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MTODOS ELECTROMAGNTICOSEl electromagnetismo (EM) fue estudiado
inicialmente por el escocs James Maxwell en 1861 (On Physical Lines
of Force) y desarrollado experimentalmente por el alemn Heinrich
Hertz en 1886. Como sabemos, las componentes elctrica y magntica
oscilan en forma ortogonal a la direccin de propagacin del campo
electromagntico y a su vez lo hacen en planos que son
perpendiculares entre s. Las cuatro ecuaciones vinculadas por
Maxwell, todas a partir de integrales de superficie cerrada, son
las siguientes: Ley de Maxwell (1861): ]Bds = 0 donde B es el flujo
magntico(las lneas de induccin magntica son contnuas, no hay polos
aislados) Ley de Gauss (1838): ]Dds = q donde D es la Induccin
electrosttica y q la carga (las lneas de campo elctrico pueden ir
de una a otra carga) Ley de Faraday-Lenz: ]Eds = -dB/dt donde E es
el campo elctrico y t el tiempo (1831) (un campo magntico variable
produce un campo elctrico) Ley de Ampre (1826): ]Hds = J+(dD/dt)
donde H es el campo magn. y J la densidad de corriente (un campo
elctrico variable genera un campo magntico)
Recordando que D = .E y que B = .H Maxwell descubri adems que la
velocidad de la luz en el vaco est dada por: c=1/(oo) (recordamos
que o es la permeabilidad magntica y o la constante dielctrica,
ambas en el vaco) Los mtodos prospectivos fueron desarrollados
inicialmente por la escuela sueca desde la dcada de 1920 (tambin
por geofsicos rusos y otros) y se basan en establecer un campo
electromagntico variable mediante el flujo de una corriente alterna
por una bobina o un cable muy largo al que llamaremos transmisor o
emisor. El campo generado se llama campo normal o primario. Este
campo primario inducir corrientes elctricas alternas en cualquier
conductor que encuentre en su camino de propagacin: las corrientes
de eddy o remolino, tambin conocidas como corrientes de Foucault
(porque el francs Len Foucault las estudi hacia 1850). La
intensidad de estas corrientes fundamentalmente depender de la
resistividad del conductor y de la frecuencia del campo primario,
es decir, la intensidad ser mayor cuanto menor sea la resistividad
y cuanto ms alta sea la frecuencia. Las corrientes inducidas en el
conductor tienen una direccin tal que el campo electromagntico
secundario que generan se opone al primario. 1
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La frecuencia de la corriente alterna primaria se elige de tal
manera que el campo electromagntico inducido por la presencia de
las corrientes de remolino o eddy en el suelo es insignificante
cuando el subsuelo tiene una conductividad normal. Esto lleva a un
lmite superior cercano a los 5000 ciclos por segundos o Hertz para
la frecuencia de operacin, aunque en algunos casos se registra con
frecuencias de hasta unos 50 KHz e incluso ms. En cualquier caso,
el campo resultante se mide con un receptor, que consiste en una
bobina conectada a un amplificador electrnico sensible. Actualmente
los mtodos EM se aplican a muy variados objetivos, incluyendo la
deteccin de acuferos con distintas salinidades en temas hdricos o
ambientales. Pero las reas donde se originaron estos mtodos son las
que suelen presentar las mejores condiciones para su aplicacin:
topografa suave, encape superficial de alta resistividad y roca
cristalina no alterada. Si en tal contexto existen mineralizaciones
que se presentan como cuerpos tabulares casi verticales con ms de
un 25% de contenido de sulfuros metlicos, como en el Escudo
Fenoscandio donde se comenzaron a aplicar estos mtodos, entonces
las conductividades anmalas pueden llegar a ser de hasta ms de 1000
veces superior que la roca de caja, como se esquematiza en la
figura de la izquierda. Naturalmente, no es necesario tener
contrastes tan elevados en el emplazamiento u otra relacin
geomtrica de variado origen que pueda ser de inters prospectivo.
Pero s es importante no tener un encape conductivo cuya muy alta
respuesta minimice la de conductores ms profundos.
En cada punto del espacio habr una intensidad elctrica y una
magntica. En ausencia de conductores en el subsuelo, el campo
electromagntico en cada punto oscilar a lo largo de una lnea y se
puede representar por un vector cuya magnitud dar la amplitud del
campo, tal como vemos arriba a la derecha. La direccin del campo
depender de la posicin relativa del transmisor y del punto de
observacin. Por ejemplo, las lneas del campo debidas a una bobina
fuente o emisora son diferentes de las orginadas en un cable largo
emisor o fuente, como se ilustra aqu.
Los fsicos franceses Jean B. Biot y Flix Savart hallaron en 1820
la relacin que existe entre la intensidad I de una corriente
rectilnea e indefinida (en la prctica un cable largo) y el campo
magntico B creado por ella a una cierta distancia r: B = o I / 2 r
2 En el caso de una bobina emisora se deduce que: B = o I a / 2 r
(a es el rea de la bobina) Para detectar un campo electromagntico
en el espacio, se puede utilizar una bobina receptora, consistente
en una bobina con sus terminales conectados a un amplificador y de
esto a un par de audfonos o cualquier otro sistema indicador de
corriente alterna. 2
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El voltaje inducido en la bobina por el campo magntico alterno
resulta proporcional a la componente de dicho campo que es
ortogonal al plano de la bobina, tal como puede verse en la
siguiente figura.
Por lo tanto habr posiciones definidas de la bobina respecto al
campo primario que harn que la seal sea mxima, mnima o intermedia.
