Vitoria-Gasteiz Arqueológica.


 

 

Análisis de datos aeromagnéticos: metodologías y aplicación al levantamiento aeromagnético de España peninsular.

Fuente: UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID.

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS.

Departamento de Física de la Tierra, Astronomía y Astrofísica I

TESIS DOCTORAL.
MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR PRESENTADA POR


Juan Alfonso Ardizone García
Directores:
Julio Mezcua Rodríguez
Miguel Herraiz Sarachaga


Madrid, 2002.

© Juan Alfonso Ardizone García, 1996


 

Memoria presentada para optar al grado de Doctor en Ciencias Físicas.
Departamento de Física de la Tierra, Astronomía y Astrofísica 1.
Facultad de Ciencias Físicas.
Universidad Complutense de Madrid.


 

Para Beatriz, Alfonso y Bea.


AGRADECIMIENTOS.


La tesis que a continuación se expone, ha sido realizada con la ayuda y colaboración de muchas personas. 

A todas ellas deseo expresar mi más sincero agradecimiento.

En primer lugar, a mis directores, a Julio Mezcua, por su apoyo y sus interesantes sugerencias, y a Miguel Herráiz, por su permanente dedicación y seguimiento de esta Tesis, quiero expresar aquí mi gratitud.

A Agustín Udías, director del Departamento de Física de la Tierra, Astronomía y Astrofísica 1, por sus enseñanzas durante los años de mi licenciatura y doctorado y su inestimable ayuda en la realización de esta Tesis, así como en otros trabajos de investigación que precedieron a ésta, realizados bajo su tutoría.

A mi maestro ,José María Brun, que supo despertar en mí el interés por el Geomagnetismo durante los años de mi formación académica en la Facultad de Ciencias Físicas de esta Universidad.

A Pedro Cuesta, analista del Centro de Proceso de Datos de la Universidad Complutense de Madrid, por sus consejos y explicaciones del uso de las bibliotecas de programas BMDP e ISML. Su aportación ha sido importantísima en la realización de esta tesis y es mi deseo agradecer a través de estas líneas su contribución.

A Santiago Alvarez, del Área de Teledetección del l.G.N., por su enorme ayuda en la digitalización del mapa base y en la edición de los distintos mapas realizados, agradeciéndole sus numerosos esfuerzos, el tiempo libre empleado para ello y sus valiosísimos consejos para la configuración de los dispositivos gráficos utilizados.

A Victor Manuel Jiménez por su ayuda en el uso de los programas EXCEL y WORD y en la conversión de formatos de los ficheros de datos.

A Victor Marín y a Javier Merino, del Servicio de Geomagnetismo del Instituto Geográfico Nacional, por facilitarme los datos necesarios para la realización de este 
estudio.

A Miguel Toda, del Observatorio del Ebro, por su valiosísima ayuda al proporcionarme los datos necesarios para realizar comparaciones con modelos diferentes a los que en esta Tesis se presentan.

A Beatriz Galeano, a Adelaida Jiménez y a Beatriz Jiménez, por su paciencia y denodado esfuerzo en los trabajos de edición de la presente tesis, agradeciéndolas además sus valiosos consejos sobre la redacción de la misma.

Finalmente, deseo también agradecer a todas las personas que, aunque no hayan sido expresamente nombradas, han colaborado de una forma u otra a la
realización de este trabajo, del cual quisiera que se sintieran partícipes.

 

 

ÍNDICE.


