ELECTROMAGNETISMO
RESUMEN • Aplicaciones y limitaciones. • Campo primario y secundario. • Métodos en el dominio de frecuencias. (FDEM). • Métodos en el dominio de frecuencias: VLEM, HLEM, VLF, AFMAG, Slingram y Turam. • Métodos en el dominio de tiempos. (TDEM). • Consideraciones sobre al programación ejecución de una campaña electromagnética.
y
ELECTROMAGNETISMO – APLICACIONES
• Prospección de yacimientos metálicos. • Localización de cuerpos metálicos enterrados. • Localización de conducciones de agua
o
de
electricidad • Localización de plumas contaminantes. • Vigilancia periódica de acuíferos y de la calidad del agua subterránea. • Mapas de conductividad lateral y vertical. (intrusiones salinas) • Localización de contactos, buzamientos, fallas, fracturas geológicas, etc. • Localización de cavidades. • Determinación (y caracterización) del recubrimiento.
Métodos Eléctromagnéticos •
Dentro de los métodos geofísicos, los métodos electromagnéticos son los métodos con mayor variedad de equipos e instrumentación en el mercado ( permiten investigar desde 0,1 a 3.000 m de profundidad).
•
Los métodos EM también son los métodos que mayor prestaciones y aplicaciones ofrecen en la actualidad.
•
El Sueco Karl Sunderg fue el primer científico que utilizó este método en la exploración de minerales en 1931 durante la Primera Guerra Mundial.
•
Los métodos electromagnéticos tuvieron siempre sus cotas de mayor desarrollo durante las Primera y Segunda Guerra mundial por sus diversas aplicaciones.
•
Después de la Segunda Guerra Mundial sobre todo a mediados de los años 60, los métodos electromagnéticos empezaron a utilizarse no sólo en el ámbito minero si no que además se empezó a utilizar para aplicaciones hidrogeológicas y medioambientales.
Tipos de sistemas EM TEM (time domain)
FEM (frecuency domain)
dominio de tiempo Sistemas de pulsos de onda
dominio de frecuencia Sistemas de onda continua
Toma medidas en función del tiempo Toma medidas utilizando una o más frecuencias
PASIVOS
ACTIVOS
Utiliza señales naturales de Tierra
Utiliza señales artificiales Cercanas Trasmisores cercanos Lejanas Transmisores Lejanos como los del ejército VLF.
ELECTROMAGNETISMO – LIMITACIONES -Las medidas están afectadas por la presencia de conductores eléctricos: líneas, tuberías, restos metálicos, etc., pudiendo llegar a enmascarar el objetivo perseguido. -La detección de fallas y fracturas está limitada por el espesor de los terrenos que las cubren, potencia de la fractura, contrates de resistividades, etc. - Algunos de los métodos tienen una limitación en cuanto a la profundidad (Separación transmisor-receptor, potencia del transmisor, resistividad del medio, etc.). - Necesidad de procesar e interpretar por especialistas, ya que se trata de medidas indirectas. No obstante, existen interesantes programas de software.
ELECTROMAGNETISMO Existen gran variedad de equipos y sistemas, que se pueden agrupar en:
a) Métodos en el dominio de frecuencias (FDEM) El transmisor emite una corriente de forma senoidal, a una frecuencia determinada, que puede seleccionarse en función de la profundidad del estudio.
b) Métodos en el dominio de tiempos (TDEM) Se analiza el campo secundario producido por el corte súbito del campo primario en el subsuelo (voltaje en función del tiempo). Análisis del transitorio
Ecuaciones de Maxwell
METODO ELECTROMAGNÉTICO EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA (Esquema general de campos)
Espectro Electromagnético
Relación entre el campo inductor, inducido y la conductividad aparente: Hs Hp
≈
iωµ oυs 2 4
Donde: Hs, valor del campo secundario Hp, valor del campo primario w = 2pf, pul sación eléctrica µ, permeabil idad magnética en el espacio, υ
, conductividad apare nte (mho/m) (Siemens/m)
s, separación entre las bobinas ( 10, 20, 40 m, etc.) La conductividad aparente del terreno es proporcional a la relación entre el campo secundario y el primario.
