Métodos Eléctricos II Tomografía T omografía eléctrica Luis Ever Ever Valenz Valenzuela uela Ruiz
Índice I NTRODUCCIÓN...........................................................3 OBJETIVOS.................................................................4 CONTENIDO................................................................5 ANTECEDENTES........................................................................5 A ELÉCTRI CA...............................................6 MÉTODO TOMOGRAFÍ
................................8 A AFECTAN ALARESI STI VI DAD. F CTORESQUE PO REQUERI DO.................................................................. EQUI
......................................................... A DE CAMPO. METODOLOGÍ .......!! SPOSI TI VO Y ADQUI SI CI ÓN DE LOSDATOS. COLOCACIÓN DELDI ......................................!" PROCESADO DE LOSDATOSDE CAMPO. NI CI O I
DE LOSCÁLCULOS........................................................!#
STI VI DAD ELÉCTRI CA DELSUBSUELO....................................!5 RESI
CONCLUSI ÓN.............................................................16 BI BLI OGRAFÍA...........................................................17
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Introducción En su sentido más amplio la Tomografía Eléctrica es una técnica geofísica para el estudio del subsuelo que consiste en determinar la distribución de un parámetro físico característico del mismo dentro de un ámbito espacial limitado, a partir de un número muy elevado de medidas realizadas desde la superficie del terreno o desde perforaciones. a Tomografía Eléctrica tiene por ob!etivo específico determinar la distribución real de la resistividad del subsuelo en el ámbito comprendido entre dos perforaciones o bien "asta un cierto rango de profundidad a lo largo de un perfil de medida, a partir de los valores de resistividad aparente obtenidos mediante medidas realizadas por métodos convencionales de corriente continua. En esta presentación nos limitaremos a los estudios realizados sobre perfiles desde la superficie del terreno. #n factor clave de esta técnica es el número y distribución de las medidas de campo ya que de él depende tanto su resolución como la profundidad de investigación. $omo regla general, un estudio de Tomografía Eléctrica requiere la obtención de un número muy elevado de datos, con un peque%o espaciado entre medidas para conseguir la necesaria resolución lateral y también que las medidas se realicen involucrando de forma progresiva varios rangos de profundidad. El resultado final de este tipo de estudio es una &magen distancia profundidad con la distribución de la resistividad real del subsuelo, fácilmente comprensible en términos geológicos, geotécnicos o ambientales como demuestran los diversos e!emplos que se presentan.
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Obj eti vos
$onocer la evolución "istoria con la que se originó este método de estudio y los primeros investigadores en emplearlo.
$onocer la importancia que tienen en el estudio geofísica el método de tomografía eléctrica.
&dentificar las etapas con la que se lleva a cabo en la adquisición de datos.
&dentificar las etapas del procesado de datos.
&nterpretar la información que nos transmite este método de estudio de suelos.
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Conteni do Antecedentes El desarrollo "istórico de los métodos de 'rospección Eléctrica se dividió ()rellana, *+- en tres épocas/ primitiva, clásica y contemporánea. 0e 1encionan algunos eventos relevantes sin disminuir la importancia del resto. os orígenes de los métodos eléctricos, época primitiva, se remontan al siglo 23&&& con los traba!os realizados por 4ray y 5"eeler en *6-7 sobre la resistividad de las rocas y el descubrimiento de 5illiam 5atson en *689, de que el suelo es conductor. En *:: ;ro
agozin publica su monografía ?@plicación de la electricidad en la búsqueda de yacimientos minerosA donde anticipa muc"as de las ideas que "abrían de aplicarse más tarde. $onrad 0c"lumberger ?padre de la 'rospección EléctricaA, descubrió un yacimiento de sulfuros de ;or (0ervia, con 'olarización &nducida, primer "allazgo geofísico de un mineral no magnético. En *+*B, él mismo y el americano CranD 5enner, independientemente, idean el dispositivo tetraelectródico que será la base del progreso anterior. a época clásica (*+* a *+97apro. se divide a su vez en tres, debido a las diferentes escuelas de pensamiento/ la escuela CrancoF0oviética, 5enner o de 4is"F>ooney y la 0ueca. Entre éstas se destaca la importante solución dada por 0tefanesco en *+:- a la distribución del potencial en un semiespacio estratificado. En *+: se efectuaron los primeros sondeos eléctricos profundos (más de un Dilómetro de penetración. Este método tuvo parte destacada en el descubrimiento de los yacimientos petrolíferos o de gas (en la antigua #>00 de ;uguruslán, 6
0aratov, ;es"Diria y 3ovolgrado. =esde entonces el método eléctrico fue adoptado en la #>00 como el de empleo más general en la prospección petrolera. En la época contemporánea comienza con el surgimiento de las computadoras personales, las cuales "an puesto al alcance del geofísico cálculos inabordables anteriormente. 'odríamos agregar una cuarta a partir de la década de los 7Gs cuando surgen las técnicas
de
modelado
directo,
proporcionando
modelos
aceptables para una variedad de estructuras geológicas.
razonablemente @demás
de la
determinación de las impedancias y espesores de las capas en un medio estratificado a partir de las medidas realizadas en la superficie "a sido abordado de diversas maneras (Hoefoed, *+6+I )rellana, *+-I Jo"dy, *++I
Telford,
4eldart y 0"eriff, *++7.
