estrechamente relacionados con el movimiento del agua, su medición sirve para localizar través del suelo y de estructuras hechas por el hombre, como las presas

de autopotenciales es un medio rápido y barato para aislar las vías de filtración, con lo que las técnicas de investigación costosas, como la perforación, pueden tener una utilización más provechosa. En Wyoming se realizó un estudio con varios perfiles de autopotenciales sobre una gran presa de diques de tierra, y se descubrió una importante anomalía negativa (vía de filtración) en la cresta de la presa y su correspondiente anomalía positiva (salida de filtración) en la base de la misma. A lo largo de la cresta se registró un hundimiento en el área de la anomalía negativa. Tanto en el frente de la presa como en su base, se colocó una rejilla de electrodos de autopotencial de 151 varillas de cobre en el area general de las anomalías detectadas por el perfil de autopotenciales. Los electrodos de las rejillas correspondían a un electrodo fijo localizado aproximadamente a una distancia de 1220 m. Durante tres meses se reunieron datos sobre el autopotencial; proce- saron para adaptarlos al flujo de electrodos y se tradujeron en mapas se isopo- tenciales. Dichos mapas permitieron la rápida identificación de áreas anómalas relacionadas con filtraciones y constituyeron un medio para observar la forma en que reaccionaban las anomalías de autopotenciales a los cambios de elevación en el vaso. A futuro se prevé el uso de rejillas de detección de autopotenciales en lugares de almacenamiento de desechos químicos, o peligrosos, en deslizamientos, para estudios de sedimentación y para pruebas de bombas.

El autopotencial (AP) es un potencial eléctrico na- tural, propio de la tierra; surge por diversas cau- sas, que podrían clasificarse en tres grupos:

Potenciales de corriente: causados por un elec- trolito que fluye a través de un sistema capilar. Potenciales de contacto: originados por dos electrolitos diferentes o por dos materiales que entran en contacto entre sí.

Potenciales inducidos: causados por las corrien- tes que son inducidas a tierra. .Pueden ser produ- cidos por el hombre (a resultas de cables eléctri- cos, materiale tierra, motores, etc.), o artificiales (por corrientes telúricas, cambios de temperatura, viento, etc.). Estos potenciales se clasifican, además, como constantes o variables (en función del tiempo). Las corrientes telúricas son constantes, en tanto que las temperaturas son una variable del tiempo.

Los campos de autopotenciales se miden en mi- livoltios. Los potenciales de contacto que se pro- ducen por la mineralización casi siempre son nega- t ivos y pueden tener valores de hasta varios cientos de milivoltios. Otros tipos de potenciales de contacto, como los de positivos o negativos, y por lo res de solamente unos cuantos tios. Por último, los potenciales inducidos también pueden ser positivos o negativos y varían desde décimos hasta mil milivoltios (1 voltio).

En la investigación de diversos problemas geo- técnicos se recurre cada vez más a los estudios sobre autopotenciales. Dichos

canales o en las tuberías subterráneas que trans- portan líquidos.

Autopotenciales relacionados con

Cuando se crea un potencial mediante el flujo a presión de un fluido en una pendiente (gradiente) a

través de un medio poroso se le llama potencial de corriente. Conforme el agua fluye por un sistema capilar, arrastra y transporta iones positivos de los materiales con los que entra en contacto. Dichos iones se acumulan en el punto de salida del tubo capilar, dejando así una carga positiva neta. A su vez, la carga negativa neta localizada en el punto de entra I tubo es r e la deficiencia

ración 1). magnitud sufi-

ciente sirven para trazar los puntos de entrada y

salida en las zonas de filtraciones concentradas. El primer punto se puede determinar a partir de su autopotencial negativo; el segundo, mediante su autopotencial positivo. Dado que muchos materia- les geológicos absorben iones negativos del agua que está dentro de los poros, dejando una carga positiva neta en el agua, la dirección del flujo se puede trazar conforme a la que siguen las anoma- lías del autopotencial al irse convirtiendo en positi-

Métodos de campo

La pieza básica del equip requerido para medir los autopotenciales es un voltímetro de alta impedan- cia de c.c. Dado que hay que medir potenciales muy pequeños es preferible usar un multímetro (o voltímetro) digital con sensibilidad de 0.1 mV a un voltímetro analógico, que se conecta con los cables correspondientes a los electrodos de medición.

