Geofisica agua

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Métodos Geofísicos e Integración de Datos en Investigaciones Hidrogeológicas - Innovaciones Tecnológicas

Versión Julio 06

El crecimiento y sostenimiento de las sociedades humanas siempre ha estado íntimamente

relacionado a la disponibilidad y fácil acceso de agua dulce para consumo directo, riego, cría de animales y mantenimiento de la infraestructura industrial. A raíz del crecimiento demográfico, el agua representa el elemento fundamental para un desarrollo sustentable. En otras palabras, la disponibilidad de agua para el consumo, está relacionada directamente con el crecimiento y desarrollo de la población.

A nivel mundial se estima que cerca de 1 billón de personas (aproximadamente una quinta parte de la población) carecen de acceso a agua potable y cerca de 3.4 millones de personas mueren anualmente por la misma causa. A pesar de las ingentes cantidades de agua existentes en el planeta, tan solo un 0.1% es útil para actividades humanas, y principalmente están concentradas en glaciares, ríos y en el subsuelo, y en muchos casos, estas fuentes de agua dulce se encuentran alejadas de los principales centros urbanos, o contaminadas por la actividad humana.

En Venezuela existen áreas donde se presentan problemas de disponibilidad de agua dulce, como en Falcón (Península de Paraguaná), La Isla de Margarita, los Llanos (Guarico, Apure, Portuguesa) y la Región Capital, incluyendo el Estado Vargas. La escasez de agua potable de fácil acceso frena el desarrollo Industrial, Agrícola y Turístico de estas zonas, así como también disminuye la calidad de vida de sus habitantes. Toda esa problemática puede llegar a dar origen a conflictos de tipo social. Si aunado a esto mencionamos los problemas de contaminación que presentan algunas de las reservas de agua dulce de nuestro país, como el lago de Maracaibo y el lago de Valencia, y las variaciones climáticas observadas en los últimos años, capaces de alterar los regímenes de lluvias y de sequía, encontramos un panorama preocupante que nos estimula a la planificación de exploración, caracterización y monitoreo de recursos acuíferos subterráneos.

Las aguas subterráneas representan entonces una fuente de agua suplementaria, generalmente de mejor calidad que las aguas superficiales. Aunado a la escasez de fuentes de agua dulce de fácil acceso hacen de su localización y monitoreo una actividad de vital importancia en el mundo actual.

Metodología de investigación en un proyecto de hidrogeología Para el aprovechamiento o explotación de los sistemas de aguas subterráneas de un área es

necesaria la realización de una secuencia de estudios que permitan caracterizar estos sistemas y así obtener una mejor comprensión y evolución del sistema acuífero estudiado. En forma general, se distinguen tres etapas principales.

a) Estudios preliminares o de reconocimiento. Su objetivo es localizar los acuíferos más importantes, estimar sus dimensiones, parámetros hidrológicos, zonas de recarga y descarga de sus aguas. Por lo general se hacen a escalas de 1:200.000 a 1:100.000, por lo que la recopilación de datos se hace con ayuda de mapas geológicos y topográficos regionales e información de fotografías aéreas e imágenes de satélite. También se estima recopilar información de pozos antiguos presentes en el área. En este ámbito la geofísica puede contribuir a través de la ejecución en los pozos existentes (activos y abandonados) de logs (tipo gamma) que permiten reconstruir la estratigrafía y las condiciones geológicas. En las zonas petroleras venezolana el uso de pozos no activos para la ejecución de diagrafías podría ofrecer excelentes informaciones regionales y locales sobre los modelos hidrológicos. Toda esta información, integrada en un sistema de información geográfica SIG puede definir ambientes aluviales con potenciales acuíferos primarios y estructuras a gran escala



propicias de ser estudiadas en detalle, como pueden ser fallas o fracturas en terrenos rocosos. La definición específica de estas áreas a nivel local podría ser hecha con fotografías aéreas de detalle a mayor escala (1:25000 - 50000), mapas geológicos y observaciones de campo.

b) Estudios generales. Una vez definidas las posibles zonas de interés o estructuras susceptibles de almacenar aguas, se procede a planificar un estudio de superficie, mediante la combinación de distintas técnicas de investigación geofísica. El uso de estas técnicas es legitimado por su carácter no destructivo, su compatibilidad ambiental (no afecta el entorno) y sus ventajas técnico-económicas. Se debe tener en cuenta que no tiene sentido efectuar sin más una campaña de investigación geofísica “para buscar agua” si no se ha efectuado antes un estudio hidrogeológico que haya fijado el modelo del acuífero (ocurrencia – distribución geométrica, materiales y estructuras) y se haya escogido la metodología mejor para caracterizar el modelo de acuífero esperado en la condición geológica – estructural especifica del sitio investigado. No existe una metodología universal de investigación que funcione para cualquier modelo de acuífero o ambiente geológico. Para el éxito del estudio es importante una correcta planificación que considere todos los parámetros geocientíficos y el test de diferentes métodos y configuraciones. Se tiene que poner en evidencia que, a excepción de la resonancia magnética protónica (NMR - PMR), no existe método que permite la detección directa de agua en el subsuelo.

c) Estudios de detalle. Al finalizar la etapa anterior, se pueden emplazar pozos exploratorios con gran precisión sobre aquellas áreas y estructuras geológicas más promisorias. De esta forma, se puede lograr una efectividad de pozos productores cercana al 80%. Todo esto tiene como principal implicación el ahorro de tiempo, de dinero y la optimización de los resultados. Sírvase notar que la existencia de una perforación en un sitio donde se conoce, a través de la integración de datos en un SIG, el entorno geológico, estructural e hidrológico, permite el monitoreo del acuífero y su clasificación en una base de datos global que permita planificar y regular la gestión de los recursos hídricos.

Geofísica Superficial en Estudios Hidrológicos Las técnicas geofísicas superficiales son utilizadas para obtener información acerca de las

unidades del subsuelo que controlan el almacenamiento, movimiento y calidad de las aguas subterráneas. Todos los métodos geofísicos se basan en la medición de una propiedad física específica de los materiales que conforman el subsuelo, por ejemplo, la resistividad y la conductividad eléctrica, la velocidad de propagación del sonido, el campo magnético, el campo gravitacional, entre otras. Algunas de las herramientas de mayor uso y eficacia en la exploración de aguas subterráneas, tanto someras como profundas son: Métodos Eléctricos o Galvanicos (SEV y Tomografía eléctrica), Métodos Electromagnéticos (FDEM, VLF, TDEM y AMT/CSAMT), Sísmica de refracción/reflexión, Radar (GPR y Borehole Radar) y Resonancia Magnética Nuclear (NMR o PMR), cada una de ellas corresponde a una de las propiedades físicas anteriormente mencionadas.

El uso de la geofísica es ampliamente aceptado y usado en las comunidades y organizaciones

internacionales y es, en algunos casos como Brasil, una rutina (soportada en la legislación y normativas de los estados) para la ubicación de pozos.

Las investigaciones geofísicas de este tipo generalmente alcanzan a estudiar los primeros

300m de la superficie terrestre. Dentro de este rango de profundidades, las técnicas geofísicas han sido aplicadas con éxito en la caracterización de acuíferos de diferentes tipos, sintéticamente clasificados como:

Primarios. Aluviales en secuencias permeables de arenas y gravas alternadas a unidades impermeables de limos o arcillas, o en niveles/formaciones permeables continuas asociadas a rocas como calizas, carbonatos, areniscas, etc.


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Secundarios. Estructuras de origen tectónica (fracturas, fallas,…) o secundaria (Karsts,…) que pueden almacenar agua.

Fig. Acuíferos primarios en: 1. sedimentos clásticos (arenas y arenas/gravas), 2. Rocas permeables (calizas o carbonáticas),

y, 3. Acuíferos secundarios en fracturas

A continuación se presentan brevemente las definiciones de estos entornos hidrológicos y algunos de los posibles problemas asociados al desarrollo hidrológico de una área (la penetración de la cuňa salobre en zonas costeras y la contaminación de aguas por actividades industriales o urbanas).

