INSTITUTO DE CIENCIAS Y ESTUDIOS SUPERIORES DE TAMAULIPAS
PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ROCAS GEOFÍSICA TANIA PRISCILA TORRES MORALES
H. MATAMOROS MATAMOROS TAMAULIPAS TAMAULIPAS
5/AGOSTO/2 5/AGOSTO/2014 014
INTRODUCCIÓN
Las consideraciones de las propiedades físicas en las rocas, son de gran importancia en geología, pues se emplean en multitud de áreas de estudio, como la petrología, geofísica, geoquímica, ingeniería geológica, o la geoquímica. Por ejemplo, los geólogos emplean la datación radioactiva para la reconstrucción de la historia geológica, los sismólogos predicen sismos mediante el estudio de la transmisión de ondas sísmicas naturales o artificiales, los cristalógrafos estudian los minerales por medio de sus características físicas y ópticas, con la prospección geofísica se detectan yacimientos minerales mediante las variaciones en las propiedades físicas del sustrato rocoso, los ingenieros geotécnicos calculan las propiedades físicas y estructurales del subsuelo para la correcta construcción de obras públicas, y los geólogos del petróleo analizan la respuesta de las rocas en el subsuelo mediante testificación geofísica o directa (mediante sondeos).
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PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS ROCAS
Como las rocas son consideradas como asociaciones minerales, sus propiedades físicas dependen en gran medida de las que presentan cada uno sus minerales constituyentes. Según la disposición de los cristales o granos en una roca, algunas propiedades físicas pueden variar con sus orientaciones, característica que se conoce con el nombre de anisotropía. Otras propiedades dependen del tamaño de grano o cristal, su forma, disposición en el espacio, de las condiciones de presión y temperatura, de la presencia o ausencia de fluidos (agua, gases, petróleo, etc.) en la porosidad de las rocas, etc., razón por la cual, según los factores que presente las rocas en cada uno de sus afloramientos, no van a coincidir exactamente, sino que se mantienen dentro de ciertos rangos. Las propiedades físicas de las rocas que comúnmente se estudian son: Densidad: La densidad es la masa contenida en la unidad de volumen y sus variaciones en los diferentes tipos de rocas son consecuencia de la porosidad y mineralogía que presentan. La densidad se define estrictamente como la masa contenida en la unidad de volumen; se denomina también densidad absoluta o masa específica. Si el cuerpo es homogéneo, la densidad es r = m / V, donde r es la densidad, m la masa y V el volumen. Si el cuerpo no es homogéneo, dicho cociente representa la densidad media. La densidad relativa (o peso específico) de una roca es el cociente entre su masa y el volumen que ocupa y la masa del mismo volumen de otra sustancia que se toma como referencia (normalmente el agua). Todas ellas se expresan en kilogramos por metro cúbico, o bien en gramos por centímetro cúbico. Propiedades mecánicas: El esfuerzo transmitido a una masa rocosa genera una serie de transformaciones o deformaciones en ella (variación de forma y de dimensiones que experimenta una roca a causa de la acción de fuerzas exteriores), que dependen de la
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naturaleza de la roca, la magnitud y naturaleza del esfuerzo y el tiempo empleado en la deformación. Según la naturaleza de los esfuerzos que actúan en una masa rocosa, se diferencian entre normales (como la presión litostática), tangenciales (cuando son tectónicos), o hidrostáticos (como la presión hidrostática); según actúen perpendicularmente a un plano, con un cierto ángulo, o bien actúen de idéntica forma en todas las direcciones. Las unidades del esfuerzo y sus equivalencias más comunes, son: 1bar = 106 dinas / cn.2 = 105 newtons / m2 = 0,1 megapascales. Y en consecuencia 10 kilobars = 109 pascales = 1 gigapascal. Deformación en las rocas - Los mecanismos y el carácter de la deformación se puede estudiar en laboratorio de forma experimental (ensayos de corte directo, de compresión uniaxial o triaxial, de extensión) al crear modelos teóricos basados en las características de las rocas, la naturaleza de los esfuerzos y el tipo de deformación (elástica, plástica, frágil). Mediante estos experimentos pueden simularse condiciones de alta presión y temperatura existentes en profundidad, para estudiar el comportamiento de las rocas frente a ellos, así como frente a los esfuerzos dirigidos (tectónicos), que originan plegamiento y fracturación; y los originados por terremotos en profundidad. Condicionantes de la deformación: Los factores que reinan durante la deformación (presión de confinamiento, presión intersticial, la temperatura, el tiempo empleado, la magnitud de los esfuerzos, o la compactación) condicionan enormemente los límites de la deformación y las características que presentan las rocas frente a un estado de esfuerzos. La elevación de la presión de confinamiento produce un aumento de las condiciones de deformación elástica, previas a la rotura; la presión intersticial reduce la acción de los esfuerzos de la presión confinante sobre un material rocoso y disminuye, por tanto, su deformación; la temperatura reduce la resistencia de los materiales y aumenta el campo donde actúa la deformación dúctil; las deformaciones producidas a velocidades muy lentas permiten el desarrollo del campo dúctil, mientras que a velocidades elevadas la deformación es de tipo frágil; la magnitud de los esfuerzos