Fuerza electromotriz inducida en el conductor De acuerdo con la ley de Faraday:
EMFC
=
dI T M TC dt
Donde: • EMFC, Fuerza electromotriz o voltaje en el conductor • MTC, Inductancia mutua entre el transmisor y el cuerpo conductor (relación entre el flujo y la I). • dIT/dt, Derivada de la intensidad respecto al tiempo
Fuerza electromotriz registrada en el receptor
Donde: • • • •
EMFR Fuerza electromotriz en el receptor MRT Inductancia mutua entre el transmisor y el receptor MRC Inductancia mutua entre el receptor y el conductor en el terreno dIT/dt, dIC/dt derivadas de las intensidades inducidas en el transmisor
y en el conductor del terreno. • IT, IC, intensidades inducidas en el transmisor y en el conductor del terreno
PARÁMETROS MEDIDOS Frecuencia aplicada, función de las necesidades (o de las disponibles, caso del VLF). Alta frecuencia para análisis superficiales. Normalmente varios canales, lo que permite varias frecuencias.
Medidas: - Conductividad aparente - Componente real ( in phase) (till) - Componente imaginaria, ( out of phase) (elipticidad) - Amplitud y fase del campo secundario
La polarización electromagnética es un fenómeno que puede producirse en las ondas electromagnéticas, por el cual el campo eléctrico oscila
sólo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Este plano puede definirse por dos vectores.
La polarización de una onda es la figura geométrica determinada por el extremo del vector que representa el campo eléctrico en función del tiempo, en una posición dada. Existe polarización lineal, circular y elíptica.
Polarización elíptica
Angulo de inclinación (componente real) y Elipticidad componente imaginaria
b a
Donde, θ es el ángulo de inclinación del eje mayor de la elipse y E= b/a es la elipticidad.
PARÁMETROS: Las corrientes inducidas se producen en el conjunto del terreno, y su magnitud y distribución son funciones de la frecuencia, potencia, geometría y las propiedades eléctricas del terreno. - La componente real, aporta datos sobre la geometría del cuerpo detectado y a grandes rasgos si se trata de un buen o mal conductor. - La componente imaginaria, determinar el grado de conductividad del cuerpo en cuanto a la clasificación de bueno, muy bueno o malo, según su mayor o menor grado de conducción (cualitativamente). - Conductividad aparente
ELECTROMAGNETISMO – DOMINIO DE FRECUENCIAS
Interpretación: Inicialmente con nomogramas, adaptados a los distintos métodos, en los que los parámetros medidos se comparaban con los que resultaban de modelos con distintas dimensiones y conductividades. Los parámetros de los modelos: geometría, profundidad, conductividad, inclinación, etc. La interpretación se hacía en varios pasos, a partir de un modelo inicial al que se le asignaban los parámetros anteriores, se definía la anomalía teórica que producía y se comparaba con los resultados obtenidos. Con los distintos nomogramas se intentaba llegar al modelo más parecido. Actualmente este proceso iterativo está informatizado. La posibilidad de recopilar gran cantidad de información (registros de varios canales para distintas frecuencias por ejemplo) y de tratar gran cantidad de datos permite obtener cada vez mejores resultados.
ELECTROMAGNETISMO – DOMINIO DE FRECUENCIAS Ejemplo de registro en fase, de nueve canales
ELECTROMAGNETISMO – DOMINIO DE FRECUENCIAS Ejemplo de registro en cuadratura de 9 canales
TÉCNICAS DE MEDIDAS EN CAMPO Realización de calicatas electromagnéticas: Técnicas Slingram o Turam). -
- Realización de sondeos electromagnéticos en función de la separación T-R y frecuencias.
