APLICACIÓN DE PRINCIPIOS FISICOS EN EL ANALISIS DE LAS ANOMALIAS GRAVIMETRICAS ENTRE LAS POBLACIONES DE SAN GIL Y CURITI Manuel Tinjaca Muñoz 1 Miguel Lizarazo Calderón 2 Licenciatura en Física, Facultad de Ciencias y educación, Universidad Distrital Francisco José De Caldas RESUMEN En este trabajo se desarrollo un análisis físico de datos gravimétricos (medidas de la gravedad), donde se muestra detalladamente, todo el proceso necesario para obtener los valores de anomalías gravimétricas de “aire libre”, “Bouguer simple” y “Bouguer total” en la zona del “Cañón del Chicamocha” entre las poblaciones de Curiti y San Gil, Santander Colombia. Allí, en base en los datos, afloran unas anomalías gravimétricas, tales que, dan lugar a interpretar los posibles tipos de rocas que se encuentran en esta zona del país. Así se evidencia la aplicación de las teorías físicas en la industria, en especial la de los hidrocarburos y la explotación minera. Palabras claves: anomalías gravimétricas ABSTRACT In this work we make a physical analysis of gravity data (gravity measurements), which breaks down the process to reach values of anomalies gravimetrics of "free air", "simple Bouguer" and "Bouguer" on a profile the area of the "Cañón del Chicamocha " between the towns of Curiti and San Gil, Santander Colombia. There, based on outcrop data 1 , 2 Estudiantes de Licenciatura en Física, Universidad Distrital
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APLICACIÓN DE PRINCIPIOS FISICOS EN EL ANALISIS DE LAS ANOMALIAS GRAVIMETRICAS ENTRE LAS POBLACIONES DE SAN GIL Y CURITI
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APLICACIÓN DE PRINCIPIOS FISICOS EN EL ANALISIS DE LAS
ANOMALIAS GRAVIMETRICAS ENTRE LAS POBLACIONES DE
SAN GIL Y CURITI
Manuel Tinjaca Muñoz1 Miguel Lizarazo Calderón2
Licenciatura en Física, Facultad de Ciencias y educación,
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
RESUMEN
En este trabajo se desarrollo un análisis físico de datos gravimétricos (medidas de la
gravedad), donde se muestra detalladamente, todo el proceso necesario para obtener los
valores de anomalías gravimétricas de “aire libre”, “Bouguer simple” y “Bouguer total” en la
zona del “Cañón del Chicamocha” entre las poblaciones de Curiti y San Gil, Santander
Colombia. Allí, en base en los datos, afloran unas anomalías gravimétricas, tales que, dan lugar
a interpretar los posibles tipos de rocas que se encuentran en esta zona del país. Así se
evidencia la aplicación de las teorías físicas en la industria, en especial la de los hidrocarburos
y la explotación minera.
Palabras claves: anomalías gravimétricas
ABSTRACT
In this work we make a physical analysis of gravity data (gravity measurements), which breaks
down the process to reach values of anomalies gravimetrics of "free air", "simple Bouguer" and
"Bouguer" on a profile the area of the "Cañón del Chicamocha " between the towns of Curiti and
San Gil, Santander Colombia. There, based on outcrop data about anomalies gravimetrics,
such that, given an explanation of the possible types of rocks can be found in this area of the
country. This shows the applicability of physical theories in the industry especially the oil and
mining exploitation.
Keywords: gravity anomalies
EL CONCEPTO DE GRAVEDAD Y SU USO PRÁCTICO
1 ,2 Estudiantes de Licenciatura en Física, Universidad Distrital
En el transcurso de la carrera de licenciado en física se aprenden diferentes
tipos de teorías, leyes y conceptos, que corroborados mediante el desarrollo
de procedimientos experimentales, son la herramienta base para llegar a la
comprensión de la esencia de diferentes tipos de fenómenos naturales. Todo
este esfuerzo analítico de entendimiento de la naturaleza se ve obsoleto a la
hora de su aplicación, ya sea en el desarrollo de la actividad económica del
país o de la industria en general, no se tienen noción de una aplicación directa.
Esto supone dos problemáticas: una es que las aplicaciones de la física en la
industria no son conocidas por los licenciados y estudiantes de física; y la
segunda, es que los docentes en desconocimiento de las aplicaciones de los
cuerpos teóricos, no muestran a sus estudiantes las aplicaciones reales (en la
industria) de los conceptos físicos, por lo cual algunos estudiantes no
consideran significativo el aprendizaje de la física.
Este trabajo muestra, como los conceptos Físicos en colaboración con
desarrollos teóricos de la Geología tiene una aplicación importante en la
industria; en especial, en la búsqueda de hidrocarburos. A través de la
implementación de conceptos físicos, la Geología ha podido explicar algunos
fenómenos, tal es el caso de los diferentes tipos de rocas que se pueden
encontrar en una zona de la superficie terrestre, para el cual, la geología hace
uso de el concepto físico de la aceleración de la gravedad, como medio para
identificar los posibles tipos de rocas de un lugar. Este método se conoce con
el nombre de prospección gravimétrica, que se ha convertido en un “método”
referente para encontrar posibles yacimientos minerales y de hidrocarburos.
