5. metodos geofísicos pdf
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01/03/2015 M en C. Martha Angélica Elizondo Sámano 1 EXPLORACIÓN DIRECTA Presenta tres inconvenientes que en la actualidad tienen gran impacto: el costo (debido entre otras cosas a la necesidad de realizar perforaciones cada vez más profundas y en terrenos que presentan mayor dificultad) el tiempo empleado en la obtención de resultados y la perturbación creada en el subsuelo La alternativa de solución a estos problemas son: MÉTODOS INDIRECTOS
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01/03/2015 M en C. Martha Angélica ElizondoSámano
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EXPLORACIÓN DIRECTA
Presenta tres inconvenientes que en la actualidad tienen gran impacto:
el costo (debido entre otras cosas a la necesidad de realizarperforaciones cada vez más profundas y en terrenos quepresentan mayor dificultad)
el tiempo empleado en la obtención de resultados
y la perturbación creada en el subsuelo
La alternativa de solución a estos problemas son:
MÉTODOS INDIRECTOS
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MÉTODOS INDIRECTOS
Son métodos que sin necesidad de tener muestras subsuelo seobtienen resultados que nos permiten conocer de forma aproximada losestratos o materiales del subsuelo.
La Exploración Geofísica son métodos indirectos de exploraciónsus técnicas nos ayudan a describir la geometría y la propiedadesmecánicas de los suelos a profundidad.
En la Ingeniería Civil la utilización de los Métodos Geofísicosse han convertido en un proceso utilizado cada vez con mayorfrecuencia
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La Exploración Geofísica relaciona los PARÁMETROS FÍSICOS delsubsuelo con los diferentes materiales que lo componen
Se aplica en:
La prospección y evaluación de los recursos naturales( para ver la estructura interna de la tierra,el petróleo, la construcción de infraestructura y la minería)
En cuestiones más someras como
las exploración de agua subterránea
la evaluación de contaminantes
la evaluación de riesgossísmicospluviales (inundaciones)tectónicos
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La geofísica presenta un problema inicial
LA ESCALA A LA QUE SE UTILIZAProfundidad de interés
En la Prospección para ver la estructura interna de la tierra,para la exploración y la explotación del petróleo, las profundidades deinvestigación son del orden de km, mayores a 5000 m
En la Ingeniería Civil son profundidadesmenores a 100 m en la mayoría de los casos
Esto NO afecta la teoría de los métodos
Pero tiene un problema en la logística de la adquisiciónde la información
Es decir, afecta en:los métodos de campo para la adquisición de datosy en el sistema de detección utilizado (ejem. Sismógrafos y georadar)
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PROPIEDADES FÍSICAS
La densidadLa susceptibilidad magnéticaLa resistividad eléctricaEl grado de radioactividadEtc.
Otros parámetros que están en función de las propiedades anteriores
La velocidad de la transmisión de la ondas elásticasLa velocidad de la onda electromagnéticaLa magnetizaciónLa permitividad eléctrica
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Estas propiedades se miden a través de la medición de los fenómenosfísicos relacionados con la estructura de la tierra como:
El campo gravitacionalEl campo geomagnéticoY el flujo térmico
Es posible producir, artificialmente y en pequeña escala:
Campos eléctricosCampos magnéticosFuentes sísmicas
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La variación en profundidad de los parámetros en las observacionesde los campos mencionados, ya sean naturales o artificiales
Es lo que se conoce en geofísica como:
ANOMALÍA
OBJETIVO PRIMORDIAL DE LA GEOFÍSICA ES
Es la definición de la geometría y la posición de la estructuraque genera la ANOMALÍA, sus propiedades físicas (densidad, resistividad,velocidad de la onda sísmica, conductividad eléctrica, etc.), su interrelacióncon las características generales a nivel regional y con el conocimientoprevio del área.
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Los métodos geofísicos generan una gran cantidad deInformación útil, para el diseño de las estructuras, y para elproceso constructivo:
Para que estos métodos proporcionen las resultados esperadoses preciso establecer en la Ingeniería Civil
SUS ALCANCES Y SUS LIMITACIONES
Es necesario entender que dichos procedimientos son
técnicamente y económicamente
APLICABLES
Esto es debido a la versatilidad de los equipos utilizados y graciasa los avances de la electrónica
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El grado de desarrollo alcanzado en estas técnicas esmuy alto sobre todo:
En la fabricación de los instrumentos de medición
En la teoría que se aplica
Y en el proceso e interpretación de estas técnicas.
Lo que permite el uso de diversos métodos en las condicionesde campo requeridas y a un costo razonable.
