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Prospección Geofísica - 1Métodos de Campo Natural(Gravimetría y Magnetometría)Pedro Martínez PagánProspección Geofísica (Métodos de Campo Natural)Edita: Universidad Politécnica de Cartagena Primera Edición, Octubre 2014Autor: Pedro Martínez PagánI.S.B.: 978-84-95781-90-Depósito Legal:2Prospección Ge...

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Prospección Geofísica - 1 Métodos de Campo Natural (Gravimetría y Magnetometría)

Pedro Martínez Pagán

Prospección Geofísica (Métodos de Campo Natural)

Edita:

Universidad Politécnica de Cartagena Primera Edición, Octubre 2014

Autor:

Pedro Martínez Pagán

I.S.B.N.:

978-84-95781-90-1

Depósito Legal:

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Capítulo 1. Método Gravimétrico

PRÓLOGO ................................................................................................ 7 CAPÍTULO 1 ............................................................................................ 8 MÉTODO GRAVIMÉTRICO ......................................................................................... 8 Introducción ......................................................................................................... 8 Fundamentos físicos de la gravedad .................................................................... 9 1ª Ley Universal de Newton de la Gravitación ........................................................... 9 2ª Ley Universal de Newton del Movimiento ............................................................ 10 Potencial gravitacional ............................................................................................. 11 Derivadas del potencial gravitatorio, U ................................................................... 13 Campo gravitacional................................................................................................. 15 Unidades gravimétricas ............................................................................................ 16

Gravedad sobre la superficie de la Tierra .......................................................... 16 Variación de la gravedad por la forma de la Tierra ................................................ 16 Variación de la gravedad por la rotación de la Tierra............................................. 17 Efecto conjunto sobre la aceleración de la gravedad de la forma y de la rotación terrestre. ......................................................................................................................... 18 Expresión general de la fórmula internacional de la gravedad ............................... 19

Densidad de los materiales del subsuelo............................................................ 20 Densidad de las rocas y minerales ..................................................................... 20 Mediciones de la gravedad ................................................................................ 22 Gravedad absoluta .................................................................................................... 22 Gravedad relativa ..................................................................................................... 23 Emplazamiento de las estaciones de medida ............................................................ 23

Equipos de medida ............................................................................................. 23 Ensayo con caída libre de masas .............................................................................. 24 Péndulo oscilante ...................................................................................................... 25 Balanza de torsión .................................................................................................... 27 Gravímetros de muelles ............................................................................................ 28 Gravímetros estables o estáticos............................................................................... 29 Gravímetro Askania .......................................................................................................................... 30 Gravímetro Boliden ........................................................................................................................... 31 Gravímetro Gulf (Hoyt) ..................................................................................................................... 33

Gravímetros inestables o astáticos ........................................................................... 33 Gravímetro Thyssen .......................................................................................................................... 35 Gravímetro LaCoste-Romberg .......................................................................................................... 35

Gravímetro de cuerda vibrante. ................................................................................ 36

Corrección de las observaciones gravimétricas ................................................. 38 Corrección de deriva, δ gD......................................................................................... 38 Deriva instrumental .......................................................................................................................... 38 Corrección lunisolar o de mareas ..................................................................................................... 38

Prospección Geofísica (Métodos de Campo Natural) Corrección de latitud, δ gL ......................................................................................... 39 Corrección de aire-libre, δ gAL .................................................................................. 40 Corrección de Bouguer, δgB ..................................................................................... 40 Determinación indirecta de la densidad. Método de Nettleton (1939)............................................ 41

Corrección topográfica, δgT ..................................................................................... 42 Otras correcciones .................................................................................................... 47 Anomalía de Bouguer................................................................................................ 47

Procesado de los datos gravimétricos ................................................................ 47 Ruido, anomalías regionales y anomalía residuales ................................................ 48 Métodos gráficos de suavizado ................................................................................. 49 Métodos analíticos de suavizado .............................................................................. 51 Digitalizado o mallado de los datos gravíficos ................................................................................. 52 Suavizado por medio del promedio de los valores de Bouguer ....................................................... 52 Suavizado por medio del promedio ponderado de los valores de Bouguer ..................................... 55

Métodos gravimétricos de interpretación .......................................................... 63 Efecto gravífico de una esfera .................................................................................. 64 Efecto gravífico de un cilindro infinito horizontal.................................................... 65 Efecto gravífico sobre el eje de un cilindro vertical ................................................. 66 Caso general de un cilindro vertical .................................................................................................. 66 Caso de un cilindro vertical con z2 = ∞ ............................................................................................. 66

