Recursos Naturales - Instituto de Geofísica

Plan de Desarrollo Recursos Naturales
2013-2017
Diagnóstico
En el Departamento de Recursos Naturales (DRN) se desarrollan líneas de
investigación relacionadas con la exploración, evaluación y gestión integrada de
los recursos naturales, la calidad del agua, la geofísica computacional y el análisis
de imágenes digitales multiespectrales con fines de prospección del medio
ambiente.
Los proyectos que se desarrollan incluyen: (a) exploración y evaluación de agua
subterránea y superficial, y de recursos minerales y energéticos, (b) diseño óptimo
de redes de monitoreo de aguas subterráneas, (c) caracterización química e
isotópica de aguas subterráneas y superficiales, (d) evaluación del
comportamiento de los contaminantes en acuíferos, (e) modelación numérica de
sistemas geofísicos en general y en particular de acuíferos y de yacimientos
petrolíferos, (f) modelación estocástica de flujo en medios porosos, (g) desarrollo
de métodos, modelos y técnicas para analizar imágenes digitales multiespectrales
y aplicaciones diversas de la percepción remota, (h) caracterización geofísica,
mineralógica, geoquímica y microtermométrica de yacimientos minerales y de
sistemas hidrotermales actuales y fósiles, i) evaluación del comportamiento de
contaminantes en zonas mineras.
La planta académica del DRN cuenta actualmente con 12 investigadores y 6
técnicos académicos, de los cuales tres investigadores fueron contratados de
2008 a la fecha. En los últimos cuatro años los investigadores del DRN han
publicado: 100 artículos en revistas indizadas, lo que equivale a 2.1 artículos por
investigador por año; 9 libros y 23 capítulos en libros y han dirigido o colaborado
en 21 proyectos externos. Por otro lado, en ese mismo periodo, bajo la dirección
del personal académico del Departamento, se han titulado 26 estudiantes de
licenciatura, 28 de maestría y 12 de doctorado. El promedio de las citas reportadas
por Scopus por investigador del DRN es de 292 y el del factor H es de 6.5.
El DRN cuenta con infraestructura y laboratorios especializados:
 Laboratorio de Química Analítica. Se realizan, por medio de diversos
métodos, análisis de rocas, minerales, suelos y aguas.
 Laboratorio de Cromatografía de Líquidos y Gases y de Calidad de Agua
(temporalmente hospedado por el Instituto de Ingeniería por falta de
espacio en el Instituto de Geofísica). Cuenta con dos cromatógrafos, ambos
con detector de conductividad eléctrica y uno de ellos tiene adicionalmente
un detector de UV-VIS, un cromatógrafo de gases con detector de
ionización de flama y conductividad eléctrica, espectrofotometro de UV-VIS
de campo y laboratorio, así como multiparámetros de pH, conductividad
eléctrica, potencial eléctrico.
 Laboratorio de Petrografía y Microtermometría. El cual permite la
realización
de
los
siguientes
estudios
y
análisis:
Petrografía de minerales transparentes y opacos, microtermometría de
inclusiones fluidas, microscopía electrónica de barrido con microanálisis
por espectroscopía de energía dispersiva de rayos X, y análisis
mineralógico
de
materiales
por
espectroscopía
de
infrarrojo
cercano–visible para determinación de firmas espectrales. También incluye
un difractómetro de rayos X (temporalmente en el Instituto de Geología)
para identificación de minerales.
 Clúster Olintlali (servidor de procesamiento en paralelo). Cuenta con un
nodo maestro y ocho nodos de cálculo; cada nodo, incluyendo al maestro,
tiene 2 CPUs X5650 Intel (R) Xeon (R) con 6 cores cada uno. En uno de los
nodos se cuenta con 2 GPUs Tesla (R) C1060 para cómputo paralelo
masivo. En este clúster se prueban y aplican métodos para el cómputo de
alto rendimiento y modelos computacionales de fenómenos geofísicos.
