CAPITULO 1-Aspectos Generales

Prospección Sismológica. Capítulo 1 1 E. Del Valle T.

CAPITULO 1.- ASPECTOS GENERALES.

1.1.-Importancia del Método de Prospección Sísmica.

El término Prospección ha sido incorporado al vocabulario en español como un término

que proviene del ingles " Prospecting" y que significa : " Exploración de los

yacimientos ( recursos ) del subsuelo " .

Cuando se inició la actividad ó prospección geofísica, los objetivos estaban

relacionados con la búsqueda de yacimientos minerales, y principalmente con la

identificación de las condiciones estructurales asociadas a yacimientos de petróleo, pero

conforme se fue conociendo la potencialidad y aplicación de los diversos métodos, los

objetivos ya no se reducen a la localización de los yacimientos minerales sino a la

exploración de cualquier tipo de condiciones contrastantes de las rocas y materiales que

se encuentran en el subsuelo, que son de utilidad en diversos aspectos de la ingeniería

como la búsqueda de agua subterránea, rocas firmes para la cimentación de obras civiles

, localización de cavernas, zonas de deslizamientos, etc.

Para establecer la importancia del método de prospección sísmica, bastaría con

mencionar que más del 95 % de las reservas mundiales de petróleo han sido

descubiertas con el auxilio de éste método.

SISMO proviene de la palabra griega " seismo " ( ), que significa sacudida, más

o menos violenta de la corteza terrestre, y que desde mucho tiempo atrás se le relacionó

con los movimientos observados durante un terremoto.

SISMOLOGÍA se define como la " Ciencia que estudia a los sismos ".

En sus orígenes la Sismología se encauzó al estudio de los terremotos, enfocándose

principalmente a sus efectos superficiales altamente destructivos, pero conforme se

fueron estudiando sus características mecánicas se pudo establecer su relación con la

propagación de movimientos ondulatorios de origen elástico.

Los principios que rigen la propagación de las ondas elásticas se conocen desde el siglo

XVI, sin embargo su correlación con los sismos, y la afinidad de la corteza terrestre

para transmitirlos, se estableció hasta fines del siglo XIX y principalmente a principios

del siglo XX.

Está comprobado que todo el interior de la Tierra, y principalmente su corteza, es capaz

de transmitir ondas elásticas si se presenta un mecanismo que las genere, ya sea de tipo

natural o artificial.

Para entender mejor el mecanismo de la transmisión de las ondas sísmicas, se hicieron

múltiples experimentos generando artificialmente el disturbio y diseñando instrumentos

lo suficientemente sensibles para detectar los movimientos ondulatorios.

Los resultados obtenidos establecieron la posibilidad de determinar las condiciones

físico-geológicas de las capas y morfología del subsuelo, partiendo del comportamiento

de los movimientos ondulatorios, que en sus diversas modalidades eran detectadas en la

superficie.


Conforme se profundizó en el comportamiento de las ondas elásticas y su relación con

el contraste de propiedades elásticas de los materiales que constituyen el subsuelo, se

fueron estableciendo las bases para conformar lo que conocemos como "Prospección

Sísmica.".

Las aplicaciones que contribuyeron a su acelerada evolución fue la exploración

petrolera, en donde los resultados fueron espectaculares y propició grandes inversiones

para la investigación y desarrollo de las técnicas de operación, observación de campo,

procesamiento de la información e interpretación, incorporando los más sofisticados

instrumentos electrónicos y programas de computación analógica y digital.

Las técnicas aplicables a la exploración petrolera permitieron utilizar muchos de sus

principios y tecnología al estudio del subsuelo con otros objetivos, tales como la

geotécnia, en donde a una escala diferente ha sido posible establecer técnicas

particulares y especificas.

A diferencia de los otros métodos de exploración geofísica, la prospección sísmica

permite obtener secciones y mapas del subsuelo de manera cuantitativa y con una gran

aproximación, dependiendo obviamente del detalle con el que se realicen los estudios de

exploración .

