Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco
Métodos indirectos de exploración geotécnica Geofísicos
Almno. José Luis García Salas Prof. Dr. Neftalí Sarmiento Solano Tarea No2
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ÍNDICE 1.- Objetivo ................................. .................................................. ................................. ................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ...................... ...... 3 2.- Alcances. ................................ ................................................. ................................. ................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ...................... ...... 3 3.- Introducción. Introducción. ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ................................. ................................. .................................. .................3 4.- Marco teórico ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ............................... .............. 3 4.1 Objetivos de la geofísica aplicada ............................... ................................................ .................................. .................................. ................................. ................................. .................6 4.2 Métodos geofísicos y propiedades envueltas ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. .................6 4.3 Estructuras geológicas y fundamentos de la geofísica de exploración ................................. .................................................. ............................ ........... 6 5.- Desarrollo.................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ................................. ................... ... 7 5.1 Método sísmico ............................... ................................................ .................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ............................ ........... 7 5.1.1 Principios básicos y equipamiento ............................... ................................................ .................................. ................................. .................................. ............................... .............7 5.1.2 Sísmica de refracción. ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ................................. .............................. .............. 9 5.2 Método eléctrico .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ....................... ...... 11 5.2.1 Equipamiento básico ............................... ................................................ ................................... .................................. ................................. ................................. ............................... ............... 13 5.2.2 Dispositivos eléctricos aplicados .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. ............................. ............ 14 5.2.3 Perfiles de Tomografía Eléctrica .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. ............................. ............ 18 5.3 Método electromagnético .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. .................................. .......................... ......... 20 5.3.1 Métodos EM en el Dominio Dom inio de la Frecuencia – FDEM FDEM ................................. ................................................. .................................. ............................. ........... 20 5.4 Método gravimétrico ................................ ................................................ .................................. .................................. ................................. .................................. .................................. .................22 5.4 Testificación de sondeos ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ............................ ............ 25 5.4.1 Equipo para exploración (Testificación de sondeos) ............................... ................................................ .................................. ................................. .................. 26 5.4.2 Diagrafia (Testificación geofísica de sondeos) ................................ ................................................. ................................. ................................. .......................... ......... 27 5.5 Método magnético .................................. .................................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ................................. .................... ... 29 5.5 Método Geo-Radar ................................ ................................................. .................................. ................................. .................................. .................................. ................................. .................... ... 30 5.5.1 Ground Penetrating Radar (GPR) ................................. ................................................. ................................. ................................. .................................. ............................. ........... 30 5.5.2 Borehole Radar ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ....................... ...... 31 6.- Conclusiones Conclusiones ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ................................ ............... 32 7.- Referencias................................... .................................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ................................ ............... 33
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ÍNDICE 1.- Objetivo ................................. .................................................. ................................. ................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ...................... ...... 3 2.- Alcances. ................................ ................................................. ................................. ................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ...................... ...... 3 3.- Introducción. Introducción. ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ................................. ................................. .................................. .................3 4.- Marco teórico ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ............................... .............. 3 4.1 Objetivos de la geofísica aplicada ............................... ................................................ .................................. .................................. ................................. ................................. .................6 4.2 Métodos geofísicos y propiedades envueltas ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. .................6 4.3 Estructuras geológicas y fundamentos de la geofísica de exploración ................................. .................................................. ............................ ........... 6 5.- Desarrollo.................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ................................. ................... ... 7 5.1 Método sísmico ............................... ................................................ .................................. .................................. ................................. ................................. .................................. ............................ ........... 7 5.1.1 Principios básicos y equipamiento ............................... ................................................ .................................. ................................. .................................. ............................... .............7 5.1.2 Sísmica de refracción. ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ................................. .............................. .............. 9 5.2 Método eléctrico .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ....................... ...... 11 5.2.1 Equipamiento básico ............................... ................................................ ................................... .................................. ................................. ................................. ............................... ............... 13 5.2.2 Dispositivos eléctricos aplicados .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. ............................. ............ 14 5.2.3 Perfiles de Tomografía Eléctrica .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. ............................. ............ 18 5.3 Método electromagnético .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. .................................. .......................... ......... 20 5.3.1 Métodos EM en el Dominio Dom inio de la Frecuencia – FDEM FDEM ................................. ................................................. .................................. ............................. ........... 20 5.4 Método gravimétrico ................................ ................................................ .................................. .................................. ................................. .................................. .................................. .................22 5.4 Testificación de sondeos ................................. .................................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ............................ ............ 25 5.4.1 Equipo para exploración (Testificación de sondeos) ............................... ................................................ .................................. ................................. .................. 26 5.4.2 Diagrafia (Testificación geofísica de sondeos) ................................ ................................................. ................................. ................................. .......................... ......... 27 5.5 Método magnético .................................. .................................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ................................. .................... ... 29 5.5 Método Geo-Radar ................................ ................................................. .................................. ................................. .................................. .................................. ................................. .................... ... 30 5.5.1 Ground Penetrating Radar (GPR) ................................. ................................................. ................................. ................................. .................................. ............................. ........... 30 5.5.2 Borehole Radar ................................. ................................................. ................................. ................................. ................................. .................................. .................................. ....................... ...... 31 6.- Conclusiones Conclusiones ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ................................ ............... 32 7.- Referencias................................... .................................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ................................ ............... 33
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1.- Objetivo Plantear los métodos indirectos de exploración geotécnica, principalmente principalmente de los métodos geofísicos.
2.- Alcances. Se identificara y presentara en en forma general la clasificación de los métodos indirectos de exploración geofísicos, dando una conclusión de cuáles son los más convenientes a utili zar.
