Señales Sísmicas y Ruido SísmicoUniversidad del Zulia

Facultad de IngenieríaEscuela de Ingeniería GeodesicaDepartamento de GeofísicaCátedra: Método Sísmico de Exploración

Realizado Por:Keyla viloria

C.I: 18.377.261Prof. Wilmer Márquez

Maracaibo, junio de 2.012

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico

INTRODUCCION

La Sísmica de Prospección se ha convertido en clave fundamental para la industria de exploración y perforación considerándola fundamental a la hora de estudios sísmicas y evaluación.

Para su estudio e interpretación se cuanta con diferentes métodos y técnicas que requieren un conjunto de elementos entre ellos el comportamiento de las ondas sísmicas que son registradas como señales sísmicas; estas existen de diferentes tipos de acuerdo a las características del medio, pero en este análisis existe la presencia de una perturbación que impide o confunde la interpretación plena de dicha señal conocido como Ruido Sísmico, que pueden ser corregidos de acuerdo a su tipo y características o en su defecto minimizado para ello se recurre a un análisis de ruido sección sísmica de ruido, señales de instrumentos, etc., técnicas y aspectos a considerar en este desarrollo técnico y detallado que incluye diferentes recursos como ilustraciones, recomendaciones entre otros aspectos a desarrollar y que deben considerarse para obtener una alta resolución del subsuelo y una buena cobertura en dicho proceso sin que genere perdida de tiempo y dinero.

Otro de los términos a desarrollar se refiere a una de las técnicas sísmicas o sismológicas como la llamada técnica de adquisición GPR. Técnica que ofrece ciertas ventajas según algunas consideraciones y que es de fácil interpretación por ser similar a la conocida sísmica de reflexión.

Los receptores y fuentes juegan un papel fundamental en dicho estudio y por ello que es necesario conocer como es su disposición, característica y tipos de acuerdo a la técnica empleada.

ESQUEMA

I.- Introducción.II.- Objetivo.III.- Planteamiento.IV.- Marco Teórico:

Elementos Congnocitivos

Tipos de Señales Sísmicas:

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico

1.- Defina:1.1.- Reflexión Primaria.1.2.- Reflexión Fantasma.

2.- Defina e ilustre mediante gráficos lo siguiente:2.1.- Ruido Sísmico.2.2.- Tipo de Ruido: Incoherente

- Casual- Ambiental

Coherente: Superficiales (Aire, Directo, Raylegh, Love) Profunda (Múltiples, Reverberaciones)

3.- Análisis de ruido.3.1.- Geometría de Campo3.2.- Instrumentación3.3.- Sección Sísmica de Ruido

4.- Explique en que consiste el cálculo de la Resolución Vertical en levantamiento Marino.

(Ruido Sísmico):

1.- Defina e ilustre los siguientes:1.1.- Patrones de Geófonos.1.2.- Tipo de patrones

1.2.1.- Lineales no pesados Lineales pesados

1.2.2.- Ariales1.3.- Patrones de Disparo1.4.- Tipos de Patrones de Disparo

2.- Calculo de la Atenuación:2.1.- Método Grafico2.2.- Método Analítico2.3.- Atenuación Efectiva2.4.- Curva de respuesta

3.- Explicar detalladamente y mediante el uso de gráficos ilustrativos en que consiste la técnica de adquisición GPR.

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico4.- Defina e ilustre lo siguiente:

4.1.- Filtros Instrumentales4.2.- Tipos de Filtros: Corte bajo Corte alto Pasabanda

V.- Conclusión.VI.- Bibliografía.

OBJETIVOS

Diagnosticar los Tipos de Señales Sísmicas conociendo las Reflexiones Primarias y Reflexiones Fantasmas.

Detallar utilizando ilustraciones el ruido sísmico y sus tipos, análisis de ruido, geometría de campo y sección sísmica de ruido.

Realizar cálculos referidos a la resolución sísmica vertical. Conocer las diferentes características y tipos de patrón de

geófonos y disparo. Establecer y definir las variables para la ejecución de un

levantamiento sísmico mediante la aplicación de la técnica GPR.

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico

PLANTEAMIENTO

Una vez que se a efectuado o se le ha inyectado la energía al subsuelo (según la técnica utilizada), ya están dispuestos los receptores pero esa repuesta que se esta recibiendo y grabando, que proceso requiere y necesita; ¿Se podrá utilizar tal cual como se esta recibiendo?. ¿Existen factores que la contaminan, lo sabemos pero como evitarlo?, ¿Cómo se presenta este ruido?. En un sismo es necesario considerar todos estos y otros aspectos para poder interpretar plenamente el fenómeno ocurrido, y es hay donde entra una comparación de la información obtenida con la tabulada en laboratorio, para conocer que genero este sismo y como se encontraba la zona donde se efectuó. Este y muchos eventos pueden ser entendidos si se conocen todos los parámetros a desarrollar en este trabajo. MARCO TEORICO

(Tipos de Señales Sísmicas):

1.- Defina:1.1.- Reflexión Primaria: Consiste en registrar una onda sísmica que

sea reflejado una sola vez con un estrato en el subsuelo, esto es, sin considerar la profundidad a la que se encuentra el estrato. En forma grafica la determinación de una reflexión primaria se muestra en la siguiente figura.

Supongamos que hemos perforado la capa meteorizada a una profundidad h y adicionalmente hemos colocado una carga explosiva en el punto 0, así mismo hemos ubicado en la superficie terrestre una serie de geófonos distinguidos por G1, G2, G3 y G4, los cuales a su vez se encuentran conectados mediante cables a casa blanca sitio donde se procesara la información recopilada por lo receptores. Al momento de generar la onda sísmica en el punto 0, las trazas sísmicas se activaran

C. Meteorizada

G1Superficie

Interfase 2

G3G2 G4

A 0 DCB

S

PInterfase 1

Casa Blanca

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico

h'

GP

0

0'

h

Interfase 1

C. Meteorizada

SuperficieP. Reflejado

P. Primario

Interfase 2

grabando las primeras llegadas conocidas como ondas refractadas las cuales viajan a través de la capa meteorizada y definidas en el grafico por: 0AG1, 0BG2, 0CG3 y 0DG4.

