Aplicación de la Técnica Satelital Altimétrica para Estudios Prospectivos de Hidrocarburos en Venezuela

Melvin Hoyer, Eugen Wildermann, Mario Forgione, Tomás Puente, Gustavo Rincón, Felipe Párraga y Giovanni Royero

Melvin Hoyer. Ingeniero Geodesta, La Universidad del Zulia (LUZ), Venezuela. Doctor en Ingeniería, Universidad de Hannover, Alemania. Profesor, Escuela de Ingeniería Geodésica, LUZ. Dirección: Escuela de Ingeniería Geodésica, Departamento de Geodesia Superior, Facultad de Ingeniería, LUZ. Apartado Postal 4011, Maracaibo, Venezuela. e-mail:mhoyer@luz.edu.ve

Eugen Wildermann. Ingeniero Geodesta y Doctor en Ingeniería, Universidad de Hannover, Alemania. Profesor, Escuela de Ingeniería Geodésica, LUZ, Venezuela.

Mario Forgione. Ingeniero Geodesta, LUZ, Venezuela. Ingeniero, Departamento de Sensores Remotos, PDVSA Oriente, Venezuela.

Tomás Puente. Ingeniero Geodesta, LUZ, Venezuela. Ingeniero, Cooperativa de Topografía y Geodesia, Venezuela.

Gustavo Rincón. Ingeniero Geodesta, LUZ, Venezuela.

Felipe Párraga. Geólogo, Universidad de Oriente, Venezuela.

Giovanni Royero. Ingeniero Geodesta y M.Sc. en Ingeniería Geodésica, LUZ, Venezuela. Profesor, Escuela de Ingeniería Geodésica, LUZ, Venezuela.

Resumen

Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA) ejecutó en 2001-2002 un proyecto de exploración en la región del delta del río Orinoco, en un área aproximada de 110000km², formando parte de la Red de Investigación asociada al Proyecto Fachada Atlántica de Venezuela. El macroproyecto se compone de la integración de datos provenientes de sísmica tridimensional, gravimetría desde embarcaciones y la implementación, por primera vez en Venezuela, de un estudio satelital altimétrico con propósitos de prospección de hidrocarburos. Este trabajo explica la aplicación de la técnica satelital altimétrica en Venezuela como método complementario a los convencionalmente utilizados en proyectos de prospección petrolera. Se procesaron, bajo dos subproyectos totalmente independientes, mediciones efectuadas desde las plataformas de los satélites GEOSAT, ERS-1, ERS-2 y TOPEX POSEIDON. Uno de los trabajos fue realizado por la empresa inglesa GETECH y el otro en el Laboratorio de Geodesia Física y Satelital de la Universidad del Zulia, en Maracaibo, Venezuela. En el primero se obtuvo como productos: un modelo geoidal para la zona, anomalías de aire libre y de Bouger, la topografía del fondo del mar y anomalías de residuales isostáticos. En el segundo se efectuó un procesamiento con data y software independientes, con la finalidad de efectuar comparaciones y estudios complementarios. Finalmente se concluye en la bondad de los resultados y la conveniencia de utilizar la técnica satelital altimétrica con fines de interpretación geofísica como método de escalonamiento.

Summary

Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA) performed in 2001-2002 an exploration project covering approximately 110000km² at the Orinoco river delta area. The study formed part of the investigation framework of the Venezuelan Atlantic Shield project. It integrates 3D seismic data, ship borne gravimetry and, in the case of Venezuela for the first time, satellite altimetry technique, for hydrocarbon prospecting purposes. In the present paper, the application of satellite altimetry as a complementary process for conventionally used exploration methods is studied for the Venezuelan case. Two independent evaluation projects have been performed, using altimetry observations from GEOSAT, ERS-1, ERS-2 and TOPEX POSEIDON satellite platforms; the first project was carried out by the British based GETECH Company and the other by the Physical and Satellite Geodesy Laboratory of the University of Zulia at Maracaibo, Venezuela. A geoid model of the region, free air and Bouguer anomaly maps, sea floor topography and isostatic residual anomalies have been developed by the first study. The second one processed data by means of independent software, for comparison purposes and complementary studies. Quality results could be achieved, proving a convenient use of the satellite altimetry technique for geophysical interpretation processes at an intermediate resolution scale level.