                                                                                                                                                               Página
PRÓLOGO-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------1
CAPITULO 1 AEROMAGNETISMO: 

CONCEPTOS GENERALES, INSTRUMENTACIÓN Y PROCESAMIENTO DE DATOS --------------1
I.1 Introducción -----------------------------------------------------------------------------------------------------------1
I.2 Historia del método aeromagnético ---------------------------------------------------------------------------1
I.3 Aspectos generales del método aeromagnético ----------------------------------------------------------3
I.4 Instrumentación -----------------------------------------------------------------------------------------------------9
I.4.1 El magnetómetro de núcleo saturado fluxgate -----------------------------------------------------------9
I.4.2 El magnetómetro de protones -------------------------------------------------------------------------------12
I.4.3 El magnetómetro de bombeo óptico ----------------------------------------------------------------------14
I.4.4 El magnetómetro de doble resonancia nuclear --------------------------------------------------------19
I.4.5 El sistema de navegación Doppler ------------------------------------------------------------------------20
I.4.6 Sistemas de radioposicionamiento -----------------------------------------------------------------------24
I.4.7 Sistema de posicionamiento global (GPS) -------------------------------------------------------------26
I.5 Características espaciales de un levantamiento aeromagnético -----------------------------------26
I.5.1 La dirección de las lineas de vuelo ------------------------------------------------------------------------27
I.5.2 Separación de las líneas de vuelo -------------------------------------------------------------------------29
I.5.3 Separación de las líneas de control -----------------------------------------------------------------------32
I.5.4 La altitud del vuelo ----------------------------------------------------------------------------------------------33
I.5.5 Efecto de la variación de los parámetro espaciales --------------------------------------------------34
I.6 El procesamiento de los datos --------------------------------------------------------------------------------35
I.6.1 Compilación de datos, detección y corrección de errores ------------------------------------------38
I.6.2 Efectos de la variación diurna y sustracción de La misma -----------------------------------------42
I.6.2.1 Sustracción de las variaciones temporales usando estaciones en tierra -------------------43
I.6.2.2 Métodos de nivelación --------------------------------------------------------------------------------------44
I.6.3 Reducción de los datos e interpolación de las curvas de nivel ------------------------------------52

CAPITULO II 

ADQUISICIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS AEROMAGNÉTICOS ---------------------------------------54
II.1 Introducción ---------------------------------------------------------------------------------------------------------54
II.2 Características generales de la adquisición de datos --------------------------------------------------54
II.3 La plataforma de transporte y el equipo de medidas ---------------------------------------------------56
II.3.1 Equipos de medidas del avión ------------------------------------------------------------------------------57
II.3.1.1 El magnetómetro del avión --------------------------------------------------------------------------------57
II.3.1.2 El equipo de navegación y posicionamiento ----------------------------------------------------------58
II.3.1.3 El registro digital y analógico de los datos ------------------------------------------------------------60
II.3.2 Equipo de medida de las estaciones de tierra ---------------------------------------------------------60
II.4 Pruebas y calibración de los equipos ------------------------------------------------------------------------61
II.4.1 Test de navegación ---------------------------------------------------------------------------------------------62
II.4.2 Test de los altímetros ------------------------------------------------------------------------------------------62
II.4.3 Test de retardo ---------------------------------------------------------------------------------------------------63
II.4.4 Test de direccionalidad ----------------------------------------------------------------------------------------65
II.4.5 Comparación de los magnetómetros ----------------------------------------------------------------------70
II.4.5.1 Comparación de los magnetómetros de las estaciones de tierra ------------------------------70
II.4.5.2 Comparación del magnetómetro base con el magnetómetro del avión ----------------------71
II.4.5.3 Comparación del magnetómetro base con el magnetómetro del control G806 ------------72
II.4.5.4 Otras comparaciones ----------------------------------------------------------------------------------------74
II.5 Hardware y software empleado en el procesamiento de los datos ----------------------------------77
II.6 Procesamiento de los datos -------------------------------------------------------------------------------------78
II.6.1 Carga y revisión de los datos ---------------------------------------------------------------------------------80
ll.6.2 Tratamiento de datos SC)
II.6.2.1 Corrección del retardo ----------------------------------------------------------------------------------------81
II.6.2.2 Evaluación del efecto de direccionalidad ---------------------------------------------------------------81
II.6.2.3 Reducción a una misma altitud ----------------------------------------------------------------------------82
II.6.2.4 Filtrado de los datos -------------------------------------------------------------------------------------------82
II.6.2.5 Sustracción de la variación diurna -------------------------------------------------------------------------86
II.6.2.6 Sustracción de la variación secular -----------------------------------------------------------------------92
II.6.2.7 Nivelación ---------------------------------------------------------------------------------------------------------94
II.6.2.8 Determinación del datum -------------------------------------------------------------------------------------96
II.6.2.9 Sustracción del IGRF ------------------------------------------------------------------------------------------99
II.6.3 Dibujo de los mapas --------------------------------------------------------------------------------------------100


