Dosier GPR UCAM - estudios geotecnicos, geofisica, geologia

MÉTODOS DE
INVESTIGACIÓN
GEOFÍSICA.
GEORADAR-GROUND
PENETRATING RADAR
(GPR)
GEORADAR –
GROUND PENETRATING RADAR (GPR)
1. INTRODUCCIÓN
Los
métodos
de
prospección
geofísica
permiten
evaluar las características del terreno basándose en la
medida de ciertas propiedades físicas de los materiales
que constituyen el subsuelo, tomadas generalmente en
superficie.
Gracias a su rapidez y economía, los métodos geofísicos
están
especialmente
indicados
para
investigar
áreas
extensas o como fases previas de la investigación, ya que
permiten obtener gran cantidad de información (ya que se
obtiene un registro continuo de datos del subsuelo a lo
largo de todo el perfil analizado y no sólo datos puntuales,
como
ocurre
con
los
ensayos
mecánicos
empleados
tradicionalmente), en un corto espacio de tiempo y con un
coste reducido, lo que, a su vez, facilita el poder reducir
en gran medida el número de ensayos mecánicos, con la
consiguiente
Además,
disminución
merece
la
del
pena
gasto
destacar
de
investigación.
que
los
métodos
geofísicos son técnicas poco o nada destructivas (al
contrario que calicatas o sondeos mecánicos), ya que
existen dispositivos que se desplazan por todo tipo de
1
superficies, sin necesidad de introducir ningún tipo de
elemento en el terreno.
Los métodos geofísicos son métodos de investigación
indirectos, por lo que deben ser considerados siempre
como
métodos
complementarios
de
reconocimiento,
debiendo estar acompañados por prospecciones directas
como sondeos mecánicos, y los datos obtenidos mediante
estos
sistemas
refrendados
y
contrastados
por
los
resultados de dichos sondeos.
Los trabajos de campo e interpretación de datos
registrados deben estar realizados por personal altamente
cualificado
y
con
experiencia
en
la
ejecución
y
procesamiento de resultados.
2.- GEORADAR. FUNDAMENTOS DEL MÉTODO.
Entre el amplio abanico de métodos de prospección
geofísica existentes, en esta ocasión nos vamos a centrar
en el GEORADAR o GROUND PENETRATING RADAR
(GPR).
El georadar o Ground Penetrating Radar (GPR) es
una técnica no destructiva empleada en investigaciones
poco profundas del subsuelo, obteniéndose resultados
2
muy buenos en la localización de objetos enterrados y
cartografía del subsuelo.
Es un método de prospección geofísica que se basa
en la emisión al terreno de pulsos electromagnéticos de
escasa duración (1-20 µs) mediante una antena emisora
apantallada de frecuencia variable (entre 25 Mhz y 2 Ghz)
en función de la profundidad de investigación. Existe una
relación inversa entre la profundidad de investigación y la
frecuencia
de
la
antena,
de
manera
que
a
mayor
frecuencia de la antena se alcanzará una profundidad de
investigación menor, aunque la resolución de la señal
registrada será mayor. Así, la selección de la frecuencia
de las antenas, para un estudio determinado, es función
del compromiso entre la resolución y la penetración.
El
hecho
de
que
las
antenas
de
los
equipos
empleados actualmente sean apantalladas permite un
mejor control del ruido y de las reflexiones desde el aire
dirigiendo las ondas emitidas hacia el interior del subsuelo
y evitando que éstas se disipen en todas las direcciones.
De igual forma, las antenas apantalladas permiten una alta
calidad de la imagen radar con un alcance en profundidad
variable entre 5 y 10 m.
En la siguiente tabla se muestra la profundidad de
investigación que se puede alcanzar con las diferentes
antenas, en función de las frecuencias de las mismas.
3
Antena
Profundidad
(m)
100 MHz
15-20
500 MHz
5-6
800 MHz
1-2
Tabla 1: Profundidad de investigación con georadar GPR.