Aunque no es el único método que se ha desarrollado con este fin, y existen
otros métodos para encontrar yacimientos basados en la física, tales como la
reflexión sísmica, fundamentada en la teoría de la propagación de las ondas
mecánicas, o el método eléctrico, fundamentado en la teoría electromagnética,
en especifico este trabajo se limitara solo a mostrar detalladamente el método
de prospección gravimétrica.
Para mostrar la aplicación de los principios físicos en la prospección
gravimétrica, se toma como referente un caso experimental, del cual se
obtuvieron los datos de gravimetría en la zona “Cañón del Chicamocha” entre
las poblaciones de Curiti y San Gil, Santander Colombia. En dicha zona se
realizo una trabajo de campo en el año 2009 de carácter geológico, se
recolectaron (entre otros) datos de gravimetría con un gravímetro Lacoste de la
Universidad Nacional de Colombia, arrojando los datos con los que fue
realizado éste estudio.
Por otra parte, éste estudio pretende mostrar las aplicaciones de la física en la
industria, específicamente en la Geofísica, y esta destinado a ser una
herramienta que el licenciado use con sus estudiantes para abordar el
concepto de atracción gravitacional desde una perspectiva practica,
subsanando en parte el problema frecuente que tienen los estudiantes al no
encontrar ningún sentido, ni significado en el aprendizaje de los conceptos
Físicos.
FUNDAMENTACION FISICA Y GRAVIMETRICA
A continuación se enunciaran los conceptos físicos básicos en los que se basa
todo el análisis de anomalías gravimétricas.
Ley de gravitación Universal
La Ley de Gravitación Universal fue descubierta por Newton, cuando le cayó
una manzana en la cabeza mientras hacia una siesta debajo de un manzano.
Por este hecho Newton le pregunto al manzano “¿manzano, si la manzana cae,
quizá todos los cuerpos en el Universo se atraen entre sí de la misma forma
como la manzana fue atraída por la Tierra?”. Como el manzano nada le
respondió, Newton comenzó a trabajar sobre eso hasta que descubrió la Ley
de Gravitación Universal, que publicó en 1686 en sus Mathematical Principies
of Natural Philosophy. Se puede enunciar de la siguiente forma:
“Toda partícula material del universo atrae a cualquier otra partícula con una
fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”2
2 Mecánica clásica, pág. 17, H. GOLDSTEIN, Columbia University, EE. UU. Editorial Reverté
Si las partículas que tienen masas y están separadas una distancia r
medida desde sus centros, entonces, de acuerdo a la ley de gravitación
universal, la fuerza de atracción gravitacional ejercida por la masa sobre
la masa es:
(1)
Su magnitud es:
(2)
La constante de proporcionalidad G se llama Constante de Gravitación
Universal, y es un vector unitario radial dirigido desde la masa a la masa
. El valor de G, que se determina experimentalmente, y su unidad de
medida en el SI es . El signo menos en la indica que la
fuerza es de atracción, dirigida desde hacia , es decir es opuesta a la
dirección radial hacia fuera, desde la masa que ejerce la fuerza sobre ;
en los cálculos su valor numérico es siempre positivo.
Fuerza gravitacional y peso
La fuerza con que la Tierra atrae a los cuerpos cerca de la superficie terrestre
se definió como el peso del cuerpo . Esta es la fuerza gravitacional
entre el cuerpo de masa y la Tierra de masa , separados una distancia
entre sus centros , donde es el radio de la Tierra y z es la altura de
sobre el suelo. Igualando las expresiones de las fuerzas y se
obtiene:
(3)
(4)
Esta ecuación permite calcular el valor de la aceleración de gravedad g a
cualquier altura z sobre la superficie, ya que se conoce G, la y el . De
esta ecuación se observa que g disminuye con la altura.
La aceleración de gravedad g también varia con la latitud debido a que la Tierra
no es una esfera, es un elipsoide achatado levemente en los polos, de manera
que el radio ecuatorial es de 21 km mayor que el radio polar, valor pequeño
comparado con el radio medio de la Tierra de 6367.47 km. La Tierra no es un
cuerpo rígido, tiene un comportamiento plástico. Por efecto de la rotación
terrestre, la aceleración centrípeta disminuye desde el ecuador, donde es
máxima, hacia los polos, donde se anula, produciendo una mayor fuerza
centrípeta en zonas ecuatoriales, que “estira” a la Tierra hacia afuera más que
en zonas polares, por eso la Tierra es achatada en los polos. Esto tiene como
consecuencia que la aceleración de gravedad no apunte directamente hacia el
centro de la Tierra, sino que está levemente desviada de la dirección vertical.
