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 la dinamita , o puede utilizar tecnología más sofisticada, como un cañón de aire especializado. Las fuentes sísmicas pueden proporcionar pulsos individuales 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 . [1]
Las fuentes sísmicas pueden utilizarse para investigar la estructura del subsuelo superficial , 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. Las señales registradas luego se someten a un procesamiento e interpretación especializados para producir 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. Generalmente 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 m o más, según 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 amoniaco en las que el nitrito de amoniaco con la fórmula química NH 4 NO 3 es el 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] lo que genera una gran presión en los alrededores en forma de ondas sísmicas. [ cita requerida ]
El uso de explosivos como fuentes sísmicas 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 requerida ] 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 las dinamitas 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, lo que provoca un declive y una creciente popularidad de las fuentes sísmicas alternativas. [7]
Por ejemplo, el hexanitrostilbeno fue el principal material explosivo de relleno en los cartuchos de mortero usados como parte de los Experimentos Sísmicos Activos Lunares Apolo . [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 conoce como "perforación de pozos de perdigones". Una plataforma de perforación común utilizada para la "perforación de pozos de perdigones" es la perforadora ARDCO C-1000 montada en un buggy ARDCO K 4X4. Estas plataformas de perforación a menudo utilizan agua o aire para ayudar a la perforación.
Un cañón de aire se utiliza para estudios de reflexión y refracción 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/in2 ) . Los cañones de aire se sumergen debajo de la superficie del agua y se remolcan detrás de un barco sísmico. Cuando se dispara un cañón de aire, 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 de aire en la primera cámara permite que la lanzadera se mueva rápidamente hacia la primera cámara, liberando un depósito de aire a alta presión que está detrás de la lanzadera en la segunda cámara a través de puertos directamente al mar produciendo un pulso de energía acústica . [10] Los conjuntos de cañones de aire pueden constar de hasta 48 cañones de aire individuales con cámaras de diferentes tamaños o ciertos volúmenes de cañones de aire pueden agruparse. El disparo de todo el conjunto está controlado por el controlador del cañón y normalmente se realiza con una tolerancia de ± 1 o 2 milisegundos, con el objetivo de crear la onda de choque inicial óptima seguida de la mínima reverberación de la(s) burbuja(s) de aire. Dado que la lanzadera está magnetizada, el rápido movimiento hacia la primera cámara al soltar la válvula solenoide proporciona una pequeña corriente que es, en efecto, una señal de sincronización para el cañón de disparo que se devuelve al controlador del cañón. También se puede utilizar un hidrófono de campo cercano ubicado a una distancia medida conocida del puerto del cañón para sincronizar la primera señal de interrupción en el hidrófono para una verificación precisa de la sincronización del cañón.
El mantenimiento de las pistolas de aire comprimido es importante, ya que pueden fallar en el disparo; el peor de los casos sería un disparo automático en el que la pistola dispara repetidamente sin sincronización debido a un defecto en la propia pistola, como una válvula solenoide dañada o una junta tórica de la pistola con fugas. Un solo disparo automático de una pistola puede provocar que la firma de burbujas 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, los cañones de aire nunca deben presurizarse completamente a su presión de trabajo óptima en cubierta y es una práctica normal reducir el aire de los cañones a 500 psi para evitar la entrada de agua durante el despliegue y la recuperación. También es una práctica deficiente y peligrosa probar los cañones de fuego en cubierta con aire a presión. También debe haber un sistema de aislamiento para evitar que los observadores o navegantes disparen accidentalmente los cañones en cubierta por error. Las descargas de aire a alta presión en 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 su audición 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, de más de 1 L o 70 pulgadas cúbicas) tienden a dar señales de baja frecuencia, y las cámaras pequeñas (de 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 chisporroteador , es un medio para generar un pulso de sonar de muy baja frecuencia bajo el agua. Para cada disparo, se almacena una carga eléctrica en un gran banco de condensadores de alto voltaje y luego se libera en un arco a través de electrodos en el agua. La descarga de chispa submarina produce una burbuja de plasma y vapor 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 el PSS como arma no letal contra buzos sumergidos [ cita requerida ] .
En 1953 se introdujo la técnica del martillo de caída de peso como alternativa a las fuentes de dinamita.
Un camión de impacto (o camión de caída de peso) es un sistema de impacto en el suelo montado en un vehículo que se puede utilizar para proporcionar una fuente sísmica. Un peso pesado se eleva mediante un montacargas 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 puede dejarse caer más de una vez en el mismo lugar, la señal también puede aumentarse golpeando en varios lugares cercanos en un conjunto cuyas dimensiones pueden elegirse para mejorar la señal sísmica mediante filtrado espacial.
Los martillos más avanzados utilizan una tecnología llamada " caída de peso acelerada " (AWD), donde se utiliza un gas a alta presión (mínimo 7 MPa (1000 lbf/in2 ) ) para acelerar un martillo de peso pesado (5000 kg (11 000 lb)) para 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 más energía y más control de la fuente que la caída de peso gravitacional, lo que proporciona una mejor penetración de profundidad y control del contenido de frecuencia de la señal.
El golpeteo puede ser menos dañino para el medio ambiente que el disparo de explosivos en pozos de perdigones, [13] [ cita requerida ] aunque una línea sísmica fuertemente golpeada con crestas transversales cada pocos metros podría crear una perturbación duradera del suelo. Una ventaja del golpeador (más tarde compartido con Vibroseis), especialmente en áreas políticamente inestables, es que no se requieren explosivos.
Fuentes EMP basadas en los principios electrodinámicos y electromagnéticos.
Un vibrador sísmico propaga señales de energía a 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 de la fuente extendida en un impulso. La señal de la fuente que utiliza este método se generaba originalmente mediante un vibrador o agitador hidráulico servocontrolado montado en una unidad de 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 compañía .
Las fuentes de sonido Boomer se utilizan para estudios sísmicos en aguas poco profundas, principalmente para aplicaciones de estudios de ingeniería. Los Boomer se remolcan en un trineo flotante detrás de un buque de estudio. De manera similar a la fuente de plasma, una fuente Boomer almacena energía en condensadores, pero se descarga a través de una bobina 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 (el bang box ) en el buque de investigación. Los altos voltajes utilizados, normalmente 3.000 V, requerían cables pesados y contenedores de seguridad resistentes. Recientemente, se han puesto a disposición los boomers de bajo voltaje. [15] Estos utilizan condensadores en el trineo remolcado, lo que permite una recuperación eficiente de la energía, fuentes de alimentación de menor voltaje y cables más ligeros. Los sistemas de bajo voltaje son generalmente más fáciles de implementar y presentan 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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