4.4 MÉTODO GEOFÍSICO

4.4.1 Definición

Los métodos geofísicos son pruebas realizadas para la determinación de las características geotécnicas de un terreno, como parte de las técnicas de un reconocimiento geotécnico.

Cuando se intenta explorar un terreno y este no presenta una estructura igual en su superficie que en el subsuelo (por ejemplo, en desiertos, en selvas o en zonas pantanosas), los métodos geológicos de estudio de la superficie no resultan útiles, por lo cual hay que emplear la Geofísica, ciencia que estudia las características del subsuelo sin tener en cuenta las de la superficie.

Estos tipos de métodos intentan evaluar las características del terreno basándose en la medida de ciertas magnitudes físicas tomadas generalmente en la superficie del terreno. No obstante, gracias a su rapidez y economía, están especialmente indicados para investigar áreas extensas o alineaciones de gran longitud entre sondeos que se encuentren alejados, y de esta forma poder interpolar los resultados obtenidos en las prospecciones extremas, o establecer, en su caso, la necesidad de realización de sondeos intermedios.

4.4.2 Tipos

La detección de un yacimiento por medio de un método geofísico es algo muy importante ya que al utilizar un método geofísico este nos proporcionará datos que nos servirá para tomar decisiones.

Entre los métodos de exploración geoquímica tenemos:

Metodo sísmico (refracción y reflexión) Método de resistividad eléctrica Métodos magnéticos Métodos gravimétricos Georadar o GPR PID (photo ionization detector)

Naturalmente ninguno de los métodos referidos puede considerarse como el "ideal" para la prospección minera, ya que cada uno tiene su propio campo de aplicación, sus limitaciones y sus propias ventajas e inconvenientes, dándose el caso que los mejores resultados se obtienen mediante la combinación de dos o más métodos.

4.4.3 Método Sísmico

Los métodos sísmicos aprovechan la reflexión y refracción de ondas acústicas en el subsuelo, la amplitud de estas es registrada para detectar acuíferos, cavidades, depósitos de carbón, grava, arena y mapear lechos rocosos; así como estudiar condiciones de la roca tales como sus parámetros elastomecánicos, fracturabilidad y estratigrafía, importantes a la hora de hacer perforación con pozos, diseño de vías, estudios geotécnicos y de futuras obras civiles.

Los métodos de prospección sísmica se dividen en dos tipos: el análisis de la refracción y el análisis por reflexión, siendo este último el más utilizado.

Este procedimiento se funda en la diferente velocidad de propagación de las ondas vibratorias de tipo sísmico a través de diferentes medios materiales (como se muestra en la figura 4.4.3.1).

Los métodos sísmicos son utilizados para medir velocidad de propagación de ondas en el subsuelo permitiendo caracterizar el subsuelo desde la superficie a centenas de metros. Dentro de las aplicaciones podemos mencionar:

1) Determinación de la profundidad a la roca sana.2) Caracterización del basamento rocoso.3) Determinación de la estratigrafía y geometría del subsuelo.4) Cálculo de parámetros elásticos del subsuelo a partir de las velocidades de onda

(P y S).5) Apoyo en la detección de agua subterránea.6) Evaluación de bancos de material (arena, grava, roca, etc.).

Fig.4.4.3.1. La onda sísmica producida por explosiones artificiales atraviesa las diferentes placas terrestres.

4.4.4 ¿En qué consiste?

Los estudios sísmicos se basan en la medición del tiempo en que las ondas sísmicas tienen que cruzar las capas sedimentarias. A pesar de ser fundamentalmente una herramienta de trabajo de exploración, los estudios sísmicos se han convertido en un método muy eficaz en términos de costos, para optimizar la producción de un campo. Estos estudios involucran la generación de ondas sonoras artificiales que se propagan a lo largo de las rocas y depósitos que se reflejan de vuelta a los receptores que registran la información recibida.

