Geofísica de Exploração

, GEOFíSICA de exploração

,

GEOFISICA de exploração Philip Kearey I Michael Brooks

tradução I Maria

I

Ian Hill

Cristina Moreira Coelho

,

GEOFISICA de exploração Philip Kearey I Michael Brooks I lan Hill

tradução I Maria

Cristina Moreira Coelho

Copyright original © 2002 by Blackwell Science Ltd, a Blackwell Publishing Company, UK Copyright da tradução em português © 2009 Oficina 'de Textos Capa e projeto gráfico MALUVALLIM Diagramação CASAEDITORIALMALUHY& Co. Preparação de figuras DOUGLASDAROCHAYOSHIDA Revisão técnica ADALBERTODASILVA Revisão de textos GERSONSILVA Tradução MARIA CRISTINAMOREIRACOELHO

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Kearey, Philip Geofísica de exploração / Philip Kearey, Michael Brooks, Ian Hill ; tradução Maria Cristina Moreira Coelho. - São Paulo: Oficina de Textos, 2009. Título original: An introduction Bibliografia ISBN 978-85-86238-91-8

to geophysical exploration

L Geologia 2. Prospecção - Métodos geofísicos !. Brooks, MichaeI. II. Hill, Ian. II!. Título. 09-06213

Índices para catálogo sistemático: L Geofísica da exploração: Mineração 622.15

Todos os direitos reservados à Oficina de Textos Trav. Dr. Luiz Ribeiro de Mendonça, 4 CEP 014LO-040 São Paulo-SP - Brasil teI. (11) 30857933 fax (11) 30830849 site: www.ofitexto.com.br e-mail: [email protected]

CDD-622.15

Apresentação

Os estudantes, professores e profissionais de geofísica no Brasil sempre estudaram os métodos geofísicos por apostilas de cursos e livros em outros idiomas. Ainda não se dispunha de um livro em português que abrangesse todos os métodos geofísicos para auxiliar esses estudantes e profissionais a seguir a carreira degeofísico. O livro Geofísiea de Exploração, em tradução para o português, tem como objetivo suprir a deficiência de material didático na área de exploração geofísica, que vem crescendo muito nos últimos 20 anos. A leitura deste livro é indicada principalmente a profissionais da área de geofísica aplicada, bem como a alunos dos cursos de Geofísica e Física. Este material é uma excelente referência em todas as áreas de geofísica aplicada, para professores e profissionais atuantes. Neste volume são abordados vários métodos geofísicos, como sísmica de reflexão e refração, eletromagnéticos, gravimétricos e de poços. Contém tanto a carga teórica de que o aluno pode precisar para consulta, quanto exercícios que fornecerão a ele a confiança na aplicação das técnicas geofísicas nas áreas de aquisição, processamento e interpretação de dados. A tradutora não poupou esforços em adequar os termos técnicos do inglês para o português, que podem, a partir daqui, ser cada vez mais consagrados e utilizados entre os profissionais de geofísica brasileiros. Estou certo de que o empenho e a dedicação investidos pelos autores em anos de trabalho árduo certamente foram compensados. Ganhamos todos: os estudantes, os professores, empresas e as instituições de geofísica brasileiras.

os profissionais,

as

Marcos Antônio Gallotti Guimarães Geonunes

Prefácio à edição brasileira

o livro

Geofísica de Exploração, de Kearey, Brooks e Hill, agora em sua primeira edição em português, é um texto básico clássico de Geofísica, adotado em inúmeras escolas mundo afora e que vem ocupar um espaço importante no contexto brasileiro em particular, e dos países lusófonos em geral, pela escassez de literatura técnica específica em nossa língua. A tradução baseou-se em sua terceira edição, do ano de 2002, que contou com a participação de Ian Hill, ausente nas versões anteriores, o qual contribuiu para a ampliação do conteúdo e dos ternas tratados na obra. Infelizmente, também representou a última edição revista por Philip Kearey, que faleceu no ano seguinte, aos 55 anos de idade. Este livro é destinado a todos os estudantes e profissionais de áreas técnicas e científicas que, de um modo ou de outro, utilizam aplicações geofísicas em seu trabalho. Evidentemente, os geocientistas encabeçam essa lista de usuários e executores, mas diversas áreas, que abrangem desde a Arqueologia até as Engenharias, passando pela Física e pela Matemática, compõem esse conjunto de interessados nos assuntos aqui tratados. A recente expansão dos cursos de graduação em Geofísica no país e o crescente interesse na área, impulsionado pela indústria do petróleo e pelas aplicações ambientais, demonstram a propriedade em editar este livro. Para os alunos de graduação e pós-graduação, é um texto introdutório que cobre adequadamente os principais temas da Geofísica de Exploração; para os profissionais que atuam nessa área, é um livro de consulta ágil e abrangente. Corno se trata de um campo do conhecimento que tem suas bases e aplicações fundadas na multidisciplinaridade, há sempre o risco de, por um lado, afugentar os leitores cujo domínio em Matemática ainda é

8 I

GEOFÍSICA

DE EXPLORAÇÃO

pouco desenvolvido e, por outro, provocar a sensação de incompletude naqueles mais afeitos aos procedimentos comuns ao Cálculo. Contudo, essa armadilha foi habilmente desarmada por Kearey e seus coautores, simplesmente não cedendo às simplificações que comprometem o conteúdo e apoiando a introdução dessas ferramentas em um contexto conceitual e qualitativo de fácil apreensão. Essa estratégia resultou em um texto que, ao mesmo tempo que atrai os leitores para seu desenvolvimento nas peculiaridades matemáticas, introduz a todos o cenário geológico no qual a aquisição geofísica é praticada. Grande parte do livro é dedicada ao método sísmico, uma vez que ele é, ainda hoje, a ferramenta geofísica mais difundida e que envolve a maioria dos profissionais da área. Entretanto, cada um dos métodos geofísicos principais são tratados ao longo dos capítulos, mostrando um quadro abrangente da atividade exploratória. Cabe destacar a organização adotada pelos autores, a qual, logo de início, estabelece os princípios e a discussão fundamental que permeiam e embasam a aquisição geofísica: a natureza do objeto de estudo e a ambiguidade intrínseca aos seus métodos de investigação. Imediatamente, ao contrário de muitos livros que normalmente mostram o tratamento de dados geofísicos de maneira compartimentada para cada método específico, o livro segue com uma revisão desse aspecto fundamental, aplicando a ótica do tratamento de sinais, demonstrando a universalidade dessa metodologia no estudo e na investigação dos fenômenos naturais que são objeto da Geofísica. A leitura dos dois capítulos iniciais deste livro já mostrará aos usuários a riqueza de aplicações e explicará o encantamento que a Geofísica exerce sobre cada um que pretende se dedicar ao seu exercício. E, certamente, o leitor não irá resistir à compulsão de acompanhar até o fim o roteiro elaborado por Kearey, Brooks e Hill, revisitando-o inúmeras vezes como um livro de consulta ao longo da sua vida profissional.

