Métodos Geofísicos de Prospecção: Sísmica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁ 
INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS E ENGENHARIA 
FACULDADE DE ENGENHARIA DE MINAS E MEIO AMBIENTE 
 
 
 
 
ELIZÂNE VIEIRA DE ANDRADE 
ESTER DE OLIVEIRA SILVA 
 
 
 
 
 
MÉTODOS GEOFÍSICOS 02: SÍSMICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MARABÁ 
2017 
 
 
ELIZÂNE VIEIRA DE ANDRADE 
ESTER DE OLIVEIRA SILVA 
 
 
 
 
 
MÉTODOS GEOFÍSICOS 02: SÍSMICA 
 
 
 
 
 
Trabalho apresentado à Faculdade de Engenharia de Minas 
e Meio Ambiente, Instituto de Geociências e Engenharia, 
Universidade do Sul e Sudeste do Pará, como requisito para 
a avaliação parcial na disciplina – Pesquisa Mineral II. 
 
Docente: Prof. MSc. Louis Dostoievsky Gomes Tabosa 
 
 
 
 
 
 
MARABÁ 
2017 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
FIGURA 1 – Geofone………………………………………………...………………..07 
FIGURA 2 – Sismógrafo……………………………...……………………………….07 
FIGURA 3 – Percurso das ondas sísmicas quando refletidas e refratadas..................09 
FIGURA 4 – Comportamento das ondas longitudinais ou ondas P e ondas transversais 
ou ondas S, respectivamente……………………………………………………...…….10 
FIGURA 5 – Velocidade de reflexão em diferentes estratos……...…………………..12 
FIGURA 6 – Trajetória de uma onda sísmica refratada em um meio de duas camadas 
distintas…………...…………………………………………………………………….15 
FIGURA 7 – Curvas tempo x distância……………………………………………..…16 
 
 
 
LISTA DE TABELAS 
TABELA 1 – Velocidades de ondas em diferentes materiais……………………….....08 
TABELA 2 – Coeficientes de reflexão para diferentes tipos de interfaces…..………..14 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
1. INTRODUÇÃO........................................................................................................06 
2. MÉTODO SÍSMICO.................................................................................................07 
3. ONDA DE CORPO..................................................................................................09 
4. SÍSMICA DE REFLEXÃO......................................................................................12 
5. SÍSMICA DE REFRAÇÃO.....................................................................................15 
6. CONCLUSÃO..........................................................................................................17 
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.....................................................................18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
Países com tradição em minerar depararam-se com o esgotamento dos depósitos 
minerais encontrados em superfície. Logo houve a necessidade de aprimorar técnicas 
mais avançadas, nas quais, fosse possível por meio de sua utilização detectar depósitos 
que estivessem soterrados. Assim, surgiu o método de prospecção geofísica. 
Os métodos geoquímicos detectam anomalias que podem ter sido transportadas 
de outros lugares. Sendo necessário fazer buscas até determinar com precisão o local do 
depósito mineral. Diferentemente, os métodos geofísicos de prospecção mineral 
proporcionam a localização imediata de alvos de possíveis depósitos. Desta forma, basta 
saber o que de fato há geologicamente no depósito. 
Com o desenvolvimento da tecnologia, computadores se tornaram mais 
compactos e consequentemente com uma maior portabilidade. Além disso, softwares 
bem elaborados que tratam os dados com uma rapidez considerável, foram fatores 
determinantes para disseminação da prática de técnicas geofísicas na exploração 
mineral. 
 De forma sintética, geofísica é a ciência que aplica conhecimentos da física ao 
estudo da Terra. O emprego da geofísica consiste na investigação de parâmetros físicos 
e realização de medidas que são influenciadas por tais parâmetros, a fim de verificar a 
variação inerente a essas propriedades. 
As propriedades físicas dão origem a métodos geofísicos, sendo estes, métodos 
elétricos, magnéticos, radiométricos, gravimétricos e sísmicos. Tais métodos podem ser 
aplicados numa gama considerável de investigações, desde estudos de toda a Terra, 
como exploração de uma região de menor tamanho. 
O método sísmico é comumente usado na prospecção mineral como um método 
indireto, onde identifica a localização de falhas, para mapear camadas sedimentares, 
determinar profundidade em que se encontra o maciço, além detectar propriedades 
físicas fundamentais. Sendo assim, neste trabalho, abordaremos o método sísmico, suas 
especificidades substanciais, suas principais metodologias, bem como a relevância do 
mesmo dentro da Pesquisa Mineral. 
 
