TEXTO DE GEOFSICA APLICADA

La Paz - Bolivia

TEMA 1: INTRODUCCIN La geofsica estudia la tierra en su composicin y dinmica, sobre la base de medidas de tipo fsico que normalmente se realizan desde la superficie del planeta. Cuando este estudio tiene que ver con reas relativamente pequeas y profundidades que no sobrepasen mximo unos pocos kilmetros, para obtener un fin econmico inmediato, se habla de geofsica aplicada, y el conjunto de mtodos para obtener ese fin constituyen la prospeccin geofsica. Se pueden inferir informaciones sobre la composicin del subsuelo mediante algn parmetro fsico medido en superficie, que puede ser la velocidad de una onda mecnica, 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 propagacin de las cargas elctricas. Los mtodos ofrecen una forma de obtener informacin detallada acerca de las condiciones del suelo y rocas del subsuelo. Esta capacidad de caracterizar rpidamente las condiciones del subsuelo sin perturbar el sitio ofrece el beneficio de costos ms bajos y menos riesgo, dando mejor entendimiento general de las condiciones complejas del sitio. Es necesario a menudo utilizar ms de un mtodo para lograr obtener la informacin deseada. Para poder aplicar un mtodo geofsico en una prospeccin, es necesario que se presente dos condiciones importantes: - que existan contrastes significativos, anomalas que se pueden detectar y medir. - que estos contrastes se puedan correlacionar con la geologa del subsuelo. Mtodos de Prospeccin desde la Superficie: Prospeccin Gravimtrica.El mtodo est basado en el estudio la variacin del componente vertical del campo gravitatorio terrestre. Se realiza mediciones relativas o es decir se mide las variaciones laterales de la atraccin gravitatoria de un lugar al otro puesto que en estas mediciones se pueden lograr una precisin satisfactoria ms fcilmente en comparacin con las mediciones del campo gravitatorio absoluto. El mtodo gravimtrico se emplea como un mtodo de reconocimiento general en hidrologa subterrnea para definir los lmites de los acuferos (profundidad de las formaciones impermeables, extensin de la formacin acufera, naturaleza y estructura de las formaciones del subsuelo). Mtodos Magnticos.La tierra es un imn natural que da lugar al campo magntico terrestre. Las pequeas variaciones de este campo, pueden indicar la presencia en profundidad de sustancias magnticas. El mtodo magntico sirve para dar informacin sobre el basamento y su profundidad particularmente para entornos cristalinos y metamrficos. De igual manera ayudar a estudiar la geologa regional y estructural. Mtodos Electromagnticos.Los dos mtodos ms utilizados en estudios hidrogeolgicos son: Very Low Frequency (VLF): Medidas electromagnticas que permiten delimitar las fracturas o fallas de un acufero. Particularmente til en caso de estudio de acuferos fracturados como los sistemas karticos. Sondeos Electromagnticos en el dominio temporal (SEDT o TDEM en ingles): El mtodo tiene ventajas sobre mtodos electromagnticos entre otras por su capacidad de mayor poder de penetracin que permite obtener informacin hasta profundidad ms altas y a travs de recubrimientos conductores.

Ssmica.Produciendo artificialmente un pequeo terremoto y detectando los tiempos de llegada de las ondas producidas, una vez reflejadas o refractadas en las distintas formaciones geolgicas, se puede obtener una imagen muy aproximada de las discontinuidades ssmicas. Estas discontinuidades coinciden generalmente con las discontinuidades estratigrficas. Los mtodos ssmicos se dividen en dos clases: El mtodo ssmico de reflexin es el ms empleado en prospeccin petrolfera ya que permite obtener informacin de capas muy profundas. Permite definir los lmites del acufero hasta una profundidad de 100 metros, su saturacin (contenido de agua), su porosidad. Permite tambin la localizacin de los saltos de falla. El mtodo ssmico de refraccin es un mtodo de reconocimiento general especialmente adaptados para trabajos de ingeniera civil, prospeccin petrolera, y estudio hidrogeolgicos. Permite la localizacin de los acuferos (profundidad del sustrato) y la posicin y potencia del acufero bajo ciertas condiciones. Mtodos Elctricos.Estos mtodos utilizan las variaciones de las propiedades elctricas, de las rocas y minerales, y ms especialmente su resistividad. Generalmente, emplean un campo artificial elctrico creado en la superficie por el paso de una corriente en el subsuelo. Se emplean como mtodos de reconocimiento y de detalle, sobre todo en prospeccin de aguas subterrneas. Los mapas de isoresistividad permiten definir los lmites del acufero, el nivel del agua en los acuferos, la presencia de agua salada y permite la cartografa de las unidades litolgicas. Los mtodos geoelctricos pueden clasificarse en dos grandes grupos: En los mtodos inductivos se trabajan con corrientes inducidas en el subsuelo a partir de frecuencias relativamente altas (entre 100 Hz y 1MHz). En el caso de los mtodos conductivos, se introduce en el subsuelo una corriente continua o de baja frecuencia (hasta unos 15 Hz), mediante electrodos. Los mtodos elctricos de prospeccin geofsica comprenden variedad de tcnicas que emplean tanto fuentes naturales como artificiales, de las cuales son de aplicacin ms amplia. Resistividades.El mtodo llamado de resistividades es, sin duda, en todas sus modalidades el ms importante de todos los mtodos elctricos. El 70% de los estudios de geofsica realizados para estudios hidrogeolgicos utilizaron los mtodos elctricos. Este mtodo permite suministrar una informacin cuantitativa de las propiedades conductoras del subsuelo y se puede determinar aproximadamente la distribucin vertical de su resistividad. El mtodo de resistividades permite no slo el estudio de formaciones subhorizontales, sino tambin la determinacin de formaciones subverticales (fallas, filones, zonas de contacto, etc.). Sondaje Elctrico Vertical.El ms importante de los mtodos que utilizan corriente continua producida por generadores artificiales es el Sondaje Elctrico Vertical (SEV). Encuentra su aplicacin principal en regiones cuya estructura geolgica puede considerarse formada por estratos horizontales. La finalidad del S.E.V. es la determinacin de las profundidades de las capas del subsuelo y las resistividades o conductividades elctricas de las mismas, mediante mediciones efectuadas en la superficie. Calicata Elctrica La calicata elctrica constituye una aplicacin menos importante de estos mtodos, en la que se trabaja con distancia interelectrdica constante. La calicata se emplea principalmente para detectar y delimitar cambios laterales en la resistividad.

Tomografa Elctrica Con tomografa elctrica se entiende la visualizacin de alguna propiedad elctrica del subsuelo (resistividad o impedancia general), mediante secciones continuas, generalmente verticales, pero ya se trabaja en tres dimensiones. Esta metodologa es intensiva y de alto detalle o resolucin y permite no solamente la prospeccin de los acuferos, sino que mediante su observacin en el tiempo (4 O), se puede ver la dinmica hdrica. Se est usando, por ejemplo en controles de contaminantes. En el caso de la Tomografa de Resistividad Elctrica (ERT, electrical resistivity tomography), el subsuelo se considera compuesto por una serie de elementos finitos de la misma forma, aun cuando no del mismo tamao, cada uno de ellos con la posibilidad de tener diferente resistividad. Otros Mtodos Resonancia Magntica Protnica (Magnetic Resonance Sounding - MRS).- sirve para medir de manera directa la presencia de agua en las zonas saturadas y/o no saturadas de los acuferos. El MRS permite estimar las propiedades del acufero como cantidad de agua, porosidad o permeabilidad hidrulica. Geo-Radar o GRP (Ground Penetrating Radar).- es un mtodo elctrico particular utilizando fuentes de corriente alterna donde se usa la reflexin de ondas electromagnticas de muy alta frecuencia (80 a 500 MHz). Permite, de manera verstil y rpida, la investigacin a poca profundidad del subsuelo. Tomografa Electromagntica por Radio-Ondas.- este mtodo se utiliza para investigar la estructura geolgica. Mtodos Magnetotelrico.- permiten definir los lmites de acuferos, zonas de alta transmisividad, variaciones de permeabilidad y la localizacin de sistemas de fracturas. Polarizacin Inducida.- este mtodo est basado en el estudio de la cargabilidad del subsuelo. Permite la localizacin de contaminacin por hidrocarburos. Natural Gamma Ray Log o Diagrafa de Rayos Naturales de Gamma.- es el mtodo ms importante en hidrogeologa. Permite obtener informacin sobre los lmites de capas y el contenido de arcillas. Potencial Espontneo.- este mtodo se utiliza de manera puntual para resolver los problemas de lmites del acufero o movimiento del agua. Da la conductividad de las formaciones y permite definir la velocidad y direccin del flujo. Resistividad Corta y Larga.- da la conductividad del agua de formacin y limites de capas. Resistividad Lateral.- resistividad de las formaciones. Conductividad de Fluido. Verticalidad.- yacimiento del sondeo Gamma Gamma Log o Diagrafa de Densidad.- detecta la retrodispersin o retrodifusin (backscattered rays) de rayos gamma emitidos por una sonda en el pozo. Neutron Log o Diagrafa de Neutrones.- emplea una fuente, que emite neutrones y un detector correspondiente permite obtener la porosidad neutrnica.

