Cap5a_ Electromagnetismo.dominio de Frecuencias

ELECTROMAGNETISMO – RESUMEN

RESUMEN

• Aplicaciones y limitaciones.

• Campo primario y secundario.

• Métodos en el dominio de frecuencias. (FDEM).

• Nociones sobre algunos métodos en el dominio de

frecuencias: VLEM, VLF, Singram (HLEM), Turam.

• Métodos en el dominio de tiempos. (TDEM).

• Consideraciones sobre al programación y ejecución de

una campaña electromagnética.

ELECTROMAGNETISMO – APLICACIONES

• Prospección de yacimientos metálicos.

• Localización de cuerpos metálicos enterrados.

• Localización de conducciones de agua o de electricidad

• Localización de plumas contaminantes.

• Vigilancia periódica de acuíferos y de la calidad del agua subterránea.

• Mapas de conductividad lateral y vertical. (intrusiones salinas)

• Localización de contactos, buzamientos, fallas, fracturas geológicas, etc.

• Localización de cavidades.

• Determinación (y caracterización) del recubrimiento.

• Tomografía electromagnética e interpretación cuantitativa.

• Etc.

Métodos Eléctromagnéticos

Dentro de los métodos geofísicos, los métodos electromagnéticos son los métodos con mayor variedad de equipos e instrumentación en el mercado .

Los métodos EM también son los métodos que mayor prestaciones y aplicaciones ofrecen en la actualidad.

El Sueco Karl Sunderg fue el primer científico que utilizó este método en la exploración de minerales en 1931 durante la Primera Guerra Mundial.

Los métodos electromagnéticos tuvieron siempre sus cotas de mayor desarrollo durante las Primera y Segunda Guerra mundial por sus diversas aplicaciones.

Después de la Segunda Guerra Mundial sobre todo a mediados de los años 60, los métodos electromagnéticos empezaron a utilizarse no sólo en el ámbito minero si no que además se empezó a utilizar para aplicaciones medioambientales.

Tipos de sistemas EM

TEM (time domain)

dominio de tiempo

Sistemas de pulsos de onda

Toma medidas en función del tiempo

FEM (frecuency domain)

dominio de frecuencia

Sistemas de onda continua

Toma medidas utilizando una o más

frecuencias

PASIVOS

Utiliza señales naturales de Tierra

ACTIVOS

Utiliza señales artificiales

Cercanas

Trasmisores cercanos

Lejanas

Transmisores Lejanos como los del ejército VLF mapping

Tipos de medidas

OBJETIVO:

Los Métodos Electromagnéticos sirven principalmente para localizar buenos conductores eléctricos y determinar la

media de la conductividad geoeléctrica del subsuelo

MEDIDAS:

Out of Phase (quadrature component)

Conductividad geoeléctrica del subsuelo medida generalmente en (mS/m).

In Phase (ratio entre el campo magnético secundario y primario )

Medidas en partes por mil (PPT) (detector de metales).

ELECTROMAGNETISMO – LIMITACIONES

Las medidas están afectadas por la presencia de

conductores eléctricos: líneas, tuberías, restos

metálicos, etc.

La detección de fallas y fracturas está limitada por los

terrenos que las cubren.

Algunos de los métodos tienen una limitación en

cuanto a la profundidad.

Necesidad de una interpretación por especialistas, ya

que se trata de medidas indirectas. Pero hay potentes

programas de software.

ELECTROMAGNETISMO – MÉTODOS

Gran variedad de equipos y sistemas, que se pueden agrupar en:

Métodos en el dominio de frecuencias (FDEM) El transmisor emite una corriente de forma senoidal, a una frecuencia determinada, que puede seleccionarse en función de la profundidad del estudio.

Registra algún parámetro del campo secundario:

– Amplitud y fase del campo

– Componentes en fase y cuadratura

– Inclinación del campo magnético (“tilt”)

Métodos en el dominio de tiempos (TDEM) Campo secundario producido por el corte súbito del campo primario, cada cuarto de periodo, para reiniciarse en sentido opuesto.

ELECTROMAGNETISMO – DOMINIO DE FRECUENCIAS –

Esquema general campos

ELECTROMAGNETISMO – Campo primario y secundario

Relación entre el campo inductor, inducido y conductividad aparente:

Donde:

Hs, valor del campo secundario

Hp, valor del campo primario w = 2pf

permeabilidad magnética en el espacio,

conductividad aparente (mho/m) (Siemens/m)

s, separación entre las bobinas ( DFEM: 10, 20, 40 m, etc.)

