sismica de reflexao rasa multicomponente - aquisicao e inversao de tempos de transito e amplitudes
DESCRIPTION
Sismica de reflexao rasa multicomponente - Aquisicao e inversao de tempos de transitoTRANSCRIPT
-
UNIVERSIDADE DE SO PAULO
INSTITUTO DE ASTRONOMIA, GEOFSICA E CINCIAS
ATMOSFRICAS
OLEG BOKHONOK
Ssmica de reflexo rasa multicomponente: Aquisio e inverso de tempos de
trnsito e amplitudes.
O ORIGINAL ENCONTRA-SE DISPONVEL NA UNIDADE
VERSO CORRIGIDA
So Paulo
2010
-
OLEG BOKHONOK
Ssmica de reflexo rasa multicomponente: Aquisio e inverso de tempos de
trnsito e amplitudes.
Tese apresentada ao Instituto de
Astronomia, Geofsica e Cincias
Atmosfricas para obteno do ttulo de
Doutor em Geofsica
rea em Concentrao: Geofsica Aplicada
Orientadora: Prof. Dra. Liliana Alcazar
Diogo
Co-Orientador: Prof. Dr. Renato Luiz
Prado
So Paulo
2010
-
Autorizo a reproduo e divulgao total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio
convencional ou eletrnico, para fins de estudo e pesquisa, desde que citada a fonte.
-
Nome: Bokhonok, Oleg
Ttulo: Ssmica de reflexo rasa multicomponente: Aquisio e inverso de tempos de trnsito
e amplitudes.
Tese apresentada ao Instituto de
Astronomia, Geofsica e Cincias
Atmosfricas da Universidade de So
Paulo para obteno do ttulo de Doutor
em Geofsica.
Aprovado em:
Banca Examinadora:
Prof. Dr(a).__________________________ Instituio:______________________________
Julgamento: _________________________ Assinatura:______________________________
Prof. Dr(a).__________________________ Instituio:______________________________
Julgamento: _________________________ Assinatura:______________________________
Prof. Dr(a).__________________________ Instituio:______________________________
Julgamento: _________________________ Assinatura:______________________________
Prof. Dr(a).__________________________Instituio:______________________________
Julgamento: _________________________ Assinatura:______________________________
Prof. Dr(a).__________________________ Instituio:______________________________
Julgamento: _________________________ Assinatura:______________________________
-
minha famlia, pelo amor, carinho, e
compreenso ao longo dos anos de
desenvolvimento deste trabalho.
-
AGRADECIMENTOS
minha orientadora Prof. Dra. Liliana Diogo Alcazar pela dedicao, incentivo,
colaborao, pacincia e dinamismo na orientao deste trabalho.
Ao Prof. Dr. Renato Luiz Prado pela co-orientao, incentivo, respeito, pacincia e
acima de tudo pela valiosa amizade demonstrada principalmente no acolhimento na USP, em
So Paulo e no Brasil.
Ao Prof. Dr. Marcelo Sousa de Assumpo pelas avaliaes e inestimveis
observaes feitas em meus relatrios durante todo meu doutorado.
Aos professores Carlos Alberto Mendona, Francisco Yukio Hiodo, Jorge Luis
Porsani e Wladimir Shukowsky pelo incentivo e discusses sobre temas relevantes da vida e
para este trabalho.
Ao Departamento de Geofsica do Instituto de Astronomia, Geofsica e Cincias
Atmosfricas pela oportunidade de realizar este trabalho de pesquisa.
A CNPQ, CAPES e PAE pelo apoio financeiro.
Aos amigos da ps-graduao e graduao: Ahmad Meguid, Allana Dutra, Alexandre
Lago, Alexandre Lopes, Daniel Franco, Danilo Oliveira, Deborah Souza, Eduardo Rocha,
Elizete Silva, Emerson, Emilson Leite, Eric Font, rika Reyes, Everton Bonfim, Fbio Lucas,
Francisca Souza, Gelvam Hartman, George Frana, Henrique Dal Pozzo, Ivan Zevallos,
Juliana Alencar, Luciano Konzen, Manuelle Paixo, Marcelo Bendelak, Marcelo Bianchi,
Marcelo Peres, Mrio Rosalez, Marcelo Teles, Miguel Carminatti, Renato Frazo, Rodrigo
Ortega, Selma Rodrigues, Srgio Bezerra, Srio Fachin, Shimeles Woldemichael, Soraya
Tuma, pelo companheirismo principalmente nos momentos de parada para uma distrao com
pada, assuntos aleatrios, regados a um bom caf.
Aos amigos Edivaldo, Feodor, Gilmar (Hindu), Jorge(Quarta), Nlton (Vulgo Jabiraca)
e Welitom (Tom) pela franqueza, incentivo e acolhimento em vrios momentos e etapas de
minha histria no Brasil.
s secretrias do Departamento de Geofsica do IAG/USP pela amabilidade com que
sempre nos recebem.
secretria dos cursos de ps-graduao do IAG/USP pela presteza e ateno no
atendimento dos alunos de ps-graduao.
Aos tcnicos do IAG/USP pela eficincia e presteza no suporte e montagem de infra-
estrutura necessria para realizao de trabalhos no campo.
-
empresa Geopesquisa pela colaborao ao ceder seus funcionrios para juntos
levantarmos dados ssmicos para realizao de minha pesquisa.
Aos amigos do CCE pela amizade sempre demonstrada a minha famlia.
Especialmente agradeo a Alberto Camilli, Rosa Perez e Rose Nowak.Aos meus pais pelo
carinho, ateno, incentivo e amor com que me criaram e me oferecem todos os dias de minha
vida.
A minha irm pelas alegrias e brigas na infncia que ajudaram a formar minha base
com lembranas inesquecveis.
A minha filhotinha e esposa pelos sorrisos e amor incondicional que demonstram com
pequenos e grandes gestos, motivando-me a cada dia.
-
RESUMO
Neste trabalho avaliou-se a potencialidade do uso da ssmica rasa de reflexo
multicomponente para investigao geolgica-geotcnica. Foram abordados vrios aspectos
relacionados aquisio dos dados ssmicos de reflexo multicomponente, com o objetivo de
entender as vantagens e limitaes do mtodo para aplicao em investigaes de sub-
superfcie rasa. Os ensaios de campo foram realizados em duas reas, ambas em terrenos da
Bacia Sedimentar de So Paulo, em rea urbana da cidade de So Paulo.
Para a interpretao dos dados ssmicos multicomponente foram investigados
procedimentos para a inverso no-linear dos tempos de trnsito e das amplitudes.
O testes realizados orientaram a escolha da aproximao no-hiperblica mais
apropriada para calculo dos tempos de trnsito visando anlise de velocidades do pacote
acima do refletor.
O estudo numrico desenvolvido para a inverso das amplitudes mostrou a viabilidade
da estimativa das velocidades e densidades, acima e abaixo do refletor, empregando-se as
equaes de Zoeppritz para as ondas refletidas PP, PSv, SvP e SvSv, antes e depois do ngulo
crtico. Dada a complexidade da inverso nao-linear das amplitudes, se fez necessrio
elaborar uma estratgia estocstica de otimizao e desenvolver uma nova abordagem para
anlise da funo objetivo multi-dimensional, garantindo confiabilidade ao resultado da
inverso no-linear.