 
 
7 
 
2. MÉTODO SÍSMICO 
O primeiro levantamento sísmico é datado na década de 1920, demonstrando a 
importância de tais métodos na sismologia de terremotos, onde os tempos de percurso 
das ondas de terremoto eram registrados nos observatórios sismológicos e utilizados 
para entender estruturas da Terra. 
No que diz respeito à exploração geofísica, o método sísmico parte do princípio 
de que as ondas percorrem com velocidades diferentes nas rochas, a depender de suas 
características e presença de descontinuidades. Nesse sentido, inicia-se a onda, 
artificialmente, um determinado ponto, através de impactos mecânicos, cargas 
explosivas, tiro de ar comprimido ou vibradores. 
Durante o trajeto, as ondas passam por diferentes camadas geológicas, sofrendo 
reflexão e refração. As ondas são detectadas por instrumentos receptores, os chamados 
geofones (Figura 1) ou hidrofones (usado em meio aquático), que são capazes de 
perceber as alterações devido à passagem das mesmas. Os geofones transformam 
impulsos mecânicos em impulsos elétricos e o registro das ondas é feito através de um 
sismógrafo (Figura 2). Sendo assim, é calculada a velocidade de propagação por meio 
da determinação do tempo que a onda demorou percorrer de um ponto ao outro, onde 
este ponto possui localização conhecida. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1: Geofone. Fonte: 
http://www.goldydesentupidora.com.br/img/fotos/
02.jpg. Acesso em 05 de julho de 2017. 
Figura 2: Sismógrafo. Fonte: 
http://geocrusoe.blogspot.com.br/2008/03/si
smgrafos-e-sismogramas.html. Acesso em 
05 de julho de 2017 
8 
 
A importância desse método esta no fato de que, se forem manipulados de 
maneira correta, produzem uma interpretação mais detalhada do que qualquer outro 
método. A aplicação da sísmica, dentro da exploração, está voltada, principalmente, 
para a prospecção de petróleo. Entretanto, suas aplicações vão muito além, englobando 
prospecção de depósitos minerais, investigação de estruturas para construção civil, 
profundidade litológica, zonas de fraturas, entre outros. 
Em geral, rochas ígneas e cristalinas demonstram maiores velocidades de 
propagação do que rochas sedimentares e estas velocidades tendem a aumentar a 
medida que a profundidade também aumenta. Em meios estratificados é possível 
verificar uma anisotropia nas velocidades das ondas sísmicas, onde quando a onda passa 
paralela aos estratos, sua velocidade tende a ser maior do que quando passa 
transversalmente. 
A velocidade de propagação da onda no meio rochoso depende de fatores 
importantes: 
 Densidade 
 Porosidade 
 Constantes elásticas 
 Grau de Fraturamento 
 Conteúdo de água 
 Alteração 
 Tipo Litológico 
 
A Tabela 1 relaciona a velocidade de ondas P e S em alguns materiais: 
 
 
Tabela 1: Velocidades de ondas em diferentes materiais. Fonte: 
http://paginas.fe.up.pt/~geng/ge/apontamentos/Cap_8_GE.pdf. Acesso em 05 de julho de 2017. 
9 
 
A depender dos objetivos da pesquisa, é possível analisar ondas que são 
refletidas(levantamento sísmico de reflexão) ou ondas refratadas (levantamento sísmico 
de refração). No caso do levantamento de reflexão, as subsecutivas refrações permitem 
obter mais detalhes dos acamamentos geológicos, sendo o método geofísico mais 
empregado, principalmente na prospecção de hidrocarbonetos (petróleo e gás). O 
levantamento de refração é utilizado quando são necessárias grandes distancias entre a 
fonte e os receptores, contendo informações de grandes áreas, com menores detalhes. A 
Figura 3 esquematiza o percurso de ondas refletidas e refratadas. 
 
 
3. ONDAS DE CORPO 
 Sólidos elásticos proporcionam a propagação de dois tipos de ondas: 
longitudinais ou primárias, conhecidas como ondas P e as ondas transversais ou de 
cisalhamento, denominadas como ondas S. A principal diferença entre elas é a maneira 
como se propagam. Nas ondas P as partículas se propagam na mesma direção de 
propagação da onda. Diferentemente, nas ondas S as partículas se propagam em uma 
direção perpendicular à propagação da onda. 
 
