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MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN INTRODUCCIÓN I N T R ODU C C I ÓN L A G E OF Í SI C A En pocas palabras, y casi desarrollando el significado etimológico de su nombre, se puede escribir que: "Geofisica es la aplicación de los principios y prácticas de la Física en la resolución de los problemas de la Tierra". Como disciplina científica se puede ubicar su origen en las consideraciones de W Gilbert sobre el magnetismo terrestre a fines del siglo XVI compendiadas en su gran tratado De Magnete, que fue publicado por primera vez en 1600, o en las sugerencias de J. Mitchell, en 1760, de que los movimientos sísmicos son ondas emitidas por el deslizamiento de masas de rocas a algunos km de distancia de la superficie, con el agregado de que los tsunamis son el resultado de terremotos en el fondo de los mares, aunque las primeras mediciones comenzaron recién un siglo después cuando en 1855 L. Palmieri desarrolló el primer sismógrafo. Debe no obstante advertirse que son los grandes avances y perfeccionamientos en el desarrollo instrumental de los primeros años del siglo XX y la gran aceleración impuesta por los avances en la electrónica y la computación en la segunda mitad del siglo pasado los que provocan el acelerado y significativo progreso en todas las áreas de la geofísica, incluida la teoría de la tectónica de placas. En un sentido amplio, inclusive para la Unión Geofísica Americana (Howell, 1962), la Geofísica incluiría las ramas de: 1) Sismología (terremotos y ondas elásticas); 2) Geotermometría (calentamiento de la tierra, flujo de calor, vulcanología y termalismo); 3) Hidrología (estudio de las aguas continentales, tanto superficial como subterránea, incluyendo glaciología); 4) Oceanografía física; 5) Meteorología (atmósfera y troposfera); 6) Gravimetría y Geodesia (el campo gravitatorio terrestre y el tamaño y forma de la tierra); 7) Electricidad atmosférica y Magnetismo terrestre (incluida la ionósfera, anillos de Van Allen, corrientes telúricas, etc); 8) Tectonofísica (tectónica y geodinámica o las deformaciones de las rocas); A veces se incluyen en el listado anterior Geocronología (la edad de la tierra) y Geocosmogonía (el origen de la tierra). No obstante, como muchas de estas disciplinas tienen un desarrollo independiente, habitualmente se entiende que "Geofisica es la aplicación de los principios y prácticas de la Física en la resolución de los problemas de la Tierra sólida." excluyendo por tanto los puntos 3), 4), 5) y partes de otros de la lista anterior. L A G E OF Í SI C A C OM O C I E N C I A Entendiendo por Ciencia el conocimiento racional, sistemático, exacto y verificable, construido por el hombre para tratar de entender el mundo, en el gráfico de la fig. 1 (adaptado de Howell) se diferencian las ciencias fundamentales (en el círculo central) de las ciencias aplicadas (anillo interior), que utilizan los conocimientos aportados por las básicas para explicar el comportamiento de la materia en sus variadas formas. 1 GEOLOGÍA GEODESIA BIOLOGÍA AG RI CU LT UR A METEOROLOGÍA QU ÍM ICA A TIC MA TE MA ASTRONOMÍA FÍSICA A IN IN G IC ED EN IE R M OCEANOGRAFÍA PLUTOLOGÍA HIDROLOGÍA A RÍ NE MI Cuyos avances son eficientemente aprovechado por la tecnología (anillo exterior) la que, como lo resalta Bunge (1955) “tiene sus propios procedimientos de investigación, adaptados a circunstancias concretas que distan de los casos puros que estudia la ciencia." La tecnología es, esencialmente, el enfoque científico de problemas prácticos y es evidente cómo los avances tecnológicos pueden a su vez plantear problemas científicos, por lo que ciencia y tecnología interactúan entre sí en una especie de realimentación sin límites. En este esquema la Plutología tiene por objeto la determinación de la estructura y composición de la Tierra sólida, sus variaciones pasadas, presentes y futuras. INTRODUCCIÓN ÍA MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN Fig. 1 Diagrama de las ciencias Este objetivo es compartido por Geólogos y