Posteriormente llegaran las reflexiones primarias cuya característica fundamental es que ha interactuado una sola vez con la interfase sísmica definida en el grafico por 0PG1. No importa la profundidad siempre y cuando haya interactuado una vez, entonces 0SG1 también es una reflexión primaria, estas están representadas por una cobertura simple.

En términos físicos la reflexión primaria se define como la onda sísmica que se ha reflejado una sola vez antes de ser registrada en superficie por los geófonos.

En términos geofísicos son aquellas que llegan después de las ondas refractadas.

1.2.- Reflexión Fantasma: Su característica fundamental sugiere la producción o generación de un punto de tiro alterno a milésimas de segundo del punto de tiro verdadero, esto es debido a la presencia de la capa meteorizada y a la ubicación del punto de tiro verdadero dentro de un pozo muy cercano a la superficie. Este al igual que el múltiple produce interpretaciones erróneas en las variables de profundidad.

Están asociadas a la colocación de una carga explosiva dentro de un pozo y a la sugerencia de que una vez que se detone en el punto “0”, el interprete tendrá la impresión de que el punto de tiro esta ubicado en el “0'”, y no en “0”, conociéndose esto como reflexión fantasma.

Una reflexión fantasma esta asociada a tres elementos particulares:

1.- A la presencia de la capa meteorizada.2.- A la perforación para la ubicación de un pozo para la cual se debe

hacer una remoción de tierra de la capa meteorizada para ubicar una carga explosiva en el fondo del pozo.

3.- Una vez detonada la carga debido a la distancia del punto (P) a la carga “0” es muy pequeña, da la sugerencia o la apariencia de que la ubicación de la carga explosiva esta en “0'” y no en “0” pues la onda

Señales Sísmicas y Ruido Sísmicosísmica se va a reflejar en la superficie antes de reflejarse en la interfase

sísmica. Este efecto trae como consecuencia que se registre en el sismograma de campo un tiempo adicional que nos va inferir una profundidad mayor, es decir, se va a inferir una interfase sísmica que esta a una profundidad “h'” cuando en realidad de estar en “h”.

Antes de realizar una medición se tiene información previa acerca ce las velocidades y espesores aproximadas obtenidas de las perforaciones y estudio del núcleo en el laboratorio, la variación no debe exceder del 10%, si es mayor del 25% estamos en presencia de reflexiones fantasma.

2.- Defina e ilustre mediante gráficos lo siguiente:

2.1.- Ruido Sísmico: Es toda señal indeseable o perturbación que enmascara o interfiere con la señal sísmica original.

2.2.- Tipo de Ruido:

Incoherente: Es aquel que no persiste a lo largo de la sección sísmica por lo que no se le puede determinar su velocidad de propagación, periodo, frecuencia y longitud de onda. Este se divide en dos:

- Ambientales: Es el ruido característico de la zona generado por la actividad productiva que caracteriza a la zona que deseamos estudiar.

- Casual: Es el producido por el paso de vehículos, personas y animales.

Coherente: Es aquel que persiste a lo largo de la sección sísmica por lo que se puede determinar sus características propias como son: velocidad de propagación, periodo, frecuencia y longitud de onda.

- Superficiales:

A.- Aire: Son aquellas que se propagan en la dirección del viento, con una velocidad de propagación de 360m/seg, dependiendo de la elevación topográfica, la dirección del viento y del efecto Doopller, el cual se refiere a un fenómeno que se produce cuando una fuente de energía y un receptor tiene movimiento entre ellos. Esto ocasiona que cuando el receptor se acerca al emisor de ondas pareciera que la frecuencia de las ondas que se están recibiendo fuera mayor, mientras que cuando se alejan ocurre lo contrario, cuando en realidad la frecuencia de las ondas que emiten las fuentes de energía que corre es la misma. Su frecuencia es de 1-15 Hz y la amplitud de 1m-40m.

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico

B.- Directa: Estas son captas por geófonos de reflexión de tipo vertical siendo en particular el elemento a determinar en estas ondas la energía de las ondas refractadas y la energía de las primeras llegadas o refracciones primarias.

Cabe destacar que la velocidad de propagación de las ondas refractadas en una capa subyacente o inferior a la capa meteorizada oscila entre 1000m/seg-2000m/seg, mientras que la velocidad de la onda directa, es decir, la que viaja a través de la capa meteorizada es de 100m/seg-600m/seg llegando en algunos casos hasta 900m/seg en aquellas zonas de alta compactación de la capa meteorizada.

C.- Raleigh: Estas ondas se propagan en la superficie libre de un solidó siendo su movimiento ondulatorio en un plano vertical elíptico y retrogrado, así mismo la amplitud decrece exponencialmente a medida que aumenta la profundidad. Finalmente su velocidad es de 9/10, la velocidad de las ondas transversales en el mismo medio o estrato. Su frecuencia oscila en los 15Hz y su amplitud entre 1800m-2700m.

D.- Love: Su movimiento ondulatorio es en un plano horizontal y transversal destacándose que este tipo de ondas son únicamente observables cuando existe una capa de baja velocidad superpuesta en un medio don de las velocidades elásticas son mayores, esto es, que las ondas love van a estar relacionadas a las propiedades elásticas del suelo. Las ondas love son más lentas que las ondas raleigh.

-Profundas:

A.- Múltiples: Son reflexiones que ocurren en un mismo estrato interactuando varias veces antes de ser registradas en superficie por los receptores.

