Prospección y exploración de recursos hidráulicos en terrenos

Prospección y exploración de recursos
hidráulicos en terrenos metamórficos
con porosidad secundaria. Una
metodología sencilla de investigación
JESÚS SÁNCHEZ VIZCAÍNO*, RAFAEL BLÁZQUEZ **, VICENTE NAVARRO**
Y SUSANA LÓPEZ***
* Geólogo, profesor.
** Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos y profesor.
*** Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos y profesor.
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos Canales y
Puertos de Ciudad Real.
RESUMEN
Los materiales metamórficos presentan serias dificultades a la hora de
encarar una investigación hidrogeológica en los mismos. En numerosas ocasiones estos materiales se consideran prácticamente impermeables o carentes de niveles acuíferos que justifiquen su investigación y
la explotación de los niveles acuíferos que puedan contener.
Los materiales metamórficos ocupan grandes territorios de los continentes, fundamentalmente en las raíces de las antiguas cadenas de
montaña. Los materiales que los conforman presentan siempre una
porosidad total inferior al 3% y, por lo general, casi siempre inferior
al 1%. Por ello, predomina la escorrentía superficial sobre la infiltración, por lo que los recursos hídricos disponibles, superficiales, varían con la climatología estacional y anual (períodos de estiaje y sequías). Los escasos pozos y sondeos que aparecen en estos materiales
suelen presentar una gran disparidad en sus caudales, predominando
los pozos negativos o con caudales inferiores a 1 l/s. Sin embargo, en
ocasiones pueden aparecer sondeos con relativos altos caudales de explotación, iguales o superiores a los 30 l/s.
El escasa agua infiltrada se concentra en determinadas zonas muy localizadas espacialmente: zonas de alteración, filones de cuarzo y frac-
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turas. De ellas las fracturas, suelen ser con mucho, las más importantes. Estas fracturas hacen que el macizo rocoso presente localmente
una porosidad secundaria de fracturación, a veces muy importante,
que hace que dentro de los mismos puedan existir niveles acuíferos
capaces de almacenar y transportar agua.
En muchas ocasiones solo podemos considerar como niveles acuíferos
algunas de las numerosas fracturas que atraviesan a estos materiales,
en especial las zonas miloníticas asociadas a las fallas de gran importancia y que enfrenten materiales competentes. Su transmisibilidad
será variable en función de la anchura, longitud y, sobre todo, del tipo
de relleno que presenten. El comportamiento acuífero de estas fracturas puede variar a lo largo de la misma, al variar la anchura y el tipo
de relleno, dando al conjunto un comportamiento anisótropo.
Estas milonitas pueden ser niveles acuíferos, aunque con características muy especiales. Podrían ser asemejadas a acuíferos confinados, salvo por el hecho de que la mayoría de estas fallas son subverticales.
Normalmente suelen caracterizarse por presentar una alta transmisibilidad instantánea, altos valores de coeficiente de almacenamiento y
escaso volumen de acuífero, que se traduce en unos valores de aforo
superiores a los caudales reales aportados por las fracturas y en el agotamiento de las mismas si se someten a un bombeo continuo, así
como un comportamiento anisótropo tanto a lo largo de la fractura
como en la dirección ortogonal a la misma, que se comporta como
una autentica barrera hidrogeológica.
La importancia de una falla como nivel acuífero estará relacionado
con el volumen y tipo de milonita que ha desarrollado. El volumen
de la milonita es función de la importancia del accidente tectónico,
longitud y salto y, también del tipo de materiales enfrentados. El tipo
de relleno será función de los materiales enfrentados, composición
mineralógica y grado de alteración. La milonita es una roca cataclástica que litológicamente puede ser definida como un conglomerado de
matriz arcillosa, cementado o no, con clastos de naturaleza semejante a los materiales que enfrenta la falla.
