texto geofísica (contenido de geofísica aplicada contenido mínimo)

7/31/2019 texto geofsica (contenido de geofsica aplicada contenido mnimo)

1/89

TEXTO DE

GEOF SI CA APLI CADA

La Paz - Bolivia


2/89

TEMA 1: INTRODUCCIN

La geofsica estudia la tierra en su composicin y dinmica, sobre la base de medidas de tipofsico que normalmente se realizan desde la superficie del planeta. Cuando este estudio tieneque ver con reas relativamente pequeas y profundidades que no sobrepasen mximo unos

pocos kilmetros, para obtener un fin econmico inmediato, se habla de geofsica aplicada, yel conjunto de mtodos para obtener ese fin constituyen la prospeccin geofsica.

Se pueden inferir informaciones sobre la composicin del subsuelo mediante algn parmetrofsico medido en superficie, que puede ser la velocidad de una onda mecnica, o variacionesde un campo gravitacional producidas por diferencias de densidad, o la intensidad de unacorriente asociada a la mayor o menor facilidad de propagacin de las cargas elctricas.Los mtodos ofrecen una forma de obtener informacin detallada acerca de las condicionesdel suelo y rocas del subsuelo. Esta capacidad de caracterizar rpidamente las condiciones delsubsuelo sin perturbar el sitio ofrece el beneficio de costos ms bajos y menos riesgo, dandomejor entendimiento general de las condiciones complejas del sitio. Es necesario a menudoutilizar ms de un mtodo para lograr obtener la informacin deseada.Para poder aplicar un mtodo geofsico en una prospeccin, es necesario que se presente doscondiciones importantes:

- que existan contrastes significativos, anomalas que se pueden detectar y medir.- que estos contrastes se puedan correlacionar con la geologa del subsuelo.

Mtodos de Prospeccin desde la Superficie:

Prospeccin Gravimtrica.-

El mtodo est basado en el estudio la variacin del componente vertical del campogravitatorio terrestre. Se realiza mediciones relativas o es decir se mide las variacioneslaterales de la atraccin gravitatoria de un lugar al otro puesto que en estas mediciones se

pueden lograr una precisin satisfactoria ms fcilmente en comparacin con las medicionesdel campo gravitatorio absoluto.

El mtodo gravimtrico se emplea como un mtodo de reconocimiento general en hidrologasubterrnea para definir los lmites de los acuferos (profundidad de las formacionesimpermeables, extensin de la formacin acufera, naturaleza y estructura de las formacionesdel subsuelo).

Mtodos Magnticos.-

La tierra es un imn natural que da lugar al campo magntico terrestre. Las pequeasvariaciones de este campo, pueden indicar la presencia en profundidad de sustanciasmagnticas. El mtodo magntico sirve para dar informacin sobre el basamento y su

profundidad particularmente para entornos cristalinos y metamrficos. De igual maneraayudar a estudiar la geologa regional y estructural.

Mtodos Electromagnticos.-

Los dos mtodos ms utilizados en estudios hidrogeolgicos son:

Very Low Frequency (VLF): Medidas electromagnticas que permiten delimitarlas fracturas o fallas de un acufero. Particularmente til en caso de estudio deacuferos fracturados como los sistemas karticos. Sondeos Electromagnticos en el dominio temporal (SEDT o TDEM en ingles): Elmtodo tiene ventajas sobre mtodos electromagnticos entre otras por su capacidad demayor poder de penetracin que permite obtener informacin hasta profundidad msaltas y a travs de recubrimientos conductores.


3/89

Ssmica.-

Produciendo artificialmente un pequeo terremoto y detectando los tiempos de llegada de lasondas producidas, una vez reflejadas o refractadas en las distintas formaciones geolgicas, se

puede obtener una imagen muy aproximada de las discontinuidades ssmicas. Estasdiscontinuidades coinciden generalmente con las discontinuidades estratigrficas.Los mtodos ssmicos se dividen en dos clases:

El mtodo ssmico de reflexin es el ms empleado en prospeccin petrolfera yaque permite obtener informacin de capas muy profundas. Permite definir los lmites

del acufero hasta una profundidad de 100 metros, su saturacin (contenido de agua),su porosidad. Permite tambin la localizacin de los saltos de falla.

El mtodo ssmico de refraccin es un mtodo de reconocimiento generalespecialmente adaptados para trabajos de ingeniera civil, prospeccin petrolera, yestudio hidrogeolgicos. Permite la localizacin de los acuferos (profundidad delsustrato) y la posicin y potencia del acufero bajo ciertas condiciones.

Mtodos Elctricos.-

Estos mtodos utilizan las variaciones de las propiedades elctricas, de las rocas y minerales,y ms especialmente su resistividad. Generalmente, emplean un campo artificial elctrico

creado en la superficie por el paso de una corriente en el subsuelo.Se emplean como mtodos de reconocimiento y de detalle, sobre todo en prospeccin deaguas subterrneas. Los mapas de isoresistividad permiten definir los lmites del acufero, elnivel del agua en los acuferos, la presencia de agua salada y permite la cartografa de lasunidades litolgicas. Los mtodos geoelctricos pueden clasificarse en dos grandes grupos:

En los mtodos inductivos se trabajan con corrientes inducidas en el subsuelo apartir de frecuencias relativamente altas (entre 100 Hz y 1MHz). En el caso de los mtodos conductivos, se introduce en el subsuelo una corrientecontinua o de baja frecuencia (hasta unos 15 Hz), mediante electrodos.

Los mtodos elctricos de prospeccin geofsica comprenden variedad de tcnicas que

emplean tanto fuentes naturales como artificiales, de las cuales son de aplicacin ms amplia.

Resistividades.-

El mtodo llamado de resistividades es, sin duda, en todas sus modalidades el ms importantede todos los mtodos elctricos. El 70% de los estudios de geofsica realizados para estudioshidrogeolgicos utilizaron los mtodos elctricos.Este mtodo permite suministrar una informacin cuantitativa de las propiedades conductorasdel subsuelo y se puede determinar aproximadamente la distribucin vertical de suresistividad.El mtodo de resistividades permite no slo el estudio de formaciones subhorizontales, sinotambin la determinacin de formaciones subverticales (fallas, filones, zonas de contacto,etc.).

Sondaje Elctrico Vertical.-

El ms importante de los mtodos que utilizan corriente continua producida por generadoresartificiales es el Sondaje Elctrico Vertical (SEV). Encuentra su aplicacin principal enregiones cuya estructura geolgica puede considerarse formada por estratos horizontales. Lafinalidad del S.E.V. es la determinacin de las profundidades de las capas del subsuelo y lasresistividades o conductividades elctricas de las mismas, mediante mediciones efectuadas enla superficie.

Calicata Elctrica

La calicata elctrica constituye una aplicacin menos importante de estos mtodos, en la quese trabaja con distancia interelectrdica constante. La calicata se emplea principalmente paradetectar y delimitar cambios laterales en la resistividad.


4/89

Tomografa Elctrica

Con tomografa elctrica se entiende la visualizacin de alguna propiedad elctrica delsubsuelo (resistividad o impedancia general), mediante secciones continuas, generalmenteverticales, pero ya se trabaja en tres dimensiones. Esta metodologa es intensiva y de altodetalle o resolucin y permite no solamente la prospeccin de los acuferos, sino que mediantesu observacin en el tiempo (4 O), se puede ver la dinmica hdrica. Se est usando, porejemplo en controles de contaminantes.En el caso de la Tomografa de Resistividad Elctrica (ERT, electrical resistivity

tomography), el subsuelo se considera compuesto por una serie de elementos finitos de lamisma forma, aun cuando no del mismo tamao, cada uno de ellos con la posibilidad de tenerdiferente resistividad.

Otros Mtodos

Resonancia Magntica Protnica (Magnetic Resonance Sounding - MRS).- sirvepara medir de manera directa la presencia de agua en las zonas saturadas y/o nosaturadas de los acuferos. El MRS permite estimar las propiedades del acufero comocantidad de agua, porosidad o permeabilidad hidrulica.

Geo-Radar o GRP (Ground Penetrating Radar).- es un mtodo elctrico particular

utilizando fuentes de corriente alterna donde se usa la reflexin de ondaselectromagnticas de muy alta frecuencia (80 a 500 MHz). Permite, de manera verstily rpida, la investigacin a poca profundidad del subsuelo.

Tomografa Electromagntica por Radio-Ondas.- este mtodo se utiliza parainvestigar la estructura geolgica.

Mtodos Magnetotelrico.- permiten definir los lmites de acuferos, zonas de altatransmisividad, variaciones de permeabilidad y la localizacin de sistemas de fracturas.

Polarizacin Inducida.- este mtodo est basado en el estudio de la cargabilidad delsubsuelo. Permite la localizacin de contaminacin por hidrocarburos.

Natural Gamma Ray Log o Diagrafa de Rayos Naturales de Gamma.- es el mtodoms importante en hidrogeologa. Permite obtener informacin sobre los lmites decapas y el contenido de arcillas.

Potencial Espontneo.- este mtodo se utiliza de manera puntual para resolver losproblemas de lmites del acufero o movimiento del agua. Da la conductividad de lasformaciones y permite definir la velocidad y direccin del flujo.

Resistividad Corta y Larga.- da la conductividad del agua de formacin y limitesde capas.

Resistividad Lateral.- resistividad de las formaciones.

Conductividad de Fluido.-

Verticalidad.- yacimiento del sondeo

Gamma Gamma Log o Diagrafa de Densidad.- detecta la retrodispersin oretrodifusin (backscattered rays) de rayos gamma emitidos por una sonda en el pozo.

Neutron Log o Diagrafa de Neutrones.- emplea una fuente, que emite neutrones y

un detector correspondiente permite obtener la porosidad neutrnica.


5/89

Sondeos de Resonancia Magntica.- da la porosidad y permeabilidad de lasformaciones geolgicas.

Snico (de velocidad acstica).- informa sobre fracturacin y litologas,especialmente en acuferos carbonatados, rocas gneas o metamrficas.

Temperatura.- permite la identificacin de acuferos, aportes de aguas de diferentestemperaturas, gradiente trmico.

La geofsica puede ser ejecutada de diversas maneras y en diferentes sitios, dependiendo delos objetivos que se persiguen y el mtodo aplicado. Es as, que se puede realizar en:

La Tierra en su conjunto (geofsica global) Investigacin de regiones localizadas de la corteza Zona prxima de la corteza bien para tiles para la localizacin de substancias,

bien para apoyar estructuras tiles para el hombre

Primeros metros del subsuelo afectados por la actividad humana

Los parmetros fsicos que medimos son:

1. DensidadGravimetra2. Susceptibilidad MagnticaMagnetometra3. Resistividad/Conductividad ElctricaElctricos/Electromagnticos4. Velocidad de transmisin de Ondas SsmicasSsmicos

Existen algunos mtodos que son utilizados para situaciones muy limitadas, tal es el caso delmtodo radiomtrico.