La diferencia del potencial se mide entre dos electrodos introducidos en tierra o en agua. En las primeras investigaciones de autopotenciales se uti- lizaron postes de metal a manera de electrodos de medición; sin embargo, estos postes generaban potenciales de gran corrosión, ocultando los auto- potenciales más pequeños que son los que intere- san. En las investigaciones actuales casi siempre se usan electrodos no polarizables, a fin de evitar que la corrosión causada por los potenciales de contacto interfiera con los autopotenciales que in- teresan. Los electrodos no polarizables consisten en una varilla de metal que entra en contacto con una solución saturada del mismo metal. Tanto la varilla como la solución están colocadas en un re- ceptáculo cuyo fondo poroso está hecho de un material inerte (véase ilustración 2). El contacto a tierra se a través de la difusión lenta de la

El procedimiento de campo consiste en colocar

idos o de contacto. trodo se coloque en el vaso. El otro, llamado mó- vil, se desplaza a intervalos elegidos a lo largo de la línea del perfil. En cada uno de los intervalos se

mide y se registra el potencial entre ambos elec- trodos y su resistencia de contacto. En general, en función de la consistencia de la polaridad, el elec- trodo fijo se designa como polo negativo y el móvil

I voltímetro (véase ilustración

Periódicamente se hacen mediciones de los au- topotenciales que hay entre el electrodo fijo, el móvil y otro de referencia que se mantiene en un baño de la solución de sales de metal. Los valores obtenidos sirven para determinar una corrección del flujo debida a los efectos de corrientes telúricas y a cambios en las concentraciones de las solucio- nes del electrodo.

Reducción de datos

Las lecturas obtenidas entre los tres electrodos

mencionados sirven para calcular la corrección del flujo. Dado que ésta depende del tiempo, puede estar repartida en cada una de las I das con base en el tiempo transcurrido d investigación de campo. La corrección debe aplicar a todas las lecturas datos finales se diagraman perfil (véase ilustración 4). Es frecuentes sistencia de contacto obtenida en cada una de las posiciones de medición se trace con los datos del autopotencial.

Interpretación

Las anomalías evidentes en los datos del autopo-

tencial se pueden interpretar según la profundidad y la inclinación, partiendo de modelos simplistas. Dichos modelos se construyen originalmente con esferas, cilindros u hojas horizontales o verticales de papel milimétrico. El proceso de interpretación se basa en el ancho y amplitud de la curva de una anomalía, y el modelo elegido debe ser geológica- mente compatible con el área de estudio.

La magnitud y el signo (+/-) de las anomalías del autopotencial se verán alterados por el flujo de filtraciones, así como por factores litológicos y es- tructurales. Los potenciales que resulten de

de agua que llega a la superficie (puntos de sa- lida).

de filtraciones subterráneas o hundimientos (de- Anomalías

con un mayor contenido de arcilla.

a Anomalías negativas: pueden representar un au- mento en el material de arena o grava.

a Un cambio repentino en la magnitud o en el signo de la anomalía puede indicar un contacto geológico. Las anomalías negativas en una formación ro- cosa homogénea pueden ser indicio de áreas de fracturas.

Se debe tener cuidado de separar lo les de corriente de los litológicos y estructurales. A lo largo de cada perfil conviene anotar todos los cambios del suelo o geológicos, así como la bles fuentes de potenciales artificiales. El diagrama de la resistencia de contacto sirve de guía para lo- calizar cambios de suelo y geológicos a lo largo de cada perfil. En muchos casos esta información basta para eliminar determinadas anomalías consi- deradas como posibles vías de filtración. Por ejem- plo, puede ser muy difícil determinar si una anoma- lía negativa se debe a filtraciones de agua o a una roca fracturada; sin embargo, hay factores, como el tamaño y la forma de la anomalía, su con las condiciones geológicas ser posible ya estudiada ramientos locales, a los que puede descartar la filtración de agua como la causa anomalía.

un lugar, así como la observación de la nes del suelo cercano a cualquier anomalía proporcionar suficiente información como para lo- calizar las posibles vías de filtración en el subsuelo.

