CAP12. Georadar

Mtodos en Teledeteccin Aplicada a la Prevencin de Riesgos Naturales en el Litoral

APLICACIN DE LA TECNICA DE GEORADAR A LOS RIESGOS LITORALES: FUNDAMENTOS, METODOLOGA, PROCESADO E INTERPRETACION DE DATOSG. Ortiz y T.M. Cresporea de Geologa, Dpto. de Biologa y Geologa, ESCET, Universidad Rey Juan Carlos C/Tulipn s/n, 28933 Mstoles. Madrid, Espaa.

INTRODUCCIN La tcnica geofsica del Georadar o GPR (Ground Penetrating Radar) constituye una herramienta de gran utilidad para la prospeccin geofsica somera, siendo sus ventajas principales su alta resolucin y la rapidez en la adquisicin de datos. Se empez a utilizar de manera habitual a partir de la dcada de los aos 1930 (Daniels, 2004), siendo sus primeras aplicaciones la estimacin del espesor de hielo en glaciares. Rpidamente, su mbito de aplicacin se hizo cada vez ms extenso, abarcando desde la localizacin de agua dulce hasta el estudio de depsitos de sal, pasando por diferentes aplicaciones estratigrficas, geotcnicas, aplicadas al medio ambiente o a los riesgos geolgicos. El estudio de la dinmica costera en ambientes dunares es otro campo de aplicacin del georadar en desarrollo (Bristow et al. 2005; Bristow y Pucillo 2006; Pedersen y Clemmensen 2005; Costas et al. 2006). A partir de la dcada de 1970 experiment una considerable expansin, y actualmente constituye uno de los mtodos de prospeccin geofsica ms utilizados y en continuo desarrollo. Entre sus aplicaciones actuales ms frecuentes se encuentran: MEDIO AMBIENTE Localizacin de bidones y/o depsitos enterrados Deteccin de plumas de contaminacin Localizacin de servicios enterrados Delimitacin de vertederos GEOLOGIA Localizacin del nivel fretico Estratigrafa del terreno Intrusin de aguas salobres y marinas Localizacin de fracturas y discontinuidades en las rocas205

Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnologa para el Desarrollo

RIESGOS GEOLOGICOS Localizacin de procesos de disolucin y/o subsidencia Estructura subsuperficial de deslizamientos Estructura y procesos erosivos en ambientes dunares ARQUEOLOGA Localizacin de estructuras antiguas Localizacin de cementerios Vestigios ancestrales GEOTECNIA Localizacin de servicios enterrados metlicos y no metlicos Deteccin de cavidades y fisuras del terreno Control de mallazo metlico Control del pavimento en carreteras Fugas de agua Patologas en la construccin

Como la mayora de los mtodos geofsicos, su aplicacin no es excluyente de la aplicacin de otros, sino todo lo contrario, es complementario y en algunas ocasiones precursor de mtodos como la tomografa ssmica, por ejemplo. En particular, las ventajas que presenta el mtodo del Georadar sobre otros mtodos tradicionales tales como la ssmica, los sondeos y perfiles elctricos, etc, son las siguientes: Mtodo no destructivo. Realizacin de medidas continuas en el espacio. Rapidez de la toma de medidas y de la interpretacin de datos. Amplia versatilidad del equipo para un gran nmero de trabajos. Ausencia de impactos ambientales (no genera ruidos, ni polvo, ni interrupciones del trfico, etc.) Mnima interferencia, e incluso simultaneidad, con las labores y trabajos habituales desarrollados en la zona de exploracin. Mnimo impacto, fundamental en reas de especial proteccin como Parques Nacionales. Aunque cada vez ms ampliamente utilizada, esta tcnica no est exenta de limitaciones y problemas que es necesario conocer para ser conscientes de su potencial real y su capacidad para resolver problemas geolgicos y ambientales concretos. Entre ellos se encuentra la dependencia de la profundidad de prospeccin, del contenido en agua y de las litologas existentes. Esta tcnica debe ser manejada por personal con la mayor experiencia posible porque es necesario tambin un procesado de datos que,206


en ocasiones, puede resultar complejo, y la interpretacin de los resultados obtenidos no es tan evidente y directa como en otros mtodos de prospeccin geofsica. En el presente trabajo se tratan los fundamentos del radar de penetracin terrestre, la metodologa de adquisicin y el procesamiento de datos bsico, junto con ejemplos de su aplicacin al estudio de los riesgos geolgicos litorales.