Aplicacin de tcnicas Geofsicas:

Identificacin del fenmenoParmetros fsicos que pueden identificarloMtodos a utilizar

Problema inverso:

Un efecto genera una sealUna seal de mltiples efectos


6/89


7/89

COMPARACIN DE LOS MTODOS GEOFSICOS DE PROSPECCIN

MTODOGEOFISICO

SUB-CLASIFICACIN

APLICACIN PARMETROMEDIDO

INFORMACIN OBTENIDA

Mtodos Ssmicos Refraccin Ssmica Geotecnia MineraGeologa regional

Tiempo de llegadadel primer eventossmico

Profundidad de la capaVelocidad de propagacin por intervalo

Reflexin Ssmica Exploracinpetrolera Geotecnia

marina Evaluacinminera

Tiempo de llegadasAmplitud de onda

Forma de loseventos

Modelo del subsuelo Velocidad depropagacin Velocidad por intervalo reflejado

MtodosGravimtricos

ExploracinpetroleraGeologa regionalGeodinmica

Variaciones delcampo gravitacionalterrestre

Distribucin areal y en profundidad decontrastes de densidad o masas

MtodosMagnetomtricos

Exploracin mineraExploracin

petrolera Geologaregional

Variaciones delcampo magnticoterrestre

Distribucin areal y en profundidad decontrastes de susceptibilidad magntica

MtodosRadiometricos

Exploracin demineralesradioactivos

Radioactividadnatural de losmateriales terrestres

Contenido de uranio, etc. en las rocas

Mtodos Elctricos Cam

p

onatural

TelricasMagneto-telricasPotencialespontneo

AFMAG

Exploracin mineraExploracinPetroleraEstructura de la

tierraGeotermia

Intensidad de campomagntico terrestrePotencial natural delterreno

Contrastes de resistividad con el basamentoZonas de potenciales naturales

Cam

poart

ificial

Bajafrecuencia

EquipotencialSEVCalicatasBipolar

Aguas subterrneasExploracin mineraGeotecniaGeotermia

Voltaje y corrienteelctrica entreelectrodos

Modelo del subsuelo por resistividadDistribucin de resistividadesVariacin de la resistividad con la profundidad

Altafrecuencia

Electro-magnt

icas

Exploracin mineraExploracin

petrolera

Campo elctricoinducido

IP Exploracin minera Cada de potencial Zonas con efectos de polarizacion

Petrofsica (Perfiles depozos)

ExploracinEvaluacin deyacimientosProduccin petrolera

Exploracin dehidrocarburosControl de

produccinEstratigrafaProcesamientossmico

VelocidadResistividadDiferencia de

potencial

Distribucin en profundidad de velocidadDensidad


8/89

TEMA N 2: METODOS GEOELECTRICOS

Resistividad Elctricadel Subsuelo

Las medidas de resistividad elctrica del subsuelo son habituales en lasprospecciones geofsicas. Su finalidad es detectar y localizar cuerpos y estructurasgeolgicas basndose en su contraste resistivo. El mtodo consiste en la inyeccin decorriente continua o debaja frecuencia en el terreno mediante unpar de electrodos y ladeterminacin, mediante otropar de electrodos, de la diferencia de potencial. Lamagnitud de esta medida depende, entre otras variables, de la distribucin deresistividadesde lasestructurasdelsubsuelo,de lasdistanciasentre loselectrodosy de lacorrienteinyectada.

Resistividad Elctrica de Suelos

La resistividad elctrica de un material describe la dificultad que encuentra la

corriente a su pasoporl.De igualmanerasepuededefinir laconductividad como lafacilidad que encuentra la corriente elctrica al atravesar el material. La resistenciaelctrica quepresenta un conductor homogneovienedeterminadapor laresistividaddel

material que lo constituye y la geometra del conductor. Para un conductor rectilneo yhomogneo de seccin s y longitud l la resistencia elctricaes:

R = l/ s (2.1)

Apartirdeestaecuacinpodemosdespejarlaresistividad:

= R . s / l (2.2)

La unidad de Resistividad en el Sistema Internacional es el Ohm-m. La Conductividad sedefine como el inverso de la Resistividad.

= l / (2.3)

LaunidaddeconductividadenelSistemaInternacionaleselsiemens(S).LaResistividadesuna de las magnitudes fsicas con mayor amplitud de variacinpara diversos materiales.Adems,suvalor dependedediversosfactorescomolatemperatura,humedadopresin.

Estrictamente hablando todos los cuerpos son elctricamente conductores dado quepermiten,en mayor o menor medida, elpaso deportadores de cargas elctricas. Estosportadorespueden ser electrones o iones, hecho quepermite distinguir entre dos tiposde conductividad: electrnica e inica. Los cuerpos con Conductividad electrnica seclasifican en metales y semiconductores. Los cuerposconConductividad inicaseconocencomoelectrolitossinopresentanformagaseosa.

El mecanismo de la Conductividad de los metalespuede imaginarse como debido aque los electrones de valencia de sus tomospueden moverse libremente entre la redcristalina que stos forman, sin vinculacin a ninguno determinado. La facilidad demovimiento de los electrones y su gran nmero redundan en una conductividad muyelevada. Su resistencia aumenta con la temperaturayconelcontenidodeimpurezas.Laresistividad de los metales a temperatura normal varaentre10-8 y 10-7 m. Sonpocos y


9/89

muy escasos los componentes de la corteza terrestre que posean conductividad metlica.Entre ellos se cuentan los metales nativos (oro,plata, cobre, estao) yquizalgnmineralpocoabundantecomola Ullmanita(NiSbS).

Los minerales semiconductores son muchos y de gran importancia prctica. Suresistividad depende de su contenido en impurezas, a veces en grado extremo. Ademssu conductividad aumenta con la temperatura. Por ello, no cabe esperar que laresistividad de una especie mineralgica determinadapueda representarsepor un dato

nico, sino que puede variar dentro de lmites amplios. En general los teluros y losarseniuros son conductores muy buenos. Los sulfuros suelen entrar tambin entre losconductoresbuenos, con excepciones como lablenda y el cinabrio. Los xidos, y loscompuestos de antimonio suelen ser malos conductores, con la excepcin de la magnetita.Ahorabien,estosmineralesnosuelenapareceren lanaturalezadeformaindividual,sino enasociaciones,yjuntoconunagangafrecuentementeaislante(cuarzo,calcita,etc.),porloquela resistividadconjuntadelfilnpuedevariarmuchodeunoscasosaotros.

En los cuerpos dielctricos o aisladores, los electrones estn fuertemente ligados a lostomos. Estopuededeberseaqueexistanenlacescovalenteso inicos.Enesteltimocasolaredcristalina formaunelectrlitoslido.Lamayorade losmineralespertenecenaestegrupo. A temperaturas normales las resistividades son muy altas, generalmentesuperiores a 107 m. Son minerales dielctricoselazufre,lablenda,lacalcita,elcinabrio,elcuarzo,lasmicasyelpetrleoentreotros. Entreestosminerales,adems,figuran losmsimportantes constituyentes de las rocas, las cuales se comportaran como aisladoras si nofueraporlapresenciadeelectrolitos.

El agua pura es muy poco conductora a causa de su muy reducida disociacin. LaResistividad del agua destilada es de unos 105 mpor lo quepuede considerarse comoaislante. Las aguas que se encuentran en la naturaleza presentan, sin embargo,conductividad apreciable,pues siempre tienen disuelta alguna sal, generalmenteNaCl. Aslas aguas de lagos y arroyos de alta montaa varanentre103 my3 x 103 m, lasaguassubterrneastienenresistividadesde1a20m,y las aguasmarinastienenuna Resistividad

deunos0,2 m.

Si la resistividad de las rocas dependiese nicamente de los minerales constituyentes,habran de considerarse como aislantes en la inmensa mayora de los casos,puesto que elcuarzo,lossilicatos, lacalcita, lassales,etc.,losonprcticamente.Sloenelcasodeque laroca contuviese minerales semiconductores en cantidad apreciable, podra considerarsecomo conductora, es decir, slo lo seran lasmenasmetlicas.Afortunadamente, todas las

rocas tienenporos enproporcin mayor o menor, los cuales suelen estar ocupados total o


10/89

parcialmenteporelectrolitos,deloqueresultaque, enconjunto,lasrocas secomportancomoconductoresinicos,deresistividadmuyvariablesegn loscasos.Laresistividaddelas rocaspuedevariarenmargenamplsimoen funcindelcontenido enagua,de lasalinidaddestaydelmododedistribucindelosporos.La Figura2.1presentaun grfico de los mrgenesde variacin ms comunes en algunas rocas y minerales. La fisuracin, impregnacinenaguasalada,etc.,puedenextenderestoslmites.

LaResistividadde lasrocas tambindependede la temperaturaa laqueseencuentre,yaquela temperaturainfluyenotablementeenlaresistividaddelosfluidosquehayenlosporos.

Enconcreto, undescensodelatemperaturaprovocaunaumentode laresistividadyenelpunto de congelacin el aguapasa a ser un dielctrico mal conductor. Por ltimo, cabemencionar que la resistividad de algunos minerales, y como consecuencia de las rocas queestos forman, vara segn la direccin de medida que se toma, es decir, quepresentananisotropa.La formacin de estratospuedeproducir anisotropa. Tal es el caso de lasrocas sedimentarias. En general este efecto ser dbil dada la aleatoriedad de lasorientacionesdelosmineralesenlaroca.

Elsueloesunamezclade rocas,gases,aguayotrosmaterialesorgnicose inorgnicos.Esta mezcla hace que la resistividad del suelo aparte de depender de su composicin

intrnseca,dependa deotrosfactoresexternoscomolatemperatura,lahumedad,presin,etc.quepuedenprovocarque un mismo suelopresente resistividades diferentes con el tiempo.De entre todos los factores, la humedadeselmsimportante;adems,eselquesepuedealterar ms fcilmente mediante la lluvia o el riego del suelo. Diferentes grados dehumedad para un mismo terreno daran lugar a resistividades diferentes que podranllevarnos a interpretaciones errneas de los materiales constituyentesdelsuelo.

Una limitacin del mtodo resistivo es su alta sensibilidad a pequeasvariaciones de la conductividad cerca de la superficie, debidopor ejemplo al contenidode humedad. Hablando en trminos electrnicos, el nivel de ruido es alto. Unatopografa accidentadapuede tener un efecto similar, ya que el flujo de corriente seconcentra en los valles y se dispersa en las colinas. Como resultado se distorsionan las

superficiesequipotencialesproduciendofalsasanomalasdebidosoloa latopografa.


