ARTURO JESÚS LORENZO FERRÁS

PROGRAMA DE FORMACIÓN IBEROAMERICANO ENMATERIA DE AGUAS

ÁREA TEMÁTICA 4.1. HIDROGEOLOGÍA IVCiudad de la Habana, Cuba

Edinburgo, Reino Unido

1726 –1797

Padre de la Geología Moderna

James Hutton

Darwin

Estudioso de la Geologíay la Paleontología

Beagle

VISIÓN ACTUAL DE LA TIERRA

VISIÓNCLÁSICA

VISIÓN ACTUAL DE LA TIERRA

VISIÓNCLÁSICA

Muchas de estas interrogantes difícilmente hubiesen podidoser respondías sin la contribución de los métodos geofísicos ybasándose solamente en observaciones sobre el terreno.

Solo mediante métodos “indirectos”, y basándonos en cuidadosas deducciones

a partir de los mismos, podríamos conocer el interior de la tierra.

Ejemplo clásico de Robert F Legget en su libro Geología para Ingenieros.ACTUAL DE LA TIERRA

El pico Mauna Kea en Hawaii tiene una altura de 4205 m sobre el nivel del mar yestá situado a solo 74 km al sudoeste de un punto del océano de 5563 m deprofundidad, lo que implica un salto de 9764 m.Este posiblemente sea uno de los cambios más abruptos de relieve en lasuperficie de la tierra. Sin embargo, esta distancia aparentemente grande, asumeotra proporción cuando se le considera en relación a la tierra misma, con sus6378 km de radio medio en el ecuador y 6356 km de radio medio en los polos.

Mauna Kea, volcáninactivo situado alnorte de la isla deHawaii.

VISIÓN ACTUAL DE LA TIERRAPara llevar estas distanciasproporcionalmente a nuestras dimensioneshumanas, reduzcamos la tierra a un globo de0.50 m de diámetro.

En ese caso las profundidades máximas ymínimas y las diferencias de alturas en lasuperficie estarían representadas por 2 mm.

Las más. altas montañas por 0.3 mm y laaltitud media de los continentes por elespesor de una simple capa de barniz.

Por lo tanto, las observaciones directas del hombre deben limitarse a esacorteza extremadamente delgada y solo mediante medios “indirectos”, ybasados en cuidadosas deducciones a partir de esos métodos indirectos,podríamos conocer el interior de la tierra.

Temperaturas relativas del manto a 260 km de prof.

La geofísica estudia la composición de la tierra y su dinámica, sobre la base demedidas de campos físicos que normalmente se realizan desde la superficie delplaneta o desde el aire.

El objetivo es deducir las propiedades o el estado físico de las rocas y mineralesque componen la tierra, junto a su composición interna, a partir de diversosfenómenos físicos.

¿Qué es la Geofísica?…”Geofísica: palabra del griego gee = tierra, y fisikos = físico

Se pueden inferir informaciones sobre la composición del subsuelo mediantealgún parámetro físico medido en superficie, que puede ser la velocidad de unaonda mecánica, o las variaciones de un campo gravitacional producidas pordiferencias de densidad, o la intensidad de una corriente asociada a la mayor omenor facilidad de propagación de las cargas eléctricas, o los flujos de calor.

• Densidad• Susceptibilidad Magnética.• Resistividad o Conductividad.• Polarizabilidad• Temperatura.• Propiedades acústicas.• Propiedades radioactivas.

PROPIEDADES FISICAS MEDIDAS POR LOS METODOS GEOFISICOS

Los métodos geofísicos ofrecen unaforma de obtener información detalladaacerca de las condiciones del suelo yrocas del subsuelo.

Esta capacidad de caracterizarrápidamente las condiciones delsubsuelo sin perturbarlo, ofrece elbeneficio de costos más bajos y menosriesgo, dando mejor entendimientogeneral de las condiciones complejasdel sitio.

Es necesario a menudo utilizar mas deun método para lograr obtener lainformación deseada.

“…En este siglo de gran avance tecnológico, el olvido dela hidrogeología así como del papel de vanguardia y delas ventajas de los modernos métodos geofísicos…acarrearía rápidamente un estado de subdesarrollo osobrexplotación de los recursos hidráulicos.”