Figura 3: Percurso das ondas sísmicas quando refletidas e refratadas. (Kearey,2009) 
10 
 
 
Figura 4: Comportamento das ondas longitudinais ou ondas P e ondas transversais ou ondas S, 
respectivamente. (Kearey,2009) 
 
Ondas P são mais usuais no âmbito da prospecção. Uma vez que sua velocidade 
é maior e se propagam tanto em meio sólidos quanto em meio líquido. Desta forma, as 
ondas P são detectadas antes das ondas S. Geralmente, a velocidade das ondas S é cerca 
de setenta por cento da velocidade das ondas P. Os cálculos para determinar as 
velocidades de tais ondas são feitos através da relação entre módulos elásticos 
adequados para cada tipo de onda e a densidade do material. 
 A velocidade da onda P (
pv
) de um corpo compressional é obtida a partir 
do módulo axial (

): 
 
1
2
pv


 
  
 
 Eq.(01) 
 Onde 

 é a densidade do material. 
 O módulo axial pode ser relacionado ao módulo de volume (
K
) e ao 
módulo de rigidez (

), logo se tem que: 
11 
 
4
3
K  
 Eq.(02) 
 Substituindo a equação 02 na equação 01 obtém-se: 
 
1
24
3
p
K
v


 
 
  
 
 
 
 (03) 
 Para obter a velocidade da onda S (
sv
) é preciso relacionar apenas o 
módulo de rigidez à densidade do material, logo fica: 
1
2
sv


 
  
 
 Eq.(04) 
 Como foi abordado anteriormente, a velocidade de onda P é relacionada 
à três propriedades distintas da rocha, o que dificulta o processo de identificação da 
litologia. Para alcançar um melhor resultado pode-se fazer a razão entre as velocidades 
das ondas P e S, a partir delas é possível obter a razão de Poisson (

). No qual é um 
indicador mais preciso da litogia. Então a razão fica: 
1
22(1 )
(1 2 )
p
s
v
v


 
  
 
 Eq. (05) 
 
12 
 
4. SÍSMICA DE REFLEXÃO 
O método de sísmico com base na reflexão das ondas é o mais usual no âmbito 
da prospecção mineral. Uma vez que possui vantagens sobre os demais métodos físicos. 
Sendo estas vantagens a capacidade de alcançar maiores profundidades na escala de 
quilômetros e não se limitando devido diferentes camadas rochosas existentes na crosta 
terrestre. Estas vantagens tem sido de grande valia para a área petrolífera que é a 
principal responsável pela evolução de tal método. 
A sísmica de reflexão consiste em promover pulsos de energia sísmica que 
refletem pelas rochas existentes na crosta e são detectados de volta na superfície. 
Quando há camadas rochosas a velocidade da onda varia em cada camada dependendo 
das propriedades do material e pela espessura da camada. 
 
 
Figura 5: Velocidade de reflexão em diferentes estratos. (Kearey,2009) 
 
 Se for considerado 
iv
 a velocidade em que a onda atravessa determinada 
camada, 
iz
 a espessura da mesma e 
i
o tempo em que a onda atravessa toda a camada, 
pode-se desenvolver uma equação para determinar a velocidade intervalar, então: 
i
i
i
z
v


 Eq.(06) 
13 
 
A velocidade intervalar média (
V
) pode ser obtido por intermédio da espessura 
total das camadas (
nZ
) e o tempo total (
nT
) que a onda gasta para retornar à superfície. 
Desta forma, fica: 
 
n
n
Z
V
T

 Eq.(07) 
 
É possível determinar um parâmetro importante para análise litológica dos 
diferentes estratos a partir da velocidade de propagação de cada interface e da massa 
específica de cada camada. Tal parâmetro é o coeficiente de reflexão, no qual, é 
possível inferir a relação da amplitude de uma refletida relativamente à amplitude da 
onda incidente. Então: 
 
2 2 1 1
2 2 1 1
P P
P P
V V
R
V V
 
 



 Eq. (08) 
 
Onde: 
 
R
= coeficiente de reflexão; 
 
1
e 
2
= massa específica do meio um e meio dois respectivamente; 
 
1PV
e 
2PV
= velocidade de propagação do meio um e meio dois respectivamente. 
 
Há diferentes coeficientes de reflexão para os mais variados meios. Os maiores 
valores para tal coeficiente estar contido na interface água-rocha ou sedimento pouco 
consolidado e rocha. O quadro a seguir (Tabela 2) mostra alguns valores de 
coeficientes de reflexão para diferentes interfaces. 
14 
 
 
Tabela 2: Coeficientes de reflexão para diferentes tipos de interfaces. (Oliveira, 2007) 
 
Embora o método de sísmica de reflexão tenha diversas vantagens e pode ser 
usados em situações que haja rochas estratificadas, os seu resultados abrem um leque 
para várias interpretações. O que necessita de uma minuciosa análise dos dados obtidos, 
além da necessidade desse método ser associado a outros métodos geofísicos para um 
melhor reconhecimento litológico e estrutural dos maciços rochosos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
15 
 
5. SÍSMICA DE REFRAÇÃO 
 
A refração de uma onda sísmica ocorre quando a onda atravessa camadas 
compostas por diferentes materiais, adquirindo, assim, velocidade diferente que a 
inicial. Desse modo, o método de levantamento sísmico, primeiro método sísmico 
utilizado, se baseia nas primeiras ondas detectadas pelos geofones que estão dispostos 
distantes da fonte, levando em consideração que, após percorrer o meio, a onda sísmica 
retorna à superfície. 
A Figura 6 mostra a trajetória de uma onda, emitida através de uma fonte A que 
passa por duas camadas até ser refratada até um detector D, este a uma distancia x da 
fonte A. As velocidades das camadas são ν1 e ν2 (> ν1), estando a interface refratora a 
uma profundidade z. 
 