FUNDAMENTOS DEL GEORADAR El Georadar o GPR proporciona informacin sobre la estratigrafa del terreno en los primeros metros de profundidad. Se basa en la respuesta de los materiales del subsuelo a cortos pulsos de energa electromagntica de alta frecuencia que son emitidos por una antena. Un equipo de georadar consta tpicamente de los siguientes elementos: - una antena emisora - una antena receptora - una unidad central de adquisicin de datos - cables que conectan las antenas con la unidad central Prescindiendo de los detalles tcnicos y de modo muy bsico, el funcionamiento es el siguiente (Fig. 1): la unidad central hace que la antena emisora, situada en contacto con el suelo, emita un pulso de ondas electromagnticas, de determinada frecuencia, verticalmente hacia el interior del terreno. Las ondas viajan a travs de los materiales y en su camino experimentan la accin de tres procesos bsicos, reflexin, refraccin y atenuacin. Los procesos de reflexin y refraccin tienen lugar en la interfase entre materiales con distintas propiedades electromagnticas. La atenuacin se produce como consecuencia de la prdida de energa de las ondas electromagntica al atravesar los materiales, siendo sta mayor cuanto ms grande sea la distancia recorrida por dichas ondas. Las ondas reflejadas verticalmente viajan de vuelta hacia la superficie del terreno donde son interceptadas y recogidas por la antena receptora. Dicha antena registra tanto el tiempo transcurrido desde que las ondas salieron de la antena emisora hasta que llegaron a la receptora, como la intensidad de la seal recibida tras atravesar los materiales del subsuelo. Dicha informacin es transmitida a su vez a la unidad central que las registra y almacena de manera tanto numrica como grfica. A continuacin, se produce un desplazamiento tanto de la antena emisora como de la receptora y el proceso se inicia de nuevo, obtenindose un nuevo registro para el nuevo punto de medida. Para una informacin ms detallada puede consultarse los manuales de Reynolds (1997), Annan (2003) y Daniels (2004) entre otros. En la prctica, estas dos207


antenas suelen ir montadas en una misma carcasa, de manera que se reducen considerablemente el volumen y el peso del conjunto, permitiendo un fcil manejo de las mismas. Adems, la carcasa contiene un material que asla las antenas de la radiacin electromagntica de origen externo, lo que reduce en gran medida el ruido producido por interferencias ajenas al equipo de georadar. Se dice entonces que las antenas son apantalladas.

Fig. 1. Componentes bsicos de un equipo de georadar y fundamento de su funcionamiento. La existencia de cambios en las propiedades de los materiales da lugar a procesos de reflexin (lnea negra) y refraccin (lnea naranja) en las ondas electromagnticas.

Como se ha comentado anteriormente, las reflexiones de las ondas electromagnticas se producen por cambios en las propiedades electromagnticas de las rocas, bien por variaciones en el contenido en agua, o bien por cambios en la densidad de las rocas debidos a la presencia de superficies y discontinuidades estratigrficas. Tambin se producen cambios en la velocidad de las ondas cuando atraviesan huecos del terreno. Por tanto, el xito de esta tcnica depender en gran medida de si las superficies de inters estn asociadas con un contraste dielctrico lo suficientemente importante como para producir fenmenos de reflexin. La profundidad de penetracin y la resolucin de los datos estn en funcin de la longitud de onda y de la constante dielctrica, parmetros controlados fundamentalmente por el contenido en agua de los materiales. La resolucin y la profundidad de trabajo son inversamente proporcionales, de modo que la resolucin se incrementa con la frecuencia de emisin de la antena, pero la profundidad disminuye.208


Desde un punto de vista prctico, con el mtodo del georadar se pueden obtener perfiles del terreno en profundidad, desplazando la antena sobre la superficie, a lo largo de una direccin determinada. En la Fig. 2 se observan unas seales tpicas emitidas y recibidas por el georadar al desplazar la antena sobre el terreno. El pulso emitido por el georadar se refleja, en primer lugar, en la superficie del material y posteriormente en cualquier discontinuidad que encuentre al propagarse por ste, siempre que exista un contraste de conductividad dielctrica suficiente.

Fig. 2. Perfil de georadar mostrando diferentes reflexiones, y comparacin con el pulso electromagntico registrado (derecha).

El comportamiento de las ondas electromagnticas al penetrar en el terreno depende de los siguientes parmetros: - La conductividad elctrica, es la medida de la facilidad de paso que encuentra un impulso electromagntico al atravesar un material, y se expresa numricamente como la inversa de la resistividad. Su unidad en el S. I. es el Siemens/m. - La constante dielctrica, es la magnitud fsica en la que se basa el georadar y representa la permitividad al paso de un impulso electromagntico con respecto a la permitividad que presenta el vaco. Es, por tanto, un factor adimensional. En la prctica esta constante depende de la conductividad elctrica y del espesor de material atravesado.209