Resumo

Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA) executou em 2001-2002 um projeto de exploração na região do delta do río Orinoco, em uma área aproximada de 110.000 km², formando parte da Rede de Investigação associada ao Projeto Fachada Atlântica de Venezuela. O macroprojeto se compõe da integração de dados provenientes de sísmica tridimensional, gravimetría desde embarcações e a implementação, por primeira vez na Venezuela, de um estudo satelital altimétrico com propósitos de prospecção de hidrocarburos. Este trabalho explica a aplicação da técnica satelital altimétrica na Venezuela como método complementário aos convencionalmente utilizados em projetos de prospecção petroleira. Se processaram, sob dois subprojetos totalmente independentes, medições efetuadas desde as plataformas dos satélites GEOSAT, ERS-1, ERS-2 e TOPEX POSEIDON. Um dos trabalhos foi realizado pela empresa inglesa GETECH e o outro no Laboratório de Geodesia Física e Satelital da Universidade de Zulia, em Maracaibo, Venezuela. No primeiro se obteve como produtos: um modelo geoidal para a zona, anomalias de ar libre e de Bouger, a topografia do fundo do mar e anomalias de residuais isostáticos. No segundo se efetuou um processamento com data e software independentes, com a finalidade de efetuar comparações e estudos complementários. Finalmente se conclui na bondade dos resultados e a conveniência de utilizar a técnica satelital altimétrica com fins de interpretação geofísica como método de escalonamento.

PALABRAS CLAVES / Altimetría Satelital / Fachada Atlántica / Prospección Petrolera /

Recibido: 28/01/2004. Aceptado: 28/04/2004.

La Fachada Atlántica reviste una fundamental importancia para la nación venezolana, no solo desde una perspectiva económica y petrolera, sino también desde el punto de vista científico y geográfico. Dentro del proyecto exploratorio "Fachada Atlántica", 2001-2002, se realizaron estudios geológicos para la búsqueda de hidrocarburos y, además, diversas actividades junto con las universidades nacionales y la Marina Venezolana, que aportaron conocimientos de tipo satelital, biológicos, geológicos y ambientales.

El mar, bajo ciertas consideraciones tales como la eliminación de los efectos del viento, mareas y corrientes oceánicas, constituye una muy buena aproximación de una superficie equipotencial del campo gravitatorio terrestre; si se ejecutan mediciones precisas de las variaciones de la superficie del mar, se puede contar con una oportunidad valiosa para obtener las anomalías de aire libre (Fairhead et al., 2001) y por tanto proveer a los geo-científicos de una técnica para cartografiar las estructuras geológicas existentes bajo el fondo marino. A tal efecto, la altimetría satelital proporciona una herramienta valiosa que permite efectuar mediciones precisas de la superficie del mar (<10cm).

Este trabajo describe el procesamiento de mediciones altimétricas satelitales efectuadas desde las plataformas de los satélites GEOSAT, ERS (1-2) y TOPEX-POSEIDON el cual fue emprendido por Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA; Rincón et al., 2002) con la asesoría del Laboratorio de Geodesia Física y Satelital de La Universidad del Zulia (LGFS-LUZ), en Maracaibo, Venezuela (Hoyer et al., 2001). La empresa inglesa GETECH fue contratada para efectuar el procesamiento de la data satelital altimétrica para el área descrita más adelante, y posteriormente en el LGFS se efectuó un procesamiento totalmente independiente de la misma data (Hoyer et al., 2002).

El presente artículo describe los aspectos más importantes de ambos sub-proyectos, y especialmente las comparaciones con fuentes externas de dominio público. La idea es verificar si la altimetría satelital puede ser utilizada como método de escalonamiento en estudios de prospección petrolera en Venezuela, objetivo que se cumple totalmente y que dado los relativos bajos costos, al comparar este procedimiento con métodos más detallados y por lo tanto más costosos, permite recomendarlo ampliamente para la fase inicial de trabajos de exploración.

Área de Estudio

El proyecto Fachada Atlántica (PFA) comprende un área de más de 100000km² ubicada al noreste del delta del río Orinoco, en la parte sur de la isla de Trinidad. La Figura 1 muestra la superficie que en forma de banda inclinada corresponde a este proyecto. En la misma gráfica se presentan las amplias zonas marinas que cubrieron los dos sub-proyectos descritos en este artículo: En la parte oriental del país el área rectangular que abarca el sub-proyecto ejecutado en Inglaterra (GETECH), y cubriendo todas las costas venezolanas el procesamiento efectuado en el LGFS.

