ANÁLISE MULTICANAL DAS ONDAS SUPERFICIAIS
Na maior parte das pesquisas sísmicas com utilização das ondas de compressão, mais de dois terços da energia sísmica total gerada é transmitida em forma de ondas de Rayleigh, a componente principal das ondas superficiais. Supondo uma variação de velocidade dos terrenos no sentido vertical, cada componente de frequência da onda superficial tem uma diferente velocidade de propagação (chamada “velocidade de fase”) que, por sua vez, corresponde a um diferente comprimento de onda para cada frequência que se propaga. Esta propriedade chama-se “dispersão”.
Embora as ondas superficiais sejam consideradas “ruído” para as pesquisas sísmicas que utilizam as ondas de corpo (reflexão e refração), as suas propriedades dispersivas podem ser utilizadas para estudar as propriedades elásticas dos terrenos superficiais.
A reconstrução de um perfil vertical de velocidade das ondas de corte (Vs), obtida a partir da análise das ondas planas (ondas de Rayleigh), é uma das práticas mais comuns para utilizar as propriedades dispersivas das ondas superficiais. Esse tipo de análise fornece os parâmetros fundamentais comumente utilizados para avaliar a rigidez superficial, uma propriedade crítica para muitos estudos geotécnicos.
Todo o processo compreende três passos sucessivos:
1) A aquisição das ondas superficiais (ground roll);
2) A construção de uma curva de dispersão (gráfico da velocidade de fase com relação à frequência);
3) A inversão da curva de dispersão para obter o perfil vertical das Vs.
Para obter o perfil Vs é necessário produzir um trem de ondas superficiais a banda larga e registrá-lo minimizando o ruído. Muitas diferentes técnicas foram utilizadas, com o passar do tempo, para obter uma curva de dispersão, cada uma apresentando vantagens e desvantagens.
A inversão da curva de dispersão é realizada iterativamente utilizando a curva de dispersão medida como referência, seja para a modelização direta como para o procedimento “mínimos quadrados”.
Valores aproximados da “Relação de Poisson” e da Densidade são necessários para obter o perfil vertical Vs da curva de dispersão: esses valores vêm solidamente estimados utilizando medidas efetuadas diretamente no local ou avaliando a tipologia dos materiais.
Quando se geram ondas planas da modalidade fundamental das ondas de Rayleigh é gerada também uma multiplicidade de ondas.
Entre elas:
- As “ondas de corpo”;
- As “ondas superficiais não planas;
- As ondas reverberadas pelas heterogeneidades superficiais (back scattered);
- O ruído ambiental (ruído);
- O ruído atribuído às atividades humanas.
As ondas de corpo podem ser reconhecidas em um sismograma multicanal. Aquelas refratas e refletidas são o resultado da interação entre as ondas e a impedância acústica (contraste de velocidade) entre as superfícies de descontinuidade, enquanto as ondas de corpo diretas viajam, como implica o nome, diretamente a partir da origem até os receptores (geofones).
As ondas que se propagam a breve distância da origem são sempre ondas superficiais. Essas ondas, próximas da origem, seguem um complicado comportamento não linear e não podem ser tratadas como ondas planas.
A decomposição pode ser, portanto, utilizada em associação ao registro multicanal para minimizar o ruído durante a aquisição. As ondas superficiais reverberadas (back scattered) podem prevalecer em um sismograma multicanal se caso houver descontinuidade horizontal como, por exemplo, fundações e muros de contenção nas proximidades das medidas.
A amplitude relativa de cada tipologia de ruído, geralmente muda com a freqüência e a distância da origem. Cada ruído possui diversas velocidades e propriedades de atenuação que podem ser identificadas no registro multicanal, graças à utilização de modelos de coerência e também com base aos tempos de chegada e à amplitude de cada um.
A decomposição de um campo de ondas registradas em um formato de frequência variável permite a identificação da maior parte do ruído, analisando a fase e a frequência dependentemente da distância da origem.