MétodoTomograf í aEl éctri ca El estudio de Tomografía de >esistividad Eléctrica (T>E (-=, comúnmente encontrado en la bibliografía como E>T, abreviación de Electrical >esistivity Tomograp"y o ?Electrical &magingA (=a"lin, -77*, es un método que permite investigar la variación de la resistividad del subsuelo a profundidad y lateralmente. 0e estudia a lo largo de líneas en una dirección determinada, donde se inyecta una corriente eléctrica y mediante un dispositivo receptor se observa la respuesta del subsuelo, siendo el resultado, datos de resistividades aparentes (Cigura -.7. 0e caracteriza por ser una técnica de resistividad multielectródica, cuyo arreglo geométrico varía dependiendo del ob!etivo de estudio. $on las mediciones adquiridas se construye una sección en dos dimensiones (-= que muestra una primera aproimación de los cambios en el subsuelo. 'osteriormente, se aplica un algoritmo de inversión para obtener la distribución real de resistividades o imagen eléctrica. &magen que será un resultado
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interpretable desde un punto de vista físico y geológico, y que dará información sobre las características físicas del subsuelo. Este método geofísico fue desarrollado para la investigación de áreas de geología comple!a (4riffit"s, *++:. 0u aplicación es diversa, como en la eploración de recursos naturales y actualmente en numerosas aplicaciones ambientales, "idrogeológicas, arqueológicas y geotécnicas. 'or e!emplo/ detección y caracterización de contactos entre unidades litológicas, el lec"o
rocoso,
fracturas
y
fallas,
cavidades
subterráneas
(naturales
o
antropogénicas, túneles, pozos abandonados, tumbas y restos arqueológicosI evaluación de sitios por la presencia de rellenos sanitarios y plumas contaminantes, deslizamientos de tierraI inspección de fugas y filtraciones en ca%erías y presasI determinación de unidades acuíferas, niveles freáticos e intrusión marina, etc. a Tomografía Eléctrica se destaca con respecto a los métodos de resistividad convencionales, por tener un proceso de adquisición de datos totalmente automatizado ya que se cuenta con softE en -= la aplicación en := con una configuración tipo ?A "a tenido gran éito ($"ávez et al., -7**I $"ávez, -7** con el que se puede ?iluminarA por deba!o de construcciones. =estacando que tiene grandes venta!as/ es una "erramienta de carácter no destructivo, con un ba!o costo, es de fácil implementación, adecuado por optimización de tiempo, combinando adecuadamente resolución lateral y profundidad de investigación. En zonas urbanas esta metodología "a sido de gran utilidad si se compara con otros métodos como la sísmica, que en zonas de riesgo no es conveniente utilizar por el tipo de fuente, con los métodos potenciales, refiriéndose al estudio gravimétrico, que si bien es barato el levantamiento y procesado es muy eigenteI
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así como radar que además de ser más costoso es deficiente en zonas de alta saturación.
Factoresqueaf ectan al aresi sti vi dad. a resistividad eléctrica es un parámetro que varía en función de las características del terreno. @lgunos de los factores que lo influencian son (5ard KL 8 / F El grado de saturación del terreno. F a temperatura. F 'orosidad y la forma de los poros. F a salinidad del fluido. F El tipo de roca. F os procesos geológicos que afectan a los materiales. F a presencia de materiales arcillosos con alta capacidad de intercambio catiónico. Es precisamente esta estrec"a relación entre la resistividad eléctrica y el grado de saturación del terreno, lo que permite el utilizar estos métodos de resistividad en la búsqueda de focos de filtración de agua en el subsuelo. En este sentido, incrementos del contenido en agua del terreno provocarán disminuciones de la resistividad.
En lo que concierne a los otros factores, destacar que la salinidad
del fluido, la porosidad del terreno, y la temperatura (si bien éste es un factor poco importante, presentan un comportamiento análogo al del grado de "umedad. #n caso curioso es el de la sal, ya que ésta se comporta como un ecelente aislante en estado seco, mientras que en disolución confiere al terreno una alta conductividad.
