Introducción a la prospección sísmica

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Presentación sobre prospección sísmica en el marco de el 30 CURCCAF en Honduras. Presentación elaborada con LaTeX.

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  • 1. XXX Curso Centroamericano y del Caribe de F´ ısica — ´ A LA EXPLORACIONINTRODUCCION ´ 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
  • 2. Tabla de Contenido Ondas S´ ısmicas y Propagaci´n de Ondas o Exploraci´n 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 2 / 70
  • 3. Desglose Ondas S´ ısmicas y Propagaci´n de Ondas o Exploraci´n 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 3 / 70
  • 4. Desglose Ondas S´ ısmicas y Propagaci´n de Ondas o Exploraci´n 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 4 / 70
  • 5. Exploraci´n S´ o ısmica Sismolog´ Global ıa Reflexi´n y Refracci´n 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 5 / 70
  • 6. Desglose Ondas S´ ısmicas y Propagaci´n de Ondas o Exploraci´n 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 6 / 70
  • 7. Ondas Punto fuente Ondas de cuerpo Ondas superficiales Frentes de onda Rayos Perturbaci´n o Piedra en un estanque, terremotos. Medio el´stico, homog´neo a e Perturbaci´n en el medio se o e isotr´pico. o propaga a trav´s de ´l. e e M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 7 / 70
  • 8. Ondas-Terminolog´ ıa Velocidad Longitud de onda Amplitud Frecuencia Per´ ıodo M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 8 / 70
  • 9. Desglose Ondas S´ ısmicas y Propagaci´n de Ondas o Exploraci´n 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 9 / 70
  • 10. Coeficientes El´sticos a Esfuerzo-stress (fuerza/´rea) a Deformaci´n-strain o Medio el´stico, Ley de Hooke a Coeficientes: M´dulo de Young (E) o Raz´n de Poisson (µ) o M´dulo de compresibilidad (K) o M´dulo de corte o rigidez (G) o M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 10 / 70
  • 11. Desglose Ondas S´ ısmicas y Propagaci´n de Ondas o Exploraci´n 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 11 / 70
  • 12. 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 12 / 70
  • 13. 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 13 / 70
  • 14. Ondas - S Ondas secundarias o de corte (shear) Ondas transversales No hay cambio de volumen M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 14 / 70
  • 15. Ondas P y S M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 15 / 70
  • 16. Desglose Ondas S´ ısmicas y Propagaci´n de Ondas o Exploraci´n 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 16 / 70
  • 17. Ondas Superficiales 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 exploraci´n s´ a o ısmica, al ser las m´s r´pidas es f´cil observarlas, explosiones solo a a a producen ondas P. M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 17 / 70
  • 18. Ondas Superficiales M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 18 / 70
  • 19. Sismogramas M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 19 / 70
  • 20. Sismogramas M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 20 / 70
  • 21. Desglose Ondas S´ ısmicas y Propagaci´n de Ondas o Exploraci´n 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 21 / 70
  • 22. Velocidad de las Ondas S´ 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. M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 22 / 70
  • 23. ´Algunas Aproximaciones Utiles Vs = 0,6Vp Rocas cristalinas Vs = 0,5Vp Rocas sedimentarias Vs = 0,4Vp Suelos y materiales poco consolidados VR = 0,9Vs M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 23 / 70
  • 24. Desglose Ondas S´ ısmicas y Propagaci´n de Ondas o Exploraci´n 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 24 / 70
  • 25. 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 25 / 70
  • 26. Reflexi´n y Refracci´n o o La onda cruza la frontera entre 2 medios diferentes. Parte de la energ´ rebota y parte cruza el medio. ıa M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 26 / 70
  • 27. Reflexi´n y Refracci´n o o M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 27 / 70
  • 28. Reflexi´n o M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 28 / 70
  • 29. Refracci´n o Refracci´n o Ley de Snell Refracci´n critica o Reflexi´n interna total o Ondas frontales M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 29 / 70
  • 30. Difracci´n o Cambio brusco en la curvatura de la interfaz produce frentes de onda esf´ricos, falla la teor´ de e ıa rayos M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 30 / 70
  • 31. Ondas en la Superficie M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 31 / 70
  • 32. Ondas en la Superficie M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 32 / 70
  • 33. Atenuaci´n de la Amplitud de Onda o Propagaci´n geom´trica o e Energ´ decae 1/r , amplitud de la onda 1/r 2 ıa Absorci´n 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 Partici´n 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 generaci´n de nuevas ondas. a o M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 33 / 70
