UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICA
MÉTODOS ELECTROMAGNÉTICOS ELECTROMAGNÉTICOS PRESENTADO POR: DE LA CRUZ CHUQUIMAN, Francarlos RAICO FLORES, Edgar Bladimir SILVA CADENILLAS, Jhon Anibal VILCHEZ CALLA, Jorge Issac ZAMORA CRUZADO, Michael
ASIGNATURA: GEOFÍSICA
DOCENTE: Ing. CRUZADO MEJÍA, Filadelfio.
Cajamarca, Mayo del 2018.
INDICE 1. INTRODUCCIÓN .......................................................... ................................................................. ....... 1 2. OBJETIVOS ........................................................................................ ................................................... 2 2.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................ ................................................... 2 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................... ................................................... 2 3.MÉTODO ELECTROMAGNÉTICO ELECTROMAGNÉTICO ................................................................................. .................. 3 3.1. EL CAMPO ELECTROMAGNÉTICO ELECTROMAGNÉTICO ................................................................ ................... 3 3.2. MOVIMIENTO ONDULATORIO ........................................................ ........................................ 3 3.3. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS ELECTROMAGNÉTICAS ............................................................ ............................. 4 3.4 ONDAS ELÁSTICAS Y ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS ................................................ 5 3.5 MÉTODO DEL CONDENSADOR...................................................................................... CONDENSADOR..................... ................................................................. ....... 5 3.6 MÉTODO DE TURAN ................................................... ............................................................. 7 3.7 MÉTODO ELECTROMAGNÉTICO ELECTROMAGNÉTICO DE EMISOR Y RECEPTOR MÓVILES(FRANK) . 9 3.8 MÉTODO DE SLINGRAM (FRANK) .......................................................... ............................. 9 3.9 GPR - GROUND PENETRATING RADAR (RADAR DE PENETRACIÓN TERRESTRE)(PELUCHE)) ............................................................................................. ................ 11 TERRESTRE)(PELUCHE 3.9.3 PERMEABILIDAD RELATIVA, COMPARACIÓN COM PARACIÓN ENTRE MATERIALES ............... ....... ........ 15 SEDT – SONDEO SONDEO ELECTROMAGNÉTICO ELECTROMAGNÉTICO EN EL DOMINIO DEL TIEMPO .................... 16 Aplicaciones .............................................................................. ............................................................ 16 3.11 MÉTODOS TELÚRICOS ....................................................................................................... 17 3.12 MÉTODO AFMAG ................................................................. ................................................. 23 3.13 EJEMPLOS DE PROSPECCIONES P ROSPECCIONES POR MÉTODOS ELECTROMAGNÉTICOS............... 24 Sondeos electromagnéticos para la exploración de petróleo y gas ............................................... 24 APLICACIÓN DE SONDEOS ELECTROMAGNÉTICOS PARA EL ALMACENAMIENTO DE AGUA EN LOS EMIRATO ÁRABES UNIDOS ........................................................ ........................... 25 MÉTODOS ELECTROMAGNÉTICOS Y OTROS MÉTODOS GEOFÍSICOS PARA LA MONITORIZACIÓN Y PREDICCIÓN DE D E ERUPCIONES VOLCÁNICAS ........................... 27 PROSPECCIÓN GEOFÍSICA APLICADA A DISTINTOS MODELOS DE DEPÓSITOS MINERALES .............................................................. ................................................................. ..... 28 3.14. Clasificación de los métodos electromagnéticos ............................................................ ................ 30 3.14.1. MÉTODOS EN EL DOMINIO DE FRECUENCIAS (FDEM) ............................................ 30 3.14.2. MÉTODOS EN EL DOMINIO DE TIEMPOS (TDEM) ...................................................... 32 3.14.3. V.L.F (VERY LOW FRECUENCY) .............................................................................. ................ .............................................................. ........ 34 3.14.4. GEO RADAR ............................................................. ........................................................... 35 3.15. Instrumentos del método electromagnético ........................................................ ........................... 37 3.15.1. GEONI5CS EM31-MK2 ......................................................... ................................................. 37 3.15.2. EQUIPO ELECTROMAGNETICO EM34-3XL .................................................................. ............................ ...................................... 37 3.15.3. VERY LOW FRECUENCY EM SYSTEMS. WADY VLF .................................................. 39 3.16. Ventajas y desventajas del método electromagnético .............................................................. ..... 40 4. CONCLUSIONES ..................................................................................................... ........................... 41 5.BIBLIOGRAFÍA ............................................................. ................................................................. ..... 42
INDICE 1. INTRODUCCIÓN .......................................................... ................................................................. ....... 1 2. OBJETIVOS ........................................................................................ ................................................... 2 2.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................ ................................................... 2 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................... ................................................... 2 3.MÉTODO ELECTROMAGNÉTICO ELECTROMAGNÉTICO ................................................................................. .................. 3 3.1. EL CAMPO ELECTROMAGNÉTICO ELECTROMAGNÉTICO ................................................................ ................... 3 3.2. MOVIMIENTO ONDULATORIO ........................................................ ........................................ 3 3.3. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS ELECTROMAGNÉTICAS ............................................................ ............................. 4 3.4 ONDAS ELÁSTICAS Y ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS ................................................ 5 3.5 MÉTODO DEL CONDENSADOR...................................................................................... CONDENSADOR..................... ................................................................. ....... 5 3.6 MÉTODO DE TURAN ................................................... ............................................................. 7 3.7 MÉTODO ELECTROMAGNÉTICO ELECTROMAGNÉTICO DE EMISOR Y RECEPTOR MÓVILES(FRANK) . 9 3.8 MÉTODO DE SLINGRAM (FRANK) .......................................................... ............................. 9 3.9 GPR - GROUND PENETRATING RADAR (RADAR DE PENETRACIÓN TERRESTRE)(PELUCHE)) ............................................................................................. ................ 11 TERRESTRE)(PELUCHE 3.9.3 PERMEABILIDAD RELATIVA, COMPARACIÓN COM PARACIÓN ENTRE MATERIALES ............... ....... ........ 15 SEDT – SONDEO SONDEO ELECTROMAGNÉTICO ELECTROMAGNÉTICO EN EL DOMINIO DEL TIEMPO .................... 16 Aplicaciones .............................................................................. ............................................................ 16 3.11 MÉTODOS TELÚRICOS ....................................................................................................... 17 3.12 MÉTODO AFMAG ................................................................. ................................................. 23 3.13 EJEMPLOS DE PROSPECCIONES P ROSPECCIONES POR MÉTODOS ELECTROMAGNÉTICOS............... 24 Sondeos electromagnéticos para la exploración de petróleo y gas ............................................... 24 APLICACIÓN DE SONDEOS ELECTROMAGNÉTICOS PARA EL ALMACENAMIENTO DE AGUA EN LOS EMIRATO ÁRABES UNIDOS ........................................................ ........................... 25 MÉTODOS ELECTROMAGNÉTICOS Y OTROS MÉTODOS GEOFÍSICOS PARA LA MONITORIZACIÓN Y PREDICCIÓN DE D E ERUPCIONES VOLCÁNICAS ........................... 27 PROSPECCIÓN GEOFÍSICA APLICADA A DISTINTOS MODELOS DE DEPÓSITOS MINERALES .............................................................. ................................................................. ..... 28 3.14. Clasificación de los métodos electromagnéticos ............................................................ ................ 30 3.14.1. MÉTODOS EN EL DOMINIO DE FRECUENCIAS (FDEM) ............................................ 30 3.14.2. MÉTODOS EN EL DOMINIO DE TIEMPOS (TDEM) ...................................................... 32 3.14.3. V.L.F (VERY LOW FRECUENCY) .............................................................................. ................ .............................................................. ........ 34 3.14.4. GEO RADAR ............................................................. ........................................................... 35 3.15. Instrumentos del método electromagnético ........................................................ ........................... 37 3.15.1. GEONI5CS EM31-MK2 ......................................................... ................................................. 37 3.15.2. EQUIPO ELECTROMAGNETICO EM34-3XL .................................................................. ............................ ...................................... 37 3.15.3. VERY LOW FRECUENCY EM SYSTEMS. WADY VLF .................................................. 39 3.16. Ventajas y desventajas del método electromagnético .............................................................. ..... 40 4. CONCLUSIONES ..................................................................................................... ........................... 41 5.BIBLIOGRAFÍA ............................................................. ................................................................. ..... 42
1. INTRODUCCIÓN Los métodos electromagnéticos constituyen el grupo de mayor diversidad tanto en metodologías como en instrumental, resultando ser herramientas eficaces a la hora de abordar una gran variedad de problemas: estudio de aguas subterráneas, cartografía de la intrusión marina, detección de vertidos de contaminantes, localización de cavidades, etc. Versatilidad y gran celeridad en la toma de datos (aspecto que posibilita el reconocer extensas áreas de terreno en un corto espacio de tiempo), son las dos principales virtudes de los métodos electromagnéticos en general. Además, la no necesidad de contacto físico con el terreno (no precisan electrodos), permiten incluso el realizar estudios tanto en barco como en avión. Los métodos electromagnéticos electromagnéticos se pueden clasificar básicamente básicamente en base a dos aspectos: La naturaleza del campo electromagnético primario, distinguiendo entre los de campo natural o artificial (el hombre es quien lo genera). La distancia a la que se encuentre el receptor con respecto al origen del campo primario. En este sentido tenemos los de campo próximo o campo lejano. Si bien existen diversos métodos electromagnéticos electromagnéticos aplicables al problema de detección de filtraciones de agua en el subsuelo, son los de campo próximo y artificial los realmente importantes, dado que en éstos es el operador quien controla el transmisor (dispositivo encargado de generar el campo electromagnético primario), y por tanto el hecho de poder definir las características de la onda primaria, nos permitirá controlar un parámetro tan importante como es la profundidad de investigación
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2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL
Describir el método electromagnético y su aplicación a la geología.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Definir el método electromagnético y sus tipos.