- La utilizacin del georadar se fundamenta en las reflexiones inducidas sobre un impulso electromagntico al pasar de un material a otro, entre los que existe un contraste de sus respectivas constantes dielctricas. - La velocidad de propagacin de una onda electromagntica depende del material atravesado y de la frecuencia de la seal emitida. En general, esta velocidad es mayor en el aire o en materiales secos, que en agua o materiales hmedos. - El coeficiente de atenuacin del material expresa la perdida de energa que sufre la seal emitida al atravesar el medio por el que se transmite. La unidad de medida es dB/m. Este coeficiente aumenta con el contenido en agua, la conductividad elctrica, la dispersin producida por una composicin heterognea, y el contenido en partculas metlicas. La propagacin de la seal emitida depende de las propiedades del subsuelo (conductividad, permitividad dielctrica, y permeabilidad magntica). La conductividad elctrica de suelos y rocas y la trayectoria que recorren estas ondas, limitan mediante prdidas de energa la profundidad a la que estas ondas pueden viajar. La capacidad de penetracin es exclusiva por tanto del lugar de trabajo, ya que las propiedades electromagnticas de la Tierra no son siempre iguales. Tambin est condicionada por la frecuencia de la antena utilizada y por la eficiencia en transmitir radiacin. Antenas de baja frecuencia ( de 200 Mhz) tienen menor penetracin pero mayor resolucin. Los suelos arcillosos y/o ricos en contaminantes inicos en contacto con agua (niveles freticos), provocan un aumento de la conductividad elctrica del subsuelo, disminuyendo la capacidad de penetracin del georadar, y provocando una atenuacin de su seal. Debido a la alta frecuencia de las seales emitidas por las antenas de georadar (desde 10 MHz a 2 GHz), su atenuacin es muy rpida y, por lo tanto, la profundidad del terreno a la que pueden penetrar estas seales produciendo ecos perceptibles e interpretables est limitada. En medios favorables y con una antena de baja frecuencia puede llegarse a profundidades operativas de hasta unos 25 m, aunque en la mayora de los casos, la profundidad efectiva de penetracin no suele exceder de los 20 m. Cada litologa, hueco, discontinuidad, contacto, etc. provocar una reflexin distinta de las ondas electromagnticas, cuyo anlisis permitir diferenciar que tipo de anomala est presente en el medio analizado.210


De esta manera, se puede obtener un perfil del terreno en profundidad desplazando el conjunto de antenas emisora-receptora sobre la superficie del mismo, a lo largo de una direccin predeterminada, obteniendo un perfil de alta resolucin del mismo (Fig. 3).

Fig. 3. Obtencin de un perfil de georadar. Se observa el desplazamiento de la antena con un odmetro acoplado, que enva la seal recibida a la unidad de control por el cable de conexin.

La toma de datos puede hacerse de distintas maneras: - En modo continuo: supone el ir tomando datos de manera continua a medida que las antenas son desplazadas por el terreno. A su vez, esto puede realizarse estableciendo un nmero fijo de mediciones por cada intervalo de tiempo (e.g. 20 medidas por segundo) o bien estableciendo un nmero de mediciones por unidad de distancia (e.g. cinco mediciones por metro). En el primer caso, para obtener buenos resultados es necesario que las antenas puedan desplazarse sin obstculos a lo largo de la superficie del terreno y a una velocidad constante. En el segundo, es necesario acoplar un odmetro o rueda marcadora a las antenas para que la emisin de las ondas electromagnticas se haga justo cuando estas hayan recorrido la distancia predeterminada. Este ltimo mtodo tiene la ventaja de poder parar el desplazamiento de las antenas si existe un obstculo, no siendo necesario mantener una velocidad de desplazamiento constante. - En modo punto a punto las antenas se sitan sobre el terreno en el lugar donde se quiere medir y entonces se realiza la emisin de las211


ondas electromagnticas que son registradas por la antena receptora. Luego, las antenas se desplazan hasta el siguiente punto de medida y se repite el proceso de adquisicin de datos. Este mtodo es especialmente til en terrenos con numerosos obstculos que no permiten un desplazamiento continuo de las antenas sobre la superficie. Por otra parte, es necesario definir una serie de parmetros previamente a la toma de datos. Aunque estos pueden depender de las caractersticas propias de cada equipo de georadar, hay tres de ellos que son comunes a todos los sistemas: - La resolucin espacial, o lo que es lo mismo, el espaciado horizontal de los datos. Se trata de definir el intervalo espacial en el que se va a tomar medidas a lo largo de los perfiles realizados, y est directamente relacionado con el modo de adquisicin. En caso de optar por el modo continuo sin odmetro, habr que transformar posteriormente las medidas por unidad de tiempo en medidas por unidad de longitud, viniendo as definida su resolucin espacial. En el caso de utilizar un modo continuo con odmetro o un modo punto a punto, la resolucin espacial se establece directamente por el operador. sta debe escogerse adecuadamente al objetivo prospectado. Si se va a realizar un perfil de gran longitud (varios cientos de metros) para determinar por ejemplo el espesor de arena en una playa, no tiene sentido escoger un intervalo de medidas muy pequeo (por ejemplo, de 2 3 cm) ya que dar origen a ficheros de gran tamao, cuyo procesamiento ser lento. En ese caso, un intervalo de 10 cm o mayor ser ms que suficiente. Si por el contrario se est estudiando la estructura interna de una duna de pequeo tamao, puede ser aconsejable utilizar una mayor resolucin espacial, y utilizar por tanto un intervalo de medidas de 5 cm o incluso menor. - La ventana de tiempos dobles, es decir, el periodo de tiempo durante el que la antena receptora est recibiendo las seales emitidas por la emisora. La unidad de medicin utilizada es el nanosegundo (1 ns = 10-9 segundos). Cuanto mayor es el tiempo doble mayor es la profundidad de prospeccin. Se denomina tiempo doble porque es el empleado por las ondas en penetrar en el terreno, reflejarse en un cambio de material y volver de nuevo a la superficie. D ebido a la atenuacin, llega un punto en que la energa de las ondas electromagnticas disminuye tanto que no son capaces de llegar a la superficie, por lo que por mucho que aumentemos la ventana de tiempos dobles no registraremos ondas sino ruido ambiental. Por tanto, la ventana de tiempos dobles debe definirse, en primer lugar, en212


