Versão online: http://www.lneg.pt/iedt/unidades/16/paginas/26/30/185 Comunicações Geológicas (2014) 101, Especial II, 701-705 IX CNG/2º CoGePLiP, Porto 2014 ISSN: 0873-948X; e-ISSN: 1647-581X

Sísmica multifrequencial: a melhor solução para a investigação de ambientes submersos rasos Multifrequency Seismic: the best solution for shallow water investigation L. A. Pereira de Souza1

© 2014 LNEG – Laboratório Nacional de Geologia e Energia IP

Resumo: A sísmica de reflexão é um método geofísico amplamente conhecido e aplicado na investigação geológica e geotécnica de ambientes submersos rasos. A batimetria é comumente aplicada em projetos que necessitam de informações relativas à espessura da coluna d’água. Quando imagens do assoalho de fundo se fazem necessárias, o sonar de varredura lateral (SVL), sistemas batimétricos multifeixes ou sistemas interferométricos, passam a ser ferramentas geofísicas que oferecem o melhor produto. Para projetos que necessitam de informações de subsuperfície, a perfilagem sísmica contínua (PSC) é o método de investigação indicado e, neste contexto, muitos tipos de fontes acústicas podem ser escolhidos, como as que lidam com altas frequências (2-20 kHz) e priorizam a resolução, como chirp e perfiladores do tipo SBP 3.5 e 7 k Hz, entre outros, àquelas que lidam com frequências mais baixas (< 2 kHz) e priorizam a penetração, como pequenos air-guns, boomers, chirps de baixa frequência e sparkers. Observa-se assim, que não é tão simples decidir pelo uso de uma ou outra fonte acústica, já que cada uma delas fornece produtos distintos, a depender das características geológicas da área investigada. Experiências recentes têm mostrado que o uso simultâneo de várias fontes acústicas cobrindo larga banda de frequências (400 Hz-1000 kHz), parece oferecer o melhor produto e uma excelente relação custo-benefício, em investigação de áreas submersas. Palavras-chave: Sísmica rasa, Perfilagem sísmica contínua, Chirp, Boomer. Abstract: Seismic reflection is a well-known geophysical method for underwater geological and geotechnical investigation. Bathymetric surveys (singlebeam/multibeam/interferometry) are applied when the project needs information about the thickness of water column only. If images from bottom surface become important information, a side scan sonar or even a multibeam/interferometric echosounder system can play an important role in the project. However, if data from subsurface should be available, continuous seismic profiling methods must be applied. When talking about seismic profiling we should discuss about many types of seismic sources, from the ones which operate with low energy and a high range of frequencies (2-20 kHz) like chirps or the classical sub-bottom profilers (SBP 3.5 or 7.0 kHz), to the ones which deal with high energy and low range of frequencies (< 2 kHz) like small air-guns, boomers and sparkers. Actually, is not so simple to choose or to decide about the right seismic source for sub-bottom profiling. Some recent field experiences have shown that using a large spectrum of frequency, from 400 Hz to 1000 kHz, in a simultaneous data acquisition process seems to be the best way to get a better and suitable final product for any project on shallow underwater investigation. Keywords: Shallow seismic, Continuous seismic profiling, Chirp, Boomer.

1Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo, Av. Prof Almeida Prado, 532, Cidade Universitária, CEP 05508-901, São Paulo, SP, Brasil. E-mail: luizlaps@gmail.com

1. Introdução

Os métodos sísmicos tem sido aplicados, desde longa data, na investigação de ambientes submersos rasos (Fish & Carr, 1990; Jones, 1999; Mosher & Simpkin, 1999; Souza, 2006; Blondel, 2009; Atherton, 2011; Souza et al., 2013; Souza & Mahiques, 2013).

Os produtos da aplicação de métodos sísmicos têm contribuído diretamente para o sucesso de projetos de construção de portos, emissários submarinos, hidrovias, barragens, assim como projetos de dragagem (Souza et al., 2010; Souza et al., 2011; Ianniruberto et al., 2012; Vardy et al., 2012).

Sistemas acústicos que utilizam altas frequências (40-1000 kHz) constituem-se em excelentes ferramentas para o mapeamento detalhado de superfícies submersas. Batimetria (singlebeam / multibeam / interferometria) e sonar de varredura lateral são os principais instrumentos utilizados quando o objetivo da investigação está restrito ao mapeamento de superfícies submersas (Souza, 1988; Souza et al., 1998, 2007, 2008; Souza & Gandolfo, 2013).