Desde el punto de vista geofísico un múltiple puede llevar a una interpretación errónea ya que a partir de el podemos inferir profundidades mayores debido al tiempo de recorrido elevado que presenta la onda sísmica en el registro sísmico, es decir, que son detectables ya que su tiempo de recorrido es el doble. Se puede dar tres casos:

Caso A: La onda sísmica es reflejada varias veces en un mismo estrato antes de ser registradas en la superficie por los receptores. El caso de los múltiples produce errores frecuentes en los intérpretes ya que sugiere la producción de una reflexión a una profundidad mayor cuando en realidad se habla de un estrato a menor profundidad.

Señales Sísmicas y Ruido SísmicoPt

C. Meteorizada

G

Superficie

Interfase

Caso B: La onda queda entrampada entre la superficie y la capa meteorizada.

Caso C: No interviene la capa meteorizada, la onda queda entrampada entre dos interfases sísmicas o una interfase y la superficie.

B.- Reverberación: Son múltiples que se presentan en lo levantamientos sísmicos marinos, en este caso la onda acústica se reflejara varias veces entre la superficie del agua y el suelo marino, antes de ser registrada por los receptores, la presencia de este fenómeno esta asociado a las partículas coloidales. La reverberación va a ser una señal entrampada entre la superficie del agua y el subsuelo marino.

3.- Análisis de Ruido.

Para la realización de análisis de ruido es necesario seleccionar una zona de mayor extensión sugerida por estudios previos de geología y métodos geofísicos de escalonamientos, que en combinación nos han sugerido que la zona de interés desde el punto de vista económico además de evaluar mediante cartografía digitalizada las condiciones topográficas de la misma, con el fin de recomendar el tipo de fuente de emergía.

C. Meteorizada

PtG

Superficie

Interfase

C. Meteorizada

PtG

Superficie

Interfase

Señales Sísmicas y Ruido SísmicoEl proceso de análisis de ruido se inicia una vez que hemos elegido

en la fase de adquisición de datos sísmicos, la zona de interés en función de su potencialidad productiva, así como la fuente de energía apropiada de acuerdo a las características topográficas de la zona posteriormente descrita.

Posteriormente procedemos a efectuar un análisis cualitativo del ruido característico de la zona con el fin de establecer sus características de acuerdo a su velocidad de propagación, periodo, frecuencia y longitud de onda, además de definir en el registro sísmico las reflexiones primarias. Todo esto permitirá adoptar las mejores soluciones para atenuar el ruido sísmico.

3.1.- Geometría de Campo:

1.- En esta fase se recomienda elegir un sitio representativo de la zona a ser estudiada. Si la topografía es plana bastara efectuar un solo análisis de ruido, sin embargo si la topografía es accidentada, de baja compactación o con presencia de tendido de alta tensión en el subsuelo o superficiales se procede a realizar como mínimo dos análisis de ruido, es decir, se estudia la topografía para determinar el número de análisis de ruido.

2.- Determinar el mallado: En particular la longitud del tendido de receptores (geófonos, hidrófonos o electrodos) no debe ser mayor a 145m con el fin de obtener una alta resolución del subsuelo en función de su velocidad de propagación, periodo, frecuencia y longitud de onda.

3.- Estos receptores son agrupados en una cantidad que no debe ser menor a 5 unidades con el objeto de que se comporten como uno solo (apuñados o agrupados en uno solo) y cubiertos de tierra para evitar el efecto del ruido ambiental y casual o el efecto de campo electromagnético para el caso de tendido de alta tensión.

4.- Es importante elegir la instrumentación de acuerdo con la frecuencia de las ondas de la zona, y la resolución que a su vez depende de la potencia de la fuente.

La geometría de campo esta en función de la movilidad de la fuente de energía y no de las condiciones topográficas ya que este ultimo

Señales Sísmicas y Ruido Sísmicoconstituye un problema económico y no técnico puesto que cualquier

dificultad topográfica de la zona podrá ser resuelta adecuando la disposición geométrica espacial de los geófonos y los puntos de tiro.

3.2.- Instrumentación: Ya realizada la ubicación de los geófonos en la superficie se le introduce o se le inyecta energía al terreno por medio de la fuente seleccionada dependiendo de la resolución que se quiera obtener del mismo, hay que considerar que si se quiere aumentar la amplitud de la onda sísmica también hay que aumentar la energía de la fuente, ya hecho esto se procede a separar a intervalos regulares la fuente de energía de fondo fijos los geófonos, se genera emergía en cada punto para así obtener un registro sísmico ordenado asociado a cada punto de tiro.

3.3.- Sección Sísmica de Ruido: Es la representación gráfica de la información recolectada en el campo específicamente en el cuarto cuadrante del sistema cartesiano donde en el eje horizontal se tiene la separación de las trazas o de registros para cada uno de los receptores expresada en metros en función del mallado de exploración seleccionado, por otra parte en eje vertical tenemos representado el tiempo de viaje de la señal expresado en milisegundos, esta información es convertida mediante los procesos de convolución y deconvolución a valores de profundidad y espesores.

Sección sísmica de ruido

Trazas 1 2 3

X (m)

T Cono de (M/seg) Ruido -∞

Del análisis de ruido se obtiene las siguientes variables de salidas: a) Bandas de frecuencia de las ondas de ruido.b) Bandas de longitudes de las ondas de ruido.c) Distancia desde el centro del patrón hasta las primeras

reflexiones.

Señales Sísmicas y Ruido Sísmicod) Velocidad promedio de las hondas refractadas o primeras

llegadas.e) Menor longitud de ondas de las primeras llegadas con el fin de

diseñar los filtros instrumentales.f) Menor frecuencia de las ondas refractadas o primeras llegadas, las

cuales van a quedar enmascaradas.

4.- Explique en que consiste el cálculo de la Resolución Vertical en levantamiento Marino.

Es el cálculo que determina las características de las señales sísmicas, mediante la generación del gráfico del espectro de frecuencia en el intervalo correspondiente a la secuencia estratigráfica.

Mediante aplicación del programa Synthetics se efectuó este análisis, para calcular la resolución vertical sísmica, la cual consiste en determinar la mínima separación que debe existir entre dos interfases para que estas puedan ser diferenciadas.