3.- Introducción. La Geofísica es una ciencia que utiliza los postulados fundamentales de la Física para investigar el comportamiento de algunos componentes del subsuelo como son el campo magnético, la densidad de las rocas, su capacidad para conducir corrientes eléctricas, las ondas sísmicas o el movimiento de los continentes y los fondos marinos. La geofísica aplicada nació de la necesidad de resolver problemas asociados a la detección de yacimientos de hidrocarburos y minerales del subsuelo. Conforme se fue desarrollando el arte del estado sólido de la electrónica y creciendo los conocimientos en las diferentes técnicas de prospección, se empleó en agua subterránea, estudio del interior de la Tierra y finalmente contribuyendo de manera substancial la ingeniería civil a través de ayudar en el reconocimiento y solución de problemas relacionados con la construcción de presas, carreteras, túneles, etc, así como en distritos de suelos y rocas que presentaban algún riesgo potencial para las obras. La prospección geofísica es un conjunto de herramientas que permite investigar el terreno (de forma indirecta) mediante métodos no destructivos. Solo pueden lograrse buenos resultados cuando existen contrastes importantes en el espacio o también en el tiempo de la propiedad del terreno investigada. Sus resultados sirven fundamentalmente para correlacionar, extrapolar y verificar la información hidrogeológica disponible en una determinada zona. Las herramientas de prospección geofísica de mayor uso en los proyectos básicos de ingeniería civil son: la prospección eléctrica, la prospección sismológica, la técnica del radar de penetración terrestre, la prospección gravimétrica, y la testificación de pozos.
4.- Marco teórico Los métodos de exploración geofísica se emplean en los estudios previos a la construcción. Representan una economía en tiempo y costo; sin embargo, nunca substituyen los estudios directos, sino más bien son complemento de ellos. Se emplean habitualmente para determinar espesores de rellenos o recubrimientos, excavabilidad de los materiales, posición del nivel freático, localización de cavidades u otras heterogeneidades heterogeneidades del subsuelo, cubicación de zonas de préstamo, estructura del subsuelo, propiedades geomecánicas de 3
materiales, localización de fallas o superficies de deslizamiento, espesor de roca alterada, índices de fisuración, localización de conducciones subterráneas y evolución de fenómenos dinámicos. Los diferentes métodos geofísicos para el reconocimiento del subsuelo se dividen según el parámetro físico investigado:
Gravimetría (densidad) Magnético (susceptibilidad magnética) Eléctricos (resistividad) Electromagnéticos (conductividad eléctrica y permeabilidad magnética) Sísmicos (velocidad de propagación de ondas sísmicas) Radiactivos (niveles de radiación natural o inducida)
Método
Técnicas S.E.V.
Eléctrico
Calicatas eléctricas Dipolo-dipolo Sísmica de refracción
Sísmico
Sísmica de reflexión EM en dominio de frecuencias EM en dominio de tiempos Electromagnético
V.L.F. Geo-radar Gravimetría
Gravimétrico
Micro-gravimetría Magnético
Magnetometría Cross-hole Down-hole Up-hole
Sísmica en sondeos
Tomografía sísmica
Aplicaciones Interpretación geológica, grado de alteración, cubicación de materiales, contenido en agua y salinidad. Lo mismo que el anterior pero para el estudio de su variación lateral. Lo mismo que el anterior pero para el estudio de su variación a lo largo de una sección. Espesor de recubrimientos, excavabilidad, cubicación de áreas de préstamo, calidad de la roca, condiciones de cimentación. Investigación geológica profunda en obras subterráneas y laderas Interpretación geológica, grado de alteración, contenido de agua y salinidad Lo mismo que el anterior pero a grandes deformaciones. Resistividad del terreno en superficie, interpretación geológica y variaciones laterales Huecos y elementos enterrados, contactos litológicos, investigación del trasdós de estructuras Contactos litológicos con contraste de densidad, terrenos blandos, cavidades, zonas de disolución, zonas de falla. Lo mismo que el anterior pero de mayor detalle. Galerías mineras abandonadas, huecos rellenos de arcilla, conducciones enterradas, fallas diques, masas mineralizadas. Litología del sondeo, velocidad de ondas Py S, módulos dinámicos, propiedades resistentes, excavabilidad, espesor de recubrimientos Interpretacion geologica, cavidades, modulos dinamicos, velocidad de ondas P y S, propiedades resistentes, zonas de fractura, zonas de alteración, excavabilidad, espesor de recubrimientos.
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Eléctrica
Testificación geofísica (en el interior de sondeos)
Nuclear o radioactiva
Resistividad eléctrica Potencial espontaneo Conductividad eléctrica Tomografia electrica Gamma natural Gamma espectral Neutron Gamma-Gamma
Salinidad del agua, resistencia del material, secuencia litológica, fracturas. Investigación de arcillas, contenido de agua, densidad del terreno.
Propiedades mecánicas, grado de fracturación, secuencia litológica Puntos de afluencia del agua al sondeo, niveles freáticos. Acotación del sondeo, huecos y frac turas, orientación de discontinuidades
Sónica o acústica Fluidos Geométricos
Calibre Dipmetro Registro de T.V.
Tabla 1 Métodos geofísicos aplicados a la ingeniería geológica
Tabla 2 Metodos geofísicos de exploración.
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Conocer las variaciones y relaciones entre las propiedades geofísicas descritas, permite resolver diversos problemas de ingeniería geológica, y en geología económica. Los métodos de exploración geofísica empleados con más frecuencia en estudios de sitios para presas son los sísmicos y los eléctricos.
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Luis I. Gonzales de Vallejo (2004). Ingeniería Geológica- “Capitulo 6 investigaciones In situ” Alfonso Álvarez Manilla Aceves . (Publicación Técnica No. 229 ). Geofísica aplicada en los proyectos básicos de
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ingeniería civil.
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4.1 Objetivos de la geofísica aplicada Los objetivos de la prospección geofísica, utilizando los contrastes y variaciones de las propiedades físico-químicas, son localizar en el subsuelo estratos (de rocas, tobas, suelos) que representen masas resistentes, y, que puedan soportar una obra civil; además de localizar yacimientos de: agua, petróleo, gas, vapor, y minerales de interés económico para el hombre; así como en el monitoreo de flujo y transporte de contaminantes; mapeo de eventualidades geológicas que representen un riesgo potencial para las obras civiles; mediante la percepción remota localizar yacimientos.