El método consiste en provocar una explosión en un punto determinado del área a explorar usando una pequeña carga de explosivo. (fig. 4.4.4)

La ondas sonoras artificiales que se propagan a lo largo de las rocas y depósitos que se reflejan de vuelta a los receptores que registran la información recibida.

Los métodos de prospección sísmica se dividen en dos tipos: el análisis de la refracción y el análisis por reflexión, siendo este último el más utilizado.

La refracción se basa en la refracción impuesta por una ola que viaja a través de dos medios diferentes, dependiendo de los sectores involucrados la refracción será mayor o menor.(fig. 4.4.4 A)

La reflexión se basa en el hecho de que el tiempo de propagación de cada tipo de formación geológica es diferente, así el eco medido en "micrófonos" tiene tiempos de llegada característicos para cada tipo de formación. (fig.4.4.4 B)

(Fig.4.4.4) Generación de ondas sonoras artificiales que se propagan a lo largo de las rocas y depósitos.

La velocidad de propagación de las ondas sísmicas en el terreno depende de sus características de deformabilidad. Por la zona a explorar se sitúan registradores de ondas (geófonos), separados entre sí de 15 a 30 m.

4.4.5 METODO DE RESISITIVIDAD ELECTRICA

Las medidas de resistividad eléctrica del subsuelo son habituales en las prospecciones geofísicas. Su finalidad es detectar y localizar cuerpos y estructuras geológicas basándose en su contraste resistivo. El método consiste en la inyección de corriente continua o de baja frecuencia en el terreno mediante un par de electrodos y la determinación, mediante otro par de electrodos, de la diferencia de potencial. La magnitud de esta medida depende, entre otras variables, de la distribución de resistividades de las estructuras del subsuelo, de las distancias entre los electrodos y de la corriente inyectada.

Este método se basa en el hecho de que los suelos, dependiendo de su naturaleza, presentan una mayor o menor resistividad eléctrica cuando una corriente es inducida a través. Su principal aplicación está en el campo de la minería, pero en mecánica de suelos se ha aplicado para determinar la presencia de estratos de roca en el subsuelo.

La resistividad eléctrica de una zona de suelo puede medirse colocando cuatro electrodos igualmente espaciados en la superficie y alineados; los dos exteriores, conectados en serie a una batería son los electrodos de corriente (medida por un miliamperímetro), en tanto que los interiores se denominan de potencial de la corriente circulante.

El método sirve, en primer lugar, para medir las resistividades a diferentes profundidades, en un mismo lugar y, en segundo, para medir la resistividad a una profundidad, a lo largo de un perfil. Lo primero se logra aumentando la distancia entre electrodos, con lo que se

Fig. (4.4.4 “A”) Fig. (4.4.4 “B”)

(Fig.4.4.5) Configuración de la medición de resistividad del terreno con el Fluke 1623 ó 1625.

logra que la corriente penetre a mayor profundidad. Lo segundo se logra conservando la distancia constante y desplazando todo el equipo sobre la línea a explorar.

Las mediciones de resistividad del terreno a menudo se ven distorsionadas por la existencia de corrientes de tierra y sus armónicos. Para impedir que esto ocurra, el Fluke 1625 emplea un sistema de control automático de frecuencia, el cual selecciona automáticamente la frecuencia de medición con la mínima cantidad de ruido que le permita obtener una lectura clara. (fig. 4.4.5)

La composición, el contenido en humedad y la temperatura influyen en la resistividad del terreno. El terreno es rara vez homogéneo y, la resistividad del mismo varía geográficamente y a diversas profundidades.

La medida de la resistividad aparente se realiza normalmente mediante cuatro electrodos, dos para inyectar la corriente y otros dos para medir la diferencia de potencial. Los dispositivos lineales más utilizados son: Wenner, Schlumberger, doble dipolo, polo-dipolo y polo-polo.

