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Principios Físicos en la Propagación de Ondas

Es importante destacar que los métodos sísmicos representan uno de los métodos que mayor interés despiertan en los clientes, debido a que son uno de los más utilizados en la industria petrolera, minera y de construcción de obras civiles para la exploración del subsuelo. Estos se basan en la generación de impulsos a partir de una fuente de energía localizada en superficie que genera perturbaciones al subsuelo y de esta forma registrar los tiempos de propagación de ese campo de ondas generado en diferentes puntos de observación (receptores) para la caracterización de las diferentes capas geológicas del subsuelo, pero ¿cuáles son los principios físicos que subyacen a la propagación de un campo de ondas?

La propagación de los movimientos ondulatorios se basa en dos principios fundamentales: el principio de Huygens y el principio de Fermat. El primero establece que “todo punto de un frente de onda se comporta como un nuevo centro generador de ondas”, y el segundo señala que el movimiento ondulatorio entre un punto A y un punto B seguirá la trayectoria que menor tiempo emplee en recorrerla. Ambos principios se basan en los conceptos de frente de onda y trayectoria. El frente de ondas se define como un lugar geométrico que une a todos los puntos que en un instante se encuentran en el mismo estado de vibración. La dirección de propagación del frente de ondas es indicada por la trayectoria, la cual es perpendicular a éste.

Otra pregunta que podríamos hacernos es ¿A qué velocidad se propaga ese frente de ondas? ¿De que parámetros depende la velocidad de propagación? La velocidad de propagación de las ondas depende de los parámetros elásticos del medio por el cual se propaga, los cuales están directamente relacionados con la composición del medio. Las rocas están compuestas por distintos minerales, unos más dúctiles o fracturados que otros, de mayor o menor densidad, grado de compactación, porosidad, entre otros. Todos estos parámetros afectan la propagación de las ondas.

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Resolución de datos sísmicos

Al iniciar una campaña de interpretación de datos geofísicos debemos ser conscientes de que estas etapas de los proyectos conllevan gran cantidad de horas de trabajo, las cuales empiezan antes de la carga de los datos en el software determinado. Estas primeras horas son dedicadas a tomar conocimiento de la geología regional y/o local, informarse acerca de los estilos estructurales involucrados, los esfuerzos, litologías, ambientes de depositación, edades geológicas, intrusiones, pulsos de migración de fluidos, entre muchos otros elementos, para tener un conocimiento a priori de cómo se comportarían los datos de acuerdo con el medio involucrado. 

Una vez los especialistas toman el conocimiento necesario del área de estudio, son capaces de tomar los datos e interpretarlos de manera de tener congruencia con el entorno geológico y cualquier alteración existente, bien sea de manera natural o por impacto humano. 

No obstante, más que hablar sobre interpretación de datos geofísicos es importante saber que toda observación tiene un límite de detalle bien sea vertical u horizontal, el cual desde el área técnica se le llama “resolución”. La resolución podría definirse en términos sencillos como el mínimo espesor o la mínima separación que puede ser identificada (resuelta) entre dos eventos discretos. 

Todo dato geofísico es dependiente de la resolución, es la barrera natural frente a determinadas condiciones de adquisición y procesamiento del dato, para la obtención de una imagen interpretable. Y no se limita a datos geofísicos, si no a cualquier observación técnico-científica. Un ejemplo sería la vista: si nos encontramos caminando de noche y vemos una luz acercarse frente a nosotros podríamos pensar que se trata de una moto; sin embargo, a medida que se acerca, nuestros ojos (por medio de un proceso de interferometría) son capaces de resolver el problema y determinar que no se trata de una moto si no de un auto, ya que el mismo ha llegado al punto mínimo en el cual nuestros ojos son capaces de diferenciar o discretizar ambas luces delanteras. 

