1. INTRODUCCIÓN. 1.1. INTRODUCCIÓN 1.2. INTRODUCCIÓN HISTÓRICA DE LA PROSPECCIÓN

1. Introducción
1. INTRODUCCIÓN.
1.1. INTRODUCCIÓN
1.2. INTRODUCCIÓN HISTÓRICA DE LA PROSPECCIÓN
GRAVIMÉTRICA
1.2.1. Evolución de la instrumentación.
1.2.2. Evolución de la interpretación gravimétrica.
1.2.3. Aparición y Evolución de las técnicas microgravímetricas
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1. Introducción
1.1. INTRODUCCIÓN
La medida y análisis de la variación de la gravedad sobre la superficie terrestre es
una reconocida técnica en la investigación de estructuras subsuperficiales a diferentes
profundidades. En estudios medioambientales y en ingeniería civil presentan un alto
interés las variaciones de gravedad, las cuales reflejan:
Contrastes laterales en densidad, pudiendo ser estas variaciones laterales en
densidad consecuencia de la existencia de estructuras enterradas a poca
profundidad.
O consecuencia de la detección de la frontera existente entre dos
formaciones geológicas de densidad diferenciada.
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1. Introducción
La Técnica gravimétrica presenta un gran paralelismo con la prospección magnética.
Ambos son campos potenciales del campo natural de la Tierra y ambos comparten
técnicas de interpretación. La diferencia estriba en la propiedad física medida.
La Técnica gravimétrica presenta una gran sensibilidad al cambio de densidades.
La Técnica magnética presenta una gran sensibilidad al cambio de las propiedades
magnéticas.
1.2. INTRODUCCIÓN HISTÓRICA DE LA PROSPECCIÓN
GRAVIMÉTRICA
El primer estudio realizado en el campo de la gravimetría del que se tiene
constancia fue realizado aparentemente por Fekette y Pekar mediante la balanza de
Eötvos en el campo petrolifero de Egbell en Checoslovaquia. El estudio constó de 100
estaciones y se realizó durante 1915 y 1916, siendo el resultado del mismo
satisfactorio, aunque no fue publicado hasta 1923, debido a que se hallaban inmersos
en plena I Guerra Mundial (Eckhardt 1940).
Sin embargo se considera que la primera prospección sobre un domo salino fue
realizada por W. Schweydar en 1918, en Alemania del Norte. Este estudio se observo
mediante una balanza Eötvos y desarrolló algoritmos para eliminar la influencia
generada por la topografía circundante. Schweydar a través de las anomalías de la
gravedad obtuvo ciertas características del domo, antes de la perforación del mismo,
las cuales fueron posteriormente confirmadas, mediante perforación.
En Estados Unidos la primera prospección con fines prospectivos data de 1924 y fue
resuelta en el Domo de Nash en el condado de County, Texas. Este fue realizado
mediante una balanza de torsión por la Compañía petrolera Rycade.
1.2.1. Evolución de la instrumentación
Sobre 1937 se estima (Mott-Smith 1937) que el noventa y ocho por ciento de los
levantamientos gravimétricos realizados hasta la fecha, se habían obtenido mediante
balanzas de torsión. Con estos levantamientos había quedado más que patente la
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1. Introducción
eficacia de las balanzas de torsión en el campo de la prospección. Sin embargo
también se había hecho patente la alta influencia que sufrían las variaciones de la
gravedad medidas por las balanzas ante una topografía abrupta. Otra de las
limitaciones importantes que presentaba la balanza de torsión era su velocidad en la
toma de datos, la cual podía llegar a tomar seis puntos por día. Sin embargo, -ésta era
claramente superior a la de cualquier otro instrumento de medición de gravedad de la
época. No obstante la exploración gravimétrica mediante esta técnica presentaba unos
coeficientes de explotación (puntos de medición/tiempo empleado) bajos. Uno de los
mayores esfuerzos de la época recayó en la
investigación instrumental, esta fue
focalizada en la búsqueda de una mayor portabilidad y una mejora en los tiempos de
ejecución de lecturas de estos aparatos.