Entretanto, quando ocorre a necessidade de investigar as camadas sedimentares subsuperficiais ou a profundidade do embasamento acústico (rochoso), sistemas acústicos que utilizam baixas frequências (<20 kHz) e alta energia (100-300 J) se fazem necessários (Souza, 2006). Boomers, sparkers, pequenos air-guns e chirps de baixa frequência são exemplos de fontes acústicas que operam na faixa 300-2000 Hz, o que permite investigar camadas de várias dezenas de metros de espessura.

Sistemas como chirp de alta frequência e os clássicos SBP (3,5 e 7 kHz, entre outros), por outro lado, possibilitam a obtenção de alta resolução, viabilizando a identificação de camadas estratigráficas de poucos centímetros de espessura, mas comumente, sacrificando a penetração.

Artigo Curto Short Article

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2. Métodos geofísicos

Os métodos sísmicos são ferramentas geofísicas com grande aplicabilidade na investigação de ambientes submersos, todavia, na maioria dos projetos, a aquisição de dados é realizada com a utilização de apenas uma única fonte acústica.

Existem pelo menos três razões para que o processo de aquisição de dados ocorra com a utilização de uma única fonte: 1) os técnicos responsáveis pelo projeto sabem exatamente o produto que necessitam e, portanto decidem, com conhecimento de causa, pelo uso da fonte acústica que oferece exatamente o produto relacionado à necessidade do projeto; 2) a empresa, ou a instituição responsável pela execução do levantamento, possui apenas uma fonte acústica e, portanto, não possui fontes alternativas, que eventualmente poderiam ser aplicadas buscando o melhor resultado; 3) os interessados no projeto pressupõem que necessitam de informações apenas da superfície de fundo, ou informações relativas à espessura dos estratos rasos, ou apenas de informações sobre a profundidade do embasamento rochoso. Raramente os pressupostos de um projeto indicam a necessidade de um conjunto completo de informações, situação que pode levar a equívocos, ou até mesmo reconduzir à execução de levantamentos complementares, o que implicará em custos adicionais.

Assim, o objetivo deste artigo é mostrar que, mesmo nos casos de projetos que necessitam informações apenas da superfície de fundo (hidrovias, operações de resgate, p.ex.), dados sobre a espessura dos estratos sedimentares e sobre a profundidade do embasamento rochoso, podem ser de grande valia ao escopo principal do projeto.

Se considerarmos que é sempre desejável que um levantamento sísmico produza dados da melhor qualidade e com a maior abrangência possível, é inevitável concluir que para atingir este objetivo é necessário executar levantamentos sísmicos operando, simultaneamente, fontes acústicas que lidam com ampla faixa de frequências (desde 400 Hz até algumas centenas de milhares de Hertz). Neste intervalo de frequências estão incluídos ecobatímetros, sonar de varredura lateral e sistemas de perfilagem sísmica contínua. O uso simultâneo destas fontes acústicas oferece penetração e resolução em tempo real, e com uma excelente relação custo-benefício. Efetivamente, a maioria dos projetos de investigação de ambientes submersos, em desenvolvimento nos dias atuais, conduz à necessidade de utilização de sistemas multifrequenciais, de forma a garantir produtos compatíveis, sob o ponto de vista da resolução e penetração.

De fato, a utilização conjunta e simultânea de um ecobatímetro (singlebeam ou multibeam), um SVL e um sistema de PSC, possibilita a aquisição de um conjunto de dados suficientemente abrangentes para o suporte devido à elaboração do modelo geológico melhor representativo da área investigada. A possibilidade de interpretação integrada do conjunto de dados oriundos de diferentes fontes acústicas (Figs. 1 e 2), torna possível a caracterização geológica/geofísica completa e única, o que possui valor inestimável a qualquer projeto.

Os sistemas eletrônicos digitais atuais possibilitam a instalação e operação, numa mesma embarcação, de ecobatímetros (singlebeam ou multibeam), SVL e sistemas de PSC multifrequenciais, permitindo que esse conjunto de fontes acústicas seja gerenciado e sincronizado, em tempo real, por um mesmo software, instalado num único computador. Magnetômetros podem também ser sincronizados ao sistema acústico, complementando assim o sistema de aquisição de dados.

A possibilidade de visualização integrada de várias características de uma determinada área, como por exemplo, um mosaico do sonar de varredura lateral, uma planta batimétrica e um mapa de espessura dos estratos sedimentares e da profundidade do embasamento rochoso (Fig. 3) tem grande valor estratégico para qualquer projeto e contribui efetivamente para o sucesso do processo de tomada de decisão.

