INTRODUCCION A LA GEOFISICA

PROGRAMA DE FORMACIÓN IBEROAMERICANO EN
MATERIA DE AGUAS
ÁREA TEMÁTICA 4.1. HIDROGEOLOGÍA IV
Ciudad de la Habana, Cuba
ARTURO JESÚS LORENZO FERRÁS
Darwin
Estudioso de la Geología
y la Paleontología
James Hutton
Edinburgo, Reino Unido
1726 –1797
Padre de la Geología Moderna
Beagle
VISIÓN ACTUAL DE LA TIERRA
VISIÓN
CLÁSICA
Muchas de estas interrogantes difícilmente hubiesen podido
ser respondías sin la contribución de los métodos geofísicos y
basándose solamente en observaciones sobre el terreno.
Solo mediante métodos “indirectos”, y
basándonos en cuidadosas deducciones
a partir de los mismos, podríamos
conocer el interior de la tierra.
VISIÓN
CLÁSICA
VISIÓN ACTUAL DE LA TIERRA
Ejemplo clásico de Robert F Legget en su libro Geología para Ingenieros.
ACTUAL DE LA TIERRA
El pico Mauna Kea en Hawaii tiene una altura de 4205 m sobre el nivel del mar y
está situado a solo 74 km al sudoeste de un punto del océano de 5563 m de
profundidad, lo que implica un salto de 9764 m.
Este posiblemente sea uno de los cambios más abruptos de relieve en la
superficie de la tierra. Sin embargo, esta distancia aparentemente grande, asume
otra proporción cuando se le considera en relación a la tierra misma, con sus
6378 km de radio medio en el ecuador y 6356 km de radio medio en los polos.
Mauna Kea, volcán
inactivo situado al
norte de la isla de
Hawaii.
VISIÓN ACTUAL DE LA TIERRA
Para
llevar
estas
distancias
proporcionalmente a nuestras dimensiones
humanas, reduzcamos la tierra a un globo de
0.50 m de diámetro.
En ese caso las profundidades máximas y
mínimas y las diferencias de alturas en la
superficie estarían representadas por 2 mm.
Las más. altas montañas por 0.3 mm y la
altitud media de los continentes por el
espesor de una simple capa de barniz.
Por lo tanto, las observaciones directas del hombre deben limitarse a esa
corteza extremadamente delgada y solo mediante medios “indirectos”, y
basados en cuidadosas deducciones a partir de esos métodos indirectos,
podríamos conocer el interior de la tierra.
Temperaturas relativas del manto a 260 km de prof.
¿Qué es la Geofísica?
…”Geofísica: palabra del griego gee = tierra, y fisikos = físico
La geofísica estudia la composición de la tierra y su dinámica, sobre la base de
medidas de campos físicos que normalmente se realizan desde la superficie del
planeta o desde el aire.
El objetivo es deducir las propiedades o el estado físico de las rocas y minerales
que componen la tierra, junto a su composición interna, a partir de diversos
fenómenos físicos.
Se pueden inferir informaciones sobre la composición del subsuelo mediante
algún parámetro físico medido en superficie, que puede ser la velocidad de una
onda mecánica, o las variaciones de un campo gravitacional producidas por
diferencias de densidad, o la intensidad de una corriente asociada a la mayor o
menor facilidad de propagación de las cargas eléctricas, o los flujos de calor.
PROPIEDADES FISICAS MEDIDAS
POR LOS METODOS GEOFISICOS
•
•
•
•
•
•
•
Densidad
Susceptibilidad Magnética.
Resistividad o Conductividad.
Polarizabilidad
Temperatura.
Propiedades acústicas.
Propiedades radioactivas.
Los métodos geofísicos ofrecen una
forma de obtener información detallada
acerca de las condiciones del suelo y
rocas del subsuelo.
Esta
capacidad
de
caracterizar
rápidamente las condiciones del
subsuelo sin perturbarlo, ofrece el
beneficio de costos más bajos y menos
riesgo, dando mejor entendimiento
general de las condiciones complejas
del sitio.
Es necesario a menudo utilizar mas de
un método para lograr obtener la
información deseada.
“…En este siglo de gran avance tecnológico, el olvido de
la hidrogeología así como del papel de vanguardia y de
las ventajas de los modernos métodos geofísicos…
acarrearía rápidamente un estado de subdesarrollo o
sobrexplotación de los recursos hidráulicos.”