Su comportamiento hidrogeológico es semejante al de un conglomerado normal, con porosidad intergranular, en el que transmisibilidad variará en función de la proporción de arcilla de la matriz. Igualmente
existe la posibilidad de que varias de estas fracturas estén comunicadas
entre sí mediante otras transversales que las unan, aumentando el volumen total de acuífero y la superficie de recarga. La recarga se realiza
por aquellas zonas en las que la fractura aflora, sin estar recubierta de
arcillas, o bien a través de fallas «tributarias», o en zonas en las que la
falla se encuentra infrayacente a un material permeable saturado.
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La presencia de estas fracturas es observable mediante la fotografía aérea y la de satélite. No obstante, la ubicación exacta de la traza de estos accidentes en campo suele presentar una cierta dificultad en la
mayoría de los casos. Esta dificultad es debida a la falta de afloramientos, presencia de materiales que la enmascaran y fosilizan, características de la propia fractura, cambio de escala, etc. Por ello, se hace
necesario complementar con una investigación geofísica. Existen numerosos métodos geofísicos capaces de detectar la presencia de fracturas dentro del macizo rocoso. Los de mayor definición suelen ser
muy sofisticados, requieren un equipo muy caro y son de difícil y costoso empleo, especialmente para cubrir grandes superficies.
En el presente trabajo mostramos una metodología de prospección
que agrupa la investigación geológica clásica, hidrogeológica y geofísica capaz de prospectar grandes superficies en poco tiempo, con relativo bajo y empleando una técnicas geofísicas fáciles y rápidas de
usar, especialmente los sondeos eléctricos verticales (SEV) en dispositivo Schlumberger tetraelectródicos. Teóricamente no pueden usarse esta técnica en este tipo de terrenos ya que se incumplen algunos
de los supuestos de uso, especialmente el de horizontalidad de los estratos. En este trabajo explicamos una técnica de interpretación semicuantitativa de este tipo de investigación que permite la detección de
fracturas en profundidad y se analizan algunos ejemplos reales.
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1.
INTRODUCCIÓN
Los materiales metamórficos presentan serias dificultades a la hora de encarar una
investigación hidrogeológica en los mismos. En numerosas ocasiones estos materiales
se consideran prácticamente impermeables o carentes de niveles acuíferos que justifiquen su investigación y la explotación de los niveles acuíferos que puedan contener.
Los materiales metamórficos ocupan grandes territorios de los continentes, fundamentalmente en las raíces de las antiguas cadenas de montaña. Suelen estar situados en
las zonas centrales de los continentes formando parte de los Escudos Continentales junto con rocas ígneas. Los materiales que los conforman presentan siempre una porosidad total inferior al 3% y, por lo general, casi siempre inferior al 1%. Por ello, predomina la escorrentía superficial sobre la infiltración, por lo que los recursos hídricos
disponibles, superficiales, varían con la climatología estacional y anual (períodos de estiaje y sequías) especialmente en zonas de clima árido o subárido. Los escasos pozos y
sondeos que aparecen en estos materiales suelen presentar una gran disparidad en sus
caudales, predominando los pozos negativos o con caudales inferiores a 1 l/s. Sin embargo, en ocasiones pueden aparecer sondeos con relativos altos caudales de explotación, iguales o superiores a los 30 l/s.
El escasa agua infiltrada se concentra en determinadas zonas muy localizadas espacialmente: zonas de alteración superficial, filones de cuarzo y fracturas. De ellas las fracturas, suelen ser con mucho, las estructuras más importantes como nivel acuífero. Estas fracturas hacen que el macizo rocoso presente localmente una porosidad secundaria
de fracturación, a veces muy importante, que hace que dentro de los mismos puedan
existir niveles acuíferos capaces de almacenar y transportar agua dentro del macizo rocoso.
En muchas ocasiones solo podemos considerar como niveles acuíferos algunas de
las numerosas fracturas que atraviesan a estos materiales, en especial las zonas miloníticas y brechas asociadas a las fallas de gran importancia y que enfrenten materiales
competentes. Su transmisividad será variable en función de la anchura, longitud y, sobre todo, del tipo de relleno que presenten. El comportamiento acuífero de estas fracturas puede variar a lo largo de la misma, al variar la anchura y el tipo de relleno, dando al conjunto un comportamiento anisótropo.