Efecto gravífico de una lámina delgada inclinada ................................................... 68 Efecto gravífico de un prisma rectangular horizontal y vertical .............................. 70 Efecto gravífico de una losa semi-infinita ................................................................ 71 Efectos gravíficos de formas complejas .................................................................... 73 Métodos gráficos. Gratículas ............................................................................................................ 73 Métodos analíticos. Poligonización................................................................................................... 74

Ejemplos de aplicación gravimétrica ................................................................. 76 Referencias del Capítulo 1 ................................................................................. 98 Burger, H. R. 1992. Exploration geophysics of the shallow subsurface. Prentice Hall. New Jersey. . 98 Cantos, J. 1987. Tratado de geofísica aplicada. 3ª ed. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas. Madrid. ........................................................................................................................................ 98 Chouteau, M. 2002. Géophysique appliquée. Gravimétrie. École Polytechnique de Montreal. ...... 98 Elkins, T. 1951. The second derivate method of gravity interpretation. Geophysics, XVI-1, pp. 29-50. ................................................................................................................................................................ 98 Griffin, R. 1949. Residual gravity in theory and practice. Geophysics, XIV-1, pp. 39-56. .................. 98 Hammer, S. 1939. Terrain corrections for gravimeter stations. Geophysics, pp. 184-194. .............. 98 Kearey, P., Brooks, M., Hill, I. 2002. An introduction to geophysical exploration. 3rd ed. Blackwell Publishing. ............................................................................................................................................... 98 Ketelaar, A. 1976. A system for computer-calculation of the terrain correction in gravity surveying. Geoexploration. pp. 57-65. ..................................................................................................................... 98 Mares, S., et al. 1984. Introduction to applied geophysics. Kluwer Academic Publishers. Prague. .. 98 Mirónov, V. S. 1977. Curso de prospección gravimétrica. Editorial Reverté. Barcelona................... 98 Nettleton, L. L. 1939. Determination of density for reduction of gravimeter observations. Geophysics, 4(3). pp. 176-183................................................................................................................. 98 Nettleton, L. L. 1954. Regionals, residuals, and structures. Geophysics, XIX-1, pp. 1-22. ................. 98 Parasnis, D. S. 1997. Principles of applied geophysics. 5th ed. Chapman and Hall. .......................... 98 Reynolds, J. 1997. An introduction to applied and environmental geophysics. John Wiley and Sons. London. ................................................................................................................................................... 98 Robinson, E., Çoruh, C. 1988. Basic exploration geophysics. John Wiley and Sons. ......................... 98 Rosenbach, O. 1953. A contribution to the computation of the “second derivative” from gravity data. Geophysics, XVIII-4, pp. 894-912. .................................................................................................. 98 Schoeffler, J. 1975. Gravimetrie appliquée. Éditions Technip. Paris. ................................................ 99

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Capítulo 1. Método Gravimétrico Telford, W. M., Geldart. L.P., Sheriff, R.E. 1998. Applied Geophysics. 2nd ed. Cambridge University Press. London. ......................................................................................................................................... 99

CAPÍTULO 2 ..................................................................................... 100 MÉTODO MAGNÉTICO........................................................................................... 100 Introducción ..................................................................................................... 100 Fundamentos de la teoría magnética ................................................................ 101 Flujo magnético, fuerza magnética, F, y permeabilidad magnética, µ .................. 101 Densidad de flujo magnético, B, y fuerza magnetizante, H ................................... 106 Concepto de la susceptibilidad magnética, k .......................................................... 109 Intensidad de magnetización inducida, M .............................................................. 109 Campo potencial para un campo magnético de origen dipolar, V(r) ..................... 111

Propiedades magnéticas de las rocas y minerales ............................................ 113 Clasificación magnética de las sustancias.............................................................. 113 Susceptibilidad magnética y magnetita (Fe3O4) ..................................................... 115 Serie binaria magnetita-ulvöspinel (óxidos) ........................................................... 116 Serie binaria hematites-ilmenita (óxidos) ............................................................... 117 Ciclo de histéresis de un material ferromagnético ................................................. 118 La magnetización de los suelos ............................................................................... 123

El campo magnético de la Tierra ..................................................................... 124 El campo principal del campo geomagnético (en inglés, main field) ..................... 124 Campo geomagnético de naturaleza no-dipolar ..................................................... 129 Variación secular .................................................................................................... 131

Equipos de medida. Magnetómetros ................................................................ 133 Magnetómetros mecánicos...................................................................................... 134 Variómetro de intensidad vertical (tipo balanza de Schmidt)......................................................... 136 Magnetómetro de torsión .............................................................................................................. 137