Os resultados deste trabalho mostraram o potencial da ssmica de reflexo rasa
multicomponente para caracterizao geolgica-geotcnica, possibilitando um melhor
entendimento das camadas superficiais.
-
ABSTRACT
This thesis aims to evaluate the useful of the multicomponent seismic methods for
shallow investigations, mainly its potential for the geotechnical and geological
characterization of the nearsurface. Several aspects regarding the acquisition and processing
data of multicomponent seismic data are discussed. They were based on data set acquired in
the urban area of Sao Paulo city, Brazil. Two different areas were investigated. Both located
in sedimentary terrains belonging to the Sao Paulo Sedimentary Basin.
We present a non-linear travel time and seismic amplitude inversion scheme to
quantitative interpretation of multicomponent seismic data.
Several tests were performed to guide the choice of non-hyperbolic equation more
suitable for travel time inversion aiming the velocity analysis above the reflector.
A numerical experiment developed to solve the nonlinear inversion of seismic
amplitudes showed the feasibility to estimate seismic interval velocities and layer densities
above and below the reflector using the exact Zoeppritz equations for PP, PSv, SvP e SvSv
reflected waves, before and after critical angle. Due to the apparent complexity of the non-
linear seismic amplitude inversion, it was necessary elaborate the strategy for stochastic
optimization and develop a new approach to analyze the multi-dimensional objective
function, with different implications for the accuracy and efficiency of the non-linear
inversion.
The study show the benefits of using the multicomponent seismic method for shallow
geological-geotechnical characterization, improving the nearsurface understanding, once
allows an integrated analyzes of a more complete record of the wave field.
-
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Diagramas representando os tipos de ondas geradas e registradas: (a) onda P
polarizada verticalmente e converso de onda P-Sv; (b) onda Sv polarizada verticalmente e
converso de onda Sv-P; e (c) onda Sh polarizada horizontalmente (Adaptada de Guevara,
2000) ___________________________________________________________________ 26
Figura 2.2 Representao das componentes registradas num sistema de coordenadas
cartesianas (XYZ): (a) assumindo meio isotrpico; (b) assumindo meio anisotrpico; (c)
esquema de aquisio ssmica terrestre 2D 9C__________________________________ __ 28
Figura 2.3 Representao das componentes registradas num sistema de coordenadas
cartesianas (XYZ) assumindo meio isotrpico: (a) ondas PP, PSv, SvP e SvSv decompostos
em planos vertical (z) e horizontal radial (x); (b) onda Sh; (c) ilustrao de decomposio das
ondas P e Sv em planos vertical (z) e horizontal radial (x) __________________________ 29
Figura 2.4 Procedimento de diferena para registros de onda S: (a) ondcula negativa do
sinal da onda Sh; (b) ondcula positiva do sinal da onda Sh; (c) ondcula do sinal da onda Sh
aps realizar a diferena entre os sinais em (a) e (b); e (d) eliminao da ondcula do sinal da
onda Sh aps a soma entre os sinais em (a) e (b) __________________________________ 29
Figura 2.5 Fontes ssmicas para gerar a energia ssmica direcionada em plano vertical: (a)
marreta; (b) Mini-Soise; (c) rifle ssmico; (d) queda de peso; (e) explosivo; (f) mini-vibroseis;
(g) queda de peso acelerada; (h) Mudgun; (i) Geoton 06; (j) vibrador piezoeltrico_______ 31
Figura 2.6 Fontes ssmicas para gerar a energia ssmica direcionada em plano horizontal:
(a) marreta aplicada tangencialmente numa placa de madeira; (b) marreta aplicada
tangencialmente numa placa de ao; (c) marreta aplicada tangencialmente numa placa de
alumnio; (d) rifle ssmico usado num poo inclinado; (e) marreta aplicada tangencialmente
numa tora de madeira acoplada com carro; (f) microvib; (g) marreta aplicada na placa de ao
acoplada numa rampa de solo _________________________________________________32
-
Figura 2.7 Comparao de desempenho da mareta com o rifle ssmico em condies de
nvel da gua na profundidade superior de 30 m (adaptado de Miller et al., 1994) ________ 33
Figura 2.8 Padro de radiao para ondas P e SV_______________________________ 34
Figura 2.9 Ilustrao do geofone vertical (esquerda) horizontal (direita) _____________ 35
Figura 2.10 Funo de transferncia de geofone que mostra a largura da banda de
freqncia registrada e de rudo esprio (adaptado de Faber & Maxwell, 1996) __________36
Figura 2.11 As curvas da resposta procedentes do catlogo do fabricante Geo Space LP
para os geofones de 28 Hz e de 40 Hz, normalmente usados em ssmica rasa ____________37
Figura 2.12 Formas de onda observadas decorrentes do modo de acoplamento e das
propriedades elsticas do solo onde o geofone est acoplado (adaptado de Maxwell et al.,
1994)____________________________________________________________________ 38
Figura 2.13 - Registro de pseudo anlise de rudo e espectro fk com eventos mais
significativos indicados antes do processamento __________________________________ 41
Figura 2.14 (a) Efeito do cone de rudo nos eventos de onda P e onda S (adaptado de
Garotta, 1985). (b) Um exemplo do efeito da presena do cone de rudo nos evento de onda P,
S e convertida P-Sv em dados reais (adquiridos neste trabalho). As janelas temporais
separadas pelas linhas em vermelho no pertencem mesma aquisio, os eventos PP, P-Sv e
Sh-Sh foram representados numa mesma seo para facilitar a comparao _____________42
Figura 2.15 Ilustrao esquemtica de geometria dos testes (a) Anlise de rudo com fonte
fixa; (b) Anlise de rudo com receptores fixos ___________________________________ 45
Figura 2.16 Seo geolgica elaborada atravs da correlao dos 3 poos existentes na
frente ao IAG-USP (adaptado de Borges, 2002) ___________________________________47
Figura 2.17 Mdulo de 24 canais Geode (amarelo) devidamente conectado para a aquisio
dos dados _________________________________________________________________48
-
Figura 2.18 - Arranjo de geofones: um - componente vertical (vermelho) e dois de
componente horizontal (azul), comparado com um geofone 3C (V - componente vertical, H1 -
componente transversal e H2 - componente radial) ________________________________ 48
Figura 2.19 Placa acoplada numa rampa cavada no solo, usada para gerar energia
cisalhante_________________________________________________________________ 49
Figura 2.20 - Registro ssmico bruto 9C em forma de uma matriz 3x3 adquirida na primeira
rea de estudo______________________________________________________________51
Figura 2.21 - Registro ssmico bruto 9C em forma de uma matriz 3x3 adquirida na segunda
rea de estudo______________________________________________________________53
Figura 2.22 Processo de subtrao entre cada trao correspondente dos registros de onda
Sh: registro Xdx (esquerda); registro Xex (centro); diferena entre os registros Xdx e
Xex______________________________________________________________________54
Figura 2.23 Processamento de onda P adquirida no local de estudo 1: Registros ssmicos
acima e espectros f-k abaixo; dado bruto (esquerda), rudo separado de sinal (cenro); sinal
(direita); Evento de reflexo de onda P est marcado com cor
vermelha__________________________________________________________________55
Figura 2.24 - Processamento de onda S cisalhante adquirida no local de estudo 1 : Registros
ssmicos acima e espectros f-k abaixo; dado bruto (esquerda), rudo (cenro); sinal (direita);
Evento de reflexo de onda S est marcado com cor
vermelha__________________________________________________________________56
Figura 2.25 Processamento de onda PS adquirida no local de estudo 1: Registros ssmicos
acima e espectros f-k abaixo; dado bruto (esquerda), rudo separado de sinal (cenro); sinal
(direita); Evento de reflexo de onda PS e/ou SP est marcado com cor
vermelha__________________________________________________________________57
-
Figura 2.26 Dado ssmico 9C adquirido na primeira rea e processado intuito de visualizar
a presena de energia de onda P nos dados. Os eventos de onda P esto indicados com setas
vermelhas ________________________________________________________________ 58
Figura 2.27 Dado ssmico 9C adquirido na primeira rea e processado intuito de visualizar
a presena de energia de onda S nos dados. Os eventos de onda S esto indicados com setas
vermelhas_________________________________________________________________59
Figura 2.28 - Dado ssmico 9C adquirido na primeira rea e processado intuito de visualizar a
presena de energia de onda PS e/ou SP nos dados. Os eventos de onda PS e/ou SPesto
indicados com setas vermelhas________________________________________________ 60
Figura 2.29 - Processamento de onda P adquirida no local de estudo 2: Registros ssmicos
acima e espectros f-k abaixo; dado bruto (esquerda), rudo separado de sinal (cenro); sinal
(direita); Evento de reflexo de onda P est marcado com cor vermelha________________ 61
.