Por otra parte los péndulos eran usados casi exclusivamente en Geodesia, aunque
se intentaron desarrollos orientados a la prospección sin mucho éxito, debido a la poca
sensibilidad de éstos y su baja manejabilidad. En 1930 se realizó un levantamiento en
Michigan, USA, compuesto de 63 estaciones con un tiempo de duración de 5 meses.
Como puede observarse, presentaba un coeficiente de explotación diez veces inferior a
la balanza de torsión. El péndulo tan solo alcanzaba precisiones parecidas a las de la
balanza de torsión en levantamientos regionales donde las altas perturbaciones que
sufría la balanza fruto de la distancia entre los puntos del levantamiento, hacían que
las precisiones de ambos instrumentos fuese pareja. Por establecer alguna cifra
comparativa el péndulo tenía una sensibilidad para resolver 10 partes por millón (ppm)
del valor de la gravedad mientras que la balanza de torsión era capaz de resolver el
incremento de la gravedad con una precisión de 1 ppm entre dos puntos distantes un
kilómetro (en un terreno con poca orografía).
Estos instrumentos no se presentaban como instrumentos muy propios para la
explotación debido a su baja portabilidad y operatividad. Es en 1937 cuando empiezan
a aparecer gravímetros de una gran portabilidad que empiezan a desplazar
paulatinamente a las balanzas de torsión. Estos instrumentos ofrecían una precisión
entorno a 10 ppm que los habilitaba como instrumentos altamente recomendados en
levantamientos regionales, debido a su gran portabilidad, a la rapidez con que ofrecían
las lecturas y por la poca influencia que este método sufría ante terrenos irregulares.
Además, los gravímetros presentaban una mayor sensibilidad para la detección de
masas poco profundas que las balanzas de torsión.
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1. Introducción
Finalmente, es en la década de los 50 cuando los gravímetros desplazan
definitivamente a los péndulos y a las balanzas de torsión. El motivo es
definitivamente su portabilidad y su fácil manejo, aunque LaFher (1980) esgrime que el
cambio de balanza de torsión por gravímetros no fue realizado bajo criterios científicos
si no más bien por una visión poco productiva o poco económica de la técnica
gravimétrica en la década de 1940, propiciada por el rápido avance de la sísmica.
Balanza de Torsión
Circa 1923
Gravímetro
Circa 1936
Gravímetro
Circa 1950
Peso
130
200
8
Precisión
2E
0.1 mgal
0.03 mgal
2
20
60
Estaciones/día
Dos son los gravímetros tipo que aparecen en los años 40. El primero está basado
en el principio de que el cambio de posición de una masa suspendida de un muelle es
proporcional al cambio de la gravedad experimentado por la masa. Estos gravímetros
reciben el nombre de ESTÁTICOS, y presentan la dificultad de medir pequeños
desplazamientos. Un segundo tipo de gravímetros emplean como elemento sensible el
denominado muelle de longitud cero. El principio para medir la gravedad consiste en
medir la fuerza empleada por un dispositivo mecánico para restaurar la masa a su
posición de equilibrio, siendo el incremento de gravedad equivalente a esta fuerza.
Estos últimos reciben el nombre de ASTÁTICOS.
El precursor del gravímetro de muelle de longitud cero fue Romberg, que en sus
principios desarrollo la teoría del equilibrio neutral (LaFher, 1980). Desde entonces
hasta la fecha la mayor parte de los gravímetros manufacturados están basados en
este principio. Los más renombrados por meritos propios y trayectoria a lo largo del
siglo son los gravímetros Worden y Lacoste&Romberg (L&R). El gravímetro Worden
tiene la peculiaridad de poseer un sistema de compensación de temperatura realizado
en cuarzo fundido y unas dimensiones muy reducidas. Por otra parte el gravimetro L&R
presenta una alta estabilidad y precisión.
Conforme aparecían nuevas necesidades en el campo de la prospección, las
compañías petroleras, mediante inversiones económicas, ampliaban las posibilidades
de desarrollo de las diferentes técnicas gravimétricas que les eran de interés.