4.2 Métodos geofísicos y propiedades envueltas Los métodos geofísicos de exploración pueden agruparse en cuatro tipos:
Activos: Es cuando se estimula el subsuelo por medios artificiales. Un ejemplo son los
métodos eléctricos.
Pasivos: En este tipo se detectan las variaciones naturales de los campos más comunes:
magnético, y telúrico.
Estáticos: En ellos se mide la variación espacial de un campo estático (no variante en el
tiempo) como puede ser el campo gravitacional.
Dinámicos: Miden la variación espacial de los campo transitorios, como lo es el
electromagnético.
4.3 Estructuras geológicas y fundamentos de la geofísica de exploración La selección de un método geofísico apropiado para una exploración depende de las características de las estructuras geológicas, y de las condiciones del terreno. Las rocas sedimentarias marinas muestran estratificación y pliegues bien definidos, como son monoclinales, sinclinorios, anticlinorios y domos; las rocas ígneas presentan una estratificación compleja, usualmente lentes, intrusiones e ínterdigitaciones difíciles de observar para la exploración geofísica, ya que ésta se basa en medios homogéneos, isótropos, horizontales, y de extensión infinita. Los materiales granulares son más accesibles para su estudio, debido a los procesos de transporte y estratificación.
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5.- Desarrollo 5.1 Método sísmico Los métodos sísmicos de prospección requieren la inyección en el terreno de una energía que, comúnmente, se produce mediante una explosión controlada o por medios mecánicos, mediante vibrador o por martillo. Así se generan ondas sísmicas, semejantes a las sonoras, que se propagan por los materiales de diferente manera según el comportamiento elástico de los mismos. La propagación de las ondas estará condicionada por su litología, compactación, fracturación y su textura. Cuanto más compacta es la roca, las ondas viajan a mayor velocidad. De ahí el uso extensivo de esta técnica en las obras civiles ya que la información aportada no solo es de la estructura del suelo sino del estado mecánico de los diferentes materiales. Si a través de cualquier fuente de energía se generan las ondas elásticas que se propagan en el medio a velocidades características; algunas son refractadas y otras son reflejadas; con esos conceptos resultaron los métodos de refracción y reflexión sísmica. Los principales trabajos de exploración en cualquier proyecto de ingeniería petrolera o civil, siempre comienzan con los sísmicos de refracción, los cuales pueden ser someros (ingeniería aplicada) o profundos (geofísica pura). La sismología de reflexión se utiliza en trabajos a escala regional, o de detalle; las aplicaciones principales se tienen en:
Diferenciar los tipos de estructuras Construir mapas de estructuras Encontrar la relación entre tendencias estructurales Evaluar la velocidad de propagación en sedimentos Caracterizar la estratigrafía Ubicar zonas de presión anormal Definir inconformidades Localizar hiatos Analizar los ambientes de depósito Dirección de fuentes de sedimentos
5.1.1 Principios básicos y equipamiento El equipo básico de prospección sísmica se compone de: a. Una fuente de energía que genera ondas sísmicas. Esta fuente puede ser una persona con un martillo sobre una placa de hierro o bien equipos pesados que golpean el suelo a intervalos predeterminados o explosiones. b. Estaciones sensoras (geófonos) que sirven para percibir las vibraciones del terreno y normalmente se distribuyen siguiendo una línea recta y a distancias conocidas del punto de impacto. 7
c. Un sismógrafo que registra las vibraciones. La energía sísmica se propaga a través del medio en ondas a través de su interior (ondas internas) y a través de su superficie (ondas superficiales). Las ondas internas P (longitudinales o de compresión) son las ondas que viajan más rápidamente dado que la energía pasa a través de las partículas moviéndolas en el sentido de la propagación. Las ondas internas S (transversales o de cizalla) son ondas menos rápidas debido a que la energía pasa a través del medio moviendo las partículas en direcciones perpendiculares a la propagación. A partir de una fuente de ondas sísmicas generadas en superficie (como un golpe, o una vibración o un peso cayéndose en el suelo) se generan distintas ondas de las siguientes características:
Fig. 1 Ejemplificación de las ondas sísmicas reflejadas y refractadas. El trayecto más rápido entre A y E pasa por ABCDE
La onda directa se propaga a partir de la fuente de ondas sísmicas en el medio superior con la velocidad uniforme v1. La onda reflejada se engendra por la reflexión de la onda directa incidente en la interface entre el medio 1 y el medio 2 y se propaga con la velocidad v1. Una porción de la onda incidente en la interface entre el medio 1 y el medio 2 pasa por la interface y se refracta. La onda refractada se propaga en el segundo medio con la velocidad v2.
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Fig. 2 Frente de onda en un medio discontinuo de propagación
A través de los datos entregados por las reflexiones sísmicas se puede construir el horizonte de reflexión que corresponde a un cambio de materiales. Por ejemplo diferentes estratos o fallas tectónicas.
Fig. 3 Onda de compresión “Vp”
Fig. 4 Onda de corte en sus componentes “Vs”
5.1.2 Sísmica de refracción. Dentro de los métodos sísmicos es el más empleado. Consiste en la realización de perfiles longitudinales instrumentados con sensores (geófonos), espaciados entre sí una distancia conocida y generalmente regular. La energía que libera el disparo, habitualmente mediante golpeo con un martillo de 8 kg, llega a los sensores provocando una perturbación que se registra en un sismógrafo. La longitud de los perfiles suele situarse habitualmente entre 25 y 100 m con separación entre geófonos que no suele exceder los 5 m, con objeto de garantizar el detalle de la investigación. Los puntos de golpeo suelen ser, como mínimo , tres en cada perfil, situados al inicio, mitad y final de cada perfil. Si los perfiles exceden longitudes de 60 m, el número de puntos de golpeo es habitualmente de cinco. La medida de los tiempos de llegada de las ondas elásticas a los geófonos proporciona el valor de la velocidad de propagación y espesor de los distintos ma teriales atravesados. 9
Fig. 5 Tendido de geófonos para exploración sismica
Fig. 6 Golpeo con martillo para generar las ondas para ex ploración
Se mide el tiempo transcurrido entre el momento del disparo y la llegada de la primera perturbación a cada geófono. Las primeras en llegar son las ondas directas; sin embargo, a partir de un punto (distancia crítica), llegan primero las ondas refractadas, es decir las que circulan por niveles inferiores del subsuelo. En una gráfica distancia-tiempo se dibujan a partir de los tiempos de arribo de los primeros impulsos en cada geófono. La velocidad de cada una de las capas se obtiene tomando el recíproco de la pendiente de cada segmento de la curva distancia tiempo. Las distancias críticas X 1 y X2, se localizan en las intersecciones de los segmentos de la gráfica. Las profundidades Z 0 y Z1 se pueden calcular por medio de las fórmulas:
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Una condición importante para la aplicación del método es que la velocidad de propagación de las ondas aumente con la profundidad. Del análisis de los sismogramas es posible distinguir el arribo de las ondas y, a partir de ahí, construir la gráfica tiempo-distancia (dromocrónica) y definir la distribución de velocidades de propagación en el subsuelo.
