Geofisica Equipo de Energéticos P.J.

8/18/2019 Geofisica Equipo de Energéticos P.J.

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Escuela Superior de Ingeniería 1

MODELADO DE UN SECTOR PROPUESTO PARA ESTABLECER UNRELLENO SANITARIO MEDIANTE EL METODO ERI

LUGAR: EDMONTON (ALBERTA, CANADÁ)Pecina Rivera Pedro A., Rabago Jr. Jorge A.

Escuela Superior de Ingeniería “Lic. Adolfo López Mateos” Blvd. Adolfo López Mateos s/n, Cd. Nueva Rosita Coah., México

Reporte base: ‟Aplicación del mapeo de resistividad eléctrica para el desarrollo de un modelo geológicoen un sitio propuesto como vertedero en Edmonton”. (Application of Electrical Resistivity Imaging (ERI)to the development of a geologic model for a proposed Edmonton landfill site).

Introducción

Aspectos como el determinar qué se quiere analizar y qué ambiente geológico se encuentra en elárea de estudio son fundamentales para decidir qué métodos geofísicos podrían presentarcontrastes significativos sobre las propiedades en las que se basan. Con esto establecido, losmétodos elegidos brindarán información con un grado mayor de eficiencia. Además, laboralmentees importante tomar en cuenta los costos que conlleva su aplicación ya que hay que procurar el

optimizar y reducir los costos.Lo que se muestra en el reporte es la interpretación del por qué se aplicó la Tomografía deResistividad Eléctrica (ERI) como método geofísico para caracterizar la zona geológica deEdmonton en Alberta, Canadá (véase Fig.1). Una zona geológicamente compleja en donde se

presentan acuíferos, casquetes glaciares, lechos rocosos, sedimentos como lutitas, vetas de carbóny otros sedimentos no consolidados depositados directamente por glaciares.

El objetivo principal del estudio fue determinar si era posible el uso del área como un rellenosanitario, esto con el apoyo de información geológica proporcionada por la aplicación del métodogeofísico y con información de estudios realizados previamente en la zona.


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Fig. 1. Localización Geográfica de la zona.

Método Geofísico aplicado

Tomografía de Resistividad Eléctrica.

Después de registrados los datos obtenidos en campo basándose en la propiedad física deresistividad eléctrica, este método geofísico intervino elaborando modelos 2-D de la geología dellugar, mediante el análisis de datos a través de un software. Habiendo concluido la elaboración de

los mapas y analizados los tipos de materiales encontrados en el lugar con sus respectivos valores,se compararon los mencionados modelos de resistividad con los anteriormente elaborados conestadísticas de perforación, esto para mejorar la caracterización de la zona.

El estudio en campo fue realizado desde la superficie, debido a esto los datos evaluados oestimados son pertenecientes a la resistividad aparente ( a). Posteriormente estas resistividadesaparentes fueron convertidas a reales utilizando una inversión numérica.

La manera en que se configuraron loselectrodos para el estudio fue usando laconfiguración de Wenner (véase Fig.2) es

una configuración común para lasmediciones de la resistividad. Cada electrodode potencial está separado del electrodo decorriente adyacente una distancia a igual a untercio del espaciamiento de los electrodos decorriente.

Fig. 2. Configuración de electrodos Wenner.


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Este método fue elegido por distintas razones, una de ellas es que es un método apto para laresolución de las estructuras horizontales, ya que es más sensible a los cambios de la resistividaden estructuras verticales, dicho lo anterior infiere que las estructuras en la zona de estudio son

primordialmente horizontales.

Los métodos geofísicos de resistividad eléctrica o que utilizan esta propiedad como base sonideales para exploraciones de minerales tanto metálicos como no metálicos e incluso es el másefectivo para las exploraciones hidrogeológicas, contrastando de manera muy eficiente con elmedio geológico presentado en Edmonton formado por arenas, sedimentos finos, lechos rocosos,glaciares y acuíferos.