Sondeos de Resonancia Magntica.- da la porosidad y permeabilidad de las formaciones geolgicas. Snico (de velocidad acstica).- informa sobre fracturacin y litologas, especialmente en acuferos carbonatados, rocas gneas o metamrficas. Temperatura.- permite la identificacin de acuferos, aportes de aguas de diferentes temperaturas, gradiente trmico.

La geofsica puede ser ejecutada de diversas maneras y en diferentes sitios, dependiendo de los objetivos que se persiguen y el mtodo aplicado. Es as, que se puede realizar en: La Tierra en su conjunto (geofsica global) Investigacin de regiones localizadas de la corteza Zona prxima de la corteza bien para tiles para la localizacin de substancias, bien para apoyar estructuras tiles para el hombre Primeros metros del subsuelo afectados por la actividad humana Los parmetros fsicos que medimos son: 1. 2. 3. 4. Densidad Gravimetra Susceptibilidad Magntica Magnetometra Resistividad/Conductividad Elctrica Elctricos/Electromagnticos Velocidad de transmisin de Ondas Ssmicas Ssmicos

Existen algunos mtodos que son utilizados para situaciones muy limitadas, tal es el caso del mtodo radiomtrico. Aplicacin de tcnicas Geofsicas: Identificacin del fenmeno Parmetros fsicos que pueden identificarlo Mtodos a utilizar Problema inverso: Un efecto genera una seal Una seal de mltiples efectos

COMPARACIN DE LOS MTODOS GEOFSICOS DE PROSPECCINMTODO GEOFISICO Mtodos Ssmicos SUBCLASIFICACIN Refraccin Ssmica Reflexin Ssmica APLICACIN Geotecnia Minera Geologa regional Exploracin petrolera Geotecnia marina Evaluacin minera Exploracin petrolera Geologa regional Geodinmica Exploracin minera Exploracin petrolera Geologa regional Exploracin de minerales radioactivos Exploracin minera Exploracin Petrolera Estructura de la tierra Geotermia PARMETRO MEDIDO Tiempo de llegada del primer evento ssmico Tiempo de llegadas Amplitud de onda Forma de los eventos Variaciones del campo gravitacional terrestre Variaciones del campo magntico terrestre Radioactividad natural de los materiales terrestres Intensidad de campo magntico terrestre Potencial natural del terreno INFORMACIN OBTENIDA Profundidad de la capa Velocidad de propagacin por intervalo Modelo del subsuelo Velocidad de propagacin Velocidad por intervalo reflejado Distribucin areal y en profundidad de contrastes de densidad o masas Distribucin areal y en profundidad de contrastes de susceptibilidad magntica Contenido de uranio, etc. en las rocas Contrastes de resistividad con el basamento Zonas de potenciales naturales

Mtodos Gravimtricos Mtodos Magnetomtricos Mtodos Radiometricos Mtodos Elctricos C a m p o Telricas Magneto-telricas Potencial espontneo AFMAG

n a t u r a l C Baja a frecuen m cia p o

Petrofsica (Perfiles de pozos)

a Alta r frecuen t cia i f IP i c i a l Exploracin Evaluacin de yacimientos Produccin petrolera

Equipo tencial SEV Calicat as Bipolar Electro magnt icas

Aguas subterrneas Exploracin minera Geotecnia Geotermia Exploracin minera Exploracin petrolera Exploracin minera

Voltaje y corriente elctrica entre electrodos

Modelo del subsuelo por resistividad Distribucin de resistividades Variacin de la resistividad con la profundidad

Campo elctrico inducido Cada de potencial Zonas con efectos de polarizacion

Exploracin de hidrocarburos Control de produccin Estratigrafa Procesamiento ssmico

Velocidad Resistividad Diferencia de potencial

Distribucin en profundidad de velocidad Densidad

TEMA N 2: METODOS GEOELECTRICOS

Resistividad Elctrica del SubsueloLas medidas de resistividad elctrica del subsuelo son habituales en las prospecciones geofsicas. Su finalidad es detectar y localizar cuerpos y estructuras geolgicas basndose en su contraste resistivo. El mtodo consiste en la inyeccin de corriente continua o de baja frecuencia en el terreno mediante un par de electrodos y la determinacin, mediante otro par de electrodos, de la diferencia de potencial. La magnitud de esta medida depende, entre otras variables, de la distribucin de resistividades de las estructuras del subsuelo, de las distancias entre los electrodos y de la corriente inyectada. Resistividad Elctrica de Suelos La resistividad elctrica

de un material describe la dificultad que encuentra la

corriente a su paso por l. De igual manera se puede definir la conductividad como la facilidad que encuentra la corriente elctrica al atravesar el material. La resistencia elctrica que presenta un conductor homogneo viene determinada por la resistividad del material que lo constituye y la geometra del conductor. Para un conductor rectilneo y homogneo de seccin s y longitud l la resistencia elctrica es:

R = l/ sA partir de esta ecuacin podemos despejar la resistividad:

(2.1)

= R .s/l

(2.2)

La unidad de Resistividad en el Sistema Internacional es el Ohm-m. La Conductividad se define como el inverso de la Resistividad.

=l/

(2.3)

La unidad de conductividad en el Sistema Internacional es el siemens (S). La Resistividad es una de las magnitudes fsicas con mayor amplitud de variacin para diversos materiales. Adems, su valor depende de diversos factores como la temperatura, humedad o presin. Estrictamente hablando todos los cuerpos son elctricamente conductores dado que permiten, en mayor o menor medida, el paso de portadores de cargas elctricas. Estos portadores pueden ser electrones o iones, hecho que permite distinguir entre dos tipos de conductividad: electrnica e inica. Los cuerpos con Conductividad electrnica se clasifican en metales y semiconductores. Los cuerpos con Conductividad inica se conocen como electrolitos si no presentan forma gaseosa. El mecanismo de la Conductividad de los metales puede imaginarse como debido a que los electrones de valencia de sus tomos pueden moverse libremente entre la red cristalina que stos forman, sin vinculacin a ninguno determinado. La facilidad de movimiento de los electrones y su gran nmero redundan en una conductividad muy elevada. Su resistencia aumenta con la temperatura y con el contenido de impurezas. La resistividad de los metales a temperatura normal vara entre 10-8 y 10-7 m. Son pocos y