Figura 2.30 Processamento de onda S cisalhante adquirida no local de estudo 2 : Registros
ssmicos acima e espectros f-k abaixo; dado bruto (esquerda), rudo (cenro); sinal (direita);
Evento de reflexo de onda S est marcado com cor vermelha _______________________ 62
Figura 2.31 Processamento de onda PS e/ou SP cisalhante adquirida no local de estudo 2 :
Registros ssmicos acima e espectros f-k abaixo; dado bruto (esquerda), rudo (cenro); sinal
(direita); Evento de reflexo de onda PS e/ou SP est marcado com cor vermelha ________63
Figura 2.32 - Dado ssmico 9C adquirido na segunda rea e processado intuito de visualizar a
presena de energia de onda P nos dados. Os eventos de onda P esto indicados com setas
vermelhas ________________________________________________________________64
Figura 2.33 - Dado ssmico 9C adquirido na segunda rea e processado intuito de visualizar a
presena de energia de onda S nos dados. Os eventos de onda S esto indicados com setas
vermelhas ________________________________________________________________65
-
Figura 2.34 - Dado ssmico 9C adquirido na segunda rea e processado intuito de visualizar a
presena de energia de onda PS e/ou SP nos dados. Os eventos de onda PS e/ou SP esto
indicados com setas vermelhas________________________________________________ 66
Figura 3.1 - Fluxograma genrico de um procedimento de otimizao ________________ 69
Figura 3.2 Mnimos e mximos locais e globais de uma funo em duas dimenses. A
soluo do problema inverso corresponde ao ponto de mnimo, ou de mximo, global
dependo do critrio representado pelo funo objetivo _____________________________70
Figura 3.3 Substituio do pior dos vrtices do simplex refletindo o ponto atravs do
centride da face oposta (exemplo de simplex em duas dimenses) __________________ 71
Figura 3.4 Exemplos de politopos de (n+1) vrtices em n dimenses_______________ 72
Figura 3.5 Politopos representados usando projeo ortogonal: (1) linha 1 ; (2) tringulo
2 ; (3) tetraedro 3 ; (4) pentaedro 4 ; (5) hexaedro 5 ; (6) heptaedro 6 __________72
Figura 3.6 Possveis passos do algoritmo de Nelder-Mead aplicado para espao 2 ____76
Figura 3.7 Grfico da Funo Densidade de Probabilidade Gaussiana (eq. 3.12) _______ 81
Figura 3.8 - Construo de um histograma com 1000 dados distribudos aleatoriamente no
intervalo [-3,3] subdividos em bins(h) de 0.2 _____________________________________82
Figura 3.9 - Mapas de disperso (coluna da esquerda) e a aplicao de agrupamento por
ncleo de densidade para reduo do espao para funo objetivo (coluna da direita),
exemplificado para a inverso do coeficiente de reflexo (Captulo 5) da onda convertida PS,
para trs pares de parmetros: (a) e (b) Vp1-Vp2; (c) e (d) Vs1-Vs2; (e) e (f) rho1-rho2; A
escala de cores dos mapas esquerda diferente da representao direita ____________ 87
Figura 3.10 - Distribuio de solues em torno do mnimo global obtido usando algoritmo
de optimizao hbrido (CRS-NM): (a) Vp1-Vp2; (b) Vs1-Vs2; (c) rho1-rho2 __________ 88
-
Figura 3.11 Grfico da funo densidade de probabilidade para uma destribuio
reamostrada mltiplas vezes usando bootstrap, onde os parametros so estimados usando
mediana. Valore exatos: VP1=1500 m/s; VP2=3750 m/s; VS1=452 m/s; VS2=2165 m/s;
RHO1=1530 kg/m3; RHO2=2165 kg/m
3 ________________________________________ 89
Figura 4.1 - Os dados sintticos com eventos de reflexo de ondas P, S e PS gerados com
programa Seis88, e os grficos com tempos de trnsito observados___________________ 95
Figura 4.2 Erros na estimativa dos parmetros (Tabela 4.2) para a onda PP, Teste1_____98
Figura 4.3 Comparao das curvas de erro nos tempos de trnsito, em funo do
afastamento, geradas usando os valores de velocidade e tempo normal estimados pela
inverso dos tempos da onda PP, Teste 1 (Tabela 4.2): para a primeira interface (acima) e
para segunda interface (abaixo) _______________________________________________99
Figura 4.4 Erros na estimativa dos parmetros (Tabela 4.3) para a onda PP, Teste2 ___100
Figura 4.5 Comparao das curvas de erro nos tempos de trnsito, em funo do
afastamento, geradas usando os valores de velocidade e tempo normal estimados pela
inverso dos tempos da onda PP, Teste 2 (Tabela 4.3): para a primeira interface (acima) e
para segunda interface (abaixo) ______________________________________________101
Figura 4.6 Erros na estimativa dos parmetros (Tabela 4.3) para a onda PP, Teste3 ___102
Figura 4.7 Comparao das curvas de erro nos tempos de trnsito, em funo do
afastamento, geradas usando os valores de velocidade e tempo normal estimados pela
inverso dos tempos da onda PP, Teste 3, para segunda interface (Tabela 4.4). Abaixo em
escala ampliada __________________________________________________________ 103
Figura 4.8 Erros na estimativa dos parmetros (Tabela 4.5) para a onda SS, Teste1 ___ 105
Figura 4.9 Comparao das curvas de erro nos tempos de trnsito, em funo do
afastamento, geradas usando os valores de velocidade e tempo normal estimados pela
-
inverso dos tempos da onda SS, Teste1 (Tabela 4.5): para a primeira interface (acima) e para
segunda interface (abaixo) ______________________________________________ 106
Figura 4.10 Erros na estimativa dos parmetros (Tabela 4.6) para a onda SS, Teste2 __ 107
Figura 4.11 Comparao das curvas de erro nos tempos de trnsito, em funo do
afastamento, geradas usando os valores de velocidade e tempo normal estimados pela
inverso dos tempos da onda SS, Teste2 (Tabela 4.6): para a primeira interface (acima) e para
segunda interface (abaixo)_______________________________________________108
Figura 4.12 Erros na estimativa dos parmetros (Tabela 4.7) para a onda PS, Teste1___110
Figura 4.13 Comparao das curvas de erro nos tempos de trnsito, em funo do
afastamento, geradas usando os valores de velocidade e tempo normal estimados pela
inverso dos tempos da onda PS, Teste 1 (Tabela 4.7): para a primeira interface (acima) e
para segunda interface (abaixo)______________________________________________111
Figura 4.14 Erros na estimativa dos parmetros (Tabela 4.8) para a onda PS, Teste2___112
Figura 4.15 Comparao das curvas de erro nos tempos de trnsito, em funo do
afastamento, geradas usando os valores de velocidade e tempo normal estimados pela
inverso dos tempos da onda PS, Teste 2 (Tabela 4.8): para a primeira interface (acima) e
para segunda interface (abaixo)_______________________________________________113
Figura 4.16 Erros na estimativa dos parmetros (Tabela 4.9) para a onda PS, Teste3 ___114
Figura 4.17 Comparao das curvas de erro nos tempos de trnsito, em funo do
afastamento, geradas usando os valores de velocidade e tempo normal estimados pela
inverso dos tempos da onda PS, Teste 3 (Tabela 4.9): para segunda interface__________115
Figura 4.18 - Os dados reais com eventos de reflexo de ondas PP, SS e PS interpretados, e
os grficos com tempos de trnsito observados_________________________________117
-
Figura 4.19 Estudo de caso 1: Tempos de trnsito observados para ondas PP, SS e PS (linha
azul), e os tempos de transito obtidos pela inverso (pontos vermelhos)______________118
Figura 4.20 Estudo de caso 2: Os dados reais com eventos de reflexo de ondas PP, SS e