Cuando se requiere determinar parámetros elásticos del terreno, como la relación de Poisson, y el módulo de elasticidad (Young) dinámicos, es necesario además conocer las velocidades de propagación de las ondas transversales. El método de refracción es de los más utilizados en exploración geotécnica para definir la calidad de la roca, la profundidad de un depósito o de alteración del terreno y sus parámetros elásticos.
5.2 Método eléctrico Los métodos de resistividad estudian, por medio de mediciones efectuadas en superficie, la distribución en profundidad de alguna magnitud eléctrica de los materiales del subsuelo. Todos los métodos de resistividad / conductividad para la localización de aguas subterráneas, dependen de la correlación de las propiedades eléctricas del subsuelo con la presencia de aguas y su interacción con las rocas que la contienen. Sintéticamente, los principios básicos de la aplicación de métodos de resistividad/conductividad en investigación de agua son:
Las rocas frescas sin poros o fracturas y una arena seca sin agua o arcilla son altamente resistivas (hasta miles de ohm*m). Una roca porosa o fracturada capaz de almacenar agua, tiene una resistividad la cual depende del agua y de la porosidad de la roca (cerca de unos cien y mil de ohm*m). El comportamiento absoluto depende del contraste con la roca a su alrededor.
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Una arena o grava con agua es relativamente resistiva si localizada en contacto o comparada a una arcilla, es conductiva si es por debajo de un nivel de la misma arena seca. Las resistividades de arenas con agua varían entre las decenas y unos cientos de ohm*m. Una capa de arcilla impermeable, que ha confinado el agua, tiene baja resistividad, entre uno y 10 ohm*m. Una fractura en roca competente y rellena de agua es generalmente meno resistiva de la roca a su alrededor.
La resistividad de la mayoría de las rocas y sedimentos secos es elevada, por lo que actúan como semiconductores o conductores de baja capacidad o aislantes. Este comportamiento cambia significativamente cuando las fracturas o los poros están ocupados por agua, lo que genera una disminución de la resistividad, o aumento en la capacidad de conducción de la corriente eléctrica. En la tabla de la Figura 7 se indican las resistividades que caracterizan a los minerales, rocas y sedimentos. En estos últimos se aprecian diferencias notorias entre los de grano fino (margas, limos, arcillas), grano medio (arenas) y grueso (gravas). Las arcillas que conforman la mayoría de los acuitardos poseen bajas Resitividades (2 a 50 Ω.m), la mayoría de las litologías implicadas en estudios hidrogeológicos varían entre 1 y 10.000 Ω.m. No es fácil la interpretación de los datos de resistividad obtenidos dado que estos valores para cada material dependen de muchos factores. Al final los datos de prospección son un dato más junto con la información geológica, química, hidrogeológica entre otros para poder realizar la interpretación.
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Fig. 7 Resistividad de algunas rocas y minelares
5.2.1 Equipamiento básico Según sea el objetivo de los estudios, el tipo de terreno, la zona de trabajo, la topografía, las características eléctricas de las rocas y suelos, será el método y dispositivos a utilizar para llevar a cabo una prospección eléctrica. Si bien existe una gran variedad de métodos y dispositivos, todas las configuraciones electródicas se basan en medir las diferencias de potencial en el subsuelo. Un equipo básico (Figura 6.28) está constituido por:
Un conjunto de electrodos impolarizables que una vez clavados en el suelo actúan unos como puntos de inyección de corriente eléctrica y otros de medición. Una batería para inyectar la corriente y que está regulada por un amperímetro (para medir la intensidad de la corriente), un voltímetro para medir la diferencia de potencial (en la Figura 8 es el Resistivímetro).
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Cables eléctricos para las conexiones que fueren necesarias entre los electrodos y los
dispositivos de inyección y medida de la corriente eléctrica.
Fig. 8 Elementos de un equipo básico de prospección eléctrica instalados en campo y en gabinete
5.2.2 Dispositivos eléctricos aplicados Sondeo Eléctrico Vertical (SEV) simétrico. Configuración Schlumberger:
Consiste en un conjunto de determinaciones de la resistividad aparente del suelo efectuadas entre dos electrodos de emisión (MN) y dos de recepción (AB) (Figura9). Los electrodos se clavan en el suelo de forma equidistante respecto de un punto central y alineado sobre una recta. Es un método 14
de prospección eléctrica activa, ya que el potencial eléctrico estudiado surge como respuesta a un estímulo aplicado (inyección de corriente).
Fig. 9 Configuración electródica Schlumberger (Auge, 2008).
El SEV permite establecer la distribución vertical de la resistividad por debajo del punto elegido para efectuar la prospección. La mayor parte de la corriente inyectada a través de los electrodos queda dentro de un paralelepípedo geológico de un ancho AB/2, un largo 3AB/2 y de un espesor AB/4 (Figura 10).
Fig. 10 SEV. Volumen de Suelo Prospectado
El resultado final es en forma de curvas que se representan en papel logarítmico de valores de resisitividad aparente versus la semi-distancia entre los electrodos AB (Figura 11).
