Introducción a la prospección sísmica
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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
Tegucigalpa, Honduras 20 de abril de 2012
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M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012
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
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
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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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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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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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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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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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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Ondas Sısmicas y Propagacion de OndasExploracion SısmicaOndas
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Coeficientes ElasticosOndas de Cuerpo
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 Sısmicas y Propagacion de OndasExploracion SısmicaOndas
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Coeficientes ElasticosOndas de Cuerpo
Ondas - POndas - S
Ondas SuperficialesVelocidad de las Ondas SısmicasRayos
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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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