Geofísicos, con la diferencia de que los geólogos obtienen sus conocimientos de la observación directa de las rocas mientras los geofísicos lo hacen mediante mediciones indirectas realizadas en el campo y analizadas en laboratorio, en este sentido, el campo de la Geología estaría restringido al estudio de las rocas de la corteza, hasta donde es posible penetrar mediante perforaciones. Sin desconocer que los métodos físicos empleados en Meteorología, Oceanografía e Hidrología son en muchos casos similares a los empleados en Plutología, aunque las diferencias entre agua, gas y sólido introducen notables modificaciones en los detalles. En este esquema, ¿dónde ubicar a la Prospección Geofísica? Indudablemente no entre las ciencias puesto que más bien es una tecnología, cuya diversidad de métodos tienen una incidencia cada vez mayor en la búsqueda de recursos minerales, entre los que incluimos el agua subterránea, el petróleo y el gas natural. L A P R OSP E C C I ÓN G E OF Í SI C A Queda claro entonces que se debe diferenciar entre Geofísica, como la ciencia que estudia la estructura interior de la tierra, sus procesos regionales y globales y la tectónica de placas, de la Exploración Geofísica que implica el uso de la instrumentación y la teoría geofísicas en la localización de petróleo y otras fuentes minerales. A diferencia de la primera, la exploración geofísica generalmente se concentra en estudios sísmicos, gravimétricos, magnetométricos, eléctricos, electromagnéticos, etc. de gran detalle y localizados en una relativamente pequeña porción de la corteza terrestre, con el objetivo de su explotación económica. Según la definición de Ernesto Orellana (1982): “la Prospección Geofísica es una rama de la Física Aplicada que se ocupa del estudio de las estructuras ocultas en el interior de la Tierra y de la localización en éste de cuerpos delimitados por el contraste de alguna de sus propiedades físicas con las del medio circundante, por medio de observaciones en la superficie de la tierra.” Dado que el hombre no es sensible a las pequeñas variaciones de los campos gravitatorio y magnético terrestres y tampoco a vibraciones de muy baja amplitud provocados artificialmente en la exploración sísmica, la instrumentación geofísica ha incrementado grandemente su habilidad para la explotación de los recursos naturales. 2 MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN INTRODUCCIÓN Clasificación de los métodos de Prospección GEOFÍSICA En un esquema similar al de las disciplinas cultivadas en la ciencia Geofísica, los métodos de prospección geofísica se dividen en: Métodos gravimétricos Métodos magnéticos Métodos sísmicos de reflexión de refracción Métodos eléctricos de campo constante de campo variable Los dos primeros son métodos de campo natural, puesto que se sustentan en el análisis de campos naturales, preexistentes. Los métodos sísmicos en cambio son de campo artificial puesto que su desarrollo implica la energización del terreno mediante medios artificiales, mientras que los métodos eléctricos, una familia numerosa, tanto se valen de campos preexistentes (potencial espontáneo, corrientes telúricas, ...) como de los efectos de corrientes artificiales tales los casos de sondeos y calicatas eléctricas o la polarización inducida, por ejemplo. LOS MÉTODOS ELÉCTRICOS (O PROSPECCIÓN GEOELÉCTRICA) Estos métodos estudian, potencialmente, la distribución en el subsuelo de alguna de las siguientes magnitudes electromagnéticas: Constante dieléctrica Permeabilidad magnética Resistividad C L A SI F I C A C I Ó N de L O S M É T O D O S E L É C T R I C O S Los métodos eléctricos se clasifican según que el campo analizado sea natural o artificial, o que la corriente utilizada sea continua o variable (alterna o conmutada) MÉTODOS DE CAMPO NATURAL NATURAL 1. Potencial Espontáneo: Estudia anomalías del potencial natural observadas en relación con actividad geotermal, flujo de agua subterránea y existencia de depósitos minerales semiconductores. 