Métodos de prospección física

Presentador por:

Luis Camilo Gómez Trujillo

La prospección geofísica

es un conjunto de técnicas físicas y matemáticas, aplicadas a la exploración delsubsuelo para la búsqueda y estudio de yacimientos de substancias útiles (petróleo,aguas subterráneas, minerales, carbón, etc.), por medio de observaciones efectuadasen la superficie de la tierra. Algunos de los métodos utilizados en la exploración son:Geofísicos• Estudios sísmicos: Consisten en producir artificialmente ondas sísmicas con una

explosión pequeña o el impacto sobre la superficie de un objeto de gran peso (aveces, portado por un camión especial para esta tarea). Estos estudiosdetectan muy bien la presencia de hidrocarburos.

• Estudios gravimétricos: Son aquellos que consisten en medir la intensidad dela fuerza gravitatoria de la Tierra, la cual puede cambiar cuando se está enpresencia de grandes masas mineralizadas.

• Estudios magneto métricos: Éstos se basan en medir variaciones en el campomagnético de la Tierra a fin de detectar minerales como la magnetita que alteranel campo magnético.

• Estudios radiométricos: Consisten en efectuar mediciones de las radiaciones quese emiten desde el interior de la Tierra. Resulta apropiada para detectar lapresencia de minerales como el "radio" o el "uranio".

Ventajas de la prospección geofisica

• La búsqueda de nuevos recursos mineros es uno de los principales problemas al que se encuentra el sector de la exploración. Los recursos se localizan dispersos en el territorio, concentrados y a profundidades variables.

• La geofísica se adapta a toda la gama de necesidades de exploración, realizando investigaciones de grandes áreas con complejos métodos electromagnéticos transportados, magnéticos, gravimétricos, etc. Para localizarlos en un área específica y modelizar sus dimensiones utiliza sistemas sísmicos, electromagnéticos de dominio tiempo, eléctricos, sistemas sísmicos; que aportan información y disposición de los recursos.

• Con la geofísica es posible barrer áreas enormes, en pro de búsqueda de recursos muy concentrados, como hidrocarburos, o minerales preciosos. Del mismo modo es posible, modelizar la disposición del recurso, profundidad, para valorar la viabilidad de la explotación. Como no es posible barrer toda el área, y realizar un mapeado a diferentes profundidades.

Aplicaciones para la prospeciongeofisica

• Los resultados que físicamente más se aproximan al modelo de datos, son los que nos indican que el material explotable es de mayor calidad. Esta información es muy útil porque permite priorizar las explotaciones.

• Entre las técnicas más comunes, se encuentra la sísmica Vs30, para obtener los parámetros elásticos y dinámicos de los materiales. La tomografía eléctrica, para comparar su resistividad al paso de la corriente. El georradar es muy útil para comprobar la homogeneidad de bloques y su sistema de diaclasas.

Análisis de recursos

• el análisis de recursos mineros, consiste en el conocimiento de los recursos. La gran cantidad de datos que aporta los estudios geofísicos, facilitan las gestiones de las explotaciones mineras con un coste muy bajo. La alternativa, es la realización de ensayos mecánicos, que son muy lentos, puntuales, caros y en algunos casos no viables, por dificultades de acceso.

• Con las tecnicas de prospecion se realizan ensayos eléctricos y sísmicos que obtienen modelos 1d, 2d y 3d, a profundidades medias con elevada calidad (0-100 metros de profundidad). La caracterización estratigráfica y litológica, sumada a las propiedades físicas de los propios materiales sirve de hoja de ruta a las explotaciones mineras.

Geología de detalle y Cartografía Geológica

• La evaluación geológica es fundamental para el diseño de una campaña de exploración geofísica. La concentración de recursos de investigación viene definida por una evaluación geológica, de una zona extensa.

• La cartografía de detalle permite tener unos datos de materiales en superficie, en caso que sean aflorantes, y un diseño de modelos experimentales de potencias de recursos y su disposición. En base a la cartografía geológica de detalle se realizan campañas de exploración concretas, despejando datos sobre buzamientos de capas, potencias aproximadas y profundidades aproximadas.