•Slingram:
HLEM, VLEM (Horizontal-VerticaL
Loop EM)
(Emisor y receptor móviles).
•Transmisor y receptor: Bobinas, horizontales (o verticales), en el mismo plano. La distancia, en el momento de las medidas debe mantenerse constante. •Parámetro: Componentes en fase y en cuadratura. •Procesado-Interpretación: Medidas indirectas en base a la conductividad aparente del cuerpo conductor, fractura, etc.
Penetración de exploración en función del espaciado entre bobinas (EM34-3) Espaciado entre bobinas (metros)
Bobinas horizontales
Bobinas verticales
10 (6,4 Khz.)
7,5
15
20 (1,6 Khz.)
15
30
30 (0,4 Khz.)
30
60
Turam (Emisor fijo y receptor móvil) •Transmisor Bobina de grandes dimensiones, hasta de varios centenares de metros. •Receptor: Dos bobinas, horizontales, separadas una distancia fija. Se mueven según trazados lineales •Parámetros: Diferencias de fase, componentes en fase y en cuadratura del campo secundario. • Procesado-Interpretación: Por comparación de las curvas de campo con modelos teóricos de cuerpos sencillos, mediante programas informáticos.
ELECTROMAGNETISMO – DOMINIO DE FRECUENCIAS EJEMPLOS DE REGISTROS
ELECTROMAGNETISMO – DOMINIO DE FRECUENCIAS Ejemplo de método electromagnético LIN ("Low Induction Number") consiste en medir el campo magnético secundario generado por el terreno ante la excitación de un campo primario. La medida de la relación entre este campo magnético secundario y el primario es directamente proporcional a la conductividad del terreno en el punto de medida. Profundidad de investigación hasta 6 metros
ELECTROMAGNETISMO – DOMINIO DE FRECUENCIAS M34-3
VLEM (Vertical Loop EM) .
ELECTROMAGNETISMO – DOMINIO DE FRECUENCIAS EM31
.
Metodología FEM El equipo está compuesto por una antena receptora y por una antena emisora. A través de la antena emisora circula una corriente alterna la cual crea un campo magnético primario. Este campo magnético primario se va desplazando por el subsuelo y cuando llega a un cuerpo conductor, este crea un campo magnético secundario. La antena receptora adquiere la combinación del campo magnético primario y secundario. Estos dos campos magnéticos inducen una corriente alterna. Esta corriente determina la combinación de la intensidad del campo magnético. Con este método se determina la conductividad geoeléctrica del subsuelo.
TIPOS DE EQUIPOS DE ONDA CONTINUA F.E.M. HLEM VLEM (Vertical Loop EM)
MODO HORIZONTAL
MODO VERTICAL
3M
6M
MODO
MODO
HORIZONTAL
VERTICAL
7.5 M
15 M
15 M
30 M
30 M
60 M
TIPOS DE EQUIPOS DE ONDA CONTINUA F.E.M.
MODO HORIZONTAL
MODO VERTICAL
0.75 M
1.5 M
PROFUNDIDAD
MODALIDAD SONDEO PROFUNDIDAD HASTA 300 M
INDEFINIDA
Perfiles de resistividad
PROCESADO DE DATOS DE CAMPO (Componente real y componente imaginaria).
- Aplicar filtro Karous y Hjelt (Filtran la señal de campo para la densidad relativa de corriente a laobtener profundidad seleccionada.
- Filtrado de las componentes real e imaginaria.
- Sección hasta 100 metros de la densidad aparente de corriente.