Estas milonitas y brechas pueden ser niveles acuíferos, aunque con características
muy especiales. Podrían ser asemejadas a acuíferos confinados, salvo por el hecho de
que la mayoría de estas fallas son subverticales. Normalmente suelen caracterizarse por
presentar una alta transmisividad instantánea, altos valores de coeficiente de almacenamiento y escaso volumen de acuífero, que se traduce en unos valores de aforo superiores a los caudales reales aportados por las fracturas y en el agotamiento de las mismas si se someten a un bombeo continuo, así como un comportamiento anisótropo
tanto a lo largo de la fractura como en la dirección ortogonal a la misma, que se comporta como una autentica barrera hidrogeológica. Asimismo, su geometría hace que no
exista un flujo radial hacia los pozos de bombeo, no cumpliéndose la Ley de Darcy, lo
que dificulta el análisis del comportamiento hidráulico de estos niveles acuíferos.
Su comportamiento hidrogeológico es semejante al de un conglomerado normal,
con porosidad intergranular, en el que transmisividad variará en función de la proporción de arcilla de la matriz. Igualmente existe la posibilidad de que varias de estas frac-
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turas estén comunicadas entre sí mediante otras transversales que las cruzan, aumentando el volumen total de acuífero y la superficie de recarga. Ésta se realiza por aquellas zonas en las que la fractura aflora, sin estar recubierta de arcillas, o bien a través
de fallas «tributarias», o en zonas en las que la falla se encuentra infrayacente a un material permeable saturado. En general las fracturas presentes en un macizo rocoso funcionan canalizando toda el agua que se infiltra por las discontinuidades del macizo rocoso, almacenándola y transmitiéndola por el mismo si existe un gradiente hidráulico.
Cerca del subsuelo de la Península Ibérica (Macizo Ibérico o Hespérico) corresponde a este tipo de materiales metamórficos, de edades comprendidas entre el Precámbrico Superior (Vendiense) al Carbonífero. Son rocas provenientes de sedimentos
detríticos con un grado de metamorfismo variable según zonas. Las litologías más
abundantes son: pizarras, areniscas, cuarcitas y grauwackas, pudiéndose encontrar también esquistos, mármoles, gneises y migmatitas en las zonas axiales de la cadena hercínica.
En los últimos años, el equipo de trabajo de la UCLM que firma la presente comunicación, ha realizado una investigación destinada el prospectar agua subterránea
contenida en este tipo de materiales en la zona central de la península Ibérica. El objetivo último de esta investigación es la construcción de sondeos para dotar de agua potable a pequeñas poblaciones, industrias y pequeñas explotaciones agrícolas y ganaderas. En el presente trabajo mostramos una metodología de prospección que agrupa la
investigación geológica clásica, hidrogeológica y geofísica capaz de prospectar grandes
superficies en poco tiempo, con relativo bajo y empleando una técnicas geofísicas fáciles y rápidas de usar, especialmente los sondeos eléctricos verticales (SEV) en dispositivo Schlumberger tetraelectródico. A continuación se expone la metodología de investigación empleada por este equipo durante los últimos años.
2.
METODOLOGÍA
Dada la anisotropía en cuanto a comportamiento hidráulico de los materiales metamórficos, como los presentes en Macizo Hespérico antes descrito, que concentra casi
toda el agua subterránea en las zonas de fractura que los afectan, el objetivo de cualquier prospección hidrogeológica en este tipo de materiales debe centrarse en la localización, caracterización y determinación de su posición espacial exacta de las fracturas
presentes dentro del territorio investigado. Por ello planteamos una metodología estructurada en niveles.
2.1.
Caracterización de las fracturas por su importancia hidrogeológica
Pueden ser numerosas las fracturas presentes en la zona investigada por ello debemos establecer unos criterios de importancia que discriminen la prospección. La importancia de una falla como nivel acuífero estará relacionado con el volumen y tipo de
milonita o brecha que ha desarrollado. El volumen de la milonita es función de la importancia del accidente tectónico, longitud y salto y, también del tipo de materiales enfrentados. El tipo de relleno será función de los materiales enfrentados, composición
mineralógica, salto y desplazamiento de la falla y grado de meteorización/alteración. La
milonita es una roca cataclástica que litológicamente puede ser definida como un con-
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glomerado de matriz arcillosa, cementado o no, con clastos de naturaleza semejante a
los materiales que enfrenta la falla.