Hidrocarburos y plumas de contaminación

• La contaminación del subsuelo, especialmente la contaminación por hidrocarburos es una problemática a resolver. Las actividades con posibilidad de contaminación se suelen concentrar en áreas muy pequeñas. Estas actividades pueden verter residuos durante años, sin ni siquiera tener conocimiento de fuga.

• La legislación vigente no permite la contaminación del subsuelo y se recomienda que se evalúe y se recicle el suelo contaminado. La contaminación puede afectar al desarrollo de la vegetación superficial y a la contaminación de recursos hídricos, inutilizándolos para el consumo.

• Poe eso se han adaptado sus técnicas para conseguir localizar, y modelizar las plumas de contaminación. De esto modo se puede descartar zonas contaminadas, y realizar extracciones seguras de material contaminante. Dentro de las técnicas, las más destacadas son la tomografía eléctrica y el geo-radar.

Técnicas de prospección geofísicas

Tecnicas Eléctricas• Los métodos eléctricos funcionan emitiendo corriente por uno o varios

electrodos, llamados de corriente, y la recepción por uno o varios electrodos llamados de potencial. La diferencia entre la corriente emitida y la recibida, se denomina resistencia eléctrica y se expresa en Ohmios. El resultado de los ensayos se suele tratar con software específicos, para obtener resultados más precisos y rápidos del subsuelo.

• Según la amplitud entre los electrodos emisores y los receptores se obtienen valores a mayor profundidad, llegando a 500 metros de profundidad o más. Según la configuración electródica se pueden obtener diferentes resultados, tanto en el plano horizontal, como en el plano vertical.

• Las aplicaciones más comunes son:• Caracterización resistiva de materiales y estructuras geológicas.• Modelización de la estratigrafía del substrato.• Detección y modelación de cavidades.• Planificación de tomas de tierra.• Localización de niveles freáticos.

Calicatas eléctricas

• Consiste en la realización de unas tomas de resistividades someras, para obtener información rápida y económica. Se obtienen curvas resistivas para los primeros metros, y podemos caracterizar el material y tener su resistividad. Esta información es muy útil, para instalar tomas de tierra y centros eléctricos.

• Generalmente utilizan métodos tetra-electródicos, haciendo emisión de corriente por electrodos de corriente y recibiendo por electrodos de potencial. Las tomas de campo son muy rápidas y suponen un bajo coste.

Sondeos eléctricos verticales (SEV)

• Generalmente utilizan métodos tetra-electródicos, haciendo emisión de corriente por electrodos de corriente y recibiendo por electrodos de potencial. Con la separación entre los electrodos obtenemos valores a mayor profundidad, siendo posible obtener datos a 200 metros.

• Se utiliza para obtener datos geológicos en zonas de difícil acceso y para aumentar la malla de datos en zonas regulares. Los sondeos eléctricos verticales (SEV) de campo son muy rápidos, y permiten obtener caracterizaciones del subsuelo hasta altas profundidades. Evita la realización de campañas de sondeos profundos y permite optimizar campañas de perforaciones mecánicas.

Tomografía eléctrica 2D y 3D

• Compartiendo los mismos principios que los SEVs, se obtienen imágenes resistivas del subsuelo; con la mejora de la obtención de una gran cantidad de valores, en dos y tres dimensiones.

• Se utiliza para obtener datos geológicos, detectar fallas, fracturas, oquedades, zonas contaminadas, recursos mineros, etc.

Ensayos de pozo.Tomografías cruzadas (CET)

• Este método también mide la diferencias geoléctricas de los materiales atravesados. Funciona como una tomografía eléctrica, pero se diferencia en el plano de trabajo. En este caso se realizan en plano vertical, de modo unitario, entre dos sondeos, y entre sondeos y superficie.

• Es muy útil en zonas urbanas para caracterizar el subsuelo y estructuras, así como cimentaciones de edificios o continuidad de capas entre sondeos.

