EXPLORACIÓN DE AGUA SUBTERRÁNEA

Detección de Aguas Subterráneas.

-Para detectar la presencia de agua subterránea es necesario:

Utilizar conocimientos de Hidrología Superficial apoyándose en la Cartografía.

Información satelital de la región de interés junto con mapas topográficos.

Reconocimiento de campo terrestre y aéreo.

El conocimiento y experiencia en la región de estudio.

-Para confirmar la presencia del agua subterránea: Es indispensable emplear métodos

directos e indirectos en campo:

DIRECTOS: Geológicos. Basado en la identificación de rocas, sedimentos y

fracturación en rocas.

INDIRECTOS: Geofísicos. Se basa en aplicar corriente u ondas al subsuelo.

Se complementa con Perforación de pozos de exploración utilizando diversos métodos

según el material del lugar, profundidad y tipo de acuífero.

Método DIRECTO: este proceso se apoya con el estudio de la cuenca hidrográfica.

1. ROCAS ÍGNEAS

Las rocas ígneas (intrusivas y extrusivas) son permeables en las zonas donde las fisuras

están abiertas. Normalmente el ancho de las fisuras y la permeabilidad decrecen con la

profundidad.

Las rocas intrusivas duras (por ejemplo, el granito), que son ricas en cuarzo, son propensas

a sufrir fisuración. Mediante meteorización mecánica éstas crean aluviones arenosos que

son permeables en la superficie; mientras que las rocas pobres en cuarzo están sujetas a la

meteorización química, generando así minerales arcillosos, que son menos permeables y a

menudo obturan las fisuras de la roca subyacente.

Las rocas volcánicas (extrusivas) habitualmente contienen fracturas que se originan a partir del enfriamiento de la lava. Durante el flujo de lava se crean zonas fracturadas permeables que se extienden horizontalmente, tanto en la superficie como en el fondo. Estas se convierten generalmente en acuíferos importantes y se localizan en los extensos sistemas de flujo de lava de las mesetas basálticas.

2. ROCAS SEDIMENTARIAS Según sus propiedades hidrogeológicas, existe una gran variedad de rocas sedimentarias, y forman los acuíferos más importantes. Pueden presentar varios tipos de intersticios y poseen un rango muy grande de permeabilidad. El flujo subterráneo en las rocas sedimentarias depende de la composición de la roca, la litología y las facies de la secuencia sedimentaria completa, esto es, del tamaño de grano y de la composición horizontal (lateral) y vertical. Generalmente la permeabilidad del sedimento en la dirección horizontal (lateral) es de magnitud mayor que la de la dirección vertical. En las rocas sedimentarias consolidadas el flujo subterráneo también depende del proceso de fisuración. Las rocas arcillosas, las margas y las pizarras generalmente presentan una permeabilidad hidráulica muy baja. Esta es la razón por la que generalmente dan lugar a los Acuicludo que se forman entre acuíferos. Las rocas carbonatadas (calizas y dolomías), que generalmente están karstificadas, forman excelentes acuíferos. El dióxido de carbono del agua disuelve la roca, amplia las fisuras y crea cavidades kársticas con secciones generalmente grandes. Las rocas sedimentarias muy solubles (evaporitas), que incluyen el yeso, la anhidrita, el cloruro sódico (halita), y otras sales si entran en contacto con el agua subterránea rápidamente se forman enormes cavidades kársticas.

Sedimentos no Consolidados. Están formados por varios tipos de grava, arena y arcilla. Estos sedimentos se presentan como aluviones en los valles fluviales, sedimentos lacustres en las cuencas lacustres, o sedimentos de plataforma a lo largo de la costa. En lo general forman excelentes acuíferos, y muy eficientes. También se encuentran en forma de sedimentos deltaicos, sedimentos de los abanicos aluviales de las depresiones intramontañas.

3. ROCAS METAMORFICAS. El metamorfismo es el cambio físico o químico en una roca. Las rocas son permeables en donde las fisuras están abiertas. Estas rocas se forman por meteorización a ciertas profundidades. Los gneis ácidos que contienen cuarzo (ejm El granito) dan lugar a aluviones arenosos. Las calizas son propensas a sufrir karstificación. MÉTODOS INDIRECTOS: METODOS GEOFISICOS. Es una Combinación de la Física y la Geología.

Un Resumen de los métodos geofísicos más comunes se anota en la tabla siguiente:

1. Métodos Geoeléctricos

Los métodos de resistividad estudian, por medio de mediciones efectuadas en superficie, la

distribución en profundidad de alguna magnitud eléctrica de los materiales del subsuelo.