En cualquier caso, la profundidad de penetración
depende
de
las
condiciones
del
suelo
y
la
antena
empleada. Mientras más conductivo sea el suelo más se
reduce la profundidad de penetración. En suelos arcillosos
saturados puede que la señal no penetre más de 2,0 m, en
cambio en suelos arenosos poco húmedos la señal puede
penetrar hasta los 5,0 m.
Cuando
la
onda
radiada
al
subsuelo
halla
heterogeneidades en las características electromagnéticas
del terreno, como contactos litológicos, fracturas, huecos,
elementos metálicos, estructuras enterradas, etc., parte de
la energía se refleja a la superficie y parte se refracta
hacia
profundidades
mayores.
La
señal
reflejada
es
recibida por una antena receptora, similar a la antena
emisora,
en
amplificada,
superficie.
La
transformada
audiofrecuencia y registrada.
4
señal
reflejada
debe
al
espectro
de
ser
la
Figura 1: Proceso de prospección geofísica mediante georadar.
La propagación de las ondas en el subsuelo está
determinada
características
por
las
de
propiedades
los
electromagnéticas
materiales:
conductividad,
permitividad dieléctrica y permeabilidad magnética; de
manera que las reflexiones de las ondas se producen
debido a los contrastes de dichas propiedades.
Como se ha dicho anteriormente, el georadar es un
método no invasivo que no requiere de la realización de
ningún tipo de excavación. No se necesita establecer
contacto físico entre los electrodos y el medio a auscultar,
5
por lo que se puede aplicar fácilmente a cualquier tipo de
ambiente.
3.- EQUIPO
El
equipo
de
georadar
está
formado,
fundamentalmente, por:
• Unidad Central. Controla los tiempos de envío de
señales
eléctricas
que
son
convertidas
en
electromagnéticas por la antena emisora y recibe
las señales reflejadas en forma de registros de
radargramas.
• Antena
Emisora.
Transforma
los
impulsos
eléctricos que recibe de la unidad central en ondas
electromagnéticas de corta duración que se emiten
hacia el medio que se quiere estudiar.
• Antena Receptora. Capta la energía reflejada y
transformada en pulsos eléctricos que envía a la
unidad central.
Ambas
antenas,
emisora
y
receptora,
están
integradas en un mismo elemento.
• Ordenador
registro
de
Portátil.
la
Incorpora
señal
6
un
software
electromagnética,
que
de
la
procesa
y
permite
una
representación
gráfica
pudiéndose visualizar el perfil de georadar en
tiempo real.
• Odómetro. Rueda conectada a la antena.
En la siguiente figura se muestra un equipo de
georadar en el que se pueden ver los distintos elementos
que lo constituyen.
Figura 2: Dispositivo de georadar de la empresa MALA GEOSCIENCE, con antena de 800 MHz.
3.- SISTEMAS GPR. TIPOS.
Existen
en
el
mercado
diferentes
sistemas
de
georadar. BASALTO INFORMES TÉCNICOS, S.L. dispone
de
los
dos
sistemas
comercializados
GEOSCIENCE:
* RAMA C X3M
7
por
MALA
* Ground Explorer (GX) HDR
RAMA C X3M
El sistema X3M es una unidad de control que se
adapta directamente sobre las diferentes antenas. Es
compatible con antenas apantalladas de 100, 250, 500 y
800 MHz. La unidad de control se conecta a un ordenador
o monitor XV mediante un cable Ethernet que permite el
registro de datos.
Figura 3: Unidad de control X3M de MALA.
8
Figura 4: Montaje de unidad de control en antena apantallada.
En la siguiente tabla aparecen las diferentes antenas
de MALA disponibles en el mercado, indicando el entorno
de investigación más adecuado para cada una de ellas.
Tabla 21: Antenas apantalladas.
Se utiliza para investigaciones que
100 MHz
15-20 m
requieren una resolución media a
baja (p.ej. campañas geológicas y
geotécnicas).
Se
250 MHz
6-8
usa
para
resoluciones
profundidades
intermedias
y
(p.ej.
detección de elementos enterrados.
Es la antena más conocida para
uso
500 MHz
5-6 m
general.