Fig. 1. Perfis sísmicos obtidos com o uso simultâneo de três fontes acústicas. O perfil superior foi obtido por uma fonte do tipo chirp de alta frequência (10-18 kHz) e mostra dados de alta resolução, com detalhes das camadas estratigráficas subsuperficiais, porém com pobre penetração; o perfil intermediário, foi obtido por uma fonte acústica do tipo chirp de frequências intermediárias (2-8 kHz) e mostra uma boa resolução e uma penetração um pouco melhor que o registro superior. O perfil inferior foi obtido com uma fonte do tipo boomer (300-2000 Hz) e nele observa-se, com nitidez, o contorno do topo do embasamento rochoso. Perfis obtidos no Golfo da Finlândia. Cortesia da Meridata Finland Ltd. Fig. 1. Seismic profiles obtained with three different seismic sources. The first one is a chirp profile using a high frequency band from 10 to 18kHz that shows high resolution data and poor penetration; the second one, is also a profile from a chirp but using intermediate range of frequency (2-8 kHz) and while still showing good resolution shows also a better penetration; the last profile is from a boomer that uses a very low range of frequencies (300-2000 Hz) that make possible to go deeper and see clearly the basement rock but loosing resolution. Vertical scale in meters. Data from Gulf of Finland. Courtesy of Meridata Finland Ltd.

Levantamentos geofísicos que operaram simultaneamente com várias fontes acústicas necessitam de medidas para minimização de eventuais interferências físicas entre as fontes acústicas. O primeiro cuidado refere-se à geometria dos arranjos fontes-sensores, que obrigatoriamente, devem ser montadas com geometria favorável à minimização dos efeitos indesejáveis. A depender do número de fontes acústicas em operação, os

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softwares atuais permitem também que as fontes acústicas tenham seus respectivos triggers acionados em intervalos de tempo distintos, o que, também contribui para a minimização das interferências mútuas.

Fig. 2. Perfis sísmicos obtidos de 3 fontes acústicas distintas operando simultaneamente. O perfil superior foi obtido por uma fonte do tipo pinger de alta frequência (24 kHz) e mostra dados de alta resolução, com detalhes das camadas estratigráficas subsuperficiais, porém com pobre penetração; o perfil intermediário, foi obtido por uma fonte acústica do tipo chirp de frequências intermediárias (2-8 kHz) e mostra uma boa resolução e uma penetração melhor que aquela apresentada no registro superior. O perfil inferior foi obtido com uma fonte do tipo boomer (300-2000 Hz) e nele observa-se, com nitidez, o contorno do topo do embasamento rochoso. Escala em metros. Cortesia do Dr. Michel M. de Mahiques, Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo. Fig. 2. Seismic profiles obtained at São Paulo coastal area, from three different seismic sources. The first one is a pinger profile using a high frequency 24 kHz showing high resolution data and poor penetration; the second one, is a chirp profile dealing with an intermediate range of frequency (2-8 kHz), still showing good resolution but better penetration; the last one is a boomer profile that uses a very low range of frequencies (300-2000 Hz), which makes possible to go deeper and see clearly the basement rock but loosing resolution. Vertical scale in meters. Courtesy of Dr. Michel M. de Mahiques, Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo.

Se a área de investigação é no mar torna-se menos complexa a logística operacional, já que uma embarcação de porte médio pode comportar todo o arranjo geométrico necessário e suficiente para a obtenção da melhor relação sinal/ruído. A figura 4 mostra uma embarcação com um sistema completo instalado, constituído, neste caso, de um ecobatímetro de dupla frequência (38-200 kHz), um sonar de dupla frequência (100/500 kHz), um par de chirps (2-8 kHz e 10-18 kHz) e um boomer (500-2000 Hz).

Por outro lado, quando as áreas a serem investigadas são pequenos rios ou lagos, a logística operacional pode ser tornar mais complexa, não raramente obrigando que o levantamento seja executado em fases distintas. Isso ocorre principalmente em razão do porte das embarcações que não permitem a instalação do conjunto acústico completo. No sistema ilustrado na figura 5, optou-se pelo levantamento em duas fases, sendo a primeira com o sonar de varredura lateral e o ecobatímetro, e a segunda com chirp e boomer, o que significa que um mesmo perfil foi executado duas vezes, duplicando, portanto, o tempo necessário para a execução do levantamento do lago.

Fig. 3. Mosaico do sonar de varredura lateral e um perfil de boomer obtido no golfo da Finlândia, mostrando os benefícios de uma aquisição simultânea multifrequencial. Cortesia da Meridata Finland Ltd. Fig. 3. Side scan sonar mosaic and boomer profile from Gulf of Finland. These images show the expanded benefit of running a sub-bottom profiling system simultaneously with side scan sonar. Courtesy of Meridata Finland Ltd.