Por ello los criterios de importancia de una fractura son los siguientes:
a)
b)
c)
d)
2.2.
Importancia de la fractura, expresada por su longitud, desplazamiento y anchura.
Rigidez o competencia de los materiales enfrentados por la fractura en cada
zona de su traza.
Presencia, número e importancia de fracturas tributarias o secundarias conectadas con la principal.
Otras características como la accesibilidad a equipos de prospección y de perforación.
Localización de las fracturas
La principal herramienta de localización primaria de este tipo de estructuras tectónicas es la foto de satélite y el área. Debe procederse de mayor a menor escala. La foto
de satélite a escalas 1:250.000 (ortoimagen de satélite LANDSAT) a 1:100.000 nos permitirán definir la moda de las principales fracturas y lineaciones presentes en una superficie que puede ser mayor que la investigada (figura 1). Igualmente pueden determinarse las grandes estructuras geológicas.
Un segundo nivel consiste en la interpretación geológica de la fotografía aérea realizada a escala 1:20.000-1:40.000 de la zona a estudiar (figura 2). En esta interpretación se confirman tales disposiciones, se relacionan las fracturas con la geomorfología
y la red de drenaje, se determina con una primera aproximación a las litologías, co-
Figura 1.
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Ejemplo de la disposición de la red de fracturación a partir de la ortoimagen de satélite LANDSAT.
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Figura 2.
Ejemplo de la disposición de la red de fracturación a partir de la fotografía aérea.
lumna estratigráfica, estructura general de la zona, pliegues de menor entidad, realizar
una cartografía geológica-estructural, etc. Este segundo nivel debe permitirnos además
completar la caracterización de las fracturas por su importancia hidrogeológica, así
como determinar la zona o zonas más favorables a lo largo de traza de las mismas. Estas zonas deben reunir varias características:
■
■
■
■
■
2.3.
Deben estar situados sobre una fractura de cierta entidad o concurrir al menos
dos fracturas.
Ésta/s deben ser de suficiente entidad como para generar una zona milonítica o
brecha de falla importante.
Deben enfrentar materiales competentes para que la banda milonítica tenga la
máxima amplitud y desarrollo, así como un relleno lo menos arcilloso posible.
Accesibilidad.
Otras características como estar situados próximos a las futuras zonas a regar, al
núcleo urbano a abastecer, etc., con objeto de abaratar en tiempo y dinero la obra
y su explotación y mantenimiento.
Reconocimiento geológico e hidrogeológico de campo
Posteriormente se procede a la necesaria comprobación de las cartografías en campo y de la bibliografía consultada. La contrastación (chequeo) en campo que verifique
de los contactos litológicos delineados en la cartografía, la comprobación de las fracturas delineadas a partir de la fotointerpretación de las fotografías aéreas y de la imagen
LANDSAT, y la obtención de datos estructurales relativos a la orientación de la estratificación y de la fracturación. Al mismo tiempo debe procederse al reconocimiento de
los puntos de agua y la elaboración de un inventario de puntos de agua subterránea,
toma de niveles, etc. Las zonas a investigar han quedado limitadas espacialmente por
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I Congreso de Ingeniería Civil, Territorio y Medio Ambiente
las anteriores niveles o fases de investigación a aquellas áreas con fracturas de relativo
alto potencial hidrogeológico. Asimismo, este nivel debe permitir comprobar los accesibilidad a los puntos de mayor interés.
2.4.
