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Prospeccin magntica de estructuras krst icas en zonasperiurbanas; un mtodo eficaz para la elaboracin de

mapas de riesgos.

Magnetic prospection of karstic structures in periurban zones; an effective tool for carrying outhazard maps.

T. Mochales(*), E.L. Pueyo(**), A.M. Casas(*)

(*) Grupo de investigacin Geotransfer. Dpto. de Ciencias de la Tierra, Universidad de Zaragoza, Pedro Cerbuna 12,50009 Zaragoza, Spain. E-mail: tania@unizar.es.(**) Unidad de Geologa y Geofsica. Instituto Geolgico y Minero de Espaa, Fernando el Catlico 59, 4C, 50006Zaragoza, Spain.

ABSTRACT

Magnetic prospecting is usually discarded in the detection of subsoil cavities in urban and urbanoutskirts areas due to the potential interference of external electromagnetic fields. However ahighly contrasted susceptibility between the media involved may allow its successful applicationto map these dangerous structures. Collapse and subsidence dolines frequently appear inQuaternary terraces resting on Tertiary gypsum in the surroundings of Saragossa. Magneticsusceptibility was monitored in both, geotechnical cores and surface exposures, displayingremarkable magnetic contrasts (around five orders of magnitude). One recently collapsed doline(latterly refilled with urban debris) was selected to check the validity of the assumption. Asquare grid 10 times bigger than the doline diameter was densely measured with two differentproton gradiometers. The survey evinces a large dipole defined by more than 650 nT. Two otherdolines, not showing surface evidences, were also detected during the survey. These resultsvalidate the starting hypothesis and open a new research approach to the problem.

Key words: Geophysical survey, doline, sinkhole, geomagnetic survey, susceptibility andremanence.

RESUMEN

Debido al ruido potencial de campos electromagnticos externos, la prospeccin magntica escasi siempre descartada a la hora de detectar cavidades subterrneas en zonas urbanas yperiurbanas. No obstante un contraste suficientemente alto entre los materiales implicadospodra permitir su aplicacin a la hora de cartografiar estas peligrosas estructuras. Las dolinasde subsidencia y colapso se desarrollan habitualmente en el entorno zaragozano sobreterrazas Cuaternarias que descansan sobre yesos Terciarios. Abundantes medidas desusceptibilidad magntica (en superficie y sondeos) reflejan contrates de susceptibilidad dehasta cinco ordenes de magnitud. Para validar la aplicabilidad del mtodo se seleccion unadolina de colapso (posteriormente rellena de escombros) sobre la que se obtuvieron

numerosas medidas con dos gradimetros diferentes en un rea 10 veces mayor que eldimetro de la dolina. La prospeccin permiti observar un gran dipolo (650 nT) centrado en elobjetivo as como la evidencia de otras dos estructuras karsticas que no mostraban indiciossuperficiales. Estos resultados validan la hiptesis de partida y abren nuevas posibilidades deinvestigacin sobre el problema.

Introduccin

El sustrato terciario del entornode Zaragoza est principalmenteconstituido por yesos y margas,fcilmente solubles ymovilizables en presencia de

agua y una diferencia de gra-diente hidrulico que favorezca

su circulacin. etc. El entornourbano se corresponde conzonas tradicionalmente deregado, hecho que aumenta deforma exponencial los procesosde disolucin del yeso Terciarioy arrastre de la cobertera aluvialfavoreciendo el desarrollo delkarst. El desmesurado creci-

miento de las zonas urbanas eindustriales desde los aos 60,ha ocupado antiguas reasrurales, situadas sobre lasterrazas ms jvenes, donde laaparicin de dolinas es msfrecuente. Debido al alto riesgopara personas y bienes que esteproceso supone, es necesario el

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desarrollo de mtodos dedeteccin e identificacin queaseguren la edificacin sobrezonas estables o permitanconocer la morfologa delterreno para tomar las

precauciones geotcnicaspertinentes antes de construir.