Equi porequeri do El equipo que se precisa para la e!ecución del método consta de/ M Electrodos/ no son más que unas barras metálicas cuyo número variará en función del problema M $able/ es de gran longitud, con coneiones cada cierto intervalo a fin de poder conectar los electrodos. M $onectores/ son unos peque%os cables de cobre con pinzas en los etremos. 0on los que se encargan de conectar los electrodos al cable. M )rdenador portátil/ en él tenemos el soft
Met odol ogí adecampo. os aspectos más importantes que deberemos definir en la fase de planificación de la campa%a de campo son/ M =elimitar los ob!etivos perseguidos. M El número de perfiles a realizar y su ubicación.
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M 'rofundidad máima de investigación. M El dispositivo electródico, número y separación de los electrodos. M 1edidas preventivas que se deben adoptar para asegurar la calidad de los datos. El ?Electrical imagingA se basa en la obtención de perfiles -F= de resistividad del terreno (ver fig. *, por lo en el caso de analizar posibles filtraciones en alguna estructura lineal (i.e. presa, bastará simplemente con disponer el perfil (o perfiles de electrodos lo más paralelo posible a la traza de la estructura. En el caso de querer cartografiar en planta las posibles trayectorias del agua, bastará con disponer transversalmente a la traza del flu!o diferentes perfiles de electrodos a lo largo de su recorrido, de forma que su correlación nos permitirá establecer una imagen cuasi :F= del recorrido del agua. En cuanto al número de electrodos éste es muy variable, si bien un número cercano a B7 electrodos es bastante frecuente. Estos se disponen de forma equidistante oscilando de * a *7 m para problemas ingenieriles (4riffit"s K L 6 , si bien para problemas de filtraciones de agua un espaciado entre * y - metros es lo más aconse!able. =os aspectos muy importantes a tener en cuenta, son la profundidad máima de investigación y el área de definición del método, aspectos ambos estrec"amente ligados. En el ?Electrical imagingA el campo de definición disminuye con la profundidad (ver fig. *. En consecuencia, a la "ora de planificar el traba!o de campo "emos de tener presente esta pérdida de definición en los laterales del perfil. En el caso de querer confeccionar un perfil de gran longitud (mediante la unión de varios perfiles individuales, será necesario establecer cierto solape entre perfiles a fin de intentar reducir esta indefinición en los etremos.
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En cuanto a la profundidad máima de investigación, ésta depende esencialmente de la longitud del perfil (a mayor longitud mayor profundidad, si bien el dispositivo electródico utilizado también influirá en cierta medida (ver :.B.:.
Col ocaci óndeldi sposi ti voyadqui si ci óndel osdatos. En primer lugar se procede a colocar los electrodos en superficie de forma equiespaciada, intentando siempre que formen una línea recta. 0e deben definir cual es el origen y final del perfil a fin de no tener problemas en la fase de interpretación. 0e intentará además que la topografía del terreno sea lo más plana posible para evitar tener fenómenos anómalos en las medidas de resistividad. En el caso que esto sea inevitable, el soft
generalmente basta con clavar un poco más los electrodos, o
"umedecer el
terreno para me!orar la conductividad. #na vez está todo dispuesto, se inicia la secuencia de medidas que "ayamos predeterminado, proceso que tardará más o menos tiempo en función del número de medidas a realizar. En general obtener del orden de B77 medidas comportará un tiempo de cálculo cercano a la "ora y media. #na vez terminado todo el proceso de captura de datos, toda la información almacenada digitalmente se vuelca en el portátil, a fin de proceder a su procesado e interpretación con el programa correspondiente.
Procesadodel osdatosdecampo. Nuestro ob!etivo es obtener un modelo -F= de resistividades reales a partir de la pseudosección de resistividades aparentes obtenida del terreno. 'ara ello se precisará un programa de inversión. Estas técnicas de inversión se basan en realizar todo un proceso iterativo con el que obtener un modelo de resistividades reales, tal que el modelo de resistividades aparentes que generaría, sea lo más similar posible a la pseudosección de resistividades aparentes medida en el campo. as técnicas de inversión que eisten "oy en día se puede clasificar en dos grandes grupos ()layinDa KL + / *. ;locD inversion met"od -. 0moot"nessFconstrained inversion met"od
@parte
de las cuestiones de implementación y funcionamiento interno, el aspecto diferenciador más significativo entre estos dos métodos de inversión, reside en el tipo de problemas en el que cada una de estas técnicas es más eficiente. El ?;locD inversion met"odA ofrece buenos resultados para aquellas situaciones en las que el terreno presente grandes contrastes de resistividades, es decir que !$
tengamos regiones en donde la resistividad sea "omogénea en su interior, y a su vez muy diferenciada con respecto a las regiones adyacentes. Esto lo convierte en un método ideal para la delimitar con bastante precisión la geometría de cuerpos con resistividades muy diferenciadas entre sí (i.e. situar una tubería en un terreno bastante "omogéneo. El principal inconveniente reside en la necesidad de introducir un modelo previo, a partir del cual el ordenador procederá a iterar "asta a!ustar el modelo calculado al de campo. No obstante y dado que en problemas de filtración de agua en el subsuelo, las variaciones de resistividad del terreno serán graduales (en especial en los suelos, esta técnica no es eficiente.
