Variabilidade espaço-temporal da velocidade do som e propagação de raios acústicos na Bacia de Santos a partir de resultados de modelagem hidrodinâmica

Abstract

A variabilidade espaço-temporal da velocidade do som nos oceanos, se não quantificada, pode impactar negativamente o imageamento sísmico de reservatórios de hidrocarbonetos na região pré-sal da Bacia de Santos, que possui campos ultraprofundos com extensas colunas d'água (>2000m). A principal feição dinâmica na área da Bacia é a Corrente do Brasil (CB), que flui sobre o talude continental com direção sul. A CB apresenta instabilidades baroclínicas que geram meandros e vórtices que podem destacar-se da corrente e atingir regiões profundas das bacias. Vórtices também atingem a área de estudo através do corredor de vórtices ligando a retroflexão da Corrente das Agulhas ao contorno oeste. No presente trabalho, resultados de modelagem numérica hidrodinâmica foram utilizados na caracterização da variabilidade da velocidade do som, e, em conjunto com um modelo acústico de traçado de raios, a propagação acústica na coluna d'água da região dos campos ultraprofundos foi investigada. Foram considerados resultados da reanálise global GLORYS12V1 (Mercator Ocean) e um experimento de modelagem regional baseado no ROMS-Agrif, com uma grade aninhada de alta resolução na região de estudo (1/36º). Detecção autônoma de trajetórias de vórtices mesoescala também foi realizada a partir dos dados da superfície dos modelos. Os modelos foram avaliados com dados in situ de flutuadores ARGO e de hidrografia de CTD em termos de tempos de trânsito e foram encontradas melhores comparações com o GLORYS. A variabilidade em camadas de massas d'água foi investigada com estimativas de tendências lineares, de componentes anuais, de resíduos médios e de modos de variabilidade com análise de EOFs. Os modelos indicaram tendências de aumento da velocidade do som em águas centrais e intermediárias, especialmente a partir de 2005. Resíduos das séries temporais também apresentaram valores elevados na região da Água Central do Atlântico Sul e reproduziram padrões espaciais da circulação de mesoescala. Os primeiros modos de variabilidade foram similares entre os modelos, tanto espacialmente quanto nas séries temporais que apresentaram variabilidade interanual. Anomalias negativas (positivas) de velocidade do som nas camadas centrais e intermediárias entre 150m e 1000m estão relacionadas à passagem de vórtices ciclônicos (anticiclônicos) que causam variações na série temporal de tempos de trânsito na ordem de grandeza de 0,001 s. Os vórtices identificados na região oceânica da Bacia de Santos tiveram origem na Corrente do Brasil, com diversas ocorrências de vórtices ciclônicos de Cabo Frio e Cabo de São Tomé, além de vórtices do Corredor das Agulhas. Os demais parâmetros obtidos com traçado de raios, em contrapartida, apresentaram sazonalidade bem definida relacionada ao ciclo sazonal da temperatura na superfície do oceano.

Abstract: The sound speed spatio-temporal variability in the ocean, if not taken into account, can negatively impact seismic imaging of hydrocarbon reserves in the Pre-salt region of Santos Basin, which are ultradeep fields with extensive water columns (>2000m). The main dynamic feature in the basins' area is the Brazil Current (BC), that flows in the poleward direction over the continental shelf-break. The BC baroclinic instabilities generates meanders and eddies that can detach from the current and reach deeper portions of the basins. A zonal corridor of westward propagating eddies connecting the Agulhas Current Retroflection to the western boundary also reaches the studied area. In the current work, results from hydrodynamical numerical models were used to characterize the sound speed variability and, in combination with a ray tracing acoustic model, the acoustic propagation in the ultradeep fields region was investigated. Results from the global reanalysis GLORYS12V1 (Mercator Ocean) and a regional model (ROMS-Agrif) with a nested high-resolution grid (1/36º) were analyzed. Autonomous mesoscale eddy tracking was also conducted with the models? surface data. The models? results were evaluated with in situ data from ARGO floats and ship CTD in terms of traveltimes, with the results from GLORYS providing a better comparison than the regional model. The sound speed variability on water masses layers was investigated by the estimation of linear trends, annual components, mean residues and modes of variability using EOF analysis. The models indicated positive trends in central and intermediate waters, especially after 2005. Residues from the sound speed time series also presented higher values on South Atlantic Central Waters (SACW) depths and reproduced the spatial patterns of the mesoscale circulation. The first modes of variability displayed similarities between models both spatially and temporally and indicated interannual variability. Negative (positive) sound speed anomalies in central and intermediate waters between 150m and 1000m depths are related to the occurrence of cyclonic (anticyclonic) eddies that causes variations in the traveltime temporal series on the 0,001 s order of magnitude. Eddies identified in the Santos Basin oceanic region were originated at the Brazil Current domain and the Agulhas Corridor, including several occurrences of the cyclonic Cabo Frio and Cabo São Tomé eddies. The remaining ray tracing parameters presented well defined seasonality related to the annual cycle at the surface of the ocean.