11/89

Medida de la Resistividad Elctrica

LaFigura2.2muestraelprincipiodemedidade la resistividaddel suelo:se inyectaunacorriente I entre elpar de electrodos AB y se mide la tensin V entre elpar de

electrodosMN.Sielmedio eshomogneoderesistividad, ladiferenciadetensines

I 1 1 1 1V = -------- (----- - ----- - ----- + -----_) ________(2.4)

2 AM AN BM BNdonde AM, AN, BM, BN son las distancias entre electrodos. La resistividad viene dadapor la expresin:

= g V / I (2.5)

Donde:

1 1 1 1 - 1 g = 2 (----- - ----- - ----- + -----_) ________

AM AN BM BN

Esunfactorgeomtricoquedependeexclusivamente deladisposicindeloselectrodos.Dehecho, esequivalenteaperoconunfactorgeomtricodiferente

A+I -I

DVA M N B

r

P

Figura 2.2. Dispositivo tetraelectrdico para la medida de la resistividad del suelo

Dos dispositivos tetraelectrdicos lineales (los cuatro electrodos estn en lnea) enlos que intercambiamos loselectrodosde inyeccinydeteccinpresentanunoscoeficientesdedispositivo:

1 1 1 1 - 1 g1 = 2 (----- - ----- - ----- + -----_) ________

AM AN BM BN


12/89

1 1 1 1 - 1 g2 = 2 (----- - ----- - ----- + -----_) ________

AM AN BM BN

DadoquelasdistanciascumplenAM = MA,AN = NA,etc.,seobtienequeg1 =g2.Luegosielmedio eshomogneo,paraunamismacorrientede inyeccin lasdiferenciasdepotencialledasV1 yV2, serniguales.Portantolaresistividadmedidarser independientedelaposicindeloselectrodos deinyeccinydeteccincuandoestosseintercambian.

Esta propiedad se conoce con el nombre de principio de reciprocidad, que se cumpletambinpara medios heterogneos (Orellana, 1982).No obstante, en laprctica no esconvenientecolocar loselectrodosMyN tanseparadoscomosuelen estar losAyB,puesal ser grande la distancia entre losprimeros, la medida se vera afectadaporla corrientestelricas, parsitos industriales, etc., cuyo efecto aumenta proporcionalmente con ladistanciaentre MyN.

Los clculos anteriores sebasan en la consideracin de que el suelo es homogneo e

istropo. Cuando el medio no es homogneo,da la resistividad aparente, a, y su

valor depende, ademsdel factorgeomtricog, de las resistividades de los diferentesmateriales. A partir de la interpretacin de las resistividades aparentes medidas en unterrenosepodrnextraerconclusiones sobrelacomposicinestructuraldelsubsuelo.

Dispositivos Tetraelectrdicos Lineales Bsicos

Encualquierdispositivoelectrdico, siconocemosel factorgeomtrico g, la corrienteelctricaIinyectadapor los electrodos A y B, y la diferencia depotencial entre loselectrodos M y N, podemos calcular la resistividad aparente mediante (2.5). Losdispositivostetraelectrdicos lineales msutilizadossonlossiguientes:

DispositivoWenner:

LoselectrodossedisponenequidistantessobreunalneaenelordenAMNB(Figura2.3)

A M N B

a a a

Figura 2.3. Dispositivo Wenner

Elfactorgeomtricodel dispositivosededucede(2.6):

g= 2a (2.9)

DispositivoSchlumberger:

Se trata de una composicin simtrica de los electrodos AMNB dispuestos en lnea,donde la distancia de los electrodos detectores MN es mucho menor que la de losinyectores AB (Figura 2.4).Enlaprctica,AB>5MN.


13/89

A M N B

b a b

Figura 2.4. Dispositivo Schlumberger

Elcoeficientedeldispositivoenestecasoes:

b (b + a)

g = --------------------a

(2.10)

SidefinimosL=b+a/2,elfactorgeomtricosepuedeexpresarcomo:

L2 ag = (---------- - -----------)

a 4

SiladistanciaaqueseparaloselectrodosMyNtiendeaceroelfactorgeomtricoqueda:

L2 g = (----------)

a

Que tiende a infinito. Sin embargo la resistividad aparente es finita ya que Ven (2.5)decrece al mismotiempoquea.Tendremos:

L2 V L2 V L2 = lim --------- ---------- = -------- lim -------- = --------- E

a0 a I I a0 a I

DondeE es el campo elctrico. La idea del dispositivo Schlumberger consiste,pues, enutilizar una distancia MN = a muy corta, de tal modo quepueda tomarse como vlida laecuacin anterior. Los desarrollos tericos se establecen suponiendo que lo que medimosrealmente es el campo E, el cual en laprctica se toma igual aV/a. Trabajar con elcampo elctricocomportaventajas tericasa la hora de trabajar con expresiones analticas,comoveremosenelprximocaptulo.Elinconveniente esque la tensindiferencialmedidadisminuyelinealmenteconlaseparacin a y es inversamente proporcionalalcuadradodeladistanciaL. Adems, la precisin de las mediciones geoelctricas de campo est muylimitadaporheterogeneidadesirrelevantesdelterreno(ruidogeolgico).


14/89

En ciertos casos, el electrodoB se lleva a gran distancia de los dems de modo que noinfluya sobre el valor de DV observado. Se tiene entonces el dispositivo denominadoSchlumberger asimtrico,osemi-Schlumberger.

Dispositivo Polo-Dipolo:

Enestedispositivo lelectrodoBsellevaaunagrandistancia(tericamenteenelinfinito)delos otrostres(Figura2.5)

A M N

b a

Figura 2.5. Dispositivo polo-dipolo

Elfactorgeomtricodeldispositivoenestecasoes:

b (b + a)

g = 2 --------------------a

(2.14)

Cuando a


15/89

A B M N

a na a

Figura 2.6. Dispositivo doble dipolo

Elfactorgeomtricodeldispositivoesenestecaso:

g = n (n + i) (n + 2)a (2.16)

Este dispositivo se implementa normalmente con n >> 1 (entonces AB y MN secomportan como un dipolo de corriente y de tensin respectivamente), aunque muchosautores utilizan este dispositivo inclusocon n = 1. El factor geomtrico cuando n >> 1 sepuedeexpresarcomo:

g = n3 a (2.17)

El inconveniente es que el campo dipolar decrece con el cubo de la distancia entre losdipolos de corriente y tensin,por lo que necesita detectores ms sensibles que los otrosdispositivos.

DispositivosWenner, :

LaFigura2.7muestraladisposicindeelectrodosenlosdispositivosWennery,dondemes un nmero real positivo (Roy, 1972). Un caso particular del dispositivo -Wennerson los dispositivos Wenner (m = 1) y Schlumberger (m 1.

A M N B

a m a a

A B M N

a ma a

Figura 2.7. Dispositivos -Wenner (izquierda) y -Wenner (derecha).


16/89

Tipos de Prospecciones Geoelctricas

La finalidad de una prospeccin geoelctrica es conocer la forma, composicin ydimensionesde estructuras o cuerpos inmersos en el subsuelo apartir de medidas en lasuperficie. Mediante la prospeccin geoelctrica conseguimos trazar una cartografa deresistividades aparentes del subsueloquenosdarn informacinsobre lasestructurasquesubyacen en l. Lasprospecciones geoelctricasqueserealizansedividengeneralmenteendostipos:

-Sondeoelctricovertical(S.E.V).

-Calicataselctricas(C.E).

Sondeo Elctrico Vertical.

La finalidad del sondeo elctrico vertical (SEV) es averiguar la distribucinvertical en profundidad de las resistividades aparentesbajo elpunto sondeado apartirde medidas de la diferencia depotencial en la superficie. Se utiliza sobre todoparadetectaryestablecerloslmites decapashorizontalesdesueloestratificado(Figura2.8).

Figura 2.8. Principio del SEV. A medida que A y B se separan, la corriente va penetrando en las capas

ms profundas

Laprofundidad depenetracin de la corriente elctrica depende de la separacinde los electrodos inyectores AB. Si la distancia entre los electrodos AB aumenta, la

corriente circula a mayorprofundidadperosudensidaddisminuye.Paraunmedioistropoyhomogneo,el50%dela corrientecirculaporencimadelaprofundidadAB/2yel70.6%porencimadeunaprofundidadAB (Orellana, 1982).Sin embargo, no esposible fijarunaprofundidad lmitepor debajo de la cual el subsuelo no influye en el SEV, ya que ladensidad de corriente disminuye de modo suave y gradual, sin anularse nunca. Podrapensarse que la penetracin esproporcional a AB. Sin embargo esto no es cierto engeneralpuestoquelodichosloesvlidoparaunsubsuelohomogneo.

Durante mucho tiempo, en prospeccin geoelctrica en corriente continua, laprofundidad de investigacin ha sido considerada sinnimo de la profundidad depenetracin de la corriente. Sin embargo, el efecto de una capa en lospotenciales ocampos observados en superficie no depende nicamente de la densidad de corriente

que la atraviesa. Roy y Apparao (1971) definen la profundidad de investigacin


17/89

caracterstica como laprofundidad a la que una capa delgada de terreno (paralela a lasuperficie) contribuye conparticipacin mxima a la seal total medida en la superficiedel terreno. Los autores indican que laprofundidad de investigacin viene determinadapor laposicin de los electrodos inyectores y detectores, y no slopor lapenetracin odistribucin de la corriente.Estoqueda claro conunejemplo: si se intercambian entre slasposiciones de los electrodos depotencial con los de corriente, la distribucin de laslneas de corriente cambia. Sin embargo, en virtud delprincipio de reciprocidad vistoanteriormente, la resistividad aparente ypor tanto la profundidad de investigacin nocambia. Definiendo L como la distancia entre los dos electrodos extremos (sinconsiderar los situados en el infinito), los mismos autores determinan la profundidad deinvestigacindediversosdispositivoselectrdicosenunsuelohomogneo, siendo para eldispositivo polo-polo de 0,35L, para Schlumberger de 0,125L y para Wenner de0,11L. Edwards(1977)sugierequeunvalormstilpuedeserlaprofundidadalacuallamitad de la seal medida en la superficie esdebida a laporcin de suelo superior aesaprofundidadylaotramitadde la seal a la porcin de suelo inferior. Barker (1989)la define como la profundidad de investigacinefectiva,ymuestraconejemploslamayorutilidaddestasobre lautilizadaporRoy y Apparao (1971). Las profundidadesde investigacin efectiva para los dispositivos Wenner, Schlumberger y doble dipoloson respectivamente de 0,17L, 0,19L y 0,25L (para este ltimo la profundidad deinvestigacin caracterstica es de 0,195L), es decir ligeramente mayores queutilizandoladefinicindeprofundidaddeinvestigacincaracterstica.

Experimentalmente, apartir de los dispositivos vistos en el apartado 2.3, el SEVconsiste en aumentarprogresivamenteladistanciaentreloselectrodosmanteniendounpuntocentralfijo(punto desondeoP).Ahoraveremoscmoseaplicaalosdiferentesdispositivos.