Detallar las características del método electromagnético.
Referir sobre la aplicación del método en casos reales en la geología.
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3.MÉTODO ELECTROMAGNÉTICO 3.1. EL CAMPO ELECTROMAGNÉTICO El concepto de campo electromagnético es necesario para explicar un tipo de interacción entre las partículas fundamentales que componen la materia, la denominada interacción electromagnética. Los campos eléctrico y magnético son fundamentalmente campos de fuerza debidos a las cargas eléctricas que componen la materia. La denominación de eléctrico, magnético o electromagnético depende del estado de movimiento de las cargas respecto a un sistema de referencia. Las cargas eléctricas en reposo originan un campo electroestático, es decir, independiente del tiempo. El movimiento ordenado de las cargas representa una corriente eléctrica y produce un campo de fuerzas adicional denominado campo magnético. Este nuevo campo se dice que es magnetostático, si las cargas se mueven a velocidad constante respecto al sistema de referencia o punto de observación. Los movimientos acelerados o de otro tipo producen ambos tipos de campo, el eléctrico y el magnético, que varían con el tiempo y que se denominan campos electromagnéticos. CARACTERIZACIÓN DE LOS MEDIOS Los medios físicos en los que pueden actuar los campos electromagnéticos, los podemos clasificar en: conductores, aislantes o dieléctricos y magnéticos. Si el medio es lineal, homogéneo e isótropo, sus propiedades se pueden caracterizar de un modo completo introduciendo tres co nstantes escalares: conductividad σ, permitividad ε y permeabilidad µ.
3.2. MOVIMIENTO ONDULATORIO Todos estamos familiarizados con la idea de onda; así, cuando se deja caer una piedra a un estanque, las ondas de agua marchan radialmente hacia fuera, al tocar la guitarra vibran las cuerdas y las ondas sonoras se extienden en la proximidad del instrumento, cuando una emisora de radio está transmitiendo, las ondas electromagnéticas se propagan a través del aire o del vacío. Todos estos son ejemplos de movimiento ondulatorio y tienen en común dos importantes propiedades: la energía se traslada a puntos distantes y la perturbación marcha a través del medio sin que éste en su totalidad sufra ningún desplazamiento permanente. El movimiento ondulatorio consiste en la propagación de una propiedad física o una perturbación (variación de alguna magnitud física) descrita por un cierto campo, a través de un medio. El campo que describe la propiedad física puede ser: 3
• Un campo electromagnético (caso de ondas electrom agnéticas). • El desplazamiento transversal de una cuerda, la deformación de un resorte, la presión
de un gas, etc. (caso de ondas elásticas). El medio que transmite las ondas puede ser el aire, una cuerda tensa, un líquido, etc. e, incluso el vacío (sólo para el caso de ondas electromagnéticas). Como la afirmación de que lo que se propaga en el movimiento ondulatorio es una propiedad física o perturbación es algo abstracta, conviene concretarla: En un movimiento ondulatorio se transmite o propaga una condición dinámica, esto es, cantidad de movimiento y energía. Cualquiera que sea la naturaleza del medio que transmite las ondas, ya sea el aire, una cuerda tensa, un cable eléctrico o el vacío, todos los movimientos ondulatorios están regidos por una cierta ecuación diferencial, la ecuación del movimiento ondulatorio. La parte matemática del problema consiste meramente en resolver esta ecuación con las adecuadas condiciones de contorno e interpretar después la solución apropiadamente.
3.3. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Una de las consecuencias más importantes de las ecuaciones de Maxwell fue la predicción de la existencia de las ondas electromagnéticas, antes de que Hertz en 1888 realizara sus experimentos, que le llevaron a la comprobación de la existencia de las mismas. Las ondas electromagnéticas consisten en campos eléctricos y magnéticos variables que son solución de las ecuaciones de Maxwell. Consideraremos el caso más simple de una onda que se propaga en un medio lineal homogéneo e isótropo, que sea aislante perfecto, es decir µ y ε son constantes y la conductividad σ nula. En este medio no existen ni cargas libres (ρv = 0) ni corrientes de conducción (J = 0) y por tanto las Ecuaciones de Maxwell
toman la forma: A partir de las expresiones anteriores se pueden obtener ecuaciones diferenciales de segundo orden o ecuaciones de onda del campo eléctrico E G y del campo magnético B 4
G . De acuerdo con las referidas ecuaciones de onda el campo electromagnético se propaga con una velocidad:
En el caso de que el medio de propagación sea el vacío la velocidad anterior coincide con la de la luz:
3.4 ONDAS ELÁSTICAS Y ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Las ondas elásticas requieren un medio material como soporte a su transmisión. Tal sucede con las ondas sonoras, ondas en cuerdas, membranas, etc. En cambio, las ondas electromagnéticas no requieren necesariamente un medio material para su propagación.
3.5 MÉTODO DEL CONDENSADOR DE DUNDBERG o compensador para mediciones de las componentes real, e imaginaria, utilizan un compensador o puente de corriente altera para tener tensiones de referencia y conocer las magnitudes real e imaginaria. El magnetismo de materiales o de medios materiales, consiste en la distribución de momentos magnéticos atómicos, ilustrado en la Figura, cuya contribución al momento magnético total puede describirse desde el punto de vista macroscópico, como una densidad de momentos magnéticos por unidad de volumen, llamada Magnetización (M). (Ordóñez, 2011) a.
b.
a. Representación de dominios magnéticos orientados en forma aleatoria b. orientación uniforme, determinada por la dirección del campo externo y la respuesta del medio.
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La orientación preferencial de los dominios magnéticos, resulta de considerar el comportamiento de un medio conformado por un número grande de átomos o moléculas bajo la acción de un campo magnético externo. El campo magnético, ejerce una acción orientadora de los momentos magnéticos de los átomos, que tiende a orientarlos en la dirección del campo; por otra parte, el movimiento térmico, desorganiza la tendencia a su distribución regular y como resultado de la concurrencia de los dos procesos se establece una distribución media de las orientaciones de los momentos magnéticos, respecto a la dirección del campo magnético. A esta distribución media de la orientación de los momentos magnéticos elementales corresponde el momento magnético medio del material, admitiendo que no existe interacción entre los momentos magnéticos elementales de modo que cada cual se orienta libremente. Para considerar el flujo de corriente en dieléctricos sólidos, se ha de tener en cuenta que la corriente de desplazamiento representa un mecanismo conductivo, cuya magnitud es significativa sólo en materiales de muy alta resistividad y bajo la acción de ondas electromagnéticas de altas frecuencias. El significado de la constante dieléctrica, puede ilustrarse si se considera un condensador, representado en la Figura, conformado por un par de placas planas paralelas separadas por un material dieléctrico, que reduce la magnitud del campo eléctrico y por lo tanto, la diferencia de potencial disminuye como consecuencia de la polarización en su interior. Al factor de disminución se le llama constante dieléctrica, y es un número adimensional característico de cada material. En medios materiales rocosos la constante dieléctrica está relacionada con la capacidad de polarización de los dieléctricos sólidos o fluidos, como se muestra en la Figura.
