INTRODUCCIONLa prospeccin geofsica ha ganado un importante lugar
para resolver diversos problemas asociados a definir las
condiciones fsicas y mecnicas de las estructuras geolgicas del
subsuelo; monitorear plumas de contaminacin, evaluar propiedades
mecnicas de los materiales geolgicos, ubicar cavidades o contactos
verticales que puedan poner en peligro una obra civil, asegurar las
inversiones econmicas; reconocer zonas de rellenos, entre otros.En
el rea de la ingeniera civil, la prospeccin y las tcnicas de
prospeccin de mayor uso son: geoelectricidad, sismologa, la
gravimetra, la tcnica del radar de penetracin terrestre, y los
registros geofsicos de pozos. Con los mtodos geofsicos se puede
investigar zonas sin acceso para el ser humano, como el interior de
la tierra. En la bsqueda de yacimientos metalferos (prospeccin,
exploracin) estos mtodos pueden dar informaciones sin hacer una
perforacin de altos costos. Existen varios mtodos geofsicos los
cuales aprovechan propiedades fsicas de las rocas. Pero todos dan
solamente informaciones indirectas, es decir nunca sale una muestra
de una roca. Los resultados de investigaciones geofsicas son hojas
de datos (nmeros) que esperan a una interpretacin.A continuacin se
enlistan los principales mtodos que se han desarrollado hasta hoy:
Mtodos ssmicos Mtodos elctricos Mtodos magnticos y Mtodos
gravimtricosSiendo estos los ms importantes para la Ingeniera
Civil, se deja el presente para apoyo acadmico de los estudiantes
de la Facultad.Los autores
METODOS DE EXPLORACION INDIRECTA METODOS GEOFISICOS:I.
DEFINICIN:En general, exploracin indirecta o exploracin geofsica se
refiere al uso de mtodos fsicos y matemticos para determinar las
propiedades fsicas de las rocas y sus contrastes. El propsito de
tal determinacin es conocer el arreglo de los cuerpos de roca en el
interior de la Tierra, as como las anomalas presentes en
ellas.Algunos de los mtodos de exploracin geofsica ms usados son:
los mtodos electromagnticos, los mtodos gravimtricos, y los mtodos
ssmicos.El conocimiento del arreglo de las rocas en el interior de
la Tierra puede tener un objetivo cientfico o comercial. Por
ejemplo, conocer las dimensiones de un reservorio de hidrocarburos
a travs de mtodos ssmicos o caracterizar la cmara magmtica de un
volcn a travs de mtodos gravimtricos.Tambin es utilizado en la
ingeniera civil para estudiar un terreno donde se comenzar una
construccin. Se hace una exploracin para determinar la profundidad
a la que se encuentran los estratos de roca sana, es decir, capaz
de soportar la construccin.La expresin geofsica aplicada es usada
de forma intercambiable con las expresiones: mtodos de prospeccin
geofsica, exploracin geofsica e incluso, aunque de forma muy poco
frecuente, ingeniera geofsica.II. OBJETIVOS: Determinacin del
espesor de las formaciones superficiales Identificacin de la
litologa en profundidad Identificacin de la estructura en
profundidad (fallas) Calidad del macizo rocoso Deteccin de
cavidades Posicin del nivel del agua subterrnea Estimacin de la
excavabilidad / ripabilidad Estimacin de las propiedades
geomecnicas
III. APLICACIONES PARA INGENIERIA:
IV. TIPOS DE METODOS:1. MTODOS SSMICOS:1.1. DEFINICION: La
exploracin ssmica emplea las ondas elsticas que se propagan a travs
del terreno y que han sido generadas artificialmente. Su objetivo
es el estudio del subsuelo en general, lo cual permite obtener
informacin geolgica de los materiales que lo conforman. La
prospeccin ssmica es una herramienta de investigacin poderosa, ya
que con ella se puede inspeccionar con buena resolucin desde los
primeros metros del terreno (ssmica de alta resolucin o ssmica
superficial; shallow seismic) hasta varios kilmetros de profundidad
(ssmica profunda; deep seismic). As, para la ssmica profunda se
utilizan fuentes de energa muy potentes (explosivos o camiones
vibradores) capaces de generar ondas elsticas que llegan a las
capas profundas del subsuelo, mientras que para la ssmica
superficial se utilizan martillos de impacto, rifles ssmicos y
explosivos de baja energa. De manera que el diseo de una campaa
ssmica (equipo y material a utilizar) est en funcin del objetivo
del estudio. Segn esto, la ssmica profunda se emplea en la deteccin
de reservorios petrolferos (ya sea terrestre o martima), grandes
estructuras geolgicas (plegamientos montaosos, zonas de subduccin,
etc.), yacimientos minerales, domos salinos, etc. Mientras que la
ssmica superficial tiene mucha aplicacin en la obra pblica y la
ingeniera civil. La prospeccin ssmica se basa en el mismo principio
que la sismologa, consiste en generar ondas ssmicas mediante una
fuente emisora y registrarlas en una serie de estaciones sensoras
(gefonos) distribuidas sobre el terreno. A partir del estudio de
las distintas formas de onda y sus tiempos de trayecto, se
consiguen obtener imgenes del subsuelo que luego se relacionan con
las capas geolgicas (secciones ssmicas, campos de velocidades,
etc.).El desarrollo de la teora ssmica se remonta a 1678 cuando se
enuncia la Ley de la Elasticidad de Hooke, mucho antes de la
existencia de instrumentos capaces de realizar medidas
significativas. Sin embargo, no es sino hasta 1845 cuando, Robert
Mallet, realiza los primeros intentos de medicin de las velocidades
ssmicas a travs de terremotos artificiales, usando plvora negra
como fuente de energa y recipientes de mercurio como receptores. En
1899 Knott desarrolla la teora ssmica de la reflexin y la
refraccin. Pero, es en 1910 cuando las diferencias entre las ondas
S y P se da a conocer por A. Mohorovicic, quien las identifica y
las relaciona con la base de la corteza, el Moho. La ssmica de
reflexin nace gracias a los primeros trabajos realizados por
Reginald Fesseden, en 1913, con el fin de detectar icebergs. Pero
no fue sino hasta 1927 cuando el mtodo de reflexin se convierte en
una tcnica comercial de exploracin geofsica. En 1919, Ludger
Mindtrop aplic para una patente sobre el mtodo de refraccin y ya
hacia 1930 todos los domos salinos superficiales haban sido
descubiertos mediante esta tcnica de exploracin. Rieber (1939)
introduce la idea del procesado de datos ssmicos usando una
grabacin de densidad variable y foto celdas para la reproduccin de
las trazas ssmicas. Sin embargo, es en 1953, cuando las cintas
magnticas se hicieron comercialmente disponibles, que se dio el
paso al inicio del procesamiento de datos; difundindose rpidamente
en los aos siguientes. Hasta este momento no se empleaba la
geometra CMP, la cual es usada por primera vez en 1956. A finales
de los 70, coincidiendo con el auge informtico y el desarrollo
tecnolgico, los nuevos soportes digitales y la nueva instrumentacin
representaron otro cambio significativo en el campo de la ssmica.