¡Claro! En este ejemplo hablamos de un fenómeno óptico. No obstante, algunas leyes de la óptica aplican para otros campos, y entre esos la sísmica de reflexión, la cual no está exenta de depender de la resolución para conocer el mínimo detalle que se puede estimar. Por esto, una vez cargado el dato sísmico para su posterior interpretación, es necesario estimar este valor. 

Teóricamente, este valor está representado por un cuarto de la longitud de onda para la profundidad objetivo. En sísmica convencional petrolera, es común hablar de resoluciones de entre 10 a 30 metros (un sello efectivo tiene al menos 30 metros de espesor, lo que equivaldría apenas a un reflector). Cuando trasladamos esta información a sísmica de alta resolución como los casos de sísmica somera (ej. Marina o incluso en minería), se podrían determinar espesores desde decenas de centímetros a algunos metros, dependiendo de las condiciones de adquisición e instrumentos implementados. 

¿Qué implicaciones trae esto? 

En sísmica convencional es frecuente encontrar anomalías que pueden ser interesantes, pero que, si no se está al tanto de la resolución sísmica a esa profundidad determinada, se podría estar en presencia de un efecto de entonación y por ende un potencial punto de riesgo exploratorio. O, por otro lado, se puede ubicar un lead pero con sello que genera incertidumbre al estar probablemente en límite de resolución. 

¿Y qué pasa con la sísmica de alta resolución? ¿Usarla no disminuiría la incertidumbre? 

La respuesta es sí, pero con un alcance acotado en profundidad ya que el frente de ondas pierde energía con el paso del tiempo y la profundidad y, por lo tanto, decae la señal sísmica y su poder de resolver eventos cercanos. Sin embargo, es increíblemente poderosa para exploración y delineación somera, como es el caso de la industria minera, donde el detalle importa, donde una facies, anomalía o cuerpo que puede estar enmascarado en otros métodos geofísicos puede ser diferenciado con un diseño sísmico apropiado, donde cada fractura importa, ¡Donde cada mineralización aporta en nombre de la ley! ¡O que cante un tenor

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Importancia del amarre sísmica – pozo

El método sísmico de reflexión es uno de los métodos geofísicos de mayor poder de resolución, tanto vertical como horizontal, permitiendo obtener una visualización regional de la disposición de las rocas y los procesos tectónicos y sedimentarios de un área de estudio.

La interpretación sísmica, generalmente en función de la amplitud, se basa en extraer la información de los perfiles de manera de comprender los procesos relacionados a la deposición en una cuenca. Sin embargo, debido a la naturaleza del dato, un perfil sísmico no proporciona información de edades estratigráfica ni de la litología de las rocas en el subsuelo.

Por otro lado, los datos de pozo tienen una gran resolución vertical, pero carecen de resolución horizontal ya que, en la mayoría de los casos, los pozos se encuentran separados entre sí decenas de metros, y en casos donde se tienen zonas estructuralmente complejas, la correlación entre pozos se torna complicada.

Es por esto, que la correlación sísmica – pozo cobra importancia a la hora de realizar modelos de subsuelo, ya que permite integrar a las visualizaciones regionales extraído de perfiles la información de edades y litología extraída de la información de pozo, generando modelos enmarcados en los contextos estructurales y estratigráficos que correspondan.

Para realizar un amarre sísmico – pozo, es necesario obtener funciones de tiempo vs profundidad que permitan estimar el tiempo de viaje de la onda según la velocidad y densidad de las formaciones estudiadas. Estas funciones pueden ser obtenidas a través de perfiles de velocidad, checkshots o perfiles VSP, siendo estos últimos los de mejor calidad ya que permiten obtener una pequeña sección en la vecindad del pozo incrementando la calidad en el amarre.

AguaEx Geociencias es especialista en el mercado nacional en sísmica híbrida de alta resolución, encargada desde la adquisición de datos sísmicos y perfiles VSP, procesamiento e interpretación de resultados, dedicando parte de sus al análisis geofísicos e integración de datos de pozo, con el objetivo de generar modelos geológicos robustos, incrementando así el conocimiento del subsuelo para nuestros clientes.

