miniatura|direita|300px|Dados de reflexão sísmica Sísmica de reflexão ou reflexão sísmica é um método de prospecção geofísica que usa princípios da sismologia para estimar propriedades da subsuperfície da Terra a partir de reflexões de ondas sísmicas. O método requer uma fonte sísmica controlada de energia, como uma carga de dinamite ou Tovex, um canhão de ar especializado ou um vibrador sísmico. A sísmica de reflexão tem princípios semelhantes aos do sonar e da ecolocalização.
miniatura|300px|Princípio da reflexão sísmica
História miniatura|upright|Testes sísmicos em 1940
Registros de terremotos permitiram reconhecer ondas sísmicas refletidas e refratadas em interfaces geológicas no interior da Terra. Após o terremoto do vale do Kupa de 1909, Andrija Mohorovičić analisou diferentes chegadas de ondas P e S e concluiu que havia uma mudança brusca de velocidade sísmica em profundidade. O trabalho, publicado em 1910, levou à identificação da descontinuidade de Mohorovičić, entre a crosta e o manto. Pouco depois começou o uso de ondas sísmicas produzidas por seres humanos para mapear em detalhe a geologia dos primeiros quilômetros da crosta terrestre. O desenvolvimento dessa técnica ocorreu em grande parte por iniciativa comercial, sobretudo na indústria do petróleo.
Em 1914, Reginald Fessenden apresentou um pedido de patente que incluía a localização de corpos de minério por meio de ondas sonoras refletidas e refratadas. Uma patente resultante desse pedido foi publicada nos Estados Unidos em 1917.
A exploração por reflexão sísmica desenvolveu-se junto da exploração sísmica por refração, empregada na procura por petróleo relacionado a domos de sal. Ludger Mintrop, agrimensor de minas alemão, criou em 1914 um sismógrafo mecânico que usou com sucesso para detectar domos de sal na Alemanha. Ele solicitou uma patente alemã em 1919, concedida em 1926. Em 1921 fundou a empresa Seismos, contratada para fazer exploração sísmica no Texas e no México. Esse trabalho levou à primeira descoberta comercial de petróleo por refração sísmica, em 1924. A descoberta, em 1924, do domo salino Orchard, no Texas, iniciou uma expansão da exploração sísmica por refração ao longo da costa do golfo. Em 1930, a técnica já havia levado à descoberta da maior parte dos domos rasos do Sal de Louann, e seu uso diminuiu.
Depois da Primeira Guerra Mundial, pesquisadores e engenheiros que participaram do desenvolvimento das aplicações comerciais das ondas sísmicas incluíram Mintrop, Fessenden, John Clarence Karcher, D. W. Ohern, E. A. Eckhardt, William P. Haseman e Burton McCollum. Em 1920, pesquisadores ligados a esse trabalho organizaram a Geological Engineering Company. Em 4 de junho de 1921, Karcher, Ohern, Haseman, Irving Perrine e William C. Kite realizaram um teste de campo em uma fazenda ao norte de Oklahoma City, em Oklahoma. O experimento mostrou que o sismógrafo de reflexão podia delinear estruturas da subsuperfície.
A sísmica de reflexão encontrou ceticismo entre integrantes da indústria petrolífera em seus primeiros anos. Um de seus primeiros defensores escreveu:
"Como alguém que tentou pessoalmente introduzir o método na prática geral de consultoria, o autor principal pode recordar com clareza muitas ocasiões em que as reflexões nem sequer eram postas no mesmo nível da vara de radiestesia, pois ao menos esse instrumento tinha uma tradição por trás de si."
