arturo jesús lorenzo ferrás programa de formación iberoamericano

PROGRAMA DE FORMACIÓN IBEROAMERICANO EN
MATERIA DE AGUAS
ÁREA TEMÁTICA 4.1. HIDROGEOLOGÍA IV
Ciudad de la Habana, Cuba
ARTURO JESÚS LORENZO FERRÁS
Casi todo lo que podemos suponer sobre el
manto y el núcleo terrestre se ha deducido por
el análisis del paso de ondas sísmicas por el
centro de la Tierra.
En las últimas décadas, los geofísicos han
hecho grandes avances en la comprensión de la
corteza y del manto superior, una zona llamada
litosfera.
Los logros más importantes en la investigación de
esta zona han sido posibles gracias al uso de una
técnica sonar desarrollada originalmente en
sismología para encontrar petróleo y gas, llamada
perfilaje sísmico por reflexión.
Los métodos sísmicos al igual que los resistivos, son considerados métodos
geofísicos activos.
En sísmica, el movimiento de la tierra causado por alguna fuente de ondas, se
registra a lo largo de una porción del terreno y a distintas distancias de la fuente.
El tipo de medición sísmica difiere dependiendo de en qué aspecto del
movimiento estaremos interesados analizar.
Sismología de la refracción - Los experimentos de Refracción se basan en
el registro de los primeros tiempos de llegadas de ondas a diferentes geófonos
situados a varias distancias de la fuente de energía. Ondas que arriban
posteriormente son frecuentemente descartadas. Así, el juego de datos derivado de
los experimentos de la refracción consiste en una serie de tiempos contra las
distancias. Éstos se interpretan entonces en términos de profundidades a la
interfase y velocidades a la que viaja la onda dentro de cada estrato. Estas
velocidades se controlan por un juego de constantes físicas llamadas Parámetros
elásticos que describen el material.
Sismología de la reflexión - En los experimentos de la reflexión, el análisis
se concentra en la energía que llega después de las ondas iníciales.
Específicamente, el análisis se concentra en movimientos de la tierra que se han
reflejado a mayores profundidades. En este sentido, la sismología de reflexión es
una versión muy sofisticada de las ecosondas usadas en los submarinos, naves, y
sistemas de radar. Además de examinar los tiempos de llegada, la reflexión extrae
información del subsuelo a partir de la amplitud y forma de la onda. Las
estructuras sub-superficiales pueden ser complejas, pero como en los métodos de
refracción, se interpreta en términos de superficies de separación y parámetros
elásticos.
Cada uno de estas técnicas tiene ventajas específicas y desventajas cuando se
comparan entre ellas y cuando se comparan a otras técnicas geofísicas.
Por estas razones, se aplican en diferentes grados. Por ejemplo, las industrias del
petróleo y gas casi usan exclusivamente la técnica de reflexión sísmica. Los
estudios medioambientales e ingeniero geológicos usan las técnicas de refracción,
pero incluso menos que otras técnicas geofísicas. Hoy en dia, los avances en la
electrónica (equipamiento) y software (interpretación) están disminuyendo estas
diferencias a pasos acelerados
El geofísico está interesado en dos parámetros que afectan los
tiempos de transmisión de este pulso: la velocidad (o velocidades)
de la propagación y la geometría de propagación.
La determinación de estos parámetros es una tarea compleja en la
práctica y en la teoría.
La energía generada en una fuente determinada, viaja
simultáneamente en varios tipos de ondas, y cada onda tiene una
velocidad de la transmisión diferente. Además, cada uno de estas
ondas puede viajar a los geófonos por más de un camino.
Por ejemplo, la primera onda en llegar a un geófono cerca de la
fuente, es la onda directa. En este caso la energía viaja paralela a
la superficie en que se encuentran la fuente y los receptores.
Otro geófono, localizado más lejos, puede grabar primero la
llegada de una onda refractada.
Cuando la onda se encuentra en su camino una discontinuidad
subhorizontal, con un cambio abrupto en las propiedades
elásticas, los fenómenos de reflexión y refracción de la onda
llevarán a la generación de ondas adicionales.
Existen varias maneras de generar ondas elásticas. El método
normalmente usado es el uso de explosivos, tanto en la superficie
del terreno como muy cerca de ella.
Otros métodos consisten en golpear fuertemente el suelo con una
gran mandarria, dejar caer cuerpos pesados, el uso de vibradores a
determinada frecuencia, etc.