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Procesamiento de datos de sísmica de reflexión para la generación de imágenes del subsuelo

Los métodos sísmicos son uno de los métodos geofísicos más utilizados en la industria minera, petrolera y de construcción de obras civiles en la fase de exploración del subsuelo.

El método sísmico de reflexión se basa en las reflexiones del frente de onda sísmico sobre cada una de las interfaces presentes en el subsuelo. Estas interfaces se traducen en contrastes de impedancia, los cuales están intrínsecamente relacionados con los parámetros litológicos de cada una de las capas geológicas.

Una vez adquiridos los registros sísmicos en campo, estos deben ser procesados para generar la imagen resultante del subsuelo. Según Özdogan Yilmaz, el procesamiento de los datos sísmicos se divide en tres etapas: Pre-apilamiento (pre-apilamiento), Apilamiento y Post-apilamiento.

Uno de los aspectos importantes en la fase de pre-apilamiento de los datos es la asignación de las coordenadas de las estaciones fuente y receptoras medidas en terreno. Posteriormente se realiza la edición de los registros (eliminación de trazas, cambios de polaridad), se seleccionan las primeras llegadas para el cálculo de futuras correcciones y se atenúan las señales no deseadas (ruido) que enmascaran los eventos de reflexión. Seguidamente se aplican una serie de correcciones y por último se lleva a cabo el algoritmo de deconvolución para incrementar la resolución de las reflexiones.

En la fase de apilamiento se reordenan los datos en grupos de puntos de reflexión común y se realizan análisis de velocidades para la generación del apilado, y así obtener una imagen inicial del subsuelo, sobre la cual se aplicarán posteriormente otros procesos de mejoramiento (post-apilamiento) y así generar la sección sísmica final con mayor resolución tanto vertical como lateral.

El equipo de geofísicos de Aguaex dispone de un software de procesamiento avanzado para la generación de imágenes sísmicas de alta definición, a través de algoritmos que permiten atenuar considerablemente el ruido presente en los datos adquiridos, producto de las condiciones de superficie, ruido ambiental, reflexiones múltiples, entre otros, para un procesamiento adecuado de los datos.

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Importancia de la geolocalización de los datos geofísicos

En AguaEx somos conscientes de la importancia que tiene el registro apropiado de los datos adquiridos y su correcto posicionamiento. A partir de un sistema global de navegación por satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS) que es una constelación de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre, ya sea en tierra, mar o aire, podemos determinar las coordenadas y la altitud de un punto dado como resultado de la recepción de señales provenientes de constelaciones de satélites.

En palabras simples, el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un servicio que proporciona a los usuarios información sobre posicionamiento, navegación y cronometría. Este sistema está constituido por tres segmentos: el segmento espacial, el segmento de control y el segmento del usuario. El segmento espacial consiste en una constelación nominal formada por 24 satélites operativos que transmiten señales unidireccionales que proporcionan la posición y la hora de cada satélite del GPS. El segmento de control está formado por estaciones de seguimiento y control distribuidas por todo el mundo a fin de mantener los satélites en la órbita apropiada mediante maniobras de mando y ajustar los relojes satelitales. El segmento del usuario consiste en el equipo receptor del GPS que recibe las señales de los satélites y las procesa para calcular la posición tridimensional y la hora precisa (https://www.gps.gov/systems/gps/spanish.php).

Receptores DGPS nos permiten la georreferenciación en tiempo real de los registros de datos en terreno que incorporamos día a día en nuestras actividades de exploración y caracterización geológica-geofísica, posibilitando el monitoreo de nuestra información y la transmisión de la misma.

En AguaEx mantenemos un estándar que nos permite llevar la trazabilidad y el orden de los datos que adquirimos, así como de la información generada, garantizando la calidad de los resultados que entregamos en cada proyecto.