muy escasos los componentes de la corteza terrestre que posean conductividad metlica. Entre ellos se cuentan los metales nativos (oro, plata, cobre, estao) y quiz algn mineral poco abundante como la Ullmanita (NiSbS). Los minerales semiconductores son muchos y de gran importancia prctica. Su resistividad depende de su contenido en impurezas, a veces en grado extremo. Adems su conductividad aumenta con la temperatura. Por ello, no cabe esperar que la resistividad de una especie mineralgica determinada pueda representarse por un dato nico, sino que puede variar dentro de lmites amplios. En general los teluros y los arseniuros son conductores muy buenos. Los sulfuros suelen entrar tambin entre los conductores buenos, con excepciones como la blenda y el cinabrio. Los xidos, y los compuestos de antimonio suelen ser malos conductores, con la excepcin de la magnetita. Ahora bien, estos minerales no suelen aparecer en la naturaleza de forma individual, sino en asociaciones, y junto con una ganga frecuentemente aislante (cuarzo, calcita, etc.), por lo que la resistividad conjunta del filn puede variar mucho de unos casos a otros. En los cuerpos dielctricos o aisladores, los electrones estn fuertemente ligados a los tomos. Esto puede deberse a que existan enlaces covalentes o inicos. En este ltimo caso la red cristalina forma un electrlito slido. La mayora de los minerales pertenecen a este grupo. A temperaturas normales las resistividades son muy altas, generalmente superiores a 107 m. Son minerales dielctricos el azufre, la blenda, la calcita, el cinabrio, el cuarzo, las micas y el petrleo entre otros. Entre estos minerales, adems, figuran los ms importantes constituyentes de las rocas, las cuales se comportaran como aisladoras si no fuera por la presencia de electrolitos. El agua pura es muy poco conductora a causa de su muy reducida disociacin. La Resistividad del agua destilada es de unos 105 m por lo que puede considerarse como aislante. Las aguas que se encuentran en la naturaleza presentan, sin embargo, conductividad apreciable, pues siempre tienen disuelta alguna sal, generalmente NaCl. As las aguas de lagos y arroyos de alta montaa varan entre 103 m y 3 x 103 m, las aguas subterrneas tienen resistividades de 1 a 20 m, y las aguas marinas tienen una Resistividad de unos 0,2 m.

Si la resistividad de las rocas dependiese nicamente de los minerales constituyentes, habran de considerarse como aislantes en la inmensa mayora de los casos, puesto que el cuarzo, los silicatos, la calcita, las sales, etc., lo son prcticamente. Slo en el caso de que la roca contuviese minerales semiconductores en cantidad apreciable, podra considerarse como conductora, es decir, slo lo seran las menas metlicas. Afortunadamente, todas las rocas tienen poros en proporcin mayor o menor, los cuales suelen estar ocupados total o

parcialmente por electrolitos, de lo que resulta que, en conjunto, las rocas se comportan como conductores inicos, de resistividad muy variable segn los casos. La resistividad de las rocas puede variar en margen amplsimo en funcin del contenido en agua, de la salinidad de sta y del modo de distribucin de los poros. La Figura 2.1 presenta un grfico de los mrgenes de variacin ms comunes en algunas rocas y minerales. La fisuracin, impregnacin en agua salada, etc., pueden extender estos lmites. La Resistividad de las rocas tambin depende de la temperatura a la que se encuentre, ya que la temperatura influye notablemente en la resistividad de los fluidos que hay en los poros. En concreto, un descenso de la temperatura provoca un aumento de la resistividad y en el punto de congelacin el agua pasa a ser un dielctrico mal conductor. Por ltimo, cabe mencionar que la resistividad de algunos minerales, y como consecuencia de las rocas que estos forman, vara segn la direccin de medida que se toma, es decir, que presentan anisotropa. La formacin de estratos puede producir anisotropa. Tal es el caso de las rocas sedimentarias. En general este efecto ser dbil dada la aleatoriedad de las orientaciones de los minerales en la roca. El suelo es una mezcla de rocas, gases, agua y otros materiales orgnicos e inorgnicos. Esta mezcla hace que la resistividad del suelo aparte de depender de su composicin intrnseca, dependa de otros factores externos como la temperatura, la humedad, presin, etc. que pueden provocar que un mismo suelo presente resistividades diferentes con el tiempo. De entre todos los factores, la humedad es el ms importante; adems, es el que se puede alterar ms fcilmente mediante la lluvia o el riego del suelo. Diferentes grados de humedad para un mismo terreno daran lugar a resistividades diferentes que podran llevarnos a interpretaciones errneas de los materiales constituyentes del suelo. Una limitacin del mtodo resistivo es su alta sensibilidad a pequeas variaciones de la conductividad cerca de la superficie, debido por ejemplo al contenido de humedad. Hablando en trminos electrnicos, el nivel de ruido es alto. Una topografa 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 anomalas debido solo a la topografa.

Medida de la Resistividad Elctrica La Figura 2.2 muestra el principio de medida de la resistividad del suelo: se inyecta una corriente I entre el par de electrodos AB y se mide la tensin V entre el par de electrodos MN. Si el medio es homogneo de resistividad , la diferencia de tensin es I V = -------2

(----- - ----- - ----- + -----_) ________(2.4)AM AN BM BN

1

1

1

1

donde AM, AN, BM, BN son las distancias entre electrodos. La resistividad viene dada por la expresin:

=gDonde: g= 2

V

/

I

(2.5)

(----- - ----- - ----- + -----_) ________AM AN BM BN

1

1

1

1

-1

Es un factor geomtrico que depende exclusivamente de la disposicin de los electrodos. De hecho, es equivalente a pero con un factor geomtrico diferente

A +I DV A M r P N B -I

Figura 2.2. Dispositivo tetraelectrdico para la medida de la resistividad del suelo

Dos dispositivos tetraelectrdicos lineales (los cuatro electrodos estn en lnea) en los que intercambiamos los electrodos de inyeccin y deteccin presentan unos coeficientes de dispositivo: -1

g1 =

2

1 1 1 1 (----- - ----- - ----- + -----_) ________AM AN BM BN

g2 =

2

(----- - ----- - ----- + -----_) ________AM AN BM BN

1

1

1

1

-1

Dado que las distancias cumplen AM = MA, AN = NA, etc., se obtiene que g 1 = g 2. Luego si el medio es homogneo, para una misma corriente de inyeccin las diferencias de potencial ledas V1 y V2, sern iguales. Por tanto la resistividad medida r ser independiente de la posicin de los electrodos de inyeccin y deteccin cuando estos se intercambian. Esta propiedad se conoce con el nombre de principio de reciprocidad, que se cumple tambin para medios heterogneos (Orellana, 1982). No obstante, en la prctica no es conveniente colocar los electrodos M y N tan separados como suelen estar los A y B, pues al ser grande la distancia entre los primeros, la medida se vera afectada por la corrientes telricas, parsitos industriales, etc., cuyo efecto aumenta proporcionalmente con la distancia entre M y N. Los clculos anteriores se basan en la consideracin de que el suelo es homogneo e istropo. Cuando el medio no es homogneo, da la resistividad aparente , a, y su valor depende, adems del factor geomtrico g , de las resistividades de los diferentes materiales. A partir de la interpretacin de las resistividades aparentes medidas en un terreno se podrn extraer conclusiones sobre la composicin estructural del subsuelo. Dispositivos Tetraelectrdicos Lineales Bsicos En cualquier dispositivo electrdico, si conocemos el factor geomtrico g, la corriente elctrica I inyectada por los electrodos A y B, y la diferencia de potencial entre los electrodos M y N, podemos calcular la resistividad aparente mediante (2.5). Los dispositivos tetraelectrdicos lineales ms utilizados son los siguientes: Dispositivo Wenner: Los electrodos se disponen equidistantes sobre una lnea en el orden AMNB (Figura 2.3)A M N B

a

a

a

Figura 2.3. Dispositivo Wenner

El factor geomtrico del dispositivo se deduce de (2.6):

g = 2aDispositivo Schlumberger:

(2.9)

Se trata de una composicin simtrica de los electrodos AMNB dispuestos en lnea, donde la distancia de los electrodos detectores MN es mucho menor que la de los inyectores AB (Figura 2.4). En la prctica, AB > 5MN.