Todos los métodos de resistividad / conductividad para la localización de aguas

subterráneas, dependen de la correlación de las propiedades eléctricas del subsuelo con la

presencia de aguas y su interacción con las rocas que la contienen.

Resistividad eléctrica del subsuelo. Las medidas de resistividad eléctrica del subsuelo es algo común en las prospecciones

geofísicas. Su finalidad es detectar y localizar cuerpos y estructuras geológicas basándose

en su contraste resistivo.

El método consiste en inyectar corriente continua o de baja frecuencia en el terreno

mediante un par de electrodos y obtener mediante otro par de electrodos la diferencia de

potencial eléctrico.

De manera que, la resistividad eléctrica de un material describe la dificultad que encuentra

la corriente a su paso por él. Por lo que, la resistencia eléctrica que presenta un conductor

homogéneo está determinada por la resistividad del material que lo constituye y la

geometría del conductor.

De ahí que, para un conductor rectilíneo y homogéneo de sección s y longitud l, entonces

la resistencia eléctrica es:

La unidad de resistividad en el Sistema Internacional es: ohm por metro (Ω-m).

A partir de esa ecuación se despeja la resistividad:

Por otra parte, La conductividad se define como el inverso de la resistividad.

su unidad es el S/m (siemens por metro) o Ω-1·m-1

La resistividad es una de las magnitudes físicas con mayor amplitud de variación para diversos materiales. Su valor depende de la temperatura, humedad o presión. La resistividad de las rocas puede variar en margen amplísimo en función del contenido en agua, de la salinidad de ésta y del modo de distribución de los poros. La Figura sig presenta un gráfico de los márgenes de variación más comunes en algunas rocas y minerales. La fisuración, impregnación en agua salada, etc., pueden extender estos límites.

Diagrama indicando el Flujo eléctrico en el subsuelo:

El equipo se conforma por: BATERIA de 12 V en serie con un convertidor de 250 W de

potencia. Miliamperímetro para medir la Intesidad de la Corriente, y el MiliVoltimetro de alta

impedancia para medir la diferencia de Voltaje entre MN. El equipo incluye electrodos

(varilla), y cable que puede ser rollo carrete de 500 m.

El trabajo de Campo puede realizarse utilizando: El criterio de Schlumberger, o el criterio

de Wenner. En ambos se inyecta una corriente I (hasta de 15 Hz) por los electrodos A y

B y se mide el diferencial de voltaje entre los electrodos M y N.

Configuración por Schlumberger. Debe cumplirse que: la distancia que separa a AB

debe ser igual o mayor que 5MN, según la figura siguiente:

En el caso de la Configuración Wenner. Los electrodos se mantienen a igual distancia,

de acuerdo a la siguiente figura:

La corriente se genera con una batería y se transmite a través de cables aislados

dispuestos sobre el suelo, y se conectan a electrodos (varillas de cobre o acero) que se

clavan para cerrar el circuito eléctrico. Con otros dos electrodos independientes se mide la

tensión resultante a través de un voltímetro.

Por lo tanto, al introducir la corriente electrica y midiendo el diferecial del voltaje en M y N,

considerando un medio circulo en el subsuelo, la Resistividad del material es representado

por la siguiente Ecuación General:

Obteniendo así la Resistividad aparente (ρa). En donde el valor de K se denomina constante

Electrodica, y dependerá de la configuración de los 4 electrodos, ya sea por el criterio de

Schlumerger, o el de Wenner, señalados anteriormente.

En Schulmerger el valor K es: Para Wenner el valor de K es:

El Método de Resistividad presenta su interpretación en 2 Modalidades o Estrategias para

deducir la estructura del subsuelo con una serie de medidas sucesivas:

Obteniendo Calicatas eléctricas

Obtener los Sondeos Eléctricos Verticales (SEV)

Las Calicatas (o exploración del subsuelo) cartografían el subsuelo determinando la

resistividad aparente (ρa) en una profundidad constante. Para ello se recorre la zona de

investigación con el arreglo constante de electrodos, es decir con AB y MN constantes,

según la figura siguiente:

El arreglo anterior sirve para investigar las variaciones laterales del subsuelo a la misma

profundidad, permitiendo determinar cualitativamente la forma de las estructuras

subyacentes a esa profundidad. Esto es lo que se conoce como Calicata eléctrica.

El Sondeo eléctrico Vertical (SEV): Los SEV por su parte, consisten en determinar la variación vertical de la resistividad con la

profundidad en un punto O ubicado en el centro de AB. Esto se logra variando la separación

de los electrodos de corriente AB varias veces desde dicho centro, de modo que la corriente

penetre al subsuelo cada vez a mayor profundidad.