• Definición y Caracterización de Acuíferos Primarios

Son formaciones subterráneas de roca

permeable y material poco consolidado que pueden almacenar cantidades importantes de agua. Pueden clasificarse en Confinados, cuando el agua se encuentra entre dos capas impermeables, a presiones superiores a la atmosférica; o no Confinados, donde su límite superior viene dado por el nivel freático. Estas clases de acuíferos primarios pueden ser originados por: a) secuencias aluviales clásticas de arenas y gravas permeables alternadas a arcillas y b) formaciones sedimentarias permeables (carbonatos, calizas, areniscas). En ambos casos, las propiedades físicas de los materiales en contacto son tan diferentes, que las técnicas geofísicas permiten definir la extensión y el espesor de los depósitos, así como también permiten definir la calidad y el tipo de agua que estos almacenan (NMR). La problemática más marcada se presenta, en geofísica, para la caracterización de secuencias aluviales espesas donde se alternan capas permeables de arenas y arcillas (Sierra de Guanipa). Este caso necesitaría la comprensión del modelo geológico y, seguramente, la integración multidisciplinaria de datos que incluyan diagrafías en pozos existentes para la calibración de los métodos. En términos generales, para la selección del método geofísico apropiado para esto tipo de investigación se tiene que considerar la escala del trabajo, la profundidad de investigación necesitada y las condiciones geológicas locales que pueden limitar la aplicación de algunos de los métodos descritos mas abajo.

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• Definición y Caracterización de Acuíferos Secundarios En áreas donde el substrato rocoso es somero, el flujo de agua en zonas de fracturas, fallas o

cavidades (karsts en calizas) puede ser la principal fuente de aguas subterráneas. Muchas técnicas geofísicas pueden ser útiles para localizar, identificar y caracterizar estas fracturas y cavidades. Desde el inicio del siglo 20 campañas de estudios geofísicos (Eléctrica – EM) han sido exitosas en la identificación de fracturas en áreas áridas y semiáridas de África. Con el progresar del tiempo la problemática de ubicación de nuevas fuentes de agua ha permitido la ampliación de la aplicación de las metodologías geofísicas para aplicaciones mas profundas (AMT/CSAMT – sísmica de reflexión).

Esquema de un sistema de acuíferos mostrando las fracturas o acuíferos secundarios

• Localización y Monitoreo de Cuñas de Intrusión Salina En algunos casos, como en la Isla de Margarita, el desarrollo no planificado (construcción de

edificios), actividades agrícolas / industriales en zonas costeras ha producido una explotación irracional de los acuíferos de la zona causando como posible consecuencia una invasión de aguas salobres y la contaminación de los acuíferos existentes. Condición similar de intrusión de la cuňa salobre es observada en áreas costeras como la península de Paraguaná, la de Paria o en el estado Falcón donde se encuentra una configuración geológica local que permite la penetración del nivel salobre hacia el interior de la costa. El contacto entre el agua salobre y el agua dulce es una interfase dinámica que puede ser fácilmente mapeada con ayuda de métodos geofísicos, debido a que esta presenta un fuerte contraste de conductividad. Gracias a esto, se pueden desarrollar programas de monitoreo de acuíferos costeros, ambientes extremadamente sensibles y de importancia vital para las economías locales. Este tema es de gran importancia no solo para la ubicación exitosa de pozos de producción de agua, sino también para el monitoreo y su protección (la explotación no controlada del acuífero determina una contaminación irreversible de la parte dulce por la parte salobre). En este caso los métodos mas apropiados son, en función de la escala e de las profundidades a investigar, los métodos de conductividad FDEM - resistividad / ERT, y TDEM. Los primeros permiten caracterizar rápidamente amplias áreas hasta profundidades de aproximadamente 100-200 m. Los otros dos permiten una definición cuantitativa le las variaciones verticales hasta profundidades de hasta 500 m.




Sección de Resistividad (SEV) en la caracterización de una cuña salobre.

• Localización y Monitoreo de Contaminantes La geofísica de superficie puede ser usada para identificar la presencia de infraestructuras

enterradas, como tuberías, cables, tanques, bidones, etc. que deben ser evitados al momento de realizar una perforación, pero también permite definir la presencia y el impacto potencial de materiales y sustancias contaminantes en el subsuelo.

Sin embargo, los métodos geofísicos presentan algunas limitaciones que hay que tomar en

cuenta, o Debe existir un contraste importante en las propiedades físicas entre las unidades

litológicas de interés. o La profundidad de penetración y la resolución de un método específico puede ser un factor

limitador. Como regla general, a mayor profundidad de penetración, menor resolución o detalle puede obtenerse.

o En algunos casos, la presencia de ruidos externos puede imposibilitar la interpretación de los datos.

Las metodologías geofísicas de alta efectividad en este tipo de estudios son:

• Electromagnetismo en el dominio de la frecuencia (FDEM). • Ground penetrating radar (GPR). • Resistividad Eléctrica. (IP, ERT). • PID-IR




Anomalía de conductividad (geonics EM-34) asociada a una pluma contaminante originada en una planta de herbicidas. El éxito de la aplicación de métodos geofísicos es la integración de sus datos con diferentes informaciones geocientíficas del área estudiada tanto durante la fase de diseño del estudio como en la fase de interpretación.




Diseño de la Adquisición Geofísica Para realizar el diseño de una exitosa adquisición geofísica, hay que definir claramente un grupo de objetivos (entre estos algunos de ingeniería) y la elección de los métodos apropiados. Los objetivos deben estar basados en criterios geofísicos correctos. Para esto es importante que el objetivo geofísico tenga propiedades físicas que sean distintas a las respuestas de su entorno (rasgos geológicos e hidrogeológicos) y al ruido ambiental (ruido cultural junto al ruido geológico). El siguiente paso en la definición del proyecto, es estar dispuesto a proveer de una adecuada descripción del sitio a través de datos del área previamente recopilados, mapas del sitio u otros datos que pudiesen pertenecer al área. Esto incluye características logísticas como el acceso al sitio, fuentes de ruido y restricciones de trabajo. El cliente debe especificar previamente en los procedimientos el tipo o la forma de entrega de los resultados finales. La aplicación de los métodos geofísicos apropiados y la utilización correcta de los métodos garantiza el éxito del estudio. Solo una vez que el objetivo está definido claramente y en pleno acuerdo entre el cliente y el contratista, se puede seleccionar el método geofísico correcto. El control de calidad en cada estación de trabajo es primordial para un trabajo exitoso. El control de calidad en campo debe incluir, procedimientos de calibración básica del equipo, un preciso reporte de campo, revisión de datos digitales grabados y descargados a los computadores, medidas repetidas en los puntos base, o puntos de calibración. Durante el procesamiento este control de calidad incluye cálculos de los datos procesados, documentación de los pasos de procesamiento y separación de la revisión de los datos por personas independientes no directamente envueltas en el proyecto. Parámetros de Investigación y Técnicas de adquisición Todas las técnicas geofísicas miden variaciones de las propiedades físicas de los materiales. Para suelos y rocas, las propiedades pueden ser divididas en matriz y la componente del contenido de poros. Diferentes materiales exhiben diferentes parámetros de respuestas tales como su resistividad o su inverso la conductividad, la velocidad acústica, la permitividad magnética y la densidad. Estos parámetros están influenciados por el tipo de mineral, arreglo de granos, porosidad, permeabilidad y contenido de poros. En general ninguna propiedad es única de un solo material, pero cada material es descrito en un rango de cada propiedad. Para la investigación de aguas subterráneas los parámetros de más significancía que han sido usados para describir un sistema de acuíferos son los relacionados a la porosidad y permeabilidad del acuífero y sus acuitardos adyacentes. Las propiedades geofísicas que pueden ser asociadas a la porosidad / permeabilidad son:

Conductividad Eléctrica y su inverso la resistividad: Es el factor de proporcionalidad relativa al flujo de corriente eléctrica en un medio al cual se le aplica un campo eléctrico. Esta habilidad de las cargas eléctricas de moverse a través del material ha sido correlacionado con la porosidad. La relación se establece a través del contenido de arcilla y el tipo de fluido presente en la roca.

Velocidad sísmica para ondas compresionales y de cizalla está relacionada con los módulos elásticos y la densidad del material. La velocidad de las ondas compresionales ha sido correlacionada con la porosidad y usadas para determinar el contenido de fluidos.



