Sismica de Reflexao Rasa Multicomponente - Aquisicao e Inversao de Tempos de Transito e Amplitudes

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:______________________________




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


(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


(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


presena de energia de onda S nos dados. Os eventos de onda S esto indicados com setas

vermelhas ________________________________________________________________65


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



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



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



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



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



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



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



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


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


dos tempos da onda SS calculados por 7 equaes diferentes, para o Teste 1: todos os

afastamentos disponveis, at 128 m___________________________________________105


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


dos tempos da onda convertida PS calculados por 7 equaes diferentes, para o Teste 1: todos

os afastamentos disponveis, at 128 m_______________________________________110


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


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.


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.


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.


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)


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)


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.


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


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


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)


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)


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.

Sismica de Reflexao Rasa Multicomponente - Aquisicao e Inversao de Tempos de Transito e Amplitudes

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