SondeoWenner:

Dado el dispositivo Wenner AMNB con separacin interelectrdica a, el sondeoconsisteenel aumentoprogresivo del valor de a manteniendo unpunto central fijo P(Figura 2.9). Para la representacinde losdatossemuestraenordenadaselvalorde laresistividadaparentemedida, a, en Ohmsm,yenabscisaselvalordea enmetrosparacadapaso.

A M N BA M N B

P

a a ana na na

Figura 2.9. Sondeo Wenner. La distancia interelectrdica pasa de a(AMNB) ana(AMNB).

SondeoSchlumberger:Dado el dispositivo Schlumberger AMNB con AB>>MN, el sondeo consiste en

separar progresivamenteloselectrodosinyectoresAyBdejandoloselectrodosdetectoresMyN fijosen torno a un punto central fijo P.(Figura 2.10). La representacin deeste sondeo muestra en ordenadas a (m) y en abscisas la distancia AB/2 (m).En este sondeo el efecto de las heterogeneidades irrelevantesesmenorpuesslosemuevenelpardeelectrodosinyectoresAyB.


18/89

A A M N B B

a b ana b na

Figura 2.10. Sondeo Schlumberger. Los electrodos A y B se abren progresivamente mientras M y N

estnfijos.

Sondeo Dipolar:

Dado el dispositivo doble dipolo ABMN, el sondeo consiste en la separacincreciente de los centros de los dipolos respecto a unpunto fijo origen P (Figura 2.11).La representacin de este sondeo muestra en ordenadas a (m) y en abscisas laseparacindeloscentrosdelosdipolosen metros.

Figura 2.11. Sondeo dipolar. Los dipolos se mantienen, aumentando la separacin entre ellos.

Efectos LateralesenelSEVy Ambigedadesensu Interpretacin

Si

el

dispositivo

electrdico

estprximo

a

un

contacto

vertical,

las

lneas

decorriente sern distorsionadasporloqueVMN severafectadoporelotromedio, tanto

ms cuanto mayor sea la separacinde loselectrodosAB.Por lo tanto, lamedidade laresistividad aparente en un SEV est influidapor la distribucin de resistividades en unciertovolumende terreno. Esto implica quepara distanciasABgrandesnosesabrsi laresistividad aparente es debida a cambios de estructuras en laprofundidad o a lasheterogeneidades lateralesporcontrastederesistividades(Orellana,1982).

Puede ocurrir que las curvas de resistividad aparentepara dos casos diferentes deSEV sean idnticas si la relacin entre profundidad a la que se encuentra unestrato y su resistividad permanece constante, lo queprovoca una ambigedad en ladeduccindelgrosordelacapaysu resistividad.


19/89

Aplicaciones en la Prospeccin de Hidrocarburos

Los principales ejemplos de aplicacin tienen que ver en la exploracin de nuevas Cuencas

potencialmente hidrocarburferas, especialmente en los pases de la ex Unin Sovitica.

Otras aplicaciones someras modernas se vinculan a condiciones de suelo alterado por eventuales

microfugas de hidrocarburos, configurando una herramienta prospectiva que en algunas reas ha

dado interesantes resultados.

Los suelos pueden tener cementacin carbontica subsuperficial (que da anomalas de alta

resistividad) y tambin zonas ms profundas de baja resistividad asociada a la presencia de pirita,

magnetita y otros minerales conductivos generados por accin de las bacterias que biodegradan

los hidrocarburos.

El ejemplo de la figura siguiente corresponde a una TE donde las capas subsuperficiales

muestran aumento de resistividad, donde existen pequeas acumulaciones de

hidrocarburos provienen de trampas profundas.

Adems del perfilaje de pozos que se ver ms adelante los mtodos geoelctricos decorriente contnuadesdesuperficiehansidoutilizadosenalgngradoenlaprospeccineinclusodesarrollo deyacimientosdehidrocarburos.

Otras Aplicaciones

El SEV tambin es aplicable cuando el objetivo tiene una posicin horizontal y unaextensin mayor que su profundidad. Tal es el caso del estudio de capas tectnicas,hidrolgicas, etc. Tambin es adecuado para trabajar a poca profundidad sobretopografas suavescomo complemento delas calicatas elctricas, conelobjetivodedecidirlaprofundidad a la cual realizar el perfil de resistividades, como ocurre por ejemplo enArqueologa. El SEV no es adecuadopara contactos verticales,fallas,diques,etc.

Calicatas Elctricas

La finalidad de las calicatas elctricas (CE) es obtener unperfil de las variacioneslaterales de resistividad del subsuelo fijada unaprofundidad de investigacin. Esto lohace adecuado para la deteccin de contactos verticales, cuerpos y estructuras que sepresentan como heterogeneidades laterales de resistividad. Orellana (1982) resaltaque lazona explorada en el calicateo elctrico se extiende desde la superficie hasta unaprofundidadmsomenosconstante,queesfuncintantode laseparacinentreelectrodoscomodeladistribucinderesistividadesbajoellos.

Experimentalmente,laCEconsisteentrasladarloscuatroelectrodosdeldispositivoalolargode un recorrido, manteniendo su separacin, obtenindose unperfil de resistividadesaparentes a lo largodeaqul.

CalicataWenner:


20/89

Partiendo de sus respectivos dispositivosbase, esta calicata consiste en desplazar loscuatro electrodos AMNB a la vez manteniendo sus separaciones interelectrdicas a lolargo de un recorrido(Figura2.12). Se representa la distancia del origen, O, alcentrodeloselectrodosMNen abscisasyenordenadaselvalordera (m)paracadadistanciax.

A M N B A MN B

O

x

Figura 2.12. Calicata Wenner. Los cuatro electrodos se desplazan a la vez manteniendo sus

separaciones.

CalicataSchlumberger:

En este tipo de calicatapodemos citar dos variantes. Laprimera sera similar a la

calicata Wenner, desplazando lateralmente los cuatros electrodos del dispositivoSchlumbergera lavez.La segundaconsisteendesplazarloselectrodosdetectoresMyNentre A y B, los cuales estn fijos y a una gran distancia de los electrodos detectores(Figura2.13).Laprofundidaddepenetracinde la medida no es constante puesto queno es una verdadera calicata, siendo mxima cuando los electrodosMNsehallanenelcentrodelsegmentoAB.

Figura 2.13. Calicata Schlumberger (segunda variante). Los electrodos M y N se mueven de A hasta B

manteniendo su separacin.


21/89

LaFigura2.14muestralasdistanciasentreelectrodos,dondeseescogeelorigenenelpuntomedio entreloselectrodosinyectores.

Calicata Polo-Dipolo:

La calicatapolo-dipolo consiste en desplazar los tres electrodos AMN a la vez,manteniendosus separaciones interelectrdicas, a lo largo de un recorrido. Se representala distancia de un origen escogidoalcentrode loselectrodos MNen abscisas yelvalorde la resistividad aparente medida (m)para cada distancia x en ordenadas. En lacalicatapolo-polosedesplazan loselectrodosAM y laresistividadaparenteserepresentarespectoalpuntomedioentreAyM.

Calicata Dipolar:

Esta calicatabasada en el dispositivo dipolar consiste en desplazar los cuatro electrodosABMN a lavez,manteniendosus separaciones interelectrdicas, a lo largodeun recorrido(Figura 2.15).

Se representa la distancia del origen, O, alpunto medio entre los dos dipolos enabscisas y en ordenadaselvalordelaresistividadaparentemedida(m)paracadadistancia

x(m).


22/89

AB MN AB MN

O

x

Figura 2.15. Calicata dipolar. Se desplaza el dispositivo dipolar manteniendo las separaciones.

Cada tipo de calicata responde a las heterogeneidades laterales con diferenteresolucin e intensidad de cambio,por lo que a la hora de interpretar las curvas deresistividadaparentehayque tenerencuentaeldispositivoelectrdicoutilizado.

Eleccindel Tipode Calicatams Adecuado -Factoresa Considerar

En generalnopuede afirmarseque talo cual tipo de calicataelctrica sea superior alosdems. Para cadaproblema concreto, cada uno de estos tipospresenta ventajas einconvenientes. La eleccin debe tener en cuenta muchos factores, tales como elcorte geoelctrico esperado, las caractersticas de la zona de trabajo, la clase deprospeccin,ascomofactoreseconmicos.

Enunacurvade resistividadaparente seproduceunadiscontinuidad cada vez que unelectrodo pasasobreuncambiolateralderesistividad,porloqueresultaquecuantomayorseaelnmerode electrodos movidos ms ancha y complicada se hace la anomalaen la curva de resistividad aparente, lo cual hace ms difcil la interpretacin. Poresta razn se recomienda la calicata Schlumbergercon loselectrodosAyBfijoso ladipolarconlosdipolosbienseparados(equivalente amoversolodoselectrodos).

La diferencia de potencial VMN representa la integral del gradiente de potencial

entre los electrodosMyN.Por tanto,cuantomsseparadosestn loselectrodosMyNtantomssuavizada ser la curva de la resistividad aparente, lo que provocar queobjetospequeos y cercanos se confundan en uno solo. Cuanto mspequea sea ladistancia MN se tiene mayor resolucin y amplituddecambiode resistividadaparentedebido a un objeto (Figura 2.16), por lo que la calicata Schlumberger tiene mayorresolucinquelaWenner.

a

x

s1 s2

Figura 2.16. Efecto del aumento de la distancia MN en la resistividad anmala de dos cuerpos pequeos

s1 y s2, a) MN pequea (lnea continua), b) MN grande (lnea a trazos)

Elpasopor el que se avanzar en la trayectoria depende del tamao del objetobuscado. Este debe ser enprincipio menor que las dimensiones del objetobuscadoparatenermayor resolucin, aunque tambin severafectadopor mayor ruido geolgico. Enel caso de cuerpos de extensin limitadaesnecesarioqueelperfilpasesobrel,puesto

quelaamplituddelaanomalavarapocosi elperfil en vez depasarpor su centropasapor suborde y es casi inapreciable a distancias del bordesuperioresalalongituddel


23/89

dispositivo(Orellana,1982).

Aplicaciones

Las aplicaciones de la calicata elctrica estn en la deteccin de fisuras, fallas,contactos verticales en general y objetos o estructuras enterradas. La realizacin decalicatas en trayectorias paralelas permite trazar la cartografa de resistividadesaparentes de un terreno a profundidad constante representada por curvas deisoresistividad. Estos mapas de resistividad se aplican en arqueologapara decidirsobre

la

estrategia

aseguir

en

las

excavaciones.

