mÉtodos elÉctricos, magnÉticos
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Universidad Central de Venezuela
Facultad de Ingeniería.
Escuela de Geología, Minas y Geofísica.
Departamento de Minas.
Cátedra: Geofísica General.
Prof.: Cecilio J Morales
MÉTODOS ELÉCTRICOS, MAGNÉTICOS
Y ELECTROMAGNÉTICOS
Realizado por:
Br. González R. Edgardy J.
C.I.: V- 17.717.817
Caracas Marzo 2014
Introducción
Existes numerosos métodos geofísicos en el cual en algunos casos, unos
derivan de otros. Dichos métodos se utilizan para el estudio de suelo, siendo
un método más factible que otro, dependiendo de la finalidad para dicho
estudio, ya sea construcción de obras, prospección minera, mejorar el medio
ambiente, descubrimientos arqueológicos, y más. En esta investigación se
explicará pautas concretas tales como fundamentos teóricos, aplicaciones y
equipos de los métodos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos.
Métodos eléctricos
Historia.
Los primeros descubrimientos de que la Tierra actuaba como un conductor se deben en 1746 a Watson, quien notó una corriente errática que pasaba a través de dos electrodos hincados en el terreno y separado varios kilómetros, de igual manera observó que cuando se cerraba el circuito conectando cables, el flujo era diferente. Con anterioridad, en 1720, Gray y Wheeler habían realizado medidas de resistividad en rocas, tabulando sus resultados.
El uso comercial de los métodos eléctricos se debe a Marcel y Conrad Schlumberger en 1913. Durante la Primera Guerra Mundial lo aplicaron en la detección de minas y boyas marinas.
Fundamentos Teóricos.
Los métodos eléctricos tienen como objetivo el conocimiento de las resistividades eléctricas presentes en el subsuelo mediante las medidas de diferencia de potencial (electrodos M y N) generadas por la inyección de una corriente eléctrica en el subsuelo (electrodos A y B). Las dos técnicas geoeléctricas más empleadas son las tomografías eléctricas y los sondeos eléctricos verticales (SEV).
Tomografía Eléctrica Resistiva.
Muy desarrollada desde la aparición de los equipos multielectrodo, permite obtener secciones 2D de alta resolución de resistividad eléctrica real mediante la inversión de pseudosecciones de resistividad aparente. Las tomografías eléctricas no son más que distintos niveles de las calicatas eléctricas tradicionales sobre los que se realiza una inversión para obtener modelos 2D de resistividades reales.
Sondeos Eléctricos Verticales (SEV).
El método consiste en colocar cuatro electrodos alineados a igual distancia entre sí (d). Se conecta una batería a los electrodos exteriores midiendo la intensidad que circula entre ellos, así como el voltaje entre los electrodos
intermedios. La resistividad viene definida por el cociente entre el voltaje y la intensidad de la corriente medidos, multiplicado por 2 Π d.
El valor obtenido representa la resistividad media de un gran volumen de suelo, ya que la red de corriente se extiende en profundidad, aunque tienen mayor peso las características eléctricas de los terrenos más superficiales. En cualquier caso, la presencia de un estrato de alta resistividad cercano a la superficie bajo otro de gran resistividad, eleva el valor resultante del ensayo, al contrario de lo que sucede si existe un material de baja resistividad bajo un estrato de alta.
El ensayo puede realizarse en forma de sondeo eléctrico, buscando la variación de la resistividad con la profundidad. Para ello se hacen diferentes medidas variando la distancia "d" entre los electrodos y manteniendo el centro de la alineación de los cuatro electrodos en un punto fijo.
Al incrementar la distancia aumenta la profundidad alcanzada por las líneas de corriente, englobando, por tanto, una mayor profundidad de suelo. Si la resistividad crece, puede concluirse que hay un estrato profundo de mayor resistividad, sucediendo lo contrario si la resistividad decrece al aumentar la separación. La profundidad hasta la que puede aplicarse es de unos 20 metros.
En la siguiente tabla, se puede observar algunas diferencias entre Sondeo Eléctrico Vertical (SEV) y Tomografía Eléctrica Resistiva (TER)
Tabla 1
Aplicación.
Tienen una utilización interesante en la determinación de cavernas en zonas cársticas, dada la clara diferencia de resistividad existente entre un terreno y el aire, siendo esta última prácticamente infinita.
También se puede definir si un suelo es adecuado para albergar tuberías de fundición como las realizadas en abastecimientos de agua.