As, cuando el vector campo primario es perpendicular al plano de la
bobina, el ngulo ser igual a 0 y en consecuencia la tensin inducida
en la bobina ser mxima, lo cual se manifestara con una seal de
salida en el indicador (audfonos). Por otra parte cuando el ngulo
sea igual a 90, o sea cuando el vector campo primario este en el
plano de la bobina, no habr ninguna fraccin del campo magntico
atravesando la misma por lo que no se inducir voltaje alguno y la
seal en los audfonos ser nula. Habr un nmero infinito de posiciones
de la bobina receptora para las cuales el ngulo ser igual a 90 y la
seal resultar nula. Esto es debido a que el vector campo primario
contina en el plano de la bobina (cuando ella se haga rotar
alrededor del dimetro que coincide con la direccin del campo). En
el caso en que un conductor est presente el subsuelo y se genere un
campo magntico alterno secundario, el vector campo resultante en
cualquier punto describir una elptica en un plano definido y
entonces se dice que el campo esta elpticamente polarizado. Dicho
campo es equivalente a dos vectores perpendiculares oscilantes, uno
a lo largo del eje mayor de la elipse y el otro a lo largo del eje
menor. Al igual que antes, cuando el campo resultante coincida con
el plano de la bobina. La seal ser nula, pero a diferencia de antes
en que el campo total en el espacio es el vector campo primario
solamente, en este caso habr una y slo una posicin de la bobina
para la cual el voltaje inducido es cero: es aquella en que el
plano de la elipse de polarizacin coincide con el plano de la
bobina. Para encontrar el plano de polarizacin en el campo, se
procede de la siguiente manera: se rota la bobina receptora
alrededor de un eje vertical hasta que la seal sea mnima, luego se
hace rotar alrededor de un eje horizontal hasta encontrar otra
mnima y finalmente se hace rotar alrededor de un eje perpendicular
a los otros dos hasta que la seal se anule. El plano de polarizacin
queda definido por el rumbo y el buzamiento. El rumbo es la
direccin de la lnea de interseccin de los planos de polarizacin y
horizontal. El buzamiento es el ngulo formando por ambos planos.
Sin embargo para conocer la orientacin de la elipse de polarizacin
dentro del plano es necesario por lo menos determinar la inclinacin
de uno de los ejes principales, el mayor o el menor. Para ello la
bobina receptora se coloca perpendicular al plano de silencio y se
hace rotar hasta la posicin de mxima seal. En ese momento el eje
mayor de la elipse coincide con la perpendicular al plano de la
bobina. Se llama inclinacin (tilt) del campo EM al ngulo formado
por el eje mayor de la elipse de polarizacin y la horizontal. Y
este concepto fue aprovechado por la primera tcnica de prospeccin
electromagntica usada: el Mtodo de Inclinacin de Campo. En ste se
opera del modo arriba descripto, o sea buscando mximo sonido y
mximo silencio en la bobina exploradora para as poder hallar la
ubicacin de la elipse de polarizacin y la inclinacin de su eje
mayor. Tambin en el mtodo Afmag, citado en el Tema 7, se registra
de la misma forma, aunque en este caso aprovechando el campo
natural de audiofrecuencias magnticas. 3
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El procedimiento del mtodo de inclinacin de campo queda
graficado en la figura a la derecha.
Observador del campo electromagntico con la bobina
exploradora.
Naturaleza de las Anomalas Electromagnticas: Cuando se hace
fluir una corriente alterna por una bobina, se originar un campo EM
primario que estar en fase con dicha corriente y que puede
representarse por una sinusoide en la que P es su amplitud. Si este
campo acta sobre un conductor (ejemplo pirita), se inducir un
voltaje oscilante, el cual estar atrasado un cuarto de periodo (90)
con respecto al primario. A su vez la corriente inducida en el
conductor est retrasada respecto del voltaje inducido, dependiendo
este retraso de la resistencia del conductor. El campo EM
secundario que se induce por la presencia de esta corriente alterna
est en fase con dicha corriente, o sea que est retrasada respecto
al voltaje. El campo resultante en un punto cualquiera ser la suma
del campo primario y del campo secundario, o sea, la curva
resultante de la suma de la primera y la tercera. Este campo tendr
diferente amplitud que el campo primario y adems estar retrasado
una fraccin de perodos respecto de l. 4
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En general puede expresarse que en el emisor ser la intensidad:
I = Io sen (wt) y en el receptor resultar: I = Io sen (wt+), con un
retraso y w = 2.f (frecuencia) Diagrama Vectorial: Lo expresado
precedentemente puede representarse mediante un diagrama vectorial,
transformando la diferencia de fase en una relacin de tiempo entre
el campo primario, secundario y resultante, tomando
convencionalmente el sentido contrario a las agujas del reloj para
indicar un retraso relativo, como se ilustra.