Adalberto da Silva Universidade Federal Fluminense

[N.T]

_-\ideia de traduzir este livro surgiu em razão da escassa bibliografia em :?Qrtuguês na área de Geofísica Aplicada, quer para a graduação, quer para pós-graduação. Assim, esperamos que este livro, organizado de forma oa tante didática, possa vir a ser de grande utilidade para os estudantes 'a área, ou mesmo adotado como livro texto nos cursos de graduação em geofísica em todo o país, tal como ocorreu com o original no Reino Cnido. _'o trabalho atual, procurou-se trazer para o português termos e conceitos _empre que uma escolha traduzisse bem a ideia original, mas manteve-se o termo em inglês quando a tarefa não foi possível ou quando o termo é de uso corrente na área de geofísica de exploração. No primeiro caso ::nanteve-se, ainda, o termo em inglês entre parênteses para facilitar a busca na literatura corrente, mesmo quando o equivalente em inglês arecia óbvio. Os termos em itálico correspondem a conceitos essenciais que, na maioria das vezes, poderão ser encontrados no índice remissivo. O texto traduzido passou por uma extensa e minuciosa revisão, executada por profissionais solidamente ligados aos assuntos tratados, pesquisadores e professores, com larga formação nas áreas afins, cujo trabalho foi de imenso valor na apresentação deste livro. _-\ssim, gostaria de agradecer a Adalberto da Silva, do Laboratório de Geologia Marinha da Universidade Federal Fluminense, pesquisador e professor dos cursos de graduação e pós-graduação em Geofísica, e a Paulo Buarque de Macedo Guimarães, da RFL Geologia e Informática itda. - ME, cujas leitura, corrrções e sugestões muito acrescentaram tradução da obra.

à

Também muito contribuíram com suas discussões os Professores Jean :VIarie Flexor, do Observatório Nacional, Luiz Geraldo Loures, do

10 I

GEOFÍSICA

DE EXPLORAÇÃO

Laboratório de Engenharia e Exploração de Petróleo da Universidade Estadual do Norte Fluminense, Marco Antonio Cetale Santos, também do Laboratório de Geologia Marinha da Universidade Federal Fluminense, e Sidney Luiz de Matos Mello, atualmente na Pró-Reitoria de Assuntos Acadêmicos da Universidade Federal Fluminense, com suas sugestões.

Prefácio

::ste livro apresenta uma introdução geral aos métodos mais importantes ~e ::\..-ploração geofísica. Esses métodos representam a principal ferramenta :- ra investigação de subsuperfície e são aplicáveis a uma grande variedade ":e problemas. Embora sua principal aplicação ocorra em prospecção de =-~cursosnaturais, são também utilizados, por exemplo, como um auxílio pesquisa geológica, como um meio de obter informações a respeito propriedades físicas internas da Terra, no campo das investigações queológicas e naquelas voltadas à engenharia. Consequentemente, a exploração geofísica é importante não somente para geofísicos, mas - mbém para geólogos, físicos, engenheiros e arqueólogos. O livro abrange os princípios físicos, a metodologia, os procedimentos de interpretação e os campos de aplicação dos vários métodos de aquisição. A ênfase principal foi colocada nos métodos sísmicos porque estes representam as técnicas mais largamente utilizadas, sendo empregados ampla e rotineiramente • ela indústria de petróleo na prospecção de hidrocarbonetos. Como este é um texto introdutório, não tentamos esgotar completamente o assunto. Os leitores que necessitarem de informações adicionais sobre quaisquer dos métodos descritos devem se reportar aos textos mais avançados listados ao final de cada capítulo. Esperamos que o livro sirva como texto para um curso introdutório para estudantes das disciplinas acima descritas e também como um guia útil para especialistas que estejam cientes do valor da aquisição geofísica para suas próprias disciplinas. Na preparação de um livro para esse leque de possíveis leitores, é inevitável o surgimento de problemas relativos ao nível de tratamento matemático a ser adotado. A geofísica é um tema altamente matemático e, embora tenhamos tentado mostrar que nenhum grande conhecim,ento matemático é necessário para uma compreensão geral da aquisição geofísica, uma completa compreensão das técnicas mais avançadas de processamento e interpretação de dados requer uma habilidade matemática considerável. Abordamos esse problema mantendo a matemática tão simples quanto possível e restringindo a

12

I

GEOFÍSICA

DE EXPLORAÇÃO

análise matemática completa a casos relativamente simples. Entretanto, consideramos importante que qualquer usuário de levantamentos geofísicos deva estar a par das técnicas mais avançadas de análise e interpretação de dados geofísicos, uma vez que elas podem aumentar consideravelmente a quantidade de informações úteis obtidas a partir desses mesmos dados. Na discussão de tais técnicas foi adotada uma abordagem semiquantitativa ou qualitativa, o que permite ao leitor avaliá-Ias em toda a sua extensão e importância sem entrar nos detalhes de sua implementação. As edições anteriores deste livro foram adotadas como livro-texto padrão em exploração geofísica por numerosas instituições educacionais superiores na Grã-Bretanha, América do Norte e em muitos outros países. Nesta terceira edição o conteúdo foi atualizado, levando em conta os recentes desenvolvimentos nas principais áreas da exploração geofísica. Nós estendemos a abrangência dos capítulos de sísmica, incluindo novos materiais sobre sismologia de três componentes e sísmica de reflexão 4D, apresentando também uma nova seção sobre tomografia sísmica. Ampliamos também o leque de aplicações de sismologia de refração para incluir o relato de uma investigação voltada para a engenharia de fundações.

