MÉTODOS GEOFÍSICOS APLICADOS A LA HIDROGEOLOGIA
Dr. Jorge Olarte Navarro
INTRODUCCION La aplicación de métodos geofísicos al estudio de los sistemas acuíferos es relativamente reciente. Su utilización ha sido tradicionalmente enfocada a la exploración de yacimientos de interés económico (petróleo y minerales). Es tal vez por esta razón que generalmente se cotizan a precios altos en el mercado de servicios, lo que a su vez ha limitado su uso de manera importante en la exploración de los recursos acuíferos del subsuelo. Sin embargo, esta tendencia ha cambiado debido a que el agua subterránea se ha convertido en muchos casos, en un recurso de interés nacional. Probablemente, la razón fundamental detrás de ello se deba a que en un gran numero de cuencas sedimentarias han descendido sus niveles acuíferos en algunos casos dramáticamente.
1
INTRODUCCION Sin embargo, a pesar de que los organismos administradores del recurso del agua subterránea han reconocido cada vez mas la utilidad de los estudios geofísicos aplicados al conocimiento de los sistemas acuíferos, la importancia que se le concede en proyectos de gestión integral de cuencas es aun insignificantes por lo que frecuentemente los recursos económicos destinados a esta disciplina son limitados. La gran variedad de métodos geofísicos para la hidrogeología del subsuelo a partir de alguna propiedad física. La rápida evolución de instrumentos de medición y programas de interpretación han hecho mas accesible las herramientas geofísicas a los hidrólogos y geólogos lo cual resulta conveniente para la solución de problemas relacionados al agua subterránea.
GEOFÍSICA La geofísica estudia la composición de la tierra basada en medidas físicas que normalmente se realizan en superficie. La Geofísica se divide en dos grandes ramas: la geofísica interna y geofísica externa. 1. Geofísica Interna o Aplicada: analiza la superficie y el interior de la Tierra y sus principales campos que estudia son: Gravimetría, estudia el campo gravitatorio terrestre. Sismología: Estudia los terremotos y la propagación de las ondas elásticas (sísmicas) que se generan en el interior de la Tierra. Prospección geofísica: Usa métodos cuantitativos para la localización de recursos naturales como petróleo, agua, yacimientos de minerales, cuevas, etc o artificiales como yacimientos arqueológicos. Geomagnetismo: Estudia el campo magnético terrestre, tanto el interno generado por la propia Tierra como el externo, inducido por la Tierra y por el viento solar en la ionosfera.
2
Oceanología: Estudia el océano. Paleómagnetismo: Ocupa del estudio del campo magnético terrestre en épocas anteriores del planeta. Geotermometría: Estudia procesos relacionados con la propagación de calor en el interior de la Tierra, particularmente los relacionados con desintegraciones radiactivas y vulcanismo. Tectonofísica: Estudia los procesos geológicos en la Tierra. Hidrología: Estudia el agua, su distribución, espacial y temporal, y sus propiedades.
2. La geofísica externa: estudia las propiedades físicas del entorno terrestres. Estudia la atmósfera y el tiempo atmosférico y Meteorología: estudios de la ionosfera y magnetosfera.
GEOFÍ GEOFÍSICA APLICADA Los métodos geofísicos ofrecen una forma de obtener información detallada acerca de las condiciones del suelo y rocas del subsuelo. Esta capacidad de obtener rápidamente las condiciones del subsuelo sin perturbar el sitio ofrece el beneficio de costos más bajos, menos riesgo, y menor impacto ambiental , dando un mejor entendimiento de las condiciones complejas del sitio. Para poder aplicar un método geofísico en una prospección, es necesario que se presente dos condiciones importantes: - Que existan contrastes significativos, anomalías que se pueden detectar y medir. - Que estos contrastes se puedan correlacionar con la geología del subsuelo.
3
MÉTODOS GEOFISICOS APLICADOS A LA HIDROGEOLOGIA
a) b)
c)
d)
e)
Los métodos geofísicos aplicados a la hidrogeología pueden ser útiles en los siguientes aspectos (Casas, 2005): Delimitación de zonas favorables para la ocurrencia y explotación del agua subterránea. Definición de la geometría de acuíferos (determinación de la topografía del techo y de la base de la formación acuífera, así como de su extensión lateral). Control de la calidad de las aguas subterráneas a partir de la localización del limite entre aguas de diferente composición química o como consecuencia de cierto tipo de contaminación (industrial, agrícola, mezcla en acuíferos costeros, etc.), o bien con anomalía de temperatura. Estimación de los parámetros hidráulicos a partir de correlaciones con parámetros físicos adquiridos en superficie (densidad, conductividad eléctrica, velocidad de ondas). Protección de acuíferos a partir de la ubicación espacial en superficie de zonas propicias para la infiltración de lixiviados.