El éxito de cada técnica geofísica depende no solo de un cuidadoso diseño de adquisición sino también de la cantidad de consideraciones geológicas que se tengan en cuenta además del factor cultural junto a los datos geofísicos: Naturaleza del objetivo: La respuesta del objetivo geofísico debe ser diferenciada del entorno geológico e hidrogeológico. Geometría del objetivo: Se tiene que tener en cuenta si se están buscando medios estratificados horizontales (y si son eventuales repeticiones) o medios subverticales o locales. Hay técnicas especificas y optimas para los diferentes modelos hidrológicos. Profundidad del objetivo: La profundidad del objetivo es importante debido a que diferentes técnicas tienen diferentes rangos de penetración. El rango de penetración es una relación entre la profundidad de penetración y la resolución de la técnica con respecto al rasgo de interés. Una técnica que puede ver a gran profundidad en la tierra generalmente tiene menor resolución que una técnica que vea objetivos someros. Dimensión del objetivo: Una estimación de la dimensión del objetivo (en términos de extensión horizontal y vertical) es necesaria previo a la selección de la técnica apropiada. La dimensión del objetivo debe ser considerada en conjunto con el rango de profundidad por técnicas individuales. Intervalo de las estaciones de medición: Esto dependerá de la profundidad del objetivo sus dimensiones y la técnica seleccionada. La adquisición geofísica ha sido tradicionalmente llevada a través de perfiles o mallados, por esta razón el espaciamiento entre estaciones debe ser calculado junto con la separación entre líneas para no perder la dimensión de un objetivo particular u obtener aliasing espacial del objetivo. A groso modo, una anomalía geofísica será aproximadamente dos veces el tamaño del objeto que la causa por eso se debe dar el máximo espaciamiento entre estaciones y líneas. Calibración de los datos: La clave del éxito de una adquisición geofísica es la calibración de los datos geofísicos con información geológica e hidrogeológica verdadera del subsuelo. La Calibración de los datos puede ser suministrada por datos de geofísica de pozo, muestras derivadas de pozos por un muestreo continuo o por ripios.



METODOS GEOFISICOS Métodos Eléctricos Los métodos de resistividad estudian, por medio de mediciones efectuadas en superficie, la

distribución en profundidad de alguna magnitud eléctrica de los materiales del subsuelo.Todos los métodos de resistividad / conductividad para la localización de aguas subterráneas, dependen de la correlación de las propiedades eléctricas del subsuelo con la presencia de aguas y su interacción con las rocas que la contienen. Sintéticamente, los principios básicos de la aplicación de métodos de resistividad/conductividad en investigación de agua son:

Las rocas frescas sin poros o fracturas y una arena seca sin agua o arcilla son altamente resistivas

(hasta miles de ohm*m) Una roca porosa o fracturada capaz de almacenar agua, tiene una resistividad la cual depende del agua

y de la porosidad de la roca (cerca de unos cien y mil de ohm*m). El comportamiento absoluto depende del contraste con la roca a su alrededor.

Una arena o grava con agua es relativamente resistiva si localizada en contacto o comparada a una arcilla, es conductiva si es por debajo de un nivel de la misma arena seca. Las resistividades de arenas con agua varían entre las decenas y unos cientos de ohm*m.

Una capa de arcilla impermeable, que ha confinado el agua, tiene baja resistividad, entre uno y 10 ohm*m. Una fractura en roca competente y rellena de agua es generalmente meno resistiva de la roca a su alrededor. Entre las modalidades de estas técnicas de investigación, las más usadas en investigaciones

hidrogeológicas son: 1) Sondeos Eléctricos Verticales (SEV)

Se conoce como sondeo eléctrico vertical (SEV) a una serie de determinaciones de resistividad aparente, efectuadas con el mismo tipo de dispositivo y separación creciente entre los electrodos de emisión y recepción de corriente. En las configuraciones de adquisición, dos electrodos son usados para energizar el suelo y dos electrodos para medir la diferencia de potencial. La correlación entre la corriente inyectada, la diferencia de potencial medida y un coeficiente geométrico relativo a la disposición de los 4 electrodos determina el valor de la resistividad aparente en el sitio. Este valor de resistividad aparente corresponde a una cierta profundidad, función de la separación entre los electrodos (y configuración usada) y de las secuencias electro-estratigráficas investigadas. Estos factores y los objetivos de investigación determinan la programación de la longitud o extensión del sondeo. Los datos de resistividad aparente obtenidos en cada SEV se representan por medio de una




curva bi-logarítmica, en función de las distancias crecientes entre electrodos. La finalidad del SEV es averiguar la distribución vertical de resistividades bajo el punto sondeado. Esto es posible a través de la modelizacion numérica de la curva de resistividad aparente.

Las configuraciones geométricas posibles para la ejecución de los SEV son generalmente tres, Schlumberger, Wenner y Dipolo Dipolo.

Lo que se suele buscar con este procedimiento son estructuras y capas acuíferas, y la

diferenciación entre materiales permeables e impermeables (acuitardos y estratos confinantes). Los tipos de problemas y condiciones hidrogeológicas más importantes entre las susceptibles

de estudio por medio del SEV son los siguientes.

a) Formaciones con sedimentos incoherentes Son formaciones caracterizadas por tener materiales con tamaño de grano que va

desde las arcillas hasta las gravas. La permeabilidad aumenta con el tamaño de grano, por lo tanto el objetivo de estos estudios se traduce en buscar materiales permeables con suficiente continuidad lateral, y esto se logra definiendo zonas resistivas, ya que las arcillas tienen resistividades menores a las arenas y a las gravas, de mayor tamaño de grano.

b) Aluviones Siempre que éstos presenten suficiente contraste de resistividad con la formación

subyacente, se puede detectar su espesor. Además se pueden detectar cambios en la naturaleza de los aluviones, lentejones arcillosos intercalados entre estos, etc.

c) Rocas efusivas En zonas volcánicas es frecuente encontrar rocas efusivas con bastante permeabilidad

y que constituyen excelentes acuíferos, como algunos basaltos. En algunos casos, tales formaciones pueden delimitarse mediante SEV.

d) Rocas compactas En estos casos, las aguas subterráneas sólo pueden encontrarse en las grietas o

fracturas, o en la zona de alteración superficial. En este caso los SEV ayudan a determinar la profundidad del techo de la roca sana y, si se usan más SEV a lo largo de un perfil, se pueden definir zonas de fracturación. Una configuración radial de varios SEV permite definir la orientación de las fracturas.

e) Rocas calcáreas La resistividad de las calizas depende en gran medida de su estado de fisuración y del

relleno de sus grietas y cavidades. Los valores mayores corresponden a rocas muy compactas con fracturas vacías, los intermedios a calizas con fisuras llenas de agua dulce, y los menores a rocas muy fracturadas o rellenas con agua salada.

f) Diferenciación entre aguas dulces y saladas Las aguas saladas presentan mayor conductividad que las aguas dulces, por lo que

pueden ser diferenciadas mediante métodos geoeléctricos, en especial el SEV. Gracias a esta propiedad se puede distinguir entre acuíferos de agua dulce y de agua salada, determinar, en planta, el límite de la zona de contaminación marina en regiones costeras, y establecer la marcha en profundidad del contacto entre el agua dulce y la salada.



En la aplicación del SEV el subsuelo se supone formado por capas horizontales, en entornos donde existe una tridimensionalidad de las estructura el método carece de aplicabilidad. Desde el punto de vista de la profundidad de investigación ésta se establece comúnmente del orden de 0.1 a 0.3 de la apertura AB dependiendo de las características eléctricas que presente el entorno investigado.

El método eléctrico es sin duda el mas conocido y, a pesar de ser engorroso en su aplicación, representa una solución tecnológicamente valida y robusta en investigaciones hidrológicas someras (<100 m de profundidad) en proyectos pequeños y de bajo presupuesto.




Resistividad (SEV) Interpretación bidimensional en caracterización de acuíferos

2) Tomografía Eléctrica (ERT)- Imaging Electrico

Investigaciones eléctricas con configuraciones multi – electrodos tipo Wenner, Schlumberger o Dipolo – Dipolo (Polo – Dipolo) en un perfil permiten un estudio de detalle de las variaciones verticales y horizontales de las propiedades eléctricas del subsuelo. Estas investigaciones posibles por la evolución de la tecnología de adquisición y procesamiento, están entre las herramientas más novedosas para la investigación con métodos de resistividad. Prácticamente, usando instrumentación multi canal, “switch” - “multi plexer” y cables multi – polares se puede adquirir en breve tiempo un tendido electródico de amplia dimensión. El ordenador y la electrónica del sistema de adquisición permiten controlar la secuencia y la geometría del arreglo.




Resistividad (Tomografía) Localización de fracturas con tomografía eléctrica

El uso de esta configuración tiene como finalidad estudiar en particular las variaciones laterales de resistividad del subsuelo. Se trata de un método de investigación muy apropiado (por su alta resolución lateral) para detectar cambios geológicos verticales o inclinados, relativamente superficiales (< 50-100 m), tales como diaclasas o fracturas.

La profundidad de investigación depende del número de electrodos (canales) y su espaciamiento. Considerar que aumentar el numero de electrodos / canales implica también usar un transmisor de alta potencia para garantizar una relación señal/ruido alta y una logística mas complicada. Como regla general la profundidad máx. de investigación es 0.2*L (largo del tendido).