Sumário

capítulo 1 - Os Princípios e as Limitações dos Métodos de Exploração Geofísica, 19 .:2.1

Introdução

19

:.2 Os métodos de aquisição

20

:.] O problema da ambiguidade na interpretação geofísica

27

:.-j A estrutura deste livro

29

Capítulo 2 -

O Processamento de Dados Geofísicos, 31

2.1

Introdução

31

_.2

Digitalização de dados geofísicos

32

_.] Análise espectral

35

-.4 Processamento de formas de onda

40

2.5

Filtragem digital

_.6 Imageamento e modelagem

46 50

Problemas

51

Leituras Adicionais

51

Capítulo 3 -

Elementos de um Levantamento

Sísmico, 53 '.1 Introdução

53

].2 Tensão e deformação

54

Ondas sísmicas

56

].3

14 I

GEOFÍSICA

DE EXPLORAÇÃO

3.4 Velocidades de ondas sísmicas nas rochas

61

3.5 Atenuação da energia sísmica ao longo da trajetória do raio

64

3.6 Trajetórias de raio em meios estratificados

65

3.7 Levantamentos sísmicos de reflexão e refração

71

3.8 Sistemas de aquisição de dados sísmicos

74

Problemas

88

Leituras Adicionais

89

Capítulo 4 -

Levantamento

sísmico de reflexão, 91

4.1 Introdução

91

4.2 Geometria das trajetórias do raio refletido

91

4.3 O sismograma de reflexão

100

4.4 Projeto de levantamento de reflexão multicanal

105

4.5 Correções de tempo aplicadas a traços sísmicos

114

4·6 Correção estática

114

4.7

Análise de velocidade

119

4.8

Filtragem de dados sísmicos

121

4.9

Migração de dados de reflexão

131

4.10 Levantamentos sísmicos de reflexão 3D

138

4.11

Levantamentos sísmicos de reflexão de três componentes (3C) ...

143

4.12

Levantamentos sísmicos 4D

150

4.13

Perfilagem sísmica vertical

152

4.14

Interpretação de dados sísmicos de reflexão

155

4.15

Perfilagem marinha de reflexão monocanal

166

1

4.16 Aplicações de levantamentos sísmicos de reflexão

173

Problemas

179

Leituras Adicionais

180

SUMÁRIO

Capítulo 5 _-.1

Levantamento

sísmico de refração, 183

Introdução

183

:-._ Geometria das trajetórias dos raios refi'atados: interfaces planas .. 184 _-.3 Geometrias de perfis para planas

o

estudo de problemas de camadas 193

5.4 Geometria de trajetórias de raios refratados: interfaces irregulares

(não planas)

195

_ _ Construção de frentes de onda e traçado de raios

202

_-.6

Os problemas de camadas ocultas e de camadas cegas

203

_-.7

Refração em camadas com variação contínua de velocidade .....

205

:.8 Metodologia de perfilagem de refração

205

_-.9 Outros métodos de levantamento de refração

212

_-.10 5.11

Tomografia sísmica

214

Aplicações dos levantamentos sísmicos de refração

216

Problemas

222

Leituras Adicionais

224

Capítulo 6 -

Levantamento

gravimétrico,

227

Introdução

227

6.2 Teoria básica

227

6.1

6.3 Unidades de gravidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 228 6.4 Medição da gravidade

229

6.5 Anomalias de gravidade

235

6.6 Anomalias de gravidade de corpos de formas simples

236

6-7

Levantamento gravimétrico

239

6.8 Redução gravimétrica

240

6.9 Densidades de rochas

247

6.10

Interpretação de anomalias gravimétricas

250

6.11

Teoria do potencial elementar e manipulação do campo potencial

259

6.u Aplicações dos levantamentos gravimétricos

263

I

15

16

I

GEOFÍSICA

DE EXPLORAÇÃO

Problemas

268

Leituras Adicionais

272

Capítulo 7 -

Levantamento

magnético, 273

71 Introdução

273

72 Conceitos básicos

273

73 Magnetismo de rochas

279

74 O campo geomagnético

280

75 Anomalias magnéticas

283

76 Instrumentos para

285

o

levantamento magnético

77 Levantamentos magnéticos terrestres

289

78 Levantamentos aeromagnéticos e marinhos

290

79 Redução de observações magnéticas

290

710

Interpretação de anomalias magnéticas

293

711

Transformações de campo potencial

302

712

Aplicações dos levantamentos magnéticos

305

Problemas

312

Leituras Adicionais

313

Capítulo 8 8.1

Levantamento

elétrico, 315

Introdução

315

8.2 Método de resistividade

315

8.3 Método de polarização induzida (IP)

340

\

8.4 Método de potencial espontâneo (SP) Problemas

350

Leituras Adicionais

353

SUMÁRIO

Capítulo 9 -

Levantamento

eletromagnético,

355

9·1 Introdução

355

9.2 Profundidade de penetração dos campos eletromagnéticos

356

9.3 Detecção de campos eletromagnéticos

357

9.4 Métodos de ângulo de inclinação (tilt-angle)

357

9.5 Sistemas de medição de fase

363

9.6 Levantamento eletromagnético no domínio do tempo

366

91

370

Medição de condutividade sem contato

9.8 Levantamento eletromagnético aerotransportado

372

9.9 Interpretação de dados eletromagnéticos

376

9.10 Limitações do método eletromagnético

378

9.11

Métodos de campos telúrico e magnetotelúrico

378

9.12 Radar de penetração de solo 9.13

382

Aplicações do levantamento eletromagnético

386

Problemas

387

Leituras Adicionais

390

Capítulo 10 -

Levantamento

radiométrico,

391

10.1

Introdução

391

10.2

Decaimento radioativo

392

10.3

Minerais radioativos

393

10.4 Instrumentos para medição de radioatividade

393

10.5 Levantamentos de campo

396

10.6 Exemplo de levantamento radiométrico

398

Leituras Adicionais

398

Capítulo 11 -

Perfilagem geofísica de poço, 399

11.1

Introdução à perfuração

399

11.2

Princípios de perfilagem de poço

400

I

17

18

I

GEOFíSICA

DE EXPLORAÇÃO

11.3

Avaliação de formação

401

11.4

Perfilagem de resistividade

402

11·5

Perfilagem de indução

409

11.6

Perfilagem de potencial espontâneo

411

11.7

Perfilagem radiométrica

411

11.8

Perfilagem sônica

414

11·9

Perfilagem de temperatura

417

11.10

Perfilagem magnética

11.11

Perfilagem gravimétrica

'