A

M N

B

b

a

b

Figura 2.4. Dispositivo Schlumberger

El coeficiente del dispositivo en este caso es:

b (b + a)

g = -------------------aSi definimos L = b + a/2 , el factor geomtrico se puede expresar como:

(2.10)

L2 g = (---------a

- -----------)

a 4

Si la distancia a que separa los electrodos M y N tiende a cero el factor geomtrico queda:

g = (----------) aQue tiende a infinito. Sin embargo la resistividad aparente es finita ya que V en (2.5) decrece al mismo tiempo que a. Tendremos:

L2

= lim --------- ---------- = -------- lim -------- = --------- Ea0 a I I a0 a I

L2

V

L2

V

L2

Donde E es el campo elctrico. La idea del dispositivo Schlumberger consiste, pues, en utilizar una distancia MN = a muy corta, de tal modo que pueda tomarse como vlida la ecuacin anterior. Los desarrollos tericos se establecen suponiendo que lo que medimos realmente es el campo E, el cual en la prctica se toma igual a V/a. Trabajar con el campo elctrico comporta ventajas tericas a la hora de trabajar con expresiones analticas, como veremos en el prximo captulo. El inconveniente es que la tensin diferencial medida disminuye linealmente con la separacin a y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia L. Adems, la precisin de las mediciones geoelctricas de campo est muy limitada por heterogeneidades irrelevantes del terreno (ruido geolgico).

En ciertos casos, el electrodo B se lleva a gran distancia de los dems de modo que no influya sobre el valor de DV observado. Se tiene entonces el dispositivo denominado Schlumberger asimtrico, o semi-Schlumberger. Dispositivo Polo-Dipolo: En este dispositivo l electrodo B se lleva a una gran distancia (tericamente en el infinito) de los otros tres (Figura 2.5)M

A

N

b

a

Figura 2.5. Dispositivo polo-dipolo

El factor geomtrico del dispositivo en este caso es:

b (b + a)

g=

2 --------------------

(2.14)

aCuando a > 1 (entonces AB y MN se comportan como un dipolo de corriente y de tensin respectivamente), aunque muchos autores utilizan este dispositivo incluso con n = 1. El factor geomtrico cuando n >> 1 se puede expresar como:

g = n3 a

(2.17)

El inconveniente es que el campo dipolar decrece con el cubo de la distancia entre los dipolos de corriente y tensin, por lo que necesita detectores ms sensibles que los otros dispositivos. Dispositivos Wenner , : La Figura 2.7 muestra la disposicin de electrodos en los dispositivos Wenner y , donde m es un nmero real positivo (Roy, 1972). Un caso particular del dispositivo -Wenner son los dispositivos Wenner (m = 1) y Schlumberger (m > 1.

A

M

N

B

A

B

M

N

a

ma

a

a

ma

a

Figura 2.7. Dispositivos -Wenner (izquierda) y -Wenner (derecha).

Tipos de Prospecciones Geoelctricas La finalidad de una prospeccin geoelctrica es conocer la forma, composicin y dimensiones de estructuras o cuerpos inmersos en el subsuelo a partir de medidas en la superficie. Mediante la prospeccin geoelctrica conseguimos trazar una cartografa de resistividades aparentes del subsuelo que nos darn informacin sobre las estructuras que subyacen en l. Las prospecciones geoelctricas que se realizan se dividen generalmente en dos tipos: - Sondeo elctrico vertical (S.E.V). - Calicatas elctricas (C.E). Sondeo Elctrico Vertical. La finalidad del sondeo elctrico vertical (SEV) es averiguar la distribucin vertical en profundidad de las resistividades aparentes bajo el punto sondeado a partir de medidas de la diferencia de potencial en la superficie. Se utiliza sobre todo para detectar y establecer los lmites de capas horizontales de suelo estratificado (Figura 2.8).

Figura 2.8. Principio del SEV. A medida que A y B se separan, la corriente va penetrando en las capas ms profundas

La profundidad de penetracin de la corriente elctrica depende de la separacin de los electrodos inyectores AB. Si la distancia entre los electrodos AB aumenta, la corriente circula a mayor profundidad pero su densidad disminuye. Para un medio istropo y homogneo, el 50% de la corriente circula por encima de la profundidad AB/2 y el 70.6% por encima de una profundidad AB (Orellana, 1982). Sin embargo, no es posible fijar una profundidad lmite por debajo de la cual el subsuelo no influye en el SEV, ya que la densidad de corriente disminuye de modo suave y gradual, sin anularse nunca. Podra pensarse que la penetracin es proporcional a AB. Sin embargo esto no es cierto en general puesto que lo dicho slo es vlido para un subsuelo homogneo. Durante mucho tiempo, en prospeccin geoelctrica en corriente continua, la profundidad de investigacin ha sido considerada sinnimo de la profundidad de penetracin de la corriente. Sin embargo, el efecto de una capa en los potenciales o campos observados en superficie no depende nicamente de la densidad de corriente que la atraviesa. Roy y Apparao (1971) definen la profundidad de investigacin

caracterstica como la profundidad a la que una capa delgada de terreno (paralela a la superficie) contribuye con participacin mxima a la seal total medida en la superficie del terreno. Los autores indican que la profundidad de investigacin viene determinada por la posicin de los electrodos inyectores y detectores, y no slo por la penetracin o distribucin de la corriente. Esto queda claro con un ejemplo: si se intercambian entre s las posiciones de los electrodos de potencial con los de corriente, la distribucin de las lneas de corriente cambia. Sin embargo, en virtud del principio de reciprocidad visto anteriormente, la resistividad aparente y por tanto la profundidad de investigacin no cambia. Definiendo L como la distancia entre los dos electrodos extremos (sin considerar los situados en el infinito), los mismos autores determinan la profundidad de investigacin de diversos dispositivos electrdicos en un suelo homogneo, siendo para el dispositivo polo-polo de 0,35L, para Schlumberger de 0,125L y para Wenner de 0,11L. Edwards (1977) sugiere que un valor ms til puede ser la profundidad a la cual la mitad de la seal medida en la superficie es debida a la porcin de suelo superior a esa profundidad y la otra mitad de la seal a la porcin de suelo inferior. Barker (1989) la define como la profundidad de investigacin efectiva, y muestra con ejemplos la mayor utilidad de sta sobre la utilizada por Roy y Apparao (1971). Las profundidades de investigacin efectiva para los dispositivos Wenner, Schlumberger y doble dipolo son respectivamente de 0,17L, 0,19L y 0,25L (para este ltimo la profundidad de investigacin caracterstica es de 0,195L), es decir ligeramente mayores que utilizando la definicin de profundidad de investigacin caracterstica. Experimentalmente, a partir de los dispositivos vistos en el apartado 2.3, el SEV consiste en aumentar progresivamente la distancia entre los electrodos manteniendo un punto central fijo (punto de sondeo P). Ahora veremos cmo se aplica a los diferentes dispositivos. Sondeo Wenner: Dado el dispositivo Wenner AMNB con separacin interelectrdica a, el sondeo consiste en el aumento progresivo del valor de a manteniendo un punto central fijo P (Figura 2.9). Para la representacin de los datos se muestra en ordenadas el valor de la resistividad aparente medida, a, en Ohmsm, y en abscisas el valor de a en metros para cada paso.A A M N B M N P B

a na

a a na

na

Figura 2.9. Sondeo Wenner. La distancia interelectrdica pasa de a (AMNB) a na (AMNB).

Sondeo Schlumberger: Dado el dispositivo Schlumberger AMNB con AB>>MN, el sondeo consiste en separar progresivamente los electrodos inyectores A y B dejando los electrodos detectores M y N fijos en torno a un punto central fijo P.(Figura 2.10). La representacin de este sondeo muestra en ordenadas a (m) y en abscisas la distancia AB/2 (m). En este sondeo el efecto de las heterogeneidades irrelevantes es menor pues slo se mueven el par de electrodos inyectores A y B.

A

A

M N

B

B

a na

b b

a na

Figura 2.10. Sondeo Schlumberger. Los electrodos A y B se abren progresivamente mientras M y N estn fijos.