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Sísmica de reflexión en ambientes mineros

La sísmica de reflexión se caracteriza por ser uno de los métodos geofísicos con mayor poder de resolución vertical y lateral, ofreciendo una imagen del subsuelo de gran detalle, que puede ser utilizada para la exploración y delineación de yacimientos en casi cualquier ámbito.

En la industria petrolera conforma el núcleo del proceso exploratorio, al revelar no solo información de las estructuras y estratigrafía involucradas en determinada área, sino también una estimación de las propiedades físicas del medio.

En el caso de la industria minera, la aplicación de sísmica de reflexión mantiene un reto mayor al intentar iluminar zonas de altas complejidades estructurales debido a los ambientes cristalinos (asociación con magmatismo), lo que se traduce en imágenes complejas, con dispersiones, difracciones y disposición de horizontes de corrección desafiante en la etapa de procesamiento; adquisiciones en altos ambientes de ruido; restricciones de acceso y/o restricciones en los tiempos de levantamiento de datos.

No obstante, estas limitaciones pueden ser mitigadas con un plan de trabajo adecuado, permitiendo agregar a los estudios exploratorios la alta capacidad de resolución ofrecida por los datos sísmicos, integrando la información de los estudios rutinarios mineros representados por las perforaciones.

Tanto en la industria petrolera como en la minera, estos estudios geofísicos ofrecen información relevante más allá que sobre la imagen del subsuelo. El uso de estos métodos cae en la búsqueda de anomalías relacionadas a la presencia de recursos explotables, de acá que técnicas que hacen uso de atributos sísmicos, análisis de amplitudes versus distancias fuente-receptor (AVO) e incluso inversión sísmica cobren gran importancia al revelar elementos de alteración y/o mineralización que puedan representar interés comercial

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Inversión sísmica, aplicaciones y ventajas

Cuando se realiza la adquisición de datos símicos, estos se representan en términos de amplitud sísmica, donde los cambios fuertes de esta pueden representar límites de secuencias o topes de formaciones geológicas. Esta información permite realizar interpretaciones estructurales, pero no interpretaciones estratigráficas completas, ya que carecen de información litológica y petrofísica.

La inversión sísmica es un proceso matemático que permite extraer de las amplitudes sísmicas, la información de coeficientes de reflexión o impedancias acústicas, que no es más que relaciones de velocidades y densidades de los diferentes estratos. La información extraída de este proceso permite añadir a los modelos estructurales información estratigráfica importante.

Existen dos tipos de inversión sísmica, acústica y simultánea, cuya aplicación dependerá de los datos disponibles, teniendo en cuenta que para realizar una inversión es necesario tener un modelo estructural y datos duro de pozo de velocidades y densidades, que el algoritmo usará como partida para correlacionar y realizar la predicción de los valores a lo largo del modelo.

La inversión acústica permite obtener datos de densidad y velocidad de Onda P, mientras que la inversión simultánea permite obtener datos de densidad, velocidad de Onda P y de Onda S, permitiendo obtener información de propiedades físicas y mecánicas del subsuelo. Aunque esta última permite obtener modelos más completos, es necesario tener datos duros de velocidad de onda S.

Como se dijo anteriormente, las ventajas de realizar este proceso es agregar a los modelos estructurales información estratigráfica, como tipo de litología, porosidades, tipo de fluido, propiedades mecánicas, entre otras.

AguaEx se especializa en la interpretación de datos sísmicos y en el cálculo de inversiones sísmicas, generando modelos estructurales y estratigráficos completos, que permitan a nuestros clientes tener la información necesaria en proyectos tanto de producción como de exploración.

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Modelado numérico para predicción de datos geofísicos

Un modelo numérico geofísico es una representación de un fenómeno o variable geofísica, que se expresa en función de ecuaciones matemáticas, con el fin de predecir el comportamiento de estos y hacer frente a problemas de alta complejidad. Estos modelos unen los conocimientos científicos con conocimientos técnicos, como lo son datos duros, provenientes de levantamientos y mediciones de campo.

