geofisica metodos electricos

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http://www.unalmed.edu.co/rrodriguez/geologia/electricos.ht

7. Los métodos eléctricos 7.1 Los métodos eléctricos elé ctricos y electromagnéticos el ectromagnéticos de prospección prospección 7.2 Las propiedades eléctricas asociadas con las rocas 7.3 Métodos de resistividad basándose en la transmisión de corriente directa en el subsuelo 7.4 Polariación inducida 7.! Método de potencial propio 7.1 Los métodos eléctricos y electromagnéticos de prospección

"eg#n la naturalea de la $uente eléctrica o electromagnética empleada se clasi$ica los métodos eléctricos y electromagnéticos el ectromagnéticos como como sigue% Métod Métodos os&& 'u 'ue e utilia utilian n campos campos naturales natural es

Métodos& 'ue utilian se(ales arti$iciales producidas en la super$icie o en el aire

)lta *métodos tel#ricos Penetración y magnetotel#ricos+ subsuelo

/p /plora loracción ión pet petro rol0$ l0$era era

en

el Limitada

,ampo

Me-or conocimiento y control de la $uente eléctrica

Parámetros

)lta variedad en parámetros adec adecuad uados os para para resolve resolverr el ob-eto de eploración

)plic )p licac ació ión n

Métodos eléctricos y electromagnéticos el ectromagnéticos comunes comunes Campo natural como fuente

Fuentes artificialmente controladas

Método magnetotel#rico

esistividad eléctrica

Método tel#ricomagnetotel#rico

ransient soundings */M+

Método de audio$recuencia

Polariación inducida

Méto Método do de aud audio$r io$rec ecue uenc ncia ia magné agnétic tica a

5nd 5nducc ucción ión elec electr trom omag agné néti ticca

Método de corriente tel#rica

6round penetrating radar

/M array pro$iling Potencial propio

7.2 Las propiedades eléctricas asociadas con las rocas

Los métodos eléctricos se basan en tres $enómenos y propiedades asociadas asociadas con rocas 1. La resistividad o es decir el reciproco de la conductividad  determina la cantidad de la

corriente& 'ue pasa por una roca al aplicar una un a di$erencia potencial espec0$ica.

2. La actividad electro'u0mica causada por los electrolitos& 'ue circulan en el subsuelo  la base

para los métodos magnéticos& magnéticos& de potencial propio y de polari ación inducida.

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3. La constante dieléctrica indica la capacidad de material rocoso de guardar carga eléctrica y

determina parcialmente la repuesta de $ormaciones rocosas a las corrientes alternas de alta $recuencia introducida en la tierra a través de los métodos inductivos o conductivos.

1. esistividad espec0$ica La resistividad espec0$ica r se de$ine como la resistencia  de un cilindro conductivo con una longitud unitaria unitaria l y una dimens dimensión ión unitaria unitaria de su secc sección ión transv transvers ersal al ". "upues "upuesto to 'ue la resist resistivid ividad ad espec0$ica del cilindro conductivo sea r & la longitud sea l& la dimensión de la sección transversal sea "& la resistencia  se epresa como sigue%   *r 8 "+9l. La unidad de la resistividad espec0$ica es :m  ;na relación emp0rica llamada la ley de ),?5/ describe como la resistividad eléctrica r & la porosidad @ y la resistividad del $luido r A dependen entre s0. ra8@

m

8 sn 8 rA& donde

s  porción de los espacios porosos porosos llenados con agua u otro otr o tipo de $luido $lui do nB2 a es una constante con C&D E a E 2&! m es una constante con 1&3 E m E 2&!. odos los métodos eléctricos sensibles para la resistividad y empleados en la super$icie detectan la resistividad eléctrica total de un volumen de roca situada en cierta pro$undidad *in situ+. Los valores de resistividad eléctrica obtenidos de esta manera re$le-an la combinación de los e$ectos de todos los mecanismos conductivos. /l rango de resistividad eléctrica de las rocas es amplio y se etiende desde 1C 2 a 1CF:m y mayor.