La conductividad aparente del terreno es proporcional a la relación entre el campo secundario y el primario.

4

2si

H

H o

p

s

0

ELECTROMAGNETISMO – CONCEPTOS BÁSICOS

Campo primario y secundario - Conductividad

ELECTROMAGNETISMO – Fuerza electromotriz inducida

De acuerdo con la ley de Faraday:

Donde:

•EMFC, Fuerza electromotriz o voltaje en el conductor

•MTC, Inductancia mutua entre el transmisor y el

cuerpo conductor

• dIT/dt, Derivada de la intensidad respecto al tiempo

dt

dIMEMF T

TCC

ELECTROMAGNETISMO – Fuerza electromotriz registrada

Donde:

• EMFR Fuerza electromotriz en el receptor

• MRT Inductancia mutua entre el transmisor y el receptor

• MRC Inductancia mutua entre el receptor y el conductor en

el terreno

• dIT/dt, dIC/dt derivadas de las intensidades inducidas en el

transmisor y en el conductor del terreno.

• IT, IC, intensidades inducidas en el transmisor y en el

conductor del terreno

ELECTROMAGNETISMO – DOMINIO DE FRECUENCIAS

Frecuencia determinada, función de las necesidades (o de lo que hay, caso del VLF). Alta frecuencia para análisis superficiales. Normalmente varios canales, lo que permite varias frecuencias.

Medidas: campo secundario (en ppm del campo primario), tanto en fase como en cuadratura, ángulo de inclinación del campo resultante respecto al primario.

Amplitud del campo secundario, relacionada con el tamaño y profundidad del conductor.

Ratio amplitudes fase a cuadratura, relacionada con la conductividad del conductor.

Gran variedad de equipos y sistemas, algunos, como detectores de metales, no pueden considerarse como métodos geofísicos.

– Según movimiento o no de antenas receptoras y transmisoras.

– Según orientación de las antenas.

– Según los parámetros medidos (amplitud y fase del campo, componentes en fase y en cuadratura, inclinación del campo).


Tres métodos de medida y descripción del campo secundario:

• Amplitud y fase del campo secundario.

– Amplitud, en % de la fase del campo primario.

• Componente en fase (o real) o en cuadratura (o imaginario, desfasado 90 º).

• Ángulo de inclinación (tilt).

– El más sencillo de los métodos: girando la bobina receptora se puede colocar de forma que

su plano sea paralelo a las líneas de campo que la atraviesan (flujo 0 i corriente 0), o

perpendicular a las líneas de fuerza (flujo i corrientes máximas).

– Con este método se estudia la inclinación del campo resultante en relación con el normal

existente y se interpreta en término de conductores geológicos.

Tipos de medidas

OBJETIVO:

Los Métodos Electromagnéticos sirven principalmente para localizar buenos conductores eléctricos y determinar la

media de la conductividad geoeléctrica del subsuelo

MEDIDAS:

Out of Phase (quadrature component)

Conductividad geoeléctrica del subsuelo medida generalmente en (mS/m).

In Phase (ratio entre el campo magnético secundario y primario )

Medidas en partes por mil (PPT) (detector de metales).


Ejemplo para campo creado por ondas VLF, válido para campos

procedentes de bobinas suficientemente alejadas.

Se puede ver el ángulo de inclinación (tilt), para el que el plano de la

bobina es paralelo a las líneas de flujo.


Las corrientes inducidas se producen en el conjunto del terreno, y su

magnitud y distribución son funciones de la frecuencia, potencia,

geometría y las propiedades eléctricas del terreno.

La presentación es una forma simplificada de explicar un fenómeno

mucho más complejo, evidentemente.

La profundidad y tamaño del conductor afectan a la amplitud del campo

secundario.

La calidad del conductor (mejor conductor, mayor calidad), afectan a la

relación componente en fase y componente en cuadratura. A mejor

conductor mayor relación.


Interpretación

Inicialmente con nomogramas, adaptados a los distintos métodos, en los que los parámetros medidos se comparaban con los que resultaban de modelos con distintas dimensiones y conductividades.

Los parámetros de los modelos: geometría, profundidad, conductividad, inclinación, etc.