Sistema de Medida y Configuraciones Electrdicas Utilizadas

Cuandosenecesitaunaexploracindetalladaycongran resolucinespacial se requiereungran nmerodemedidas. El cambio manual de los electrodos inyectores y detectores acadamedidaes un proceso laborioso y lento. Los sistemas automticos aceleran losprocesos de medida e interpretacin (Griffiths, Turnbull y Olayinka, 1990). Sin embargo,los equipos comerciales (e.g., Terrameter) son sistemas cerrados que nopermiten muchaflexibilidad en la eleccin deparmetros como la frecuencia o la forma de onda de lacorriente inyectada. Adems, tampoco estnpensados para trabajar con modelos a escala

(modelosanalgicos)enellaboratorio.

LaFigura2.17muestraelsistemaPROGEOdesarrolladopararealizarmedidas automticasen el laboratorio (Alberto, 1997), que ser descrito con detalle en el captulo 4. Elsistema usa instrumentos comerciales. El generador de funciones (HP3245A) inyecta unaseal sinusoidal o cuadrada de frecuencia 10 Hz a 10 kHz y de amplitud mxima 20 V(picoapico).Elprogramade aplicacin selecciona estos parmetros va el bus GPIB.El generador de funciones tambin proporcionauna sealde referenciaparadispararelosciloscopiodigital(TDS420),elcualdigitaliza la tensin amplificada por la sondadiferencial (ADA400A). El osciloscopio digitaliza simultneamente la tensindiferencialdelasonda(canal2)ylatensinquecaeenlaresistenciaRo (canal 1) que seutilizapara realizar una medida indirecta de la corriente inyectada. Se han configuradodos tarjetas con 32 rels SPST cada una (MEM32A, Keithley)para implementar unamatrizdeconmutacin4x16. Estopermiteescoger,enunaristrade16electrodos,cualquierparde electrodospara la inyeccin y cualquier otroparpara la deteccin.Elprograma deaplicacin est implementado en LabWindows versin 2.3 para DOS (NationalInstruments). Las principales funciones son: seleccin de parmetros para la sealesinyectada y detectada, configuracin electrdica, adquisicin de la seal y demodulacinsoftware, y representacin de la resistividad aparente.


24/89

Figura 2.17. Sistema automtico de medida PROGEO

Las medidas se realizan en un modelo analgico constituido por una cubeta deplstico de dimensiones 40 cm x 35 cm x 20 cm llena de agua hasta un nivel de unos16 cm, en la que se introducen diferentes objetos a fin de simular la presencia deobjetos locales. Se utilizan 16 electrodos equiespaciados 1 cm o 2 cm. Debido a lasreducidasdimensionesde lacubeta,nosehan implementado los dispositivos electrdicos

que tienen uno o ms electrodos en el infinito, como son eldispositivodobledipolo yeldispositivopolo-polo.ElapndiceEmuestra imgenesdelsistemade medidaPROGEOydelmodeloanalgicopararealizarlasmedidas.

Figura 2.18. Dimensiones de la cubeta utilizada para realizar las medidas experimentales en el

laboratorio


25/89

Con un sistema de medida automtico es interesanteplantearse laposibilidad de adquirirun mayornmerodevaloresde resistividadaparentecon la ideademejorar la interpretacinde las estructurasdelsubsuelo.NoelyXu(1991)afirmanqueconunvectordeNelectrodos,elnmero mximodemedidasindependientes,SN,es

N(N 3)

SN = ------------------- (2.22)2

Los autores ilustran esta afirmacin con ejemplos y muestran cmo muchas medidas sepueden obtener como superposicin de otras. Con 16 electrodos tendremos 104 medidasindependientes.En loquesiguedescribimoscmoutilizar losdispositivoselectrdicosvistospara obtener el mximo nmero de medidas independientes. Una medida nueva serindependiente si no sepuede obtener como combinacin de las anteriores. De aqu enadelante entenderemos el trmino configuracin como un conjunto de medidas utilizandouno o varios dispositivos electrdicos. Normalmente estas configuraciones serncombinaciones de calicatas y sondeos, ya que nuestro inters radica en la obtencin delcambio de la resistividad en las tres direcciones del espacio. Las configuraciones basadasenlosdispositivospolo-dipoloypolo-polonosernimplementablesenellaboratorio,debido alasreducidasdimensionesdelacubeta

Configuracin Doble Dipolo

Es una combinacin del sondeo y de la calicata doble dipolo. Para cada inyeccindesplazamos los electrodos MN desde elpar de electrodos adyacentes a los electrodosAB hasta el extremo derecho. A cada nueva inyeccin desplazamos los electrodosAB una unidad (espaciado interelectrdico)hacialaderecha.LaFigura2.19muestraelproceso.

Figura 2.19. Configuracin doble dipolo. Es una combinacin del sondeo y la calicata con el dispositivo

doble dipolo.


26/89

El nmero de total de medidas son 91 y todas son independientes. Para conseguir 13medidas independientes adicionalespodemos utilizar una calicata Schlumberger con loselectrodos A y B fijos en los extremos de la agrupacin de 16 electrodos (Figura 2.20).Esta configuracin con 104 medidas independientes recibir el nombre de configuracindobledipolo y es la misma utilizada porKotre(1996a).

Figura 2.20. Medidas adicionales en la configuracin doble dipolo para conseguir las 104 medidas

independientes.

Unproblemadeestaconfiguracines laelevadarelacinentre lasmedidasmayorymenor(en un suelo homogneo). La diferencia de potencial mayor se produce cuandoinyectamospor los electrodos1(extremoizquierdo)y16(extremoderecho)ymedimosbienentre loselectrodos2y3 obienentre los electrodos 14 y 15. La diferencia depotencial esmnima cuando la inyeccin se produce entre los electrodos 1 y 2 y la deteccin entre loselectrodos 15 y 16. De (2.4) se obtiene que la relacinesde690.Si sequisiera tenerunaresolucin del 1% en la medida menor, el margen dinmico del detector habra de ser de

69000(casi100dB).

ConfiguracinSchlumberger.

Sebasa en la calicata Schlumberger y en el dispositivo -Wenner. Para cadainyeccin desplazamos los electrodos MN desde el electrodo A hasta el electrodoB. En cada nueva inyeccin el electrodo A se va desplazando una unidad hacia laizquierda quedando fijo el electrodo B (Figura 2.21). Esto produce 91 medidasindependientes.

Si inyectamos corriente entre los electrodos 1 y 15 y medimos la tensin diferencialentre los pares adyacentes restantes obtenemos 12 medidas independientes ms. La

ltima medida la podemos obtener, por ejemplo, inyectando corriente entre loselectrodos 3 y 16, y midiendo la tensin diferencial entre los electrodos 1 y 2.Esta configuracin (con las 104 medidas independientes) recibir el nombre deSchlumberger. La relacin entre las medidas mayor (AB =13-16, MN =14-15) ymenor (AB = 1-16, MN = 8-9) es en este caso de 28, mucho menor que en laconfiguracindobledipolo.


27/89

Figura 2.21. Configuracin Schlumberger. Est basado en la calicata Schlumberger con los electrodos

de corriente fijos. En cada nueva inyeccin el electrodo A se desplaza una unidad hacia la derecha.

Configuracin Polo-Dipolo

Elprocedimientoesanlogoalde laconfiguracinSchlumbergerperoconelelectrodoB en el infinito.La Figura2.22 muestra elprocesopara las dosprimeras inyecciones.El electrodo A se desplazadesdeelelectrodo1hastaelelectrodo14.Entotalresultan105medidasindependientes.

Figura 2.22. Configuracin polo-dipolo. El procedimiento es anlogo a la configuracin Schlumberger

por ahora el electrodo B est en el infinito.


28/89

28

El nmero de medidas independientes se puede incrementar situando el electrodo Aen laposicin16ymidiendoentre loselectrodosadyacentesrestantes.En totaltendremos119medidas independientes. Esto no es una contradiccin, ya que ahora el nmero real

de electrodos es 17 contando el electrodo en el infinito. Esta configuracin recibir elnombre de polo-dipolo. La relacinentrelasmedidasmayorymenoresahorade104.

Configuracin Polo-Polo

La Figura 2.23 muestra la secuencia de medida. Los electrodos B y N estnsituados en el infinito.Elpotencialsemideen loselectrodosa laderechadelelectrodoinyectorA.Encadanueva inyeccin el electrodo A se desplaza una unidad haciala derecha. El total de medidas independientesesde120cuandoelmximotericoesde119(con17electrodos).Estoesdebidoa que la coincidencia de los electrodosNy B permite una medida independiente ms. La relacin entre las medidas mayor(electrodosAyMcontiguos)ymenor(electrodosAyMenlosextremos) esde15.

Figura 2.23. Configuracin polo-polo. Los electrodos N y B estn en el infinito. El electrodo A se desplaza

de izquierda a derecha. Las medidas de tensin se realizan a la derecha del electrodo A.

De lasconfiguracionesutilizadas lapolo-polo y lapolo-dipolo presentan un mayornmero de medidas independientespero esto se debe a que en realidad ha utilizado unelectrodoms. Sibien tericamente este electrodo est en el infinito, en laprcticasuele considerarse suficiente una distancia 10 veces mayor que la mxima separacinentre loselectrodosactivos (losno situadosen el infinito), loquenosiempreesposible.Las configuraciones que requieren menor margen dinmico son la polo-polo y laSchlumberger. En cambio el margen dinmico requeridopor la configuracin dobledipolopuederesultardemasiadoexigente.

Para obtener imgenes tridimensionales de la distribucin de resistividad delsubsuelo necesitamos incrementar el nmero de medidas (con cualquiera de lasconfiguracionesanteriores).


29/89

29

Elprocedimiento adoptado ser repetir las configuraciones anteriores a lo largo del eje y(Figura 2.24),comoveremosenloscaptulos5y6.

Figura 2.24. Las configuraciones se repiten a lo largo del eje perpendicular al vector de electrodos con

el fin de obtener imgenes tridimensionales de la distribucin de resistividad en el subsuelo.

Resumen

La resistividad de los suelos tiene un margen de variacin muy amplio. Incluso unmismosuelo puede presentar diferentes resistividades con el tiempo dependiendo

de factores como la temperatura o la humedad, siendo ste el ms determinante.Por lo tanto es difcil estimar la composicin del subsuelo solamente apartir de lamedidaderesistividad.

La medida de la resistividad aparente se realiza normalmente mediante cuatroelectrodos, dos parainyectarlacorrienteyotrosdosparamedirladiferenciadepotencial.Los dispositivos lineales ms utilizados son: Wenner, Schlumberger, doble dipolo,polo-dipoloypolo-polo.

Lasprospecciones geoelctricas se dividen normalmente en dos tipos: SEV y CE. ElSEV tiene comoobjetivodeterminar lavariacinde la resistividadcon laprofundidad, loqueesadecuado,por ejemplo, en la determinacin de las diferentes capas o estratosde un suelo. La CE trata de determinarlavariacindelaresistividadaunaprofundidaddeterminadayseutilizaporejemploen prospeccionesarqueolgicas.