En primer lugar considrese al vector campo primario como un
vector ubicado en el eje x siendo OA: P la amplitud del mismo
durante una oscilacin. La fem inducida en el conductor (corrientes
de remolino o eddy) al estar retrasada 90 respecto al campo
primario, podr ser representada por un vector AB de la figura. Como
la corriente inducida en el conductor esta retrasada respecto a la
fem y a su vez el campo secundario esta en fase con dicha
corriente, la representacin del campo secundario corresponde al
vector AC del diagrama siendo el ngulo de retraso de este respecto
a la fem inducida. Adems el vector AC representar la amplitud del
campo secundario durante una oscilacin. Se ha dicho anteriormente
que la diferencia de fase entre fem y la corriente inducida
dependen de la conductividad del cuerpo, siendo mayor cuanto ms
conductivo es el mismo. Por lo tanto: -Cuando el cuerpo es muy buen
conductor, el ngulo se aproxima a 90. El campo secundario est
retrasado casi 180 respecto al campo primario -Si, en cambio, tiene
baja conductividad tiene un valor cercano a cero. El retraso es, en
este caso, muy prximo a 90. El campo resultante estar retrasado un
ngulo respecto al primario pudindose observar que cuando el
conductor es muy bueno el ngulo tiende a cero. Utilizando este
mismo diagrama vectorial podemos introducir los conceptos de
componente real y componente imaginaria, de mucha importancia en
los mtodos de prospeccin ms utilizados. La proyeccin del vector
resultante R sobre el eje x es igual a R cos . De la misma manera
la proyeccin de S sobre X es S sen . Tanto una como otra componente
est en fase con el campo primario y se las denomina componente real
o en fase. De igual modo la proyeccin de R y S sobre el eje y nos
dar en cada caso una componente atrasada 90 con respecto al campo
primario, a la que se denomina componente imaginaria o en
cuadratura. Para el campo resultante esta componente es R sen
mientras que para el secundario es S cos . 5
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Debe entenderse que el campo primario, el campo secundario y el
campo resultante tienen una posicin en el espacio y que lo
expresado hasta ahora se refiere a cada una de sus respectivas
posiciones en el tiempo. La elipse de polarizacin es el resultado
de dos vectores oscilantes sobre un punto, que son el campo
primario y secundario. En el tiempo decimos que el campo secundario
est retrasado respecto al primario porque este ltimo alcanza su
amplitud mxima, una fraccin de tiempo antes que el secundario. En
el espacio cualquier vector campo podr ser descompuesto en tres
componentes, generalmente se utiliza la componente vertical en
prospeccin EM. Cualquiera de estas componentes espaciales del campo
EM secundario o del resultante podr ser separada en dos componentes
temporales, una real y otra imaginaria, o sea, una en fase y otra
en cuadratura respecto al campo primario. En el diagrama vectorial
se puede observar que cuanto mayor es el ngulo , mayor es la
componente real del campo secundario y menor es su componente
imaginaria. Pero como aumenta cuando aumenta la conductividad del
conductor podemos entonces relacionar el valor del cociente Re/Im
con al conductividad del cuerpo inductor del campo secundario,
tendiendo este valor a infinito para un cuerpo de muy elevada
resistividad y cero para uno altamente resistivo. De la misma
manera podemos analizar la amplitud y el desfasaje del campo
resultante: Si el conductor es muy resistivo: las corrientes
inducidas en l sern dbiles y en consecuencia el campo secundario
tendr una amplitud pequea adems el desfasaje ser apenas superior a
los 90 de retraso a la fem inducida. Por lo tanto el campo
electromagntico resultante difiere muy poco del campo primario,
tanto en amplitud como en fase. Si se trata de un muy buen
conductor: el campo secundario tendr una amplitud grande y su
direccin ser casi igual a la del campo primario, pero con sentido
opuesto. Esto significa que el desfasaje ser cercano a los 180, o
sea que cuando el campo primario alcance un valor mximo el
secundario estar prximo al mnimo y viceversa. Debido a esto la
amplitud del campo resultante disminuye notablemente aunque la
diferencia de fase con el primario es otra vez muy pequea. Cuando
el cuerpo conductor tiene una conductividad media: el campo
resultante ser bastante menor en amplitud que el primario, pero el
retraso o desfasaje ser tambin considerable.
La importancia de estas consideraciones est dada por el hecho de
que las posiciones relativas en el tiempo de los campos primario,
secundario y resultante han servido de base para el desarrollo de
los ms modernos mtodos EM. En algunos de ellos se miden la amplitud
y el retraso del campo resultante, mientras que en otros se miden
las componentes real e imaginaria del campo secundario. La mayora
de los mtodos opera en la modalidad de Calicatas. Ms adelante
veremos Sondeos y otras variantes prospectivas. 6
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CALICATAS EM DE EMISOR FIJO Existen varios mtodos que varan segn
el dispositivo empleado y otros detalles funcionales. (Podran
modificarse para registrar sondeos EM anlogamente a los de
corriente continua, pero no resulta prctico.) Son estos, en el
orden cronolgico en que se fueron desarrollando: De Inclinacin de
Campo, el mtodo ms antiguo arriba descripto. De Bieler-Watson (en
Canad) el cual, en cada punto de medicin, con la bobina receptora
en posicin horizontal se asume que capta la componente real y en
posicin vertical registra la imaginaria, cuyos resultados se
comparan. De los Dos Cuadros, con dos bobinas receptoras a cierta
distancia entre s, para comparacin de amplitudes de la componente
real entre una y otra. De Sundberg o del Compensador (en Suecia)
para mediciones de las componentes real e imaginaria, que utiliza
un compensador o puente de corriente alterna para tener tensiones
de referencia y as conocer las magnitudes real e imaginaria en cada
punto medido. De Turam (Hedstrm, 1937, en Suecia) de dos cuadros
con compensador para medicin de la razn de amplitudes y la
diferencia de fases, como se detalla abajo. Detector de Metales (en
VHF, muy alta frecuencia). De Elipticidad de Alta Frecuencia
(Whiteside, 1962 en Estados Unidos).
