metodos geofisicos

UNIVERSIDAD NACIONAL “JORGE BASADRE GROHMANN” FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, ARQUITECTURA Y GEOTECNIA

INTRODUCCION

Los metodos geofísicos han ganado un importante lugar para resolver diversos problemas asociados a definir las condiciones físicas y mecánicas de las estructuras geológicas del subsuelo; monitorear plumas de contaminación, evaluar propiedades mecánicas de los materiales geológicos, ubicar cavidades o contactos verticales que puedan poner en peligro una obra civil, asegurar las inversiones económicas; reconocer zonas de rellenos, entre otros.

En el área de la ingeniería civil, la prospección y las técnicas de prospección de mayor uso son: geoelectricidad, sismología, la gravimetría, la técnica del radar de penetración terrestre, y los registros geofísicos de pozos.

Por ello, este trabajo trata de presentar los fundamentos teóricos y algunos casos prácticos de los principales métodos de prospección geofísica aplicadas principalmente a obras de ingeniería Civil lo cual será de gran ayuda a estudiantes y profesionales para que tengan una mejor visión del tema a tratar.

GEOTECNIA PARA CIMENTACIONES - -


METODOS GEOFISICOS

1. OBJETIVOS

Se desea conocer los métodos de exploracion aplicados a subsuelo, en este caso los métodos geofísicos para el estudio de las condiciones de cimentación en una edificación.

2. METODO GEOFISICO

Loe métodos geofísicos son un conjunto de técnicas físicas y matemáticas, aplicadas a la exploración del subsuelo para la búsqueda y estudio de yacimientos de substancias útiles (petróleo, aguas subterráneas, minerales, carbón, etc.), por medio de observaciones efectuadas en la superficie de la tierra. Con los métodos geofísicos se puede investigar zonas sin acceso para el ser humano, como el interior de la tierra. En la búsqueda de yacimientos metalíferos (prospección, exploración) estos métodos pueden dar informaciones sin hacer una perforación de altos costos. Existen varios métodos geofísicos los cuales aprovechan propiedades físicas de las rocas. Pero todos dan solamente informaciones indirectas, es decir nunca sale una muestra de una roca. Los resultados de investigaciones geofísicas son hojas de datos (números) que esperan a una interpretación.

Algunos de los métodos utilizados en la exploración son:

o ESTUDIOS SISMOLÓGICOS: Consisten en producir artificialmente ondas sísmicas con una explosión pequeña o el impacto sobre la superficie de un objeto de gran peso (a veces, portado por un camión especial para esta tarea). Estos estudios detectan muy bien la presencia de hidrocarburos.

o ESTUDIOS GRAVIMÉTRICOS: Son aquellos que consisten en medir la intensidad de la fuerza gravitatoria de la Tierra, la cual puede cambiar cuando se está en presencia de grandes masas mineralizadas.

o ESTUDIOS MAGNETOMÉTRICOS: Éstos se basan en medir variaciones en el campo magnético de la Tierra a fin de detectar minerales como la magnetita que alteran el campo magnético.

o ESTUDIOS RADIOMÉTRICOS: Consisten en efectuar mediciones de las radiaciones que se emiten desde el interior de la Tierra. Resulta apropiada para detectar la presencia de minerales como el "radio" o el "uranio".



3. TIPOS DE METODOS GEOFISICOS

3.1. METODO SISMICO

El principio de los métodos sísmicos es la generación de ondas elásticas con una fuente artificial (golpe de marro, explosivos, electromecánicas,…) y el registro de la propagación del pulso generado se detecta en sismógrafos o geófonos colocados en la superficie del terreno o en pozos.

Los métodos sísmicos utilizan dos características importantes de la formación del subsuelo:

1º La velocidad de la propagación de las ondas elásticas que varían según la naturaleza del subsuelo y que depende de sus características de deformabilidad (modulo de elasticidad y coeficiente de Poison)

2º Particularmente que la estratigrafía del subsuelo está separada por superficies de contacto definidas que reflejan parte de la energía generada.

La velocidad de transmisión de las ondas sísmicas, definen superficies de separación en las que las ondas sufren refracción, reflexión y difracción (ley de Snell).