PS interpretados, e os grficos com tempos de trnsito observados__________________119
Figura 4.21 Estudo de caso 2: Tempos de trnsito observados para ondas PP, SS e PS (linha
azul), e os tempos de transito obtidos pela inverso (pontos vermelhos)_______________120
Figura 5.1 - Desenho de ondas refletidas P-P, P-S, S-P, S-S incidindo numa interface entre
dois meios slidos, indicando as direes do movimento de partculas (adaptada de Ikelle e
Amundsen, 2005)__________________________________________________________124
Figura 5.2 - Sismogramas sintticos das reflexes e as respectivas curvas dos coeficientes de
reflexo, ilustrando as ondas ssmicas P-P, P-Sv, Sv-P, Sv-Sv decompostas em planos vertical
(z) e radial (x) ____________________________________________________________134
Figura 5.3 - Anlise de sensibilidade: mdulo da diferena entre os valores dos coeficientes
de reflexo: calculados para todos parmetros corretos e com erro de 10% no parmetro
indicado _________________________________________________________________136
Figura 5.4 (a) Mapa de disperso sobreposto mapa de contorno de funo objetivo; (b)
ambigidade global (linha vermelha) no coincide com ambigidade que aparece no mapa de
contorno; (c) as duas curvas so do coeficiente de reflexo PP, so idnticas e calculadas
usando valores que correspondem aos pontos amarelo (modelo) e verde claro (marcados sobre
ambigidade global); (d) curvas do coeficiente de reflexo PP calculadas a partir dos valores
que correspondem ao ponto verde claro, tomado: do mapa de disperso (curva azul) e do
mapa de contorno da funo objetivo (curva vermelha) ____________________________141
Figura 5.5 - Mapas de disperso para as densidades otimizadas usando coeficiente de
reflexo de onda SvSv: (a) de 0 a 30 graus; (b) de 30 a 60 graus _____________________142
Figura 5.6 Exemplos de anlise das disperses para avaliar: (a) e (c) a influncia do
tamanho do espao inicial de busca; (b) e (d) a performance de diferentes procedimentos de
busca; (e), (g) e (i) a comparao entre diferentes funes objetivo; (f), (h) e (j) o efeito do
rudo nos dados________________________________________________________144
-
Figura 5.7 Grficos gerados empregando o mtodo de agrupamento pelo ncleo de
densidade aplicado para os mapas de disperso apresentadas na Figura 5.6-f, -h e -j : (a) e (b)
P-P; (c) e (d) P-S; (e) e (f) P-P com P-S (conjunta) _______________________________145
Figura 5.8 Mapas de disperso de trs pares de parmetros (Vp1-Vp2, Vs1-Vs2, rho1-rho2)
para funo objetivo individual Rppf (esquerda) comparando com funo objetivo conjunto
RsvsvRsvpRpsvRppf ,,, __________________________________________________________148
Figura 5.9 Mapas de disperso de trs pares de parmetros (Vp1-Vp2, Vs1-Vs2, rho1-rho2) para
funo objetivo Rppf (esquerda) comparando com funo objetivo conjunta RsvsvRsvpRpsvRppf ,,,
(direita)__________________________________________________________________149
Figura 5.10 Curva de coeficiente de reflexo de onda P ideal e com rudo gaussiano branco
aditivo __________________________________________________________________ 150
Figura 5.11 Erro relativo para cada parmetro quando efetuando inverses individuais e as
conjuntas de dado com rudo ________________________________________________152
-
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Parmetros de aquisio no local 1: anlise de rudo 9C com receptores fixos_50
Tabela 2.2 Parmetros de aquisio no local 2: anlise de rudo 9C com fonte fixa______52
Tabela 3.1 Variveis aleatrias discretas e a probabilidade de ocorrncia para o exemplo de
lanamento de um dado______________________________________________________80
Tabela 4.1 Modelo intervalar utilizado para gerar os dados sintticos________________96
Tabela 4.2 Comparao dos valores de velocidade e tempo normal, estimados pela inverso
dos tempos da onda PP calculados por 7 equaes diferentes para o Teste 1: todos os
afastamentos disponveis, at 128 m__________________________________________98
Tabela 4.3 Comparao de valores de velocidade e tempo normal, estimados pela inverso
de tempos da onda PP calculados por 7 equaes diferentes para o Teste 2: usando os tempos
para afastamentos prximos at 1,5 vezes a profundidade do refletor_________________100
Tabela 4.4 Comparao de valores de velocidade e tempo normal, estimados pela inverso
de tempos da onda PP calculados por 7 equaes diferentes para o Teste 3: para segunda
interface, usando os tempos observados na janela de afastamentos de 2 at 4.2 vezes a
profundidade do refletor___________________________________________________102
Tabela 4.5 Comparao dos valores de velocidade e tempo normal, estimados pela inverso
dos tempos da onda SS calculados por 7 equaes diferentes, para o Teste 1: todos os
afastamentos disponveis, at 128 m___________________________________________105
Tabela 4.6 Comparao dos valores de velocidade e tempo normal, estimados pela inverso
dos tempos da onda SS calculados por 7 equaes diferentes, para o Teste 2: usando os
tempos para afastamentos prximos at 1,5 vezes a profundidade do refletor___________107
-
Tabela 4.7 Comparao dos valores de velocidade e tempo normal, estimados pela inverso
dos tempos da onda convertida PS calculados por 7 equaes diferentes, para o Teste 1: todos
os afastamentos disponveis, at 128 m_______________________________________110
Tabela 4.8 Comparao dos valores de velocidade e tempo normal, estimados pela inverso
dos tempos da onda PS calculados por 7 equaes diferentes, para o Teste 2: usando os
tempos para afastamentos prximos at 1,5 vezes a profundidade do refletor___________112
Tabela 4.9 Comparao de valores de velocidade e tempo normal, estimados pela inverso
de tempos da onda PS calculados por 7 equaes diferentes para o Teste 3: para segunda
interface, usando os tempos observados na janela de afastamentos de 2 at 4.2 vezes a
profundidade do refletor___________________________________________________114
Tabela 4.10 Estudo de caso 1: valores de velocidade e tempo normal, estimados pela
inverso de tempos da onda P, S e PS_________________________________________118
Tabela 4.11 Estudo de caso 2: valores de velocidade e tempo normal, estimados pela
inverso de tempos da onda P, S e PS________________________________________120
Tabela 5.1 Parmetros de modelo numrico___________________________________134
Tabela 5.2 Resultados de inverses individuais e as conjuntas de dado sem rudo______147
Tabela 5.3 Resultados de inverses individuais e as conjuntas de dado com rudo_____151
-
SUMRIO
CAPTULO 1 ................................................................................................................. 22
1 INTRODUO ......................................................................................................... 22
CAPTULO 2 .................................................................................................................. 25
2 AQUISIO SSMICA MULTICOMPONENTE ................................................. 25
2.1 INTRODUO .................................................................................................... 25
2.2 AQUISIO 9C .................................................................................................. 26
