Fuente sísmica - Seismic source

Una fuente sísmica de pistola de aire (30 litros)

Una fuente sísmica es un dispositivo que genera energía sísmica controlada que se utiliza para realizar estudios sísmicos de reflexión y refracción . Una fuente sísmica puede ser simple, como dinamita , o puede usar tecnología más sofisticada, como una pistola de aire especializada. Las fuentes sísmicas pueden proporcionar pulsos únicos o barridos continuos de energía, generando ondas sísmicas , que viajan a través de un medio como el agua o capas de rocas . Algunas de las ondas luego se reflejan y refractan y son registradas por receptores, como geófonos o hidrófonos .

Las fuentes sísmicas pueden usarse para investigar la estructura del subsuelo poco profundo , para la caracterización de sitios de ingeniería o para estudiar estructuras más profundas, ya sea en la búsqueda de depósitos de petróleo y minerales, o para mapear fallas del subsuelo o para otras investigaciones científicas. Las señales de retorno de las fuentes son detectadas por sensores sísmicos ( geófonos o hidrófonos ) en ubicaciones conocidas en relación con la posición de la fuente. Las señales grabadas se someten luego a un procesamiento e interpretación especializados para producir información comprensible sobre el subsuelo.

Modelo fuente

Una señal de fuente sísmica tiene las siguientes características:

1. Genera una señal de impulso
2. Banda limitada
3. Las ondas generadas varían en el tiempo

La ecuación generalizada que muestra todas las propiedades anteriores es:

${\ Displaystyle s (t) = \ beta e ^ {- \ alpha t ^ {2}} \ sin (2 \ pi f_ {max} t)}$

donde es el componente de frecuencia máxima de la forma de onda generada. ${\ Displaystyle f_ {max}}$

Tipos de fuentes

Martillo

La fuente sísmica más básica es un martillo , que golpea el suelo directamente o, más comúnmente, golpea una placa de metal en el suelo, conocida como martillo y placa. Útil para levantamientos de refracción sísmica hasta unos 20 m por debajo de la superficie.

Explosivos

Los explosivos más utilizados como fuentes sísmicas se conocen como dinamitas de gelatina . Estas dinamitas se clasifican en tres subcategorías, gelatinas simples en las que la nitroglicerina , también conocida como trinitrato de glicerilo con la fórmula química C3H5 (ONO2) 3 es el componente activo, gelatinas de amoniaco en las que el nitrito de amoniaco con la fórmula química NH₄NO₃ como componente activo, y semi gelatinas en las que la composición consiste principalmente en nitroglicerina.

Tras la detonación, los explosivos liberan grandes volúmenes de gas en expansión muy rápidamente, forzando una gran presión a los alrededores en forma de ondas sísmicas.

El uso de explosivos como fuentes sísmicas se ha practicado durante décadas debido a la confiabilidad y eficiencia energética que brindan. Estas fuentes se utilizan con mayor frecuencia en entornos terrestres y pantanosos debido al alto espesor de los sedimentos. Los tamaños de carga típicos utilizados en el campo para los levantamientos de reflexión son de 0,25 kg a 100 kg para fuentes de un solo orificio, de 0,25 kg a 250 kg o más para fuentes de múltiples orificios, y pueden alcanzar los 2500 kg o más para los levantamientos de refracción.

Aunque las dinamitas y otros explosivos son fuentes sísmicas eficientes debido a sus costos reducidos, la facilidad de transporte en terrenos difíciles y la falta de mantenimiento regular en comparación con otras fuentes, el uso de explosivos se está restringiendo en ciertas áreas, lo que provoca un declive y una creciente popularidad de alternativas. fuentes sísmicas.

Por ejemplo, el hexanitrostilbeno fue el relleno explosivo principal en los cartuchos de mortero de impacto utilizados como parte de los Experimentos sísmicos activos lunares del Apolo . Generalmente, las cargas explosivas se colocan entre 6 y 76 metros (20 y 250 pies) bajo tierra, en un pozo que se perfora con equipo de perforación dedicado para este propósito. Este tipo de perforación sísmica a menudo se conoce como "Perforación de agujeros de granalla". Un equipo de perforación común que se utiliza para "Perforar agujeros de granalla" es el taladro ARDCO C-1000 montado en un buggy ARDCO K 4X4. Estos equipos de perforación a menudo usan agua o aire para ayudar en la perforación.

Pistola de aire

Cadenas de pistola de aire Litton LP que se utilizan en la adquisición de sísmica marina

Sismólogo con conjunto de pistolas de aire de 18 litros aseguradas para su transporte a bordo del R / V Sikuliaq.