El ?0moot"nessFconstrained inversion met"odA
(de4rootFOedin KL *7 , es en realidad el método de inversión óptimo para el análisis de problemas en donde tengamos variaciones graduales de resistividad en el terreno, como por e!emplo en filtraciones de agua o vertidos de contaminantes. @demás este método (basado en el ?4aussFNeE0-=&N3 ver. :.B7, soft
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*. 3erificar los datos de campo. El programa permite visualizar las medidas obtenidas a fin de poder eliminar posibles valores erróneos (se distinguen por presentar valores muy diferenciados al de los puntos adyacentes. -. =efinir el valor de los parámetros de cálculo necesarios en el proceso de inversión. os valores con los que traba!a por defecto el programa son satisfactorios en la mayoría de los problemas. :. =iscretización del terreno en bloques (manual o automática 'or defecto el programa traba!a con diferencias finitas, con un número de bloques inferior al de lecturas y cuyo tama%o aumenta un *7Q (o -BQ con la profundidad. No obstante podemos modificar manualmente la características de la discretización, así como traba!ar con elementos finitos (ideal en el caso de tener topografía irregular
I ni ci o del oscál cul os M El programa genera un modelo "omogéneo de resistividades. M 'osteriomente calcula el modelo de resistividades aparentes que se deriva del modelo de resistividades reales. M $ompara el modelo aparente calculado con el medido en el campo. M $omienza un proceso iterativo con el fin de encontrar un modelo de resistividades reales, tal que la diferencia entre el modelo de resistividades aparentes calculado y el medido sea mínimo. El proceso finaliza cuando se alcance un >10 inferior al predefinido. No obstante es frecuente limitar el número de interaciones (por defecto el programa tiene un máimo de B iteraciones. M 3isualización de los resultados/ pseudosección de resistividades aparentes medida en el campo, modelo de resistividades aparentes calculado por el ordenador y el modelo de resistividades reales.
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Resi sti vi dadel éctri cadelsubsuel o a resistividad eléctrica de las rocas puede variar en un margen muy amplio, está en función de diversos factores como la porosidad, la permeabilidad, temperatura, saturación de fluidos, la química de los fluidos, además del grado de fracturamiento y los minerales que componen estas rocas. 3er algunos e!emplos en la Tabla -.*. a "umedad es importante, diferentes grados de "umedad en un mismo terreno nos pueden llevar a interpretaciones erróneas de los materiales del subsuelo. #na topografía accidentada puede tener un efecto similar, ya que el flu!o de corriente se concentra en los valles y se dispersa en las colinas (;utler, -77B.
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Concl usi ón Estos métodos eléctricos de prospección se basan en la eistencia de variaciones de las propiedades eléctricas, en especial la resistividad de las distintas formaciones del subsuelo, teniendo como ob!etivo determinar la distribución en profundidad (resistividades y espesores de los niveles geoeléctricos presentes. Esta técnica, proporciona con!untamente información lateral y en profundidad. El sistema consta de un resistivímetro o unidad básica, un selector de electrodos y un !uego de cables multiconectores que permiten utilizar "asta 98 electrodos conmutables de forma totalmente automática a través del selector de electrodos y controlado por la unidad básica de control. a tomografía eléctrica es una "erramienta importante en la caracterización del suelo y procesos de infiltración yRo contaminación. 0u desarrollo constante a través de la me!ora de los equipos para la obtención de los datos, así como de los programas de inversión para la interpretación, "ace que su utilización sea cada vez más frecuente en el estudio de suelos y acuíferos. a investigación de los dispositivos multielectródicos que me!or se adaptan a cada caso de estudio en particular, es relevante para obtener determinaciones satisfactorias, por ello, en este caso se presentan los resultados de la aplicación de tomografía eléctrica con diferentes arreglos para estudiar un suelo con presencia de "orizontes petrocálcicos.
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Bi bl i ograf í a "ttp/RR<<<.demecanica.comRcontribucionesR4eoradarSTomologia.pdf "ttp/RR<<<.scielo.org.arRscielo.p"ppidU0*B7F-796-77+777*777*8F VscriptUsciSarttet "ttp/RR<<<.geonica.comRprodR*87R---REquiposF4E)C&0&$@FRTomografiaFElectricaF 1ultielectrodoR "ttp/RR<<<.ptolomeo.unam.m/77RmluiRbitstreamR"andleR*:-.-8.B-.*77R*:BR@ B.pdfsequenceUB "ttp/RRbiblioteca.iapg.org.arR@rc"ivos@d!untosR'etrotecniaR-779F-RTomografia.pdf
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