Robert Ambroggi en el prólogo al libro de Jean Louis Astier“Geofísica Aplicada a la Hidrogeología” ( Paraninfo, Madrid 1982, 2da Ed.)

La geofísica aplicada desde sus inicios jugo un papel preponderante en ladeterminación de la geometría de los acuíferos, dado su bajo costo yrapidez, con relación al de los sondeos mecánicos.

Con los escases de recursos hídricos que trajo consigo el progreso de lahumanidad y su acelerado crecimiento; fue necesaria la inversión derecursos en desarrollos más técnicos y perfeccionados.

Los métodos de prospección geofísica se han constituido en técnicasauxiliares básicas en todo estudio hidrogeológico, variando en el tiempo elobjetivo esencial de su aplicación. En una primera fase fueronimprescindibles para llegar a establecer la geometría de los sistemas.Superada esta fase y su contraste con sondeos mecánicos, toman elrelevo métodos que permiten deducir aspectos relacionados con el flujode masas y/o con flujos de calor. Simultáneamente, los métodosgeofísicos contribuyen a mejorar el diseño de las captaciones mediante laaplicación de todas las técnicas de testificación.

En los últimos años el auge se encuentra esencialmente en todas lasaplicaciones en el dominio de la contaminación de acuíferos y deotros problemas medioambientales, comenzando en la detección eidentificación, y continuando por el seguimiento espacial y temporal,siendo asimismo una herramienta de gran utilidad en las etapas dedescontaminación.Al igual que sucede en otros dominios de aplicación, los resultadosóptimos se obtienen del uso de más de un método para el mismo objetivo,con el fin de minimizar las incertidumbres que tiene cada uno porseparado.

HIDROGEOFISICA.

Para poder aplicar un método geofísico en una prospección, es necesarioque se presente dos condiciones importantes:

que existan contrastes significativos, anomalías que se pueden detectary medir.

que estos contrastes se puedan correlacionar con la geología delsubsuelo.

:

Activos:Introducen una alteración en el terreno y miden su respuesta:

Polarización inducida, Eléctricos, Electromagnéticos, Sísmicos,Georradar, etc.

Pasivos:Miden la variación de alguna propiedad natural del terreno:

Gravimetría, Potencial espontáneo, Magnetometría, Radiometría,etc.

En general los métodos activos, si son aplicables, permitendeterminaciones más precisas.Las técnicas utilizadas son muy variadas, están en continuo desarrollo ynecesitan de especialistas para su aplicación e interpretación.

1. Determinación de parámetros geométricos.

Caracterización de estructuras en general:• Morfología de cuencas sedimentarias• Posición y salto de fallas• Condiciones de borde• Localización de paleocanales y valles enterrados

Todos los métodos geofísicos son aplicados en este tipo de temas.

Localización de acuíferos:En sedimentario:• Potencia de aluvial sobre roca firme• Profundidad y potencia de capas• Naturaleza litológica de las capas y del sustrato• Extensión lateral de capas

1. Determinación de parámetros geométricos.Localización de acuíferos:

En rocas ígneas y metamórficas:• Detección de fallas y zonas fracturadas• Localización de alteraciones (zonas meteorizadas)En rocas volcánicas:• Localización de formaciones no compactas• Localización de coladas fisuradas• Límites por filones inyectados y coladas CompetentesEn formaciones cársticas:• Localización del carst

(Resistividad y EM fundamentalmente. También Sísmica, Gravimetría, Magnetometría, Potencial Espontaneo)

2.- Determinación de parámetros sobre calidad del agua ycontaminación.

• Salinidad del agua• Posición de la interfase agua dulce – salada• Plumas de contaminación (hidrocarburos, vertederos, fertilizantes).

(Los métodos geoeléctricos permiten una evaluación cualitativa de lasalinidad del agua, siempre que se trate de formaciones de resistividadconocida; la interfase de las intrusiones marinas pueden localizarse confiabilidad, principalmente con métodos de corriente alterna; la PolarizaciónInducida está siendo utilizada en la localización de contaminaciones porhidrocarburos, siendo las secciones geoeléctricas las más utilizadas paraotro tipo de contaminaciones que modifiquen las propiedades eléctricas, loque no es el caso de los fertilizantes, que no pueden ser detectados pormétodos geofísicos.)