Procesamiento Efectuado para el PFA

El procesamiento del sub-proyecto de Altimetría Satelital fue realizado bajo contrato en Inglaterra por la Universidad de Leeds, específicamente por la empresa GETECH, adscrita a la Escuela de Ciencias de la Tierra de dicha institución. A tal efecto, se emplearon datos pertenecientes a las misiones altimétricas GEOSAT y ERS-1. En cuanto a los datos batimétricos, las fuentes utilizadas fueron el mallado digital proveniente del Centro Nacional de Datos Geofísicos de EEUU (NGDC, 1994) datos proporcionados por PDVSA de levantamientos sísmicos realizados en la zona y, por último, el modelo global de alturas GTOPO30 para lograr el cubrimiento de las zonas costeras y terrestres (GETECH, 2001).

Luego de un proceso de selección de los datos del ERS-1, éstos en conjunto con los del GEOSAT fueron verificados geográficamente y separados en 217 bandas de 15 pasos adyacentes para la edición. Con esta técnica, cada paso pudo ser contrastado con los pasos adyacentes y aquellos que poseían características diferentes pudieron ser identificados y posteriormente eliminados. Se integraron los dos conjuntos de datos, removiéndose las discrepancias en las señales de frecuencia baja en ambas fuentes, donde en una primera instancia se generaron diferencias con un RMS de ±0,78m. para las alturas de la superficie del mar (Sea Surface Heights o SSH) en los crossover. Estas marcadas diferencias pueden ser atribuibles a errores orbitales, los cuales fueron minimizados utilizando cinco parámetros de ajuste para cada paso del satélite. Una vez corregido este efecto, el RMS de la integración y/o combinación se situó en ±0,14m.

Las discrepancias aun remanentes entre los pasos y/o huellas de los satélites fueron resueltas mediante la técnica denominada ‘micro-nivelación’ (micro-levelling), que aplica un filtro de paso bajo por cada línea, y luego las mismas líneas después de aplicarle el filtro se colocan en la malla filtrada generando así una malla de residuales, la cual muestra menos efectos aparentes de los pasos de los satélites. En otras palabras esta técnica remueve las diferencias remanentes de las órbitas satelitales, obteniéndose un RMS final en el orden de ±0,02m para las SSH. En la Figura 2 se visualiza el modelo de las ondulaciones geoidales derivadas por este método para la zona.

Para efectuar la conversión de la información a valores de anomalías de Aire Libre se resta el modelo geopotencial EGM96 de las SSH; los valores que en primera aproximación pueden considerarse como ondulaciones, se convierten en anomalías residuales de gravedad, utilizando el método desarrollado por Oligati et al. (1995), el cual se apoya en la Transformada Rápida de Fourier de banda esférica de Forsberg y Sideris (1993) para reducir las asunciones de una tierra plana. Como esta transformación aumenta las frecuencias altas, se aplicó un filtro de paso bajo para prevenir que la solución estuviera dominada por las mismas, considerándolas como posible ruido en la señal.

Se restituye el efecto en anomalías gravimétricas proveniente del EGM96 para obtener el mallado final de 4x4km en toda la zona del proyecto (Figura 3). Para el cálculo de Anomalías de Bouguer se compilaron datos provenientes de distintos modelos de altura con diferente disposición geométrico-espacial. La información topográfica fue analizada, editada y convertida a un mallado (grid) de 0,04º, e integrando datos del GTOPO30 para tierra firme y zonas costeras, a fin de producir una nueva base batimétrica-topográfica.

Este mallado final fue usado para calcular los valores de Anomalías de Bouguer; las reducciones de Bouguer consideran un bloque infinito de agua con un valor de densidad de 1,03g/cc, mientras que el valor de densidad para las rocas en las zonas marinas es de 2,2g/cc y para las zonas en tierra de 2,67g/cc. Para la reducción topográfica se tomó el efecto de las variaciones batimétricas hasta una distancia de 167km del punto de observación de la gravedad. El producto así obtenido fue un mapa de anomalías de residuales isostáticos.

Procesamiento Efectuado en el LGFS

En el Laboratorio de Geodesia Física y Satelital (LGFS) se efectuó un procesamiento independiente en cuanto a datos y software, sub-proyecto que en adelante será identificado como Proyecto LGFS (P. LGFS). En el mismo, se incluyeron mediciones pertenecientes a los satélites altimétricos ERS (1 y 2) y TOPEX-POSEIDON compuestas por todos los registros existentes para el periodo comprendido entre 1992 y 2000. Los software utilizados fueron el Generic Mapping Tools (GMT; Wessel y Smith, 2000) y el Carib.bat (Velandia, 2000).