Polarización inducida (IP)

• El fenómeno de la polarización inducida se observa cuando se hace pasar corriente eléctrica a través de un electrolito que contiene cuerpos o partículas de conducción electrónica (metales, semiconductores, minerales).

• Los sistemas tetraelectródicos se utilizan comúnmente en el estudio de Polarización Inducida. Estos sistemas cargan el subsuelo por los electrodos de corriente durante un tiempo, y reciben la respuesta con un tiempo mayor, por los electrodos de potencial. De este modo se analiza cómo se descarga el subsuelo, especialmente la descarga realizada por los metales en el subsuelo.

• Con el paso de corriente se consigue polarizar los materiales conductores, de este modo se localizan y modelizan los cuerpos investigados.

Tecnicas Electro-magneticas

• Las técnicas electromagnéticas de prospección del subsuelo, se basan en la medida y análisis del comportamiento de los campos electromagnéticos inducidos en el terreno mediante impulsos de corriente de cierta intensidad, circulando por una bobina situada horizontalmente sobre el suelo.

• El equipo de prospección se compone de un transmisor de corriente con su fuente de alimentación, una bobina transmisora, elreceptor de los campos inducidos y un registrador digital de los datos obtenidos, que permite su posterior estudio y análisis.

• En función de en qué domino se esté trabajando, se pueden distinguir dos grupos de técnicas: en el dominio de tiempos (TDEM) y en el defrecuencias (FDEM).

GPR Georadar

• El georadar es un método de prospección geofísica basado en la emisión de impulsos electromagnéticos mediante una antena emisora, estos en su trayectoria a través del subsuelo pueden encontrarse con un cambio de sustrato.

• Parte de la energía se refleja de vuelta mientras el resto continúa su camino. Disponiendo de una antena receptora en la superficie es posible detectar estas reflexiones. Al ir desplazando las antenas sobre la superficie se van registrando el conjunto de reflexiones producidas, con lo que se obtiene una imagen bidimensional de la historia de las reflexiones bajo la línea de desplazamiento de la antena.

•

• Las aplicaciones más comunes son:• •Geodetección (Georadar + Radiodetección). Detección de servicios enterrados• •Reconocimiento lito-estratigráfico• •Obtención de volúmenes de cavidades subterráneas• •Auscultación del pavimento, hormigón de estructuras y túneles en vías férreas• •Aplicaciones arqueológicas

FDEM y TDEM• El método de dominio del tiempo de inducción electromagnética (TDEM) consiste en generar

un campo electromagnético que induce una serie de corrientes en la tierra en profundidades, cada vez mayor en el tiempo. Estas corrientes, a su vez, crean campos magnéticos. Mediante la medición de estos campos magnéticos, se obtienen las propiedades del subsuelo y sus características. Este método permite el estudio a grandes profundidades.

• El método de Dominio de la Frecuencia de inducción Electromagnética (FDEM), implica la generación de un campo electromagnético que induce corriente en la tierra, que a su vez provoca que el subsuelo cree un campo magnético. Mediante la medición de este campo magnético, se pueden medir las propiedades y las características del subsuelo.

• TDEM tiene aplicaciones similares a FDEM. La ventaja del TDEM radica en su capacidad para determinar las profundidades y mapear características mucho más profundas. Los ensayos FDEMson recomendables para explorar grandes superficies.

• Las aplicaciones más comunes son:

• La identificación de los acuíferos, detectando la presencia de agua o intrusiones de agua salada en las investigaciones de aguas subterráneas.

• Cartografía de los recursos mineros.

• La detección de objetos metálicos y mapeo de los lixiviados en las investigaciones sobre el medio ambiente.

• Cartografía de permafrost y otros rasgos geológicos de la ingeniería geotécnica

Prospección Electromagnética VLF

• Esta técnica de investigación del subsuelo, consiste enaprovecharlas componentesmagnéticas del campoelectromagnético generado por transmisores de radio existentes a lo largo de diferentes países, que usan la banda VLF(Very Low Frequency) entre15 y 30KHz.

