Introducción

La exploración geofísica comprende una amplia gama de disciplinas entre las que se pueden mencionar: geología, física, química y electrónica. La geología se encarga del estudio de la historia y desarrollo de la Tierra mediante la observación y estudio de las rocas. La química es la ciencia que penetra en el conocimiento de las sustancias tanto en elementos como en compuestos, y las leyes que rigen sus combinaciones y reacciones.Por su parte, la física es la ciencia que examina cuidadosamente y define las propiedades de la materia y la energía. Estas disciplinas se encuentran intrínsecamente relacionadas en la “Geofísica”, pudiéndose dividir en dos grandes ramas: GEOFÍSICA PURA, dedicada exclusivamente al estudio de la física de la Tierra sólida.GEOFÍSICA APLICADA o EXPLORACIÓN GEOFÍSICA, Se puede considerar como el arte de aplicar las ciencias físicas al estudio de la estructura y composición de las diversas capas de la Tierra; es la que se dedica a la aplicación de los principios específicos en la investigación de los depósitos económicamente explotables, o en el conocimiento de las condiciones físicas del subsuelo en proyectos de cimentaciones de obras importantes.

Resumen

Los métodos geofísicos basan su aplicación en un fuerte contraste de las propiedades físicas de los materiales geológicos, entre las que se encuentran, densidad, potenciales naturales, permeabilidad magnética, potenciales REDOX, conductividad térmica, etc., y dependiendo de las condiciones físicas y morfológicas del sitio de estudio, se podrán aplicar diversas técnicas geofísicas para resolver un problema. La geofísica aplicada nació de la necesidad de resolver problemas asociados a la detección de yacimientos de hidrocarburos y minerales del subsuelo. Conforme se fue desarrollando el arte del estado sólido de la electrónica y creciendo los conocimientos en las diferentes técnicas de prospección, se empleó en agua subterránea, estudio del interior de la Tierra y finalmente contribuyendo de manera substancial la ingeniería civil a través de ayudar en el reconocimiento y solución de problemas relacionados con la construcción de presas, carreteras, túneles, etc, así como en distritos de suelos y rocas que presentaban algún riesgo potencial para las obras.Las herramientas de prospección geofísica de mayor uso en los proyectos básicos de ingeniería civil son: la prospección eléctrica, la prospección sismológica, la técnica del radar de penetración terrestre, la prospección gravimétrica, y la testificación de pozos.

Objetivos de la geofísica aplicada

Los objetivos de la prospección geofísica, utilizando los contrastes y variaciones de las propiedades físico-químicas, son localizar en el subsuelo estratos (de rocas, tobas, suelos) que representen masas resistentes, y, que puedan soportar una obra civil; además de localizar yacimientos de: agua, petróleo, gas, vapor, y minerales de interés económico para el hombre; así como en el monitoreo de flujo y transporte de contaminantes; mapeo de eventualidades geológicas que representen un riesgo potencial para las obras civiles; mediante la percepción remota localizar yacimientos.

Métodos geofísicos:

“Método sísmico”Los métodos sísmicos de prospección geofísica se fundamentan en el estudio de la propagación de las ondas elásticas en el medio. La señal sísmica, que puede ser generada artificialmente (martillo, caída de pesos,…) o ser natural (sísmica pasiva), es registrada mediante unos sensores (geófonos) distribuidos de forma adecuada en el terreno.Los principales métodos sísmicos son:

La sísmica de refracción, basada en el estudio de las ondas directas y refractadas críticamente, define las distintas capas presentes en el medio con sus velocidades sísmicas así como zonas de alteración, fallas, fracturas, rellenos, deslizamientos,… Técnica geofísica de aplicación muy extendida en obra civil y geotecnia ya que, además de lo mencionado, permite definir los grados de excavabilidad y ripabilidad de los materiales.La sísmica de reflexión, fundamentada en el estudio de las ondas reflejadas, permite definir objetivos muy similares a la refracción pero alcanzando profundidades muy superiores (varios kilómetros).La tomografía sísmica de superficie, cuyo desarrollo en campo es similar a la sísmica de refracción pero con una mayor densidad de puntos de disparo, permite obtener, mediante un proceso iterativo, modelos de inversión de velocidad sísmica partiendo de un modelo inicial.La sísmica pasiva REMI se basa en el análisis espectral de las ondas superficiales para definir la distribución de velocidad de onda S (Vs) con la profundidad. Técnica de aplicación muy extendida en medios con fuerte ruido sísmico (medio urbano, zonas con tráfico u obras, etc.) y también empleada como complemento a técnicas que definen velocidad sísmica de onda P (Vp).Los ensayos down-hole y cross-hole son técnicas geofísicas en sondeo que se basan en el estudio de las ondas directas y refractas para obtener la distribución de velocidades sísmicas de ondas P y S. Estos valores, junto con la densidad de los materiales, permite definir los módulos elásticos de los mismos fundamentales para distintos cálculos geotécnicos.La tomografía sísmica en sondeos nos permite definir con gran precisión la distribución de velocidades sísmicas Vp entre dos sondeos mediante una alta densidad de pares punto de disparo – receptor.La sísmica paralela es un ensayo sísmico en sondeo que permite definir la profundidad de elementos constructivos enterrados (muros, pantallas, pilotes,…) gracias al cambio brusco de velocidad sísmica que se produce en su límite.