Los principios que se utilizan en la prospección sísmica son los mismos que para el

estudio de los terremotos, la principal diferencia radica en que en la sismología de

terremotos la posición de la fuente y el momento en que se inicia la propagación de las

ondas sísmicas son desconocidas, así como las características iniciales de la onda. En la

técnica de prospección sísmica el disturbio se genera artificialmente, controlando casi

en su totalidad las características de la fuente, su posición y el momento de su

generación, siendo las incógnitas la posición de las diferentes capas que atraviesan y en

algunos casos, la velocidad con la cual se propagan a través de ellas.

1.2.- Evolución del Método de Prospección Sísmica.

Los principios y leyes en que se apoya la prospección sísmica fueron establecidos a

partir del año de 1621 con objetivos que se aplicaban especialmente a la óptica y a la

acústica, y hasta 1875 se empezaron a utilizar en la generación artificial y registro de

ondas sísmicas. Las primeras aplicaciones de los movimientos ondulatorios como una

herramienta de exploración se realizaron en 1912, después del hundimiento del Titanic,

cuando Fessenden inventó diversos dispositivos para la localización de icebergs con

ondas acústicas .

Mencionar la evolución de la prospección sísmica, aunque fascinante resulta ser muy

laboriosa, tomando en consideración la enorme cantidad de personas , instrumentos y

tecnologías que han sido participes desde que se utilizó por primera ocasión con fines

exploratorios hasta los momentos actuales, muchas de las cuales tuvieron vida efímera

al ser substituidas por técnicas más avanzadas, producto de la gran competencia que ha

existido en la investigación y nuevas aplicaciones, particularmente en la segunda mitad

del siglo XX.


Diversos libros y publicaciones contienen información de interés sobre la evolución, por

lo qué solo se incluirán algunos de los aspectos más relevantes en tres aspectos

preferenciales: Principios y Leyes, instrumentación y Técnicas para la obtención,

procesamiento e interpretación de los datos sísmicos.

La historia indica el año de 1914 como la fecha de la primera aplicación práctica de la

exploración sísmica, cuando Mintrop utilizo los primeros sismógrafos durante la

primera guerra mundial, para localizar la posición de las cañones franceses de largo

alcance , los cuales al disparar generaban microsismos cuyas ondas eran detectadas por

sismógrafos convenientemente ubicados, y por triangulación eran ubicados. En 1921 se

hicieron las primeras aplicaciones de éste método en la exploración petrolera.

Es importante mencionar que los primeros instrumentos eran mecánicos y que los

avances en la tecnología ha estado determinada por los de la electrónica y los sistemas

de computación. A continuación se indican los más relevantes.

1.2.1.- PRINCIPIOS Y LEYES APLICABLES.

1621.- Snellius .- Ley de la refracción de la luz.

1637.- René Descartes.- Confirmación de la ley de refracción.

1660.- Pierre Fermat.- Principio del tiempo mínimo en la propagación de ondas.

1678.- Christian Huyghens.- Demostró que la luz es de naturaleza ondulatoria. Explicó

de manera cualitativa los fenómenos de la reflexión , la refracción, la interferencia y la

difracción. Principio de Huyghens.

1678.- Robert Hooke .-Establece la relación entre deformaciones y los esfuerzos

aplicados.

1818.-Cauchy .- Establece la Teoría de la Elasticidad.

1828.- C. G. Knott.- Demuestra la separación de las ondas longitudinales ( P ) y las

ondas transversales ( S ).

GENERACIÓN ARTIFICIAL Y REGISTRO DE ONDAS SÍSMICAS.

1875.- Robert Mallet .- Inició la sismología experimental con la medición de la

velocidad de las ondas sísmicas, de baja sensibilidad, con un recipiente de mercurio

como detector y explosivos como fuente generadora.

1878.- H. L. Abbot .- Realizó mediciones de la velocidad de ondas P utilizando grandes

explosiones.

1878.- John Milne y T. Gray.- Utilizaron impactos de pesas y explosivos como fuentes

generadoras y dos sismógrafos en linea.

1885.- Lord Rayleigh .- Estudia las ondas superficiales que se mueven en el plano

vertical.

1898.- John Milne .- Propuso utilizar el sismógrafo para investigar el subsuelo.