Se utiliza una pistola de aire para estudios de refracción y reflexión marina . Consiste en una o más cámaras neumáticas que se presurizan con aire comprimido a presiones de 14 a 21 MPa (2000 a 3000 lbf / in ² ). Los cañones de aire se sumergen debajo de la superficie del agua y se remolcan detrás de un barco sísmico. Cuando se dispara una pistola de aire, se activa un solenoide que libera aire a alta presión de una cámara a la parte trasera de una lanzadera que normalmente se mantiene en equilibrio entre las dos cámaras igualmente presurizadas. La disminución instantánea de la presión del aire en la primera cámara permite que la lanzadera se mueva rápidamente hacia la primera cámara, liberando un depósito de aire de alta presión que está detrás de la lanzadera en la segunda cámara a través de puertos directamente hacia el mar produciendo un pulso de energía acústica . Los conjuntos de pistolas de aire pueden constar de hasta 48 pistolas de aire individuales con cámaras de diferentes tamaños o ciertos volúmenes de pistolas de aire pueden agruparse. El disparo de toda la matriz está controlado por el controlador de la pistola y generalmente se realiza dentro de una tolerancia de ± 1 o 2 milisegundos, con el objetivo de crear la onda de choque inicial óptima seguida de la reverberación mínima de la (s) burbuja (s) de aire. Dado que la lanzadera está magnetizada, el movimiento rápido hacia la primera cámara al liberar el valor del solenoide proporciona una pequeña corriente que es, en efecto, una señal de sincronización para la pistola que dispara que se devuelve al controlador de la pistola. También se puede usar un hidrófono de campo cercano ubicado a una distancia medida conocida desde el puerto de la pistola para cronometrar la primera señal de interrupción en el hidrófono para una verificación precisa de la sincronización de la pistola.

El mantenimiento de las pistolas de aire comprimido es importante ya que las pistolas pueden fallar; el peor de los casos es un disparo automático en el que la pistola dispara repetidamente fuera de sincronía debido a un defecto en la propia pistola, como una válvula solenoide dañada o una junta tórica de la pistola con fugas. Una sola pistola de disparo automático puede provocar que la firma de la burbuja de la matriz total se corrompa y, si no se detecta, puede provocar que se vuelvan a disparar muchas líneas sísmicas solo para una pistola de disparo automático cuando se encuentra la falla durante el procesamiento inicial de datos.

Durante el manejo normal para el despliegue y la recuperación, las pistolas de aire nunca deben estar completamente presurizadas a su presión de trabajo óptima en la cubierta y es una práctica normal ventilar las pistolas a 500 psi para evitar la entrada de agua durante el despliegue y la recuperación. También es una práctica mala y peligrosa probar armas de fuego en cubierta en el aire a presión. También debe haber un sistema de aislamiento para evitar el disparo accidental de armas en cubierta por parte de observadores o navegantes por error. Las liberaciones de aire a alta presión en la cubierta pueden amputar los dedos y también resultar en una lesión por inyección de alta presión a través de la piel, una lesión casi intratable y mortal en un entorno sísmico. Los artilleros deben usar el equipo de protección personal requerido para proteger sus ojos y su oído y minimizar la exposición de la piel descubierta.

Las pistolas de aire están fabricadas con los más altos grados de acero inoxidable resistente a la corrosión. Las cámaras grandes (es decir, más de 1 L o 70 pulgadas cúbicas) tienden a dar señales de baja frecuencia, y las cámaras pequeñas (menos de 1 L) dan señales de frecuencia más alta.

Fuente de sonido de plasma

Fuente de sonido de plasma disparada en una pequeña piscina

Una fuente de sonido plasma (PSS), también llamado una fuente de sonido hueco de chispa , o simplemente un sparker , es un medio de hacer una muy baja frecuencia sonar bajo el agua pulso. Para cada disparo, la carga eléctrica se almacena en un gran banco de condensadores de alto voltaje y luego se libera en un arco a través de los electrodos en el agua. La descarga de chispas bajo el agua produce una burbuja de vapor y plasma a alta presión, que se expande y colapsa , produciendo un sonido fuerte. La mayor parte del sonido producido está entre 20 y 200 Hz, útil tanto para aplicaciones sísmicas como de sonar .

También hay planes para utilizar PSS como arma no letal contra los buceadores sumergidos .

Camión thumper

Thumper trucks, Noble Energy , norte de Nevada 2012.

En 1953, se introdujo la técnica del golpe con caída de peso como alternativa a las fuentes de dinamita.

Vibroseis

Vibroseis 2

Reproducir medios

Vibrador sísmico durante la operación

Un camión golpeador (o camión de caída de peso) es un sistema de impacto en el suelo montado en un vehículo que se puede usar para proporcionar una fuente sísmica. Se levanta un peso pesado con un montacargas en la parte trasera del camión y se deja caer, generalmente unos tres metros, para impactar (o "golpear") el suelo. Para aumentar la señal, el peso se puede dejar caer más de una vez en el mismo lugar, la señal también se puede aumentar golpeando en varios lugares cercanos en una matriz cuyas dimensiones se pueden elegir para mejorar la señal sísmica mediante filtrado espacial.