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MÉTODOS GEOFÍSICOS
MÉTODOS SÍSMICOS
MÉTODOS ELÉCTRICOS
MÉTODOSELECTROMAGÉTICOS
GRAVIMÉTRÍA
MAGNETOMETRÍA
MÉTODOS RADIOACTIVOS
REGISTROS DE POZOS
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MÉTODO SÍSIMICO
Los métodos sísmicos pueden ser:
Refracción sísmica
Relfexión sísmica
Sísmicos no convencionales
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MÉTODOS ELÉCTRICOS
Los métodos eléctricos pueden ser:
Sondeos Eléctricos Verticales (SEV)
Dispositivos DipolaresDipolo-dipoloSlubergerWinnerentre otros
Polarización Inducida
Potencial Espontáneo
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MÉTODOS ELECTROMAGNÉTICOS
Los métodos electromagnéticos pueden ser:
Sondeo Magnetotelúrico (SMT)
Sondeos por Frecuencia
Transitorios ElectromagnéticosSondeo por Transitorio Electromagnético (TEM)
Calicatas Electromagnéticas
Radar de Penetración Terrestre (Georadar)
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OTROS MÉTODOS SON:
GRAVIMETRÍA
MAGNETOMETRÍA
METODOS RADIOACTIVOS
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REGISTROS DE POZOS
Los registros de pozos pueden ser:
Eléctricos de ResistividadUn electrodoMultipolaresDispositivos NormalesDispositivos LateralesRegistros de Guarda
ElectromagnéticosRegistros de Inducción
Registros de Tiempo-Propagación MagnéticaRegistro Magnético Nuclear
Registros SónicosRegistros Sónicos de Porosidad
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Registros RadioactivosDe Densidad (gamma-gamma)Densidad CompensadaEspectrometría de Rayos GammaRayos Gamma NaturalesSaturación
Registros GeométricosCaliperDesviación –DirecciónFlujoDe Echados
Registros de Video
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MÉTODO SÍSMICO
El principio de los métodos sísmicos es la generación de ondaselásticas con una fuente artificial (golpe de marro, explosivos,electromecánicas,…) y el registro de la propagación del pulsogenerado se detecta en sismógrafos o geófonos colocados enla superficie del terreno o en pozos
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Los métodos sísmicos utilizan dos características importantes de laformación del subsuelo:
1º la velocidad de la propagación de lasondas elásticas que varían según la naturalezadel subsuelo y que depende de sus característicasde deformabilidad.(modulo de elasticidad y coeficientede Poison)
2º Particularmente que la estratigrafía del subsuelo estáseparada por superficies de contacto definidas quereflejan parte de la energía generada
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La velocidad de transmisión de las ondas sísmicas, definen superficiesde separación en las que las ondas sufren refracción, reflexión y difracción(ley de Snell).
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Los sismógrafos se diseñan para medir una de las componentesdel movimiento del terreno
Para tener el vector de movimiento del terreno, necesitamostres sismógrafos, que midan las tres componentes del movimientodel terreno.
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Las ondas elástica generadas por cualquier fuente artificialestán constituidas por:
Ondas P
Ondas S
Ondas superficiales
Ondas de aire
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Las ondas superficiales son aquellas que existen únicamenteen la superficie libre de un medio elástico y se conocen dostipos:
Ondas RayleighSon una combinación deondas longitudinalesy transversales donde lavibración de las partículasse efectúa en el planoperpendicular a la superficiedel terreno y por tanto a lapropagación de la ondaEs un movimiento elíptico yretógrado
Ondas LoveSon una combinación delas ondas longitudinalesdonde el desplazamientode las partículas es horizontalo paralelo a la dirección depropagación de la onda
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En prospección sísmica la mayor parte de la energía producida esen forma de ondas longitudinales o de compresión, transversales ode cizallamiento y superficiales.
La Instrumentación consta de los siguientes equipos:
los sensores
los cables
el iniciador del registro
y el geófono o sismógrafo
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Refracción Sísmica
Está técnica se basa en los tiempos de viaje de los primerosarribos de la señal, es decir, en la diferencia de velocidad dela onda sísmica en las distintas capas subsuelo
Consiste en la realización de perfiles longitudinales, instrumentadoscon geófonos, espaciados entre sí regularmente, la energía que liberael disparo generada por el golpe de un martillo de 8 kg, llega a los sensoresprovocando una perturbación que se registra en el sismógrafos.
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La longitud de los perfiles suele ser de 25 a 100 m.
La separación de los geófonos es de aproximadamente 5 m.