2.3 FONTES DE ENERGIA SSMICA .................................................................. 30
2.4 RECEPTORES .................................................................................................... 35
2.5 PARAMTROS DE AQUISIO ................................................................... 40
2.6 ANLISE DE RUDO ....................................................................................... 45
2.7 AQUISIO REALIZADA ............................................................................... 46
2.7.1 reas de estudo e contexto geolgico .............................................................. 46
2.7.2 Equipamento utilizado ...................................................................................... 47
2.7.3 Dados adquiridos .............................................................................................. 50
2.8 PROCESSAMENTO DOS DADOS ADQUIRIDOS ........................................ 54
2.9 RESULTADOS E DISCUSSES ....................................................................... 67
CAPTULO 3 ................................................................................................................. 68
3 OTIMIZAO ......................................................................................................... 68
3.1 MTODOS DE BUSCA DIRETA .................................................................... 71
3.1.1 Mtodo de Nelder-Mead ................................................................................. 71
3.1.2 Mtodo CRS (Controlled Random Search) ................................................... 77
3.2 PROCEDIMENTO MULTI-START ................................................................. 78
3.3 ASPECTOS ESTATSTICOS ........................................................................... 79
3.3.1 Funes de varivel aleatria .......................................................................... 79
3.3.2 Estimativa da densidade da varivel aleatria .................................................. 81
3.3.3 Tcnica Bootstrap ............................................................................................ 84
3.4 MAPAS DE DISPERSO .................................................................................. 85
3.5 METODOLOGIA DE OTIMIZAO ESTOCSTICA PROPOSTA ........ 86
-
CAPTULO 4 .................................................................................................................. 90
4 INVERSO DE TEMPOS DE TRNSITO MULTICOMPONENTES ............ 90
4.1 INTRODUO ................................................................................................... 90
4.2 EQUAES DE TEMPO DE TRNSITO ..................................................... 92
4.3 ESTRATGIA DE INVERSO ........................................................................ 94
4.4 RESULTADO DA INVERSO ......................................................................... 95
4.4.1 Dados Sintticos ................................................................................................ 95
4.4.1.1 Estimativa dos parmetros a partir do tempo de trnsito da onda PP ........ 98
4.4.1.2 Estimativa dos parmetros a partir de tempo de trnsito de onda SS .......... 105
4.4.1.3 Estimativa dos parmetros a partir de tempo de trnsito de onda PS ......... 110
4.4.2 Dados Reais ....................................................................................................... 116
4.5 DISCUSSO ......................................................................................................... 121
CAPTULO 5 .................................................................................................................. 122
5 INVERSO DE AMPLITUDES SSMICAS MULTICOMPONENTE ............ 122
5.1 INTRODUO.................................................................................................... 122
5.2 COEFICIENTES DE REFLEXO: EQUAES DE ZOEPPRITZ............ 124
5.3 ANLISE DE SENSIBILIDADE DOS PARMETROS ................................ 135
5.4 ESTRATGIA DE INVERSO ......................... 137
5.4.1 Anlise da funo objetivo .............................................................................. 140
5.4.2 Anlise dos mapas de disperso ....................................................................... 141
5.5 RESULTADOS DA INVERSO SOBRE DADOS SINTTICOS.................. 146
5.6 DISCUSSES E CONCLUSES........................................................................ 153
CAPTULO 6 .................................................................................................................. 154
6 CONCLUSES ......................................................................................................... 154
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ......................................................................... 156
-
Introduo 22 ________________________________________________________________________________________________________________________
CAPTULO 1
1 INTRODUO
A ssmica multicomponente registra um campo de onda mais completo do que a
ssmica convencional, que utiliza apenas a onda compressional, e desta maneira pode oferecer
uma caracterizao de sub-superficie mais detalhada. H alguns anos, o potencial de uso de
dados ssmicos multicomponente reconhecido pela comunidade cientfica e pela indstria
petrolfera. Entretanto apenas recentemente, principalmente nos ltimos 5 anos, que avanos
vem de fato sendo desenvolvidos nessa rea (Davis, 2001; Maxwel & Criss, 2006; Kendall,
2006; entre outros). A tendncia para o futuro que todos os levantamentos, em terra ou no
mar, sejam conduzidos com aquisio multicomponente (Davis, 2001; Maxwel & Criss,
2006).
A aquisio ssmica multicomponente em terra pode ser subdividida em vrios tipos,
tais como: 3C, 4C, 6C e 9C. Onde "C" representa "componente". A aquisio de dados
ssmicos de reflexo de nove componentes (9C) requer a configurao de fonte e receptores,
ambos com trs componentes orientadas de forma ortogonal, envolvendo a gerao e registro
da onda P polarizada verticalmente, da onda S polarizada verticalmente (Sv) e
horizontalmente (Sh). A aquisio 3C normalmente atribuda fonte vertical usando trs
componentes de registro.
Existem poucos trabalhos que tratam da ssmica de reflexo multicomponente na
escala de investigao rasa, como exemplos podem ser citados Dasios et al. (1999), Guy
(2006), Pugin (2008) e Pugin et. al. (2009). Esses autores comentam que a pesquisa nessa rea
est em sua etapa inicial e necessrio melhorar o entendimento do uso do mtodo. A
respeito da aquisio de dados multicomponente, entre os tpicos de maior prioridade, est a
avaliao de fontes adequadas para a gerao de energia de cisalhamento. A definio dos
parmetros de aquisio tambm crtica, pois necessrio buscar um compromisso para
vrias componentes de onda registradas simultaneamente.
-
Introduo 23 ________________________________________________________________________________________________________________________
O mtodo de reflexo ssmica permite tanto a caracterizao estrutural em sub-
superficie, como a estimativa de propriedades elsticas dos meios.