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Mtodo de Turam: Mtodo de calicateo electromagntico que mide el
gradiente del campo alterno. El dispositivo consiste en: Un emisor,
que es un cable largo o bien un bucle rectangular de cable aislado
con lados superiores a 1 km de longitud, en cualquier caso
alimentado por una corriente alterna.. Un receptor que est
compuesto por dos bobinas de induccin (exploradoras) llevadas a una
separacin constante (20 a 40 m) y conectadas a un compensador que
mide la razn de amplitud y la diferencia de fase entre los campos
recibidos por las dos bobinas. stas se calculan, respectivamente,
como:RR=(B2/B1)/(ri+1/r1) y P=2 1
Un compensador de corriente alterna es un sistema para medir
componentes en fase y en cuadratura de un voltaje alterno inducido
sobre una bobina receptora. Es muy similar al compensador de
corriente continua, con la diferencia de que se debe disponer de
dos tensiones ajustables y comparables con el voltaje inducido,
estando esos dos voltajes con una diferencia de fase de 90. Esto se
puede lograr con un circuito apropiado con capacitores e
inductancias. Los compensadores pueden calibrarse para medir la
amplitud y fase del campo en el receptor, o bien los valores de las
componentes Real e Imaginaria del mismo. La intensidad del campo
primario depende del tamao y forma del transmisor y de la ubicacin
del punto de observacin. Si no hay conductores en la vecindad, la
diferencia de tensin ser cero y la razn de amplitudes ser una
funcin de la distancia desde el transmisor. Las observaciones deben
corregirse usando la ya citada Ley de Biot y Savart, que establece
que el campo magntico debido a un cable largo decrece en relacin
inversa a la distancia desde el cable. 8
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En el conductor la razn de amplitudes alcanza un mximo mientras
que las diferencias de fase dan un mximo negativo. El mtodo de
Turam es muy efectivo en yacimientos superficiales, vetiformes
masivos y de alto buzamiento, como el ejemplo de la figura adjunta.
La profundidad de exploracin se puede controlar en cierta medida
mediante la variacin de la distancia entre bobinas, as como
mediante la alteracin de las frecuencias empleadas, segn se ver con
relacin a los Sondeos EM.
Detector de Metales: Es un sistema de bobina receptora nica, de
fcil transporte, con la que se explora el terreno en el rango de
las muy altas frecuencias (VHF, Very High Frequency de 30 a 300
MHz) con el objetivo de detectar mineralizaciones metalferas,
objetos de metal enterrados por accin humana o fracturas del
terreno con presencia de agua. La bobina mide inclinacin del campo
resultante y calcula las componentes real e imaginaria del campo
secundario. La fuente son las ondas de radio (en ese rango de
frecuencias, esencialmente planares y horizontales por su lejana
fuente, y su rebote en la ionosfera), lo cual hace de l un Mtodo de
Campo Natural, aunque suele recurrirse al refuerzo del campo radial
disponible en el rea con pequeas antenas emisoras VHF dispuestas en
las cuatro esquinas de la zona a prospectar, o bien un cable
tendido en el suelo a lo largo de hasta un kilmetro, alternativas
que van a mejorar las imgenes obtenidas. Adicionalmente se puede
recurrir a un par de electrodos de potencial espontneo para dar
mediciones de resistividad que pueden asociarse a alteraciones en
zonas donde hay presencia de oro, plata u otros metales.
Elipticidad de Alta Frecuencia (H. F. Ellipticity): A partir de las
ondas electromagnticas dadas por una antena emisora de altas
frecuencias, del orden de los 500 a los 2000 kHz, mide las tres
componentes de los campos resultantes (polarizados elpticamente)
para resolver sus vectores componentes H (magntico) y E (elctrico),
girando una bobina sobre los tres ejes del espacio y haciendo las
determinaciones mediante un sistema de compensador electromagntico
y deteccin electrnica. Puede trabajar con uno o varios receptores.
CALICATAS EM DE EMISOR Y RECEPTOR MVILES Surgidas durante la
Segunda Guerra Mundial, esencialmente para prospeccin area, tambin
se registran en la modalidad terrestre. El dispositivo general
consta de una bobina emisora y otra receptora, pudiendo stas
situarse en distintas posiciones: Coplanares horizontales 0
Coplanares Verticales 0 l Coaxiales Verticales l El arreglo
coplanar horizontal se usa en prospeccin terrestre, tal el caso del
mtodo de Slingram. Los otros dos, en cambio, son tpicos del
relevamiento areo: las bobinas pueden ir en los extremos 9
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de las alas del avin, tambin en la proa y en la cola del mismo,
con soportes especiales (algo muy usual cuando se recurre a
helicpteros), o bien montadas en un soporte que cuelga lejos de la
nave, o con una bobina sobre la mquina y la otra remolcada con un
cable (de unos 50 100 metros, ms abajo y algo ms atrs), en cuyo
caso hay rotacin y la relacin planar ya no se mantiene. Mtodo de
Slingram: Este mtodo, de bobinas coplanares horizontales, se
caracteriza porque no slo es mvil el dispositivo receptor sino que
tambin lo es la fuente del campo primario, que est constituida por
una bobina porttil de peso liviano. La bobina emisora es alimentada
por la corriente alterna suministrada por un oscilador porttil de 1
a 2 vatios y de ella se toma una tensin fija de referencia que es
introducida en un compensador. La tensin en el receptor se
descompone en dos partes, una en fase y la otra desfasada 90 (un
cuarto de periodo) respecto de la tensin de referencia. La magnitud
de cada componente se determina por comparacin con el voltaje de
referencia. Este campo primario es muy sensible a pequeas
variaciones de distancia entre Tx y Rx, como as tambin a
variaciones de la orientacin de las bobinas. El emisor y el
receptor, separados por una distancia fija, son desplazados
conjuntamente en la direccin de la lnea que determina, la cual
puede ser paralela o perpendicular al rumbo supuesto para el
conductor buscado, segn la orientacin del emisor (Tx) y del
receptor (Rx). El trabajo de campo de los sistemas de emisor y
receptor mviles es sencillo, la prospeccin no necesita ligarse
rgidamente a una red de lneas estaqueadas y los sistemas permiten
gran flexibilidad. Un equipo de dos o tres personas basta para las
mediciones, llevando uno el oscilador sobre su espalda y el emisor
(bobina) alrededor de su cintura, mientras otra persona lleva la
bobina receptora y el compensador. En este, como en otros mtodos
EM, puede ser necesario proceder a una correccin por topografa, si
sta es significativa. Por ejemplo para bobinas coplanares
horizontales la correccin de la componente real vale: CR =
300(h2/r2), siendo h la diferencia de cota y r la distancia entre
bobinas. Por motivos prcticos se utilizan separaciones entre
bobinas relativamente pequeas (25 a 100 m) y generalmente no estn
vinculadas rgidamente entre s; la distancia entre ellos se mantiene
constante usando como cinta el cable de referencia. Se leen las
componentes real e imaginaria del campo secundario en el receptor
como porcentaje del campo primario, el cual es el campo existente
en el receptor cuando el sistema se coloca en terreno neutral.