No ElectrodosEspaciamiento

ElectrodosLargo del tendido

Profundidad Max (m)

5 240 24 - 4810 480 64-965 360 48-72

10 720 128-144

48

72 En investigaciones hidrológicas (y problemas asociados) el método es particularmente indicado para caracterización de acuíferos secundarios, penetración de cuña salobre y estudios de contaminación. A pesar de que pueda ser usado para la caracterización de secuencias aluviales a profundidades menores de 100 m, la aplicación de este método tendrá sentido solo si en el modelo geológico se




evidencia que las secuencias permeables del área sean muy variables lateralmente, asociadas a lentejones y se requiera una alta definición lateral. En secuencias aluviales relativamente regulares en extensión y para estudios regionales el método no es el óptimo.

Resistividad (Tomografía) Mapeo de paleocanales con tomografía eléctrica




Métodos Electromagnéticos En los últimos años los métodos de inducción electromagnética han resultado de suma

utilidad para detectar y medir pequeños cambios causados por la presencia, calidad y tipo de las aguas subterráneas. Estas técnicas son necesarias en ambientes donde los contrastes de conductividad son altos, pero donde los materiales y las condiciones superficiales no permiten la aplicación de métodos resistivos, como por ejemplo en regiones muy áridas.

Entre los métodos electromagnéticos tenemos tres grandes categorías, métodos en el dominio de la frecuencia (FDEM), métodos en el dominio del tiempo (TDEM), y métodos como el Magneto Telúricos donde se combina la medición de los campos eléctricos y magnéticos naturales de la tierra en función de diferentes frecuencias.

Métodos EM en el Dominio de la Frecuencia - FDEM

a) FDEM (Calicata y Tomografía Electromagnética) Pequeñas bobinas llamadas dipolos son usadas como transmisores y receptores de ondas

electromagnéticas de diferentes frecuencias. Varias configuraciones son usadas para diferentes aplicaciones. Pares de bobinas pueden ser usadas en configuración coplanar horizontal, coaxial vertical o coaxial horizontal. En algunos sistemas el Tx y el Rx son ubicados en el mismo contenedor y transportados por una sola persona a lo largo del perfil. Sistemas con separación mas grandes y operadas por dos personas presentan una bobina Tx y una Rx separadas de unas decenas de metros. Dependiendo del objetivo de la investigación, se adquirirán frecuencias singulares o múltiples.

FDEM Principios operativos

Las separaciones pueden variar en función de la frecuencia o, a paridad de separación, se

pueden usar diferentes frecuencias para investigar a diferentes profundidades.


Estas técnicas son comúnmente utilizadas en investigaciones hidrogeológicas superficiales, de hasta 60 – 100 m de profundidad. Su habilidad para detectar cambios en la conductividad con alta resolución lateral permite su utilización tanto en caracterizaciones de potenciales acuíferos secundarios (fracturas), como en caracterización de cuñas salobres y en estudios de contaminación



de aguas subterráneas. En el caso de las cuñas salobres los métodos FDEM permiten un rápido mapeo espacial y la eventual optimización de otras investigaciones geofísicas profundas (SEV y TDEM) o la ubicación directa de perforaciones. En el caso de estudios de contaminación, una gran cantidad de contaminantes contienen ácidos, sales, etc., que aumentan la conductividad del subsuelo y de las aguas, en cambio, los contaminantes con hidrocarburos, al presentarse en grandes cantidades disminuyen la conductividad del medio. Como la conductividad es el recíproco de la resistividad eléctrica, las aplicaciones de los métodos eléctricos, anteriormente explicadas, también son válidas con estos equipos. Los métodos FDEM son definitivamente una herramienta muy útil en la fase de caracterización espacial de propiedades eléctricas en proyectos de exploración relativamente someros.

EM. Definición en planta de una cavidad Karstica rellena de agua (alta conductividad)

EM Caracterización de una falla a lo largo de un perfil

Very Low Frecuency o VLF

Es un método electromagnético muy utilizado en la exploración de aguas subterráneas en fallas geológicas y zonas de fracturas en rocas competentes. Consiste en la medida de los efectos de la irradiación de una corriente generada por transmisores VLF ubicados alrededor del mundo en el suelo. Esta corriente tiende a concentrarse a lo largo de estructuras geológicas conductoras causando una distorsión cuantificable del campo magnético. Se grafican las cantidades medidas en cada sitio de prospección permitiendo la interpretación de zonas de fracturas. El método es muy económico y rápido. Permite investigaciones hasta 50-100 m de profundidad en función de las características geológicas del sitio (mas resistivo es el entorno mas profundidad puede ser alcanzada).

VLF Aplicación de VLF para localizar un cuerpo conductor vertical (fractura con agua)




Métodos EM en el Dominio Temporal (Campo Transitorio) - TDEM

El principio operativo del método TDEM (Time Domain EM) consiste en hacer circular cíclicamente, en cortos periodos de tiempo, un campo eléctrico alterno alrededor de una bobina transmisora. Durante el periodo de conexión se origina un campo magnético primario estable en el subsuelo. Cuando se corta de forma instantánea la corriente que circula por la bobina transmisora (y por tanto cesa el campo magnético primario) el campo EM inducido en el subsuelo causa corrientes parásitas (EMF) que se propagan tanto a través del terreno como en los conductores próximos. Como consecuencia de pérdidas de resistencia calórica estas corrientes disminuyen con el tiempo, provocando un campo magnético secundario decreciente en la superficie.

Como el campo magnético secundario se genera cuando el campo primario está desconectado, puede medirse con relativa facilidad. Cuando en el subsuelo hay cuerpos de conductividad eléctrica elevada, la atenuación de las corrientes parásitas es significativamente menor que en los malos conductores. Por tanto, la medida de la relación de decrecimiento del campo secundario proporciona una forma de detectar la presencia de cuerpos conductores en el subsuelo y estimar su conductividad. El dispositivo de medida común consiste en situar la bobina receptora en el centro de la bobina emisora (generalmente cuadrada), e incluso utilizar la misma bobina para las dos funciones. En esta configuración, la medida del campo decreciente en el centro de la bobina es equivalente a la medida de la resistividad en función de la profundidad (análoga al método de SEV en corriente continua). La profundidad de investigación es función del retardo (delay time) del campo decreciente y es independiente de la separación entre las bobinas emisora y receptora. Al aumentar el tiempo, la intensidad de corriente se propaga a mayores profundidades. El método es rápido (pocos minutos de medida por cada sondeo) y permite alcanzar, en función de las dimensiones de las bobinas (bucles) usados y de la potencia del transmisor, desde pocas decenas de metros (NanoTEM para estudios de alta resolución) a algunos km de profundidad (LoTEM donde se utiliza un gran dipolo transmisor y un generador de alta potencia). Los valores de un sondeo TDEM (llamados también SEDT) se representan en forma de curvas de variación de la resistividad aparente en función del tiempo, y su interpretación se lleva a cabo de forma análoga a los de los SEV’s. Los datos de SEDT y SEV se pueden correlacionar e integrar perfectamente y son usados en forma conjunta para optimizar modelos de interpretación. Pseudos secciones de conductividad y secciones 2D de resistividad pueden ser compiladas para la caracterización y definición geométrica de la secuencia electro estratigráfica.




El método TDEM tiene varias ventajas sobre los métodos EM en el dominio de frecuencias y sobre los métodos eléctricos galvánicos. Entre estas podemos destacar:

Respecto al FDEM Usar más frecuencias (respecto al FDEM) y por lo tanto proveer mayor resolución vertical. Capacidad de un mayor poder de penetración. Mayor resolución en definición de estructuras estratificadas. El efecto negativo con respecto a

los métodos FDEM es la menor resolución lateral. Respecto a los métodos eléctricos La disminución de las influencias laterales y la relativa insensibilidad al ruido geológico. No necesita contactos electródicos y la posibilidad de sondear a través de recubrimientos

resistivos (donde no penetraría corriente usada por los métodos eléctricos). Mayores profundidades de investigación con relativo menor esfuerzos logístico. Mayor rapidez y productividad en la adquisición.

