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IGEOTEST S.L. registre de comerç 913974Z Foli 13831 i data dʼincripció 22-12-1997
1
Geologia, geotècnia i
serveis científico-tècnics
PRINCIPIOS Y MÉTODO DE LA
PROSPECCIÓN CON RESONANCIA MAGNÉTICA
(MRS)
INTRODUCCIÓN Y EQUIPO DE MEDIDA
PRINCIPIO FÍSICO DEL MÉTODO
TESTS PREVIOS A LA EJECUCIÓN DE UN MRS
EJECUCIÓN DE UN SONDEO CON RESONANCIA MAGNÉTICA
INFORMACIÓN OBTENIDA Y CALIDAD DE LA MISMA
Dirección:
Valentí TURU i MICHELS
Av. Príncep Benlloch 66-72
Edificio Interceus, despacho 407
Teléfono y fax: 321815 - 820323
Email: [email protected]
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Estudis geològics, geotècnics, geofísics, hidrogeològics, impacte ambiental , risc geomorfològic i serveis científico-tècnics.
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PROSPECCIÓN CON RESONANCIA MAGNÉTICA
1.6
Información obtenida y calidad de la misma
1.6.1 Información obtenida de una señal MRS
El contenido de agua (porosidad) es proporcional a la amplitud de la
señal, lo que permite hacer una estimación del contenido porcentual de agua
en profundidad. Y la constante del tiempo de decaimiento de la señal permite
calcular el tamaño de los poros del medio (permeabilidad)
Parámetro medido
Amplitud del señal Eo
Tiempo de decaimiento T2*
Fase del señal φo
Momento del pulso q
Parámetro hidrológico
Contenido en agua (porosidad)
Tamaño de los poros (permeabilidad)
Resistividad de la roca
Profundidad de investigación
TM
Figura 14: Ventana de adquisición de datos de un registro del Numis Lite ,
entre 0 i t1: registro del ruido; entre t1 y t2: impulso de intensidad eléctrica que está en función
de la profundidad a alcanzar; t2-t4: tiempo muerto; t4-t5: señal MRS.
El decrecimiento de la señal de relajación (tiempo t4-t5) de la excitación
de los protones se produce cuando se ha dejado de inyectar corriente en la
antena, y sigue la siguiente relación armónica:
E = E0 e(-t / T*2) Sen (2πf0t + ϕ0)
Donde, T*2 es la constante de tiempo de decrecimiento y ϕ0 el desfase entre la
corriente de excitación y la relajación del voltaje medido en la antena (caída del
impulso). T*2 es del orden de algunas decenas de milisegundos para arcilla
saturada en agua y del orden de algunos centenares de milisegundos para el
agua libre.
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El sondeo con resonancia magnética puede efectuarse con un impulso o
con doble impulso, obteniéndose los valores de T2* y T1 respectivamente. T1
corresponde a la componente longitudinal del tiempo de relajación (Td),
mientras que T2* es la componente transversal. El menos influenciado por las
inestabilidades magnéticas es el T1 (Plata & Rubio, 2007, pág. 453).
Por otro lado, E0 corresponde a la expresión de la relajación del voltaje
medido en la superficie justo después de que la excitación de la corriente ha
sido cerrada
E0 =
'
$
!
! 2! f H (r ) M f (r ) sin &% 2 H (r ) q )( dv
0
"
0
#
v
Donde:
M0
f(r)
q
H(r)
Es el momento magnético de las moléculas de agua
Es el contenido de agua
Es el momento del impulso (intensidad x duración)
Es el componente de excitación perpendicular al campo magnético de
la Tierra por una unidad de corriente (I = 1A)
El valor inicial de E0 está en función de un volumen efectivo de
investigación (tamaño de la antena y forma), el actual momento de impulso, la
magnitud e inclinación del campo magnético terrestre y de la conductividad del
subsuelo. Así pues, el valor inicial de E0 es directamente proporcional al
contenido en agua in situ, θMRS, del volumen investigado. Dado que los
protones que se encuentran más distantes generan una señal más débil
limitada en parte por 3 √ S (superficie), aunque en la práctica se acerque más a
una relación de 1,5 √ S teniendo en cuenta un modelo estratificado.
Figura 15: El volumen de protones involucrados en la señal está en función de la influencia de
un volumen trapezoidal (rectángulo o cuadrado) o cónica truncada (círculo). La profundidad de
investigación depende fundamentalmente de la superficie de la antena y del momento de
impulsión (intensidad de la corriente).