Para este fin se utilizó la siguiente expresión:

λ/4 = Vint/ fmDonde:λ/4 = Factor de entonación Vint = Velocidad interválica fm = Frecuencia media

Estos cálculos muestran la resolución sísmica vertical, que permiten estudiar una zona que sea refractora, persistente y continua.

Los dos parámetros más importantes que controlan la versatibilidad de la resolución vertical, lo constituye:

El ancho de banda de la señal sísmico. La velocidad interválica de la secuencia estratigráfica.

Además, la resolución vertical dependerá de los espesores y del máximo contenido de frecuencia de la señal sísmica.

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico

(Ruido Sísmico):

1.- Defina e ilustre los siguientes:1.1.- Patrones de Geófonos: Es la disposición geométrica espacial

de los receptores en la superficie del terreno.

1.2.- Tipo de patrones:

1.2.1.- Lineales:

No pesados: son aquellos donde el número de geófonos y la distancia que los separan se mantiene constante.

En este caso se puede definir la densidad lineal que no es más que el número de geófonos ubicados a lo largo de un tendido y queda definida por:

x= n / L

Donde; n: es el número de geófonos

d d

d d

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico L: longitud del tendido.

Pesados: son aquellos donde la distancia entre geófonos y números de geófonos por posición es variable.

Este a su vez se divide en:

- Convergente: Para este tipo de configuración la distancia entre los receptores se hace más pequeña a medida que nos acercamos al centro del patrón.

- Divergentes: Para este caso, la distancia entre los geófonos se hace mayor a medida que nos acercamos al centro del patrón.

1.2.2.- Areales: Se caracteriza porque se desplazan en dos dimensiones, es decir, cada uno de los receptores tiene asociado una coordenada UTM. Se divide en dos: Paralelogramo y estrella.

1.3.- Patrones de Disparo: Es la secuencia de impactos que se sigue a lo largo de un levantamiento sísmico con el fin de generar la energía sísmica suficiente para producir la reflexiones necesarias y al mismo tiempo atenuar la mayor cantidad de ondas de ruido que interfieran la señal sísmica original.

El patrón de disparo esta definido por: la posición de la fuente de energía con respecto a la línea sísmica sin embargo el uso de un tipo de patrón determinado esta en función de las características topográficas y la movilidad de la fuente de energía. Cabe destacar que las condiciones topográficas de la zona constituyen un problema económico pero nunca un problema desde el punto de vista técnico.

1.4.- Tipos de Patrones de Disparo: En sísmica de reflexión se utilizan diversas modalidades o sistemas de tiro. Hablaremos aquí de los más corrientes, como son el tiro en línea y el tiro desplazado.

A.- Tiro en línea: consiste simplemente en situar el pozo de explosión alineado con la línea de geófonos. Puede ser: tiro en línea central, tiro en línea central o split y tiro lateral o de extremo.

d 2d

d 2d

Señales Sísmicas y Ruido SísmicoB.- Tiro desplazado: En esta modalidad se desplaza el pozo de

explosión, normalmente al perfil, una cantidad d variable, que oscila, como norma general de 20m a 120m, aproximadamente. Este puede ser central o de extremo.

2.- Calculo de la Atenuación:

Consiste en determinar las características físico – matemático de las ondas asociadas al ruido coherente.

Este procedimiento nos permite disminuir la interferencia de las ondas de ruido en un levantamiento sísmico y para su determinación es necesario conocer cuatro variables fundamentales que son:

- Numero de unidades (n). - Avance en metros de las unidades.- Separación en metros de las unidades.- Secuencia de impacto por posición.

Siendo el algoritmo matemático principal para la atenuación de las ondas de ruido conocido como ángulo de desfasaje . El cual viene expresado por:

= 2D/

Donde: D la separación entre el avance de las unidades y la longitud de la onda de ruido.

2.1.- Método Grafico: Consiste en representar los elementos de la tierra (Ei) como vectores, cuya dirección esta en función del ángulo de desfase , y donde la magnitud del mismo se determina mediante la suma algebraica de la secuencia de impactos en la definición del patrón, mientras que la dirección esta asociada a los ángulos múltiplos del desfasaje.

Conociendo como los elementos de la tierra la representación del lugar geométrico definido por la alineación de una serie de puntos del frente de onda que conforman la señal sísmica original.

Ei : cada vez que se dispara según la secuencia establecida se genera cierta cantidad de impulsos en un mismo sitio, la cantidad de veces que se disparo sobre un mismo sitio se conoce como Ei.

RT:es el maximo de amplitud que se registra el el geofono. E43

2

E2

RT

E3

Y

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico

X

2.2.- Método Analítico: Este se genera como consecuencia del método anterior el cual esta definido como las representaciones de las proyecciones sobre los ejes X e Y, y luego se aplica Pitágoras para el cálculo de las componentes. Este consiste en la proyección de las componentes de cada uno de los Ei en sentido horizontal y vertical para así obtener una resultante (Rt) de la sumatoria de esas componentes.

2.3.- Atenuación Efectiva: Se obtiene del análisis de ruido, consiste en graficar en el eje Z las diferentes longitudes de ondas asociadas a las ondas de ruido, con respecto a las atenuaciones, adicionalmente se debe considerar la disposición geométrica espacial de los PT y el numero de unidades a utilizar y la combinación permite diseñar un patrón optimo o efectivo en el cual la atenuación calculada analíticamente sea mayor a 30 dl.

Esta atenuación se puede obtener mediante la siguiente expresión:A = 20log l/ Rt

2.4.- Curva de respuesta: Esta no es más que la combinación espacial de los patrones tanto de geófonos como de disparo, en la práctica estos no se representan gráficamente, sino que se representan en forma simultánea en función de las longitudes de ondas y los decibeles. Se considera la zona de superposición de ambos patrones como banda de Reyección.