417 418

Problemas

418

Leituras Adicionais

420

Apêndice: unidades no SI, C.9.s e Imperial (usual dos EUA) e fatores de conversão, 421

Referências bibliográficas, índice remissivo, 431

423

Os Princípios e as Limitações dos

Métodos

de Exploração Geofísica

1.1 Introdução Este capítulo é dirigido aos leitores sem qualquer conhecimento prévio dos métodos de e:h.'Ploraçãogeofísica e que se encontram num nível elementar. Pode ser ignorado por leitores já familiarizados com os princípios básicos e as limitações dos levantamentos geofísicos. A ciência geofísica aplica os princípios da física ao estudo da Terra. A investigação geofísica do interior da Terra envolve realizar medidas em sua superfície ou próximo a ela, medidas estas que são influenciadas pela distribuição interna das propriedades físicas da Terra. As análises dessas medidas podem revelar como as propriedades físicas do interior da Terra variam vertical e lateralmente. Trabalhando em diferentes escalas, os métodos geofísicos podem ser aplicados a uma ampla gama de investigações, do estudo de toda a Terra (geofísica global; por ex. Kearey & Vine, 1996) à exploração de uma região localizada da crosta superior para fins de engenharia ou outros propósitos (por ex. Vogelsang, 1995; McCann et aI., 1997). Nos métodos de exploração geofísica (também chamados de levantamentos geofísicos) discutidos neste livro, as medidas tomadas em áreas geograficamente restritas são usadas para determinar as distribuições das propríedades físicas a profundidades que reflitam a geologia de subsuperfície localmente. Um método alternativo para se investigar a geologia de subsuperfície é, naturalmente, perfurar poços, mas este é um método caro e somente fornece informações localizadas. Os levantamentos geofísicos, embora algumas vezes passíveis de grandes ambiguidades ou incertezas na interpretação, proporcionam um meio relativamente rápido e barato de se obter informações distribuídas em área da geologia de subsuperfície. Na exploração de recursos de subsuperfície, os métodos são capazes de

20

I

GEOFÍSICA

DE EXPLORAÇÃO

detectar e delinear características locais de interesse potencial que não poderiam ser descobertas por nenhum programa de perfuração realista. O levantamento geofísico não dispensa a necessidade de perfurações, mas, corretamente aplicado, pode aperfeiçoar

2.500 2.000

1. A velocidade de onda compressiva aumenta com a pressão confinante (muito rapidamente no intervalo de Oa 100 MPa). 2. Velocidades de arenitos e folhelhos mostram um aumento sistemático com a profundidade de soterramento e a idade, por causa dos efeitos combinados de compactação e cimentação progressivas.

1.500 1.000 ~~---~I 1\100% ----I----~I 1.000 1.500 2.000

---2.500

3.000

Densidade em kg m-3 Fig. 3.6 Relação entre a velocidade sísmica e densidade-porosidade, calculada para sólidos granulares monominerálicos: círculos claros - arenito, calculada para uma matriz quartzos a; círculos escuros - calcário, calculada para uma matriz calcítica. Pontos identificados pelo valor da porosidade correspondente, de O a 100%. Tais relações são úteis na interpretação de perfis de poço (ver Capo 11)

64

I

GEOFÍSICA

DE EXPLORAÇÃO

Tab.3.1 Velocidades de ondas compressivas em materiais terrestres

Materiais

inconsolidados

Areia (seca) Areia (saturada

em água)

0,2 -1,0 1,5- 2,0

1,0- 2,5

Argila Till glacial

(saturado

em água)

Permafroste

1,5- 2,5 3,5 - 4,0

Rochas sedimentares

Anidrita

2,0 2,0 4,0 5,5 2,0 2,0 3,0 5,0 2,5 4,5 4,5

Gipso

2,0 - 3,5

Arenitos Arenito

terciário

Arenito

Pennant

Quartzito

(Carbonifero)

cambriano

Calcá rios Greda cretácea Oólitos

jurássicos

Calcário

e calcá rios bioclásticos

carbonifero

Dolomitos Sal

-

6,0 2,5 4,5 6,0 6,0 2,5 4,0 5,5 6,5 5,0 6,5

Rochas igneas/metamórficas Granito Gabro Rochas ultramáficas Serpentinito

5,5 6,5 7,5 5,5 -

6,0 7,0 8,5 6,5

Fluidos dos poros Ar

0,3

1,4 - 1,5

Água Gelo

3,4

Petróleo

Outros

1,3 -1,4

materiais

Aço

6,1

Ferro

5,8

Alumínio

6,6 3,6

Concreto

3. Para uma ampla gama de rochas sedimentares, a velocidade das ondas compressivas está relacionada à densidade, com curvas publicadas de velocidade-densidade muito bem fundamentadas (Sheriff & Geldart, 1983; ver Seção 6.9, Fig. 6.16). Consequentemente, as densidades de camadas inacessíveis em subsuperfície podem ser preditas se suas velocidades forem conhecidas com base em levantamentos sísmicos. 4. A presença de gás nas rochas sedimentares reduz os valores dos módulos elásticos, da razão de Poisson e da razão vv/vs. Razões vv/vs maiores que 2.0 são características de areia inconsolidada, enquanto valores menores que 2.0 podem indicar tanto um arenito consolidado quanto uma areia inconsolidada saturada com gás. O potencial de Vs na detecção de sedimentos saturados com gás explica o interesse atual em aquisição sísmica de ondas de cisalhamento. A Tab. 3.1 apresenta valores e intervalos de velocidade de ondas compressivas típicos para uma ampla variedade de materiais terrestres.