Cuando se pretende obtener imágenes en dos o tres dimensiones de la distribución de resistividad del subsuelo es más adecuado utilizar una combinación de calicatas.

4.4.6 Método Magnético

La magnetometría permite identificar una potencial acumulación de hidrocarburos una vez que las rocas sedimentarias tienen una susceptibilidad magnética muy baja.

Este método geofísico de exploración se basa en la diferencia de campo magnético que presenta la geografía en distintos sectores. Mediante magnetos o agujas magnéticas se miden las propiedades magnéticas de la Tierra. A partir de un cartografiado de los puntos de interés se trazan curvas que revelan la presencia de sectores diferenciados. Este es el método más antiguo utilizado en la prospección petrolífera.

El método magnético es el método geofísico de prospección más antiguo aplicable en la prospección petrolífera, en las exploraciones mineras y de artefactos arqueológicos.

En la prospección petrolífera el método magnético entrega informaciones acerca de la profundidad de las rocas pertenecientes al basamento. A partir de estos conocimientos se puede localizar y definir la extensión de las cuencas sedimentarias ubicadas encima del basamento, que posiblemente contienen reservas de petróleo.

Aún no siempre con éxito se lo aplica en el levantamiento de la topografía del basamento, que puede influir la estructura de los sedimentos superpuestos.

Se lo emplea en la delineación de depósitos magnéticos intrasedimentarios como rocas subvolcánicas e intrusiones emplazadas en somera profundidad, que cortan la secuencia sedimentaria normal. Como las rocas sedimentarias generalmente ejercen un efecto magnético desapreciado en comparación con el efecto magnético generado por las rocas ígneas la mayoría de las variaciones de la intensidad magnética medidas a la superficie terrestre resulta de cambios litológicos o topográficos asociados con rocas ígneas o con rocas del basamento. El desarrollo reciente de magnetómetros de alta precisión posibilita ahora la definición de pequeñas repuestas magnéticas de alta frecuencia y la detección de variaciones muy pequeñas de la intensidad magnética, que podrían ser relacionadas con variaciones diminutas en el carácter magnético de rocas sedimentarias yacentes en profundidad somera con respecto a la superficie terrestre.

Además el método magnético se puede emplear en la búsqueda de agua subterránea. Por medio de estudios aeromagnéticos se puede localizar zonas de fallas, de cizallamiento y de fracturas, que pueden albergar una variedad grande de minerales y dirigir a una mineralización epigenética, relacionada con estress de las rocas adyacentes. El conocimiento de sistemas de fracturas y de acuíferos en rocas solidificadas cubiertas por una capa de depósitos aluviales puede facilitar la búsqueda y explotación de agua subterránea.(fig. 4.4.6)

A través del método magnético se puede levantar las discordancias y las superficies terrestres antiguas ahora cubiertas por rocas más jóvenes con el fin de explorar minerales detríticos y/o minerales de uranio relacionados con discordancias.

Hasta el medio de la quinta década de este siglo prácticamente solo se llevaron a cabo los métodos magnéticos de exploración en la superficie terrestre. Hoy día en la

(fig. 4.4.6) Se usa un magnetómetro, que mide la componente vertical del campo magnético terrestre en la zona considerada, en varías estaciones próximas entre sí.

prospección petrolífera se emplean casi exclusivamente magnetómetros instalados en aviones y en barcos. En los estudios de reconocimiento de depósitos minerales se emplean magnetómetros aeroportados.

4.4.6.1 Alcance del método magnético

Las anomalías magnéticas detectadas a través de estudios magnéticos en terreno se explican con variaciones en las propiedades físicas de las rocas como la susceptibilidad magnética y/o la imantación remanente de las rocas. Estas propiedades físicas solo existen a temperaturas debajo de la temperatura de Curie. En consecuencia los generadores de las anomalías magnéticas podemos hallar hasta una profundidad máxima de 30 a 40 km.