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Fig. 11 Ejemplo de datos obtenidos de la realización de un SEV configuración Schlumberger (Auge, 2008).
Con los datos de resistividad aparente de campo se calcula el modelo eléctrico del terreno, el cual vendrá representado por un conjunto de pares de valores de espesor y resistividad de cada una de las electrocapas horizontales. Si en una misma zona se realizan varios SEV, éstos se pueden correlacionar de modo que se obtenga lo que se denomina corte geoeléctrico del subsuelo, Información que debe ser asociada a cortes geológicos o perfiles litológicos para obtener mayor información. En la Figura 12 se aprecia una sección geoeléctrica. El basamento hidrogeológico está compuesto por rocas graníticas a menos de 100 m de profundidad. Se dispone de 6 SEV a lo largo de una sección de algo más de 800 m. El contraste de resistividades entre el basamento y la cobertura sedimentaria integrada por gravas y arenas es notable, por lo que puede determinarse el espesor de sedimentos con bastante precisión.
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Fig. 12 Ejemplo de un corte geoeléctrico del subsuelo (Auge, 2008).
Este método es muy utilizado en minería, geología e hidrología y permite estudiar las anomalías de resistividad eléctrica, lo que se deberá correlacionar por ejemplo con la ausencia o presencia de cuerpos mineralizados, agua subterránea o grado de fracturación de las rocas. Ventajas:
I.
En zonas de llanuras y con facilidad de acceso se pueden alcanzar grandes profundidades de investigación, con el consiguiente ahorro de tiempo y dinero en la ejecución de numerosos sondeos de investigación.
II.
En la cubicación de graveras, ya que permite estimar con bastante aproximación los volúmenes que podrían ser explotados.
Desventajas:
I.
En zonas de montaña, con relieve abrupto, en zonas selváticas con poca facilidad de acceso es una técnica que no se adapta muy bien. Las imperfecciones del terreno generan lecturas distorsionadas de las resistividades. No se pueden alcanzar grandes profundidades debido a que no se pueden tener grandes aberturas de ala.
II.
En zonas urbanizadas resulta imposible clavar los electrodos directamente en el subsuelo. Además las corrientes eléctricas parásitas existentes podrían dar lecturas erróneas.
III.
Para la realización de un SEV normal (distancia entre A y B de 250 a 2.500 ) para estudios hidrogeológicos) se requiere de un operador y de 3 a 4 ayudantes para mover los electrodos. 17
5.2.3 Perfiles de Tomografía Eléctrica Es una técnica que ha tomado auge en los últimos años, por lo que se la considera de reciente implantación. Tiene su mayor aplicación en la inspección de capas más superficiales. En la Figura 13 se aprecia una de sus configuraciones básicas en la que los electrodos se han separado a distancias de 1 m.
Fig. 13 Dispositivo de Tomografía Eléctrica
El dispositivo es similar al de los SEV, aunque en este caso en vez de tener 2 electrodos de inyección (AB) y 2 de lectura (MN) se tiene un número mucho más elevado. Estos electrodos se colocan equiespaciadamente uno respecto de otro siguiendo una misma alineación. Las aplicaciones de este método son muy variadas. Son muy útiles para el estudio del relleno de vertederos (Figura 14), determinación de las características de las balsas mineras (balsas de relave) (Figura 15) y la identificación de plumas de contaminación por hidrocarburos.
Fig. 14 Dispositivo de Tomografía Eléctrica. Investigación de un vertedero (Aracil 2003).
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Fig. 15 Dispositivo de Tomografía Eléctrica. Investigación balsa de residuos mineros (Aracil et al., 2003).
Asimismo en las investigaciones hidrogeológicas resultan ser una herramienta bastante atrayente, como se puede ver en los ejemplos siguientes en los que se ha podido interpretar la presencia de un acuífero cautivo (Figura 6.36, superior) y la de un acuífero en una fractura (Figura 6.36, inferior).
Fig. 16 Dispositivos de Tomografía Eléctrica.
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Ventajas: I.
Reducción en la ejecución de sondeos, catas y perforaciones de investigación, ya que éstas se ejecutarán conforme se desee verificar los resultados de la aplicación de esta técnica.
II.
En caso de problemas de contaminación, el subsuelo no es intervenido directamente ni tampoco son removidos los elementos que lo afectan.
Desventajas: I.
El desconocimiento de lo que sucede entre sondeo y sondeo de reconocimiento a lo largo de la sección estudiada, ya que se interpretan comportamientos del medio que no son únicos para las observaciones efectuadas.
II.
Se requiere hincar un gran número de electrodos lo que requiere un despliegue de personal extra en el campo.
III.
Los métodos de interpretación no son directos y los resultados dependen del buen contraste de los materiales atravesados.
IV.
La profundidad de investigación está limitada a algo más de un centenar de metros.
5.3 Método electromagnético En los últimos años los métodos de inducción electromagnética han resultado de suma utilidad para detectar y medir pequeños cambios causados por la presencia, calidad y tipo de las aguas subterráneas. Estas técnicas son necesarias en ambientes donde los contrastes de conductividad son altos, pero donde los materiales y las condiciones superficiales no permiten la aplicación de métodos resistivos, como por ejemplo en regiones muy áridas. Entre los métodos electromagnéticos tenemos tres grandes categorías, métodos en el dominio de la frecuencia (FDEM), métodos en el dominio del tiempo (TDEM), y métodos como el Magneto Telúricos donde se combina la medición de los campos eléctricos y magnéticos naturales de la tierra en función de diferentes frecuencias.
5.3.1 Métodos EM en el Dominio de la Frecuencia – FDEM FDEM (Calicata y Tomografía Electromagnética)
Pequeñas bobinas llamadas dipolos son usadas como transmisores y receptores de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias. Varias configuraciones son usadas para diferentes aplicaciones. Pares de bobinas pueden ser usadas en configuración coplanar horizontal, coaxial vertical o coaxial horizontal. En algunos sistemas el Tx y el Rx son ubicados en el mismo contenedor y transportados por una sola persona a lo largo del perfil. Sistemas con separación mas grandes y 20
operadas por dos personas presentan una bobina Tx y una Rx separadas de unas decenas de metros. Dependiendo del objetivo de la investigación, se adquirirán frecuencias singulares o múltiples.