3.5 Atenuação da energia sísmica ao longo da trajetória do raio Quando um pulso sísmico se propaga através de um meio homogêneo, a energia original E transmitida pela fonte distribui-se segundo uma envoltória esférica, a frente de onda, com um raio que se expande com o tempo. Se o raio da frente de onda for T, a quantidade de

3

ELEMENTOS

DE UM LEVANTAMENTO

energia contida em uma unidade de área da casca será Ej 4ny2. Com o aumento da distância ao longo da trajetória de um raio, a energia nele contida decai em função de y-2 por causa do efeito de espalhamento geométrico (geometrical spreading) da energia. A amplitude de onda, que é proporcional à raiz quadrada da sua energia, decai, assim, segundo y- I. Uma outra causa da perda de energia ao longo da trajetória de um raio deve-se ao fato de que, mesmo com as baixas tensões envolvidas, o terreno é imperfeitamente elástico em sua resposta à passagem das ondas sísmicas. A energia elástica é gradualmente absorvida pelo meio, em razão das perdas friccionais internas, levando, finalmente, ao desaparecimento total da perturbação sísmica. Os mecanismos de absorção da energia são complexos, mas a perda de energia é comum ente vista como sendo uma fração fixa da energia total para cada oscilação das partículas de rocha envolvidas, tempo durante o qual a frente de onda terá se movido um comprimento de onda à frente. O coeficiente de absorção (absorption eoeffieient) cx exprime a fração de energia que se perde durante a transmissão através de uma distância equivalente a um comprimento de onda À completo. Os valores de cx para materiais terrestres comuns variam de 0,25 a 0,75 dE À -I (para a definição de decibéis, dE, ver Seção 2.2). Para o intervalo de frequências utilizado em aquisição sísmica, o coeficiente de absorção é normalmente assumido como sendo independente da frequência. Se o valor de absorção por comprimento de onda for constante, conclui-se que ondas de frequências mais altas sofrem atenuação mais rapidamente que as de frequências mais baixas, como uma função de tempo ou de distância. Para ilustrar esse ponto, considere duas ondas, com frequências de 10 Hz e 100 Hz, propagando-se através de uma rocha em que vp = 2, O km S-I e cx = 0,5 dE À -I. A onda de 100 Hz (À = 20 m) será atenuada em função da absorção em 5 dE para uma distância de 200 m, enquanto que a onda de 10 Hz (À = 200 m) será atenuada em somente 0,5 dE para a mesma distância. Consequentemente, a forma de um pulso sísmico com um amplo conteúdo de frequências muda continuamente durante a propagação, devido à perda progressiva das frequências mais altas. Em geral, o efeito de absorção produz um alargamento progressivo do pulso sísmico (Fig. 3.7). Esse efeito da absorção é familiar, pois se aplica às ondas P no ar - o som. O estalido agudo de um relâmpago próximo é ouvido ao longe como o distante ribombar prolongado de um trovão.

3.6 Trajetórias de raio em meios estratificados Numa interface entre duas camadas de rochas, há geralmente uma mudança na velocidade de propagação resultante das diferentes propriedades físicas das duas camadas. Em tal interface, a energia contida num pulso

SÍSMICO

I

65

66 I

GEOFÍSICA

DE EXPLORAÇÃO

Entrada spike 20 ms

1--1

apósls

após 2s após 35

após 4s

Fig. 3.7 Alteração progressiva da forma de um pulso curto original durante sua propagação devido aos efeitos de absorção. (Baseado em Anstey, 1977)

através do solo,

sísmico incidente é dividida em pulsos transmitidos e refletidos. As amplitudes relativas dos pulsos transmitidos e refletidos dependem das velocidades e densidades das duas camadas e do ângulo de incidência sobre a interface. 3.6.1

Reflexão e transmissão

de raios sísmicos normalmente

incidentes

Considere um raio compressivo de amplitude Ao, incidindo normalmente em uma interface entre dois meios de diferentes velocidade e densidade (Fig. 3.8). Um raio transmitido de amplitude A2 atravessa a interface na mesma direção do raio incidente, e um raio refletido de amplitude AI retoma, seguindo a mesma trajetória do raio incidente. A energia total dos raios transmitido e refletido deve ser igual à energia do raio incidente. As proporções relativas da energia transmitida e refletida são determinadas pelo contraste em impedâncía acústica (acoustic impedance) Z na interface. A impedância acústica de uma rocha é o produto de sua densidade (p) por sua velocidade de onda (v); assim,

Z = pv É difícil relacionar

a impedância acústica a uma propriedade tangível da rocha mas, em geral, quanto mais rígida a rocha, mais alta é sua impedância acústica. Intuitivamente, quanto menor o contraste em impedância acústica em uma inte,rface, maior é a proporção da energia transmitida através da interface. Obviamente, toda a energia é transmitida se o material rochoso for o mesmo de ambos os lados da interface, e mais energia é refletida quanto maior o contraste. De experiências corriqueiras com som, os melhores ecos provêm de rochas e paredes de tijolos. Em

3

ELEMENTOS

DE UM LEVANTAMENTO

termos de teoria física, a impedância acústica é análoga elétrica e, assim como a transmissão máxima de energia uma combinação das impedâncias elétricas, o máximo de energia sísmica requer uma combinação das impedâncias

SÍSMICO

I

67

à impedância elétrica requer transmissão da acústicas.

o

coeficiente de reflexão (reflection coeffieient) R é uma medida numérica do efeito de uma inter-

Raio incidente, amplitude Ao

face sobre a propagação de onda, e é calculado como a razão entre

Raio refletido, amplitude A,

a amplitude Ai do raio refletido e a amplitude Ao do raio incidente Raio transmitido, amplitude

A2

Relacionar essa medida simples às Fig. 3.8 Raios refletido e transmitido associados a um raio propriedades físicas dos materiais normalmente incidente sobre uma interface de contraste de na interface é um problema comimpedância acústica plexo. Como já vimos, a propagação de uma onda P depende dos módulos elásticos de volume e de cisalhamento, assim como da densidade do material. Nesse limite, a tensão e a deformação nos dois materiais devem ser consideradas. Uma vez que os materiais são diferentes, as relações entre tensão e deformação serão diferentes para cada um deles. Também se torna importante a orientação da tensão e da deformação com relação à interface. A solução formal para esse problema físico foi deduzida no início do século XX e as equações resultantes são conhecidas como equações de Zoeppritz (Zoeppritz, 1919; para uma explicação acerca de suas deduções, ver Sheriff & Geldart, 1982). Para a nossa finalidade, simplesmente aceitaremos as soluções dessas equações. Para um raio normalmente incidente, as relações são bastante simples e podem ser expressas por:

R

=

P2V2 P2V2

PiVi

+ PiVi

onde P1>Vi, Zi e P2, V2, Z2 são os valores da densidade, da velocidade das ondas P e da impedância acústica nas primeira e segunda camadas, respectivamente. Dessa equação segue-se que -1 ~ R ~ + 1. Um valor negativo de R significa uma mudança de fase de 7t (180°) no raio refletido.

o coeficiente

de transmissão (transmission coefficient) T é a razão entre a amplitude A2 do raio transmitido e a amplitude Ao do raio incidente

T=AdAo

68

I

GEOFÍSICA

DE EXPLORAÇÃO

Para um raio normalmente incidente, isso é dado, a partir da solução das equações de Zoeppritz, por

Os coeficientes de reflexão e transmissão são, às vezes, expressos em termos de energia, e não de amplitude de onda. Se a intensidade de energia I for definida como a quantidade de energia fluindo através de uma unidade de área normal à direção de propagação de onda numa unidade de tempo, de tal forma que Ia, I) e 12 sejam as intensidades dos raios incidente, refletido e transmitido, respectivamente, então

e

onde R I e T I são os coeficientes de reflexão e transmissão termos de energia.

expressos em

Se R ou R I = O, toda a energia incidente é transmitida. Esse é o caso quando não há nenhum contraste de impedância acústica em uma interface, mesmo que os valores de densidade e velocidade sejam diferentes nas duas camadas (i.e. Z) = Z2). Se R ou W = + 1 ou -1, então, toda a energia incidente é refletida. Uma boa aproximação dessa situação ocorre na superfície livre de uma coluna d'água: raios que se deslocam para cima a partir de uma explosão em uma camada de água são quase totalmente refletidos de volta por sua superfície com uma mudança de fase de 7T (R = -0.9995). Os valores do coeficiente de reflexão R para interfaces entre diferentes tipos de rocha raramente excedem ±O, 5 e são geralmente muito inferiores a ±O, 2. Assim, a maior parte da energia sísmica incidente numa interface de rocha é transmitida, e somente uma pequena porção é refletida. Pelo uso de uma relação empírica entre velocidade e densidade (ver também Seção 6.9) é possível estimar o coeficiente de reflexão com base na velocidade somente (Gardner et al., 1974; Meckel & Nath, 1977):

Tais relações podem ser úteis, mas devem ser aplicadas com cuidado, uma vez que as litologias são altamente variáveis e lateralmente heterogêneas, como apontado na Seção 3.4.

3

3.6•2 Reflexão e refração de raios obliquamente

ELEMENTOS

DE UM LEVANTAMENTO

SÍSMICO

I

69

incidentes

Quando um raio de onda P incide obliquamente sobre uma interface de contraste de impedância acústica, os raios P refletidos e transmitidos são gerados como no caso de incidência normal. Adicionalmente, alguma energia compressiva incidente é convertida em raios de onda S refletidos e transmitidos (Fig. 3.9), que são polarizados num plano vertical. As equações de Zoeppritz mostram que as amplitudes das quatro fases são uma função do ângulo de incidência 8. Os raios convertidos podem atingir uma magnitude significativa para Fig. 3.9 Raios de ondas P e S refletidos e refratados, gerados grandes ângulos de incidência. Pode por um raio P obliquamente incidente sobre uma interface de contraste de impedância acústica ser difícil, numa aquisição sísmica, a detecção e identificação de ondas convertidas, mas elas têm potencial de fornecer maior discriminação das propriedades físicas dos meios separados por uma interface. Aqui, as considerações se limitarão às ondas P. No caso de incidência oblíqua, o raio de onda P transmitido percorre a camada inferior com uma mudança na direção de propagação (Fig. 3.10) e é denominado raio refratado (refracted ray). O caso é diretamente análogo ao comportamento de um raio de luz obliquamente incidente numa interface entre, digamos, ar e água, e a Lei de Refração de Snell (Snell's Law ofRefraction) aplica-se igualmente à áptica e à sísmica. Snell definiu o parâmetro do raio p = sen i/v, onde é o ângulo de inclinação do raio em uma camada em que se propaga a uma velocidade v. A forma generalizada da Lei de Snell afirma que, ao longo de qualquer raio, o parâmetro do raio permanece constante.

i

Então, para o raio de onda P refratado mostrado na Fig. 3.10 sen

82

V2 sen V2 V1 sen8281

V2> VI

sen 81VI

V1

Note que, se Vz > v}, o raio é refratado, distanciando-se da normal à interface; assim, 8z > 8}. A Lei de Snell também se aplica ao raio refletido, donde se segue que o ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência (Fig. 3.10).

Fig. 3.10 Raios de onda P refletido e refratado associados ao raio P obliquamente incidente sobre uma interface de contraste de impedância acústica

70 I

GEOFÍSICA

3.6.3

A v, V2

DE EXPLORAÇÃO

Refração crítica

Quando a velocidade for mais alta na camada inferior, há um ângulo característico de incidência, conhecido como ângulo crítico (critical angle) Se, para o qual o ângulo de Trajetórias Onda frontal de raios refração é 900. Isso gera um raio gerada na criticamente refratado que viaja camada superior I ao longo da interface a uma velocidade mais alta V2. Para qualB quer ângulo de incidência maior > v, haverá reflexão interna total da Frente de onda na camada \ em expansãoinferior

Fig. 3.11 Geração de uma onda frontal na camada superior associada a uma onda propagando-se através da camada inferior

sen Se

energia incidente (exceto para raios de ondas S convertidas em uma gama de ângulos maiores). O ângulo crítico é dado por

1

VI

assl1ll, que

A passagem do raio criticamente refratado ao longo do topo da camada inferior causa uma perturbação na camada superior que se propaga a uma velocidade V2, que é maior que a velocidade sísmica VI da camada superior; A situação é análoga à de um projétil que se desloca no ar, a uma velocidade maior que a velocidade do som no ar, e o resultado é o mesmo, a geração de uma onda de choque. No caso da sísmica, essa onda é conhecida como onda frontal (head wave), e percorre obliquamente a camada superior em direção à superfície (Fig.3.11). Qualquer raio associado à onda frontal apresenta-se inclinado segundo o ângulo crítico Se. Devido à onda frontal, a energia sísmica retoma à superfície após a refração crítica em uma camada inferior de velocidade maior. 3.6.4

Difração

Na discussão acima sobre reflexão e transmissão da energia sísmica em interfaces com contraste de impedância acústica admitiu-se, implicitamente, que as interfaces eram contínuas e aproximadamente planas. Em interfaces que apresentam descontinuidades abruptas ou em estruturas cujo raio de curvatura é menor que o comprimento de onda das ondas incidentes, as leis de reflexão e refração não mais se aplicam. Tais fenômenos geram uma difusão radial da energia sísmica incidente conhecida como difração (dijfraction). Fontes comuns de difração no terreno incluem as bordas de

3

,~-//"'\"I

'.f de onda Frente

/

\\

---------~ --I \// I/I\,-\"" ,1 ~"'\ "\ 1~ " Frente T

\

~/

\ T T I \\ "-

"

"

I

...••.