Sondeo Dipolar: Dado el dispositivo doble dipolo ABMN, el sondeo consiste en la separacin creciente de los centros de los dipolos respecto a un punto fijo origen P (Figura 2.11). La representacin de este sondeo muestra en ordenadas a (m) y en abscisas la separacin de los centros de los dipolos en metros.

Figura 2.11. Sondeo dipolar. Los dipolos se mantienen, aumentando la separacin entre ellos.

Efectos Laterales en el SEV y Ambigedades en su Interpretacin Si el dispositivo electrdico est prximo a un contacto vertical, las lneas de corriente sern distorsionadas por lo que VMN se ver afectado por el otro medio, tanto ms cuanto mayor sea la separacin de los electrodos AB. Por lo tanto, la medida de la resistividad aparente en un SEV est influida por la distribucin de resistividades en un cierto volumen de terreno. Esto implica que para distancias AB grandes no se sabr si la resistividad aparente es debida a cambios de estructuras en la profundidad o a las heterogeneidades laterales por contraste de resistividades (Orellana, 1982). Puede ocurrir que las curvas de resistividad aparente para dos casos diferentes de SEV sean idnticas si la relacin entre profundidad a la que se encuentra un estrato y su resistividad permanece constante, lo que provoca una ambigedad en la deduccin del grosor de la capa y su resistividad.

Aplicaciones en la Prospeccin de Hidrocarburos Los principales ejemplos de aplicacin tienen que ver en la exploracin de nuevas Cuencas potencialmente hidrocarburferas, especialmente en los pases de la ex Unin Sovitica. Otras aplicaciones someras modernas se vinculan a condiciones de suelo alterado por eventuales microfugas de hidrocarburos, configurando una herramienta prospectiva que en algunas reas ha dado interesantes resultados. Los suelos pueden tener cementacin carbontica subsuperficial (que da anomalas de alta resistividad) y tambin zonas ms profundas de baja resistividad asociada a la presencia de pirita, magnetita y otros minerales conductivos generados por accin de las bacterias que biodegradan los hidrocarburos. ElejemplodelafigurasiguientecorrespondeaunaTE dondelascapassubsuperficiales muestran aumento de resistividad, donde existen pequeas acumulaciones de hidrocarburosprovienendetrampasprofundas. Adems del perfilaje de pozos que se ver ms adelante los mtodos geoelctricos de corrientecontnuadesdesuperficiehansidoutilizadosenalgngradoenlaprospeccin einclusodesarrollodeyacimientosdehidrocarburos.

Otras Aplicaciones El SEV tambin es aplicable cuando el objetivo tiene una posicin horizontal y una extensin mayor que su profundidad. Tal es el caso del estudio de capas tectnicas, hidrolgicas, etc. Tambin es adecuado para trabajar a poca profundidad sobre topografas suaves como complemento de las calicatas elctricas, con el objetivo de decidir la profundidad a la cual realizar el perfil de resistividades, como ocurre por ejemplo en Arqueologa. El SEV no es adecuado para contactos verticales, fallas, diques, etc. Calicatas Elctricas La finalidad de las calicatas elctricas (CE) es obtener un perfil de las variaciones laterales de resistividad del subsuelo fijada una profundidad de investigacin. Esto lo hace adecuado para la deteccin de contactos verticales, cuerpos y estructuras que se presentan como heterogeneidades laterales de resistividad. Orellana (1982) resalta que la zona explorada en el calicateo elctrico se extiende desde la superficie hasta una profundidad ms o menos constante, que es funcin tanto de la separacin entre electrodos como de la distribucin de resistividades bajo ellos. Experimentalmente, la CE consiste en trasladar los cuatro electrodos del dispositivo a lo largo de un recorrido, manteniendo su separacin, obtenindose un perfil de resistividades aparentes a lo largo de aqul. Calicata Wenner:

Partiendo de sus respectivos dispositivos base, esta calicata consiste en desplazar los cuatro electrodos AMNB a la vez manteniendo sus separaciones interelectrdicas a lo largo de un recorrido (Figura 2.12). Se representa la distancia del origen, O, al centro de los electrodos MN en abscisas y en ordenadas el valor de ra ( m) para cada distancia x.

A M N B

A M N B

O

x

Figura 2.12. Calicata Wenner. Los cuatro electrodos se desplazan a la vez manteniendo sus separaciones.

Calicata Schlumberger: En este tipo de calicata podemos citar dos variantes. La primera sera similar a la calicata Wenner, desplazando lateralmente los cuatros electrodos del dispositivo Schlumberger a la vez. La segunda consiste en desplazar los electrodos detectores M y N entre A y B, los cuales estn fijos y a una gran distancia de los electrodos detectores (Figura 2.13). La profundidad de penetracin de la medida no es constante puesto que no es una verdadera calicata, siendo mxima cuando los electrodos MN se hallan en el centro del segmento AB.

Figura 2.13. Calicata Schlumberger (segunda variante). Los electrodos M y N se mueven de A hasta B manteniendo su separacin.

La Figura 2.14 muestra las distancias entre electrodos, donde se escoge el origen en el punto medio entre los electrodos inyectores.

Calicata Polo-Dipolo: La calicata polo-dipolo consiste en desplazar los tres electrodos AMN a la vez, manteniendo sus separaciones interelectrdicas, a lo largo de un recorrido. Se representa la distancia de un origen escogido al centro de los electrodos MN en abscisas y el valor de la resistividad aparente medida (m) para cada distancia x en ordenadas. En la calicata polo-polo se desplazan los electrodos AM y la resistividad aparente se representa respecto al punto medio entre A y M. Calicata Dipolar: Esta calicata basada en el dispositivo dipolar consiste en desplazar los cuatro electrodos ABMN a la vez, manteniendo sus separaciones interelectrdicas, a lo largo de un recorrido (Figura 2.15). Se representa la distancia del origen, O, al punto medio entre los dos dipolos en abscisas y en ordenadas el valor de la resistividad aparente medida (m) para cada distancia x (m).

AB

MN

AB

MN

O

x

Figura 2.15. Calicata dipolar. Se desplaza el dispositivo dipolar manteniendo las separaciones.

Cada tipo de calicata responde a las heterogeneidades laterales con diferente resolucin e intensidad de cambio, por lo que a la hora de interpretar las curvas de resistividad aparente hay que tener en cuenta el dispositivo electrdico utilizado. Eleccin del Tipo de Calicata ms Adecuado - Factores a Considerar En general no puede afirmarse que tal o cual tipo de calicata elctrica sea superior a los dems. Para cada problema concreto, cada uno de estos tipos presenta ventajas e inconvenientes. La eleccin debe tener en cuenta muchos factores, tales como el corte geoelctrico esperado, las caractersticas de la zona de trabajo, la clase de prospeccin, as como factores econmicos. En una curva de resistividad aparente se produce una discontinuidad cada vez que un electrodo pasa sobre un cambio lateral de resistividad, por lo que resulta que cuanto mayor sea el nmero de electrodos movidos ms ancha y complicada se hace la anomala en la curva de resistividad aparente, lo cual hace ms difcil la interpretacin. Por esta razn se recomienda la calicata Schlumberger con los electrodos A y B fijos o la dipolar con los dipolos bien separados (equivalente a mover solo dos electrodos). La diferencia de potencial VMN representa la integral del gradiente de potencial entre los electrodos M y N. Por tanto, cuanto ms separados estn los electrodos M y N tanto ms suavizada ser la curva de la resistividad aparente, lo que provocar que objetos pequeos y cercanos se confundan en uno solo. Cuanto ms pequea sea la distancia MN se tiene mayor resolucin y amplitud de cambio de resistividad aparente debido a un objeto (Figura 2.16), por lo que la calicata Schlumberger tiene mayor resolucin que la Wenner.

a

x

s1

s2

Figura 2.16. Efecto del aumento de la distancia MN en la resistividad anmala de dos cuerpos pequeos s1 y s 2, a) MN pequea (lnea continua), b) MN grande (lnea a trazos)

