TOMOGRAFÍA ELÉCTRICA

Índice

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Introducción

La Tomografía eléctrica es un método de resistividad multielectródico, basado en la modelización 2-D de la resistividad del terreno mediante el empleo de técnicas numéricas (elementos finitos o diferencias finitas). Destacar que actualmente se está avanzando en la modelización 3-D.La aparición de la Tomografía eléctrica ha supuesto un salto cualitativo espectacular con respecto a los métodos de resistividad convencionales, técnicas que aunque se han estado utilizando durante varias décadas en GEOFÍSICA-2015

A nuestra carrera de Geología que nos inspira cada día el deseo de superación.

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estudios de filtración de agua, su limitada resolución 2-D les confería en general un papel secundario frente a otras técnicas (i.e. Potencial espontáneo).Este avance se debe fundamentalmente a:• El método de Tomografía eléctrica es una técnica multielectródica, en el que todo el proceso de adquisición de datos está totalmente automatizado. Esto nos permitirá poder realizar un gran número de medidas, tanto en profundidad como lateralmente, en un breve espacio de tiempo (del orden de 500 medidas en una hora y media), obteniendo por tanto modelos 2-D de gran resolución.

Aplicaciones principales: Búsqueda de aguas subterráneas. Detección de contaminación de suelos y acuíferos. Detección de cavidades. Estudios Arqueológicos. Estudios Geotécnicos. Exploración de yacimientos metálicos.

OBJETIVOS

El objetivo de este método se basa en obtener una sección 2-D de resistividades reales del subsuelo, modelo a partir del cual podremos determinar la presencia o no de filtraciones de agua en profundidad,

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mediante la localización de áreas en donde tengamos una disminución anómala del valor de la resistividad del terreno.Para ello será preciso el empleo de un programa de inversión, con el que transformar las resistividades aparentes obtenidas de la campaña de campo, a valores de resistividad real.

Tomografía Eléctrica

Es una técnica geofísica para el estudio del subsuelo que consiste en determinar la distribución de un parámetro físico característico del mismo dentro de un ámbito espacial limitado, a partir de un número muy elevado de medidas realizadas desde la superficie del terreno o desde perforaciones.Es un método de resistividad multielectródico, basado en la modelización 2-D de la resistividad del terreno mediante el empleo de técnicas numéricas (elementos finitos o diferencias finitas). Destacar que actualmente se está avanzando en la modelización 3-D.La Tomografía Eléctrica se destaca con respecto a los métodos de resistividad convencionales, por tener un proceso de adquisición de

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datos totalmente automatizado ya que se cuenta con software capaz de procesar eficazmente un gran volumen de información.Además del uso de la TRE (Tomografía de Resistividad Eléctrica) en 2D la aplicación en 3D con una configuración tipo “L” ha tenido gran éxito con el que se puede “iluminar” por debajo de construcciones.Destacando que tiene grandes ventajas: es una herramienta de carácter no destructivo, con un bajo costo, es de fácil implementación, adecuado por optimización de tiempo, combinando adecuadamente resolución lateral y profundidad de investigación.En zonas urbanas esta metodología ha sido de gran utilidad si se compara con otros métodos como la sísmica, que en zonas de riesgo no es conveniente utilizar por el tipo de fuente, con los métodos potenciales, refiriéndose al estudio gravimétrico, que si bien es barato el levantamiento y procesado es muy exigente; así como radar que además de ser más costoso es deficiente en zonas de alta saturación.

TécnicaConsiste en obtener una serie de medidas de resistividad aparente con un micro dispositivo tetraelectródico determinado y con una separación constante entre electrodos; e ir variando las distancias entre los pares de electrodos emisor-receptor por múltiplos de un valor, de tal forma que el resultado final será una sección o corte con calicatas a varios niveles de profundidad.Esta técnica, proporciona conjuntamente información lateral y en profundidad. El sistema consta de un resistivímetro o unidad básica, un selector de electrodos y un juego de cables multiconectores que permiten utilizar hasta 64 electrodos conmutables de forma totalmente automática a través del selector de electrodos y controlado por la unidad básica de control. Estos equipos también permiten realizar