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1. Introducción
Fig.1.1
x
kx
Δx
m
g
Fig.1.3
Fig.1.2
Fig.1.4
De hecho conforme se acrecentó el interés de prospección sobre el golfo de Méjico
se desarrollaron los trabajos de gravimetría sobre áreas inundadas. Estos datos
se utilizaban para la búsqueda de petróleo. Posteriormente estos dieron paso a las
campañas de inmersión donde operador y gravímetro eran sumergidos y finalmente a
gravímetros accionados mediante control remoto. Aunque la primera compañía en
modificar sus gravímetros fue la Gulf Oil Corp, los verdaderos protagonistas fueron los
gravímetros submarinos L&R que prácticamente han llegado hasta nuestros días,
teniendo actualmente un uso muy limitado. Este tipo de gravímetro fue desplazado
completamente por los gravímetros de intraborda en los años 60. El primer
gravímetro satisfactorio en la toma de observables intraborda fue el L&R en 1965. Bell
y Askania posteriormente manufacturaron este tipo de gravímetros aunque con menor
éxito. Las observaciones realizadas con este tipo de gravímetro son muchas, millones,
arrojando importantes datos sobre la estructura y composición de la corteza oceánica.
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1. Introducción
En el caso de los observables intraborda nos encontramos con precisiones bajas,
alrededor de 2 mgal, debido a errores en posicionamiento, siendo imprescindible la
aplicación de filtros para eliminar los efectos del movimiento del barco.
Dentro de esa misma filosofía de desarrollo de instrumentos en el campo petrolífero
aparecen los gravímetros para la observación de la gravedad en perforaciones
verticales en los años 40. Fue Smith (1950) quien anticipó la utilidad de este tipo de
prospecciones, que aunque los primeros en utilizarlos fueron los expertos en el campo
de la gravimetría posteriormente se constituyo como una técnica complementaría en el
estudio sismológico de las explotaciones petrolíferas. A través de los datos de
gravedad en perforación se pueden inferir parámetros tales como densidad, porosidad
y en última instancia proporcionar una mayor plausibilidad a las hipótesis establecidas
mediante cualquier método prospectivo.
En los años 70 la compañía L&R rediseña sus gravímetros y éstos pasan a medir 2/3
de su volumen anterior. Con esto y otros adelantos se comercializa un gravímetro más
esbelto y de menor peso muy adecuado para este tipo de prospecciones, el gravímetro
“slimhole”, pudiendo este alcanzar precisiones de 5 μgal. Éste comienza su
comercialización en 1978.
Los adelantos electrónicos en sistemas de posicionamiento desarrollados
durante la II Guerra Mundial, fueron utilizados para los trabajos gravimétricos marinos
y aéreos, siendo de especial interés su aplicación en el campo de la observación de
gravedad mediante medios aéreos. Las primeras experimentaciones en este campo se
realizaron tanto en helicóptero como en avión; sin embargo no se pueden considerar
como aplicables o satisfactorias estas experimentaciones hasta épocas recientes, en los
años 80. Los principales problemas que se encontraron fue eliminar la influencia
provocada por el movimiento de la aeronave (obtención de la aceleración provocada
por el movimiento de la nave) y el establecimiento de una superficie de referencia en
aras de obtener un observable dentro de la precisión que se le puede exigir a un
observable de prospección. Actualmente los sistemas de posicionamiento global (GPS)
junto a los sistemas inerciales y el desarrollo de técnicas espectrales en este
campo han posibilitado una mejora sustancial de la precisión del observable
gravímetrico en este campo.
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1. Introducción
1.2.2. Evolución de la interpretación gravimétrica.
A través de la historia del desarrollo instrumental y de la expansión a la que ha
llegado la gravimetría sobre los diferentes medios y campos, uno puede concluir el
gran desarrollo y esfuerzo que se le ha dedicado a esta técnica. Sin embargo el
tratamiento sería incompleto si no hablásemos de los avances en el tratamiento de
estos datos.
