Introducción a la Geofísica PDF

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Temas introductorios de los métodos geofísicos...

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1. INTRODUCCIÓN A LA GEOFÍSICA 1.1.  

Geofísica

Rama de la ciencia que aplica los principios físicos al estudio de la Tierra. La geofísica estudia la tierra en su composición y dinámica, sobre la base de medidas de tipo físico que normalmente se realizan desde la superficie del planeta.

Cuando hablamos de Geofísica, tenemos que hacer la separación entre: 1. La Geofísica pura o física de la Tierra 2. La Geofísica aplicada o prospección geofísica 1ra razón: por una cuestión de escala.  en Geofísica pura: la investigación es de todo el interior de la Tierra (desde la superficie hasta el centro: 0-6371 km).  en Geofísica aplicada: se investiga solamente los primeros kilómetros (0-10 km).  2da razón: los objetivos no son los mismos  en Geofísica pura: a partir de los fenómenos físicos observados, deducimos las propiedades físicas y la formación del globo terrestre.  en Geofísica aplicada: se pretende conocer los 10 primeros metros y hasta los 10 primeros km. del subsuelo para la prospección (en geofísica, la noción de prospección entiende la exploración o búsqueda de una sustancia o estructura del subsuelo que sean utilizable para el hombre) ¿Cuáles son las áreas de estudio de la Geofísica? La subdivisión del amplio tema de la geofísica en varias ramas requiere la clasificación de las distintas tareas. Sin embargo, en un sentido estricto, esta disciplina abarca todos los campos dedicados a la investigación del interior de la Tierra, de su atmósfera, de su hidrosfera (el agua) y de su ionosfera (atmósfera superior ionizada). 1.2 Objetivos de la prospección geofísica Los objetivos de la prospección geofísica, utilizando los contrastes y variaciones de las propiedades físico-químicas, son localizar en el subsuelo estratos (de rocas, suelos) que representen masas resistentes; localizar yacimientos de substancias útiles (petróleo, aguas subterráneas, minerales, entre otras); así como en el monitoreo de flujo y transporte de contaminantes; mapeo de eventualidades geológicas que representen un riesgo potencial para las obras civiles y riesgo humano. Por lo tanto la prospección geofísica, utiliza un conjunto de técnicas físicas y matemáticas, aplicadas a la exploración del subsuelo, por medio de observaciones efectuadas en la superficie de la tierra. 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 1.3 Aplicaciones de las técnicas de prospección geofísica a. Ingeniería civil

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Determinación del espesor de recubrimiento y del basamento. Cálculo de módulos dinámicos, grado de alteración y ripabilidad de las formaciones. Localización de huecos. Estado de las estructuras antrópicas (hormigones, pavimentos, inspección técnica de edificaciones) Estudios anterior y posterior a la construcción de túneles. Detección y evaluación de fracturas. Determinación de resistividades para tomas de tierra. Análisis de estabilidad de taludes. Reconocimiento de macizos rocosos. Localización de objetos férreos (depósitos, canalizaciones). Medida de propiedades físicas de muestras de terreno

b. Hidrogeología

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Localización y delimitación de la geometría de acuíferos. Determinación del nivel freático. Análisis de calidad del agua. Prospección de fracturas. Estudio de zonas con geotermalismo.

c. Medio ambiente

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Localización de enclaves para almacenamiento de residuos. Contaminación de acuíferos (intrusión marina, contaminantes agrícolas, aguas de mina) y de suelos. Caracterización de vertederos Detección de fugas de fluidos (embalses, gasolineras, tuberías). Valoración de riesgos geológicos.

d. Minería   

Localización y caracterización de recursos minerales (áridos, rocas industriales, rocas ornamentales, yacimientos metálicos, formaciones radiactivas). Estudios de apoyo en obras a cielo abierto y minería subterránea. Estudio de vibraciones y seguridad minera

e. Arqueología  

Localización de restos de edificaciones Pasadizos, galerías, necrópolis, fosas

f. Geología   

Geometría de estratos del terreno Determinación del espesor de cuencas sedimentarias y de palo relieves Investigación de zonas cársticas.