Razón de la aplicación del método geofísico

La Tomografía de Resistividad Eléctrica fue empleada para esclarecer la estructura que se tiene enel subsuelo diferenciando los materiales en función del valor de resistividad y con esto determinarsi es conveniente utilizar la zona como un relleno sanitario, teniendo en cuenta el grado decontaminación que podría provocarse en el medio ambiente.

Este método fue considerado para brindar información secundaria o complementaria, ya que,debido a los materiales presentes en el área tales como la arena, los sedimentos de grano fino y ellecho rocoso, era de esperarse que estos exhibieran contraste en propiedades tales como la

porosidad, la saturación del material y la textura del mismo, ya que la resistividad eléctrica está enfunción de dichas características. Además, se contaba con una serie de datos estadísticos

provenientes de estudios realizados en años anteriores en donde se aplicaron diferentes tipos de

perforaciones (véase Fig. 3). Con estos estudios de perforación (método directo) se logródeterminar la existencia de dos acuíferos no conectados que van con dirección de norte a sur (canaldel este) y el otro con dirección de noroeste a sureste (canal sur) los cuales se encuentran separados

por un casquete glaciar encajonante y sedimentos no consolidados depositados por los glaciares.Estas formaciones junto con otras características geológicas se pretendieron aclarar con la ayudade la Tomografía de Resistividad Eléctrica, además de determinar si el método era viable en lainvestigación del sitio, al compararse y complementarse con los resultados de los estudios previos.

Económicamente el costo de la aplicación de este método geofísico resulto ser muy similar al delas perforaciones realizadas, la diferencia es que el empleo de la Tomografía de ResistividadEléctrica (método indirecto) brinda información más completa del área y en menor tiempo, esto

debido a que las perforaciones se hacen cada cierto espaciamiento y dan a conocer la estructurasolamente de lo perforado.


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Fig. 3.Sitio de estudio (representación de perforaciones, secciones transversales, geología y acuíferos).

Condiciones Geológicas que proporcionaron la aplicación del método.

El lugar de estudio comprende parte de la formación geológica denominada como HorseshoeCanyon (véase Fig. 4), una unidad perteneciente a la cuenca sedimentaria del oeste de Canadá enel suroeste de Alberta. En este lugar se encuentran una serie de sedimentos como areniscas

bentoníticas (bentonita: arcilla esméctica con estructura de capas, el ion que predomina en el ionaluminio, puede ser remplazado por otro ion metálico) y feldespáticas de color gris y verde-grisáceo, lutitas bentoníticas de color gris, azul y café, lutitas carbonatadas, vetas de carbón y otrossedimentos no clasificados depositados directamente por glaciares (véanse Fig. 5 y Fig. 6). Lamayoría de las capas de roca contienen de poca a gran cantidad de bentonita. Aparte de los

materiales rocosos descritos, también se cuenta con glaciares y acuíferos (en las imágenes serepresenta solamente lo superficial y no lo que se encuentra en el subsuelo).


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Fig. 4. Horseshoe Canyon formation.

Fig. 5. Geología superficial.

Fig. 6.Depósitos superficiales de Arena y Gravas.


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El área de Edmonton se caracteriza por ser unentorno de valle glaciotectonico. A diferenciade las corrientes de agua, que crean sus

propios valles, los glaciares toman el camino

de menor resistencia siguiendo el curso de losvalles de corriente existentes. Antes de laglaciación, los valles de montaña soncaracterísticamente estrechos y en forma deV, porque las corrientes de agua están muy

por encima del nivel de base y, porconsiguiente, están ejerciendo erosión en lavertical. Sin embargo, durante la glaciaciónesos valles estrechos experimentan unatransformación conforme el glaciar losensancha y profundiza, creando un valleglaciar en forma de U (Figura 7). Además de

producir un valle más ancho y más profundo,el glaciar también endereza el valle. Amedida que el hielo fluye alrededor de las

pronunciadas curvas, su gran fuerza erosivaelimina los espolones de tierra que seextienden en el valle. Los resultados de estaactividad son acantilados de forma triangulardenominados espolones truncados.

