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El método de la polarizacion inducida Autor: Maria del Carmen Fuentes [email protected]

EL MÉTODO DE LA POLARIZACION INDUCIDA Autor: MARÍA DEL CARMEN FUENTES Email: marcaf_geo@yah [email protected] oo.com

SEMINARIO METODOS GEOFISICOS DE SUPERFICIE ESCUELA DE MINERÍA LA GUAJIRA Riohacha, La Guajira, Colombia Octubre del 2008

X1.1INTRODUCCI ÓN •

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En algunos cuerpos que han sido atravesados por una corriente eléctrica, una  vez cortada ésta el campo eléctrico no desaparece ni brusca ni  exponencialmente, sino de modo más lento. Esta Polarización Inducida o  residual (abreviadamente P.L), también llamada sobretensión, fue observada  antes de 1920 1920 por C. Schlumbergerer Schlumbergerer en la proximidad de yacimientos de  sulfuros, pero también en zonas estériles, por lo que no prosiguió su estudio. En los anos 1932 a 1934 Weiss y Müller realizaron ensayos experimentales de  aplicación del método, pero los resultados no fueron buenos por defecto del  dispositivo empleado, que consistía en un solo par de electrodos. Los geofísicos soviéticos utilizaron este fenómeno en la testificación eléctrica  de perforaciones para petróleo. La principal, por no decir única aplicación de la  PI es la localización de yacimientos de minerales conductores, pues las  posibilidades de este método en la búsqueda de aguas subterráneas, que  parecían inicialmente muy prometedoras, no se han visto confirmadas hasta el  momento presente. Tales posibilidades han vuelto a ser consideradas  recientemente por ogilvy y kuzaiina (1972). Aunque la eficacia del método de la PI ha sido comprobada en una serie de  hallazgos mineros.

EL FENÓMENO FÍSICO Y SU EXPLICACIÓN El fenómeno de la polarización inducida se observa cuando se hace pasar corriente eléctrica a través de un electrolito que contiene cuerpos o partículas de conducción electrónica (metales, semiconductores). Por ejemplo, supongamos que se coloca en el terreno un dispositivo tetraelectródico de corriente continua, sobre una bolsada de mineral conductor (fig. ). La conducción iónica corresponde a la roca de caja. Si después después de haber mantenido constante durante algún tiempo , la intensidad I en el circuito de emisión AB, se corta la corriente, la d.d.p. &V entre los electrodos MN no desaparece bruscamente, sino que se atenúa gradualmente, con una constante de tiempo del orden de varias decenas de segundos. Análogo efecto se observa en el establecimiento de la corriente, de modo que la variación de la tensión \V entre M y ;V puede representarse por una curva

EL FENÓMENO FÍSICO Y SU EXPLICACIÓN

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Figura 1 variación de la tensión con el tiempo. La línea indica el momento en que se corta la intensidad exitatoria exitatoria y comienza la descarga. Figura 2 sobre tensión de una partícula metálica sumergida en un electrolito.

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(fig. 2). En la superficie límite del cuerpo o partícula metálica tiene lugar un paso de la conducción iónica a la electrónica, e inversam i nversamente. ente. Esto hace que en dos superficies opuestas del cuerpo se produzca una acumulación de iones, que no han cedido todavía sus cargas al cuerpo o, dicho de otro modo, no han tomado electrones de él ni los han cedido. Si se suprime la corriente, la distribución de los iones se modifica y vuelve a su estado ( Fig. .2. Esquema para explicar la .sobre tensión de una partícula metálica sumergida en un electrolito.) Como dicha polarización se ha producido por el paso de la corriente, se la denomina polarización inducida. Este fenórneno puede utilizarse, pues, en la práctica para la búsqueda y detección de las sustancias dotadas de conductividad electrónica que puedan existir en e! subsuelo. Para ello basta, en principio, la aplicación al terreno de un dispositivo tetraelectrodico. La presencia de una tensión residual de polarización &V indicaría la presencia de conductores electrónicos dentro del volumen de terreno afectado por la corriente. Las cosas, sin embargo, no son tan sencillas, porque ocurre que los fenómenos de PI se observan también (aunque, en general, en .“menor  .“m enor 

medida), en rocas carentes de sustancias metálicas. Se denomina este efecto polarización de membrana, para distinguirlo del llamado polarización de  electrodos, que es el ya descrito. El resultado es que siempre se observa una sobretensión débil, o efecto normal. El fenómeno parece ser debido a una diferencia de movilidad entre los aniones y los cationes, producida por la presencia de partículas de arcilla. Tales partículas se cargan negativamente, atrayendo una "nube catiónica" que permite el paso de los portadores positivos, pero no el de los negativos, ejerciendo el efecto de una membrana