El registró e interpretación de los sismos naturales motivo a los geofísicos a adaptar la tecnología “pasiva” y convertirla en prospección sísmica, donde el microsismo puede ser generado por una explosión (“tronadura”), golpe de martillo, caída de un objeto muy masivo, etc. El análisis de muchas curvas camino/tiempo permite encontrar las primeras llegadas de diversas ondas mecánicas. A partir de estos datos se puede deducir directamente.

o Rapidez de cada onda o Espesor de cada estrato o Subtopografia



Software de prospección sísmica

Los métodos sísmicos se dividen en dos clases:

• EL MÉTODO SÍSMICO DE REFLEXIÓN es el más empleado en prospección petrolífera ya que permite obtener información de capas muy profundas. Permite definir los límites del acuífero hasta una profundidad de 100 metros, su saturación (contenido de agua), su porosidad. Permite también la localización de los saltos de falla.

• EL MÉTODO SÍSMICO DE REFRACCIÓN es un método de reconocimiento general especialmente adaptados para trabajos de ingeniería civil, prospección petrolera, y estudio hidrogeológicos. Permite la localización de los acuíferos (profundidad del sustrato) y la posición y potencia del acuífero bajo ciertas condiciones.

3.2. METODO ELECTRICO

Los métodos eléctricos son la modalidad de investigación geofísica más antigua y la utilizada por geólogos, geofísicos e ingenieros para distinguir y caracterizar el subsuelo. Los métodos eléctricos se basan en la medición de las propiedades eléctricas del subsuelo.

Todos los materiales de la Tierra oponen resistencia al flujo de la corriente eléctrica.

Esta propiedad se llama resistividad geoeléctrica, la cual nos permite diferenciar entre distintos materiales.



Perfil eléctrico de resistividades para detectar un penacho contaminante en una fosa de relleno

El ensayo puede realizarse en forma de sondeo eléctrico, buscando la variación de la resistividad con la profundidad. Para ello se hacen diferentes medidas variando la distancia entre los electrodos y manteniendo el centro de la alineación de los cuatro electrodos en un punto fijo. Al incrementar la distancia aumenta la profundidad alcanzada por las líneas de corriente, englobando, por tanto, una mayor profundidad de suelo. Si la resistividad crece, puede concluirse que hay un estrato profundo de mayor resistividad, sucediendo lo contrario si la resistividad decrece al aumentar la separación. La profundidad hasta la que puede aplicarse es de unos 20 metros.

En esta grafica se ve lo antes explicado acerca del método de exploración eléctrico por schlumberger:



Los métodos eléctricos son un tipo de método geofísico, y constituyen pruebas realizadas para la determinación de las características geotécnicas de un terreno, como parte de las técnicas de reconocimiento geotécnico. Esta prospección tiene como objetivo determinar la resistividad eléctrica de las rocas que constituyen el subsuelo y su distribución.

De tal manera que se puedan interpretar los cambios que se producen, debidos a la presencia del agua subterránea o al contenido mineralógico que presentan las formaciones de roca. Estos métodos eléctricos utilizan la distribución del subsuelo en términos de homogeneidad, basados en la caracterización resistiva. En esta distribución del subsuelo, es posible observar zonas anómalas que pueden ser debidas a estructuras geológicas contrastantes o bien la presencia de fluidos conductores como el agua y el contenido mineralógico que altera los valores de la resistividad del medio. El flujo de corriente a través del terreno discurre gracias a fenómenos electrolíticos, por lo que la resistividad depende básicamente de la humedad del terreno y de la concentración de sales en el agua intersticial. Por ello existe una gran variabilidad de valores de la resistividad para cada tipo de terreno, con rangos muy amplios. Las propiedades físicas de un material de acuerdo con su comportamiento electromagnético son: la constante dieléctrica, la permeabilidad magnética y la resistividad; la resistividad, es la propiedad que se mide en los métodos eléctricos de exploración.