La cual va a representar la mejor zona de atenuación del ruido, es decir nos da la posición geométrica espacial de la posición de los geóponos y los disparos.

3.- Explicar detalladamente y mediante el uso de gráficos ilustrativos en que consiste la técnica de adquisición GPR.

A.- Principio Básico del GPR.

E1

Señales Sísmicas y Ruido SísmicoEl Geo-radar o radar de investigación del subsuelo es un método

geofísico de estudio indirecto de las características del subsuelo. La operación con el GPR es similar a la sísmica de Reflexión, se fundamenta en un breve pulso de energía electromagnética que es irradiado hacia el subsuelo, con una frecuencia característica única que puede estar entre 16 y 2.000 MHz.

Cuando este pulso alcanza las interfaces donde existe un contraste en la constante dieléctrica, ocurren fenómenos análogos a los que se dan en sísmica cuando cambia la impedancia acústica: una fracción de la energía de la onda es reflejada, regresa hasta la superficie y es detectada en la antena receptora, mientras que la energía remanente continúa hasta la próxima interfase.

La profundidad de penetración y la resolución observada depende del tipo de antena usada para una adquisición particular.

En aplicaciones de tipo geológico, las antenas no-blindadas (unshielded antennas) permiten investigar hasta profundidades de 30-60 m. En aplicaciones urbanas y de alta resolución las antenas blindadas (shielded antennas) de alta frecuencia permiten un mejor control del ruido y las reflexiones desde el aire y una altísima calidad en la imagen radar con un alcance en la profundidad de investigación de hasta 5-10 m.

Esquema del funcionamiento del Geo-Radar

El GPR genera una imagen del subsuelo con altísima resolución lateral y vertical permitiendo no solamente la identificación de objetos, sino caracterizar el entorno.

Es el método moderno de mas éxito en aplicaciones “no-dig”, investigaciones del subsuelo no invasivas, sin necesidad de realizar excavaciones o algún otro tipo de intervención destructiva.

Por esto es un método que no afecta el medio ambiente y es excelente para las fases de planificación y desarrollo de proyectos industriales.

Señales Sísmicas y Ruido SísmicoAdicionalmente, no necesita establecer contacto físico de ningún tipo

(electrodos) con el suelo, es rápido y de fácil aplicación en todos los ambientes. Siendo un método electromagnético activo, permite investigar áreas urbanas (con antenas blindadas) y ambientes geológicos donde las condiciones superficiales limitan la aplicación de otros métodos.

Las aplicaciones de métodos de procesamiento similares a los de la sísmica a reflexión permiten una interpretación cuantitativa de gran resolución.

B.- Cantidades Medidas, Calculadas y Recomendadas.

El GPR registra un perfil gráfico continuo de interfases subsuperficiales.

Ejemplo de un perfil gráfico producido por el GPR

Señales Sísmicas y Ruido SísmicoLa escala horizontal representa unidades de la distancia que viajó la

onda en su trayecto. Esta escala es dependiente de la velocidad que lleva la onda. La escala vertical representa de tiempo (en nanosegundos) de recorrido a través del medio hasta que llega a la antena. Conociendo el tiempo se puede determinar la profundidad si se conoce la velocidad de la señal de radar. Las líneas verticales rayadas son marcadores del acontecimiento insertados en el perfil por el operador de radar para indicar localizaciones de la antena o puntos de referencia conocidos a lo largo de las líneas del trayecto. Las líneas horizontales uniformemente espaciadas son las líneas de la escala que proporcionan los planos de referencia para los gravámenes relativos de tiempo-profundidad.

Como ya se sabe, en esta técnica, las ondas electromagnéticas transitorias son reflejadas, refractadas y difractadas por los cambios en conductividad eléctrica y características dieléctricas. Los tiempos del recorrido y las amplitudes de estas ondas se pueden analizar para dar la información del tipo de la profundidad, de la geometría y del material. Es decir, que éstas son las cantidades calculadas.

Entra las cantidades recomendadas o conocidas se encuentra la distancia a la cual se ubican las antenas, las cuales a medidas se encuentren más cercanas una con respecto a la otra la resolución será mejor. La frecuencia de la señal de radar es una cantidad conocida

También se necesita establecer una cartografía y un punto de referencia en la zona de trabajo, diseñar un sistema de adquisición y un mallado que responda las necesidades de investigación.

C.- Explicar Detalladamente por qué en Zonas de Alta Humedad la Penetración mediante el uso de GPR es Variable.

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico

La profundidad de investigación que puede alcanzarse a partir de una exploración por geo-radar es función de diferentes parámetros, que incluyen la frecuencia del impulso emitido por la antena y la conductividad eléctrica del terreno, que a su vez depende del contenido en arcilla, de la humedad y la salinida del agua.

Si la conductividad del medio alrededor es mayor que la de un posible reflector los estudios son imposibles, ya que en los medios de alta conductividad la ecuación del radar no es satisfecha y no van a aparecer reflexiones. En los modos de crosshole y surface-to-borehole las medidas pueden ser llevadas a cabo en áreas de una alta conductividad porque las reflexiones no son requeridas en estas medidas.

Los suelos arcillosos y/o ricos en contaminantes iónicos en contacto con agua (niveles freáticos), provocan un aumento de la conductividad eléctrica del subsuelo, disminuyendo la capacidad de penetración del georadar provocando una atenuación de su señal.

D.- Constantes dentro de los Algoritmos Matemáticos relacionados con la Técnica GPR.

Para calcular la velocidad de la propagación (generalmente se realiza enterrando un reflector en una profundidad sabida y determinando la velocidad usando el fórmula siguiente:

VM = 2D/t

Donde:

D = profundidad medida al interfaz de reflejo.