                                                                                                                                                                       Página


CAPITULO III 

REPRESENTACIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE:
ANÁLISIS METODOLÓGICO DEL MODELO DE SUPERFICIES POLINÓMICAS ------------------------101
III.1 Introducción -----------------------------------------------------------------------------------------------------------101
III.2 Modelos del campo magnético terrestre ---------------------------------------------------------------------101
III.3 Análisis estadístico del modelo de superficies polinómicas -------------------------------------------107
III.4 Análisis estadístico -------------------------------------------------------------------------------------------------109
III.4.1 Estimación del modelo -----------------------------------------------------------------------------------------109
III.4.2 Interpretación geométrica --------------------------------------------------------------------------------------110

III.4.3 Propiedades de los estimadores b -------------------------------------------------------------------------112
III.4.3.1 Cálculo de las medias ----------------------------------------------------------------------------------------112
III.4.3.2 Cálculo de las varianzas -------------------------------------------------------------------------------------113
III.4.4 Estimación de la varianza de las perturbaciones -------------------------------------------------------114
III.4.5 Intervalos de confianza de los coeficientes y contrastes individuales -----------------------------115
III.4.5.1 Intervalos de confianza ----------------------------------------------------------------------------------------116
III.4.5.2 Contrastes individuales ---------------------------------------------------------------------------------------116
III.4.6 Contrastes para grupos de coeficientes --------------------------------------------------------------------117
III.4.7 Interpretación de los contrastes -------------------------------------------------------------------------------119
III.4.8 Correlación en regresión multivariable ----------------------------------------------------------------------120
III.4.8.1 El coeficiente de determinación corregido ---------------------------------------------------------------120
III.4.9 Diagnosis del modelo de regresión --------------------------------------------------------------------------121
III.4.9.1 El análisis gráfico de los residuos --------------------------------------------------------------------------121
III.4.9.2 Error de especificación (falta de linealidad) --------------------------------------------------------------123
III.4.9.3 Hipótesis de normalidad ---------------------------------------------------------------------------------------124
III.4.9.4 Hipótesis de homocedasticidad -----------------------------------------------------------------------------128
III.4.9.5 Hipótesis de independencia ----------------------------------------------------------------------------------130
III.4.9.6 Multicolinealidad --------------------------------------------------------------------------------------------------135
III.4.9.7 Robustez del modelo --------------------------------------------------------------------------------------------138
III.5 Construcción de modelos de regresión -------------------------------------------------------------------------139
III.6 Criterios de elección del modelo ----------------------------------------------------------------------------------140

                                                                                                                                                                    Página

CAPITULO IV 

ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE MODELOS APLICADOS AL ESTUDIO DE LA 