Entre otras aplicaciones también podemos resaltar la litología, diferenciación de rocas con distinta alteración y áreas contaminadas, detección de fallas, canalizaciones y cavidades, detección de plumas de contaminación, profundidad y espesor de relleno, cuerpos conductivos, filtraciones en presas, localización de restos arqueológicos.
Equipos
SONDEO ELECTRICO VERTICAL. (Fig. 1)
Equipo SEV: instrumento que consiste principalmente en una fuente de poder que utiliza dos baterías internas de 12 [volts] cada una. Además posee un transformador cuya función es convertir a 300 [volts] el voltaje en corriente continua. El equipo también posee un Amperímetro y Voltímetro interno que se utilizan para medir la corriente que se inyecta al medio y el voltaje entre los electrodos de potencial. Tiene las conexiones para los cables que van unidos a los electrodos de corriente y potencial y una conexión para una batería externa. Internamente son dos circuitos independientes, uno para medir la corriente y el otro para medir el voltaje. Externamente es un maletín plateado con un peso aproximado de unos 7 kg.
Amper í metro: es recomendable usar un amperímetro externo al equipo SEV, para comparar las mediciones de corriente. Se conecta en serie con el equipo SEV y los electrodos de corriente.
Volt í metro: también es recomendable usar un Voltímetro externo al equipo SEV para comparar las mediciones. Se conecta en paralelo a los electrodos de potencial.
Barras Conductoras: cumplen la función de los electrodos de corriente y potencial. Se conectan por medio de los cables al equipo SEV. Es necesario que la unión con los cables no sea fija para un procedimiento más rápido y fácil, que las barras posean una punta y sean resistentes para que queden bien enterradas y así poder inyectar de mejor manera corriente al medio.
Cables: de 2 mm de diámetro con un centro conductor de cobre. Su función es transportar la corriente desde el equipo SEV a los electrodos de corriente y por otro lado sirven para unir los electrodos de potencial a un voltímetro ya sea, el del equipo o uno externo. Pueden tener distinta longitud, dependiendo del arreglo de electrodos, aunque por lo general, se dividen en los cables de poca longitud (no más de 1 m) que se utilizan para hacer conexiones locales entre los instrumentos utilizados, y los cables de gran longitud (decenas de metros) que se utilizan para unir los electrodos más lejanos (dependiendo del arreglo de electrodos puede ser C1, C2, P1 o P2) al equipo SEV. En este caso los cables de potencial tienen una longitud de 8 m, y los cables de corriente, 100 m.
Fig.1
Métodos Magnéticos.
Historia
La ciencia del magnetismo inició en el año 1600. En este año el inglés William Gilbert nacido en 1544 (fallecido en 1603) publicó el libro 'De Magnete', que es una compilación de todos los conocimientos ya existentes en el siglo 16 acerca del magnetismo. En esta publicación Gilbert estableció el concepto de un campo geomagnético general con una orientación definida en cada lugar de la superficie terrestre. A fines del siglo 16 la observación de anomalías locales en la orientación del campo geomagnético fue conocida y empleada en la prospección de minerales férricos.
En 1870 Thalen y Tiberg construyeron un magnetómetro para determinaciones relativas, rápidas y exactas de las intensidades horizontal y vertical de la declinación por medio de los métodos del seno y de la tangente.
El método magnético se empleó en gran escala en el estudio de estructuras geológicas, cuando en 1914 y 1915 Adolf Schmidt construyó la balanza de precisión vertical, también llamada variómetro del tipo Schmidt. Desde 1902 Adolf Schmidt, nacido 1860 en Breslau y fallecido 1944 en Gotha dirigió el observatorio magnético de Potsdam como director. La balanza vertical se constituye de una aguja magnética orientada horizontalmente en la dirección Este Oeste y oscilante sobre cuchillas de ágata o bien de cuarzo. Este variómetro permite la medición del campo vertical y su variación local en dimensiones de 1 gamma y por lo tanto este instrumento es suficientemente preciso para ser empleado en las exploraciones mineras.
Fundamentos Teóricos.
El método magnético estudia el campo magnético producido por los cuerpos y estructuras en el subsuelo, su intensidad depende del contenido de magnetita y materiales magnéticos en ellos. Permite ubicar zonas y cuerpos minerales, zonas de falla y modelar estructuras geológicas a pequeña y gran escala.
Equipos.