Robert Ambroggi en el prólogo al libro de Jean Louis Astier
“Geofísica Aplicada a la Hidrogeología” ( Paraninfo, Madrid 1982, 2da Ed.)
La geofísica aplicada desde sus inicios jugo un papel preponderante en la
determinación de la geometría de los acuíferos, dado su bajo costo y
rapidez, con relación al de los sondeos mecánicos.
Con los escases de recursos hídricos que trajo consigo el progreso de la
humanidad y su acelerado crecimiento; fue necesaria la inversión de
recursos en desarrollos más técnicos y perfeccionados.
Los métodos de prospección geofísica se han constituido en técnicas
auxiliares básicas en todo estudio hidrogeológico, variando en el tiempo el
objetivo esencial de su aplicación. En una primera fase fueron
imprescindibles para llegar a establecer la geometría de los sistemas.
Superada esta fase y su contraste con sondeos mecánicos, toman el
relevo métodos que permiten deducir aspectos relacionados con el flujo
de masas y/o con flujos de calor. Simultáneamente, los métodos
geofísicos contribuyen a mejorar el diseño de las captaciones mediante la
aplicación de todas las técnicas de testificación.
En los últimos años el auge se encuentra esencialmente en todas las
aplicaciones en el dominio de la contaminación de acuíferos y de
otros problemas medioambientales, comenzando en la detección e
identificación, y continuando por el seguimiento espacial y temporal,
siendo asimismo una herramienta de gran utilidad en las etapas de
descontaminación.
Al igual que sucede en otros dominios de aplicación, los resultados
óptimos se obtienen del uso de más de un método para el mismo objetivo,
con el fin de minimizar las incertidumbres que tiene cada uno por
separado.
HIDROGEOFISICA.
Para poder aplicar un método geofísico en una prospección, es necesario
que se presente dos condiciones importantes:
que existan contrastes significativos, anomalías que se pueden detectar
y medir.
que estos contrastes se puedan correlacionar con la geología del
subsuelo.
:
Activos:
Introducen una alteración en el terreno y miden su respuesta:
Polarización inducida, Eléctricos, Electromagnéticos, Sísmicos,
Georradar, etc.
Pasivos:
Miden la variación de alguna propiedad natural del terreno:
Gravimetría, Potencial espontáneo, Magnetometría, Radiometría,
etc.
En general los métodos activos, si son aplicables, permiten
determinaciones más precisas.
Las técnicas utilizadas son muy variadas, están en continuo desarrollo y
necesitan de especialistas para su aplicación e interpretación.
1. Determinación de parámetros geométricos.
¾ Caracterización de estructuras en general:
• Morfología de cuencas sedimentarias
• Posición y salto de fallas
• Condiciones de borde
• Localización de paleocanales y valles enterrados
Todos los métodos geofísicos son aplicados en este tipo de temas.
¾ Localización de acuíferos:
9 En sedimentario:
• Potencia de aluvial sobre roca firme
• Profundidad y potencia de capas
• Naturaleza litológica de las capas y del sustrato
• Extensión lateral de capas
1. Determinación de parámetros geométricos.
¾ Localización de acuíferos:
9 En rocas ígneas y metamórficas:
• Detección de fallas y zonas fracturadas
• Localización de alteraciones (zonas meteorizadas)
9 En rocas volcánicas:
• Localización de formaciones no compactas
• Localización de coladas fisuradas
• Límites por filones inyectados y coladas Competentes
9 En formaciones cársticas:
• Localización del carst
(Resistividad y EM fundamentalmente. También Sísmica,
Gravimetría, Magnetometría, Potencial Espontaneo)
2.- Determinación de parámetros sobre calidad del agua y
contaminación.
• Salinidad del agua
• Posición de la interfase agua dulce – salada
• Plumas de contaminación (hidrocarburos, vertederos,
fertilizantes).
(Los métodos geoeléctricos permiten una evaluación cualitativa de la
salinidad del agua, siempre que se trate de formaciones de resistividad
conocida; la interfase de las intrusiones marinas pueden localizarse con
fiabilidad, principalmente con métodos de corriente alterna; la Polarización
Inducida está siendo utilizada en la localización de contaminaciones por
hidrocarburos, siendo las secciones geoeléctricas las más utilizadas para
otro tipo de contaminaciones que modifiquen las propiedades eléctricas, lo
que no es el caso de los fertilizantes, que no pueden ser detectados por
métodos geofísicos.)