VARIACIÓN ESPACIAL DEL CAMPO MAGNÉTICO TERRESTRE DE 

ESPAÑA PENINSULAR ----------------------------------------------------------------------------------------------------142
IV.l Introducción ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------142
IV.2 Descripción de los datos --------------------------------------------------------------------------------------------142
IV.3 Programas empleados en el análisis de los datos ---------------------------------------------------------146
IVA Determinación del modelo ------------------------------------------------------------------------------------------148
IV.5 Las condiciones de validez del modelo -------------------------------------------------------------------------164
IV.5.1 Estudio preliminar de condiciones de validez --------------------------------------------------------------164
IV.5.1.1 Homogeneidad ----------------------------------------------------------------------------------------------------164
IV.5.1.2 Influencia de las observaciones ------------------------------------------------------------------------------167
IV.5.1.3 Multicolinealidad --------------------------------------------------------------------------------------------------168
IV.5.1.4 Linealidad -----------------------------------------------------------------------------------------------------------169
IV.5.1.5 Normalidad ---------------------------------------------------------------------------------------------------------173
IV.5.1.6 Homocedasticidad -----------------------------------------------------------------------------------------------176
IV.5.1.7 Independencia -----------------------------------------------------------------------------------------------------176
IV.5.2 Análisis de las condiciones de validez ------------------------------------------------------------------------178
IV.5.2.1 Linealidad -----------------------------------------------------------------------------------------------------------178
IV.5.2.2 Normalidad ---------------------------------------------------------------------------------------------------------181
IV.5.2.3 Homocedasticidad -----------------------------------------------------------------------------------------------186
IV.5.2.4 Independencia -----------------------------------------------------------------------------------------------------188
IV.5.3 Búsqueda de una región de modificación de las hipótesis del modelo ----------------------------195
IV.6 Diferencias de los modelos -----------------------------------------------------------------------------------------201
IV.7 Selección del modelo -------------------------------------------------------------------------------------------------202
V.8 Comparación con otros modelos ----------------------------------------------------------------------------------204
CAPITULO V CONCLUSIONES ------------------------------------------------------------------------------------------208
V.1 Introducción--------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 208
V.2 Conclusiones sobre el tratamiento de los datos ---------------------------------------------------------------208
V.3 Conclusiones sobre el análisis de los datos -------------------------------------------------------------------210
V.3.1 Análisis descriptivo ---------------------------------------------------------------------------------------------------211
V.3.2 Análisis inferencial----------------------------------------------------------------------------------------------------212
V.3.3 Resumen de las conclusiones del análisis de los datos -------------------------------------------------215
V.4 Futuras líneas de investigación -------------------------------------------------------------------------------------215
BIBLIOGRAFíA -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------217

 

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PRÓLOGO.


El estudio del campo magnético terrestre constituye una de las vías más interesantes para profundizar en el conocimiento del interior de la Tierra. 

Un método de investigación frecuente en Geomagnetismo consiste en sustraer de las medidas de la intensidad del campo magnético los valores obtenidos mediante un modelo matemático que represente de la forma más adecuada posible sus variaciones espaciales y, de esta manera, obtener mapas del campo anómalo. 

Estos mapas, debidamente interpretados, pueden contribuir poderosamente a mejorar el conocimiento de zonas del Planeta.

Existen varios modelos matemáticos para alcanzar este fin. Uno de ellos, posiblemente el más sencillo y empleado con más frecuencia cuando los datos han sido adquiridos en zonas restringidas de la Tierra a través de magnetómetros aerotransportados, recibe el nombre de "Superficies Polinómicas". El procedimiento no se basa en la teoría del potencial, sino que hace uso del método estadístico de `Mínimos Cuadrados" para ajustar un polinomio de dos variables al conjunto de los datos.

Sin embargo, para que este modelo posea un valor inferencial y proporcione estimaciones precisas en puntos que siendo interiores a la región de estudio sean distintos a los de medida, es necesario que verifique ciertas condiciones que impone la Teoría de Regresión.

Por otra parte, al ser la intensidad del campo magnético terrestre una magnitud que varía con el espacio y el tiempo, es necesario aplicar a los datos un tratamiento inicial que permita sustraer de los mismos las variaciones temporales y obtener únicamente las espaciales.

Tanto para el primer propósito mencionado, como para el segundo, la Estadística Matemática ofrece medios para realizar un estudio riguroso de las metodologías que se aplican en ambos casos.

Así pues, la presente tesis está dedicada al tratamiento y análisis de datos aeromagnéticos requeridos para alcanzar el objetivo mencionado al principio de este prólogo. Para ello, el estudio se ha estructurado en cinco capítulos que abarcan los fundamentos y aplicaciones correspondientes.