Seleccionada la distancia entre Tx y Rx el sistema se coloca en
terreno neutro y las agujas se colocan en cero, cuando no haya seal
en el receptor significa que el campo primario ha sido compensado.
Tras haber hecho esto, los valores que se obtienen dan directamente
el valor de las componentes del campo electromagntico. 10
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En la posterior interpretacin de los datos debe tenerse presente
que las anomalas dispersas debidas a la conductividad de las
formaciones prximas a la superficie pueden interferir con las
anomalas de origen ms profundo.
Arriba ejemplos de prospeccin con Slingram y abajo con Bobinas
Verticales Coaxiales.
Conductivmetros: Basados en el Beam Slingram de la compaa sueca
Boliden, son sistemas tipo vara (foto a la derecha) de bobinas
mviles porttiles, coplanares horizontales o verticales de separacin
fija, que permiten registrar el campo electromagntico y obtener
datos de resistividad elctrica -o su inversa, la conductividad- y
opcionalmente de susceptibilidad magntica a profundidades variables
segn la configuracin del sistema, desde 1 hasta 60 m. Pueden colgar
desde aeronaves. 11
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En este, como en algunos otros mtodos EM, es posible entonces
obtener valores de (o ) que surgen de la siguiente expresin
analtica: Hs / Hp = V.2.w.o. l / 4 . de donde: = [(4 / V.w.o.
l).(Hs / Hp)] -2 (siendo l la distancia, Hs el campo magntico
secundario y Hp el primario) Ejemplos Aeroelectromagnticos: Al
igual que en magnetometra, tambin los mtodos EM se emplean
principalmente desde el aire. Como ya fue referido, se trata de
distintas variantes de los mtodos de emisor y receptor mvil: sea
con bobinas coaxiales o con coplanares verticales, en la nave o
remolcadas. Si slo una de las bobinas va colgando, rota respecto a
la que va en la mquina y en este caso slo puede medirse la
diferencia en la fase (temporal, no dependiente de la orientacin) y
no se mide el mdulo del campo R o S (ni de las componentes real /
imag.).
Arriba, datos desde helicptero y correcciones por desniveles de
vuelo. Abajo, ejemplo desde avin.
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En esta pgina continan las figuras referidas a un yacimiento de
hidrocarburos de Texas, cuyo modelo conceptual puede verse en la
ltima figura de la pgina anterior. Aplicando magnetometra y
electromagnetismo se evala desde avin el impacto ambiental del
escape de aguas de formacin (salobres) hacia niveles someros
(dulces) a travs de encamisados antiguos con cemento en mal estado.
La figura superior izquierda es el mapa de anomalas magnticas. El
perfil a su derecha expresa las respuestas obtenidas con tres
registros EM terrestres, cada uno de distinta separacin entre
bobinas, y debajo est la interpretacin resultante. A la izquierda
de esta ltima, se grafica la distinta penetracin que se consigue
variando la frecuencia del campo EM y tambin en funcin de la
conductividad del medio, lo que constituye una aplicacin combinada
de Calicata con el Sondeo de Frecuencias (que se explica un poco ms
adelante). Aqu a la derecha imgenes areas a profundidades sucesivas
(frecuencias en baja). 13
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El caso de arriba trata de un relevamiento hecho sobre basurales
donde se presentan los resultados en tres formas de clculo
distintas a partir de la misma informacin registrada, lo que revela
la importancia de manejarla con diferentes algoritmos para hallar
parmetros de representacin evidentes de las anomalas que estamos
tratando de evaluar. A la derecha se ilustra una adquisicin de
datos EM marinos para la evaluacin de yacimientos de gas en forma
de hidratos, junto con secciones de ssmica de reflexin. Abajo,
geometra del dispositivo de registro.
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SONDEOS DE FRECUENCIAS Consisten en la emisin y recepcin en
posiciones fijas, variando la frecuencia de la fuente, de modo de
iluminar en forma predominante zonas sucesivamente ms profundas a
medida que se utilizan ms bajas frecuencias. Debe recordarse que
las altas frecuencias generan respuestas muy intensas incluso de
rocas poco conductivas, por lo cual el encape, aun siendo
relativamente resistivo, puede dar una alta respuesta cuando se
opera con muy altas frecuencias. Ergo, cuanto ms se baje la
frecuencia, ms se lograr evitar respuestas poco profundas de
conductores hasta de mediana conductividad y por lo tanto mejor se
vern los niveles profundos que sean muy conductivos. La profundidad
de penetracin puede estimarse con la siguiente expresin: Z(m) = 503
[(m) / f(Hz)]1/2 Para, por ejemplo, 10 m de resistividad del medio,
con 10 Hz se obtiene una profundidad de investigacin de unos 500 m,
con 100 Hz se alcanzan 150 m y con 1000 Hz los 50 m. TOMOGRAFAS EM
en el Dominio del Tiempo (en ingls abreviado TDEM) Mtodo ideado por
los estadounidenses Halliday y Resnick en 1974. Consiste en
calicatas desde decenas hasta 3000 ms metros de longitud con un
procedimiento que a la vez permite sondear a gran profundidad.
