Modelado elástico y análisis paramétrico de velocidades de ondas de interfase en sedimentos marinos

Abstract

El estudio y modelado de las propiedades elásticas, amplitudes y velocidades de propagación de ondas elásticas y acústicas en sedimentos del fondo marino es de interés en diversas áreas. En particular, las ondas de corte y las ondas de interfase tales como las Rayleigh (que se propagan y producen deformaciones en la proximidad de una superficie libre) y las ondas Scholte (en interfases fluido-sólido, también llamadas ondas Rayleigh generalizadas), son de un marcado interés en estudios sismológicos, ingeniería y acústica oceánica (Ballard y Lee, 2017, Kugler et al. 2007). En ciertos casos, el interés se centra en las ondas de gran amplitud y de baja frecuencia (<10 Hz) generadas por terremotos y explosiones nucleares. En otros, las ondas de corte y de interfase de alta frecuencia (>10 Hz) se utilizan para sondeo del fondo marino y caracterización de sus sedimentos, lo que es de suma importancia para estudios geotécnicos sobre la estabilidad de depósitos de plataforma y prospección geofísica off-shore en general. El estudio de las propiedades de dicha capa de sedimentos de fondo marino también es necesario para el diseño y la ubicación de estructuras de ingeniería civil en el fondo marino (Hovem et al. 1991) y para evaluar la estabilidad y riesgo de deslizamiento de grandes masas de sedimentos submarinos (Madrussani et al. 2018). La alta correlación existente entre la rigidez o módulo de corte de un medio elástico y las velocidades de las ondas de corte S, Scholte y Rayleigh hacen que las mismas sean de interés para abordar tales problemas. El análisis de dichas velocidades permite caracterizar los sedimentos puesto que, a diferencia de las ondas de compresión P, son mucho más sensibles a las variaciones litológicas que al contenido de fluido. Sin embargo, no se han hecho análisis paramétricos de tales velocidades teniendo en cuenta la influencia de las propiedades petrofísicas y geoacústicas de los sedimentos y su estratificación, observándose que los trabajos existentes se han centrado principalmente en el modelado y predicción de las velocidades de las ondas corpóreas. Con estas motivaciones, en la presente Tesis de Grado se abordará el análisis e implementación de modelos de física de rocas para el cálculo de las propiedades elásticas de las rocas sedimentarias poco consolidadas del fondo oceánico y la predicción y ajuste de las velocidades de propagación de ondas P y S en dichos ambientes. A su vez, se realizará el cálculo y análisis de las curvas de dispersión de ondas Scholte asociadas. Con estos objetivos se utilizará un conjunto de datos de dominio público, adquiridos durante el año 2016 en el marco de la campaña 362 del International Ocean Drilling Programn IODP, (https://mlp.ldeo.columbia.edu/logdb/scientific_ocean_drilling/), en la cual se perforaron los pozos U1480–U1481. Los mismos se ubican en la placa oceánica Índica, a aproximadamente 250 km al suroeste de la zona de subducción del norte de Sumatra. En ambos sitios se extrajeron coronas y se registraron diversos perfiles, a una profundidad máxima de 1500 metros por debajo del lecho marino. Los datos reales a utilizar son perfiles sónicos de onda P, de porosidad neutrónica, de densidad bulk y descripción mineralógica de los sedimentos a partir de estudios realizados sobre muestras de coronas en laboratorio. La sucesión sedimentaria en la corteza basáltica de 60–70 Ma de la placa oceánica comprende una capa pelágica basal1 cubierta por sedimentos del abanico submarino de Nicobar. El modelo de física de rocas utilizado es el propuesto por Dvorkin et al. (1999), ampliamente aceptado para rocas en ambientes sedimentarios poco consolidados de alta porosidad, como los que se analizan en este estudio. Consiste en una combinación de las teorías de Hertz-Mindlin para medios granulares, una modificación de las cotas elásticas de Hashin-Shtrikman, el concepto de porosidad crítica y las clásicas ecuaciones de Gassmann. Para cada profundidad calibramos el modelo ajustando el perfil de velocidad de onda P y calculamos la velocidad de onda S. Posteriormente, se construye un modelo estratificado que es utilizado para calcular la curva de dispersión de velocidad de la onda Scholte. Para esto se subdividen los perfiles en intervalos de profundidad, teniendo en cuenta las unidades litológicas y calculando valores medios de las velocidades y densidades, teniendo en cuenta además las propiedades físicas del basamento. Partiendo de esta calibración, se realiza un análisis de sensibilidad de las velocidades de ondas Scholte y sus curvas de dispersión, frente a parámetros tales como número de capas, porosidad, densidad, módulos elásticos y perfil de porosidad versus profundidad, en un rango de frecuencias que abarca ondas sismológicas, ruido sísmico y sísmica de exploración. A partir de este estudio se elaboran conclusiones acerca de los parámetros de mayor influencia y la factibilidad de formular, en una segunda etapa, problemas inversos asociados.