Desde entonces no se ha dejado de trabajar en la continua mejora de
las tcnicas de adquisicin y procesamiento de datos. En la
actualidad toda la adquisicin se realiza en formato digital y los
datos son procesados antes de su interpretacin. 1.2. PRINCIPIOS
BSICOS Cuando una onda ssmica encuentra un cambio en las
propiedades elsticas del material, como es el caso de una interfase
entre dos capas geolgicas; parte de la energa contina en el mismo
medio (onda incidente), parte se refleja (ondas reflejadas) y el
resto se transmite al otro medio (ondas refractadas) con cambios en
la direccin de propagacin, en la velocidad y en el modo de vibracin
(Figura 1). Las leyes de la reflexin y la refraccin se derivan por
el principio de Huygens cuando se considera un frente de onda que
incide sobre una interfase plana. El resultado final es que ambas
leyes se combinan en un nico planteamiento: en una interfase el
parmetro de rayo, p, debe tener el mismo valor para las ondas
incidentes, reflejadas y refractadas. Si el medio consta de un
cierto nmero de capas paralelas, la ley de Snell establece que el
parmetro del rayo tiene que ser el mismo para todos los rayos
reflejados y refractados resultantes de un rayo inicial dado.
Figura 1: Conversin de una onda incidente P. Las ondas ssmicas
que viajan por subsuelo se reflejan y se refractan siguiendo la ley
de Snell. La cantidad de energa de las ondas incidentes se reparte
entre las ondas reflejadas, las refractadas y la absorcin natural
del terreno.Cuando V1 < V2, i0 > i2, los rayos se refractan
por la segunda capa y los gefonos situados en la superficie no
registran el fenmeno. En el caso en el que i2 alcanza los 90, se
define como i1=sen1 (V1/V2) el ngulo de incidencia crtico para el
cual el rayo viaja a travs de la interfase. La ley de Snell
proporciona informacin sobre las trayectorias de los rayos, los
tiempos de llegada y la posicin de los refractores, pero no
proporciona informacin alguna sobre las amplitudes de las
ondas.
Figura 2: Los gefonos, situados a distancias conocidas (xi),
registran los diferentes tiempos de llegada de cada tipo de onda
(tj) que est caracterizada para una determinada trayectoria. Con
estos tiempos (tj), la geometra del dispositivo experimental (xi) y
las ecuaciones de las trayectorias de los rayos se calcula la
distribucin de velocidades del subsuelo (V1, V2, ).En el registro
ssmico que se presenta en la Figura 3 se pueden identificar
claramente las ondas elsticas producto del contacto entre dos
capas. Se aprecia la onda directa (1754 m/s), la onda refractada
(3500 m/s) y las ondas P reflejadas (1630 m/s primera capa, y 4000
m/s segunda capa), as como la onda reflejada SV (2858 m/s). Luego,
con la informacin de distancia fuente-receptor y tiempos de llegada
se construyen las dromocronas.
Figura 3: Ejemplo de tiro de campo en donde se pueden ver todas
las ondas procedentes del contacto1.3. SSMICA DE REFRACCIN La
ssmica de refraccin realiz grandes aportaciones a la prospeccin
ssmica en sus comienzos. Hasta la dcada de los 60 fue
extremadamente popular, especialmente en la exploracin de cuencas
sedimentarias donde condujo al descubrimiento de grandes campos de
petrleo; posteriormente qued relegada por los avances del mtodo de
reflexin que proporcionaba una informacin ms detallada. Sin
embargo, debido a su menor costo y al tipo de informacin que
proporciona (campo de velocidades) la ssmica de refraccin es un
potente mtodo que actualmente se emplea tanto en estudios de
estructuras profundas de la corteza terrestre como en estudios del
subsuelo ms inmediato (ripabilidad, rellenos anisotrpicos,
compactacin de los materiales, etc.) El mtodo se basa en la medicin
del tiempo de viaje de las ondas refractadas crticamente en las
interfaces entre las capas con diferentes propiedades fsicas;
fundamentalmente por contraste entre impedancias acsticas (i = .v;
en donde es la densidad y v la velocidad de la capa). La energa
ssmica se genera mediante un impacto controlado en superficie (o a
una determinada profundidad) que va propagndose en forma de onda
elstica a travs del subsuelo interaccionando con las distintas
capas, de manera que una parte de la energa se refleja y permanece
en el mismo medio que la energa incidente, y el resto se transmite
al otro medio con un fuerte cambio de la direccin de propagacin
debido al efecto de la interfase (refraccin). De esta interaccin,
la ssmica de refraccin solo considera las refracciones con ngulo
crtico ya que son las nicas ondas refractadas que llegan a la
superficie y pueden ser captadas por los gefonos (Figura 4).
Figura 4: La ssmica de refraccin utiliza los tiempos de primeras
llegadas del sismograma que corresponden a las ondas refractadas
crticamente en las distintas capas del subsuelo. Cada una de estas
capas se distingue por su impedancia acstica y se le llama
refractor. El resultado de este mtodo es una imagen ssmica del
terreno en forma de campo de velocidades [V(x,z)]; que
posteriormente ser interpretado geolgicamente.La distancia desde
los receptores al punto de tiro debe ser considerablemente grande
comparada con la profundidad de los horizontes que se desean
detectar, debido a que las ondas viajan grandes distancias
horizontales antes de ser refractadas crticamente hacia la
superficie; por ello tambin se suele llamar ssmica de gran ngulo.