2.- Determinación de parámetros sobre calidad del agua y
contaminación.
9 control de vulnerabilidad a la contaminación:
• Cartografía de capas protectoras impermeables
• Localización de zonas fracturadas
Todos los métodos pueden encontrar su utilidad en este tipo de
aplicación.
• temperatura del agua
No puede determinarse con métodos de superficie.
3 Determinación de parámetros hidrogeológicos:
• profundidad del nivel freático
• porosidad
• permeabilidad (conductividad hidráulica)
• coeficiente de almacenamiento
• velocidad de flujo
• dirección de flujo.
Es la testificación geofísica de sondeos la herramienta más eficaz para la
determinación de estos parámetros. Desde superficie, combinaciones de
métodos eléctricos y sísmicos permiten en zonas muy controladas la
determinación de la porosidad y permeabilidad; la profundidad del nivel
freático puede determinarse con sísmica y actualmente con Sondeos de
Resonancia Magnética, siendo de menor fiabilidad las determinaciones por
métodos eléctricos; la velocidad y dirección de flujo puede evaluarse
mediante métodos eléctricos apoyados por trazadores, y en ocasiones con
mediciones de Potencial Espontáneo y por la asociación a fenómenos
electro cinéticos.
REFRACCIÓN SÍSMICA:
¾ Determinar la posición y el salto de falla en terrenos sedimentarios
¾ Cartografía de horst anchos
¾ Determinación de la profundidad del sustrato
¾ Determinación de la posición y potencia de acuíferos, aplicación limitada
por la presencia de capas de baja velocidad (Ej. arcillas superficiales) y
que exige una potencia mínima.
¾ Determinar la profundidad de calizas carstificadas y el contacto con las
calizas compactas, obteniéndose a veces mejor resultado que con los
métodos eléctricos.
¾ Pueden inferirse datos de porosidad (una disminución de la velocidad
indica mayor porosidad), sobre todo con la combinación de ondas P y
ondas S.
REFLEXIÓN SÍSMICA:
La SÍSMICA DE REFLEXIÓN permite la localización y
determinación cuantitativa de saltos de falla, la cartografía de
la roca firme y de estructuras del recubrimiento. Aunque
utilizada fundamentalmente para profundidades superiores a
los 100 m, en condiciones óptimas (grano fino y saturación de
agua) se han alcanzado resoluciones de 1 m en los primeros
15 m. Es bastante frecuente el reproceso o reinterpretación de
líneas sísmicas obtenidas para investigación de hidrocarburos,
lo que permite utilizar esta información para cartografiar las
estructuras que pueden controlar los acuíferos superficiales
METODOS GEOELÉCTRICOS:
¾ Determinar la posición y el salto de falla.
¾ Determinar la posición de horst (donde pueden producirse
errores en las mediciones por efectos laterales).
¾ Determinar la potencia de recubrimiento arcilloso .
¾ Determinación del espesor del acuífero.
¾ La resistividad permite efectuar una cierta clasificación de
la litología, siendo necesario conocer la resistividad de la
formación para poder evaluar la calidad del agua.
¾ Determinación de la dirección del flujo, con ayuda de
trazadores.
METODOS GEOELÉCTRICOS:
¾ Evaluar las características hidráulicas de los aluviales: si hay arcilla
intercalada, serán de mejores propiedades hidráulicas cuanto más
resistivos; si no hay arcilla, la porosidad será mejor cuanto más baja sea
la resistividad; si existe agua salada, los terrenos resistivos serán
asignados a zonas porosas con agua dulce.
¾ Calcular la profundidad del sustrato.
¾ Localización de carst, cuando el método es utilizado en forma de
calicatas eléctricas.
¾ Determinación de espesor de la zona alterada superficial en coladas
compactas, por la disminución que la alteración produce en la
resistividad.
METODOS ELECTROMAGNETICOS :
Los métodos ELECTROMAGNÉTICOS en particular, son
especialmente útiles en:
¾ Exploración de acuíferos colgados.
¾ Cartografía de contaminantes industriales.
¾ Medición de la salinidad e intrusión marina (si puede
determinarse la resistividad de la formación, puede
deducirse la calidad del agua).