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varían las propiedades mecánicas de las rocas, con pequeñas magnitudes de esfuerzo se facilita la deformación dúctil, mientras que las grandes magnitudes se caracterizan por la fragilidad con la que responde el material rocoso; y la compactación, que aumenta con la profundidad, aumenta la cohesión de las rocas que la sufren, lo cual dificulta su rotura (deformación frágil). Método Gravimétrico. El campo de potencial natural observado se compone de los contribuyentes de las formaciones geológicas, que construyen la corteza terrestre hasta cierta profundidad determinada por el alcance del método gravimétrico (o magnético respectivamente). Generalmente no se puede distinguir las contribuciones a este campo proveniente de una formación o una estructura geológica de aquellas de las otras formaciones o estructuras geológicas por el método gravimétrico, solo en casos especiales se puede lograr una separación de los efectos causados por una formación o estructura geológica individual. Se realiza mediciones relativas o es decir se mide las variaciones laterales de la atracción gravitatoria de un lugar al otro puesto que en estas mediciones se pueden lograr una precisión satisfactoria más fácilmente en comparación con las mediciones del campo gravitatorio absoluto. Los datos reducidos apropiadamente entregan las variaciones en la gravedad, que solo dependen de variaciones laterales en la densidad del material ubicado en la vecindad de la estación de observación. Ventajas de la Gravimetría: Es un método pasivo que permite la medición de las propiedades gravimétricas en cualquiera condición geológica. Grandes avances en la teoría de campos potenciales, técnicas de adquisición, algoritmos de interpretación y visualización permiten que gravimétricos sean usados en nuevas y avanzadas formas para solución de problemas en exploración e ingenieríageotecnia. Aplicaciones: La gravedad es ampliamente aplicada en la exploración petrolera (avión, marino y terrestre), minera (avión y terrestre) e ingeniería civil – geotecnia. En particular, algunas de las aplicaciones son:
Detección de exceso de masa: sulfuros masivos, etc.
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Detección de falta de masa: carbón, depósito de sal, etc.
Estudio de placeres en actividades mineras.
Mapeo geológico regional: cuencas, grabens, etc.
Definición de la morfología del basamento y marco estructural regional.
Monitoreo de variaciones en aguas subterráneas.
Subsidencia e isostasia.
Detección de vacíos
Método Magnetométrico Método geofísico relativamente simple en su aplicación. El campo magnético de la tierra afecta también yacimientos que contienen magnetita. Estos yacimientos producen un campo magnético inducido, es decir su propio campo magnético. Un magnetómetro mide simplemente las anomalías magnéticas en la superficie terrestre, cuáles podrían ser producto de un yacimiento. La prospección magnética es una técnica basada en la medida y estudio de las variaciones del campo magnético terrestre, obteniéndose medidas del valor total del campo magnético o bien, opcionalmente, del gradiente de dicho campo magnético. Estas variaciones, son debidas a la presencia de cuerpos susceptibles de ser magnetizados y que, por tal motivo, contribuyen a modificar el campo magnético terrestre en su entorno. La tierra genera un campo magnético en el rango de aproximadamente 0,30000 a 0,65000G (= Gauss, o Oersted). Este campo se puede comparar con el campo correspondiente a un dipolo (como un imán de barra) situado en el centro de la Tierra, cuyo eje está inclinado con respecto al eje de rotación de la Tierra. El dipolo está dirigido hacia el Sur, de tal modo en el hemisferio Norte cerca del polo Norte geográfico se ubica un polo Sur magnético y en el hemisferio Sur cerca del polo Sur geográfico se ubica un polo Norte magnético. Por convención se denomina el polo
