A prospecção geofísica é a coleta sistemática de dados geofísicos para estudos espaciais. A detecção e a análise de sinais geofísicos formam a base do processamento de sinais geofísicos. Variações dos campos gravitacionais, magnéticos e elétricos, assim como a propagação de ondas sísmicas e eletromagnéticas, fornecem informações sobre propriedades e estruturas abaixo da superfície. Como muitos desses dados dependem simultaneamente do espaço e do tempo, técnicas de processamento multidimensional de sinais podem ser usadas em sua análise.
As prospecções geofísicas podem empregar muitos tipos de instrumentos, com dados coletados acima ou abaixo da superfície terrestre, em poços, sobre corpos d'água ou a partir de plataformas como aeronaves, satélites e navios. Têm aplicações na geologia, arqueologia, exploração mineral e energética, oceanografia e engenharia. São empregadas na indústria e em pesquisa científica.
Instrumentos como gravímetros, gradiômetros gravimétricos e magnetômetros medem variações dos campos gravitacional e magnético. Os dados de uma prospecção são processados e interpretados para obter informações sobre o subsolo. A análise da densidade espectral e da localização tempo-frequência de sinais é usada em aplicações como a exploração de petróleo e a sismografia.
Tipos de prospecção geofísica Existem muitos métodos e tipos de instrumentos empregados em prospecções geofísicas. Entre as técnicas utilizadas estão:
Métodos sísmicos, como sísmica de reflexão, refração sísmica e tomografia sísmica. Esses métodos usam a propagação de ondas elásticas para investigar a geometria e as propriedades das formações abaixo da superfície. Método sismoelétrico. Geodésia e técnicas gravimétricas, incluindo o estudo de anomalias gravimétricas, a gravimetria e a gradiometria gravimétrica. Variações espaciais da gravidade podem ser relacionadas a diferenças de densidade no subsolo. Técnicas magnéticas, entre elas os levantamentos aeromagnéticos e levantamentos realizados com magnetômetros. As anomalias medidas dependem da magnetização dos materiais, que pode resultar de sua susceptibilidade magnética e de magnetização remanente. Técnicas elétricas, entre elas a tomografia de resistividade elétrica, a polarização induzida e o potencial espontâneo. Esses métodos são usados, entre outras aplicações, na investigação de água subterrânea. Métodos eletromagnéticos, como magnetotelúrica, radar de penetração no solo, eletromagnetismo transitório ou no domínio do tempo, ressonância magnética nuclear de superfície, também chamada de sondagem por ressonância magnética, e métodos eletromagnéticos marinhos de fonte controlada, conhecidos pela sigla mCSEM ou como perfilagem eletromagnética do fundo marinho. Geofísica de poço, também chamada de perfilagem de poços. Técnicas de sensoriamento remoto, incluindo imageamento hiperespectral. Técnicas radiométricas, em especial levantamentos de radiação gama e espectrometria gama. Esses levantamentos medem a radiação gama natural relacionada principalmente ao potássio, ao urânio, ao tório e aos produtos de suas cadeias de decaimento. Levantamentos radiométricos de superfície e aerotransportados são usados, entre outras finalidades, na exploração de urânio.
miniatura|Esquema de uma prospecção sísmica marinha com uma fonte sísmica e cabos de receptores rebocados.
No radar de penetração no solo, frequências mais altas permitem maior resolução espacial, mas reduzem a profundidade alcançada. Materiais eletricamente condutores, como argilas saturadas e água salina, podem atenuar fortemente o sinal e limitar a profundidade de investigação.
Planejamento, aquisição e interpretação A escolha de um método depende do objetivo do levantamento e das propriedades físicas que possam produzir um contraste mensurável. Densidade, resistividade elétrica, condutividade, propriedades magnéticas e velocidades de propagação de ondas podem ser investigadas por métodos diferentes. A profundidade alcançada e a resolução também dependem do instrumento, da técnica e das condições do local.
Os levantamentos podem ser realizados na superfície, em poços ou sobre corpos d'água. Em levantamentos de superfície, a posição dos instrumentos costuma ser georreferenciada para que as medições possam ser distribuídas espacialmente. Muitos métodos exigem pouca ou nenhuma penetração no terreno. Dois ou mais métodos podem ser aplicados ao mesmo alvo quando propriedades físicas diferentes permitem testar a mesma interpretação.
Depois da aquisição, os dados podem passar por correções instrumentais e ambientais, filtragem, transformação, modelagem e inversão. Na inversão, procura-se um modelo das propriedades do subsolo capaz de reproduzir as medições observadas. O problema pode não possuir uma solução exata ou pode admitir mais de um modelo compatível com os dados. Pequenos erros nas medições também podem produzir alterações grandes no modelo estimado. Informações geológicas e resultados de métodos independentes ajudam a restringir as soluções possíveis.
Detecção de sinais geofísicos Esta seção trata dos princípios usados na medição de sinais geofísicos. Os campos magnético e gravitacional são campos potenciais, e os métodos gravimétrico e magnético são métodos passivos porque medem campos naturais sem introduzir uma fonte de energia no terreno. O método gravimétrico responde principalmente a contrastes de densidade, enquanto o método magnético responde às propriedades magnéticas e à magnetização dos materiais no subsolo.
O instrumento usado para medir variações do campo gravitacional é o gravímetro. Essas variações podem decorrer de diferenças de densidade entre formações e depósitos no subsolo. Alterações do campo magnético são medidas com magnetômetros. Dependendo do instrumento e da aplicação, pode-se medir uma componente do campo ou sua magnitude total.