• Las anomalías y las estructuras de diferentes resistividades que se encuentren en la superficie o bajo tierra, afectan a la dirección e intensidad del campo que genera la señal de radio transmitida. En torno a dichas anomalías de la estructura geológica, se genera una distorsión o débil campo secundario, que se mide y se analiza, a fin de poder interpretar los datos obtenidos, para la localización, por ejemplo, de fallas que puedan contener agua en su interior.

Técnicas Gravimétricas• Los métodos gravimétricos miden las variaciones de gravitatorias de la superficie terrestre en

función del campo gravitatoria de la tierra. En base a estas variaciones, se puede obtener la densidad del subsuelo y por lo tanto la composición.

• Los ensayos gravimétricos miden una gran cantidad de valores en de diferentes puntos de la superficie, obteniendo un modelo que se deben corregir respecto a la gravedad de la tierra y otros factores como la topografía, las mareas terrestres (las influencias gravitacionales del sol y la luna), elevación, el terreno, y la fuerza centrífuga de la rotación de la Tierra. Colocando los valores corregidos en la malla de datos de superficie se obtiene un mapa gravitatorio de la zona.

• Los mapas gravimétricos se utilizan para crear modelos del subsuelo. Puesto que los cambios gravimétricos son causados por las diferencias de masa, las rocas más densas crean fuertes campos gravitacionales, que rocas menos densas del mismo tamaño.

• Los métodos de gravimétricos tienen claras ventajas en ciertas situaciones. Son rentables para exploración de grandes áreas y no están influenciados por los campos electromagnéticos creados por el hombre u objetos metálicos. Sin embargo, las interpretaciones gravimétricas pueden tener diferentes interpretaciones, por lo que se suelen apoyar en otros métodos de investigación como la geología del subsuelo y otras técnicas de investigación geofísica.

• Las aplicaciones más comunes son:

• Las investigaciones de aguas subterráneas, detectando el nivel freático.

• Las investigaciones geotécnicas para trazar mapas del subsuelo.

• La detección de grandes cuevas y zonas oquerosas.

Gravímetro circulares:

Aplicaciones principales:Localización de hidrocarburos.Búsqueda y localización de túneles y cavidades.Investigación arqueológicaEstudios científicos y estructurales de la corteza terrestre.

Unidades de medida

• •Para las mediciones con respecto a la gravedad el valor de g en el Sistema Internacional vendría dado en m/seg2,que corresponde a 9.8m/seg2, pero en honor a Galileo se definió el Gal = 1cm/seg2. Como dijimos, necesitaremos valores tan pequeños como el miligal 1mgal = 0,001 Gal o la unidad gravimétrica ug = 0,1 mgal. Para trabajos de microgravimetría se utiliza el centésimo de miligal, es decir 0,01 mgal.

Tecnicas Magnéticas

• Los métodos magnéticos miden perturbaciones en el dipolo del campo magnético de la tierra. Generalmente utilizan unos protones que excitan los materiales de superficie y miden la respuesta de llegada. También hay métodos magnéticos que aprovecha el campo magnético natural de la tierra para observar anomalías.

• Las aplicaciones más comunes son:• Detección de suelos contaminados• Detección de grandes zonas oquerosas.• Localización de fallas, fracturas y cambios litológicos

importantes.• Previsión arqueológica y detección de artefactos

enterrados.

• La prospección magnética es una técnica basada en la medida y estudio de las variaciones delcampo magnético terrestre, obteniéndose medidas del valor totaldel campo magnético o bien, opcionalmente, del gradiente de dicho campo magnético. Estas variaciones, son debidas a la presencia de cuerpos susceptibles de ser magnetizados y que, por tal motivo, contribuyen a modificar el campo magnético terrestreen su entorno.