Estas largas trayectorias de propagacin hacen que se disipe una
mayor proporcin de energa y, en particular se produzca una absorcin
de las frecuencias ms altas, en consecuencia los datos de refraccin
son de bajas frecuencias comparados con los datos de reflexin y, a
igualdad de fuente ssmica, se inspecciona menor profundidad. La
ssmica de refraccin es especialmente adecuada cuando se desean
estudiar superficies de alta velocidad, ya que brinda informacin de
velocidades y profundidades en las cuales se propagan las ondas
(Figura 5). Tambin es posible inspeccionar reas ms grandes ms
rpidamente y de forma ms econmica que el mtodo de reflexin; a pesar
de presentar una significante perdida del detalle.
Figura 5: El mtodo de refraccin proporciona una imagen del
subsuelo en trminos de campo de velocidades ssmicas V (x,z). Este
perfil ssmico de refraccin se realiz en la cuenca evaportica de
Cardona, Barcelona (Espaa). El techo de la sal corresponde a la
capa de mayor velocidad (superior a 3500 m/s). Ntese que el
contacto entre la sal y las capas superiores es altamente irregular
dando cuenta de la alta plasticidad de la sal.1.4. SSMICA DE
REFLEXIN El mtodo ssmico de reflexin se basa en las reflexiones del
frente de ondas ssmico sobre las distintas interfases del subsuelo.
Estas interfases (reflectores) responden, al igual que en la
refraccin, a contrastes de impedancia que posteriormente se
relacionaran con las distintas capas geolgicas. Las reflexiones son
detectadas por los receptores (gefonos) que se ubican en superficie
y que estn alineados con la fuente emisora. Dado que las distancias
entre la fuente y los gefonos son pequeas respecto a la profundidad
de penetracin que se alcanza (Figura 6), el dispositivo
experimental soporta que se est operando en "corto ngulo";
asegurando as la obtencin de reflexiones y, distinguindose de la
ssmica de refraccin o de "gran ngulo".
Figura 6: Esquema bsico de la emisin y recepcin de los rayos
reflectados en las distintas capas reflectoras.Con el fin de
conseguir un mejor reconocimiento de la zona de estudio, se realiza
un nmero de disparos mayor y se aumenta la cantidad de gefonos en
comparacin con los empleados en un perfil de refraccin de longitud
equivalente. El resultado es un grupo de trazas ssmicas procedentes
de todos los tiros que se analizan, se procesan y luego se
reordenan en conjuntos de puntos reflectores comunes (CMP), los
cuales contienen la informacin de todas las reflexiones halladas
(Figura 7a). Una vez todas las trazas de un mismo CMP se han
agrupado, se suman y se obtiene una traza CMP. El conjunto de todas
las trazas CMP constituye la denominada seccin ssmica de reflexin
que es el resultado final de este mtodo. Una seccin ssmica es una
imagen del subsuelo en donde las reflexiones se ven en forma de
lbulos negros de mayor amplitud y definen las capas reflectoras que
despus se asociarn a las estructuras geolgicas (Figura 7b).
Figura 7: (a) Esquema del recorrido de los rayos reflejados en
tres capas para una posicin de tiro y dos estaciones receptoras
(gefonos). Debido a la ecuacin de propagacin, las reflexiones
quedan marcadas en el registro ssmico como trayectorias
hiperblicas. (b) Una vez todas las reflexiones de un mismo CDP se
han agrupado, se suman y se obtiene una traza CDP. (c) Las trazas
CDP proporcionan la imagen ssmica del terreno, llamada seccin
ssmica. El tratamiento de los datos en ssmica de reflexin es ms
laborioso y delicado que el procesado de refraccin; donde uno de
los retos ms importantes es conseguir aislar de los registros las
reflexiones, eliminando las otras ondas (onda directa,
refracciones, ruido, etc.). Esta tarea implica la aplicacin de
tratamientos multiseal (filtros, deconvoluciones, etc.) que, si no
se hacen cuidadosamente, pueden crear artefactos y confundirse con
falsos reflectores. Otro punto conflictivo del procesado es que en
las secciones ssmicas de reflexin las capas reflectoras estn en
modo tiempo doble debido a que cada rayo reflejado ha hecho el
viaje de ida (incidencia) y vuelta (rebote). A los interpretes que
estn acostumbrados a trabajar con secciones ssmicas les es fcil
pasar mentalmente del tiempo doble en donde se detecta un reflector
a la profundidad que le tocara (profundidad equivalente), pero en
muchos casos se facilita esta tarea automticamente y se presentan
las secciones ssmicas de reflexin convertidas a una profundidad
aproximada. Este mtodo es una de las tcnicas de prospeccin geofsica
ms utilizada debido a que su resultado es una imagen denominada
seccin ssmica en donde se aprecia la geometra de las estructuras
geolgicas (Figura 8).
Figura 8: Seccin ssmica obtenida mediante el mtodo de reflexin.
El objetivo fundamental de este mtodo es describir la estratigrafa
del subsuelo estudiado. El perfil ssmico de reflexin coincide con
el de refraccin de la Figura 5 realizado en la cuenca evaportica de
Cardona, Barcelona (Espaa).La ssmica de reflexin tuvo su gran auge
en la exploracin petrolera, donde se aplic en la bsqueda de
reservorios de gas y petrleo. Sin embrago, a partir de los aos 90
empez a extenderse a aplicaciones ms superficiales, en donde se
combina con la ssmica de refraccin de alta resolucin, logrndose as
expandir su campo de accin hacia los problemas relacionados con la
ingeniera geolgica (Figura 9).
Figura 9: Combinacin de una seccin ssmica (reflexin) con su
correspondiente perfil ssmico de refraccin. Ambos resultados
pertenecen a las figuras III.5 y III.8. Ntese como el campo de
velocidades de la refraccin ayuda a la interpretacin geolgica de la
seccin a la vez que ha permitido su conversin a profundidad.La
ssmica de reflexin de alta resolucin se basa en los mismos
principios que la ssmica profunda y, al igual que ella, persigue
los mismos propsitos. La diferencia estriba en que las estructuras
geolgicas de inters de la ssmica son menores que las de la ssmica
profunda, de manera que para conseguir la resolucin necesaria debe
trabajarse con geometras ms reducidas y rangos de frecuencias ms
altos; puesto que los primeros metros del subsuelo constituyen una
zona caracterizada por ser ms heterognea y con contrastes de
velocidades ms elevados [6]. Ello produce que el registro ssmico de
la propagacin del frente de ondas se distinga por un nmero elevado
de trenes de ondas que muy a menudo se interfieren y se superponen
a las reflexiones superficiales. En la Figura III.10 se intenta
establecer las diferencias entre un registro de ssmica de alta
resolucin y uno de ssmica profunda (tomado del Yilmaz). En el
registro de ssmica profunda, se observa que el Ground Roll (A) no
es lo suficientemente fuerte como para solapar las reflexiones (B,
C, D, E).