La interpretación se hacía en varios pasos, a partir de un modelo inicial al que se le asignaban los parámetros anteriores, se definía la anomalía teórica que producía y se comparaba con los resultados obtenidos. Con los distintos nomogramas se intentaba llegar al modelo más parecido.

Actualmente este proceso iterativo está informatizado.

La posibilidad de recopilar gran cantidad de información (registros de varios canales para distintas frecuencias por ejemplo) y de tratar gran cantidad de datos permite obtener resultados cada vez más aproximados a la realidad.


Ejemplo de registro en fase, de nueve canales


Ejemplo de registro en cuadratura de 9 canales


Sistemas de conductividad del terreno

• Dos anillos, bobinas, lazos o aros, portados a mano, un emisor y un receptor.

• Sin contacto con el terreno.

• Con distancias variables entre bobinas, para mejor detección de las anomalías.

• Con bobinas horizontales o verticales. Respuestas totalmente distintas:

– Horizontal: profundidad de 0,25 a 0,75 la separación.

– Vertical: 0,5 a 1,5 la separación.

• Calibración (parametrización) con otros métodos (SEV por ejemplo).

• Trabajan con bajas frecuencias (low induction numbers)

• Nivel cero de la fase en cuadratura debe ser constante con el tiempo, temperatura,

etc., para evitar errores en terrenos de baja conductividad.

• Variación de la frecuencia con variación de la separación entre bobinas.

•La conductividad aparente viene dada por la expresión:

24

s

H

H

o

p

s

a


Ejemplo de método electromagnético LIN ("Low Induction Number")

consiste en medir el campo magnético secundario generado por el

terreno ante la excitación de un campo primario. La medida de la

relación entre este campo magnético secundario y el primario es

directamente proporcional a la conductividad del terreno en el punto de

medida.

Profundidad (equipo de una persona de la fotografia), hasta 6 metros


Sistemas de conductividad del terreno

• Profundidad inferior a los HLEM convencionales (separación entre

bobinas menor de 40 m). Aplicación en geotécnica y medio ambiente.

• Información obtenida en tiempo real. Da la conductividad aparente.

• Bobinas verticales sensibles a la alineación.

• Interpretación cualitativa sencilla e inmediata, lo que permite repetir

medidas sobre áreas de interés, según varios perfiles, hasta obtener

unos resultados deseados (función del tiempo y dinero a dedicar), o

ser investigadas por otros métodos más caros y definitorios.

• Hay sistemas “normalizados”: EM-31, EM-34, EM-38, en función de

sus características: geometría, distancias, etc.

• Ejemplos de aplicación: extensión de una contaminación de agua

subterránea, contaminación de terrenos, salinización de terrenos, etc.

ELECTROMAGNETISMO – DOMINIO DE FRECUENCIAS M34-3

.

ELECTROMAGNETISMO – DOMINIO DE FRECUENCIAS EM31

.

Métodología FEM El equipo está compuesto por una antena receptora y por una antena emisora. A través de la antena emisora circula una corriente alterna la cual crea un campo magnético primario. Este campo magnético primario se va desplazando por el subsuelo y cuando llega a un cuerpo conductor, este crea un campo magnético secundario. La antena receptora adquiere la combinación del campo magnético primario y secundario. Estos dos campos magnéticos inducen una corriente alterna. Esta corriente determina la combinación de la intensidad del campo magnético. Con este método se determina la conductividad geoeléctrica del subsuelo.

TIPOS DE EQUIPOS DE ONDA

CONTINUA F.E.M.

MODO HORIZONTAL

MODO VERTICAL

3 M 6 M

MODO HORIZONTAL

MODO VERTICAL

7.5 M 15 M

15 M 30 M

30 M 60 M

EM-31 EM-34

TIPOS DE EQUIPOS DE ONDA

CONTINUA F.E.M.

MODO HORIZONTAL

MODO VERTICAL

0.75 M 1.5 M

EM-38 EM-39

MODALIDAD SONDEO

PROFUNDIDAD

HASTA 300 M

PROFUNDIDAD INDEFINIDA

EM-16


VLEM (Vertical Loop EM)

Transmisor: Bobina vertical, con el plano conteniendo el eje de la

bobina receptora. Campo primario horizontal

Receptor: Bobina con el eje horizontal dirigido hacia el transmisor. Se

gira hasta que el voltaje es mínimo. El ángulo de la bobina con la

superficie horizontal es el ángulo de inclinación del campo (tilt).

No es necesaria una conexión entre emisor y receptor.