/

ELEMENTOS

DE UM LEVANTAMENTO

~

\,.-........ /'?

de ond arefletid

difratada Fig. 3.12 Difração causada pelo truncamento

de uma camada falhada

camadas falhadas (Fig, 3,12) e pequenos objetos isolados, como matacões, em uma camada que, de outra forma, seria homogênea. Fases difratadas são comumente observadas em registros sísmicos e, algumas vezes, difíceis de ser diferenciadas de fases refletidas e refratadas, como discutido no Capo 4.

3.7 Levantamentos sísmicos de reflexão e refração Considere a seção geológica simples mostrada na Fig. 3.13, com duas camadas homogêneas de velocidades sísmicas, v) e V2, separadas por uma interface horizontal a uma profundidade z, a velocidade de onda compressiva sendo mais alta na camada inferior (i.e. V2 > v)). A partir de uma fonte sísmica S logo abaixo da superfície, há três tipos de trajetória de raio pelas quais a energia sísmica atinge a superfície em uma determinada distância da fonte, onde poderá ser registrada por um detecto r apropriado, como em D, a uma distância horizontal x a partir de S. O raio direto (direct ray) viaja ao longo de uma linha reta através da camada superior, desde a fonte até o detector, à velocidade v). O raio refletido (reflected ray) incide obliquamente sobre a interface e é refletido de volta para o detector através da camada superior, deslocando-se ao longo de todo o seu trajeto à velocidade v) da camada superior. O raio refratado (refracted ray) propaga -se para baixo e obliquamente à velocidade v), depois ao longo de um segmento da interface à velocidade mais alta V2, e de volta para cima através da camada superior à velocidade v). O tempo de percurso de um raio direto é dado simplesmente por

que define uma linha reta de inclinação I Iv), passando pela origem do gráfico de tempo-distância.

SíSMICO

I

71

72

I

...--I!

:="

,I

I

GEOFÍSICA

I = i

II

I

1

DE EXPLORAÇÃO

I ~

o ç>. .I l3"~

tl

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1

0=-'

[

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...;

I >~

0=-.

>'

®t

x Xcrit

Xcros

5

z

v,

Fig. 3.13 (A) Sismograma

mostrando os traços em função do tempo de 24 geofones distribuídos ao longo da superfície da Terra; (B) Curvas do tempo de percurso para raios direto, refletido e refratado, no caso de um modelo simples de duas camadas; (C) Trajetórias dos raios direto, refletido e refratado a partir de uma fonte próxima à superfície até um detectar na superfície, no caso de um modelo simples de duas camadas

3

o tempo

ELEMENTOS

DE UM LEVANTAMENTO

de percurso de um raio refletido é dado por (x2 trefl == ------

+ 4Z2)I/2 VI

o qual, como discutido no Capo 4, é a equação de uma hipérbole.

o tempo

de percurso de um raio refratado (para dedução, ver Capo 5) é

dado por x trefr == -

V2

2z cos Se

+ ----

VI

que é a equação de uma linha reta cuja inclinação é l/v2 e sua intersecção com o eixo do tempo é dada por 2z cos 8e VI

Curvas de tempo de percurso ou de tempo-distância para raios diretos, refratados e refletidos são ilustradas na Fig. 3.13. Por meio de análises apropriadas da curva de tempo de percurso para raios refletidos ou refratados é possível calcular a profundidade da camada inferior. Isso nos dá dois métodos independentes de levantamento sísmico para localizar e mapear interfaces em subsuperfície, o levantamento sísmico de reflexão (reflection surveying) e o levantamento sísmico de refração (refraction surveying). Estes possuem suas próprias metodologias e campos de aplicação e são discutidos separadamente, em detalhe, nos Caps. 4 e 5. Entretanto, algumas considerações gerais acerca dos dois métodos podem ser feitas aqui, com em relação às curvas de tempo de percurso e ao sismograma da Fig. 3.13. As curvas são mais complexas no caso de um modelo multiestratificado, mas as considerações a seguir ainda se aplicam. A primeira chegada da energia sísmica num detectar de superfície a uma determinada distância da fonte superficial é sempre um raio direto ou um raio refratado. O raio direto é ultrapassado por um raio refratado à distância de cruzamento (crossover distance) Xcros. Acima dessa distância de afastamento, a primeira chegada é sempre um raio refratado. Como os raios criticamente refratados viajam para baixo em direção à interface segundo o ângulo crítico, há uma distância dentro da qual a energia refratada não atingirá a superfície, conhecida como distância crítica (critical distance) Xerit. À distância crítica, os tempos de percurso de raios refletidos e refratados coincidem porque seguem efetivamente a mesma trajetória. Raios refletidos nunca são primeiras chegadas; eles são sempre precedidos por raios diretos e, além da distância crítica, também por raios refratados.