2. Corrientes Telúricas: Basado en el registro de las corrientes telúricas, fue propuesto en 1921 por C. Schlumberger y aplicado experimentalmente a partir en 1934, aunque en realidad, las primeras observaciones de estas corrientes, que afectan a toda la Tierra, fueron realizadas cuando se tendieron las primeras líneas telegráficas utilizándose el terreno como línea de retorno, en la década de 1840. En estos registros no es la intensidad de la corriente lo que se mide, sino la diferencia de potencial entre los extremos de una línea. 3. Magnetotelúrico: Si además de las corrientes telúricas se miden las fluctuaciones del campo geomagnético (micropulsaciones) a las que aquellas están asociadas, se tiene el método magneto-telúrico. 4. AFMAG (de Audio frequency magnetics): Aprovecha el campo eléctrico producido por los fenómenos eléctricos asociados a las tormentas meteorológicas. Es una calicata electromagnética en muy bajas frecuencias (entre 1 Hz y 10 kHz) ideado para la búsqueda de metalizaciones conductoras profundas. 3 MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN INTRODUCCIÓN MÉTODOS DE CAMPO ARTIFICIAL CONSTANTE 1. Líneas Equipotenciales y del Cuerpo Cargado: Consiste en el estudio y trazado, sobre el terreno, de las líneas equipotenciales del campo producido por uno o varios electrodos de corriente con la finalidad de detectar cuerpos buenos y malos conductores. En la modalidad del “cuerpo cargado”, apta solamente cuando el cuerpo es buen conductor, se utiliza como electrodo activo la propia mineralización. 2. Sondeos Eléctricos: Son determinaciones de la resistividad aparente efectuadas con el mismo tipo de dispositivo y separación creciente entre los electrodos de emisión y recepción. Su finalidad es averiguar, la distribución vertical de la resistividad bajo el punto sondeado. Se clasifican a su vez en Sondeos Eléctricos Verticales (SEV) y Sondeos Eléctricos Dipolares (SD) 3. Calicatas Eléctricas: Permiten detectar variaciones laterales de la resistividad, con una penetración más o menos constante. Las mediciones se realizan lo largo de perfiles, paralelos o no. Se obtienen así una especie de mapas eléctricos de la porción superior del subsuelo, que permiten analizar en planta la distribución areal de alguno de los parámetros relacionados con la resistividad. MÉTODOS DE CAMPO ARTIFICIAL VARIABLE 1. Sondeos de Frecuencia (o Sondeos por Frecuencia Variable): Son determinaciones de la resistividad aparente efectuadas con un dispositivo fijo en el que lo que varía es la frecuencia del circuito de emisión, con lo que se logra variar la profundidad de investigación. 2. Sondeos por Establecimiento de Campo: Relacionados con el método anterior, en los que en vez de aplicar sucesivamente señales de diferentes frecuencias, se aplican todas simultáneamente durante un corto período de tiempo, estudiándose el registro en el circuito de recepción por medio del análisis de Fourier, lo que permite separar las diversas señales y reconstruir la curva de ρw(w). 3. Calicatas Electromagnéticas: Son métodos de prospección en los que mediante un circuito emisor se crea un campo electromagnético variable que se analiza mediante un circuito receptor compuesto por una bobina exploradora. Son utilizados en la búsqueda de buenos conductores (yacimientos de sulfuros, magnetita, cobre porfídico, zonas grafitosas, fallas con relleno conductor, etc). Existen modalidades en las que emisor o receptor o ambos son transportados por medio de un vehículo aéreo, con las ventajas que ello implica en economía y rendimiento. 4. De Radiografía Hertziana: Es un método utilizado para detectar cuerpos buenos conductores ubicados entre dos pozos o galerías mineras o entre estas y la superficie del terreno. Se basa en que los buenos conductores impiden el paso de las ondas hertzianas, produciendo zonas de sombra en las que no se reciben las señales del emisor. MÉTODO DE POLARIZACIÓN INDUCIDA Relativamente independiente de los demás, es un método empleado principalmente para la detección de minerales de conductividad electrónica. Estudia la variación del campo residual una vez que se interrumpe la corriente del circuito de emisión. Las mediciones pueden efectuarse tanto en el dominio de tiempos como en el dominio de frecuencias. 