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 utilizar tecnología más sofisticada, como una pistola de aire comprimido especializada. Las fuentes sísmicas pueden proporcionar pulsos únicos o barridos continuos de energía, generando ondas sísmicas que viajan a través de un medio como agua o capas de rocas . Algunas de las ondas luego se reflejan y refractan y son registradas por receptores, como geófonos o hidrófonos . [1]
Las fuentes sísmicas se pueden utilizar 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 que regresan de las fuentes son detectadas por sensores sísmicos ( geófonos o hidrófonos ) en ubicaciones conocidas en relación con la posición de la fuente. Luego, las señales registradas se someten a un procesamiento e interpretación especializados para generar información comprensible sobre el subsuelo. [2]
Una señal de fuente sísmica tiene las siguientes características:
La ecuación generalizada que muestra todas las propiedades anteriores es:
donde es el componente de frecuencia máxima de la forma de onda generada. [3]
La fuente sísmica más básica es un mazo . La energía sísmica se genera al golpear el suelo directamente o, más comúnmente, al golpear una placa de metal o polietileno en el suelo. Normalmente se aplica para estudios de refracción sísmica cerca de la superficie . El impacto del contacto del mazo con la superficie puede proporcionar suficiente energía sísmica para profundidades de interfaz de hasta 30 mo más, dependiendo de las condiciones geológicas y las propiedades físicas. [4]
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 C 3 H 5 (ONO 2 ) 3 es el componente activo, gelatinas de amoníaco en las que el nitrito de amoníaco con la fórmula química NH 4 NO 3 como componente activo, y semigelatinas en las que la composición consiste principalmente en nitroglicerina. [5]
Al detonar, los explosivos liberan grandes volúmenes de gas en expansión muy rápidamente, [6] ejerciendo una gran presión en los alrededores en forma de ondas sísmicas. [ cita necesaria ]
El uso de explosivos como fuente sísmica se ha practicado durante décadas debido a la confiabilidad y eficiencia energética que brindan. [7] Estas fuentes se utilizan con mayor frecuencia en entornos terrestres y pantanosos debido al alto espesor de los sedimentos. [ cita necesaria ] Los tamaños de carga típicos utilizados en el campo para estudios 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 2500 kg o más para estudios de refracción. [5]
Aunque la dinamita y otros explosivos son fuentes sísmicas eficientes debido a sus costos reducidos, facilidad de transporte en terrenos difíciles y falta de mantenimiento regular en comparación con otras fuentes, [8] el uso de explosivos se está restringiendo en ciertas áreas, causando disminución y aumento popularidad de fuentes sísmicas alternativas. [7]
Por ejemplo, el hexanitrostilbeno fue el principal relleno explosivo en los botes de mortero utilizados como parte de los Experimentos sísmicos activos lunares Apollo . [9] 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 denomina "perforación de pozos de perdigones". Un equipo de perforación común utilizado para la "perforación de orificios de perdigones" es el taladro ARDCO C-1000 montado en un buggy ARDCO K 4X4. Estos equipos de perforación suelen utilizar agua o aire para ayudar en la perforación.
Se utiliza una pistola de aire comprimido para estudios de refracción y reflexión marina . Consta de una o más cámaras neumáticas que están presurizadas con aire comprimido a presiones de 14 a 21 MPa (2000 a 3000 lbf/in2 ) . Los cañones de aire comprimido se sumergen bajo la superficie del agua y se remolcan detrás de un barco sísmico. Cuando se dispara una pistola de aire comprimido, se activa un solenoide que libera aire a alta presión desde una cámara a la parte trasera de una lanzadera que normalmente se mantiene en equilibrio entre las dos cámaras igualmente presurizadas. La reducción instantánea de la presión del aire en la primera cámara permite que el transbordador se mueva rápidamente hacia la primera cámara, liberando un depósito de aire de alta presión que está detrás del transbordador en la segunda cámara a través de los puertos directamente hacia el mar, produciendo un pulso de energía acústica . [10] Los conjuntos de armas de aire pueden consistir en hasta 48 armas de aire individuales con cámaras de diferentes tamaños o ciertos volúmenes de armas de aire pueden agruparse. El disparo de toda la matriz está controlado por el controlador de la pistola y generalmente se realiza con una tolerancia de ± 1 o 2 milisegundos, siendo el objetivo crear la onda de choque inicial óptima seguida de la mínima reverberación de las burbujas de aire. Dado que la lanzadera está magnetizada, el movimiento rápido hacia la primera recámara al liberar el valor del solenoide proporciona una pequeña corriente que es, de hecho, una señal de sincronización para el arma que dispara y que regresa al controlador del arma. También se puede utilizar un hidrófono de campo cercano ubicado a una distancia medida conocida desde el puerto del cañón para cronometrar la primera señal de interrupción en el hidrófono para una verificación precisa de la sincronización del cañón.
