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GEOFISICA APLICADA MÉTODO GEOELÉCTRICO Antonio Carrasco Cortez Ingeniero geólogo Oruro - Bolivia 2020 Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 2 Derechos reservados de acuerdo a la ley SERVICIO NACIONAL DE PROPIEDAD INTELECTUAL DIRECCIÓN DE DERECHOS DE AUTOR Y CONEXOS Obra registrada mediante: RES. ADMINISTRATIVA N° 1 - 342 / 2020 Título de la obra: GEOFÍSICA APLICADA MÉTODO GEOELECTRICO Autor: Antonio Carrasco Cortez Titular: Antonio Carrasco Cortez Fecha: 3 de marzo 2020 UNIDAD DE REGISTRO DIRECTOR DE DERECHO DE AUTOR Prohibida la reproducción total o parcial de la presente obra, por cualquier medio electrónico, digital o impreso, sin contar con el permiso expreso, por escrito, del autor. Tengamos el valor de decir la verdad el cadalso la decapitación, puede que esto purifique la vida que olvidamos vivir por seguir estrellas fugaces que nunca podemos alcanzar. Ing. Antonio Carrasco Cortez Geólogo TRILOBITE S.R.L. Oruro - Bolivia - 2019 Aldana Nª 16 y Rayka Vacovik (Oruro - Bolivia). Teléfono cel.: 71100833 Correo: antonio_glg@hotmail.com Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 3 PROLOGO Pretendo que este texto sirva de manual práctico a los métodos de la prospección geofísica, se encuentra escrito principalmente para ingenieros geólogos, agrónomos e Ing. civiles espero sin embargo que otras ramas de la ingeniería puedan considerarlo útil. Muchas partes del libro tienen como base casos prácticos tratados breve y sucintamente, que se trata deliberadamente en forma esquemática, aunque podría continuarse hasta alcanzar un grado de detalle relativamente elevado y complejo. No pretendo ser imponente en el sentido de plasmar todas las variantes simples o complejas de la geofísica por el método eléctrico, no obstante, espero que el ingeniero que se encuentre ante un problema geológico, pueda resolver este de una manera sencilla y eficientemente, fundándose en los principios descritos en el presente texto. He de mencionar finalmente para no cansarlo más, que el libro hoy escrito pueda inspirar a otros a comprender y aplicar uno de los múltiples lenguajes de la geología aplicada. Antonio Carrasco Cortez Oruro/ agosto/ 2019 Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 4 INDICE GENERAL Prologo ..................................................................................................................... 3 Capítulo I Introducción a la electricidad terrestre ..................................................... 5 Capitulo II Introducción a los métodos eléctricos de prospección .............................. 12 Capitulo III Equipo empleado en el método de resistividad ......................................... 30 Capítulo IV Configuración de electrodos en el método eléctrico .................................. 41 Capítulo V El sondeo eléctrico vertical ..................................................................... 51 Capítulo VI Métodos gráficos de interpretación del sondeo eléctrico vertical ............... 78 Capitulo VII Métodos de interpretación del sondeo eléctrico asistidos por ordenador .... 93 Capitulo VIII Algunas consideraciones acerca de la interpretación geofísica ................ 118 Capitulo IX Calicatas eléctricas ............................................................................... 120 Capitulo X Método de polarización inducida ......................................................... 133 Capitulo XI Método mise a la masse o método de carga ........................................ 149 Capitulo XII Sección vertical de resistividad aparente y sección eléctrica .................. 157 Capitulo XIII Tomografía eléctrica en dos dimensiones ............................................ 197 Estudio de casos en geofísica aplicada ...................................................................... 247 Bibliografía ............................................................................................................ 299 Índice de figuras ...................................................................................................... 301 Índice de tablas ........................................................................................................ 315 Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 5 Capítulo I INTRODUCCIÓN A LA ELECTRICIDAD TERRESTRE Y BREVE HISTORIA DE LA EXPLORACION ELECTRICA El hombre no existe más que por sus obras; aquel que nada ha hecho, pasa por la vida como un fantasma. (Ignacio Prudencio Bustillo) No se puede empezar a hablar de los métodos geoelectricos sin antes realizar un análisis básico de las corrientes eléctricas que circulan por el cuerpo solido de la tierra, la atmosfera y los océanos que la envuelven, todas ellas constituyen un complejo sistema de cargas móviles relacionadas entre sí. A gran profundidad dentro de la tierra la circulación de la corriente será de carácter electrónico, pero en las rocas sedimentarias saturadas de agua, los océanos y en la atmosfera es netamente iónica. CONDUCCIÓN ELÉCTRICA EN LAS ROCAS En las rocas cerca de la superficie la conductividad queda generalmente determinada por la distribución del agua salina en los poros de la roca debajo de las capas sedimentarias e incluso en algunos sedimentos enterrados a mayor profundidad la presión es tan elevada que todos los poros quedan cerrados por tanto para efectuar la conducción de la corriente únicamente queda la conductividad de la estructura de la roca sólida, las conductividades de las rocas secas son a menudo más bajas que las saturadas, por esta razón la mayor parte de las rocas ígneas y metamórficas son menos conductoras que el promedio de las formaciones rocosas sedimentarias. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 6 CONDUCCIÓN ELÉCTRICA EN EL AIRE La conductividad en el aire depende principalmente del grado de ionización de este, donde algunas de las cargas son electrones libres, pero la mayor parte del tiempo estos se asocian formando partículas mayores como, por ejemplo: moléculas, gotas de humedad, gránulos de polvo u otros agregados coloidales como la separación de un electrón de un átomo que deja a este con una carga positiva en el aire se encuentran partículas con carga positiva y negativa. La tierra solida parece tener un exceso de cargas negativas que provocan una influencia constante de iones con carga positiva del aire, aunque la magnitud de estas cargas negativas fluctúa con el tiempo y varia de un lugar a otro se mantiene de un modo continuo y de una manera aún desconocida. El grado de ionización del aire varía notablemente con la altura a la cual se realice la medida, hora del día y la latitud, cerca de la superficie de la tierra la ionización es reducida. CORRIENTES ELECTRICAS TERRESTRES Todo campo magnético es generado por un campo eléctrico o viceversa, ambos son componentes de los campos electromagnéticos, el párrafo siguiente abordara brevemente el concepto de campo eléctrico de la tierra, enfocando desde el campo magnético terrestre. Se puede decir que dos terceras partes del campo magnético terrestre, es de origen externo (es decir se deben a la acción de los astros y el sol), el tercio restante se debe a las corrientes que circulan por el globo terrestre, si intentamoscalcular la distribución de la corriente en el interior de la tierra, que podría producir la componente interna del campo magnético de seguro uno se tropezaría con la dificultad de hallar un modelo de tierra que satisfaga todas las observaciones realizadas. Las corrientes en la superficie terrestre giran alrededor de la tierra siguiendo al sol, se cree que esto es una parte del sistema de corriente distribuida, (la corteza superficial al interactuar con la radiación solar y por el efecto fotoeléctrico genera diferenciales de potencial eléctrico en la misma) cuando menos por varios cientos de kilómetros de profundidad e inducidas por el sistema de corriente diurno atmosférico, no se ha podido demostrar de manera evidente la existencia en la superficie de la tierra de corrientes verticales, solo se tiene certeza de la existencia de las desviaciones de corrientes horizontales provocadas por variaciones horizontales en la litología de los materiales de la corteza estos se reflejan físicamente en variaciones de conductividad en las rocas. Las corrientes terrestres no se miden directamente, sino que se obtienen a partir de gradientes de potencial (es decir se mide el diferencial de potencial respecto de un punto). Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 7 TENCIONES LOCALES Las tenciones locales se deben a diversas causas, las reacciones químicas entre los niveles de sub saturación y saturación de agua conjuntamente con los minerales formadores de rocas y sedimentos, dan lugar a modelos característicos alrededor de ciertos cuerpos mineralizados. En el caso particular de los minerales de mena en el subsuelo, la oxidación que presenta por encima del nivel de saturación, en el extremo inferior del cuerpo de sulfuros se dan las reacciones de reducción donde el nivel de saturación reduce el oxígeno, en el estudio de las corrientes eléctricas naturales las variaciones de concentración con el tiempo van aumentando las mismas provocan variaciones graduales (que pueden ser medidas en la superficie del terreno) en las diferencias de potencial asociadas. Fig-1 Esquema generación de tenciones locales debidas a un cuerpo mineral. También pueden presentarse diferencias de potencial con ausencia de metales únicamente debidas a diferencias de concentración salina del agua subterránea, donde se encuentran dos disoluciones en contacto que tengan diferentes actividades y movilidades iónicas entonces se genera un potencial de difusión electroquímico. A estos diferenciales de potencial naturales ya sean de carácter local o regional, más adelante les llamaremos ruido geoelectrico o potencial espontaneo (SP.), su determinación es de importancia en el tratado de los datos usados en prospección eléctrica. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 8 BREVE HISTORIA DE LA EXPLORACIÓN ELÉCTRICA La exploración eléctrica como uno de los métodos de la prospección geofísica, es una ciencia relativamente joven, los primeros trabajos para la aplicación de la electricidad en la prospección de recursos se sitúan a mediados del siglo pasado. El progreso de la física a fines del siglo XIX y principios del XX, dio un impulso al desarrollo de la geofísica aplicada en general. A continuación, una pequeña reseña histórica ordenada cronológicamente acerca de la prospección por el método eléctrico: En el año 1903 el ingeniero Ruso E. I. Ragozin publico la monografía “de la aplicación de la electricidad a la exploración de los yacimientos minerales”, en este trabajo se da información acerca de la posibilidad de la aplicación de los métodos eléctricos, en la exploración de cuerpos minerales y en la investigación de las propiedades eléctricas de las rocas. En el año 1910 el francés Conrad Schlumberger perfecciono el método de resistividad, que ha tenido más tarde una gran aplicación en las investigaciones de geología estructural y geología en general. Fig. 2 En 1912 Conrad Schlumberger, utilizando un equipo muy básico, elaboro el primer mapa de curvas de potencial en su finca cerca de Caen, Normandía. Schlumberger desarrolló un especial interés en la prospección de minerales metálicos, bajo el concepto que estos minerales son distinguibles de su entorno mediante la medición de su conductividad eléctrica. En 1912, utilizando un equipo muy básico, elaboro el primer mapa de curvas de potencial en su finca cerca de Caen, en Normandía, antes de ampliar sus encuestas para las minas de http://2.bp.blogspot.com/-iDl7BpKCfMQ/TclikeRdwGI/AAAAAAAAAMo/OxYMMCPqvxM/s1600/1870_1910.jpeg Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 9 hierro en la zona, la asignación resultante de las curvas de potencial no sólo confirmó la capacidad del método para la detección de minerales metálicos, pero también reveló las características de la estructura del subsuelo. a) Imagen de Conrad Schlumberger. Fig. 3 b) Primer registro eléctrico de pozo realizado por Schlumberger 1920-1929. La herramienta básica para todas las operaciones de campo de Schlumberger, el camión de registro eléctrico (fig. 3 b), se convirtió en un elemento indispensable de las operaciones de evaluación de pozos. En el año 1912 el efecto de polarización inducido, es observado y analizado por primera vez por Conrad Schlumberger quien atribuye el fenómeno a la capacidad de los materiales del subsuelo de cargarse eléctricamente al fluir una corriente por ellos. En los años 1919 y 1922 los científicos Suecos N. Lundberg y K. Sundberg, iniciaron con sus trabajos la exploración eléctrica con campos variables y en particular los métodos vasados en la observación de las líneas equipotenciales del campo eléctrico y la intensidad del campo magnético. http://1.bp.blogspot.com/-tb0Hl6GAgy4/TcktiwfSrmI/AAAAAAAAAL4/0DKRBvimEi8/s1600/1930.jpeg http://2.bp.blogspot.com/-Y7LPWpMwmY0/Tckstv64ANI/AAAAAAAAALw/dqYFV9zjBGs/s1600/1920.jpeg Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 10 Un gran papel en el desarrollo de la teoría de la interpretación de la prospección eléctrica, por corriente directa, fue propuesto por las investigaciones del científico Alemán I. Hummel y en particular del científico Rumano S. Stefanesku, quien desarrollo el método de cálculo del comportamiento eléctrico de fuentes puntuales conectadas a tierra, en presencia de superficies de separación, formadas por planos paralelos. En el año 1924 el geofísico Ruso A.A. Petrovskii realiza los primeros trabajos de prospección eléctrica, mediante el método del campo eléctrico natural dándole al mismo una metodología de interpretación cuantitativa hasta entonces desconocida. En 1928 A.A. Petrovskii realiza investigaciones sistemáticas en el terreno de la exploración basándose en las ondas radioeléctricas. En el año 1829 A. Fox observo en los yacimientos de calcopirita de Cornualles (Inglaterra) un campo eléctrico natural relacionados con el proceso de oxidación y reducción. En los años 1928 y 1929 la prospección eléctrica empezó, por primera vez con éxito a utilizar en la exploración e investigación de estructuras petrolíferas y gasíferas (como muestra los trabajos de M. N. Berdichepskii, en el compendio de geofísica aplicada de la U.S.S.R.), en los años siguientes el volumen de estos trabajos crese de modo considerable, bueno se podría decir que esta etapa de la prospección geoelectrica solo sucedió en la parte oriental del mundo, ya que en la parte oxidental, el método eléctrico todavía permanecía y permanecerelegado en el proceso de exploración de hidrocarburos. El francés Raimond Maillet, introduce a finales de los años treinta, la teoría de Darr Zarrouk, demostrando así con todo rigor qua cada curva de sondeo eléctrico, no refleja, en general el efecto independiente de espesores y resistividades, sino lo que influye decisivamente en la morfología de dichas curvas, son el producto y cociente de espesores y resistividades de cada capa. En 1940 los E.E.U.U. Potapenko y Peterson desarrollaron un aparato de prospección petrolífera por el método de polarización inducida, el principio del método residía en las diferencias de polarización obtenidas, en las rocas encajonantés por un lado y el petróleo por otro, el método desarrollado por los mismos fue olvidado en el tiempo. En 1946 el ruso Zeleznak demuestra la gran utilidad del método de polarización inducida en la localización de minerales metálicos y desde entonces el método se usa ampliamente en la industria minera. En 1953 el Francés L. Cagniart publica por primera vez un artículo sobre el método magnetotelúrico. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 11 Bueno a partir de los cincuenta desde mi punto de vista no se dieron más descubrimientos en el campo de la geoelectrica, sin embargo, se perfeccionaron y mejoraron los principios de los métodos descubiertos hasta entonces. La historia de la exploración eléctrica al igual que la historia universal descansa sobre la fe de quienes dieron testimonio de estas por los cuales se fueron trasmitiendo los hechos pasados. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 12 Capitulo II INTRODUCCIÓN A LOS METODOS ELECTRICOS DE PROSPECCION Yo digo: es necesario pensar en el mundo – el interior del mundo me da en qué pensar. Soy oscuro. No me interesa pensar en el mundo más allá de él; la luz es perturbadora, al igual que el vivir – tiene carácter transitorio. (Jaime Sáenz) La geofísica aplicada por el método eléctrico tiene amplia aplicación para el estudio de las estructuras geológicas, los yacimientos y criaderos minerales de la parte superior de la corteza terrestre. Entre sus principales aplicaciones: -Estudios estructurales para investigaciones Petroleras esta aplicación es muy poco conocida en occidente, mientras que a alcanzado gran volumen y eficacia en la escuela de los geofísicos rusos. -Investigaciones de agua subterránea (ubicación y caracterización de acuíferos). -Estudios para la implantación de obras civiles (detección y caracterización de la roca madre, esclarecimiento de estructuras geológicas, caracterización sedimentológica de los suelos de fundación, etc.). -Investigaciones a profundidad muy reducidas (se refiere a investigaciones arqueológicas, etc.) Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 13 -Investigaciones a profundidad, el método eléctrico puede revelar información sobre las capas profundas de la corteza terrestre. -Investigaciones en prospección de yacimientos mineros, esta es su aplicación clásica y tal vez es en la que mejores resultados a dado desde el inicio del método eléctrico. Las rocas y minerales en función a su composición, textura y disposición espacial presentan propiedades físico eléctricas diferentes como: la resistividad, conductividad, capacitancia, etc., estas propiedades junto con los parámetros geométrico dimensionales como el espesor, profundidad, buzamiento, etc., pueden determinan el corte geoelectrico, el cual insertado en el criterio interpretativo geológico da lugar al corte geológico. Los métodos de exploración eléctrica pueden clasificarse en: METODOS QUE UTILIZAN CORRIENTES NATURALES -Potencial espontaneo o campo eléctrico natural (SP.) -Método telúrico (MT.) METODOS QUE UTILIZAN CORRIENTES ARTIFICIALES -Método de las equipotenciales -Método de carga (MC.) -Método de resistividad, que puede sub clasificarse en: Sondeo eléctrico vertical (S.E.V.) Calicata eléctrica (C.L.T.) Cartografía eléctrica. Secciones tomografica de resistividad (TER.) -Polarización inducida (IP.) -Método electromagnético (EM.), que puede sub clasificarse en: Sondeo electromagnético. Calicata electromagnética. Georradar (GPR.) -Método de las ondas radiofónicas. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 14 Entre todos estos métodos los más empleados y difundidos son los de resistividad y la polarización inducida. ACERCA DE LA CONFIABILIDAD DE LOS MÉTODOS GEOFÍSICOS: A continuación, cito textualmente las conclusiones de algunos autores acerca de la confiabilidad de los métodos geofísicos y principalmente el método geoelectrico: - El método geoelectrico, se emplea como método de reconocimiento y de detalle sobre todo en la detección de agua subterránea y la detección de cuerpos mineralizados. (Geofísica aplicada de Dr. Jose Cantos Figuerola). - En los años 1920 la exploración eléctrica comenzó a utilizarse en la prospección e investigación a detalle de estructuras petrolíferas y gasíferas. En los años siguientes el volumen de estos trabajos crese de forma considerable (Exploración eléctrica de V. Jakubovskii L. L. Liajov). - Volumen de roca. - El mapa isopaquico que se dispone es aproximado y contiene algunas suposiciones ha sido elaborado teniendo como información básica el mapa estructural que también es solo una aproximación ya que ha sido confeccionado en base al mapa isocronico resultante de la prospección geofísica (Ingeniería de Reservorios de Rolando Camargo G.). - Las reservas indicadas son reconocidas por labores mineras, sondeos mecánicos muy separados o métodos geofísicos. (Yacimientos minerales de E. W. Petrascheck). - Con el uso de sistemas geofísicos es posible determinar muchas de las propiedades físicas de las rocas del subsuelo, estos datos si se interpretan con propiedad pueden arrojar mucha luz sobre la litología de las rocas, y si se dispone de suficientes datos, de la forma de los cuerpos de la roca. (Geología estructural de N. Billings). - Al realizar trabajos de exploración geológica se utiliza ampliamente métodos técnicos modernos estos según su destino se dividen en medios técnicos básicos y auxiliares, con los básicos se crean las intersecciones y cortes geológicos a los mismos pertenecen las excavaciones mineras, los sondeos o pozos de exploración así como los métodos geofísicos (Prospección de Yacimientos Minerales; de A. B. Kazhdan; profesor de cátedra de peritaje y evaluación de yacimientos minerales en el comité estatal de reservas de la URSS). El párrafo de la parte superior muestra un alto grado de confiabilidad de los métodos geoelectricos aplicados a estudios geológicos en general, los citados a continuación A. Kazhdan y V. Jakubovskii L. L. Liajov, afirman que los métodos geofísicos en algunas situaciones o casos particulares son superiores o iguales a los métodos directos de exploración (excavaciones, etc.), dicha afirmación está basada en su experiencia y trayectoria en el campo de la geología aplicada. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 15 CONCEPTOS BÁSICOS EN EL MÉTODOELECTRICO FUNDAMENTOS Y PARAMETROS DEL METODO DE RESISTIVIDADES LEY DE GEORG SIMON OHM (físico alemán 1789-1854). La ley de ohm afirma que en muchos materiales (minerales) la relación de la densidad de corriente (J) y campo eléctrico (E) es una constante denominada conductividad (δ) que es independiente del campo eléctrico que produce la corriente: δ = E/J ………… (1) RESISTENCIA. - Es el fenómeno de oposición que experimenta la materia al flujo de corriente eléctrica, el fenómeno de resistencia se encuentra gobernado por la ley de Ohm. RELACION ENTRE LA RESISTENCIA, INTENCIDAD Y VOLTAJE ELECTRICO: La ley de Ohm simplificada expresa la relación existente entre la resistencia eléctrica de un material, la intensidad de corriente que atraviesa el material y el diferencial de potencial aplicado en el mismo, a continuación, acompañando a la figura 4 se manifiesta la ley de Ohm como una expresión algebraica: Resistencia = V A = ΔV/I=R (ohm) Dónde: V = Diferencial de potencial. A = Intensidad de corriente. Fig. 4 Esquema Ley de Ohm. Si la resistencia es independiente del diferencial de potencial aplicado a la materia entonces se dice que este material obedece a la ley de Ohm. De la figura 4: “A” representa un amperímetro “R” es la resistencia de un material determinado (del cual se pretende medir su resistencia eléctrica), “V” es un voltímetro nótese que el amperímetro se encuentra conectado en serie y el voltímetro en paralelo, la lectura de “A” es la intensidad de corriente en amperios, la lectura de “V” es el diferencial de potencial “ΔV” en voltios reemplazando los mismos en la ley de ohm es posible calcular con mucha facilidad la resistencia de dicho material. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 16 VARIACION DE LA RESISTENCIA CON LA TEMPERATURA Dependencia de la resistencia de una solución a la temperatura: RЭ€= R18/ (1+Q (t-18)) …………. (2) Dónde: RЭ€ es la resistencia de la solución a temperatura “t” “R18”: es la resistencia de la solución a 18 grados centígrados “Q” es un coeficiente de temperatura igual a 0.025 (1/c) (promedio emperico usado en la práctica). Dependencia de la resistencia de un cuerpo conductor metálico a la temperatura. RЭ=R0 (1+gt) ……….. (3) RЭ = la resistencia del material a la temperatura “t” R0 = resistencia a cero grados centígrados. g =coeficiente de temperatura del material conductor. t = temperatura a la que se expone el material. Estos conceptos ayudaran a discernir mejor los encontrados en el acápite resistividad de las rocas además de ser de importancia en el caso de realizarse una prospección eléctrica en una zona geotérmica. RESISTIVIDAD.- Definimos la resistividad φ de un material como la relación entre las magnitudes de campo eléctrico que se induce en el material y de la densidad de corriente que atraviesa el mismo: (Campo eléctrico (E)) / (Densidad de corriente (J)) = resistividad (Ra) E (v/m) / J (A/ (m*m)) = Ra (V/A) *m =Ra (ohm*m) cuanto más grande es la resistividad tanto mayor es el campo eléctrico que se necesita para generar atreves del material una densidad de corriente determinada las unidades de la resistividad son: (v/m) / (A/(m*m)) = (V*m) /A donde el diferencial de potencial (Δv) dividido entre la intensidad de corriente (A) según la ley de Ohm es igual a la resistencia cuya unidad de medida es el ohmio (ohm) por tanto las unidades de medida de la resistividad también pueden ser expresadas en “ohm*m”. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 17 Fig. 5 Esquema acerca del principio de resistividad. La grafica 5, representa un cuerpo de longitud (L) y de sección transversal (S) la diferencia de potencial ΔV=Va - Vb que se mantiene de un extremo al otro del cuerpo establecen un campo eléctrico (E) y este campo produce una corriente (I) que es proporcional al diferencial de potencial. Donde la densidad de corriente (J) es igual a la intensidad de corriente dividida entre el área de la sección (S) por tanto: J=I/S Y el campo eléctrico es igual al diferencial de potencial (ΔV) dividido entre la longitud (L): E=ΔV/L Reemplazando en la fórmula que define a la resistividad se tiene: Resistividad = E/J = (ΔV/L) / (I/S) = (ΔV*S)/ (I*L) Resistividad =Ra = (ΔV*S) / (I*L) …………. (4) De donde “ΔV” puede ser medido fácilmente atreves del voltímetro simbolizado en el grafico 3, con la letra “V” y la intensidad de corriente respectivamente por el amperímetro simbolizado por la letra “A”, donde “S” es el área en metros cuadrados y “L” es la longitud del cuerpo cilíndrico en metros. Reemplazando estos valores en la ecuación (1) se obtiene, la resistividad del cuerpo en la unidad eléctrica de resistividad denominada ohmios*metro (ohm*m). Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 18 RESISTIVIDAD DE LAS ROCAS Y MINERALES La conductividad eléctrica o propiedad de conducir la corriente eléctrica varia en grandes rangos de una roca a otra, los parámetros que representan esta propiedad son la conductividad o la inversa de la misma la resistividad con fines prácticos la geofísica escoge al segundo como variable fundamental en el método geoeléctrico. Para entender de mejor manera el concepto de resistividad esta será explicada desde el concepto de conductividad. La conductividad en las rocas puede ser de 2 tipos fundamentalmente: Metálica Electrolítica CONDUCTIVIDAD METALICA Esta se caracteriza por el transporte de la corriente por la misma matriz de la roca es decir que la corriente pasa por la masa rocosa este tipo de conductividad, se da en algunas menas metálicas y esquistos grafiticos. CONDUCTIVIDAD ELECTROLITICA Este se caracteriza por el transporte de corriente atreves de iones contenidos en el agua de imvicion de la estructura rocosa. Fig. 6 Tipos de conductividad. Este tipo de conductividad que presentan la mayoría de las rocas el primer gráfico de la fig. 6, muestra una barra de cobre por el cual atraviesa la corriente, de un modo análogo es como actúa la conductividad metálica. El segundo gráfico de la fig. 6 muestra el experimento del paso de la corriente atreves del agua con sal (en si el agua sin sales disueltas es no conductora de corriente eléctrica) de un modo análogo se desarrolla el fenómeno de conductividad electrolítica. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 19 La resistividad de las rocas que tienen conductividad electrolítica tiene como función decreciente a los siguientes factores: - La porosidad total comunicante (se refiere a que, si los poros de roca se encuentran comunicados entre sí, la conductividad será buena y si los poros no están comunicados sucederá lo contrario). - La conductividad del agua de imvición (se refiere a la cantidad de sales disueltas en el agua atrapada en los poros de la roca). - También depende de la distribución y forma de los poros y fisuras. - Resistividad del agua de imvicion (o resistividad del agua que se encuentra en los poros de la roca). - La resistividad del agua de imvicion disminuye cuando aumenta la cantidad de sales que lleva disuelta, también depende de la naturaleza y composición de estas sales. Tomando en cuenta cómo la resistividad eléctrica es función de la porosidad de las distintas litologías, se explica a continuación brevemente elconcepto. La porosidad (P) de una roca o suelo es la expresión del porcentaje de espacios vacíos respecto al volumen total. P = (100%*vp) / V Donde (vp) es el volumen requerido de agua para llenar los poros y (V) el volumen total. En la zona saturada de la formación sedimentaria el agua llena todos los intersticios, por lo que la porosidad es una medida directa del agua contenida en la unidad de volumen. Sin embargo, si realizamos un poso y lo bombeamos no podremos extraer toda esa agua en razón de fuerzas moleculares y de tención superficial. Si (vr) es el volumen de agua retenida y (vf) el volumen de agua extraída o drenada, llamando (Er) a la retención específica (es el volumen de agua que queda retenida en la superficie de los granos sólidos) y (Ef) la fluencia especifica. Er = (100*vr) /V Ef = (100*vf) /V Y como: V = vr + vf Resulta: P = Er + Ef Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 20 La fluencia específica es entonces una fracción de la porosidad. En una determinada litología al producirse un descenso del nivel de agua de saturación existe una porción del mismo que solo queda con el agua retenida, si midiéramos la cantidad de agua extraída, y la dividiéramos por el volumen total que resulte entre la superficie saturada primitiva y la generada por el descenso del agua tendríamos la fluencia especifica por definición. Porosidad eficaz (Pz). - Es el volumen de poros conectados entre sí por unidad de volumen total estos poros son los encargados de la conductividad electrolítica. V (total de la muestra) = Vs (volumen sólido) + Vpc (volumen poros conectados) Pz = (100%*vpc) / V Porosidad total = Er + Pz Er: Porosidad de retención específica. La porosidad eficaz varía entre 0,01 (1 %) Y 0,4 (40%). Ejemplo: Una formación litológica compuesto por gravas y arenas que tiene 100 Km2 de superficie (Ap) y un espesor saturado (h) de 50 m puede almacenar el siguiente volumen de agua. Volumen de agua Vol=superficie del cuerpo (Ap)* espesor del cuerpo (h)*Pz Vol = (10000 x 10000) m2 * 50m * 0.35=1750000000m3 Fig. 7 esquemas volumen de almacenamiento de agua. La litología almacena =Vol. =1750000000m3 de agua en su porosidad eficaz. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 21 fig. 8 Tabla probabilística de resistividades. OHM*m OHM*m OHM*m OHM*m OHM*m OHM*m OHM*m ROCAS O MINERAL / VALOR DE RECISTIVIDAD (OHM*m) < 0 < 0 - 0 0 - 10 10 - 100 100-1000 1000-10000 10000- 100000 ROCAS IGNEAS 10% 30% 50% 10% ROCAS SEDIMENTARIAS 10% 15% 35% 35% 5% ROCAS METAMORFICAS 30% 60% 10% SEDEIMENTOS NO CONSOLIDADOS 3% 10% 40% 30% 15% 2% GRANITOS , GNEIS 40% 60% ARENISCAS (ROCA CONSOLIDADA) 5% 55% 35% 5% ARCILLAS 40% 60% ARENA 10% 70% 20% GRAVA 50% 50% MARGAS 100% CALIZA 10% 80% 10% LAVAS 40% 60% ARENA Y GRABA CON AGUA DULCE 50% 50% AGUA SUBTERRANEA EN SEDIMENTOS CONSOLIDADOS 30% 70% AGUA SUBTERRANEA EN MATERIAL SUELTO 100% ARENA Y GRABA EN AGUA SALADA 40% 60% TOBAS VOLCANICAS 70% 30% ARENISCAS PETROLIFERAS 20% 50% 20% GALENA 80% 20% PIRITA 60% 40% MAGNETITA 70% 30% SIDERITA 100% DIORITA (ROCA IGNEA) 20% 80% GABRO (ROCA IGNEA) 30% 70% Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 22 TABLA PROBABILÍSTICA DE RESISTIVIDADES La tabla de la figura 8 contiene las resistividades de los materiales más comunes en prospección geoelectrica, el uso de la misma se plasma a continuación: Se desea determinar la resistividad de las arenas, entonces se procede a ubicar arena en la columna de nombres de rocas o minerales y en la fila de la misma se tienen 3 porcentajes estos son 20%, 70% y 10% y cada porcentaje se encuentra en la columna de un rango de resistividades determinado en (ohm*m), el valor de 70% corresponde a la resistividad de 100-1000 ohm*m, por tanto lo que quiere decir es que la resistividad de un 70% de las arenas fluctúa entre los 100 y 1000 ohm*m, de la misma manera deben de ser interpretados los valores de 20% y 10%, lo mejor es siempre tomar el valor más alto de porcentaje para la determinación de la resistividad o deducir y ajustar el valor de la resistividad en función a los datos geológicos de la zona de estudio, como muestra el siguiente ejemplo: Después de haber realizado un trabajo geofísico para determinar el espesor de la primera capa de materiales depositados en un rio intermitente, se tiene que el manto investigado presenta una resistividad de 1000 ohm*m se busca en la primera fila de la tabla este valor. Se nota que el mismo corresponde a dos campos de existencia como muestra la tabla de la fig.8, entre los porcentajes probabilísticos se escoge al mayor y se procede a correlacionar los porcentajes escogidos por medio de las filas con el correspondiente nombre de mineral o roca. En el caso se obtuvieron 3 porcentajes el de 70% que corresponde a arena, 80% que corresponde a caliza y también 80% que corresponde a diorita, tomando en cuenta que la investigación geofísica se la realizo en el lecho de depósitos aluviales se escoge la opción arena nótese lo importante que es el criterio geológico al momento de la interpretación, puesto que optar por la opción diorita que tiene un porcentaje de probabilidad mayor que de las arenas para pertenecer al valor de resistividad de 1000 ohm*m, podría ser un error el pensar que el rio deposito una capa de diorita por erosión fluvial en la zona de investigación. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 23 TABLAS DE RESISTIVIDAD Fig-9 Tabla de resistividades por campos de transición de valores. A continuación, se describe el uso de la tabla de la figura 9: Imagínese que realizo una calicata eléctrica a la profundidad de 50 metros en la cima de una serranía de afloramientos de roca sedimentaria y el valor de la resistividad hallada es de 120 ohm*m, nótese que en la tabla el valor de 100 ohm*m corresponde a las siguientes litologías arenas, grava, hemetita, basaltos, calizas y areniscas, tomando en cuenta las condiciones geológicas de la zona se escoge la opción areniscas, puesto que geológicamente nadie se espera encontrar depósitos fluviales como lo son las gravas y arenas o roca madre conformada por basaltos, en la cima de una serranía donde afloran rocas sedimentarias, recalco nuevamente la importancia del criterio geológico en la interpretación geofísica. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 24 Fig. 10 Tabla probabilística de resistividades basada en graficas de una distribucion normal. El grafico superior es una tabla de tipo probabilística denotando la función curva normalizada con la cual representa los campos de existencia de las distintas resistividades, el uso de la misma es de forma análoga a la tabla de la fig. 8. DETERMINACION DE LA RESISTIVIDAD ELECTRICA en MUESTRAS No es difícil determinar la resistividad eléctrica de muestras relativamente homogéneas de minerales como: magnetita pirita, calcopirita, galena, etc., pero pueden surgir dificultades en rocas cristalinas como areniscas calizas, etc, debido a la variación en la composición porcentual de los minerales petrogenéticos que lo conforman.Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 25 Fig. 11 Esquema medida de resistividad en muestras. El método consiste en cortar una muestra en forma de paralelepípedo rectangular y apretar dos placas de metal sobre un par de sus caras opuestas, se aplica entonces una corriente eléctrica atreves de la muestra conectando las placas metálicas a una batería, y se lee el valor del potencial en el voltímetro conectado a los terminales M, N como muestra la figura 11, situados en una línea perpendicular a las caras donde se encuentran las placas de metal. La resistividad “Ra” viene dado por la siguiente expresión: Ra = (A/L) *(ΔV/I) = Ra (ohm*m) ……………. (5) Dónde las variables corresponden a: A = Área de las caras atreves de las cuales pasa la corriente. L = Distancia en metros entre M y N. ΔV = Tención (V) entre M y N. I = Intensidad de corriente medida en (A). Para la medición de la resistividad de testigos de perforación los cuales tienen forma cilíndrica es aplicable la formula…. (4). MEDICIONES DE RESISTIVIDAD EN EL SUELO Es posible cuantificar la resistividad de los materiales en el subsuelo realizando mediciones de tensión eléctrica y corriente eléctrica en la superficie del terreno, en la práctica se utilizan cuatro electrodos o contactos para conectarse al suelo dos conectores exteriores se encargan de introducir corriente en el suelo y la tención producida se mide por dos Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 26 electrodos interiores, si los electrodos se encuentran igualmente distanciados unos de otros entonces, se consigue la llamada configuración Wenner, donde la caída de potencial medida (tención eléctrica) es la que se establece entre dos superficies equipotenciales sobre las que se hallan los electrodos interiores como muestra el grafico 12 (a). Bueno para entender mejor el problema lo abordaremos desde el siguiente punto de vista, si sobre un medio homogéneo eléctricamente se introduce una corriente continua de intensidad “I” atreves del electrodo puntual “A” como muestra la figura 12, (b) considerando el electrodo “B” en el infinito (en la práctica muy lejos del electrodo A). Grafico (a) Grafico (b) Fig. 12 Campo producido por un electrodo puntual. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 27 Entonces esta fluye uniformemente en forma radial en todas las direcciones las líneas de corriente en este caso coincidirán con los radios que parten del centro de los electrodos que inyectan corriente al subsuelo y las superficies equipotenciales que son perpendiculares a las líneas de corriente forman un sistema de semiesferas concéntricas en “A” (ver fig.13). Fig. 13 Sistemas de semiesfera concéntrica. Considerando una capa semiesférica incluida entre dos superficies equipotenciales contiguas como un conductor lineal, en las cuales existe una diferencia de potencial “ΔV” según la ley de Ohm se obtiene: Ra=V/I * (Ac/ radio(r)) Despejando V se tiene: V=Ra*I*r/Ac Dónde: área semiesfera =Ac = 2π r2 Diferenciando miembro a miembro se tiene: -dV= Ra * (dr/2πr2 )*I El signo negativo se debe a que la corriente fluye de los puntos de potencial elevados a los puntos de menor potencial, la magnitud “2πr2” es el área del casquete esférico, la expresión nos muestra como al aumentar “r” el potencial disminuye, integrando la expresión anterior se tiene que: V =∫ Ra Idr/(2πr2) r 0 V= ( Ra I /2π )∫ dr/(r2) r 0 = Ra*I /2πr………..… (6) Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 28 La relación (6) expresa el cambio de voltaje de un electrodo de corriente en un determinado punto en el semiespacio. Si el electrodo “B” (-) que cierra el circuito se encuentra a una distancia finita de “A” (+) figura 12 (a) el potencial en el punto N será: VN= Ra*I/2π*((1/AN) - (1/BN)) Y en el punto M será: VM= Ra*I/2π*((1/AM) - (1/BM)) La diferencia de potencial ΔV entre M y N será entonces: ΔV=VM-VN= Ra*I/2π*((1/AM) -(1/BM) -(1/AN) + (1/BN)) Despejando Ra que es la variable resistividad del suelo se tiene: Ra= (2*π/ ((1/AM) -(1/BM) -(1/AN) + (1/BN))) *(ΔV /I) =Ra (ohm*m) Dónde: ΔV = Diferencial de potencial (Voltios) entre M y N. I = Intensidad de corriente medida en (Amperios). AM = Es la distancia en metros en el terreno entre los electrodos A (transmisión) y M (de recepción). BM = Es la distancia en metros en el terreno entre los electrodos B (transmisión) y M (de recepción). AN = Es la distancia en metros en el terreno entre los electrodos A (transmisión) y N (de recepción). BN = Es la distancia en metros en el terreno entre los electrodos B (transmisión) y N (de recepción). Simplificando la expresión si K es el factor geométrico que depende de la posición relativa de los electrodos entonces: K=2*π / ((1/AM) -(1/BM) -(1/AN) + (1/BN)) Por lo tanto: Ra = (ΔV / I) *K………. (7) A partir de la expresión (7) se puede calcular la resistividad del suelo. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 29 El método solo se puede medir la resistividad de capas superficiales y homogéneas, además que sin conocer las técnicas referidas a los arreglos electrodicos o la teoría de interpretación dada para cada uno de los métodos de resistividad entonces nos pareceremos a los ingenieros eléctricos tratando de medir la resistividad de la primera capa del suelo, para poder instalar una puesta de tierra. Salvo que el libro está destinado a geólogos, le comunicarle que las cosas no son tan fáciles lo mejor será seguir leyendo el texto, este se encuentra especialmente endulzado para el apetito siempre antipático hacia las ciencias exactas que tiene el buen geólogo a continuación, algunos problemas que evaluaran el capítulo: 1.-Un alambre metálico de resistencia R, se divide en tres partes iguales y se conecta una pegada a la otra para formar un alambre nuevo de longitud igual a una tercera parte de la longitud original cual es la resistencia de este nuevo alambre Respuesta: R/9. 2.- Calcule la resistividad Ra (ohm*m) de un testigo de perforación cilíndrico de L (m) de longitud y de un diámetro D (m) por el mismo fluye una corriente de intensidad I (A) producto de un diferencial de voltaje en corriente continua ΔV (en voltios) aplicado en los extremos del cilindro. Respuesta: Ra = (ΔV*S) / (I*L). 3.- Calcule la resistividad aparente (Ra) del suelo donde se pretende instalar una planta telefónica tomando en cuenta los siguientes datos de campo: La separación entre los electrodos es la siguiente: A M es = a en metros M N es = a en metros N A es = a en metros Como muestra la figura 10 Fig-14 Los electrodos se encuentran dispuestos linealmente el diferencial de potencial medido en los electrodos M N es igual a ΔV en milivoltios y la intensidad de corriente que circula entre los electrodos A B es igual a I en amperios. Respuesta: Ra = (ΔV/I) *2 π a. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 30 Capitulo III EQUIPO PROSPECTOR EMPLEADO EN EL METODO DE RESISTIVIDAD Cuando pones la proa visionaria hacia una estrella y llevas el resortemisterioso de un ideal, solo vives por esa partícula de ensueño que se sobrepone a lo real, cuando se te anuda la garganta al recordar la cicuta impuesta a Sócrates, la cruz izada para Jesucristo, inclinándote con igual veneración ante los creadores de verdad o de belleza. (Jose Ingenieros) Fig.15 a Fig. 15 b Fig-15. Esquema equipos de resistividad según Mash y Thompson (1958) Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 31 Fig. 16 Esquema equipo de resistividad según A. S. EVE y D.A. KEIS Geofísica aplicada (1956) Los esquemas de las figuras 15 y 16 pertenecen a los primeros circuitos que muestran la arquitectura básica de los equipos de prospección eléctrica. El instrumental exigido para la prospección eléctrica por resistividad desde mi punto de vista no requiere complicaciones, a menos que se exija ciertas especificaciones como controles automáticos para el registro de datos o una interfaz de computadora hacia el programa de interpretación geofísica, etc. De hecho, se pueden realizar prospecciones eléctricas muy satisfactorias con equipos consistentes en un banco de baterías secas como fuente de tención, 4 barrenas de bronce (dos como electrodos de inyección de corriente y otro par como electrodos de recepción de voltaje) un miliamperímetro, un milivoltímetro de precisión y cable bien aislado de longitud suficiente para la extensión de los electrodos en campo. A continuación, se hará una descripción básica de un equipo prosector geoelectrico tipo resistivimetro. TRANSMISOR La labor del transmisor es de inyectar corriente continua o directa al sub suelo, claro que la corriente deberá de ser la suficiente para que en otro punto de la superficie del terreno se tenga la recepción de la corriente inyectada en forma de diferencial de potencial. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 32 El transmisor en su forma básica y más simple estará compuesto por un conjunto de baterías eléctricas conectadas en serie para sumar el voltaje de las mismas y un miliamperímetro conectado también en serie al circuito tipo fuente de alimentación, donde las salidas de la fuente son directamente conectadas al terreno por medio conectores de bronce u otro material conductivo, como muestra el esquema de la fig. (17). Fig-17 Esquema de transmisor de baterías. El número de baterías es directamente proporcional al voltaje de salida del primitivo transmisor, el mencionado número de baterías dependerá de la magnitud de la prospección geoelectrica, y el parámetro de intensidad de corriente que circula por el subsuelo se mide en el miliamperímetro simbolizado por la letra “A” en la figura 17. A continuación, en la figura 18 se muestra el esquema eléctrico básico de un transmisor formado por una bobina elevadora de voltaje y un circuito rectificador de tención alterna a corriente continua o directa y un generador de baja frecuencia el mismo consta básicamente de las siguientes partes: fig. 18 Circuito transmisor con elevador de voltaje alterno y generador de baja frecuencia (fuente de diseño propia). Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 33 - Generador de corriente: Es el encargado de suministrar la corriente al elevador de voltaje por medio de un dinamo de corriente alterna puesto en movimiento mediante la fuerza de un motor a gasolina este puede subministrar tanto voltaje de 220 y 110 voltios (v). - Elevador de voltaje: Es un transformador electromagnetico de voltaje, en el cual para su construcción la metodología de cálculo de este, no se encuentra dirigida a rebajar el voltaje como comúnmente operan los transformadores sino al contrario a aumentarlo es decir transformar los 220 voltios otorgados por el generador de corriente, en 300, 200, 500, 1200, voltios en corriente alterna, según los requerimientos de la prospección geoelectrica. - Conmutador selector Es simplemente una llave tipo interruptor que selecciona los voltajes otorgados por el inversor para que un único voltaje seleccionado ingrese a la etapa de rectificación de corriente, por lo general este conmutador debe de soportar intensidades de corriente que fluctúan entre los: 0.1 o 5 amperios. - Rectificador de corriente Se encuentra compuesto por un banco de diodos rectificadores debidamente conectados en un circuito tipo puente de rectificación doble, la intensidad de corriente que soporten los diodos, deberá de estar en función a la intensidad máxima de salida del elevador de voltaje, para entender mejor esta etapa hablemos un poco acerca de las características de funcionamiento de un diodo, que son las mismas de un interruptor simple, salvo el hecho, que un diodo puede conducir solo en una dirección la corriente eléctrica, imaginemos por un momento, que por un punto pasan cargas positivas y negativas, una después de otra la función que cumple el diodo es la de restringir el paso a un solo tipo de cargas o solo deja pasar cargas negativas o solo deja pasar cargas positivas dependiendo del montaje de polaridad del diodo en el circuito, es de esta forma que los diodos cumplen la función de convertir la corriente alterna (dos tipos de cargas) en corriente directa o continua (un solo tipo de carga). - Filtrado de onda Esta etapa se encuentra compuesta por un banco de filtros capacitores electrolíticos según los requerimientos del circuito, el capacitor es un dispositivo eléctrico que acumula energía en forma de campo eléctrico, cuando la tención varia a lo largo de un ciclo eléctrico, la energía puede ser acumulada durante algún tiempo y luego ser devuelta el mismo, cumple la función de convertir la onda eléctrica cuadrada proveniente del banco de diodos en la Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 34 etapa de rectificación de corriente, en una función eléctrica recta continua, que es el tipo de corriente requerida para la prospección eléctrica. - Reóstato Es una resistencia variable capaz de soportar la intensidad de corriente que circula, por el suelo mediante los electrodos de corriente, este dispositivo denominado reóstato se encarga de regular la intensidad de corriente de salida del transmisor aumentando o disminuyendo la resistencia eléctrica entre los electrodos de corriente (es muy común en la geología del altiplano boliviano, que en el terreno la primera capa tenga una alta conductividad debido al alto contenido de arcillas del suelo, con aperturas cortas de electrodos de corriente, la intensidad de corriente en los mismos suele sobre pasar la capacidad de flujo de corriente de los diodos rectificadores, para evitar esto se debe de conectar una resistencia variable en serie antes de la conexión del amperímetro que registra la intensidad de corriente suministrada a los electrodos de corriente A y B, también conectada en serie para poder regular la intensidad de corriente suministrada al suelo). Fig-19 Conexión resistencia variable (reóstato) en el terreno. -El amperímetro se conectan tal y como muestra el esquema de la fig. 19 este registra la intensidad de salida del transmisor. - Generador de baja frecuencia Este cumple la función de variar la frecuencia de la onda cuadrada entregada por el banco de capacitores, para así evitar la interferencia con el ruido eléctrico o SP, sus principales características son: Rango de frecuencia: 0,1 Hz a 100KHz, potencia máxima de salida: 400W. La etapa de recepción deberá ser ajustada a la frecuencia desalida del transmisor, que es directamente controlada por el generador de frecuencia. Especificaciones técnicas básicas: Salida a 4 Ω y a 600 Ω Amplitud de salida: 1200 V pico-pico Intervalo de frecuencia: 0,1 Hz - 100 KHz Amortiguador de salida 1x / 0,1X / 0,01X (salida 600ohm) Alimentación: 220-240 V AC 50-60 Hz Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 35 Formas de onda: senoidal, rectangular y triangular Potencia de salida: 400 W RESEPTOR La labor del mismo es la de resepcionar los voltajes inyectados por el transmisor en el terreno, el receptor está compuesto básicamente por un milivoltímetro ya sea digital o galvánico, el inconveniente que presenta este instrumental es el filtrado del ruido o SP. (Corrientes parasitas naturales del suelo) puesto que la mayoría de los equipos de fábrica, cuentan con un compensador de ruido a continuación presento el diagrama eléctrico básico de un receptor con compensador de ruido: Fig-20 Esquema receptor con corrector de ruido. El funcionamiento del circuito de la figura 20, es el siguiente: La entrada de recepción, se refiere a los puntos de conexión a tierra (electrodos de potencial M N), el voltaje se dirige al milivoltímetro mientras que la batería de bajo voltaje genera un voltaje opuesto en polaridad ala tención resepcionada del terreno. Este voltaje opuesto puede ser regulado mediante los reóstatos del esquema de la fig. 19, hasta que la batería de bajo voltaje solo genere la corriente equivalente al ruido una vez logrado este proceso, solo se registrara el voltaje correspondiente a los inyectados por el transmisor, claro que el proceso de compensación de ruido mediante los reóstatos se la debe de realizar mientras el transmisor este apagado y para cada posición de M N en el terreno. LOS OHMIMETROS Se deben de disponer de un par de ohmiometros, uno para ser conectados a las salidas del transmisor mientras el mismo se encuentre apagado, para medir la resistencia del suelo y así verificar que los electrodos de transmisión estén bien conectados a tierra. Un segundo ohmímetro deberá de estar conectado a las entradas del receptor también para verificar que los electrodos de recepción o de potencial estén bien conectados al suelo, el Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 36 uso de los mismos es de suma importancia puesto que controlaran la calidad de la conexión del equipo al suelo como muestra el grafico 21. Fig. 21 Conexiones de los ohmímetros. Una vez conectados los ohmimetros, en paralelo a la línea AB o MN, los valores registrados en el mismo no deberán exceder en rango los 100 M ohm. Para aperturas cortas de AB y MN, es decir que la resistencia del suelo nunca deberá de tender al infinito. Fig-22. Imagen resistivimetros construidos por el autor del presente texto. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 37 c) ELECTRODOS Básicamente existen dos tipos de electrodos estos corresponden respectivamente al transmisor y al receptor: -Electrodos metálicos (corresponden al transmisor) -Electrodos impolarizables (corresponden al receptor) Electrodos metálicos. - Pueden ser utilizados tanto para conectar el transmisor a tierra como para conectar el receptor a tierra están conformados por barras de acero inoxidable o por barras de bronce o cobre endurado, no es recomendable usar este tipo de electrodos como receptores porque en los mismos puede llegar a producirse un diferencial de potencial variable debido a la acción electrolítica lo cual distorsiona o enmascara el potencial real medido. Electrodos impolarizables.