Tilt: Se anula al pasar por encima del conductor.

Interpretación: La simetría y forma de la señal indican de forma

cualitativa el buzamiento y las características del conductor.

Ver figuras 9.31, 9.32 y 9.33


VLF (Very Low Frequency)

Transmisor: Emisoras de radio lejanas, a una frecuencia de 15 a 25 Khz. Baja para radio, alta para electromagnética.

Campo relativamente uniforme, a distancia suficiente del emisor (cientos de kilómetros).

Receptor: Bobina con el eje horizontal dirigido hacia el transmisor. Se gira hasta que el voltaje es mínimo. El ángulo de la bobina con la superficie horizontal es el ángulo de inclinación del campo (tilt).

Hay también receptores de fase y cuadratura, y de amplitud de fases.

Tilt: Se anula al pasar por encima del conductor.

Aplicaciones y limitaciones Sistema sencillo.

Aplicable a conductores independientes o tabulares inclinados.

El terreno conductor superficial impide o reduce la penetración. Las variaciones de conductividad de los terrenos superficiales tienen gran influencia.

En resumen, profundidad de penetración muy limitada (10 a 30 metros).

Interpretación: La simetría y forma de la señal indican de forma cualitativa el buzamiento y las características del conductor.

Poca penetración, por la alta frecuencia y limitaciones por material conductor superficial. Necesita de dos emisoras, para detectar conductores paralelos a las líneas de campo (trazas aproximadamente perpendiculares entre sí).



Ejemplos de registros de nivel de agua (a unos 20 m de profundidad) y de cable

enterrado de línea telefónica a 1,25 m


Singram o HLEM (Horizontal Loop EM)

Transmisor y receptor: Bobinas, horizontales (o verticales), en el

mismo plano. La distancia, en el momento de las medidas debe

mantenerse constante.

Parámetro: Componentes en fase y en cuadratura, en partes del

campo primario (ppm). Los valores pueden variar en un rango de 1 a

1000.

Interpretación: Dan la conductividad aparente del cuerpo conductor

(conductividad por la sección).


Penetración de exploración en función

del espaciado entre bobinas (EM34-3)

Espaciado entre

bobinas

(metros)

Bobinas

horizontales

Bobinas

verticales

10 (6,4 Khz.) 7,5 15

20 (1,6 Khz.) 15 30

30 (0,4 Khz.) 30 60


Turam

Transmisor Bobina de grandes dimensiones, hasta de varios

centenares de metros.

Receptor: Dos bobinas, horizontales, separadas una distancia fija, de

varios decímetros. Se mueven según trazados lineales

Parámetros: Ratio de intensidades del campo, diferencias de fase,

componentes en fase y en cuadratura del campo secundario.

Interpretación: Por comparación de las curvas de campo con

modelos teóricos de cuerpos sencillos. Por iteración con programas

informáticos.


EJEMPLOS DE REGISTROS

EM 34: conductividad. Quiere decir resistividad.

ELECTROMAGNETISMO – GEORADAR

Introducción:

• Emisor de alta frecuencia, entre 10 Mhz y 2GHz, que transmite unos pulsos al terreno.

• Los pulsos, reflejados en las interfaces, son recogidos en el receptor, procesados y representados en pantalla.

• Las interfaces pueden ser capas, superficie de agua subterránea, interfaces, objetos antrópicos, etc. Usado fundamentalmente para detectar cambios en la geometría del subsuelo.

• El equipo se desplaza sobre la superficie, dando los resultados en tiempo real.

• La atenuación de las señales limita la penetración a unos 10 m (excepcionalmente se ha hablado de hasta 100 m.). El agua, suelos arcillosos, etc., disminuyen el alcance.

• No es un método de prospección geofísica. Si geotécnica.

Consideraciones sobre su utilización:

• Profundidad del objeto.

• Geometría del objeto.

• Propiedades eléctricas del objeto.

• Propiedades eléctricas del material.

• Posibles interferencias.

• Propagación de las ondas electromagnéticas.


Método: En el GPR, un breve pulso de energía electromagnética es irradiado hacia el subsuelo, con una frecuencia característica única.

Cuando este pulso alcanza los interfaces donde existe un contraste en la constante dieléctrica, ocurren fenómenos análogos a los que se dan en sísmica cuando cambia la impedancia acústica: una fracción de la energía de la onda es reflejada, regresa hasta la superficie y es detectada en la antena receptora, mientras la energía remanente continúa hasta la próxima interfase.