 Laboratorio de Percepción Remota: Se desarrollan métodos, modelos y
técnicas para analizar imágenes digitales multiespectrales y se llevan a
cabo proyectos empleando imágenes de satélite ópticas y de radar. Cuenta
con cinco computadoras personales de alto rendimiento, una estación de
trabajo, un escáner y cuatro impresoras de calidad fotográfica.
Las investigaciones sobre la exploración, evaluación y gestión integrada de los
recursos naturales se han visto fortalecidas en los últimos años, ya que se han
diversificado los temas de estudio gracias a la contratación de investigadores que
contribuyen en estos temas. En particular debe mencionarse el desarrollo de
proyectos en fuentes alternas de energía (geotermia y biogás) que han contado
con el apoyo de la Unión Europea, SENER, UNAM y CONACyT. Esos proyectos
han generado numerosas publicaciones en revistas de muy alto impacto. Por otro
lado, es importante resaltar que desde 2007 se ha contado con el apoyo de la
ONU, a través de un proyecto de colaboración técnica (PCT) sobre evaluación y
caracterización isotópica del agua subterránea con financiamiento del Organismo
Internacional de Energía Atómica (OIEA). Éste ha permitido fortalecer la
infraestructura del Laboratorio de Química Analítica del Departamento y del
Laboratorio Universitario de Geoquímica Isotópica (hospedado en el Instituto de
Geofísica y en el de Geología), lo que a su vez contribuyó a que este último fuera
designado por el OIEA como el laboratorio en el que se apoyan los PCT de este
organismo con América Latina.
Los miembros del DRN han realizado investigaciones en la temática de calidad del
agua en diversos lugares del país y han propuesto alternativas de solución. Estos
estudios se han enfocado principalmente a especies inorgánicas (metales y
metaloides tóxicos, fluoruro, nitratos) y se han desarrollado de manera individual y
colectiva. Las investigaciones han contado con el apoyo de instituciones
gubernamentales y privadas, y han resultado en informes técnicos arbitrados,
presentaciones en congresos, resúmenes extensos en memorias y artículos en
revistas internacionales.
Las aplicaciones de la geofísica computacional, específicamente de la modelación
matemática y computacional, se iniciaron en el Instituto de Geofísica en los años
sesentas con la modelación de la respuesta sísmica del Valle de México y
propagación de ondas elásticas en la corteza y manto superior. La modelación de
recursos naturales inició con problemas de aguas subterráneas a finales de los
sesentas y se continuaron en los años ochentas; a finales de los setentas se
realizaron aplicaciones de la modelación a yacimientos geotérmicos y por último
en los ochentas a yacimientos petroleros. En los últimos años se retomaron las
aplicaciones a los yacimientos petroleros, con el desarrollo de proyectos
financiados por SENER-CONACYT y PEMEX en los que se desarrollaron
simuladores para problemas de recuperación mejorada del petróleo. Para esto fue
muy importante la contribución de investigadores contratados en los últimos años.
Esta línea de investigación actualmente está asociada al DRN, sin embargo, su
naturaleza es general y tiene aplicaciones en los diversos temas de investigación
del Instituto. Las necesidades de modelación matemática y computacional en el
Instituto de Geofísica son muy variadas y además de lo realizado en este
Departamento, existen esfuerzos aislados en el mismo tema en otros
Departamentos. Para que el Instituto de Geofísica mantenga su destacada
posición internacional en la investigación de las disciplinas científicas que cultiva,
los participantes en esta línea de investigación proponemos crear en su seno un
Departamento o Unidad dedicado a la Geofísica Computacional.
Existen temas de frontera en hidrogeología e hidrología como zona vadosa,
evapotranspiración, interacción agua superficial agua subterráneas, hidrología
urbana, que no se han podido abordar en forma satisfactoria debido a que el DRN
no cuenta con hidrogeólogos e hidrólogos formados en éstos temas.
Investigaciones en geología médica, geología ambiental, evaluaciones de impacto
ambiental, entre otras, no se han podido llevar a cabo con la profundidad
requerida debido a la falta de un geólogo ambiental en el DRN.