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ocas y minerales son conductores buenos con r E 1&C :m conductores intermedios con r  1  1CC :m conductores pobres con r G 1CC :m. Efecto de la 'edad geológica' o es decir de la compactación a la resistividad eléctrica

"e podr0a esperar un incremento de la resistividad relativamente uni$orme con mayor edad geológica de una roca sedimentaria debido a la mayor compactación asociada con el mayor espesor de las rocas situadas encima de las rocas más antiguas. Pero los valores de resistividad de la mayor0a de las rocas sedimentarias de la erciaria son anormalmente altos. /ste $enómeno se interpreta con la deposición de gran cantidades de rocas sedimentarias en agua dulce en la erciaria. Las rocas sedimentarias del Mesooico se caracterian por valores de resistividad más ba-os en comparación a a'uellos de las rocas sedimentarias de la erciaria puesto 'ue se depositaron mayoritariamente en las aguas saladas de las cuencas marinas. Halores de resistividad espec0$ica en :m para varios tipos de rocas saturadas con agua /dad geológica

)rena marina& piarra& grauAaca

)renas ocas terrestres& volcánicas argilita& arcosa como basaltos& riolitas& tobas

6ranito& gabro

,alia& dolomia& an
,uaternario& 1  1C erciario

1!  !C

1C  2CC

!CC  2CCC

!C  !CCC

Mesooico

!  2C

2!  1CC

2C  !CC

!CC  2CCC

1CC 1C.CCC



,arbon0$ero

1C  4C

!C  3CC

!C  1CCC

1CCC  !CCC

2CC 1CC.CCC



1CC  !CC

1CC  2CCC

1CCC  !CCC

1C.CCC 1CC.CCC



 3CC  !CCC

2CC  !CCC

!CCC 2C.CCC

 1C.CCC 1CC.CCC



Paleooico& 4C  2CC
1CC 2CCC

Io se puede encontrar una di$erencia consistente entre los rangos de resistividad de los varios tipos de rocas. /stad0sticamente la resistividad espec0$ica de las rocas metamór$icas y las rocas 0gneas parece ser mayor en comparación a la de las rocas sedimentarias. Aplicaciones de los métodos eléctricos y electromagnéticos son las siguientes

Los contrastes en la resistividad espec0$ica de las rocas& 'ue construyen el subsuelo permiten el levantamiento electromagnético en la super$icie y relacionar sus resultados con estructuras geoeléctricas situadas en la pro$undidad. )lgunas rocas tienden tener una resistividad espec0$ica anormalmente ba-a o es decir una conductividad anormalmente alta respecto con las rocas en sus alrededores. /n estos casos se puede ubicar tales rocas midiendo las anomal0as de resistividad en la super$icie. Muc
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s0smicas. Actividad electro!u"mica

La actividad electro'u0mica en las rocas depende de su composición 'u0mica y de la composición y de la concentración de los electrolitos disueltos en el agua subterránea& 'ue está en contacto con las rocas. La actividad electro'u0mica determina la magnitud y el signo del volta-e desarrollado cuando la roca está en e'uilibrio con el electrolito. La actividad electro'u0mica en la pro$undidad es responsable para los potenciales propios medidos en la super$icie. Constante dieléctrica

La constante dieléctrica es una medida para la capacidad de un material situado en un campo eléctrico de ser polariado o es decir una medida de la polariabilidad P de un material situado en un campo eléctrico /. La polariabilidad P o el momento eléctrico por unidad de volumen es proporcional al campo eléctrico /. La constante de proporcionalidad es la susceptibilidad c . /l $lu-o eléctrico total por unidad de área *en analog0a a la densidad del $lu-o magnético en la magnetometr0a+ es / J 4p 8 P o *1 J 4p 8 c+. La constante dieléctrico e es 1 J 4p 8 c & en analog0a a la permeabilidad magnética. La corriente de desplaamiento K es e 8 /. La corriente de desplaamiento representa otro mecanismo conductivo& cuya magnitud es signi$icante sólo en materiales de muy alta resistividad y para altas $recuencias. /n unidades electrostáticas las unidades de /& K y P son H9cm. La susceptibilidad eléctrica y la constante dieléctrica son constantes y no llevan dimensiones. La constante dieléctrica determina la capacidad inductiva e$ectiva de una roca y su repuesta estática con respecto a un campo eléctrico directo o alterno aplicado. )lgunos valores de la constante dieléctrica son% Para el vac0o e  1 Para la mayor0a de las rocas compactas e  D a 1D esu *unidades electrostáticas+ Para suelos <#medos y arcillas e G 1D a 4C y !C esu. ) $recuencias menores a 1CC? la constante dieléctrica no depende de la $recuencia& altas $recuencias in$luyen la constante dieléctrica. La constante dieléctrica es sensible a la temperatura& con temperaturas mayores el valor de la constante dieléctrica sube. 7.# $étodos de resistividad %as&ndose en la transmisión de corriente directa en el su%suelo