La desviación máxima que tiene g de la vertical es de 11’40” a 45º de latitud, y
la variación del valor de g en superficie es menos que 0.5 %, por lo que se
puede considerar constante3.
Gravimetría
La gravimetría es un método muy importante en la búsqueda de depósitos
minerales e hidrocarburos. Este método aprovecha las diferencias de la
aceleración de la gravedad en distintos sectores de la topografía terrestre para
cumplir su cometido. La gravitación es la aceleración de un objeto qué esta
cayendo a la superficie. La gravitación normal (promedio) en la tierra es
. Grandes cuerpos mineralizados pueden aumentar la gravitación
en una región determinada porque rocas de mayor densidad aumentan la
aceleración. Para medir la Gravedad en estudios de campo se utiliza el
3 Curso de Prospección Gravimétrica. Pág. 45 S. Mironov. Editorial Reverté 1977.
gravímetro, que es un equipo que puede medir diferencias muy finas en la
gravedad
El método gravimétrico hace uso de campos de potencial natural igual al
método magnético y a algunos métodos eléctricos. El campo de potencial
natural observado se compone de los contribuyentes de las formaciones
geológicas, que construyen la corteza terrestre hasta cierta profundidad
determinada por el alcance del método gravimétrico (o magnético
respectivamente). Generalmente no se puede distinguir las contribuciones a
este campo proveniente de una formación o una estructura geológica de
aquellas de las otras formaciones o estructuras geológicas por el método
gravimétrico, solo en casos especiales se puede lograr una separación de los
efectos causados por una formación o estructura geológica individual. Se
realiza mediciones relativas o es decir se mide las variaciones laterales de la
atracción gravitatoria de un lugar al otro puesto que en estas mediciones se
pueden lograr una precisión satisfactoria más fácilmente en comparación con
las mediciones del campo gravitatorio absoluto. Los datos reducidos
apropiadamente entregan las variaciones en la gravedad, que solo dependen
de variaciones laterales en la densidad del material ubicado en la vecindad de
la estación de observación.
Anomalías de gravedad
Una anomalía de gravedad se define como la variación de los valores medidos
de la gravedad con respecto a la gravedad normal después de haber aplicado
las correcciones necesarias. La anomalía de aire libre resulta de las
correcciones de la influencia de las mareas, del error del instrumento de
medición, de la latitud y de la altura. La anomalía de Bouguer se obtiene
aplicando todas las correcciones mencionadas.
Corrección de aire libre
Corresponde a la diferencia entre el valor de gravedad observado y el valor de
gravedad teórico corregido por la altura del valor medido de g respecto a una
superficie de referencia (que puede ser el geoide) mediante la aplicación de
una corrección del gradiente de gravedad normal (corrección de aire libre).
Numéricamente se expresa como: ΔgAL = gobs − 0,3086h, Donde 0,3086 es el
gradiente de gravedad normal expresado en mGal/m y h es la cota del punto
donde se realizó la observación de la gravedad.
Corrección de Bouguer
Esta corrección tiene en cuenta la atracción del material rocoso situado entre el
nivel del mar y la estación situada a una altura h. Se basa en la hipótesis de
que la superficie de la Tierra es horizontal en todas partes (paralela al geoide) a
una altura h por encima del nivel del mar. Las montañas que sobresalen de
esta superficie horizontal imaginaria, y los valles que quedan por debajo
falsean esta hipótesis, pero su efecto gravitatorio se compensa por la
corrección topográfica subsiguiente. Esta corrección se resta porque en
realidad estamos eliminando el material situado entre el nivel del mar y el nivel
de la estación.4
Corrección Topográfica
Una medida de la gravedad debe corregirse por los efectos de las colinas y
valles próximos al lugar de observación. Esta corrección se calcula con la
Tablas de Hammer. Esta corrección considera la atracción de las masas
situadas por encima de la Estación y corrige también las depresiones situadas
por debajo del nivel de la Estación. Puesto que la atracción de las masas más
altas se ejerce por encima de la estación y se opone a la gravedad, se la
suma a la gravedad observada para anular su efecto. Del mismo modo, la
atracción del material que ocupa el valle inferior a la estación se debe restar a
la corrección de Bouguer. Pero como este material en realidad no existe,
debemos sumar su atracción para compensar. Por lo tanto la corrección
topográfica se suma siempre, ya se trate de valle o de una montaña.
APLICACIÓN DE PRINCIPIOS FISICOS EN EL ANALISIS DE ANOMALIAS
GRAVIMETRICAS
Trabajo de Campo
En Marzo de 2009 se realizó una expedición geológica al departamento de
Santander, allí se realizo un trabajo cartográfico estableciendo las posiciones
estructurales de las rocas, por otro lado se hicieron mediciones de la gravedad
4 Fundamentos de geofísica, pág., 123. V. Augustin, Editorial Alianza, 2007