Brújula de Inclinación: es una aguja imantada que puede moverse libremente en un plano vertical y que lleva fijada a un lado del eje un peso ajustable. El peso es desplazado hasta que la aguja quede aproximadamente horizontal y en equilibrio entre los pares de torsión gravitatorio y magnético. Cualquier variación de la componente vertical del campo terrestre cambia el momento de la fuerza magnética y, por lo tanto, el ángulo de inclinación de la aguja. En la actualidad se dispone de un tipo perfeccionado de brújula de inclinación que da lectura con un error probable de unas 150 gammas; resultados bastante aceptables sobre masas de magnetita y de pirrotina.
Balanza de campo magnético tipo Schmidt: consiste en un imán pivoteando cerca, pero no en el centro, de su masa, de manera que el campo magnético de la tierra origine un par de torsión entorno del pivote opuesto al par de torsión de la atracción gravitatoria sobre el centro. El ángulo para el cual se alcanza el equilibrio depende de la intensidad del campo. Para conseguir una elevada sensibilidad se requiere una gran cantidad de trabajo de precisión en la disposición y construcción de los sistemas mecánicos y ópticos.Los magnetómetros tipo Schmidt no miden campos absolutos sino que responden a pequeñas variaciones en las componentes del campo con una precisión de una gamma en condiciones favorables.
Balanza vertical: Supongamos un imán aproximadamente horizontal, orientado perpendicularmente al meridiano magnético, de modo que la componente horizontal de la tierra no ejerce efecto. El imán esta en equilibrio sobre un cuchillo desplazado por el centro de gravedad con una distancia horizontal y una distancia vertical. El campo magnético vertical de la tierra al actuar sobre los polos tiende a originar una rotación en sentido contrario a las agujas del reloj y la fuerza de gravedad una rotación a la derecha.La posición de equilibrio es indicada sobre una escala graduada por un rayo
de luz reflejado un espejo fijado al imán. Al variar el campo vertical, la posición de equilibrio se desplaza.
Balanza Horizontal: es similar en su construcción a la balanza vertical, excepto en que las puntas del imán apuntan en dirección vertical en lugar de hacerlo en la horizontal. Cualquier variación en la componente horizontal de la gravedad origina la rotación del imán que es contrarrestada por un par de torsión gravitacional.
Magnetómetro: conocido también con el nombre de Reactor de Núcleo Saturable, hace uso de un elemento ferromagnético de una permeabilidad tan elevada que el campo terrestre puede inducir en él una magnetización que es una proporción considerable de su valor de saturación. Si se superpone el campo terrestre a un campo cíclico inducido a una bobina que rodea el imán por una corriente alterna suficientemente intensa el campo resultante saturara el núcleo.
Fig. 2
Aplicaciones:
El magnetismo es ampliamente aplicado en la exploración petrolera (avión y marino) y minera (avión y terrestre), ingeniería civil - geotecnia, en estudios del medio ambiente y arqueología entre otras. En particular, algunas de las aplicaciones son:
Mapeo geológico de unidades que muestran contrastes de susceptibilidad
Mapeo estructural (fallas, fracturas, etc.) e identificación de riesgos geológicos
Detección de profundidad del substrato y del basamento Detección de minerales de hierro, o asociados a estos, y/o elementos
magnéticos (magnetita, pirrotita), como Cromita, Manganeso y Sulfuros.
Exploración de depósitos asociados a la topografía del basamento (conglomerados ricos en U, estrados ricos en Pb-Zn)
Localización y caracterización de Kimberlitas Caracterización de depósitos tipo “Placeres” y otros minerales con
características magnéticas, tipo Asbesto. Delineamientos del perímetro de áreas de rellenos sanitarios /
desechos. Detección de objetos metálicos enterrados (tuberías, barriles,
tanques....).
Métodos Electromagnéticos.
Historia.
El electromagnetismo (EM) fue estudiado inicialmente por el escocés James Maxwell en 1861(“On Physical Lines of Force”) y desarrollado experimentalmente por el alemán Heinrich Hertz en 1886. Como sabemos, las componentes eléctrica y magnética oscilan en forma ortogonal a la dirección de propagación del campo electromagnético y a su vez lo hacen en planos que son perpendiculares entre sí.
Fundamentos Teóricos.
Los métodos electromagnéticos o métodos eléctricos en corriente alterna se basan en el estudio del subsuelo a través de los cambios en las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales que lo componen.
Los métodos EM pueden ser de campo natural o artificial, pueden estudiar con detalle los primeros metros o alcanzar varios kilómetros de profundidad con menor resolución, pueden proporcionar información 1D, 2D o 3D del medio,…, son, por lo tanto, muy diversos y capaces de definir objetivos muy diferentes.