T = tiempo transcurrido entre el pulso transmitido y recibido (nanosegundos).VM = velocidad eficaz de la propagación (feet/nanosecond)

Si se saben las velocidades de la propagación, las profundidades se pueden estimar usando la fórmula siguiente:

Profundidad = Vm(t)/2

Las velocidades de la propagación se estiman a menudo usando los valores publicados estándares para algunos materiales. Los siguientes son algunas constantes dieléctricas (Er) de algunos materiales de la tierra:

Señales Sísmicas y Ruido SísmicoMaterial Aproximado

Constante Dieléctrica (Er)Aire 1Agua Dulce 81Granito 8La arena, se seca (suelo de Carver) 4,5Arena, saturada 30Suelo margoso grueso del "promedio" 12Hielo 4

Usando las constantes dieléctricas arriba, la profundidad a un interfaz se puede calcular usando la fórmula siguiente:

D = c (t)/2[(Er) e1/2]

Donde:

D = profundidad en pies.C = velocidad de la luz (1 foot/nanosecond).T = Tiempo del recorrido de T = del pulso en nanosegundos.Er = constante dieléctrica relativa del material

E.- Aplicaciones de la Técnica GPR.

Geología

Análisis de estructuras geológicas (fracturas, fallas, pliegues y foliaciones); litotipos, geomorfología (relieve y suelos) e hidrografía para investigación de recursos minerales.

Evaluación del potencial de los recursos hídricos superficiales y subterráneos.

Identificación de áreas para prospección mineral.

El georadar permite ver cuales son los límites que caracterizan ciertas clases de plumas de contaminación además de proporcionar información sobre la estratigrafía del terreno.

Agricultura

Planeamiento y monitoreo agrícola. Identificación, mapeo y fiscalización de cultivos agrícolas.

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico Determinación relativa de la humedad de los suelos; eficiencia de

sistemas de irrigación. Cartografía. Levantamiento planimétrico (escalas 1:20.000 a 1:50.000). Levantamiento altimétrico (interferometría).

Penetra en el suelo de los viñedos y levanta mapas de distribución de la humedad, lo que permite afinar las estrategias de irrigación, utilizar el agua de forma más eficiente y obtener un producto de superior calidad.

Con sus resultados, los viticultores podrán afinar sus estrategias de irrigación, utilizando el agua de forma más eficiente y obteniendo un producto de superior calidad.

Los sistemas de irrigación utilizan frecuentemente productos químicos diversos que contaminan el subsuelo. Por eso, si se puede planear esta operación de manera que no se desperdicie agua, se evita que la que sobre se filtre hacia los acuíferos, contaminándolos.

El GPR es desplazado por encima del suelo mientras envía pulsos electromagnéticos hacia el interior de los primeros metros de tierra. Las señales del GPR son analizadas para determinar los niveles de humedad de las diferentes capas del suelo. La velocidad de las señales transmitidas y recibidas varía en función del tipo de suelo: las ondas se mueven más lentamente en el suelo húmedo, y más rápido en el seco.

Bosques

Gerencia y planeamiento de bosques. Determinación de grandes clases de bosques. Identificación de la acción de determinadas enfermedades. Elaboración de cartografía referente a deforestación. Identificación de áreas de corte selectivo. Estimativa de biomasa.

Hielo y nieve

Mapeo/clasificación de hielo. Monitoreo del deshielo-inundaciones.

Hidrología

Definición del nivel freático. Delimitación del acuífero primario.

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico Caracterización del substrato y su morfología (paleocanales)

Determinación del grado de saturación de agua. Localización de fracturas y fallas. Localización de plumas contaminantes.

GPR Definición del Nivel Freático

GPR Identificación de Paleocanales con agua

Es muy aplicado en estudios hidrológicos por su capacidad de determinar la profundidad del sustrato y las variaciones laterales de las diferentes unidades que constituyen una formación aluvial. La interpretación de las secuencias depositacionales y la visualización de las geometrías se facilita gracias a la representación tridimensional de los resultados.

Otra aplicación es la localización del nivel freático, ya que causa del contraste entre la permitividad dieléctrica del agua y del aire puede reconocerse generalmente por la fuerte amplitud del reflector, su continuidad lateral y la atenuación mide la señal bajo él

Medio Ambiente

Planeamiento y monitoreo ambiental.

Identificación, evaluación y monitoreo de recursos hídricos y de los procesos físicos del medio ambiente (intemperismo, erosión, deslizamientos, entre otros).

Identificación y análisis de la degradación causadas por mineralizaciones, deposición de residuos, acción antrópica, entre otros.

Identificación, análisis y monitoreo de riesgos ambientales.

Señales Sísmicas y Ruido SísmicoEl georadar puede aplicarse como apoyo para establecer mapas de

vulnerabilidad a la contaminación de los acuíferos, en el conocimiento de verteros y zonas degradadas. Pero, sobre todo por la capacidad de localizar penachos de hidrocarburos tanto en la zona saturada como la no saturada.

La aplicación de investigaciones georadar permite dar respuestas ciertas para toda una serie de problemáticas a cerca de la seguridad y las operaciones de medio ambiente. Entre otras, la localización de cuevas, senderos y escondites efectuadas con las clásicas configuraciones de búsqueda de servicios; la localización de cuerpos enterrados; la búsqueda de restos bélicos efectuadas con una configuración RIS adecuada a la cual está acoplando un magnetómetro, permitiendo así la exacta definición y posicionamiento de los objetos buscados.

Se puede también localizar los vertederos ilegales, revelando por ejemplo la presencia de barriles enterrados, que pueden contener agentes contaminantes, y el confinamiento de áreas con respuesta anómala de la señal.

Oceanografía

Monitoreo del estado del mar, corrientes, frentes de viento. Espectro de ondas para modelos numéricos de previsión.

Mapeo de la topografía submarina (condiciones específicas). Polución marina causada por derrames de petróleo. Detección de barcos - pesca ilegal. Apoyo para el establecimiento de rutas marítimas.

Uso de la Tierra

Planeamiento del uso de la tierra. Clasificación de suelos. Clasificación del uso de la tierra. Inventario, monitoreo (detección de cambios), planeamiento. Patrones de irrigación/déficit hídrico. Salinización de suelos.