1899.- C. G. Knott .- Estudia la propagación de ondas sísmicas en el subsuelo, su

reflexión y su refracción en capas cercanas a la superficie.

1900.- Otto Hecker .- Utilizó 9 sismógrafos mecánicos horizontales en línea para

registrar ondas P y S.

1905.- L. P. Garret .- Sugirió el uso de la refracción sísmica para localizar domos

salinos.

1911.-A. E. H. Love .- Estudia las ondas superficiales transversales.


1914.- Ludger Mintrop .- Utiliza el sismógrafo mecánico para detectar el origen de

vibraciones.

1924.- R. Stoneley .- Estudia las ondas superficiales que se propagan en una interfase

entre dos medios.

1.2.2.- EVOLUCION DE LA INSTRUMENTACIÓN PARA PROSPECCIÓN

SÍSMICA.

1914.- Sismógrafo mecánico de Mintrop.

1925.- Sismógrafo eléctrico. Consistía de un amplificador con un tubo de vacío y

acoplamiento por resistencia. Oscilógrafo de dos galvanómetros. Sismograma en

película que se movía a mano y las líneas de tiempo se imprimían por medio de

destellos a través de una ranura que se controlaban con un diapasón de 50 hertz, el

instante de tiro se registraba al interrumpir una onda continua. Un sismodetector de

reluctancia variable.

1926.- se utilizaron sismodetectores de condensador eléctrico. El sismograma en papel

fotográfico, que era movido por medio de un resorte.

1928.- Sistema de 4 canales de amplificación.

1932.- Se incorpora el control automático de ganancia.

1937.- Sistemas de 6 y 8 canales.

1940.- Sistemas de 10 y 12 canales.

1946.-Grabación de las señales sísmicas por medio de oscilógrafos en densidad y area

variable.

1948.- Sistemas de 24 canales.

1949.- Cables marinos flotantes y remolcados.

1952.- Registro analógico en cinta magnética.

1953.- Thumper y vibrosimo como fuente de energía.

1955.- Cabezas magnéticas movibles para correcciones estáticas y dinámicas en la

reproducción de sismogramas.

1963.- Registro digital en cinta magnética.

1965.- Pistola de aire en trabajos marinos.

1969.- Correcciones estáticas automáticas.

1994.- Adquisición de datos marinos con sensores duales ( hidrófono y geófono ) y

cable de fondo marino.

1.2.3.- EVOLUCIÓN DE LAS TÉCNICAS SÍSMICAS DE PROSPECCIÓN.

1921.- Técnica de reflexión , en la Faja de Oro de México y en Oklahoma USA.

1923.- Técnica de refracción en localización de domos salinos, en México y en Texas.

1925.- Técnica de abanicos en refracción.

1926.- Correlación de registros de reflexión.

1927,- Medición de velocidades sísmicas en pozos.

1929.- Tendidos de reflexión para determinación de echados.

1930.-Se intensifica el uso de la técnica de reflexión para objetivos profundos.

1931.- Técnica de perfilaje inverso en refracción.

1933.- Detectores múltiples en cada estación de registro.

1942.- Secciones de registros con mezclado de trazas.

1947.- Exploración Marina con ubicación por medio de Shoran.

1950.- Técnica del punto medio común.

1955.-Sismogramas sintéticos.


1956.- Procesamiento analógico de los datos sísmicos.

1962.- Aplicación de la deconvolución y filtrado de velocidad en el procesamiento de

datos.

1967.- Análisis de velocidades sísmicas.

1971.- Teoría del punto brillante ( bright spot ).

1972.- Secciones sísmicas a colores.

1974.- Digitización de la información y procesamiento preliminar en brigada.

1975.- Técnicas para estratigrafía sísmica.

1981.- Interpretación interactiva y perfil sísmico vertical.

1.3.- Principios básicos que se utilizan en la Prospección Sísmica.

Los estudios y experimentos que se hicieron para identificar las características de la

propagación de las ondas sísmicas con el propósito de entender el mecanismo de los

terremotos permitió definir a las ondas sísmicas como “ un movimiento ondulatorio de

origen elástico “, lo que involucra aplicar los principios que rigen los movimientos

ondulatorios y la teoría de la elasticidad.