Cuando se pretende obtener imgenes en dos o tres dimensiones de ladistribucin de resistividad del subsuelo es ms adecuado utilizar una combinacinde calicatas y SEV. Se proponen configuraciones multielectrdicas basadas endispositivos clsicos. Con 16 electrodos el nmeromximodemedidasindependientesesde 104. El nmero de medidas sepuede incrementar desplazando la agrupacin de


30/89

30

electrodosperpendicularmente. Para acelerar elproceso de medida se utiliza un sistemade medida automtico (Alberto, 1997) quepermite cualquier combinacin de electrodosinyectores y detectores. Debido a las reducidas dimensiones de la cubeta utilizadapararealizar medidas en el laboratorio, slo es posible implementar las configuracionesSchlumbergery dobledipolo.Estaltimanecesitaungranmargendinmicoeneldetector.


31/89

31

TEMA 3: TOMOGRAFIA ELECTRICA

Durante la ltima dcada, se ha producido una notable adecuacin en la aplicacin detcnicas geofsicas en la resolucin de conflictos geotcnicos o medioambientales.Concretamente, la prospeccin elctrica de resistividades mediante corriente continua haexperimentado un notable avance con la aparicin de sistemas automticos de adquisicin de

datos y programas informticos para la obtencin de imgenes del subsuelo con estimacinde la distribucin real de la resistividad en una seccin del terreno.La implantacin de dispositivos elctrico-resistivos para la localizacin de contactos entremateriales del subsuelo se han venido utilizando con xito desde 1950 (Beresnev, I.A. et al.,2002), si bien las tcnicas modernas permiten establecer una cada vez mayor aproximacinentre los resultados obtenidos y la verdadera disposicin de los materiales en el subsuelo.Con todo, el xito de una campaa de investigacin geofsica de resistividad medianteTomografa Elctrica depende en gran medida de mltiples factores, tales como la seleccinde la configuracin tetraelectrdica ms sensible para nuestro propsito, la determinacin deun espaciado interelectrdico adecuado para el objetivo a localizar, la densidad y nmero demedidas o, por supuesto, la interpretacin de los resultados por un tcnico geofsico consuficiente experiencia en la materia. De este modo, se puede decir que la investigacin

mediante Tomografa Elctrica dar buenos resultados o fracasar estrepitosamente enfuncin de diversas decisiones que han de tomarse desde el inicio de una campaa de

prospeccin (Porres, J.A., 2003).

Tomografa Elctrica Multielectrodo

Estos mtodos elctricos de prospeccin se basan en la existencia de variaciones de laspropiedades elctricas, en especial la resistividad de las distintas formaciones del subsuelo,teniendo como objetivo determinar la distribucin en profundidad (resistividades y espesores)de los niveles geoelctricos presentes.

Esta tcnica, proporciona conjuntamente informacin lateral y en profundidad. El sistemaconsta de un resistivmetro o unidad bsica, un selector de electrodos y un juego de cablesmulticonectores que permiten utilizar hasta 64 electrodos conmutables de forma totalmenteautomtica a travs del selector de electrodos y controlado por la unidad bsica de control.Estos equipos tambin permiten realizar medias de la resistividad utilizando dispositivos mssimples, como los sondeos elctricos verticales (S.E.V. o en ingls Vertical ElectricalSounding V.E.S.) o las calicatas elctricas (en ingls resistivity profiling).


32/89

32

La prospeccin geofsica de resistividades clsica combina en cada medicin dos pares deelectrodos. Se denominan A-B los electrodos que introducen corriente en el terreno y M-Nlos que detectan superficies de diferente potencial. Estas tcnicas, exigan un cambio manualde los electrodos (tanto A-B como M-N) en cada nueva medida. Llevar a cabo unainvestigacin 2D con suficiente calidad en estas condiciones requera de un proceso lento ycostoso. La Tomografa Elctrica resuelve este problema de adquisicin de datos ya que

combina automticamente un gran nmero de electrodos previamente clavados en el terrenocon separacin equidistante (Griffiths D.H. et al., 1990). Todos estos electrodos se conectansimultneamente al equipo de medida y, mediante un programa secuencial especfico paracada trabajo, el aparato ordena cules deben ser los conjuntos de cuatro electrodos quefuncionan en cada momento y con qu disposicin.

Figura 1. Disposicin de electrodos y equipo de Tomografa Elctrica

El objetivo especfico de esta tcnica es determinar el valor de la resistividad elctrica real y

su distribucin en el subsuelo a partir de mediciones realizadas en superficie o, en el mbitocomprendido entre dos sondeos. Posteriormente los datos son procesados con algoritmosmediante herramientas informticas que tras un proceso de iteraciones aproximan la seccinmedida a un modelo terico real (Loke, M.H., 1994).El resultado final es una seccin distancia-profundidad con la distribucin de la resistividadelctrica real del subsuelo, fcilmente comprensible en trmicos geolgica o geotcnica(Figura 2).

Figura 2. Seccin de Resistividad Elctrica real para la identificacin de fracturas y rocas alteradas.


33/89

33

Combinando adecuadamente resolucin lateral y profundidad de investigacin la Tomografaelctrica es sin duda un de las herramientas de carcter no destructivo ms eficaz para elestudio y caracterizacin del terreno en un amplio rango de profundidades.

mbitos de Aplicacin

Por su capacidad resolutiva al investigar hasta profundidades que pueden llegar a centenaresde metros, la Tomografa elctrica es aplicable a cualquier estudio del subsuelo dondeinterese identificar todo tipo de accidentes o discontinuidades que representen un contrastesuficiente en la distribucin de resistividad del medio rocoso. Entre los objetivos mshabituales a resolver mediante esta tcnica cabe mencionar los siguientes:

- Deteccin y caracterizacin de fallas determinando su zona de influencia, rumbo,buzamiento y extensin en profundidad.

- Deteccin de contactos entre unidades litolgicas de diferente naturaleza,determinando la morfologa y localizacin precisa de tales discontinuidades.

- Deteccin de gaseoductos y otros materiales enterrados en el subsuelo.

- Deteccin y caracterizacin de cavidades y huecos, tales como accidentes krsticos,canalizaciones, depsitos, rellenos arcillosos, etc.

La capacidad resolutiva de la Tomografa Elctrica ofrece enormes posibilidades deaplicacin en el mbito de la prospeccin geolgica, la geotecnia, la hidrogeologa, laindustria de los hidrocarburos y medio ambiente.

Tomografa Elctrica sin Electrodos

El mtodo de prospeccin elctrica del terreno mediante Acoplamiento Capacitivo(CCR-del

ingls, Capacitively Coupled Resistivity), permite medir las propiedades elctricas de suelosy rocas, sin necesidad de clavar electrodo alguno en el suelo, tal como requieren las tcnicasconvencionales.

Esta tcnica de prospeccin permite realizar los trabajos en mucho menor tiempo que latcnica convencional con electrodos, ya que las medidas se llevan a cabo de modo continuo,sobre la marcha, a medida que el dispositivo lineal formado por el conjunto de antenatransmisora y receptora, va siendo arrastrado por el operador. En la fotografa adjunta, seilustra claramente la cmoda forma de trabajo. Este modo de medir la resistividad del terrenoest limitado a estudios relativamente superficiales, aunque se puede aumentar la profundidadde investigacin, haciendo mayor la separacin entre la antena trasmisora y la receptora, e

incluso duplicando dicho juego de antenas, formando todo siempre un nico dispositivo dearrastre.


34/89

34

TEMA 4: GEO-RADAR

Introduccin:

El geo-radar es una tcnica no destructiva orientada al estudio del subsuelo superficial y quese fundamenta en la capacidad de las ondas de radar de baja frecuencia (10 MHz - 2,5 GHz)

para propagarse a travs de medios poco conductivos.

El mtodo emplea una antena emisora para dirigir pulsos electromagnticos de 1-20 ns deduracin hacia el interior del terreno. Este frente de ondas es parcialmente reflejado alencontrar una discontinuidad o un cambio de material en el subsuelo, pudiendo ser detectadoen la superficie mediante una antena receptora dispuesta a tal efecto. Al ir desplazando elsistema sobre la superficie del terreno ser posible registrar la historia de reflexionesdetectadas en el subsuelo bajo la lnea de desplazamiento del equipo.De esta forma se obtienen los llamados radargramas, similares a los registros clsicos dessmica de reflexin, pero con la gran diferencia de que, en el caso del radar, la propagacinde las ondas est condicionada por las caractersticas electromagnticas del medio de

propagacin.

El empleo del GPR se ha ido popularizando con el paso de los aos desde que en la dcada delos 70 aparecen publicados los primeros trabajos centrados en el mbito geolgico,hidrocarburfero y minero (Unterberger, 1974; Annan y Davis, 1976; Rubin y Fowler, 1977),cuyo objetivo principal persegua estimar la capacidad de penetracin mxima de las ondasen el subsuelo empleando antenas de 50-100 MHz. Posteriormente, en los aos 80, el mtodocomienza a ser aplicado para estudios ms superficiales, y cobran protagonismo las antenasde 200-500 MHz, de penetracin somera pero resolucin submtrica, siendo posible destacarlos trabajos doctorales de Ulriksen (1982) y Glover (1987), con aportaciones novedosas enestudios medioambientales y el campo de la geotecnia. A partir de los aos 90, las antenas de500 MHz - 1,5 GHz son prolficamente utilizadas para el anlisis de construcciones yestructuras en ingeniera civil tales como carreteras o puentes (Chung et al. 1994; Saarenko yRoimela, 1998; Lorenzo et al. 2001) y tambin en estudios arqueolgicos (Goodman, 1994;Carcione, 1996; Prez-Gracia et al. 2000). Tambin ha sido en estos ltimos 15 aos cuandose ha multiplicado el empleo del sistema para investigaciones en entornos costerossedimentarios (Bristow, 1995; Jol et al. 1996; Harari, 1996; Fitzgerald y Van Heteren, 1999;Bristow et al. 2000; Van Dam et al. 2000; Jol et al. 2002). De singular inters en este mbitoes la seleccin de artculos resultado del congreso Ground Penetrating Radar (GPR) inSediments: Applications and Interpretation editada por Bristow y Jol (2003), donde se ponede manifiesto el potencial del GPR para obtener informacin 2D y 3D de alta resolucin enestructuras sedimentarias. Una completsima y actualizada revisin del estado del arte sobreel tema puede ser consultada en Neal (2004).

Fundamentos del MtodoLas antenas GPR han sido diseadas para emitir un pulso de muy corta duracin con el fin demejorar la resolucin vertical del mtodo. Habitualmente este pulso est constituido por 1 -2 perodos de la frecuencia nominal que caracteriza la antena. Su corta duracin en eldominio de los tiempos (t) lleva asociado un aumento inversamente proporcional de laaportacin de sus componentes frecuenciales (f) segn la relacin t = 1/f. As, la mayor

parte de las antenas GPR han sido diseadas para operar con un ancho de banda similar a sufrecuencia central y una duracin inversamente proporcional a su centro de frecuencias.