“Métodos potenciales”

Los métodos potenciales de prospección geofísica comprenden las técnicas que emplean campos potenciales, como el gravimétrico o el magnético, en el estudio del subsuelo. Como norma general con estos métodos se obtienen imágenes 2D en planta que permiten definir cambios laterales de los materiales asociados a cambios en las propiedades físicas de los mismos (densidad, susceptibilidad magnética, etc). Estos métodos geofísicos no precisan de ninguna fuente artificial sino que miden un campo natural presente en el medio mediante perfiles o mallas de datos. Los principales métodos potenciales son la prospección gravimétríca y la magnética.

La Gravimetría se basa en el estudio del campo gravimétrico terrestre con el fin de

detectar cambios de materiales o variaciones en la densidad de los mismos. La

prospección gravimétrica suele realizarse en forma de malla (datos

equiespaciados en las dos direcciones horizontales, X e Y) de forma que podemos

definir un mapa 2D de gravedad resultado de aplicar distintas correcciones

(topografía, deriva, mareas, etc.) a los datos originales. Una vez aplicadas estas

correcciones obtendremos las imágenes de Bouguer y Residual en las que se

pretenden definir o aislar los cambios locales (anomalías gravimétricas) objetivo

final del estudio. La gravimetría se aplica principalmente en minería metálica y

geotecnia (detección de huecos y cavidades).La Magnetometría se basa en el estudio del campo magnético terrestre con el fin de localizar cambios de materiales o variaciones en las propiedades magnéticas de los mismos. Al igual que la Gravimetría suele realizarse en forma de malla obteniéndose como resultado final un mapa 2D en el que se ha aplicado alguna corrección (deriva, reducción al polo,…). La Magnetometría es un método bastante rápido y económico y se emplea principalmente en arqueología, minería metálica y geología estructural.

“Métodos eléctricos”Los métodos eléctricos en corriente continua (Geoeléctrica) se fundamentan en el estudio de la propagación de la señal eléctrica en el medio. La Geoeléctrica ha desarrollado multitud de dispositivos.El fin último es 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. Las dos técnicas geoeléctricas más empleadas, principalmente en obra civil, geotecnia, hidrogeología y medio ambiente, son las tomografías eléctricas y los sondeos eléctricos verticales SEVs.

La tomografía eléctrica, 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.

Los sondeos eléctricos verticales SEVs permiten obtener la distribución de resistividades reales con la profundidad en un punto (información 1D) mediante la inversión de curvas resistividad aparente – distancia AB. Con los SEVs podemos alcanzar varios kilómetros de profundidad siempre y cuando se cumplan ciertos condicionantes.Aunque no son estrictamente métodos eléctricos en corriente continua podemos incluir en este apartado, al estar relacionados con características eléctricas de los materiales, los estudios de polarización inducida (obtenemos información de resistividad eléctrica y cargabilidad de los materiales), cuerpo cargado o potencial espontáneo (método de campo natural).

“Métodos Electromagnéticos”

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. Su principal aplicación está dentro de la hidrogeología y la minería metálica aunque por su gran penetración pueden utilizarse en cualquier estudio geológico profundo. 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 que 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).

Por último los equipos electromagnéticos de baja frecuencia o VLF (Very Low Frequency) se basan en el estudio de ondas de frecuencia entre 10 y 30 Khz. Se emplea principalmente en geología estructural

“Georadar GPR”

El método geofísico del georadar GPR (“Ground Penetrating Radar”) estudia las reflexiones de las señales electromagnéticas producidas por una antena emisora y recogidas por otra antena, en este caso receptora de la señal, ubicadas en un sistema móvil y ligero de uso muy sencillo.Este método electromagnético emplea frecuencias altas (desde 20 MHz hasta 1GHz) lo que permite obtener muy alta resolución en el estudio siendo baja su profundidad de penetración (unos pocos metros).En los estudios GPR la antena se desliza por el suelo observándose a tiempo real la señal registrada (radargrama) en una pantalla donde las máximas amplitudes se corresponden con la señal reflejada en discontinuidades del terreno (cambios litológicos del terreno, presencia de huecos, servicios o galerías, restos arqueológicos, etc.).Esta técnica se emplea de manera muy habitual en la localización de servicios, oquedades o restos arqueológicos, auscultación de túneles,…El principal problema del georadar es la profundidad de estudio ya que la alta frecuencia de la señal se atenúa muy rápidamente en el medio, en mayor medida cuanto más conductor sea éste (presencia de agua, materiales conductores,…). Debido a ello las antenas presentan amplios rangos de penetración ya que ésta no solo depende de la frecuencia (cuanto mayor es la frecuencia más resolución obtendremos y menor penetración) sino también de las características del medio.

“Conclusión”

Se lograron entender los diferentes métodos citados anteriormente concluyendo que estos métodos nos proporcionan informaciones sobre la composición del subsuelo mediante alguna propiedad física medida a partir de la superficie terrestre, que puede ser la velocidad de una onda mecánica, o variaciones de un campo gravitacional producidas por diferencias de densidad, o la intensidad de una corriente asociada a la mayor o menor facilidad de propagación de las cargas eléctricas. Los métodos ofrecen una forma de obtener información detallada acerca de las condiciones del suelo y rocas del subsuelo. Esta capacidad de caracterizar rápidamente las condiciones del subsuelo sin perturbar el sitio ofrece el beneficio de costos más bajos y menos riesgo, dando mejor entendimiento general de las condiciones complejas del sitio. Es necesario a menudo utilizar más de un método para lograr obtener la información deseada.