¾ Posicionando la interfase agua dulce-salada.
METODOS ELECTROMAGNETICOS:
Sus mayores ventajas sobre los métodos de corriente continua
es que son más sensibles a pequeñas variaciones de
resistividad, que las medidas se pueden hacer más
rápidamente y facilitan las investigaciones a mayores
profundidades.
METODOS ELECTROMAGNETICOS:
En general son más efectivos en la detección de conductores
que de resistivos. Dentro de ellos, la variedad de Sondeos
Electromagnéticos en el Dominio del Tiempo (SEDT o TDEM),
por resultar menos influenciados por efectos laterales, es de
especial aplicación para cartografía de aluvial y gravas sobre
roca firme; cartografía de lentejones de arena y gravas, y
detección de la interfase agua dulce-salada.
METODOS ELECTROMAGNETICOS:
La determinación de anisotropía de las propiedades eléctricas
(y/o magnéticas) es de utilidad para localización de
alteraciones y zonas fracturadas en terrenos ígneos y
metamórficos (medios cristalinos).
El método de VLF da buenos resultados para localización de
coladas fisuradas en rocas volcánicas.
POLARIZACION INDUCIDA:
La POLARIZACIÓN INDUCIDA
es utilizada siempre en
conjunción con otros métodos geoeléctricos, siendo
particularmente interesante para evaluar la arcillosidad de las
arenas y delimitar en algunos casos la interfase agua dulce agua salada.
RADAR. GPR:
El RADAR terrestre permite obtener una resolución muy alta
(centimétrica) con poca penetración (hasta unos 20 m de
profundidad); tiene aplicación para determinar (la potencia de
hielo en lagos helados, profundidad de la roca inalterada,
estratificación de suelos, profundidad del nivel freático,
detección de huecos y carst.
MAGNETOTELURICO:
Con los métodos MAGNETOTELÚRICOS se puede obtener
información sobre los límites de acuíferos, zonas de alta
transmisividad, variaciones de permeabilidad y localización de
sistemas de fracturas, lo que unido a la posibilidad de
interpretación en 2D y 3D facilita el modelado de flujos; con la
utilización de fuentes controladas (CSAMT) puede obtenerse
buena resolución hasta unos 250 m de profundidad.
GRAVIMETRIA:
La GRAVIMETRÍA está siendo utilizada para:
¾ Determinar la posición y evaluar el salto de falla
(conocida la densidad)
¾ Cartografía de horst
¾ Definir la morfología
Sedimentarias
y
profundidad
de
cuencas
¾ Definir la morfología del sustrato bajo depósitos aluviales
¾ Localización de valles fósiles y paleocanales
¾ Determinar la potencia del aluvial sobre roca firme
MAGNETOMETRIA:
El método MAGNÉTICO es utilizado fundamentalmente desde
el aire en entornos cristalinos y metamórficos. Gran parte del
mundo está cubierta con cartografía aeromagnética, hecha
para cartografía geológica, prospección minera y de
hidrocarburos; sin embargo esta información puede ser de gran
utilidad para Hidrogeología, por su valor de identificación
geológica y en especial para detección de zonas de fallas y
diques que pueden no ser visibles en la cartografía geológica
de superficie, y ser de gran importancia como guía para la
ejecución de pozos.
MAGNETOMETRIA :
Se ha empleado para:
¾ Determinar la posición cualitativa de fallas
¾ Cartografía de horst
¾ Calcular la profundidad del basamento en cuencas,
permitiendo evaluar la naturaleza litológica del mismo
¾ Localización de fallas mineralizadas, como posible fuente
hidrotermal, en rocas cristalinas
¾ Localización de coladas y filones en rocas volcánicas
Otros métodos eléctricos como el POTENCIAL ESPONTÁNEO
PUESTA A MASA y SISMOELÉCTRICO son utilizados para
resolver casos muy puntuales de límites de acuíferos y
movimiento del agua, en terrenos tanto sedimentarios, como
cársticos y volcánicos.
PLANIFICACIÓN DE LAS CAMPAÑAS DE
GEOFÍSICA
• Es muy importante tener claro al comienzo de un
proyecto saber cuales son los objetivos que se
desean alcanzar.
• Pensar y analizar bien, que es lo que se pretende
obtener con un estudio geofísico.