Sección de resistividad aparente a través de un perfil de TDEM




Métodos Magnetotelluricos – AMT - CSAMT El método magnetotelúrico, magnetotelúrico de fuente natural y el magnetotelúrico de fuente controlada, utiliza las componentes magnéticas y eléctricas de los campos magnetotelúricos naturales con la finalidad de mapear variaciones en las resistividades del subsuelo a profundidades de hasta algunos kilómetros. CSAMT es una derivación específica de los métodos magnetotelùricos que permite una señal más fuerte y confiable permitiendo detectar objetivos someros que sería imposible observar con las bajas frecuencias de las señales naturales. Variaciones temporales en la ionosfera y magnetosfera de la tierra, causadas por factores tales como vientos solares y variaciones diurnas del campo magnético terrestre, resultan en campos magnetotelúricos de baja frecuencia a través del globo el cual induce corrientes alternantes telúricas en el subsuelo. Señales de alta frecuencia resultante de tormentas eléctricas alrededor del mundo están superpuestas a estos campos de baja frecuencia. Similarmente las frecuencias en el espectro de las radio ondas contribuyen a incrementar esta señal natural que se transmite en el subsuelo y representa la fuente de señal de estos métodos EM. Las heterogeneidades geológicas (cavidades, zonas de fractura, transiciones litológicas verticales y laterales etc.) pueden causar cambios medibles en el factor de atenuación y fase de la onda EM. Las ondas secundarias que se producen por dispersión desde las zonas anómalas se atenúan rápidamente con la distancia en los medios conductores y representan objetivos excelentes de investigación. Los métodos magnetotelúricos convencionales utilizan el campo magnético y eléctrico naturales con la finalidad de mapear variaciones de resistividad en el subsuelo a grandes profundidades. Esto es posible a través de la medida de señales de baja frecuencia. En este espectro de frecuencias, la naturaleza errática de estas fuentes en términos de fuerza y dirección impone la necesidad de apilar datos por largos periodos de tiempo en una estación. En el caso de investigaciones mas superficiales se puede usar la porción del espectro que incluye la ondas radios (método AMT). La ausencia de una cobertura homogénea del rango de frecuencias que permitirían una investigación optima del subsuelo y la variabilidad en la intensidad de estas señales introdujo la idea de usar una fuente controlada de transmisión de señal (cuya interacción con el subsuelo es investigada para reconstruir una sección de conductividad). El método CSAMT utiliza una fuente artificial en el rango de los 0.1 y 10 hasta 100 kHz para proveer una señal fuerte y confiable además de rapidez en la adquisición. Modernos instrumentos de CSAMT también pueden medir señales magnetotelùricas tanto naturales como de audiofrecuencia para suministrar una rango de profundidad mas extenso en exploración. Medidas de los cambios en los campos eléctricos y magnéticos, en un rango de frecuencias permiten construir una curva de sondeo de resistividad aparente. La resistividad aparente es combinada con medidas de diferencia de fase entre los campos magnéticos y eléctricos. En un medio isotropico homogéneo, la componente magnética está desfasada con respecto a la eléctrica de π/4. Como la resistividad varia con la profundidad, la diferencia de fase medida será diferente. La inversión conjunta de los datos usando tanto la fase como la resistividad aparente provee una interpretación más robusta. Los datos son normalmente presentados como resistividad aparente versus frecuencia y fase versus gráfico de frecuencia. La combinación de la inversión 1D de resistividad junto con la inversión fase/resistividad permite la formación de pseudos secciones 2D de resistividad versus profundidad.



El método “hibrido” AMT – CSAMT se basa en el hecho de que la relación entre el campo eléctrico y el campo magnético a una cierta frecuencia es constante para una cierta resistividad. Esta relación puede ser obtenida midiendo señales naturales, sin embargo estas no siempre están presentes. El método AMT – CSAMT soluciona este problema combinando el uso de señales naturales con el uso de una antena transmisora, con la que se transmiten frecuencias desde 1kHz hasta 70 kHz, frecuencias que generalmente son débiles en el espectro de frecuencias naturales. En la imagen a lado, se esquematiza la instrumentación empleada en este método. Con este método se puede seleccionar la banda de frecuencias a utilizar, que pueden ir desde 10 Hz hasta 100 kHz, asi como el tiempo de integración o “stacks”. Generalmente el tiempo de integración va de 5 a 10 minutos, tiempo en el cual se realiza un sondeo completo. Tomando en cuenta el tiempo necesario para la puesta en sitio de la instrumentación, un sondeo puede ser realizado en aproximadamente 15 o 20 minutos. Los datos pueden ser procesados e interpretados en sondeos en 1D, que posteriormente son combinados para generar pseudosecciones en 2D de la resistividad. La profundidad de investigación dependerá de la resistividad del medio y de las frecuencias empleadas.




Perfil CSAMT trasversal a una cuenca e inversión 2D Aunque este método es a menudo menos susceptible que otras técnicas al ruido geológico, en la interpretación debe tenerse en cuenta efectos culturales en la estática superficial así como efectos geológicos multidimensionales que no pueden ser modelados con facilidad. La aplicación de este método ha sido comprobada en la caracterización de variaciones laterales de conductividad asociadas a modelos geológicos relativos a zonas de fracturas, cuerpos mineralizados o plumas geotérmicas. En aplicaciones hidrológicas el método ha sido aplicado con éxito en el rápido mapeo de acuíferos primarios continuos asociados a formaciones permeables profundas o en la identificación de fracturas al interior de un substrato rocoso.




SONDEOS POR MÉTODOS GALVANICOS (SEV) y EM (TDEM – AMT/CSAMT) PROFUNDIDAD DE INVESTIGACION, LOGISTICA - VELOCIDAD DE ADQUISICION (VdA), VENTAJAS Y DESVENTAJAS, APLICABILIDAD DEL METODO, CONSIDERACIONES PARA VENEZUELA Investigación de Acuíferos Primarios SEV Profundidad de investigación. Como regla general la profundidad de investigación varia entre un 0.1 y 0.3 veces el largo del tendido AB, llegando en algunos casos a penetraciones aun menores. En práctica un SEV de AB=600 (AB/2=300m) puede llegar a cien metros de profundidad de investigación. Una profundidad similar puede ser el resultado de SEV mas largos (AB/2=800-1000m) en áreas con secuencias muy conductivas. Esto es el caso de la Sierra de Guanipa donde SEV de AB/2=1000m (AB=2000m) proveen información hasta 120-200 m. La implicación relativa al uso de tendidos largos es la necesidad de usar transmisores de corriente muy potentes (500-1000W mínimo). Logística – VdA. La logística y velocidad de adquisición está fuertemente condicionada por el largo del tendido y por el entorno de trabajo. Comúnmente en Venezuela se pueden ejecutar entre 2 y 3 SEV de AB/2=1000 m diarios. Ventajas. Método robusto y ampliamente aceptado. Permite a técnicos expertos de controlar los resultados y la calidad de los datos del sondeo en campo. Su universalidad permite la fácil interpretación numérica y la integración de datos de diferentes estudios. Es un método que puede ser usado en ambientes con fuertes conductivos superficiales (típicos de áreas tropicales). Excelente en la caracterización de variaciones eléctricas verticales en medios subhorizontales. Seguramente la solución técnico/económica óptima para investigaciones superficiales a pequeña escala. Desventajas. Lento y con necesidad de largos tendidos para investigar profundidades mayores de 100m. No es fácilmente aplicable en ambientes con alta resistividad superficial asociadas a zonas muy áridas y con sedimentos compactados (ej. Valle de Quibor), suelos laterizados, etc. Otra desventaja es la necesidad de usar electrodos clavados en el suelo (contactos galvánicos) y el ser sensible al ruido geológico asociado a estructuras 2D y a condiciones de capas no planas y paralelas. TDEM Profundidad de investigación. La profundidad de investigación es función de la dimensión/numero de vueltas en la bobina o largo del dipolo de transmisión y de la potencia del transmisor. Esta puede llegar y superar los 500 - 1000m, con instrumentación diseñada para investigaciones superficiales e intermedias, y a algunos km con instrumentación tipo LOTEM (Long Offset Transient Domain). La penetración es función de la resistividad superficial y secuencia electro-estratigráfica investigada. Logística – VdA. La logística es práctica y rápida si se usan bucles reducidos (5-10 m) con más grande número de vueltas en la bobina (8). En este caso cada set-up y medida (sondeo) podría tomar un máximo de 20-30 minutos. En el caso de bucles más grandes (100m) la operación podría ser más lenta y tomar un 30 % de tiempo adicional. Un promedio de 10 sondeos TDEM diarios es común en áreas sin mayores limitaciones asociadas a vegetación y topografía.