El paso por el que se avanzar en la trayectoria depende del tamao del objeto buscado. Este debe ser en principio menor que las dimensiones del objeto buscado para tener mayor resolucin, aunque tambin se ver afectado por mayor ruido geolgico. En el caso de cuerpos de extensin limitada es necesario que el perfil pase sobre l, puesto que la amplitud de la anomala vara poco si el perfil en vez de pasar por su centro pasa por su borde y es casi inapreciable a distancias del borde superiores a la longitud del

dispositivo (Orellana, 1982). Aplicaciones Las aplicaciones de la calicata elctrica estn en la deteccin de fisuras, fallas, contactos verticales en general y objetos o estructuras enterradas. La realizacin de calicatas en trayectorias paralelas permite trazar la cartografa de resistividades aparentes de un terreno a profundidad constante representada por curvas de isoresistividad. Estos mapas de resistividad se aplican en arqueologa para decidir sobre la estrategia a seguir en las excavaciones. Sistema de Medida y Configuraciones Electrdicas Utilizadas Cuando se necesita una exploracin detallada y con gran resolucin espacial se requiere un gran nmero de medidas. El cambio manual de los electrodos inyectores y detectores a cada medida es un proceso laborioso y lento. Los sistemas automticos aceleran los procesos de medida e interpretacin (Griffiths, Turnbull y Olayinka, 1990). Sin embargo, los equipos comerciales (e.g., Terrameter) son sistemas cerrados que no permiten mucha flexibilidad en la eleccin de parmetros como la frecuencia o la forma de onda de la corriente inyectada. Adems, tampoco estn pensados para trabajar con modelos a escala (modelos analgicos) en el laboratorio. La Figura 2.17 muestra el sistema PROGEO desarrollado para realizar medidas automticas en el laboratorio (Alberto, 1997), que ser descrito con detalle en el captulo 4. El sistema usa instrumentos comerciales. El generador de funciones (HP3245A) inyecta una seal sinusoidal o cuadrada de frecuencia 10 Hz a 10 kHz y de amplitud mxima 20 V (pico a pico). El programa de aplicacin selecciona estos parmetros va el bus GPIB. El generador de funciones tambin proporciona una seal de referencia para disparar el osciloscopio digital (TDS420), el cual digitaliza la tensin amplificada por la sonda diferencial (ADA400A). El osciloscopio digitaliza simultneamente la tensin diferencial de la sonda (canal 2) y la tensin que cae en la resistencia Ro (canal 1) que se utiliza para realizar una medida indirecta de la corriente inyectada. Se han configurado dos tarjetas con 32 rels SPST cada una (MEM32A, Keithley) para implementar una matriz de conmutacin 4x16. Esto permite escoger, en una ristra de 16 electrodos, cualquier par de electrodos para la inyeccin y cualquier otro par para la deteccin. El programa de aplicacin est implementado en LabWindows versin 2.3 para DOS (National Instruments). Las principales funciones son: seleccin de parmetros para la seales inyectada y detectada, configuracin electrdica, adquisicin de la seal y demodulacin software, y representacin de la resistividad aparente.

Figura 2.17. Sistema automtico de medida PROGEO

Las medidas se realizan en un modelo analgico constituido por una cubeta de plstico de dimensiones 40 cm x 35 cm x 20 cm llena de agua hasta un nivel de unos 16 cm, en la que se introducen diferentes objetos a fin de simular la presencia de objetos locales. Se utilizan 16 electrodos equiespaciados 1 cm o 2 cm. Debido a las reducidas dimensiones de la cubeta, no se han implementado los dispositivos electrdicos que tienen uno o ms electrodos en el infinito, como son el dispositivo doble dipolo y el dispositivo polo-polo. El apndice E muestra imgenes del sistema de medida PROGEO y del modelo analgico para realizar las medidas.

Figura 2.18. Dimensiones de la cubeta utilizada para realizar las medidas experimentales en el laboratorio

Con un sistema de medida automtico es interesante plantearse la posibilidad de adquirir un mayor nmero de valores de resistividad aparente con la idea de mejorar la interpretacin de las estructuras del subsuelo. Noel y Xu (1991) afirman que con un vector de N electrodos, el nmero mximo de medidas independientes, SN, esN(N 3)

SN = ------------------2

(2.22)

Los autores ilustran esta afirmacin con ejemplos y muestran cmo muchas medidas se pueden obtener como superposicin de otras. Con 16 electrodos tendremos 104 medidas independientes. En lo que sigue describimos cmo utilizar los dispositivos electrdicos vistos para obtener el mximo nmero de medidas independientes. Una medida nueva ser independiente si no se puede obtener como combinacin de las anteriores. De aqu en adelante entenderemos el trmino configuracin como un conjunto de medidas utilizando uno o varios dispositivos electrdicos. Normalmente estas configuraciones sern combinaciones de calicatas y sondeos, ya que nuestro inters radica en la obtencin del cambio de la resistividad en las tres direcciones del espacio. Las configuraciones basadas en los dispositivos polo-dipolo y polo-polo no sern implementables en el laboratorio, debido a las reducidas dimensiones de la cubeta Configuracin Doble Dipolo Es una combinacin del sondeo y de la calicata doble dipolo. Para cada inyeccin desplazamos los electrodos MN desde el par de electrodos adyacentes a los electrodos AB hasta el extremo derecho. A cada nueva inyeccin desplazamos los electrodos AB una unidad (espaciado interelectrdico) hacia la derecha. La Figura 2.19 muestra el proceso.

Figura 2.19. Configuracin doble dipolo. Es una combinacin del sondeo y la calicata con el dispositivo doble dipolo.

El nmero de total de medidas son 91 y todas son independientes. Para conseguir 13 medidas independientes adicionales podemos utilizar una calicata Schlumberger con los electrodos A y B fijos en los extremos de la agrupacin de 16 electrodos (Figura 2.20). Esta configuracin con 104 medidas independientes recibir el nombre de configuracin doble dipolo y es la misma utilizada por Kotre (1996a).

Figura 2.20. Medidas adicionales en la configuracin doble dipolo para conseguir las 104 medidas independientes.

Un problema de esta configuracin es la elevada relacin entre las medidas mayor y menor (en un suelo homogneo). La diferencia de potencial mayor se produce cuando inyectamos por los electrodos 1 (extremo izquierdo) y 16 (extremo derecho) y medimos bien entre los electrodos 2 y 3 o bien entre los electrodos 14 y 15. La diferencia de potencial es mnima cuando la inyeccin se produce entre los electrodos 1 y 2 y la deteccin entre los electrodos 15 y 16. De (2.4) se obtiene que la relacin es de 690. Si se quisiera tener una resolucin del 1% en la medida menor, el margen dinmico del detector habra de ser de 69000 (casi 100 dB). Configuracin Schlumberger. Se basa en la calicata Schlumberger y en el dispositivo -Wenner. Para cada inyeccin desplazamos los electrodos MN desde el electrodo A hasta el electrodo B. En cada nueva inyeccin el electrodo A se va desplazando una unidad hacia la izquierda quedando fijo el electrodo B (Figura 2.21). Esto produce 91 medidas independientes. Si inyectamos corriente entre los electrodos 1 y 15 y medimos la tensin diferencial entre los pares adyacentes restantes obtenemos 12 medidas independientes ms. La ltima medida la podemos obtener, por ejemplo, inyectando corriente entre los electrodos 3 y 16, y midiendo la tensin diferencial entre los electrodos 1 y 2. Esta configuracin (con las 104 medidas independientes) recibir el nombre de Schlumberger. La relacin entre las medidas mayor (AB = 13-16, MN = 14-15) y menor (AB = 1-16, MN = 8-9) es en este caso de 28, mucho menor que en la configuracin doble dipolo .

Figura 2.21. Configuracin Schlumberger. Est basado en la calicata Schlumberger con los electrodos de corriente fijos. En cada nueva inyeccin el electrodo A se desplaza una unidad hacia la derecha.