2.- Determinación de parámetros sobre calidad del agua ycontaminación.

control de vulnerabilidad a la contaminación:• Cartografía de capas protectoras impermeables• Localización de zonas fracturadasTodos los métodos pueden encontrar su utilidad en este tipo de aplicación.

• temperatura del aguaNo puede determinarse con métodos de superficie.

3 Determinación de parámetros hidrogeológicos:• profundidad del nivel freático• porosidad• permeabilidad (conductividad hidráulica)• coeficiente de almacenamiento• velocidad de flujo• dirección de flujo.

Es la testificación geofísica de sondeos la herramienta más eficaz para ladeterminación de estos parámetros. Desde superficie, combinaciones demétodos eléctricos y sísmicos permiten en zonas muy controladas ladeterminación de la porosidad y permeabilidad; la profundidad del nivelfreático puede determinarse con sísmica y actualmente con Sondeos deResonancia Magnética, siendo de menor fiabilidad las determinaciones pormétodos eléctricos; la velocidad y dirección de flujo puede evaluarsemediante métodos eléctricos apoyados por trazadores, y en ocasiones conmediciones de Potencial Espontáneo y por la asociación a fenómenoselectro cinéticos.

REFRACCIÓN SÍSMICA:

Determinar la posición y el salto de falla en terrenos sedimentariosCartografía de horst anchosDeterminación de la profundidad del sustratoDeterminación de la posición y potencia de acuíferos, aplicación limitadapor la presencia de capas de baja velocidad (Ej. arcillas superficiales) yque exige una potencia mínima.Determinar la profundidad de calizas carstificadas y el contacto con lascalizas compactas, obteniéndose a veces mejor resultado que con losmétodos eléctricos.Pueden inferirse datos de porosidad (una disminución de la velocidadindica mayor porosidad), sobre todo con la combinación de ondas P yondas S.

REFLEXIÓN SÍSMICA:

La SÍSMICA DE REFLEXIÓN permite la localización ydeterminación cuantitativa de saltos de falla, la cartografía dela roca firme y de estructuras del recubrimiento. Aunqueutilizada fundamentalmente para profundidades superiores alos 100 m, en condiciones óptimas (grano fino y saturación deagua) se han alcanzado resoluciones de 1 m en los primeros15 m. Es bastante frecuente el reproceso o reinterpretación delíneas sísmicas obtenidas para investigación de hidrocarburos,lo que permite utilizar esta información para cartografiar lasestructuras que pueden controlar los acuíferos superficiales

METODOS GEOELÉCTRICOS:Determinar la posición y el salto de falla.

Determinar la posición de horst (donde pueden producirseerrores en las mediciones por efectos laterales).

Determinar la potencia de recubrimiento arcilloso .

Determinación del espesor del acuífero.

La resistividad permite efectuar una cierta clasificación dela litología, siendo necesario conocer la resistividad de laformación para poder evaluar la calidad del agua.

Determinación de la dirección del flujo, con ayuda detrazadores.

METODOS GEOELÉCTRICOS:Evaluar las características hidráulicas de los aluviales: si hay arcilla

intercalada, serán de mejores propiedades hidráulicas cuanto másresistivos; si no hay arcilla, la porosidad será mejor cuanto más baja seala resistividad; si existe agua salada, los terrenos resistivos seránasignados a zonas porosas con agua dulce.

Calcular la profundidad del sustrato.

Localización de carst, cuando el método es utilizado en forma decalicatas eléctricas.

Determinación de espesor de la zona alterada superficial en coladascompactas, por la disminución que la alteración produce en laresistividad.

METODOS ELECTROMAGNETICOS :Los métodos ELECTROMAGNÉTICOS en particular, sonespecialmente útiles en:

Exploración de acuíferos colgados.

Cartografía de contaminantes industriales.