Permite
investigaciones de media a baja
profundidad, con buena resolución.
Es la antena más utilizada para
9
detección de elementos enterrados,
investigaciones
en
vías
y
arqueología.
Permite
800 MHz
1-2 m
una
investigaciones
alta
resolución
someras,
por
en
lo
que se emplea en campaña de
detalle.
100 MHz
250 MHz
500 MHz
800 MHz
Tabla 32: Antenas apantalladas de MALA.
En la siguiente figura se muestra cómo se registra un
mismo elemento en radargramas generados con antenas
de diferentes frecuencias.
10
Figura 5: Radargramas de un mismo objeto con antenas de diferente frecuencia.
En
BASALTO
INFORMES
TÉCNICOS,
S.L.
disponemos de antenas de 800 MHz, 500 MHz y 100 MHz,
todas de la marca MALA, compatibles con la unidad de
control RamaC X3M, lo que nos permite abarcar un amplio
rango de profundidades de investigación, tanto de carácter
general, como campañas de detalle.
11
Ground Explorer (GX) HDR
La serie de antenas HDR constituye el último avance
en lo que se refiere al método de georadar. Presenta una
serie de ventajas respecto a las antenas convencionales,
tales como
• Toma de datos HDR en tiempo real.
• Tasas de adquisición de datos significativamente
mayores.
• Mayor relación calidad de señal-ruido.
• Aumento de ancho de banda.
• Rango dinámico y resolución muy elevados.
• Salida de datos de 32 bit.
• Mayor profundidad de penetración.
• Mejor capacidad de detección.
El nuevo equipo MALA GX HDR es un sistema
integrado que consiste en una unidad de control GX y una
antena HDR, unidos a través de un único cable de
datos/corriente. La unidad de control GX viene con un
software específicamente diseñado para el registro y
tratamiento de señales de georadar. El sistema lleva
integrado
un
sistema
GPS,
que
permite
simultáneamente la posición de cada medida.
12
registrar
Figura 6: Campaña de prospección con georadar. Antena GX HDR de 450 MHz.
El
modelo
GroundExplorer
HDR
(High
Dynamic
Range) representa una evolución del modelo X3M con un
espectro de frecuencias más ancho, lo cual le permite
mayor profundidad de penetración (hasta un 20% más) y
mayor resolución en las capas superficiales.
Además, este equipo permite realizar de una forma
mucho más fácil el diseño de mallas de perfiles para
obtener bloques 3D de radargramas.
BASALTO
INFORMES
TÉCNICOS,
S.L.
tiene
un
equipo de georadar GroundExplorer HDR GX450 de MALA
Geoscience, con antena apantallada de 450 MHz.
13
4.- PROCEDIMIENTO OPERATIVO
El
procedimiento
operativo para
realizar
una
de
investigación mediante georadar consiste en un barrido
sistemático de la superficie a lo largo de una línea.
Durante el desplazamiento se emiten gran cantidad de
pulsos por segundo (entre 1 y 100 pulsos), de manera que
se obtiene un perfil, que se puede considerar continuo por
la cantidad de trazas que se obtienen, en el que se indica
el tiempo total de viaje de una señal al pasar a través del
subsuelo, reflejarse en una heterogeneidad y volver a la
superficie,
medido
en
nanosegundos.
Este
gráfico
distancia/tiempo se conoce como radargrama.
Los registros que se obtienen son similares a los
obtenidos cuando se realizan estudios de sísmica de
reflexión, con la diferencia de que, en el caso del
georadar, se trabaja con frecuencias mucho más altas y la
emisión de pulsos se puede realizar muy rápidamente.
La selección de la frecuencia de las antenas, para un
estudio determinado, es función del compromiso entre la
resolución y la penetración. Las frecuencias elevadas son
más resolutivas a poca profundidad, mientras que las de
baja frecuencia son más penetrativas y tienen menor
resolución.
14
5.- PROCESAMIENTO DE DATOS
En los radargramas que se obtienen a partir de los
datos en crudo es muy o directamente imposible identificar
las señales correspondientes a los objetos y estratos
enterrados.