Representación esquemática de un condensador.
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Representación de la polarización de dieléctricos sólidos. a. Orientación aleatoria en medios rocosos; b. polarización espontánea; c. Polarización inducida por la acción de un campo externo. (Tomado y modificado de Reynolds, 1997) En la aplicación de los métodos de corriente directa las variables a medir son, la corriente eléctrica, el potencial eléctrico y su gradiente o capo eléctrico (E) y la propiedad del medio la resistividad (ρ) inverso de la conductividad, de cuyos contrastes se infiere un
modelo o imagen del terreno. Para la aplicación de corrientes variables, es necesario considerar las cuatro componentes del campo electromagnético D, H, E, y B en especial las dos últimas y para la caracterización del terreno han de tenerse en cuenta no solo la resistividad ρ, sino también la constante dieléctrica ε y la permeabilidad magnética µ.
3.6 MÉTODO DE TURAN Consta con dos cuadros con compensador para la medición de la razón de amplitudes y la diferencia de fases. (Montes, 2008) Mide el gradiente del campo EM Consiste de:
Un emisor, cable largo o un embobinado rectangular, alimentado por una corriente alterna
Un receptor, dos boinas de inducción llevada a una separación de 20 a 40 metros conectadas a un compensador que mide la razón de amplitud y la diferencia de fase de los campos recibidos por las bobinas.
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El método de turan es efectivo en yacimientos superficiales, vetiformes masivos y de alto buzamientos. Profundidad en función de la distancia entre bobinas, o variación de la frecuencia.
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3.7 MÉTODO ELECTROMAGNÉTICO DE EMISOR Y RECEPTOR MÓVILES(FRANK) Esencialmente para prospección aérea, también se registran en la modalidad terrestre. El dispositivo consta de una bobina emisora y otra receptora, pudiendo éstas situarse en distintas posiciones: Coplanares horizontales, Coplanares Verticales y Coaxiales Verticales. El arreglo coplanar horizontal se usa en prospección terrestre, tal el caso del método de Slingram. Los otros dos, en cambio, son típicos del relevamiento aéreo: las bobinas pueden ir en los extremos de las alas del avión, en cuyo caso hay rotación y la relación planar ya no se mantiene.
3.8 MÉTODO DE SLINGRAM (FRANK) Se caracteriza porque no sólo es móvil el dispositivo receptor, sino que también lo es la fuente del campo primario, que está constituida por una bobina portátil de peso liviano. La bobina emisora es alimentada por la corriente alterna suministrada por un oscilador portátil de 1 a 2 vatios y de ella se toma una tensión fija de referencia que es introducida en un compensador. La tensión en el receptor se descompone en dos partes, una en fase y la otra desfasada 90° respecto de la tensión de referencia.
Emisor y receptor de ondas El trabajo de campo de los sistemas de emisor y receptor móviles es sencillo. Un equipo de dos o tres personas basta para las mediciones, llevando uno el oscilador sobre su espalda y el emisor (bobina) alrededor de su cintura, mientras otra persona lleva la bobina receptora y el compensador
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Emisor y el receptor y un transmisor de ondas
Uso en el Campo
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Prospeccion con emisor y receptor móviles sobre el yacimiento de sulfuros.
3.9 GPR - GROUND PENETRATING RADAR (RADAR DE PENETRACIÓN TERRESTRE)(PELUCHE) El Radar de Penetración Terrestre, comúnmente conocido como GPR es un método electromagnético de alta frecuencia (de 50 a 1600 MHz), con capacidad de adquirir gran cantidad de información en un período corto de tiempo, en sus diversas variantes y aplicaciones. El sistema genera una imagen del subsuelo que a primera vista se asemeja a la obtenida por un sonar para determinar la profundidad del agua y/o bien a la de una sección sísmica obtenida mediante detonaciones impulsivas en superficie. A diferencia de estos otros métodos, el Radar Terrestre utiliza como fuente transmisora una antena electromagnética emitiendo una señal a una frecuencia fija que puede penetrar sedimentos, roca, concreto, hielo u otros tipos de materiales naturales o artificiales, convirtiéndolo en un método de gran utilidad en aplicaciones geotécnicas y de estudios medio ambientales.
Aplicaciones Generales En construcción e ingeniería en general
En auditorías medio ambientales y evaluación de sitios
En evaluación de sitios industriales en uso o abandonados
En estudios de pre-factibilidad y correctivos en áreas sensibles
En estudios geológicos
En estudios arqueológicos 11
Aplicaciones Específicas Profundidad, grosor y caracterización de suelos y basamento
Determinación de niveles freáticos
Localización/mapeo de materiales de desecho y contaminantes
Localización/mapeo de tanques abandonados, tuberías, ductos y zanjas
Ubicación de cimentaciones antiguas o abandonadas
Localización de cavidades o fracturas en puentes, pistas de aterrizaje, compuertas de represas y caminos
Detección de cavidades en minas subterráneas abandonadas
Detección y delineamiento de derrames tóxicos
Determinación de condiciones estratigráficas bajo sistemas de rieles de trenes y caminos
Pavimentados
Para efectuar un perfil se desplaza la antena (mono-estática) o las dos antenas sin variar la separación existente entre ellas (biestáticas) a lo largo de una línea. Al realizar este levantamiento, se le puede acoplar al sistema un GPS de forma que se realiza a la vez el trabajo georefenciado.
Durante el desplazamiento se emite un elevado número de pulsos por segundo.
Se pueden emitir desde 1 hasta 100 pulsos cada segundo. Esto permite que la adquisición de datos, aunque sea en realidad puntual se pueda considerar continua por la cantidad de trazas que se tienen en todo el perfil, dependiendo siempre de la velocidad de desplazamiento de la antena. Este desplazamiento debe realizarse a una velocidad lo más constante posible, siendo conveniente utilizar un odómetro durante la adquisición de dato.
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3.9.1 PENETRACIÓN La penetración de la onda electromagnética dependerá de la frecuencia de transmisión y de las propiedades eléctricas del medio en el que se propaga, de manera que, con antenas de bajas frecuencias, se alcanza una mejor penetración que con antenas de alta frecuencia, sacrificando la resolución lateral en el proceso. De igual manera se obtiene una buena penetración en materiales poco conductores (arenas secas, granito, caliza, concreto) ya que la atenuación de la señal de radar en materiales conductores, como en arenas arcillosas, es mucho mayor. Si conocemos de antemano las propiedades eléctricas del material a estudiar, sería posible, en principio, el estimar el poder de penetración del radar. Para ello se puede utilizar desde un análisis numérico a través de la ecuación de rango de radar, o bien a partir de una aproximación simple dada por la ecuación:
= Donde es la conductividad en / (siemens por metro o Ω ·m ) y la profundidad -1
-1
estimada en metros. 3.9.2 PERMEABILIDAD MAGNÉTICA Se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de ella campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la inducción magnética existente y la intensidad de campo magnético que aparece en el interior de dicho material. 13
La magnitud así definida, el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético, se denomina permeabilidad absoluta y se suele representar por el símbolo μ.
=
Dónde: B es la inducción magnética (también llamada densidad de flujo magnético) en el material y H es la intensidad del campo magnético.
Figura 1: Comparación simple de permeabilidades para: ferromagnetos (μf), paramagnetos (μp), diamagnetos (μd) y vacío ( )
3.9.2.1 PERMEABILIDAD MAGNÉTICA DEL VACÍO La permeabilidad del vacío, conocida también como constante magnética, se representa
y en unidades SI se define como: =4∗10−7 Las unidades también son = = 2 mediante el símbolo
La permitividad eléctrica que aparece en la Ley de Coulomb y la constante magnética del vacío están relacionadas por la fórmula:
= 12
Donde c representa la velocidad de la luz en el espacio vacío.