4.4.7 Método Gravimétrico

Por gravimetría se crean mapas de la intensidad del campo gravitacional, que es directamente proporcional a la densidad de las formaciones. Permitiendo la identificación de rocas con densidades anómalas (estructuras ígneas o de solución salina), mientras que las zonas con menor densidad son más propicias para la existencia de hidrocarburos.

Es un método geofísico de búsqueda de sectores mineralizados que aprovecha la diferencia de gravedades en distintos sectores. Funciona midiendo la atracción gravitacional que la tierra ejerce sobre una masa determinada. La no esfericidad de la tierra y sus movimientos de rotación y translación provocan que la gravedad que ejerce no sea constante.

Grandes sectores mineralizados aumentarán la aceleración, por lo que estas anomalías pueden medirse como diferencias de densidades.

El gravímetro es por tanto un instrumento que consta de una masa unida a un resorte. La medida que se toma es la elongación del muelle en diferentes puntos. Cartografiando las medidas puede obtenerse un mapa con las diferentes densidades que presenta el terreno a explorar.

El gravímetro es un equipo que puede medir diferencias muy finas en la gravedad. Gravímetro o gravitómetro es un instrumento utilizado en gravimetría para medir el campo gravitacional local de la Tierra. Aunque funcionan con el mismo principio de diseño de los acelerómetros, los gravímetros están diseñados para ser más sensibles con el fin de medir los pequeños cambios dentro de la gravedad de la Tierra de 1g, causados por estructuras geológicas cercanas o por la propia forma de la Tierra. Esta sensibilidad significa que los gravímetros son susceptibles a vibraciones externas incluyendo el ruido, el cual tiende a causar aceleración oscilatoria. (fig. 4.4.7)

4.4.8 Refracción

La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada.

Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa frecuentemente en ondas electromagnéticas como la luz, el concepto es aplicable a cualquier tipo de onda.

Se produce cuando la luz pasa de un medio de propagación a otro con una densidad óptica diferente, sufriendo un cambio de rapidez y un cambio de dirección si no incide perpendicularmente en la superficie. Esta desviación en la dirección de propagación se explica por medio de la ley de Snell. Esta ley, así como la refracción en medios no homogéneos, son consecuencia del principio de Fermat, que indica que la luz se propaga entre dos puntos siguiendo la trayectoria de recorrido óptico de menor tiempo.

Por otro lado, la velocidad de la penetración de la luz en un medio distinto del vacío está en relación con la longitud de la onda y, cuando un haz de luz blanca pasa de un medio a otro, cada color sufre una ligera desviación. Este fenómeno es conocido como dispersión

(fig. 4.4.7) Esquema de funcionamiento básico de un gravímetro.

de la luz. Por ejemplo, al llegar a un medio más denso, las ondas más cortas pierden velocidad sobre las largas (ej: cuando la luz blanca atraviesa un prisma). Las longitudes de onda corta son hasta 4 veces más dispersadas que las largas lo cual explica que el cielo se vea azulado, ya que para esa gama de colores el índice de refracción es mayor y se dispersa más.

En la refracción se cumplen las leyes deducidas por Huygens que rigen todo el movimiento ondulatorio:

El rayo incidente, el reflejado y el refractado se encuentran en el mismo plano. Los ángulos de incidencia y reflexión son iguales, entendiendo por tales los que

forman respectivamente el rayo incidente y el reflejado con la perpendicular (llamada Normal) a la superficie de separación trazada en el punto de incidencia.

La velocidad de la luz depende del medio por el que viaje, por lo que es más lenta cuanto más denso sea el material y viceversa. Por ello, cuando la luz pasa de un medio menos denso (aire) a otro más denso (cristal), el rayo de luz es refractado acercándose a la normal y por tanto, el ángulo de refracción será más pequeño que el ángulo de incidencia. Del mismo modo, si el rayo de luz pasa de un medio más denso a uno menos denso, será refractado alejándose de la normal y, por tanto, el ángulo de incidencia será menor que el de refracción. Así podemos decir que la refracción es el cambio de dirección de la propagación que experimenta la luz al pasar de un medio a otro.