4 MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN INTRODUCCIÓN A L G U N A S A P L I C A C I ON E S DE L OS M É T ODOS E L É C T R I C OS 21 Prospección Geohidrológica 19 18 17 16 15 12 14 N° SEV 13 0 20 40 60 Prof.. (m) Prof Los métodos de sondeo eléctrico vertical (SEV), sondeo dipolar (SD) al igual que calicatas eléctricas (CE) y polarización inducida (PI) son muy útiles para resolver cuestiones geohidrológicas como: profundidad de basamento hidrogeológico, estimaciones de espesor de acuíferos, zonas de contaminación salina, entre otros. 20 La figura de la derecha (fig. 2) muestra una Sección Geoeléctrica en Florencia, Provincia de Santa Fe, obtenida a partir de una serie de Sondeos Eléctricos Verticales.(Calvetty Amboni, 1993) 80 100 140 Investigaciónes Tectónicas para búsqueda de Petróleo Métodos como el magnetotelúrico, y los sondeos eléctricos verticales (SEV) y dipolares (SD) son empleados en la detección y delimitación de grandes cuencas. El gráfico de la fig. 3 muestra un corte geoeléctrico obtenido mediante SEV en investigación petrolera en Asia Central (según Kalenov en Orellana, 1982) 3 km 120 ρ < 2 o h m .m ρ e n tre 1 5 y 4 0 o h m .m ρ e n tr e 2 y 1 5 o h m .m ρ e n tre 4 5 y 9 0 o h m .m 0 -2 -4 -6 1 km -8 km n=1 Detección de yacimientos y menas metálicas n=2 n=3 En prospección minera son muy empleados los métodos de potencial espontáneo (PE), líneas equipotenciales, calicatas eléctricas (CE) calicatas electromagnéticas (CEM) y polarización inducida (PI) En la fig. 4 se muestra un pseudo perfil de Factor Metálico obtenido por Polarización Inducida en el dominio de frecuencia (Folleto de Mc Phar, en Orellana, 1974) n=4 64W 3,4 4,6 3,1 4,7 6,7 3,7 4,4 6,8 6,9 35 45 80 141 1,8 44 58 53 62W 60W 58W 56W FILONCILLOS 16 18 41 0,4 1,0 20 47 35 54W 52W 0,3 0,3 0,7 17 0,5 (FM)a 0,2 0,5 2,6 0,4 50W 48W 46W METALIZACIÓN a V na a I PUNTO DE ATRIBUCIÓN 5 MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN Detección y seguimiento de basamento para cimentaciones INTRODUCCIÓN Cota relativa 3 4 5 6 7 8 REFERENCIAS 5 a 10 Ω.m 10 a 20 Ω.m Como parte de los estudios de prefactibilidad para la construcción de represas, es una necesidad conocer la profundidad a la que se encuentra la posible roca de fundación, habitualmente más resistiva que las formaciones sedimentarias superpuestas. En cuyo caso Fig. 5: Sección geoeléctrica obtenida en base a SEV en el Angosto de Andaluca (Calvetty Amboni, 1984, Sección el método SEV puede proporcionar los reinterpretada) datos necesarios para la elaboración de los sucesivos modelos geológicos. 20 a 30 Ω.m 30 a 40 Ω.m 40 a 50 Ω.m 50 a 65 Ω.m 0 100m 65 a 80 Ω .m 80 a 100 Ω.m 100 a 150 Ω.m PROVINCIA DE CATAMARCA 150 a 200 Ω.m 200 a 350 Ω .m 350 a 500 Ω.m > 500 Ω.m BASAMENTO I N V E ST I G A C I ON E S SI M I L A R E S P U E DE N R E A L I Z A R SE P A R A : Estudio de cuencas carboníferas Fugas en embalses y presas Investigaciones poco profundas para Arqueología Estudios complementarios en cartografía de suelos. BREVE RESEÑA HISTÓRICA L OS P R I M E R OS E X P E R I M E N T OS E N P R OSP E C C I ÓN E L É C T R I C A En 1815 Robert Fox descubre el fenómeno de la Polarización Espontánea (PE) producido por determinadas mineralizaciones que producen corrientes eléctricas débiles, pero detectables, en la superficie del terreno; advierte sobre el uso potencial del fenómeno en la prospección de yacimientos y aplica el método en 1830 en la determinación de la extensión de un conocido yacimiento de cobre en Cornwall (England) utilizando como detector un galvanómetro y electrodos de cobre. De igual modo Carl Barus realiza estudios del Comstock Lode en Nevada (USA) en 1882. Entre 1880 y 1914 el método es desarrollado en el “Geological Survey” de USA en las minas del estado de Nevada, siendo el aporte más importante la introducción en las mediciones de los electrodos impolarizables. Aunque es Conrad Schlumberger (1878-1936) el que aplicando