Instalación de una rejilla e

En virtud de las posibles ambigüedades en la inter- pretación de los datos de autopotenciales, como ya se mencionó, sería conveniente separar de los datos del autopotencial los efectos de las fuentes potenciales de variables independientes del tiempo (constantes), como la geología. Esto permitiría que la interpretación se basara sólo en las fuentes de variables de tiempo, como las filtraciones, y en otras fuentes de variables artificiales de tiempo, como los motores eléctricos, que podrían contro- larse durante la investigación. Es decir, que en los estudios sobre filtraciones sería deseable medir Únicamente los efectos de dichas filtraciones y no aquéllos causados por las estructuras y la litología. Esto es posible si se realizan dos estudios sobre autopotenciales durante un lapso determinado, a lo largo de las líneas de perfil establecidas. En este caso, se recomienda efectuarlos cuando varíe el ni- vel del vaso, ya que de lo contrario la filtración

La medición esmerada de los aut

puede ser constante y no será posible observar ninguna diferencia en los datos del autopotencial.

Repetir un estudio implica tiempo y trabajo inten- sivo. Una opción consistiría en instalar algunos electrodos de autopotencial (durante un lapso no prolongado) a lo largo de las mismas líneas de per- fil y leer periódicamente sus valores.

Mediante este método, en los EUA se instaló una rejilla trodos de autopotencial a lo

presa de tierra. Un estudio la presencia de va

ente abajo. Se había observado

o con la precipitación. La rejilla de autopotencial tenía 151 electrodos

de cobre colocados en cuatro hileras, y estaba in- serta (véase bre por ser relativa cada una), en comparación con los electrodos de autopotencial no polarizables (alrededor de 25 dó- lares cada uno). L electrodo fijo tenía cuatro varillas de das en serie e in-

flojo, aproximada- m de la rejilla de

autopotencial. Se extendió un alambre de referen- cia desde el electrodo fijo a lo largo de las cuatro hileras de los electrodos de medición. En la rejilla se usaron cerca de 1525 m de cable. El proceso de instalación duró tres días.

Las mediciones del autopotencial se efectuaron semanalmente durante 14 semanas; también se registraron los niveles del vaso y de la precipita- ción. Las lecturas tomadas durante las primeras tres semanas no se usaron en el análisis de datos, a fin de permitir que las varillas de cobre se adapta- ran al medio y se redujeran al mínimo los potencia- les de corrosión mediante la estabilización de las reacciones químicas entre los suelos y las varillas. Los datos sin procesar se depuraron inicialmente restando las lecturas obtenidas en la cuarta se- mana de las obtenidas en todas las semanas pos- teriores. Con ello se eliminaron los efectos de las

mapas de isopotencial para las lecturas residuales (lectura semanal menos lectura de la cuarta semana) cada semana. En la ilustración 5 se muestra un ejemplo de un mapa de isopotencial.

fuentes de autopotenciales constantes, los cambios materiales. Después se elaborar

La comparación de los mapas semanales de iso- potencial con los diagramas de cada uno de los electrodos, y con los niveles de precipitación y del vaso indicó que había una cantidad considerable de corriente a través de la rejilla que no dependía de la lluvia o del nivel del vaso. Esta corriente era de 50 milivoltios a las 14 semanas de medición. Se desa- rrolló otra técnica de filtración para reducir al mí- nimo esta corriente en los mapas de isopotencial, lo que se logró promediando todas las lecturas de autopotencial para cada semana en la rejilla y res- tando ese valor promedio de toda la rejilla. Con esto se obtuvo un nuevo conjunto de mapas de isopotencial residual para cada semana. Dichos mapas, dos en la ilustración 6, indican tres anoma- lías importantes, marcadas con las letras A, B y C.

Dos de estas anomalías, las A y B, aparecieron de manera abrupta después de una fuerte lluvia. El nivel del vaso se elevó aproximadamente 60 cm durante los dos periodos semanales siguientes y

las dos anomalías aumentaron en tamaño y ampli- tud. Posteriormente, ambas empezaron a disminuir y continuaron haciéndolo mientras bajaba el nivel del vaso. Sin embargo, tres semanas después au- mentaron tanto en tamaño como en amplitud. Este efecto no podía relacionarse con la lluvia o con un cambio en el nivel del vaso. Las razones de este cambio secundario no están aclaradas, pero se po- drían relacionar con el tiempo de demora de la fil- tración a través de la presa o de su estribo.

La tercera anomalía, la C, aumentó de forma y amplitud de manera constante y pareció ser inde- pendiente de la lluvia y del nivel del vaso. Esta ano- malía indicaba el área en donde se concentraba la mayor parte de la filtración.

mental de autopotencial son:

Las rejillas de autopotencial se pueden usar con

Las lecciones obtenidas de

eficacia para localizar filtraciones.

o Los mapas de isopotencial residual permiten la rápida identificación de áreas anómalas relacio- nadas con filtraciones (independientemente de las condiciones geológicas), así como simplificar la correlación entre filtración y precipitación o ni- vel del vaso.

o Los electrodos de cobre son muy sensibles a los potenciales de corrosión debidos a oxidación.