Diferentes mtodos deprospeccin geofsica, ocombinaciones de ellos (ssmica,gravimetra, GPR, tomografaelctrica) han sido utilizados conxito en otras zonas del planeta

para detectar y cartografardolinas (Bishop et al., 1997;Neal et al., 2002; Reynolds,1997; Zhou et al., 2002 yreferencias citadas). Laprospeccin magntica ha sido

escasamente utilizada debido alpotencial ruido magnticoexistente en las reas demuestreo, sin embargo, trabajosrecientes han demostrado la granaplicabilidad y conveniencia desu uso para la exploracin degrandes superficies de formamuy rpida y eficaz en zonas

periurbanas (Rybakov et al.,2005; Math et al., 2006;Mochales et al., 2006a y 2006b).

En este trabajo se presentanalgunos resultados obtenidostras la aplicacin de la

prospeccin magntica en zonasdel entorno urbano de Zaragozacomo un mtodo eficaz para ladeteccin y cartografapreliminar de cavidades en elsubsuelo.

Fig. 1. a) I lustracin geolgica de la Cuenca del Ebro. L a estrella indica lalocalizacin de la zona de estudio. b) Mapa geomorfolgico del noroeste de

Zaragoza (del estudio de las fotos areas de 1957). El cuadro indica la zona de

estudio. c) imagen de satlite mostrando la zona de estudio: El Caidero.Fig.1. a) Geological sketch of the Ebro Basin. The star indicates the location of the

studied area. b) Geomorphological map northwest Zaragoza (from the study of aerialphotographs of 1957). The square shows the studied area. c) Satellite image

displaying the study area: El Caidero.

Marco geolgico

La Cuenca del Ebro representala ltima fase evolutiva de la

cuenca de antepas de losPirineos, Cordillera Ibrica yCordillera Costero-Catalana(Fig. 1a) y sus lmites yestructura actuales seestablecieron entre elOligoceno Superior y MiocenoInferior. Los materialesaflorantes fueron sedimentadosen ambientes marinos alcomienzo del Terciario ycontinentales a finales delEoceno, durante una etapa

endorreica que se prolonghasta el Mioceno superior yque origin la gran masaevaportica situada en el centrode la cuenca.

Entorno a este momento laCuenca del Ebro se abri haciaen Mar Medite-rrneo, causandouna gran incisin erosiva quecontinua en la actualidad.Durante el Cuaternario sedesarrollaron varios nivelesencajados de terrazas y glacis

(Soriano, 1990), compuestos porgravas, arenas y limos(permeables) que cubrieronparcialmente los depsitosterciarios (Fig. 1b). Lakarstificacin es uno de losprocesos ms importantes de lazona y es ms notable enaquellos lugares donde losdepsitos cuaternarios recubrena los terciarios. La expresinsuperficial de este proceso sonlas llamadas dolinas o simas y

son el resultado del hundimientoparcial de las bvedas o los

conductos generados pordisolucin y arrastre en elsustrato terciario. Puedengenerarse por hundimientorepentino (colapsos, Fig. 2) oprogresivo (subsidencia).

MetodologaProspeccin magntica

Se basa en la medida ymodelizacin de las anomalasdel campo magntico terrestre,causadas por las variaciones delas propiedades magnticas delas rocas subyacentes. Poseenumerosas aplicaciones debidoal bajo coste y rapidez deexploracin. La magnitud de lasanomalas magnticas y el

alcance en profundidad de laprospeccin ser mayor cuanto

mayor sea el contraste desusceptibilidad magntica de losmateriales involucrados, elvolumen y proximidad a lasuperficie del cuerpo causantede la anomala, y menores lasposibles interferencias causadaspor materiales cercanos (en

condiciones ptimas se puedendetectar cavidades situadas a 30m de profundidad).

Se utilizaron dos modelos demagnetmetros de protones parallevar a cabo las prospecciones,los cuales miden la intensidaddel campo magntico y elgradiente. El modelo PMG-1(GF Instruments Ltd.) realizamedidas cada 4 segundos,

alcanzando una resolucin de0.1 nT y precisin de 1 nT,mientras que el modelo GMS-19

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Fig. 2. Colapso de El Caidero.

Fig. 2. Colapse of El Caidero.

(GEM Systems Inc.) es capaz derealizar dos medidas porsegundo, con una resolucin de0.01 nT y una precisin de 0.2nT. Adems el GMS-19 llevaincorporado un sistema deposicionamiento global (GPS)

que asigna a cada medida suposicin absoluta. Las medidasfueron realizadas durante losperiodos de calma solar y fueroncontroladas en contraste con elregistro diario del Observatori

Magntic de lEbre (CSIC).