Prospección geofísica
Una vez determinada la presencia de fracturas en la zona de estudio, caracterizada
su importancia y concretada las zonas o puntos de interés sobre las mismas se debe
proceder a situarlas espacialmente con un mayor nivel de detalle e intentar determinar
alguna de sus características. La presencia de estas fracturas es observable mediante la
fotografía aérea y la de satélite. No obstante la ubicación exacta de la traza de estos accidentes en campo suele presentar una cierta dificultad en la mayoría de los casos. Esta
dificultad es debida a la falta de afloramientos, presencia de materiales que la enmascaran, características de la propia fractura, cambio de escala, etc. Por ello, se hace necesario complementar con una investigación geofísica. Existen numerosos métodos geofísicos capaces de detectar la presencia de fracturas dentro del macizo rocoso. Los de
mayor definición suelen ser muy sofisticados, requieren un equipo muy caro y son de
difícil y costoso empleo, especialmente para cubrir grandes superficies.
Si la fractura a localizar en detalle presenta una o varias de las siguientes características, mineralización metalizada, gran anchura o enfrenta materiales con litologías de
diferentes propiedades físicas, el problema tiene fácil resolución mediante el empleo de
cruzado de al menos dos de las técnicas geofísicas tradicionales: gravimetría, sísmica,
resistividad, magnetometría, etc. Sin embargo, cuando la investigación pretende localizar una fractura estrecha, sin mineralizar y que enfrenta a rocas con propiedades físicas semejantes, como son la mayoría de las presentes en nuestra investigación, nuestra
experiencia nos conduce al empleo, fundamentalmente, de métodos de resistividad por
su rapidez, sencillez, facilidad de interpretación, y relativo bajo costo.
Dentro de este nivel investigación pueden emplearse diferentes técnicas geofísicas.
En primer lugar, recomendamos el empleo de la prospección electromagnética en muy
baja frecuencia (VLF) mediante el correspondiente detector-receptor y empleando diferentes frecuencias. Esta técnica permite detectar la presencia de fracturas en el terreno
siempre que no se encuentren recubiertas por materiales terciarios-cuaternarios poco
resistivos y de espesor inferior a 5 m. Esta técnica permite cubrir una gran superficie
de terreno en poco tiempo y con bajo coste económico. La planificación de la investigación debe centrarse en aquellas zonas preferentes ya determinadas. Deben realizarse
una serie de perfiles paralelos entre sí y transversales a su vez a la red de fracturación
principal. La unión de los puntos con anomalía de los diferentes perfiles permitirá determinar la traza de las fracturas en campo con una precisión de metros.
Dado que la anchura de las fracturas puede no ser superior a los 2-3 metros puede convenir precisar con mayor detalle la ubicación exacta de las fracturas. Este segundo sub-nivel de investigación debe realizarse mediante métodos de resistividad. Tradicionalmente se han empleado en la determinación de masas conductoras enterradas
(los rellenos de las bandas miloníticas o brechas de fallas lo suelen ser, especialmente
si están saturadas de agua) o contactos litológicos no aflorantes los distintos dispositivos polo-dipolo y dipolo-dipolo (figura 3). Este método es laborioso en su ejecución,
de coste relativamente alto y su interpretación es en numerosas ocasiones. Sin embar-
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Figura 3.
Perfil polo-dipolo (calicatas eléctricas) sobre una falla vertical (según la Compagnie
Generale de Geophysique, modificado de Astier, J. L.).
go, ofrece la posibilidad de determinar el buzamiento de la fractura investigada y proporciona información sobre la anchura de la brecha de falla y del tipo de relleno.
En los últimos años se ha desarrollado la técnica de tomografía eléctrica (figura 4)
que puede ser considerada como una variación de la técnica anterior pero con un nivel de complejidad mucho mayor. El tratamiento informático de los datos obtenidos
por permite determinar claramente las zonas de fracturación, su anchura, tipo de relleno en función de su resistividad.
Figura 4.
Tomografía eléctrica sobre materiales metamórficos (según Granda, C., y Cambero,
J. C., 1998).
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Pese a su bondad, esta técnica no está suficientemente extendida debido al elevado
precio de los equipos de medida y tratamiento de los datos (software). En numerosas
ocasiones también podemos emplear, dentro de los métodos georresistivos, los sondeos eléctricos verticales, en dispositivo Schlumberger tetraelectródico, que requieren un
equipo de medida poco costoso, son rápidos y baratos en su ejecución y de fácil interpretación.