Las pruebas a corto plazo con electrodos de sul- fato de cobre comerciales, de inserción directa (electrodos de gel), indican una corriente del orden de los 5 mv. Esta fue causada por cambios de temperatura y por una ligera actividad química. El uso de este tipo de electrodos eliminaría la necesi- dad de depurar los datos para grandes corrientes

de electrodos. La magnitud de la corriente en los electrodos de gel fue mucho menor, y en sí, fue más estable que con las varillas de cobre. Las lec- turas rápidas de autopotencial obtenidas a partir de los electrodos de gel evitarían el tener que ela- borar mapas de isopotencial residual. Esto significa que dichos mapas podrían ser usados directa- mente para el análisis de datos sin tener que pro- cesarlos.

Aplicaciones de la inspección de autopotenciales

Virtualmente cualquier método geofísico puede ser empleado como sistema de inspección. Se ha re- currido a los estudios de microgravedad antes y

después de la operación de sedimentación, para determinar el efecto y la magnitud de ésta. Los re- ferentes a la resistencia eléctrica han servido para inspeccionar la intrusión de agua alrededor de las minas activas de sal. Por su parte, los estudios so- bre la reflexión sísmica tridimensional (3-D) se es- tán empleando de manera experimental para deter- minar su capacidad de detectar la disminución de reservas petrolíferas. La ventaja de apoyarse en los estudios geofísicos para realizar inspecciones radica en que los conjuntos de datos se comparan entre sí para descubrir cambios, es decir, que no es primordial interpretar por completo cada uno de los conjuntos obtenidos. Una vez detectados los cambios se puede establecer una interpretación sobre las causas que los producen. En la inspec- ción los cambios se manifiestan fácil y rápida- mente.

El método de autopotenciales representa una técnica ideal para realizar inspecciones, ya que es un sistema pasivo. No es necesario provocar una fuerza o campo en el subsuelo, pues las medicio- nes del autopotencial se hacen sobre los campos existentes. Este tipo de investigación se ha emple- ado para obtener diagramas de frentes quemadas en casos de incendios de vetas de carbón (Corwin, Rodríguez). También han servido para determinar la dirección y la velocidad promedio del movi- miento en desprendimientos o derrumbes de tierra (Bogoslovsky, 1977). En México Davenport y Ran- dall han realizado varios estudios (no publicados) de autopotenciales en un desprendimiento. Aun- que en dos años de trabajar con los datos no se ha localizado ningún movimiento, se han obtenido gráficas de las vías de filtración de agua en la masa que se desliza y se ha observado el incremento del autopotencial en la base del deslizamiento. Se cree que el aumento del autopotencial se correlaciona con un incremento de la compresión en la base del terreno, lo que muy probablemente corresponde al movimiento de la masa en deslizamiento.

El autor realizó una investigación de autopoten- ciales para trazar las vías de filtración provenientes de una presa de tierra en el suroeste de los EUA. La ilustración 7 presenta un fragmento de los da- tos de autopotencial tomados de la cresta de la presa. La abrupta caída del autopotencial -de -10 a -30 milivoltios- entre las estaciones 68 + 65 y 68 + 75 representa el contacto entre los materiales

tratados mediante inyección y los no tratados (68 + 75 a 70 + 00). Esta correlación sugiere con mucha claridad que los estudios sobre autopotenciales pueden ser útiles para revisar las operaciones de inyectado de cemento. Se prevé que este tipo de

estudios podría realizarse en un área determinada, tanto antes como después de dichas operaciones. Los resultados señalarían el alcance lateral del inyectado.

En un estudio sobre la contaminación de dos la- gunas de evaporación en Arizona se empleó un sistema de localización de fugas (Kaufmann, et a/, 1981). El sistema consta de una matriz de electro- dos de varillas de acero galvanizado, la cual se ins- tala debajo de las lagunas. Lo que básicamente se hace es transmitir corriente eléctrica a determina- dos pares de electrodos, y el campo de potencial

resultante se mide entre otros pares de la matriz; resultados similares se obtienen con una matriz de electrodos de autopotencial (celdas de gel) sin te- ner que aplicar ninguna corriente a tierra. La ins- pección periódica de esta matriz se efectúa me- diante mapas de isopotencial. Dicha matriz puede estar conectada a una microcomputadora con un graficador, de tal manera que sea posible obtener con rapidez los mapas de isopotencial. Si se re- quiere información adicional, los electrodos de au- topotencial, acoplados a una matriz colocada de- bajo de los sitios para almacenar desechos, también se pueden instalar en los pozos de inspec- ción situados alrededor (véase ilustración 8).