Ello
ocurre
como
consecuencia
de,
por
ejemplo, la existencia de reverberaciones o de un alto
ruido de fondo, la atenuación de las señales con la
profundidad, la interferencia entres señales, entre otros
factores. El procesamiento de los datos tiene entonces
como finalidad hacer visibles las respuestas que son de
interés.
Para ello se aplican distintas técnicas cuyos objetivos
principales son, disminuir o eliminar señales indeseables y
corregir las escalas de los radargramas de modo que estos
resulten lo más representativos posible de las formas y
posiciones de los elementos en el subsuelo.
La calidad de los radargramas resultantes no sólo
depende de la calidad de los datos de GPR medidos, sino
también de la selección de las técnicas de procesamiento
que haga el investigador y de la forma en que éstos sean
apreciados. Esto a su vez depende de la información
disponible, ya sea de origen geofísico, estratigráfico o de
cualquier otro tipo. El procesamiento de datos implica
interpretaciones y ajustes continuos, en un proceso que
15
muchas
veces
tiene
características
cíclicas
o
de
realimentación.
La interpretación de los registros de georadar se
basa, normalmente, en la caracterización de la textura,
amplitud, continuidad y terminación de las reflexiones. De
hecho el buen funcionamiento del georadar está limitado
por diversos factores como la atenuación de las ondas
irradiadas,
cableado
ruidos
(debidos
eléctrico
tanto
a
objetos
aéreo
superficiales,
como
enterrado,
interferencias por otros tipos de ondas electromagnéticas,
…)
o
ruidos
instrumentales.
Por
ello,
resulta
imprescindible, antes de interpretar cualquier tipo de datos
de georadar, realizar un procesamiento de los mismos, con
el objeto de mejorar la imagen, aumentar la resolución,
etc.
En el procesamiento de datos del georadar, dado que
se trata de un método geofísico indirecto, se deben tener
muy en cuenta las características a investigar y el entorno
geológico.
En el procesado de los datos de georadar se pueden
diferenciar tres etapas:
• Pre-procesado.
Esta
etapa
consiste
en
la
aplicación de filtros horizontales y verticales, tanto
de paso alto como de paso bajo, que nos permiten
16
eliminar las frecuencias que son demasiado altas o
demasiado
bajas
en
relación
al
rango
de
frecuencias de nuestros datos. Además, se debe
calcular la velocidad de propagación de las ondas
de georadar en el terreno, lo que nos permitirá
transformar los datos de tiempo de llegada a
profundidad y, así, definir la profundidad real a la
que se encuentra el elemento que ha generado la
reflexión de la onda.
• Ganancia. A medida que la señal de georadar va
penetrando en el subsuelo sufre una atenuación
que
se
puede
corregir
aplicando
ajustes
de
ganancia a cada una de las trazas. Se pueden
aplicar filtros de ganancia lineal y exponencial o
direccional, en función del objeto del estudio.
• Filtrado. Esta etapa permite eliminar o, al menos,
reducir
el
ruido
provocado
por
elementos
no
procedentes de la geología. Determinar qué filtro
aplicar en cada caso dependerá de los objetivos
perseguidos y de la calidad de la señal obtenida en
campo, ya que un mismo filtro puede ser muy útil
en unos casos e inútil en otros. En cualquier caso,
a menudo es la propia experiencia del técnico que
interpreta los radargramas la que determina el
tratamiento más adecuado de la señal. De entre
17
todos los filtros existentes, el DC-shift (filtro de
continua o “dewow”) debe emplearse siempre para
eliminar las componentes de continua de la traza,
que suponen un desplazamiento de la amplitud de
la misma. Además, los filtros Delete Mean Trace y
FIR se usan frecuentemente.
Existen varios programas para el procesado de datos
de georadar en el mercado. En BASALTO INFORMES
TÉCNICOS, S.L. utilizamos varios de ellos, Groundvision2,
de MALA GEOSCIENCE, Reflex2DQuick, de SANDMEIER
SCIENTIFIC SOFTWARE, …
6.- APLICACIONES
El equipo de georadar Ground Penetration Radar
(GPR) se emplea en ingeniería civil, medio ambiente,
geología, exploraciones mineras y arquelogía, entre otras.