Diferentes actividades de trabajo de campo como monitoreos específicos,
identificación de afloramientos representativos, manejo de estaciones totales (gps)
y manejo de muestras requieren de un técnico con formación en petrografía y
análisis químicos especializados. También se requiere de un técnico especializado
en manejo de sistemas de información geográfica y modelación hidrogeoquímica
para una mejor integración e interpretación de la información generada en los
proyectos.
Objetivos
1.2.-
Integrar las diferentes capacidades con las que cuenta el DRN para abordar
proyectos de mayor envergadura
Fortalecer las diferentes líneas de investigación que se desarrollan en el
DRN.
3.-
4.-
5.6.7.8.9.10.11.-
Continuar con la línea de investigación de exploración, evaluación y gestión
integrada de los recursos naturales, y de la calidad del agua en lugares del
país no estudiados aún por los miembros del DRN.
En el tema de calidad del agua ampliar las especies químicas hacia
compuestos orgánicos y contaminantes emergentes. Considerar la zona
vadosa y los procesos de los contaminantes desde el agua superficial hacia
el agua subterránea.
Analizar la posibilidad de crear un Departamento o Unidad dedicado a la
Geofísica Computacional.
Fortalecer la plantilla técnico-académica.
Hacer un uso más eficiente de los equipos y laboratorios del DRN.
Promover el uso compartido de software útil para varios investigadores del
DRN.
Reforzar la infraestructura de los laboratorios y del DRN.
Hacer un uso más eficiente de los espacios con los que cuenta de DRN.
Fomentar la cooperación con otras entidades académicas nacionales e
internacionales.
Estrategias
1.2.3.-
4.-
5.-
6.8.9.10.11.-
12.13.-
Fomentar la comunicación entre investigadores y técnicos del DRN.
Promover la participación en proyectos multidisciplinarios entre los
miembros del DRN.
Considerar la contratación de un hidrogeólogo, un hidrólogo y un geólogo
ambiental, todos con doctorado, así como al menos un técnico
especializado en el manejo de SIG´s y programas de modelación
hidrogeoquímica.
Proponer proyectos PAPIIT; CONACYT, fondos similares y entidades
específicas interesadas en las líneas de investigación que se desarrollan en
el Departamento.
Proponer al Director la creación de un Departamento o Unidad dedicado a
la Geofísica Computacional para que él determine en qué espacios se debe
de discutir el asunto.
Informar sobre los equipos y software con que cuenta el DRN y sus
capacidades.
Facilitar el acceso al equipo y laboratorios del DRN.
Proponer la compra compartida de software con licencias para usuarios
múltiples a través de reuniones departamentales.
Adquirir imágenes ópticas y de radar para la continuidad de los proyectos.
Analizar las necesidades técnicas de las líneas de investigación que se
desarrollan en el DRN y diseñar estrategias para la compra y ubicación de
equipo para los laboratorios y en general para el DRN.
Hacer un inventario de los espacios con los que cuenta el DRN y diseñar
estrategias para hacer un uso más eficiente de los mismos.
Promover la ejecución de proyectos de frontera con otras entidades
académicas nacionales e internacionales.
Metas e Indicadores
1.-
2.-
Meta: Obtener apoyo de PAPIIT; CONACYT y otros fondos similares para la
realización de proyectos.
Indicador: Número de proyectos aprobados.
Meta: Establecer proyectos de vinculación con los sectores privado y
gubernamental para incidir con mayor eficacia en la solución de problemas
nacionales.
Indicador: Número de proyectos aprobados y terminados exitosamente.
Estrategias de Seguimiento
1.-
Al inicio de cada año el Jefe de Departamento contará los productos
obtenidos en el año anterior por los miembros del Departamento para
determinar la tendencia histórica de la productividad del mismo.
Estrategias de Evaluación
1.-
Análisis de la tendencia histórica de los proyectos y productos del DRN.
LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN DEL
DEPARTAMENTO DE RECURSOS NATURALES
Líneas de Investigación
Exploración, Evaluación y Gestión Integrada de los Recursos Naturales
Caracterización mineralógica, geoquímica y microtermométrica de yacimientos
minerales y de sistemas hidrotermales actuales y fósiles.