Configuracin Polo-Dipolo El procedimiento es anlogo al de la configuracin Schlumberger pero con el electrodo B en el infinito. La Figura 2.22 muestra el proceso para las dos primeras inyecciones. El electrodo A se desplaza desde el electrodo 1 hasta el electrodo 14. En total resultan 105 medidas independientes.

Figura 2.22. Configuracin polo-dipolo. El procedimiento es anlogo a la configuracin Schlumberger por ahora el electrodo B est en el infinito.

El nmero de medidas independientes se puede incrementar situando el electrodo A en la posicin 16 y midiendo entre los electrodos adyacentes restantes. En total tendremos 119 medidas independientes. Esto no es una contradiccin, ya que ahora el nmero real de electrodos es 17 contando el electrodo en el infinito. Esta configuracin recibir el nombre de polo-dipolo. La relacin entre las medidas mayor y menor es ahora de 104. Configuracin Polo-Polo La Figura 2.23 muestra la secuencia de medida. Los electrodos B y N estn situados en el infinito. El potencial se mide en los electrodos a la derecha del electrodo inyector A. En cada nueva inyeccin el electrodo A se desplaza una unidad hacia la derecha. El total de medidas independientes es de 120 cuando el mximo terico es de 119 (con 17 electrodos). Esto es debido a que la coincidencia de los electrodos N y B permite una medida independiente ms. La relacin entre las medidas mayor (electrodos A y M contiguos) y menor (electrodos A y M en los extremos) es de 15.

Figura 2.23. Configuracin polo-polo. Los electrodos N y B estn en el infinito. El electrodo A se desplaza de izquierda a derecha. Las medidas de tensin se realizan a la derecha del electrodo A.

De las configuraciones utilizadas la polo-polo y la polo-dipolo presentan un mayor nmero de medidas independientes pero esto se debe a que en realidad ha utilizado un electrodo ms. Si bien tericamente este electrodo est en el infinito, en la prctica suele considerarse suficiente una distancia 10 veces mayor que la mxima separacin entre los electrodos activos (los no situados en el infinito), lo que no siempre es posible. Las configuraciones que requieren menor margen dinmico son la polo-polo y la Schlumberger. En cambio el margen dinmico requerido por la configuracin doble dipolo puede resultar demasiado exigente. Para obtener imgenes tridimensionales de la distribucin de resistividad del subsuelo necesitamos incrementar el nmero de medidas (con cualquiera de las configuraciones anteriores). 28

El procedimiento adoptado ser repetir las configuraciones anteriores a lo largo del eje y (Figura 2.24), como veremos en los captulos 5 y 6.

Figura 2.24. Las configuraciones se repiten a lo largo del eje perpendicular al vector de electrodos con el fin de obtener imgenes tridimensionales de la distribucin de resistividad en el subsuelo.

Resumen La resistividad de los suelos tiene un margen de variacin muy amplio. Incluso un mismo suelo puede presentar diferentes resistividades con el tiempo dependiendo de factores como la temperatura o la humedad, siendo ste el ms determinante. Por lo tanto es difcil estimar la composicin del subsuelo solamente a partir de la medida de resistividad. La medida de la resistividad aparente se realiza normalmente mediante cuatro electrodos, dos para inyectar la corriente y otros dos para medir la diferencia de potencial. Los dispositivos lineales ms utilizados son: Wenner, Schlumberger, doble dipolo, polodipolo y polo-polo. Las prospecciones geoelctricas se dividen normalmente en dos tipos: SEV y CE. El SEV tiene como objetivo determinar la variacin de la resistividad con la profundidad, lo que es adecuado, por ejemplo, en la determinacin de las diferentes capas o estratos de un suelo. La CE trata de determinar la variacin de la resistividad a una profundidad determinada y se utiliza por ejemplo en prospecciones arqueolgicas. Cuando se pretende obtener imgenes en dos o tres dimensiones de la distribucin de resistividad del subsuelo es ms adecuado utilizar una combinacin de calicatas y SEV. Se proponen configuraciones multielectrdicas basadas en dispositivos clsicos. Con 16 electrodos el nmero mximo de medidas independientes es de 104. El nmero de medidas se puede incrementar desplazando la agrupacin de 29

electrodos perpendicularmente. Para acelerar el proceso de medida se utiliza un sistema de medida automtico (Alberto, 1997) que permite cualquier combinacin de electrodos inyectores y detectores. Debido a las reducidas dimensiones de la cubeta utilizada para realizar medidas en el laboratorio, slo es posible implementar las configuraciones Schlumberger y doble dipolo. Esta ltima necesita un gran margen dinmico en el detector.

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TEMA 3: TOMOGRAFIA ELECTRICA Durante la ltima dcada, se ha producido una notable adecuacin en la aplicacin de tcnicas geofsicas en la resolucin de conflictos geotcnicos o medioambientales. Concretamente, la prospeccin elctrica de resistividades mediante corriente continua ha experimentado un notable avance con la aparicin de sistemas automticos de adquisicin de datos y programas informticos para la obtencin de imgenes del subsuelo con estimacin de la distribucin real de la resistividad en una seccin del terreno. La implantacin de dispositivos elctrico-resistivos para la localizacin de contactos entre materiales del subsuelo se han venido utilizando con xito desde 1950 (Beresnev, I.A. et al., 2002), si bien las tcnicas modernas permiten establecer una cada vez mayor aproximacin entre los resultados obtenidos y la verdadera disposicin de los materiales en el subsuelo. Con todo, el xito de una campaa de investigacin geofsica de resistividad mediante Tomografa Elctrica depende en gran medida de mltiples factores, tales como la seleccin de la configuracin tetraelectrdica ms sensible para nuestro propsito, la determinacin de un espaciado interelectrdico adecuado para el objetivo a localizar, la densidad y nmero de medidas o, por supuesto, la interpretacin de los resultados por un tcnico geofsico con suficiente experiencia en la materia. De este modo, se puede decir que la investigacin mediante Tomografa Elctrica dar buenos resultados o fracasar estrepitosamente en funcin de diversas decisiones que han de tomarse desde el inicio de una campaa de prospeccin (Porres, J.A., 2003).

Tomografa Elctrica Multielectrodo Estos mtodos elctricos de prospeccin se basan en la existencia de variaciones de las propiedades elctricas, en especial la resistividad de las distintas formaciones del subsuelo, teniendo como objetivo determinar la distribucin en profundidad (resistividades y espesores) de los niveles geoelctricos presentes. Esta tcnica, proporciona conjuntamente informacin lateral y en profundidad. El sistema consta de un resistivmetro o unidad bsica, un selector de electrodos y un juego de cables multiconectores que permiten utilizar hasta 64 electrodos conmutables de forma totalmente automtica a travs del selector de electrodos y controlado por la unidad bsica de control. Estos equipos tambin permiten realizar medias de la resistividad utilizando dispositivos ms simples, como los sondeos elctricos verticales (S.E.V. o en ingls Vertical Electrical Sounding V.E.S.) o las calicatas elctricas (en ingls resistivity profiling).

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La prospeccin geofsica de resistividades clsica combina en cada medicin dos pares de electrodos. Se denominan A-B los electrodos que introducen corriente en el terreno y M-N los que detectan superficies de diferente potencial. Estas tcnicas, exigan un cambio manual de los electrodos (tanto A-B como M-N) en cada nueva medida. Llevar a cabo una investigacin 2D con suficiente calidad en estas condiciones requera de un proceso lento y costoso. La Tomografa Elctrica resuelve este problema de adquisicin de datos ya que combina automticamente un gran nmero de electrodos previamente clavados en el terreno con separacin equidistante (Griffiths D.H. et al., 1990). Todos estos electrodos se conectan simultneamente al equipo de medida y, mediante un programa secuencial especfico para cada trabajo, el aparato ordena cules deben ser los conjuntos de cuatro electrodos que funcionan en cada momento y con qu disposicin.