MÉTODOS GEOFISICOS APLICADOS A LA HIDROGEOLOGIA
Para aplicar un método geofísico a un problema hidrogeológico se tiene en cuenta sus ventajas y limitaciones debido a que dicho método puede no ser adecuado al problema físico que se q uiere estudiar (limitaciones en profundidad investigación, r esolución). Asimismo estos limites también pueden ser impuestos por la región en donde se requiere la prospección. Los métodos geofísicos mas usados a nivel mundial para el estudio hidrogeológico son: Los métodos eléctricos (DC y AC) con un 55% aplicado al estudio del agua subterránea, los métodos sísmicos han sido empleados cerca del 20%; otros métodos como el de Polarización Inducida (PI), Radar Terrestre (GPR) o magnetotelúrico (MT) han sido utilizados en 10% de los casos y los métodos potenciales (Gravimetría y Magnetometría) ocupan algo mas del 10%, con mayor empleo de la gravimetría
4
1. MÉTODOS ELÉCTRICOS Estos métodos utilizan las variaciones de las propiedades eléctricas, de las rocas y minerales, y especialmente su resistividad. Generalmente, emplean un campo artificial eléctrico creado en la superficie por el paso de una corriente en el subsuelo. Los métodos eléctricos pueden clasificarse en dos grandes grupos: • En los métodos inductivos se trabajan con corrientes inducidas en el subsuelo a partir de frecuencias relativamente altas (entre 100 Hz y 1 MHz). • En el caso de los métodos conductivos, se introduce en el subsuelo una corriente continua o de baja frecuencia (hasta unos 15 Hz), mediante electrodos. Aplicación: Se emplean como métodos de reconocimiento y de detalle, sobre todo en prospección de aguas subterráneas. Los mapas de isoresistividad permiten definir los limites del acuífero, el nivel del agua en los acuíferos, la presencia de agua salada y permite la cartografía de las unidades litológicas.
Los métodos eléctricos de prospección geofísica comprenden variedad de técnicas que emplean tanto fuentes naturales como artificiales, entre las mas importantes tenemos: 1.1 Método de Resistividades Este método es el más importante de todos los métodos eléctricos debido a que permite obtener información cuantitativa de las propiedades conductoras del subsuelo y se puede determinar aproximadamente la distribución vertical de su resistividad. El método de resistividades permite no sólo el estudio de formaciones sub-horizontales, sino también la determinación de formaciones subvertícales (fallas, zonas de contacto, etc.). Existen cuatro factores principales que influyen sobre la resistividad del subsuelo: a. La porosidad de la roca: a mayor porosidad, menor resistividad. b. La conductividad del agua: a mayor conductividad del agua (mas salada), menor resistividad de la roca. c. Contenido de arcilla del terreno: a mayor contenido arcilloso, menor resistividad. d. La temperatura del agua: a mayor temperatura del agua menor resistividad de la roca.
5
* Resistividad Real: Ωm (ohmios metros)
El objetivo de la mayor parte de los estudios de resistividad eléctrica es obtener modelos de resistividad real del subsuelo. La resistividad aparente es el valor obtenido como producto de la resistencia medida (R) y del factor geométrico (K) para un arreglo dado de electrodos. El valor de la resistividad aparente depende de la geometría del arreglo electrodico que se utiliza. Existe tres tipos de configuraciones de electrodos, dos de las cuales se conocen por los nombres de sus creadores Wenner y Schlumberger, el tercero es conocido como dipolo-dipolo.
6
1.2. Sondaje Eléctrico Vertical (SEV) Cuando la distancia entre los electrodos se aumenta la profundidad de la corriente que penetra al subsuelo se incrementa también. El punto de medición se toma como el punto medio del arreglo de electrodos. Para cada separación de electrodos se calcula un valor de resisti vidad aparente ( ρa) usando la resistencia medida y el factor geométrico apropiado para la configuración de electrodos y la separación que esta siendo utilizada. Los valores de resistividad aparente se grafican en una en una “curva de campo”. Los ejes X y Y de la grafica representan los valores logarítmicos de la separación media de los electrodos (AB/2) y la resistividad aparente ( ρa) respectivamente.
Aplicación : Su aplicación principal en regiones cuya estructura geológica puede considerarse formada por estratos horizontales. La finalidad d el S.E.V. es la determinación de las profundidades de las capas del subsuelo y las resistividades o conductividades eléctricas de las mismas, mediante mediciones efectuadas en la superficie. El arreglo mas utilizado en Hidrogeología es el Schlumberger.