Puede hacerse con emisor fijo o mvil. Con Emisin Mvil: Se emplean
uno o ms transmisores y uno o ms receptores (por ejemplo dos
bobinas coplanares y dos coaxiales), generalmente en modalidad area
(avin o helicptero), y se opera transmitiendo un campo
electromagntico primario y luego registrando su respuesta en los
planos x, y, z en ventanas temporales (treinta o ms) entre
alrededor de 1 y 2000 ms s, informacin que proviene de distintas
profundidades, segn la demora en su registro. Usualmente se
obtienen registros buenos desde decenas hasta cientos de metros de
profundidad. Con Emisin Fija: Desde un bucle cuadrado sobre el
terreno se aplican pulsos de corriente alterna de algunos s que
terminan en un campo magntico variante en el tiempo, lo que crea un
campo secundario bajo el mismo bucle, que se introduce en el
subsuelo con la misma forma del bucle, como se ve en la figura.
Este campo secundario va decayendo y generando corrientes de eddy o
remolino adicionales que se expanden como anillos de humo. Las
mediciones se hacen en el centro del bucle en los intervalos de no
emisin. La profundidad de investigacin depende del tiempo
transcurrido entre el corte y la medicin y la intensidad de las
respuestas procedentes de campos secundarios generados es
proporcional a las corrientes de remolino de donde proceden y por
lo tanto de la conductividad de las profundidades de las cuales
provienen. Adems del tiempo, tambin el tamao del bucle, la
frecuencia de la seal y la resistividad del suelo contribuyen a
determinar la profundidad de investigacin mxima, que en condiciones
favorables puede superar los 2000 m.
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Procesamiento de los Datos: Se aplican correcciones metodolgicas
y luego los datos se invierten a travs de un proceso en computadora
-por ejemplo, mediante una migracin por continuacin descendente,
como en gravimetra, magnetometra o ssmica- que permite generar
modelos de cuerpos conductivos, fallas, etc. Se puede calcular la
conductividad (o su inversa, la resistividad), adems de la
susceptibilidad y la permeabilidad magnticas, partiendo de la
asignacin de valores conocidos o estimados en uno o varios sectores
de la calicata obtenida y calculando estas magnitudes en el resto
de los puntos registrados en funcin de la variacin de los parmetros
electromagnticos adquiridos. Estas tomografas pueden conformar
cortes o secciones de muchos kilmetros de longitud y de una
profundidad de cientos de metros -y hasta de un par de miles de
metros con emisor fijo-. Adems se pueden interpolar los datos en
planta generando imgenes areales para distintas profundidades de
inters con las magnitudes antes citadas e incluso proceso de datos
en 3D. REGISTROS HERTZIANOS Tambin conocidos como Radiografas
Hertzianas o Radiokip en Rusia. Es un mtodo que ha sido empleado en
galeras o perforaciones mineras, en curso de cateo o produccin,
para conseguir detectar metalizaciones entre ellas. El registro
electromagntico se basa en la emisin de ondas de radio de fuentes
lejanas, ya disponibles por las emisiones radiales preexistentes
-en ese caso sera un mtodo de campo natural- o bien generadas
especialmente para tal fin. Lo que se mide, con un microvoltmetro,
es el campo elctrico secundario generado por dichos campos
radiales. La intensidad de stos (y por lo tanto sus diferencias de
tensin medibles) es funcin proporcional de la presencia de cuerpos
conductores emplazados en las rocas entre las galeras mineras, como
tambin depende del rumbo de tales mineralizaciones, ya que producen
una corriente ms intensa si su orientacin es aproximadamente
coincidente con la del campo radial.
APLICACIONES DE LOS MTODOS EMTal como se explic, estos mtodos
estn fundamentalmente dirigidos a la prospeccin de minerales
conductivos o sus paragenticos, pero los registros superficiales
electromagnticos tienen tambin otras diversas aplicaciones, como
tambin se ha ido explicando. Sobre todo en la bsqueda de acuferos
(resistividades mayores a 10 m suelen indicar acuferos dulces y
menores a ese valor, aguas de formacin saladas), as como zonas de
fractura, depsitos contaminantes, yacimientos arqueolgicos,
identificacin de cavernas o conductos artificiales, fundaciones,
vapor geotrmico, y en general todo aquello que genere un cambio en
los registros electromagnticos, principalmente a profundidades
menores a los cien metros. En la bsqueda de hidrocarburos los
mtodos EM pueden dar respuestas diferentes en casos de reservorios
con agua de formacin (salada) frente a otras posiciones con
hidrocarburos (ms resistivos), pero no constituyen una herramienta
de rutina por su baja resolucin a grandes profundidades, salvo
algunos casos favorables donde la metodologa EM en el Domino del
Tiempo da buenos resultados. Es por esto que slo se la utiliza
espordicamente como complemento, algunas veces importante, de otras
metodologas. Su principal ventaja respecto a los mtodos de Inyeccin
de Corriente (Continua) es que, al no necesitar contacto con el
terreno, pueden operar en prospeccin area con la ventaja que
representa poder hacer una rpida cobertura de grandes reas
exploratorias. Es ampliamente conocido que los perfiles de
induccin, que operan segn los mismos principios que en prospeccin
superficial, son herramientas muy aplicadas en la evaluacin de
pozos de exploracin y desarrollo petrolero, como se ver ms
adelante. 16
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RADAR DE SUBSTRATO O GEORRADAR (Ground Penetrating Radar) Se
diferencia de todos los otros mtodos EM descriptos en que sus
registros se fundamentan en las variaciones de la permitividad o
constante dielctrica , a diferencia de los anteriores que, como se
explic, se basan en los cambios de . El radar (acrnimo de RAdio
Detection And Ranging) fue empleado por primera vez por el britnico
Edward Appleton en 1924 para determinar la altura de la ionosfera.