Mandarria
Vibist-50*
Ley de Snell
Importante ley de la sismología, llamada así en
honor del matemático holandés Willebrord van
Roijen Snell.
El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a
la superficie de separación de los medios en el
punto de incidencia están en un mismo plano.
Ventajas y Desventajas de los métodos Sísmicos
Ventajas
Desventajas
Pueden detectar variaciones laterales El numero de datos recopilados en un
y verticales de la velocidad sísmica
levantamiento puede ser excesivo.
Puede brindar imágenes detalladas de Alto costo en comparación con otros
rasgos estructurales del subsuelo
métodos geofísicos.
Puede ser usada para delinear La reducción y el procesamiento de datos
depósitos y rasgos estratigráficos.
requiere
tiempo,
sofisticadas
computadoras y mucha experiencia.
La propagación de la onda sísmica
depende de la densidad de la roca y
algunas
constantes
elásticas. Los equipos sísmicos en general son mas
Entonces cualquier proceso que caros que otros equipos geofísicos.
cambie estos parámetros (porosidad,
permeabilidad, compactación, etc.),
puede, en principio, ser delineado
con esta técnica.
Ondas P: También
llamadas ondas Primarias, porque propagan a
través del medio más rápido que los otros tipos de ondas y se registran
primero. En las ondas P, las partículas del medio oscilan en la misma
dirección que se propaga la onda, en este caso, en dirección radial. Así, el
material se extiende y comprime a medida que se propague la onda a
través del medio. Las olas P son análogas a las ondas de sonido que se
propagan a través del aire.
S Waves: También llamadas ondas Secundarias, porque se propagan a
través del medio más lento que las ondas P. En estas ondas las partículas
del medio se desplazan en una dirección que es perpendicular a la dirección
en que la onda se está propagando. En este ejemplo, cuando la onda se
propaga radialmente, el medio se está deformado a lo largo de superficies
esféricas.
Materiales
Velocidad onda P (m/s)
Aire
332
Agua
1400 – 1500
Petróleo
1300 ‐ 1400
Velocidad onda S (m/s)
Acero
6100
3500
Concreto
3600
2000
Arenisca
1400 ‐ 4300
700 ‐ 2800
Caliza
3900 ‐ 6100
2800 – 3000
Granito
3500 ‐ 5900
2800 – 3000
Basalto
6400
3200
Arena (no saturada)
200 ‐ 1000
80 – 400
Arena (Saturada)
800 ‐ 2200
320 ‐ 880
Arcilla
1000 ‐ 2500
400 – 1000
Sal.
4.000 – 5.000m/s.
Margas.
2.500 – 4.500m/s.
Limos y Arenas flojas.
350 – 500m/s.
Arenas y Gravas Sueltas.
Arenas y Gravas Sueltas Saturadas.
400 – 900m/s.
Tierra Suelta.
1.500 – 1.800m/s.
250 – 400m/s.
REFRACCIÓN SÍSMICA: TAREAS QUE RESUELVE.
¾ Determinar la posición y el salto de falla en terrenos
sedimentarios.
¾ Cartografía de horts anchos.
¾ Determinación de la profundidad del sustrato.
¾ Determinación de la posición y potencia de acuíferos,
(aplicación limitada por la presencia de capas de baja
velocidad. Por ejemplo: arcillas superficiales).
¾ Pueden inferirse datos de porosidad (una disminución de
la velocidad indica mayor porosidad), sobre todo con la
combinación de ondas P y ondas S.
¾ Determinar la profundidad de calizas carstificadas y el
contacto con las calizas compactas, obteniéndose a veces
mejor resultado que con los métodos eléctricos.
SÍSMICA DE REFLEXIÓN: TAREAS QUE RESUELVE.
¾ Permite la localización y determinación cuantitativa de saltos de
falla. La cartografía de la roca firme y de estructuras del
recubrimiento
¾ Aunque utilizada fundamentalmente para
profundidades superiores a los 100 m, en
condiciones óptimas (grano fino y saturación
de agua) se han alcanzado resoluciones de
1 m en los primeros 15 m. Es bastante
frecuente el reproceso o reinterpretación de
líneas sísmicas obtenidas para investigación
de hidrocarburos, lo que permite utilizar esta
información para cartografiar las estructuras
que pueden controlar los acuíferos
superficiales.