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medias de la resistividad utilizando dispositivos más simples, como los sondeos eléctricos verticales o las calicatas eléctricas.ObjetivoTiene por objetivo específico determinar la distribución real de la resistividad del subsuelo en el ámbito comprendido entre dos perforaciones o bien hasta un cierto rango de profundidad a lo largo de un perfil de medida, a partir de los valores de resistividad aparente obtenidos mediante medidas realizadas por métodos convencionales de corriente continua. En esta presentación nos limitaremos a los estudios realizados sobre perfiles desde la superficie del terreno.La aparición de esta técnica ha supuesto un salto cualitativo espectacular con respecto a los métodos de resistividad convencionales, técnicas que aunque se han estado utilizando durante varias décadas en estudios de filtración de agua, su limitada resolución 2-D les confería en general un papel secundario frente a otras técnicas (i.e. Potencial espontáneo). EstudiosCalicatas eléctricas.Sondeos eléctricos verticales (SEV).La resistividad eléctrica.Cuando introducimos corriente eléctrica en el terreno, ésta se puede propagar de tres maneras diferentes a través del subsuelo: conducción dieléctrica (asociada a materiales muy poco conductivos o aislantes), conducción electrónica (asociada a materiales con electrones libres, i.e. los metales) y conducción electrolítica (asociada al movimiento de los iones presentes en el fluido intersticial del terreno).La conducción electrolítica es el modo de propagación más importante, y en el que se basa los métodos de resistividad.Ejemplo: Resistividad eléctrica del subsueloLa resistividad eléctrica de las rocas puede variar en un margen muy amplio, está en función de diversos factores como la porosidad, la permeabilidad, temperatura, saturación de fluidos, la química de los fluidos, además del grado de fracturamiento y los minerales que componen estas rocas. Ver algunos ejemplos en la Tabla 2.1.La humedad es importante, diferentes grados de humedad en un mismo terreno nos pueden llevar a interpretaciones erróneas de los materiales del subsuelo. Una topografía accidentada puede tener un efecto similar, ya que el flujo de corriente se concentra en los valles y se dispersa en las colinas

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Factores que afectan a la resistividad.La resistividad eléctrica es un parámetro que varía en función de las características del terreno. Algunos de los factores que lo influencian son:

El grado de saturación del terreno. La temperatura. Porosidad y la forma de los poros. La salinidad del fluido. El tipo de roca. Los procesos geológicos que afectan a los materiales. La presencia de materiales arcillosos con alta capacidad de

intercambio catiónico.Es precisamente esta estrecha relación entre la resistividad eléctrica y el grado de saturación del terreno, lo que permite el utilizar estos métodos de resistividad en la búsqueda de focos de filtración de agua en el

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subsuelo. En este sentido, incrementos del contenido en agua del terreno provocarán disminuciones de la resistividad.MétodoEl método de Tomografía Eléctrica o Tomografía Geoeléctrica, en su modalidad de Resistividad de Alta Resolución en dos dimensiones (R2D), es una técnica de relevamiento recientemente desarrollada para la investigación de áreas con anomalías complejas, donde el empleo de Sondeos Eléctricos Verticales (SEV), Georadar u otras técnicas de Resistividad no permiten obtener información de detalle en Dos Dimensiones (R2D). Independientemente de que la Tomografía eléctrica sea una técnica multielectródica, la base teórica de su funcionamiento es análoga al de los métodos de resistividad convencionales.Método convencional

Los métodos convencionales solo precisan 4 electrodos y se basan en introducir en el terreno, un campo eléctrico de corriente continua mediante dos electrodos de corriente (A,B) conectados a un miliamperímetro, mientras que con los otros dos electrodos (M,N) y que están conectados a un milivoltímetro, mediremos cual es la diferencia de potencial eléctrica V ∆ entre esos dos puntos, parámetro a partir del cual podremos calcular el valor de la resistividad en el punto medio del dispositivo y a una profundidad determinada.Existen diferentes configuraciones a la hora de colocar los 4 electrodos, siendo las más utilizadas Wenner (la variante α) y Schlumberger. También tenemos la denominada configuración Wenner-Schlumberger muy utilizada.GEOFÍSICA-2015

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Innovación del métodoLa gran innovación de este método con respecto a los métodos convencionales, reside en que ahora todas las medidas se realizarán de forma totalmente automatizada, es decir sin necesidad de mover manualmente ningún electrodo. Ello se debe a que por un lado trabajaremos con un gran número de electrodos en el terreno (dispuestos equiespaciadamente), y por otro lado a que nuestro dispositivo de medida de resistividades, se encargará de realizar automáticamente toda la secuencia de medidas preestablecida, formando para ello y según las especificaciones predefinidas, todas las posibles combinaciones de 4 electrodos.De esta forma se irá obteniendo la variación de resistividad del subsuelo tanto en profundidad como lateralmente. En la figura 5 tenemos un ejemplo de la secuencia de medición utilizando el dispositivo Wenner.Factor claveUn factor clave de esta técnica es el número y distribución de las medidas de campo ya que de él depende tanto su resolución como la profundidad de investigación. Como regla general, un estudio de requiere la obtención de un número muy elevado de datos, con un pequeño espaciado entre medidas para conseguir la necesaria resolución lateral y también que las medidas se realicen involucrando de forma progresiva varios rangos de profundidad. GEOFÍSICA-2015