4.4.9 Reflexión

La reflexión es el cambio de dirección de una onda, que al estar en contacto con la superficie de separación entre dos medios cambiantes, regresa al punto donde se originó. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua.

La luz es una manifestación de energía. Gracias a ella las imágenes pueden ser reflejadas en un espejo, en la superficie del agua o un piso muy brillante. Esto se debe a un fenómeno llamado reflexión de la luz. La reflexión ocurre cuando los rayos de luz que inciden en una superficie chocan en ella, se desvían y regresan al medio que salieron formando un ángulo igual al de la luz incidente, muy distinta a la refracción.

Es el cambio de dirección, en el mismo medio, que experimenta un rayo luminoso al incidir oblicuamente sobre una superficie. Para este caso las leyes de la reflexión son las siguientes:

1a. ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal, se encuentran en un mismo plano.

2a. ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

4.4.8.1 Reflexión Sísmica

Las ondas sísmicas producidas por terremotos o por otras fuentes tales como explosiones, pueden ser reflejadas por capas dentro de la Tierra. El estudio de las ondas sísmicas reflejadas en las profundidades ha dado a los sismólogos la oportunidad de determinar las capas que conforman la estructura de la Tierra. El estudio de las ondas sísmicas reflejadas de poca profundidad se utiliza en sismología por reflexión, que estudia la corteza de la Tierra en general, y en particular para encontrar posibles yacimientos de petróleo o gas natural.

4.4.10 Georadar

Un Georadar, radar de penetración de tierra, radar de penetración terrestre, radar de sondeo terrestre, GPR o radar inferior, se utiliza para investigar o detectar objetos, estructuras.

Está aceptado que la primera aplicación se realizó el 1929 a Austria para determinar el espesor de un glaciar. La misma tecnología fue utilizada, por ejemplo, en el Ártico para determinar el grosor del hielo y poder evaluar así, si un avión podía aterrizar sobre ella.

Imagen 4.4.10 A Georadar utilizado para el método directo de investigación

Un GPR también se utiliza, para investigar las propiedades de las capas del suelo. En los últimos 70 años han aumentado considerablemente las aplicaciones, por ejemplo, en geofísica

Es una avanzada tecnología no invasiva, es decir, sin la necesidad de perforaciones, catas o similares, que permite obtener una imagen del subsuelo pudiendo localizar servicios enterrados, estructuras geológicas, problemas relacionados con la geotecnia, vestigios arqueológicos, y contaminación de suelos y aguas subterráneas.

4.4.11 PID (Photo Ionization Detector)

Mide los cambios de señal que generan los analitos cuando son ionizados por una lámpara de luz ultravioleta.

Este genera una idea del grado de contaminación pudiendo detectar el nivel total de Compuestos Orgánicos Volátiles (VOCs), otros Hidrocarburos derivados del Petróleo y gases tóxicos (incluyendo hidrocarburos clorados), en órdenes de magnitud por debajo de los ppb.

Bibliografía:

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9todos_geof%C3%ADsicos

http://materias.fi.uba.ar/6756/Clase_Exploracion1C07.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Grav%C3%ADmetro

http://www.atmosferis.com/metodos-geofisicos-de-exploracion-de-petroleo/

http://www.geovirtual2.cl/EXPLORAC/TEXT/05001magnet.html

http://www.fluke.com/fluke/mxes/soluciones/resistencia-de-tierra/m%C3%A9todo-de-resistividad-de-suelos.htm

http://www.galpenergia.com/ES/agalpenergia/Os-nossos-negocios/Exploracao-Producao/fundamentos-engenharia-petroleo/Paginas/Busqueda-del-petroleo.aspx