Mineraloga Magntica

La susceptibilidad de losmateriales involucrados fueexhaustivamente controlada enla superficie del terreno, en elsustrato del entorno de Zaragoza(a partir de sondeos) y en elrelleno de las cavidades. Lasmedidas fueron realizadas pormedio de los susceptmetrosKLY-3 (Agico Ltd.) y SM-20(GF Instruments). Los valores

medios de susceptibilidadvolumtrica obtenidos a parir denumerosas mediciones son de2000-3000*10-6 S.I. para elsuelo vegetal; el aluvialcuaternario vara entre 100*10-6

S.I. (gravas) y 350*10-6

S.I.(silts); las margas miocenasmuestran valores de 100*10-6S.I. (alcanzando 30*10-6 S.I. siexiste un elevado porcentaje deyeso); el sustrato yesferoterciario vara entre -10 y -50*10-6 S.I. (Fig. 3); el rellenoantrpico alcanza valores hasta40000*10-6 S.I. Estos valoresson claves para cuantificar lamagnetizacin inducida ymodelizar las anomalas

observadas en campo.

Fig. 3. Valores de susceptibilidad en el sustrato cercano al colapso.

Fig. 3. Susceptibility values in the substratum near to collapse.

En colaboracin con el grupoICMA (CSIC-UZ) se realizarondiversos anlisis en losmagnetmetros SQUID MPMS-5S y MPMS-XL. Se realizaronmedidas de susceptibilidad a alto(entre 10000 y 20000 Oe) y bajocampo (4 Oe). stas ltimas sonequivalentes a las medidasobtenidas en el KLY3 y en el

SM20 (campo similar algeomagntico), las de alto camporepresentan la medida de lasusceptibilidad paramagntica.

Ferromagnetismo y materiales no-magnticos

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-07 1.E-06 1.E-05 1.E-04HF(cgs/

Relleno Suelo Vegetal Sondeo

Fig. 4. Contribucin

para/ferromagntica de los materiales.

Fig. 4. Para/ferromagnetic contributionof the meterials.

De esta forma se puedeaveriguar rpidamente laaportacin ferro o diamagnticade los materiales involucrados

en condiciones naturales ascomo cuantificar el posible

efecto de la magnetizacinremanente. Los yesos presenta-ron valores inferiores a 1 a causade la aportacin diamagntica,las margas presentaron valoresprximos a 1 (paramagnetismo).Las muestras que presentaron

valores entre 1 y 10 fueron lasgravas y algunas cermicaspertenecientes al relleno de ladolina (ferromagnetismo), entre10 y 100 gravas, cermicas ysuelo vegetal, y entre 100 y1000 los restos metlicos,asfalto y hormign del interiorde la dolina (Fig.4).

En colaboracin con ellaboratorio de paleomagnetismode Burgos (magnetmetro 2G),

se realiz una seleccin demuestras representativas de lostipos litolgicos que mostraron

ferromagnetismo apreciable, conel fin de averiguar la magnitudde la magnetizacin remanentenatural.

-2

0

2

4

6

8

Q-koenisberger

Type

Yesos

Margas

Margas con cantos

Gravas y suelos

Antrpicos

Q

Fig. 5. ndice de Krnisberger querelaciona las magnetizaciones

remanentes e inducidas en diferentestipos litolgicos.

Fig. 5. Krnisberger index relates

remanent and induced magnetizationsof different lithology kinds.

15 5

Para-LF=HF

Ferro-LF>HF

Dia-LF

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Yesos, margas y gravas dieronvalores habituales en rocassedimentarias, en cambio lasmargas arenosas, suelo vegetal yelementos antrpicos (ladrillo,asfalto y cermica) presentaron

elevados valores de remanencia.Se despreci la aportacin a unaremanencia efectiva porautocompensacin por desordendel relleno y el suelo vegetal. Enal Fig. 5 se representa lavariacin del coeficiente deKrnisberger (Q = Mremanente /Minducida), donde la aportacinferromagntica se puedeconsiderar despreciable si Q