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Ámbitos de aplicaciónPor su capacidad resolutiva al investigar hasta profundidades que pueden llegar a centenares de metros, es aplicable a cualquier estudio del subsuelo donde interese identificar todo tipo de anomalías o discontinuidades que representen un contraste suficiente en la distribución de resistividad del medio que lo rodea.Entre los objetivos más habituales a resolver mediante esta técnica cabe mencionar los siguientes:

Detectar cambios en la estructura somera del subsuelo. Detectar Plumas Contaminantes y Vertidos Subterráneos. Inspeccionar Fugas y Filtraciones en Cámaras, Cañerías, Presas y

otros. Evaluar la Contaminación de Acuíferos Someros. Diagnosticar el estado de piletas con GeoMembrana. Monitorear la Inyección de Agua de Purga en el Subsuelo. Diagnosticar el estado de Pasivos Ambientales Subterráneos.

Ejemplos de aplicación de otros métodosRespecto a otros métodos geofísicos, como por ejemplo el método de Georadar, de aplicación frecuente en ciertos campos de las ciencias de laTierra tal como la Geotecnia, y estudios Ambientales, la Tomografía Eléctrica no puede considerarse excluyente aunque tiene algunas particularidades que la hacen aplicable en ciertas zonas y para la resolución de ciertos problemas que el método de Georadar no puede resolver.Por ejemplo, cuando se trata de la detección y caracterización precisa de discontinuidades o zonas situadas bajo capas más conductivas que los materiales subyacentes. Esta capacidad hace que la Tomografía Eléctrica sea particularmente atractiva en estudios Ambientales y en Geotecnia donde es frecuente el empleo de técnicas geofísicas convencionales.Mediante los ejemplos que se presentan se pretende ofrecer una visión general de la capacidad resolutiva y de las posibilidades de aplicación de la Tomografía Eléctricaen diversos medios geológicos y con diversa problemática muy común en el ámbito de la Contaminación Subsuperficial, laHidrogeología, la Geotecnia, entre otros campos.Consideraciones respecto a su empleoComo cualquier otro método geofísico puede ser muy efectivo o puede resultar inútil dependiendo de varios factores que conviene tener presentes. Los más relevantes son los siguientes:GEOFÍSICA-2015

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Correcta planificación de su aplicación basándose en una buena definición del problema a resolver.Empleo de la instrumentación y software adecuado para obtener y procesar de forma adecuada el gran volumen de datos que las medidas requieren.Ejecución de estos estudios por parte de profesionales expertos tanto en las medidas de campo como en su posterior procesado e interpretación. El riesgo de los procesos semiautomáticos en la aplicación de los métodos geofísicos es que pueden llevar a resultados aberrantes desde el punto de vista geológico aunque sean matemáticamente correctos.

ResultadosLos resultados se vuelcan en pseudosecciones de resistividades aparentes conformando de este modo una malla en dos dimensiones. Una pseudosección constituye una sección con curvas de isorresistividad que reflejan cualitativamente la variación espacial (2D) de resistividad aparente en el perfil investigado.El resultado final de este tipo de estudio es una Imagen distancia profundidad con la distribución de la resistividad real del subsuelo, fácilmente comprensible en términos geológicos, geotécnicos o ambientales como demuestran los diversos ejemplos que se presentan.VentajasLas ventajas que presenta este método son las siguientes:El proceso de captura de los datos está totalmente automatizado, podremos realizar un gran número de medidas, de forma que obtendremos secciones 2-D de excepcional resolución tanto en profundidad como lateralmente.Gracias a esta visión bidimensional de alta resolución.El procesado de los datos se puede realizar en el propio campo, mediante la ayuda de un portátil y en un tiempo muy reducido. Esta manera de actuar, casi a tiempo real, le confiere al método una gran versatilidad a la hora de resolver posibles problemas surgidos durante todo el proceso de campo, o decidir la ejecución de nuevos perfiles que inicialmente no estaban proyectados.Podemos controlar la profundidad máxima de estudio.Es un método no destructivo.El método de Tomografía eléctrica nos permitiráDetectar zonas susceptibles de presentar focos de filtración, así como caracterizar geométricamente el problema (i.e. estimar la profundidad del flujo).GEOFÍSICA-2015

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Abordar de forma eficaz problemas en terrenos con elevada complejidad estructural.Ubicar con gran eficiencia otro tipo de procedimientos (i.e. sondeos o piezómetros), dado que nos marca lugar y profundidad a la que se encuentra la anomalía.LimitacionesLas principales limitaciones de este método son:Disponer del material requerido. A diferencia de otros métodos, la Tomografía eléctrica precisa de un equipo bastante caro.Como pasa en todos los métodos de resistividad eléctrica, la presencia de material muy resistivo en superficie imposibilita un buen funcionamiento del método, siendo necesario la utilización de otras técnicas, en este caso las electromagnéticas, en los que no se precisa un contacto físico con el suelo.