Figura 1. Disposicin de electrodos y equipo de Tomografa Elctrica

El objetivo especfico de esta tcnica es determinar el valor de la resistividad elctrica real y su distribucin en el subsuelo a partir de mediciones realizadas en superficie o, en el mbito comprendido entre dos sondeos. Posteriormente los datos son procesados con algoritmos mediante herramientas informticas que tras un proceso de iteraciones aproximan la seccin medida a un modelo terico real (Loke, M.H., 1994). El resultado final es una seccin distancia-profundidad con la distribucin de la resistividad elctrica real del subsuelo, fcilmente comprensible en trmicos geolgica o geotcnica (Figura 2).

Figura 2. Seccin de Resistividad Elctrica real para la identificacin de fracturas y rocas alteradas.

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Combinando adecuadamente resolucin lateral y profundidad de investigacin la Tomografa elctrica es sin duda un de las herramientas de carcter no destructivo ms eficaz para el estudio y caracterizacin del terreno en un amplio rango de profundidades. mbitos de Aplicacin Por su capacidad resolutiva al investigar hasta profundidades que pueden llegar a centenares de metros, la Tomografa elctrica es aplicable a cualquier estudio del subsuelo donde interese identificar todo tipo de accidentes o discontinuidades que representen un contraste suficiente en la distribucin de resistividad del medio rocoso. Entre los objetivos ms habituales a resolver mediante esta tcnica cabe mencionar los siguientes: - Deteccin y caracterizacin de fallas determinando su zona de influencia, rumbo, buzamiento y extensin en profundidad. - Deteccin de contactos entre unidades litolgicas de diferente naturaleza, determinando la morfologa y localizacin precisa de tales discontinuidades. - Deteccin de gaseoductos y otros materiales enterrados en el subsuelo. - Deteccin y caracterizacin de cavidades y huecos, tales como accidentes krsticos, canalizaciones, depsitos, rellenos arcillosos, etc. La capacidad resolutiva de la Tomografa Elctrica ofrece enormes posibilidades de aplicacin en el mbito de la prospeccin geolgica, la geotecnia, la hidrogeologa, la industria de los hidrocarburos y medio ambiente. Tomografa Elctrica sin Electrodos El mtodo de prospeccin elctrica del terreno mediante Acoplamiento Capacitivo (CCR-del ingls, Capacitively Coupled Resistivity), permite medir las propiedades elctricas de suelos y rocas, sin necesidad de clavar electrodo alguno en el suelo, tal como requieren las tcnicas convencionales. Esta tcnica de prospeccin permite realizar los trabajos en mucho menor tiempo que la tcnica convencional con electrodos, ya que las medidas se llevan a cabo de modo continuo, sobre la marcha, a medida que el dispositivo lineal formado por el conjunto de antena transmisora y receptora, va siendo arrastrado por el operador. En la fotografa adjunta, se ilustra claramente la cmoda forma de trabajo. Este modo de medir la resistividad del terreno est limitado a estudios relativamente superficiales, aunque se puede aumentar la profundidad de investigacin, haciendo mayor la separacin entre la antena trasmisora y la receptora, e incluso duplicando dicho juego de antenas, formando todo siempre un nico dispositivo de arrastre.

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TEMA 4: GEO-RADAR Introduccin: El geo-radar es una tcnica no destructiva orientada al estudio del subsuelo superficial y que se fundamenta en la capacidad de las ondas de radar de baja frecuencia (10 MHz - 2,5 GHz) para propagarse a travs de medios poco conductivos. El mtodo emplea una antena emisora para dirigir pulsos electromagnticos de 1-20 ns de duracin hacia el interior del terreno. Este frente de ondas es parcialmente reflejado al encontrar una discontinuidad o un cambio de material en el subsuelo, pudiendo ser detectado en la superficie mediante una antena receptora dispuesta a tal efecto. Al ir desplazando el sistema sobre la superficie del terreno ser posible registrar la historia de reflexiones detectadas en el subsuelo bajo la lnea de desplazamiento del equipo. De esta forma se obtienen los llamados radargramas, similares a los registros clsicos de ssmica de reflexin, pero con la gran diferencia de que, en el caso del radar, la propagacin de las ondas est condicionada por las caractersticas electromagnticas del medio de propagacin. El empleo del GPR se ha ido popularizando con el paso de los aos desde que en la dcada de los 70 aparecen publicados los primeros trabajos centrados en el mbito geolgico, hidrocarburfero y minero (Unterberger, 1974; Annan y Davis, 1976; Rubin y Fowler, 1977), cuyo objetivo principal persegua estimar la capacidad de penetracin mxima de las ondas en el subsuelo empleando antenas de 50-100 MHz. Posteriormente, en los aos 80, el mtodo comienza a ser aplicado para estudios ms superficiales, y cobran protagonismo las antenas de 200-500 MHz, de penetracin somera pero resolucin submtrica, siendo posible destacar los trabajos doctorales de Ulriksen (1982) y Glover (1987), con aportaciones novedosas en estudios medioambientales y el campo de la geotecnia. A partir de los aos 90, las antenas de 500 MHz - 1,5 GHz son prolficamente utilizadas para el anlisis de construcciones y estructuras en ingeniera civil tales como carreteras o puentes (Chung et al. 1994; Saarenko y Roimela, 1998; Lorenzo et al. 2001) y tambin en estudios arqueolgicos (Goodman, 1994; Carcione, 1996; Prez-Gracia et al. 2000). Tambin ha sido en estos ltimos 15 aos cuando se ha multiplicado el empleo del sistema para investigaciones en entornos costeros sedimentarios (Bristow, 1995; Jol et al. 1996; Harari, 1996; Fitzgerald y Van Heteren, 1999; Bristow et al. 2000; Van Dam et al. 2000; Jol et al. 2002). De singular inters en este mbito es la seleccin de artculos resultado del congreso Ground Penetrating Radar (GPR) in Sediments: Applications and Interpretation editada por Bristow y Jol (2003), donde se pone de manifiesto el potencial del GPR para obtener informacin 2D y 3D de alta resolucin en estructuras sedimentarias. Una completsima y actualizada revisin del estado del arte sobre el tema puede ser consultada en Neal (2004). Fundamentos del Mtodo Las antenas GPR han sido diseadas para emitir un pulso de muy corta duracin con el fin de mejorar la resolucin vertical del mtodo. Habitualmente este pulso est constituido por 1 2 perodos de la frecuencia nominal que caracteriza la antena. Su corta duracin en el dominio de los tiempos (t) lleva asociado un aumento inversamente proporcional de la aportacin de sus componentes frecuenciales (f) segn la relacin t = 1/f. As, la mayor parte de las antenas GPR han sido diseadas para operar con un ancho de banda similar a su frecuencia central y una duracin inversamente proporcional a su centro de frecuencias.

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Fig. 1. Forma de la seal (arriba) y espectro (abajo) del impulso generado por una antena de geo-radar de 900 MHz.

La adquisicin de datos con el geo-radar suele realizarse orientando la antena hacia el subsuelo y registrando las reflexiones detectadas tras la emisin del impulso electromagntico, obteniendo as una traza. Al desplazar la antena sobre la superficie del terreno se irn detectando y almacenando el conjunto de reflexiones existentes bajo la lnea de desplazamiento de la antena. De esta forma, el eje de abscisas de los radargramas, o registros de geo-radar, representar el movimiento de la antena en una determinada direccin, mientras que el eje de ordenadas muestra el tiempo de retardo entre la emisin del pulso y la deteccin de las reflexiones en la superficie por parte de una antena receptora, siendo ste, por lo tanto, un viaje de ida y vuelta, tal y como se escenifica en la Fig. 2a.

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Fig. 2. Proceso de adquisicin (a), radargrama en formato wiggle (b) y radargrama en formato line scan (c).

Si la velocidad (v) de propagacin de las ondas en el medio es conocida, el eje temporal de ordenadas puede ser trasformado a profundidades (z) a travs de la simple relacin z = vtwt/2. Por su parte, la velocidad puede ser deducida a partir de la siguiente ecuacin: 36

Donde es la constante dielctrica del material, su conductividad, la permeabilidad magntica y es la frecuencia angular central del pulso emitido. En medios poco conductivos, aquellos en los que se pueda aceptar que