Los resultados obtenidos al generar artificialmente ondas elásticas en la superficie

hicieron evidente la propagación de ondas sísmicas hacia la superficie que fueron

generadas en capas del subsuelo en donde existen contrastes de propiedades elásticas.

La propagación de los movimientos ondulatorios se rige por dos principios

fundamentales que son el principio de Huyghens y el principio de Fermat.

El principio de Huyghens establece que : “ Todo punto de un frente de onda se

comporta como un nuevo centro generador de ondas “.

El principio de Fermat indica que “ El movimiento ondulatorio entre dos puntos sigue la

trayectoria de tiempo mínimo “.

Estos principios relacionan íntimamente el concepto de Onda y el de trayectoria,

entendiéndose por frente de onda : “ el lugar geométrico de todos los puntos que tienen

el mismo estado de vibración o igual tiempo de propagación “ , y la trayectoria indica

la dirección y sentido de la propagación del movimiento ondulatorio, siendo la

trayectoria perpendicular al frente de onda.

En un medio homogéneo e isotrópico los frentes de onda sucesivos, a partir de un centro

generador, son esféricos y concéntricos, y los desplazamientos de una onda serán

proporcionales al incremento de tiempo y a la velocidad de propagación del medio.

En medios no homogéneos y anisótropos los desplazamientos dependerán de la

distribución de las velocidades. Al variar las velocidades los desplazamientos serán

diferentes para iguales intervalos de tiempo, cambiando la forma de los frentes de onda

subsecuentes y las características de la trayectoria.

Utilizando el principio de Huyghens se pueden construir los frentes de onda para

cualquier tipo de distribución de velocidades, lo cual es muy importante cuando se

analizan medios no homogéneos y anisótropos.


De acuerdo con el principio de Fermat la trayectoria entre dos puntos no necesariamente

es una línea recta, lo cual solo se presenta en el caso de un medio homogéneo e

isotrópico, y en cualquier otro tipo de medio la trayectoria seguirá por el camino de más

alta velocidad que corresponde al tiempo mínimo que depende de la distribución de las

velocidades.

V2 mayor que V!

FIGURA 1.1.- Trayectoria de tiempo mínimo entre el punto A y el punto B.

Lo anterior no significa que solo se genere una trayectoria entre el punto A y el punto B,

la de tiempo mínimo, sino que los movimientos ondulatorios a un determinado punto B

pueden llegar por diversos caminos, de acuerdo con el principio de Huyghens, pero el

tiempo requerido dependerá de las variaciones de velocidad y su distribución de los

medios que vaya atravesando.

Pueden generarse varias trayectorias para el mismo movimiento entre dos puntos, pero

el primer indicio del movimiento ondulatorio en el punto más avanzado será el

correspondiente a la trayectoria de tiempo mínimo.

La aplicación del principio de Fermat es muy útil para explicar casos en los cuales se

reciben diferentes ondas en un mismo punto, las cuales pudieran interpretarse como

varios movimientos, pero que solo corresponden a diferentes trayectorias originadas en

la misma fuente.

Cuando las ondas sísmicas se propagan en medios que presentan estratificación, las

trayectorias sufren cambios en sus direcciones cuando llegan a una interfase, en la que

existe un contraste de velocidades que dependen de las propiedades elásticas a los lados,

que se pueden explicar a partir de los principios de Huyghens y de Fermat.


Después de un intervalo de tiempo el frente de onda A-B llega a la interfase y el punto

A lo toca en el punto C, siendo en ese momento el frente de onda C-D. Empezando a

vibrar y generando dos nuevos frentes de onda, uno que se propaga en el medio V1 y

otro en el medio V2.

En un intervalo de tiempo ΔT , el punto D ha avanzado hacia el punto E mientras el

punto C ha estado vibrando y teniendo desplazamientos proporcionales a V1 y V2 en

cada medio. En particular en el medio V1 el punto C se ha desplazado al punto F y el

punto D al punto E.