La resistividad es una propiedad eléctrica $undamental de los materiales rocosos relacionada estrecn método com#n consiste en la transmisión de corriente directa en el subsuelo. 6eneralmente se emplea una con$iguración de cuatro electrodos& un par tiene la $unción de introducir la corriente en el subsuelo& con el otro par se mide el potencial asociado con la corriente introducida en el subsuelo. ;tros métodos de resistividad son los siguientes% /l método potencialdropratio /l método direct current resistivitysoundings  el método de sondeos de resistividad con corriente directa. odos estos métodos se aplican entre otros en las eploraciones mineras& en la prospección de agua subterránea y en la prospección petrol0$era& donde la pro$undidad limitada de penetración y la naturalea conductiva de muc
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aplicaciones a estructuras ubicadas en pro$undidad somera *!CCCpies  1!2 4m+.

Fluo (corrido) de corriente y potenciales entre los electrodos u%icados en la superficie

,onsideramos la siguiente con$iguración

Kos electrodos se insertan en el subsuelo y se aplican un volta-e eterno a ellos& un $lu-o de corriente atravesará por la ierra desde un electrodo al otro. Las l0neas de $lu-o de la corriente siempre son perpendiculares a los planos e'uipotenciales. ) lo largo de los planos o super$icies e'uipotenciales el potencial es constante. La variación del potencial o del volta-e respectivamente superpuesto a los electrodos ) y N se distribuye a lo largo del espacio ubicado entre ambos electrodos. /n un conductor
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La parte 2 *$ig. ielec1bb+ muestra donde una $amilia de las super$icies e'uipotenciales interseca la super$icie& 'ue contiene los electrodos ) y N. Las l0neas e'uipotenciales siempre son perpendiculares a las l0neas de $lu-o de corriente debido a 'ue ning#n componente de la corriente ubicado en cual'uier punto puede $luir a lo largo de una l0nea potencial. /l campo eléctrico / se de$ine en cual'uier punto con el gradiente de la $unción potencial H como sigue% /   O 8 H& donde O gradiente y H  potencial. /l potencial se disminuye como 19r& donde r es la distancia con respecto al electrodo de corriente. 5nyectando una corriente 5 a través de un electrodo situado en la super$icie en un semiespacio
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corriente super$icial y de los electrodos de volta-e se logra la detección de las variaciones de la resistividad correspondientes a pro$undidades mayores. /ste n e-emplo para el caso unidimensional consiste en una distribución muy regular del $lu-o de corriente perturbada por cuerpos distintamente conductivos enterrados en el subsuelo *véase $igura electri2.cdc+. Las anomal0as conductivas tienden a concentrar las corrientes eléctricas mientras 'ue los cuerpos resistivos obligan las corrientes a desviarse alrededor de ellos.

*esistividad aparente

La resistividad aparente *$unción de repuesta+ ra se eval#a o se estima a partir de las mediciones realiadas en la super$icie. Las resistividades aparentes normalmente son $unciones de una variable relacionada con la pro$undidad de penetración. /n lo siguiente se considera un medio sólido semiin$inito con una resistividad uni$orme r. /n este medio se introduce una corriente 5 a través de dos electrodos ) y N colocados en la super$icie terrestre. /l gradiente de potencial se mide a través de dos otros electrodos puestos en las posiciones , y K entre los dos electrodos emisores ) y N& tal como la $igura siguiente ilustra.

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,on esta con$iguración se determina la resistividad aparente de un medio
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/l potencial registrado en el electrodo , es% H,  **5 8 r+92p+ 8 **19r1+ R *19r2++& donde r1  distancia entre el electrodo potencial , y el electrodo de corriente )& r2  distancia entre el electrodo potencial , y el electrodo de corriente N. /l potencial medido en el electrodo K se calcula como sigue% HK  **5 8 r+92p+ 8 **191+ R *192++& donde 1  distancia entre el electrodo potencial K y el electrodo de corriente )& 2  distancia entre el electrodo potencial K y el electrodo de corriente N. La di$erencia de potencial KH& 'ue se mide por un potenciómetro entre los electrodos , y K& es igual a H, R HK  **5 8 r+92p+ 8 **19r 1+ R *19r 2 ++  **5 8 r+92p+ 8 **19 1+ R *192 ++. esolviendo lo #ltimo
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/n el caso de dos estratos
Configuraciones de electrodos y procedimientos en terreno