En el primer capítulo se efectúa una exposición de los principios básicos del método aeromagnético, así como de la instrumentación y del procesamiento de los datos obtenidos mediante esta técnica. 

Este capítulo sirve como introducción al segundo, en el que se describe el proceso de adquisición de los datos concretos empleados en este trabajo y su transformación hasta alcanzar un estado que permita realizar con ellos los análisis propuestos.

En el tercer capítulo, además de presentarse los distintos modelos empleados para la representación matemática del campo magnético principal de la Tierra, se exponen de forma exhaustiva los fundamentos teóricos para la realización del estudio estadístico del modelo de Superficies Polinómicas.

En el cuarto capítulo se aplican las técnicas expuestas en el capítulo precedente a la determinación de modelos polinómicos del campo magnético de la Tierra a tres mil metros de altitud sobre el territorio peninsular de España, comprobándose las condiciones de validez de los mismos. 

Así mismo, se realiza un estudio comparativo para seleccionar el modelo que mejor se ajusta a los datos, detallándose también las diferencias zonales existentes dentro del área de estudio.

La respuesta de los modelos seleccionados se compara con las obtenidas para las mismas zonas por el Campo Geomagnético Internacional de Referencia y el modelo determinado mediante el Análisis Armónico en Casquetes Esféricos desarrollado por J. M. Torta para la Península Ibérica (Toda, 1992), después de trasladarse ambos al 1 de Enero de 1987.

En el quinto y último capítulo se presenta un resumen de los resultados más concluyentes del trabajo. Al estar éstos muy relacionados, se ha preterido realizar una exposición continua de las conclusiones, en lugar de la discreta que habitualmente se elige en estos casos.


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CAPITULO 1.


AEROMAGNETISMO: CONCEPTOS GENERALES, INSTRUMENTACIÓN Y PROCESAMIENTO DE DATOS.


I.1. INTRODUCCIÓN.


Durante años, los investigadores en Ciencias de la Tierra han combinado las medidas del campo magnético terrestre con otras medidas geofísicas para investigar mejor el interior de la Tierra. Tradicionalmente estas medidas eran adquiridas en su superficie. Sin embargo, en la actualidad se realizan mediante magnetómetros transportados en avión. De esta forma es posible dibujar mapas del campo magnético de grandes extensiones de la superficie terrestre de forma más rápida, económica, y en algunas ocasiones de mayor precisión que los levantados desde la superficie.

En el presente capítulo se efectúa una breve exposición de los principios básicos del método aeromagnético, así como de la instrumentación y del procesamiento de los datos adquiridos mediante esta técnica. Todo ello sirve de introducción al segundo capítulo, donde de forma concreta se describe la adquisición y tratamiento de los datos empleados en esta tesis.

 


I.2.
HISTORIA DEL MÉTODO AEROMAGNÉTICO.

Las primeras medidas del campo magnético realizadas desde una plataforma aérea, fueron realizadas por Edelman en 1910, quien diseñó una balanza vertical para ser usada en globo. Sin embargo, las medidas adquiridas de este modo no fueron aplicadas a la prospección geofísica hasta 1921, año en el que Lundberg midió el campo magnético sobre el yacimiento mineral de Kiruna (Suecia) desde un globo cautivo.

El uso del avión como plataforma de transporte para magnetómetros se debe a Lindbergh quien, en su histórico vuelo realizado en Mayo de 1927, transportó un inductor terrestre. Mas tarde, en 1936, Logachev efectuó algunas experiencias con este tipo de magnetómetro en vuelos de ensayo realizados sobre varios depósitos de minerales magnéticos en Kursk, (Rusia). La sensibilidad del instrumento de medida era de 1000 nanoteslas aproximadamente y, por lo tanto, adecuado únicamente para detectar grandes anomalías magnéticas.