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3.9.3 PERMEABILIDAD RELATIVA, COMPARACIÓN ENTRE MATERIALES Para comparar entre sí los materiales, se entiende la permeabilidad magnética absoluta
como el producto entre la permeabilidad magnética relativa y la permeabilidad magnética de vacío . Los materiales se pueden clasificar según su permeabilidad magnética relativa en:
Ferromagnéticos, cuyo valor de permeabilidad magnética relativa es muy superior a 1.
Paramagnéticos o no magnéticos, cuya permeabilidad relativa es 1 (se comportan como el vacío).
Diamagnéticos, de permeabilidad magnética relativa inferior a 1.
Los materiales ferromagnéticos atraen el campo magnético hacia su interior. Son los materiales que "se pegan a los imanes". Esa propiedad recibe el nombre de ferromagnetismo. Ejemplos de ellos son el hierro y el níquel. Los materiales paramagnéticos son la mayoría de los que encontramos en la naturaleza. No presentan ferromagnetismo, y su reacción frente a los campos magnéticos es muy poco apreciable. Los materiales diamagnéticos repelen el campo magnético, haciendo que éste pase por el exterior del material. En general, esta acción diamagnética es muy débil, y no es comparable al efecto que produce el campo magnético sobre los materiales ferromagnéticos. Un ejemplo de material diamagnético es el cobre. Otro efecto de los campos magnéticos sobre los materiales es el anti-ferromagnetismo, que resulta en una polarización nula del material, pero produce una ordenación interna de éste.
3.10 INFLUJO DE SUSCEPTIBILIDAD MAGNÉTICA Tanto la susceptibilidad como la resistividad son importante parámetros físicos. En la exploración geofísica, los métodos de inducción electromagnética son sensibles a estos parámetros físicos y la presencia y/o ausencia de materiales susceptibles provoca diferencias significativas en los datos observados (Jun-Xing, 2005). Las órdenes de magnitud de cambio de la susceptibilidad magnética son pequeñas en comparación con las de la resistividad sobre un área de estudio de roca sedimentaria en general ya que la mayoría de los minerales y las rocas son no magnéticos.
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CÁLCULO DE LA RESPUESTA MT
2 = ( ) Donde: = é = é = = La relación entre la susceptibilidad magnética y permeabilidad magnética es:
=+ Donde
= = 4 ∗ 10−7/ =
Distribución de la resistividad y la susceptibilidad en el modelo graben
SEDT – SONDEO ELECTROMAGNÉTICO EN EL DOMINIO DEL TIEMPO Conjunto de mediciones del campo secundario inducido en el subsuelo en función del tiempo. Las medidas se realizan en bucle receptor y el campo secundario se induce mediante la inyección de corriente de alta intensidad en un bucle emisor (Georgsson, 2009). Permite obtener una distribución vertical de resistividad eléctrica del subsuelo. La configuración de bucle fijo, permite tomar medidas en una malla, mientras que la configuración de bucle móvil permite tomar medidas en perfiles, dentro o fuera del bucle (dependiendo de la forma y buzamiento del conductor será mejor tomar las medidas dentro o fuera del bucle).
Aplicaciones
Localización de acuíferos y posibles intrusiones salinas
Contactos y Buzamientos
Localización de conducciones de agua o electricidad 16
Profundidad y Espesor de relleno Cuerpos Conductivos
Localización de restos arqueológicos
3.11 MÉTODOS TELÚRICOS Consiste en la medición de la Resistividad Eléctrica terrestre con el propósito de determinar la distribución de la conductividad eléctrica de las rocas bajo la superficie. En este caso la medición de la resistividad se efectúa usando las corrientes telúricas que fluyen de manera natural en la corteza terrestre, producto del campo electromagnético generado en la Ionosfera, debido a la interacción del campo geomagnético y el viento solar. El amplio espectro de frecuencia de las corrientes telúricas hace de esta técnica una herramienta muy poderosa con rangos de observación que van desde decenas de metros a estudios de gran profundidad. La determinación de la Resistividad eléctrica en función de la profundidad, requiere de la medición del campo magnético y campo eléctrico en la superficie, en forma simultánea, en función de la frecuencia. SONDEOS ELECTROMAGNÉTICOS PARA LA EXPLORACIÓN DE PETRÓLEO Y GAS Los iones emitidos por el sol experimentan un proceso complejo de interacción con el campo magnético terrestre, generando campos electromagnéticos que se propagan y penetran en el subsuelo e interactúan con sus capas conductivas. En los últimos años, el método MT se ha convertido en una herramienta importante para los exploracioncitas de la industria de petróleo, gracias a los avances producidos en la tecnología de modelado e inversión sísmica 3D. Ahora, los resultados MT pueden combinarse de manera más eficiente con los levantamientos sísmicos y gravimétricos, generando un modelo más calibrado del subsuelo. Si bien Cagniard también analizó un método relacionado con las mediciones MT que utiliza un campo electromagnético impuesto artificialmente, las técnicas de generación y detección de una señal suficientemente intensa para ser utilizada en la industria de E&P, aparecieron algunas décadas más tarde: en la década de 1960, en tierra firme, y posteriormente, en la década de 1980, en el ambiente marino. Este método se conoce ahora como método electromagnético con fuente controlada (CSEM). La interacción de la Tierra con los campos eléctricos y magnéticos incidentes es compleja. Dos factores importantes para el análisis MT son el espectro de frecuencia de los campos y la resistividad (o su inversa, la conductividad) del medio particular a través del cual se propagan las ondas de los campos. El análisis de los datos del espectro de 17
frecuencia ayuda a obtener un valor de resistividad aparente como una función de la frecuencia. El viento solar El viento solar es una corriente de iones positivos y negativos emitidos por el sol. La intensidad del viento varía, incrementándose durante los períodos de gran actividad de las manchas solares . Este viento iónico “sopla” a través del espacio; las auroras manifiestan su interacción con el campo magnético terrestre de formas espectacularmente coloridas. Si bien la mayoría de los iones solares son desviados por el campo magnético en una región denominada magnetopausa, la cual se encuentra en el espacio a varios radios terrestres de distancia, algunos iones fugan. Los iones que llegan a la atmósfera superior pueden ionizar las partículas presentes en la ionosfera, la cual se halla entre los 75 y 550 km [50 y 340 mi] de altura por encima de la superficie terrestre. En la ionosfera, las velocidades de las partículas son suficientemente altas y la densidad de las partículas suficientemente baja como para que los iones cargados no se recombinen de inmediato para formar átomos y moléculas neutrales sino que forman un plasma de partículas cargadas. Este plasma hace que la ionosfera sea una capa conductora, a diferencia de las capas no conductoras de la atmósfera inferior donde la densidad de las partículas es demasiado alta para mantener los iones cargados durante un tiempo significativo. Los movimientos de las cargas en la ionosfera están restringidos por el campo magnético terrestre, cuyas líneas de fuerza se extienden de polo a polo. Cuando los iones solares ingresan en el plasma, dentro de este campo magnético, generan pulsos electromagnéticos (EM) que resuenan en la ionosfera, viajando a lo largo de las líneas del campo magnético. El resultado es análogo a pulsar las cuerdas de una guitarra; así como la cuerda resuena con frecuencias
características,
la
ionosfera
resuena
electromagnéticamente. La interacción compleja del campo magnético, el plasma atmosférico y los iones solares, se traduce en un amplio espectro de frecuencias EM, incluyendo los fenómenos de luz visible de la aurora boreal y la aurora austral. El rango espectral útil para las mediciones MT relacionadas con la industria de E&P, abarca desde frecuencias de aproximadamente 0.001 Hz hasta frecuencias de 10 kHz; para los estudios que llegan hasta el manto terrestre se utilizan frecuencias aún más bajas(arriba). Las frecuencias superiores a 1 Hz son atenuadas severamente a través del agua de mar que actúa como conductora y, por consiguiente, no crean ninguna respuesta submarina de la Tierra, lo cual lo convierte en el límite efectivo de las frecuencias superiores para las mediciones MT marinas. 18
La mayor parte de la matriz sólida de una roca conduce la electricidad de manera deficiente. No obstante, los diversos fluidos alojados en los medios porosos poseen conductividades diferentes. La salmuera es buena conductora pero el petróleo y el gas poseen altas resistividades. Las formaciones adyacentes con marcados contrastes de resistividad — tales como una zona con hidrocarburos rodeada de estratos saturados con salmuera — afectan el campo EM en propagación de maneras diferentes y potencialmente cuantificables. El contraste de resistividad también es alto entre las capas sedimentarias rellenas de salmuera y algunas litologías específicas, tales como la sal, el basalto y los carbonatos resistivos. Las ondas EM interactúan con las formaciones conductivas e inducen una onda de respuesta que se retropropaga hacia la superficie. Si bien la geometría de la señal y de la respuesta se representa a veces como análoga a la de una reflexión sísmica, el efecto EM posee un origen físico diferente y un comportamiento diferente al de una onda sísmica reflejada.9La señal EM variable en el tiempo induce un bucle de corriente en la capa conductora. Las propiedades de esta corriente parásita inducida dependen de la resistividad de la formación conductora y de la magnitud y la velocidad de cambio con el tiempo — o la frecuencia — de la señal de la fuente. A su vez, la corriente parásita induce un campo magnético que se propaga desde la formación. Los sensores colocados en la superficie miden este campo de respuesta.