Al analizar los triangulos CFE y CDE, que tienen un lado común CE, se puede

establecer que :

En el triángulo CFE :

CE

CFrsen ;

rsen

CFCE ; CF = V1 Δ T

En el triángulo CDE :

CE

DEisen ;

isen

DECE ; DE = V1 Δ T

pero :

isen

DE

rsen

CFCE y

isen

TV

rsen

TV

11

de donde se tiene que :

sen i = sen r : 1a Ley de Snell ó Ley de la Reflexión.

Si se analiza simultáneamente la propagación del frente de onda en los medios V1 y V2

se tiene :

En el triángulo CEG :

CE

CGRsen ;

Rsen

CGCE ; CG = V2 Δ T

igualando los valores de CE se tiene :

Rsen

TV

isen

TV

21

por lo qué : Rsen

V

isen

V 21 ó 2

1

V

V

Rsen

isen : 2ª Ley de Snell ó de la Refracción

Para que se puedan aceptar las Leyes de Snell es necesario que además de cumplir con

el principio de Huyghens deben satisfacer el postulado de tiempo mínimo de Fermat.


En la trayectoria reflejada el tiempo total de trayectoria desde el punto A al punto C :

BCABVV

BC

V

ABTTT BCAB

111

1

i

yAB

AB

yi aa

coscos y

r

yBC

BC

yr cc

coscos

substituyendo:

ryiyVr

y

i

y

VT ca

ca secsec1

coscos

1

11

diferenciando :

drrrydiiiyV

dT ca tansectansec1

1

para que sea mínimo dT = 0 , y simplificando se tiene :

ya sec i tan i di = - yc sec r tan r dr ................... ( 1 )

para resolverla se necesita otra ecuación para lo cual se considera que la suma de las

abscisas para los puntos A y C debe ser constante, independientemente de la posición

del punto B que se toma como el origen, o sea : Xa + Xc = constante.

iyXy

Xi aa

a

a tantan y ryXy

Xr cc

c

c tantan

substituyendo y diferenciando : ya sec2 i di + yc sec

2 r dr = 0

separando miembros : ya sec2 i di = - yc sec

2 rdr ............................. ( 2 )

dividiendo miembro a miembro la ecuación ( 1 ) entre la ( 2 ) :

r

r

i

i

sec

tan

sec

tan y substituyendo las relaciones trigonométricas : sen i = sen r

Para el caso de la trayectoria refractada se procede de forma similar.

En la trayectoria refractada .

21 V

BD

V

ABTTT BDAB en donde :

BD

yR dcos y

R

yBD d

cos


substituyendo y diferenciando :

21

tansectansec

V

dRRRy

V

diiiydT da

obteniendo el mínimo y simplificando:

21

tansectansec

V

dRRRy

V

diiiyda

.....................( 3 )

la segunda ecuación que se establece para la suma de las abscisas y Xa + Xd = Ctte.

contempla que : d

d

y

XR tan y Xd = yd tan R

haciendo las substituciones, diferenciando y simplificando :

ya sec2

i d i = - yd sec2 R dR …………………. ( 4 )

dividiendo miembro a miembro la ecuación (3) entre la (4) se tiene :

RV

R

iV

i

sec

tan

sec

tan

21

y simplificando : 2

1

V

V

Rsen

isen

con lo que se demuestra la validez de las leyes de Snell para movimientos ondulatorios

que inciden en una interfase con velocidades contrastantes :

sen i = sen r Ley de la Reflexión

2

1

V

V

Rsen

isen Ley de la Refracción

Estas dos leyes son fundamentales en el análisis de los movimientos de las ondas

sísmicas en el subsuelo cuando inciden en interfases de materiales con velocidades

contrastantes.

El fenómeno de la reflexión siempre se genera, mientras que el de refracción presenta

condiciones límite para que tenga lugar : para ángulo incidente de 0 grados, o sea

perpendicular a la interfase, no existe refracción, para ángulos mayores se presentan

“refracciones parciales” que cumplen con la Ley de Snell. Para el caso de que el ángulo

de refracción R adquiera el valor de 90 grados se presenta la llamada “ refracción total “

y corresponde al “ángulo crítico” que está definido por la relación de las velocidades .