CAMPO DE APLICACIÓN •

La PI se utiliza principalmente para la detección de minerales de conductividad electrónica, entre los que figuran la calcopirita, pirita, calcosina, galena, magnetita, pirrotita, molibdenita, cobres grises, grafito, meta cinabrio, etc.. Ciertos minerales raros, no detectables directamente en razón de sus bajas concentraciones, pueden localizarse si están asociados con otros mas abundantes y que presenten conductividad conductividad electrónica. Lo mismo ocurre ocurre con el empleo de la PI para investigaciones hidrológicas Son muchos los ensayos del laboratorio efectuados para estudiar el fenómeno de la Pl y los factores que en ella influyen. Como resultado de estos estudios, la idea de poder distinguir unos minerales de otros por medio de la curva de descarga u otra propiedad análoga, ha quedado desechada. Tampoco puede determinarse la riqueza de sulfures partiendo de la PI observada, pues ésta depende no sólo del volumen ocupado por aquellos, sino también también del tamaño tamaño del grano. En su aplicación aplicación minera, es relativamente relativamente grande, y se citan casos (komakov, 1967) en los que han detectado yacimientos a 100 y hasta 200 m de profundidad.

PARÁMETROS UTILIZADOS PARA MEDIR LA PI •

Se han propuesto diversos parámetros para la expresión numérica delas observaciones de PI . EL más sencillo e intuitivo sería la relación UO/UC siendo Uc, la tensión de "carga" , esto es, la registrada entrelos electrodos M y N una vez estabilizada la corriente inductora o de carga y Uo, la tensión medida entre los mismos electrodos en el mismo momento en que acaba de desaparecer dicha corriente. Ut, o  sea la tensión residual observada entre M y N en un momento posterior en t segundos a la interrupción de la corriente. Fig.1 Curva de descarga, con los puntos que se utilizan en las mediciones de PI en dominio de tiempos. Como UT< UC suele expresarse la primera en milivoltios, y la segunda en voltios. ( PI) U, (mV) •

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U,(V) 

Otros geofísicos, que suelen emplear la segunda denominación, mide ambas tensiones en la misma unidad, y expresan su relación en forma de tanto por ciento, de modo que . N=Ut / Üc.x 100 Existen instrumentos que en vez de determinar el potencial U:  en un solo instante, lo integran (por ejemplo, mediante la carga de un condensador) durante un intervalo At = t2-t1 Entonces La tensión Ut suele medirse en mv y la Uc en V. La magnitud resultante, a veces veces denominada cargabilidad. tiene las dimensiones de un tiempo, y se acostumbra a expresarla en milisegundos. •

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Si las mediciones se efectúan sobre un terreno homogéneo, cualquiera de las magnitudes definidas puede servir como medida de su polarizabilidad verdadera, pero si el medio es heterogéneo . el resultado de la medición dependerá de la posición de los electrodos respecto de las heterogeneidades polarizables .Resulta, pues, que los datos de campo expresan polarizabilidad polarizabilidades es aparentes, que sólo coinciden con las verdaderas cuando el terreno es homogéneo en lo

EL DOMINIO DE FRECUENCIAS Cuando se efectúan mediciones de PI en corriente alterna se dice que se trabaja en el dominio de frecuencias. La idea básica de esta modalidad del método es que los fenómenos de polarización, tanto "de electrodos" como "de membrana" requieren un cierto tiempo para producirse, por lo que si se aplica a un terreno polarizable una corriente sinusoidal, se observará un desfase en la tensión captada entre los electrodos M y N respecto de la intensidad que penetra a través de los A y B., si se aplica un dispositivo tetraelectródico a un terreno polarizable la resistividad aparente observada disminuirá al aumentar la frecuencia de la corriente de emisión. La variación de la resistividad con la frecuencia tiene lugar con mayor intensidad para valores de esta inferiores a 103 Hz. Tal variación se denomina efecto de frecuencia (EF).El modo más lógico de medir este efecto, sería la determinación ex perimental de (EF)= po- p1/ po

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donde po, y p1, son las resistividades aparente en corriente continua y en alterna, respectivamente. Sin embargo, se acostumbra a utilizar una definición algo diferente, y expresar el resultado en tanto por ciento, según pc. x 100 la fórmula (EF)=pb - p c / pc. •