Métodos de interpretación Las curvas de los SEV se pueden interpretar a) cualitativamente utilizando formas básicas de curvas, b) gemícuantitativamente a partir de modelos gráficos, y c) cuantitativamente a partir de modelado por computadora. Este ultimo método de interpretación es el mas riguroso pero existe el riesgo de sobre interpretar los datos debido a que las curvas de campo de los SEV pueden tener inflexiones casi imperceptibles que requieren del juicio del interpretador para decidir si es o no significativa la presencia de dicho rasgo en la curva.
7
2. METODOS ELECTROMAGNETICOS Dentro de estos métodos se encuentran Magnetotelúrico (MT) y AudioMagnetotelúrico (AMT), los cuales se basan en determinar la distribución de la conductividad eléctrica en el subsuelo a partir de la medición en la superficie del campo eléctrico y magnético naturales. Los resultados que se obtienen se pueden comparar a un registro de eléctrico de pozo suavizado, sin tener la necesidad de perforar un pozo. Los resultados obtenidos de una línea de estaciones se interpretan para proporcionar la distribución y estructura de la conductividad eléctrica del subsuelo. Sin embargo aunque ambos métodos tiene el mismo principio el AMT trabaja en un rango de frecuencias mas alto (1- 100 Hz). Estos métodos se han utilizados generalmente para la exploración minera, con una resolución vertical y lateral a profundidades de hasta 1 km. Por esta razón, ambos métodos se vuelven complementarios para prospecciones del subsuelo cuyo objetivo se encuentre entre la superficie y los 5 km. Normalmente, ambos métodos MT y AMT se usan separadamente porque sus objetivos se u bican a profundidades diferentes
Equipamiento La técnica de prospección MT y AMT presentan una alta precisión en los resultados en prospección profunda (> 2000 m) como somera. Sin embargo el costo del equipamiento es relativamente alto por lo cual es un limitante importante para su adquisición por parte de las universidades o grupos de trabajo. El equipamiento que normalmente se utiliza para una estación AMTMT consiste de: •· Una unidad portátil de adquisición de datos •· Seis sensores magnéticos para prospección en el rango AMT (3) y MT (3). •· 3 cables para la conexión de sensores magnéticos. •· Un cable de conexión de equipo central a batería. •· 4 cables coaxiales de 30-50 m c/u para la conexión de los dipolos eléctricos. •· 5 electrodos no polarizables. •· Kit de herramientas •· Computadora portátil. •· Nivel y brújula. •· Jalones •· Camioneta para el traslado de equipo y personal
8
La técnica de prospección MT y AMT y el Equipamiento
Sección de resistividad obtenida a partir de la interpolacion de inversiones unidimensionales de 6 sondeos AMT-MT.
9
3. METODOS SISMICOS Estos metodo se caracterizan por producir artificialmente un pequeño sismo y detectando los tiempos de llegada de las ondas producidas, una vez reflejadas o refractadas en las distintas formaciones geológicas, se puede obtener una imagen muy aproximada de las discontinuidades sísmicas. Estas discontinuidades coinciden generalmente con las discontinuidades estratigráficas. Los métodos sísmicos se dividen en dos clases:
• El método sísmico de reflexión es el más empleado en prospección petrolífera ya que permite obtener información de capas muy profundas. Permite definir los limites del acuífero hasta una profundidad de 100 metros, su saturación (contenido de agua), su porosidad. Permite también la localización de los saltos de falla.
• El método sísmico de refracción es un método de reconocimiento general especialmente adaptados para trabajos de ingeniería civil, prospección petrolera, y estudio hidrogeológicos. Permite la localización de l os acuíferos (profundidad del sustrato) y la posición y potencia del acuífero bajo ciertas condiciones.
3.1 SÍSMICA DE REFRACCIÓN El método se basa en la medición del tiempo de viaje de las ondas refractadas críticamente en las interfaces entre las capas con diferentes propiedades físicas; fundamentalmente por contraste entre impedancias acústicas (i = ρ.v; en donde ρes la densidad y v la velocidad de la capa). La energía sísmica se genera mediante un impacto controlado en superficie que va propagándose en forma de onda elástica a través del subsuelo interaccionando con las distintas capas, de manera que una parte de la energía se refleja y permanece en el mismo medio que la energía incidente, y el resto se transmite al otro medio con un fuerte cambio de la dirección de propagación debido al efecto de la interfase (refracción).