-Software (Programa Sector)
MÉTODO ELECTROMAGNÉTICO VLF 1.- INTRODUCCIÓN La WADI utiliza los componentes magnéticos del campo electromagnético generado por radiotransmisores militares que utilizan la banda de frecuencia VLF (very low frequency (muy baja frecuencia) de
15-30 KHz). Se utiliza
principalmente para grandes distancias de comunicación. Una antena VLF suele estar formada por un largo cable vertical – con una longitud de varios
La potencia suele ser de 300-1000 KWatt. Las líneas de campo magnético srcinadas por este cientos de metros – alimentado por una señal fuerte.
transmisor son horizontales, con las “líneas de campo” alineadas en círculos concéntricos alrededor de la antena, como se muestra en la figura inferior:
Los
transmisores VLF operan en un número de países. Algunas de las
estaciones de transmisión más utilizadas son las que se indican en la tabla: DESIGNACIÓN
FRECUENCIA (kHz)
POTENCIA (kW)
Bordeaux, Francia Rugby, Gran Bretaña
LOCALIZACIÓN
FUO GBR
15.1 16.0
500 750
Helgeland, Noruega Gorki, URSS Mosú, URSS Yosamai, Japón Oxford, Gran Bretaña Annapolis, USA Cabo Noroeste, Australia Hauderfehn, Alemania Laulualei, Hawaii, USA Buenos Aires, Argentina
JXN ROR UMS NDT GBZ NSS NWC DMB NPM LPZ
16.4 17.0 17.1 17.4 19.6 21.4 22.3 23.4 23.4 23.6
350 315 1000 500 550 400 1000 600
Cutler, Maine, USA Seattle, USA Aguada, Puerto Rico
NAA NLK NAU
24.0 24.8 28.5
1000 125 100
En algunos lugares de la tierra podemos encontrar transmisores “locales”, que son más conveniente para su uso.
Las estructuras que presentan conductividad eléctrica tanto en superficie como en profundidad, incluso cuando están cubiertas por una cobertera, afectan localmente a la dirección y longitud del campo generado por la señal del radiotransmisor. Se desarrolla un débil campo secundario alrededor de la
Para que se estar alineada
estructura geológica. Este campo puede medirse y analizarse.
produzca la inducción, la estructura (aproximadamente) con el transmisor.
debe
1.1.- Limitaciones y fuentes de error el método VLF no puede utilizarse para trabajar correctamente. Como por ejemplo, zonas que incluyen capas horizontales de suelo y roca y sistemas muy poco fracturados (en rocas sedimentarias jóvenes). Además, si la parte superior del suelo es eléctricamente conductora En ciertas ocasiones
(suelos salados y capas arcillosas), será difícil obtener información sobre la estructura de las rocas situadas bajo estas capas. En el caso de prospección de agua en zonas donde las capas y acuíferos son horizontales, el método geofísico más utilizado es el Sondeo Eléctrico Vertical (SEV)..
Hay que notar, que ciertas estructuras pueden ser buenas conductoras de la electricidad, por lo que pueden ser detectadas. Como ejemplo tenemos los cuerpos minerales, cables del tendido eléctrico superficiales y subterráneos.
Como resultado, es a menudo imposible obtener buenos resultados en zonas urbanizadas. Bajo ciertas condiciones, este método se emplea para encontrar tuberías subterráneas y cables. El método VLF ha sido empleado durante muchos años para la búsqueda de minerales. Si embargo,
en la actualidad se utiliza para prospectar
minerales, aguas subterráneas, medio ambiente, cartografía geológica, etc. (medidas indirectas) 2.- Principios físicos de la VLF Cuando el campo electromagnético del transmisor VLF pasa a través de un cuerpo conductor, se generan unas corrientes secundarias en el cuerpo. Este es el principio de inducción. Estas corrientes secundarias generarán un campo magnético alrededor del cuerpo (un campo secundario) el cual intentará repeler al campo primario. Solo un cuerpo con una baja resistividad eléctrica puede generar un campo secundario. En la siguiente tabla se dan algunos valores característicos de resistividad
r
para algunos materiales. r > 5000 Ohm-m 10-100 Ohm-m 200-5000 Ohm-m 50-200 Ohm-m 50-200 Ohm-m 1-10 Ohm-m
Roca dura (granito) Arcilla Arena seca Arena húmeda Agua dulce Agua salada
P > 300 m 15-40 m 50-300 m 30-60 m 30-60 m 4-15 m
La profundidad de penetración P, definida como: P = 500(r/f) √
Donde
r
metros
es la resistividad en Ohm-m y
frecuencia típica de VLF de
f
f
la frecuencia en Hz. Insertando una
= 15.6 kHz en la ecuación anterior, podemos
conseguir la profundidad de penetración: P = 4 √ r metros Esta simple ecuación puede emplearse para todos los casos prácticos supuestos en la totalidad de la banda de frecuencia de VLF. Cuando las ondas electromagnéticas llegan a la profundidad P, pierden mucha energía para crear el efecto de inducción, así que, P es aproximadamente la profundidad a la cual podemos penetrar.