Los sucesivos valores de Resistividad (ῤ) corresponden a distintas profundidades, siempre

bajo el punto central. Esto se realiza manteniendo fijos los de potencial MN.

La figura siguiente muestra líneas de corriente en un caso de 2 capas:

Al separar más las posiciones de A y B, la corriente va penetrando en las

Capas más profundas:

Los valores de resistividad aparente se representan en función de AB/2 y la constante

geométrica (k), y se lee la diferencia de potencial ∆V en mV (electrodos MN). Los valores

se desglosan en una tabla y se calcula la resistividad aparente (ρa en ῼ-m): graficándose

los valores del SEV en una gráfica logarítmica doble (log-log). Esta curva es la que se

interpreta para obtener posibles rocas, espesores del estrato.

La forma de las curvas graficadas del SEV, provee información sobre la cantidad de estratos

en cuestión, pues cada cambio importante de pendiente o los máximos y mínimos, implican

distintos estratos.

Para un Corte del subsuelo de 2 capas geoeléctricas tendremos solamente las dos

posibilidades de curvas, siendo del tipo (a) o (b):

En el caso (a): ρ1 < ρ2

Sin embargo, el caso (b) mostrado en la figura siguiente, es: ρ1 > ρ2 de ahí que la forma

de la gráfica del SEV es la mostrada en (b).

ρ1 = 100 ῼ-m (Arenas)

ρ2 = 20 ῼ-m (Limos), ver tabla anterior y grafica de rangos de resistividades.

Interpretando el SEV. – Derivado del estudio de campo –

Caso: 2 CAPAS

La interpretación de un SEV implica determinar el valor verdadero de la resistividad y la

profundidad de cada estrato. En seguida observe que la primera grafica es la curva

de campo (SEV), y la de abajo es el apoyo de las curvas patrón de 2 capas.

Las graficas de la pagina siguiente son las curvas modelo (curvas patrón) para 2 capas.

Procedimiento de Interpretación del SEV –utilizando superposición de curvas-

Tratando de describir el procedimiento para la interpretación de un Sondeo Eléctrico Vertical

(SEV), tenemos lo siguiente:

1.- Dibujar los valores de la curva de campo del SEV (AB/2 - ρa) en una escala o papel doble logarítmico. 2.- Superponga la curva de campo-SEV sobre la curva patrón correspondiente. Efectuar este procedimiento previendo siempre que los ejes de ambas curvas sean paralelos entre sí hasta lograr el mejor empalme o superposición con alguna curva patrón. 3.- La resistividad real del estrato superior (ρ1) se leerá en la curva de campo-SEV al nivel que marque el eje de las abscisas de las curvas patrón. 4.- La curva patrón que haya coincidido marcará la relación ρ2/ρ1 =μ para que de ahí se despeja el valor de ρ2 = μ ρ1. 5.- Finalmente, el espesor del estrato superior (h1 = mts) se leerá en el eje de las abscisas

de la curva de campo-SEV al nivel que marque el eje vertical de las curvas patrón.

Explicación del Caso: corte de 3 Capas.

Al considerar que bajo las dos capas del ejemplo anterior existe una tercer capa o estrato

es porque el flujo eléctrico inyectado circula a suficiente profundidad.

Entonces al graficar los datos de campo para obtener la curva del SEV, dicha curva tendrá

sólo 4 posibilidades de ser algo similar a los tipos de curva H, K, A y Q siguientes:

CURVA TIPO H: La segunda capa es la menos resistiva de las tres, = ρ1 > ρ2 < ρ3

CURVA TIPO K: La segunda capa es la más resistiva de las tres, = ρ1 < ρ2 >ρ3

CURVA TIPO A: La resistividad va aumentando con la profundidad, = ρ1 < ρ2 < ρ3

CURVA TIPO Q: La resistividad va disminuyendo con la profundidad, = ρ1 > ρ2 > ρ3

Para explicar el proceso de interpretación de una curva del SEV de 3 capas, supongamos

que la curva de campo-SEV resulta como la mostrada en la figura siguiente:

Procedimiento para la situación de 3 capas:

1. Determine por medio del procedimiento para 2 capas la resistividad y el espesor del

estrato superior1, utilizando para ello la parte izquierda de la curva de campo-SEV

con su respectiva curva patrón. Al coincidir ambas curvas agregue el símbolo

asterisco * en el punto 000 del eje de coordenadas de la curva de campo-SEV, el

cual servirá como punto de referencia más adelante.

En ese momento puede verse que: h1 = 3 mts., ρ1 = 2.5 y ρ2 = 47.5 ῼ-m

2. Para obtener la resistividad del segundo estrato (ρ2). Consistirá en elegir la curva

patrón H,A,K y Q que más se acople a la forma de la rama izquierda de la curva de

campoSEV, y en ese momento se observa que puede elegir el valor de µ=19.