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donde pc y pb , son respectivamente las resistividades aparentes medidas en dos frecuencias diferentes, en las cuales el subíndice c corresponde a la más elevada. Las dimensiones de (EF) son nulas. •

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factor metálico ("metal factor") Se obtiene dividiendo (EF) por la l a resistividad

aparente que correspondea la frecuencia menor y multiplicando por un factor constante, a fin deque el valor resultante no sea demasiado pequeño.El factor metálico está corregido, al menos en parte, de este efecto. Se afirma también que este parámetro compensa el efecto de saturación (*). Sin embargo, competentes especialistas como seigel seigel y sumner lo consideran consideran innecesario y desorientador desorientador,, útil solo, y en ciertos casos, como parámetro auxiliar. El (FM) es en realidad, una diferencia de conductividades sin normalizar, por lo que es más sensible sobre zonas conductoras. Las mediciones de PI en el dominio de frecuencias sufren de algunas limitaciones, la más importante de las cuales es el peligro de acoplo inductivo entre el circuito de emisión y el de recepción. Para huir de é l se hace preciso prescindir de ciertos dispositivos di spositivos para los que dicho acoplo es mayor, mayor, así  como del empleo dé frecuencias superiores superiores a 20 Hz. los fenómenos de PI dan lugar,, cuando se trabaja con corriente alterna, a un desfase entre la intensidad / y lugar la tensión . Otra posibilidad de la PI en el dominio de frecuencias ha sido indicada por Seigel . Se trata de medir la PI por medio del campo inducido en una bobina, lo que permitiría trabajar en zonas de capa superficial muy resistiva o desde el aire.

DISPOSITIVOS ELECTRODICOS •

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Los dispositivos más utilizados en la ejecución de calicatas calicatas de PI son los siguientes: a) Dispositivos de gradientes, sobre un solo perfil (calicata Schlumberger) o sobre varios paralelos b) Dispositivo trielectródico. medio-SchIumberger o medio-Wenner,simple combinando o con dos distancias. c) Dispositivo dipolar axil. d) Dispositivo Wenner. Los datos observados al efectuar investigaciones de PI durante d urante los períodos de carga en el dominio de tiempo o en la frecuencia menor en el de frecuencias se utilizan para el cálculo de la resistividad aparente. Es decir, que la ejecución de una calicata o sondeo de PI lleva implícita la de una medición análoga de de resistividades aparentes. Los dispositivos de gradientes, en especial en la modalidad de bloques, destacan por la facilidad del trabajo de campo, y por su elevada productividad , que pueden aumentarse mediante el empleo simultaneo de varios receptores para un mismo emisor , no se recomiendan para las mediciones en el dominio de frecuencias exentos de inconvenientes. Por otra parte el método de bloques no debe emplearse en zonas donde los cuerpos polarizables son subhorizontales, y los contrastes de polarizabilidad aparecen sobre todo en sentido vertical. En tales casos, las anomalías de PI son complicadas, y aparecen anomalías "falsas" en la zona central

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El dispositivo medio Schiumberger, denominado en América "polo dipolo", es sensible a los efecto superficiales, puede utilizarse tanto para el dominio de tiempos como para el de frecuencias. Suele aplicarse con varias distancias simultáneamente. . En ésta como es sabido, los resultados se atribuyen al punto medio O del segmento MN, mientras que los citados investigadores lo hacen al centro del AM, cuando trabajan en el dominio de tiempos, y al del segmento .A 0 si !a prospección se hace en el dominio de frecuencias. dispositivo en la modalidad "combinada" con la consiguiente mejora de resultados, tanto en PI como en resistividades aparentes. En este caso, el dispositivo empleado en la práctica difiere del utilizado normalmente para CE  El dispositivo dipolar axil se utiliza sobre todo en el dominio de frecuencias, por causa del reducido acoplo que en él existe entre los circuitos de emisión y de recepción. Tiene la ventaja de ser muy adecuado para la prospección por resistividades y el inconveniente de la pequeñez del campo creado. Por último, el dispositivo Wenner. sólo utilizable en el dominio de tiempos por causa del fuerte acoplo entre ambos circuitos, es poco adecuado para la prospección simultánea por resistividades y presenta, además, el inconveniente de requerir el empleo de cuatro electrodos móviles para la obtención de una sola curva. Su única ventaja parece ser lo elevado de la señal recibida. Para los sondeos verticales de PI se utilizan los dispositivos Schiumberger y Wenner.