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Figura 10: La diferencia entre registros ssmicos pertenecientes
a ssmica superficial (a) y a ssmica profunda (b) estriba,
fundamentalmente, en que en la ssmica superficial las reflexiones
de inters se superponen a las otras ondas del frente ssmico. Ello
produce que el procesamiento de datos sea ms complicado.
En ssmica superficial, la eleccin del dispositivo experimental
est muy condicionada por la generacin de las ondas guiadas, el GR y
la onda area debido a que normalmente los datos se adquieren con un
solo gefono por traza; a diferencia de la ssmica profunda en donde
es clsico utilizar conjuntos (arrays) de gefonos que contribuyen a
la formacin de una traza disponindose estratgicamente de manera que
estos frentes se interfieran destructivamente y aumente as la
relacin seal/ruido. En general los tiros se efectan en los extremos
(tiros en cola o en cabeza) o en el centro (tiros simtricos) del
dispositivo (Figura 11). La primera geometra permite cubrir una
distancia ms grande de la trayectoria de los reflectores, mientras
que en los tiros simtricos se obtiene un mejor control sobre las
hiprbolas de reflexin; resultando un dispositivo ms apropiado
cuando hay reflectores inclinados. No obstante, muchas veces la
geometra de tiro simtrico no suele ser la ms adecuada ya que las
ondas guiadas, el GR y la onda area ocupan la mayor parte de la
ventana temporal de los registros de campo. Como se demostrar en
los siguientes captulos, esta diferencia en la adquisicin de datos
ha sido uno de los puntos de valoracin de la presente tesis ya que
se han procesado dos lneas ssmicas en zonas con las mismas
caractersticas geolgicas pero una adquirida con tiro simtrico
(PS-1) y otra con tiro en cola (PS-2).
Figura 11: Registros de campo con diferentes geometras de
adquisicin en un mismo contexto geolgico. (a) Tiro en cola y (b)
tiro simtrico. En este caso, el tiro simtrico muestra mejor las
reflexiones por debajo de los 60 ms que el tiro en cola, ya que
stas no se ven afectadas por las refracciones ni por los trenes de
la onda directa. No obstante, se observan reflexiones superficiales
de baja amplitud que quedan mejor descritas en el tiro en cola.
Registros de campo sin procesar; espaciado entre trazas de 5 m y
muestreo de 0.1 ms. Trazas escaladas con AGC de 125 ms (sobre
ventana temporal de 250 ms). Dos aspectos importantes en la
definicin de la geometra de adquisicin son las posiciones del tiro
respecto al primer gefono activo (offset ms prximo) y la del ltimo
gefono (offset ms lejano). stas dependen de las profundidades de
investigacin, de las velocidades del subsuelo y de la longitud
total del dispositivo experimental. Una regla emprica, anloga a la
de prospeccin profunda, consiste en que la lnea de gefonos activos
cubra una distancia entre 1.5 y 2 veces la profundidad mxima de los
reflectores a investigar1.5. APLICACIONES EN LA INGENIERA CIVIL.La
aplicacin ms comn de la refraccin ssmica en la ingeniera civil es
para la determinacin de la profundidad a basamento en los proyectos
de construccin de represas y grandes hidroelctricas, y para la
determinacin de las condiciones (meteorizacin, fracturacin) y
competencia de la roca en donde se asentarn las estructuras, as
como por donde se realizarn los tneles.Tambin es muy til para
deteccin de fallas geolgicas.En el caso de contextos urbanos la
refraccin resulta til para la determinacin de la profundidad a
basamento y el perfil de velocidades de onda P y S; y para la
extrapolacin lateral de perforaciones puntuales de suelos.El mtodo
utiliza la llegada de las primeras ondas a los gofonos, ondas P,
pero como tambin las llegadas de las ondas S, de tal manera que se
pueden determinar la relacin de Poisson y otros mdulos
dinmicos.Sarria (1996) enuncia otras potenciales aplicaciones del
mtodo: a) utilizacin del ruido ssmico para determinar el mdulo
dinmico G en masas de arcilla; b) evaluacin del amortiguamiento; c)
evaluacin de los lmites de Atterberg; d) determinacin de mdulos E y
G en mecnica de rocas; e) explotacin de canteras; f) ubicacin de
sondeos en roca y g) para determinar la capacidad de carga de los
pilotes.1.6. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL MTODO:En trminos de la
Ingeniera Civil, y el estudio dinmico de los suelos los alcances y
limitaciones del mtodo seran los siguientes:1.6.1. Alcances.
Detecta variaciones tanto en profundidad como en la horizontal de
la velocidad de la onda P ( y de la S). Permite la deteccin de la
profundidad a basamento y de su relieve, dependiendo de variables
como longitud del tendido, energa de la fuente ssmica, velocidades
de los suelos.1.6.2. Limitaciones. Slo funciona cuando la velocidad
de propagacin de las ondas aumenta con la profundidad. En el caso
de suelos con capas intermedias de menor velocidad el mtodo
arrojara resultados errneos. Para el caso de aplicaciones urbanas
de la Ingeniera Civil, el Mtodo de Refraccin Ssmica est limitado
por la disponibilidad de zonas descubiertas con suficiente
extensin. La longitud del tendido en superficie est directamente
relacionada con el alcance de la exploracin en profundidad.1.7.
EQUIPO DE MEDICIN:Las componentes del equipo de medicin de
refraccin ssmica son (Figura 12): Fuente de generacin de ondas
ssmicas. Deteccin de los movimientos del terreno. Adquisicin y
almacenamiento.
Figura 12. Esquema general del equipo de refraccin ssmica.1.7.1.