InstrumentosLa Tomografía Eléctrica exige el empleo de una instrumentación específica capaz de realizar un gran número de medidas de forma rápida y fiable.Las medidas de resistividad aparente del terreno para un estudio mediante este método se efectúan mediante técnicas de corriente continua con posibilidad de empleo de una gran variedad de dispositivos en lo que a la distribución de los electrodos se refiere. Entre los más habitualmente utilizados cabe citar los dispositivos polo-dipolo, polo-polo, dipolo -dipolo, Schlumberger, Wenner.Combinando adecuadamente resolución lateral y profundidad de investigación, es sin duda, una de las herramientas de carácter no destructivo más eficaz para el estudio y caracterización de posibles discontinuidades del subsuelo en el rango desde algunos metros hasta centenares de metros de profundidad.Técnicos capacitadosLa participación de los técnicos calificados en la planificación y ejecución de este tipo de estudios geofísicos es ineludible para llegar a la obtención de los resultados capaces de resolver los problemas con el grado de precisión que la comunidad técnica demanda y que el método puede dar.

Equipo requerido.El equipo que se precisa para la ejecución del método consta de:GEOFÍSICA-2015

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• Electrodos: no son más que unas barras metálicas cuyo número variará en función del problema• Cable: es de gran longitud, con conexiones cada cierto intervalo a fin de poder conectar los electrodos.• Conectores: son unos pequeños cables de cobre con pinzas en los extremos. Son los que se encargan de conectar los electrodos al cable.• Ordenador portátil: en él tenemos el software que nos permite por un lado determinar las variables de trabajo: tipo de dispositivo electródico, número de electrodos, espaciado entre ellos, número de medidas a realizar, etc., y por otro lado procesar y visualizar los resultados obtenidos.• Unidad central (resistivímetro): es el cerebro de todo el dispositivo. Se encarga de ejecutar de forma automática toda la secuencia de medidas predeterminada, verificar el buen estado de las conexiones, así como almacenar digitalmente todos los resultados de campo.• Una batería: es la fuente de alimentación de todo el sistema.

En las figuras 8 y 9 se muestran en detalle los elementos que conforman el dispositivo de medida. Corresponden al material utilizado en Cardona, en donde el resistivímetro utilizado es el modelo compacto SYSCAL JUNIOR V.II.2a (de la casa IRIS).

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Ventajas y limitaciones del método.Las ventajas que presenta este método son las siguientes:• Gracias a que el proceso de captura de los datos está totalmente automatizado, podremos realizar un gran número de medidas, de forma que obtendremos secciones 2-D de excepcional resolución tanto en profundidad como lateralmente. Gracias a esta visión bidimensional de alta resolución, el método de Tomografía eléctrica nos permitirá:1. Detectar zonas susceptibles de presentar focos de filtración, así como caracterizar geométricamente el problema (i.e. estimar la profundidad del flujo).2. Abordar de forma eficaz problemas en terrenos con elevada complejidad estructural.3. Ubicar con gran eficiencia otro tipo de procedimientos (i.e. sondeos o piezómetros), dado que nos marca lugar y profundidad a la que se encuentra la anomalía.• El procesado de los datos se puede realizar en el propio campo, mediante la ayuda de un portátil y en un tiempo muy reducido. Esta manera de actuar, casi a tiempo real, le confiere al método una gran versatilidad a la hora de resolver posibles problemas surgidos durante todo el proceso de campo, o decidir la ejecución de nuevos perfiles que inicialmente no estaban proyectados podemos controlar la profundidad máxima de estudio.• Es un método no destructivo.Las principales limitaciones de este método son:• Disponer del material requerido. A diferencia de otros métodos, la Tomografía eléctrica precisa de un equipo bastante caro.

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• Como pasa en todos los métodos de resistividad eléctrica, la presencia de material muy resistivo en superficie imposibilita un buen funcionamiento del método, siendo necesario la utilización de otras técnicas, en este caso las electromagnéticas, en los que no se precisa un contacto físico con el suelo.

Conclusión

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Bibliografía

www.ags-geofisica.comwww.tomografiaelectrica.comwww.geonica.com

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