El primer paso para realizar un modelado matemático es definir las variables y ecuaciones matemáticas que definirán el problema a resolver. Luego, es necesario escoger un método que nos permita aproximar las soluciones. La complejidad y cantidad de soluciones dependerá del problema y la magnitud de datos con el que desea trabajar.

Los métodos más utilizados en el área de geofísica son el método de elementos finitos, método espectral, método de diferencias finitas, métodos de volúmenes finitos y método de elementos discretos. Donde la elección de este dependerá de el tipo de problema que se desea resolver y la capacidad de cómputo que se posea.

La ventaja principal de los modelos numéricos es que permiten en la mayoría de los casos, sustituir experimentos o perforaciones, lo que hacen que sean considerablemente más económicos y prácticos. Además que permite unificar datos de diferentes escalas, tanto horizontales como verticales, para la estimación de diferentes propiedades geofísicas.

AguaEx se destaca por tener un equipo especialista en generación de modelados numéricos, aprovechando al máximo las capacidades computacionales actuales, para generar, con su alto nivel de conocimiento y experiencia, resultados adecuados y satisfactorios para sus clientes

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Geología y Geofísica en la exploración mínera

Actualmente, el reconocimiento y la detección de un depósito mineral es una de las labores más importantes en la Minería, y el éxito de toda empresa dedicada a este rubro no sólo se encuentra en cuanto dinero puedes invertir, sino también de cuanto mineral puedas hallar y extraer.

En el pasado sólo se contaba con la experiencia o “buena o mala suerte” de los mineros y geólogos para darle continuidad a dichas acumulaciones de minerales. Estas predicciones podían ser a menudo bastante exactas, pero esto dependía mucho del tipo de depósito mineral y la complejidad geológica con la cual se estuviesen enfrentando. Una irregularidad en la forma del yacimiento implicaba la realización de técnicas tales como socavones de reconocimiento, piques, entre otros, con los cuales se debía invertir una gran cantidad de dinero y esto, sin tener la certeza de si el depósito era explotable o no.

Es allí donde la Geofísica forma un rol importante en la exploración de un mineral. El estudio geofísico preliminar permite generar un plan de trabajo con mayor exactitud, donde se pueden fijar los gastos para la explotación (qué se necesitaría para su extracción) y tener mayor certeza de la rentabilidad del yacimiento (cuánto se podría extraer). Con seguridad es una herramienta que sirve para complementar la información que un informe geológico presenta, y en épocas como las actuales (donde el precio del cobre por lo general se ha mantenido bajo, por ejemplo), el reconocimiento geofísico es imprescindible. Entonces, es comprensible la importancia que tiene el aplicar los métodos geofísicos que le permita al minero decir en que punto se encuentra el yacimiento, a qué profundidad y donde hay una buena conductividad eléctrica que pueda corresponder al metal buscado.

Un ejemplo de las aplicaciones de los métodos geofísicos lo podemos ver en los depósitos metalíferos. Estos depósitos por lo general tienen una forma irregular. El método sísmico podría descifrar con todos sus detalles las estructuras que se encuentran en el subsuelo, con el método gravimétrico obtener contrastes de densidad y el tamaño del cuerpo en relación con su profundidad, el método eléctrico nos daría contraste de resistividad/conductividad de los materiales y su profundidad y así sucesivamente. Mientras existan mayores posibilidades de combinación de métodos geofísicos junto con un apoyo geológico detallado, la interpretación de los resultados será mucho más adecuada.

Las aplicaciones de las geofísicas son diversas. Esto dependerá de cual sea el objetivo y el alcance del estudio. En AguaEx ofrecemos una gran variedad de metodologías geofísicas y cada una de ellas está enfocada a dar solución y satisfacer las necesidades de nuestros clientes. Además, contamos con un equipo de profesionales que pueden asesorarlos y responderle todas las dudas que tengan al respecto.