Fig. 4. Conjunto completo de equipamentos sísmicos (frequências desde 300 Hz a 500 kHz) instalados em uma embarcação de porte médio, utilizados para o levantamento do canal de navegação de Santos, São Paulo, Brasil. Fig. 4. The complete seismic system (frequencies from 300 Hz to 500 kHz) installed in medium size boat, applied for a geophysical survey at navigation channel in Santos, São Paulo, Brazil.

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Fig. 5. Barco de pequeno porte utilizado para levantamento sísmico do Lago do Ibirapuera, na cidade de São Paulo, equipado com dois conjuntos de fontes acústicas: à direita um boomer (300-2000 Hz), e à esquerda, um duplo chirp (2-8 e 10-19 kHz) montados em uma estrutura única do tipo catamarã. Fig. 5. A small boat for a seismic survey applied to Ibirapuera lake, São Paulo city, with a boomer (300-2000 Hz) and a double chirp (2-8 and 10-19 kHz).

3. Conclusões

A discussão desenvolvida neste artigo permite concluir sobre a importância da utilização simultânea de sistemas multifrequenciais na investigação de ambientes submersos rasos, visando uma abordagem geológica e geotécnica completa da área investigada, sob o ponto de vista da caracterização da superfície e da subsuperfície, rasa e profunda, da área.

Atenção especial deve ser dedicada a projetos que requerem informações do substrato, já que nestes casos, sistemas de perfilagem sísmica são necessários, e, pelo menos duas abordagens podem ser desenvolvidas. A primeira, diz respeito à resolução. Se o projeto tem como prioridade a identificação das camadas sedimentares subsuperficiais com espessuras inferiores a 10 m, será necessária a utilização de fontes acústicas que priorizam a resolução. Para esta finalidade estão designadas fontes do tipo chirp, SBP ou fontes paramétricas, que comumente lidam com espectros de frequências na faixa 2-20 kHz. O exemplo ilustrado na figura 6, mostra um registro acústico de altíssima resolução obtido por meio de um chirp que lida com frequências entre 20 e 40 kHz, onde é possível delinear camadas com poucos centímetros de espessura.

Quando da necessidade de investigação do embasamento rochoso, é necessário o uso de fontes acústicas de maior potência e que lidam com frequências mais baixas, comumente entre 300 Hz e 2000 Hz, como boomers, sparkers ou air-guns de pequeno porte. Algumas fontes do tipo chirp lidam também com esse espectro de frequências e podem penetrar algumas dezenas de metros na coluna sedimentar. Lidando com frequências a partir de 300 Hz é possível detectar o contorno do topo do embasamento rochoso a profundidades até mesmo

superiores a 100 m, todavia, deve-se ter em mente que o aumento da capacidade de penetração implica em perda de resolução. Camadas com alguns centímetros de espessura podem não ser detectadas por fontes acústicas do tipo boomer ou sparker.

Efetivamente, a maioria dos projetos nos dias de hoje exigem produtos que permitam uma abordagem tanto sob o ponto de vista da resolução, como da penetração, ou seja, dados relativos às espessuras centimétricas das camadas subsuperficiais (lamas) e das camadas métricas (areias) e/ou a profundidade do embasamento rochoso, constituem parâmetros de grande interesse ao projeto.

Basicamente, o conhecimento da espessura das camadas sedimentares mais rasas está relacionado a cálculos de volume de material de dragagem, ou volume de material assoreado em reservatórios. A necessidade de se conhecer a profundidade do embasamento rochoso está relacionada a projetos de obras civis, como portos, túneis, pontes e barragens, já que nestes casos o objetivo principal é a localização de áreas favoráveis às fundações.

Assim, a melhor solução para a maioria dos projetos é lidar com o espectro acústico completo na aquisição de dados. A abordagem acústica multifrequencial em qualquer projeto vai garantir a maximização da qualidade dos produtos, minimizando custos operacionais.

Fig. 6. Perfil sísmico obtido de um chirp de ultra alta resolução (20-40 kHz) que permite a identificação de camadas sedimentares centimétricas. Cortesia da Meridata Finland Ltd. Fig. 6. High resolution chirp profile (20-40 kHz) making possible to identify sedimentary strata as thin as few centimeters. Courtesy of Meridata Finland Ltd.

Agradecimentos

O autor agradece a empresa Meridata Finland Ltd por ceder alguns dos registros que ilustram este artigo.

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