35/89

35

Fig. 1. Forma de la seal (arriba) y espectro (abajo) del impulso generado por una antena de geo-radar de 900 MHz.

La adquisicin de datos con el geo-radar suele realizarse orientando la antena hacia elsubsuelo y registrando las reflexiones detectadas tras la emisin del impulsoelectromagntico, obteniendo as una traza. Al desplazar la antena sobre la superficie delterreno se irn detectando y almacenando el conjunto de reflexiones existentes bajo la lneade desplazamiento de la antena. De esta forma, el eje de abscisas de los radargramas, o

registros de geo-radar, representar el movimiento de la antena en una determinada direccin,mientras que el eje de ordenadas muestra el tiempo de retardo entre la emisin del pulso y ladeteccin de las reflexiones en la superficie por parte de una antena receptora, siendo ste,

por lo tanto, un viaje de ida y vuelta, tal y como se escenifica en la Fig. 2a.


36/89

36

Fig. 2. Proceso de adquisicin (a), radargrama en formato wiggle (b) y radargrama en formato line scan (c).

Si la velocidad (v) de propagacin de las ondas en el medio es conocida, el eje temporal deordenadas puede ser trasformado a profundidades (z) a travs de la simple relacin z =vtwt/2. Por su parte, la velocidad puede ser deducida a partir de la siguiente ecuacin:


37/89

37

Donde es la constante dielctrica del material, su conductividad, la permeabilidadmagntica y es la frecuencia angular central del pulso emitido. En medios pococonductivos, aquellos en los que se pueda aceptar que


38/89

38

La ecuacin (3) admite una expresin simplificada cuando se trate de medios pococonductivos, tal y como suceda en la simplificacin de la ecuacin (1), obteniendo r enfuncin del contraste entre constantes dielctricas relativas de ambos materiales:

As pues, para garantizar la obtencin de buenos resultados al aplicar la tcnica en undeterminado entorno, ser necesario que se den, de forma simultnea, dos factores externos eindependientes del sistema y del equipo humano que lo maneje: que exista suficientecontraste electromagntico entre ambos medios y, sobre todo, que el medio de propagacinsea suficientemente resistivo para no atenuar dramticamente la seal emitida. Estos medios

poco conductivos, aquellos donde


39/89

39

MHz mostradas en la Fig. 3. En cada antena est situado un transductor que es el encargadode interpretar las rdenes de emisin-recepcin que le llegan de la unidad central a travs deun cable coaxial o, en los equipos ms modernos, a travs de fibra ptica. Las antenas de unsistema son intercambiables y deben seleccionarse en funcin de la profundidad deseada parala prospeccin y de la resolucin demandada. Para alta penetracin (10-30 m) se utilizanantenas de 50-200 MHz; para estudios de los primeros 3-5 m del subsuelo se emplean antenas

de 500 MHz, que proporcionan un buen compromiso entre penetracin y resolucin; enestudios de alta resolucin se emplean antenas de alta frecuencia (800 MHz - 1.5 GHz) quedifcilmente penetran ms all de 1 m pero permiten localizar elementos centimtricos.La unidad central es el corazn del sistema, desde el cual se configura la adquisicin dedatos, se gestionan las antenas y se da salida a los datos adquiridos. Por regla general, launidad central se configura mediante un software instalado en un ordenador porttil; esteordenador sirve, adems, para almacenar la informacin y para visualizarla en tiempo real, si

bien tambin existen en el mercado equipos que integran un ordenador con un pequeomonitor a bordo de la unidad central.

Respecto a las formas de operacin con un sistema georadar, las ms habituales son lasconocida como commonoffset y common-midpoint (Zhou y Sato, 2001). La primera es

aquella donde la distancia entre las antenas emisora y receptora permanece constante a lolargo de los perfiles estudiados, tal y como se esquematiz en la Fig. 2, mientras que lasegunda es una adaptacin del mtodo habitualmente empleado en ssmica y cuyo objetivofinal no es la obtencin de un radargrama sino conseguir una estimacin fiable de lavelocidad de propagacin de las ondas en el medio.

Aplicabilidad

En este apartado se resumen algunos de los campos de aplicacin donde el geo-radar hademostrado ser una tcnica de gran utilidad de forma, junto con las ventajas y limitacionesdel mtodo frente a otras alternativas en prospeccin del subsuelo.

Aplicaciones medioambientales: deteccin de plumas de contaminacin, delimitacin devertederos, localizacin de bidones y/o depsitos enterrados Geologa y geotecnia:estratigrafa del subsuelo, profundidad de la roca, localizacin del nivel fretico, deteccin decavidades, fracturas y fallas. Obra civil: localizacin de servicios enterrados (metlicos y nometlicos), evaluacin de estructuras de hormign, control del pavimento en firmes decarreteras, patologas en la construccin.

Arqueologa: localizacin de estructuras enterradas, posicionamiento de tneles y/o galerasancestrales, estudios in-situ en edificios histricos. Cartografa: batimetras en agua dulce (yespesor de la capa de sedimentos depositados), mapeado de glaciares.

Desde una perspectiva numrica, es posible destacar como del anlisis espectral de losimpulsos reflejados es posible extraer informacin cuantitativa adicional acerca de losmateriales atravesados, tal es el caso de la evaluacin de la porosidad en materiales deconstruccin o la estimacin del contenido de humedad en suelos.

Ventajas

El geo-radar genera una imagen del subsuelo que supera en resolucin a cualquier otromtodo de prospeccin, permitiendo tanto la identificacin de elementos singulares como la


40/89

40

caracterizacin del entorno. En un mtodo no destructivo y no invasivo, por lo que noproduce ningn efecto secundario sobre el medio estudiado. Es una tcnica rpida en suejecucin y aplicable en la mayora de situaciones, destacando en especial su aplicabilidad enentornos urbanos. Por ltimo, destacar la posibilidad de interpretacin en tiempo real, pueslos radargramas se generan a la vez que se adquieren los datos, lo que permite aportarinformacin instantnea sobre el propio terreno.

Limitaciones

El principal condicionante del geo-radar se refiere a su penetracin limitada en el subsuelo.Por una parte los equipos han sido diseados para ser ligeros y poder ser manejados por 1-2

personas, lo que implica una reduccin del tamao de las fuentes de alimentacin y queredunda en una potencia limitada en cuanto al impulso emitido y, por lo tanto, su penetracinen el medio. Por otra parte, la naturaleza del suelo juega un factor decisivo en ese aspecto, yaque los medios conductivos (por ejemplo, arcillas hmedas) pueden llegar a atenuartotalmente la seal, haciendo intil la aplicacin del mtodo. Por otra parte el mtodo

presenta cierta dependencia de las condiciones superficiales, que pueden llegar a enmascararlos registros provocando interpretaciones errneas; esto suele suceder cuando el contacto

entre las antenas y el suelo no es el idneo (provocando reflexiones adicionales relacionadascon la variacin del contraste de impedancias antena-suelo), o cuando en la superficie estn

presentes elementos metlicos que enmascaran parcialmente las reflexiones del subsuelo (porejemplo las armaduras en un forjado de hormign). Otros factores que pueden originardistorsiones y/o interpretaciones errneas se relacionan con la presencia cercana de fuentesemisoras de campos electromagnticos intensos (lneas de alta tensin) y el empleo detelfonos mviles o, especialmente, radiocomunicadores tipo walkietalkie por parte de losoperarios. Con todo, el principal inconveniente del geo-radar no se deriva de las razonesanteriores, sino de su empleo inadecuado; su uso sin el conocimiento adecuado de suscapacidades impide el aprovechamiento ptimo de sus ventajas y puede llevar a incurrir enerrores que perjudican el prestigio de la tcnica al presentar resultados no acordes con elalcance real de la tcnica.

Ejemplos de Aplicacin

En este ltimo apartado se presentan un de ejemplo de aplicacin de las tcnicas de geo-radar, orientados al estudio de Hidrocarburos enterrados, y ms concretamente a resultadosobtenidos en diversos estudios e investigaciones llevadas a cabo.

Hidrocarburos Enterrados

Con motivo del hundimiento del buque Prestige en noviembre de 2002 varias mareas negrascubrieron de fuel la costa de Galicia. Uno de los principales problemas relacionados con lastareas de limpieza resida en la localizacin de las placas de fuel enterradas que, tras ser

depositadas en la orilla, eran tapadas por la arena limpia de mareas posteriores. Estas capaspermanecan ocultas a una profundidad que oscilaba entre unos pocos centmetros hasta, enocasiones, 1-2 metros, mientras que su espesor poda ser tambin muy variable, desde 1 cmhasta cerca de 1 metro.Desde el punto de vista del GPR el problema puede ser planteado como el de las

posibilidades de deteccin del contraste entre las propiedades electromagnticas del fuel y laarena que lo cubre, pero teniendo en cuenta que la prospeccin slo puede tener xito siemprey cuando se efecte en zonas suficientemente alejadas de la influencia de las mareas, ya que


41/89

41

la presencia de agua salada en el medio imposibilita totalmente la aplicabilidad del mtodo,tal y como se ha comentado en apartados anteriores.

Si bien las caractersticas electromagnticas de la arena estn perfectamente documentadas enla bibliografa especializada (Annan, 2003; Daniels, 2004), apenas existe informacin sobrelas caractersticas de este tipo de fuel pesado, conocido como de tipo 6 en la escala

internacional. Aun as, todas las referencias consultadas coinciden en sealar a loshidrocarburos como materiales muy dielctricos y con una conductividad muy baja (Danielset al. 1995; Carcione et al. 2003), por lo que el contraste entre ambos medios parecagarantizado. Sin embargo, el modelo de contraste entre ambos medios se complica debido alhecho de que el fuel emulsiona al contacto con el agua, llegando a duplicar su volumen yvariando drsticamente sus propiedades electromagnticas.

Esta situacin recomend realizar una serie de pruebas en las playas con el fin de analizar in-situ las posibilidades de empleo del equipo. A tal efecto se realizaron un conjunto deenterramientos controlados de fuel en una zona de pruebas en la que se ensayaron registroscon diversas antenas. En la Fig. 9 se muestra el radargrama obtenido con una antena de 800MHz, donde se aprecia una placa de fuel menor de 1 m de extensin centrada en el metro 3

del perfil y enterrada ex profeso a medio metro de profundidad.

Fig. 9. Radargrama obtenido en una zona de pruebas donde se aprecia la presencia de un pequea placa de fuel enterrada a 0,5 m deProfundidad.