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magnético ubicado cerca del polo Norte geográfico polo Norte magnético y el polo magnético situado cerca del polo Sur geográfico polo Sur magnético. El campo geomagnético no es constante sino sufre variaciones con el tiempo y con respecto a su forma. La imantación inducida depende de la susceptibilidad magnética k de una roca o de un mineral y del campo externo existente. La imantación remanente de una roca se refiere al magnetismo residual de la roca en ausencia de un campo magnético externo, la imantación remanente depende de la historia geológica de la roca. Aplicación: El método magnético es el método geofísico de prospección 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, que posiblemente contienen reservas de petróleo. 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 la superficie terrestre. Además el método magnético se puede emplear en la búsqueda de agua subterránea. Ventajas: Determina anomalías de tipo magnético en regiones con mineralizaciones asociadas a minerales magnéticos (óxidos de hierro). Permiten interpretar el tipo de fallas que afectan el basamento magnético, así como su dirección y posible desplazamiento. Método de campos potenciales económico. Método sísmico Los métodos sísmicos de prospección geofísica se fundamentan en el estudio de la propagación de las ondas elásticas en el medio. La señal sísmica, que puede ser generada artificialmente (martillo, caída de pesos,…) o ser natural (sísmica pasiva), es
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registrada mediante unos sensores (geófonos) distribuidos de forma adecuada en el terreno. Los principales métodos sísmicos son: La sísmica de refracción, basada en el estudio de las ondas directas y refractadas críticamente, define las distintas capas presentes en el medio con sus velocidades sísmicas así como zonas de alteración, fallas, fracturas, rellenos, deslizamientos,… Técnica
geofísica de aplicación muy extendida en obra civil y geotecnia ya que, además de lo mencionado, permite definir los grados de excavabilidad y ripabilidad de los materiales. La sísmica de reflexión, fundamentada en el estudio de las ondas reflejadas, permite definir objetivos muy similares a la refracción pero alcanzando profundidades muy superiores (varios kilómetros). La tomografía sísmica de superficie, cuyo desarrollo en campo es similar a la sísmica de refracción pero con una mayor densidad de puntos de disparo, permite obtener, mediante un proceso iterativo, modelos de inversión de velocidad sísmica partiendo de un modelo inicial. La sísmica pasiva REMI se basa en el análisis espectral de las ondas superficiales para definir la distribución de velocidad de onda S (Vs) con la profundidad. Técnica de aplicación muy extendida en medios con fuerte ruido sísmico (medio urbano, zonas con tráfico u obras, etc.) y también empleada como complemento a técnicas que definen velocidad sísmica de onda P (Vp).
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Los ensayos down-hole y cross-hole son técnicas geofísicas en sondeo que se basan en el estudio de las ondas directas y refractas para obtener la distribución de velocidades sísmicas de ondas P y S. Estos valores, junto con la densidad de los materiales, permite definir los módulos elásticos de los mismos fundamentales para distintos cálculos geotécnicos. La tomografía sísmica en sondeos nos permite definir con gran precisión la distribución de velocidades sísmicas Vp entre dos sondeos mediante una alta densidad de pares punto de disparo – receptor. La sísmica paralela es un ensayo sísmico en sondeo que permite definir la profundidad de elementos constructivos enterrados (muros, pantallas, pilotes,…)
gracias al cambio brusco de velocidad sísmica que se produce en su límite. Métodos eléctricos y electromagnéticos Los métodos eléctricos en corriente continua (Geoeléctrica) se fundamentan en el estudio de la propagación de la señal eléctrica en el medio. La Geoeléctrica ha desarrollado multitud de dispositivos (Schlumberger, Wenner, dipolo-dipolo, polodipolo, etc.) El fin último es el conocimiento de las resistividades eléctricas presentes en el subsuelo mediante las medidas de diferencia de potencial (electrodos M y N) generadas por la inyección de una corriente eléctrica en el subsuelo (electrodos A y B).
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Las dos técnicas geoeléctricas más empleadas, principalmente en obra civil, geotecnia, hidrogeología y medio ambiente, son las tomografías eléctricas y los sondeos eléctricos verticales SEVs. La tomografía eléctrica, muy desarrollada desde la aparición de los equipos multielectrodo, permite obtener secciones 2D de alta resolución de resistividad eléctrica real mediante la inversión de pseudosecciones de resistividad aparente. Las tomografías eléctricas no son más que distintos niveles de las calicatas eléctricas tradicionales sobre los que se realiza una inversión para obtener modelos 2D de resistividades reales.
Los sondeos eléctricos verticales SEVs permiten obtener la distribución de resistividades reales con la profundidad en un punto (información 1D) mediante la inversión de curvas resistividad aparente – distancia AB. Con los SEVs podemos alcanzar varios kilómetros de profundidad siempre y cuando se cumplan ciertos condicionantes (zona sin cambios laterales importantes, topografía más o menos suave,…).