La interpretación de los resultados de las investigaciones eléctricas se realiza mediante cálculos matemáticos que proporcionan unos resultados más confiables cuanto más parecido sea el modelo obtenido o real, al modelo Geológico de partida

a) Sondeos Eléctricos Verticales

Esta técnica utiliza la configuración la configuración Schlumberger, consiste en separar sucesivamente los electrodos de corriente A y B, del punto central siguiendo una línea recta.La resistividad aparente calculada es la correspondiente a mayores espesores según se va variando los electrodos.La profundidad habitual de investigación es entre 0 y 200 m.El resultado que se obtiene es la variación de la resistividad con la profundidad en el punto central del perfil.



b) Calicatas Eléctricas

Se adopta el dispositivo Wenner, donde las distancias AM; MN y NB son iguales y se mueve todo el dispositivo lateralmente a lo largo del perfil seleccionado.Detectando las variaciones laterales de resistividad aparente a una profundidad más o menos constante.La profundidad habitual de investigación están entre 0 y 50 m.

c) Dipolo-Dipolo o Pseudosecciones

En esta técnica se sitúa el dípolo MN lateralmente al AB y alineado con él.

Se mantiene fijo el dipolo se desplaza sucesivamente el MN.

Se mueve un paso AB y se repite el proceso.

El esquema de distribución de los electrodos y la distribución de las



Resistividades aparentes obtenidas se presentan en la figura

Y el resultado es un perfil de resistividades del terreno

3.3. MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS

El método está basado en el estudio la variación del componente vertical del campo gravitatorio terrestre. Se realiza mediciones relativas o es decir se mide las variaciones laterales de la atracción gravitatoria de un lugar al otro puesto que en estas mediciones se pueden lograr una precisión satisfactoria más fácilmente en comparación con las mediciones del campo gravitatorio absoluto.

El método gravimétrico se emplea como un método de reconocimiento general en hidrología subterránea para definir los límites de los acuíferos (profundidad de las formaciones impermeables, extensión de la formación acuífera, naturaleza y estructura de las formaciones del subsuelo).



Una prospección gravimétrica es capaz de detectar anomalías de gravedad que se traducen en diferencias de densidad del terreno. Por ejemplo, un déficit de gravedad (baja densidad) puede corresponder a domos de sal e hidrocarburos, mientras que un exceso de gravedad (alta densidad) puede corresponder a un cuerpo altamente mineralizado.

En el caso de estar en un terreno con topografía plana, tendremos que cualquier anomalía de gravedad se deberá a desviaciones de la densidad del subsuelo respecto de la “densidad base”.

En otras palabras, las anomalías gravitatorias son originadas por variaciones en la distribución de la densidad másica punto a punto (3D).por otro lado, si la topografía es compleja, las anomalías de gravedad podrán estar relacionadas ya sea con la geometría del terreno y/o con la distribución de densidades.

Aplicaciones:

MINERIA

• Localización de yacimientos de minerales metálicos• Localización de yacimientos de minerales no metálicos

GEOTECNIA

• Modelización del substrato rocoso• Detección de cavidades

MEDIOAMBIENTE

• Caracterización de vertederos



Ejemplo de detección de cavidades mediante gravimetría:

Los colores azules representan zonas de menor gravedad desvelando la forma y la localización de la cavidad.

3.4. MÉTODOS ELECTROMAGNETICOS

Esta es una de las técnicas más empleadas para la detección de objetos metálicos. Este tipo de prospecciones se realizan con dos bobinas de cobre una llamada bobina transmisora y otra bobina receptora separadas a una distancia determinada.

Se aplica una corriente alterna sobre la bobina trasmisora creando un campo magnético alterno llamado campo primario, que a su vez se transmite por todas partes incluido al subsuelo. Este campo magnético alternativo induce una corriente alterna a través del conductor creando un nuevo campo magnético llamado campo secundario. Lo que la bonina receptora recibe es la combinación del campo primario y secundario. Ambos campos magnéticos a su vez inducen una corriente alterna a través de la bobina receptora. Esta corriente es medida la cual es usada para determinar la intensidad del campo magnético combinado y la conductividad eléctrica en el punto donde se a producido la medición.