Ventajas. Método robusto y ampliamente aceptado como el SEV. Como todos los métodos electromagnéticos resulta meno sensible a ruido de tipo geológico que los SEVs. Método activo, la general alta relación señal / ruido permite adquirir datos confiables en cualquier ambiente. Es un método excelente en ambientes tropicales y es el estándar operativo para investigaciones intermedias y profundas en países como Australia, Norte América, Europa y África. Excelente en la caracterización de variaciones eléctricas verticales en medios subhorizontales estratificados (secuencias sedimentarias y aluviales). No necesita electrodos puestos a tierra y es más rápido que los SEV. Desventajas. No es tan sensible a variaciones laterales de la resistividad (elemento no relevante en investigación de acuíferos primarios). Podría ser engorroso en términos de velocidad de adquisición porque para llegar a profundidades mayores se necesitan bucles de mayor tamaño. AMT / CSAMT Profundidad de investigación. La profundidad de investigación, en el rango de frecuencias relativas a aplicaciones comunes de 1-10 Hz hasta 90 KHz, puede llegar y superar los 500m en función de la resistividad superficial y secuencia electroestratigráfica investigada. Logística – VdA. La logística y velocidad de adquisición es una de las más práctica y rápida entre los métodos analizados. Cada setup y medida (sondeo) podría tomar un máximo de 20-30 minutos. Ventajas. Método rápido y de gran potencialidad si se comprueba su aplicabilidad local. El ambiente optimo donde ha demostrado a pleno su capacidad investigativa para investigaciones hidrológicas son áreas donde se investigan cuencas sedimentarias donde se quiere identificar un horizonte asociado a rocas permeables (calizas - areniscas en acuíferos continuos) o zonas fracturadas profundas. Como todos los métodos electromagnéticos resulta fácilmente aplicable en áreas con altos resistivos en la cobertura y es meno sensible a ruido de tipo geológico de los SEVs. En Venezuela este método seria altamente productivo en ambientes geológicos como los de la zona de Barquisimeto donde los acuíferos productivos están asociados a la permeabilidad primaria y a fracturas del substrato carbonático cubierto por una secuencia aluvial arcillosa de baja permeabilidad. El método es excelente en aplicaciones donde se necesitan resolver variaciones laterales de conductividad (geotermia, minería). Desventajas. A pesar de ser un método evolucionado en términos teóricos e instrumental es un método pasivo y más susceptible a fuentes de ruido que los métodos activos. La combinación híbrida CSAMT permite reducir esta limitación para ciertas frecuencias. El campo de las frecuencias investigadas solapa el rango de las frecuencias de las comunicaciones y de transmisión eléctricas proveyendo limitaciones en la aplicación del método en áreas próximas a instalaciones industriales y fuentes de ruido EM. Como para el método PMR la relación señal / ruido puede ser pequeña, introduciendo ambigüedades en la representatividad de la data en caso de presencia de ruido EM. Es un método muy sensible a variaciones topográficas que pueden provocar fuertes distorsiones en datos AMT adquiridos con los campos eléctricos perpendiculares al rumbo geológico. Sensible a efectos estáticos superficiales y a efectos multi-dimensionales. Su aplicabilidad en estudios hidrológicos tendría que ser confirmada localmente, en función del modelo geológico y posible ruido EM en entornos geográficos y latitudes específicas. No se encuentran experiencias publicadas y confrontadas con datos de perforación de la aplicación de AMT / CSAMT en Venezuela. Su efectividad, especialmente en condiciones de baja latitud con



grande ocurrencia de ruido EM asociado a “spherics”, tendría que ser aclarada con correlaciones con otros datos geofísicos y de perforaciones. El método MT ha sido aplicado en el oriente de Venezuela conjuntamente al LOTEM en los aňos 80 (Intevep) para objetivos profundos. En el caso de modelos geológicos (como el de la sierra de Guanipa) donde se identifica un acuífero aluvial, la aplicabilidad del método CSAMT / AMT en la resolución de secuencias de arcillas y arenas tendría que ser comprobada tramite la correlación con perforaciones.



Radar El radar de penetración del subsuelo es una técnica electromagnética para medición de

desplazamiento de corrientes superficiales en el subsuelo. Los desplazamientos de corriente se generan por un movimiento de las cargas del subsuelo por polarización y pueden estar relacionadas a la permitividad eléctrica o la constante dieléctrica del terreno.

Es una técnica para investigaciones superficiales (hasta un max de 30-50 m). El método es

similar a la sísmica de reflexión a offset constante en lo que respecta la adquisición y el procesamiento de los datos, sin embargo la sísmica utiliza ondas acústicas mientras el radar utiliza ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia. Un breve pulso de energía electromagnética es irradiado por un transmisor (Tx), con una frecuencia característica única que puede estar entre 25 y 2000 Mhz. Cuando este pulso alcanza interfases donde existe un contraste de la constante dieléctrica o cuerpos que presenten diferencias en dicha constante con el medio que los rodea, 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 una antena receptora (Rx), mientras la energía remanente continúa hasta la próxima interfase. Debido a que utiliza ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia, su profundidad de penetración es de varias decenas de metros, por lo que es ideal en investigaciones hidrogeológicas superficiales. El radar genera una imagen del subsuelo con altísima resolución lateral y vertical, que permite definir las distintas estructuras presentes en el subsuelo somero. Las dos configuraciones generales del radar son las siguientes:

a) Ground Penetrating Radar (GPR)

Es el método moderno de más éxito en investigaciones del subsuelo no invasivas. Por esto es un método que no afecta el medio ambiente y es excelente para las fases de planificación y desarrollo de proyectos industriales. Adicionalmente no necesita establecer contacto físico de ningún tipo (tipo electrodos) con el suelo, es rápido y de fácil aplicación en todos los ambientes. Siendo un método electromagnético activo, permite investigar áreas urbanas (con antenas blindadas) y ambientes geológicos donde las condiciones superficiales limitan la aplicación de otros métodos. Sus principales aplicaciones hidrogeológicas superficiales son:

• Definición del nivel freático (la mesa de agua es identificada como un reflector) • Delimitación del acuífero primario (no confinado) • Caracterización del substrato y su morfología (paleocanales ..) • Determinación del grado de saturación de agua • Localización de fracturas y fallas • Localización de plumas contaminantes

GPR Definición del Nivel Freático con GPR GPR Identificación de Paleocanales con agua




Nuevas aplicaciones del GPR en hidrologia son experimentadas en el tema de la caracterización del contenido de agua en medios porosos.

b) Borehole Radar El método de Borehole Radar se basa en el mismo principio que el GPR, pero en este caso el pulso electromagnético es transmitido por una antena emisora ubicada en un pozo y es recibido por una antena receptora colocada en el mismo pozo o en otro colocado a una cierta distancia. Debido a que la presencia de agua modifica la conductividad del medio el método permite definir los límites de los acuíferos, su grado de saturación, así como también, la estratigrafía del área.

GPR Definición del Nivel freático y estratigrafía con Borehole Radar




Sísmica La sísmica de refracción es un método

altamente efectivo y económico para obtener información en estudios hidrogeológicos. Esta técnica ha sido muy utilizada en casos en donde se presentan discontinuidades de velocidades sísmicas entre las unidades hidrológicas. El principal uso de estas técnicas en este campo de investigación es generar un marco hidrogeológico del área y localizar los límites del acuífero.

Sísmica Modelo de Velocidades Sísmicas en profundidad

Aquellos ambientes en donde la velocidad de propagación de las ondas sísmicas aumenta con la profundidad, donde no se presentan capas delgadas y donde existe una diferencia significativa entre las velocidades sísmicas de la interfase hidrogeológica son ideales para la aplicación de un estudio de sísmica de refracción. Normalmente la velocidad de las rocas consolidadas es mayor a la de las rocas no consolidadas, y dentro de un mismo tipo de roca, aquellas que estén saturadas presentaran una mayor velocidad de propagación.

En aquellos casos en donde estas condiciones no se cumplan, la técnica de sísmica de refracción no es apropiada. Aparte de estas limitaciones físicas, la sísmica de refracción no permite detectar (1) capas de bajas velocidades que se encuentran por debajo de una capa de alta velocidad, (2) dos unidades hidrogeológicas diferentes que posean la misma velocidad sísmica, o (3) capas delgadas de velocidades sísmicas intermedias en una secuencia de capas cuya velocidad sísmica aumenta con la profundidad. Otra limitación del método es la necesidad de usar fuentes a percusión (martillo o explosivos) cuya potencia está relacionada con la profundidad de investigación necesaria y al tipo de material aflorante que puede limitar la penetración de la señal.

En el caso de la sísmica de reflexión, el método es extremadamente eficaz en la

caracterización de la geometría de rocas permeables (carbonatos, areniscas) en secuencias sedimentarias.