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Medición de la señal Los dos dispositivos básicos para medir los campos EM son un par de electrodos para detectar una diferencia de potencial en el campo eléctrico y un magnetómetro para detectar las variaciones del campo magnético. El par de electrodos forma un dipolo eléctrico, que permite la medición de la diferencia de potencial o voltaje entre los mismos. Un magnetómetro es una bobina de cable conductor que genera una corriente cuantificable sobre la base del flujo magnético cambiante a través de la bobina. El Instituto Oceanográfico de Scripps en La Jolla, California, EUA, desarrolló el sensor básico de campo eléctrico utilizado hoy por WesternGeco. Los magnetómetros fueron desarrollados por Electromagnetic Instruments Inc., una compañía adquirida por Schlumberger en el año 2001.
Detección de la impedancia. Una onda EM verticalmente incidente interactúa con la Tierra a través de la impedancia de la formación, Z. El valor de Z puede ser determinado mediante la medición del campo eléctrico horizontal, E, y del campo magnético, H, en la superficie o en el fo ndo marino (bronceado). La resistividad aparente, ρa , es la resistividad total de las capas de la formación por debajo de la antena dipolar eléctrica y de la bobina del magnetómetro de un sensor (amarillo). En el caso mostrado, Ey Hestán 20
en fase; si los cruces por cero de los dos campos estuvieran fuera de sincronización, existiría un ángulo de fase entre los dos campos.
Receptor CSEM. Las antenas dipolares ortogonales del receptor miden los valores de Ex y Ey y dos magnetómetros de bobinas de inducción miden los valores de Hxy Hy. Cada tubo que contiene una antena posee una longitud de 3.6 m [12 pies]; sumada a la dimensión de la estructura, la longitud del dipolo eléctrico formado por un par que señala direcciones opuestas es de 10 m [32.8 pies]. Un ancla de hormigón transporta el receptor hasta el fondo marino, donde permanece a lo largo de toda la prueba. El registrador electrónico registra durante un tiempo establecido. Al final de la prueba, una señal acústica proveniente de la embarcación dispara un mecanismo de liberación a través del cable que sujeta el dispositivo al ancla. Mediante esferas de vidrio llenas de aire se eleva el receptor a la superficie, donde éste se recupera y se capturan los datos. En algunos casos, el receptor incluye un dipolo vertical para medir el campo eléctrico vertical, Ez (que no se muestra aquí). (Imagen, cortesía del Instituto Oceanográfico de Scripps.) La potencia para generar una señal de fuente de alta corriente y bajo voltaje, y propagarla a lo largo de varios kilómetros de cable, es suministrada habitualmente por un sistema de 250 kV.A instalado en la embarcación. Los transformadores convierten esta señal en una señal de baja corriente y alto voltaje que se envía a lo largo del cable. En el remolcador pescante, la señal es transformada nuevamente en la señal de alta corriente y bajo voltaje. El remolcador pescante genera una forma de onda diseñada sobre la base de los comandos provenientes de la embarcación. La forma de onda real de la corriente transmitida por los electrodos de la fuente es medida y registrada con un registrador de datos instalado en el remolcador pescante, transmitiéndose a la embarcación en tiempo real para el control de calidad por medio de un sistema de telemetría de alta velocidad. Dado que la forma de onda transmitida por la antena es 21
afectada por la impedancia y el desgaste de la antena y por la salinidad del agua, se requiere el monitoreo preciso de la forma de onda real para resolver correctamente los datos del levantamiento.
3.11.1 Aplicaciones métodos telúricos Entre las aplicaciones más frecuentes de los levantamientos magneto Telúricos están los estudios de exploración de petróleo, orientados a la determinación de la estratigrafía sedimentaria como de la profundidad y forma del basamento rocoso aprovechando el contraste de resistividad entre el relleno de la cuenca (relativamente conductor) y las rocas 22
del basamento (resistivas). Otra aplicación indiscutida es en la exploración geotérmica donde se aprovecha los grandes contrastes de resistividad generados en el sistema geotérmico formado por el reservorio, el sello, la cámara magmática y las rocas del basamento. Últimamente este método geofísico se ha estado usando con éxito en la exploración minera profunda, principalmente orientado a la caracterización geo eléctrica de ambientes mineralizados del tipo pórfidos cupríferos, como también en la exploración directa de yacimientos metálicos.
3.12 MÉTODO AFMAG Se denomina método de “AFMAG” y emplea los campos ma gnéticos de audiofrecuencia
(1 a 10.000 c/s) que están llegando continuamente a cualquier punto de la superficie terrestre. Estos campos se originan en las tormentas, y aunque son muy débiles, pueden ser detectados por medio de receptores sintonizados muy agudamente a alguna frecuencia determinada (510 c/s en una versión) Estos campos están polarizados intensamente, y el vector magnético oscilante suele ser paralelo a la superficie terrestre. Este vector presenta un azimut difuso perpendicular al rumbo de las formaciones geológicas, azimut que puede determinarse por medio de una bobina exploradora conectada a un amplificador sintonizado y un detector, a la que se le hace girar alrededor de un eje vertical hasta que la tensión inducida sea máxima. Para medir el campo eléctrico se utilizan electrodos impolarizables y para medir el magnético se utilizan bobinas de unas 30.000 espiras de cobre, con un núcleo de molibdeno y permaloy de 2 metros de largo y 15 centímetros de diámetro, en las que se induce una corriente alterna. Los dos pares de electrodos se colocan separados unos 500 metros y perpendiculares entre sí. Las tres bobinas sensores del campo magnético Hx, Hy y Hz están perpendiculares entre sí, y ubicadas cerca del cruce de las líneas que forman los electrodos. Este método tiene la ventaja que permite estudiar estructuras muy profundas a nivel de Corteza terrestre, es decir unas decenas de kilómetros. Utiliza como fuente de campo primario las descargas eléctricas de tormentas. Trabaja en el rango de 1 a 1000 Hz. El receptor consta de dos bobinas ortogonales, capaces de rotar en un eje vertical y en un eje horizontal Se miden los ángulos de inclinación y azimut de los ejes de la elipse de polarización del campo magnético La componente vertical es máxima sobre cuerpos conductores, por lo que es apropiado para localizar fallas en el basamento que originen zonas de baja resistividad
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3.13
EJEMPLOS
DE
PROSPECCIONES
POR
MÉTODOS
ELECTROMAGNÉTICOS Sondeos electromagnéticos para la exploración de petróleo y gas Los avances acaecidos recientemente en la Identificación de características del subsuelo utilizando los contrastes de resistividad, han incorporado una herramienta significativa para la búsqueda de Hidrocarburos. La técnica de sondeo electromagnético comprende dos tecnologías relacionadas entre sí, los levantamientos magneto telúrica y los levantamientos electromagnéticos con fuentes controladas que proporcionan conocimientos del subsuelo claramente diferentes. Su capacidad para esclarecer las estructuras y ayudar a identifica posibles acumulaciones de hidrocarburos antes de la perforación, está apasionando a los exploracionistas.
