Caracterización del subsuelo mediante sísmica de reflexión de alta resolución

      Las aportaciones principales del trabajo se concretan en los siguientes aspectos:

      i) El primero (capítulo II) ha consistido en establecer la revisión metodológica que supone el aplicar esta técnica al reconocimiento de las capas superficiales, en comparación con la sísmica de reflexión convencional que inspecciona estructuras geológicas más profundas y de mayor tamaño.

      Como se demuestra, este cambio de la escala de interés comporta un cambio significativo en el tratamiento de los datos. De entrada, se está operando en un subsuelo muy heterogéneo en el cual las capas más superficiales presentan grados de compactación diferentes dando lugar a cambios bruscos de velocidad, de manera que en el campo de ondas resultante se generan muchas fases sísmicas; ondas superficiales, difracciones, trenes de ondas guiadas, etc. Todas estas fases poseen velocidades y rangos de frecuencias que se superponen a las reflexiones superficiales constituyendo el «ruido» que hay que tratar de eliminar del registro sísmico durante la fase de procesado. Los algoritmos utilizados en la memoria han proporcionado diferentes estrategias metodológicas para su atenuación evidenciando, al mismo tiempo, el control que ha de mantenerse durante toda la fase de procesado para evitar la creación de artefactos computacionales en la sección sísmica final. El capítulo termina presentando ejemplos de aplicación de sísmica de reflexión de alta resolución en distintos ámbitos geológicos.

      ii) Como segundo objetivo se ha realizado una valoración de diferentes dispositivos experimentales en prospección sísmica superficial (capítulo III). Dicha valoración empieza destacando la necesidad de realizar simulaciones numéricas utilizando toda la información disponible sobre el área de estudio antes de la toma de datos y presentando todas las pruebas necesarias para el establecimiento definitivo de los parámetros de adquisición. En este capítulo se ha investigado que combinación de geófonos y fuentes emisoras produce la imagen sísmica con mejor resolución para determinar la estructura del subsuelo y diferenciar las litologías presentes. También se ha evaluado la estrecha dependencia de las reflexiones más superficiales respecto los parámetros de adquisición de los datos y de su configuración experimental; poniéndose de manifiesto una mejora de la sección sísmica cuando los registros de campo contienen señal en una banda más extendida hacia las altas frecuencias. Esta situación se ha obtenido utilizando como fuente de energía sísmica un martillo impactando sobre placa metálica y registrando el frente de ondas generado con geófonos de 100 Hz de frecuencia natural. Para esta configuración, la resolución vertical teórica de la sección sísmica (1.5 m) ha coincidido con la experimental validada a partir de la confrontación con otras técnicas de reconocimiento del subsuelo.

      La conclusión fundamental de este apartado puede resumirse en que si las secciones sísmicas de reflexión superficial se calibran contrastándose con otro tipo de información, como por ejemplo la proporcionada por los sondeos mecánicos, se obtiene un conocimiento bidimensional fiable de la estructura del subsuelo. Si se dispone además de un registro sónico, que actúe como patrón en la conversión de secciones de tiempo doble de reflexión a profundidad, puede obtenerse una información suplementaria sobre las propiedades físicas del terreno (coeficientes de reflexión, profundidad y amplitud de las trazas sintéticas, etc).

      iii) En tercer lugar se presenta un estudio (capítulo IV) en donde se evalúan las diferencias entre secciones sísmicas de reflexión superficial y secciones sísmicas profundas a partir de la comparación directa entre perfiles.

      Cuando los objetivos geológicos de una prospección superficial alcanzan hasta los 500 o 600 m de profundidad, se está operando en el límite superior de la sísmica profunda. Las comparaciones de las imágenes sísmicas de estas dos metodologías ha puesto de manifiesto como las secciones superficiales diferencian estructuras que las profundas globalizan.