A partir de estos datos de la señal MRS se pueden obtener los
siguientes parámetros hidrogeológicos:
TMRS = CT ∑i=1 (ΔzMRsi ΘMRsi T2di)
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Los valores del coeficiente CT dependen de la variable de relajación
utilizada:
Litología
Granitos
Arenas
Carbonatos
CT en función de T2*
-8
1,1 X 10
-8
2,0 X 10
-8
62 X 10
CT en función de T1*
-9
1,3 X 10
-9
4,9 X 10
-8
3,5 * 10
Como referencia se pueden tener en cuenta los siguientes tiempos de
relajación de la señal para estimar la permeabilidad del terreno.
Constante de tiempo
T2* (ms)
1000
500
200
100
50
20
Tamaño de los poros
Permeabilidad
(Agua libre) lago, río
Grava
Arena gruesa
Arena media
Arena fina
Arcilla (Agua ligada)
Alta
Media
Baja
1.6.2 Calidad de la señal MRS
Según Legchenko (2007) normalmente la señal MRS detecta agua en
acuíferos incluidos en rocas no magnéticas, que es el caso de Andorra en su
mayor parte. La señal de resonancia magnética puede variar entre 0 y 4500 nV.
En las latitudes de Europa el rango varia entre 0 y 500 nV pero en rocas ígneas
puede disminuir entre 0 y 150 nV. El límite de detección del aparato NUMIS
LITETM mediante el proceso del stack puede llegar a ser de 5 nV, hecho que
lleva a pensar que un límite razonable para la detección de agua es de unos 10
nV.
Según este mismo autor, se propone que para estimar la calidad de la
señal MRS podemos tener en cuenta los siguientes parámetros:
1)
El ruido EM externo, después de efectuar el proceso de stacking y de
filtrado, se compara con este threshold instrumental de 5 nV. Cuando la señal
de MRS es muy pequeña entonces el proceso de stacking hay que efectuarlo
hasta que:
EN (external noise) / IN (internal noise) ≈ 1
Si EN / IN ≈ 1 entonces el sondeo puede ser considerado como de
buena calidad, aunque no se haya detectado ninguna señal.
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2)
La relación señal / ruido (S/N) se considera aceptable cuando:
S/N>2
Entonces puede efectuarse una interpretación cuantitativa de la señal
MRS mediante el proceso de inversión, y se obtiene una información válida de
los acuíferos prospectados. Cuando la relación S/N > 2 entonces no es
necesario que EN / IN ≈ 1, ya que se considera que la amplitud de la señal es
superior a la del ruido y se ha detectado agua.
3)
Cuando EN/IN > 1 y S/N ≈ 1 el sondeo MRS no puede ser considerado
como de buena calidad. En este caso únicamente pueden obtenerse unas
conclusiones cualitativas de los datos de la amplitud, en ser ésta inferior a la
del ruido EM detectado. No obstante, la inversión de las señales MRS con S/N
≈ 1 puede dar información cualitativa en el sentido de un máximo de agua
posible. Estas conclusiones cualitativas convergen en determinar el techo de
agua posible, pero no se puede garantizar la existencia de agua.
Una vez obtenidos los datos MRS y validados hay que tener en cuenta
las siguientes consideraciones:
1)
Después de efectuar el stack es necesario que la curva esté por encima
del nivel del ruido y observar la existencia de un decrecimiento para cada
impulso (q)
Figura 16: Dos señales MRS, una con presencia de agua y la otra sin.
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2)
La frecuencia de Larmor tiene que tener una variación mínima, del orden
de uno a pocos hercios (Hz) y debe sobresalir del ruido.
Figura 17: Se observa una clara señal MRS (color azul) por encima del ruido (color negro).
3)
La caída de tensión de los momentos de impulso no ha de ser inferior al
20%
Si una vez efectuado el proceso de stacking no se detectan señales de
MRS puede ser debido a:
a)
La frecuencia de excitación está separada más de unos 5 Hz
respecto a la de Larmor.
b)
El ruido EM es excesivamente alto en comparación con la
amplitud del MRS para el número de stacks utilizados (bajo número de stacks).
Hay que tener en cuenta que la mejora de la señal respecto al ruido efectuando
el stack guarda una relación potencial (√n), por lo que en ciertos casos pueden
ser necesarias muchas horas para conseguir un buen registro.
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Figura 18: Efecto de amplificación de la señal con la técnica del stacking.
c)
No hay agua en el rango de la detección del MRS. Dado que la
señal MRS oscila con la frecuencia de Larmor, la cual está en función de la
magnitud del campo magnético, la señal ha de tener la misma frecuencia que la
del impulso (q). Dado que el ruido electromagnético (natural y/o artificial) oscila
con una frecuencia aleatoria, si no se ha detectado agua, la frecuencia medida
(la del ruido) también será aleatoria.
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