funcin de la profundidad de exploracin deseada (no tiene sentido utilizar una ventana de tiempos de 200 ns si el objetivo a prospectar se encuentra a tan solo 50 ns), y en segundo lugar, en funcin de la antena utilizada, ya que a menor frecuencia la atenuacin es menor y podemos utilizar ventanas de tiempo doble mayores. Un tpico rango mximo de tiempo doble para una antena de 200 Mhz sera de 100 a 200 ns, mientras que para una antena de 100 Mhz puede llegarse a 500 ns. - La resolucin temporal es el nmero de mediciones a realizar para la ventana de tiempos dobles seleccionada. Este parmetro es el equivalente a la resolucin vertical (condicionada por la frecuencia de la antena utilizada). Si, por ejemplo, se va a utilizar una ventana de tiempo doble de 100 ns, con la resolucin temporal el operador selecciona cuantas mediciones se van a tomar a lo largo de esos 100 ns, es decir el intervalo de muestreo vertical. Escogiendo un total de 50 muestras, la resolucin temporal sera de 1 valor registrado cada 2 ns, o lo que es lo mismo, eventos que tuvieran menos de 2 ns de tamao no podran ser registrados. Si aumentamos la resolucin temporal a un total de 100 muestras, nuestra resolucin aumentara a 1 valor cada 1 ns. De esta manera podemos controlar la resolucin temporal, y por tanto vertical, de los registros efectuados. Por ltimo, antes de comenzar la toma de datos es necesario determinar la manera en la que se recoger la informacin acerca de las variaciones topogrficas del perfil. Siempre que exista una diferencia topogrfica importante a lo largo de la zona investigada, es necesaria determinarla e incluirla en los radargramas obtenidos. Esto puede hacerse durante el proceso de adquisicin de datos o con posterioridad a los mismos. La mayor parte de los equipos de georadar modernos permiten incorporar un GPS de manera que la seal que recibe la antena se combina con la del GPS quedando registrado a la vez tanto el pulso recibido como la altura topogrfica de cada punto de medida. Otra posibilidad es realizar primero el perfil de georadar marcando los puntos de inicio y final, y despus realizar el levantamiento topogrfico con una estacin total, e integrar ambos conjuntos de datos con el programa informtico de tratamiento utilizado. Hay que tener en cuenta que los registros de georadar sufren deformacin para pendientes mayores de 6. Valores superiores a ese precisan la realizacin de correcciones (Lehmann y Green, 2000). Calibracin del equipo Con anterioridad a la toma de datos en campo es necesario calibrar el equipo especficamente para la litologa sobre la que se va a trabajar,213


operacin imprescindible para asegurar la fiabilidad de las medidas y poder obtener profundidades reales. Para transformar la escala de tiempos en una escala de profundidad real es necesario conocer la velocidad de transmisin de las ondas electromagnticas o, lo que es lo mismo, la constante dielctrica relacionada con ella. La constante dielctrica (o permitividad dielctrica relativa) es una medida de la capacidad de un material para almacenar una carga cuando se le aplica un campo elctrico, en relacin con la misma capacidad para evacuarla. En la Tabla 1 se muestra un listado de los valores aproximados de la constante dielctrica de las litologas ms representativas.Material Aire Agua dulce Agua de mar Nieve Hielo Arena (seca) Arena (saturada) Arcilla (saturada) Suelo Suelo arcilloso (seco) Yeso* Yeso alterado* Tierra de labor Granito Caliza Basalto Pizarra Arenisca (saturada) Carbn Permitividad dielctrica 1 81 81 1.4-3 3.2 3-6 25-30 8-15 16 3 5.5 11.9 15 5-8 7-9 8 7 6 4-5 Velocidad (cm/ns) 30 3.3 3.3 19-25 16.5 12-17 5.5-6 8.5-11 7.5 17 12.7 8.7 7.7 10.5-12 10-11 10.5 11 11 13.5-15

Tabla 1. Modificada de Reynolds, (1997). * Tomado de Holub, P. y Dumitrscu, T. (1994).

A pesar de que existen valores tabulados para las principales litologas, es evidente que cada zona de estudio tiene unas caractersticas dielctricas particulares debido a las heterogeneidades que presenta cualquier litologa, mxime en este tipo de rocas de origen sedimentario. Esto provoca que para obtener un valor medio aplicable a todos los perfiles sea necesario realizar unos perfiles de calibracin, y posteriormente calcular una constante adecuada al medio. Para ello, se sita el equipo sobre una zona en la que se214


tenga conocimiento de la profundidad a la que se localiza una determinada anomala y se aplica la siguiente expresin, c = velocidad de la luz(3.108 m/s). t = tiempo en segundos. 2 d = espesor de material c 2d recorrido por la onda en metros.

r = ts

Una manera sencilla de realizar la calibracin es utilizar un objeto metlico situado a una profundidad conocida, por ejemplo una barra metlica (Fig. 4). Como las reflexiones de la barra son claramente visibles en el radargrama, se puede utilizar su profundidad y el tiempo en el que aparecen registradas en el radargrama las reflexiones debidas a dicho objeto en la expresin anterior, con el fin de determinar la constante dielctrica. Otro mtodo comnmente utilizado para la obtencin de velocidades es el del punto reflector comn (o common mid point, CMP). Consiste en situar la antena emisora y la receptora muy prximas entre s e ir realizando mediciones a medida que se van separando progresivamente. El radargrama obtenido mostrar una serie de reflectores inclinados de manera que la pendiente de cada uno de ellos est relacionada con su velocidad real. As, es posible identificar los diferentes reflectores y determinar sus velocidades, pero para ello es necesario que dichos reflectores sean horizontales y continuos.