A Geological Engineering Company encerrou as atividades após uma queda no preço do petróleo. Em 1925, com a recuperação dos preços, Karcher ajudou a criar a Geophysical Research Corporation, GRC, como parte da petrolífera Amerada. Em 1930, deixou a GRC e participou da fundação da Geophysical Service Incorporated (GSI). A GSI esteve entre as maiores empresas de contratação sísmica por mais de cinquenta anos e foi a empresa-mãe da Texas Instruments. Henry Salvatori, um dos primeiros funcionários da GSI, deixou a companhia em 1933 para fundar outra grande empresa do setor, a Western Geophysical. Desde a criação do método, surgiram muitas empresas que empregam sísmica de reflexão na prospecção de hidrocarbonetos, hidrologia, estudos de engenharia e outras aplicações. Entre as prestadoras de serviços do setor estiveram CGG, ION Geophysical, Petroleum Geo-Services, Polarcus, TGS e WesternGeco.
Após a queda do preço do petróleo em 2015, prestadoras de serviços sísmicos enfrentaram dificuldades financeiras. A Polarcus entrou em liquidação provisória em 2021. A CGG concluiu sua saída da aquisição sísmica em 2020. Em 2018, a Schlumberger vendeu a frota e as operações de aquisição sísmica marinha da WesternGeco à Shearwater GeoServices, mantendo processamento, imageamento, biblioteca multicliente e interpretação.
Resumo do método
As ondas sísmicas são perturbações mecânicas que se propagam pela Terra. Sua velocidade depende das propriedades elásticas e da densidade do material atravessado. Na reflexão sísmica, uma grandeza fundamental é a impedância acústica ou sísmica, Z, definida, para uma onda P em incidência normal, pela equação
,
em que v é a velocidade da onda sísmica e ρ, a letra rho do alfabeto grego, é a densidade da rocha.
Quando uma onda sísmica encontra uma interface entre dois materiais com impedâncias acústicas diferentes, parte de sua energia é refletida pela interface e outra parte é transmitida através dela. Em sua forma básica, a técnica consiste em gerar ondas sísmicas e medir o tempo necessário para que elas viajem da fonte até uma interface, sejam refletidas e cheguem a um conjunto de receptores na superfície, como geofones, hidrofones ou sistemas de sensoriamento acústico distribuído (DAS). A partir dos tempos de percurso entre a fonte e os receptores e de um modelo de velocidades sísmicas, o geofísico procura reconstruir as trajetórias das ondas e formar uma imagem da subsuperfície.
Como outros métodos geofísicos, a sísmica de reflexão envolve um problema inverso. Parte-se de dados obtidos por experimentos e das leis físicas aplicáveis para construir um modelo do sistema estudado. Nesse caso, os dados experimentais são os sismogramas registrados, e o resultado procurado é um modelo da estrutura e das propriedades físicas da subsuperfície. Como em outros problemas inversos, a solução em geral não é única, pois mais de um modelo pode ajustar-se adequadamente aos dados, e pequenas imprecisões na aquisição, no processamento ou na análise podem alterar os resultados. A interpretação de um levantamento de reflexão sísmica exige, por isso, atenção às incertezas dos dados e do modelo.
Experimento de reflexão
O princípio geral consiste em enviar ondas elásticas para o interior da Terra por meio de uma fonte de energia, como uma explosão de dinamite, queda de peso ou Vibroseis. Cada interface com contraste de propriedades elásticas pode refletir uma parcela da energia e transmitir outra parcela. As ondas refletidas são registradas durante um intervalo predeterminado, chamado comprimento do registro, por receptores que detectam movimento ou pressão. Em terra, o receptor típico é o geofone, um instrumento portátil que converte o movimento do terreno em um sinal elétrico analógico. Na água são usados hidrofones, que convertem variações de pressão em sinais elétricos. A resposta de cada receptor a um único disparo recebe o nome de "traço" e é registrada em um dispositivo de armazenamento de dados. A posição da fonte é então deslocada e o processo se repete. Os sinais registrados passam por extensas operações de processamento de sinais.
Reflexão e transmissão em incidência normal miniatura|Uma onda P é refletida por uma interface em incidência normal
Quando uma onda P sísmica encontra o limite entre dois materiais com impedâncias diferentes, parte da energia é refletida e outra parte é transmitida através do limite. A amplitude da onda refletida pode ser calculada multiplicando-se a amplitude da onda incidente pelo coeficiente de reflexão sísmico , determinado pelo contraste de impedância entre os dois materiais.
