Spectral recomposition splits a seismic spectrum into Ricker components. It provides a tool for imaging and mapping temporal bed thicknesses and geologic discontinuities. I propose an application of separable, nonlinear, least-squares estimation in spectral recomposition. Employing the Gauss-Newton method, this approach estimates fundamental signal parameters such as peak frequencies and amplitudes. I applied spectral recomposition to multicomponent seismic data, which provides new perspectives of seismic attributes and multicomponent data interpretation. Correlating S-wave reflection with P -wave reflection is one of the very first steps in multicomponent data interpretation. In a given stratigraphic interval of a geologic section, registration correlates P and S-wave profiles to determine ts /tp ratios, which are equivalent to Vp /Vs ratios for vertical propagation paths. The registration process is largely driven by the availability of dipole sonic logs. However, dipole sonic logs are not as common as standard sonic logs and tend to be affected by various borehole factors. Therefore, new techniques are needed for accurate P P and P S correlation and registration. Assuming P P and P S reflection events have been correctly positioned laterally in migrated images, and the difference between P P wave image and P S wave image can be explained only by vertical transformation, I adopt a multistep approach to register PP and PS images automatically. Setting PP time as a coordinate system, I was able to squeeze P S traces accordingly while keeping the signal pattern of P S wave data. Local seismic attributes, such as the local similarity, help improve registration accuracy. / text

Amplitude variation with offset (AVO) signatures in vertically transverse isotropic (VTI) media vary as the degree of the anisotropy contrast between layers varies. When the contrasts in two parameters (δ and ε) that quantify the VTI elastic anisotropy are varied, the fraction of energy that reflects from a given layer interface as a mode converted shear wave (R[subscript PS]) also varies for specified angles of incidence. Mode-converted (PS[subscript V]) AVO crossplots may potentially be used to map stratigraphic layers exhibiting intrinsic VTI anisotropy with the moderate to high degrees of weak elastic anisotropy that are often attributed to shale formations. Calculated values of reflected, mode-converted energy as a function of angle of incidence (R[subscript PS](i)) are plotted to determine what mode-converted seismic data indicate about the degree of VTI weak elastic anisotropy present in a given layer. These computations involve varying the degree of weak elastic anisotropy, in this case contrasts in Thomsen’s δ and ε parameters, so that the relationship between these parameters and the amplitude variation with offset (AVO) signature can be quantified. Once this relationship is understood, it may be possible to delineate sweet spot areas of shale formations in seismic data according to how the representative points plot on an AVO crossplot. For such crossplots, the y-intercepts of the reflectivity curves in a particular parameterized space are plotted on the x-axis while the slopes of the parameterized reflectivity curves in this parameterized space are plotted on the y-axis. The grouping of points on the mode-converted AVO crossplots according to the contrast in Thomsen’s δ and ε parameters for weak elastic anisotropy is encouraging. This grouping implies that it may indeed be possible to use an AVO attribute map to characterize a given organic shale formation according to its degree of intrinsic VTI anisotropy. This attribute map would be calibrated to known production data in the locality in order to locate which areas of the mode-converted AVO crossplot predict a likely production sweet spot. / text

Visando estudo do método de sísmica multicomponente (3C) na investigação rasa, foram adquiridos dados em duas áreas urbanas da cidade de São Paulo, Brasil, com características geológicas diferentes: Campus da Universidade de São Paulo (USP), situado na zona oeste do município e área da estrutura de Colônia, situada na região de Parelheiros, na zona periférica do município. Na aquisição foram empregados geofones de 3 componentes com frequência natural de 10 Hz e, como fontes sísmicas, o compactador e o impacto de uma marreta. Para realizar o processamento dos dados foi utilizado o pacote Seismic Unix (CWP/SU). Foi observada uma marcada diferença nas respostas dos subsolos entre os dois sítios. Nos dados adquiridos no Campus da USP foram observadas tanto as ondas PP como as ondas convertidas (PSv), no entanto, nos dados obtidos em área de Colônia, não foi possível visualizar as ondas convertidas. A partir das secções da onda PP e da onda PS foi estimada a razão Vp/Vs assim como o coeficiente de Poisson para a área da USP. / In order to study the multicomponent seismic method (3C) to shallow investigation, two data sets were acquired in urban areas of São Paulo city, Brazil, with different geological characteristics. The area of the Campus of São Paulo University (USP) is located in the western part of the city and the area of the structure of Colônia is located in the region of Parelheiros, a peripheral zone of São Paulo. For the data acquisition, it were employed 3C-geophones of 10 Hz and, as seismic sources, hand-operated surface compactor and sledge hammer. For processing were used the Seismic Unix package (CWP / SU). It was observed a marked difference in the subsoil responses between the two sites. In the data acquired in the Campus of USP, both PP waves and converted waves (PSv) was observed; however, in the data obtainedin the Colônia area, it was not possible to visualize the converted waves. For the USP area, the Vp / Vs ratio and Poisson ratio were estimated.