el método en Bor (Servia), realiza en 1813 el primer hallazgo de un yacimiento de mineral no magnético por prospección eléctrica. Cuando fue posible, se realizaron experimentos con corrientes producidas artificialmente, estando entre los primeros Brown que patentó en 1883 un sistema de prospección eléctrica con dos electrodos y Daft y Williams que patentaron en 1902 un dispositivo con el empleo de corrientes de baja frecuencia. En 1903 Ragozin publica una monografía donde anticipa muchas de las ideas que habrían de desarrollarse más adelante y en 1913 Schilowsky realiza experimentos de un método electromagnético, año en el que Schlumberger realiza el estudio tectónico de la cuenca silúrica de Calvados (Francia), Conrad Schlumberger y su hermano Marcel fundan en París, en 1920, una empresa denominada Societé de Prospection Électrique, más conocida como “la PROS”, aunque recién 6 MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN INTRODUCCIÓN en 1925 hacen público el dispositivo tetraelectródico, identificado por su apellido, base de los progresos posteriores. El mismo año que Frank Wenner patenta el suyo. La PROS extiende gradualmente su actividad desde la prospección de minerales a la exploración de estructuras portadoras de petróleo, consiguiendo en este sentido su primer triunfo en la detección y cartografía de la cúpula de Aricesti (Rumania) en 1923, desarrollando simultáneamente las bases teóricas y prácticas del método de Sondeo Eléctrico Vertical con la colaboración del matemático Sabba Stefanescu y el físico Raymond Maillet. En 1929 un contrato firmado con la URSS permite a la PROS trabajar en los extensos campos de petróleo de Grozny y Baku. No obstante, lo más importante de esta actividad es la asimilación de la nueva técnica por parte de los geofísicos rusos y sus propios avances que significan un nuevo salto adelante. Así, en 1938 realizan los primeros sondeos eléctricos profundos (más de un kilómetro de penetración) y en 1939 Alpin realiza los primeros sondeos eléctricos dipolares en Tartaria cuyos fundamentos teóricos publica en un libro. Con éste método Kraev y Semenov alcanzan profundidades de más de 10 km en la región de Leningrado. Blokh aplica el dispositivo dipolar a las calicatas eléctricas publicando en 1957 un libro sobre este método que incluye un catálogo con 296 curvas. Una de las más importantes perturbaciones que afectan a las mediciones geoeléctricas en corriente continua son las corrientes telúricas, en 1921 Schlumberger ideó un método con base en el registro de tales corrientes, el que fue aplicado experimentalmente en 1934 y sus resultados publicados recién en 1939 por su hermano Marcel. En realidad, las primeras observaciones de las corrientes telúricas, que afectan realmente a toda la Tierra, fueron realizadas cuando se tendieron las primeras líneas telegráficas utilizándose el terreno como línea de retorno, siendo el ingeniero Peter Barlow el que en 1847 realiza el primer estudio sistemático de tales corrientes. En estos registros no es la intensidad de la corriente lo que se mide, sino la diferencia de potencial entre los extremos de una línea. De 1859 en adelante, y mientras fue posible hacerlo sin sufrir las consecuencias de las perturbaciones que trajeron los adelantos tecnológicos, tales registros se efectuaron en instalaciones fijas en distintos Observatorios. El método de las corrientes telúricas (MCT) fue perfeccionado recién después de la segunda guerra mundial y aplicada en investigaciones tectónicas para petróleo por la CGG (Compagnie General de Geophysique) e introducida en la URSS en 1954 donde Berdichevsky publicó en 1960 el primer tratado sobre el método. Si además de las corrientes telúricas se miden las fluctuaciones del campo geomagnético (micropulsaciones) a las que aquellas están asociadas, se tiene el método magneto-telúrico, desarrollado sobre las ideas del francés Cagniard y del ruso Thikhonov. Cuando se estudia la resistividad del terreno inyectando corriente continua mediante dos electrodos conectados a un generador y observando en