Fig. 4. Fotografa del procedimiento de calibracin con el radargrama obtenido.

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REPRESENTACIN DE DATOSLas ondas medidas pueden ser representadas de dos maneras: como trazas (una curva que une los valores de amplitud de la seal recibida en cada punto de medida); o bien utilizando escalas de color (cada rango de amplitud de la seal recibida corresponde a un color determinado). En la Fig. 5 se muestran los dos modos de representacin de las ondas, as como la relacin entre ambas. El grfico con el registro de la amplitud de las ondas electromagnticas recibidas a lo largo de un perfil, sea cual sea su modo de representacin, recibe el nombre de radargrama.

Fig. 5. Ejemplos de representacin de los datos de georadar: modo traza (izquierda) o en modo escala de colores (centro). A la derecha se muestra un detalle de la escala de color y su relacin con la amplitud de la seal.

PROCESADO DE DATOSEl procesado puede modificar de manera notable los datos originales de campo de manera que, si no se realiza adecuadamente, pueden obtenerse resultados que estn muy alejados de la realidad. Por tanto, es aconsejable prudencia y evitar caer en el sobretratamiento de los datos originales. Este hecho tambin ha contribuido a que no haya una uniformidad en cuanto al procesado bsico a aplicar a los radargramas originales, de manera que cada usuario tiende a aplicar su propio esquema de procesado. En ocasiones hay coincidencias en cuanto a las correcciones a aplicar, pero en muchas otras no coinciden ni las herramientas de tratamiento ni el orden en el que se aplican (p. ej. Neal, 2004). Los ejemplos de las Fig. 6 y 7 ilustran un esquema de procesado de datos muy bsico que permite mejorar los radargramas de campo, y dejarlos preparados para proceder a su interpretacin posterior.La secuencia de procesado propuesta es la siguiente:

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1 Edicin. El primer paso consiste en la edicin de los datos para detectar y corregir dichos errores de campo, as como unir perfiles, invertir su orientacin en caso de que sea necesario. 2 Dewow. Durante la adquisicin de los datos es frecuente que se produzca un proceso de induccin electromagntica que se manifiesta en los radargramas como una componente de baja frecuencia. Dicha componente puede eliminarse mediante la aplicacin de un filtro que deje pasar solo las frecuencias por encima de cierto valor definido por el usuario, eliminando por tanto las bajas frecuencias. Dicho procesado se denomina dewow en la mayor parte de los programas informticos de tratamiento de datos de georadar. 3 - Correccin de tiempo cero. El tiempo cero se define como el que corresponde a la posicin de la superficie del terreno en el radargrama, y suele asimilarse a la posicin del primer pico de amplitud positivo en cada punto de medida del radargrama. Es frecuente que dicho tiempo cero vare a lo largo de un mismo perfil, debido a variaciones en la diferencia de temperatura entre la electrnica del equipo y el aire, o bien a variaciones en el acoplamiento entre la entena y el terreno. Por ello, este procesado realinea esa primera llegada positiva de las ondas para que no haya una deriva entre ellas y la conversin a profundidades sea lo ms precisa posible. 4 Filtrado de alta frecuencia. En los registros de campo puede aparecer ruido en forma de altas frecuencias que es preciso eliminar para mejorar la relacin seal/ruido y favorecer la interpretacin. La aplicacin de filtros de paso banda permite conservar las frecuencias comprendidas entre dos valores seleccionados por el usuario. Los filtros de paso baja definen un lmite mximo de frecuencias, de manera que las que son superiores a dicho lmite son eliminadas de los datos originales. 5 - Filtros espaciales. Estos pueden ser de dos tipos, en funcin del resultado que se persiga: filtros de paso bajo, cuando se quieren resaltar reflectores horizontales o eliminar reflexiones hiperblicas y reflectores con fuerte buzamiento, o bien filtros de paso alto, si lo que se pretende es eliminar bandeados horizontales para resaltar reflectores con buzamiento y reflexiones hiperblicas. 6 Migracin. Se utiliza en el caso de que existan reflectores con fuerte inclinacin. La migracin es un procesado heredado del tratamiento de los datos de ssmica de reflexin y que tiene como finalidad hacer desaparecer las reflexiones hiperblicas que pueden aparecer en los perfiles, as como restituir los reflectores inclinados a su verdadera posicin. Para llevar a cabo este procesado, es necesario conocer de manera precisa la velocidad de217


propagacin de las ondas electromagnticas en los diferentes materiales presentes en la zona prospectada. 7 La ganancia es una funcin que permite amplificar las amplitudes de onda selectivamente de acuerdo a la profundidad deseada. Estas curvas suelen ser de tipo lineal o, principalmente, exponencial. 8 Correccin por topografa. En el caso de que exista una diferencia topogrfica importante a lo largo del perfil, como puede ser en el estudio de dunas, el ltimo procesado a realizar sera la correccin de elevacin. Esta correccin va acompaada de la transformacin de los tiempos dobles en profundidades reales utilizando la velocidad de propagacin de las ondas electromagnticas determinada para cada caso concreto.