La tendencia de un glaciar a surgir dependede aumento de la presión de aguas basalesresultantes de agua subglacial atrapada. Losglaciares de la zona Edmonton exhibieronestancamiento de agua posglacial y un

aumento de la presión de agua en los poros.Por lo tanto, es probable que el lecho rocosoempujante en el lugar de Aurum (zona deestudio en Edmonton) sea una serie de crestas

compuestas formadas por el aumentoglaciares. La mayor parte del relievetopográfico resultante fue eliminado por laerosión glacial subsiguiente.

Fig. 7. Representación ilustrativa del procesogenerado después de la existencia de un valle glaciar.

Comportamiento de la propiedad física que le sirve de base al método geofísico.

Resistividad Eléctrica (propiedad física del método Tomografía de Resistividad Eléctrica).

Todos los materiales de la Tierra oponen resistencia al flujo de la corriente eléctrica, unos conmayor intensidad que otros. Un conductor se define generalmente como un material de resistividad


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inferior a 10 -5 Ωm , mientras que un aislador es uno que tiene una resistividad mayor que 10 7 Ωm .Un material semiconductor se encuentra entre estos límites (Telford, W. M. et al (1976)).

Con la presencia de un ambiente geológico sedimentario (como es el caso) y debido a que laResistividad Eléctrica está en función de la porosidad, la saturación, la resistividad de los fluidos

en los poros (fase sólida por igual) y de la textura del material, la propiedad física se comporta demanera muy eficiente provocado un contraste muy significativo. Se pudiera hacer una pequeñaexcepción con el lecho rocoso presente en el área debido a que según los resultados está formado

por bentonita, conteniendo algún ion metálico y reduciendo el valor de su resistividad.

En las siguientes tablas, se pueden observar los valores nominales para la resistividad eléctrica dedistintos materiales geológicos.


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Con variaciones en la composición de las rocas se dan variaciones en las propiedades que estas presentan, además, la temperatura juega un papel importante ya que esta, de igual manera, afectasus propiedades físicas, provocando un comportamiento variable. Se han establecido parámetrosde comportamiento para materiales y el cómo son afectados debido a su contenido en otro material,tal es el caso de materiales arenosos que presentan una resistividad de cerca de 100 Ωm y la cual

decrece con el aumento en el contenido de arcilla a cerca de 40 Ωm, convirtiéndose la arcilla en elconstituyente dominante y los valores decrecen hasta asemejarse a valores típicos de este material.

Se estima que, dadas las características del ambiente geológico, las variaciones en la resistividadeléctrica se vieron notablemente afectadas, al presentarse en el lugar, mantos acuíferos, glaciares,entre otros factores.

Principales resultados obtenidos en el trabajo

El objetivo del estudio fue determinar si era posible el uso del area como un relleno sanitario. Con

los resultados obtenidos se descarto esta posibilidad debido a que se pudieran drenar contaminantesa traves del suelo hacia los mantos acuiferos y la posibilidad de conectarse con el Rio Norte deSaskatchewan.

Al realizar la comparacion entre los modelos tanto de la resistividad electrica como el de los de perforacion (Fig. 8, 9, 10), hubo practicamente un buen resultado, esto debido a que la mayoria delas caracteristicas descritas por ambos metodos fueron coincidentes. Destacando tambien un parde inconsistencias.

En la siguiente imagen se pueden observar los valores de resistividad para cada perfil estudiado yla litología a la cual corresponden, esto se logró mediante la superposición de los datos modelados

obtenidos en los pozos y los propios del metodo geofisico empleado, dandose así una relaciónentre litología y resistividad.


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La imagen inferior de la siguiente figura (Fig.8), muestra los resultados de la resistividad obtenidosen la línea W, la cual fue una de las tres secciones que se trabajaron en el área, donde una pequeña“capa” de moderada resistividad se puede observar a lo largo de la parte superior de la imagen

(color verde), esto se relaciona con el material no clasificado (Till), y los valores altos deresistividad, denotados (color morado), corresponden a los canales de arena y grava que corren alo largo de la sección.

Se observa que la morfología de los canales es distinta. El resultado del mapeo muestra un canalde dos niveles, mientras que la interpretación de investigaciónes previas muestra un canal bajocentral y con lados gradualmentes inclinados.