Sísmica de alta resolución aplicada en superficie. Por muchos años, la sísmica de reflexión fue descartada para caracterizar la geometría de acuíferos. Ahora es posible trabajar en acuíferos profundos usando las mismas herramientas de procesamiento sísmico que en la industria petrolera una vez definidos los parámetros que deben ser adaptados a las especificaciones del acuífero en cuestión. Acuíferos aluviales y continuos Un acuífero contínuo está formado por formaciones de arenisca o caliza con buena porosidad y permeabilidad protegido por formaciones suprayacentes. Este primer tipo de acuífero es más común y puede ser seleccionado tomando en cuenta la profundidad de la formación. Los métodos de




investigación pueden ser ligeramente diferentes dependiendo si está por debajo o por encima de los 100 metros. Para acuíferos continuos, la sísmica de reflexión puede ayudar a determinar la geometría y la interconexión de acuíferos de diferentes formaciones al igual que las facies laterales o verticales y otros elementos requeridos para un buen modelado. Para objetivos mas profundos a los 100 metros, la sísmica de refracción y los métodos eléctricos pueden ser aplicados. Debido a que los acuíferos de los niveles someros se han contaminado y las aguas superficiales no abastecen la demanda, la exploración de aguas subterráneas ha alcanzado los 2000 metros de profundidad. Para un buen conocimiento de los recursos, ha sido incrementado el uso de la sísmica de alta resolución, tanto en 2D como en 3D, dependiendo de la complejidad y la precisión requerida. Esta tecnología originada en la industria petrolera permite obtener información muy útil cuando se hacen las consideraciones geológicas necesarias al momento de su interpretación. Esta tecnología está siendo adaptada para esta aplicación agregándole valor a los costos del recurso. Un ejemplo de un acuífero continuo es presentado en la figura a continuación. Un estudio microestructural podría ayudar a definir la orientación preferencial de fracturas abiertas y permite la correlación con el fracturamiento obtenido de datos densos de sísmica 2D. Las herramientas sísmicas usadas para caracterizar campos petroleros, como los atributos, pueden ser adaptadas sin dificultad a la exploración de reservorios de agua.

Acuífero continuo (Violeta) por debajo de un tope arcilloso (Amarillo). La mesa de agua se alimenta con agua del oeste con gas por una falla visible en el este.

La implicación es que el método es caro y aplicable en áreas donde los objetivos son profundos.




Resonancia Magnética Nuclear PMR Es el único método geofísico capaz de detectar directamente la presencia de agua en el

subsuelo, ya que como se ha visto, los demás sólo pueden proporcionar información estratigráfica y estructural. Se basa en la medición de la resonancia magnética de los protones del núcleo de los átomos de agua. La resonancia magnética nuclear o resonancia magnética del protón, es una propiedad de los protones del átomo de hidrógeno que cuando son expuestos a un campo magnético externo son excitados y producen una respuesta cuantificable en superficie. El procesamiento de los datos permite localizar el acuífero y determinar otros parámetros de importancia, como su contenido de agua en función de la profundidad y el tamaño de grano de la roca saturada (porosidad). También da una idea del tipo de acuífero, lo que permite determinar la mejor posición para ubicar el pozo de extracción. El método permite investigaciones hasta 150 m de profundidad.

Ruidos electromagnéticos de cualquier tipo, como líneas eléctricas, tuberías enterradas, vallas, postes eléctricos, antenas de radio, ciudades, tormentas atmosféricas, etc., limitan la aplicación de este método que ha de medir señales extremadamente pequeñas. La presencia de rocas magnéticas (principalmente las de origen volcánico) no son favorables debido a las variaciones laterales del campo magnético estático de la Tierra. Pero por otra parte es una excelente herramienta en casos en donde los datos de resistividad no pueden ser relacionados a la presencia de aguas.

En Venezuela seria un método optimo en la investigación de agua en Los Llanos.




Métodos Magnéticos La presencia del campo geomagnético es utilizada por la geofísica para detectar la presencia

(o ausencia) de elementos ferromagnéticos en el subsuelo. A escala microscópica, los momentos magnéticos de los minerales magnéticos que se encuentran en objetos metálicos, suelos, sedimentos y rocas se alinean en la dirección del campo geomagnético, produciendo un momento magnético macroscópico neto que se observa como una magnetización inducida. Como en la mayoría de los casos, la magnetización inducida es proporcional a la susceptibilidad magnética macroscópica del cuerpo, propiedad que puede ser medida por los magnetómetros. Para las investigaciones hidrogeológicas, el magnetismo puede ser utilizado en algunas de las siguientes aplicaciones:

• Mapeo geológico de unidades que muestran contrastes de susceptibilidad • Mapeo estructural (fallas, fracturas, etc.) • Detección de profundidad del substrato y del basamento

Magnetismo Fracturas (potenciales acuíferos)




TESTIFICACIÓN GEOFÍSICA DE SONDEOS – DIAGRAFIA La integración de los resultados de la aplicación de los precedentes métodos geofísicos, sensores remotos y la compilación geológica e hidrológica de un área permitirá determinar el mejor sitio para la perforación de un pozo de investigación. Este pozo debe estar situado en la zona mas profundad del acuífero para permitir obtener una información sobre toda la columna. En el transcurso de la perforación se efectuará el control del lodo, principalmente en lo relacionado al peso específico, viscosidad y contenido de arena, el registro de la tasa o tiempo de penetración y la toma de muestras litológicas por cada metro de avance pera el análisis macroscópico. En forma simultánea, durante la perforación exploratoria se llevará un control continuo de algunos parámetros mediante una sonda. En una diagrafía se compilan todos los datos levantados en un pozo, es decir a lo largo de un corte vertical por el subsuelo. En una diagrafía geológica se compilan las propiedades geológicas, mineralógicas y estructurales de los distintos estratos como el tamaño de grano, la distribución del tamaño de grano, la textura y la fábrica de las rocas, su contenido en minerales, su contenido en fósiles, su estilo de deformación. En una diagrafía geotécnica se compilan las propiedades mecánicas de las rocas de un pozo como por ejemplo su grado de resistencia, la tensión de cizallamiento y la cantidad de fracturas por unidad de volumen. En general una diagrafía geofísica puede incluir mediciones nucleares, espectrométricas, de potencial propio (espontáneo), de resistividades y sísmicas. Las técnicas aplicadas en sondeos se desarrollaron independientemente de los métodos geofísicos empleados en la superficie, pero a partir de los sondeos realizados durante la fase de exploración, donde los métodos geofísicos contribuyen a la correlación estratigráfica, al levantamiento geológico y al diseño del pozo (ubicación de la rejillas de producción). La diagrafía geofísica comúnmente entrega datos múltiples grabados mediante un único proceso de medición. Estos datos incluyen informaciones litológicas, estratigráficas y estructurales, indicadores de la mineralogía y de la concentración de las menas e indicadores para la exploración geofísica a partir de la superficie. Los parámetros medidos permiten la determinación de parámetros hidrogeológicos como la porosidad, la permeabilidad, la velocidad y dirección de flujos. Los registros de pozo mas utilizados en hidrogeología son los siguientes: • “Natural Gamma Ray” Log o diagrafía de rayos naturales gamma. Es el método más importante en hidrogeología. Permite obtener información sobre los límites de las capas y el contenido de arcillas (indicando indirectamente la permeabilidad y donde ubicar las rejillas). Este método puede ser aplicado también en pozos entubados (hierro/acero o PVC) y representa una importantísima contribución a la comprensión (junto a los aforos y a la telecámara en pozo) del estado de un pozo y especialmente si la ubicación de las rejillas fue ejecutada en forma apropiada. El método representa también un enorme y económico aporte informativo en zonas petrolíferas donde la testificación de los pozos no se ejecuta en los primero 500-1000 m. Prácticamente se podrían usar pozos petroleros no activos para investigar las secciones hidrológicas de una zona complementando perfectamente la información derivada de la geofísica superficial. Este es el caso del oriente Venezolano donde se podría reconstruir el comportamiento hidrológico regional usando pozos petroleros descontinuados. • “Potencial Espontáneo”. Este método se utiliza de manera puntual para resolver los problemas de límites del acuífero o movimientos del agua. Da la conductividad de las formaciones y permite definir la velocidad y dirección del flujo.



