Estudio de técnicas electromagnéticas de prospección del subsuelo

INGENIERIA TÉCNICA EN TOPOGRAFÍA PROYECTO FINAL DE CARRERA ESTUDIO DE TÉCNICAS ELÉCTROMAGNÉTICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO Daniel Feria Rodríguez Directores: Carlota Auguet y Blas Echebarria Convocatoria Junio/Julio 2015 ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 1 RESUMEN Este estudio se basa principalmente en la Geofísica Aplicada, a la que muchos se refieren como Prospección Geofísica. Dicha ciencia es la aplicación de la Física al estudio de la parte más superficial de la corteza terrestre, que puede ser explotada por el hombre; dicho de otra forma, sería la aplicación de los métodos geofísicos de prospección a la búsqueda de toda clase de recursos útiles para el ser humano. Así pues, lo esencial en este estudio son los métodos que se utilizan en las diferentes aplicaciones (prospección petrolífera, minería, ingeniería civil, etc.). Partiendo de aquí, este volumen se remite a las técnicas y métodos que más nos interesan en Topografía y que más se utilizan en general en la prospección geofísica. En conclusión, daremos un repaso de los diferentes métodos eléctricos y magnéticos con el fin de poder escoger la técnica y dispositivo adecuado al estudio en campo que se quiera realizar. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 2 ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 3 ÍNDICE Resumen ……………………………………………………………………………………....1 Glosario ………………………………………………………………………………….……4 Introducción ………………………………………………………………………………….7 Capítulo 1. Generalidades y consideraciones ………………………………………………8 Capítulo 2. Métodos de prospección eléctrica …………………………………………….10 Capítulo 3. Métodos de potencial y corrientes naturales …………………………………13 3.1. Método Autopotencial ……………………………………………………….…13 3.2. Corrientes telúricas ………………………………………………………….…15 Capítulo 4. Métodos de potencial inducido/resistividades ……………………………..…17 4.1. Sondeo Eléctrico Vertical …………………………………………………..…..25 4.2. Calicatas Eléctricas ……………………………………………………………..41 4.3. Polarización inducida …………………………………………………………..46 4.4. Tomografía eléctrica ……………………………………………………………52 Capítulo 5. Métodos electromagnéticos…………………………………………………….59 5.1. Inducción electromagnética ……………………………………………………60 5.2. Sondeo magnetotelúrico ………………………………………………………..67 5.3. GPR. …………………………………………………………………………..…71 Capítulo 6. Ejercicio práctico con SEV. ……………………………………………………76 Conclusiones …………………………………………………………………………………82 Bibliografía…………………………………………………………………………………...83 ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 4 GLOSARIO Términos: Calicata, calicateo, cateo. Diferentes nomenclaturas para el método de Calicata Eléctrica. Karst. (O carst). Se conoce a una forma de relieve originada por meteorización química de determinadas rocas, como la caliza, dolomía, yeso, etc., compuestas por minerales solubles en agua. Permafrost. (O permagel). Es la capa de hielo permanente en los niveles superficiales del suelo de las regiones muy frías o periglaciares, Constante dieléctrica. Es una propiedad macroscópica de un medio dieléctrico relacionado con la permitividad eléctrica de un medio continuo Dielectrico. Se denomina al material mal conductor de electricidad. Isotropía. Es la característica de algunos cuerpos cuyas propiedades físicas no dependen de la dirección en que son examinadas. Anisotropía. Es la propiedad general de materia según la cual cualidades como: elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de propagación de la luz, etc. varían según la dirección en que son examinadas. Corrientes de Foucault. Fenómeno eléctrico que se produce cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. Lineas Isorresistividad. En los mapas de resistividad, son curvas que conectan los puntos de valores de resistividad constante. Siglas: AFMAG Audio Frecuencia Magnética. CE Calicata Eléctrica. CES Calicata Eléctrica Simétrica. CED Calicata Eléctrica Dipolar. CETC Calicata Eléctrica Trielectródica Combinada. CSAMT Controlled Sourse Audio-Frequency Magnetotelluric. EM Electromagnético. ERT Electrical Resistivity Tomography. FDEM Frequency Domain Electromagnetic. GPR Ground Penetrating Radar o Georadar. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 5 HLEM Horizontal Loop Electromagnetic. MCF Metallic Conduction Factor. MT Magnetotelúrico. PFE Porcentual Frequency Effect. PI Polarización Inducida. SEV Sondeo Eléctrico Vertical. TEM/TDEM Transient Electromagnetic/Time Domain Electromagnetic. VLF Very Low Frequency. El resto de símbolos matemáticos que aparecen, incluidos en el Sistema Internacional, se obvian a conocimiento del lector. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 6 ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 7 INTRODUCCIÓN En este documento se trata de hacer un análisis teórico de las diferentes técnicas de prospección incluidas dentro de la Geofísica Aplicada o Prospección Geofísica. Para ello, cabe hacer una breve introducción a dicha ciencia y a su diversificación sobre los diferentes métodos de prospección gravimétrico, magnético, sísmico, eléctrico, etc. Delimitaremos entonces el alcance de nuestro estudio, y lo llevaremos hacia donde más nos interesa, los métodos geoeléctrico y electromagnéticos. Dicho análisis teórico comentado anteriormente, sumado a las aplicaciones, concluye en una comparación sobre las diferentes técnicas, eléctricas o magnéticas, más representativas; y el análisis de los diferentes factores que afectan al uso de uno u otro método de trabajo, valorando sobre todo la metodología e instrumentación, pues no entraremos a profundizar en el factor económico. Así pues, como objeto de este estudio, debemos comprender las limitaciones y ambigüedades de cada método y de este modo poder elegir los métodos y técnicas adecuados para el trabajo que se quiera llevar a cabo. Entendiendo a su vez, la importancia de la interpretación de los datos resultados de cada proyecto. Por lo que, finalmente, se realizará un ejercicio de procesado e interpretación de datos con un software particular. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 8 CAPÍTULO 1 GENERALIDADES Y CONSIDERACIONES La Geofísica Aplicada es la ciencia que nos ocupa en este estudio y cuya materia consiste, finalmente, en la aplicación de diferentes técnicas para el estudio del subsuelo. Estas prospecciones se realizan con el fin de encontrar recursos minerales y no minerales, de resolver problemas geológicos, etc.; pero que pueden ser, sin duda, de gran interés económico. Todos los métodos geofísicos estudian la propagación de alguna determinada propiedad físicoquímica de las capas del subsuelo, o de alguna característica relacionada con dichas propiedades. En esencia, la prospección geofísica consistirá en determinar las variaciones de dicha propiedad sobre la zona de estudio a explorar. Y estas divergencias del valor normal que es de esperar en la zona investigada respecto del valor real encontrado nos indicarán, por lo general, la presencia de estructuras o acumulaciones minerales. A continuación incluimos una breve clasificación de los métodos geofísicos: a) Método gravimétrico. Se basa en el campo natural de la gravedad, y estudia la variación de la componente vertical del campo gravitatorio terrestre. Normalmente varía en función de la densidad del material. Habitualmente se emplea a modo de reconocimiento general en prospecciones petrolíferas, mientras en minería se suele emplear como método de comprobación o complementario. b) Métodos magnéticos. Están basados en el campo magnético terrestre. Las pequeñas variaciones de dicho campo pueden indicar la presencia de sustancias magnéticas, generalmente minerales de interés comercial. Los métodos magnéticos se utilizan como métodos de reconocimiento en la prospección petrolífera, y tanto de reconocimiento como de detalle en prospección minera. c) Métodos sísmicos. Se produce un pequeño terremoto artificialmente, y midiendo los tiempos de llegada de las ondas producidas, podemos reproducir una imagen muy aproximada de las discontinuidades sísmicas, que por lo general son discontinuidades estratigráficas. Se dividen en dos clases: métodos de reflexión y de refracción. El de reflexión es un método de detalle y el método sísmico de refracción es tanto de reconocimiento general como de detalle. d) Métodos eléctricos. Medimos las variaciones de las propiedades eléctricas, de rocas y del mineral, especialmente su resistividad. Por lo general, exceptuando los métodos Autopotencial, telúrico y AFMAG (audio frecuencia magnética) que utilizan campos eléctricos naturales, se emplea un campo artificial eléctrico creado en la superficie, por el paso de una corriente en el subsuelo. Se aplican como métodos tanto de reconocimiento como de detalle, en función del estudio a realizar. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 15 El procedimiento general se basa en la creación de perfiles, cuyos datos obtenidos luego son representados como mapas y las interpretaciones de las anomalías están basadas en dichas geometrías. En la figura 5 se muestran dos ejemplos. Figura 5. Hipotéticas curvas de nivel de una anomalía negativa Autopotencial alrededor de un yacimiento. La asimetría de la anomalía a lo largo del perfil AB sugiere que el yacimiento se inclina hacia A. Generalmente, estos métodos se utilizan para la interpretación cualitativa o en modelos geométricos simples. La interpretación de los mapas de anomalías suelen revelar tendencias relacionadas con la elongación del yacimiento y su orientación. 3.2. Corrientes telúricas El fenómeno surge debido a que el campo geomagnético induce corrientes eléctricas, llamadas corrientes telúricas, que fluyen en capas horizontales en la corteza y el manto terrestres. La distribución de la densidad de estas corrientes telúricas depende de la variación de la resistividad en la conductividad de las capas horizontales, es decir, de la litología de la zona. En el caso de la corteza, el flujo de corriente se ve alterado por estructuras en el subsuelo que causan contrastes en la resistividad. Esto ocurre debido a estructuras geológicas o por la presencia de minerales. En el caso de una zona donde se puedan diferenciar dos capas de diferente material con diferentes resistividades, nos encontramos con alguna causa de contraste. El flujo de corrientes telúricas se intensifica en la zona de menor resistividad, lo que incrementará la densidad horizontal de la corriente (ver figura 6). La superficie equipotencial, Figura 6. Líneas de corriente telúricas se desvían por cambios en el espesor de la capa conductora sobre una estructura más resistiva (ρ2>ρ1). La densidad de la corriente telúrica (superior) surge del voltaje medido, en la superficie, entre un par de electrodos con separación fija. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 16 normal a las líneas de corriente, intersectan en la superficie del terreno. Que es donde la diferencia de potencial eléctrico puede ser medida. Instrumentación. El equipo de medida viene a ser el mismo que el anterior, dos electrodos impolarizables a una distancia fija L de entre 10 y 100 metros, y un voltímetro de gran impedancia. La dirección de la corriente no es conocida, así que se debe utilizar un par de electrodos orientados perpendicularmente al otro par. Las corrientes telúricas varían impredeciblemente con el tiempo, pero cambian lentamente en el caso de una región homogénea e ideal. Este método, generalmente, se utiliza midiendo a su vez tres componentes del campo magnético. Ello da lugar a un procedimiento más completo y efectivo denominado sondeo o método Magnetotelúrico, del cual hablaremos más adelante. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 17 CAPÍTULO 4 MÉTODOS DE POTENCIAL INDUCIDO O RESISTIVIDADES El método de resistividades permite no solamente el estudio de formaciones horizontales tales como acuíferos, identificación de diferentes litologías, etc.; sino también verticales, como fallas o filones de mineral a una profundidad mayor. Se considera, en todas sus modalidades, el método más representativo de todos los métodos eléctricos. Su funcionamiento, en general, consiste en enviar corriente al terreno mediante dos electrodos A y B que se clavan en el suelo y una vez establecido así un campo eléctrico artificial, se miden sus condiciones con otro par de electrodos M y N adicionales, también clavados en el terreno y cuyas distancias se varían convenientemente estableciendo de esta forma diferentes técnicas de actuación (ver Figura 7). Se puede determinar de este modo la resistividad aparente del terreno, que es función del cociente entre la diferencia de potencial medido entre los electrodos de medida y la intensidad de corriente con que se alimenta el campo. También interviene en la función un coeficiente o factor geométrico que depende de la disposición de los electrodos, y que controla la profundidad a la que se opera. De esta forma se suministra una información cuantitativa de las propiedades conductoras del subsuelo, y podemos determinar la distribución vertical de su resistividad. Figura 7. Esquema de implementación característica de cualquier método de potencial inducido. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 18 La teoría parte de la medida del potencial en un punto M a una distancia r del electrodo A que induce la corriente I (ver Figura 8). 𝑉=(𝐼𝜌 2𝜋)(1𝑟) De esta ecuación partimos para estudiar las diferentes configuraciones más empleadas en los métodos de resistividad. Así pues, el potencial en un punto tal como el M, donde se encuentra el electrodo de medida, viene dado por el teorema de la superposición de campos eléctricos [1]. ΔV = VM - VN , de esta expresión despejamos la resistividad ρa : 𝜌 = k (ΔV I) Donde k resulta ser una función dependiente del tipo de dispositivo empleado, es decir, de la disposición relativa de los electrodos. 𝑘 = 2𝜋 (1 𝐴𝑀–1 𝐵𝑀)− (1 𝐴𝑁–1 𝐵𝑁) ;(1) 𝜌 = 2𝜋(𝛥𝑉 𝐼)( 1 1 𝐴𝑀–1 𝐵𝑀− (1 𝐴𝑁–1 𝐵𝑁)) Los valores de I y ΔV se miden directamente y, de acuerdo con esta expresión se obtiene el valor de la resistividad ρa. Figura 8. Esquema de variables en el caso de un electrodo puntual. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 19 En el caso real de campo, casi nunca se presentará un terreno homogéneo, sino que en la mayoría de los casos, en los que se aplica el método de resistividades, estará formado por una serie de capas de terreno heterogéneo, como ya dijimos anteriormente. Al aplicar las fórmulas obtenidas, en el caso homogéneo ideal, nos dará una resistividad aparente del terreno, resistividad que será función del parámetro del dispositivo, es decir, la distancia entre electrodos, que vendrá determinada por el tipo de dispositivo o configuración empleado. Finalmente, hay que destacar como limitación principal de los métodos resistivos su alta sensibilidad a pequeñas variaciones de la conductividad cerca de la superficie, debido sobre todo al contenido de humedad. Una topografía accidentada puede tener un efecto similar, ya que el flujo de corriente se concentra en los valles y se dispersa en las colinas. Como resultado se distorsionan las superficies equipotenciales produciendo falsas anomalías. Dispositivos y configuraciones. Para la determinación de los dispositivos a utilizar en cada caso, debemos aclarar, previamente que los dispositivos empleados para la determinación de resistividades en 3D son prácticamente los mismos que para las determinaciones en 2D, con algunas modificaciones. A continuación, haremos una reseña de la mayoría de los métodos y dispositivos actualmente empleados tanto para investigaciones 1D, 2D y 3D, lo que nos permitirá comprender con claridad las diferencias y ventajas de cada uno de ellos, e identificar las complicaciones prácticas de los mismos. Normalmente los sondeos de resistividad en 1D involucran entre 10 a 20 lecturas, mientras que un sondeo 2D involucra entre 100 a 1000 medidas, en comparación con sondeos 3D que pueden involucrar varios miles de medidas. De esta forma, y a lo largo del desarrollo de la técnica, se han ido utilizando innumerables tipos de dispositivos y configuraciones para los electrodos de corriente y medida, la mayor parte de ellos en desuso actualmente. El dispositivo Schlumberger es el que se ha impuesto y sólo se emplea además el Wenner, el Dipolo-dipolo, y algunas de sus variaciones para algunos casos concretos. a) Dispositivo Schlumberger En este dispositivo, los electrodos de medida M y N se colocan simétricamente a una distancia r del punto de estación O. Los electrodos de corriente, de igual forma, a la distancia variable L, y de forma que los cuatro electrodos queden alineados sobre el terreno. Estamos hablando por lo general, de una composición simétrica de los electrodos AMNB donde la distancia MN es mucho menor que AB, generalmente con la relación AB > 5MN (ver Figura 9). ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 20 Aplicando la fórmula (1), resulta un factor geométrico: 𝑘 =𝜋2(𝐿2−𝑟2 𝑟) 𝜌 =𝜋2(𝐿2−𝑟2 𝑟) (𝛥𝑉 𝐼) En ciertos casos, el electrodo B se lleva a gran distancia de los demás de modo que no influya sobre el valor de ΔV observado. Se tiene entonces el dispositivo denominado Schlumberger asimétrico, o semi-Schlumberger. b) Dispositivo Wenner Se utiliza también el sistema de electrodos alineados y simétricos respecto al punto de estación O, y se disponen de forma equidistante como se muestra en la Figura 10: AM = MN = NB = a Figura 10. Esquema de la configuración Wenner. Tomando a como parámetro del dispositivo. Figura 9. Esquema del dispositivo Schlumberger. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 21 Este dispositivo tiene el inconveniente, respecto al de Schlumberger, de que todos los electrodos han de modificarse en cada medida. Sin embargo la función del factor geométrico k resulta ser mucho más sencilla: 𝑘 = 2𝜋𝑎 Y la resistividad se obtiene como: 𝜌 = 2𝜋𝑎 (ΔV I) c) Dispositivo polo-dipolo En este dispositivo el electrodo B se instala a una gran distancia (teóricamente en el infinito) de los otros tres electrodos, de modo que queda de la forma indicada en la Figura 11: Figura 11. Esquema de la implementación polo-dipolo. El factor geométrico del dispositivo en este caso es: Esta configuración está descrita como una variante del dispositivo Schlumberger. Con la característica de a << b, este dispositivo será equivalente a la variante semi-Schlumberger. Otra variación del dispositivo polo-dipolo se obtiene moviendo uno de los dos electrodos de medida, por ejemplo N, a un punto distante (teóricamente infinito). En este caso el factor geométrico es k = 2πb, que coincide con la expresión del dispositivo Wenner, por lo que también recibe el nombre de dispositivo half-Wenner. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 22 d) Dispositivo doble-dipolo o dipolo-dipolo En esta configuración los electrodos se disponen sobre una línea en el orden ABMN formando así un doble dipolo, considerando el espaciado entre cada par de electrodos como a (Figura 12). Firgura 12. Esquema del dispositivo dipolo-dipolo. El factor geométrico que se obtiene en este caso es: 𝑘 = −𝜋𝑛 (𝑛 +1)(𝑛+2)𝑎 Este dispositivo se implementa normalmente con n >> 1 (entonces AB y MN se comportan como un único dipolo de inyección y de medida respectivamente, de forma que se puede determinar AN = BM = L, en algunos casos), aunque muchos utilizan este dispositivo incluso con n = 1. El factor geométrico cuando n >> 1 se puede expresar como 𝑘 = −𝜋𝑛3𝑎 El inconveniente es que el campo dipolar decrece con el cubo de la distancia entre los dipolos de corriente y tensión, por lo que necesita detectores más sensibles que los otros dispositivos. Otra forma de plantearlo es determinando la distancia L entre los puntos medio de las estaciones O, que también es generalmente mucho más grande que a (ver Figura 13). Figura 13. Esquema alternativo del dispositivo dipolo-dipolo. Correspondiéndose la nomenclatura de C y D con los M y N, respectivamente. Por lo que se considera AM = L + a, y BN = L – a. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 23 e) Dispositivo Lee Es similar al de Wenner, con la diferencia de que en el Lee se sitúa un electrodo de medida E, en el punto de estación O, haciéndose las lecturas entre el central y uno de los laterales (ver Figura 14. Figura 14. Esquema del dispositivo Lee. El valor del factor geométrico es: 𝑘 = 6 𝜋𝑎 Y la resistividad: 𝜌 = 6𝜋𝑎 (𝛥𝑉 𝐼) Y recordamos que AM = MN = NB = a Más adelante, en el momento de representación de las curvas, se dibujarán dos curvas de resistividad en función de a, la obtenida leyendo en ME y la obtenida leyendo en EN. Si las condiciones del terreno, a la derecha y a la izquierda de E, son idénticas, las dos curvas también lo serán. Si hay un cuerpo más conductor a la izquierda la curva de resistividades de este lado dará valores inferiores que la de la derecha, detectándose así la presencia de esta irregularidad. Otros dispositivos La principal característica del resto de dispositivos no tan frecuentemente empleados es la no alineación de los electrodos de corriente y medida. Como se indica en el ejemplo de la Figura 15. Figura 15. Esquema representativo de una disposición no alineada de los electrodos. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 24 Conclusiones. Elección del dispositivo más adecuado. En general, tal como se describe en la introducción del capítulo, los métodos resistivos están limitados por varios factores. Además del descrito anteriormente, las interpretaciones son, por lo general, ambiguas, lo que conlleva a la necesidad de otros controles geofísicos y geológicos independientes para discriminar entre las interpretaciones válidas de los datos obtenidos. Asimismo la interpretación en sí está limitada por la propia simplicidad de la estructura de los dispositivos. La profundidad de penetración del método está limitada por el máximo de potencial eléctrico que se introduce en el subsuelo y por las grandes longitudes que deben tener los cables. Normalmente la profundidad límite para la mayoría de prospecciones esta alrededor de 1 km. Como se ha destacado anteriormente, de entre todos los dispositivos expuestos, los más utilizados son el Schlumberger y el Wenner, sobre todo por su sencilla implementación y simplicidad en su resolución. Por ello, vendremos a discutir el uso de uno u otro principalmente. La elección de la mejor configuración para un sondeo depende del tipo de estructura a ser estudiada, la sensibilidad del resistivímetro y el nivel de ruido de fondo de la zona de estudio. De entre las características de un determinado trabajo se debe considerar: - La profundidad de investigación. - La sensibilidad del arreglo a los cambios verticales y horizontales de la resistividad subterránea. - La cobertura horizontal de datos y la relación señal /ruido. - Factores económicos. Una anomalía en la curva de resistividad será más ancha y complicada contra más electrodos se muevan, por lo que la Schlumberger con A y B fijos y la dipolo-dipolo son los más recomendados. Cuanto más pequeña sea la distancia MN mayor será la resolución y amplitud de cambio de resistividad aparente debido a un objeto; por lo que la Schlumberger tiene mayor resolución que la Wenner. Sin embargo, el dispositivo Wenner se adapta mejor a los perfiles laterales. Como la distancia entre electrodos la determinamos nosotros, el flujo de corriente se maximiza en profundidades donde el contraste lateral de resistividad se espera. Es el más adecuado para localizar buzamientos entre rocas con un fuerte contraste de resistividad, y yacimientos de materiales conductores. Los dispositivos dipolares, no lineales, requieren intensidades de corrientes mucho mayores que los lineales (SEV), por lo que son menos empleados. Por lo que solamente se los utiliza para investigaciones geoeléctricas profundas. En la práctica, se realizan varios perfiles combinando unos dispositivos con otros teniendo en cuenta la topografía del terreno (cartografía topográfica), mapas y corte geológicos, entre otros. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 31 Un ejemplo para el caso ρ1 > ρ2: ρ1 = 100 ohm·m y ρ2 = 20 ohm·m. Al inicio de la realización de un SEV, suponiendo que en la primera medida el flujo eléctrico pasa solamente por la primera capa, se obtiene una ρa igual a ρ1 de la primera capa. Al concluir la segunda medida, parte del flujo eléctrico pasaría por la segunda capa, por lo que el valor de ρ2 obtenido estaría entre 100 y 20, por ejemplo 96. A medida que aumenta la distancia AB, la corriente circula a profundidad creciente, por lo que cada vez será mayor la fracción del flujo eléctrico que circula por la capa de 20 ohm·m. Consecuentemente, los valores de la ρa siempre estarán entre 100 y 20, pero se irán acercando asintóticamente a 20 a medida que se amplía la distancia AB. Por tanto, se obtiene en campo una curva como la mostrada en la Figura 29. Figura 29. Curva para corte de dos capas. Cualquier otro corte en que se encuentre la misma relación de resistividades ρ2 = ρ1/5, nos proporcionará exactamente la misma curva, solo que situada más arriba o más abajo en el gráfico. Manteniendo el valor de ρ1 del ejemplo, y suponiendo que la resistividad de la segunda capa puede presentar cualquier valor, las infinitas posibilidades se representan en el ábaco de la Figura 30. Figura 30. Ábaco para dos capas. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 32 La curva variará en función del espesor de la primera capa. Si el espesor de la primera capa es mayor, la curva comenzara a bajar más tarde, es decir, será necesario aumentar la distancia entre los electrodos A y B para que la corriente comience a circular por la capa inferior (ver Figura 31). Figura 31. Esquema de variación de la curva en función del espesor del a primera capa. Cortes de 3 capas (ρ1, ρ2 y ρ3). Cuando el subsuelo se compone de 3 capas, se admiten 4 casos, que se muestran en las Figuras 32 y 33. - Tipo H (ρ1 > ρ2 < ρ3) - Tipo K (ρ1 < ρ2 > ρ3) Figura 32. Curvas tipo H y tipo K para cortes de 3 capas. - Tipo A (ρ1 < ρ2 < ρ3) - Tipo Q (ρ1 > ρ2 > ρ3) Figura 33. Curvas tipo A y tipo Q para cortes de 3 capas. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 33 Del mismo modo que en el caso de dos litologías de resistividad diferente, en el caso de tres capas también varía la curva en función del espesor (ver Figura 34). Figura 34. Variación de la curva con el espesor de la segunda capa. Cortes de 4 o más capas (ρ1, ρ2, ρ3 y ρ4). Para dicha representación se admite una clasificación según la combinación de las curvas mencionadas anteriormente en intervalos de 3 en 3, dándole la nomenclatura correspondiente a cada tramo de 3. Podemos distinguir 8 tipos: combinación HK, KH, QH, AK, HA, HQ, QQ y AA. A continuación se presentan algunos ejemplos. - Tipo AA (ρ1 < ρ2 < ρ3 < ρ4) Figura 35. Curvas de cortes de 4 capas del tipo AA. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 34 - Tipo HK (ρ1 > ρ2 < ρ3 > ρ4) Figura 36. Curvas de cortes de 4 capas del tipo HK. - Tipo KH (ρ1 < ρ2 > ρ3 < ρ4) Figura 37. Curvas de cortes de 4 capas del tipo KH. - Tipo HA (ρ1 > ρ2 < ρ3 < ρ4) Figura 38. Curvas de cortes de 4 capas del tipo HA. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 35 En el caso de más de 4 capas vendrá representado de la siguiente manera. Por ejemplo, un corte de 5 capas (ver Figura 39 y 40): Figura 39. Corte de 5 capas. Por tanto, el corte completo, una vez interpretado se diría que es de tipo HKQ. Interpretación de las curvas. Tal como se define al inicio de este apartado, la finalidad última se establece con la interpretación de los resultados, es decir, la interpretación de las curvas de resistividad aparente. Así pues, se debe establecer un perfil geoeléctrico (ver Figura 41) donde se representa la conformación del subsuelo mediante la ubicación espacial de las capas y su resistividad. Posteriormente se transforma el perfil geoeléctrico en otro, que represente los caracteres geológicos, un perfil geológico (ver Figura 42). Figura 40. Curva de resistividad aparente obtenida realizando un SEV sobre el corte geoeléctrico representado figura 39. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 36 La obtención del corte geoeléctrico se realiza superponiendo la curva obtenida en campo a gráficos patrón de forma manual, cuando las capas involucradas son 2 o 3. Este procedimiento se usó hasta la década de 1970, mediante el empleo de catálogos de curvas teóricas de resistividad como las elaboradas por Compagnie Générale de Géophysique en 1955 o como las anteriormente comentadas de Orellana y Mooney en 1966. El procedimiento manual se complica cuando la cantidad de capas involucradas es 4 o más, pero esta limitación puede mejorarse sensiblemente mediante el uso de programas cibernéticos preparados para las computadoras personales a partir de 1970. El software actual realiza una rápida comparación de las curvas de campo con las teóricas y por ende también permiten una rápida solución del problema. El software empleado con más frecuencia son los desarrollados por Johansen en 1975 que requiere de un corte geoeléctrico inicial aproximado y Zodhy en 1989. Este último es el más utilizado en la actualidad y se basa en la interpretación automática de los SEV (Schlumberger o Wenner), mediante un método iterativo para ajustar las Figura 41. Ejemplo de perfil geoeléctrico formado por espesores y resistividades. Figura 42. Ejemplo de perfil geológico. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 37 resistividades aparentes y los espaciamientos electródicos, a las resistividades específicas o reales y a las profundidades de las capas involucradas. Finalmente, para convertir el perfil geoeléctrico en un perfil geológico se precisa de un conocimiento geológico de la región, aunque intente reconocer las formaciones por su resistividad eléctrica, un valor determinado puede corresponder a diversos tipos de roca. Esta incertidumbre puede solucionarse si se han realizado en la zona otros SEV en lugares en los que se disponga también de datos geológicos. De este modo se habrá tomado nota de una equivalencia entre litologías y resistividades en esa zona. Efectos laterales y ambigüedades en la interpretación de las curvas. Si el dispositivo electródico está próximo a un contacto vertical, las líneas de corriente se verán distorsionadas, por lo que la diferencia de potencial MN se verá afectada por el medio. Por lo tanto, la medida de la resistividad aparente en un SEV está influida por la distribución de resistividades en un cierto volumen de terreno. Esto implica que para distancias AB grandes no se sabrá si la resistividad aparente es debida a cambios de estructuras en la profundidad o a las heterogeneidades laterales por contraste de resistividades. Puede ocurrir que las curvas de resistividad aparente para dos casos diferentes de SEV sean idénticas si la relación entre profundidad a la que se encuentra un estrato y su resistividad permanecen constante, lo que provoca una ambigüedad en la deducción del grosor de la capa y su resistividad. Es decir, sucede que a partir de un corte geoeléctrico solamente se puede obtener una curva de resistividad. En cambio, a partir de la curva de resistividad aparente, y en determinadas circunstancias, se puede interpretar varios cortes geoeléctricos diferentes. Esto se explica mediante el Principio de equivalencia y el Principio de supresión. Pero antes debemos introducir estos conceptos: - Resistencia transversal: es el producto del espesor de una capa por su resistividad: T = ρ · E - Conductancia longitudinal: es el cociente de dividir el espesor de una capa por su resistividad: S = E / ρ Principio de Equivalencia Una capa más resistiva que las adyacentes (Tipo K y combinaciones), con T grande y S pequeño, puede producir el mismo efecto en el SEV que otra capa con valores diferentes de ρ y E pero, con la misma T (ver Figura 43). O bien: una capa más conductora que las adyacentes (tipo H y combinaciones), con un valor de T pequeño y S grande, puede producir el mismo efecto en el SEV que otra capa con diferentes E y ρ pero con el mismo cociente S. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 38 Figura 43. Principio de Equivalencia: pueden generarse curvas muy similares con diferentes valores de la 2ª capa, siempre que el producto ρ · E sea constante. Principio de Supresión Una capa delgada, con una resistividad intermedia entre las adyacentes (tipos Q y A y sus combinaciones) puede pasar desapercibida en la interpretación (ver Figura 44). Figura 44. Principio de Supresión: la capa de 2 metros de espesor y resistividad intermedia pasa desapercibida. Otras dificultades vienen dadas por rupturas o escalones en las curvas, generalmente relacionadas por discontinuidades en el terreno (véase figura 45). Sin embargo, sucede que una discontinuidad en la roca compacta puede originar una ruptura en la curva, pero una ruptura en la curva puede haber sido generada por otras causas, como variaciones laterales. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 39 Figura 45. En la izquierda, los círculos indican rupturas de la curva que tienen relación con niveles acuíferos. En la derecha, los triángulos negros indican la profundidad a la que se encontró un nivel acuífero y que coincide con la distancia AB/2 a la que aparece la ruptura. Conclusión y aplicaciones. Debido a los factores que intervienen en la determinación de la resistividad del suelo, se hace difícil estimar la composición del subsuelo solamente a partir de un SEV. Por ello se realizarán diversos sondeos con el objetivo de cubrir la zona de estudio y evitar efectos laterales, utilizando un dispositivo u otro según convenga, siendo la configuración Schlumberger la más común. Los resultados obtenidos a partir de un SEV se utilizan de forma cualitativa más que cuantitativa, ya que generalmente sólo en el caso de exploraciones mineras se requerirá una interpretación cuantitativa de los resultados. Esta técnica de prospección se puede aplicar también en ríos y lagos, haciendo posible la definición geológica del subsuelo bajo el agua. Las limitaciones que nos genera este tipo de prospección son básicamente debido a la definición intrínseca del Sondeo Eléctrico Vertical, es decir, cuando no existe un buen contraste de resistividades, como por ejemplo en superficies muy resistivas. En estos casos se puede recurrir a la construcción de pozos (ver figura 46), el uso de láminas de contacto y la impregnación con agua salada (disminución de la resistencia de contacto). Por las propias condiciones de un SEV, tampoco es recomendable para la investigación de filones metálicos, diques, capas de carbón, fracturas o fallas, cuando estos, como suele ocurrir, adoptan posiciones verticales o muy inclinadas. También es poco útil para la localización de Figura 46. Electrodo de un solo contacto. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 40 cuerpos de reducida extensión lateral, como metalizaciones pequeñas en forma de bolsa. Por estos motivos el método tiene aplicación reducida e minería. En función de la separación final entre los electrodos A y B, el Sondeo Eléctrico Vertical se adecúa más a un objeto de estudio u otro: se considera un SEV corto con distancias AB de hasta 250 metros, éstos se aplican para geotecnia (cimentaciones para estructuras tales como edificios, puentes y construcción de túneles) y arqueología. Los SEV con una distancia AB entre 250 y 2500 metros se utilizan, por ejemplo, en prospecciones hidrológicas; y los sondeos con distancias entre los electrodos A y B superiores a 2500 metros se realizan para prospecciones petrolíferas y estudios geofísicos. También es adecuado para trabajar a poca profundidad sobre topografías suaves como complemento de las calicatas eléctricas, con el objetivo de decidir la profundidad a la cual realizar el perfil de resistividades, como ocurre en arqueología. Permite incluso definir los niveles de corrosión presentes en el subsuelo que pueden reducir significativamente la vida útil de una estructura metálica. Estas son gran parte de las aplicaciones para las que utilizan hoy en día las empresas el SEV, algunas de ellas mencionadas anteriormente: - Caracterización litológica del subsuelo. - Delimitación de zonas de alteración (hidrotermal, silicatos). - Detección de depósitos minerales (metálicos y no metálicos, como sulfuros). - Determinación de la profundidad del nivel freático (instalación de pozos de extracción de agua). - Detección de agua subterránea (acuíferos y corrientes subterráneas). - Estudio de acuíferos (profundidad, salinidad, etc.). - Monitoreo de acuíferos (contaminación de agua subterránea). - Determinación de intrusión salina en acuíferos costeros. - Detección de cavidades y fracturas. - Detección de plumas contaminantes por hidrocarburos o lixiviados. - Estudios para zonas arqueológicas. - Evaluación y mapeo de depósitos de materia (arena y grava). - Búsqueda de vapor de agua en campos geotérmicos. - Determinación de la profundidad de roca firme. - Cartografiar límites geológicos. - Detección de fugas de contaminantes inorgánicos y control de vertederos. - Mapeo de suelos salinos. - Estudios hidrogeológicos, mediante la determinación del espesor y profundidad de los materiales permeables o impermeables. - Estudios para ingeniería civil: determinación de la profundidad del firme, y espesores de la zona de recubrimiento y alteración (para cimentaciones, presas, etc), estudio de la naturaleza y estructura del subsuelo en el trazado de futuras carreteras, canales o túneles; búsqueda y cubicación de materiales de construcción. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 47 La polarización de membrana es una característica de la conducción electrónica. Surge de las diferencias de la capacidad de los iones en los fluidos de migrar a través de la roca porosa. Los minerales en la roca generalmente tienen una carga superficial y ello atrae a los iones positivos de los poros con fluidos. Se acumulan en la superficie granular y se extienden a los poros adyacentes, obstruyéndolos parcialmente. Cuando se aplica un voltaje externo, los iones de carga positiva pueden pasar a través de la “nube” de cargas positivas, pero los iones negativos se acumulan, a no ser que el tamaño del poro sea suficientemente grande como para permitir el paso. El efecto es como el de una membrana, que de manera selectiva permite el paso de un tipo de ion., lo que causa temporalmente la acumulación de iones negativos, dando lugar a una distribución de polarización iónica en la distribución de la roca. El efecto es más pronunciado en terreno de tipo mineral arcilloso; primero, porque el grano y el poro son pequeños y, segundo, porque el granulado de la arcilla está cargado fuertemente y absorbe iones en su superficie. La polarización de electrodos es un efecto similar que ocurre cuando hay minerales metálicos presentes. Los minerales metálicos conducen la carga a través de los electrones, mientras que la conducción electrolítica lo hace alrededor de ellos. Sin embargo, el flujo de electrones a través del metal es más rápido que el flujo de iones en el electrolito, por lo que las cargas opuestas acumuladas en superficies enfrentadas de un metal bloquea el paso del flujo de iones a través del fluido. Se genera una sobretensión durante un tiempo después de conectar la corriente externa. La magnitud del efecto se mide por la concentración metálica. Al desconectar la corriente, los iones acumulados se dispersan y la sobretensión cae lentamente. Estos efectos son condición indispensable para el fenómeno de polarización inducida. Dichos efectos se hacen indistinguible a nivel cuantitativo o de medida. Las anomalías resistivas generadas por el método de PI dependen de la presencia de conductores metálicos e iónicos al mismo tiempo, como en aguas subterráneas o grandes yacimientos de mineral. Si la mineralización se disemina a través de la roca, no puede causar una anomalía. La buena respuesta del método PI para concentraciones diseminadas de minerales conductores lleva al desarrollo de la exploración de metales básicos que pueden ser comercialmente importantes. Los conductores electrónicos naturales incluyen la mayoría de los sulfuros de los metales base, algunos óxidos y el grafito. Este grupo de minerales se llama comúnmente minerales metálicos. Cabe añadir que, al igual que en el resto de métodos de resistividades, el efecto de PI también depende de la porosidad y la saturación de la roca. Métodos básicos de medición. Algunos autores destacan 3 métodos [3], mientras que la mayoría se centran en dos tipos principales: En el método del Impulso Periódico o Dominio del Tiempo., la polarización se detecta como una pequeña corriente amortiguándose (ver Figura 52), que fluye al aplicar una corriente continua, conectándose y desconectándose a intervalos regulares de tiempo. La medida real se hace en términos de los pequeños intervalos de tiempo durante los cuales fluye esta corriente. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 48 Figura 52. Representación gráfica del método del Dominio del Tiempo. Con el otro método, de Frecuencia Variable, se efectúa la medida en términos del efecto producido por el cambio de frecuencia de la corriente aplicada (dominio de la frecuencia), y la polarización en el terreno se detecta por la disminución de la resistividad aparente cuando se aumenta la frecuencia de la corriente aplicada. Técnica de campo. Equipo empleado. En el empleo de cualquiera de los dos métodos destacados se utilizan tanto la calicata eléctrica (trabajos de malla superficial) como el SEV (trabajos verticales), siendo la configuración más utilizada la Dipolo-dipolo. En el que los electrodos de corriente forman el par transmisor, mientras que los de medida forman el par receptor. Para el método del Dominio del Tiempo se inyecta en el terreno un corriente continua durante unos pocos segundos y súbitamente se interrumpe de modo que pueda ser registrada o medida la curva correspondiente a la caída de voltaje. Cuanto mayor es el área determinada, mayor es la polarización que muestra el terreno. Esta técnica utiliza el dispositivo polo-dipolo o un dispositivo trielectródico que consta de dos electrodos de medida de potencial M y N, y un electrodo de corriente A, con un segundo electrodo de corriente B fijado en el “infinito”, como en el caso del dispositivo semiSchlumberger (apartado 2.2. Métodos de potencial inducido o resistividades). La corriente se inyecta por A y B durante un intervalo de entre 1,5 a 20 segundos. Las duraciones varían normalmente entre 3, 4 o 5 segundos. Una vez transcurrido el intervalo de tiempo, se corta la corriente y se registra el voltaje en M y N durante un intervalo de tiempo similar. Se mueve entonces el instrumento de registro al siguiente punto y se inyecta la misma corriente, pero con polaridad invertida, y así sucesivamente. Para el método Frecuencia Variable o Dominio de la Frecuencia se mide la diferencia entre la impedancia a un frecuencia más baja y a otra más alta. En el caso de utilizar el dispositivo Dipolo-dipolo, la distancia entre electrodos, tanto de inyección como de medida, se mantiene fija, mientras que la separación entre ambos pares de dipolos es un múltiplo entero de la longitud del dipolo, desde un mínimo de uno a un máximo de 6 veces. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 49 Se sitúan en el suelo cinco electrodos de corriente igualmente espaciados, proporcionando cuatro pares de dipolos adyacentes, que se mantienen fijos mientras se mueve el dipolo de potencial (medida). Se miden la corriente enviada y el potencial recibido, que, juntamente con un factor dependiente de la geometría del dispositivo, se utilizan para calcular las resistividades aparentes. Esto se hace en las dos frecuencias empleadas, la baja de 0,05 Hz llamada “corriente continua” y la alta de 3,00 Hz o “corriente alterna”. Se pueden emplear otras frecuencias, aunque la escala usual va de 0,01 a 10 Hz. El límite de frecuencia más baja se debe a las corrientes telúricas y a la polarización de los electrodos. Se calcula el porcentaje de la diferencia entre la resistividad aparente para las frecuencias algo bajas y a esa cantidad se le llama efecto porcentual de frecuencia (PFE, siglas en ingés). El llamado factor de conducción metálica (MCF, siglas en inglés) se utiliza para normalizar el PFE para variaciones en la conductividad del suelo y se calcula el MCF dividiendo el PFE por la resistividad aparente de la frecuencia más baja, multiplicándose por 1000. El PFE y las resistividades de la frecuencia más baja se representan gráficamente. La separación entre cada par de electrodos se determina según el objetivo: para investigaciones muy detalladas y superficiales será de unos 15 metros, pudiendo llegar a ser hasta de 300 metros, y ocasionalmente más para trabajos de reconocimiento de malla ancha y gran profundidad, distancias que van de 150 a 3000 metros. En general, cuanto mayor es la longitud del dipolo y la separación entre los dipolos, mayor es la profundidad de penetración y menor la resolución. Ambos métodos dan resultados muy similares, tanto en la delimitación del área mineralizada como en el efecto de P.I. de la masa mineralizada. La conclusión, por lo tanto, es que aunque técnicamente son diferentes, proporcionan los mismos resultados. El equipo utilizado es semejante a un simple equipo de resistividad. Damos una descripción de los instrumentos clásicos para este método. [1] Para el método de Dominio del tiempo en el circuito de corriente se emplea un generador de corriente continua de unos tres amperios y un voltaje de unos 400-600 voltios. Los impulsos se regulan por medio de un contador de tiempo electrónico. El circuito de potencial consta de dos electrodos impolarizables, un circuito de integración, dos amplificadores de corriente continua y un oscilógrafo (registrador). Este oscilógrafo registra simultáneamente la polarización inducida y su integral con relación al tiempo. En el método de Frecuencia variable la energía eléctrica se suministra mediante un motor portátil que arrastra un generador de 1000-1250 W. La segunda pieza esencial es el transmisor, que es capaz de producir corrientes a varias frecuencias; en tercer lugar, el receptor que es un potenciómetro muy estable y sensible, sintonizado a las frecuencias seleccionadas. En los tipos estándar de frecuencia variable estas tres piezas son portátiles y tienen un peso combinado de 50 a 70 kg. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 50 Actualmente, para ambas técnicas existen aparatos que permiten unificar varias de las funciones requeridas, incluso para diferentes métodos de prospección electromagnética tales como resistivímetros, transmisores y receptores, entre otros (ver Figuras 53 y 54). Solo falta añadir los electrodos de corriente y de potencial, así como las bobinas de cable. El equipo humano de trabajo para un terreno de condiciones normales suele estar constituido por tres operarios y un vehículo. Conclusión y aplicaciones. La conclusión sobre dicho método es que, al igual que con el resto de métodos, no es completamente resolutivo por sí solo. Por ello es aconsejable completar la prospección con otros métodos (magnético, gravimétrico, electromagnético y geoquímico), aunque siempre dependerá del problema a resolver. En un principio la técnica se desarrolló para investigar depósitos de tipo porfídico (textura de la roca o yacimiento, de grano fino) y es quizás el único procedimiento seguro de detección de sulfuros diseminados ocultos. Sin embargo, el método también es adecuado sobre sulfuros masivos, contrariamente a lo que se creía en un principio, porque da una mayor respuesta cuanto mayor es el porcentaje de volumen del sulfuro. Normalmente, con suficientes datos geológicos, se pueden separar los efectos debidos a los sulfuros de los otros (arcillas, grafito y magnetita). Hay que tener en cuenta como principal limitación de este método que debido a la contaminación general de las rocas con mineralizaciones sulfurosas, normalmente se observa un sinfín de anomalías, siendo difícil detectar entre ellas las de interés, desde el punto de vista económico. Por ejemplo, una anomalía de PI sobre una acumulación de magnetita se relaciona con una anomalía magnética, o la calcopirita y bornita se pueden confundir por la presencia de pirita, arcillas o grafito. En Hidrogeología su utilidad se restringe, normalmente, a la exploración geotérmica, debido a que el exceso de temperatura genera una excitación en la movilidad iónica, que se traduce en Figura 54. Receptor geofísico multifunción, GDP32”. Peso de 13,70 kg. Figura 53. Transmisor multifunción NT-20 con un peso específico de 5kg. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 51 cambios notorios de la resistividad, los que pueden detectarse mediante la polarización inducida. De la misma forma puede usarse para monitorizar las plumas de contaminación generadas por las explotaciones industriales y mineras. También se utiliza en esta disciplina para la subdivisión de los cortes de rocas sedimentarias complejas, con objeto de separar los colectores en general y los horizontes acuíferos dulces en particular. El empleo de las diferentes técnicas de PI, aplicadas correctamente en cada caso concreto, permite delimitar áreas explotables, cubicar materiales, determinar grados de alteración o mezcla, etc. El conocimiento de la estratificación del subsuelo es crítica para proyectos de ingeniería civil y geotecnia. La PI es una excelente técnica para definir la estratificación del subsuelo debido a las diferentes características de cargabilidad y resistividad de los diferentes suelos. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 52 4.4. Tomografía eléctrica Introducción. La prospección geoeléctrica es una de las técnicas geofísicas más antiguas y ha ido evolucionando en función de las capacidades de los equipos de adquisición y procesado de datos hasta llegar a la tomografía eléctrica. La tomografía tiene por objetivo lo mismo que sus homólogos más clásicos, determinar el valor de la resistividad real del subsuelo a lo largo de un perfil o superficie. Compartiendo los mismos principios que el SEV, se obtienen imágenes resistivas del subsuelo, con la mejora de la obtención de una gran cantidad de medidas, tanto en profundidad como lateralmente, permitiendo además modelado tanto en 2D como 3D. La técnica consiste en la implantación de numerosos electrodos a lo largo del perfil de medida, con una separación determinada que vendrá condicionada por el grado de resolución que se necesite y la profundidad de investigación que se precise. Gracias al empleo de modelos numéricos modernos se permite procesar eficazmente y en un breve espacio de tiempo todo el gran volumen de información (del orden 500 medidas en hora y media). Actualmente, los perfiles de tomografía eléctrica (ERT, siglas en inglés) son los más utilizados dentro de la prospección geoeléctrica en todo el mundo. Cabe destacar que en algunas fuentes bibliográficas se distinguen dos nomenclaturas en función de la disposición de los electrodos en el terreno: “Electrical imaging” o método convencional en el caso de que se dispongan, como ocurre generalmente, en superficie (Figura 55), o “Electrical tomography” si se hallan en el interior de sondeos mecánicos verticales, aunque también se denomina “tomografía cruzada” [35] (Figura 56). Si bien a nivel teórico no existen diferencias significativas entre ambas variantes, en este trabajo solo nos centraremos en la descripción del método convencional, ya que es también la variante más económica, fácil y rápida de implementar en el campo. Figura 55. Esquema del método convencional “Electrical Imaging”. Figura 56. Esquema del método “Electrical tomography” o ”tomografía cruzada”. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 53 Equipo. El instrumental necesario se puede encontrar entre la oferta de distribución de varias compañías internacionales con un precio aproximado de 15.000 dólares, aunque debido a tan alto coste muchas instituciones han adaptado sus antiguos equipos construyendo conmutadores manuales a bajo costo y utilizando cable sísmico como cable multiconector. El sistema que se precisa para la ejecución consta de: - Electrodos: no son más que unas barras metálicas cuyo número variará en función del problema - Cable de gran longitud, con conexiones cada cierto intervalo a fin de poder conectar los electrodos. - Conectores: son unos pequeños cables de cobre con pinzas en los extremos. Son los que se encargan de conectar los electrodos al cable. - Ordenador portátil: en él tenemos el software que nos permite por un lado determinar las variables de trabajo: tipo de dispositivo electródico, número de electrodos, espaciado entre ellos, número de medidas a realizar, etc., y por otro lado procesar y visualizar los resultados obtenidos. - Unidad central (resistivímetro): es el cerebro de todo el dispositivo. Se encarga de ejecutar de forma automática toda la secuencia de medidas predeterminada, verificar el buen estado de las conexiones, así como almacenar digitalmente todos los resultados de campo. - Una batería como fuente de alimentación de todo el sistema. A continuación se puede ver la disposición y conexión en campo de cada uno de los instrumentos (Figura 58). Figura 58. Esquema de la disposición de campo de los aparatos para una medición de tomografía eléctrica convencional. Figura 57. Equipo de trabajo para el método ERT. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 54 Metodología y técnica de campo. Primeramente, como en todo trabajo, se debe planificar la campaña definiendo los aspectos más importantes, tales como el objeto de estudio, el número de perfiles a realizar y su ubicación, profundidad de investigación, los dispositivos electródicos y separación de los electrodos. Así como, hacer un reconocimiento previo de la zona mediante informes geológicos, cartografía topográfica, etc. Se debe intentar que la topografía del terreno sea lo más suave posible, a fin de evitar problemas en la fase de interpretación, del mismo modo que en los métodos clásicos. En cuanto al número de electrodos, éste es muy variable, pero generalmente se utilizan del orden de 50. Estos se disponen de forma equidistante oscilando de 1 a 10 metros. Dos aspectos muy importantes a tener en cuenta son la profundidad máxima de investigación y el área de definición del método, aspectos ambos estrechamente ligados. El campo de definición disminuye con la profundidad, tal como puede observarse en la geometría bajo la línea del suelo en la Figura 55. En consecuencia, a la hora de planificar el trabajo de campo hay que tener presente esta pérdida de definición en los laterales del perfil. En el caso de querer confeccionar un perfil de gran longitud (mediante la unión de varios perfiles individuales), será necesario establecer cierto solape entre perfiles a fin de intentar reducir esta indefinición en los extremos. En cuanto a la profundidad máxima de investigación, ésta depende esencialmente de la longitud del perfil (a mayor longitud mayor profundidad), si bien el dispositivo electródico utilizado y la propia resistividad del terreno también influirá en cierta medida. Los dispositivos habitualmente utilizados en este tipo de estudios son Wenner, Schlumberger, Wenner-Schlumberger (ver Figura 59) y dipolar. La elección del dispositivo, o combinación de ellos, más conveniente para un determinado estudio depende del tipo de estructura a estudiar, del nivel de ruido y de las características del dispositivo, entre las que deben considerarse la sensibilidad del dispositivo ante cambios verticales y horizontales de la resistividad del subsuelo, la profundidad de investigación, la cobertura horizontal y la potencia de la señal. Con todos los electrodos conectados al resistivímetro, y mediante un programa secuencial específico que se crea para cada objetivo, el aparato ordena cuáles deben ser los conjuntos de electrodos que funcionan en cada momento y con qué disposición. De esta manera se obtienen gran número de puntos de resistividades aparentes [15] (ver Figura 60). Figura 59. Esquema del dispositivo Wenner-Schlumberger. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 55 Figura 60. Configuración de electrodos para un estudio 2D y secuencia de mediciones para la obtención de una pseudosección mediante dispositivo Wenner. Una vez terminado el proceso de captura de datos, la información registrada digitalmente se vuelca en el portátil, a fin de proceder a su procesado e interpretación con el programa correspondiente. El programa, una vez definidos los parámetros de estudio, permite visualizar la distribución lateral y en profundidad de todas las medidas a lo largo del perfil, de forma que en función de nuestras exigencias, se puede adecuar la profundidad máxima aparente de investigación eliminando los puntos de medida que se crea conveniente. Para obtener un modelo 2D de resistividades reales a partir de la pseudosección de resistividades aparentes obtenida del terreno se precisará un programa de inversión. Estas técnicas de inversión se basan en realizar todo un proceso iterativo con el que obtener un modelo de resistividades reales, tal que el modelo de resistividades aparentes que se genere sea lo más similar posible a la pseudosección de resistividades aparentes medida en el campo. Las técnicas de inversión que existen hoy en día se puede clasificar en dos grupos: Block inversion method y Smoothness-constrained inversion method. Además de las cuestiones de implementación y funcionamiento interno, el aspecto diferenciador más significativo entre estos dos métodos de inversión reside en el tipo de problemas en el que cada una de estas técnicas es más eficiente. Sin embargo, no entraremos en detalle ya que no compete a este trabajo. Finalmente, se procede a la interpretación de los resultados, que constará de una pseudosección de resistividades aparentes medida en campo, un modelo de resistividades aparentes calculado por el software, y el modelo de resistividades reales. Estos resultados deberán ser contrastados entre ellos y comparados con la información recopilada previamente a la operativa, dando lugar a la interpretación geológica de una sección distancia-profundidad con la distribución de la resistividad real del subsuelo (Figura 61). ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 56 Figura 61. Ejemplo de una interpretación geológica de la distribución real de resistividades. Conclusión y aplicaciones. El método de prospección geofísica mediante tomografía eléctrica se manifiesta, en definitiva, como un método de prospección rápido, limpio (no invasivo) y que nos permite actuar en tiempo real para resolver cualquier tipo de contratiempo o cambiar el planteamiento inicial. Y además de la información directa, está la optimización del resto de la campaña de reconocimiento, permitiendo saber a priori dónde va a ser más interesante realizar los distintos perfiles y cualquier otro tipo de sondeos complementarios. Al igual que sus homólogos clásicos, la tomografía eléctrica ofrece enormes posibilidades de aplicación en el ámbito de la prospección geológica, la geotecnia y la hidrogeología, pero con mayor capacidad resolutiva. Para esta última disciplina, permite definir localizaciones de zonas de extracción de agua de abastecimiento, entre otros. El modelo de respuesta geofísica que cabe esperar en este caso, por la presencia de agua, son anomalías negativas (valores de resistividad bajos). Sin embargo, cuando existen diferentes unidades detríticas, aunque sean todas ellas porosas y permeables, suelen manifestarse ligeras variaciones de resistividad debidas a la presencia de niveles con más matriz arcillosa. Esta matriz disminuye la porosidad total reduciendo, consecuentemente, el contenido en agua, aspecto que no puede ser discernido y que resulta la principal limitación de esta técnica. En geología, dentro de las técnicas de resistividad, es muy empleada para la correlación litológica, detección de fallas y la auscultación de cavidades. Se presenta como una herramienta muy eficaz aunque con limitaciones que han de ser estudiadas antes de diseñar la campaña. En geotecnia, de la misma manera se requiere generalmente de la combinación de técnicas de escáner de grandes superficies (técnicas 2D, pseudo-3D y 3D) con prospecciones puntuales. A modo de comparación con el método Georadar (técnica que está suponiendo una gran revolución en el ámbito de la geotecnia), la tomografía eléctrica alcanzaría, aunque con menor resolución, objetivos más profundos. A continuación se enumeran un gran número de aplicaciones, algunas de ellas ya mencionadas: ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 63 Figura 71. Ejemplo de las diferentes sensibilidades que presentan el dipolo vertical y el horizontal. En el caso de inducción EM, el aspecto más importante consiste en escoger el equipo de medida adecuado, ya que condicionará la profundidad de investigación. La metodología de campo vendrá determinada tanto por la técnica como por el aparato, ya que en función de un método u otro, se irán modificando tiempos o frecuencias. Finalmente, a la hora del procesado de datos, hay que tener en cuenta que los instrumentos de medida ya proporcionan directamente la conductividad aparente del terreno, y el consiguiente trabajo de interpretación se reduce a la detección de áreas en donde se produzcan incrementos anómalos de conductividad, los cuales pueden generar cierta ambigüedad en su origen. Tal como se apuntó al inicio del capítulo, el método de inducción EM es muy adecuado para trabajar desde el aire. Se llevaba a cabo originalmente fijado a un ala del avión, pero actualmente es más común su uso en helicópteros, el cual se puede adaptar mejor a la desigualdad del terreno mientras vuela cerca del suelo. Las bobinas transmisoras y receptoras van montadas en posiciones fijas en el avión o en un remolque, usando una configuración similar a la de los magnetómetros en vuelo (ver Figura 72). Alternativamente, el transmisor puede estar en el avión y el receptor en el remolque u otro avión. El incremento de la separación entre el transmisor y el receptor permite mayor profundidad de penetración. Sin embargo, en vuelo, el remolque se balancea y cabecea alterando la separación y el paralelismo de las bobinas, así que normalmente nos es útil la componente cuadrática. Figura 72. Configuración de las bobinas en toma de datos de vuelo EM. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 64 Los patrones de vuelo consisten en perfiles paralelos transversales al terreno, líneas trazadas a alturas alrededor de 100 metros por encima del terreno con avioneta, y a 30 metros con helicóptero. Cuando se detecta una anomalía desde el aire, a continuación se investiga más a fondo con un método de inducción EM en superficie. Equipo. La diferencia más significativa del método EM con respecto a las técnicas que se han descrito en este trabajo, es la no utilización de electrodos. Dentro de la diversidad instrumental, el equipamiento básico consta de: - Una bobina emisora, que es la encargada de emitir el campo electromagnético primario. - Una bobina receptora, con la que captaremos el campo electromagnético secundario, permite la detección de la dirección e intensidad de dicha señal secundaria. - Una o varias (según modelo) consolas o registradores digitales, en donde podremos almacenar digitalmente los datos, así como fijar los parámetros de estudio (ver Figura 73). En función del instrumento de medida, la separación entre bobinas (parámetro que condiciona la profundidad de investigación) será una variable de estudio que podrá ser modificada durante la campaña de campo, o por lo contrario será un parámetro invariable. Por lo tanto, en función del modelo escogido podremos trabajar con más o menos niveles de profundidad de investigación (ver Figura 74). Se debe tener en cuenta la diferenciación entre aparatos para prospecciones de superficie y aéreas. Existe una gran variedad de emisores en función de la profundidad de penetración que se requiera. Tanto emisores como receptores, son en su totalidad aparatos multifunción que nos permiten trabajar con diferentes técnicas y métodos de prospección. Figura 73. Detalle de la consola del EM-31. Figura 74. Modelo Geonics EM-31. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 65 Conclusión y aplicaciones. TEM tiene aplicaciones similares a FDEM. La ventaja del TDEM radica en su capacidad para determinar las profundidades y cartografiar características mucho más profundas. Los trabajos con FDEM son recomendables para la exploración de grandes superficies. El método TEM es una poderosa herramienta para la cartografía de capas conductivas y más comúnmente usado para la detección de depósitos de grava y arena, capas arcillosas que restringen el flujo de agua, detección de intrusiones salinas, etc. Las ventajas que presenta el método de inducción EM frente a los de prospección eléctrica son: - La no utilización de electrodos la convierte en una técnica eficaz en terrenos muy resistivos, en los que ni el uso del método del potencial espontáneo ni el de resistividad eléctrica son factibles. - Es un método de gran resolución horizontal, aspecto que le convierte en una técnica ideal para estudios a gran escala. - Es un método no destructivo. En cuanto a las limitaciones del método, tenemos una baja resolución vertical general; y para el FDEM una gran sensibilidad a los ruidos generados por la presencia de campos electromagnéticos externos (tuberías, líneas de alta tensión, etc.). Generalmente las técnicas de inducción EM se utilizan fuera de áreas urbanas. Se debe diferenciar de nuevo, entre las aplicaciones por prospección en superficie o vuelo aéreo. Las aplicaciones más comunes para prospección superficial EM, que se utilizan en muchos casos como sondeos verticales aplicando los mismos principios que en SEV, son: - Estudios geotécnicos - Estudios de contaminación de suelos. - Localización de acuíferos, detectando la presencia de agua. - Estudios sobre la intrusión salina. - Cartografía de recursos mineros que presentan conductividad eléctrica, tales como yacimientos masivos de sulfuros. - La detección de objetos metálicos. - Cartografía de permafrost y otros rasgos geológicos. - En aplicaciones medioambientales se usa normalmente para localizar tuberías enterradas que contengan fluidos o gases. - En la disciplina de geotermia se aplica para cartografiar el contraste conductivo asociado a los recursos geotérmicos. - Exploración de hidrocarburos. Los vuelos EM tienen la ventaja de poder llegar a cualquier lugar, buenos tiempos de respuesta de los campos EM que permiten la detección tanto de malos como buenos conductores, generación y entrega casi sin postprocesado de datos. Algunas de las aplicaciones son las descritas a continuación: ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 66 - En exploración minera se utiliza para la cartografía de suelos que contienen minerales como el oro, cobre, hierro, diamantes y manganeso. Últimamente, se está extendiendo su uso para la exploración de uranio. - Detección de fracturas geológicas y estructuras como paleocanales. - En hidrogeología, detección del contraste resistivo entre el agua y la geología que la rodea. - Para gestión medioambiental, también se utiliza para cartografía de la salinidad en tierras secas. Las aplicaciones principales para el método VLF, que emplea bajas frecuencias, no difieren demasiado de los dos casos anteriores (EM superficial y aéreo): - Localización de aguas subterráneas. - Detección de fallas y zonas de fractura en el terreno. - Apoyo en la selección del punto de perforación. - Localización de minerales por su alta conductividad. - Detección de cables y tuberías enterradas - Detección de cavidades. Queda por destacar un método particular que recibe el nombre EM Downhole [38]. Consiste en la generación de un campo EM por un transmisor en superficie de 25 o 30 Hz, y la respuesta EM secundaria proveniente del cuerpo conductor se mide a través de tres sondeos realizados a cierta profundidad. El campo secundario se genera debido a los cuerpos conductores, o bien si el objetivo se encuentra en una roca conductiva. Si se encuentra un conductor, la bobina transmisora puede ser reposicionada sobre el objetivo conductivo para generar una fuerte respuesta electromagnética. Las medidas se realizan de entre cada 5 a 25 metros en función de la longitud total, que puede llegar hasta 2000 metros. Las aplicaciones en exploración minera son para ayudar a localizar los objetivos de materiales conductores que pueden haber sido perdidos por un agujero de perforación. Dichos materiales incluyen metales ferrosos como el níquel y cromo, y cuerpos masivos de mineral de sulfuro. También se utilizan para la detección de aguas subterráneas, la localización de peligros contaminantes enterrados y sumergidos en aguas, y la definición de la estructura litológica del subsuelo. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 67 5.2. Sondeo magnetotelúrico Introducción y consideraciones. El método magnetotelúrico (MT) es un método electromagnético de fuente natural que consiste en medir desde la superficie del terreno las fluctuaciones de los campos EM naturales (tormentas eléctricas entre otros) y determinar la distribución de la resistividad eléctrica del subsuelo, utilizando por lo general frecuencias muy bajas que permiten investigar a grandes profundidades (desde decenas de metros hasta centenares de kilómetros). El campo electromagnético natural se origina en la ionosfera y se refleja parcialmente en la superficie terrestre, y el resto se transmite hacia el interior. Esto ocurre repetidamente, por lo que los campos tienen una fuerte componente vertical y pueden ser considerados como una propagación vertical de ondas planas en un amplio espectro de frecuencias. Estos campos, los campos primarios (Hp), penetran en el suelo e inducen corrientes telúricas, los cual genera un campo magnético secundario (Hs) (ver Figura 75)[26]. Figura 75. Esquema simple sobre el funcionamiento de la inducción electromagnética: Hp, campo magnético primario y Hs, campo magnético secundario. El registro del campo magnético consiste en una parte externa de la ionosfera y una parte interna relacionada con la distribución de la corriente inducida. Estos componentes se deben separar analíticamente. Los registro eléctricos y magnéticos contienen numerosas frecuencias, algunas de la cuales son simplemente ruido y otras son de interés geológico. El método proporciona información de la conductividad sobre mayores profundidades que los métodos de inducción por fuentes artificiales. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 68 Metodología y equipo empleado. Así pues, la configuración de datos de un ejercicio MT consiste en el registro continuo de dos componentes eléctricas y tres componentes del campo magnético durante un intervalo largo de observación que cubre desde algunas horas a días. Las corrientes telúricas son detectadas con dos pares de electrodos, normalmente orientados norte-sur y este-oeste. Se miden entonces tres componentes del campo magnético: la componente vertical y una componente horizontal paralela a cada una de las componentes telúricas (Figura 76). Como conclusión, se requiere un procesado de datos muy sofisticado, que implica el análisis y filtrado de la señal. La interpretación de los datos MT se basa en el método inversión. Que consiste en una aproximación directa para resolver la distribución de la conductividad. Se asume un modelo de conductividad y se compara la respuesta teórica con la respuesta real. Los parámetros del modelo se ajustan mediante iteraciones hasta obtener el mejor ajuste con las observaciones. Como en el caso del SEV con las corrientes directas, el método de inversión busca una solución al problema de la inducción EM usando el espectro de frecuencias de las observaciones para establecer la distribución de la conductividad. Resultarán de este proceso unos modelos de resistividad eléctrica, como los perfiles obtenidos mediante tomografía eléctrica (ver Figura 77). Figura 76.: Esquema de la disposición de los instrumentos de medida ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 69 Aunque el sondeo MT puede llevarse a cabo entre los rangos de frecuencia auditiva y subauditiva (de 10 a 104 Hz), su principal aplicación es determinar la conductividad a grandes profundidades usando frecuencias muy bajas, por debajo de 1 Hz. El equipo de medida para llevar a cabo la prospección EM consta, tal como se puede observar en la figura 76, de 4 electrodos impolarizables, un magnetómetro, un dispositivo de adquisición de datos o unidad central y un PC para el procesado de datos (Figura 78). Conclusión y aplicaciones. Una limitación del método es la dificultad instrumental o práctica de realizar una rápida lectura de las variaciones del campo magnético. Utilizando largos periodos del rango de 10 a 1000 segundos, se pueden alcanzar grandes profundidades, lo que lo convierte en un método importante para la investigación de la estructura de la corteza y el manto superior. No es un método muy extendido en el continente americano, se utiliza más tradicionalmente en Europa y Rusia sobre todo para la prospección petrolífera. Figura 78. Unidad central que permite la adquisición de datos para sondeos magnetotelúricos. Figura 77. Ejemplo de perfil resultado de un sondeo MT. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 70 Finalmente, se enumeran a continuación algunas de las aplicaciones más comunes para este método: - Definición de los contactos entre los materiales del subsuelo. - Detección del nivel freático. - Identificación de zonas fracturadas y discontinuidades. - Localización de zonas contaminadas. - Definición de las zonas afectadas por intrusión salina. - Estudios geotérmicos. - Localización y monitoreo de reservas geológicas para almacenamiento de CO2. Existen unas variantes del método MT que simplemente nos limitaremos a citar como referencia para posibles consultas de los lectores: la técnica Audio MT y la CSAMT (Controlled Sourse Audio-Frequency MT). ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 71 5.3. GPR. Introducción. El Georradar o GPR (siglas en inglés de Ground Penetrating Radar) es un método de prospección geofísica basado en la emisión de impulsos EM de corta duración mediante una antena emisora. Parte de la energía se refleja el resto continua su camino. Disponiendo de una antena receptora en la superficie es posible detectar estas reflexiones. Al ir desplazando las antenas sobre la superficie, se va registrando el conjunto de reflexiones producidas, con lo que se obtiene una imagen bidimensional del histórico de reflexiones bajo la línea de desplazamiento de las antenas. La resolución y profundidad de la investigación dependen de la frecuencia utilizada por la antena: generalmente se trabaja en la banda de UHF-VHF, entre 10 MHz y 3 GHz. Las antenas de alta frecuencia ofrecen imágenes de alta resolución y las de baja frecuencia ofrecen mayor profundidad de penetración, pero menor resolución. Consideraciones. Ciertas consideraciones teóricas sugieren que las ondas EM de alta frecuencia viajan por el terreno de manera análoga a las ondas sísmicas. En lugar de estar determinado por parámetros elásticos de las propiedades dieléctricas del terreno. Por ello, se ha desarrollado una rama relativamente joven de la geofísica para investigar las estructuras subterráneas con GPR. El GPR hace uso del principio del “eco” usado en la sísmica de reflexión. Un pulso muy corto de radar, del orden de unos nanosegundos, que se emite por una antena móvil puesta en la superficie del terreno. La trayectoria de la señal se puede trazar como si fuera un rayo a través del terreno, la cual experimenta refracciones, reflexiones y difracciones en los límites donde la constante dieléctrica cambia. Una segunda antena, el receptor, se localiza cerca del transmisor, como en el caso de la sísmica de reflexión, para recibir reflexiones verticales de discontinuidades del subsuelo. Las técnicas de procesado de la señal de la sísmica de reflexión también pueden ser aplicadas a la señal de georadar para ayudar a minimizar los efectos de difracción y otros ruidos. Consecuentemente, el método GPR proporciona un dibujo detallado de la estructura del subsuelo a poca profundidad (pseudosección o perfil de ejes profundidad-distancia) (Figura 79). ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 72 Figura 79. Ejemplo de perfil obtenido con GPR. Las señales de alta frecuencia se atenúan rápidamente con la profundidad. La propagación geométrica de la señal hacia el exterior desde la fuente causa una disminución de la intensidad en función de la distancia. Más importante es la absorción de la señal por la materia del suelo, que varía en función de la su conductividad. Dependiendo de la composición del suelo o rocas (por ejemplo, arcillas o aguas subterráneas), la naturaleza de las estructuras del subsuelo y de la frecuencia de la señal de radar, la penetración efectiva puede llegar a 10 metros, aunque las condiciones generalmente la limitan a unos pocos metros. Sin embargo, a una frecuencia de radar de entre 108 y 1019 Hz, cuya velocidad es de 108 m/s, la resolución será del rango de 0,11 metro. Así pues, a pesar de estar limitada la profundidad de penetración, la alta resolución del georadar hace de ello una herramienta poderosa para la exploración geofísica de superficie. Instrumentación. El típico sistema GPR está comprendido por 5 componentes principales, los cuales interactúan y comunican entre sí dependiendo de sus respectivas funciones. La distribución de cada uno de los componentes depende del sistema y su aplicación, en algunos casos dos o más de los componentes puede combinarse y funcionar como una unidad física. A continuación se describe cada uno de los elementos del método: - El codificador es en general un dispositivo mecánico (ver Figura 80), el cual mientras está midiendo la distancia recorrida por el área de objeto, inicia la serie de impulsos de radar para unas distancias predeterminadas. En algunos casos se utiliza un sistema GPS en el codificador para determinar la geolocalización y monitorizar las distancias. Figura 80. Codificador. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 79 Figura 96. Ventana Information que posibilita la edición del contenido del archivo. Nos aparecerá a continuación la Curve Window junto con la Pseudo-cross section and resistivity section y la Model Window (Figura 97). Figura 97. Interfaz de usuario que presenta las diferentes representaciones que permite IPI2Win de un Sondeo Eléctrico Vertical Aproximación. La curva teórica para el modelo analizado se representa gráficamente con línea roja en la ventana de la Curva de resistividad. El valor del error de ajuste representa la diferencia relativa entre las curvas teórica (roja) y práctica (negra) para el sondeo analizado y los parámetros de su modelo. Como se puede observar, en la ventana de Modelo, aparece un ajuste a 5 capas a un error de ajuste de 0.577%. Esta definición, por defecto, se puede ajustar manualmente desde la ventana de Curva de resistividad aparente (ver Figura 98). Lo que ajustamos gráficamente mediante la línea azul en este caso son los parámetros del modelo (valores de resistividad espesores, etc.), los cuales repercutirán en los valores de la ventana Modelo cambiando los parámetros de profundidad (h, d y Alt) y resistividad. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 80 Figura 98. Ventanas del Modelo y de la Curva que permite el ajuste de los parámetros. Se observa como el error de ajuste aumenta a 9.29%. Llegados a este punto, se debe comparar el modelo que nos propone el programa con los datos recogidos anteriormente, ya que es posible que un ajuste para 5 capas este totalmente fuera de lugar. El software nos permite, en este caso, realizar modelizaciones automáticas hacia el mínimo de capas (Figura 99). Figura 99. Herramienta de la barra de tareas que ejecuta un modelo automático con la condición del mínimo de capas posibles. Lo que nos generará el siguiente modelo de la Figura 100, ajustándolo a tres capas con un error 1.1%. Figura 100. Nuevo modelo de corte geoeléctrico con los nuevos parámetros. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 81 En este nuevo modelo se puede comprobar como una misma curva práctica puede suponer un sinfín de modelos que pueden llegar a diferir unos de otros de manera muy dispar (ver Figura 101). De esta manera se podrían seguir generando, tanto automáticamente como manualmente, en función de nuestro criterio cualquier modelo geológico. Interpretación. Conclusión. El software cuenta con una gran variedad de herramientas que permiten al profesional valorar y trabajar de la mejor manera posible sobre los datos de campo. Desde cambiar el número de capas, las propiedades de cada capa, limpiar puntos del modelo, hasta ajustes automáticos y semi-automáticos, etc. Concluimos con la interpretación del corte geológico inicial (Figura 98), debido a que es el modelo que más se corresponde con la realidad, en el que nos encontramos con el fenómeno descrito en la teoría como Principio de equivalencia (Capítulo 4.1, página 37). La curva de resistividad aparente en un primer momento se define como del tipo X. Sin embargo, los resultados obtenidos, junto con los datos previos, indican un corte geológico de 5 capas, definidas 4 de ellas con un espesor determinado y la última con espesor desconocido. Nos encontramos con una primera capa de unos 30 metros de espesor más resistiva que las posteriores, característica de encontrarnos con un suelo seco que dificulta el paso de corriente inicial. A continuación, se observa 3 capas de menor resistividad pero con valores muy semejantes entre sí (Principio de equivalencia), pero de espesores cada vez mayores. Y finalmente, una capa más resistiva que las capas 2, 3 y 4, aunque el valor de la resistividad no es significativo. (Ver Figura 102). Tal como se puede comprobar después de estas conclusiones, la experiencia del interpretador y el conocimiento de la geología del terreno suelen ser de mayor importancia que la precisión de los cálculos. Figura 101. Comparación de las características de cada uno de los ejemplos. Figura 102. Ventana modelo de la interpretación correcta del ejercicio. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 82 CONCLUSIONES Al fin comprendidas, en pequeña medida, las diferentes disciplinas de la prospección geofísica destacadas en este proyecto, se debe estar capacitado para poder decidir, en ciertos ámbitos de aplicación, el método adecuado de trabajo. Siendo la premisa extraída más importante, el hecho de la necesidad, prácticamente obligada, de utilizar diversos métodos y técnicas para un solo objeto de trabajo. Por lo que podemos extraer las limitaciones y ambigüedades de cada método, en relación con las complicaciones de implementación, las profundidades de penetración, la resolución eficaz del área de trabajo, la instrumentación y operario requerido para cada método, la dificultad de interpretación de los resultados obtenidos, tanto cualitativa como cuantitativa, así como la inversión económica (dinero y tiempo) que supone todo el conjunto para cada objeto de proyecto. Siguiendo la clasificación de este trabajo, se puede distinguir entre métodos de potencial natural, potencial inducido, electromagnéticos naturales y electromagnéticos inducidos. Entre todos ellos, se puede hacer una diferenciación de las técnicas clásicas y las más modernas. Destacar la utilización, todavía extendida, tanto de los métodos más clásicos (el SEV o las CE), como de los métodos más avanzados (ERT o GPR), pues como se acaba de resaltar, todos suelen ser insuficientemente resolutivos de manera independiente. Siempre teniendo en cuenta los factores principales, tales como el objeto de estudio, topografía del terreno, temperatura, humedad, ruido externo, disponibilidad de equipo necesario, etc. Se debe señalar también el rumbo que están tomando los avances tecnológicos sobre estos métodos de prospección, siendo GPR el método a la cabeza en temas de resolución, profundidad relativa, posibles aplicaciones, coste, y sobre todo gracias a su simplicidad operacional. Finalmente, en referencia al ejercicio práctico de un SEV, se debe señalar la necesidad interpretativa del profesional. Primero, por el conocimiento que solo el operario puede tener de la zona de estudio, y segundo, por la importancia de decidir el desenlace de ese estudio. ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMÁGNETICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO 83 BIBLIOGRAFÍA Libros: [1] Cantos Figuerola, J. Tratado de geofísica aplicada. 3ªEd. ETS de ingenieros de Minas, Madrid, 1987. [2] Dobrin, M. B. & Savit, C. H. 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