1.4 Métodos de prospección de superficie Los métodos geofísicos basan su aplicación en un fuerte contrate de las propiedades físicas de los materiales geológicos, entre las que se encuentran, densidad, potenciales naturales, permeabilidad magnética, potenciales REDOX, conductividad térmica, etc., y dependiendo de las condiciones físicas y morfológicas del sitio de estudio, se podrán aplicar diversas técnicas geofísicas para resolver un problema. 1.4.1 Gravimetría

El método está basado en el estudio de la variación del componente vertical del

campo gravitatorio terrestre. Se realiza mediciones relativas, es decir, se miden las variaciones laterales de la atracción gravitatoria de un lugar a otro; puesto que en estas mediciones se pueden lograr una precisión satisfactoria más fácilmente en comparación con las mediciones del campo gravitatorio absoluto.

1.4.2 Magnetometría La tierra es un imán natural que da lugar al campo magnético terrestre. Las pequeñas variaciones de este campo, pueden indicar la presencia en profundidad de sustancias magnéticas. El método magnético sirve para dar

información sobre el basamento y su profundidad particularmente para entornos cristalinos y metamórficos. De

igual manera ayudará a estudiar la geología regional y estructura.

1.4.3 Métodos eléctricos minerales, y más especialmente su resistividad. Generalmente, emplean un campo artificial eléctrico creado en la superficie por el paso de una corriente en el subsuelo. Estos métodos utilizan las variaciones de las propiedades eléctricas, de las rocas y Los métodos geoeléctricos pueden clasificarse en dos grandes grupos: 1. Los métodos inductivos, se trabajan con corrientes inducidas en el subsuelo a partir de frecuencias relativamente altas (entre 100 Hz y 1 MHz). 2. Los métodos conductivos, se introduce en el subsuelo una corriente continua o de baja frecuencia (hasta unos15 Hz), mediante electrodos. Los resultados en estudios geoeléctricos a veces se interpretan directamente, pero generalmente se estiman modelos de 1D, 2D o 3D usando los procedimientos de inversión. Cuando el estudio se dirige para obtener un modelo1D se llama SONDEO. Se usan los PERFILES para construir modelos 2D de la tierra. Para obtener interpretaciones 3D se usan arreglos de líneas múltiples de electrodos más complejos. 1.4.4 Sísmica Los métodos sísmicos se basan en la detección del frente de ondas elásticas producidas por una fuente artificial (martillo, explosivo, etc.), propagadas a través del subsuelo que

se investiga y detectadas mediante sensores (geófonos, hidrófonos). Obteniéndose una imagen del terreno en base a las propiedades elásticas de los materiales. a. Reflexión sísmica

Un impulso de energía compresional o cizalla viaja desde la fuente a través de la tierra. Esta

energía se reflejará y se refractará por los cambios en las propiedades elásticas de la tierra y densidad. Se diseñan los estudios de reflexión para grabar las señales que se han reflejado de los límites dentro de la tierra entre los materiales con diferente velocidad sísmica (qué se relaciona a la densidad y elasticidad). Los datos requieren un procesamiento significativo antes de que sean utilizables.

b. Refracción sísmica

Se diseñan los estudios de refracción para grabar señales que se han refractado

dentro de la tierra para que ellas lleguen atrás a la superficie. El método es popular para trazar la estructura subalterno-horizontal, pero no es muy eficaz a caracterizar los rasgos subalterno-verticales. Los instrumentos son similares a aquéllos usados para los estudios de la reflexión sísmicos, pero los diseños del campo son diferente.

c. Resumen de los métodos de prospección geofísica Método

Tipo

Fenómeno físico medido

Gravimetría Magnetismo Eléctrico polarización espontánea Eléctrico polarización inducida Electromagnético Sismología