Los buenos resultados obtenidos permitieron ser optimistas en cuanto al empleo exitoso de latcnica para detectar el fuel enterrado. Para la toma de datos en condiciones reales de campofue necesario efectuar diversas adaptaciones al equipo. Se incorpor un patn de ruedas

anchas para el desplazamiento de las antenas por la arena; se empleo un ordenador robustodotado de pantalla transflectiva para mejorar la visualizacin e interpretacin de los registrosen tiempo real; finalmente, para facilitar el posicionamiento del sistema, se incorpor unequipo GPS sincronizado con el radar, de forma que aquellas capas que no pudiesen serdetectadas en tiempo real quedasen localizadas tras su identificacin como tales durante lastareas de postproceso en laboratorio.


42/89

42

Fig. 10. Registro de 12 m obtenido con una antena de 800 MHz donde se detecta la presencia de una capa de fuel oculta bajo la arena

Con esta configuracin se rastrearon diversas playas en las cuales fue posible detectar variasplacas de fuel como la que se muestra en la Fig. 10, obtenida en los canales interdunales de la

playa de Carnota (A Corua). El radargrama fue obtenido con una antena de 800 MHz y en les posible apreciar un reflector entre los metros 28 y 35 que se identific, en tiempo real,como una placa de fuel enterrada dentro del primer medio metro del subsuelo. La ejecucinde una malla de perfiles de detalle en esa zona permiti delimitar la zona contaminada, lacual abarcaba una superficie aproximada de unos 40 m2. La precisin en el posicionamientode la placa fue confirmada sobre el terreno mediante la excavacin de catas puntuales comola que se muestra en la Fig. 11, coincidiendo con el metro 28 del radargrama de la Fig. 10.

Fig. 11. Cata realizada en el metro 28 del perfil de la Fig. 10 donde se aprecian la profundidad y los lmites de la placa de fuel detectada.


43/89

43

PRINCIPIO DEL METODO


44/89

44

TEMA 5: PROSPECCIN GEOQUIMICA

La exploracin geoqumica de superficie investiga la presencia de hidrocarburosqumicamente identificables que se encuentren en superficie o cerca de la misma o loscambios inducidos por la presencia de esos hidrocarburos en el suelo, con la finalidad de

localizar las acumulaciones en el subsuelo que le dieron origen. Su rango de observacin seextiende desde aquellos afloramientos de petrleo y/o gas de escala macroscpica (fcilmentevisibles), hasta los de escala microscpica en los que es necesaria la identificacin de huellaso rastros de hidrocarburos no visibles o inferirlos a travs de la identificacin de cambios enel suelo o en la superficie del terreno producidos por la presencia de hidrocarburos.

Los mtodos de prospeccin geoqumica de superficie se han usado desde la dcada de 1930,pero es en esta ltima dcada que se ha visto un renovado inters en la exploracingeoqumica, especialmente por el desarrollo de nuevos mtodos analticos e interpretativos,que han generado un nuevo conjunto de datos que han activado la exploracin geoqumica.Muchos de estos nuevos desarrollos tecnolgicos estn sumariados en la Memoria 66

publicada por la AAPG, Hydrocarbon Migration and Its Near- Surface Expression.

Relevamientos geoqumicos y otras investigaciones documentan el hecho de que lasmicrofugas de hidrocarburos, ya sean lquidos o gaseosos, desde una acumulacin son:

1) comunes y de amplia distribucin,2) predominantemente verticales (con obvias excepciones en algunos ambientesgeolgicos)3) dinmicas (responden rpidamente a los cambios en las condiciones de los

reservorios).

Objetivos de la Exploracin Geoqumica

El principal objetivo de un programa de exploracin geoqumica es establecer la presencia ydistribucin de hidrocarburos en el rea y, sobre todo, lo ms importante es determinar la

probable carga de hidrocarburos de un play o prospecto. En programas de reconocimiento oregionales, la presencia de micro o macro afloramientos de hidrocarburos proveen unaevidencia directa de la generacin de hidrocarburos. Es decir que se pone en evidencia la

presencia de un sistema petrolero activo y se identifican los sectores de la cuenca que sonms atractivos. Adicionalmente, la composicin qumica de estos afloramientos puede indicarsi es una cuenca o play ms propensa para la generacin de gas o petrleo. Si el objetivo esevaluar el potencial exploratorio de un lead o prospecto, los resultados de un programageoqumico pueden llevarnos a evaluar mejor el riesgo, identificando aquellos prospectosasociados con fuertes anomalas geoqumicas y resaltando los prospectos en base a su posiblecarga de hidrocarburos. Para el estudio de proyectos de desarrollo,los trabajos detallados de

reconocimiento de anomalas superficiales de hidrocarburos pueden servir para:1) ayudar a decidir la ubicacin de pozos de avanzada o de desarrollo.2) delinear los lmites productivos de un yacimiento.3) identificar compartimentalizaciones del reservorio.4) monitorear el drenaje de los hidrocarburos a travs del tiempo, repitiendo los

estudios geoqumicos cada cierto perodo de tiempo.


45/89

45

Los programas geoqumicos de superficie pueden a su vez aadir valor a la informacinssmica 2-D y 3-D a travs de la identificacin de ciertas caractersticas particulares ocompartimentalizaciones del reservorio cargados con hidrocarburos.

Asunciones

La asuncin subyacente de toda exploracin geoqumica de superficie es que loshidrocarburos son generados y/o entrampados en profundidad y migran hacia la superficie encantidades variables pero detectables. ste es un hecho largamente comprobado y laasociacin directa entre anomalas superficiales con reservorios productivos, algunos

prospectos especficos, as como con fallas u otras vas de migracin, es bien conocida.Por lo tanto, se asume o al menos queda implcito que la anomala en la superficie puede serrelacionada con una acumulacin de petrleo en profundidad. El xito con el cual estaasuncin puede ser hecha es mayor en reas de geologa relativamente simple y se vuelvems complicado cuanto ms compleja sea la conformacin geolgica del rea. La anomalageoqumica en superficie representa el final del camino de migracin, una migracin que

pudo ser corta y vertical o larga y lateral. Un ejemplo de estos estilos contrastantes se ilustraen la figura 1.

Figura 1 Espectro de distintos estilos de microfugas y sistemas de migracin

Microfugas de Hidrocarburos desde el Reservorio

La actividad de las microfugas de hidrocarburos se refiere a la tasa relativa de hidrocarburosque escapan del reservorio.Las microfugas activas se relacionan con reas donde los hidrocarburos se escapan desde elreservorio en el subsuelo en concentraciones grandes, hasta alcanzar los sedimentos poco


46/89

46

profundos o la columna de agua en el mar o la atmsfera. Los escapes activos muchas vecesse detectan como anomalas acsticas en los perfiles ssmicos convencionales y en los de altaresolucin. Este tipo de escapes se produce en cuencas sedimentarias que actualmentegeneran hidrocarburos y que tienen excelentes sistemas de migracin. Los escapes activosson fcilmente detectados por la mayora de los mtodos de muestreo geoqumico.

Las reas donde los hidrocarburos que se encuentran en subsuelo no presentan microfugasactivas se clasifican como reas con microfugas pasivas. Los microafloramientos asociados aestas reas usualmente contienen hidrocarburos livianos de bajo peso molecular y voltil dealto peso molecular, por encima de la concentracin de fondo.

Las anomalas acsticas pueden estar presentes, pero anomalas en columnas de agua sonmuy raras. Niveles anmalos de escapes de hidrocarburos pueden ser detectables solamentecerca de puntos de goteo mayores o a profundidades mayores a las normales del muestreo.

Microfugas pasivas se producen en las cuencas donde la generacin de hidrocarburos esrelctica o la migracin es espordica o inhibida por barreras de migracin.

Figura 2 Lnea ssmica del yacimiento Ekofisk, Mar del Norte, ilustrando una chimenea de gas bien desarrollada, causada por las condicionesde baja velocidad debidas a los sedimentos cargados de gas (de Ekofisk: First of the Giant Oil Fields in Western Europe por Van den Bark andThomas, AAPG Memoir 30, 1990). Hovland and Sommerville (1985) estimaron la fuga de gas en 1000 litros por hora. Extrapolando este stimadopara el total del rea de escape de gas, estimada en 100.000 m 2 conteniendo 140 afloramientos, da un flujo neto de 890 litros/m2/ao.

Microfugas y Macrofugas

Como se ha indicado anteriormente, existe en los reservorios un continuo escape dehidrocarburos que va desde los ms bajos niveles detectables en un extremo, hastaafloramientos visibles de hidrocarburos en superficie en el otro. Las macrofugas estnrelacionadas generalmente con afloramientos visibles de petrleo y gas, mientras que lasmicrofugas se han definido como elevadas concentraciones, analticamente detectables, dehidrocarburos voltiles y semivoltiles o los cambios inducidos por los hidrocarburos en el

suelo y en los sedimentos. La existencia de microfugas, si bien no son visibles, estdemostrada por un gran nmero de evidencias empricas, incluyendo:

1) elevadas concentraciones de hidrocarburos livianos y de poblaciones de microbiosque oxidan hidrocarburos en el suelo y sedimentos que se encuentran por encima delreservorio;2) un incremento de la relacin de ciertos gases en el suelo, con respecto a la relacinde gas y petrleo que se encuentra en el reservorio;


47/89

47

3) rpidos cambios laterales en esas concentraciones y relaciones hacia los bordes dela proyeccin del Reservorio en superficie;4) similitudes con relaciones isotpicas de carbono estables, para el metano y otroshidrocarburos livianos, entre los gases del suelo y los del reservorio;5) la desaparicin y reaparicin de gases y microbios en el suelo debido a ladepletacin o represurizacin de los reservorios.

Variaciones de las Microfugas con el Tiempo

La actividad de las microfugas y la consecuente concentracin de hidrocarburos en lasuperficie pueden variar significativamente con el tiempo. Est empricamente comprobadoque los microafloramientos de hidrocarburos y las anomalas geoqumicas asociadas puedenaparecer y desaparecer en un tiempo relativamente corto, semanas, meses, aos. Losresultados de los estudios de geoqumica de superficie realizados sobre reservorios dealmacenamiento de gas y sobre yacimientos y repetidas con cierta periodicidad, handemostrado que la tasa de migracin y de microfugas de hidrocarburos vara desde menos deun metro por da a decenas de metros por da. Observaciones empricas y simulacionesdesarrolladas en computadora sugieren que el mecanismo de microfuga es por empuje de

flotabilidad, en un flujo gaseoso de fase continua a travs de poros y fracturas hmedas oimpregnadas de fluidos.

Evidencias de Migracin Vertical

Casi todos los mtodos de exploracin geoqumica de superficie se basan en la suposicinque los hidrocarburos migran predominantemente en direccin vertical desde las rocas quelos originan y desde los reservorios donde se almacenan hasta la superficie. Evidencias deesta migracin vertical de hi

Documents

texto geofísica (contenido de geofísica aplicada contenido mínimo)