Fuente de generacin de ondas.Las ondas que se utilizan en refraccin
son generadas por una perturbacin artificial instantnea, que se
conoce como impulso ssmico. Lo que se busca con ste es generar el
tipo de ondas ssmicas (de volumen y superficiales), producidas por
un nico evento de duracin instantnea, para que no haya superposicin
de ondas (de diferentes eventos) en los movimientos del terreno
detectados por los gefonos.Para esto se buscan fuentes de generacin
que se puedan controlar en trminos del tiempo de inicio y
localizacin (p. ej. Jakosky, 1950; Cantos, 1980).Existen tres
tipos: Fuentes de impacto. Generalmente martillos o porras. Como la
energa transmitida al suelo por este tipo de fuente no es muy
grande, se apilan varias decenas de golpes para modelar mejor las
llegadas y suprimir el ruido.Tambin se utilizan otros medios
mecnicos, por ejemplo dejando caer un gran peso de una altura de 2
3 metros. La energa asociada con cada uno de los golpes depende la
energa cintica (E) que relaciona la masa del martillo (m) y la
velocidad aplicada al martillo (v), obteniendo E = m*v2. Cargas
explosivas. De mayor energa, son usadas especialmente para
prospeccin petrolera. La explosin puede ocurrir en un tiempo de
micro a milisegundos, dependiendo de la naturaleza y cantidad del
explosivo y, del material que rodea sitio de explosin (p. ej.
Cantos, 1980). Disparos. Se utilizan balas o cartuchos de fogueo.
La energa es mayor que la generada por martillo.1.7.2. Deteccin de
los movimientos del terreno.A travs de gefonos de una componente
vertical, el movimiento del terreno es observado en diferentes
puntos a lo largo del tendido de refraccin ssmica.Actualmente se
usan 12, 24 48 gefonos. Estos sensores exigen mayor resistencia
mecnica que aquellos usados en la sismologa tradicional (p. ej.
Jakosky, 1950) debido a que en refraccin se requiere gefonos con
frecuencias naturales de vibracin mucho mayores, entre 8 y 40
Hz.1.7.3. Adquisicin y almacenamiento.Las partes que componen el
equipo de adquisicin y almacenamiento son: Unidad de apilamiento y
digitalizacin. Corresponde a la unidad donde se adquiere,
digitaliza y procesan los datos. Tiene puertos especializados para
recibir las seales enviadas por los gefonos; a cada gefono le
corresponde un canal y sus seales son filtradas y digitalizadas de
acuerdo con las opciones definidas por el usuario. Cables ssmicos.
Comnmente se usan dos cables para conectar en cada uno la mitad de
los gefonos. Cada cable contiene a su vez cableado para llevar la
seal de cada gefono a la unidad de adquisicin; cada uno de estos se
llama canal. Trigger. Cable conectado apropiadamente a la fuente
ssmica, de tal manera que en el instante en que se golpea el suelo
con el martillo o cuando la carga explosiva es detonada, el sistema
de registro empieza a grabar.
2. METODOS GEOLECTRICOSLos mtodos geofsicos de exploracin, entre
los que podemos mencionar el geo elctrico de resistividad,
registran una serie de propiedades fsicas de objetos o estructuras
en el subsuelo desde la superficie del terreno que las diferencian,
del medio que las rodea.Los mtodos elctricos son un tipo de mtodo
geofsico, y constituyen pruebas realizadas para la determinacin de
las caractersticas geotcnicas de un terreno, como parte de las
tcnicas de reconocimiento geotcnico.Esta prospeccin tiene como
objetivo determinar la resistividad elctrica de las rocas que
constituyen el subsuelo y su distribucin.De tal manera que se
puedan interpretar los cambios que se producen, debidos a la
presencia del agua subterrnea o al contenido mineralgico que
presentan las formaciones de roca. Estos mtodos elctricos utilizan
la distribucin del subsuelo en trminos de homogeneidad, basados en
la caracterizacin resistiva.En esta distribucin del subsuelo, es
posible observar zonas anmalas que pueden ser debidas a estructuras
geolgicas contrastantes o bien la presencia de fluidos conductores
como el agua y el contenido mineralgico que altera los valores de
la resistividad del medio.El flujo de corriente a travs del terreno
discurre gracias a fenmenos electrolticos, por lo que la
resistividad depende bsicamente de la humedad del terreno y de la
concentracin de sales en el agua intersticial. Por ello existe una
gran variabilidad de valores de la resistividad para cada tipo de
terreno, con rangos muy amplios.Las propiedades fsicas de un
material de acuerdo con su comportamiento electromagntico son: la
constante dielctrica, la permeabilidad magntica y la resistividad;
la resistividad, es la propiedad que se mide en los mtodos
elctricos de exploracin.Algunos instrumentos utilizados en los
mtodos exploratorios elctricos son:2.1. MTODO DE RESISTIVIDAD
ELCTRICALos sondeos de resistividad elctrica usan la electricidad
con la cual conocen las caractersticas que presentan los materiales
que se encuentran en el subsuelo en los mtodos elctricos
encontramos la resistividad que es la oposicin de los materiales al
paso de la corriente elctrica y por otro lado tenemos la
conductividad que permite el paso de la corriente elctrica a travs
de los materiales en el subsuelo, estos conducen la corriente
elctrica en forma inica y electrnica; en el primer caso la
conduccin se realiza a travs de los fluidos contenidos en los poros
de la roca y en el segundo caso la conductividad se realiza por
medio de los minerales metlicos.Normalmente se considera que la
conduccin de la intensidad de corriente en el subsuelo es de manera
inica por esta razn la resistividad depende de las condiciones
fsicas y qumicas de las rocas encontradas en el subsuelo como por
ejemplo el grado de saturacin, fracturamiento, porosidad, entre
otras.El equipo usado para obtener los datos consta de un receptor,
un transmisor, dos carretes con sus cables y unos electrodos de
metal. El receptor es ligero y tiene una pantalla en la cual se
pueden ver las mediciones de los voltajes de las bateras se observa
el potencial natural y el voltaje primario. El transmisor genera
corriente continua y manda las lecturas de corriente a una pantalla
la cual tiene varias escalas de corriente con un sistema que
permite medir la resistencia del terreno para poder seleccionar de
forma adecuada las escalas de voltaje y la intensidad de
corriente.Los electrodos de potencial y de intensidad de corriente
son colocados en la superficie del terreno para realizar la lectura
de la diferencia del campo potencial y el de la intensidad de
corriente que circula en el subsuelo. Con los valores de voltaje,
intensidad de corriente y el factor geomtrico que es el que
relaciona la distancia entre los electrodos, con estos datos se
puede calcular la resistividad aparente. Para realizar cada medicin
se incrementa la distancia entre los electrodos de la intensidad de
corriente pero cuando los valores de la diferencia de potencial
resultan ser muy pequeos hay que aumentar la separacin entre los
electrodos, debindose tomar al menos una lectura de datos con dos
diferentes posiciones de electrodos de potencial y una sola con la
posicin de electrodos de intensidad de corriente a dicho proceso se
le conoce como traslape.En trminos generales se puede decirse que
la finalidad del mtodo de resistividad elctrica es la de inferir
las estructuras del subsuelo, para conocer los parmetros del corte
geo elctrico es decir los espesores y resistividades.