Justificación
El territorio nacional cuenta con recursos naturales que además de su importancia
económica forman parte del patrimonio nacional. Es por ello que el estudio,
evaluación y propuestas de manejo de los mismos es de vital importancia. En el
DRN del IGF el agua, los yacimientos petroleros, minerales y geotérmicos forman
parte de los entes de estudio. El personal del Departamento cuenta con una vasta
experiencia en proyectos relacionados con la exploración, fenomenología,
caracterización, evaluación y propuestas de manejo sustentable de los recursos
naturales.
La disponibilidad media anual de agua por habitante ha disminuido más del 75%
de 1950 a la fecha. A la par, la población se ha ido incrementando. Actualmente,
hay más de diez millones de mexicanos que no tienen acceso a agua potable.
Esto está generando una serie de conflictos sociales por el agua. Las Naciones
Unidas han propuesto que la manera de evitar los conflictos por el agua, sea a
través de la Gestión Integrada de los Recursos Hídricos. Esto implica tener un
conocimiento del ciclo del agua en las diferentes regiones del país, así como la
integración de la hidrología con la hidrogeología. Adicionalmente, la disponibilidad
del agua en México es determinada a través de la NOM-011-CNA-2000, la cual
presenta enormes deficiencias.
El recurso geotérmico en México es vasto por su naturaleza volcánica y por las
características geomorfológicas, tales como zonas de tectónica extensional y
subducción. Sin embargo, el desarrollo geotérmico en el país ha sufrido una
marcada desaceleración en los últimos años. En la actualidad, la Geotermia está
llamada a jugar un papel muy importante en la canasta de fuentes de energía
primaria en nuestro país. Tal vez su principal fortaleza, además de su carácter de
renovable, sea el hecho de que es una fuente capaz de proveer un suministro de
energía continuo y confiable. Es por ello indispensable contar con proyectos
relacionados con recursos geotérmicos cuyos resultados puedan estar disponibles
al grupo científico, a los tomadores de decisiones y hacer trabajo de divulgación
para el público en general. Actualmente, en el Instituto de Geofísica se encuentra
un grupo consolidado en estudios referentes a la geotermia, cuyos investigadores
usan las tres disciplinas, geofísica, geoquímica y geología, para evaluar recursos
energéticos del país de alta, mediana y baja entalpía, tanto en la parte continental
como en la submarina.
México es un país con una larga y arraigada tradición minera. Desde tiempos
prehispánicos, los abundantes recursos minerales de México han tenido un papel
preeminente en la economía e industria del país. El estudio de los recursos
minerales, metálicos y no metálicos, basado en la integración del conocimiento
científico y soportado por la aplicación de técnicas geoquímicas avanzadas, aporta
las bases para una exploración y explotación eficientes, que se desarrollen bajo
criterios racionales y ajustados a los avances y necesidades de una sociedad
moderna. Para establecer estos criterios racionales y lograr una minería
sustentable, se requiere también del conocimiento de los procesos que determinan
las afectaciones ambientales debidas a los residuos mineros y así proponer
alternativas a esta problemática.
La modelación matemática y computacional tiene un papel muy importante en la
gestión integrada de los recursos naturales, ya que es una herramienta que
permite evaluar, a través de sus predicciones, diferentes alternativas de gestión y
sus efectos sobre los recursos naturales.
La investigación de los recursos naturales, bajo el método científico y de acuerdo
con los últimos avances técnicos y del conocimiento, es una competencia propia
del Departamento de Recursos Naturales. Cuya responsabilidad no solo reside en
el desarrollo de dicha disciplina científica, sino que además pasa por una
transferencia de conocimiento hacia los sectores, del ámbito privado y
gubernamental, que se encargan del aprovechamiento de los recursos naturales.
Objetivos
 Generar metodologías que permitan evaluar los recursos naturales
disponibles.
 Lograr una gestión equitativa y sustentable de los recursos naturales.
 Impulsar trabajos científicos de alta calidad sobre la evaluación y
aprovechamiento de recursos geotérmicos del país.
 Formar personal humano experto en el área de la geotermia en cualquiera
de las tres disciplinas: geoquímica, geología y geofísica.