Al ser el inductor terrestre, un instrumento poco sensible para este tipo de trabajos y por ser la balanza magnética inadecuada para su uso en vuelo, ya que requería una estabilidad gravitacional imposible de lograr en un avión, el interés se centró en la búsqueda de un magnetómetro que no presentara este tipo de inconvenientes. Finalmente fue Victor Vacquier quien, en 1940 y 1941, trabajando en la Gulf Research & Development Company, perfeccionó un sensor de saturación magnética capaz de medir intensidades del orden de 1 nT. A este dispositivo se le llamó "fluxgate" y constituyó el corazón del MAO (Magnetic Airborne Detector), que fue desarrollado y utilizado con éxito como detector antisubmarino durante la segunda Guerra Mundial (Muffly, 1946). 

La labor fue llevada a cabo en el Laboratorio de Armas Navales, en los Laboratorios Belí Telephone y en el Laboratorio de Instrumentos Aéreos de los Estados Unidos.

En 1942, poco después de entrar en servicio el MAD en los aviones de las patrullas antisubmarinas, H.E. Hawkes, del United States Geological Survey, propuso que fuera adaptado para medir los efectos que las estructuras geológicas producían en el campo magnético terrestre y en 1944 el NOL (Naval Ordenance Laboratory) emprendió la tarea de reformar el instrumento para adecuarlo a dicha finalidad. El United States Geological Survey coeperó en esta tarea, especialmente en los ensayos realizados en Pensilvania y Michigan. La primera exploración fue efectuada en 1945 para la National Petroleum Reserve en Alaska.

Poco antes de la finalización de la guerra, se volvió a reanudar la mejora del magnetómetro para la prospección aeromagnética y en 1946 la Gulf Research and Development Co. consiguió obtener un magnetómetro apto para este tipo de tareas (Wyckoff, 1948).

En 1953 Packard y Varian observaron experimentalmente la precesión de los protones de un fluido en presencia del campo magnético terrestre (Packard y Varian, 1954). Este fenómeno es producido por la resonancia nuclear predicha por Bloch con anterioridad (Bloch, 1946) debido a las propiedades del momento magnético de 5pm de los núcleos atómicos.

Basándose en esta teoría, la compañía Varian Associates construyó en 1955 el primer magnetómetro de protones con el que se podía medir el módulo del vector intensidad del campo magnético, siendo la Hycon Aerial Surveys de Pasadena y la Anglo-American Corporation de Africa las primeras compañías en usarlo en tareas de exploración geofísica en 1956.

El magnetómetro de protones se aparta radicalmente de la línea seguida por los magnetómetros de núcleo saturado que utilizan sustancias ferromagnéticas y da paso a los magnetómetros atómicos, los cuales usan sustancias paramagnéticas y sistemas de detección y medida completamente distintas a las anteriores.

En 1950, A. Kastler y J. Brossel de la Escuela Normal Superior de París y F. Bitter del Instituto Tecnológico de Massachusetts describieron el fenómeno del bombeo óptico de electrones de un gas o vapor, dando origen su estudio a la construcción del magnetómetro de absorción óptica, al que también se llama `magnetómetro de bombeo óptico".

Tanto el magnetómetro de protones como el de bombeo óptico miden el módulo de la intensidad del campo magnético, por lo que en general su uso desde una plataforma móvil, en lo que respecta a la orientación estable del sensor, es mejor que en el caso de otros magnetómetros, tales como el fluxgate, en los que el sensor ha de mantenerse paralelo a la dirección del campo o de alguna de sus componentes. Esta importante cualidad, unida a los avances en el campo de la interpretación de datos magnéticos, ha hecho que las medidas realizadas mediante magnetómetros atómicos sean hoy día preferidas para el levantamiento de mapas aeromagnéticos de gran precisión sobre regiones extensas. 

 

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Como ejemplos pueden citarse el mapa de Francia y el del Mediterráneo Occidental (Le Borgne y Le Moúel, 1969), en cuyos levantamientos se empleó un magnetómetro de bombeo óptico de vapor de rubidio (Giret, 1965).