2.2. CALICATAS ELCTRICASSe emplean para determinar variaciones
laterales de la resistividad y a diferencia de los SEV, las
calicatas elctricas (CE) se ejecutan manteniendo un distanciamiento
constante entre los 4 electrodos.Se puede utilizar tanto la
disposicin Schlumberger como Wenner y lo que se hace es trasladar
todo el dispositivo, manteniendo el espaciamiento, lo que resulta
en un alcance vertical (profundidad) ms o menos constante de la
corriente. En el ejemplo, de la estacin 1 a la 3 (figura 15).
Con las calicatas elctricas se pueden detectar modificaciones
resistivas laterales debidas a cambios de facies litolgicas, o a la
alteracin en la disposicin estratigrfica, por fracturacin geolgica
(figura 16).
2.3. SONDEO ELECTRICO VERTICALPara el conocimiento del subsuelo
se realizan una serie de Sondeos Elctricos Verticales (SEVs),
consistente en determinar las resistividades del subsuelo a
diferentes profundidades para luego dar una interpretacin litolgica
de ste. Para llevar a cabo lo anterior, se introduce una corriente
elctrica mediante dos electrodos de corriente (A y B), entre dos
electrodos de potencial (M y N), obteniendo la diferencia de
potencial. Los electrodos se ubican a unas distancias previstas y
pueden variar segn las condiciones de campo. La distancia media
entre los electrodos de corriente, es proporcional a la profundidad
de investigacin.
Figura 13: Disposicin de los electrodos en el arreglo
Schlumberger.La finalidad del sondeo elctrico vertical (SEV) es
averiguar la distribucin vertical en profundidad de las
resistividades aparentes bajo el punto sondeado a partir de medidas
de la diferencia de potencial en la superficie. Se utiliza sobre
todo para detectar y establecer los lmites de capas horizontales de
suelo estratificado. Los Sondeos Elctricos Verticales exploran el
subsuelo en una sola dimensin (solo en profundidad).El SEV es
aplicable cuando el objetivo tiene una posicin horizontal y una
extensin mayor que su profundidad. Tal es el caso del estudio de
capas tectnicas, hidrolgicas, etc. Tambin es adecuado para trabajar
a poca profundidad sobre topografas suaves, con el objetivo de
decidir la profundidad a la cual realizar el perfil de
resistividades, como ocurre por ejemplo en Arqueologa. El SEV no es
adecuado para contactos verticales, fallas, diques, etc. La
limitacin ms severa del mtodo de Sondeo Elctrico Vertical es que
normalmente en el subsuelo se presentan cambios de resistividad en
direcciones horizontales (laterales).En muchos estudios, donde la
geologa del subsuelo es muy compleja, la resistividad puede cambiar
rpidamente en cortas distancias. El mtodo de Sondeo Elctrico
Vertical anteriormente mencionado no podra ser suficientemente
preciso para tales situaciones; en tales casos se utilizan las
Tomografas Elctricas.Considerando el dispositivo Schlumberger
(figura 13), los SEV se pueden clasificar en funcin de la separacin
final entre A y B de la siguiente tabla:
El objetivo de un SEV es la obtencin de un modelo de variacin de
la resistividad aparente en funcin de la profundidad, a partir de
mediciones realizadas en superficie. La profundidad alcanzada por
la corriente aumenta a medida que crece la distancia AB, aunque
generalmente no existe una relacin de proporcionalidad entre
ambas.2.3.1. EQUIPO DE MEDICION:Para generar y registrar un SEV se
requiere: Circuito de emisin, integrado por una fuente de energa,
un ampermetro para medir la intensidad de la corriente, puntos de
emisin (A y B) consistentes en clavos metlicos de 0,5 a 1 m de
largo y 20 mm de dimetro y cables de transmisin. En sondeos
normales se utiliza una batera de 12 voltios en serie con un
convertidor de unos 250 W de potencia. El ampermetro permite
registrar hasta 10 A, con una precisin del 1% y resolucin de 0,1
mA. El cable de transmisin tiene una seccin de 1 mm2 y para
transportarlo y extenderlo se arrolla a un carrete de unos 500 m de
capacidad. Circuito de recepcin, compuesto por un milivoltmetro
electrnico de alta impedancia y dos electrodos para la medicin del
potencial (M y N) impolarizables, constituidos por vasos con fondo
poroso que contienen una solucin saturada de sulfato de cobre, en
los que se sumerge una varilla de cobre que est conectada al cable
de medicin del circuito. 2.3.2. MEDICIN DE CAMPO:Para la realizacin
de un SEV normal (distancia entre A y B de 250 a 2.500 m) se
requiere de un operador y 3 a 4 ayudantes para mover los
electrodos. Pueden efectuarse entre 3 y 6 por da, en funcin de la
longitud final, la distancia entre uno y otro y las caractersticas
topogrficas.Luego de establecer la ubicacin del sondeo, la direccin
de sus alas e instalar el instrumental de medicin en el centro, se
colocan los 4 electrodos (A M N B) de acuerdo al dispositivo a
utilizar (figura 13). Se compensa el potencial natural del terreno
y se lo energiza con una corriente continua de intensidad I en mA
(electrodos AB) y se lee la diferencia de potencial V en mV
(electrodos MN). Los valores se vuelcan en una tabla y se calcula
la resistividad aparente (a en .m).2.3.3. INTERPRETACIN DE SEV:El
objetivo de la prospeccin geoelctrica es establecer la conformacin
del subsuelo mediante la ubicacin espacial de las capas resistivas
(perfil geoelctrico) para posteriormente transformar el perfil
geoelctrico en otro, que represente los caracteres geolgicos
subterrneos (perfil geolgico).Para identificar las profundidades de
las capas con diferentes resistividades, deben compararse las
curvas obtenidas en el campo con otras confeccionadas en gabinete
que se denominan curvas tericas.El procedimiento manual se complica
cuando la cantidad de capas involucradas es 4 o ms, pero esta
limitacin puede mejorarse sensiblemente mediante el uso de
programas cibernticos preparados para las computadoras personales a
partir de 1970. Los softwares actuales realizan una rpida
comparacin de las curvas de campo con las tericas y por ende tambin
permiten una rpida solucin del problema. Entre estos, los empleados
con ms frecuencia son los desarrollados por Johansen (1975) que
requiere de un corte geoelctrico inicial aproximado y Zodhy (1989).