• Aplicaciones principales:• Exploración Geológica y Minera.• Medida de las propiedades de las rocas.• Estudios de contaminación de suelos.• Búsqueda de objetos y cuerpos enterrados.• Localización de objetos metálicos enterrados.• Detección de minas, granadas y obuses enterrados.• Arqueología.

Modelo de un dipolo magnetico

Tecnicas Prospección Sísmica

• La sísmica se utiliza para obtener las propiedades elásticas del terreno, así como su morfología. Con ello se realizan los cálculos de los módulos elásticos del substrato, modelización de diferentes capas, informando fielmente de su disposición y ubicación.

• Los métodos sísmicos se pueden diferenciar por el tipo de ondas que se pretende obtener, el tipo de fuente energética, el tiempo de medida, etc. Con ello se puede realizar estudios de coeficientes dinámicos del subsuelo, estudios de vibraciones, sísmica de refracción o sísmica de reflexión.

• Las aplicaciones más comunes son:• Determinación de ripabilidades del substrato• Valoración de estabilidad de taludes y deslizamientos• Estratigrafía del terreno• Modelización de estructuras geológicas• Determinación de densidad del subsuelo y Vs30• Testificación de pilotes.

Refracción (Vs y Vp)

• Este método mide las propiedades elásticas del terreno, y su distribución geológica. Funciona emitiendo impulsos en el subsuelo y midiendo el tiempo en los sensores de llegada.

• Las aplicaciones más comunes son:• Caracterización del subsuelo• Caracterización de estructuras, como

cimentaciones de edificios• Caracterización de continuidad de capas entre

sondeos.

Reflexión

• Este método mide las reflexiones producidas por las ondas sísmicas al atravesar los diferentes materiales. Se obtiene un gráfico de dromocronas, dónde se representan las reflexiones de llegada a los sensores, respecto al tiempo.

• Con ello se obtiene una imagen aproximada de la distribución de la estratigrafía en el subsuelo.

Ensayos de pozo. Down-hole y Cross-hole. Sísmica Paralela

• Los ensayos de pozo funcionan introduciendo una línea de geófonos, o aquófonos, por unos sondeos, y medir el tiempo de respuesta entre la pulsión sísmica y el espacio.

• Los ensayos down-hole son muy útiles para obtener datos de propiedades elásticas en terrenos, alterados, con mucha humedad, dónde la muestra mecánica no es representativa de las condiciones del substrato. El ensayo cross-hole, permite valorar el acabado de pilotes, valorar a mayor profundidad y exactitud la continuidad entre capas, y tener datos de zonas de difícil acceso (cimentaciones, tanque de carburante, etc.)

• El ensayo de sismica Paralela está desarrollado para atender a situaciones en la que existen dudas sobre la integridad y la longitud de los pilotes y pantallas cuando la estructura está completamente terminada. En estos casos no suele ser accesible la cabeza de los pilotes y es difícil utilizar otro método no destructivo. Dadas sus especiales características se suelen utilizar en el campo de la rehabilitación estructural tanto en edificación como en obra civil.

Pasiva (R.E.M.I.

• Este método consiste en registrar el ruido natural, que producen las actividades humanas. Se utilizan sismógrafos profesionales, con un amplio espectro de captación de señal, y se montan líneas similares a las de sísmica de refracción.

• Es muy útil en entornos urbanos, dónde la sísmica de refracción, recoge mucho ruido y la señal no es tan buena.

Sísmica Vs30

• Se denomina Vs30 al valor promedio de la velocidad de las ondas de cizalla en los primeros 30 metros de terreno. Es un parámetro importante ya que a partir de él se definen las categorías de suelo en el Código Internacional de la Edificación (IBC2000) adoptadas por el NEHRP (National Eartquake Hazards ReductionProgram). Según esta clasificación, el tipo de suele puede ser divido en cinco categorías.

• El nuevo método de VS30 es una simplificación del método de Análisis Espectral de Ondas Superficiales (SASW). Se obtiene un único valor para el promedio de velocidad de ondas de corte, en los primeros 30 metros. El método simplificado se basa en la correlación entre la velocidad de fase de onda-Rayleigh y VS30.