O tempo de trnsito o atributo mais importante na ssmica de reflexo, quando o
objetivo a determinao das estruturas geolgicas em subsuperfcie. Os mtodos de anlise
de velocidades das ondas ssmicas fundamentam-se no ajuste da equao de tempo de
percurso aos tempos das reflexes identificadas nos registros ssmicos. Na forma
convencional utilizada a aproximao hiperblica para as curvas de tempo, a qual no
vlida para afastamentos longos (maiores que a profundidade do refletor), para meios
heterogneos, anisotrpicos e tambm para reflexes de ondas convertidas PS e SP. Vrias
equaes tm sido propostas para se obter uma melhor aproximao para os tempos dos
eventos de reflexo no hiperblicos. Na maioria das novas equaes, alm da velocidade e
do tempo normal, introduzido mais um parmetro, que representa o quanto a curva de tempo
do evento analisado difere da hiprbole. Nesse caso o problema da anlise de velocidades
possui trs incgnitas. Sendo assim, uma forma conveniente para a sua soluo, trat-lo
como um problema de inverso segundo um critrio de otimizao.
A maioria das aproximaes propostas para as curvas de tempos de trnsito foi
avaliada numericamente e em dados reais na escala profunda (explorao de
hidrocarbonetos). Esse assunto, porm, no recebeu devida ateno na rea de ssmica de
reflexo rasa (engenharia, hidrogeologia, etc.). Embora seja de grande importncia, pois,
devido forte interferncia de rudos coerentes, comum encontrar situaes quando as
reflexes rasas so mascaradas por rudos coerentes e no podem ser observadas nos
afastamentos curtos. Outro desafio a habitual heterogeneidade das camadas superficiais.
As amplitudes dos sinais refletidos se relacionam s propriedades elsticas dos meios.
Os coeficientes de reflexo das ondas ssmicas que incidem numa interface que separa dois
meios distintos so fornecidos pelas equaes de Zoeppritz, descritas em funo de seis
1 2 1 2) e a
1 2), todos acima e abaixo da interface refletora). O conhecimento destes
parmetros elsticos em sub-superfcie permite o acesso direto a informaes sobre o
comportamento mecnico e hidrulico dos macios rochosos e terrosos (compressibilidade,
resistncia ao cisalhamento, porosidade, permeabilidade, razo de Poisson, etc.). Entre as
possveis aplicaes destas informaes na escala de investigao rasa destacam-se: a
-
Introduo 24 ________________________________________________________________________________________________________________________
deteco quantitativa de mudanas nas propriedades dos meios em sub-superfcie durante a
construo de tneis (Kneib, et al., 2000); a caracterizao de aqferos (Giustiniani et al.,
2008); a identificao de mudanas litolgicas e de porosidade (Domenico, 1984); o
entendimento dos efeitos produzidos pela camada de baixa velocidade no imageamento
ssmico para explorao de hidrocarbonetos (Guevara, 2001).
O presente trabalho dedica-se a analisar alguns aspectos do emprego da ssmica de
reflexo rasa multicomponente para estabelecer a validao deste mtodo para a soluo de
problemas na investigao geolgico-geotcnica rasa em reas urbanas. Foi dada nfase na
avaliao de aspectos relacionados aquisio e estimativa de parmetros elsticos dos
meios, considerando-se a inverso dos tempos de trnsito e das amplitudes das reflexes.
Especial ateno foi dedicada estratgia de inverso das amplitudes, que por tratar-se de um
problema mal-posto e altamente no linear, necessitou a elaborao de uma estratgia
estocstica de otimizao e o desenvolvimento de uma nova abordagem para anlise da
funo objetivo multi-dimensional e multi-modal.
Para a realizao da aquisio de ensaios ssmicos multicomponentes (9C) foram
escolhidas duas reas dentro da cidade de So Paulo, especificamente no campus da USP-So
Paulo, que renem todas as caractersticas normalmente associadas s reas urbanas, que so:
intenso trfego de veculos e pessoas, terrenos pavimentados e no pavimentados e presena
de rede eltrica. Alm disso, essas reas j foram objeto de investigao geolgico-geotcnica
com a perfurao de algumas sondagens mecnicas.
O texto est organizado da seguinte forma: no captulo 2 so tratados os aspectos da
aquisio de dados multicomponente e apresentados os dados adquiridos nos ensaios de
campo; o captulo 3 trata dos mtodos de otimizao utilizados para a busca da soluo dos
problemas inverso investigados; no captulo 4 apresentada a estratgia para a inverso dos
tempos de trnsito e os resultados obtidos dos estudos numricos e os avaliados sobre os
dados reais; e no captulo 5 so discutidos diversos aspectos da estratgia de inverso das
amplitudes e os resultados dos estudos numricos realizados. Uma introduo mais detalhada
sobre cada um dos tpicos investigados apresentada no incio de cada respectivo captulo. E
por fim, no captulo 6 seguem as concluses do trabalho realizado.
-
Aquisio ssmica multicomponente 25 ______________________________________________________________________________________________________________________________
CAPTULO 2
2 AQUISIO SISMICA MULTICOMPONENTE
2.1 INTRODUO
O potencial de uso de dados ssmicos multicomponente reconhecido pela
comunidade cientfica e pela indstria petrolfera desde os anos 60 do sculo passado. Pickett
(1963) mostrou que o uso da razo Vp/Vs possibilita a discriminao litolgica, Gardner e
Harris (1968) mostraram que a resposta de Vp/Vs ajuda a detectar os depsitos de gs e,
finalmente Cherry e Waters (1968) e Erickson et al., (1968) mostraram a viabilidade de gerar
a onda cisalhante com uma fonte mecnica. Entretanto apenas recentemente, principalmente
nos ltimos 5 anos, que avanos vem de fato sendo desenvolvidos nessa rea (Davis, 2001;
Maxwel & Criss, 2006; Kendall, 2006; entre outros). Principalmente graas a avanos
tecnolgicos em equipamentos e capacidade de registro, o que barateou o custo da aquisio
dos dados, seguido por avanos nas tcnicas de processamento e interpretao.
O que motiva o avano em pesquisas no uso de dados ssmicos multicomponente o
desejo em se adquirir mais informaes dos dados, para garantir melhores resultados. A
tendncia para o futuro que todos os levantamentos, em terra ou no mar, sejam conduzidos
com aquisio multicomponente (Davis, 2001; Maxwel & Criss, 2006).
A partir de 1984 observado um grande interesse na aquisio conjunta das ondas P e
S para objetivos de engenharia civil e hidrogeologia (Hasbrouck, W. P., 1983, 1991; Goforth
and Hayward, 1992; Garrota, R., 1985).
Na escala de investigao rasa, que o foco deste trabalho, os cuidados na escolha
adequada dos parmetros de aquisio so crticos para o uso eficaz do mtodo ssmico de
reflexo, tanto no emprego convencional da onda compressional, e tornando-se mais
importante na utilizao de dados multicomponente. A fonte adequada para a gerao de
energia de cisalhamento um dos aspectos na aquisio ssmica multicomponente que ainda
precisa ser investigado e desenvolvido. Os trabalhos recentes de Dasios et al. (1999), Guy
(2006), Pugin et. al. (2008) e Pugin et. al. (2009) sugerem a viabilidade de obteno de
registros ssmicos multicomponente na escala rasa, porem concluem que a complexidade de
aplicao deste mtodo em sub-superfcie rasa precisa ser melhor investigada.