Este ltimo es el ms utilizado en la actualidad y se basa en la
interpretacin automtica de los SEV (Schlumberger o Wenner),
mediante un mtodo iterativo para ajustar las resistividades
aparentes y los espaciamientos electrdicos, a las resistividades
especficas o reales y a las profundidades de las capas
involucradas.A continuacin un ejemplo de los resultados de un
estudio geo elctrico:A fin de cotejar el comportamiento resistivo
con el componente geolgico de subsuelo, se efectuaron 2 sondeos
paramtricos en la vecindad de la perforacin Los Rincones (figura
14), que alcanz el basamento a 61 m y registr un nivel fretico de
7,80 m, con agua de 2.700 mg/L. En el perfil litolgico domina arena
fina a muy fina, poco yesfera, seca, hasta 8 m; grava fina a
gruesa, con escasa arena fina a gruesa de 8 hasta 50 m; arena muy
fina a gruesa, arcillosa, algo yesfera, de 50 a 61 m; basamento
grantico desde 61 m.
2.4. CAMPO DE APLICACIN DE AMBOS METODOS:Se utilizan para
determinar dimensiones y caractersticas de los siguientes
elementos: Cambios litolgicos Verticales Techo de roca sana
Deteccin de Cavidades Profundidad y Espesor de relleno Cuerpos
Conductivos Deteccin de plumas de contaminacin Caracterizacin de
vertederos Localizacin de restos arqueolgicosInformacin til, para
determinar qu solucin tomar frente a: Deteccin de depsitos
enterrados de residuos urbanos e industriales Definicin de zonas de
intrusin marina Determinacin de niveles freticos Identificacin de
acuferos contaminados.
3. METODO GRAVIMETRICO:3.1. DEFINICION:El mtodo est basado en el
estudio la variacin del componente vertical del campo gravitatorio
terrestre. El campo gravitatorio terrestre o gravedad, no es ms que
un caso particular de la ley de atraccin universal.Es un mtodo
pasivo que permite la medicin de las propiedades gravimtricas en
cualquiera condicin geolgica. Grandes avances en la teora de campos
potenciales, tcnicas de adquisicin, algoritmos de interpretacin y
visualizacin permiten que gravimtricos sean usados en nuevas y
avanzadas formas para solucin de problemas en exploracin e
ingeniera-geotecnia. La Prospeccin Gravimtrica consiste en medir la
gravedad g (o sus variaciones) para a continuacin, aplicar a los
valores observados, toda una series de correcciones con el fin de
eliminar la influencia de otros cuerpos celestes y de la rotacin y
forma de la tierra, con el objeto de obtener la anomalas cuyo
origen de deba nicamente a variaciones de densidad en el subsuelo.
Se realiza mediciones relativas, es decir, se miden las variaciones
laterales de la atraccin gravitatoria de un lugar a otro puesto que
en estas mediciones se pueden lograr una precisin satisfactoria ms
fcilmente en comparacin con las mediciones del campo gravitatorio
absoluto.El mtodo gravimtrico se emplea como un mtodo de
reconocimiento general en hidrologa subterrnea para definir los
limites de los acuferos (profundidad de las formaciones
impermeables, extensin de la formacin acufera, naturaleza y
estructura de las formaciones del subsuelo). Es un mtodo rpido y
econmico para determinar las reas de mayor espesor del acufero, el
eje de un antiguo canal enterrado y localizar los sectores elevados
del basamento que pueden impedir el flujo del agua subterrnea.Un
mapa Gravimtrico puede darnos valiosas informaciones acerca de las
variaciones de densidad en la corteza terrestre y en el manto
superior. En el mapa mostrado, correspondiente al rea de la baha de
San Francisco, los mximos valores de densidad tienden a presentarse
sobre los afloramientos del Franciscan Complex y sobre
afloramientos de rocas plutnicas (Colores rojos y azules). Valores
mnimos ocurren sobre sedimentos de rocas cenozoicas (amarillos y
castaos). Los gradientes de gravedad generalmente ocurren donde las
fallas yuxtaponen rocas de diferentes densidad. En caso contrario
no podemos observar ninguna anomala.
3.2. EQUIPO UTILIZADO EN EL METODO:El gravmetro de HARTLEY se
constituye de un peso suspendido de un resorte. Por variaciones en
la aceleracin gravitatoria de un lugar al otro el resorte principal
se mueve y puede ser vuelto a su posicin de referencia por medio de
un movimiento compensatorio de un resorte auxiliar o de regulacin
manejable por un tornillo micromtrico. El giro del tornillo
micromtrico se lee en un dial, que da una medida de la desviacin
del valor de la gravedad con respecto a su valor de referencia. Por
la posicin del espejo en el extremo de la barra, su desplazamiento
es mayor que el desplazamiento del resorte principal y como el
recorrido del haz luminoso es grande, se puede realizar medidas de
precisin cercanas al miligal.
3.3. CAMPOS DE APLICACION:En la actualidad se utiliza este mtodo
para: Reconocimiento general en hidrologa subterrnea para definir
los lmites de los acuferos (profundidad de las formaciones
impermeables, extensin de la formacin acufera, naturaleza y
estructura de las formaciones del subsuelo). Mtodo rpido y econmico
para determinar las reas de mayor espesor del acufero, el eje de un
antiguo canal enterrado y localizar los sectores elevados del
basamento que pueden impedir el flujo del agua subterrnea.
Determinar la posicin y evaluar el salto de falla (conocida la
densidad).