      Otra aportación novedosa de este capítulo ha sido la aplicación de la sísmica de reflexión superficial al estudio de los. depósitos más recientes de una zona sísmicamente activa (Cuenca del Bajo Segura, Alicante). Los perfiles sísmicos adquiridos han proporcionado evidencias de como estos materiales están afectados por la activad de un falla y confirman la tectónica sinsedimentaria existente. De manera que la contribución de estos nuevos conocimientos sobre la geometría de los cuerpos sedimentarios ha proporcionado criterios morfológicos para la elaboración de un modelo de respuesta sísmica local.

      iv) Finalmente, se presenta un caso (capítulo V) donde la sísmica de reflexión de alta resolución juega un papel decisivo en la resolución de un problema medioambiental como es el caso de contaminación por intrusión marina de un acuífero costero del Mediterráneo, concretamente en el Embalse Subterráneo del delta del Río Tordera (Gerona).

      El trabajo presentado se ha realizado con diferentes disciplinas de estudio y pone de manifiesto como la sísmica de reflexión proporciona una información detallada del subsuelo que no pude obtenerse haciendo uso de otras metodologías (hidrología y prospección eléctrica). En este caso, la sección sísmica ha proporcionado la geometría bidimensional del basamento granítico en un perfil paralelo a la línea de costa y ha delimitado la capa de granito más alterado que coincide con el límite de una zona de alta conductividad eléctrica. El estudio integrado de todos los datos aportados por las diferentes técnicas ha permitido establecer la existencia de dos reservorios de agua, uno superficial contaminado por la actividad humana y un segundo más profundo contaminado por la infiltración de agua del mar. La geometría determinada por la imagen sísmica, correlacionada con la prospección eléctrica ha permitido establecer estimaciones cuantitativas de las dimensiones y la dirección del frente de la intrusión marina y de su incidencia en el acuífero profundo. Esta información es valiosa pues ha incidido en la preparación de leyes y normativas de utilización de los recursos básicos.

      A pesar de que los casos analizados en esta memoria están dirigidos a objetivos diferentes, estos se complementan entre si ya que los conocimientos desarrollados en cada uno de ellos se utilizan en los siguientes; demostrándose, finalmente, que la sísmica de reflexión de alta resolución es una técnica extremadamente flexible y puede adaptarse y proporcionar soluciones a situaciones muy diferentes; desde un estudio geológico, aplicaciones a la obra civil, en valoraciones medioambientales, etc. También, a través de cada caso presentado, se van desarrollando diferentes aspectos metodológicos de la sísmica de reflexión superficial que la distinguen de la sísmica profunda y que han de tenerse en cuente durante el tratamiento de los datos. Finalmente, cabe destacar que la memoria presenta dos vertientes (I+D): una de investigación propia, respondiendo a los objetivos que se persiguen en cada estudio particular, y otra de desarrollo de acuerdo con el diseño y mejora del dispositivo y tratamiento de los datos para obtener imágenes sísmicas con la resolución y fiabilidad necesarias.

ÍNDICE DE FIGURAS vi

ÍNDICE DE LAMINAS xiii

ÍNDICE DE TABLAS xiv

AGRADECIMIENTOS xvi

GLOSARIO DE NOMENCLATURA xix

I INTRODUCCIÓN 1

II PRINCIPIOS BÁSICOS Y METODOLOGÍA DE LA SÍSMICA DE REFLEXIÓN DE ALTA RESOLUCIÓN 5
II.1 PROPAGACIÓN DEL FRENTE DE ONDAS A TRAVÉS DEL MEDIO 6
II.1.1 Efectos del medio sobre la propagación: divergencia geométrica, absorción y dispersión 7
II.1.2 Conducción de la propagación: reflexión, refracción y difracción 16
II.1.3 Distribución de energía en una interfase: coeficientes de reflexión y de transmisión 22
II.2 CARACTERÍSTICAS DEL FRENTE DE ONDAS EN MEDIOS HETEROGÉNEOS 28
II.2.1 Onda directa 29
II.2.2 Ondas refractadas críticamente 31
II.2.3 Ondas reflejadas (primarias y múltiples) 35
II.2.4 Difracciones 39
II.2.5 Ondas guiadas 40
II.2.6 Ondas superficiales 42
II.2.7 Onda aérea 42
II.2.8 Ruido 45
II.3 ASPECTOS DE MEDIDA Y DE ADQUISICIÓN DE DATOS 47
II.3.1 Modelo deconvolucional 48
II.3.2 Señal sísmica y resolución 50
II.3.3 Geometrías de adquisición y equipo de registro 60
II.4 SECUENCIA BÁSICA DEL PROCESADO EN SÍSMICA SUPERFICIAL 64
II.4.1 Etapa de pre-apilamiento 66
II.4.2 Etapa de apilamiento 76
II.4.3 Etapa de post-apilamiento 79
II.5 SÍSMICA SUPERFICIAL EN DIFERENTES CONDICIONES GEOLÓGICAS 83
II.5.1 Registros de campo en discontinuidades laterales (grietas) 83
II.5.2 Difracciones originadas por una falla 85
II.5.3 Registros de campo sobre una cubeta en subducción 87
II.5.4 Detección de una cavidad 90

III EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DE LA SÍSMICA DE REFLEXIÓN DE ALTA RESOLUCIÓN Y VALIDACIÓN CON LA INFORMACIÓN APORTADA POR ESTUDIOS COMPLEMENTARIOS 93
III.1 ESTUDIO TEÓRICO PRELIMINAR 95
III.1.1 Localización y contexto geológico 95
III.1.2 Diseño de los modelos y simulaciones numéricas 96
III.1.3 Evaluación de la instrumentación disponible 103
III.1.4 Síntesis del estudio teórico: parámetros de registro 108
III.2 ADQUISICIÓN DE DATOS 109
III.2.1 Emplazamiento de los perfiles sísmicos y pruebas preliminares 109
III.2.2 Obtención de los datos de campo 115
III.3 INFORMACIÓN APORTADA POR LOS ESTUDIOS COMPLEMENTARIOS 118
III.3 Sedimentología 119
III.3.2 Sísmica de refracción 122
III.3.3 Registro sónico 122
III.3.4 Tomografia 124
III.3.5 Prospección con ondas superficiales (AEOS) 127
III.3.6 Síntesis de los resultados 130
III.4 PROCESO DE LOS DATOS DE SÍSMICA DE REFLEXIÓN 131
III.4.1 Implantación de la geometría y edición 131
III.4.2 Análisis de los eventos registrados y modelo geosísmico inicial 132
III.4.3 Análisis de la señal y del ruido 135
III.4.4 Secciones de cobertura simple 141
III.4.5 Secciones de offset común 141
III.4.6 Procesado del perfil P2T100 (línea LS-2) 144
III.4.7 Procesado e interpretación de los perfiles de la línea LS-1 151
III.5 VALORACIÓN CONJUNTA DE LAS SECCIONES SÍSMICAS Y DE LOS ESTUDIOS COMPLEMENTARIOS 152
III.6 CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO 156

IV RECONOCIMIENTO DEL SUBSUELO MEDIANTE SÍSMICA DE ALTA RESOLUCIÓN Y CORRELACIÓN CON LA SÍSMICA DE REFLEXIÓN PROFUNDA 158
IV.1 ZONA DE ESTUDIO 160
IV.1.1 Situación y contexto geológico 160
IV.1.2 Diseño, trazado y parámetros de adquisición de los perfiles sísmicos 164
IV.1.3 Características principales de las fuentes sísmicas utilizadas 165
IV.2 PROCESO DE DATOS 167
IV.2.1 Análisis del frente de ondas 167
IV.2.2 Procesado del perfil PS-1 172
IV.2.3 Procesado del perfil PS-2 174
IV.2.4 Procesado del perfil PS-3 178
IV.3 INTERPRETACIÓN ESTRATIGRÁFICA DE LAS SECCIONES SÍSMICAS 182
IV.4 COMPARACIÓN CON LAS SECCIONES SÍSMICAS PROFUNDAS 187
IV.5 CONCLUSIONES DEL CAPÍTULO 193