A escolha dos parâmetros de elaboração, assim como do melhor intervalo de frequência para o cálculo da velocidade de fase, pode ser feito com maior precisão utilizando sismogramas multicanais.
Uma vez decomposto o sismograma, uma oportuna medida de coerência aplicada no tempo e no domínio da frequência pode ser utilizada para calcular a velocidade de fase em relação à frequência.
A velocidade de fase e a frequência são as duas variáveis (x -y) que, juntas, constituem a curva de dispersão.
É possível também determinar a precisão do cálculo da curva de dispersão analisando a inclinação linear de cada componente de frequência das ondas superficiais em um sismograma. Neste caso a Prova MASW permite o melhor registro e separação a banda larga e elevadas relações sinal/ruído (S/N). Uma boa relação S/N assegura precisão no cálculo da curva de dispersão, enquanto a amplitude da banda de frequência melhora a resolução e a possível profundidade de pesquisa do perfil Vs de inversão.
As ondas de superfície são facilmente geradas, por exemplo, por uma marretada. A configuração base de campo e a rotina de aquisição para o procedimento MASW são geralmente as mesmas utilizadas em uma pesquisa convencional à reflexão (CMP). Porém, algumas regras operativas para MASW são incompatíveis com a otimização da reflexão.
Essa semelhança permite obter, com o procedimento MASW, seções superficiais de velocidade que podem ser utilizadas para precisas correções estáticas dos perfis à reflexão.
MASW pode ser eficaz também com utilizo de apenas doze canais de registro conectados a geofones simples a baixa frequência (< 10Hz).
A figura mostra a propriedade de dispersão das ondas de superfície. As componentes de baixa frequência (comprimentos de onda maiores) são caracterizadas por uma forte energia e grande capacidade de penetração, enquanto as componentes de alta frequência (comprimentos de onda curtas) têm menos energia e um reduzido poder de penetração.
Graças a estas propriedades, uma metodologia que utilize as ondas superficiais pode fornecer informações sobre variações das propriedades elásticas dos materiais próximos à superfície ao variar da profundidade. A velocidade das ondas S (Vs) é o fator dominante que governa as características da dispersão.
EQUIPAMENTO
- Um sismógrafo EEG BR-24
- 24 geofones a 4,5 Hz
- Uma marreta de 10 kg ou um “provete” sísmico
VANTAGENS DO REGISTRO MULTICANAL
A: Ondas no ar
B: Ondas diretas
C: Ondas de superfície
D: Ondas refletidas
E: Ondas refratas
F: Ondas reverberadas
G: Ruído ambiental
A principal vantagem de um método de registro multicanal é a capacidade de reconhecimento dos diversos comportamentos, que permite identificar e extrair o sinal útil a partir do conjunto de vários e diferentes tipos de ondas sísmicas.
Quando um impacto é gerado em superfície, todas as ondas são geradas simultaneamente e se propagam com diferentes propriedades de atenuação, velocidade e conteúdos espectrais. Essas propriedades são todas identificadas em um registro multicanal, e a etapa sucessiva do processo fornece grande versatilidade na extração das informações úteis.
DESCRIÇÃO GERAL DO PROCEDIMENTO MASW
O procedimento MASW pode sintetizar-se em três etapas distintas:
- Aquisição dos dados de campo;
- Elaboração da curva de dispersão;
- Inversão da curva de dispersão para obter o perfil vertical das Vs (perfil 1D), que descreve a variação da Vs com a profundidade.
ELABORAÇÃO DE SECOES MASW 2D
Um mapa bidimensional (mapa 2D) pode ser construído aproximando e sobrepondo mais perfis 1D consecutivos, utilizando um software para o “contouring”.
Esse é, de fato, o procedimento utilizado na técnica sísmica de investigação conhecida como “Roadside MASW”, descrita na página relativa.