4. METODO MAGNETOMETRICO:4.1. DEFINICION:La magnetometra es como
la gravimetra un mtodo geofsico relativamente simple en su
aplicacin. El campo magntico de la tierra afecta tambin yacimientos
que contienen magnetita (Fe). Estos yacimientos producen un campo
magntico inducido, es decir su propio campo magntico. Un
magnetmetro mide simplemente las anomalas magnticas en la
superficie terrestre, cules podran ser producto de un yacimiento.
4.2. PRINCIPIO DEL METODO:La tierra genera un campo magntico en el
rango de aproximadamente 0,30000 a 0,65000G (= Gauss, o Oersted).
Este campo se puede comparar con el campo correspondiente a un
dipolo (como un imn de barra) situado en el centro de la Tierra,
cuyo eje est inclinado con respecto al eje de rotacin de la Tierra.
El dipolo est dirigido hacia el Sur, de tal modo en el hemisferio
Norte cerca del polo Norte geogrfico se ubica un polo Sur magntico
y en el hemisferio Sur cerca del polo Sur geogrfico se ubica un
polo Norte magntico. Por convencin se denomina el polo magntico
ubicado cerca del polo Norte geogrfico polo Norte magntico y el
polo magntico situado cerca del polo Sur geogrfico polo Sur
magntico. El campo geomagntico no es constante sino sufre
variaciones con el tiempo y con respecto a su forma. La imantacin
inducida depende de la susceptibilidad magntica k de una roca o de
un mineral y del campo externo existente. La imantacin remanente de
una roca se refiere al magnetismo residual de la roca en ausencia
de un campo magntico externo, la imantacin remanente depende de la
historia geolgica de la roca. 4.3. CAMPOS DE APLICACIN:El mtodo
magntico es el mtodo geofsico de prospeccin ms antiguo aplicable en
la prospeccin petrolfera, en las exploraciones mineras y de
artefactos arqueolgicos. En la prospeccin petrolfera el mtodo
magntico entrega informaciones acerca de la profundidad de las
rocas pertenecientes al basamento. A partir de estos conocimientos
se puede localizar y definir la extensin de las cuencas
sedimentarias ubicadas encima del basamento, que posiblemente
contienen reservas de petrleo.En las exploraciones mineras se
aplica el mtodo magntico en la bsqueda directa de minerales
magnticos y en la bsqueda de minerales no magnticos asociados con
los minerales, que ejercen un efecto magntico mensurable en la
superficie terrestre. Adems el mtodo magntico se puede emplear en
la bsqueda de agua subterrnea. 4.4. EQUIPO DE MEDICION -
Magnetmetros:Existen varios mtodos de medicin y varios tipos de
magnetmetros, conque se puede medir una componente del campo
magntico. El primero mtodo para determinar la intensidad horizontal
absoluta del campo geomagntico desarroll el matemtico alemn Carl
Friedrich Gauss (desde 1831). Los magnetmetros, que se basan en
principios mecnicos, son entre otros la brjula de inclinacin, la
superbrjula de Hotchkiss, el varimetro del tipo Schmidt, el
varimetro de compensacin. El primero magnetmetro til para la
prospeccin minera fue desarrollado en los aos 1914 y 1915 .El
llamativo varimetro del tipo Schmidt mide variaciones de la
intensidad vertical del campo magntico con una exactitud de 1g, que
es la dimensin de las variaciones locales de la intensidad
magntica. El 'flux-gate-magnetometer' se basa en el principio de la
induccin electromagntica y en la saturacin y mide variaciones de la
intensidad vertical del campo magntico. El magnetmetro nuclear se
basa en el fenmeno de la resonancia magntica nuclear y mide la
intensidad total absoluta del campo magntico a tiempos discretos.
El magnetmetro con clula de absorcin se funda en la separacin de
lneas espectrales (absorcin ptica) por la influencia de un campo
magntico. Este instrumento mide la intensidad total del campo
magntico continuamente, con sensibilidad alta y una exactitud hasta
0.01gamma.
V. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS PROSPECCIONES GEOFISICAS.La
ventaja de este tipo de ensayo es que de manera rpida y generando
bajos costos se puede hacer una exploracin de grandes reas,
permitiendo obtener con una precisin aceptable los espesores de los
estratos y las velocidades de ondas Py S que se transmiten sobre
estas. Este mtodo no es muy caro y los resultados no tardan mucho
en salir, solo que su desventaja seria su precisin para la
diferenciacin de capas delgadas, y este problema deriva en que los
resultados presentan un margen de error que se origina por cientos
de variables difciles de controlar, asi que los estratos delgados
no seran identificados o seran muy difciles de identificar.De igual
manera cualquier tcnica auxiliar de la Geotecnia no sustituirn a
las perforaciones en ninguna manera ya que este mtodo no se podra
considerar directo, sino indirecto y por lo mismo su interpretacin
va a variar acorde a la persona que realiza el estudio. Otro
problema seran las condiciones meteorolgicas ya que se realiza a
campo abierto, se tienen que buscar condiciones en que personal
operativo pueda realizar las pruebas.
CONCLUSIONES El Mtodo Gravimtrico aprovecha el hecho de que los
grandes estratos minerales que se encuentran en el subsuelo tienen
la capacidad de aumentar la aceleracin de la gravedad de una regin
determinada. La Magnetometra utiliza el principio que los distintos
elementos que componen el suelo producen distintas perturbaciones
del campo magntico de la tierra. El ejemplo ms significativo es el
hierro. El mtodo geossmico mediante detonaciones de cargas,
provocan pequeos sismos que originan ondas elsticas, longitudinales
y transversales que se registran con gefonos. Esto permite
determinar la velocidad de propagacin de onda. La magnitud de la
velocidad nos indica qu tipo de material se encuentra en el
subsuelo. En el mtodo elctrico se aplica corriente elctrica al
suelo por medio de electrodos; su principio se basa en que las
variaciones la conductividad del subsuelo alteran el flujo de
corriente en el interior de la tierra, lo que ocasiona una variacin
en el potencial elctrico que determina el tamao, la forma,
localizacin y resistividad elctrica de los cuerpos. Algunos mtodos
geofsicos de prospeccin resultan de gran utilidad para descifrar el
comportamiento del agua subterrnea. Entre estos, los de uso ms
generalizados son los elctricos o geoelctricos y en particular los
sondeos elctricos verticales (SEV) y las calicatas elctricas
(CE).