?oy d0a una variedad grande de con$iguraciones está en uso para los estudios a partir de la super$icie. /n varias con$iguraciones los pares de electrodos de corriente y de potencial se orientan a lo largo de una l0nea. 6eneralmente los electrodos de potencial se colocan entre los dos electrodos de corriente puestos en los lados etremos del per$il. /n lo siguiente se describe las con$iguraciones más comunes& las cuales son% ,on$iguración de "c
Configuración de +c,lum%erger

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La con$iguración de "c
Configuración de -enner

La con$iguración de :enner es un caso especial de la con$iguración de "c
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ra  2p 8 a 8 *KH95+. $étodos con dipolos

Los métodos con dipolos son más recientes en comparación con las con$iguraciones de "cnión "oviética antigua en los casos 'ue re'uieren una penetración pro$unda. $étodo de dos dipolos

/n la con$iguración de 2 dipolos& llamada con$iguración dipolo R dipolo *véase la $igura puesta arriba+ los electrodos de corriente usualmente están en distancia larga con respecto al par de los electrodos de potencial. "i el espaciamiento de los electrodos de corriente a es igual al espaciamiento de los electrodos de potencial b y la distancia entre los centros de los pares de los electrodos es *n J 1+ 8 a& la resistividad aparente determinada por esta con$iguración se obtiene a través de la $ormula siguiente% ra  n 8 *nJ1+ 8 *n J 2+ 8 p 8 a 8 *KH95+. /l producto *n 8 a+ entrega la distancia entre los dos pares de electrodos y **n J 1+ 8 a+ es la distancia entre los centros de los dos pares de electrodos. $étodo de polodipolo

/n otra con$iguración colineal& en la con$iguración polodipolo se asume una distancia grande entre los dos electrodos de corriente& es decir el segundo electrodo de corriente *electrodo in$inito+ se ubica en una distancia muy grande con respecto al primero electrodo de corriente. Para tal con$iguración vale la $ormula siguiente% ra  2p 8 a 8 n 8 *nJ1+ 8 *KH95+. $étodo de polopolo

/n la con$iguración polopolo los electrodos de corriente y los electrodos de potencial poseen un espaciamiento muy grande. La resistividad aparente se calcula como sigue% ra  2p 8 a 8 *KH95+. Las resistividades aparentes determinadas a partir de las con$iguraciones con dipolos se delinean com#nmente en un per$il seudotransversal a lo largo de la alineación de las mediciones. al per$il no se puede considerar como una sección vertical ilustrando variaciones de resistividad. Los valores de ra se delinean para el punto& 'ue subdivide la distancia entre el transmisor de la corriente y el receptor del potencial *volta-e+ en dos partes iguales. /l e-e vertical corresponde con el parámetro del espaciamiento n. )parte de las con$iguraciones colineales se emplean las con$iguraciones no aiales con dipolos *véase $ig.+. La variedad de con$iguraciones de electrodos en la delineación de la resistividad por medio de corriente directa *dc resistivity soundings+ permite a-ustar las geometr0as y parámetros de las con$iguraciones para satis$acer las condiciones del terreno y el ob-etivo de la eploración. odas las con$iguraciones poseen las siguientes caracter0sticas comunes% odas emplean unas $uentes y receptores similares. odas responden a las estructuras más pro$undas en $unción del espaciamiento *de los electrodos+ incrementándose en la misma manera. odas tienden a responder más intensamente a las anomal0as resistivas como en contrario a las anomal0as conductivas.

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/nterpretación

/l modo más sencillo de interpretación de las delineaciones de resistividad con corriente directa es el caso de la detección de una anomal0a a lo largo de un per$il continuo. /l #nico re'uerimiento consiste en la identi$icación de la anomal0a encima del nivel del ruido. >n caso más comple-o de interpretación es la construcción de un modelo unidimensional& cuya repuesta calculada cabe bien con las observaciones en el terreno. Para muc
)lgunas soluciones teóricas están disponibles para el caso de unos pocos estratos discretos con resistividades uni$ormes& pero distintas para cada estrato y separados por inter$ases
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,on la con$iguración de electrodos de :enner la resistividad aparente ra es ra  2p 8 a 8 *KH95+. ,uando se determina la resistividad aparente ra variando los valores de a& las cantidades no conocidas < y T se puede encontrar comparando las curvas observadas de ra versus a con repuestas teóricas basadas en varias condiciones asumidas para una secuencia de estratos. /nterpretaciones de casos unidimensionales soportados por curvas de patrón (master curves)