Visando estudo do método de sísmica multicomponente (3C) na investigação rasa, foram adquiridos dados em duas áreas urbanas da cidade de São Paulo, Brasil, com características geológicas diferentes: Campus da Universidade de São Paulo (USP), situado na zona oeste do município e área da estrutura de Colônia, situada na região de Parelheiros, na zona periférica do município. Na aquisição foram empregados geofones de 3 componentes com frequência natural de 10 Hz e, como fontes sísmicas, o compactador e o impacto de uma marreta. Para realizar o processamento dos dados foi utilizado o pacote Seismic Unix (CWP/SU). Foi observada uma marcada diferença nas respostas dos subsolos entre os dois sítios. Nos dados adquiridos no Campus da USP foram observadas tanto as ondas PP como as ondas convertidas (PSv), no entanto, nos dados obtidos em área de Colônia, não foi possível visualizar as ondas convertidas. A partir das secções da onda PP e da onda PS foi estimada a razão Vp/Vs assim como o coeficiente de Poisson para a área da USP. / In order to study the multicomponent seismic method (3C) to shallow investigation, two data sets were acquired in urban areas of São Paulo city, Brazil, with different geological characteristics. The area of the Campus of São Paulo University (USP) is located in the western part of the city and the area of the structure of Colônia is located in the region of Parelheiros, a peripheral zone of São Paulo. For the data acquisition, it were employed 3C-geophones of 10 Hz and, as seismic sources, hand-operated surface compactor and sledge hammer. For processing were used the Seismic Unix package (CWP / SU). It was observed a marked difference in the subsoil responses between the two sites. In the data acquired in the Campus of USP, both PP waves and converted waves (PSv) was observed; however, in the data obtainedin the Colônia area, it was not possible to visualize the converted waves. For the USP area, the Vp / Vs ratio and Poisson ratio were estimated.

Neste trabalho avaliou-se a potencialidade do uso da sísmica rasa de reflexão multicomponente para investigação geológica-geotécnica. Foram abordados vários aspectos relacionados à aquisição dos dados sísmicos de reflexão multicomponente, com o objetivo de entender as vantagens e limitações do método para aplicação em investigações de subsuperfície rasa. Os ensaios de campo foram realizados em duas áreas, ambas em terrenos da Bacia Sedimentar de São Paulo, em área urbana da cidade de São Paulo. Para a interpretação dos dados sísmicos multicomponente foram investigados procedimentos para a inversão não-linear dos tempos de trânsito e das amplitudes. O testes realizados orientaram a escolha da aproximação não-hiperbólica mais apropriada para calculo dos tempos de trânsito visando à análise de velocidades do pacote acima do refletor. O estudo numérico desenvolvido para a inversão das amplitudes mostrou a viabilidade da estimativa das velocidades e densidades, acima e abaixo do refletor, empregando-se as equações de Zoeppritz para as ondas refletidas PP, PSv, SvP e SvSv, antes e depois do ângulo crítico. Dada a complexidade da inversão nao-linear das amplitudes, se fez necessário elaborar uma estratégia estocástica de otimização e desenvolver uma nova abordagem para análise da função objetivo multi-dimensional, garantindo confiabilidade ao resultado da inversão não-linear. Os resultados deste trabalho mostraram o potencial da sísmica de reflexão rasa multicomponente para caracterização geológica-geotécnica, possibilitando um melhor entendimento das camadas superficiais. / This thesis aims to evaluate the useful of the multicomponent seismic methods for shallow investigations, mainly its potential for the geotechnical and geological characterization of the nearsurface. Several aspects regarding the acquisition and processing data of multicomponent seismic data are discussed. They were based on data set acquired in the urban area of Sao Paulo city, Brazil. Two different areas were investigated. Both located in sedimentary terrains belonging to the Sao Paulo Sedimentary Basin. We present a non-linear travel time and seismic amplitude inversion scheme to quantitative interpretation of multicomponent seismic data. Several tests were performed to guide the choice of non-hyperbolic equation more suitable for travel time inversion aiming the velocity analysis above the reflector. A numerical experiment developed to solve the nonlinear inversion of seismic amplitudes showed the feasibility to estimate seismic interval velocities and layer densities above and below the reflector using the exact Zoeppritz equations for PP, PSv, SvP e SvSv reflected waves, before and after critical angle. Due to the apparent complexity of the nonlinear seismic amplitude inversion, it was necessary elaborate the strategy for stochastic optimization and develop a new approach to analyze the multi-dimensional objective function, with different implications for the accuracy and efficiency of the non-linear inversion. The study show the benefits of using the multicomponent seismic method for shallow geological-geotechnical characterization, improving the nearsurface understanding, once allows an integrated analyzes of a more complete record of the wave field.