La medida de los tiempos de llegada de las ondas elásticasA los geófonos proporciona el valor de la velocidad dePropagación de la onda y el espesor de los distintos materiales
Sismograma
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Las primeras ondas en llegar son las ondas directaa partir de la Distancia Crítica, llegan primero las ondas refractadasque circulan en los niveles del subsuelo
La mayor distancia recorrida por las ondas es compensada por laMayor velocidad
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La democrónica es la función linealque relaciona el tiempo de llegadade la primera onda con la distanciarecorrida por la misma onda
Existe varias formas para obtener lala profundidad y velocidad bajo cadaGeofono, son basados en la desviaciónDe la recta teórica, que se observan enCada geofono
Y se puede medir el tiempo de idaY el tiempo de regreso o de vueltsa
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Existen tablas, para la ver la velocidad de propagación de las ondassísmicas longitudinales P
La aplicación de la sísmica de refracción en la determinación de losespesores, en la cubicación de las áreas de préstamo de materialesEtc.
Ver práctica de refracción sísmica
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SÍSMICA DE REFLEXIÓN
Es muy similar a la técnica anterior
A partir de los tiempos de llegada de las ondas longitudinalesA los geófonos y las velocidades de los distintos horizontes se puedenReconstruir las trayectorias de las ondas primarias y delimitar la disposiciónEstructural de los distintos horizontes sísmicos a lo largo del perfil
Todo lo anterior va en funcióndel coeficiente de reflexiónque depende de la amplitud dela onda incidente y reflejadaentre el material inferior y superiory la relación de velocidades depropagacion en cada uno de losmateriales.
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Este método tiene la desventaja de tener asociados otros tipos de ondaOriginados por las condiciones de la superficie del terreno, lo que sellama ruido aleatorio ambiental y reflexiones múltiples que se registranal mismo tiempo que la señal enmascarando los resultados
Su atenuación es posible mediante el tratamiento de las señalesLo que se llama Procesamiento de la Señal Sísmica, para despuésInterpretar la señal.
Tiene la ventaja de que permite representar gráficamente múltiplesHorizontes con un único disparo, sin perder precisión con la profundidad
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Métodos EléctricosSon aquellos que estudian la respuesta del terreno cuando se propaga a travésde él corrientes eléctricas continuas (DC)
El parámetro físico que se controla es resistividad, que es una propiedadde los materiales y sobre todo del contenido de agua
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FORMULA DE ARCHIE
Relaciona la resistividad del material, el agua contenidaEn los poros y la porosidad
wnm Sa
Donde S es la saturación del materialY a, m, n son coeficientes experimentalesde los cuales se utilizan promedios
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La medida de resistividad se llevaacabo mediante los siguientes pasos
Introducción al terreno de unacorriente continua de intensidadI mediante electrodos, llamados A y Bconectados a una fuente de energía
Se mide la diferencia de potencial ,generada por el paso de corrienteentre dos electrodos M y N
Y se calcula la resistividad delespesor de terreno afectado por elpaso de corriente
V
)/( IVKa
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Donde
K es el coeficientegeométrico del dispositivousado
Existen varios dispositivos:
Schlumberger
Wenner
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La interpretación de los resultadosde las investigaciones eléctricas serealiza mediante cálculosmatemáticos que proporcionan unosresultados más confiables cuantomás parecido sea el modelo obtenidoo real, al modelo Geológico departida
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Esta técnica utiliza la configuración la configuración Schlumberger, consisteen separar sucesivamente los electrodos de corriente A y B, del punto centralsiguiendo una línea recta.
La resistividad aparente calculada es la correspondiente a mayores espesoressegún 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 profundidaden el punto central del perfil.
Sondeos Eléctricos Verticales
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Calicatas Eléctricas
Se adopta el dispositivo Wenner,donde las distancias AM; MN y NB soniguales y se mueve todo el dispositivolateralmente a lo largo del perfilseleccionado
Detectando las variaciones lateralesde resistividad aparente a unaprofundidadmás o menos constante.
La profundidad habitual deinvestigación están entre 0 y 50 m
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Dipolo-Dipolo o Pseudosecciones
En esta técnica se sitúa el dípolo MNlateralmente al AB y alineado con él.
Se mantiene fijo el dipolo se desplazasucesivamente el MN
Se mueve un paso AB y se repite elproceso.
El esquema de distribución de loselectrodos y la distribución de lasResistividades aparentes obtenidas sepresentan en la figura
Y el resultado es un perfil deresistividades del terreno
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Métodos Electromagnéticos
Son aquellos que estudian el subsuelo cuando la respuesta del terrenose propaga a través de campos electromagnéticos
Es el método que más formas de generación o detección de campos tieneLa diversidad de sus características dan lugar a un mayor número de técnicas
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RADAR DE PENETRACIÓN TERRESTRE
Es un método que funciona por reflexión de la onda electromagnéticaobteniendo perfiles continuos de alta resolución, similares a los deSísmica de reflexión
Sus ventajas son
La rapidez en la toma de datos
y su versatilidad para cambiar antenas con diferentes frecuencias
Su desventaja principal es la excesiva dependencia de las característicasSuperficiales del terreno al que se le aplica.