Aunque no son estrictamente métodos eléctricos en corriente continua podemos incluir en este apartado, al estar relacionados con características eléctricas de los materiales, los estudios de polarización inducida (obtenemos información de resistividad eléctrica y cargabilidad de los materiales), cuerpo cargado o potencial espontáneo (método de campo natural).
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Método Radiométrico En una diagrafía geológica se compila las propiedades geológicas, mineralógicas y estructurales de los distintos estratos como el tamaño de grano, la distribución del tamaño de grano, la textura y la fábrica de las rocas, su contenido en minerales, su contenido en fósiles, su estilo de deformación. En una diagrafía geotécnica se compila las propiedades mecánicas de las rocas de un pozo como por ejemplo su grado de resistencia, la tensión de cizallamiento y la cantidad de fracturas por unidad de volumen. En general una diagrafía geofísica incluye mediciones nucleares, de potencial propio y sísmicas. Las técnicas aplicadas en sondeos se desarrollaron independientemente de los métodos geofísicos empleados en la superficie, pero a partir de los sondeos realizados en la exploración petrolífera, donde los métodos geofísicos contribuyen a la correlación estratigráfica y al levantamiento geológico. La diagrafía geofísica comúnmente entrega datos múltiples sacados mediante un único proceso de medición. Estos datos incluyen informaciones litológicas, estratigráficas y estructurales, indicadores de la mineralogía y de la concentración de las menas y indicadores para la exploración geofísica a partir de la superficie. Los métodos geofísicos aplicados en el ejemplo son los siguientes: Natural gamma ray log o diagrafía de rayos naturales de gamma: La zona de pelita oscura da una repuesta alta, las zonas de caliza y de carbón dan repuestas débiles. Gamma gamma log o diagrafía de densidad detecta la retrodispersión o retrodifusión (backscattered rays) de rayos gamma emitidos por una sonda en el pozo: La caliza y la pelita son rocas relativamente densas, el carbón es de densidad relativamente pequeña.
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Sonic log o diagrafía sonora (de velocidad acústica) demuestra el contraste entre los estratos más elásticos como la caliza y los estratos menos elásticos como la pelita y el carbón en el ejemplo. Neutron log o diagrafía de neutrones emplea una fuente, que emite neutrones y un detector correspondiente: Se presenta las diferencias en el contenido en agua, en este caso carbón tiene un índice hidrógeno alto, caliza un índice de hidrógeno bajo. Laterolog es una técnica registrada, introducida por el servicio de SCHLUMBERGER. Se detecta las diferencias en la resistividad (o la conductividad) de los estratos: En el ejemplo la caliza y el carbón tienen una conductividad baja, la pelita es de conductividad alta. Aplicaciones Geofísicas Los estudios geofísicos tienen aplicación en cualquier actividad que necesite del conocimiento del subsuelo para su desarrollo. De esta forma las ramas donde se emplea la geofísica de manera asidua serían la obra civil y geotecnia, la minería, el medio ambiente, la hidrogeología y la arqueología. Dependiendo del objetivo final, la profundidad de investigación y la resolución requerida se emplean unos métodos geofísicos u otros, siendo la experiencia del geofísico la que determina que método y dispositivo emplear en cada caso.
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CONCLUSIONES Como pudimos observar, los métodos geofísicos son pruebas realizadas para la determinación de las características geotécnicas de un terreno, como parte de las técnicas de reconocimiento de un reconocimiento geotécnico. Intentan evaluar las características del terreno basándose en la medida de ciertas magnitudes físicas tomadas generalmente en la superficie del terreno. Si las características de los terrenos son tales que las magnitudes físicas medidas son bastante diferentes entre sí, es posible localizar los contactos entre las distintas capas de terreno. Sin embargo, esto no siempre sucede así, por lo que estos métodos tienen serias limitaciones.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://www.trxconsulting.com/downloads/TRX_Metodo%20Gravimetria.pdf
https://mx.answers.yahoo.com/question/index?qid=20070328081833AASOBve
http://www.geovirtual.cl/geologiageneral/ggcap01e.htm
http://www.ecured.cu/index.php/Magnetometr%C3%ADa
http://www.gama-geofisica.com/jpr/index.php/es/metodosgeofisicos/3metodos-electricos.html
http://www.unalmed.edu.co/rrodriguez/geologia/geofisica.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9todos_geof%C3%ADsicos
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