Teóricamente no pueden usarse esta técnica en este tipo de terrenos ya que se incumplen algunos de los supuestos de uso, especialmente el de horizontalidad de los estratos y el la isotropía horizontal de los materiales. El comportamiento e interpretación
de los s.e.v. realizados en la proximidad de una falla vertical ha sido estudiado por diferentes autores, especialmente por Kunetz, G. (1955) (figura 5). Normalmente se considera el caso de fracturas con salto vertical importante o que enfrenten materiales con
diferente resistividad.
Figura 5.
Sondeos eléctricos verticales en la proximidad de una falla vertical. Según Kunetz
(1955) y modificado por Astier (1975). Los SEV a y b corresponden a un sustrato no
fallado situado a profundidades p y 8 p, respectivamente.
Sin embargo, nuestra experiencia nos ha permitido desarrollar técnica de interpretación semicuantitativa de este tipo de investigación que permite la detección en el subsuelo de fracturas de escasa magnitud que siempre enfrenten materiales de altos valores
georresistivos. El procedimiento, en estos casos, consiste es el siguiente. El operador desplaza los electrodos espaciando e incrementando la distancia entre los electrodos de corriente, durante el curso de las medidas, pero siempre de forma paralela a la traza de fractura y sobre la vertical de la misma. Pueden realizarse varios SEV paralelos desplazando
los equipos de medida 1 o 2 metros de forma paralela entre cada SEV consecutivo.
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El perfil general del subsuelo investigado consiste en un suelo de espesor limitado
a uno o dos metros. Por debajo suele encontrarse un depósito coluvial de naturaleza
arcillosa y espesor comprendido entre los 10 y los 20 m de espesor. En estas condiciones la curva tipo resultante es como la que se muestra en la figura 5. Podemos observar que la subida correspondiente a los materiales paleozoicos metamórficos muy resistivos puede superar los 45° de pendiente.
En la figura 6 podemos ver ejemplos de curvas de SEV realizadas sobre la vertical
de planos de fractura subverticales o de fuerte buzamiento. Cuando estas fracturas son
de poco salto y enfrentan el mismo tipo de materiales con altos valores georresistivos
su presencia se muestra o detecta por una serie de caídas bruscas de la resistividad lo
que confiere a la curva un aspecto de «dientes de perro» (figura 7).
Figura 6.
Curvas tipo H características de las zonas investigadas.
Figura 7.
Curvas tipo H con «dientes de perro» que muestran la presencia de pequeñas fracturas que afectan a los materiales paleozoicos metamórficos.
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Todo lo anterior hace que algunos de los SEV realizados no puedan ser interpretados por el método tradicional cuantitativo, debido bien a que las curvas resultantes presentan inclinaciones superiores a los 45°, bien por la presencia de los «dientes de sierra». En estos casos recomendamos realizar una interpretación semicuantitativa o
cualitativa, forzando la rama final de la curva para que se ajuste a las curvas patrón y/o
interpretando estos dientes de sierra de fuertes caídas de la resistividad como debidos
a la presencia de fracturas o discontinuidades dentro del macizo rocoso.
3.
CONCLUSIONES
Es muy grande la superficie ocupada por materiales metamórficos en el interior de
los continentes. Aunque podemos considerar estos materiales como impermeables a nivel general no debemos olvidar que pueden presentar niveles acuíferos en su interior.
Estos niveles acuíferos sin muy irregulares en cuanto a distribución espacial y características hidráulicas. Sin embargo, pueden ser los únicos o los más importantes de los
presentes en muchas áreas de gran superficie.
La metodología de investigación que proponemos permite prospectar estos recursos
cubriendo de forma rápida y efectiva grandes áreas del territorio con empleo de equipos de investigación poco costosos y sofisticados, de rápida y cómoda ejecución y, eliminando en gran medida las incertidumbres tradicionales en cuanto al resultado. No
obstante, queremos resaltar que los métodos de investigación geológicos, fotogeológicos, geofísicos, etc., no detectan la presencia de agua sino que únicamente confirman
la existencia de estas discontinuidades dentro del macizo rocoso impermeable por las
que pudiera circular agua.
4.
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