10
Perfil sísmico de refracción.
3.2 SÍSMICA DE REFLEXIÓN Se basa en las reflexiones del frente de ondas sísmicas sobre las distintas interfases del subsuelo. al igual que en la refracción, a contrastes de impedancia que posteriormente se relacionaran con las distintas capas geológicas. Las reflexiones son detectadas por los receptores (geófonos) que se ubican en superficie y que están alineados con la fuente emisora. Dado que las distancias entre la fuente y los geófonos son pequeñas respecto a la profundidad de penetración que se alcanza con el fin de conseguir un mejor reconocimiento de la zona de estudio, se realiza un número de disparos mayor y se aumenta la cantidad de geófonos en comparación con los empleados en un perfil de refracción.
11
Valores típicos de velocidad de onda, densidad y módulo de Poisson de diferentes materiales
12
4. PROSPECCIÓN GRAVIMÉTRICA: El método esta basado en el estudio la vari ación de la componente vertical del campo gravitatorio terrestre.
Aplicación: Se emplea como un método d e reconocimiento general en hidrología subterránea para definir los limites de los acuíferos (profundidad de las formaciones impermeables, extensión de la formación acuífera, naturaleza y estructura de las formaciones del subsuelo).
Equipo: Compuesto por un resorte que se mueve y regresa a su posición de referencia por medio de un resorte auxiliar o de regulación manejable por un tornillo micrométrico. El giro del tornillo micrométrico se lee y da una medida de la desviación del valor de la gravedad con respecto a su valor de referencia, se pueden realizar medidas de precisión cercanas al miligal.
Típico Levantamiento Gravimetrico * Primeramente se hace un enmallado en el área a estudiar y se toma en cada punto la aceleración de la gravedad. •Luego se hace las correcciones por: -Corrección por deriva del gravímetro: se utiliza una estación de amarre para cuantificar la deriva de cero (lineal)
- Corrección para la latitud - Corrección para la altura - Corrección topográfica -Corrección de Bouguer * Finalmente se obtiene el mapa de anomalías de gravedad
13
5. MÉTODO MAGNÉTICOS La tierra es un imán natural que da lugar al campo magnético terrestre. Las pequeñas variaciones de este campo, pueden indicar la presencia en profundidad de sustancias magnéticas. El método magnético sirve para dar información sobre el basamento y su profundidad particularmente para entornos cristalinos y metamórficos. De igual manera ayudará a estudiar la geología regional y estructural.
Aplicación: El método magnético es el método geofísico más antiguo aplicable en la prospección petrolífera, en las exploraciones mineras y de artefactos arqueológicos. En la prospección petrolífera el método magnético entrega informaciones acerca de la profundidad de las rocas pertenecientes al basamento. A partir de estos conocimientos se puede localizar y definir la extensión de las cuencas sedimentarias ubicadas encima del basamento.
En las exploraciones mineras se aplica el método magnético en la búsqueda directa de minerales magnéticos y en la búsqueda de minerales no magnéticos asociados con los minerales, que ejercen un efecto magnético mensurable en l a superficie terrestre. Además el método magnético se puede emplear en la búsqueda de agua subterránea.
Equipo: El equipo utilizado es el magnetómetro, el cual se basa en principios mecánicos, entre los mas importantes tenemos: la brújula de inclinación, el magnetometro del tipo Schmidt que fue el primero magnetómetro útil para la prospección minera desarrollado en los años 1914 y 1915, que mide variaciones de la intensidad vertical del campo magnético con una exactitud de 1g, que es la dimensión de las variaciones locales de la intensidad magnética entre otros.
14
Típico levantamiento Magnético Generalmente las mediciones magnéticas se realizan a lo largo de perfiles en estaciones de observación en distancias regulares. Combinando perfiles paralelos se obtiene un mapa de observaciones magnéticas. El c ampo geomagnético sufre variaciones con respecto al tiempo y a su forma como la variación diurna. Estas variaciones superponen los valores medidos. Por esto se debe corregir los valores medidos. La variación diurna se corrige repitiendo la medición de la variación de la intensidad vertical en una estación de base en intervalos de tiempo regulares desde el principio hasta el fin de la campaña de medición. Los valores medidos en la estación de base se presentan en función del tiempo, que permite calcular el v alor de corrección correspondiente a cada medición en una estación de observación. Los valores reducidos se presentan en perfiles y/o mapas.
Levantamiento geomagnético donde resaltan las zonas anómalas (Islas Decepción).
Resumen de los métodos más comunes En resumen podemos establecer una síntesis de los métodos más utilizados en hidrogeología:
15