Hay que decir, hablando en términos generales, que la limitación principal en
gravimetría no ha sido ni la instrumentación ni la falta de datos, si no su
interpretación, entendiéndose como interpretación la capacidad de trasladar los
datos gravimétricos a términos geológicos. Sin embargo, el desarrollo de ésta ha
estado inexplicablemente asociado al desarrollo de la instrumentación, aun cuando sus
fundamentos matemáticos habían sido sentados hacía dos siglos.
Los principios de la prospección gravimétrica fueron relativamente fáciles, ya que las
demandas requeridas a esta técnica eran escasas. De hecho un equipo de gravimetría
era capaz de resolver la existencia de 20 domos de sal por el mismo precio con que se
podría haber obtenido la resolución de uno de ellos mediante métodos sísmicos
(Eckhardt, 1940). Estos resultados positivos fueron los que definitivamente empujaron
a la gravimetría en el campo de las prospecciones. Sin embargo, lo que en un principio
eran
facilidades,
posteriormente
se
volvieron
complicaciones
conforme
los
requerimientos eran mayores, sobre todo en el ámbito de la geología. Los geofísicos
acudieron a un reconocimiento simplista de las anomalías. Ésto desembocó
finalmente en una sobresimplificación en la interpretación de las anomalías
gravimétricas.
Esto llevó a que DeGolyer (1937) escribiese que los estudios gravimétricos
proporcionaban conclusiones “vagas e imprecisas”. Es a partir de este momento
cuando se inicia un periodo de desprestigio de la gravimetría, en el cual se
involucraron los geofísicos más acordes con la vertiente de prospección sísmica. En
este momento la sísmica disponía de un herramienta de análisis altamente
satisfactoria, los sismogramas. Éstos presentaban una alta correlación con las
secciones geológicas del terreno y de alguna forma esto implicaba un
modelo geológico más plausible.
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1. Introducción
Para recuperar este prestigio perdido en parte, se retomó la teoría del potencial
que ya en el s. XVIII los matemáticos franceses dejaron completamente
desarrollada, se hizo patente que se había llegado a un nivel instrumental alto pero
se habían dejado por el camino elementos importantes y fundamentales para la
interpretación. Es en este punto de inflexión cuando se sufre la agonía de la falta de
herramientas de interpretación. Este motivo propició la vuelta de muchos geólogos al
análisis de secciones sísmicas en sus prospecciones, no porque se produjeran erróneas
interpretaciones, si no porque el acudir a una sección geológica constituía un método
más racional que una interpretación basada en criterios cercanos a la intuición, en
muchos casos.
Por tanto la gravimetría requería científicos capaces de trasladar las
anomalías gravimétricas a términos geológicos, pero ésto se debía producir con
cierto poder de afirmación. Los primeros en introducirse en este campo fueron
Nettleton, Hammer, Skeeels, entre otros. Su conocimiento científico, honestidad y
lucidez en el tratamiento del complejo problema inverso de la gravedad fue
determinante.
La mayor parte de la bibliografía escrita relativa a la interpretación de anomalías en
los primeros estadios era una bibliografía asidua a la descripción de las anomalías
asociadas a las diferentes estructuras geológicas.
A Skeels le corresponde un papel muy importante, ya que fue uno de los
primeros en poner en evidencia la imposibilidad de obtener técnicas de
interpretación que proporcionasen una solución única (Skeels, 1947). En Skeels
(1947) se plantea y se aborda el problema de la ambigüedad de la gravedad de un
forma clara. Desarrolló el concepto de capas equivalentes para lo cual rescató los
trabajos de Green. A él se le deben importantes cálculos, que vistos desde la
actualidad no dejan de ser impresionantes considerando los medios de cálculo de la
época.
La contribución de Netlleton al problema de la ambigüedad es menor en
contenidos pero no menos persuasiva (LaFher, 1980)”. Al igual que Skeels promovió y
justifico la imposibilidad de la solución única en gravimetría y realizó
importantes aportaciones en este terreno, desde simples recopilaciones de
fórmulas, hasta sentar el primer algoritmo para la inversión mediante
ordenador.