Fig. 8. Perfil geológico correspondiente a la línea W de (a) Estudio de TRE, Noviembre 2001 y (b) Estudios de1987 – 1990 (proporcionados por Stanley Associates Engineering Ltd. 1990). Escala horizontal en metros.

Posteriormente en la Fig. 9, se puede observar en la imagen obtenida mediante el modelado de losdatos de la línea S que tenemos una zona de anomalías, una zona de alta resistividad ubicada en la

parte superior izquierda del perfil, que corresponde a la ausencia de la roca encajonante. Existeuna pequeña zona de resistividad baja cerca del tope de la sección. Además, las dos pequeñas“capas” de valor menor, que se encuentran por encima y por debajo del lecho rocoso correspondena la arcilla y las capas de sedimentos glaciares existentes en el lugar.


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Fig. 9. Perfil geológico correspondiente a la línea S de (a) Estudio de TRE, Noviembre 2001 y (b) Estudios de1987 – 1990 (proporcionados por Stanley Associates Engineering Ltd. 1990). Escala horizontal en metros .

En la última línea de trabajo, la línea N, en la imagen del mapeo se puede observar una zona conuna alta resistividad hacia el lado izquierdo del mapa que corresponde a la ausencia de la rocaencajonante, y donde valores bajos existen cerca del límite superior de la imagen. Estas zonas de

baja resistividad se creen son debidas a bloques irregulares de baja resistividad pertenecientes allecho rocoso, estos se observaron mediante las perforaciones que tienen distintas potencias a lolargo de la sección.

Fig. 10. Perfil geológico correspondiente a la línea N de (a) Estudio de TRE, Noviembre 2001 y (b) Estudios de

1987 – 1990 (proporcionados por Stanley Associates Engineering Ltd. 1990). Escala horizontal en metros.


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Para el caso de la interpretación de datos de las secciones geológicas de las líneas N y S, una porción de arenas son observables a tener una alta resistividad. Estas ocurren al lado izquierdo dela línea S, observable en la imagen tomográfica.

El Canal Este corre debajo de la capa de roca al lado Este de la línea S y la línea N, y ambos

estudios tomográficos fallaron al dar una imagen de este canal, esto es atribuido quizás a la profundidad de las arenas y la potencia de las capas. Podrían haberse obtenido mejores resultadosde mapeo si el espaciamiento que hubo entre los electrodos hubiera sido menor, esto hubiera dadouna mejor resolución de la imagen.

Las secciones geologías nos muestran también que en algunas áreas las capas de roca tienen potencias menores, que en elagunos casos varían desde 1.3m hasta 15m. Las interpretacionesactuales de los datos obtenidos demuestran bloques masivos de rocas incrustados en till.

Aunque las imágenes que muestran los valores de resistividad son generalmente consistentes conlas información obtenida en las perforaciones, sin embargo, se presentaron dos grandesinconsistencias; en una imagen se muestran una larga sección de lecho rocoso mientras que en laimagen tomográfica no aparece, en este caso no hay una explicación para esto; otra inconsistenciaes que en otra imagen tomográfica no se muestra que exista una capa rocosa, mientras que en lainterpretación geológica previa se puede apreciar una capa de 4.3 metros de potencia en dicho

punto.

Se presentaron ligeros incovenientes al momento de procesar la información para obtener datosmas detallados del lecho rocoso. Uno de ellos es que la inversión de datos de niveles inferiores noson muy claros. Datos actuales sugieren que las capas de rocas presentan superficies variadas,mientras que los datos interpretados en años anteriores sugieren una capa de roca uniforme. Sinembargo, los datos obtenidos mediante la tomografía tiende a sobreestimar la profundidad de las

capas, esto es debido a problemas de mapeo, los datos de bloques a una cierta profundidad tiendena tener un rango de error que va desde 3m a 10m, resultando así en una resolución mayor a la real.Sin embargo, no es posible obtener resultados mas precisos, menores a a 1.5m-5m. Además, comose mencióno anteriormente, los algoritmos de conversión de datos tienden a ajustar los datos conlas imágenes, ocasionando que los contastes en resistividad aprezcan como contactos, de esa formase interpretan los datos de supercicie como superficies irregulares.