Los golpeadores más avanzados usan una tecnología llamada " Caída de peso acelerada " (AWD), donde se usa un gas a alta presión (mínimo 7 MPa (1000 lbf / in ² )) para acelerar un martillo de peso pesado (5,000 kg (11,000 lb)) a golpear una placa base acoplada al suelo desde una distancia de 2 a 3 metros (6 pies 7 pulgadas a 9 pies 10 pulgadas). Se apilan varios golpes para mejorar la relación señal / ruido. AWD permite tanto más energía como más control de la fuente que la caída de peso gravitacional, proporcionando una mejor penetración de profundidad, control del contenido de frecuencia de la señal.

Golpear puede ser menos dañino para el medio ambiente que disparar explosivos en agujeros de bala, aunque una línea sísmica fuertemente golpeada con crestas transversales cada pocos metros puede crear una perturbación duradera del suelo. Una ventaja del golpe (luego compartido con Vibroseis), especialmente en áreas políticamente inestables, es que no se requieren explosivos.

Fuente de energía de pulso electromagnético (no explosivo)

Fuentes EMP basadas en principios electrodinámicos y electromagnéticos.

Vibrador sísmico

Un vibrador sísmico propaga señales de energía en la Tierra durante un período de tiempo prolongado en oposición a la energía casi instantánea proporcionada por fuentes impulsivas. Los datos registrados de esta manera deben correlacionarse para convertir la señal de fuente extendida en un impulso. La señal de la fuente que utiliza este método fue generada originalmente por un vibrador hidráulico o una unidad agitadora servocontrolada montada en una unidad base móvil, pero también se han desarrollado versiones electromecánicas .

La técnica de exploración "Vibroseis" fue desarrollada por Continental Oil Company (Conoco) durante la década de 1950 y fue una marca registrada hasta que expiró la patente de la empresa .

Fuentes de boom

Las fuentes de sonido Boomer se utilizan para estudios sísmicos de aguas poco profundas, principalmente para aplicaciones de estudios de ingeniería. Los boomers se remolcan en un trineo flotante detrás de un buque de inspección. Similar a la fuente de plasma, una fuente de boom almacena energía en condensadores, pero se descarga a través de una bobina en espiral plana en lugar de generar una chispa. Una placa de cobre adyacente a la bobina se flexiona alejándose de la bobina a medida que se descargan los condensadores. Esta flexión se transmite al agua como pulso sísmico.

Originalmente, los condensadores de almacenamiento se colocaron en un contenedor de acero (la caja de explosión ) en el recipiente de la encuesta. Los altos voltajes utilizados, típicamente 3000 V, requirieron cables pesados ​​y contenedores de seguridad fuertes. Recientemente, han aparecido boomers de bajo voltaje. Estos utilizan condensadores en el trineo remolcado, lo que permite una recuperación de energía eficiente, fuentes de alimentación de menor voltaje y cables más ligeros. Los sistemas de bajo voltaje son generalmente más fáciles de implementar y tienen menos problemas de seguridad.

Fuentes de ruido

Las técnicas de procesamiento basadas en correlación también permiten a los sismólogos obtener imágenes del interior de la Tierra a múltiples escalas utilizando ruido de fondo natural (por ejemplo, el microsísmo oceánico) o artificial (por ejemplo, urbano) como fuente sísmica. Por ejemplo, en condiciones ideales de iluminación sísmica uniforme, la correlación de las señales de ruido entre dos sismógrafos proporciona una estimación de la respuesta al impulso sísmico bidireccional .

Ver también

• Sismología de reflexión
• Refracción sísmica

Referencias

Bibliografía

• Crawford, JM, Doty, WEN y Lee, MR, 1960, Sismógrafo de señal continua: Geofísica, Sociedad de Geofísicos de Exploración, 25, 95-105.
• Robert E. Sheriff, Diccionario enciclopédico de geofísica aplicada (Referencias geofísicas nº 13) 4ª edición, 2002, 429 pag. ISBN  978-1560801184 .
• Snieder, Roel (29 de abril de 2004). "Extraer la función de Green a partir de la correlación de ondas coda: una derivación basada en la fase estacionaria". Revisión E física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 69 (4): 046610. Código Bibliográfico : 2004PhRvE..69d6610S . doi : 10.1103 / physreve.69.046610 . ISSN  1539-3755 .
• Modelado e inversión de propagación de ondas sísmicas, Phil Bording [1]
• La derivación de la ecuación de onda sísmica se puede encontrar aquí. [2]

enlaces externos

• Fotos de camiones Thumper en acción
• Senderos de thumper del Refugio Ártico
• Utah thumper senderos
• Estudio de neutralización de nadadores no letales de la Universidad de Texas, mayo de 2002, página 42
• Vibroseis, Omnilaw International, una corporación de Texas
• Ilustración de Vibroseis en adquisición de sísmica terrestre 3D