Medición de la salinidad e intrusión marina (si puededeterminarse la resistividad de la formación, puedededucirse la calidad del agua).

Posicionando la interfase agua dulce-salada.

METODOS ELECTROMAGNETICOS:Sus mayores ventajas sobre los métodos de corriente continuaes que son más sensibles a pequeñas variaciones deresistividad, que las medidas se pueden hacer másrápidamente y facilitan las investigaciones a mayoresprofundidades.

METODOS ELECTROMAGNETICOS:En general son más efectivos en la detección de conductoresque de resistivos. Dentro de ellos, la variedad de SondeosElectromagnéticos en el Dominio del Tiempo (SEDT o TDEM),por resultar menos influenciados por efectos laterales, es deespecial aplicación para cartografía de aluvial y gravas sobreroca firme; cartografía de lentejones de arena y gravas, ydetección de la interfase agua dulce-salada.

METODOS ELECTROMAGNETICOS:La determinación de anisotropía de las propiedades eléctricas(y/o magnéticas) es de utilidad para localización dealteraciones y zonas fracturadas en terrenos ígneos ymetamórficos (medios cristalinos).El método de VLF da buenos resultados para localización decoladas fisuradas en rocas volcánicas.

POLARIZACION INDUCIDA:La POLARIZACIÓN INDUCIDA es utilizada siempre enconjunción con otros métodos geoeléctricos, siendoparticularmente interesante para evaluar la arcillosidad de lasarenas y delimitar en algunos casos la interfase agua dulce -agua salada.

RADAR. GPR:El RADAR terrestre permite obtener una resolución muy alta(centimétrica) con poca penetración (hasta unos 20 m deprofundidad); tiene aplicación para determinar (la potencia dehielo en lagos helados, profundidad de la roca inalterada,estratificación de suelos, profundidad del nivel freático,detección de huecos y carst.

MAGNETOTELURICO:Con los métodos MAGNETOTELÚRICOS se puede obtenerinformación sobre los límites de acuíferos, zonas de altatransmisividad, variaciones de permeabilidad y localización desistemas de fracturas, lo que unido a la posibilidad deinterpretación en 2D y 3D facilita el modelado de flujos; con lautilización de fuentes controladas (CSAMT) puede obtenersebuena resolución hasta unos 250 m de profundidad.

GRAVIMETRIA:La GRAVIMETRÍA está siendo utilizada para:

Determinar la posición y evaluar el salto de falla(conocida la densidad)

Cartografía de horst

Definir la morfología y profundidad de cuencasSedimentarias

Definir la morfología del sustrato bajo depósitos aluviales

Localización de valles fósiles y paleocanales

Determinar la potencia del aluvial sobre roca firme

MAGNETOMETRIA:El método MAGNÉTICO es utilizado fundamentalmente desdeel aire en entornos cristalinos y metamórficos. Gran parte delmundo está cubierta con cartografía aeromagnética, hechapara cartografía geológica, prospección minera y dehidrocarburos; sin embargo esta información puede ser de granutilidad para Hidrogeología, por su valor de identificacióngeológica y en especial para detección de zonas de fallas ydiques que pueden no ser visibles en la cartografía geológicade superficie, y ser de gran importancia como guía para laejecución de pozos.

MAGNETOMETRIA :Se ha empleado para:

Determinar la posición cualitativa de fallas

Cartografía de horst

Calcular la profundidad del basamento en cuencas,permitiendo evaluar la naturaleza litológica del mismo

Localización de fallas mineralizadas, como posible fuentehidrotermal, en rocas cristalinas

Localización de coladas y filones en rocas volcánicas

Otros métodos eléctricos como el POTENCIAL ESPONTÁNEOPUESTA A MASA y SISMOELÉCTRICO son utilizados pararesolver casos muy puntuales de límites de acuíferos ymovimiento del agua, en terrenos tanto sedimentarios, comocársticos y volcánicos.

PLANIFICACIÓN DE LAS CAMPAÑAS DE GEOFÍSICA

• Es muy importante tener claro al comienzo de un proyecto saber cuales son los objetivos que se desean alcanzar.

• Pensar y analizar bien, que es lo que se pretende obtener con un estudio geofísico.