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APLICACIÓN DE SONDEOS ELECTROMAGNÉTICOS PARA ALMACENAMIENTO DE AGUA EN LOS EMIRATO ÁRABES UNIDOS
EL
Una aplicación Electromagnética terrestre ayudó a localizar sitios potenciales para el almacenamiento de agua en los Emiratos Árabes Unidos, el país necesita una reserva de agua dulce para los periodos de emergencia y para satisfacer los picos de la demanda estival. El agua para este proyecto de almacenamiento y recuperación de acuíferos será transportada por acueducto desde una planta de desalinización de agua situada en el Emirato de Fujairah. Se hicieron Sondeos Electromagnéticos para identificar y probar un sitio de acuíferos potencial, lo cual implicó la definición de la zona de almacenamiento subterránea y de las formaciones adyacentes, el espesor del acuífero y los parámetros hidráulicos relacionados. Se seleccionó un sitio preferido y se construyó tres pozos piloto que fueron probados para determinar el potencial del acuífero. Los estudios geológicos del área indicaron que las fallas profundas habían sido reactivadas en el periodo Terciario Tardío por el desplazamiento de la Península Arábiga, en dirección hacia el noreste, generando una serie de fallas intensamente plegadas. La capa suprayacente de sedimentos del Periodo Cuaternario, consistente de arenas eólicas y tierra de aluviones, fue depositada principalmente a lo largo de las fallas reactivadas y en los sinclinales que se encuentran entre dichas fallas, transmitiendo un sesgo direccional al espesor sedimentario. La direccionalidad puede incidir en el flujo de agua subterránea, creando para el flujo un trayecto preferencial paralelo a la estructura. Se evaluó esta estructura geológica en el año 2006, durante los periodos de perforación, adquisición de registros y ejecución de pruebas. Los registros de los pozos piloto indicaron la existencia de un contraste de resistividad entre el acuífero de arena y grava, al que se apuntaba como objetivo, y la capa infra yacente rica en contenido de arcilla. Dado que los datos resultan útiles para la caracterización de acuíferos, la evaluación del sitio incluyó un levantamiento para definir el alcance lateral del acuífero, necesario para computar el volumen potencial de almacenamiento de agua. En un levantamiento en el dominio del tiempo, la resistividad aparente de las formaciones infra yacentes se determina por la variación en el tiempo de los campos eléctricos y magnéticos de respuesta. Para el estudio, se utilizó el mismo conjunto de bobinas colocadas en la 25
superficie tanto para los circuitos cerrados receptores. El levantamiento cubrió un área de 6 por 7 km. Mediante un proceso de inversión Occam 1D, en cada receptor, se obtuvo información de resistividad para la construcción de un modelo 3D. La profundidad máxima derivada del proceso de inversión fue alrededor de 250 m. Los registros de resistividad de los tres pozos se compararon con los resultados del proceso de inversión en las localizaciones de sondeo adyacentes. El tope del Intervalo arcilloso, infra yacente es claro en la porción Este del Área del levantamiento; sin embargo, resulta menos obvio en la porción Oeste.
Los datos muestran claramente una discontinuidad en la distribución de la resistividad en el intervalo arcilloso.
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MÉTODOS ELECTROMAGNÉTICOS Y OTROS MÉTODOS GEOFÍSICOS PARA LA MONITORIZACIÓN Y PREDICCIÓN DE ERUPCIONES VOLCÁNICAS Los campos electromagnéticos (EM) son particularmente sensibles a las zonas más profundas de los volcanes debido a su profundidad de penetración. Manifiestan a menudo cambios anómalos simultáneamente con señales geoquímicas, de temperatura y del potencial. Las observaciones del EM se basan principalmente en la detección de señales en:
El campo geomagnético
la resistencia eléctrica
El potencial eléctrico instantáneo (SP)
Las emisiones de EM
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PROSPECCIÓN GEOFÍSICA APLICADA A DISTINTOS MODELOS DE DEPÓSITOS MINERALES Depósitos Relacionados Con Rocas Básicas-Ultrabásicas a) Ni-Cu en Tholeiítas Los depósitos de Ni-Cu magmáticos son típicamente muy conductivos, y generan una fuerte respuesta a los métodos electromagnéticos. Generalmente están asociados con intrusivos ultramáficos, que producen fuertes anomalías magnéticas, lo cual puede utilizarse para prospectar estos depósitos regionalmente. La presencia de pirrotina en el depósito puede crear una anomalía magnética, pero ésta puede diluirse en una anomalía mayor relacionada con los intrusivos asociados. Los elementos del grupo del platino (PGE) se explotan generalmente de depósitos de este tipo; en este caso en particular, los depósitos con PGE suelen tener mucha menor cantidad de sulfuro, y por lo tanto sus anomalías electromagnéticas pueden ser débiles. En estos casos puede ser necesario procesar datos electromagnéticos en dominio de frecuencia de alta resolución b) Yacimientos en rocas ígneas félsicas – Pegmatitas Incluye pegmatitas, greisen, vetas, skarn y reemplazos desarrollados en o alrededor de leucogranitos Geofísica Regional : Se usa para definir las fuentes, o sea, los granitos leucocráticos, y especialmente sus fases tardías altamente diferenciadas. La respuesta magnética es leve a inexistente. Puede haber un halo magnético irregular en la roca de caja donde haya skarn, reemplazos o vetas. El granito generalmente es un bajo magnético con un típico contraste de densidad de 0,1 gm/cm3. El contenido en radioelementos es alto a muy alto. Las partes enriquecidas del plutón muestran a menudo enriquecimiento en U o Th. Por geoeléctrica se puede mapear la superficie superior de plutones enterrados, para localizar ápices. Un bajo gravimétrico distintivo de hasta varias decenas de miligales, y un bajo magnético rodeado por un anillo de altos magnéticos indican a los granitos fuente en su caja. La alta resistividad de los granitos fuente y sus cajas metamorfizadas da una buena penetración por métodos electromagnéticos, por lo que pueden aplicarse métodos electromagnéticos aéreos. 28
c) Epitermales de baja sulfuración (hot springs) Se localizan a lo largo de sistemas de fracturación regional asociados con intrusivos félsicos y volcanismo extrusivo sobre zonas de subducción, márgenes continentales extendidos y fallas transcurrentes. Los depósitos aparecen en centros volcánicos riolíticos subaéreos, domos riolíticos, y en las partes someras de los sistemas geotermales relacionados; a lo largo de fracturas de borde de calderas, y en fallas de alto ángulo. El depósito consiste en vetas, diseminado o stockwork someros, conteniendo sílice y cuarzo de grano fino en brechas volcánicas silicificadas, con Au-Ag, pirita, adularia, y sulfuros de Sb y As. Geofísica regional: Los métodos magnetométrico y electromagnético aéreo pueden definir los centros volcánicos, domos y calderas. Las calderas y domos son indicados por un bajo regional de gravedad y altos magnéticos arqueados. Rasgos lineales o cortes en los datos de gravedad o magnéticos pueden definir estructuras principales. La radimetría mostrará a la riolita huésped alta en todos los radioelementos. d) Placeres Se sitúan en áreas en las que la erosión ha producido sedimentos multicíclicos; gravas y conglomerados con clastos de cuarzo y minerales pesados. Au, grupo del Platino. Geofísica regional: Hace falta una fuente de minerales pesados y un ambiente de moderada a alta energía para la formación del placer. La geofísica puede definir las áreas donde están las fuentes. Depósito: Los depósitos aluviales son casi siempre menos densos que el basamento. La gravimetría detallada puede dar los patrones de drenaje y determinar las configuraciones del basamento por debajo de las gravas. La magnetometría puede definir la forma por la concentración de magnetita e ilmenita en las arenas, si las rocas de basamento son menos magnéticas. Una sísmica somera también puede definir los canales. Métodos EM y eléctricos también definen extensión y espesor de los depósitos aluviales, estructuras, fallas y límites litológicos en el basamento que puedan servir como trampas. La IP puede mapear variaciones en el contenido de sulfuros o arcillas que se pueda correlacionar con el grado de la mena. También pueden usarse georradar y radimetría.