Para poder detectar un filón, fractura, etc., el cuerpo debe tener un tamaño mínimo y una resistividad lo suficientemente baja. La longitud
estructural del cuerpo debe ser mayor de 50 m, y la profundidad de extensión debe exceder los 10 m para que se produzca la inducción. El espesor del cuerpo, a menudo, solo necesita ser de 0.5-1 m. Además el campo creado por el transmisor VLF debe pasar perpendicularmente a través del cuerpo, p.e. la dirección del transmisor es paralela a la dirección estructural del cuerpo.
Resumiendo: el método VLF se utiliza para detectar cuerpos alargados, de fuerte buzamiento y baja resistividad. El equipo detecta la relación (en %) entre los componentes vertical y horizontal (componente
real y componente imaginaria). La desviación de la lectura
normal se denomina anomalía.
EJEMPLOS DE ANOMALIAS Datos sin filtrar y filtrados
Datos sin filtrar (Caso real)
De esta forma el dibujo de la anomalía VLF no es el apropiado en todos los casos: si se complica la geología con varios conductores, será casi imposible distinguir entre anomalías distintas, ya que no podrán separarse. El método de filtrado, proporciona una herramienta efectiva para convertir esta anomalía compleja en una anomalía mucho más clara e interpretable con un simple pico recto encima del conductor (como se demuestra en la figura inferior).
Datos filtrados (10 metros)
Sección (Densidad de corriente) En la sección podemos ver la marcha del cuerpo anómalo en profundidad, buzamiento, etc.
Con la visión global de los perfiles se puede marcar la marcha de los conductores en el área investigada.
Anomalías típicas
El equipo VLF siempre nos mostrará, por defecto, los datos reales filtrados. Aún así, es importante tener un conocimiento básico sobre las anomalías típicas, para ser capaces de reconocer algún objeto interesante. En primer lugar, es muy importante hacer que la longitud del perfil sea suficiente. Es imposible conseguir una interpretación fiable a menos que la anomalía quede completamente cubierta.
Anomalía completa
Observar como la curva va desde cero hasta un máximo claro y luego vuelve a cero. Una anomalía se caracteriza por esta morfología, p.e. altura y anchura. En la siguiente figura se muestra la diferencia entre un conductor somero y profundo:
Tipos de anomalías superficial y profunda
Podemos observar que para un conductor a gran profundidad, la anchura de la anomalía se incrementará y decrecerá su altura. Una anomalía de pequeña amplitud puede, a menudo, estar causada por un conductor que no presente una alta conductividad.
Los errores típicos de operación son: -
Sub-muestreo, lo que significa que el operador ha elegido para medir una
distancia entre puntos demasiado grande como para detectar las
anomalías de los conductores superficiales. Normalmente una distancia entre puntos de 10 m suele ser adecuada, pero en el caso de conductores superficiales (5 m o menos) hay que utilizar una distancia de 5 m. -
Dirección errónea, lo que significa que el operador ha cambiado la dirección de medida a lo largo del perfil. Se recomienda utilizar una brújula si tenemos problemas a la hora de mantener la dirección.
-
Perfiles demasiado cortos. Normalmente la longitud de los perfiles debe ser de al menos 200 m para abarcar la anomalía completa. Además siempre deberíamos medir al menos 50 m (preferiblemente 100 m) a ambos lados de una anomalía interesante. En caso de duda realizar algunas medidas adicionales.