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1. Introducción
Este especial énfasis en el problema de la ambigüedad y la posible distribución de
las masas, supuso un duro golpe y un punto de discordia para muchos geofísicos, ya
que estos sentían que estaban perdiendo terreno en el campo de la exploración.
Además esgrimían la existencia de otros métodos (el magnético) que no hacían
referencia a soluciones alternativas, lo cual demostraron con casos prácticos realizados
con éxito. De hecho los estudios erróneos fueron poco discutidos en público.
Netlleton fue de los primeros científicos en teorizar sobre la ambigüedad
existente en la separación de la anomalía en diferentes fuentes o masas; en
concreto la diferenciación entre anomalía regional y residual (Netlleton, 1954). Analizó
los diferentes métodos establecidos para eliminar la componente regional de los
levantamientos y los catalogó en dos escuelas: por un lado los “smoothers”,
corriente que mediante una técnica de suavizado sobre la señal gravimétrica lograban
obtener la señal de fondo, que posteriormente eliminada de la señal gravimétrica daba
paso a la anomalía residual, todo ello realizado casi de una forma gráfica; y por otro, la
corriente “gridders”, los cuales utilizaban las propiedades de cálculo de las funciones
para resolver una superficie suave correspondiente a una influencia regional.
Posteriormente Netlleton estableció las bases para una tercera escuela, “los filtros”.
Esta técnica es la que ha llegado hasta nuestros días y una de las más vigentes.
Un científico destacado por la intensidad de su trabajo dentro del campo de la
gravimetría es Hammer, del cual ha llegado hasta nuestros días la corrección de
terreno mediante una serie de tablas que llevan su nombre. Hammer supo enfocar el
problema inverso con una practicidad elevada y sin pérdida de rigor científico.
Mediante la aplicación práctica del teorema de Gauss, estableció algoritmos
para la estimación de masas enterradas (Hammer, 1945) y prácticos
constreñimientos para el cálculo del problema inverso (Hammer, 1963).
También realizó importantes contribuciones en el problema directo.
Durante las décadas de los cuarenta y de los cincuenta la mayor parte de la atención
se focalizó en el problema de la resolución de las anomalías. Cabe reseñar los artículos
escritos por Peters (1949), Henderson y Zeitz (1949) y Elkins (1951). Dichos
autores
abordaron
y
aplicaron
operadores
matemáticos
en
los
levantamientos gravímetricos con el fin de obtener un realce de ciertos
valores del observable gravimétrico en detrimento de otros. Le corresponde a
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1. Introducción
Fuller (1967) la síntesis y justificación de estos operadores dentro del campo del
análisis de frecuencias.Talwani y Swing en los años 60 iniciaron la era del
cálculo directo de la influencia generada por cuerpos 3D (Talwani y Swing,
1960), importante ya que a través de este algoritmo se podía resolver el
problema directo por una parte y por otra se podía calcular la influencia
gravitacional generada por diferentes figuras.
En los años 70 nos encontramos con las contribuciones de Bhattacharyya. A él se
le debe la realización de numerosas publicaciones tanto en el ámbito de las
prospecciones magnéticas como gravimétricas. En ellas trató temas muy diversos;
desde apreciaciones en la metodología de operación en campo, hasta el desarrollo y
aplicación de diversos algoritmos dentro de los campos potenciales. De especial
importancia se considera su artículo en el que trata las anomalías gravimétricas a
través
de
un
análisis
mediante
armónicos
de
dos
dimensiones
(Bhattacharya, 1965). De hecho este autor es uno de los perfiles más
comprometido con el desarrollo de la gravimetría en el campo del análisis
espectral (tratamiento en el dominio de la frecuencia).
Desde 1965 hasta la fecha se han desarrollado y probado innumerables modelos y
algoritmos en el campo de la inversión y en la obtención de anomalías residuales.
Existiendo equipos de investigación y congresos específicos dentro de este campo.
Siendo actualmente una de las líneas de investigación más importantes dentro de la
gravimetría y más complejas dentro del área de la geofísica.