El tipo de datos utilizados fueron los CORSSH’s o alturas corregidas de la superficie del mar provenientes del Servicio de Archivo, Validación e Interpretación de Datos Oceanográficos (AVISO, 2001). Los mismos están referidos al International Terrestial Reference Frame 97 (ITRF97) y tienen como elipsoide asociado el GRS-80. Estos datos posteriormente fueron re-corregidos y ajustados mediante un análisis de puntos de cruce (Cross-Over) utilizando parámetros para la inclinación de las órbitas y el ruido (Acuña y Bosch, 2002).

Los resultados generados a partir de un primer procesamiento muestran comportamientos muy singulares en las áreas cercanas a la península de Paraguaná, al Norte del Estado Anzoátegui y en el Lago de Maracaibo. Como consecuencia, se depuraron aún más los registros altimétricos, eliminando aquellos que presentaran anomalías mayores.

Posteriormente, como productos derivados, se obtuvo un mallado de alturas medias de la superficie del mar (MSSH por sus siglas en inglés) así como también un modelo de anomalías de aire libre.

Las anomalías de aire libre se generaron mediante la implementación de la misma metodología que se utilizó en el PFA, utilizando como base el modelo de alturas medias de la superficie del mar y asumiendo su valor muy cercano al de ondulación geoidal en la zona de estudio (Acuña y Bosch, 2002). Posteriormente se sustrajo el efecto global de las anomalías de aire libre para luego, mediante la aplicación de una Transformada Rápida de Fourier (FFT por sus siglas en inglés) calcular los residuales de anomalías de aire libre. Por último, el efecto global (antes restado) vuelve a adherirse, para generar definitivamente el mallado de anomalías de aire libre. Adicionalmente se efectuaron comparaciones entre los resultados obtenidos, tanto en el PFA como en el PLGFS, con los modelos globales de anomalías de aire libre Sandwell y Smith (1997) y KMS2001 (Andersen y Knudsen, 2001) y con los modelos geoidales EGM96 (Lemoine et al., 1998) y Caribe97 (Smith y Small, 1999).

De igual forma y aprovechando que se disponía de mediciones pertenecientes a dos misiones totalmente independientes (ERS y TOPEX-POSEIDON), se efectuaron procesamientos por separado con el fin de evaluar el efecto de cada misión. En los resultados se verifica especialmente la influencia del espaciamiento en las trayectorias del TOPEX-POSEIDON en comparación con ERS (Forgione y Puente, 2002).

Análisis de los Resultados

Al comparar los resultados del PFA con el modelo global de Sandwell y Smith se obtuvieron diferencias en el orden de ±2 y de ±4mgal con el modelo KMS01. En la Figura 4 se evidencian altas discrepancias en las zonas cercanas a las costas e islas inmersas en el área de estudio. Tales discrepancias pueden ser atribuibles al decrecimiento de la calidad de la medición que ejecutan los satélites a medida que se aproximan éstas hacia la costa. Las máximas diferencias estuvieron en el orden de ±20mgal en las zonas indicadas.

De manera análoga, al efectuar comparaciones entre las anomalías de aire libre obtenidas en el PFA y en el PLGFS las diferencias oscilan en el orden de ±5mgal, presentando valores máximos y mínimos de 119,461mgal al noreste de la isla de Tobago y de -160,283mgal en una región del Mar Caribe cercana a Granada, respectivamente (ver Figura 5).

Por otro lado, se procedió a comparar el modelo geoidal generado a partir de mediciones altimétricas. Al contrastar estos valores con los modelos globales EGM96 y el Caribe97, se observan diferencias en el orden de ±0,29m y ±0,23m, respectivamente. Estos resultados permiten inferir que la calidad de los productos derivados es buena. De igual modo, la bondad de este procesamiento queda soportada al visualizar la calidad en la determinación de los residuales de las alturas de la superficie del mar (SSH) la cual se situó en el orden de ±2cm (Figura 6).

El modelo Caribe97 (estudio de carácter regional) solo pudo ser utilizado para fines de comparación en el área comprendida entre los 8 y 12ºN, y las 298 y 302ºO, debido a la carencia de datos que presenta este modelo en el resto de la zona del PFA. Un gráfico representativo de las diferencias obtenidas y descritas anteriormente puede ser visualizada en la Figura 7.

De manera similar, se efectuó la comparación de las alturas de la superficie del mar obtenidas en el LGFS con el modelo de ondulaciones geoidales generado para el PFA, asumiendo para ello el valor de alturas medias de la superficie del mar (MSSH) similar al de ondulación geoidal (N) en regiones cercanas a la costa venezolana. Para la generación de este modelo se emplearon datos provenientes de los satélites ERS (1 y 2) y TOPEX-POSEIDON.