Magnetómetro de saturación o Fluxgate ................................................................ 140 Magnetómetro de precesión protónica ................................................................... 144 Magnetómetro de precesión electrónica ................................................................. 146 Gradiómetros .......................................................................................................... 152

Operación del método magnético .................................................................... 152 Procedimientos de campo ....................................................................................... 153 Ruido magnético ..................................................................................................... 154 Corrección diurna ................................................................................................... 154 Corrección de elevación ......................................................................................... 155 Corrección de la posición horizontal...................................................................... 156

Anomalías magnéticas producidas por formas simples ................................... 159 Efecto magnético de un polo aislado (monopolo)................................................... 165 Efecto magnético de un dipolo ................................................................................ 167 Efectos magnéticos de objetos 2D. Líneas de polos y dipolos ................................ 172 Efecto magnético de un dique inclinado (prisma) .................................................. 176 Efecto magnético de una placa (o lámina) inclinada ............................................. 183 Efecto magnético de una lámina horizontal............................................................ 189

Prospección Geofísica (Métodos de Campo Natural) Efecto magnético de una lámina horizontal semiinfinita. Efecto de una falla........ 192 Contacto lateral entre dos materiales de características magnéticas diferentes ... 198

Métodos para la interpretación de las anomalías magnéticas .......................... 201 Métodos para la determinación simple de la profundidad ..................................... 201 Métodos basados en el modelado en dos y tres dimensiones.................................. 207 Método de deconvolución de Euler ......................................................................... 208 Métodos de derivación para separar las anomalías locales de las regionales ...... 210

Ejemplos de aplicación magnetométrica ......................................................... 212 Referencias del Capítulo 2 ............................................................................... 230

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Capítulo 1. Método Gravimétrico

Prólogo La prospección geofísica es una ciencia que engloba un conjunto de técnicas que, a través de medidas no destructivas en superficie (geofísica terrestre), permiten identificar los materiales y fluidos que constituyen el subsuelo. Estos métodos representan las primeras herramientas en las etapas previas de la investigación del subsuelo, conjuntamente con los conocimientos geológicos. Su empleo es especialmente relevante en la exploración de recursos naturales (gas, petróleo, minerales energéticos y no energéticos, rocas industriales, etc.) y de aguas subterráneas. Actualmente, se están produciendo continuos avances en el desarrollo de nuevas técnicas, de algoritmos de procesado, aparición de nuevos equipos que se adaptan a todas las necesidades, etc. lo que ha supuesto su incorporación a la resolución de problemas existentes a profundidades someras: investigaciones arqueológicas, estudios de contaminación de suelos, caracterización geotécnica de emplazamientos para infraestructura civil, etc. De ahí, que las técnicas geofísicas jueguen, cada vez más, un papel destacado en los proyectos llevados a cabo por profesionales de diversa índole: ingenieros geólogos, ingenieros de minas, físicos, arqueólogos, geólogos, hidrogeólogos, etc. Este libro es una introducción del método gravimétrico y del método magnético (métodos de campo natural o métodos pasivos), abordando aspectos como los principios físicos, la metodología de trabajo, los equipos empleados, técnicas de procesamiento e interpretación y ejemplos prácticos. Pretende servir de libro de apoyo para los alumnos de grado que cursen asignaturas de geofísica aplicada o exploración, aportándoles los conocimientos necesarios para conocer el potencial y las limitaciones de estas técnicas, así como adquirir cierta capacidad en la interpretación y lectura de los documentos geofísicos. También es un texto adecuado para aquellos profesionales cuyo trabajo está relacionado con el uso de estas técnicas y quieran adquirir una base teórica sobre los principios en los que se basan. Al final de cada capítulo también se facilita una lista bibliográfica donde el lector puede profundizar determinados aspectos tratados en cada uno de los capítulos. Espero que su lectura sea útil y que el lector sepa disculpar posibles erratas que hayan podido producirse.

Cartagena, 12 de septiembre de 2007

Pedro Martínez Pagán Dr. Ingeniero de Minas

Prospección Geofísica (Métodos de Campo Natural)

Capítulo 1 Método Gravimétrico

Introducción En prospección gravimétrica, la geología del subsuelo es investigada en base a las variaciones del campo gravitacional terrestre motivadas por las diferencias de densidad existente entre los materiales que conforman el subsuelo. En exploración gravimétrica subyace la idea del cuerpo causante de la anomalía gravimétrica o gravífica (Kearey et al., 2002), el cual representa a una unidad rocosa de diferente densidad de la de su entorno, sin embargo muchas veces no es posible determinar una única fuente para una anomalía observada. Los métodos gravimétricos lo que realmente mi...