Fuente sísmica

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.

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 retornaron 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 brindar información comprensible sobre el subsuelo.

Una señal de fuente sísmica tiene las siguientes características:

1. Genera una señal de impulso
2. Band-limited
3. Las ondas generadas son de 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 ${\displaystyle f_{max}$ es el componente de frecuencia máxima de la forma de onda generada.

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.

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 es el componente activo, y semigelatinas en las que la composición consiste principalmente en nitroglicerina.

Al detonar, los explosivos liberan grandes volúmenes de gas en expansión muy rápidamente, lo que genera una gran presión en 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 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.

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, el uso de explosivos se está restringiendo en ciertas áreas, lo que provoca el declive y el aumento de la popularidad de las fuentes sísmicas alternativas.

Por ejemplo, el hexanitrostilbeno fue el principal material explosivo de relleno en los cartuchos de mortero thumper utilizados como parte de los experimentos sísmicos activos lunares del programa Apolo. Por lo general, las cargas explosivas se colocan entre 6 y 76 metros (20 y 250 pies) por debajo del suelo, en un pozo que se perfora con un equipo de perforación específico para este fin. Este tipo de perforación sísmica se conoce a menudo como "perforación de pozos de granalla". Una plataforma de perforación común utilizada para la "perforación de pozos de granalla" 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 hacia la parte posterior 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. 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 de la pistola 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 la pistola de disparo que se devuelve al controlador de la pistola. También se puede utilizar un hidrófono de campo cercano ubicado a una distancia medida conocida del puerto de la pistola para sincronizar 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 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 comprimido nunca deben estar completamente presurizados 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 aire comprimido en cubierta. 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 a 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 de la más alta calidad resistente a la corrosión. 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 chispero, 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, generando 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 el PSS como arma no letal contra buzos sumergidos.

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

Un camión de impacto (o 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. Se levanta un peso pesado mediante 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 un conjunto cuyas dimensiones se pueden elegir para mejorar la señal sísmica mediante filtrado espacial.

Los martillos más avanzados utilizan una tecnología llamada "caída de peso acelerada" (AWD), en la que se utiliza un gas a alta presión (mínimo 7 MPa (1000 lbf/in²)) para acelerar un martillo de gran peso (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 martillos para mejorar la relación señal/ruido. La AWD permite más energía y más control de la fuente que la caída de peso gravitacional, lo que proporciona una mejor penetración en profundidad y un mejor 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, aunque una línea sísmica fuertemente golpeada con crestas transversales cada pocos metros puede crear una perturbación duradera del suelo. Una ventaja del golpeador (que luego se compartió con Vibroseis), especialmente en áreas políticamente inestables, es que no se requieren explosivos.

Fuentes EMP basadas en 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 hidráulico servocontrolado o una unidad de agitación montada 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 la patente de la empresa caducó.

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.

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, se han puesto a disposición los sistemas de baja tensión. Estos utilizan condensadores en el trineo remolcado, lo que permite una recuperación de energía eficiente, fuentes de alimentación de menor voltaje y cables más livianos. Los sistemas de baja tensión son generalmente más fáciles de implementar y presentan menos problemas de seguridad.

Las técnicas de procesamiento basadas en la correlación también permiten a los sismólogos obtener imágenes del interior de la Tierra a múltiples escalas utilizando el ruido de fondo natural (por ejemplo, el microsismo oceánico) o artificial (por ejemplo, el 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.

• Seismología de la reflexión
• Refracción sismica

• Crawford, J. M., Doty, W. E. N. y Lee, M. R., 1960, Sismógrafo de señal continua: Geofísica, Sociedad de Geofísicos Exploración, 25, 95-105.
• Robert E. Sheriff, Encyclopedic Dictionary of Applied Geophysics (Geophysical References No. 13) 4th Edition, 2002, 429 pag. ISBN 978-1560801184.
• Snieder, Roel (2004-04-29). "Extraer la función de Green de la correlación de ondas de coda: Una derivación basada en fase estacionaria". Examen físico E. 69 (4). American Physical Society (APS): 046610. PhRvE.69d6610S. doi:10.1103/physreve.69.046610. ISSN 1539-3755. PMID 15169121.
• Propagación Seismic Wave Modeling and Inversion, Phil Bording [1]
• Derivación de la ecuación de onda sismic se puede encontrar aquí. [2]

• Fotos de camiones Thumper en acción
• Senderos de tobogan ártico Refuge
• Senderos de thumper de Utah
• Estudio de Neutralización No Letal Swimmer por la Universidad de Texas, mayo de 2002 página 42
• Vibroseis, Omnilaw International, a Texas Corporation
• Ilustración de Vibroseis en adquisición sísmica terrestre 3D