Las imágenes mostraron superficies de roca mucho mas irregulares. Esto es debido a que la capade roca es modificada por el hielo de los glaciales y además, siendo removida y transportada porestos. La morfología de las mismas en las imágenes tomograficas es consistente con lainterpretación de que la superficie es desigual donde la actividad glacial ha hecho efecto.

Después de analizar todos los datos obtenidos y de comparalos con los obtenidos previamente enotras investigaciones, se determinó que el mapeo de resistividad eléctrica o ERI permitió unaexpansión en las conclusiones obtenidas previamente. Fue de gran ayuda en la resolución de lascapas de rocas del lugar y de cómo estas se encuentran y cuál es su comportamiento en la zona;


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sin embargo no resultó útil en la resolución del Canal del Este. Facilitó una interpretación másdetalla de la geología del lugar y del comportamiento de la propiedad de resistividad eléctrica delos materiales presentes.

Se estimó, además, que si se hubiera realizado un estudio de ERI antes de la perforación que había

tenido lugar antes, esto hubiera ayudado a una mejor ubicación de los pozos para poder reducir loscostos obtener una mejor resolución de los datos de estos, aunque, un estudio más complejocomplementado con datos geológicos, hidrogeológicos y geofísicos hubieran resultado en unainterpretación y comprensión mas exacta y precisa de la geología del lugar.

Método geofísico propuesto para estudiar el área planteada.

Pudiera ser empleados los métodos de Polarización Inducida o del Potencial Espontáneo, estos se basan en la misma propiedad que el método utilizado previamente, la resistividad eléctrica y en ladiferencia de potencial, en el primer método se inyecta corriente eléctrica en el medio. Este

método, además de ser un método relativamente barato y simples de realizar.El método de Potencial Inducido es utilizado ampliamente en pozos de perforación que enaplicaciones más superficiales. Debido a ello y a que tenemos varios pozos de perforación en elárea podemos tomar a consideración el aplicar este método en el lugar.

El método de Potencial Espontáneo (si es que se llegara a utilizar la zona como relleno sanitario)en sí es aplicado para el estudio de los vertederos, ya que estos contienen volúmenes significantesde aguas lixiviadas altamente conductivas que pueden filtrarse a través de los márgenes del lugary que generan anomalías en el potencial. Se aplica primordialmente a estos casos por dos razones;una de ellas es que, si las aguas lixiviadas fluyen fuera del vertedero, se puede generar un fuerte

potencial, y si esto sucede, es posible que una gran anomalía de potencial espontáneo sea presenteen los límites del vertedero, que es donde generalmente se perciben las más grandes anomalías, laotra razón es que, hay un desequilibrio iónico a los lados del vertedero, con altos valores dentrodel mismo, debido a las aguas, y valores bajos dentro de la tierra natural bajo del mismo; en ordende equilibrar este desequilibrio se produce la difusión, donde los iones se mueven y donde losmovimientos de estos constituyen fuerzas electroquímicas y electromotrices que alteran el

potencial del lugar.

Referencias

CIENCIAS DE LA TIERRA, Tarbuck, E. J.; Lutgens, F. K., y Tasa, D. Pearson Educación S.A., Madrid, 2005

SEA ICE THRUST STRUCTURES By W. F. \VEEKS* and D. L. ANDERSO:::-< (GeophysicsResearch Directorate, Air Force Cambridge Research Center, Bedford, Massachusetts)

Telford, W. M. (William Murray) Applied geophysics. - 2nd ed. Published by the PressSyndicate of The University of Cambridge The Pitt Building, Trumpington Streel, Cambridge


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AN INTRODUCCTION TO APPLIED AND ENVIRONMENTAL GEOPHYSICS, ReynoldsJohn M., Reynolds Geosciences Ltd, UK.

APPLIED GEOPHYSICS-2 nd Edition, W. M. Telford; L. P. Geldart; R. E. Sheriff. CambridgeUniversity Press

AN INTRODUCTION TO GEOPHYSICAL EXPLORATION- 3 rd Edition, Kearey P; BrooksM; Hill I.

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