 
Figura 6: Trajetória de uma onda sísmica refratada em um meio de duas camadas distintas. 
(Kearey, 2009) 
 
Uma lei bastante importante dentro da física é aplicada na refração sísmica, a 
Lei de Snell, onde sin 𝜃 =
𝑣1
𝑣2
 . Partindo desse principio, conseguimos uma equação 
que expressa o tempo de percurso da onda, temos: 
 𝑡 =
𝑥
𝑣2
+ 
2𝑧 cos 𝜃
𝑣1
 Eq. (09) 
 
De modo semelhante, é possível determinar a profundidade através da relação: 
16 
 
𝑧 = 
𝑡 𝑣1 𝑣2
2(𝑣2
2−𝑣2
2)1/2
 Eq. (10) 
 
Para fins de análise, um gráfico é construído através dos dados referentes ao 
tempo de chegada e a distancia entre a fonte e o receptor. A Figura 7 mostra como é a 
interface do gráfico. 
 
Figura 7: Curvas tempo x distância. 
 
O método sísmico de refração é empregado em uma gama de problemas técnico-
científicos, que vão da engenhariaao estudo da crosta terrestre. É aplicado para 
detecção da profundidade de solos, espessura de solo sobre o depósito mineral, 
determinação de níveis de escarificação, avaliação de propriedades das rochas, 
mapeamento de fraturas em rochas. 
Uma das principais limitações deste método é o fato de que para a onda ser 
refratada e detectada, é necessário que a velocidade aumente à medida que a 
profundidade também aumente, visto que se isto não ocorrer, a onda não será detectada 
pela sísmica de refração, esta situação é comum em solos aluvionares e coluvionares, 
necessitando de maior atenção nesses casos. 
 
17 
 
6. CONCLUSÃO 
Dentro do empreendimento mineiro, o fator de maior importância para o 
planejamento e a lavra é o conhecimento, em maior forma possível, do depósito 
mineral a ser explotado. Dentro dessa gama de conhecimentos, além da quantificação e 
qualificação de um depósito, é necessário o conhecimento da geometria do corpo 
mineral, da localização, além das estruturas encaixantes e as descontinuidades 
presentes. É justamente neste ponto que a sísmica vem auxiliar. 
Levando-se em consideração os aspectos expostos, é perceptível a importância e 
a vasta aplicabilidade dos métodos sísmicos, que auxiliam diversas áreas do 
conhecimento no estudo do nosso planeta. Dentro da pesquisa mineral, foi possível 
observar que, se executados de maneira correta, tais levantamentos podem ter 
significativos resultados na busca por jazidas, podendo atuar, por exemplo, em 
sondagens indiretas, visto que os métodos de sondagens convencionais são altamente 
dispendiosos. 
 
18 
 
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
DENTITH, M.; MUDGE, S. T. Geophysics for the Mineral Exploration 
Geoscientist. New York: Cambridge University Press, 2014. 
 ENESTO, Marcia; USSAMI, Naomi. Introdução à Geofísica. São Paulo: 
Universidade de São Paulo, 2002. Disponível em: < 
http://www.iag.usp.br/~eder/apostila/00_Introducao_a_Geofisica_IAG_USP.pdf> 
Acesso em 06 de Julho de 2017. 
GANDOLFO, Otávio Coaracy Brasil. Métodos Geofísicos Aplicados à Engenharia e 
Geotecnia. São Paulo: Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo, 
2012. 
KEAREY, P.; BROOKS, M.; HILL, I. Geofísica de Exploração.Tradução Maria 
Cristina Moreira Coelho. São Paulo: Oficina de Textos, 2009. 
KOPPE, Vanessa Cerqueira. Análise de Incerteza Associada à Determinação da 
Velocidade de Onda Sônica em Depósitos de Carvão obtida por Perfilagem 
Geofísica. 2005. 282 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia de Minas, Escola 
de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2005. 
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PARASNIS, D. S.. Principles of Applied Geophysics. 5. ed. London: Chapman & 
Hall, 1997. 429 p. 
 PORTO, Ana Cecília Campello Pereira. Métodos geofísicos em obras lineares. 2009. 
107 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade 
Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2009. Cap. 02. 
REEDMAN, J. H.; PHIL, M.; M.I.M.M., Techniques in Mineral Exploration. 
London: Applied Science Publishers LTD, 1979.