-
Las anomalías no han quedado completamente cubiertas. Recordar que hay que continuar midiendo hasta que la anomalía interesante (pico) esté completamente descrita, ver la ilustración. Una anomalía está completa si la lectura comienza en cero, muestra un claro pico positivo y decrece otra vez hasta llegar a cero.
-
Se ha utilizado un transmisor VLF en una mala dirección. Recordar que debemos comprobar que tenemos la máxima intensidad de la señal en la dirección del perfil, y la mínima intensidad perpendicularmente al perfil.
-
La tolerancia es de unos + 20º desde la dirección ideal.
Recordar que siempre que la dirección de un perfil sea casi perpendicular a la dirección del conductor nos dará mejores resultados.
Si no sabemos nada sobre la dirección de las posibles anomalías, mediremos a lo largo de dos direcciones perpendiculares.
a) Basar nuestras decisiones principalmente en la parte real filtrada (p.e. densidad de corriente). Si estamos buscando fracturas o filones,
debemos fijarnos en las grandes anomalías positivas en la parte real de la curva filtrada. b) Las zonas de fractura rellenas de agua se caracterizan eléctricamente como conductores moderadamente buenos. La anomalía VLF correspondiente, como p.e. la curva filtrada representada, normalmente mostrará un máximo significativo en la parte real filtrada y solo una pequeña anomalía en la parte imaginaria. Los conductores muy buenos, como p.e. las mineralizaciones o zonas de fractura con agua salada, mostrarán en general grandes anomalías tanto en la parte real como en la imaginaria. c) Antes de tomar cualquier decisión debemos examinar la calidad de los datos. Hay que asegurarse que en los datos srcinales se manifiesta una anomalía asimétrica (casi antisimétrica) por una curva, con un máximo a la izquierda y un mínimo a la derecha del conductor. La curva filtrada, por el contrario, deberá mostrar un máximo vertical sobre el conductor. El programa mostrará automáticamente la parte real filtrada, pero puede también mostrar los otros componentes. d) El programa informático
SECTOR de ABEM nos proporcionará una gran
ayuda en la interpretación de los datos.
3.- CÁLCULO DE LA DENSIDAD DE CORIENTE Tradicionalmente la interpretación de las medidas VLF se basaba directamente
curvas real e imaginaria (también llamadas ángulo de inclinación y elipticidad). Desde que estas curvas se hicieron difíciles de interpretar (por el en las
comportamiento antisimétrico, efectos de la topografía y otros factores), se han utilizado diferentes técnicas de filtrado para extraer la información interesante. Se utiliza un filtro diseñado por
Karous y Hjelt para clarificar los datos.
La salida de este filtro es una densidad de corriente equivalente a una cierta “profundidad”. La densidad de corriente se calcula de la siguiente forma:
I (0) = K (-0.102 H-3 + 0.059 H-2 – 0.561 H-1 + 0.561 H1 – 0.059 H2 + 0.102 H3 ) K es una constante que depende de la distancia entre puntos (dx). Hi es el punto de medida i detrás (-) o delante (+) del punto donde se realizan
El error introducido por el filtro suele ser menor del 8% por la inversión de una línea de corriente individual. los cálculos.
El filtro puede utilizarse de forma separada para obtener las componentes en fase (real) y en cuadratura (imaginaria) de las anomalías, de forma que nos proporciona las componentes correspondientes a la densidad de corriente. Aplicando el filtro en diferentes intervalos entre puntos (dx, 2dx, 3dx, etc.), podemos estudiar la variación de la trayectoria que la densidad de corriente con la profundidad, y así obtener una sección en profundidad del perfil.
PERFIL Nº.-1 S.
Granito meteorizado
Granito sano o con bajo nivel de alteración
N.
Perfil nº.- 12 Fractura E
Granito sano
O
Granito alterado