Fig. 17 FDEM Principios operativos
Las separaciones pueden variar en función de la frecuencia o, a paridad de separación, se pueden usar diferentes frecuencias para investigar a diferentes profundidades. Estas técnicas son comúnmente utilizadas en investigaciones hidrogeológicas superficiales, de hasta 60 – 100 m de profundidad. Su habilidad para detectar cambios en la conductividad con alta resolución lateral permite su utilización tanto en caracterizaciones de potenciales acuíferos secundarios (fracturas), como en caracterización de cuñas salobres y en estudios de contaminación de aguas subterráneas. En el caso de las cuñas salobres los métodos FDEM permiten un rápido mapeo espacial y la eventual optimización de otras investigaciones geofísicas profundas (SEV y TDEM) o la ubicación directa de perforaciones. En el caso de estudios de contaminación, una gran cantidad de contaminantes contienen ácidos, sales, etc., que aumentan la conductividad del subsuelo y de las aguas, en cambio, los contaminantes con hidrocarburos, al presentarse en grandes cantidades disminuyen la conductividad del medio. Como la conductividad es el recíproco de la resistividad eléctrica, las aplicaciones de los métodos eléctricos, anteriormente explicadas, también son válidas con estos equipos. Los métodos FDEM son definitivamente una herramienta muy útil en la fase de caracterización espacial de propiedades eléctricas en proyectos de exploración relativamente someros.
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Fig. 18 Exploración electromagnética
Very Low Frecuency o VLF
Es un método electromagnético muy utilizado en la exploración de aguas subterráneas en fallas geológicas y zonas de fracturas en rocas competentes. Consiste en la medida de los efectos de la irradiación de una corriente generada por transmisores VLF ubicados alrededor del mundo en el suelo. Esta corriente tiende a concentrarse a lo largo de estructuras geológicas conductoras causando una distorsión cuantificable del campo magnético. Se grafican las cantidades medidas en cada sitio de prospección permitiendo la interpretación de zonas de fracturas. El método es muy económico y rápido. Permite investigaciones hasta 50-100 m de profundidad en función de las características geológicas del sitio (mas resistivo es el entorno mas profundidad puede ser alcanzada).
Fig. 19 VLF Aplicación de VLF para localizar un cuerpo conductor vertical (fractura con agua)
5.4 Método gravimétrico Se basan en el estudio de las diferencias entre los valores medidos del campo gravitatorio terrestre en un lugar y el valor que teóricamente debía tener en ese lugar (anomalía gravimétrica). Las anomalías están originadas por heterogeneidad en la densidad del subsuelo, y son positivas o negativas según que exista en el lugar un cuerpo de mayor o menor densidad que la del entorno .
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Fig. 20 Equipo gravimétrico
Los gravímetros no dan medidas directas de la gravedad, y los valores medidos deben sufrir una serie de correcciones que añadirán un «apellido» a la anomalía para indicar que se ha efectuado una determinada corrección (anomalías de Aire Libre o de Bouguer). En la Figura 21 se muestra la interpretación de un perfil gravimétrico. Los métodos gravimétricos son útiles para localizar cualquier fenómeno en el que la variación de la densidad sea su característica fundamental; en ingeniería geológica se aplican para la detección de huecos y su cubicación, localización de galerías, zonas con importantes perdidas de finos con la consiguiente disminución de densidad, zonas con tratamientos del terreno con aumento de densidad, etc .
Fig. 21 Modelización de un perfil gravimét rico.
Esta técnica se aplica generalmente mediante la realización de perfi les longitudinales, a base de puntos alineados de medida, o retículas con espaciado constante. La separación de los puntos de medida debe plantearse en función de la magnitud y profundidad de la anomalía a investigar. El objetivo de este estudio es detectar la presencia y en su caso estimar las dimensiones, de cavidades en el entorno de una cavidad conocida de origen kárstico aparecida al pie del talud de un desmonte de una obra lineal, en el cual se han observado una serie de hundimientos .
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Fig. 22 Mapa de anomalías gravimetrías
En ingeniería geológica tiene gran aplicación la microgravimctría, útil para investigar anomalías gravimétricas de pequeña escala, generalmente con espaciados entre puntos de medida de I m o menos. El método microgravimétrico consiste en determinar con elevada precisión la variación del campo gravitatorio en una determinada región. En lugar de los gravímetros tradicionales (con una resolución de 5-10 microgal) se emplean microgravímetros de última generación con la mayor sensibilidad disponible en el mercado hoy en día (1-2 microgal).
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La campaña de campo se realiza ocupando estaciones de medida distribuidas en perfiles o mallas regulares que cubran toda la región de interés. Además es necesario obtener lecturas periódicas (cada media hora) en un punto de referencia (denominado base) para obtener la curva de deriva instrumental. Una vez obtenidos los registros de campo, realizando las oportunas correcciones (deriva instrumental, mareas, topografía, etc) se generan modelos de densidad del subsuelo. Generalmente es un método empleado para la detección de galerías y cuevas que suponen un déficit de masa respecto al terreno circundante. Habitualmente es necesario la realización previa de un levantamiento topográfico de detalle para la correcta identificación de la señal que el relieve topográfico produce en las lecturas de campo.
5.4 Testificación de sondeos Una vez finalizada la ejecución del sondeo es posible obtener información hidrogeológica a partir de técnicas indirectas denominadas Testificación Geofísica. Este tipo de técnica analiza el material en el entorno de la perforación y mediante diferentes métodos geofísicos se obtienen representaciones gráficas denominadas diagrafías. Cada diagrafía es un registro continuo en profundidad de una determinada propiedad del subsuelo, el conjunto de diagrafías permite caracterizar de un modo más eficaz el terreno perforado. En la Figura 6.47 se representan las partes básicas más importantes de un equipo de testificación.
