del medio. Las ondas P sonanálogas a la propagación de las ondas de sonido en el aire.

o Ondas S (S waves) - Las ondas S son algunas veces llamadas ondas secundarias, porqueson propagadas a través del medio más lento que las ondas P. En las ondas S, laspartículas que constituyen el medio son desplazadas en dirección perpendicular a ladirección a la que la onda se esta propagando. En este ejemplo, como las ondas sonpropagadas radialmente, el medio esta siendo deformado a lo largo de superficiesesféricas.

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

Las Ondas Superficiales (Surface waves) - Las ondas superficiales son ondas que se propagan alo largo de la superficie de la Tierra. Su amplitud en la superficie puede ser muy grande, peroesta amplitud decae exponencialmente con la profundidad. Las Ondas superficiales se propagana velocidades que son más lentas que las ondas S, son poco generadas por fuentes enterradas ytienen amplitudes que decaen con la distancia desde la fuente mas lentamente que lasobservadas por las ondas de cuerpo. La imagen abajo es una sección cruzada a través de unmodelo simplificado de la Tierra (la velocidad de la propagación de la onda es asumida a serconstante en todas partes) mostrando como las ondas superficiales podrían aparecer en

distintos tiempos en este medio.





Como las ondas de cuerpo, hay dos clases de ondas superficiales, las ondas Love y lasondas Rayleigh, que son distinguidas por el tipo de movimiento de partícula impuesta en elmedio. Para nuestros propósitos, no es necesario detallar en esas diferencias. Suficiente es

decir que virtualmente para todos los prospectos de exploración, las ondas superficiales sonuna forma de ruido que atenuamos o suprimimos. Para prospectos de reflexión en particular, laeliminación de la energía de las ondas de superficie son particularmente importantes, porque lasamplitudes de las ondas superficiales generadas desde fuentes poco enterradas son pocoobservadas al ser más grandes que las amplitudes de las ondas de cuerpo que estas intentandograbar o interpretar. Para los prospectos de refracción, las ondas de las ondas superficialesson un problema menor porque estamos solo interesados en el tiempo de arribo de la primeraonda. Las ondas superficiales nunca son el primer arribo. En todas las discusiones siguientesacerca 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, amenudo ocupamos dos diferentes descripciones de las observaciones hechas a los fenómenos físicosexistentes. Por ejemplo, cuando discutimos magnetismo miramos en ambos la fuerza del campomagnético 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 estánmostradas debajo.

Trayectoria de rayos (Raypaths) - Trayectoria de rayos son nada más líneas que se muestranen 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 mostradoanteriormente, por instancia, un trayecto de rayo puede ser cualquier línea radial dibujadadesde la fuente. En la imagen se muestra solo algunas pocas líneas de todas las trayectorias derayos posibles.





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 esferadibujada a través de la mitad del área azul marino. Esta superficie podría conectar todas lasporciones de las ondas que tienen las más grandes amplitudes negativas posibles en algún tiempoparticular.

En la teoría en la práctica, las trayectorias de rayos equivalen a las direcciones de flujo decorriente 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. Estoen general es siempre real. Así, teniendo un grupo de frentes de ondas o un grupo de trayectorias derayos, podemos construir el otro.

En muchas de las siguientes ocasiones, usaremos la descripción de la trayectoria de rayos alhablar sobre la propagación de las ondas sísmicas. Esta descripción permitirá hacer cálculos másfácilmente sobre la propagación en tiempos de una fase sísmica específica, porque seremos capaces deconstruir 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.

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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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