Línea de Investigación
Contaminación del Agua
Justificación
Los problemas de contaminación del agua subterránea por causas geogénicas o
antropogénicas inciden en el abastecimiento de agua para consumo humano. Se
requieren metodologías de evaluación de la contaminación que incluyan
caracterización de la fuente, mecanismos de migración, fenómenos de interacción
agua-roca así como las posibles afectaciones a la salud de la población
abastecida.
Objetivos
 Proponer metodologías de estudio, evaluación y tratamientos alternativos
del agua.
 Evaluar alternativas de solución a problemas de calidad del agua mediante
modelación matemática y computacional.
 Diseñar redes de monitoreo óptimas para acuíferos con problemas de
calidad del agua.
Línea de Investigación:
Geofísica Computacional
Justificación
En la actualidad, la Geofísica Computacional es indispensable para avanzar la
investigación Geofísica en muchas de sus ramas. Los avances que ha habido en
la computación han hecho posible desarrollar, capturar y analizar cantidades sin
precedente de datos observacionales y experimentales, e incorporarlos en
modelos matemáticos para atacar problemas que anteriormente se consideraban
intratables o inimaginables. Es por ello, que hoy en día la Geofísica Computacional
es una actividad central, de gran valor estratégico, en las instituciones líderes de la
investigación geofísica.
Los objetos o fenómenos de interés en la Geofísica tienen gran diversidad, ya que
pueden provenir de una o varias de las disciplinas que la integran. A su vez, en
cada una de estas disciplinas intervienen fenómenos físicos, químicos, biológicos
y frecuentemente otros, por lo que para poder realizar la predicción del
comportamiento es necesario integrar en los modelos conocimientos provenientes
de muy diversas ramas de la ciencia, la ingeniería y la tecnología. Por todo esto, la
Geofísica Computacional es sumamente multidisciplinaria, pero además
proporciona un marco teórico indispensable para incorporar a las diversas
disciplinas de manera ordenada y sistemática en los proyectos aplicados o de
investigación, facilitando su coordinación. En resumen, la Geofísica
Computacional es una herramienta muy efectiva para promover y administrar la
colaboración de las diversas disciplinas que existen en el Instituto.
Objetivos
 Modelar matemáticamente y computacionalmente problemas de la
Geofísica de importancia nacional e internacional.
 Desarrollo de métodos eficientes relacionados con los diferentes aspectos
de la modelación matemáticamente y computacional, incluyendo numéricos,
del cómputo de alto rendimiento, de modelación inversa y optimización.
 Incorporar la incertidumbre en la modelación matemáticos.
 Promover la colaboración de las diversas disciplinas que existen en el
Instituto para lograr su integración efectiva para el desarrollo de proyectos
aplicados que requieran la modelación matemática y computacional.
Línea de Investigación
Modelos, métodos y técnicas para analizar imágenes digitales multiespectrales
con fines de prospección del medio ambiente
Justificación
La finalidad en el análisis de imágenes es la cuantificación de las propiedades de
los objetos presentes en éstas, para lo cual es necesario entender los elementos
que las componen, su origen, y su naturaleza. Los métodos de análisis están
estrechamente relacionados con estos aspectos. La toma de decisiones en
muchas áreas del conocimiento se basa en el resultado de este análisis.
Así entonces, una imagen de alta resolución de una ciudad puede ser utilizada
como un plano de información en la distribución dinámica de contaminantes, cuyos
valores son obtenidos por sensores de medida directa. En estudios de
ordenamiento territorial, una imagen clasificada en usos del suelo, se emplea
como un elemento más en la determinación de las relaciones espaciales que
guardan los diferentes atributos del terreno, incluyendo aquellos de origen
antropogénico. Como un mapa base, la composición a color de bandas selectas
de una imagen multiespectral de alta resolución, se utiliza para establecer el
contexto espacial en el que se localizan elementos tales como carreteras,
represas, gasoductos, plataformas petroleras y líneas de conducción eléctrica. En
el inventario y administración de los recursos naturales es factible cuantificar la
interrelación de tales recursos, con el fin de establecer zonas de conservación,
explotación y recuperación.