Os valores obtidos em diferentes posições recebem as correções necessárias e podem ser usados na preparação de mapas de anomalias gravimétricas ou magnéticas. A análise desses mapas ajuda a estimar a distribuição das propriedades físicas no subsolo. Filtros analógicos e digitais, modelagem e inversão podem ser empregados durante o processamento.
Medição dos campos magnéticos da Terra
Os magnetômetros são usados para medir o campo magnético terrestre e suas anomalias. A sensibilidade necessária depende da aplicação. Para medições de campos muito fracos podem ser empregados instrumentos especializados, entre eles o SQUID, dispositivo supercondutor baseado em junções de Josephson. SQUIDs são usados como magnetômetros de alta sensibilidade em diferentes aplicações.
Jim Zimmerman participou do desenvolvimento do SQUID de radiofrequência enquanto trabalhava no laboratório de pesquisa da Ford. Durante experimentos de ressonância magnética nuclear, John Lambe observou alterações nas propriedades elétricas do índio quando o campo magnético variava na faixa de nanoteslas. O trabalho de Zimmerman levou a uma configuração que empregava fios e fitas de nióbio para formar duas junções de Josephson ligadas em paralelo. As fitas interrompiam o percurso da corrente supercondutora nos fios. A sensibilidade dessas junções tornou os SQUIDs úteis na medição de campos magnéticos muito fracos.
Sinais elastogravitacionais imediatos associados a terremotos
Uma proposta apresentada em 1992 discutiu o uso de sensores do campo gravitacional para investigar grandes ondas sísmicas.
A ruptura de uma falha produz deformação da crosta e redistribuição de massa. As ondas sísmicas também produzem variações de densidade à medida que se propagam. Esses processos perturbam o campo gravitacional terrestre. As perturbações observáveis antes da chegada das ondas P são chamadas de prompt elasto-gravity signals, ou sinais elastogravitacionais imediatos. A alteração gravitacional se propaga à velocidade da luz, que em escala terrestre é muito maior que a velocidade das ondas elásticas, permitindo que o sinal seja observado antes da chegada direta das ondas P a uma estação suficientemente distante. Esse fenômeno não é uma onda gravitacional da relatividade geral nem o tipo de sinal procurado por um observatório de ondas gravitacionais.
No sismo e tsunami de Tohoku de 2011, foi relatada a primeira detecção de um sinal desse tipo. A análise utilizou dados de um gravímetro supercondutor e de sismômetros de banda larga e encontrou um sinal de amplitude da ordem de uma fração de microgal antes da chegada das ondas P, compatível com previsões teóricas. Análises posteriores identificaram sinais elastogravitacionais imediatos em outros grandes terremotos.
Medição da gravidade com interferômetros atômicos
O movimento de qualquer massa é afetado pelo campo gravitacional. O movimento dos planetas, por exemplo, é afetado pelo campo gravitacional do Sol. Objetos próximos também exercem forças gravitacionais entre si, embora essas alterações possam ser muito pequenas e exijam instrumentos sensíveis.
miniatura|Princípio de funcionamento de um interferômetro atômico.
Os interferômetros atômicos exploram a natureza ondulatória da matéria e os efeitos da difração. Algumas configurações empregam redes de difração para separar e recombinar feixes atômicos. Gravímetros atômicos modernos podem usar pulsos de laser para dividir, redirecionar e recombinar pacotes de ondas atômicas. A diferença de fase entre os percursos depende da aceleração experimentada pelos átomos e permite obter uma medida absoluta da aceleração gravitacional.
Em 2018, um gravímetro baseado em interferometria atômica foi operado a bordo de um navio e realizou medições absolutas de gravidade em movimento, com aplicações em geodésia, geofísica e exploração de recursos.
Métodos de reconhecimento de sinais geofísicos Esta seção aborda os métodos e as técnicas matemáticas usados no reconhecimento e na análise de sinais. São consideradas as análises nos domínios do tempo e da frequência, assim como diferentes transformadas aplicadas a sinais multidimensionais.
Amostragem 3D
Amostragem Uma das primeiras etapas do processamento digital é a conversão analógico-digital. Sinais geofísicos registrados no domínio analógico precisam ser amostrados e convertidos para uma representação digital antes de muitos tipos de processamento. Filtros podem ser formulados em uma, duas ou mais dimensões.
Conversão analógico-digital
Sinais sísmicos, gravimétricos e eletromagnéticos podem ser detectados, amostrados e armazenados para análise posterior. As medições podem variar no tempo e no espaço. A amostragem temporal mede uma componente do sinal em diferentes instantes, enquanto a amostragem espacial mede o sinal em diferentes posições.
A amostragem tradicional de um sinal unidimensional que varia com o tempo é feita pela medição de sua amplitude em instantes discretos. Sinais espaço-temporais podem depender de quatro variáveis, correspondentes às três dimensões espaciais e ao tempo. Nesses casos, a amplitude é medida em diferentes posições e instantes. Dados do campo gravitacional terrestre, por exemplo, podem ser medidos com gravímetros ou gradiômetros gravimétricos colocados em diferentes posições.E. H. Metzger, "Development Experience of Gravity Gradiometer System", IEEE Plans Meeting, 1982.
Análise espectral
Transformada de Fourier multidimensional
A expansão de Fourier de um sinal no domínio do tempo representa esse sinal como uma soma de componentes de frequência, em particular senos e cossenos. Joseph Fourier desenvolveu essa representação ao estudar a distribuição de calor em um corpo. O mesmo princípio pode ser estendido a sinais que variam simultaneamente no espaço e no tempo.
Para um sinal espaço-temporal s(x,t), no qual x é o vetor de posição tridimensional, uma convenção para a transformada de Fourier é:
ω representa a frequência angular temporal. k é o vetor número de onda e representa a dependência espacial do sinal.