-
Aquisio ssmica multicomponente 26 ______________________________________________________________________________________________________________________________
2.2 AQUISIO 9C
A aquisio de dados ssmicos de reflexo multicomponente (9C) requer a
configurao de fonte e receptores, ambos com trs componentes orientadas de forma
ortogonal, envolvendo a gerao e registro de: onda P polarizada verticalmente (Figura 2.1a),
onda S polarizada verticalmente (Sv) (Figura 2.1b) e polarizada horizontalmente (Sh) (Figura
2.1c), atravs de arranjos conhecidos como vertical, radial e transversal, respectivamente. Nas
interfaces ocorrem converses da onda P para onda Sv (P-Sv) e tambm de onda Sv para onda
P (Sv-P) (Figura 2.1a e b).
(a) (b) (c)
Figura 2.1 Diagramas representando os tipos de ondas geradas e registradas: (a) onda P polarizada
verticalmente e converso de onda P-Sv; (b) onda Sv polarizada verticalmente e converso de onda
Sv-P; e (c) onda Sh polarizada horizontalmente (Adaptada de Guevara, 2000)
As principais componentes registradas, considerando-se meios isotrpicos, dos tipos
de ondas usadas na explorao esto apresentadas num sistema de coordenadas cartesianas
(XYZ) (Figura 2.2a), sendo as fontes representadas pela letra maiscula e os receptores pela
letra minscula, da seguinte forma:
- Zz corresponde ao modo compressional;
- Zx e Xz corresponde ao modo das ondas convertidas PSv e SvP;
- Xx corresponde ao modo da onda Sv;
- Yy corresponde ao modo da onda Sh.
-
Aquisio ssmica multicomponente 27 ______________________________________________________________________________________________________________________________
Na representao da Figura 2.2a h quatro vazios que envolvem a componente Y
correspondendo direo transversal, associada ao modo Sh. Isso porque o modo Sh
produzido no plano horizontal e, em meios isotrpicos, no ocorrem converses para outros
planos (Garrota, 1985).
Para estudos de casos com anisotropia so aproveitadas ainda as coordenadas Xy, Yx,
Zy e Yz (Figura 2.2b) (Simmons and Backus, 1999). Um exemplo o efeito produzido na
propagao das ondas cisalhantes num modelo de camadas paralelas cortadas por um sistema
de fraturas alinhadas (Crampin, 1985; Crampin and Lynn, 1989). Se a incidncia da onda
ssmica perpendicular ao eixo de simetria (paralela aos planos das fraturas), a velocidade da
onda P no se altera, mas o campo de onda S vai sofrer o fenmeno de bi-refringncia, e
decomposto em duas ondas S mutuamente perpendiculares S1 e S2. Uma paralela (mais
rpida) e outra perpendicular s fraturas respectivamente (mais lenta, por atravessar meios
de rigidez diferente). As caractersticas do meio anisotrpico e o percurso total efetuado no
meio afetam o grau de anisotropia observado. A diferena de amplitude entre as duas
componentes de onda cisalhante (S1 e S2) (Mueller, 1991) e a diferena de tempo de
propagao entre componentes S1 e S2 (Tatham et al.,1992), relacionam-se com a densidade
de fraturas.
-
Aquisio ssmica multicomponente 28 ______________________________________________________________________________________________________________________________
Figura 2.2 Representao das componentes registradas num sistema de coordenadas cartesianas
(XYZ): (a) assumindo meio isotrpico; (b) assumindo meio anisotrpico; (c) esquema de aquisio ssmica terrestre 2D 9C
A Figura 2.2 uma representao habitual de campo de onda multicomponente, que
no leva em conta a decomposio das ondas P e Sv no plano x-z, nas direes vertical (z) e
horizontal radial (x) (Figura 2.3c). A representao que considera a decomposio do campo
de onda multicomponente est nas Figuras 2.3a e 2.3b. Portanto num meio isotrpico so
registrados nove eventos refletidos para a mesma interface (Figuras 2.3a e 2.3b) e no cinco
(Figura 2.2a).
(a) (b)
(c)
-
Aquisio ssmica multicomponente 29 ______________________________________________________________________________________________________________________________
Figura 2.3 Representao das componentes registradas num sistema de coordenadas cartesianas
(XYZ) assumindo o meio isotrpico: (a) ondas PP, PSv, SvP e SvSv decompostas nas direes vertical
(z) e horizontal radial (x); (b) onda Sh; (c) ilustrao de decomposio das ondas P e Sv nas direes vertical (z) e horizontal radial (x)
Durante uma aquisio 9C, para cada posio do ponto de tiro, so realizadas
seqncias de golpes nos lados opostos na direo radial e transversal (Figura 2.2.c). Deste
modo possvel obter dois registros com as ondculas das ondas Sh e Sv de polaridades
opostas e sem mudana na polaridade da ondcula da onda P, que ser sempre a mesma. Isto
permite realizar a diferena entre cada trao correspondente dos registros, aumentando deste
modo a amplitude da ondcula das ondas Sh e Sv e eliminando parcialmente a ondcula da
onda P. Do mesmo modo, a soma entre cada trao correspondente dos registros, suprime a
energia da onda S (Figura 2.4). Este procedimento til para aumentar a relao S/R nos
registros de onda cisalhante.
Figura 2.4 Procedimento de diferena para registros de onda S: (a) ondcula com polaridade negativa da onda Sh; (b) ondcula com polaridade positiva da onda Sh; (c) ondcula do sinal da onda
Sh aps realizar a diferena entre os sinais em (b) e (a); e (d) eliminao da ondcula da onda Sh aps
a soma dos sinais em (a) e (b)
(c)
(a)
(b)
-
Aquisio ssmica multicomponente 30 ______________________________________________________________________________________________________________________________
2.3 FONTES DE ENERGIA SSMICA
A seleo da fonte apropriada vital para o sucesso da aquisio de dados de ssmica
rasa usando ondas P, S ou as duas simultaneamente. A escolha da fonte baseada
principalmente em dois critrios: (1) gerar energia suficiente que resulte numa boa relao
sinal/rudo (S/R) a fim de adquirir a informao adequada em diferentes profundidades de
investigao; e (2) gerar energia dentro de uma banda de freqncia larga de modo a
conseguir a resoluo suficiente (Knapp & Steeples, 1986b; McCann et al., 1985; Miller et
al., 1986; Pullan and MacAulay, 1987; Miller et al., 1992, 1994). Outros critrios so
baseados na convenincia do uso, na segurana e na repetibilidade da fonte. A fonte
selecionada no somente tem que cumprir as exigncias acima, mas tambm no deve
comprometer o oramento do ensaio ssmico.
A pesquisa sobre fontes ssmicas aplicadas em ssmica rasa no tem sido conduzida
para encontrar a melhor fonte para todas as situaes, pois a prtica tem revelado que a
eficincia de uma fonte depende tambm das condies encontradas na rea do teste (Pullan e
MacAulay, 1987). Ela est orientada para estudar as respostas de vrias fontes em um local
com determinadas caractersticas. Alm disso, e na medida do possvel, o resultado das
comparaes deve ser quantificado a fim de mostrar de maneira clara as caractersticas gerais
das fontes. Na bibliografia disponvel verifica-se que as caractersticas de uma fonte,
incluindo suas propriedades e a atenuao espectral, variam de acordo com o local do ensaio,
de um modo quase imprevisvel (Pullan & MacAulay 1987, Miller et al., 1986, 1992, 1994).
De acordo com a classificao disponvel, as fontes ssmicas podem ser divididas em
dois grupos principais: (1) fontes superficiais impulsivas (marreta, queda de peso, queda de
peso acelerada, geoton 06, mudgun) e de vibrao (MiniSoise, Mini-Vibroseis); (2) fontes
subsuperficiais impulsivas (explosivos, rifle ssmico, centelha). Na Figura 2.5 esto
apresentados alguns exemplos destas fontes.