• Escoger el método geofísico mas idóneo para la tarea presentada y en consonancia con las condiciones de medición en el terreno.

• Cual es realmente el problema que se quiere solucionar?• En que entorno voy a estar trabajando?• Cuáles son las dimensiones de dicho entorno?• Cuáles son las dimensiones del objetivo a caracterizar?• A que distancia voy a estar trabajando desde mi base central?• De cuanto tiempo dispongo?• Cual va ser la meteorología de los días de trabajo escogidos?• De cuanto presupuesto se dispone?• Que logística es necesaria para realizar el estudio?• Con que datos de partida dispongo? (geología, sondeos, historia, etc.)• De que accesos se disponen?• De que servicios se disponen? (agua, luz, etc.)• Centros sanitarios más cercanos en caso de una emergencia.

• La geofísica no puede ser estandarizada, ya que en lugares diferentes,tanto los objetivos como los entornos de trabajo nunca son iguales.

• Operadores y técnicos deben de conocer bien las ventajas y desventajasde los métodos geofísicos existentes para poder adaptar el métodoelegido en su aplicación para la resolución de un problema.

• Para poder ser resolutivo ante un problema, ingenieros, técnicos yoperadores que participen directamente en un estudio geofísico, deben decontar con la suficiente experiencia para poder ser resolutivos antecualquier tipo de contratiempo.

• No siempre suelen surgir problemas geofísicos sino que además puedensurgir problemas mecánicos o logísticos como: baterías mal cargadas,roturas de cables, problemas electrónicos, etc. Es decir, hace falta tenercapacidad de reacción ya que el tiempo perdido también cuesta dinero.

• En la fase interpretativa de un estudio geofísico, el interpretador tambiénha de tener suficiente experiencia para poder obtener resultadoscoherentes. Para la obtención de resultados coherentes no solo hace faltaexperiencia sino que además la información obtenida de campo debe sercontrastada con la información que puedan aportar ingenieros, geólogos ehidrogeólogos, etc.

APLICACIONES GEOFÍSICASNo todos los métodos geofísicos sirven para medir y caracterizar cualquier cosa. Cada método geofísico tiene una serie de características especiales que le hace distinto de los demás. Estas características son:

• Propiedad física dependiente que se desea medir (conductividad eléctrica, contrastes de densidad, susceptibilidad magnética, etc.)

• La logística humana y material necesaria para llevar a cabo ese método

• Presupuesto económico disponible para aplicar ese método

• Escala a la que se desea medir, detección de anomalías a nivel Regional o a nivel Local.

TABLA DE RECURSOS HUMANOS

Método Geofísico Tipo de caracterización

Director de proyecto

Técnico Jefe de campo Operadores

MagnetometríaPerfil 1 1 1

Área 1 1 1

ElectromagnetometríaPerfil 1 1 1-2

Área 1 1 1-2

TDEM Sondeos 1 1 3-4

EléctricosSEV 1 1 3

Tomografías 1 1 3-4

Georadar (según modelos)

Perfil 1 1 1

Área 1 1 1

Sísmica refracciónÁrea Perfil

1 1 3

Sísmica reflexión (Terrestre)

ÁreaPerfil

1 1 3

GravimetríaÁreaPerfil

1 1 1

1) Planteamiento o definición del problema. (sólo a preguntas concretas pueden darse respuestas concretas)

2) Planificación de la campaña geofísica. (traducir a términos geofísicos el problema planteado y elaborar las hipótesis de trabajo. Seleccionar el complejo de métodos geofísicos.)

3) Trabajos de Campo.

4) Trabajos de Gabinete.

5) Interpretación.(respuesta al problema en términos geológicos. Responsabilidad compartida)

Todas las etapas tienen igual importancia. ningún proceso

numérico puede mejorar unos datos mal tomados,

ni será posible dar una interpretación correcta a

un problema mal planteado

El estudio Geofísico NO es cuestión exclusiva de

los especialistas en Geofísica, sino que,

sobre todo en las etapas de definición de objetivos y de

interpretación, deben de participar siempre

expertos en los temas geológicos involucrados.