• Los principales beneficios son los que generalmente caracterizan a los métodos geofísicos. El método es simple, robusto, y se puede realizar rápidamente; por lo que es una prueba ideal estándar de ingeniería. Con este ensayo evitamos en gran medida realizar perforaciones y ensayos geofísicos en pozo (Seismic Down-Hole) Las aplicaciones incluyen la caracterización del suelo y la cartografía de los riesgos sísmicos. Se puede utilizar para la caracterización detallada de una gran área, a fin de centrar un programa de perforación.

Vibraciones

• Este método consiste en analizar todo el espectro de onda producido por una actuación humana, y como se refleja en las edificaciones y en las personas. Es muy útil como elemento de control, en actividades de excavación, voladura, o perforación. Con este método se aísla el impacto símico de una determinada actividad y se evalúa la afección a las estructuras y a las personas. Es un método sencillo y eficaz, permite la monitorización de una obra, o realizar análisis puntuales de las actividades.

Sismógrafos para Voladuras y Vibraciones

La medida y registro de la intensidad yfrecuencia de las vibraciones sísmicas yondas acústicas, producidas por las voladuras enlas explotaciones mineras, canteras,construcción de obras públicas, demoliciones,etc., es de obligado cumplimiento, en tanto quepueden afectar en distinto grado a estructuraspróximas, edificios, áreas urbanas, etc.

Ultrasónicas

• Los métodos de ultrasonidos utilizan el eco de los impactos de ondas generadas que se propagan a través del material y son reflejadas por las superficies y por defectos internos de las mismas.

• El método funciona mediante la creación de un impacto mecánico de corta duración en la superficie del material que se están examinando. Esto se realiza normalmente por el impacto de pequeñas bolas de acero que producen ondas de baja frecuencia que se propagan a través del material. Mediante el registro y análisis de la vibración del impacto mecánico en la superficie, se puede determinar el espesor y otras características físicas.

• Aplicaciones más frecuentes:• Determina con precisión el espesor del hormigón sin necesidad de taladrar

núcleos ni utilizar otras técnicas destructivas. .• Localiza nidos de abeja, laminaciones y vacíos en una estructura.• Mide el espesor y localiza roturas, vacíos y otros defectos en estructuras de

mampostería.

Técnicas de prospección por medio de Radiodetección

• El sistema de radiodetección consiste en lacaptación de diferentes frecuencias de ondainducidas mediante un transmisor y captadaspor un receptor. Se distinguen entre dosmétodos a la hora de localizar serviciosmediante radiodetección.

1. CAPTACIÓN DE ONDAS PASIVAS:

• Las señales pasivas se encuentran presentes de forma natural en muchos conductores y estructuras enterradas.

• De potencia: La corriente que llevan los cables de energía eléctrica producen una señal de 60 Hz, ésta sirve de base para la localización de la línea mediante un receptor pasivo.

• De radio: Las transmisiones de radio de onda larga penetran en el subsuelo y fluyen como corrientes de radiofrecuencia a lo largo de tuberías y cables estén cargados eléctricamente o no.

2. CAPTACIÓN ONDAS ACTIVAS

• Para la aplicación de este método hace falta un transmisor de señales de frecuencia conocida para la inducción del servicio.

• Pinzas de inducción: Se emplean para aplicar la señal del transmisor a un cable o una tubería sin interrumpir la alimentación y con acoplamiento reducido. Las señales transmitidas van desde los 8kHz a los 131 kHz.

• Inducción directa: Se aplica en los casos en los que el servicio sea conductor, tal como cables de cobre, tuberías de acero, etc. Se transmite una señal de forma directa a través de unas pinzas caimán y se cierra el circuito haciendo toma de tierra mediante una piqueta.

• Inducción indirecta: Se emplea cuando no es posible acceder al servicio directamente. Se coloca el transmisor sobre la línea a detectar y éste le induce una frecuencia conocida que oscila entre los 8kHz y los 33kHz.