-
Aquisio ssmica multicomponente 31 ______________________________________________________________________________________________________________________________
Figura 2.5 Fontes ssmicas para gerar a energia ssmica direcionada em plano vertical: (a) marreta;
(b) Mini-Soise; (c) rifle ssmico; (d) queda de peso; (e) explosivo; (f) mini-vibroseis; (g) queda de peso acelerada; (h) Mudgun; (i) Geoton 06; (j) vibrador piezoeltrico
Na ssmica multicomponente importante entender ainda a capacidade das fontes de
gerar a energia ssmica direcionada para o plano horizontal (radial e transversal). Nos anos 80
de sculo passado, vrias fontes para gerar onda S em ssmica rasa foram propostas (Edelman,
1985). Na Figura 2.6 esto apresentados alguns exemplos das fontes com capacidade de gerar
a energia de cisalhamente: bloco de madeira, placa metlica e de alumnio (Hasbrouck, 1983;
Haines, 2007), rifle ssmico modificado para gerar ondas S (Pullan and MacAulay, 1987). A
marreta impactada nas rampas cavadas no solo (Figura 2.6g) foi o expediente adotado para os
dados adquiridos neste trabalho.
a b c d
f g h
i
j
e
-
Aquisio ssmica multicomponente 32 ______________________________________________________________________________________________________________________________
Figura 2.6 Fontes ssmicas para gerar a energia ssmica direcionada em plano horizontal: (a) marreta
aplicada tangencialmente numa placa de madeira; (b) marreta aplicada tangencialmente numa placa de ao; (c) marreta aplicada tangencialmente numa placa de alumnio; (d) rifle ssmico usado num poo
inclinado; (e) marreta aplicada tangencialmente numa tora de madeira acoplada com carro; (f)
microvib; (g) marreta aplicada na placa de ao acoplada numa rampa de solo
A energia requerida para a execuo de um ensaio de ssmica rasa depende de vrios
, litologia, espessura e tipo de cobertura,
sensibilidade dos geofones, qualidade do acoplamento do geofone, rudo no local de ensaio,
profundidade do alvo investigado e a freqncia necessria para se obter a resoluo desejada.
A repetibilidade outra caracterstica importante da fonte ssmica no caso em que
realizada a soma dos sinais de um mesmo ponto de tiro, o que significa a aplicao da fonte
de energia tantas vezes quanto for necessrio para aumentar a amplitude, sem saturar o sinal e
melhorar a relao S/R. Para que essa tcnica da soma dos sinais seja efetiva, os impactos ou
disparos da fonte devem, idealmente, ter a mesma fase e caractersticas espectrais. Na maioria
dos casos no possvel ter uma boa repetibilidade utilizando as fontes de impacto, incluindo
tambm a marreta, porque aps alguns golpes mudam-se as condies de terreno, e em
conseqncia varia-se a resposta da fonte. Alm disso difcil manter a repetibilidade da
seqncia de golpes da marreta. Os rifles ssmicos, de acordo com as pesquisas efetuadas por
Miller et al. (1986) possuem uma repetibilidade melhor, mudando sua resposta
predominantemente devido geologia do local e no variao da energia da fonte.
a b c d
e f g
-
Aquisio ssmica multicomponente 33 ______________________________________________________________________________________________________________________________
Ziolkowski et al. (1980) estudaram as relaes entre a carga explosiva e o tipo de
ondcula gerada, supondo que a parte da energia convertida na energia de propagao ssmica
constante para um determinado meio e proporcional raiz cbica da massa do explosivo.
Estas leis implicam que para se obter a largura de banda maior necessrio diminuir a carga
at um mnimo, procurando um equilbrio entre aumentar a banda e preservar uma boa relao
S/R. Por outro lado, um volume grande da energia causa um deslocamento do espectro de
freqncia para as baixas freqncias (Telford et al, 1990). Deste ponto de vista conclu-se
que a melhor fonte para aplicao em ssmica rasa de alta resoluo aquela que gera altas
freqncias e baixa energia, tenha boa repetibilidade no procedimento da soma dos sinais
digitais. Portanto a fonte mais efetiva nesse sentido seria o rifle ssmico de pequeno calibre.
Miller et al. (1994) compararam vrias fontes em reas com caractersticas geolgicas
distintas, e concluram que o rifle ssmico mais efetivo em meios onde predominam
granulometria fina, boa distribuio do material, e um nvel de gua raso. J nas condies
geolgicas fora deste padro, o que muito fcil de ocorrer, a marreta pode ter um
desempenho igual, ou melhor, que um rifle ssmico (Figura 2.7). Analisando as experincias
anteriores de diversos pesquisadores pode-se dizer que a marreta a fonte de energia mais
usada para ensaios de ssmica rasa de reflexo (Goforth & Hayward, 1992; Jeng, 1995,
Nitsche et al., 2002).
Figura 2.7 Comparao de desempenho da mareta com o rifle ssmico em condies de nvel da
gua na profundidade superior de 30 m (adaptado de Miller et al., 1994)
-
Aquisio ssmica multicomponente 34 ______________________________________________________________________________________________________________________________
Os resultados obtidos nos testes com fontes de onda P revelam que as condies de
geologia no local de ensaio so de grande importncia para a escolha da fonte apropriada,
pode-se esperar a mesma concluso para a seleo de uma fonte para a gerao de onda S.
Para as fontes tpicas usadas para gerar onda P (citadas acima), a componente de
padro de radiao de energia considerada esfrica e simtrica nas condies do meio
homogneo. As fontes de cisalhamento ao contrrio das ondas P no geram padro de
radiao esfrico e simtrico (Aki and Richards, 1983); tambm a forma de radiao muda
com a variao da razo de Poisson (Figura 2.8).
Figura 2.8 Padro de radiao para ondas P e SV (adaptado Aki & Richards, 1980)
-
Aquisio ssmica multicomponente 35 ______________________________________________________________________________________________________________________________
2.4 RECEPTORES
O geofone um transdutor de velocidade eletromecnico que converte a componente
vertical ou horizontal das vibraes mecnicas do solo em sinal eltrico, ou com outras
palavras, um sensor com a funo de gerar um sinal eltrico das componentes vertical e
horizontal ou das trs componentes de vibraes mecnicas do solo, introduzindo tambm a
filtragem inicial do sistema. Em geral, tal sensor dotado de uma bobina mvel suspensa em
um forte campo magntico. Quando uma onda mecnica atinge o sensor, a bobina mvel
desloca-se dentro de campo magntico gerando uma tenso eltrica proporcional derivada
do deslocamento. A maior parte dos geofones usados na aquisio terrestre do tipo
eletromagntico. Na figura 2.9 esto apresentados dois tipos de geofone: vertical e horizontal.
Figura 2.9 Ilustrao do geofone vertical (direita) horizontal (esquerda)
Os principais aspectos que devem ser considerados na seleo do tipo de geofone so:
- Freqncia natural (freqncia de ressonncia);
- Sensibilidade;
- Resistncia da bobina;
- Resistor de amortecimento;
- Distoro harmnica;
- Rudos esprios;
Na prtica tambm esto entre os fatores importantes: a durabilidade, o tamanho e
forma do geofone.