Fig. 23 Esquema básico de un equipo de Diagrafías o Testificación
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5.4.1 Equipo para exploración (Testificación de sondeos) Cabrestante: es donde se sitúa el motor que enrolla el cable y que regula la velocidad de ascenso y
descenso de la sonda dentro del sondeo. Cable: sirve de soporte a la sonda, transmisor de energía y de envío de la señal de la sonda al equipo
receptor. Trípode y polea: sirve de soporte de la sonda que se inserta en el sondeo y además cuenta con un
dispositivo que registra la longitud de avance dentro del pozo (profundidad). Sonda: es el dispositivo que se introduce en el sondeo y consta de un sensor, generador y captador
de una determinada señal asociada a una propiedad física del subsuelo, así como un convertidor de señal. Registrador: es un equipo que incluye los elementos de comunicación con la sonda, el registro digital
de los datos recibidos y la impresión o visualización en pantalla a tiempo real del registro para su análisis. Unidad Móvil. En la actualidad este tipo de equipos está montado sobre una unidad móvil (Figura
6.48) que permite transportar todo el equipamiento necesario para realizar las testificaciones, recibir los datos de la sonda, visualizarlos en pantalla de ordenador o gráficamente (impresos) y analizarlos in situ.
Fig. 24 Unidad móvil de testificación. Sonda, cabrestante, cables, equipo receptor y de impresión (Geoservice).
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La operación del equipamiento para proceder a la testificación del pozo, consiste en desplazar la sonda dentro del sondeo a una velocidad determinada efectuando las mediciones de forma continua (en bajada o subida) a razón de 1 registro/cm. En general se suele efectuar más de un registro paramétrico (multisondas) y varias medidas en una sola pasada (ascenso/descenso). En la Figura 6.49 se observa el registro de campo tal como se obtiene a la salida de la impresora. En general las representaciones gráficas obtenidas presentan en el eje vertical la profundidad y en el horizontal (en escala lineal o logarítmica) los valores de las medidas realizadas. En gabinete se interpreta de forma más detallada la información de campo, correlacionando las variaciones del parámetro registrado con la litología atravesada u otra información en la que apoyar este tipo información
Fig. 25 Representación gráfica de la testi ficación de un sondeo mediante el uso de diversas s ondas paramétricas (APEX Geophysical Services).
5.4.2 Diagrafia (Testificación geofísica de sondeos) La integración de los resultados de la aplicación de los precedentes métodos geofísicos, sensores remotos y la compilación geológica e hidrológica de un área permitirá determinar el mejor sitio para la perforación de un pozo de investigación. Este pozo debe estar situado en la zona mas profundad del acuífero para permitir obtener una información sobre toda la columna. En el transcurso de la perforación se efectuará el control del lodo, principalmente en lo relacionado al peso específico, viscosidad y contenido de arena, el registro de la tasa o tiempo de penetración y la toma de muestra s litológicas por cada metro de avance pera el análisis macroscópico. En forma simultánea, durante la perforación exploratoria se llevará un control continuo de algunos parámetros mediante una sonda.
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En una diagrafía se compilan todos los datos levantados en un pozo, es decir a lo largo de un corte vertical por el subsuelo. En una diagrafía geológica se compilan 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 compilan 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 puede incluir mediciones nucleares, espectrométricas, de potencial propio (espontáneo), de resistividades 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 durante la fase de exploración, donde los métodos geofísicos contribuyen a la correlación estratigráfica, al levantamiento geológico y al diseño del pozo (ubicación de la rejillas de producción). La diagrafía geofísica comúnmente entrega datos múltiples grabados 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 e indicadores para la exploración geofísica a partir de la superficie. Los parámetros medidos permiten la determinación de parámetros hidrogeológicos como la porosidad, la permeabilidad, la velocidad y dirección de flujos. Los registros de pozo mas utilizados en hidrogeología son los siguientes: • “Natural Gamma Ray” Log o diagrafía de rayos naturales gamma . Es el método más importante en hidrogeología. Permite obtener información sobre los límites de las capas y el contenido de arcillas (indicando indirectamente la permeabilidad y donde ubicar las rejillas). Este método puede ser aplicado también en pozos entubados (hierro/acero o PVC) y representa una importantísima contribución a la comprensión (junto a los aforos y a la telecámara en pozo) del estado de un pozo y especialmente si la ubicación de las rejillas fue ejecutada en forma apropiada. El método representa también un enorme y económico aporte informativo en zonas petrolíferas donde la testificación de los pozos no se ejecuta en los primero 500-1000 m. Prácticamente se podrían usar pozos petroleros no activos para investigar las secciones hidrológicas de una zona complementando perfectamente la información derivada de la geofísica superficial. Este es el caso del oriente Venezolano donde se podría reconstruir el comportamiento hidrológico regional usando pozos petroleros descontinuados. • “ Potencial Espontáneo”. Este método se utiliza de manera puntual para resolver los problemas de límites del acuífero o movimientos del agua. Da la conductividad de las formaciones y permite definir la velocidad y dirección del flujo. • “Resistividad Corta y Larga” . Da la conductividad del agua de formación y limites de capas. • “Resistividad Lateral”. Resistividad de las formaciones. • “Conductividad de Fluido”. Conductividad de los fluídos presentes en las formaciones geológicas. • “Gamma Log”. Detecta los rayos gamma dispersados y reflejados (backscattered rays) por las formaciones geológicas emitidos por una sonda en el pozo proveyendo una diagrafía de la densidad de las formaciones. 28
• “Neutron Log” o diagrafía de neutrones emplea una fuente, que emite neutrones y un detector correspondiente. Permite obtener la porosidad neutrónica. • “Sondeos de Resonancia Magnética” . Da la porosidad y permeabilidad de las formaciones geológicas. • “Sónico” (de velocidad acústica). Informa sobre la fracturación y litologías, especialmente en acuíferos carbonatados, rocas ígneas o metamórficas. • “Temperatura”. Permite la identificación de acuíferos, aportes de aguas de diferentes temperaturas, gradiente térmico.