Natural Natural Natural

Aceleración de la gravedad Campo magnético Campo eléctrico

Propiedad física deducida Densidad Susceptibilidad Resistividad

Provocado

Campo eléctrico

Resistividad

Provocado Natural

Resistividad Velocidad

Sísmica de refracción

Provocado

Sísmica de reflexión

Provocado

Radioactividad Georadar

Natural Provocado

Mediciones de pozos

Provocado

Campo eléctrico Tiempo de llegada de las ondas Tiempo de llegada de las ondas Tiempo de llegada+amplitud de las ondas Mineral radioactivo Tiempo de llegada + amplitud de ondas Varios

velocidad Velocidad Impedancia acústica = densidad x velocidad Mineral radioactivo Velocidad Varios

d. Métodos geofísicos directos e indirectos y su campo de aplicación

1.5 Historia de los métodos geofísicos de prospección Alrededor de 1640 la brújula magnética fue usada en la búsqueda de hierro. Como primero instrumento especialmente apto para la exploración aproximadamente 110 años atrás apareció la brújula minera sueca, cuya aguja magnética está suspendida de tal

manera, que puede rotar alrededor de su eje horizontal y de su eje vertical. Entre 1915 y 1920 entre varios instrumentos para la prospección magnética Adolf SCHMIDT desarrolló el variómetro, que lleva su nombre y que todavía ocasionalmente está en uso. La Segunda Guerra Mundial empujó el desarrollo de los magnetómetros aéroportados basándose en el principio electromagnético, puesto que los utilizaron para la detección de submarinos. Después de la guerra los magnetómetros aéroportados estuvieron disponibles para la exploración. El magnetómetro nuclear apareció en 1955, el magnetómetro de absorción atómica (con vapor de cesio y rubidio) en 1961 y entre 1960 y 1970 el gradiómetro magnético aéroportado. En 1815 Robert Fox descubrió, que algunos minerales exhiben polarización espontánea. Un siglo más tarde en 1913 Carl SCHLUMBERGER podía localizar un depósito de sulfuros aplicando este método. Además introdujo los métodos de resistividad y de la línea equipotencial aptos para aplicaciones en el terreno. Durante la tercera década de este siglo 20 (1920 - 30) las configuraciones de electrodos múltiples fueron aplicadas en la prospección y Hans Lundberg introdujo los métodos electromagnéticos, que alrededor de 1947 fueron adaptados para ser usados en aviones. Después de la Segunda Guerra Mundial los métodos magnetotelúricos y de la polarización inducida aparecieron, además en este tiempo se registra avances grandes en los métodos de interpretación, en particular con respecto a los métodos magnéticos y electromagnéticos. El origen de los métodos sísmicos aplicados en la exploración como los métodos de refracción y de reflexión es la sismología o es decir la observación de las ondas sísmicas generadas por un terremoto. Los tiempos de llegada de las primeras ondas sísmicas generadas por un terremoto y detectadas en varios observatorios sismológicos se utilizan para localizar el epicentro del terremoto (proyección del hipocentro ubicado en la corteza terrestre a la superficie terrestre, el epicentro se ubica en la intersección del radio, que pasa por el hipocentro, con la superficie terrestre) y para hallar el tiempo de origen de este terremoto. En base de estas informaciones se puede presentar la distribución de las velocidades de las ondas sísmicas en función de la profundidad de tal manera aclarando la estructura interna de la Tierra. En 1909 el sismólogo MOHOROVIVIC de Yugoslavia descubrió el límite entre la corteza y el manto, la llamativa discontinuidad de Mohorovicic o sólo Moho, que está caracterizada por un aumento apreciable en la velocidad de las ondas sísmicas p en una profundidad entre 5 (corteza oceánica) y 45 km (corteza continental). En 1913 GUTENBERG, calculó el valor correcto de la profundidad del núcleo de la Tierra (2900km) con base en datos obtenidos por la sísmica de refracción. Los métodos sísmicos de exploración fueron desarrollados a partir de la exploración petrolífera y de gas desde los años 1920. En 1923 el método de refracción fue introducido en la exploración petrolífera en México. Los métodos de reflexión se emplean rutinariamente desde 1927 en la exploración petrolífera (Maud field, Oklahoma) y ellos reemplazaron rápidamente los métodos de refracción en este campo. Desde los años 70s casi no se emplean los métodos de refracción en la exploración petrolífera.