Para uma onda que atinge a interface em incidência normal, a expressão do coeficiente de reflexão é
,
em que e são as impedâncias do primeiro e do segundo meio, respectivamente.
Da mesma forma, a amplitude da onda incidente é multiplicada pelo coeficiente de transmissão para determinar a amplitude da onda transmitida através do limite. Para incidência normal,
.
Nessas expressões, e são coeficientes de amplitude, e não frações de energia. Para uma interface plana ideal sem perdas, a conservação da energia pode ser escrita como
.
As variações na amplitude das reflexões permitem estimar contrastes de impedância sísmica. Em incidência normal, porém, a refletividade não determina separadamente a densidade e a velocidade. A inversão de dados sísmicos empilhados costuma produzir um modelo de impedância acústica. A separação de parâmetros como velocidade e densidade requer informações adicionais, hipóteses ou métodos pré-empilhamento e de inversão elástica.
Reflexão e transmissão em incidência não normal miniatura|Conversões de modo quando uma onda P é refletida por uma interface em incidência não normal
A incidência não normal envolve conversão de modos entre ondas P e ondas S e é tratada pelas equações de Zoeppritz. Em 1919, Karl Zoeppritz derivou quatro equações que determinam as amplitudes das ondas P e S refletidas e transmitidas em uma interface plana para uma onda P incidente, em função do ângulo de incidência e das velocidades das ondas P e S e densidades dos dois meios. As quatro incógnitas podem ser resolvidas, mas as equações não fornecem uma interpretação simples de como as amplitudes variam em função das propriedades das rochas.
Os coeficientes de reflexão e transmissão variam com o ângulo de incidência. Essa variação, conhecida como AVO, de amplitude variation with offset, ou variação de amplitude com o afastamento, depende de propriedades da rocha e dos fluidos em cada lado da interface. A análise AVO pode auxiliar na avaliação de litologia, porosidade e conteúdo de fluidos, mas sua resposta não identifica de forma única petróleo, gás ou água. Resultados baseados apenas em energia de ondas P podem admitir mais de uma interpretação e precisam ser combinados com modelagem sísmica e, quando disponíveis, dados de poços e informações petrofísicas.
A aproximação de três termos das equações de Zoeppritz desenvolvida por Shuey em 1985 é amplamente usada em estudos AVO. Para contrastes elásticos moderados e ângulos de incidência pequenos a intermediários, frequentemente até cerca de 30 graus e longe do ângulo crítico, pode-se empregar a aproximação de dois termos:
em que é o intercepto de reflexão em incidência normal, é o gradiente AVO e é o ângulo de incidência. Para , a expressão se reduz à equação de incidência normal.
Interpretação das reflexões
O tempo necessário para que uma reflexão de determinado limite chegue ao receptor é chamado tempo de percurso. Para uma trajetória vertical simples e uma camada homogênea de velocidade , o tempo entre a superfície e o refletor, incluindo a ida e a volta, é chamado tempo duplo de percurso, ou TWT, e é dado por
,
em que é a profundidade do refletor. Em meios estratificados, usa-se um modelo de velocidades adequado ao trajeto da onda.
Para um refletor horizontal sob um meio homogêneo e isotrópico de velocidade constante, o tempo de percurso aumenta de forma hiperbólica com o afastamento entre fonte e receptor:
,
em que é o tempo duplo de percurso com afastamento zero, é o afastamento entre a fonte e o receptor e é a velocidade do meio acima do refletor. Essa relação é usada na análise do sobretempo normal e na estimativa de velocidades em agrupamentos de ponto médio comum.
Uma sequência de reflexões aparentemente relacionadas em diferentes sismogramas costuma ser chamada de evento de reflexão. A correlação entre eventos permite ao sismólogo construir uma seção transversal estimada da estrutura geológica que produziu as reflexões.