Ingeniería civil (estructural-vial)

En el ámbito de intervenciones y de adecuación, mantenimiento o renovación de los servicios en el subsuelo, el uso de técnicas que producen

Señales Sísmicas y Ruido Sísmicoel menor daño posible al ambiente urbano y en el intento de economizar los

costes, las técnicas georadar producen con elevados niveles de precisión la interpretación de los suelos la localización de las redes y la ubicación de estructuras presentes en el subsuelo.

 

Esta localización permite tener una visión general de la distribución de los servicios en el subsuelo para permitir la colocación de otros nuevos o la substitución o mantenimiento de aquellos existentes mediante la utilización, para las operaciones de zanjas, de las técnicas más compatibles con el ambiente y con objeto de reducir al mínimo las molestias que se generan durante las fases de construcción y particularmente durante las excavaciones. Estas técnicas consisten en el efectuar las operaciones de tendido de nuevas canalizaciones siguiendo las técnicas  de perforación horizontal  dirigida (“NO DIG”), sin efectuar operaciones de zanja a cielo abierto, utilizando maquinarias que perforan en manera teledirigida u operando en el interior de viejas tuberías abandonadas

Control de los mantos de asfalto  

Los sistemas “georadar” pueden ser orientados al estudio y a la reconstrucción de la sucesión estratigráfica de los materiales que componen el manto y el sub-fondo de las calles, suministrando una toma de datos de tipo continuo y no destructivo, obteniendo resultados de óptima calidad y precisión con una tolerancia sobre el espesor de los estratos cerca del 5% sin tener que tomar muestras para la configuración.  

El sistema en este caso utiliza antenas tipo “horn” de altísima frecuencia (2.5 GHz) para la definición de los estratos bituminosos, una antena de alta frecuencia (1.200 MHz) para la definición del sub-fondo y una antena de media frecuencia (400 o 600 MHz) para la localización de reflectores en el substrato y para la localización de los servicios.

    Arqueología

La aplicación de las técnicas georadar en arqueología es de fundamental ayuda para minimizar los riesgos de perjuicio y de optimizar las

Señales Sísmicas y Ruido Sísmicozanjas para el descubrimiento de los restos históricos, obteniendo en modo

rápido y no destructivo la localización de los elementos de interés (restos históricos, objetos de interés,...) metálicos y objetos enterrados en el subsuelo de las áreas de intervención.

Las investigaciones georadar facilitan el alcance de las dificultades técnicas de intervención, permitiendo:  

A gran escala, el descubrimiento y el estudio de la geometría de grandes estructuras enterradas, en general no metálicas y difícil de localizar con técnicas magnéticas tradicionales, y el estudio de áreas de particular interés en el interior de las zonas arqueológicas.

A pequeña escala, la grafiado en detalle de estructuras y restos de cualquier naturaleza enterrados a profundidad variable de pocos centímetros a algunos metros.  

Las prestaciones son particularmente eficientes gracias al uso de tecnologías específicas, como:  

Antenas multifrecuencia para optimizar las prestaciones en términos de resolución y profundidad de penetración de la señal.

Arquitectura de Array de antenas que permite una visión tridimensional del subsuelo a través de estratigrafías y mapas de penetración de la señal.  

  Investigaciones en las pavimentaciones y en el subsuelo de las fundaciones

Las áreas bajo los edificios históricos, como por ejemplo las iglesias, resultan de gran interés para la posible presencia de restos de edificios de época precedente, para las particulares topologías constructivas y por la presencia de restos y estructuras de las cuales se desconoce la existencia.

En estos casos vienen efectuándose investigaciones con sensores multifrecuencia/multicanal y perfiles trasversales y longitudinales, con objeto de obtener una cobertura completa del área a investigar. Viene así puesta en evidencia la presencia de numerosas anomalías radar que se pueden reconducir a objetivos de tipo variado.

No siempre es posible asociar las anomalías con estructuras claramente identificables, pero es posible deducir importantes

Señales Sísmicas y Ruido Sísmicoinformaciones, significativas desde el punto de vista estructural o histórico

cultural.

Las técnicas de GPR son buenas para definir la existencia total de contaminantes en agua subterránea y suelo. Las sustancias tales como las sales (e.g. cloruro), los productos de petróleo y los hidrocarburos tratados con cloro son detectadas bien por GPR. La profundidad de la detección es dependiente en condiciones del tipo y de la humedad del suelo. Sin embargo, GPR trabaja lo más mejor posible al detectar en suelos y acuíferos bajos que en profundidad.

Investigación penetrante de tierra no invasora del radar de una losa concreta del piso que falla

El radar penetrante de tierra fue utilizado con éxito para delinear las localizaciones de vacíos debajo de un tratamiento de aguas residuales que sostenía el tanque. GPR era también útil para supervisar el progreso y el éxito de la operación subsecuente de la mampostería.

El uso de GPR evitó la tarea costosa, invasora y potencialmente destructiva de cortar a través de la base concreta, que habría podido exponer los sedimentos subsuperficies circundantes al riesgo del derrumbamiento del tanque y de la contaminación consiguiente de la superficie inferior.

F.- Diferencias entre la Técnica GPR y la Técnica de Tomografía Geoeléctrica.

La tomografía de sondeos usa perforaciones ya existentes para la estimulación y la recepción de señales geofísicas. Métodos de ondas como el georadar o la sísmica pero también la geoeléctrica son especialmente apropiados para la tomografía de sondeos. Su objetivo es la exploración bidimensional o tridimensional detallada entre los diferentes sondeos, con la gran ventaja de una alta resolución de las estructuras, también en las capas más profundas.