El sistema se basa en la emisin de ondas electromagnticas en el
rango de las microondas (VHF y UHF, Ultra High Frequency de 30 a
3000 Mhz) y la subsiguiente deteccin de sus reflexiones. Ha sido
utilizado para navegacin marina (deteccin de costas, otros barcos,
etc) y tambin para navegacin area (Radar Doppler, que se basa en el
efecto de acortamiento o alargamiento de las ondas segn el
movimiento relativo del observador, anlogo al sonido agudo de un
vehculo acercndose y grave alejndose, fenmeno estudiado por el
austraco Christian Doppler hacia 1840). Los radares tambin se
utilizan desde satlites para mediciones altimtricas aplicadas a
diversos campos, entre ellos el estudio del geoide y las anomalas
gravimtricas del mismo. Y tambin para obtener imgenes de la
superficie terrestre, generalmente desde aviones, las cuales tienen
aplicaciones geocientficas y muchas otras. Las primeras
aplicaciones del radar de substrato fueron realizadas en 1929 por
Walter Stern en Austria para medir espesores de glaciares, y slo
fueron reiniciadas despus de que, a fines de la dcada de 1950,
aviones estadounidenses se estrellaran contra el hielo de
Groenlandia al leer sus radares de vuelo la base de los glaciares
como si fueran su superficie. La expresin matemtica bsica de esta
interaccin fsica es: = (C. To / 2Z)2 (C es la velocidad de la luz,
To el tiempo vertical de ida y vuelta de las ondas, Z la
profundidad)
En prospeccin el Georradar ha sido empleado crecientemente desde
hace tres dcadas. Generalmente es aplicado a objetivos de muy poca
profundidad (pocos metros) donde logra una altsima resolucin (de
pocos cm), aunque puede tambin a veces iluminar zonas a algunas
decenas de metros con menor definicin (en suelos arenosos secos,
calizas, rocas gneas o metamrficas). Las imgenes se obtienen con
una antena emisora y otra receptora, la informacin se graba en
computadora y se le efecta un proceso de datos muy similar al que
se aplica sobre los datos de ssmica de reflexin. El resultado son
secciones con una escala vertical dada por tiempos de ida y vuelta
de la onda electromagntica (en nanosegundos) donde se observan
reflectores cuya amplitud es funcin de los contrastes de la
constante dielctrica entre las distintas capas del substrato.
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Tambin se pueden hacer registros en pocitos de algunos metros
para ajustar la puesta en profundidad, resultando radargramas de
pozo anlogos a la ssmica de pozos petroleros. Y tambin se puede
hacer registros de volmenes de informacin, comparables a los de la
ssmica tridimensional. Dado que la permitividad es muy sensible al
agua -sta tiene un valor muy alto de la constante, debido el
carcter fuertemente dipolar de sus molculas- ha sido muy utilizado
en reas de suelos congelados para iluminar por debajo del hielo o
del permafrost, aunque tambin en otros diversos ambientes
geolgicos, con fines de investigacin estratigrfica (como el ejemplo
siguiente), hidrogeolgica, ambiental, minera, paleontolgica,
etc.
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MTODOS DE POLARIZACION INDUCIDA
Abreviado PI (IP, Induced Polarization en ingls) fue observado
por Schlumberger hacia 1920 y estudiado por Mller en 1937. Es el
fenmeno que se verifica al desconectar una batera colocada entre
dos electrodos conectados al terreno. Se trata de un decrecimiento
gradual de la tensin una vez desconectada la batera, fenmeno anlogo
al de un condensador elctrico. Implica que algn movimiento de iones
se vea impedido y la PI aparece como una posterior difusin de
iones. Alternativamente se verifica una variacin de resistividad
cuando sta es medida en un medio dado utilizando corrientes de
distinta frecuencia. Existen dos modos de crear este fenmeno: A)
Polarizacin de electrodos: cargas inicas acumuladas en el limite
electrolito-partcula metlica, las cuales crean una tensin que se
opone al flujo, por lo que, cuando la corriente se interrumpe,
queda un potencial residual debido a las cargas inicas all
retenidas. Este potencial luego decrece continuamente al difundirse
las cargas en los electrolitos de los poros. Abajo el anlogo
elctrico de este proceso. B) Polarizacin de membrana: se produce
debido a la presencia de partculas de arcilla, cuya superficie est
cargada negativamente y por lo tanto atrae iones positivos de los
electrolitos. Cuando se hace pasar una corriente los iones
positivos se desplazan, y al interrumpirse se redistribuyen
generando una tensin decreciente entre los dos electrodos en
contacto con la arcilla.
PROSPECCIN MEDIANTE P. I. Normalmente se realizan calicatas con
varias profundidades de inters, como en las tomografas elctricas
(TE). A partir del impulso dado a estos mtodos hacia 1948 por la
Newmont Exploration de los Estados Unidos, surgieron variantes
prospectivas en dos dominios diferentes. 19
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En el Dominio del Tiempo: Se aplica al terreno una corriente
continua y se registra el decrecimiento de la tensin entre un par
de electrodos de potencial despus de haber cortado la inyeccin de
corriente. Pueden medirse: - Milivoltio por voltio y tanto por
ciento de PI: cociente entre la tensin residual V(t) en un instante
determinado t despus del corte de la corriente y la tensin normal
V(o) mientras la corriente fluye, es decir: mVi / Vo o bien: mVi .