Las diferencias obtenidas oscilan en ±22cm como promedio para el total del área en estudio, generándose discrepancias máximas de 4,43m en la zonas isleñas, respectivamente. Las mismas se consideran aceptables considerando que se asume MSSH = N solo para efectos de comparación. Éstas se representan gráficamente en la Figura 8.

Como factor en común, las diferencias máximas entre las fuentes de datos comparadas, se generan en las inmediaciones de las islas presentes en el área de estudio. De igual modo se evidencia una fuerte correlación de los resultados obtenidos en las zonas netamente compuestas por mar.

Finalmente se procede a comparar la información batimétrica generada en la zona con datos provenientes del modelo KMS2001 creado por Kort & Matrikstyrelsen (Andersen and Knudsen, 2001). Para ello se creó un mallado de 3x3' a partir de valores medios para efectuar los cálculos pertinentes, obteniéndose diferencias en profundidad por el orden de 0 a 50m para el 60% de los valores. Existen grandes diferencias entre ambas fuentes en la zona de coordenadas 9º45'N y 300º30'O, atribuibles posiblemente a la gran discrepancia presentada entre la data batimétrica suministrada por PDVSA y National Geophysical Data Center.

Interpretación de los Rasgos Geológicos Estructurales del Fondo Marino

Como producto final, se realizó una interpretación de los rasgos geológicos estructurales del fondo marino, la cual se presenta en la Figura 9. En base al mapa de anomalías gravimétricas se lograron identificar 8 zonas bien delimitadas, separadas por trazos blancos, y las cuales coinciden en buena medida con interpretaciones previas realizadas en la zona (Speed y Westbrook, 1984; Di Croce, 1996).

En la Figura 9, el área identificada con el número 1 muestra la expresión gravimétrica de fallas transformantes del océano Atlántico, la número 2 representa la formación volcánica del Demerara Plateau, la número 3 muestra la zona de transición Continente-Océano, el área 4 representa el margen pasivo, el área 5 representa el Prisma de Acreción de Barbados, el área 6 la Cuenca "Fore-arc" de Tobago, el área 7 muestra el Arco de Islas Caribeñas y el área 8 la Cuenca "Back-arc" de Grenada. También se destaca la traza superficial litosférica entre los sectores 5 y 6 y el frente de deformación de la placa de subducción atlántica con la placa del Caribe (entre sectores 1 y 5).

Conclusiones

El procesamiento de mediciones altimétricas proporciona valiosa información de las áreas marinas, las cuales generalmente son poco conocidas debido al gran número de inconvenientes y condiciones que rigen el estudio de éstas zonas del planeta.

Los productos más importantes generados en el macroproyecto Fachada Atlántica, a partir del procesamiento de mediciones satelitales altimétricas, fueron anomalías de aire libre y de Bouger, ondulaciones geoidales, topografía del fondo marino y residuales isostáticos.

Las ondulaciones geoidales resultantes del procesamiento para el Proyecto Fachada Atlántica (PFA) resultaron muy similares a las obtenidas con modelos regionales y globales. Tales diferencias estuvieron en ±0,23 para CARIBE97 y ±0,29m para el EGM96 y en ±0,22 para el procesamiento llevado a cabo en el Laboratorio de Geodesia Física y Satelital de La Universidad del Zulia (PLGFS).

Las diferencias entre los valores de anomalías de aire libre resultantes del PFA y el modelo de Sandwell y Smith estuvieron en el orden de ±2mgal, siendo éstos valores aceptables para los intereses y propósitos del estudio.

Finalmente, el empleo de la técnica satelital altimétrica con fines de interpretación geofísica cumple con las especificaciones para ser utilizada en las etapas iniciales de definición de áreas altamente prospectivas, combinando sus resultados con estudios complementarios para el óptimo aprovechamiento de dichos productos.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue el resultado de un proyecto conjunto entre el Laboratorio de Geodesia Física y Satelital de La Universidad del Zulia y Petróleos de Venezuela S.A., financiado por esta última. Parte del proyecto fue realizado por la empresa GETECH, adscrita a la Escuela de Ciencias de la Tierra de la Universidad de Leeds en Inglaterra. La parte complementaria y todos los análisis y comparaciones fueron realizados por el LGFS-LUZ con la colaboración del personal de la estatal petrolera. La organización del texto estuvo a cargo de Víctor J. Cioce.

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