- Estos solo pueden ser usados como electrodos de recepción,los electrodos impolarizables más sencillos consisten en una varilla de cobre sumergidos en una solución saturada de sulfato de cobre colocada en una vasija porosa, el contacto se realiza enterrando la parte porosa de la vasija, como los electrodos tienen la misma concentración no se produce ningún potencial adicional en estos y las medidas tomadas solo corresponden al diferencial de potencial producido durante la lectura de ruido o la lectura de voltaje tomado por el receptor. Fig-23 Esquema electrodo impolarizable Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 38 Fig-24 Esquema electrodo metálico. d) CABLES DE CONEXIÓN y CARRETES El cable que se emplea en la prospección eléctrica, no tiene nada de especial solo requiere que sea liviano y que se a resistente además de tener una buena envoltura aislante se emplea generalmente cable multifibras de cobre aislado. Respecto a los carretes estos son fáciles de construir o se pueden usar cualquier carrete de cable que se tenga a disposición al igual que los cables estos deben de ser resistentes y livianos para poder ser movilizados en el campo. Fig-25. Esquema carretes de fácil construcción. e) IMPLEMENTOS Se pueden citar los siguientes: - Martillos para clavar en el suelo superficial los electrodos metálicos. - Pico para cavar los huecos donde se implanten los electrodos impolarizables. - Agua con sal común al 10% la solución debe de ser vertida en el contacto entre los electrodos y el suelo para mejorar la conducción eléctrica (recuerde el siguiente consejo no importa el tamaño de los electrodos sino la calidad de la conexión). Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 39 - Cintas métricas para realizar las mediciones en campo respecto a la distribución espacial de los electrodos. Fig. 26 Circuito transmisor y receptor con corrector de ruido (fuente de diseño propia). f) EQUIPOS QUE TRABAJAN EN BAJA FRECUENCIA El equipo anteriormente descrito puede ser transformado en un de baja frecuencia para evitar realizar las correcciones por el ruido o fenómenos de polarización electrolítica, para esto uno se vale de un artificio mecánico o electrónico, tal como una rueda giratoria unida a un motor eléctrico de modo que invierta el sentido de la corriente en intervalos adecuados o un circuito generador de onda cuadrada, algunos equipos con objeto de eliminar el dispositivo conmutador emplean corriente alterna de frecuencia muy baja en vez de corriente continua siendo esta frecuencia de orden de 10 a 20 ciclos por segundo, el voltímetro y el amperímetro deben de ser entonces de ser remplazados por instrumentos de corriente alterna adecuados. La desventaja de estos instrumentos yace en que si los cables son largos los efectos de inducción electromagnética pueden ser molestos e incluso podrían malograr el proceso de toma de datos. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 40 Fig-27 Imagen equipo resistivimetro de baja frecuencia marca Yocohama Lab. (Perteneciente a la carrera de ingeniería geológica de la U.T.O.) A continuación, los siguientes problemas que reforzaran los conceptos del capitulo 1.- Cinco pilas iguales que despiden un voltaje de 2 voltios individualmente y 0.6 ohmios de resistencia interna, hallar la intensidad de corriente que suministran a una resistencia exterior de carga de 17 ohmios cuando las pilas se conectan en a) serie b) paralelo Respuesta: a) 0.5 amperios b) 0.117 amperios 2.-Un amperímetro tiene una resistencia interna de 0.006 ohmios y cada división de su escala de medida equivalea un amperio con que resistencia R conectada en paralelo se debe shuntar para que cada división de su escala corresponda a una corriente de 5 amperios de intensidad. Respuesta: R=0.0015 ohmios 3.-Un condensador cuya capacidad es iguala 250 uF. Se conecta a la red de corriente alterna determinar su resistencia siendo la frecuencia de 50 200 y 400 Hz. Respuesta: 12.7 ohm, 3.2 ohm y 1.6 ohm respectivamente. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 41 Capítulo IV CONFIGURACION de ELECTRODOS EN EL METODO ELÉCTRICO La ciencia tiene más sinceridad cuando habla de su impotencia que de sus triunfos. (Primo Arrieta) Al hablar de las configuraciones de los electrodos, nos referimos a la disposición espacial de los electrodos en el terreno, existen variados tipos de arreglos electrodicos en el presente texto solo se abordaran los más importantes y prácticos (aunque según la fórmula 7 del capítulo II del texto uno puede implantar los electrodos en el campo como a uno le venga en gana debido a que es posible calcular el factor geométrico para cualquier disposición de electrodos en terreno, el problema comienza en el momento de la interpretación de los datos puesto que los modelos físico matemáticos de interpretación solo están bisados a unos pocos dispositivos electrodicos). ARREGLOS TETRAELECTRODICOS DE TIPO SIMÉTRICO LINEAL Se dice que los arreglos son lineales, por el hecho que los electrodos son colocados a lo largo de una línea imaginaria trazada en la zona de estudio y simétricos a razón de que a partir del punto de sondeo se divide la recta imaginaria en dos partes iguales donde los electrodos deberán de ser colocados en ambas partes de la recta en las mismas posiciones como en una imagen especular. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 42 Fig. 28 Arreglo electrodico Schlumberger (vista de perfil). DISPOSITIVO SCHLUMBERGER En el cual los electrodos de potencial ocupan la parte central y la distancia entre los electrodos de potencial o recepción MN es mucho menor a los de inyección de corriente AB como muestra la fig. 28, teóricamente la distancia MN debe de ser 1/5 de la distancia AB, pero en la práctica se obtienen muy buenos resultados con MN igual o mayor a 1/3 de la distancia AB. El factor geométrico de este dispositivo es el siguiente: K (metros) = π ((S*S/a) - (a/4)) Donde el punto medio entre M y N es el punto de sondeo. Todas las fórmulas de factor geométrico se deducen reemplazando variables en la siguiente formula base: K (metros) = (2*π/ ((1/AM) -(1/BM) -(1/AN) + (1/BN)) K (m) = π ((AM *AN) /MN); el factor geométrico adquiere este valor si el arreglo es simétrico, dónde: AM = es la distancia en metros en el terreno entre los electrodos A y M BM = es la distancia en metros en el terreno entre los electrodos B y M AN = es la distancia en metros en el terreno entre los electrodos A y N BN = es la distancia en metros en el terreno entre los electrodos B y N DISPOSITIVO WENNER Fig. 29. Arreglo electrodico Wenner. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 43 También los electrodos de recepción se ubican en la parte central y la distancia en metros entre los electrodos AM y NB denominada “a” es constante como muestra el grafico 29, el factor geométrico para este arreglo es igual a: K (metros) = 2πa Este arreglo puede ser de suma utilidad cuando los valores de voltaje en recepción son muy bajos, el punto medio entre M y N es el punto de sondeo. DISPOSITIVO DIPOLO DIPOLO Fig-30 Arreglo electrodico dipolo dipolo. Este difiere a los anteriores debido a que los electrodos de corriente se encuentran separados de los electrodos de recepción por la distancia en metros denominada “na” siendo “a” la distancia mutua que existe entre pares de electrodos que conforman los dipolos, el factor geométrico está dado por: K (metros) = π n a (n+1) (n+2) Donde la posición del punto medio entre B y M es el punto de sondeo. DISPOSITIVO MEDIO WENNER Fig-31 Arreglo electrodico medio Wenner. La medida de potencial varia inversamente a la distancia de los electrodos de inyección de corriente, además que el efecto de electrodo lejano no debe de ser mayor al 5% de la medida del potencial, el factor geométrico está dado por la siguiente formula: K (metros)= 2 π a Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 44 Dónde la posición del electrodo M es el punto de sondeo. DISPOSITIVO MEDIO SCHLUMBERGER Fig-32 Arreglo medio Schlumberger. La medida de recepción del potencial varía con el cuadrado de la distancia de los electrodos de corriente a medida que la distancia entre el centro de los electrodos de potencial MN y el electrodo de corriente A va creciendo, se debe también aumentar la apertura de los electrodos de potencial MN a ¼ a 1/5 de la distancia “a” según el esquema de la fig. -32, el factor geométrico se calcula a partir de la fórmula: K = (2*π/ ((1/AM) - (1/AN)), donde se toma a BM=BN=0 DISPOSITIVO POLO DIPOLO Fig. - 33 Arreglo polo dipolo. En este arreglo electrodico a medida que la distancia “na” se va incrementando la distancia “a” permanece fija no se debe de confundir el dispositivo electrodico medio Schlumberger, con el dispositivo polo dipolo puesto que a pesar que los electrodos en el campo aparentemente se distribuyan de forma análoga el protocolo de medida es diferente. El factor geométrico está dado por: K (en metros) =2 π n a (n+1), el punto de medida del sondeo es el punto medio entre N y A. DISPOSITIVO LEE Es similar al arreglo Wenner, con la diferencia que en el dispositivo electrodico Lee, se sitúa un electrodo de medida denominado “E” (como muestra la fig. 34) en el punto central del arreglo haciendo las lecturas entre el electrodo central y uno de los electrodos laterales. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 45 Fig. 34 Arreglo electrodico Lee. El valor del factor geométrico será: K (metros) = 6πa Para la representación gráfica de datos registrados por el dispositivo Lee, se procede a dibujar dos curvas de resistividad ambas en función de la distancia en metros denominada “a”(el trazado de las curvas de resistividad se encuentra detallado en los siguientes capítulos del presente texto), la curva obtenida a partir de la lectura del diferencial de potencial entre los electrodos ME y la segunda curva obtenida a partir del diferencial de potencial en EN, si las condiciones del terreno tanto a la derecha como a la izquierda del punto central E, son idénticas las dos curvas también lo serán dado el caso, por ejemplo si hubiese un cuerpo más conductor a la izquierda la curva de resistividad de este lado dará valores de resistividad inferiores que el del lado derecho detectando así la presencia de esta irregularidad en la secuencia litológica del subsuelo. DOSPOSITIVOS ELECTRODICOS NO SIMETRICOS En la práctica estos arreglos son poco usados por el hecho que la representación de los datos correspondientes a estos es relativamente más compleja que la de los arreglos lineales. Fig. 35 Arreglos polares (vista de planta). El grafico 35 muestra que el ángulo formado entre MT-NT y ML-NL es de 90 grados, desde cierto punto de vista se denota que estos arreglos tienen cierta analogía con el dispositivo Dipolo dipolo puesto que son variaciones de este a continuación, se describen los arreglos electrodicos no simétricos másusados: Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 46 DISPOSIVO RADIAL. - En este arreglo el factor geométrico es igual a: K (en metros) = (PHI*) (T*T*T) / (U*U) Coseno (G) Se debe de toma en cuenta que la separación de los electrodos de recepción es MT y NT como muestra el grafico 35. DISPOSITIVO AZIMUTAL. - En este arreglo el factor geométrico es igual a: K (en metros) =2*(PHI*) (T*T*T) / (U*U) Coseno (G) Se debe de toma en cuenta que la separación de los electrodos de recepción es ML y NL como muestra el grafico 35. SENSIBILIDAD Y USO DE LOS DISPOSITIVOS ELECTRODICOS Los conceptos de sensibilidad nos ayudaran a elegir la metodología óptima para el registro de datos en los métodos eléctricos de prospección a continuación, se describe la sensibilidad y las características de uso de los principales arreglos electrodicos: ARREGLO WENNER Fig-36 Grafico de tipo de sensibilidad arreglo Wenner. En la figura 36, se muestra la configuración Wenner, donde los contornos graficados para el diagrama de sensibilidad son sub horizontales abajo del centro del arreglo electrodico, lo que nos indica que este dispositivo es sensible a cambios de resistividad vertical del subsuelo no así para aquellos cambios de resistividad horizontales en general el dispositivo Wenner es bueno resolviendo cambios verticales de resistividad (estructuras horizontales) pero relativamente pobre en detectar los cambios horizontales (estructuras verticales estrechas por ejemplo fallas, filones y otros de buzamiento sub vertical y de poca potencia). Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 47 En la figura 36 vemos que para la configuración Wenner la profundidad optima de investigación es aproximadamente 0.5 del espaciamiento "a" utilizado, comparado con otros arreglos el Wenner tiene una profundidad moderada de investigación. Para el dispositivo Wenner, el factor geométrico k es igual a: 2πa, que es dimensionalmente menor al factor geométrico para otras configuraciones, lo que concluye que este dispositivo tiene una fortaleza significativa en la señal, esto puede ser un factor importante si los relevamientos son llevados a cabo en áreas con un ruido de fondo alto. Una de las desventajas de este dispositivo para relevamientos en 2 dimensiones es que la cobertura horizontal es relativamente pobre cuando el espaciamiento entre electrodos se aumenta, esto puede ser un problema cuando se usa un sistema con un número relativamente pequeño de electrodos. ARREGLO DIPOLO DIPOLO Este conjunto ha sido y es todavía ampliamente usado en sondeos de resistividad y polarización inducida a causa del bajo acoplamiento entre la corriente y los circuitos potenciales, el espaciamiento entre los electrodos AB, es determinado como “a” al igual que la distancia entre los electrodos potenciales MN, este arreglo tiene otro factor denominado “n”, este es la relación de la distancia entre los electrodos AM y la separación del dipolo AB o MN. Fig-37 Grafico de tipo de sensibilidad arreglo dipolo dipolo. Para realizar levamientos con este dispositivo, el espaciamiento “a” se mantiene inicialmente fijo y el factor “n” se aumenta desde 1, 2, 3 y hasta 6 veces a fin de aumentar la profundidad de investigación. Cuando se acompaña con la medida de polarización inducida (IP), “n” normalmente no sobrepasa el valor de 4 debido a la fuerte atenuación de la cargabilidad, en la figura 37, se muestra que los valores más importantes de sensibilidad se ubican entre los electrodos AB, así como también entre el par MN, esto significa que Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 48 este conjunto es muy sensible a cambios de resistividad entre cada par de dipolos, note que la sensibilidad en el modelo de contorno es casi vertical. Así el dispositivo dipolo-dipolo es muy sensible a cambios de resistividad horizontal de modo que es útil en estructuras verticales tales como muros enterrados, cavidades, diques y plumas de contaminación, pero relativamente pobre en estructuras horizontales como las capas sedimentarias. La profundidad media de investigación de este conjunto también depende del factor “n”, así como del factor “a” en general, este conjunto posee una profundidad más somera de investigación comparado con el dispositivo Wenner, sin embargo, para sondeos en 2 dimensiones (2D) este conjunto tiene una cobertura mejor de datos horizontales que el de Wenner. Una posible desventaja de este conjunto es que la señal es muy pequeña para valores grandes del factor “n”; el voltaje es inversamente proporcional al cubo del factor “n”, lo que significa que para la misma corriente, el voltaje medido por el receptor del resistivímetro disminuye más de 200 veces cuando “n” aumenta desde 1 a 6 para usar este conjunto el resistivímetro debería tener comparativamente una alta sensibilidad y un muy buen rechazo de ruido en el circuito receptor además de asegurar un muy buen contacto entre los electrodos MN y el terreno. ARREGLO SCHLUMBERGER Fig-38 Grafico de tipo de sensibilidad arreglo schlumberger. La sensibilidad para Schlumberger, es ligeramente diferente al Wenner con una curvatura vertical delgada más adelante del centro del conjunto electrodico y la sensibilidad ligeramente inferior en las regiones entre el MN (y también AB) hay una concentración mayor de la sensibilidad en la zona de los electrodos MN, esto significa que este conjunto Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 49 es moderadamente sensible a estructuras horizontales y verticales, en áreas en donde ambos tipos de estructuras geológicas son esperadas, este conjunto puede ser utilizado convenientemente la profundidad media de investigación para este conjunto es 10% más grande que para el dispositivo Wenner para el mismo espaciamiento de los electrodos AB, la señal para este conjunto es menor que para el dispositivo Wenner, pero es más alta que para el arreglo Dipolo-dipolo. ARREGLO POLO DIPOLO Fig-39 Grafico de tipo de sensibilidad arreglo polo dipolo. La configuración polo dipolo tiene una buena cobertura horizontal y también una fortaleza de señal significativamente más alta comparada con el dispositivo dipolo-dipolo y las otras configuraciones comunes, el conjunto polo dipolo es un dispositivo asimétrico cuando este se aplica sobre estructuras simétricas las anomalías de resistividad aparente en la pseudosección, son asimétricas en algunas situaciones, la asimetría en los valores de resistividad aparente podría influir en el modelo obtenido después de la interpretación de datos un método para eliminar el efecto de esta asimetría sería repetir las medicines con un arreglo de electrodos inverso por combinaciones entre las medidas realizadas en forma “Directa e "Inversa", cualquier predisposición en el modelo debido a la naturaleza asimétrica de este conjunto se eliminaría. El conjunto Polo-dipolo requiere también un electrodo remoto (el electrodo B) que debe implantarse suficientemente lejos de la línea del sondeo, la fortaleza de señal es comparativamente menor a los dispositivos Wenner y Schlumberger, pero más alta que en el dispositivo Dipolo-dipolo. Geofísica Aplicada Antonio Carrasco Cortez 50 PROFUNDIDAD APARENTE DE INVESTIGACIÓN Y SU RELACIÓN CON EL DISPOSITIVO ELECTRODICO USADO
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