5.5 Método magnético La presencia del campo geomagnético es utilizada por la geofísica para detectar la presencia (o ausencia) de elementos ferromagnéticos en el subsuelo. A escala microscópica, los momentos magnéticos de los minerales magnéticos que se encuentran en objetos metálicos, suelos, sedimentos y rocas se alinean en la dirección del campo geomagnético, produciendo un momento magnético macroscópico neto que se observa como una magnetización inducida. Como en la mayoría de los casos, la magnetización inducida es proporcional a la susceptibilidad magnética macroscópica del cuerpo, propiedad que puede ser medida por los magnetómetros. Para las investigaciones hidrogeológicas, el magnetismo puede ser utilizado en algunas de las siguientes aplicaciones: • Mapeo geológico de unidades que muestran contrastes de susceptibilidad • Mapeo estructural (fallas, fracturas, etc.) • Detección de prof undidad del substrato y del basamento
Fig. 26 Magnetismo Fracturas (potenciales acuíferos)
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5.5 Método Geo-Radar El radar de penetración del subsuelo es una técnica electromagnética para medición de desplazamiento de corrientes superficiales en el subsuelo. Los desplazamientos de corriente se generan por un movimiento de las cargas del subsuelo por polarización y pueden estar relacionadas a la permitividad eléctrica o la constante dieléctrica del terreno. Es una técnica para investigaciones superficiales (hasta un max de 30-50 m). El método es similar a la sísmica de reflexión a offset constante en lo que respecta la adquisición y el procesamiento de los datos, sin embargo la sísmica utiliza ondas acústicas mientras el radar utiliza ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia. Un breve pulso de energía electromagnética es irradiado por un transmisor (Tx), con una frecuencia característica única que puede estar entre 25 y 2000 Mhz. Cuando este pulso alcanza interfases donde existe un contraste de la constante dieléctrica o cuerpos que presenten diferencias en dicha constante con el medio que los rodea, ocurren fenómenos análogos a los que se dan en sísmica cuando cambia la impedancia acústica: una fracción de la energía de la onda es reflejada, regresa hasta la superficie y es detectada en una antena receptora (Rx), mientras la energía remanente continúa hasta la próxima interfase. Debido a que utiliza ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia, su profundidad de penetración es de varias decenas de metros, por lo que es ideal en investigaciones hidrogeológicas superficiales. El radar genera una imagen del subsuelo con altísima resolución lateral y vertical, que permite definir las distintas estructuras presentes en el subsuelo somero.
5.5.1 Ground Penetrating Radar (GPR) Es el método moderno de más éxito en investigaciones del subsuelo no invasivas. Por esto es un método que no afecta el medio ambiente y es excelente para las fases de planificación y desarrollo de proyectos industriales. Adicionalmente no necesita establecer contacto físico de ningún tipo (tipo electrodos) con el suelo, es rápido y de fácil aplicación en todos los ambientes. Siendo un método electromagnético activo, permite investigar áreas urbanas (con antenas blindadas) y ambientes geológicos donde las condiciones superficiales limitan la aplicación de otros métodos. Sus principales aplicaciones hidrogeológicas superficiales son: • Definición del nivel freático (la mesa de agua es identificada como un refle ctor) • Delimitación del acuífero primario (no confinado) • Caracterización del substrato y su morfología (paleocanales) • Determinación del grado de saturación de agua • Localización de fracturas y fallas • Localización de plumas contaminantes
Fig. 27 Ground Penetrating Radar GPR
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5.5.2 Borehole Radar El método de Borehole Radar se basa en el mismo principio que el GPR, pero en este caso el pulso electromagnético es transmitido por una antena emisora ubicada en un pozo y es recibido por una antena receptora colocada en el mismo pozo o en otro colocado a una cierta distancia. Debido a que la presencia de agua modifica la conductividad del medio el método permite definir los límites de los acuíferos, su grado de saturación, así como también, la estratigrafía del área.
Fig. 28 GPR Definición del Nivel freático y estratigrafía con Borehole Radar
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6.- Conclusiones En general, exploración geofísica o geofísica aplicada se refiere al uso de métodos físicos y matemáticos para determinar las propiedades físicas de las rocas y sus contrastes. El propósito de tal determinación es conocer el arreglo de los cuerpos de roca en el interior de la Tierra, así como las anomalías presentes en ellas. Son diversos los métodos utilizados en la exploración geofísica del subsuelo: La prospección Geofísica consiste en inferir la estructura geológica del subsuelo a través de la distribución de alguna propiedad física del subsuelo, dependiendo del método utilizado. Son diversas las propiedades físicas del subsuelo y de la Tierra en general susceptibles de medirse desde la superficie y determinar sus distribución espacial. Podemos mencionar la resistividad eléctrica del subsuelo, velocidad de propagación de ondas de sonido, densidad de masa y susceptibilidad magnética entre las más importantes. De acuerdo a la propiedad física de la Tierra a estudiar podemos definir los métodos a utilizar entre ellos tenemos a: Geo-eléctricos, Sísmicos, Gravimétricos y Magneto métricos. La geología haya que tenido que dejar un amplio lugar a la geofísica
Fig. 29 Clasificación general de métodos de exploración indirectos
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7.- Referencias.
http://www.amge.org.mx/ Asociación Mexicana de Geofísicos de Exploración http://www.trxconsulting.com Métodos Geofísicos e Integración de Datos en Investigaciones Hidrogeológicas - Innovaciones Tecnológicas
http://www.fcihs.org/pub2/esp/ Técnicas indirectas de exploración indirecta
IMTA (Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, 2001) Geotecnia en ingeniería de
presas
Luis I. Gonzales de Vallejo (2004). Ingeniería Geológica- “Capitulo 6 investigaciones In
situ”
Alfonso Alvarez Manilla Aceves (2004) Publicación Técnica No. 229 Sanfandila, Qro,
2003, “GEOFÍSICA APLICADA EN LOS PROYECTOS BÁSICOS DE INGENIERÍA CIVIL”
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