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Fig. 6. Ejemplo de la secuencia de procesado de un radargrama realizado en arenas elicas en una zona litoral. a) Datos en crudo obtenidos en el campo; b) Radargrama original tras aplicar un filtro de tipo dewow; c) Tras aplicar la correccin de tiempo cero y un filtro de paso banda; d) Una vez aplicado un filtro espacial de paso alto; e) Radargrama migrado y f) Radargrama final aplicando una nueva curva de ganancia.219


Fig. 7. Ejemplo de la secuencia de procesado de un radargrama realizado en una duna litoral: a) Datos en crudo obtenidos en el campo; b) Radargrama original tras aplicar un filtro de tipo dewow; c) Tras aplicar la correccin de tiempo cero y un filtro de paso banda, d) Una vez aplicado un filtro espacial de paso alto; e) Radargrama migrado; f) Radargrama final aplicando una nueva curva de ganancia; g) Resultado final tras la aplicacin de la correccin de elevacin.220


INTERPRETACIN DE LOS RADARGRAMASLa parte ms subjetiva de la aplicacin del mtodo de georadar en geologa en general, y en ambientes litorales en particular, es la de la interpretacin geolgica de los radargramas obtenidos. Para minimizar esa subjetividad en la medida de lo posible, es necesario disponer de cuanta ms informacin adicional e independiente posible mejor (sondeos y/o catas, resultados de otras tcnicas geofsicas, etc). Adems de esa informacin, es necesario realizar una interpretacin de los reflectores obtenidos de una manera lo ms sistemtica y ampliamente aceptada posible. Para ello, en estudios de tipo sedimentolgico, se suelen utilizar los principios descritos en la estratigrafa ssmica y que son sintetizados por ejemplo en Neal (2004). Resumiendo dichos principios, los radargramas se interpretan identificando unidades denominadas facies radar que estn separadas entre s mediante superficies radar. Las superficies radar constituyen lmites de reflectores que corresponden a interrupciones en el proceso de sedimentacin y/o truncaciones erosivas. A los conjuntos bi- o tridimensionales de reflectores comprendidos entre las superficies radar se les denomina facies radar. Cada una de las facies radar, en funcin de sus caractersticas geomtricas (por ejemplo, forma, buzamiento, continuidad y relaciones entre de las reflexiones) corresponder a un ambiente de sedimentacin y/o proceso formativo. Por ello, la adecuada identificacin de las superficies y facies radar permitir desentraar los ambientes y procesos de formacin que han dado lugar a la acumulacin de determinados materiales en ambientes litorales. Algunas de las limitaciones ms importantes de la tcnica del georadar en estudios litorales se deben a la fuerte atenuacin que sufren las ondas electromagnticas en presencia de materiales saturados en agua salada. Es bien conocido el hecho de que los materiales muy conductores provocan una fuerte atenuacin de las ondas electromagnticas limitando enormemente su capacidad de penetracin, y por tanto la profundidad investigada. En zonas litorales, es frecuente que la posicin de la interfase sedimento-agua salada se encuentre cercana a la superficie, de manera que va a ser la profundidad de esta interfase la que condicione el lmite real de la profundidad de prospeccin alcanzada, independientemente de la frecuencia de las antenas utilizadas. Otra limitacin importante resulta de la relacin inversamente proporcional entre frecuencia de las antenas y resolucin vertical, o lo que es lo mismo, entre la profundidad de investigacin y la resolucin de las estructuras que pueden ser observadas en los radargramas. De esta manera, en estudios en los que se pretenda alcanzar profundidades superiores a la decena de metros no va a ser posible obtener una resolucin vertical capaz de discernir estructuras sedimentarias de tamao inferior a 1 metro, estando limitados los estudios de alta resolucin al uso de antenas de alta221


frecuencia pero solo para los primeros metros de profundidad (3-4 m aproximadamente) bajo la superficie.