La profundidad de penetración y la resolución observada depende del tipo de antena usada para una adquisición particular.

En aplicaciones de tipo geológico, las antenas no-blindadas (unshielded antennas) permiten investigar hasta profundidades de 30-60 m.

En aplicaciones urbanas y de alta resolución las antenas blindadas (shielded antennas) de alta frecuencia permiten un mejor control del ruido y las reflexiones desde el aire y una altísima calidad en la imagen radar con un alcance en la profundidad de investigación de hasta 5-10 m.


Esquema de funcionamiento


Profundidad de investigación

Dos factores influyen la profundidad de investigación de un sistema de georadar:

1.El entorno geológico en donde se quiere aplicar el georadar.

2.La instrumentación.

En relación al ambiente geológico, la profundidad de investigación decrece si: • Aumenta la conductibilidad del medio (aumenta el contenido de minerales de arcilla y sedimentos finos, contenido de agua y presencia de contaminantes conductivos)

• Disminuye la velocidad de las ondas EM en los medios investigados

• Si se encuentra scattering (dispersión, atenuación, etc.) de la onda EM

En resumen, –Conductibilidad baja (<10-7S/m), Granito, calizas seca, concreto, asfalto, excelentes condiciones para el GPR

–Conductibilidad intermedia (conductibilidad entre 10-7 S/m y 10-2S/m), agua dulce, arena, limo, arcilla seca, basalto, condiciones intermedias para el GPR

–Conductibilidad alta (> 10-7S/m), arcilla, esquisto húmedo, agua salada, condiciones no favorables para el GPR

En relación a la instrumentación, y los parámetros de adquisición usados por el usuario, la profundidad de investigación crece si: –La frecuencia de la antena decrece.

–La potencia transmitida crece (en modo logarítmico).

–La sensibilidad del receptor aumenta.


Se transmiten impulsos muy cortos en frecuencias comprendidas entre 10MHz y 2 GHz, y se mide la respuesta del terreno a estos impulsos en forma de imagen bidimensional. Al ser frecuencias muy altas la penetración es muy baja (aunque esta penetración depende de los materiales de las primeras capas del terreno, pudiendo llegar hasta los primeros 15 metros de profundidad en condiciones óptimas) y la resolución muy alta. Aplicaciones:

•Techo de roca sana. Espesor de relleno y gravas

•Detección de Fallas, Cavidades, Contactos y Buzamientos

•Tuberías y conductos. Conducciones de Agua y Eléctricas cerca de Superficie.

• Localización de restos arqueológicos. Paleontología.

• Detección de plumas de contaminación cerca de superficie


Georadar en tres dimensiones. Ensayo

• Dos tuberías a una profundidad de 2 pies.

• Una tubería terminada en T a una profundidad de 4 pies.

• Otras dos tuberías a 6 pies y a 8 pies.

• Todas las tuberías metálicas, excepto la tubería en U

• Test realizado en un suelo de arcilla y arena..


Georadar en tres dimensiones. Imagen procesada en ordenador

Imagen de las tuberías mediante un programa desarrollado por Dr. Roger Hackman de Lockheed-Martin Corporation.


Ejemplos de equipos


Ejemplos de equipos. Configuraciones geológica y urbana:


Ejemplos de imágenes de georadar, antes de tratar


Ejemplos de imágenes. Madrigueras de animales, proyectil de 5”


Ejemplo de radargrama bruto y tratado a 3D


CONCEPTOS BÁSICOS A RETENER

• Proceso de inducción electromagnética. Ley de Faraday. Fuerza electromotriz inducida en el receptor.

• Métodos en el dominio de frecuencias y parámetros que registran.

• Componente en fase y en cuadratura.

• Ángulo de inclinación (tilt) del campo secundario.

• Método de conductividad del terreno (low induction numbers). Fundamentos. Aplicaciones. Limitaciones. Ventajas e inconvenientes.

•VLF (Very Low Frequency). Fundamentos. Aplicaciones. Limitaciones. Ventajas e inconvenientes.

• VLEM (Vertical Loop EM)

• Singram o HLEM (Horizontal Loop EM).

• Turam.

• Georadar. Principio. Frecuencias. Profundidad de resolución. Aplicaciones.

• Del capítulo 4 del documento EM 1110-1-1802, apartados 4-7, 4-8, y 4-11. Leer en lo que es de aplicación a los puntos anteriores.

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