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Profile A-A’
A’ A
Exploradores Ejército de Oriente
Batalló
n deCua
utla
19.3720°
-99.034°
50 m
A
A'
19.3742°
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Location of Exploratory Wells
13
12
1110
9
1 km
Peñon del Marquez
2200
2300
100 m
Hei
ght(
m) Peñon del Marquez
12 11 10
SW NE
(modified from Marzal. 1978)
1250 m
2220
2210
2000
1990
1980
1970
2250
2240
2230
Mean Lake Level
Hei
ghtA
bove
Sea
Leve
l(m
)
10
11
12
13
Organic soil
Surficial unit
Upper Clay Unit
Transitional
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El equipo GPR
Consiste en insertar mediante una antena transmisora con diferentesfrecuencias impulsos cortos de energía electromagnética
Cuando la onda radiada se encuentra por ejemplo con fracturas, huecosetc., La señal reflejada se amplifica, se transforma al espectro deaudiofrecuencia y se registra
De esto se obtiene, un perfil continuo, en el que se indica el tiempo total deviaje de la señal al pasar a través del subsuelo, se refleja también laDiscontinuidad y la señal vuelve a la superficie
Este doble viaje se mide en nanosegundos
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La selección de la frecuencia de las antenas, es en funcióndel compromiso entre la resolución y la profundidad depenetración
alta frecuencia mayor resolución peropoca profundidad de penetración.
baja frecuencia mayor profundidad depenetración pero menor resolución
El equipo consta de cuatro elementos principales:
La unidad transmisorala unidad receptorala unidad de controlla unidad de registro
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GPR Survey
• SIR-2000 GPR(GSSI).
• 200 MHz antenna• Range (2-5 m)• Mono-static mode
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La interpretación de los registros de radar, tambiénllamados radagramas
Se basan en la caracterización de la textura, amplitudcontinuidad y terminación de las reflexiones
Hay que recordar que son equipos muy sensibles a lainfluencia de estructuras metálicas, ondas de radio,tendidos eléctricos etc.
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Profile A-A’
Pipe lines
Water Table (??)
fracture??
subsidence
scans 50 m
scan 4
A A’Recently paved
Tim
e (n
s)
12 3 4 5 6
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Correlation between WVD-borehole (10)
100 300
Trace 4Wigner-VilleTransform
Trace 4(Filtered) Borehole 12
e
Frequency
Tim
e
Dep
th(m
)
Tim
e(n
s)Ti
me
(ns)
0
50
100
150
s(t) (original) WVD (w,t) s(t) (filtered) 10
??
Frequency (MHz)
Depth (m
)
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MÉTODO GRAVIMÉTRICO
Se basa en el estudio de las diferencias de campo gravitatorioterrestre, en un lugar, y el valor que teóricamente debía tener eselugar.
La anomalía están originadas por la diferencia en la densidaddel subsuelo y son positivas o negativas según que exista en el lugarun cuerpo de mayor o menor densidad que la del entorno
La unidad de medida es el miligal = 10-3 cm/s2
El aparato es el gravímetro, generalmente de precisión de 0.01 mgal.
Y existen Microgravímetros con una precisión de 0.001 mgal.
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Gravímetro LaCoste&Romberg modelo G
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Registro de pozos
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Sísmica de sondeos
CROSS_HOLE
Que se realiza entre dos o tres sondeos proximos,donde se introduce una sonda triaxial a distintasprofundidades y en el otro se realiza el golpeteo.
El resultado es una sección de diferentes profundidades
DWON-HOLE Y UP-HOLE
Se llevan a cabo en un solo sondeo en el que la sondatriaxial se dispone a distintas cotas con un espaciadorregular entre ellas, y se procede a el golpeteoEn el Dwon hole es desde la superficie del sondeoY en el Up-hole es desde el fondo del sondeo
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TOMOGRAFÍA SÍSMICA
Esta técnica nos permite obtener una imagen de la distribución espacialde la velocidad de propagación de las ondas sísmicas en la sección delterreno afectada
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Sondas radioactivas
Pueden ser
pasivas o activas
Las pasivas miden la emisión natural de radiaciónen el terreno que circunda el sondeo
Las activas registran la respuesta del terreno al serbombeadas por rayos gamma o por chorro de neutrones.
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La sonda gamma-gamma su principal utilidad es la estimación dela densidad del terreno
Bombardea una fuente artificial de isótopos radioactivos que emitenRayos gamma (radio-226, cesio-137 y cobalto-60)
Registrándose los rayos gamma que permanecen con una determinadapérdida de energía, momentos después, este valor es inversamenteProporcional a la densidad de la formación.
SONDA GAMMA-GAMMA
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