Ahí mismo Calque en su curva de campo la curva patrón mejor empalmada, que

según se indica en la figura corresponde a la curva de µ= 19, tal como se indica en

la figura siguiente:

3.- Luego empalme la rama derecha de la curva de campoSEV con la curva patrón

de 3 capas (curva K), tratando de que la curva patrón calcada en el paso anterior

toqué el origen de coordenadas de la curva patrón. Marque el punto nuevo * en el

origen y detrmine µ2, resultando µ2 = 0.4 en este proceso debe cuidarse el paralelismo

de los ejes. De manera que ρ3 = µ2 ρ2 = 0.4 (47.5) = 19 ῼ-m.

4.- Para obtener el espesor h2 del segundo estrato. Con base en la figura que se

muestra en seguida, de nuevo sobreponga la curva de campo-SEV con la curva

patrón auxiliar ya elegida antes

Colocando la primera marca (*) sobre el origen de coordenadas en el empalme

respectivo en ese momento se puede leer el valor de Ѵ de la recta vertical que

corresponda en la curva patrón, la cual representa h2/h1 , de ahí que: Ѵ = 5.

Finalmente h2 = Ѵ h1 = 5x3 = 15 metros.

Con el uso de Software computacional se simplifica bastante dicho análisis, ya que con sólo

ingresar el perfil geoeléctrico medido en coordenadas AB/2 y ρa, automáticamente se

obtienen las diferentes capas con sus profundidades.

Las distancias a las que sitúan los electrodos A y B dependerán del objetivo planteado en el

SEV del grupo de trabajo. Por ejemplo, si se desea investigar a una profundidad de 150 m,

el SEV puede iniciar con AB/2 = 2 metros, y terminar con AB/2 = 300 metros, realizando en

ese intervalo de 15 a 20 medidas intermedias de resistividad aparente (ρa)

A manea de resumen, las curvas de un SEV posibles para 2 capas, 3 capas, cuatro y más

capas, se asemejan a las siguientes:

Perfiles Hidrogeológico y Geoeléctricos.

En la figura siguiente se reproduce la configuración hidrogeológica de un acuífero libre

Costero, sobrepuesto a una secuencia de material: margas terciarias. Las curvas de

resistividad, muestran el contacto del agua subterránea salada con el sustrato margoso a

45 m de profundidad, con un incremento de 1 a 7 ohm-m (perfil I de la figura).

Tierra adentro, la curva muestra una disminución desde la duna seca (90 ohm-m), pasando

por el cuerpo de agua dulce y finalmente disminuyendo hasta 1 ohm-m en el acuífero con

agua salda de origen marino (de 15 a 64 m de profundidad), para luego aumentar a 4 ohm-

m en las margas (perfil II).

En el perfil III se aprecia una disminución continuada de la ρa desde la duna seca, al

acuífero con agua dulce y a las margas. En este caso la prospección Geoeléctrica brinda

buena definición por el marcado contraste de resistividades de las capas y además, la

interpretación se simplifica por el conocimiento que se tiene respecto al comportamiento de

los acuíferos costeros.

Otro caso de Resultado de Interpretación.

La figura siguiente representa el perfil geoeléctrico de un valle intermontaña, con el

basamento hidrogeológico compuesto por rocas graníticas a menos de 100 m de

profundidad. El contraste de resistividades entre el basamento y la cobertura sedimentaria

integrada por gravas y arenas es notable, por lo que puede determinarse el espesor de

sedimentos.

Para cotejar el comportamiento resistivo con el componente geológico de subsuelo, se

efectuaron 2 sondeos paramétricos en la vecindad de la perforación Los Rincones, que

alcanzó el basamento a 61 m y registró un nivel freático de 7,80 m, En el perfil litológico

domina arena fina a muy fina, poco yesífera, seca, hasta 8 m; grava fina a gruesa, con

escasa arena fina a gruesa de 8 hasta 50 m; arena muy fina a gruesa, arcillosa, algo yesífera,

de 50 a 61 m; basamento granítico desde 61 m.

Sección Geoeléctrica de un Valle.

Sin embargo, con el uso de la tecnología, es posible obtener directamente la gráfica de

campo y su interpretación:

TAREA. Relacionar y aplicar los conceptos descritos en este tema (Resistividad) para

interpretar los datos de campo de un estudio de exploración de agua subterránea,

determinando la resistividad y espesor del estrato, indicando el posible estrato localizado

según el valor de la resistividad real calculada.