Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl

Autor: Andrea Gómez Casalta Directors: Maria Pura Alfonso Abella i Oriol Tomasa Guix Titulació: Enginyeria de Mines Escola Politècnica Superior d’Enginyeria de Manresa Manresa, 7 de Juny de 2019 ESTUDI DE DADES GEOFÍSIQUES PER A LA CARACTERITZACIÓ DEL SUBSÒL ESTUDI DE DADES GEOFÍSIQUES PER A LA CARACTERITZACIÓ DEL SUBSÒL Projecte Final de Grau d’Enginyeria de Mines AUTORA Andrea Gómez Casalta DIRECTORS María Pura Alfonso Abella1 Oriol Tomasa Guix1 TUTORA Anna Gabàs i Gasa2 1.- Escola Politècnica Superior d’Enginyeria de Manresa (EPSEM, UPC) 2.- Institut Geològic de Catalunya (ICGC, Unitat de Tècniques Geofísiques) Manresa, Juny 2019 Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. I AGRAÏMENTS AGRAÏMENTS Per la realització d’aquest treball he tingut la sort de poder comptar amb un gran nombre de persones i professionals que m’han ajudat aportant els seus coneixements i suports, les quals els ho voldria agrair. Primer de tot, a la meva directora del projecte Anna Gabàs per introduir-me en el món de la geofísica, en concret el de tomografia elèctrica (ERT) i per haver-me impartit amb paciència una bona formació. Sobretot vull agrair-li la seva implicació, confiança i les nombroses correccions amb molt detall i esforç. Per una altra banda, a Sara Figueras i a tot el Departament de Prospecció Geofísica de l’Institut Geològic i Cartogràfic de Catalunya i la seva cap Beatriz Benjumea, cap de la Unitat de Tècniques Geofísiques, per haver-me donat l’oportunitat de treballar en aquesta institució de Catalunya. També vull agrair als altres companys de la Unitat de Tècniques Geofísiques Albert, Fabián i Jose per haver compartit amb mi els seus coneixements geofísics i haver creat un entorn de treball tan agradable. A Oriol Tomasa, tutor d’aquest treball, per ajudar-me a contactar amb l’ICGC, ja que sense ell no hagués estat possible aquesta estada, per les correccions realitzades i pel seu suport en qualsevol moment. A Pura Alfonso, tutora d’aquest treball, la seva disposició i realització de les correccions, aportant altres punts de vista al treball. I per últim, donar les gràcies a la família i amics, que passi el que passi, estan sempre al meu costat. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. II RESUM RESUM L’aplicació dels mètodes geofísics ha estat de gran utilitat durant molts anys en la recerca de les característiques del subsòl, ja que ofereixen informació estructural sobre la seva composició d’una manera ràpida i no invasiva. Segons aquests antecedents, aquest treball es centra en l’aplicació i l’estudi de les tècniques geofísiques de tomografia elèctrica (Electrical Resistivity Tomography, ERT) i tomografia sísmica de refracció (Seismic Refraction Tomography, SRT) per portar a terme la caracterització del subsòl en dues zones diferenciades de Catalunya: Mencui (Pallars Sobirà) i Sallent (Bages) amb l’objectiu de resoldre la problemàtica plantejada en cadascuna d’elles. Per a caracteritzar el subsòl, aquests mètodes es basen en la presa de mesures del subsòl a diferents fondàries, resistivitat elèctrica per a la tomografia elèctrica i velocitat d’ones P per a la tomografia sísmica. Posteriorment, i després de diversos processos de tractament de les dades, el mètode d’inversió (comparació de dades observades i dades mesurades per l’obtenció d’un model final) permet aportar els models geofísics finals que desemboquen en una interpretació dels materials que formen el terreny. Normalment, les inversions que es realitzen es fan amb un sol paràmetre físic i, per tant, diem que són inversions individuals. Aquestes presenten molts errors i incerteses perquè només tenen en compte un tipus d’informació. Està clar que si el nombre de dades augmenta, i a més a més, aquestes dades aporten una informació diferent del medi, les incerteses han de reduir-se. És per aquest motiu que la geofísica tendeix, actualment, a aplicar-se amb més d’una tècnica. Per això la inversió conjunta o integració de les dades de diferents mètodes és una de les línies de treball més utilitzades. Quan s’intenten ajuntar models invertits de manera individual en una sola interpretació és complica la seva descripció perquè els models presenten discrepàncies entre si, ja que els paràmetres geofísics mesurats aporten informació diferent del comportaments del terreny. Així doncs, el procés ideal seria una inversió conjunta de les dades. Aquest tipus de programaris són difícils d’implementar ja que han de resoldre tants tipus d’equacions com mètodes geofísics s’inclouen en el procés. Una de les maneres que disposa l’ICGC per a fer aquesta inversió de varis mètodes és a través d’un programa seqüencial que inverteix primer les dades elèctriques i, partint de la geometria del model anterior, inclou les dades de la tomografia sísmica. Així s’aconsegueixen tenir en compte els dos grups de dades i reduir les contradiccions en Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. III RESUM els models finals. En aquesta línia el treball pretén verificar aquest comportament i per tant, presenta varis objectius: a. Estudiar els resultats que sorgeixen d’uns programaris d’inversió, on s’ha realitzat, analitzat i comparat els models de tomografia elèctrica i tomografia sísmica, individualment i conjuntament. Comparar els resultats i descriure les avantatges i les limitacions que s’obtenen. b. Caracteritzar el subsòl en les zones de Mencui i Sallent a partir de les dades geofísiques aplicades (tomografia elèctrica i tomografia sísmica) i obtenir una interpretació final. Per assolir els objectius especificats s’ha procedit a la següent metodologia de treball: 1. Primerament, cal introduir-se en el món dels fonaments teòrics de la resistivitat elèctrica i de la velocitat de les ones sísmiques. Per això s’ha realitzat una explicació de les lleis i els fonaments teòrics que regeixen les dues tècniques. 2. Seguidament, en l’apartat de metodologia s’exposa l’explicació d’adquisició, processat i tractament de les dades de camp. Aquest apartat s’explica amb detall el processos que porten a terme els programaris d’inversió individuals (‘Red2dinv’ (ERT) i ‘Rayfract’ (SRT)) i conjunt: (‘ZondRes2d’(ERT+SRT)) per a l’obtenció dels models geofísics del terreny. 3. La tercera i última part del treball es basa en l’aplicació d’aquesta metodologia (comparació entre inversió individual i conjunta) a les zones d’estudi proposades per l’ICGC: Sallent i Mencui. Els resultats seran analitzats geològicament utilitzant informació addicional (sondeigs, estudis geomecànics, estudis hidrogeològics...etc). i. Mencui: On el propòsit és la localització de basament rocós. El resultat indica que no es va detectar cap roca el suficientment compacta i sana que pugui resoldre el problema d’inestabilitat del terreny per les tècniques preventives proposades inicialment. ii. Sallent: On es realitza l’estudi geofísic per a caracteritzar una zona afectada per subsidències, on es creu que la localització de la calcària fracturada pot ser un bon indicador de la presència de les cavitats relacionades amb les subsidències. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. IV ABSTRACT ABSTRACT The application of geophysical methods has been very useful for many years for subsoil characterisation, as these offer structural information about their composition in a fast and non-invasive way. According to this background, this work focuses on the application and study of the next geophysical techniques: electrical tomography (ERT) and seismic refraction tomography (SRT) to carry out the characterization of the subsoil in two different areas of Catalonia: Mencui (Pallars Sobirà) and Sallent (Bages), in order to solve the problems raised in each one of them. These methods are based on the measurement of physical parmeters in subsoil at different depths, electric resistivity for electrical tomography and W-wave velocity for seismic tomography. Subsequently, after data processing, the investment method, by comparison of observed data and measured data, allows the final geophysical models to lead to an interpretation of the materials from the study area. Usually, the investments are carried out with only one physical parameter and, therefore, we say that they are individual investments. Results present many mistakes and uncertainties because these methods only take into account one parameter. It is clear that if the number of data increases, and also, these data provide complementary information from the environment, the uncertainties will be reduced. It is for this reason that, at present, geophysical methods tend to be applied with more than one technique. Then, the integrated investment of the data obtained by different methods is highly used. When trying to join models individually invested in a single interpretation, their description is complicated because the models have discrepancies between themselves, since the measured geophysical parameters provide information different from the behavior of the terrain. Therefore, the ideal process would be an integrated investment of the data. These types of software are difficult to implement since they have to solve an equation for each geophysical method included in the process. The ICGC make this investment of several methods through a sequential program that first invests electrical data and, based on the geometry of the model, includes the data of seismic tomography. In this way, both data sets can be considered, reducing the contradictions in the final models. Thus, the present work tries to verify this behavior and therefore, it has several objectives: Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. V ABSTRACT a. To study the results from the investment software, where the electrical tomography and seismic tomography models have been analyzed individually and jointly with the corresponding comparison. b. To characterize the subsoil of the two zones (Mencui and Sallent) using the applied geophysical data (electrical tomography and seismic tomography) and to obtain a final interpretation. To achieve the objectives, the following work methodology has been carried out: 1. First of all, it is necessary a brief introduction on the theoretical foundations of electrical resistivity and the speed of seismic waves. 2. Next, the explanation of the acquisition, processing and treatment of the field data is explained. The processes that carry out the individual investment programs ('Red2dinv' (ERT) and 'Rayfract' (SRT)) and set: ('ZondRes2d' (ERT + SRT)) for the obtaining of the geophysical models of the terrain are explained in detail. 