EJEMPLOS DE APLICACIN DE LA TCNICA DE GEORADAR A LOS RIESGOS LITORALESComo se ha mencionado en la introduccin de este captulo, el georadar se ha convertido en una tcnica con numerosas aplicaciones al estudio de los riesgos naturales. Aqu se van a destacar las aplicaciones encaminados a la caracterizacin de los materiales sedimentarios en los que quedan registrados los eventos que tradicionalmente provocan riesgos litorales. Entre ellos destacan los episodios de tormenta, los tsunamis o las variaciones del nivel del mar. Recientemente, la tcnica de georadar se ha aplicado a la caracterizacin de las rocas que forman las costas acantiladas. Se hace absolutamente necesario un conocimiento profundo de este tipo de materiales, con el objeto de determinar su comportamiento geomecnico, as como de estimar el riesgo potencial de cada de bloques. Al final, lo que se pretende es contribuir a una adecuada ordenacin territorial de los espacios costeros, a menudo sujetos a una alta ocupacin turstica. El georadar es una herramienta que aporta muy buenos resultados en materiales sedimentarios de grano medio-grueso, es decir, en sedimentos de baja conductividad elctrica. Resulta especialmente til en la determinacin de la arquitectura deposicional, as como de las distintas unidades sedimentarias definidas por las distintas facies de radar. Tanto los sucesivos episodios sedimentarios como las interrupciones/truncaciones de la sedimentacin, provocadas por eventos temporales y de carcter catastrfico, son perfectamente reconocibles en los radargramas obtenidos en los perfiles de georadar. En los ltimos aos son varios los estudios de aplicacin de esta tcnica a materiales sedimentarios en zonas litorales, poniendo de relieve la historia sedimentaria de materiales y de procesos a partir de la identificacin e interpretacin de las facies de radar. Buen ejemplo lo constituyen los estudios recientemente publicados sobre la dinmica del campo dunar activo de la flecha del Fangar, en el Delta del Ebro (Espaa). En Gmez-Ortiz et al. (en prensa) y Rodrguez-Santalla et al. (2008) se establece la estructura interna de dunas barjanoides del delta del ro Ebro a partir de los datos obtenidos con georadar. Los autores definen varias zonas con diferentes caractersticas geomorfolgicas de las dunas, aportando la estructura interna de las dunas de cada una de estas zonas y, por tanto, permitiendo confirmar las interpretaciones que sobre la dinmica litoral de esta zona se haban publicado previamente. Esta zona es altamente sensible a la presin antrpica, y el conocimiento de la estabilidad y evolucin del campo dunar222


son fundamentales. Un ejemplo de la interpretacin de los perfiles de georadar que se realizaron en la zona se puede observar en la Fig. 8. El georadar ha permitido observar con claridad la estructura interna de una duna de gran tamao, perteneciente a la zona con menor movimiento efectivo de arena de todo el campo dunar. Se han podido diferenciar con claridad tres facies de radar, adems de identificar el reflector producido por el nivel fretico, y se han marcado las direcciones de viento y de migracin de la duna. En este ejemplo, el georadar ha revelado las estructuras internas de las dunas de las distintas zonas de una manera muy detallada en una zona de alta proteccin, como es el delta del Ebro. Los radargramas han completado y confirmando los datos de los que se dispona sobre la dinmica del campo dunar y, a mayor escala, la dinmica elica global de la flecha del Fangar, es decir, del hemidelta norte. Esta zona lleva sufriendo continuos cambios en su morfologa, evidenciando variaciones en la dinmica costera de la zona. Este tipo de estudios estn contribuyendo de manera importante al conocimiento de la dinmica del Parque Natural del Delta del Ebro, una de las zonas ms sensibles a los efectos de la presin antrpica sobre el litoral espaol. Otro ejemplo de estructura interna de dunas, en este caso inactivas, puede observarse en la Fig. 9. Corresponde a un radargrama obtenido por los autores en una zona litoral de la Estaca de Bares (La Corua). El rea se encuentra actualmente erosionada y la morfologa dunar ya no es visible, por lo que la determinacin de la geometra interna y la direccin de migracin dunar es solo posible con el uso de la tcnica del georadar o, en su defecto, la realizacin de una cata, aunque esto ltimo tiene la desventaja de ser una tcnica destructiva. En el radargrama puede identificarse fcilmente la posicin del nivel fretico, a unos 3 metros de profundidad, y por encima de l se aprecian numerosas facies radar con lmites bien definidos a partir de truncaciones o interrupciones de los reflectores.

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Fig. 8. (A) Fotografa de campo del perfil. (B) Radargrama procesado y migrado. (C) Interpretacin del radargrama en el que se aprecian tres unidades diferentes. La primera (de 18 a 48 m) est constituida por reflectores paralelos describiendo una geometra general convexa hacia arriba con algunas truncaciones locales. Sobre esta unidad, otra diferente (de 48 a 62 m) est definida por reflectores inclinados unos 22 hacia el SE que se superpone parcialmente a la unidad anterior. La tercera unidad (de 52 a 60 m) est definida por una cua de techo plano que parece superponerse parcialmente a la unidad anterior. A: Foresets; B: superficies radar; C: estratificacin cruzada tabular-planar.

Estas facies radar estn definidas fundamentalmente por reflectores inclinados correspondientes a los foresets de migracin de las dunas, indicando un sentido de avance de las mismas hacia el norte, aunque tambin hay algunos definidos por reflectores subhorizontales o alabeados que pueden corresponder a momentos de menor energa y, por tanto, de escasa migracin dunar, en los que predomina la sedimentacin frente al transporte de material.

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Fig. 9. (A) Radargrama procesado y migrado. (B) Interpretacin del radargrama en el que se aprecia la posicin del nivel fretico a unos 3 m de profundidad, as como numerosas facies radar de reflectores inclinados y subhorizontales que permiten respectivamente determinar que la direccin de migracin de las dunas es hacia el norte, as como identificar eventos de menor energa y, por tanto, de predominio de la sedimentacin frente al transporte elico.