superficie (mediante otro par de electrodos) las diferencias de potencial causadas por aquellas, a menudo se observa un significativo retraso en la respuesta del terreno tanto cuando la corriente es inyectada como cuando es interrumpida, lo que se atribuye a una polarización del terreno o parte de él. El análisis de este fenómeno dio lugar al método de polarización inducida también conocido como “sobretensión”, y empleado en exploración minera a partir de los trabajos de la Newmont Exploration Limited (Brant, 1959). Paralelamente, y especialmente en Suecia, se desarrollaron los métodos conocidos como “electromagnéticos” orientados a las necesidades de la prospección metalífera, Así Lundberg y Sundberg desarrollan entre 1919 y 1932 el método de las dos antenas con el que se estudia el campo electromagnético producido por un inductor fijo. Sundberg, en 1931, ideó el método del compensador basado en la medición de las componentes real e imaginaria del 7 MÉTODOS ELÉCTRICOS DE PROSPECCIÓN INTRODUCCIÓN campo inducido. Hedström, en 1937, inventó el método Turam, en el que el campo electromagnético producido por un cable recto es estudiado mediante un par de bobinas en puntos próximos ubicados sobre perfiles transversales al cable emisor. En la década del 40 al 50 se perfeccionaron estos y se inventaron otros, como el Slingram (por el Instituto Geológico de Suecia sobre patente de ABEM) en el que inductor y receptor se desplazan conjuntamente. Actualmente, estos métodos y sus derivados han sido perfeccionados conforme los adelantos de la técnica, especialmente de la electrónica y la informática y muchos de ellos son aplicados en mediciones aéreas. Además de que se han desarrollado nuevos métodos de difusión más restringida como el de radiografía hertziana y el Radiokip en Rusia y el Afmag en Canadá, que son prácticamente desconocidos entre nosotros) Tratando de comprender mejor las mediciones efectuadas en superficie, Conrad Schlumberger tuvo la idea de medir la resistividad de las formaciones directamente mediante una sonda eléctrica corriendo en el interior de pozos perforados. El primer intento fue realizado en 1927 por el físico experimental Henry Doll, yerno de Conrad, en un pozo de 500 m de profundidad en el campos de Pechelbronn (Alsacia). Utilizando equipamiento manual, Doll obtiene, punto por punto, metro por metro, el primer registro de pozo o “perfilaje eléctrico”, a partir de entonces la PROS concentra su desarrollo en esta promisoria técnica. El descubrimiento, en 1931, de un “potencial espontáneo” (SP) producido naturalmente por la inyección del pozo en los bordes de capas permeables introduce una nueva y fundamental determinación. Registrado simultáneamente con la curva de resistividad, la curva de SP posibilita diferenciar capas permeables conteniendo agua, o petróleo o gas, de capas impermeables no productivas. Debido a su gran utilidad, el perfilaje eléctrico, o testificación eléctrica de pozos, constituye una verdadera línea divisoria en la exploración, a punto tal que en la exploración petrolera, el furgón de perfilaje se convirtió en un indispensable elemento de las operaciones en los campos de pozos. Las necesidades de la segunda guerra mundial intensifican la búsqueda de petróleo y aceleran el desarrollo tecnológico. Se desarrollan así dos nuevos tipos de sondas. El primer tipo, que incluye microdispositivos, es capaz de realizar mediciones de alta resolución en las inmediaciones de las paredes del pozo y en muy delgadas capas. El segundo tipo, el perfilaje de inducción, permite obtener datos de las formaciones más alejadas del pozo, en zonas que no están afectadas por la influencia de la perforación. Estas nuevas herramientas proveen datos más confiables para los procesos de cálculo de los reservorios de petróleo y gas. Los perfilajes eléctricos se convierten así en indispensables documentos de referencia para el gerenciamiento técnico y económico de los campo petroleros, constituyéndose en una potente técnica que se aplica cada vez más en la prospección geohidrológica y minera. 8