3. The last part of the work is based on the application of this methodology (comparison between individual and integrated investment) in the areas of study proposed by the ICGC. The results are geologically analyzed using additional information (surveys, geomechanical studies, hydrogeological studies... ). i. Mencui: Where the purpose is the location of the rocky basement. Results indicate that no rock was detected sufficiently compact and healthy that could solve the problem of instability of the terrain for the initially proposed preventive techniques. ii. Sallent: Where the geophysical study is carried out to characterize an area affected by subsidence. It is believed that the location of fractured limestone may be a good indicator of the presence of cavities related to subsidence. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. ÍNDEX ÍNDEX AGRAÏMENTS ............................................................................................................... I RESUM......................................................................................................................... II ABSTRACT ................................................................................................................. IV 1. INTRODUCCIÓ ..................................................................................................... 1 2. OBJECTIU ............................................................................................................ 3 3. MÈTODES GEOFÍSICS ......................................................................................... 5 3.1 MÈTODE ELÈCTRIC ........................................................................... 6 3.1.1 RESISTIVITAT ELÈCTRICA ................................................................ 6 3.1.2 TOMOGRAFIA ELÈCTRICA (ERT) .................................................... 12 3.2 MÉTODE SÍSMIC ............................................................................. 17 3.2.1 ONES SÍSMIQUES ................................................................................. 17 3.2.2 TOMOGRAFIA DE REFRACCIÓ (SRT) ............................................. 20 3.3 APLICACIONS ................................................................................... 22 4. METODOLOGIA .................................................................................................. 24 4.1 ADQUISICIÓ DE DADES .................................................................. 25 4.1.1 DADES ELÈCTRIQUES (ERT) .......................................................... 25 4.1.2 DADES SÍSMIQUES (SRT) ............................................................... 28 4.2 PROCESSAT I TRACTAMENT DE DADES ...................................... 30 4.2.1 DADES ELÈCTRIQUES INDIVIDUALS (ERT): RES2DINV ............... 32 4.2.2 DADES SÍSMIQUES INDIVIDUALS(SRT): RAYFRACT .................... 38 4.2.3 DADES ELÈCTRIQUES I SISMIQUES CONJUNTES (ERT+SRT) .... 43 5. ZONES D’ESTUDI ............................................................................................... 48 5.1 MENCUI ............................................................................................ 48 5.1.1 INTRODUCCIÓ .................................................................................. 48 5.1.2 SITUACIÓ GEOGRÀFICA ................................................................. 50 5.1.3 CONTEXT GEOLÒGIC ...................................................................... 52 5.1.4 ADQUISICIO DADES DE CAMP ........................................................ 53 5.1.4.1 DADES ELÈCTRIQUES (ERT) ...................................................... 54 5.1.4.2 DADES SÍSMIQUES (SRT) ............................................................ 55 5.1.5 RESULTATS I INTERPRETACIÓ ...................................................... 56 Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. ÍNDEX 5.1.5.1 MODELS ELÈCTRIC I SÍSMIC INDIVIDUALS ............................... 57 5.1.5.2 MODEL ELÈCTRIC I SÍSMIC CONJUNT (ERT+SRT) ................... 59 5.2 SALLENT ........................................................................................... 63 5.2.1 INTRODUCCIÓ .................................................................................. 63 5.2.2 SITUACIÓ GEOGRÀFICA ................................................................. 63 5.2.3 CONTEXT GEOLÒGIC ...................................................................... 67 5.2.4 ADQUISICIO I PROCESSAT ............................................................. 69 5.2.4.1 DADES ELÈCTRIQUES (ERT) ...................................................... 69 5.2.4.2 DADES SÍSMIQUES (SRT) ............................................................ 69 5.2.5 RESULTATS I INTERPRETACIÓ ...................................................... 70 5.2.5.1 MODELS ELÈCTRIC I SÍSMIC INDIVIDUALS ............................... 72 5.2.5.2 MODEL ELÈCTRIC I SÍSMIC CONJUNT (ERT+SRT) ................... 74 6. CONCLUSIONS .................................................................................................. 77 7. APRENENTATGE PERSONAL .......................................................................... 80 BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 81 ANNEX. TAULA COMPARATIVA .............................................................................. 85 Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 7 METODES GEOFÍSICS On K és el factor geomètric que representa l’efecte de les distàncies interelectròdiques en funció del dispositius de mesura implementat en el camp, amb les dimensions de longitud, R és la magnitud de la resistència elèctrica , ΔV es el potencial dels elèctrodes i I es la corrent dels elèctrodes. En el cas concret que el dispositiu estigui format per dos elèctrodes d’injecció de corrent i per dos elèctrodes de mesura de potencial col·locats de manera alineada (perfil), el paràmetre K es representa amb la següent expressió l’expressió 2 (Loke, 2010): 𝐾=2π( 1 AM−1 BM−1 AN+1 BN )−1 (2) On: A i B : són els elèctrodes de corrent (I) M i N : són els elèctrodes de potencial (V) Aquesta constant geomètrica K depèn de: La variació de corrent del medi (Figura 1): a) b) c) Figura 1. Distribució de les línies de corrent en funció de la resistivitat del subsòl a) Capes homogènies d’ igual resistivitat elèctrica b) Medi amb dues capes, la superior de menys resistivitat que la inferior c) Medi de dues capes, la superior de més resistivitat que la inferior (Burger,1992). ρ2=ρ1 ρ2>ρ1 ρ2<ρ1 ρ1 ρ1 ρ1 ρ2 ρ2 ρ2 Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 8 METODES GEOFÍSICS La separació dels elèctrodes (Figura 2): Per tant, el valor de la resistivitat aparent en un medi no homogeni serà funció de totes les resistivitats presents i de les distàncies inter-electròdiques, de manera que el valor només coincidirà amb la resistivitat elèctrica del medi en el cas particular d’un medi homogeni. Aquesta relació de resistivitats és una relació bastant complexa que solucionem com s’ha comentat anteriorment amb un procés iteratiu anomenat inversió (Loke, 2010). El paràmetre de la resistivitat elèctrica és un valor que varia en funció del tipus de terreny i es veu afectat per diferents factors, alguns d’ells es descriuen a continuació: Saturació de l’aigua al terreny La resistivitat elèctrica augmenta a mesura que disminueix el volum de fluids continguts en els porus del material que forma el terreny. El mateix passa amb el petroli, gas o aigua salada. Per exemple, quan el petroli i/o el gas, que són dues substancies no conductores, són desplaçades degut a que l’aigua s’infiltra, disminueix la seva resistivitat elèctrica en la formació (fluid conductor) (Kennedy, 2007). En el cas que, a més a més, el desplaçament sigui produït per una entrada d’aigua salada, la resistivitat de la formació disminuirà encara més, ja que l’aigua salada és més conductora que la dolça. a) b) c) Figura 2. Model estratificat de dues capes homogènies on es pot observar el canvi de la resistivitat aparent, 𝝆𝒂, segons la configuració dels elèctrodes. a) 𝝆𝒂= 𝝆𝟏 el flux elèctric es concentra en la capa superior, per la petita separació entre els elèctrodes. b) i c) si la distancia entre els elèctrodes augmenta la densitat de corrent augmenta i s’introdueix en la segona capa fent que el valor de la resistivitat aparent s’aproximi més a 𝝆𝟐(Burger,1992). Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 9 METODES GEOFÍSICS Aquest percentatge de saturació en aigua (Sw) pot determinar-se a partir de l'índex de resistivitat (IR) mitjançant l'equació de saturació de Archie (equació 3) (Kennedy, 2007): (𝑆𝑤)𝑛=1 𝐼𝑅 (3) 𝑂𝑛: 𝑆𝑤=√𝑅𝑜 𝑅𝑡 𝑛 𝑖 𝐼𝑅= 𝑅𝑡 𝑅𝑜 S'assumeix que l'exponent de saturació, n, és igual a 2, llevat que es tingui informació més específica de les propietats físiques del terreny. Tipus de roca La resistivitat elèctrica és un dels paràmetres físics més variables, es veu altament afectat pel tipus de litologia. Els carbonats tenen valors de resistivitat més alts que les roques detrítiques, a causa de la geometria dels porus i a la composició de la roca. Per altra banda, els grans massissos cimentats que formen les roques tenen una resistivitat molt elevada; això provoca que, alguns fragments es comportin de forma més o menys conductora a causa de l’existència de minerals conductors (grafit, hematites, metalls, sulfurs...), els quals afecten la resistivitat global de la roca, com és el cas de la calcopirita, pirrotina o galena. En la següent figura (Figura 3) es poden observar els valors d’algunes resistivitats de les roques i minerals (Orellana, 1982) : 𝑆𝑤 = Saturació en aigua. 𝐼𝑅 =Índex de resistivitat. 𝑅𝑡 = Resistivitat de la formació. 𝑅𝑜 = Resistivitat de l’aigua saturada en sediments. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 10 METODES GEOFÍSICS Porositat Definim la porositat efectiva com la mesura del volum d’espais buits (porus) en la roca que tenen la capacitat d’emmagatzemar fluids en qualsevol estat. S’expressa en percentatge de volum de porus respecte al volum total de la roca (Taula 1). El flux de corrent elèctric en les roques està associat amb els fluids continguts dins dels porus, ja que gairebé totes les aigües presents tenen continguts de clorur de sodi en solució i altres sals; és a dir, el corrent el transporten els ions de sal dissolta en l'aigua i, per tant, la resistivitat és proporcional a la concentració de la sal en l'aigua. Per altra banda, la porositat efectiva present en una roca depèn de la compactació i la cimentació de les partícules. Per tant, la distribució, forma, mida i connectivitat dels porus, influeix en les mesures de resistivitat, ja que un augment en la porositat efectiva implica un major recorregut per on el corrent elèctric pot fluir interrompudament (disminució de la resistivitat). De la relació entre resistivitat i porositat efectiva, se’n diu tortuositat (Serra i Serra, 2004). Resistius Mitjos Conductius Figura 3. Valors de la resistivitat elèctrica d’algunes roques i minerals (modificat d’Orellana, 1982). Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 11 METODES GEOFÍSICS Taula 1. Relació porositat –material (Serra i Serra, 2004). MATERIAL POROSITAT INTERGRANULAR Argiles 20-50% Sorra 25-60% Sorra fina 30-60% Sorra de platja 80-85% Gres 20-35% Calcària 1.5-20% Dolomies 3-20% Graves 20-40% Temperatura Un altre aspecte a tenir en compte és la temperatura del fluid dels porus, ja que un augment de la temperatura provoca una major velocitat en el moviment dels ions, fet que es tradueix en un augment de la conductivitat, és a dir, una disminució de la resistivitat elèctrica (Chelotti et al., 2010). Topografia del terreny La topografia, és un aspecte molt important que afecta a les línies de corrent i a les superfícies equipotencials i que es té en compte alhora de processar les dades de camp mesurades i donar el resultat final dels models del terreny. Al produir-se una elevació del terreny com es pot observar en la Figura 4, les línies de corrent divergeixen fent que la diferència de potencial disminueixi respecte als mesurats en una topografia plana, en cas contrari, quan hi ha una disminució de la cota d’elevació, les línies de corren convergeixen (s’ajunten entre elles) produint un augment del potencial elèctric que es mesura (Gabàs,2003). Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 12 METODES GEOFÍSICS 3.1.2 TOMOGRAFIA ELÈCTRICA (ERT) Actualment, la tècnica de prospecció elèctrica en corrent continu més utilitzada és la tomografia elèctrica (ERT en 2D o 3D) (Revol, 2012) on el resultat que s’obté és una imatge bidimensional o tridimensional que aporta informació molt rellevant de les variacions laterals i verticals de la resistivitat elèctrica associada amb la litologia del subsòl i, per tant, permet la identificació dels diferents materials i estructura dels subsòl. En el cas dels models 2D, l’obtenció d’aquestes variacions consisteix en traslladar el dispositiu electròdic al llarg d’una línia recta en superfície i anar augmentant la distància entre els parells d’elèctrodes del dispositiu. Quan la distància entre els elèctrodes augmenta, també ho fa la seva profunditat d’investigació. Ara bé, cal destacar que la geofísica presenta una limitació important en la profunditat d’investigació: a més fondària d’investigació menys resolució del mètode geofísic, amb Figura 4. Efecte de la topografia sobre les línies de corrent i les superfícies equipotencials (Gabàs, A., 2003). a) Efecte sobre les línies de corrent en presència d’una elevació del terreny. b) Efecte quan es produeix un descens del terreny (vall). Superficies equipotencials Superficies Línies de corrent Zones de dispersió de les línies de corrent Línies de corrent Superficies Superficies equipotencials Zones de dispersió de les línies de corrent a) b) Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 13 METODES GEOFÍSICS la qual cosa augmenta la incertesa i, per tant l’error associat a les mesures més profundes. Profunditat d’investigació La ‘Ze’ es defineix com el valor de la profunditat en el qual el tram de subsòl comprès entre la superfície i aquesta profunditat té la mateixa influència en el potencial mesurat (i per tant en la resistivitat). Aquest valor ‘Ze’, ens indica aproximadament la profunditat fins a la qual podem observar sense incertesa el subsòl amb un determinat dispositiu geoelèctric. En la Taula 2 s’observa com va canviant la profunditat d’investigació en la configuració dipol-dipol segons com ha anat variant la distància entre els elèctrodes: Taula 2. Determinació de la profunditat d’ investigació, Ze(m), en funció de la longitud total del dispositiu, L(m), o de els metres de separació entre els elèctrodes, a i n , pel dispositiu electròdic Dipol-Dipol (Loke,2004). Tipus de configuració n Ze/a Ze/L Dipol-Dipol 1 0.416 0.139 2 0.697 0.174 3 0.962 0.192 4 1.220 0.203 5 1.476 0.211 6 1.730 0.216 La problemàtica d’aquesta configuració és que a mesura que anem augmentat la distància entre els dipols es produeix una perduda important del senyal elèctric injectat. Per aquesta raó es busquen maneres de compensar-ho. En aquest cas, la limitació se soluciona augmentant el valor de la separació entre els elèctrodes ‘a’. Configuracions electròdiques Per a realitzar un estudi de camp podem realitzar diferents configuracions segons el tipus d'estructura, forma, dimensions, profunditat, sensibilitat de l'aparell i nivell de soroll de fons de la zona d'estudi. Algunes de les configuracions més utilitzades es descriuen en aquest apartat: Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 14 METODES GEOFÍSICS 1. Wenner-Schlumberger: Es tracta d'una composició simètrica dels elèctrodes AMNB disposats en línia, on la distància dels elèctrodes detectors MN, ”a”, és molt menor que la dels injectors AB (Figura 5). Pel que fa a la resistivitat aparent en aquesta configuració, el valor es calcularà utilitzant la fórmula de l’equació 4.: 2. Wenner : En aquest dispositiu els elèctrodes AMNB són equidistants entre sí, a una distància fixa “a” (Figura 6). La resistivitat aparent en aquesta configuració es calcularà per la fórmula de l’equació 5. I V Figura 5. Esquema de la configuració electròdica del dispositiu Wenner-Schlumberger. (4) (5) Figura 6. Esquema de la configuració electròdica del dispositiu Wenner. I V 6 Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 15 METODES GEOFÍSICS 3. Pol-dipol: En aquest dispositiu un elèctrode de corrent (B) es porta a una gran distància (teòricament a l'infinit) dels altres tres (AMN), aconseguint així augmentar la seva profunditat d’investigació. El problema, però, és que el corrent injectat des de l’infinit haurà de ser molt més elevat ( Figura 7). La resistivitat aparent en aquesta configuració es calcularà per la següent fórmula de l’equació 6: 4. Dipol-Dipol: En aquest dispositiu els elèctrodes es disposen sobre una línia en l'ordre ABMN formant així un doble dipol (Figura 8). La resistivitat aparent en aquesta configuració (Figura 8) es calcularà per la següent per la fórmula de l’equació 7. Figura 7. Esquema de la configuració electròdica del dispositiu Pol-dipol. I B Figura 8. Esquema de la configuració electròdica del dispositiu dipol-dipol. I V (7) (6) Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 16 METODES GEOFÍSICS En aquest treball s’ha utilitzat la configuració Dipol-Dipol per ser la més encertada en els terrenys estudiats, encara que també s’han analitzat models amb la configuració Wenner-Schlumberger. A la Taula 3 es resumeixen les principals característiques dels anteriors dispositius de tomografia elèctrica. Es valoren aspectes fonamentals de la prospecció elèctrica com la profunditat d’investigació, l’amplitud del senyal en funció de l’espaiat entre els elèctrodes de corrent i de potencial (n), i la sensibilitat del dispositiu, que valora el grau en el que un canvi en la resistivitat del subsòl provoca una variació del potencial mesurat entre els elèctrodes de mesura.(Ward,1990). Taula 3. Comparació entre els dispositius lineals més utilitzats. La numeració correspon a una valoració entre 1-4. 1: més favorable i 4: més desfavorable (modificat de Ward, 1990). Dispositiu Profunditat d’investigació Amplitud senyal/n Sensibilitat a canvis de resistivitat Vertical Lateral Wenner 2 1 1 4 Wenner-Schlumberger 3 2 1 3 Dipol-dipol 4 4 2 1 Pol-dipol 1 3 2 2 Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 23 METODES GEOFÍSICS Finalment, cal destacar que ambdues tècniques utilitzades en el treball, dins de l’àmbit de l'exploració minera s’utilitzen per a la recerca de les potències dels diferents materials (minerals) i, també, per a la investigació petrolífera. Aquesta darrera però, es produeix a elevades profunditats i per tant caldrien uns dispositius adequats adaptats a la fondària d’investigació de l’objectiu. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 24 METODOLOGIA 4. METODOLOGIA La tomografia elèctrica i la tomografia sísmica son dues tècniques molt utilitzades per caracteritzar el terreny definint la distribució lateral i vertical dels materials en el subsòl i la seva estructura. En aquest apartat s’establiran i es descriuran els passos realitzats per l’obtenció dels models geomètrics finals de resistivitat i velocitat. Els models a través del tractament de les dades pel procés d’inversió. Aquests models posteriorment seran analitzat i interpretats geològicament amb l’ajuda dels sondatges segons la zona estudiada. En l’esquema de la Figura 14 es pot observar la seqüència dels passos establerts. 3.INTERPRETACIÓ ERT 3.INTERPRETACIÓ ERT+SRT 3.INTERPRETACIÓ SRT MODEL FINAL DE RESISTIVITATS MODEL FINAL DE VELOCITATS MODELS FINAL DE RESISTIVITATS + VELOCITATS 2.PROCESSAT ERT 2.PROCESSAT ERT+SRT 2.PROCESSAT SRT Res2dinv: Programari d’inversió individual ZondRes2d: Programari d’inversió conjunta Rayfract: Programari d’inversió individual 1.ADQUISICIÓ ERT 1.ADQUISICIÓ SRT Syscal: Aparell camp PSEUDOSECCIÓ INICIAL DMT: Aparell de camp DROMOCRONA Figura 14. Metodologia establerta en el treball per a l’obtenció i l’ anàlisi dels models finals. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 25 METODOLOGIA 4.1 ADQUISICIÓ DE DADES Amb l’ajut de la instrumentació adequada s’adquiriran unes dades de mesura, en aquest cas corresponents el paràmetre físics de resistivitats i velocitats, que ens facilitaran l’obtenció de: • La pseudocceció inicial per a la tomografia elèctrica (ERT). • La domocrona amb els tirs per a la tomografia sísmica (SRT). 4.1.1 DADES ELÈCTRIQUES (ERT) Instrumentació • Resistivímetre (SYSCAL): És el que s’encarrega d’executar automàticament tota la seqüència de mesures configurades prèviament a través de la interfície de l’instrument amb el programari d’ordinador ‘ElectroPro’, així com de verificar que totes les connexions estiguin bé i emmagatzemar digitalment totes les dades obtingudes • Elèctrodes: 72 barres d’acer inoxidable d’uns 20 cm que es claven en el terreny i estan separades el metres que establim. El nombre i la separació entre elles variarà en funció de l’objectiu a estudiar i la profunditat d’investigació que es vol aconseguir. • Cable elèctric multicanal: És el cable que conté el nombre de connexions adequades als elèctrodes. Aquest cable multicanal es troba connectat al resistivímetre que controla la seqüència de prendre les dades. Format per 4 bobines de cable elèctric amb 18 connexions cadascuna i amb una separació de 5 m com a màxim de les connexions. • Connectors: Petits cables de coure amb pinces en els extrems. Aquets s'encarreguen de connectar els elèctrodes al cable multicanal. • Ordinador portàtil: Amb el programa d'adquisició instal·lat es procedeix a determinar i exportar les variables de treball les quals són: tipus de dispositiu electrònic, nombre d'elèctrodes, espaiat entre ells, nombre de nivells de profunditat, nombre de mesures a realitzar, etc. En acabar l'adquisició de dades, s'importen, processen, visualitzen i interpreten els resultats amb el programaris específics d'inversió 2D. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 26 METODOLOGIA • Una bateria o font d’energia: És la font d'alimentació de tot el sistema. Bateria de 12V que anirà connectada directament al resistivímetre, el qual permet un control automàtic de la injecció. A partir de la disposició d’aquests instruments sobre la superfície es realitzarà el procés d’adquisició de les dades de camp en forma de perfil per a fer un estudi 2D o en forma de quadrícula per a fer un estudi 3D (Figura 15). Procés 1. Els elèctrodes de A i B injecten corrent al medi i els elèctrodes M i N mesuren la diferència de potencial elèctric. 2. La dada mesurada es col·loca al mig de la màxima separació entre els elèctrodes utilitzant línies a 45º. Una separació més gran entre ells provocarà que el corrent elèctric arribi a més profunditat, encara que també amb una senyal més dèbil. 3. Obtenció de la pseudosecció inicial: La col·locació de les mesures en l’espai tal com s’ha indicat en l’anterior punt, aporta una imatge 2D de la resistivitat aparent del subsòl, la qual es calcula a partir de la diferència de potencial i la intensitat elèctrica. La pseudosecció que s’obté no mostra una imatge final de la resistivitat elèctrica del subsòl, tan sols és una resposta del terreny a un estímul elèctric concret. Per tant, s’ha de recórrer a uns programaris d’inversió de les dades per a trobar aquells models que s’ajustin a les dades mesurades al camp. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 27 METODOLOGIA c) Elèctrodes Connectors Cable multicanal Resistivímetre Bateria Figura 15. a) Equip de camp Syscal per l’adquisició de les dades de resistivitat (ICGC.GA-0017/18). b) Diagrama d’un dispositiu de tomografia elèctrica per a una configuració dipol-dipol i representació de les línies de corrent i de potencial del subsòl c) Construcció d’una pseudosecció 2D per a un dispositiu dipoldipol de 15 elèctrodes (Gabàs,2003). a) b) Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 28 METODOLOGIA 4.1.2 DADES SÍSMIQUES (SRT) Instrumentació • Geòfon: Sensors col·locats en línia recta sobre la superfície del terreny a intervals de distàncies conegudes i fixes que registren la component vertical del subsòl (ones P). A les posicions d’ambdós extrems d’aquesta línia i també al llarg del perfil es realitzarien els tirs amb una font. o Nombre de geòfons: Normalment es treballa amb un mínim de 12 geòfons, a major nombre de receptors, major profunditat d’investigació i major resolució. o Distància entre geòfons: Definirà la resolució lateral i vertical de les dades obtingudes. Per millorar aquesta resolució del dispositiu, l’espai entre geòfons ha de ser el més petit possible. • Cable trigger: Té per objectiu registrar al moment d’inici de l’adquisició. L’instant zero de referència per a mesurar el temps de recorregut de les ones que es representa a través del traçat d’una dromocrona. • Font d’energia i tipus de mesura: En aquest cas s’ha utilitzat un mall de 5 ó 8 kg amb el que es dona un cop sobre la placa metàl·lica situada sobre la superfície del terreny. Si es vol obtenir una millor relació senyal/soroll, es poden utilitzar explosius o una font sísmica hidràulica més potent. • Nombre de tirs i distribució al llarg del perfil: En tomografia sísmica, el nombre mínim són 7; un a cada extrem, un central i la resta simètrics a banda i banda del punt central del perfil. Aquest factor limita l’estudi de gruixos i velocitats en la vertical immediatament per sota dels tirs. Com més detall requereixi l’estudi, més tirs s’ha d’efectuar. • Equip addicional: Bateries, cintes mètriques, ordinador portàtil. A partir de la disposició d’aquests instruments sobre la superfície es realitzarà el procés d’adquisició de les dades de camp (Figura 16). Procés 1. Impacte que es propagarà com una ona elàstica diferenciant les diferents capes del subsòl. 2. Reflexió i transmissió d’energia en la capa del terreny. 3. Canvi de direcció degut a la propagació de les ones a causa de la refracció on tindrem en compte l’angle crític explicat anteriorment. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 29 METODOLOGIA 4. Obtenció de la domocrona: Registre del conjunt de temps d’arribada d’ones directes i refractades. Aquesta dromocrona és la mesura perfecta per poder aplicar posteriorment un programa d’inversió que aporti el model final del terreny. Figura.16 a) Equip de camp per l’adquisició de les dades d’ones sísmiques.(ICGC.GA0017/189) b) Diagrama de l’adquisició de dades de la tomografia sísmica d’un perfil mitjançant l’equip DMT especificat c) Domocrona obtinguda al camp pel raig directe, reflectit i refractat representades sobre un registre sísmic. a) b) c) Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 30 METODOLOGIA 4.2 PROCESSAT I TRACTAMENT DE DADES El processat es basa en l’execució dels diferents programes per l’obtenció dels models finals de les dues tècniques, ERT i SRT a partir de les dades adquirides anteriorment al camp (resistivitat aparent i velocitat ones P). De tal forma que aquestes dades seran tractades pels diferents programaris, realitzant el procés d’inversió tant individualment com conjuntament. Abans de tot, per poder entendre bé el processat de les dades cal destacar que la resolució de qualsevol problema geofísic es pot dividir en dues parts: 1. Problema directe: Obtenció de les mesures teòriques del terreny a partir d’un model de resistivitats elèctriques. Les mesures es calculen amb la resolució matemàtica d’unes determinades equacions físiques. En la part de tomografia elèctrica s’obtindrà la distribució de potencials i corrents en el medi a partir d’un model de resistivitats i en tomografia sísmica els temps de viatge entre fontreceptors i les trajectòries de raigs a partir d’un model de velocitats. 2. Problema invers: Obtenció d’un model ‘real’ del terreny amb les dades mesurades en el camp tenint en compte que aquest procés no té solució única i ens basem en el mínim RMS. En aquest treball s’ha aplicat el procés d’inversió (problema invers) a les dades de camp adquirides a les zones de Mencui i Sallent. Aquest procés és molt important en el camp de la prospecció geofísica i s’aplica a la gran majoria de mètodes per poder modelitzar el subsòl. Concretament les dades adquirides de camp s’han tractat de manera individual i conjunta (seqüencial) per tal de comparar els resultats i observar quin dels procediments aporta un coneixement més adient i acurat de la realitat per a solucionar els problemes de les zones estudiades. A continuació es descriu amb més detall el procediment o metodologia utilitzada: Model + Relacions físiques i matemàtiques Dades del terreny Dades del terreny + Relacions físiques i matemàtiques Model Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 31 METODOLOGIA 1) Per una part i com es pot observar en la Figura 17 s’han analitzat les dades adquirides per tomografia elèctrica (ERT) i sísmica (SRT) individualment amb diferents programaris. Aquesta metodologia implica en primer lloc processar les dades d’ERT aplicant el procés iteratiu de la inversió amb el programa ’Res2dinv’. Posteriorment, es realitza el mateix procediment amb les dades de SRT. Les velocitats de les ones P són les dades mesurades d’entrada del programa d’inversió ‘Rayfract’. El resultat dels dos processos individuals serà l’obtenció de dos models independents (el model elèctric no té en compte les dades mesurades de la sísmica, ni al inrevés) que s’hauran de correlacionar i comparar entre ells, per a extreure una interpretació conjunta la qual sigui també adequada amb la geologia de la zona. 2) Per una altra banda, els programes han anat avançant i s’han publicat en el mercat nous programes que tenen en compte diferents paràmetres geofísics. Els diferents paràmetres es comparen entre ells i es tracten conjuntament d’una manera seqüencial. El programa ‘ZondRes2d’ és que s’utilitza en aquest treball. Com s’observa en la Figura 17, primer es du a terme la inversió de les dades d’ERT. Seguidament, en el mateix programa, tenint en compte el model elèctric obtingut, es produeix la inversió de les dades de sísmica i s’obté un model final de SRT que ha tingut en compte la geometria del model elèctric, és a dir, la distribució de les capes o dels cossos conductius i resistius. Figura 17. Esquema del procés individual que es produeix amb les dades d’ERT i de SRT. iterem iterem Load tomografia elèctrica MODEL ERT ‘Res2dinv’ Load tomografia sísmica MODEL SRT ‘Rayfract’ MODELS ERT+SRT Visió expert Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 32 METODOLOGIA 4.2.1 DADES ELÈCTRIQUES INDIVIDUALS (ERT): RES2DINV Pel que fa a la inversió en la part de la tomografia elèctrica amb el’ Res2dinv’ partirem de la pseudosecció geomètrica inicial de les dades de la resistivitat elèctrica mesurades al camp. El programa d’inversió, després de concretar una sèrie de paràmetres, mitjançant un procés iteratiu mostrarà un model final que representarà la distribució de resistivitats al subsòl. Aquest model s'haurà d'interpretar geològicament més tard amb l’ajuda d’informació geològica d’experts o de testificacions de sondeigs. Aquest mètode d’inversió es basa en el criteri dels mínims quadrats seguint la fórmula exposada a l’equació 10. (𝐽𝑇𝐽+𝑢𝐹)d=𝐽𝑇𝑔 (10) On: 𝐹=𝑓𝑥𝑓𝑥𝑇+𝑓𝑦𝑓𝑦𝑇 𝑓𝑥 i 𝑓𝑦 : filtres de suavitzat J: matriu jacobiana de derivades parcials U: damping factor d: vector de la pertorbació dels paràmetres del model Inversió amb n iteracions Load tomografia elèctrica MODEL ERT ‘ZondRes2d’ Load tomografia sísmica MODELS SRT que té en compte el MODEL ERT Inversió amb n iteracions Figura 18. Esquema de la inversió seqüencial que realitza el programa ZondRes2d amb les dades d’ERT i de SRT. MODELS ERT+SRT Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 39 METODOLOGIA El processat sísmic s’ha realitzat mitjançant una combinació de dos programaris: ‘Promax (Landmark)’ pel reconeixement del temps d’arribada de les ones elàstiques i ‘Rayfract’ per a la creació del model inicial de velocitat i la realització del procés d’inversió. Els següents passos que se segueixen són: 1. Identificació de les primeres arribades (Picking) en un fitxer que es representa en forma de gràfic, dromocrona (representació del temps d’arribada per a cada geòfon del perfil). 2. Importar al programa ‘Rayfract’ les dades de tipus ASCII de les primeres arribades que s’han obtingut en el ‘Promax’. Depenent del tipus de dispositiu d’adquisició que s’hagi utilitzat a l’hora de realitzar els tirs s’haurà d’anar modificant el nombre de geòfons i la seva disposició respecte al lloc on es produeix el tir. 3. El software ‘Rayfract’ farà un Picking automàtic dels temps d’arribada per a cada tir realitzat i per cada un dels receptors. Aquests temps d’arribada són els que seran analitzats i, en el cas de ser incoherents a causa de factors externs com el vent, soroll acústic o altres, seran modificats o eliminats (Figura 23). 