V INTEGRACIÓN DE LA SÍSMICA DE REFLEXIÓN DE ALTA RESOLUCIÓN EN ESTUDIOS MULTIDISCIPLINARES DE EVALUACIÓN MEDIOAMBIENTAL 195
V.1 ZONA DE ESTUDIO E INFORMACIÓN HIDROLÓGICA 197
V.1.1 Localización y contexto geológico 197
V.1.2 Marco hidrogeológico: Embalse Subterráneo del Bajo Tordera 198
V.1.3 Piezometría 201
V.1.4 Hidrogeoquímica 2043
V.1.5 Posición de la cuña marina (estimación) 207
V.2 PROSPECCIÓN ELÉCTRICA 209
V.2.1 Perfiles eléctricos I-I’ y II-II’ 209
V.2.2 Mapas de isoresistividades 215
V.3 PROSPECCIÓN SÍSMICA 216
V.3.1 Localización y adquisición del perfil sísmico 216
V.3.2 Tratamiento de los datos 218
V.3.3 Interpretación de la sección sísmica 223
V.4 INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS: INTEGRACIÓN DEL ESTUDIO MULTIDISCIPLINAR 226
V.4.1 Síntesis de la información hidoreológica e interrogantes que se platean 226
V.4.2 Síntesis de la prospección eléctrica 227
V.4.3 Síntesis de la prospección sísmica y correlación con los otros datos 228
V.5 CONCLUSIONES 231

VI CONCLUSIONES DE LA MEMORIA 234
VI.1 CONCLUSIONES DE LA MEMORIA 235
VI.2 POSIBLES CAMPOS DE INVESTIGACIÓN EN PROSPECCIÓN SÍSMICA SUPERFICIAL 238

VII BIBLIOGRAFÍA 240

VIII ANEJO: Análisis de los mecanismos de disparo entre los sistemas mazo-piezoeléctrico y riflegeófono starter 249

      
En el segundo capítulo se han analizado las etapas más importantes en la adquisición y el procesado de la sísmica de reflexión superficial, poniendo especial énfasis en sus diferencias metodológicas con respecto a la sísmica de reflexión profunda. Los ejemplos discutidos aportan una valiosa información ya que ilustran los problemas que pueden darse en cada caso particular y ponen de manifiesto que la firma sísmica de los registros de alta resolución es variada y debe tratarse con estrategias diferentes dependiendo de la estructura del subsuelo.

      Cabe destacar como características más importantes de la sísmica de reflexión superficial:

      La escala de interés de esta prospección se caracteriza por un subsuelo muy heterogéneo en el cual las capas más superficiales presentan grados de compactación diferentes dando lugar a cambios bruscos de velocidad, de manera que se generan muchas fases sísmicas; ondas superficiales, difracciones, etc. Cuando este contraste de velocidades es especialmente fuerte entre la capa superficial (poco consolidada) y la inferior (más compacta) se generan, además trenes de ondas guiadas. Todas estas fases poseen velocidades y rangos de frecuencias que se superponen a las reflexiones de interés constituyendo el «ruido» que es conveniente evitar en el registro sísmico.

      
Los procesos numéricos para atenuar el ruido pueden ser más o menos efectivos según los intervalos de muestreo (tanto espaciales como temporales) con que se ha registrado el campo de ondas, de forma que un punto muy importante es la elección adecuada de la separación entre los geófonos, la cual se escoge en función de la resolución lateral necesaria para visualizar las estructuras geológicas y para evitar el fenómeno del aliasing espacial.

      Un aspecto fundamental del tratamiento de los registros sísmicos es la eliminación del ruido que se superpone a las reflexiones superficiales. Los algoritmos utilizados en la memoria han proporcionado diferentes estrategias metodológicas para su atenuación evidenciando, al mismo tiempo, el control que ha de mantenerse durante toda la fase de procesado para evitar la creación de artefactos en la sección sísmica final.

      En la valoración de la instrumentación presentada en el capítulo III, se destaca la necesidad de realizar simulaciones numéricas utilizando toda la información disponible sobre el área de estudio antes de la adquisición de los datos sísmicos. En este capítulo se ha investigado que combinación de geófonos y fuentes emisoras produce la imagen sísmica con mejor resolución para determinar la estructura del subsuelo y diferenciar las litologías presentes. También se ha evaluado la estrecha dependencia de las reflexiones más superficiales respecto los parámetros de adquisición de los datos y de su configuración experimental; poniéndose de manifiesto una mejora de la sección sísmica cuando los registros de campo contienen señal en una banda más extendida hacia las altas frecuencias. Esta situación se ha obtenido utilizando como fuente de energía sísmica un martillo impactando sobre placa metálica y registrando el frente de ondas generado con geófonos de 100 Hz de frecuencia natural. Para esta configuración, la resolución vertical teórica de la sección sísmica (1.5 m) ha coincidido con la experimental validada a partir de la confrontación con otras técnicas de reconocimiento del subsuelo.