Los estudios sobre autopotenciales pueden apli- carse para revisar y trazar el cono de depresión producido durante las pruebas de bombas en po- zos de agua. Los electrodos se instalarían a inter- valos a lo largo de las líneas radiales del pozo. Las lecturas se tomarían en periodos de tiempo especi- ficados, antes y durante el bombeo. Los datos se presentarían tanto en forma de mapas de isopo- tencial como de perfiles para un intervalo dado de tiempo. Con ello se reduciría notoriamente el nú- mero de pozos de inspección y el personal, puesto que las lecturas de autopotenciales podrían ser au- tomatizadas con suma facilidad.

Así mismo, se ha desarrollado una técnica de re- fracción sísmica para determinar las características de las presas de tierra (Hadley, 1983). Los electro- dos de autopotencial se pueden instalar durante la construcción de dichas presas. Las lecturas se to- marían a intervalos regulares, o bien se podría au- tomatizar el sistema. También durante la construc- ción se pueden instalar geófonos en el terraplén, a fin de realizar con facilidad estudios sísmicos simi- lares. Las lecturas de autopotencial podrían ser comparadas con otras relaciones referentes a la porosidad, la permeabilidad y la saturación que se hubieran producido (Davenport, et a/, 1983). Estas relaciones se basan en cambios de velocidades de compresión de onda y en autopotenciales. Este tipo de sistema podría permitir la detección de cambios dentro del terraplén, provocados por el llenado del vaso, por un descenso en su nivel, o por factores sísmicos.

Referencias

Bhattacharya, B.B. y N. Roy, "A note on the use of a nomogram for self-potential anomalies", Geophysical Prospecting, 1981, vol. 29, pp. 102-107.

Bogoslovsky, V.A., E.N. Kuzmina, A.A. Ogilvy y N.A. Strakhova, "Geophysical methods for controlling the seepage regime in earth dams", Bulletin of the Inter- national Association of Engineering Geology, 1979, núm. 20, pp. 249-251.

Bugoslovsky, V.A. y A.A. Ogilvy, "The study of strea- ming potentials on fissured media models", Geophy- sical Prospecting, 1970, vol. 20, pp. 109-117.

Bogoslovsky, V.A. y A.A. Ogilvy, "Geophysical me- thods for the investigation oí landslide, Geophysics, 1977, vol. 42, núm. 3, pp. 562-571.

Corwin, R.F., "The self potential method and its engine- ering applications", manuscrito entregado para su pu- blicación a la Society of Exploration Geophysicists, 1983.

Davenport, G.C., L.M. Hadley y J .A. Randall, "The use of seismic refraction and self potential surveys t o

embankments", ensayo presentado de Rocky Mountain de AIME,

Hadley, L.M., "A geophysical method for evaluating ex- embankments", Bulletin of the Associa- Engineering Geologists, 1983, vol. XX, núm.

es, B., "The detection of water leakage from dams using streaming potentials", décimonoveno simposio anual sobre explotación forestal de SPWLA, 13-16 de junio, 1978.

Kaufmann, R.F., T.A. Gleason, R.B. Ellwood y G.P. Lind- sey, "Ground-water monitoring techniques for arid zone hazardous waste disposal sites", Ground Water Monitoring Review, otoño, 1981

Markiewicz, R.D., G.C. Davenport y J.A. Randall, "The use of self potential surveys in geotechnical investiga- tions", ensayo presentado en la quincuagésima cuarta reunión anual, Society of sicists, Atlanta, Georgia.

Ogilvy, A.A. y V.A. Bogoslovsky, geophysical methods applied for investigating the im-

Vail. Colorado, 3 de agosto, 1983.

3, pp. 289-295.

the geological medium”,

Rodríguez, B.D., "A self potential investigation of a coal mine fire", tesis de maestría, Colorado School Mines, Golden, Colorado, 1983.

Sato, M. y H.M. Mooney, "The electrochemical mecha- nism of self potentials", Geophysics, 1960, núm. 1, pp. 226-249.

Schiavone, D. y R. Quarto, "Self potential prospecting in the study of water movements", Geoexploration,

I. 27, pp. 775-789.