1.2.3. Aparición y Evolución de las técnicas microgravímetricas.
Las técnicas microgravimétricas constituyen una particularización de las técnicas de
prospección gravimétricas. La irrupción de estas en el campo de las prospecciones
viene definitivamente propiciado por la aparición de instrumentos de medida
de la gravedad capaces de medir dentro del rango de los μgal. Aunque al
hablar de microgravimetría no nos estamos refiriendo únicamente a un observable
preciso, si no que también hay que hablar de unas correcciones coherentes con la
precisión del observable. Quiere decir esto que tendremos que establecer los medios
de cálculo conducentes a correcciones de la gravedad observada dentro del μgal. De
otra forma, las anomalías de la gravedad que se calculen no se podrán considerar
como microgravimétricas. Esta es la principal diferencia respecto a la gravimetría
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1. Introducción
clásica, las correcciones. Éstas considerarán la eliminación de los mismos
efectos pero difieren en la precisión con que los eliminan.
La primera referencia bibliográfica en la que se hace referencia al término
microgravimetría es en el año 1963 (Fajklewicz, 1963). En este artículo se
presenta el estudio para la detección de zonas de baja densidad en una mina de
carbón mediante técnicas microgravimétricas. Posteriormente, en 1963, utilizando
técnicas de Gradiente Vertical (VG) dentro de las técnicas microgravimétricas, realiza
un estudio para la detección de pequeñas formas antropogénicas enterradas
(Fajklewicz, 1976). Este es la primera pm de la que se tiene constancia. Este punto se
considera el punto de partida de las técnicas microgravimétricas y se establecen
como técnicas a tener en cuenta para la realización de prospecciones en
búsqueda de formas arqueológicas de pequeño volumen y en el campo de la
ingeniería geofísica, aunque éste no constituye en ese momento su campo de
aplicación más extendido. Le corresponde a Fajklewicz un papel importante en el
desarrollo de las técnicas microgravimétricas, no sólo en el campo de las
prospecciones, ya que también se le atribuyen diferentes algoritmos para la
predicción del colapso de galerías en minas de carbón mediante medidas de
microgravedad (Fajklewicz, 1983).
Ya en la década de los ochenta, la microgravimetría empieza a tener cierta
relevancia y existen diferentes científicos que empiezan a mostrar cierto interés en la
aplicación de dicha técnica. Burger perfila la prospección gravimétríca como una
técnica capaz de resolver la existencia de cuerpos anómalos enterrados a baja
profundidad (Burger, 1992).
Dwain K. Butler, un ingeniero perteneciente al cuerpo de ingenieros del ejercito
de Estados Unidos, constituye uno de los importantes investigadores en el campo de la
microgravimetría; de hecho es uno de los científicos que más artículos ha escrito al
respecto. Una gran parte de ellos corresponden a importantes aplicaciones prácticas.
Los primeros artículos tratan de investigaciones realizadas en ámbitos locales, como es
el caso de las prospecciones realizadas en Medford Cave (Butler, 1984), Manatee
Springs (Butler, 1984) y la Presa de Wilson (Butler,1998), estudios en los que las
áreas no sobrepasan una hectárea. Recientemente Butler ha establecido un
programa para la detección y discriminación de mísiles enterrados mediante
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pm, el programa UXO (Butler, 2000), este tipo de prospección no sobrepasa
un área de 25 m2, constituyendo estudios muy focalizados.
Finalmente hay que destacar la figura de Wang Quiansen. Este científico ha
continuado y recopilado los estudios de Fajklewicz y Butler, constituyedo su trabajo
una importante aportación en la pm. Quiansen se ha encargado de justificar y
formalizar las pautas en una pm, desde la planificación en campo hasta la justificación
y formalización de las correcciones a aplicar (Quianshen, Chijun et al, 1996).
Actualmente el número de científicos que acuden a técnicas de pm es cada vez
mayor, debido a que han aumentado el número de microgravímetros existentes en el
mercado y la aparición de Feed Backs cada vez más precisos y con un periodo de
lectura más corto. Estos factores hacen posible que ciertos estudios que antes
hubieran sido inimaginables hoy en día se planteen a partir de la aplicación de técnicas
de pm.
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