Si R= 90˚ , sen 90˚ = 1 y sen ic = V1 / V2

En la práctica generalmente se presentan tanto la reflexión como la refracción en alguna

de sus modalidades, sin embargo el manejo de la información obtenida resulta diferente,

por lo qué se utilizan las llamadas técnicas de reflexión y de refracción


1.4.- Descripción del Método de Prospección Sísmica.

El método de prospección sísmica determina de manera indirecta las características

estructurales de capas estratificadas, de propiedades físicas contrastantes, a partir de los

tiempos registrados en la superficie, de las trayectorias de movimientos ondulatorios

que se propagan en el subsuelo, las cuales se generan de forma controlada en la

superficie.

En el esquema general del método se identifican tres zonas importantes en la

adquisición de la información necesaria para identificar las características de las capas

del subsuelo.

FIGURA 1.1.- Zonas del subsuelo en la adquisición de información.

1).- Mecanismo de fuente en donde se generan las ondas sísmicas mediante explosivos

o sistemas mecánicos. Se tiene algún control sobre las características de la onda que se

inyecta al subsuelo.

2).-Zona del subsuelo en donde se propagan las ondas sísmicas, las que pueden regresar

a la superficie en trayectorias reflejadas o refractadas, en interfases definidas por el

contraste de propiedades elásticas.

El comportamiento de las trayectorias depende de l a distribución de propiedades físicas

de los materiales que constituyen el paquete de sedimentos, y puede ser tan complejo

como lo sean las características estructurales y morfológicas.

No se tiene control sobre su comportamiento, sin embargo, mediante

pruebas y análisis de la información se pueden diseñar técnicas de adquisición de datos

y de procesos de mejoramiento que permitan disponer de los elementos más confiables

para la adecuada interpretación y transformación de la información geofísica en

términos geológicos factibles.

3).- Sistema de detección y registro de los eventos sísmicos que regresan a la superficie,

el cual consiste de un conjunto de sismodetectores ( geófonos ) que se encuentran

conectados a un cable que recoge todos los eventos que llegan a la superficie y los lleva


a un sismógrafo que va a registrarlos, previa amplificación de las señales sísmicas, que

son muy débiles y poco perceptibles .

Existe una variedad de sismodetectores y de sismógrafos, que pueden manejar

simultáneamente desde 24 puntos de detección hasta 2400, dependiendo de los

objetivos y dimensiones del área que se va a estudiar.

El conjunto de fuente y puntos de detección se conoce como " tendido ", y se han

diseñado diferentes tipos de ellos , que responden a diversas técnicas y objetivos.

El método de prospeción sísmica comprende dos técnicas básicas : el método de

refracción y el método de reflexión. En el primero se utilizan las ondas refractadas que

son las primeras en llegar a la superficie después de una cierta distancia que depende

del espesor de las capas en las cuales se refractan, y corresponden a las llamadas ondas

precursoras ( Head waves ), sin embargo , a los sismodetectores más cercanos a la

fuente llega primero la " onda directa " que viaja muy cerca de la superficie, siendo las

dos ondas importantes como primeros arribos que permiten determinar las velocidades

de propagación y los elementos para determinar la profundidad de las capas refractoras.

El método de reflexión utiliza todas las ondas que se han reflejado en los estratos del

subsuelo que presenten contrastes de propiedades elásticas, las cuales siempre llegaran a

la superficie después de las ondas precursoras, detectándose en cada punto de la

superficie las reflexiones generadas en todas las interfases del paquete geológico, lo que

permite obtener una imagen casi completa del subsuelo, sin embargo los datos

obtenidos no proporcionan suficiente información sobre la velocidad de propagación de

las ondas, la cual tiene que determinarse por otros medios. No obstante es una de las

técnicas más desarrolladas y más resolutivas para exploraciones de mediana y gran

profundidad.

En la actualidad se han desarrollado técnicas particulares con objetivos específicos que

pueden ser de tipo bidimensional o tridimensional.

Las particularidades de los equipos , técnicas y aspectos teórico- prácticos se discutirán

en los siguientes capítulos.

CUESTIONARIO DE EXAMEN.

1.1.-Describa las características generales de la técnica sismológica de refracción.

1.2.- Describa las características generales de la técnica sismológica de reflexión.

CAPITULO 1-Aspectos Generales

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