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3.14. Clasificación de los métodos electromagnéticos los métodos electromagnéticos se clasifican en: ACITVOS - Método electromagnético en dominio de frecuencias (FDEM) - Métodos electromagnéticos en dominio del tiempo (FDEM) - Transmisores remotos (VLF) - Geo-radar (GPR) PASIVOS - Magnetotelúrica.
3.14.1. MÉTODOS EN EL DOMINIO DE FRECUENCIAS (FDEM) Dentro del conjunto de técnicas electromagnéticas de campo próximo y artificial, está el FDEM, método electromagnético en el dominio de frecuencias en donde la profundidad de investigación es función de la frecuencia. El FDEM, al igual que el resto de los métodos electromagnéticos, tiene como objetivo medir la conductividad eléctrica del terreno. Dado que la conductividad se define como la inversa de la resistividad, la detección de posibles focos de filtración de agua se reducirá simplemente a la localización de zonas, en donde se observen incrementos anómalos en su valor. FUNCIONAMIENTO Los FEDM son sistemas que trabajan con un transmisor y un receptor móviles de ondas electromagnéticas. A través del transmisor, que es una bobina por la que circula una corriente alterna sinusoidal de frecuencia f (Hertz), se genera un campo electromagnético primario Hp, que se propaga libremente tanto por la superficie como por el interior del terreno. Este campo está formado por una componente magnética y otra eléctrica ortogonales entre sí, y a su vez perpendicular a la dirección de propagación de la onda. En presencia de un cuerpo conductor, la componente magnética del campo primario provoca la aparición de unas corrientes inducidas, que a su vez generan un campo magnético secundario. Este campo secundario, junto con el campo primario que circula libremente por la superficie del terreno, serán detectados por la bobina receptora dando lugar a un campo resultante, que diferirá tanto en fase como en amplitud con respecto al campo primario, aspecto que nos proporcionará información acerca del tamaño y conductividad eléctrica del elemento conductor.
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MODOS DE OPERACIÓN A la hora de medir la conductividad del terreno, se distinguen dos formas de operar en función de la orientación de las bobinas con respecto a la superficie del terreno: - Modo dipolo vertical - Modo dipolo horizontal El modo dipolo vertical consiste en disponer horizontalmente con respecto a la superficie del terreno, tanto la bobina transmisora como la receptora (el momento del dipolo magnético será vertical), mientras que para el dipolo horizontal dispondremos ambas bobinas de forma vertical, con lo que el momento del dipolo magnético será horizontal.
La diferencia fundamental entre ambos modos de operar, reside en la sensibilidad a la hora de captar la respuesta de un cuerpo conductor frente la acción de un campo electromagnético. En este sentido, se comprueba que la profundidad efectiva de investigación del dipolo vertical es superior al del dipolo horizontal. Como valor aproximado el dipolo vertical presenta una profundidad efectiva de investigación de 1.5 veces la separación entre bobinas, mientras que para el dipolo horizontal es de 0,75.
También se ha observado que en el caso de usar bobinas grandes (Ejemplo, Geonics EM34), el dipolo horizontal es más susceptible a presentar problemas por mal alineamiento de las bobinas que el dipolo vertical, por lo que se precisará de un mayor cuidado a la hora de proceder a realizar las lecturas de campo. Las ventajas que presenta el FDEM son: Es un método que no requiere de contacto con el terreno. Esto le convierte en una técnica eficaz en terrenos muy resistivos, en los que ni el uso del método del potencial espontáneo ni el de resistividad eléctrica son factibles. Es un método de gran resolución horizontal, aspecto que le convierte en una técnica ideal para estudios a gran escala. Es un método no destructivo.
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En cuanto a las limitaciones del método tenemos: Baja resolución vertical. El FDEM es muy sensible a los ruidos generados por la presencia de campos electromagnéticos externos.
3.14.2. MÉTODOS EN EL DOMINIO DE TIEMPOS (TDEM) Las tecnologías Time-domain electromagnetic (TDEM) o Sondeo EM en el Dominio del Tiempo (SEDT) son efectivas en la determinación de la conductividad eléctrica en suelos desde pocos metros hasta más de 1000 metros de profundidad. Desde el momento que la conductividad está fuertemente correlacionada a las propiedades del suelo, el TDEM representa una herramienta importante para el mapeo de suelos y cambios verticales y laterales de las propiedades en los mismos. Este método, que puede ser usado en arreglo sondeo o perfilaje, es una herramienta importante en la investigación hidrológica en ambiente sedimentario/aluvial y en la caracterización de secuencias con presencia de lentes de aguas salobres en ambiente costero. El método puede ser también usado en estudios de agregados, caracterización de zona contaminada, aplicaciones mineras y mapeo geológico. El principio operativo del método TDEM-SEDT consiste en hacer circular cíclicamente, en cortos periodos de tiempo, un campo eléctrico alterno alrededor de una bobina transmisora o de un cable largo puesto a tierra (LOTEM). Durante el periodo de conexión se origina un campo magnético primario estable en el subsuelo. Cuando se corta de forma instantánea la corriente que circula por la bobina transmisora (y por tanto cesa el campo magnético primario) el campo EM inducido en el subsuelo causa corrientes parásitas (EMF) que se propagan tanto a través del terreno como en los conductores próximos. Como consecuencia de pérdidas de resistencia calórica estas corrientes disminuyen con el tiempo, provocando un campo magnético secundario decreciente en la superficie. Como el campo magnético secundario se genera cuando el campo primario está desconectado, puede medirse con relativa facilidad. Cuando en el subsuelo hay cuerpos de conductividad eléctrica elevada, la atenuación de las corrientes parásitas es significativamente menor que en los malos conductores. Por tanto, la medida de la relación de decrecimiento del campo secundario proporciona una forma de detectar la presencia de cuerpos conductores en el subsuelo y estimar su conductividad. El dispositivo de medida común consiste en situar la bobina receptora en el centro de la bobina emisora (generalmente cuadrada), e incluso utilizar la misma bobina para las dos funciones. En esta configuración, la medida del campo decreciente en el centro de la bobina es equivalente a la medida de la resistividad en función de la profundidad (análoga al método de SEV en corriente continua). La profundidad de investigación es función del retardo (delay time) del campo decreciente y es independiente de la separación entre las bobinas emisora y receptora. Al aumentar el tiempo, la intensidad de corriente se propaga a mayores profundidades. El método es rápido (pocos minutos de medida por cada sondeo) y permite alcanzar, en función de las dimensiones/geometría de las bobinas (bucles) usados y de la potencia del transmisor, desde pocas decenas de metros (NanoTEM para estudios de alta resolución) a algunos km de profundidad (LoTEM donde se utiliza un gran dipolo transmisor y un generador de alta potencia). El proceso medición se repite varias veces, almacenando rápidamente las medidas con un proceso sumatorio (stacking), que destaca los voltajes creados y tiende a anular el ruido de fondo de la zona. Aumentando el período de la señal del emisor y/o el tiempo de 32
medida, las corrientes inducidas alcanzan terrenos más profundos, y proporcionan así una información sobre mayores profundidades. El método TDEM puede ser utilizado con diferentes configuraciones. Las configuraciones más comunes son con bucles del emisor y del receptor en modo central (bucles cuyo centro es el mismo), en modo coincidente (mismo bucle) y en modo “offset” (bucles cuyo centro no es el mismo), igualmente se puede utilizar como transmisor un cable largo puesto a tierra. Los valores de un sondeo TDEM se representan en forma de curvas de variación de la resistividad aparente en función del tiempo, y su interpretación se lleva a cabo de forma análoga a los de los SEV’s. Pseudos secciones de conductividad y secciones 2D de resistividad pueden ser compiladas para la caracterización y definición geométrica de la secuencia electro estratigráfica. Las principales ventajas del TDEM son: - una gran sensibilidad a los terrenos conductores, - un excelente poder de resolución vertical (elemento importante en ambiente geológico con variaciones de resistividad verticales como las estratificaciones en ambiente sedimentario/aluvial). - una buena detección de las anomalías de baja resistividad en un terreno conductor, y, - una ejecución práctica debida a la ausencia de contacto con el suelo y, por lo tanto, rápida en un terreno despejado.