Neste trabalho avaliou-se a potencialidade do uso da sísmica rasa de reflexão multicomponente para investigação geológica-geotécnica. Foram abordados vários aspectos relacionados à aquisição dos dados sísmicos de reflexão multicomponente, com o objetivo de entender as vantagens e limitações do método para aplicação em investigações de subsuperfície rasa. Os ensaios de campo foram realizados em duas áreas, ambas em terrenos da Bacia Sedimentar de São Paulo, em área urbana da cidade de São Paulo. Para a interpretação dos dados sísmicos multicomponente foram investigados procedimentos para a inversão não-linear dos tempos de trânsito e das amplitudes. O testes realizados orientaram a escolha da aproximação não-hiperbólica mais apropriada para calculo dos tempos de trânsito visando à análise de velocidades do pacote acima do refletor. O estudo numérico desenvolvido para a inversão das amplitudes mostrou a viabilidade da estimativa das velocidades e densidades, acima e abaixo do refletor, empregando-se as equações de Zoeppritz para as ondas refletidas PP, PSv, SvP e SvSv, antes e depois do ângulo crítico. Dada a complexidade da inversão nao-linear das amplitudes, se fez necessário elaborar uma estratégia estocástica de otimização e desenvolver uma nova abordagem para análise da função objetivo multi-dimensional, garantindo confiabilidade ao resultado da inversão não-linear. Os resultados deste trabalho mostraram o potencial da sísmica de reflexão rasa multicomponente para caracterização geológica-geotécnica, possibilitando um melhor entendimento das camadas superficiais. / This thesis aims to evaluate the useful of the multicomponent seismic methods for shallow investigations, mainly its potential for the geotechnical and geological characterization of the nearsurface. Several aspects regarding the acquisition and processing data of multicomponent seismic data are discussed. They were based on data set acquired in the urban area of Sao Paulo city, Brazil. Two different areas were investigated. Both located in sedimentary terrains belonging to the Sao Paulo Sedimentary Basin. We present a non-linear travel time and seismic amplitude inversion scheme to quantitative interpretation of multicomponent seismic data. Several tests were performed to guide the choice of non-hyperbolic equation more suitable for travel time inversion aiming the velocity analysis above the reflector. A numerical experiment developed to solve the nonlinear inversion of seismic amplitudes showed the feasibility to estimate seismic interval velocities and layer densities above and below the reflector using the exact Zoeppritz equations for PP, PSv, SvP e SvSv reflected waves, before and after critical angle. Due to the apparent complexity of the nonlinear seismic amplitude inversion, it was necessary elaborate the strategy for stochastic optimization and develop a new approach to analyze the multi-dimensional objective function, with different implications for the accuracy and efficiency of the non-linear inversion. The study show the benefits of using the multicomponent seismic method for shallow geological-geotechnical characterization, improving the nearsurface understanding, once allows an integrated analyzes of a more complete record of the wave field.