El mantenimiento de las armas de aire comprimido es importante ya que las armas pueden fallar; el peor de los casos es un disparo automático en el que el arma dispara repetidamente fuera de sincronización debido a un defecto en el arma misma, como una válvula solenoide dañada o una junta tórica de la pistola con fugas. Un solo cañón de disparo automático puede provocar que la firma total de la burbuja del conjunto se corrompa y, si no se detecta, puede provocar que se vuelvan a disparar muchas líneas sísmicas solo para un cañón de disparo automático cuando se encuentra la falla durante el procesamiento inicial de datos.
Durante el manejo normal para el despliegue y la recuperación, los cañones de aire nunca deben estar completamente presurizados a su presión óptima de trabajo en cubierta y es una práctica normal bajar el aire de los cañones a 500 psi para evitar el ingreso de agua durante el despliegue y la recuperación. También es una práctica deficiente y peligrosa probar armas de fuego en cubierta, en el aire y a presión. También debe existir un sistema de aislamiento para evitar el disparo accidental de cañones en cubierta por parte de observadores o navegantes por error. Las liberaciones de aire a alta presión en la cubierta pueden amputar dedos y también provocar 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 oídos y minimizar la exposición de la piel descubierta.
Las pistolas de aire comprimido están fabricadas con acero inoxidable resistente a la corrosión de la más alta calidad. Las cámaras grandes (es decir, mayores 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 mayor frecuencia.
Una fuente de sonido de plasma (PSS), también llamada fuente de sonido de chispa , o simplemente chispero , es un medio para generar un pulso de sonar de muy baja frecuencia bajo el agua. 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 submarinas produce una burbuja de vapor y plasma de alta presión, que se expande y colapsa , produciendo un sonido fuerte. [11] 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 buzos sumergidos [ cita requerida ] .
En 1953, se introdujo la técnica del golpe de peso como alternativa a las fuentes de dinamita.
Un camión golpeador (o camión de caída de peso) es un sistema de impacto contra el suelo montado en un vehículo que se puede utilizar para proporcionar una fuente sísmica. Un peso pesado se levanta mediante un polipasto en la parte trasera del camión y se deja caer, generalmente unos tres metros, para impactar (o "golpear") el suelo. [12] 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 utilizan una tecnología llamada " Caída de peso acelerada " (AWD), donde se utiliza un gas a alta presión (mínimo 7 MPa (1000 lbf/in 2 )) para acelerar un martillo pesado (5000 kg (11 000 lb)) para Golpee 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 más energía y más control de la fuente que la caída de peso gravitacional, proporcionando una mejor penetración en profundidad y control del contenido de frecuencia de la señal.
Los golpes pueden ser menos dañinos para el medio ambiente que disparar explosivos en los pozos de tiro, [13] [ cita necesaria ] aunque una línea sísmica fuertemente golpeada con crestas transversales cada pocos metros podría crear una perturbación duradera del suelo. Una ventaja del golpeador (posteriormente compartido con Vibroseis), especialmente en zonas políticamente inestables, es que no se necesitan explosivos.
Fuentes EMP basadas en los principios electrodinámicos y electromagnéticos.
Un vibrador sísmico propaga señales de energía hacia la Tierra durante un período prolongado de tiempo, a diferencia de la energía casi instantánea proporcionada por fuentes impulsivas. Los datos registrados de esta manera deben correlacionarse para convertir la señal fuente extendida en un impulso. La señal fuente que utiliza este método se generaba originalmente mediante un vibrador hidráulico servocontrolado o una unidad agitadora montada en una unidad base móvil, pero también se han desarrollado versiones electromecánicas .
La técnica de exploración "Vibroseis" fue desarrollada por la Continental Oil Company (Conoco) durante la década de 1950 y fue una marca registrada hasta que caducó la patente de la empresa .
Las fuentes de sonido Boomer se utilizan para estudios sísmicos en aguas poco profundas, principalmente para aplicaciones de estudios de ingeniería. Los boomers son remolcados en un trineo flotante detrás de un barco de reconocimiento. Al igual que la fuente de plasma, una fuente boomer 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. [14]
Originalmente, los condensadores de almacenamiento se colocaban en un contenedor de acero (la caja de explosión ) en el buque de investigación. Los altos voltajes utilizados, normalmente 3.000 V, requerían cables pesados y contenedores de seguridad resistentes. Recientemente, los boomers de bajo voltaje están disponibles. [15] Estos utilizan condensadores en el trineo remolcado, lo que permite una recuperación eficiente de energía, fuentes de alimentación de menor voltaje y cables más livianos. Los sistemas de bajo voltaje son generalmente más fáciles de implementar y tienen menos problemas de seguridad.
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 microsismo oceánico) o artificial (por ejemplo, urbano) como fuente sísmica. [16] 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 .
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