4. Una vegada realitzat el Picking s’obtindrà un gràfic amb els temps d’arribada d’ones directes i refractades critiques respecte la posició de l’estació receptora (Figura 24). Figura 23. Exemple de dos tirs fets a Sallent on es marca la presència de soroll coherent de gran amplitud (fletxes vermelles a la imatge que interfereix amb les primeres arribades a). Després del filtre, aquestes primeres arribades es poden observar de manera més neta (el·lipse blava en la imatge b)). Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 40 METODOLOGIA Figura 26.Imatge extreta del programaria ‘Rayfract’ amb el nombre de pics i el temps de cadascun. Figura 25. Imatge extreta del programari ‘Rayfract’ on es poden veure les posicions relatives entre la font i el geòfon. Figura 24. Imatge extreta del programari ‘Rayfract ‘ amb la introducció dels paràmetres de sísmica. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 41 METODOLOGIA 5. Determinar el model inicial de velocitats amb dos mètodes diferents: Delta-t-V o Smooth gradient i escollir el que aporta millor resultat. Per aquest treball s’ha triat el Delta-t-V (Figura 27). 6. Finalment, amb el WET es calcula els temps d’arribada de les ones elàstiques del model inicial i es compara amb el temps real obtingut de les dades de camp. Amb aquesta diferència podrem establir les variacions del model de velocitat necessàries per minimitzar-les i repetir el procés fins que la diferència entre temps teòric i obtingut sigui mínima. L’extensió de sortida del model.GRD, es visualitzarà amb el programari ‘Surfer.’ Finalment, si és necessari, al model final se l’hi haurà d’introduir la topografia del terreny (Figura 28). a) b) Figura 28.Imatge extreta del programaria ‘Surfer’ a)mode final Smooth gradient b)model final delta-t-V a) b) Figura 27.Imatge extreta del programaria ‘Surfer’ a)mode inicial Smooth gradient b) model inicial delta-t-V Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 42 METODOLOGIA DIAGRAMA DE FLUX DEL PROGRAMARI RAYFRACT PER A LA INVERSIÓ INDIVIDUAL En la present Figura 29 s’especifiquen els passos a seguir per l’obtenció del model individual final SRT i el seu corresponent RMS utilitzant el programari d’inversió ‘Rayfract’. Figura 29.Diagrama de flux ‘Rayfract ‘ (Rohdewald, S., et al., 2010) Crea una nova base de dades del perfil Informació d’entrada (identificador de línia, identificador de treball, instrument, espaiat d'estació (m)) Actualitza la informació de la geometria (informació de posició de tir i receptor) Importa dades (Pistes d'inici de ASCII primer o registres de tir) Executar inversió Smooth invers | WET amb 1Dgradient inicial del model resultat en Surfer Edició i configuració de els paràmetres WET i 1Dgradient MODEL SÍSMIC FINAL AMB RMS Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 43 METODOLOGIA 4.2.3 DADES ELÈCTRIQUES I SISMIQUES CONJUNTES (ERT+SRT) En aquest treball s’estudiarà i s’aprofundirà amb més deteniment el programari del conjunt ERT +SRT ‘ZondRes2d’ (tractament de dades seqüencialment) com ja s’ha explicat en anterioritat (Figura 17). La solució es pot obtenir amb diferents d’algorismes d’inversió que són: Smooth, Occam, Marquad i Focused. Tots ells han estat testejats amb les dades del treball i els quals es descriuen breument, a continuació: a) El mètode d’Smoothness constrained. És el millor mètode quan hi ha canvis de resistivitat elèctrica graduals del terreny, sense variacions brusques, ja que el resultat és un model suavitzat que difumina les fronteres o contactes entre les capes. b) El mètode d’Occam. Aporta també un model suavitzat que es basa en reduir la variació vertical de la resistivitat elèctrica aplicant una major discretització de les capes. De manera que en aquest mètode es tindrà en compte el nombre de capes, la profunditat y la suavitat del model final. c) El mètode Marquad (Focused). Aquest mètode aporta models molt robusts on es veuen més els contrasts entre les resistivitats, per tant, es poden observar millor les formes del cossos. Aquest mètode es basa en una interpolació de l’algoritme de Gauss-Newton i del gradient. El programa ‘ZondRes2d’ actua igual que els altres programes d’inversió aplicant un procés iteratiu amb el criteri de mínims quadrats. Un cop obtingut el model d’elèctrica s’introdueixen les dades sísmiques amb els tirs obtinguts al camp. El resultat és un model de velocitats d’ones P en funció de la profunditat que representa el medi i el qual té en compte les fronteres entre capes dels diferents materials del subsòl determinades en el model elèctric. Es pot dir que la geometria del model elèctric és una restricció imposada en la inversió de les dades sísmiques. Aquesta informació entra com a dada inicial juntament amb les dades mesurades de la sísmica, però no és fixa de manera que el model pot anar evolucionant i canviant per trobar un error mínim. Per realitzar el procés d’inversió seqüencial de la tomografia elèctrica i la sísmica s’han seguit les etapes següents: Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 44 METODOLOGIA Figura 30. Document.dat que ensenya el format de les dades on figura el nombre d’elèctrodes, la separació entre ells i la resistivitat obtinguda. Separació Log Resistivitat aparent/ Resistivitat aparent Profunditat/Separació 1. Utilització del programari ‘Prosys II’ utilitzat anteriorment en el processat individual ERT per transferir, editar, netejar, processar i exportar a un document les dades de camp mesurades que hem obtingut en la superfície de camp a traves del resistivímetre (SYSCAL). En un arxiu (.dat) on figura (Figura 30): a. Nombre d’elèctrodes. b. Separació entre elèctrodes (metres). c. Resistivitat aparent mesurada (escala normal i logarítmica)(Ohm·m). 2. Realització del procés d’inversió d’ERT en el programari ‘ZondRes2d’ on establirem els següents paràmetres: mètode inversió, nombre elements de la malla, iteracions i topografia. 3. Obtenció d’un model de resistivitat elèctrica on figurarà en metres la profunditat Figura 31. a) i b) Pseudosecció mesurada i calculada i c) Model de la tomografia elèctrica resultant de la inversió pel programari de ‘ZondRes2d’. a) PSEUDOSECCIÓ 1: Resistivitat b) PSEUDOSECCIÓ 2: Resistivitat c) Model final resultat de la inversió Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 45 METODOLOGIA en l’eix d’ordenades i la longitud el perfil en l’eix de d’abscisses(Figura 31). 4. Com aquest programa és seqüencial seguidament s’introdueixen les dades de camp de la tomografia sísmica amb els tirs realitzats al camp a través d’un arxiu ascii de text (txt.) i es farà una inversió conjunta de les dues tècniques basant-se amb la geometria del model elèctric trobat anteriorment (Figura 32). a. Posició de la font (sx) (metres). b. Posició del receptor (rx). c. Temps de les primeres arribades (ft) (segons). 5. Introducció de la distància de tir inicial amb el primer elèctrode i, introducció del pes per a cada tipus de dada. De manera que establirem els valors de 0.5,1 i 2. Quan el valor sigui 0.5 el pes de les dades d’elèctrica serà superior al de les dades de sísmica, i quan sigui 2 el pes de la part sísmica serà superior a l’elèctrica. Aquest paràmetre permet exercir un control sobre les dades quan alguna d’elles presenta un error elevat respecte de l’altra. Un pes més elevat s’haurà d’aplicar sobre aquella que presenti un error més baix. 6. Introducció del nombre d’iteracions i càlcul del model sísmic a través del procés d’inversió conjunta. El model sísmic (SRT) presenta en el eix d’ordenades la profunditat i en l’eix d’abscisses la longitud del perfil (Figura 33). Figura 32. Document.txt on figura la posició de la font sísmica, la poció del geòfons i el temps d’arribada. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 46 METODOLOGIA Exemple de l’obtenció de dos models d’inversió conjunta, seqüencial (Figura 34). Figura 34.Models conjunts de tomografia sísmica (SRT) i tomografia elèctrica (ERT) realitzats amb el programari de ‘ZondRes2d’. SRT ERT Figura 33. a) Domocrona dels tirs realitzats amb b) Model de tomografia sísmica resultant de la inversió pel programari de ‘ZondRes2d’. a) b) + Inversió SRT + Model ERT Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 47 METODOLOGIA DIAGRAMA DE FLUX DEL PROGRAM D’INVERSIÓ CONJUNT ZONDRES2D En la present Figura 35 s’especifiquen els passos a seguir per l’obtenció dels models conjunts final SRT i ERT amb el seu corresponent RMS utilitzant el programari d’inversió ‘ZondRes2d’ Inserta coordenades topogràfiques en un.txt (si fa falta) + Obrim fitxer. DAT amb la geometria i la resistivitat aparent del subsòl Introducció dels paràmetres MODEL ERT Geometria capes resistivitat Inserta fitxer.txt amb la posició, temps dels tirs Mètode d’inversió Nombre iteracions MODELS CONJUNT ERT+SRT AMB RMS Mètode d’inversió Nombre iteracions + INVERSIÓ INVERSIÓ ERT SRT Figura 35.Diagrama de flux ‘ZondRes2d’. MODEL SRT que té en compte el MODEL ERT (Definició del Pes) Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 48 ZONES D’ESTUDI 5. ZONES D’ESTUDI 5.1 MENCUI 5.1.1 INTRODUCCIÓ L’any 2018 la Unitat de Tècniques Geofísiques de l’ICC va portar a terme un estudi geofísic amb l’objectiu de determinar la profunditat del massís rocós i l’anàlisi de les filtracions d’aigua en el terreny al nucli de Mencui (Soriguera; Pallars Sobirà) per tal d’ajudar a determinar l’origen de l’esllavissada esdevinguda i analitzar les possibles accions posteriors a dur a terme. En aquest treball es va caracteritzar el subsòl amb la tècnica de la tomografia elèctrica (ERT) i la tomografia sísmica (SRT). La població de Mencui és una zona amb un vessant important que presenta una topografia bastant disconforme on durant anys s’han produït diferents inestabilitats en el terreny. Per tal de solucionar-les, s’han anat realitzant diferents mesures de millora de l’estabilitat del terreny. A l’estiu del 2018 es van produir esquerdes importants afectant la zona urbana i els habitatges de la zona. En aquest context, els moviments de vessant es poden entendre com reajustaments del terreny per aconseguir l’equilibri davant d'un canvi de condicions (González de Vallejo, 2002). Aquestes vessants estan afectades per processos erosius (geodinàmics i/o climàtics) on el seu relleu tendeix a modificar-se implicant l'arrossegament d'algun tipus de material com roques, sediments, i moviments a causa de l'acció de la gravetat. Els factors que afecten a l’estabilitat del terreny segons la classificació de Ferrer (1988) es poden classificar en: Factors interns: Condicionats per lliscament, els mecanismes i els models de trencament considerant les característiques: • Del material, incloent paràmetres com: o La litologia o Textura del material o Paràmetres estructurals relatius a plans de debilitat. o Consolidació i gruix dels materials • Pròpies del vessant, incloent paràmetres com: o El relleu Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 55 ZONES D’ESTUDI 5.1.4.2 DADES SÍSMIQUES (SRT) La tomografia sísmica (SRT) s’ha portat a terme amb l’equip i els paràmetres especificats a la Taula 9 i la Taula 10. Paràmetres Longitud de registre (s) 1.024 Interval de mostreig (ms) 0.125 Distància entre geòfons (m) 3 Nombre geòfons 48 Longitud perfil (m) 142 Sistema d’adquisició Summit XOne DMT amb 48 digitalitzadors i un data logger. Geòfons (P) 48-Mark, Inc. 4.5 Hz freqüència natural, component vertical (P). Font d’energia Mall 5 Kg i placa. Dispositiu trigger Piezoelèctric al mall. Equip addicional Cintes mètriques, cable trigger (connexió data logger amb piezoelèctric) i bateries. Taula 10.Resum de la instrumentació sísmica dels perfils de Mencui. Taula 9. Paràmetres de la geometria d’adquisició per la tomografia sísmica de refracció de Mencui. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 56 ZONES D’ESTUDI 5.1.5 RESULTATS I INTERPRETACIÓ Seguint la metodologia explicada anteriorment desprès d’adquirir les dades de camp i una vegada realitzat el processat obtindrem uns models per a les dues tècniques, ERT i SRT. Per poder interpretar geològicament els models es tindrà en compte la informació addicional dels sondeigs S1, S2, S3, S5 (Figura 41) i l’observació de les surgències d’aigua assenyalades anteriorment (Figura 39). Figura 41. Testificació geològica dels sondeigs S1, S2, S3 i S5, que es farà servir per a interpretar els models geofísics.(ICGC.AP-0063/18) Fil·lites i calcàries alterades i molt fracturades Graves i gravetes Graves i gravetes amb matriu argilo-sorrenca Fragments cantelluts amb sorra i argila Gresos fragmentats Graves i gravetes Argiles i sorres amb graves de pissarra Argiles Argiles sorrenques, graves i roques fragmentades Graves i gravetes Argiles i sorres amb graves de pissarra Gresos fragmentats 4.8 0 0.8 10.6 13.6 0 1.1 0 4.2 0 1.7 7.7 8.7 14 0 3 12.2 15 S5 S1 S2 S3 Z(m) Z(m) Z(m) Z(m) Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 57 ZONES D’ESTUDI 5.1.5.1 MODELS ELÈCTRIC I SÍSMIC INDIVIDUALS Model elèctric (ERT) : RED2DINV El model obtingut amb la tomografia elèctrica es mostra en la Figura 42 i permet diferenciar litologies en funció dels valors del paràmetre físic de la resistivitat elèctrica, així com detectar canvis en les propietats dels materials a causa de la presència de fluids en els porus. Fent una anàlisi general podem observar bastant alternança de materials conductors i resistius, on es pot distingir clarament una zona SO amb molta heterogeneïtat en comparació a una zona NE més estratificada. Observant la part més superficial (R1) els valor de resistivitat varien entre 100 i >3000 Ohm·m amb un gruix entre 3-5 m. Cal remarcar que els valors de resistivitat obtinguts en la part inicial del perfil (zona SO) poden estar afectats per la proximitat del perfil al talús i també per la presència de rebliments antròpics. Sota el nivell (R1), aventurantse en la part més homogènia situada en la zona NE podem observar un nivell conductiu (C1) que varia entre 10 i 300 Ohm·m amb un gruix d’uns 2 m. A partir d’aquest nivell podem observar un segon nivell resistiu (R2) amb un ampli rang de resistivitat variant entre 10 i >3000 Ohm·m amb un gruix de 3-5 m. Finalment, en la Figura 42. Model individual ERT establert per el programari RES2DINV al perfil de l’esllavissada a Mencui Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 58 ZONES D’ESTUDI part més profunda del model amb una potència de 10 m es troba una zona amb una variació de valors de resistivitat entre 10 Ohm·m (C) fins 1500 Ohm·m (R3). El model mostra un comportament diferenciat entre els dos extrems. En la zona NE s’obtenen materials més estratificats i les capes es diferencien amb facilitat, mentre que en la zona SO del perfil, el model presenta valors més extrems de resistivitat elèctrica (màxim de conductiu i màxim de resistiu) i algunes de les capes situades entremig desapareixen. Model sísmic (SRT): RAYFRACT El model de velocitat d’ones P obtingut en la Figura 43 permet determinar la distribució de les propietats mecàniques dels materials en funció dels valors de velocitat de les ones P. Figura 43. Model individual SRT establert per el programari RAYFRACT al perfil de l’esllavissada a Mencui Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 59 ZONES D’ESTUDI A la Figura 43 s’observa un paquet superficial de materials a baixa velocitat VP<1000 m/s (capa 1) que s’estén fins als 5-10 m de fondària. Aprofundint en l’anomenada capa 2 amb una profunditat de 10-15 m la velocitat és inferior a 1500 m/s. Aquesta velocitat normalment és associada a materials sedimentaris no consolidats (Taula 4). A mesura que es descendeix en el model es mostra com la velocitat augmenta progressivament fins a assolir valors de 2000-2500 m/s en la capa 3. Observant els dos extrems de la zona: En la banda SO, el valor màxim de velocitat d’ones P és de 2000 m/s, en canvi a la zona NE, aquest valor de 2000 m/s s’assoleix a una cota més elevada indicant un canvi lateral en les propietats dels materials. El valor màxim de velocitats adquirit en aquesta zona NE arriba fins als 2500 m/s. Observant aquests dos models individuals exposats anteriorment, cal fer notar que el model elèctric ERT es molt heterogeni on es mostra quatre capes bastant forçades, mentre que el model sísmic SRT presenta un model de tres capes més estratificat. Açò es un problema a l’hora d’interpretar conjuntament i relacionar la litologia d’ambdues metodologies. Per solucionar aquestes incerteses es realitzarà a continuació la inversió conjunta 5.1.5.2 MODEL ELÈCTRIC I SÍSMIC CONJUNT (ERT+SRT) Per tal de d’aconseguir models finals més propers a la realitat amb menys incertesa en la seva interpretació es realitzarà la inversió conjunta (seqüencial) de les dades. Seguint la metodologia explicada en apartat anterior, s’obtenen els models de la figura 44. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 60 ZONES D’ESTUDI A la Figura 45 es pot veure el model conjunt de tomografia elèctrica i tomografia sísmica realitzats en el programari ‘ZondRes2d’. En ambdós models es poden identificar tres nivells, aquests s’estableixen primer en el model elèctric (Figura 44b) i posteriorment es traslladen al model sísmic (Figura 44a). El primer nivell és el més superficial amb una potència d’entre 8-10 m amb velocitats Vp <800 m/s i resistivitats (R1) més altes entre 100-6000 Ohm·m. Per sota d’aquesta capa, apareix el nivell 2 (de 10 m de fondària) que presenta una velocitat que oscil·la entre 100<Vp<800 m/s. En aquest nivell la resistivitat varia mostrant una alternança de materials conductors (C), < 100 Ohm·m en la part SO més propera al nucli de Mencui, i materials resistius (R2) entre 300-600 Ohm·m en la part NE. Finalment, en el nivell 3 més profund (20 m de de fondària) en la zona SO es tenen velocitats en un rang entre 1000<Vp<2000 m/s, on el 2000 m/s se situen en una cota de 35 m de fondària amb els materials resistius (R3) de 200 -1500 Ohm·m i, en canvi, en la zona NE del perfil es tenen velocitats de 1000<Vp<2500 m/s, on el 2000 m/s se situen a una cota més superficial, de 15 m de fondària, i coincideix amb els materials conductius (C) de <100 Ohm·m. Aquesta diferència en el comportament elèctric està lligada a la presència de les surgències d’aigua que circulen per aquesta capa i modifiquen el valor de la resistivitat disminuintla de manera significativa. a) b) Figura 44. Models d’inversió conjunta. a) Model sísmic SRT realitzat a partir del model elèctric ERT, mostrat a la b). SO NE Distancia(m) Elevació(m) SO NE Distancia(m) Elevació(m) Nivell 1 Nivell 2 Nivell 3 Nivell 1 Nivell 3 Nivell 2 R2 R3 R1 C C Model ERT amb RMS 3% Model SRT amb RMS 3.2% Zm Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 61 ZONES D’ESTUDI Interpretació geològica Com ja s’ha explicat anteriorment els resultats finals interpretats individualment presenten certes diferències (Taula 11) que fan complexa la interpretació conjunta dels dos models, de manera que la realització dels models conjunts serà clau per fer una interpretació amb menys grau d’incerteses. D’aquesta forma amb l’ajuda dels sondeigs adjuntats en el models segons la disposició geomètrica de la resistivitat elèctrica () i la velocitat (Vp) de la Figura 44 i sabent el context geològic en que es troba la zona podem classificar els paràmetres físics resultants geològicament: Primerament, en la part més superficial i heterogènia del model situat el nivell 1 (8-10 m de fondària) es detecten baixes velocitats i altes resistències que es poden associar a materials granulars classificats com rebliments, graves i gravetes amb una matriu argilo-sorrenca poc consolidats sense presència d’aigua. Per sota d’aquest, s’estableixen dos nivells (nivell 2 i nivell 3) amb un gran rang de variació entre resistivitats i velocitats. Al nivell 2 (10 m de fondària) s’observa un augment de velocitats respecte a l’anterior (nivell 1). Aquest es caracteritza per materials més resistius (R2) més compactats corresponents a graves i sorres situats en la zona NE i materials conductius (C) amb baixa resistivitat relacionats amb la presència d’aigua que circula per aquesta capa permeable distribuït en la resta del nivell. Finalment, l’anomenat nivell 3, situat a partir dels 20 m de fondària, es classificarà com un nivell bastant heterogeni de grava amb fragments de fil·lites i gresos poc compactats. Això és coherent ja que la zona més resistiva (R3) es podria relacionar com a roca sana però per el tipus de materials (gresos) presenta valors de velocitats baixos que arriben fins 2500 m/s mentre que les roques sense cap alteració solen tenir valors de velocitats entre 3000-6000 m/s (Figura 4), constatant aquest fet observant la Figura 5, la velocitat de 2500 m/s també ens indicarà que es tracta d’una roca sana no ripable. Una altra evidència que podria provocar la fragmentació d’aquests gresos és la presència de circulació de flux localitzada en les zones conductives (C) a la zona NE. Aquesta zona destacable del nivell 3 se situa a una cota de 35 m de fondària a la banda SO però a una cota més superficial, 15 m, en la part NE. Això fa evident la variació lateral dels materials en l’àrea d’estudi, sent els materials més heterogenis en la part del nucli de la població de Mencui, SO. De manera coherent, es pot descriure una roca poc compactada en aquesta part SO i a mesura que ens desplacem a la zona NE aquest paràmetre va augmentant. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 62 ZONES D’ESTUDI També cal destacar que la roca en la part SO es troba a 35 m de manera que això dificulta el plantejament de les solucions per estabilitzar els sediments en moviment MODELS Litologia VP (m/s) 𝛒 (Ohm·m ) Nivell 1 : graves i gravetes amb sorra i argila VP < 800 100<ρ<6000 Nivell 2 ( Heterogènia): Graves i sorra (NE) amb presència d’aigua (nivell freàtic al sondeig S2) (SO) 100 < VP < 800 10<ρ<600 SO NE ρ<100 300<ρ <600 Nivell 3 (roca poc compactada): Grava, Fil·lites i calcaries alterades (SO) i flux aigua (NE) 1000 < VP < 2500 10<ρ<1500 SO NE SO NE 1000 < VP < 2000 a 35 m de fondària 1000 < VP < 2500 a 15 m de fondària 200<ρ <1500 ρ<100 Taula 11. Taula resum relacionant velocitats i resistències dels models conjunts amb la litologia de la zona Mencui. RMS= 3.2% RMS= 3% Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 63 ZONES D’ESTUDI 5.2 SALLENT 5.2.1 INTRODUCCIÓ Des de l’any 1997 l’ICGC ha anat desenvolupant diverses campanyes geofísiques de camp per a caracteritzar el terreny del barri de l’estació de Sallent. Aquesta zona situada a la conca de l’Ebre es veu afectada per la presència d’aigües subterrànies causant de la dissolució dels materials evaporítics presents. Aquesta dissolució ha donat lloc a la inestabilitat del terreny en la població de Sallent produint subsidències i col·lapses al subsòl. Al novembre de l’any 2017, l’ICGC va realitzar una nova campanya geofísica al barri de l’Estació de Sallent a través de perfils de ERT i SRT El mètode de la tomografia elèctrica serveix per a caracteritzar els materials evaporítics mitjançant l’aplicació d’injecció de corrent continu que determinen la resistivitat elèctrica del subsòl a partir d’un conjunt de mesures en la superfície. Per altra banda, la tomografia sísmica de refracció detecta els llocs de possible subsidència o col·lapse gràcies a relacionar la velocitat amb la compactació dels materials. La resposta d’aquest aspecte es mostra com anomalies locals o laterals en les velocitats de les ones de cisalla o bé en les ones P en el subsòl (Sheehan et al. 2005). En el cas d’aquest estudi es farà servir només les ones P. Aquests dos mètodes geofísics superficials d’estudi tenen con objectiu la determinació de la geometria i composició del diferents materials amb l’ajuda dels sondeigs per tal d’observar els indicis de les cavitats del subsòl, a partir del les quals valorarem: • El procés d’esfondrament del terreny. • Previsió de l’evolució de la subsidència en el barri. 5.2.2 SITUACIÓ GEOGRÀFICA Aquest estudi es realitza al barri de l’Estació, dins el municipi de Sallent, a la comarca del Bages (Figures 45 i 46). Durant la campanya de camp de l’any 2017 es van realitzar tres perfils: Gaudi, Jardinets i Tarragona, però per qüestió de resultats i optimització en aquest treball s’ha escollit un sol perfil (Gaudí).). Aquests perfils es poden localitzar ela Taula 14 amb les seves coordenades UTM 31N. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 64 ZONES D’ESTUDI Figura 45. Mapa topogràfic 1:50000 de l’àrea d’estudi del barri de l’Estació a Sallent. Zona d’estudi Figura 46. Mapa topogràfic 1:5000 de l’àrea d’estudi (barri de l’Estació de Sallent) amb localització dels perfils sísmics (línies vermelles discontinues, campanya 2017), elèctrics (línies blaves continues, campanya 2017) i sondeigs (cercles amb punt). Perfil Gaudí Perfil Tarragona Perfil Jardinets Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 71 ZONES D’ESTUDI baixa plasticitat amb una densitat seca de 1.23 a 1.9 g/cm3, valor de Nspt de 9-11, mòdul de Poisson de 0.3 i elàstics de 10-12 MPa. o Unitat de limolites i gresos vermells (Elg): Aquesta unitat està constituïda per alternança de nivells mètrics a decamètrics de limolites vermelles (meteoritzades en superfície) i nivells de gresos amb menys d’1 m de potència. Puntualment, apareix algun nivell de microconglomerats. Per assaigs en laboratori, es troba una variació de la densitat seca de 2.45 a 2.69 g/cm3, del mòdul de Young de 101 a 4026 MPa i RQD de 50-55. o Unitat mètrica de calcàries (ECC) que es troba alternada amb la unitat de limolites i gresos vermells (Elg) Densitat: 2.62 g/cm3. Mòdul de Young 1724 a 3247 MPa (laboratori). RQD 65-70 • Sondeigs que tindrem en compte per la posterior anàlisi geològica ( Figura 51). Abans d’analitzar els models geofísics, interpretant aquests sondeigs amb la descripció litològica donada (AP-134/09) de la zona d’estudi es volen destacar les següents característiques: o L’alt grau d’heterogeneïtat en els materials del subsòl que es traduirà en la presència de diverses anomalies i una alta variabilitat espacial en els models de velocitat i de resistivitat elèctrica. o La presència de surgències salines i l’existència de flux d’aigua subterrània a partir de la Falla del Guix i/o de calcàries parcialment tectonitzades. On segons la bibliografia de la zona, l’aqüífer terciari presenta un grau de salinitat elevat, generalment amb conductivitats superiors als 100000 S/cm i altes concentracions de Na+, K+ i Cl-. Aquests valors, a més a més, augmenten amb la profunditat (Ribera et al; 2009). Graves i argiles Calcàries Gres Limonita amb intercalacions de guix Figura 50. Relació geològica dels sondeigs SR-19, SR-16, SR-15, SR-18, SR-17. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 72 ZONES D’ESTUDI 5.2.5.1 MODELS ELÈCTRIC I SÍSMIC INDIVIDUALS Model elèctric (ERT) : RED2DINV El model obtingut amb la tomografia elèctrica (Figura 51)permet diferenciar litologies en funció dels valors del paràmetre físic de la resistivitat elèctrica, així com detectar la possible zona de fracturació causa de la circulació dels fluids. Observant el model de la Figura 51 es pot observar una primera capa superficial (capa 1) amb un gruix variable entre 10 i 15 m. La capa es mostra homogènia i resistiva a la part E dels perfil amb valors entre 60 i >2000 Ohm·m. En la part O però, apareixen petites zones conductives de 10-30 Ohm·m. Sota aqueta primera capa es pot diferenciar clarament la capa 2, amb una fondària des dels 15 m fins als 35 m. La zona presenta heterogeneïtats conductives amb valors de resistivitat de 3 Ohm·m. La matriu de la zona presenta valors de resistivitat de fins 300 Ohm·m. A uns 35 m de fondària i fins el final del model es troba un material més resistiu. El mètode elèctric ha perdut part de la seva resolució a aquesta fondària, per aquest motiu, cal prendre amb certa prudència aquest darrer resultat i interpretar aquesta zona amb l’ajuda dels sondeigs donats (SR17 i SR-18-projectat). Finalment, la forma del model elèctric fa pensar en una possible presència de sistema de falles paral·leles entre elles, en la zona centreoest del perfil. Figura 51. Model individual ERT establert per el programari RES2DINV al perfil de Gaudí (Sallent, 2017). CAPA 1 CAPA 2 CAPA 3 Possible zona de fracturació Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 73 ZONES D’ESTUDI Model sísmic(SRT): RAYFRACT El model de velocitat d’ones P obtingut (Figura 52) permet diferenciar les propietats mecàniques dels materials en funció dels valors de velocitat de les ones P. A la figura 52 s’observa un paquet superficial de materials de baixa velocitat 500< Vp<2000 m/s (capa 1) que s’estén fins als 15 m de fondària. Per sota d’aquesta, la capa 2 es localitza entre els 15 m i els 35-45 m de fondària i s’estén en un rang de velocitats (Vp) entre 200-3500 m/s. En aquesta capa s’observa un aprimament destacable amb un esglaó entre 60-100 m de distància horitzontal del perfil, de manera que en la part O la capa 2 arriba a 45 m de fondària, mentre que en la part E del model s’arriba fins els 35 m. Finalment, la capa 3 arriba fins els 55 m de fondària amb les velocitats més altes >3500 m/s indicant un material molt compactat i competent. Observant les Figures 51 i 52 podem destacar la dificultat de correlacionar els dos models invertits de manera individual sobretot per la forma del contacte entre els materials. Com s’observa en les dues imatges aquestes formes són molt diferents i no es poden superposar. Aquesta discrepància és deguda a que en realitat cada tècnica o paràmetre mesura característiques del medi diferents i a vegades és complex entendre i interpretar aquesta resposta CAPA 1 CAPA 2 CAPA 3 CAPA 3 Figura 52. Model individual SRT establert per el programari RAYFRACT al perfil de Gaudí (Sallent, 2017). Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 74 ZONES D’ESTUDI 5.2.5.2 MODEL ELÈCTRIC I SÍSMIC CONJUNT (ERT+SRT) A la Figura 53 es pot observar el model conjunt de tomografia sísmica i tomografia elèctrica realitzats en el programari ‘ZondRes2d’. En aquesta imatge es mostra una major similitud geomètrica de les capes o dels contactes entre els materials. A nivell superficial se situa el nivell 1 (15 m fondària) heterogeni caracteritzat per resistivitats variants entre un rang de 10 i >3000 Ohm·m. En aquest nivell cal destacar que la zona est es caracteritza per materials resistius i la zona oest per conductius. Respecte les velocitats varien entre 500-2000 m/s on les velocitats més altes (dintre d’aquest rang) es trobaran més superficials a mesura que ens desplacem cap l’oest. Aquest fet podria donar-se pel grau de compactació o porositat dels materials en aquesta zona. Sota aquest nivell, es detecta un nivell 2 amb la fondària de 15 m fins 35 m, on es veu una zona bastant homogènia amb alternança de materials conductius i resistius amb resistivitats variants de 5-300 Ohm·m on s’estableix un rang de 2000-3500m/s. Finalment, s’observa el nivell 3 a una fondària de 35 a 40 m. Aquest nivell es caracteritza per resistivitats (>700 Ohm·m) i velocitats (>3000m/s). En ambdós casos, els sondeigs de la zona es correlacionen molt bé amb els models obtinguts i les fronteres entre els nivells tant d’elèctrica com de sísmica presenten les mateixes geometries. Aquest era l’objectiu principal de la inversió conjunta, reduir les incerteses entre els models invertits de manera individual i aconseguir un model final més acord amb els dos paràmetres. Aquest fet s’aconsegueix de manera exitosa en el cas d’aquest perfil de Sallent. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 75 ZONES D’ESTUDI Interpretació geològica Els resultats finals interpretats individualment presenten certes diferències (Taula 17) que fan complexa la interpretació conjunta dels dos models, de manera que la realització dels models conjunts serà clau per reduir el grau d’incerteses en la interpretació. Amb l’ajuda dels sondeigs adjuntats en la Figura 50 en el model conjunt ERT i SRT de la Figura 53 podem classificar els paràmetres físics resultants geològicament en aquests tres nivells: • Primerament, en el nivell 1 més superficial i a una fondària de 15 m se situen materials com sorra, graves i argiles, que tenen coherència amb les baixes velocitats detectades i l’ampli rang de resistivitat. En aquest nivell coherent amb els sondeigs podem classificar els materials més resistents com a: o Graves i sorres amb alt grau de compactació: Localitzats en la part superficial de tots els sondeigs o Fragments de gres: Localitzat en el sondeig SR-15 on entre els 10 i els 20 metres trobem una de les zones amb més resistivitats que coincideix amb Gres. Per altra banda les zones conductives estaran formades per materials argilosos, sense la presència de fluids. Nivell 1 Nivell 2 Nivell 3 Nivell 1 Nivell 2 Nivell 3 Figura 53. Model conjunt SRT+ERT establert pel programari ZONDRES2D al perfil de Gaudí (Sallent, 2017). Possible zona de fracturació O E Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 76 ZONES D’ESTUDI • El nivell 2 situat a una cota entre 15 i 35 m de fondària mostra un terreny bastant homogeni amb valors de resistivitat bastant baixes on les velocitats van en augment a mesura que es desplacen cap l’interior del subsòl. Aquestes característiques tenen coherència amb els materials que defineixen els sondeigs: Les zones més conductives son associades a nòduls de guix dissolts (gris), cal destacar que si fora un guix sec seria una zona amb resistivitats molt altes. La resta del nivell s’associa a limonites (gris) amb intercalacions de gresos (groc) (resistius i altes velocitats). Aquestes zones podrien presentar surgències salines provocades per les evaporites de la conca sedimentària. L’existència del flux d’aigua subterrània en l’aqüífer terciari localitzat a la Falla del Guix, podria indicar fracturació del terreny. Cal destacar que en aquest nivell les velocitat altes classificades com a gresos i limonites presenten una grau de compactació insuficient per a considerar-los roca bona, això es pot constatar en l’informe AP-134/09 on els aspectes geomecànics realitzats a les roques tenen una qualitat regular de massa de roca (RQD=50-70%). • Finalment, a l’últim nivell i a una cota de 35 m s’ha pogut observar uns 5 m de material resistiu amb valors alts de velocitat, amb l’ajuda dels sondeigs SR-17 i SR-18-projectat al model podem dir que aquesta zona està formada per un material calcari sense afectació de zones fracturades on podem observar que les isolínies 3000 m/s es corresponen al sostre d’aquest material. MODELS LITOLOGIA VP (m/s) 𝛒 (Ohm·m ) Nivell 1: Graves i sorra + argila 500< VP <2000 5<ρ<3000 Nivell 2: Limonita i Gres( zona resistiva) amb matriu de guix on s’intercala el flux (zona conductiva) 2000<VP<3500 5<ρ<300 Nivell 3 (roca disgregada): Calcària alterada o fracturada. VP>3000 ρ>700 RMS=11.3% RMS=7.3% Taula 17. Taula resum relacionant velocitats i resistències dels models conjunts amb la litologia del perfil de Gaudí a Sallent Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 77 ZONES D’ESTUDI 6. CONCLUSIONS En aquest treball s’han aplicat les tècniques geofísiques de tomografia elèctrica i tomografia sísmica per tal de caracteritzar els subsòls afectats de diferents problemàtiques: inestabilitat de material que produeix una esllavissada a Mencui i presència de possibles zones de subsidència a Sallent relacionades amb la circulació d’aigua. Aquest procediment es realitza, generalment, de manera individual per a cada mètode, però en aquest treball s’ha posat en qüestió aquesta metodologia. Quan les dades es tracten i s’inverteixen individualment, els models que s’obtenen poden ser molt dispars i trobar poques característiques comunes que portin a una mateixa interpretació del subsòl o una interpretació semblant. Per evitar aquesta incoherència en els resultats es planteja el tractament conjunt de les dades amb un procés d’inversió seqüencial per tal de verificar la reducció de les incerteses i, sobretot la conjunció de les fronteres o contactes dels diferents materials que caracteritzen els models amb el programa ‘Zondres2d’. Finalment, amb l’ajuda addicional dels sondeigs i del context geològic de les zones d’estudi, s’han descrit unes possibles interpretacions geològiques dels models que ens ajuden a resoldre els problemes plantejats. Així a partir d’aquest treball s’han extret varies conclusions rellevants que se separen segons: La metodologia emprada, on es realitza la comparativa dels models individuals i dels models conjunts procedents de les dues zones, i la interpretació geofísica de les zones d’estudi, on s’exposa l’anàlisi geològic dels models. Segons els resultats obtinguts es pot dir que la utilització de la inversió individual o conjunta no canvia excessivament el model final, cosa que ja s’esperava, però cal dir que la metodologia basada en la inversió conjunta aporta models finals amb menys incoherències (incerteses) i contradiccions cosa que fa més senzilla la interpretació final. Tal com s’observa en els dos casos, els models que s’obtenen després de la inversió seqüencial aporten una descripció de les fronteres o contactes entre els materials molt similars i coherents entre si. Malgrat aquests bons resultats, analitzant genèricament les dues zones de camp (Mencui i Sallent) i les dues metodologies, podem observar Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 78 ZONES D’ESTUDI petites diferències, que es descriuen a la taula del annex, on es pot observar amb una visió més clara i concisa les diferències entre models individuals i conjunts en les respectives zones d’estudi. A gran trets es pot dir que: • En general, el model individual de sísmica SRT realitzat amb el programa ‘Rayfract’ presenta una fondària superior que el model conjunt realitzat amb el programa ‘ZondRes2d’. Això passa pel fet que el model conjunt SRT que surt del programa ‘ZondRes2d’ està relacionat amb el model ERT, el qual presenta una menor profunditat d’investigació (per la relació profunditatsenyal elèctric). És a dir, malgrat que el pes de les dades d’entrada són iguals, el model elèctric dirigeix el model sísmic, i per tant, es perd una mica d’informació de la fondària d’investigació del model sísmic. Aquesta limitació s’ha de tenir en compte però queda compensada per la bona definició de les fronteres dels materials entre els dos models (Model de Sallent). • Per altra banda, el model individual elèctric realitzat amb el programa ‘Red2dinv’ és un model amb més zonació (heterogeni). A diferencia, el model elèctric amb el programa ‘ZondRes2d’ presenta un model més suavitzat on les anomalies sembla que es descriuen de manera horitzontal i es poden visualitzar amb nivells estratificats. Aquesta estratificació permet una millor correlació amb el model de sísmica (Model de Mencui) Fent referència a les zones d’estudi podem dir que les interpretacions geològiques dels models obtinguts en la zona de Mencui han mostrat que no hi ha presència d’un substrat rocós competent a nivell superficial, de manera que no s’ha donat suport a la hipòtesi prèvia que situava la roca als primers 10 m dels subsòl. Aquest fet ha permès no invertir temps en dissenyar una mesura preventiva que hagués fracassat en la seva aplicació. A més a més, ambdós models (elèctric i sísmic) estan molt d’acord en un comportament diferenciat entre el costat SO i NE del perfil, sent més homogeni i estratificada aquella part que no està afectada per les fractures i els moviments de material (NE). Els resultats del model elèctric detecten zones de molt baixa resistivitat elèctrica i permet descriure zones amb important circulació d’aigua relacionades amb la inestabilitat del terreny, l’esllavissada i les surgències. Per altra banda, en la zona del barri de l’Estació a Sallent realitzant els model d’ERT i de SRT del subsòl s’ha pogut localitzar la presència de zones conductives i més compactes d’altes velocitats associades a la limolita i, pel contrari, zones més resistives i amb velocitats menys elevades associades al material calcari, possiblement fracturat. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 79 ZONES D’ESTUDI S’interpreta també un possible sistema de falles paral·leles entre elles, en la zona centre-oest del perfil relacionat amb aquesta darrera capa de calcàries detectada a la màxima fondària del model. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 80 ZONES D’ESTUDI 7. APRENENTATGE PERSONAL Per finalitzar aquest treball, i com a aprenentatge personal, un del meus objectius acadèmics era l’obtenció de coneixements dels mètodes de prospecció del terreny abans de realitzar exploracions i explotacions mineres. Aquesta feina desenvolupada a l’ICGC m’ha ajudat a assolir aquest objectiu, proposant-me realitzar aquest treball fi de grau que conté dos mètodes de prospecció geofísica no invasius realitzats en l’àmbit de la mineria: ERT i SRT. Aquest coneixement inclou l’aprenentatge en diferents àmbits de treball: feina de camp i de despatx. Així, l’inici del projecte es va basar en la recopilació de la informació necessària. Lectura de les bases teòriques dels dos mètodes geofísics proposats (buscar bibliografia), lectura dels processos per tractar les dades i aprenentatge dels diferents programes. També buscar els antecedents geològics i geofísics de les dues àrees de treball (Mencui i Sallent). Posteriorment, he après a utilitzar la instrumentació de tomografia elèctrica i sísmica amb les sortides del camp. El procediment de prendre mesures de camp és un aspecte molt important en aquest tipus d’àrees de coneixement. Finalment, he utilitzat els diferents programes de tractament de dades i d’inversió (individual com ‘Rayfract’, ‘Red2dinv’ i conjunt com ‘ZondRes2d’) per obtenir els models finals que seran interpretats. Aquesta darrera tasca és la més compromesa i, per aquesta raó, s’ha realitzat conjuntament amb els geofísics i geòlegs de la Unitat de Tècniques Geofísiques. Per concloure, també m’agradaria destacar que la realització d’aquest treball científic tan rigorós m’ha fet aprendre sobre la investigació d’una problemàtica que em podria trobar en qualsevol feina de futur. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 87 ANNEX MODEL INDIVIDUAL ERT: SALLENT - Homogeneïtat del model. - Model amb característiques semblants al conjunt. - Bona correlació sondeigs. - Bona detecció zona calcària. - Detecció de la possible zona de fracturació: Creuament falla Guix MODEL CONJUNT ERT: SALLENT - Suavitzat de les capes. - Construcció d’un model amb més resolució lateral que permet correlacionar més sondeigs ( O perfil). - Bona detecció zona calcària. - Detecció de la possible zona de fracturació: Creuament falla Guix. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 88 ANNEX MODEL INDIVIDUAL SRT: SALLENT - Major estratificació que dificulta la localització i determinació de les zones possiblement més sanes. - Major profunditat d’investigació. - Correlació amb els sondeigs i pitjor coherència de la zona E. MODEL CONJUNT SRT: SALLENT - Major determinació de les formes dels materials localitzant les zones més compactades relacionades per les altes velocitats i resistències. - Bona correlació amb els sondeigs amb coherència en la zona O. Estudi de dades geofísiques per a la caracterització del subsòl. 89 ANNEX