Así, entre las aplicaciones del método de prospección
geofísica medianate georadar (Ground Penetrating Radar
GPR), podemos destacar las siguientes:
• Detección de conducciones y tuberías de agua y gas,
cables eléctricos y telefónicos.
• Localización de galerías.
• Localización de oquedades en el terreno.
• Localización de objetos enterrados.
18
• Estudios no destructivos de estructuras del terreno.
• Inspección de suelos, forjados, cubiertas, etc.
• Inspección de las paredes de túneles.
• Localización de huecos en muros y pantallas de
hormigón.
• Control del pavimento en carreteras. Medida en
continuo del espesor de las capas de asfalto y
hormigón que forman el pavimento de las carreteras
con fines de control de calidad.
• Patologías en la construcción.
• Localización y estudio de cavidades kársticas.
• Estudio
de
suelos
contaminados
y
plumas
contaminantes.
• Localización
de
fugas
y
zonas
saturadas
en
el
subsuelo.
• Análisis de condiciones de fracturación del subsuelo.
• Inspección de suelos industriales y urbanos.
• Determinación de la estructura geológica de una
zona,
localización
de
contactos
estratigráficos
y
mecánicos (fallas).
• Ubicación de acuíferos.
En el anexo adjunto se incluyen una serie de casos
prácticos con radargrama obtenidos en campañas de
prospección realizadas con diferentes objetivos. En estos
radargramas se puede ver cómo se registran diferentes
elementos mediante el método georadar.
19
INVESTIGACIÓN CON GEORADAR
CASOS PRÁCTICOS
GPR EN ESCOMBRERAS, INSTALACIONES INDUSTRIALES
DETECCIÓN DE FUGAS DE HIDROCARBUROS
GPR EN ESCOMBRERAS, INSTALACIONES INDUSTRIALES
DETECCIÓN DE FUGAS DE HIDROCARBUROS
GPR EN ALICANTE, COLECTOR
DETECCIÓN DE SERVICIOS
GPR EN SEVILLA
ESTRUCTURA GEOLÓGICA Y DETECCIÓN DE SERVICIOS
GPR EN SEVILLA
ESTRUCTURA GEOLÓGICA Y DETECCIÓN DE SERVICIOS
GPR EN PALMA DE MALLORCA
ESTUDIO DE PATOLOGÍAS EN CALZADA Y
MURO DE CONTENCIÓN
GPR EN PALMA DE MALLORCA
ESTUDIO DE PATOLOGÍAS EN CALZADA Y
MURO DE CONTENCIÓN
GPR EN LORCA, IGLESIA SAN JUAN
INVESTIGACIÓN ARQUEOLÓGICA
GPR EN LORCA, IGLESIA SAN JUAN
INVESTIGACIÓN ARQUEOLÓGICA
GPR EN LORCA, IGLESIA SAN JUAN
INVESTIGACIÓN ARQUEOLÓGICA
GPR EN LORCA, IGLESIA SAN JUAN
INVESTIGACIÓN ARQUEOLÓGICA
Secciones de radargramas a diferentes profundidades.
GPR EN LORCA, IGLESIA SAN JUAN
INVESTIGACIÓN ARQUEOLÓGICA
Secciones de radargramas longitudinales.
GPR EN VALENCIA
DETERMINACIÓN DE ESTRUCTURA
DE FORJADO DE HORMIGÓN
GPR EN VALENCIA
DETERMINACIÓN DE ESTRUCTURA
DE FORJADO DE HORMIGÓN
GPR EN CASTELLÓN
DETECCIÓN DE SERVICIOS EN ESTACIÓN DE SERVICIO
GPR EN CASTELLÓN
DETECCIÓN DE SERVICIOS EN ESTACIÓN DE SERVICIO
GPR EN MURCIA
ESTUDIO DE PATOLOGÍAS EN EDIFICIO