Los denominados electromagnéticos ligeros emplean aparatos relativamente sencillos que permiten realizar calicatas electromagnéticas de zonas grandes en relativamente poco tiempo. Proporcionan información en planta de conductividad eléctrica que permite definir cambios laterales de materiales hasta unas pocas decenas de metros de profundidad. Se aplican principalmente en arqueología y geotecnia.
Los electromagnéticos profundos, bien sean en el dominio del tiempo o en el de frecuencias, emplean bucles o dipolos de gran tamaño junto con antenas receptoras de campo magnético.
Dentro de este grupo podemos destacar:
Los sondeos electromagnéticos en el dominio del tiempo (SEDT) : permiten obtener información 1D o 2D de resistividad eléctrica hasta un máximo de un kilómetro de profundidad.
Los sondeos magnetotelúricos : proporcionan información 1D, 2D y 3D de resistividad eléctrica hasta varios kilómetros de profundidad utilizando las corrientes telúricas naturales. En zonas con ruido se puede emplear una corriente artificial como fuente alcanzándose menor profundidad de estudio pero con mayor calidad de medidas (CSAMT – Control Source Audio Magneto Telluric).
Equipos.
EM31-MK2.
Es una versión actualizada del equipo estándar EM31, ahora con el data logger incorporado en una sola consola. Con una profundidad efectiva de estudio de 6.0 m, es un equipo muy útil en estudios de contaminación, geotécnicos, cartografía geológica, arqueología y detección de objetos metálicos enterrados entre otros.
Fig. 3.
EM34-3XL.
Es un equipo fácil de operar, muy efectivo en estudios hidrogeológicos y geológicos, sobretodo en la detección de fuentes contaminantes de acuíferos profundos y la exploración de fuentes agua subterránea para el abasto. Usando 3 separaciones estándar entre el transmisor y el receptor y dos configuraciones básicas del dispositivo de medición, se pueden lograr profundidades de estudio de hasta 60m.
Fig. 4.
Wadi VLF EM System.
El equipo Wady VLF es muy útil para la exploración de minerales metálicos y esencialmente para la localización de zonas buenas productoras de agua en el subsuelo, asociadas con rocas alteradas, agrietadas y falladas. También reacciona a otros tipos de anomalías de alta conductividad como las provocadas por los cables eléctricos y conductoras metálicas, cavidades artificiales o naturales saturadas y desechos enterrados.
Fig. 5.
Stratagem EH4.
Es un instrumento magneto telúrico usado para medir resistividad del terreno. Es un instrumento electromagnético en el Dominio de la Frecuencia.
Fig. 6.
Aplicaciones:
En particular, son especialmente útiles en:
Exploración de acuíferos colgados.
Cartografía de contaminantes industriales.
Medición de la salinidad e intrusión marina (si puede determinarse la
resistividad de la formación, puede deducirse la calidad del agua),
posicionando la interface agua dulce-salada.
Cartografía de aluvial y gravas sobre roca firme.
Cartografía de lentejones de arena y gravas.
Detección de la inter fase agua dulce-salada.
Localización de grietas y fracturas.
Conclusión.
Teniendo en cuenta ciertos puntos teóricos acerca de los métodos
explicados anteriormente que son los métodos eléctricos, magnéticos y
electromagnéticos podemos entender la importancia de dichas técnicas para
el estudio de los suelos, cabe mencionar también que cada método posee
equipos diferentes pero aplicaciones similares teniendo ventajas y
desventajas entre cada método geofísico individualmente dependiendo de su
objetivo final.
El método eléctrico tiene como objetivo el conocimiento de las
resistividades eléctricas presentes en el subsuelo mediante las medidas de
diferencia de potencial generadas por la inyección de una corriente eléctrica
en el subsuelo.
El método magnético estudia el campo magnético producido por los
cuerpos y estructuras en el subsuelo, su intensidad depende del contenido de
magnetita y materiales magnéticos en ellos. Permite ubicar zonas y cuerpos
minerales, zonas de falla y modelar estructuras geológicas a pequeña y gran
escala.
El método electromagnético o método eléctrico en corriente alterna se
basa en el estudio del subsuelo a través de los cambios en las propiedades
eléctricas y magnéticas de los materiales que lo componen.
Bibliografía
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línea] Disponible en: http://mct.dgf.uchile.cl/AREAS/geo_mod1.htm
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