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Figura: TDEM adquisición de datos Imagen: Procesamiento de datos 3.14.3. V.L.F (VERY LOW FRECUENCY) La prospección en VLF es un caso particular de la prospección electromagnética. El método se basa en la medición de las distintas componentes del campo magnético a determinadas frecuencias (entre 15 y 30 Khz). Este campo magnético es generado por transmisores que generan ondas de muy baja frecuencia para comunicarse con submarinos militares. Las discontinuidades existentes en el subsuelo generan anomalías locales del campo magnético, las cuales son detectadas e interpretadas. Ello obedece a que estas estructuras geológicas, modifican la dirección e intensidad del campo magnético. Estas características brindan al método la capacidad de detectar discontinuidades, inclusive si estas se encuentran bajo otros cuerpos (Ej. algunos metros de sedimentos), lo que resulta de gran utilidad en áreas donde la fotointerpretación geológica no muestra aceptable resolución.
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Por ello, el método puede ser aplicado para la localización de discontinuidades en el subsuelo, agua subterránea, zonas mineralizadas, conductores eléctricos y cavidades.
Figura N°: Se muestra un ejemplo de fracturas y discontinuidades detectadas en Uruguay por medio de prospección VLF en la búsqueda de agua subterránea.
3.14.4. GEO RADAR El método geofísico del georadar GPR (“Ground Penetrating Radar”) estudia las
reflexiones de las señales electromagnéticas producidas por una antena emisora y recogidas por otra antena, en este caso receptora de la señal, ubicadas en un sistema móvil y ligero de uso muy sencillo. Este método electromagnético emplea frecuencias altas (desde 20 MHz hasta 1GHz) lo que permite obtener muy alta resolución en el estudio siendo baja su profundidad de penetración (unos pocos metros). En los estudios GPR la antena se desliza por el suelo observándose a tiempo real la señal registrada (radargrama) en una pantalla donde las máximas amplitudes se corresponden con la señal reflejada en discontinuidades del terreno (cambios litológicos del terreno, presencia de huecos, servicios o galerías, restos arqueológicos, etc.). Esta técnica se emplea de manera muy habitual en la localización de servicios, oquedades o restos arqueológicos, auscultación de túneles. El principal problema del georadar es la profundidad de estudio ya que la alta frecuencia de la señal se atenúa muy rápidamente en el medio, en mayor medida cuanto más conductor sea éste (presencia de agua, materiales conductores). Debido a ello las antenas presentan amplios rangos de penetración ya que ésta no solo depende de la frecuencia (cuanto mayor es la frecuencia más resolución obtendremos y menor penetración) sino también de las características del medio.
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Las propiedades dieléctricas de mezclas de arena con agua y con contaminantes orgánicos se mantienen constantes en toda la frecuencia de trabajo del GPR. Adicionalmente, la permisividad real incrementa con el contenido volumétrico del fluido intersticial. Este incremento es mucho más importante en mezclas de arena con agua que en mezclas con aceite de parafina. La baja permisividad dieléctrica de los fluidos orgánicos respecto del agua explica este comportamiento. Mediante mediciones de k en función del contenido volumétrico de agua y aceite de parafina se pudo obtener curvas de calibración que permiten determinar la presencia de fluidos orgánicos en arena mediante mediciones dieléctricas. Para su utilización es necesario conocer con anterioridad el contenido volumétrico del fluido intersticial. Para un determinado contenido volumétrico, valores de k inferiores a los obtenidos en mezclas de arena y agua indican la presencia de contaminantes orgánicos. El GPR puede ser utilizado para detectar in situ la presencia de contaminantes orgánicos en el suelo cuando el contenido volumétrico del fluido orgánico resulte superior al 30 % aproximadamente del volumen de los poros. Debido a ello, la presencia de contaminantes orgánicos puede ser más fácilmente identificado cuando el suelo se encuentra inicialmente seco, mientras que en zonas parcialmente saturadas su localización resulta más compleja. El trabajo muestra que las aplicaciones del geo-radar en medios contaminados resultan más apropiadas para monitorear el desplazamiento de contaminantes en el suelo (ej. Para monitorear el derrame de contaminantes y procesos de remediación o limpieza de suelos) que a la detección en sí misma.
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3.15. Instrumentos del método electromagnético 3.15.1. GEONI5CS EM31-MK2 Es una versión actualizada el equipo estándar EM31, ahora con la data logger incorporado en una sola consola. Con una profundidad de 6m, es un equipo muy útil en estudios de contaminación geotécnicos, cartografía geológica y arqueología y detección de objetos metálicos enterrados entre otros.
IMAGEN: Ensayos de resistividad mediante método electromagnético en zonas desérticas. Foto: Desierto de Atacama, Chile FUENTE: https://www.geointec.com/geofisica-tomotech/
3.15.2. EQUIPO ELECTROMAGNETICO EM34-3XL Es un equipo fácil de operar, muy efectivo en estudios hidrogeológicos y geológicos, sobre todo en la detección de fuentes contaminantes de acuíferos profundos y la exploración de fuentes de agua subterránea para el abasto. Usando 3 separaciones estándar entre el emison y el receptor y dos configuraciones básicas del dispositivo de medición, se pueden lograr medición de las anomalías.
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FUENTE: https://www.geomatrix.co.uk/land-products/electromagnetic/em34-3/
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Fuente: método electromagnético en el domino de frecuencias-geofísica, Andrey flores Balderrama
3.15.3. VERY LOW FRECUENCY EM SYSTEMS. WADY VLF El equipo Wady VLF es muy útil para la exploración de minerales metálicos y esencialmente para la localización de zonas buenas productoras de agua en el subsuelo, asociados con rocas alteradas, agrietadas y falladas. También reacciona a otros tipos de anomalías de alta conductividad como las provocadas por los cables eléctricos y conductoras metálicas, cavidades artificiales o naturales saturadas y las ondas electro magnéticas de esas estaciones distantes, llegan a nuestro lugar de medición como una onda esencialmente plana, que la encontrarse un cuerpo más conductor dentro del medio geológico, inducirá corrientes eléctricas a través del mismo. Estas corrientes eléctricas que se generan en un cuerpo conductor, tendrán a su vez asociados a ellas, un campo electromagnético secundario que puede ser detectado y estudiado por el equipo Wady VLF. De esta forma, con este método podemos muy rápidamente contribuir a localizar las dislocaciones tectónicas potencialmente acuíferas existentes en el territorio a estudiar, y, sobre todo, localizar posibles fuentes de abasto en zonas de rocas cristalinas.
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3.16. Ventajas y desventajas del método electromagnético VENTAJAS - Disponibilidad de equipos simples, baratos y fáciles de operar y mantener. - Equipos generalmente más manuables y ligeros que los de TDEM. - Amplio rango de frecuencias de operación. DESVENTAJAS - El campo secundario se mide mientras en campo primario está activado, esto trae más dificultad para medición de campos secundarios débiles. - Como la mayoría de los implementos miden una sola frecuencia a un tiempo, es más consumidor de tiempo cuando se usa un mayor número de frecuencias. Limitaciones - Se dificultan las mediciones en áreas pobladas con ruidos culturales, tendidos eléctricos, materiales metálicos, (parronales), zonas industriales etc. - Se dificultan las mediciones en terrenos con poco espacio para desplegar el loop, o que presentan topografías abruptas, que distorsionan el resultado. - Se dificultan las mediciones debido a factores Climáticos, principalmente tormentas eléctricas.
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4. CONCLUSIONES
la frecuencia más baja magnética señal de campo atenúa más rápidamente en el área de alta susceptibilidad magnética.
Los métodos telúricos MT sirven para hacer prospecciones a mayor profundidad
Los métodos electromagnéticos de fuente controlada CSEM permiten definir mejor capas o estratos más delgados como es el caso de pozos de petróleo
Los métodos AFMAG miden las señales enviadas por las tormentas eléctricas su mayor aplicación se da en la búsqueda de fallas en el basamento
Método Técnica
Aplicaciones
EM en dominio de Interpretación geológica, grado de alteración, frecuencias T
EM en dominio de Idéntico al anterior pero a grandes profundidades N
tiempos A
VLF M
G
É
CI
O
O
contenido en agua y salinidad
Resistividad del terreno en superficie, interpretación geológica y variaciones laterales.
T
R
Geo-radar E
L
E
C
Huecos y elementos enterrados, contactos litológicos, investigación del trasdós de estructuras, etc.
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