INSTRUMENTAL •

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Existen en el mercado diferentes modelos de equipos para PI, bien para el trabajo en el dominio de tiempos, bien para su empleo en el de frecuencias. Los procesos de la electrónica de estado sólido han permitido conseguir, en los últimos modelos importantes reducciones en peso y volumen, volumen, e incluso la fabricación de equipos que pueden trabajar indistintamente en ambos dominios. Los primeros instrumentos empleados en el dominio de tiempos producían tensiones muy elevadas en el circuito emisor, a fin de que la tensión residual de PI no fuese demasiado pequeña. Se llegaron a utilizar ,en zonas difíciles, tensiones de 3000 a 5000 voltios y potencias de hasta 30 KV. La forma de onda de la corriente aplicada en los aparatos de dominio de tiempos, se obtenía cortando e invirtiendo periódicamente, por medio de contactores, la tensión continua producida por un generador movido por un motor de explosión. En los momentos de corte, la corriente no se interrumpía realmente sino que era desconectada del terreno y derivada a una carga supletoria ajustable, de modo que el motor no experimentaba fuertes variaciones de régimen. El potencial espontáneo existente entre los electrodos M y N era medido y compensado, con lo que se realizaba una prospección simultánea por P. E. Las lecturas de I e AV durante el paso de la corriente de emisión se empleaban para el cálculo de la resistividad aparente. La tensión de polarización se determinaba usualmente por el método de la integral por carga de un condensador durante varios segundos, la cual se iniciaba poco después de la supresión de la corriente en el terreno.

Las mediciones se repetían durante varios ciclos. Las diversas operaciones se efectuaban automáticamente según un programa de tiempos establecido previamente. Los obreros que movían los electrodos se hallaban en comunicación telefónica, a través de los cables, con la tienda de campaña o furgoneta donde se encontraba el operador con los instrumentos. Los aparatos modernos de origen canadiense son de peso y volumen volumen mucho más reducidos la potencia utilizada normalmente normalmente en el circuito circuito de emisión es del orden de 100 a 300 vatios, y en muchos casos se obtiene de baterías recargables. Para investigaciones profundas o en zonas de resistividad baja, se construyen emisores de varios Kw. de potencia. Existe también algún modelo de escasa potencia, pero de tamaño muy reducido, adecuado para trabajos en zonas de mala topografía y acceso difícil. Los aparatos empleados por soviéticos y franceses siguen principios distintos de los indicados. Mientras en los aparatos americanos la duración completa de un ciclo de carga y descarga no suele exceder de 2 ó 3 s. En algunos equipos construidos por la CCG se emplean dos amplificadores, uno de los cuales, el de mayor ganancia, no actúa hasta 50 ms después del corte de la corriente de excitación. Otros instrumentos de la misma nacionalidad son dobles, para el trabajo simultáneo con dos dipolos MN. Los equipos de dominio de frecuencias, casi todos norteamericanos ,son más sencillos que los de dominio de tiempos. Se trata en realidad de equipos para SEV o CE que trabajan en corriente alterna de frecuencia muy baja, generalmente de onda cuadrada. Cada aparato puede trabajar en cuatro o seis frecuencias distintas, comprendidas dentro del margen de 0,05 a 10 Hz. Estos instrumentos suelen ir provistos de dispositivos especiales para la eliminación de tensiones parásitas, tales como filtros que rechacen las de frecuencia industrial y circuitos de "cierre de fase".

REPRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS •

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Como en muchos otros métodos prospectivos, en el de PI los resultados de las observaciones se representan gráficamente en forma de curvas y de mapas. Cuando la modalidad empleada es de! tipo calicata se trazan curvas de la variación de !a magnitud u magnitudes observadas en función de la distancia sobre el perfil Como es obvio, los valores de poiarizabilidad aparente representados en cada curva deben ser homogéneos, es decir, que han de corresponder a un mismo tiempo y desde el comienzo de la descarga, al mismo tiempo de integración, o a idéntico par de frecuencias, según corresponda al método empleado. En la PI no suelen emplearse escalas logarítmicas, a causa del reducido margen de variación de las magnitudes observadas, salvo cuando se trata de sondeos de PI, ¡os cuales se representan del mismo modo que los SEV. Para las observaciones en el dominio de frecuencias se emplea mucho , un sistema especial de gráficos denominados pseudo-cortes o pseudo-secciones. En estos gráficos, los valores observados se representan numéricamente por debajo de una línea de referencia que representa la superficie del suelo. Usualmente, cada perfil se estudia con cuatro o cinco separaciones de electrodos, por lo que el diagrama se compone de otras tantas filas de números, entre las cuales se trazan isolineas. Se suelen trazar dos diagramas. uno de resistividades y otro de factores metálicos.La finalidad de estos pseudo cortes es representar la distribución, en el plano del perfil, de las magnitudes observadas. o bservadas. Por otra parte, estos tampoco dan una idea cualitativa correcta; así. según hace notar Parasnis, u ensanchamiento de la zona anómala con la "profundidad" " profundidad" , no implica necesariamente que ello refleje la realidad, puesto que el aumento de la separación entre electrodos produce el mismo efecto, aunque las paredes de la heterogeneidad sean verticales

REPRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS

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Pseudo cortes de resistividad aparente y de factor metálico obtenido sobre una mentalización de sulfuros

INTERPRETACIÓN •

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La interpretación cualitativa de las mediciones de PI consiste fundamentalmente ep la búsqueda de anomalías, esto es, de zonas donde e parámetro representativo utilizado (polarizabilidad o cargabilidad aparentes, efecto de frecuencia, factor metálico) toma valores que superen en dos o tres veces al menos al valor normal o de fondo observado en el área que se investiga. Las anomalías separadas en los diversos perfiles se llevan al mapa de trabajo, donde se unen las que quedan enfrentadas en perfiles contiguos.No todas las anomalías que, por efecto de estas operaciones, queden señaladas en el mapa, corresponden a metalizaciones explotables. Por esta causa, debe efectuarse entre ellas una selección, a fin de escoger las que q ue parezcan más prometedoras. Para ello debe atenderse no sólo a !a extensión e intensidad de las anomalías, sino a la información suministrada por otros métodos geofísicos. Las anomalías escogidas se estudian luego individualmente, para lo que es muy aconsejable efectuar en el campo un estudio estudio de detalle de cada uno de ellos. Si el dispositivo que se utiliza es el de calicatas trielectródicas combinadas, el epicentro se halla bajo el punto de cruce. Si la anomalía es ancha, sus límites se establecen bajo los puntos de máximo gradiente. Como todos los demás métodos, el de PI está sujeto a efectos topográficos, por lo que estos pueden distorsionar las anomalías debidas a metalizaciones, e incluso producir otras causadas exclusivamente por el relieve. Las determinaciones de la forma aproximada ,buzamiento y profundidad del cuerpo pueden efectuarse por comparación con curvas teóricas. Cuando se efectúan mediciones de detalle por el método de gradientes con el electrodo A sobre el epicentro del cuerpo, el buzamiento de este se infiere del hecho de que en el lado hacia el que buza aquél, la curva presenta un máximo más suave que en el lado opuesto.

INTERPRETACIÓN •

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Anomalías de resistividad y polarizabilidad aparentes, producidas pos un cuerpo esférico conductor y polarizable Fig. 1 para dispositivo de gradiente Fig. 2 para dispositivo trielectrodico combinado

COMPARACIÓN ENTRE LAS DOS MODALIDADES BÁSICAS •

Como ambos dominios están relacionados entre sí por una transformación integral, dicha equivalencia se refiere en realidad a valores límites, como son la polarizabilidad medida en el mismo momento del corte de la corriente de excitación, y al efecto de frecuencia obtenido por comparación entre corriente continua y frecuencia infinita. El instrumental para el dominio de frecuencias es más sencillo que el que se emplea en el dominio de tiempos, pero en el primero existe el peligro de acoplo entre el circuito de emisión y el de recepción, lo que impide el empleo de varios dispositivo electródicos en que este acoplo seria lo suficientemente intenso para inutilizar las mediciones.

VALORACIÓN Y LIMITACIONES DEL MÉTODO •

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Algunas publicaciones sobre la PI adoptan cierto aire triunfalista, y comparan este método con otros procedimientos prospectivos, a los que presentan bajo luz desfavorable. Entre estos otros métodos figuran los de resistividades y varios tipos de CEM, en especial el Turam, a quien suele corresponder el papel de "malo" en esta comparaciones, de raíz probablemente comercial. La PI, según ellas, sería un método muy superior a los demás. Nada más lejos de la realidad, pues este método prospectivo. como todos los demás, tiene sus limitaciones, y su superioridad o inferioridad respecto de otros depende de las condiciones del problema, sin contar con el aspecto económico, desfavorable para la PI, por ser este método mucho más costoso que los demás de finalidades análoga

Fin de la presentación