SÍSMICO

I

73

74

I

GEOFÍSICA

DE EXPLORAÇÃO

As características acima das curvas de tempo de percurso determinam a metodologia dos levantamentos de reflexão e de refração. No levantamento de refração, os intervalos de registro devem ser grandes o suficiente para assegurar que a distância de cruzamento tenha sido efetivamente ultrapassada, de forma que os raios refratados possam ser detectados como primeiras chegadas de energia sísmica. Na verdade, alguns tipos de levantamento sísmico de refração consideram somente essas primeiras chegadas, as quais podem ser detectadas por sistemas pouco sofisticados de registro de campo. Em geral, essa abordagem significa que, quanto mais profundo um refrator, maior é o afastamento em que as chegadas refratadas precisam ser registradas. Por outro lado, no levantamento sísmico de reflexão, busca-se que as fases refletidas nunca sejam primeiras chegadas e que sejam normalmente de amplitudes muito baixas, pois os refletores geológicos tendem a possuir coeficientes de reflexão pequenos. Consequentemente, as reflexões são normalmente mascaradas, nos registros sísmicos, por eventos de amplitudes mais altas, como ondas de corpo diretas ou refratadas, e por ondas de superfície. Os métodos de levantamento sísmico de reflexão, portanto, devem ser capazes de distinguir entre energia refletida e muitos tipos de ruídos sincrônicos. Os registros são normalmente restritos a pequenas distâncias de afastamento, bem menores que a distância crítica para as interfaces refletoras de maior interesse. Entretanto, em levantamentos de sísmica de reflexão multicanal, os registros são convencionalmente realizados dentro de um intervalo significativo de distâncias de afastamento, por razões posteriormente discutidas no Capo 4.

3.8

Sistemas de aquisição

de dados sísmicos

O objetivo fundamental dos levantamentos sísmicos é precisamente registrar os movimentos do terreno causados por uma fonte conhecida, de localização também conhecida. O registro do movimento do terreno no tempo constitui um sismograma (seismogram) e é a informação básica utilizada para interpretação tanto por modelagem quanto por imageamento (ver Capo 2). Os requisitos instrumentais essenciais são: • gerar um pulso sísmico, com uma fonte (source) apropriada; • detectar as ondas sísmicas no solo por meio de um transdutor (transducer) apropriado; • registrar e apresentar as formas de onda sísmicas num sismógrafo (seismograph) apropriado.

3

ELEMENTOS

DE UM LEVANTAMENTO

A metodologia usual de exame de estruturas não visíveis, pelo estudo de seus efeitos sobre ondas acústicas ou sísmicas geradas artificialmente, tem uma enorme gama de aplicações, cobrindo um largo intervalo de escalas espaciais. Talvez, a menor escala ocorra no imageamento de ultrassom em medicina, e também pode ser aplicado industrialmente no exame de estruturas de engenharia. No âmbito das aplicações geofísicas, as escalas variam desde profundidades de um metro ou menos em engenharia, pesquisas ambientais ou arqueológicas, a dezenas de quilômetros nos estudos crus tais ou do manto superior. Para cada aplicação existe um limite com relação à menor estrutura que pode ser detectada, conhecido como a resolução de um levantamento. A resolução é determinada basicamente pelo comprimento do pulso: para um pulso de um dado comprimento, há uma separação mínimª, abaixo da qual haverá uma sobreposição dos pulsos no tempo, no registro sísmico. Embora o comprimento do pulso possa ser encurtado no estágio de processamento por deconvolução (ver Seção 4.8.2), isso somente será possível se os dados forem de boa qualidade, e é um complemento, não um substituto, para um bom modelo de levantamento sísmico. A duração (comprimento) do pulso é determinada pela frequência máxima e pela largura de banda do sinal registrado. Uma vez que os materiais terrestres absorvem energia sísmica seletivamente segundo as frequências (Seção 3.5), a forma de onda ótima será específica para cada levantamento. Uma importante característica de todos os levantamentos geofísicos e, particularmente, dos sísmicos, é que eles devem ser planejados individualmente para cada caso específico. Os aspectos gerais do equipamento utilizado nos levantamentos sísmicos são revisados aqui; as variações específicas para levantamentos de sísmica de reflexão e de refração são descritas nos Caps. 4 e 5. 3.8.1

Fontes sísmicas e a gama de aplicações sísmicas/acústicas

Uma fonte sísmica é uma região localizada, dentro da qual a repentina liberação de energia produz uma rápida tensão sobre o meio circundante. Uma explosão é uma fonte sísmica arquetípica. Mesmo que ainda sejam usados explosivos, há um número crescente de modos mais eficientes e sofisticados (e mais seguros!) de coletar dados sísmicos. Os principais requisitos da fonte sísmica são: • energia suficiente através do mais amplo intervalo de frequências possível, estendendo-se às frequências mais altas registráveis; • a energia deve se concentrar no tipo de energia de onda necessário a um levantamento específico, ou seja, onda P ou onda S, e gerar um mínimo de energia de outros tipos de onda. Essa energia indesejável

SÍSMICO

I

75

76 I

GEOFÍSICA

DE EXPLORAÇÃO

degradaria

os dados registrados

e seria classificada como ruído

coerente;

• a forma de onda da fonte deve ser repetível. Levantamentos sísmicos quase sempre envolvem comparação de sismogramas gerados por uma série de fontes em diferentes localizações. Variações nos sismogramas devem ser diagnósticas da estrutura do terreno, e não de variações aleatórias da fonte; • a fonte deve ser segura, eficiente e ambientalmente aceitável. A maior parte dos levantamentos sísmicos são operações comerciais regidas pela segurança e pela legislação ambiental. Eles devem ser tão econômicos quanto possível. Às vezes, os requisitos para a eficiência levam, por si só, a padrões de segurança pessoal e ambiental maiores que os exigidos por lei. Acidentes são chamados de "acidentes com perda de tempo", quer envolvam danos pessoais ou não. A segurança auxilia na eficiência, sendo também desejável sob muitos pontos de vista. A gama de aplicações sísmicas/acústicas completa é mostrada na Fig. 3.14. Há uma variedade muito ampla de fontes sísmicas caracterizadas por diferentes níveis de energia e por características de frequência. Em geral, uma fonte sísmica contém uma grande variedade de componentes de frequência dentro do intervalo de 1 Hz até umas poucas centenas de hertz, embora a energia esteja frequentemente concentrada numa banda de frequência mais estreita. As características da fonte podem ser modificadas por meio do uso de várias fontes similares num arranjo planejado, por exemplo, para melhorar o espectro de frequência do pulso transmitido. Esse assunto será tratado no Capo 4, quando discutirmos os parâmetros para o projeto de levantamentos sísmicos de reflexão. ----Ecobatimetros ---

Pingueres

-------Boomers ------

Centelhadores

----Canhões

de ar

----Vibroseis ------------I 10-2

Cargas de dinamite Ondas de corpo de terremoto

Ondas superficiais de terremoto I

I

I

10-1

101

102

Frequência (Hz) (escala logarítmica) Fig. 3.14 A gama de aplicações sísmicas/acústicas

I

1