Tomografía geoeléctrica– Esquema y tomograma

Los métodos de georadar y de sísmica usan señales de ondas

Señales Sísmicas y Ruido Sísmicoemitidas al subsuelo para la exploración de estructuras y objetos. El

georadar sondea el subsuelo por medio de impulsos electromagnéticos de alta frecuencia. De mediciones 2D en la superficie resultan imágenes tridimensionales de secciones del interior de la tierra. Los procedimientos sísmicos funcionan con la emisión de ondas elásticas que sondean el subsuelo. El eco sísmico suministra la información sobre la estructura litológica.

G.- Relación entre Profundidad, Penetración y Frecuencia mediante el uso de la Técnica GPR

Las ondas penetrantes de tierra del radar pueden alcanzar profundidades hasta 100 pies (30 metros) en materiales de baja conductividad tales como arena seca o granito. Las arcillas, pizarra, y otros materiales de alta conductividad pueden atenuar o absorber las señales de GPR, disminuyendo grandemente la profundidad de la penetración a 3 pies (1 metro) o menos.

La profundidad de la penetración también es determinada por la antena de GPR usada. Las antenas con frecuencias bajas a partir de 25 a 200 megaciclos obtienen reflexiones subsuperficiales de profundidades más profundas (cerca de 30 a 100 pies o más), pero tienen resolución baja. Estas antenas de frecuencia baja se utilizan epara investigar la geología de un sitio, por ejemplo para el localización de sinkholes o de fracturas, y localizar objetos enterrados a grandes, profundidades. Las antenas con frecuencias más altas a partir de 300 a 1.000 megaciclos obtienen reflexiones de las profundidades bajas (0 a cerca de 30 pies), y tienen alta resolución. Estas antenas de alta frecuencia se utilizan para investigar los suelos superficiales y para localizar objetos enterrados.

La conductividad eléctrica de los materiales del suelo o de la roca a lo largo de las trayectorias de la propagación introduce las pérdidas absorbentes significativas que limitan la profundidad de la penetración. La frecuencia del radar seleccionada para un estudio particular se elige para proporcionar un compromiso aceptable entre una penetración más profunda y una resolución más alta. Las señales de radar de alta frecuencia producen la mayor resolución, pero se limitan más en la profundidad de la penetración. Bajar la frecuencia mejora la profundidad de la exploración porque la atenuación aumenta pero la reducción de la frecuencia da lugar a una pérdida de resolución.

4.- Defina e ilustre lo siguiente:

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico4.1.- Filtros Instrumentales: Estos son dispositivos colocados en

los receptores o geóponos con la finalidad de que no pasen o se registren las ondas de ruido con frecuencia precisamente definidas durante el análisis previo de ruido

4.2.- Tipos de Filtros:

Corte bajo: Un filtro de corte bajo, o paso alto, es aquel filtro que permite pasar todos los componentes de frecuencia que están presentes a partir de una frecuencia de corte especificada y elimina todas las frecuencias menores a la frecuencia de corte del filtro. Gráficamente el filtro de corte bajo se ve de la forma siguiente:

Como se observa en la figura el valor de amplitud del filtro es la unidad para la banda de frecuencia que se desea preservar de la señal y cero para aquella frecuencia que se desean eliminar. La operación matemática involucrada en el filtrado digital corresponde a una multiplicación de los valores de amplitud para cada componente de frecuencia de la señal y el filtro y a la suma de los ángulos fases correspondientes a esos componentes de frecuencia.

Corte alto: Un filtro de corte alto, también llamado de paso bajo, es un operador en el dominio de frecuencia que permite pasar una banda de frecuencias especificadas hasta una frecuencia de corte (fc) y eliminar o filtrar los componentes de frecuencias mayores a la frecuencia del corte del filtro especificada. En forma grafica el filtro se ve de la forma siguiente:

Analíticamente este tipo de filtro funciona de forma análoga a como funciona el filtraje de señales para un filtro de corte alto.

Pasabanda: Este tipo de filtro es un operador en el dominio de tiempo que permite pasar una banda de frecuencia entre dos frecuencias de corte especificadas y filtrar los componentes de frecuencias que quedan

|F|

fc0

1

f

fc0

1

f

|F|

|F|

fc10

1

ffc2

Señales Sísmicas y Ruido Sísmicofuera de esa banda de frecuencia. En forma grafica el filtro se ve de la

forma siguiente:

CONCLUSION

Se puede concluir que el estudio sísmico depende en su totalidad de los métodos de reflexión, refracción entre otros, también que las resoluciones dependen de los instrumentos de recepción que se utilice como, por ejemplo los geóponos, hidrófobos.

Que los mayados de exploración son el complemento del la resolución entre los cuales destacan los de semi-detalles los cuales abarcan de 1 – 2 Km. Que los de detalle abarcan un poco menos 0,5 – 1 Km. Los cuales nos da una resolución mas optima, los de caracterización abarcan mucho menos llegan hasta los 0,5 Km. Pero estos nos dan mayor resolución nos da una perfecta división de las diferentes capas.

Lo devastador que son los diferentes contaminantes de las aguas subterráneas, donde uno de los contaminantes más significativa es la contaminación por nitratos o sea la contaminación por nitrógeno el cual las industrias aprovechan una parte muy pequeña y el resto sale al ecosistema.

La configuración de los receptores también es un factor importante para la resolución, por ejemplo que la configuración dividida nos ofrece mejor resultado que la configuración de empuje ya que esta se caracteriza por tener la fuente en el centro y los receptores a los lados y tiene otra ventaja que no hay que aumentar la potencia de la fuente para obtener buena información.

BIBLIOGRAFIA

Señales Sísmicas y Ruido Sísmico

- Apuntes de clase. http://www.ambientenews.com.ar/a_news/21.htmhttp://usuarios.lycos.es/geoestudio/georadar.htmhttp://www.seed.slb.com/es/career/geoscience/sayers.htmhttp://www.trxconsulting.com/GPhidrologia_carpeta.htmhttp://www.geognosia.com/servicios.htmlhttp://www.aitemin.es/actividades/actividad.php?ida=114http://edafologia.ugr.es/Revista/tomo5/a109t.htm