• “Resistividad Corta y Larga”. Da la conductividad del agua de formación y limites de capas. • “Resistividad Lateral”. Resistividad de las formaciones. • “Conductividad de Fluido”. Conductividad de los fluídos presentes en las formaciones geológicas. • “Gamma Log”. Detecta los rayos gamma dispersados y reflejados (backscattered rays) por las formaciones geológicas emitidos por una sonda en el pozo proveyendo una diagrafía de la densidad de las formaciones. • “Neutron Log” o diagrafía de neutrones emplea una fuente, que emite neutrones y un detector correspondiente. Permite obtener la porosidad neutrónica. • “Sondeos de Resonancia Magnética”. Da la porosidad y permeabilidad de las formaciones geológicas. • “Sónico” (de velocidad acústica). Informa sobre la fracturación y litologías, especialmente en acuíferos carbonatados, rocas ígneas o metamórficas. • “Temperatura”. Permite la identificación de acuíferos, aportes de aguas de diferentes temperaturas, gradiente térmico.



CONCLUSIONES

Método Geofísico Técnicas Parámetro Aplicaciones

Geoeléctrico

Sondeo eléctricos

verticales

Tomografía Eléctrica

Polarizaciòn Inducida

Potencial Espontáneo

Conductividad o resistividad

eléctrica

Geometría del acuífero (profundidad de formaciones impermeables y estructura del subsuelo), extensión lateral, propiedades de las formaciones (arena-arcilla), salinidad del agua, plumas de contaminación

Sísmica

Sísmica de refracción

Sísmica de reflexión

Velocidad de propagación de un esfuerzo mecánico

Depósitos secos-saturados, espesores de diferentes estratos y detección de zonas de fracturamiento Zonas de fallas, cartografías de estructuras de recubrimiento

Gravimetría

Gravedad terrestre

Densidad

Zonas de relleno, Caracterización del basamento, localización de fallas fracturas y zonas de hundimiento y cavidades.

Magnetometría

Magnetismo

Susceptibilidad magnética

Detección de fracturas y fallas

Electromagnetismo

Frequency domain

Time Domain EM

Very Low Frequency

Ground Penetrating Radar

Controlled Source audio

Magne totellurics

Conductividad o resistividad eléctrica y

magnetismo

Localización de las áreas más conductivas, detección de fracturas, detección de plumas de contaminación, caracterización y salinidad del suelo, intrusión de aguas salinas.

Este breve repaso al desarrollo de los métodos geofísicos aplicados a la hidrogeología ha puesto de manifiesto que en la última década se han producido avances muy significativos. Actualmente se dispone de métodos más rápidos, económicos y sobre todo más resolutivos. En particular, el método de la resonancia magnética protónica (RMP) abre grandes expectativas que habrán de confirmarse con nuevas investigaciones y más casos de aplicación. Hay que hacer constar, sin embargo, que ningún método puede considerarse como panacea o superior a los otros, ya que cada estudio



requerirá la aplicación de la técnica o técnicas más adecuadas en función del contexto geológico y de los demás condicionantes ambientales. En función del ambiente geológico, escala de estudio y la profundidad de investigación, el siguiente esquema sintetiza en forma esquemática la aplicabilidad de los diferentes métodos.

Tipo Escala Profundidad MetodoAc 1. Aluviones pequena <150m SEVAc 1. Aluviones pequena >150m SEV, TDEMAc 1. Aluviones grande <150m TDEM, PMRAc 1. Aluviones grande >150m TDEM

Ac 1. Formaciones permeables pequena <150m SEVAc 1. Formaciones permeables grande >100m TDEM, AMT/CSAMT, sismica reflexion

Ac 2. Fracturas pequena <100m VLF, FDEM, ERTAc 2. Fracturas grande <100m VLF, FDEMAc 2. Fracturas grande >100m AMT/CSAMT, sismica reflexion

Cuna salobre <100 m FDEM, ERTCuna salobre >100m TDEM, AMT/CSAMT

Contaminacion < 50m FDEM, ERT Ac 1 = Acuífero primario Ac 2 = Acuífero secundario Escala pequeña = Estudio de bajo presupuesto y/o bajo volumen de trabajo Escala Grande = Estudio de alto volumen de trabajo y/o mas alto presupuesto o requerimientos técnicos La siguiente tabla comparativa correlaciona la diferentes técnicas en exploración de agua subterranea.


5 Max4321 Min

METODO PROFUNDIDAD DE PENETRACION

RESOLUCION VERTICAL

RESOLUCION HORIZONTAL PRODUCTIVIDAD

SEV 3 4 3 2RT 2 3 4 3DEM 2 3 5 5DEM 4 5 3 4SAMT 5 3 4 4MR 3 4 3 3

Tabla Comparativa Cualitativa de Distintas Tecnicas Electricas y Electromagneticas para la Exploracion de

Aguas Subterranea

EFTC

P



Ejemplos de aplicación de métodos geofísicos en estudios hidrológicos en Venezuela Acuíferos Primarios Aluviales. Ejemplos de aplicaciones para escalas pequeñas donde se buscan acuíferos en los primeros 150 m (Villa de Cura, Cagua, Litoral Mirandino, Región Capital, Valle del Tuy…) indican que el SEV se mantiene como una metodología robusta y económicamente valida. Experiencias en el occidente donde la secuencias aluviales subyacen a una cobertura altamente resistiva que limita la inyección de corriente (ej. cuenca de Quibor) soportan el uso de métodos como el TDEM que manteniendo la resolución vertical y robustez del SEV proveen mayor aplicabilidad. Para investigaciones en áreas mas delicadas (en termino de escasez de agua y existencia de un modelo con horizontes productivos mas esporádicos) a profundidades menores (como Los Llanos donde también no se hipotiza la presencia de un nivel de ruido que limite la aplicación del método) el método PMR representaría una solución eficaz. Para escalas de trabajos mayores donde se necesita mayor profundidad de investigación y rapidez de ejecución (productividad) el TDEM representa la solución ideal. Seguramente el TDEM seria una metodología eficaz para cuencas de profundidad mayor (Valencia) y para investigar secuencias aluviales repetidas a profundidades mayores de 150m (sierra de Guanipa). Acuíferos Primarios Continuos (en calizas-carbonatos, areniscas,..). Ejemplos conocidos para estudios a pequeñas escala y a baja profundidad reportan el SEV como método exitoso de exploración (valle de Barquisimeto). Para otras escalas y profundidad de investigación aún no se conocen ejemplos de aplicaciones, pero el TDEM, el AMT/CSAMT y la sísmica de reflexión (focalizada a caracterizar los primeros cientos de metros), podrían ofrecer efectividad y productividad. Acuíferos Secundarios en fracturas. Para investigaciones de pequeña escala el método FDEM ha demostrado grande efectividad (Altos Mirandinos, Escudo Guayanes,…). Aun no se han focalizado como objetivo sistemas de fracturas mas profundas donde la sísmica de reflexión y el AMT/CSAMT podrían ofrecer una gran contribución a nivel técnico. Caracterización de Cuñas Salobres y acuíferos por debajo de las mismas. Ejemplos exitosos de aplicación de SEV y FDEM a pequeñas escalas han sido reportados en Falcón, costa Mirandina y Margarita. Estos métodos serian de básica importancia (especie el FDEM para mapeo espacial) en áreas como la Península de Paraguaná y Paria. En esta ultima el próximo desarrollo industrial podría poner en peligro, si no se monitorea la cuña salobre, el equilibrio hidrológico de la zona. Caracterización de contaminación. Métodos FDEM y ERT (asociados a medidas atmo geoquímica PID-IR) han sido aplicados exitosamente (campos petrolíferos de oriente y occidente, zonas industriales mirandina y de Carabobo y Aragua) en la definición de contaminación orgánica (hidrocarburos y rellenos sanitarios) e inorgánica y representan la herramienta de mas potencial en la hidrología ambiental.



REFERENCIAS Chapellier, D., 1987. Diagraphies appliquées à l’hydrologie, Technique et documentation, Lavoisier. Dobrin and Savit, 1988. Introduction to Geophysical Prospecting, 4th Edition, McGraw-Hill. Meyer de Stadelhofen, C., 1991. Application de la géophysique aux recharges d’eau, technique et documentation, Lavoisier. Olmo Alarcón, M., López Geta, J.A. Ed. 2000. Actualidad de las técnicas geofísicas aplicadas en hidrogeologia. IGME, España. Parasnis, D. S., 1997. Principles of Applied Geophysics (5th edition), Chapman and Hall. Reynolds, John M., 1997. An Introduction to Applied and Environmental Geophysics, Wiley. Sankar Kumar, N, Haria Pada, P, Shamsuddin, S., 2000. Geophysical prospecting for groundwater, Primera. Telford, W.M., L. P. Geldart, and R. E. Sheriff, 1990. Applied Geophysics (2nd Edition), Cambridge.

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