• Escoger el método geofísico mas idóneo para la
tarea presentada y en consonancia con las
condiciones de medición en el terreno.
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Cual es realmente el problema que se quiere solucionar?
En que entorno voy a estar trabajando?
Cuáles son las dimensiones de dicho entorno?
Cuáles son las dimensiones del objetivo a caracterizar?
A que distancia voy a estar trabajando desde mi base central?
De cuanto tiempo dispongo?
Cual va ser la meteorología de los días de trabajo escogidos?
De cuanto presupuesto se dispone?
Que logística es necesaria para realizar el estudio?
Con que datos de partida dispongo? (geología, sondeos, historia, etc.)
De que accesos se disponen?
De que servicios se disponen? (agua, luz, etc.)
Centros sanitarios más cercanos en caso de una emergencia.
•
La geofísica no puede ser estandarizada, ya que en lugares diferentes,
tanto los objetivos como los entornos de trabajo nunca son iguales.
•
Operadores y técnicos deben de conocer bien las ventajas y desventajas
de los métodos geofísicos existentes para poder adaptar el método
elegido en su aplicación para la resolución de un problema.
•
Para poder ser resolutivo ante un problema, ingenieros, técnicos y
operadores que participen directamente en un estudio geofísico, deben de
contar con la suficiente experiencia para poder ser resolutivos ante
cualquier tipo de contratiempo.
•
No siempre suelen surgir problemas geofísicos sino que además pueden
surgir problemas mecánicos o logísticos como: baterías mal cargadas,
roturas de cables, problemas electrónicos, etc. Es decir, hace falta tener
capacidad de reacción ya que el tiempo perdido también cuesta dinero.
•
En la fase interpretativa de un estudio geofísico, el interpretador también
ha de tener suficiente experiencia para poder obtener resultados
coherentes. Para la obtención de resultados coherentes no solo hace falta
experiencia sino que además la información obtenida de campo debe ser
contrastada con la información que puedan aportar ingenieros, geólogos e
hidrogeólogos, etc.
APLICACIONES GEOFÍSICAS
No todos los métodos geofísicos sirven para medir y caracterizar
cualquier cosa. Cada método geofísico tiene una serie de características
especiales que le hace distinto de los demás. Estas características son:
•
Propiedad física dependiente que se desea medir (conductividad
eléctrica, contrastes de densidad, susceptibilidad magnética, etc.)
•
La logística humana y material necesaria para llevar a cabo ese
método
•
Presupuesto económico disponible para aplicar ese método
•
Escala a la que se desea medir, detección de anomalías a nivel
Regional o a nivel Local.
TABLA DE RECURSOS HUMANOS
Tipo de
caracterización
Director de
proyecto
Técnico Jefe
de campo
Operadores
Perfil
1
1
1
Área
1
1
1
Perfil
1
1
1-2
Área
1
1
1-2
Sondeos
1
1
3-4
SEV
1
1
3
Tomografías
1
1
3-4
Perfil
1
1
1
Área
1
1
1
Sísmica refracción
Área
Perfil
1
1
3
Sísmica reflexión
(Terrestre)
Área
Perfil
1
1
3
Gravimetría
Área
Perfil
1
1
1
Método Geofísico
Magnetometría
Electromagnetometría
TDEM
Eléctricos
Georadar (según
modelos)
El estudio
Geofísico NO
1) Planteamiento
o
definición
del
problema.
Todas las etapas tienen
es cuestión
de concretas)
(sólo a preguntas concretas
puedenexclusiva
darse respuestas
igual
importancia.
los
especialistas
en
ningún
proceso
sino que, geofísica.
2) PlanificaciónGeofísica,
de la campaña
numérico
todo
en lasmejorar
etapas y elaborar las
(traducir a términos sobre
geofísicos
el puede
problema
planteado
hipótesis de trabajo.
Seleccionar
elmal
complejo
unos
datos
tomados,
de
definición
dede métodos geofísicos.)
ni será
posibleydar
objetivos
de una
3) Trabajos de
Campo.
interpretación
interpretación,correcta
deben dea
un problema
mal
participar
siempre
4) Trabajos de
Gabinete.
planteado
expertos
en los temas
geológicos involucrados.
5) Interpretación.
(respuesta al problema en términos geológicos. Responsabilidad
compartida)