Ejemplos de la aplicacin de esta tcnica en secuencias deltaicas lo constituyen los trabajos de Kostic et al. (2005) y de Bennett et al. (2008). En un delta de grava cuaternario, Kostic et al. (2005) identifican tres grandes unidades sedimentarias, y determinan la secuencia deposicional a partir de las distintas facies de georadar diferenciadas. Tambin en este tipo de ambientes, Bennett et al. (2008) determinan la historia deposicional de la playa de Chesil Beach, Dorset, una de playas ms famosas de Gran Bretaa. Mediante el uso del georadar determinan la existencia de tres fases de evolucin de la playa, que se correlacionan perfectamente con los correspondientes eventos de variacin del nivel del mar definidos en la zona. Trabajos similares en terrazas costeras cuaternarias en New Jersey (Estados Unidos) realizados por ONeal & McGeary (2002), reflejan claramente los distintos eventos de variacin del nivel del mar en los ltimos 500.000 aos. En sedimentos de grano medio, Jol et al. (2002) determinan el espesor y la estructura sedimentaria en 2D y 3D de un espign en progradacin cubierto por un cordn de dunas vegetadas. Los depsitos y estructuras erosivas resultantes de los efectos de las tormentas sobre el litoral son algunos de los materiales en los que se ha225


aplicado esta tcnica con ms xito. En este sentido, cabe destacar los buenos resultados obtenidos en barreras arenosas en distintas zonas. En la costa de Estados Unidos, el georadar ha puesto de manifiesto la existencia de varios escarpes provocados por eventos tormentosos severos, en la actualidad enterrados bajo el escarpe actual (Buynevich et al., 2004). El registro sedimentolgico en esta zona ha registrado la ocurrencia de sucesivos episodios de grandes tormentas en el Atlntico Norte durante los ltimos 3000 aos. Estos eventos catastrficos han dejado su impronta a modo de secuencias costeras de inundacin, depsitos elicos truncados, y tambin con la deposicin de niveles sedimentarios con elevadas concentraciones en minerales pesados movilizados y transportados hasta all por estas tormentas. El mayor contraste electromagntico de este tipo de niveles enriquecidos en minerales pesados queda visible en los radargramas en forma de reflectores continuos perfectamente delineados. Tambin en este tipo de materiales, pero en este caso en la costa de Australia, Switzer et al. (2006) consiguen establecer la estructura y evolucin sedimentaria de sistemas arenosos de barrera-lagoon holocenos. Una evolucin claramente marcada por depsitos de inundacin a gran escala provocados por la accin de tormentas y, en algunas ocasiones, tsunamis precedidos por los correspondientes episodios erosivos. En este estudio se define el georadar como un mtodo sencillo, no invasivo, y muy til en la identificacin de signaturas erosivas de inundaciones prehistricas, a gran escala provocadas por storm surges, oleajes excepcionalmente grandes y tsunamis. En la costa de Essex (Inglaterra), y a partir de la utilizacin de georadar con una antena de alta frecuencia, Neal et al., (2002) proponen dos modelos de evolucin para depsitos de barras de conchas. El estudio detallado de estas secuencias de radar de importante detalle (a mayor frecuencia, mayor detalle pero tambin menor penetracin) les lleva a poder definir modelos de evolucin de estas estructuras costeras basados en la sucesin de procesos relacionados, principalmente, con eventos de tormenta y/o mareas altas. Otra conclusin importante de este trabajo es la confirmacin de la idoneidad de esta tcnica en este tipo de depsitos. Una de las ltimas aplicaciones del georadar ha sido en la caracterizacin geomecnica de las rocas que conforman un acantilado en la costa italiana de Lecce (Leucci, 2007). El uso combinado de georadar, tomografa elctrica y ssmica de refraccin, unido a los datos geolgicos y geomorfolgicos existentes, ha permitido la realizacin de modelos en 3D de las rocas de un acantilado. Los riesgos palpables que previamente se haban detectado en este acantilado estaban definidos por la presencia de cavidades de disolucin y zonas altamente alteradas. Estos modelos han permitido conocer el estado en profundidad de las rocas de este acantilado y, en concreto, el georadar ha puesto de relieve la existencia de una red de fracturacin paralela al226


acantilado, a travs de la cual se est favoreciendo la alteracin y denudacin del mismo. Es evidente que el conocimiento profundo de las caractersticas geomecnicas de las rocas de costas acantiladas se hace necesario en previsin de riesgos de cada de bloques y, consecuentemente, de cambios en la balance erosin-sedimentacin de cada tramo de costa. En definitiva, el conocimiento profundo de los materiales y procesos que han tenido lugar en las costas es absolutamente necesario, mxime en pases con numerosos kilmetros de costa, tanto baja como acantilada. Estos escenarios son, a menudo, zonas de alta proteccin medioambiental, en las que la legislacin nicamente permite la utilizacin de tcnicas no invasivas ni destructivas. El georadar se revela, por tanto, como una tcnica idnea en este tipo de estudios encaminados a conocer detalladamente el estado de los materiales y los procesos litorales que all se han producido, cuyo conocimiento minimizar los riesgos naturales de la zona.

AGRADECIMIENTOSEste trabajo es una contribucin a la Red Iberoamericana en Teledeteccin aplicada a la Prevencin de Riesgos Geolgicos Litorales, financiada por el Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnologa para el Desarrollo (CYTED).

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Documents

CAP12. Georadar