1.6 Interpretación geofísica a. Noción de escala espacial y temporal Un estudio geofísico está definido dentro de un espacio que depende del objeto estudiado. A veces las medidas se hacen a lo largo de un perfil o dentro de un bloque 3D, pero generalmente están adquiridas de manera puntual dentro de una malla (cuadricula) con un espacio entre medidas especifico y función de la precisión deseada. En geofísica, la dimensión de los campos pueden extenderse dentro de 5-6 órdenes de magnitud, desde la escala pequeña (de 1 hasta 10 metros) para la ingeniería civil o la arqueología) hasta una escala de 10.000 km. para un estudio global (espacio entre malla: 10 km.). La escala temporal va desde el segundo hasta el Millones de años. b. Medida y precisión sobre la medida Una medida tiene interés solamente si conocemos el margen de error que puede tener esta medida. Siempre, buscamos una señal dentro de un ruido. Lo que vamos a interpretar, es una colección de datos, el muestreo tiene que ser de acuerdo con la dimensión del objetivo a alcanzar. Tipos de errores:  error de los aparatos de medición.  error de los operadores  error efectuado dentro la correcciones de las medidas (como la corrección de posición o topográfica)  error aleatorio  error sistemático como un ruido ambiental (electrónico, meteorológico, carretera.....)  error de muestreo La precisión sobre la medida representa un factor importante para poder interpretar cualquier señal dentro de un ruido y depende del objetivo a alcanzar. El geofísico siempre busca el mejor cociente señal sobre ruido a través del procesamiento. !!! Cuidado: la precisión sobre la medida es diferente de la resolución de los aparatos!!! la precisión incluye también todos los parámetros antes mencionados. c. Noción de modelo A partir de las medidas de superficie, el geofísico va a establecer una estructura teórica que podrá acercase lo más posible de las medidas. Tal estructura se llama un modelo.  Si aumentamos los datos (mallado más fino o complemento de datos de otro método), podemos afinar el modelo y mejorarlo.  Nunca el modelo es único. En teoría, siempre va a existir una infinidad de modelos que puedan explicar una serie de datos. En realidad, el número de modelo va a ser limitado para que sea aceptable de un punto de vista geológico.

 Es importante definir la escala del modelo. d. Noción de anomalía Por definición, la anomalía representa la diferencia entre el valor medido en un punto de un parámetro y el valor teórico de este mismo parámetro en el mismo punto. El calculo del valor teórico se hace mediante un modelo teórico. Se habla también de anomalía del subsuelo cuando un cuerpo ajeno se encuentra dentro de un medio encajante. La interpretación de las anomalías se hace mediante un modelado, 2 métodos para hacer este modelado:  método directo: parte de un modelo inicial del subsuelo -> calculamos a partir de este modelo los datos teóricos y los comparamos con los datos reales.  método inverso o inversión: parte de los datos reales –> calculamos a partir de los datos reales un modelo teórico-> calculamos a partir de este modelo los datos teóricos y los comparamos con los datos reales. Siempre que no coinciden los datos reales con los teóricos, modificamos el modelo inicial hasta que coinciden. Por iteraciones sucesivas, decimos que vamos ajustando el modelo. Finalmente, el modelo físico tiene que ser traducido a términos geológicos. Este estado de la interpretación requiere tener información geológica general disponible, de afloramientos, pozos y de cualquier otra medición geofísica. Toda esa información permitirá elegir con más seguridad entre los diferentes modelos físicos que se ajustan a las observaciones geofísicas.

Figura 1. Interpretación de un perfil eléctrico y su correlación geológica...