Las aplicaciones de este método son las siguientes:

MEDIO AMBIENTE

• Localización de bidones y/o depósitos enterrados

• Detección de plumas de contaminación



• Localización de servicos enterrados

• Delemitación de vertederos

ARQUEOLOGÍA

• Localización de estructuras antiguas

• Localización de cementerios

• Vestigios ancestrales

OBRA CIVIL

• Localización de servicios conductores metálicos

• Localización de servicios magnéticos

• Detección de cavidades y fisuras del terreno

• Control de mallazo metálico

EJEMPLO DEL MÉTODO

ELECTROMAGNÉTICO UTILIZANDO UN EM-31

Las alineaciones de color rojo representan la localización de cables eléctricos (mayor conductividad) que se dirigían desde la torre de control hasta el radar de la base.



3.5. OTROS MÉTODOS DE PROSPECCIÓN GEOFÍSICA

• RESONANCIA MAGNÉTICA PROTÓNICA (EN INGLES MAGNETIC RESONANCE SOUNDING - MRS).

Sirve para medir de manera directa la presencia de agua en las zonas saturadas y/o no saturadas de los acuíferos. El MRS permite estimar las propiedades del acuífero como cantidad de agua, porosidad o permeabilidad hidráulica.

• GEO-RADAR O GRP (GROUND PENETRATING RADAR).

Es un método eléctrico particular utilizando fuentes de corriente alterna donde se usa la reflexión de ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia (80 a 500 MHz). Permite, de manera versátil y rápida, la investigación a poca profundidad del subsuelo

• TOMOGRAFÍA ELECTROMAGNÉTICA POR RADIO-ONDAS.

Este método se utiliza para investigar la estructura geológica.

• MÉTODOS MAGNETOTELÚRICO

Permiten definir los límites de acuíferos, zonas de alta transmisividad, variaciones de permeabilidad y la localización de sistemas de fracturas.

• POLARIZACIÓN INDUCIDA.

Este método está basado en el estudio de la cargabilidad del subsuelo. Permite la localización de contaminación por hidrocarburos.

MÉTODOS RADIOMÉTRICOS.

En este caso se utilizan sensores radiactivos (como un contador Geiger-Müller), lo que permite medir procesos radiactivos naturales y artificiales. - Ejemplo de proceso radiactivo natural: Desintegración del potasio 40 en suelos arcillosos.

- Ejemplo de proceso radiactivo artificial: Estudio de los fotones reflejados vía interacción Compton cuando se utiliza una fuente radiactiva de Cs-137.

MÉTODOS GEOQUÍMICOS.

Estudio de muestras (normalmente extraídas de los nodos de una grilla) para su posterior análisis químico, lo que incluye la determinación de concentraciones de los diversos elementos químicos. Algunas pruebas: - Estudios microscópicos de la estructura cristalina.

- Cromatógrafo de gases.

- Espectrógrafo óptico de emisión.

- Determinación de la distribución isotópica mediante espectrómetros de gases.



MÉTODOS GEOTÉRMICOS.

Estudio de los gradientes de temperatura del terreno mediante sensores térmicos (efecto Seebek y efecto Peltier).

EXTRACCIÓN Y ANÁLISIS DE TESTIGOS.

Perforación de pozos y extracción de muestras a distinta profundidad con el objetivo de caracterizar físicamente el terreno. Evidentemente si las perforaciones se realizan en los nodos de una grilla, será posible obtener una visión 3D del subsuelo.

4. CONCLUSIONES

Se lograron entender los diferentes métodos citados anteriormente concluyendo que estos métodos nos proporcionan informaciones sobre la composición del subsuelo mediante alguna propiedad física medida a partir de la superficie terrestre, que puede ser la velocidad de una onda mecánica, o 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.

Los métodos 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 perturbar el sitio 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 más de un método para lograr obtener la información deseada.

5. BIBLIOGRAFIA

Krynine/Judo: Principios de Geología Y Geotecnia para Ingenieros; Editorial: Omega. Barcelona. España

Parasnis. D. S Principios de Geofísica Aplicada; Editorial: Paraninfo. Madrid. España

Gonzales de Vallejo: Ingeniería Geológica; Editorial Prentice Hall. Madrid .España

Griffiths/King: Geofísica Aplicada para Ingenieros y Geólogos; Editorial: parafino; Madrid. España.


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