?istóricamente el procedimiento más com#n de interpretación de los datos de resistividad correspondientes a una cantidad pe'ue(a de estratos
/l caso de dos estratos se caracteria por un substrato
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7. olari0ación inducida

/l método de la polariación inducida aplicado la primera ve el $in de la década 1S4C
)lgunas rocas y depósitos minerales no e
,uando una corriente pasa por material terrestre& 'ue no lleva minerales metálicos la cantidad de la corriente se relaciona con el potencial solo por la resistencia ón volta-e adicional es necesario para superar esta barrera creada por el intercambio electro'u0mico. /ste volta-e adicional necesario para de-ar pasar la corriente por la barrera se denomina sobrevolta-e. )l apagar la corriente introducida en el subsuelo los volta-es electro'u0micos se diseminan paulatinamente. Los volta-es desintegrándose paulatinamente se pueden medir un cierto intervalo de tiempo después de
Las técnicas empleadas en el terreno para medir la polariación inducida seme-an en muc
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de $orma de pulsos& generalmente $ormados como ondas cuadráticas o de $orma de corrientes alternas de $recuencias muy ba-as *1? o menos+. Los datos provenientes de las corrientes alternas de $recuencias muy ba-as usualmente se comparan a una variedad de $recuencias. Kos técnicas de introducir los pulsos de corriente en el subsuelo se emplean com#nmente. >na técnica consiste en una sola interrupción repentina de la corriente directa pasando por el subsuelo y en mediciones subsecuentes de las caracter0sticas de disminución del volta-e. La corriente pasa por el subsuelo un intervalo de tiempo de 1 a ! min. antes de interrumpirla. La duración del pulso debe ser registrada precisamente. /l volta-e transitorio se registra en intervalos poco espaciados después de la interrupción de la corriente o se lo registra continuamente. ,om#nmente se mide el área situado deba-o de la curva volta-etiempo *
/ste método se aplica para medir las variaciones de la resistividad aparente en $unción de cambios de $recuencia. La polariación 'ue se opone a la disminución del potencial eternamente aplicado tendr0a el mismo e$ecto como una resistencia conectada en serie con la resistencia actual de las $ormaciones ecepto el caso 'ue el e$ecto variar0a con la $recuencia. /n las rocas& 'ue no llevan minerales 'ue responden a la polariación inducida se producirá una disminución muy pe'ue(a de la resistividad cuando se aumenta la $recuencia& usualmente la disminución es menor a 1W. /n el caso de rocas& 'ue responden a la polariación inducida la disminución de la resistividad será muc
Porcenta-e de disminución de la resistividad P G 1C un !  1C

ocas con sul$uros concentrados Menas de pór$idos cupr0$eros con contenido de 2 a 1CW en sul$uros ocas con traas de una mineraliación con sul$uros )reniscas y rocas de silt Nasaltos 6ranitos

2! 13 12 C&1 R C&!

Aplicaciones

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/ploración de sul$uros diseminados% seg#n ;6/" *1SDD& en K;N5I X ")H5& 1SFF+ tomando en cuenta ciertas limitaciones en lo 'ue concierne las dimensiones& la pro$undidad y la concentración de los sul$uros a través de la polariación inducida se puede detectar la presencia o ausencia de un depósito de sul$uros diseminados en FCW de los casos solo aplicando este método y con un porcenta-e mayor en combinación con otros métodos de eploración. /ploración de agua subterránea% localiación del nivel $reático. /perimentos de H),Y>5/ et al. *1S!7 en K;N5I y ")H5& 1SFF++ con meclas de arena y arcilla na interpretación adecuada de los datos de la polariación inducida puede resultar en la determinación de la pro$undidad& en 'ue ocurren tales e$ectos y la cual coincide con el nivel $reático.

7.3 $étodo de potencial propio o espont&neo respectivamente rincipio del método de potencial propio

Los depósitos minerales a menudo se encuentran en distintos niveles $reáticos *de acu0$eros respectivamente+& especialmente si se etienden desde niveles cercanos de la super$icie terrestre
/l potencial se mide entre dos electrodos de potencial. >no de ellos se instala en $orma $i-a a$uera del área perturbada *matemáticamente se lo coloca en el in$inito+. ,on el otro electrodo se establece una red de estaciones de observación dentro del área perturbada. Los valores medidos se presentan en un mapa de l0neas e'uipotenciales.

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