En la prevención y evaluación de desastres, la Percepción Remota juega un papel
activo. Los reportes meteorológicos que se generan regularmente son una base
para la predicción del comportamiento de huracanes. Tal comportamiento, en
combinación con modelos digitales del terreno, permite predecir con precisión la
distribución del escurrimiento que pueda tener una zona invadida por un huracán.
De aquí entonces es factible determinar la posible destrucción ocasionada por el
meteoro y tomar en consecuencia las medidas preventivas necesarias. El grado y
extensión de posibles inundaciones puede ser determinado a partir de modelos del
terreno y mapas de uso del suelo, empleando escenarios de precipitaciones por
tormentas o huracanes. La combinación de mapas de: usos de suelo, tipos de
suelo, cobertura vegetal, climas y actividades antropogénicas, se utiliza como
insumo para modelar el deterioro del medio ambiente debido a sequías
prolongadas.
Las erupciones volcánicas no pueden ser predichas, sin embargo por medio de la
Percepción Remota es posible cuantificar indicios relacionados con actividad
volcánica, tales como volumen de emisiones gaseosas, distribución de
temperaturas superficiales, deslizamientos de tierra y modificación del relieve del
terreno. La técnica de interferometría con base en pares de imágenes de radar
permite calcular estos dos últimos indicios con gran precisión; en cuanto a los dos
primeros las imágenes ópticas de alta resolución constituyen una base real para
su estimación. Con un modelo apropiado y utilizando tales indicadores se puede
preparar un mapa de probabilidad de riesgo por actividad volcánica, determinando
con esto las acciones preventivas necesarias. Algo similar sucede con el riesgo
relacionado con actividad sísmica, no es posible su predicción precisa, pero sí es
factible establecer el valor de algunos indicadores (Lira, 1990) de destrucción de
este fenómeno. Los pares de imágenes de radar junto con la técnica de
interferometría pueden cuantificar con gran precisión los movimientos de masas de
tierra que constituyen el posible preludio de un sismo. Esto no es suficiente para
evaluar probabilidad de riesgo sísmico, sin embargo la combinación de esta
información con aquella medida directamente forma un elemento valioso en la
determinación de medidas de prevención.
La Percepción Remota se emplea también en la cuantificación y prevención de
daños causados por incendios forestales. A través del análisis de imágenes
multiespectrales se obtiene una medida de la distribución espacial de la masa
forestal y del contenido de humedad asociada a ésta. La combinación de esta
información con los patrones de viento y el impacto de las actividades
antropogénicas son suficientes para elaborar mapas de probabilidad de ocurrencia
de incendios.
Las imágenes de satélite de alta resolución, incluyendo las de radar, pueden
emplearse para evaluar cuantitativamente el grado y extensión de daños causados
por desastres naturales. Los deslizamientos de tierra y los derrames de
hidrocarburos son determinados a través del análisis de imágenes de radar. La
extensión de inundaciones se obtiene a partir de imágenes multiespectrales de
mediana resolución y de imágenes de radar. El tipo y grado de los daños
causados a ciudades por terremotos se modela con base en imágenes
multiespectrales de alta resolución.
La Percepción Remota no ofrece una solución a todos los aspectos del estudio del
medio ambiente, pero sí aporta elementos valiosos en la prospección del mismo.
En los últimos cinco años el avance en métodos y algoritmos para el análisis digital
de imágenes ha sido notable y la disponibilidad de imágenes de alta resolución es
creciente. La determinación de información más precisa en menor tiempo para
estudios relacionados con el medio ambiente es previsible en un futuro cercano.
Objetivos
 Diseñar e implantar una metodología de carácter general para caracterizar
los diferentes problemas relativos a la prospección del medio ambiente,
empleando, tratamiento digital de imágenes, reconocimiento de patrones y
técnicas de percepción remota.
 Identificar problemas relacionados con la prospección del medio ambiente,
en particular aquellos relacionados con el ordenamiento territorial, los
desastres naturales y la contaminación.
 Identificar patrones de comportamiento en estudios regionales del medio
ambiente.
 Cuantificar la evolución morfológica de clases espectrales y espaciales.