      Si las secciones sísmicas de reflexión superficial se calibran contrastándose con otro tipo de información, como por ejemplo la proporcionada por los sondeos mecánicos, se obtiene un conocimiento bidimensional fiable de la estructura del subsuelo. Si se dispone además de un registro sónico, que actúe como patrón en la conversión de secciones de tiempo de doble reflexión a profundidad, como se demuestra en el capítulo III, puede obtenerse una información suplementaria sobre las propiedades físicas del terreno (coeficientes de reflexión, profundidad y amplitud de las trazas sintéticas, etc). En este contexto, los restantes capítulos de la memoria ilustran, en cada caso, el amplio abanico de posibilidades de esta metodología, desde la detección de cavidades, estructuras geológicas de detalle, o bien su aplicabilidad en estudios hidrológicos.

      Cuando los objetivos geológicos de una prospección superficial alcanzan hasta los 500 o 600 m de profundidad, se está operando en el límite superior de la sísmica profunda. Las comparaciones de las imágenes sísmicas de estas dos metodologías ponen de manifiesto como las secciones superficiales diferencian estructuras que las profundas globalizan y se constata que pueden proporcionar una imagen clara de las estructuras cercanas a la superficie; mientras que en las secciones profundas la definición de los reflectores aumenta con de la profundidad. Si se considera la logística de adquisición de datos de una técnica respecto la otra, se propone que para estudios terrestres completos se apliquen a la vez ambos procedimientos.

      Otra aportación novedosa de esta memoria es la aplicación de la sísmica de reflexión superficial al estudio de los depósitos más recientes de una zona sísmicamente activa. Los perfiles sísmicos adquiridos en el capítulo IV proporcionan evidencias de como estos materiales están afectados por la activad de un falla y confirman la tectónica sinsedimentária existente. De manera que la contribución de estos nuevos conocimientos sobre la geometría de los cuerpos sedimentarios ha proporcionado criterios morfológicos para la elaboración de un modelo de respuesta sísmica local.

      Finalmente, el trabajo de impacto ambiental presentado en el capítulo V que se ha realizado con diferentes disciplinas de estudio pone de manifiesto como la sísmica de reflexión proporciona una información detallada del subsuelo que no pude obtenerse haciendo uso de otras metodologías. La sección sísmica ha proporcionado la geometría bidimensional del basamento granítico en un perfil paralelo a la línea de costa y ha delimitado la capa de granito más alterado que coincide con el límite de una zona de alta conductividad eléctrica. El estudio integrado de todos los datos aportados por las diferentes técnicas permite establecer la existencia de dos reservorios de agua, uno superficial contaminado pbr la actividad humana y un segundo más profundo contaminado por la infiltración de agua del mar. La geometría determinada por la imagen sísmica, correlacionada con la prospección eléctrica ha permitido establecer estimaciones cuantitativas de las dimensiones y la dirección del frente de la intrusión marina y de su incidencia en el acuífero profundo. Esta información es valiosa pues incide en la preparación de leyes y normativas de utilización de los recursos básicos.

      Todos los estudios expuestos en la presente memoria son complementarios ya que los conocimientos desarrollados en cada uno de ellos se utilizan en los siguientes; demostrándose, finalmente, que la sísmica de reflexión de alta resolución es una técnica extremadamente flexible y puede adaptarse a los objetivos de un determinado problema; ya sea en la obra civil, en valoraciones medioambientales, en estudios geológicos, etc. En cada caso, si se diseñan correctamente los dispositivos, se definen los parámetros de adquisición más adecuados para obtener la resolución necesaria y se realiza un riguroso procesado, la información aportada por la sección sísmica es decisiva en la determinación de la estructura y las características del subsuelo más superficial.