100 / mVo - Integral de tiempo normalizada: se registra la curva de
descenso durante un cierto lapso de tiempo y se determina el rea
comprendida entre dos lmites de tiempo (mV/seg) al dividir este
resultado por el potencial normal Vo se obtiene la medida de la
integral de tiempo de la PI, en algunos textos tambin llamada
cargabilidad. - Cargabilidad: puede definirse de dos modos, como la
integral arriba citada y expresada en la figura a la derecha, o
bien como la relacin: m = (Vo Vi) / Vo
En el Dominio de la Frecuencia: En esta modalidad se mide la
variacin de la resistividad aparente del terreno con el cambio de
frecuencia de la corriente aplicada. El pasaje del dominio del
tiempo al dominio de la frecuencia y viceversa puede hacerse
matemticamente mediante el empleo de la Transformada de Laplace
(desarrollada por el matemtico y astrnomo francs Pierre Laplace
hacia 1800). 20
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Su expresin analtica es:
y su inversa:
Aplicndola se puede mostrar la equivalencia de una resistencia y
un condensador en funcin de sus condiciones iniciales, por lo que
la P.I. en los dominios de la frecuencia y el tiempo equivalen. En
la prctica en el Dominio de la Frecuencia se procede a determinar
la resistividad a dos frecuencias: una de ellas muy baja y la otra
ms alta. Pueden medirse: - Efecto de frecuencia: la resistividad de
las rocas decrece al aumentar la frecuencia aplicada. La medida de
la PI debido a la frecuencia se define como la diferencia entre la
resistividad con CC y con CA, dividido por la resistividad con CA,
es decir: e.f. = (cc cA) / cA En la prctica, dado que se trabaja
con un alternador (o sea, slo CA), la cc es en verdad una cA pero
de slo 0,1 Hz, que en la prctica equivale a una cc. La cA suele ser
de unos 10 Hz. - Factor metlico: es un parmetro ideado para
corregir la influencia de la resistividad de la roca de caja. Se
define como el efecto de la frecuencia dividido por la resistividad
aparente en CC (de nuevo, en la prctica es una CA de 0,1 Hz).
multiplicado por un factor numrico arbitrario para dar resultados
no tan pequeos. La expresin matemtica es: FM = 2.105 (cc cA) / (cc
. cA)
Aqu vemos la tcnica de atribucin de los valores calculados en el
dominio de la frecuencia:
Aplicaciones de la Polarizacin Inducida Son muchas las
aplicaciones, incluyendo, entre otras: mineralizaciones metalferas,
hidrogeologa, medioambiente, ingeniera civil y arqueologa. 21
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Aqu pueden apreciarse dos ejemplos mineros:
La prospeccin tambin puede hacerse desde barcos con electrodos
arrastrados por el lecho de un ro, lago o mar. En las ltimas dos
dcadas ha surgido el inters en su aplicacin en prospeccin de
hidrocarburos, se lo ha empleado en pozos y tambin desde
superficie, en algunos casos con una importante profundidad de
investigacin para inferir reservorios de petrleo y gas, como se
ilustra:
Arriba, ejemplo de PI en el dominio del tiempo, ms mtodo MT. A
la derecha, en China, PI en el dominio de la frecuencia, ms MT.
Se han utilizado mtodos de PI ocasionalmente en perfiles de
pozos desde las primeras experiencias hechas por el ruso Dakhnov en
1959, tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia. 22
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MTODOS GEOELCTRICOS Y GEOQUMICA En algunas reas los mtodos
geoelctricos pueden ser sensibles a las caractersticas geoqumicas
del terreno, constituyendo entonces una til herramienta
prospectiva. De especial inters son los resultados de la
geoelctrica como complemento del mapeo de la alteracin geoqumica de
los suelos provocada por la presencia de hidrocarburos y sus
elementos qumicos asociados, sobre reas de entrampamiento, por
ejemplo por la presencia de pirita, as como magnetita y otros
semiconductores generados como subproducto de la accin bacteriana
en la biodegradacin de petrleos. A la derecha un ejemplo de los
Estados Unidos, donde se coteja el mapa isopquico de un reservorio
profundo con las respuestas dadas por la polarizacin inducida y la
resistividad aparente. En el bosquejo de la izquierda se resumen
posibles aplicaciones de diversos mtodos geoelctricos para la
localizacin de zonas de microfugas de hidrocarburos, a partir de
los variados efectos que pueden ocurrir geoqumicamente a poca
profundidad.
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CUESTIONARIO BSICO - Indicar y justificar las condiciones
ideales de uso de los mtodos de CA en superficie. - Cmo es el mtodo
electromagntico de inclinacin de campo? - Graficar un diagrama
vectorial indicando brevemente su significado. - Sealar las
diferencias entre los mtodos de Turam y Slingram. - Qu parmetros
permiten variar la profundidad de investigacin? - Explicar
brevemente la Calicata EM en el Dominio del Tiempo. - Comentar
aplicaciones de los mtodos electromagnticos. - Cules son los
fundamentos y las aplicaciones del Georradar? - Cules son las dos
causas del fenmeno de polarizacin inducida? - Cmo opera el mtodo en
los dominios del tiempo y la frecuencia? - Cmo se adquieren y
representan usualmente los datos de campo? - Qu aplicaciones tiene
el mtodo de PI?
BIBLIOGRAFA- Cantos Figuerola, J., 1972. Tratado de Geofsica
Aplicada (p.111-163, 311-329 y 422-429). Librera de Ciencia e
Industria. - Parasnis y Orellana, 1971. Geofsica Minera (p.111-163,
206-225 y 314-328). Editorial Paraninfo. - Sheriff, R., 1991.
Encyclopedic Dictionary of Exploration Geophysics. Society of
Exploration Geophysicists.
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