  • 34. Fuentes de Energ´ ıa Factores a considerar: Costos Energ´ de entrada ıa Repetitividad conveniencia M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 34 / 70
  • 35. Martillos Costos bajos Seguro, con entrenamiento 15-50m M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 35 / 70
  • 36. M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 36 / 70
  • 37. Lanzamiento de Pesos Barato Profundidades 50m M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 37 / 70
  • 38. Explosivos Seguridad y costos pueden ser problema. Diferentes tama˜os Seg´n n u profundidad. M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 38 / 70
  • 39. Fuentes Vibradoras Serie de pulsos en lugar de uno solo. 100s m a kms M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 39 / 70
  • 40. 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 40 / 70
  • 41. M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 41 / 70
  • 42. Arreglos de Ge´fonos o Separaciones peque˜as n Alta resoluci´n del o subsuelo An´lisis de reflexi´n a o Separaciones grandes Mayores profundidades Mejora la sensibilidad a la velocidad An´lisis de refracci´n a o M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 42 / 70
  • 43. Diagrama Esquem´tico de Equipo para Exploraci´n S´ a o ısmica M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 43 / 70
  • 44. M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 44 / 70
  • 45. Osciloscopio M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 45 / 70
  • 46. M´todo de Refracci´n e o Dromocronas: gr´ficas de tiempo en funci´n de la distancia a o (tiempo de viaje) Ecuaciones de tiempo de viaje M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 46 / 70
  • 47. M´todo de Refracci´n e o M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 47 / 70
  • 48. V1 V2 V3 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 48 / 70
  • 49. Gr´fica de tiempo de viaje a partir de sismogramas a M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 49 / 70
  • 50. La Superficie No Ideal Zonas escondidas Variaciones laterales Discontinuidad en interfaces M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 50 / 70
  • 51. 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 51 / 70
  • 52. Con la info de las curvas:V 1 y V 3 OK.h1 = 25,5m >> h1 realSi de info geol´gica se esta oseguro de la existencia de lacapa 2 se puede calcular M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 52 / 70
  • 53. Si de info geol´gica se est´ seguro de la existencia de la capa 2 se o apuede calcular h2 usando: 1 2 2 2h1 (V3 −V1 ) 2 V3 V2 h2 = ti2 − V3 V1 2 2 1 2(V3 −V2 ) 2Calcular ti y estimar h2Es necesario conocer h1 previamente, de info adicional M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 53 / 70
  • 54. 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. M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 54 / 70
  • 55. Capa Delgada M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 55 / 70
  • 56. 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 56 / 70
  • 57. Variaciones Laterales de Velocidad M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 57 / 70
  • 58. Discontinuidad en las Interfaces: difracci´n o M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 58 / 70
  • 59. 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” M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 59 / 70
  • 60. Sondeo Directo y Reverso M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 60 / 70
  • 61. Sondeo Directo y Reverso M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 61 / 70
  • 62. Sondeo Directo y Reverso M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 62 / 70
  • 63. Procedimientos de Campo Selecci´n del sitio y consideraciones de o planeaci´n. 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. M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 63 / 70
  • 64. 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 M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 64 / 70
  • 65. Arreglos Geom´tricos de Ge´fonos M´s Comunes e o a M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 65 / 70
  • 66. Aplicaciones Usando el M´todo de Refracci´n 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 contaminaci´n 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 contaminaci´n o M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 66 / 70
  • 67. Refracci´n s´ o ısmica y resistividadel´ctrica complementado con eperforaciones en sitioscuidadosamente seleccionados.Ning´n m´todo pudo diferenciar u eentre las arcillas y las arenas ygravas, pero si determinar laprofundidad a la roca. Sedelimito un valle aluvialenterrado lleno con la secuenciade gravas con una extensi´n osuficiente para constituir unafuente de agua que en laactualidad esta siendo explotada. M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 67 / 70
  • 68. M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 68 / 70
  • 69. ¿PREGUNTAS? M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 69 / 70
  • 70. MUCHAS GRACIAS ´POR SU ATENCION M. Rodriguez, IHCIT-UNAH 20 de abril de 2012 70 / 70