El descubrimiento del efecto Overhauser (Overhauser, 1953), que tiene lugar en los metales, y la ampliación del mismo a disoluciones de sales paramagnéticas, constituyendo el denominado efecto de "Polarización Dinámica" estudiado por Abragam (Abragam, 1955), impulsó la construcción de un nuevo magnetómetro atómico. 

Este equipo, denominado `magnetómetro de doble resonancia nuclear", fue desarrollado por la compañía Gram Service Ltd. de Grenoble (Francia), que es parte de la Comisión Francesa de Energía Atómica. La sensibilidad de dicho magnetómetro es de 0.01 nT cuando trabaja con un intervalo de muestreo de 1 segundo (Collin et al, 1973).

Este magnetómetro, que además de su alta sensibilidad posee las ventajas de los demás magnetómetros atómicos, ha sido utilizado en el levantamiento aeromagnético del territorio peninsular de España durante los años 1986 y 1987, cuyo funcionamiento se describe más adelante.

 


I.3.
ASPECTOS GENERALES DEL MÉTODO AEROMAGNÉTICO.

Generalmente, en un levantamiento aeromagnético el avión vuela siguiendo líneas paralelas atravesadas por otras, que suelen llamarse líneas de control o también líneas base, cuyo espaciado es un determinado número de veces mayor que el de las líneas de vuelo principales (Fig I,1). En muchas ocasiones, las líneas de control son perpendiculares a las líneas de vuelo (Fig.l,2) surgiendo en las intersecciones de ellas diferencias en las medidas del campo magnético que se utilizan para eliminar los efectos de las variaciones temporales y los de la deriva instrumental.

El espaciado óptimo de las líneas de vuelo depende del objetivo de la investigación, adoptándose una distancia superior a la mitad de profundidad a la que se encuentra la estructura geológica que se desea estudiar. Cuando los estudios se centran en el basamento, la profundidad sólo se conoce de forma muy somera o incluso es desconocida por ser ésta variable. En este caso, no es posible modificar el espaciado para ajustarse a una profundidad variable, por lo que éste se elige de forma empírica manteniéndose constante para todo el levantamiento o para una parte de] mismo.

En exploración petrolífera los espaciados más frecuentes entre líneas de vuelo suelen ser de uno o dos kilómetros y el de las líneas de control aproximadamente seis veces el anterior.

 


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La orientación de las líneas de vuelo puede ser importante. Si la tectónica de la zona es conocida o si se dispone de levantamientos anteriores menos detallados, las líneas de vuelo se orientan aproximadamente perpendiculares a la tendencia magnética. 

Desviaciones respecto de la óptima inferiores a 300 no suelen causar grandes problemas, sin embargo, cuando las líneas de vuelo forman menos de 450 con el "strike" tectónico, se necesitan grandes correcciones en los cálculos de la profundidad y la precisión se deteriora (Netíeton, 1973).

En la exploración de áreas extensas, donde únicamente se desea un reconocimiento preliminar, se procede a volar en bandas de dos o tres líneas de vuelo, con el espaciado normal del levantamiento y con una separación entre dichas bandas comprendidas entre 40 y 80 Km. Esta solución da un resultado mejor que el que se obtendría distribuyendo de forma uniforme sobre el área de estudio el total del recorrido. 

Esto se debe a que los datos obtenidos dentro de cada una de tales bandas permiten definir de forma suficiente las líneas de nivel del campo magnético para estimar la dirección del strike y, como consecuencia de ello, conseguir que los cálculos de la profundidad sean de una precisión adecuada (Netleton, 1973.

Un segundo aspecto de interés en un levantamiento aeromagnético está relacionado con la altitud del vuelo. 

Cuando la finalidad del levantamiento es la determinación de la profundidad del basamento, el vuelo se realiza aproximadamente paralelo al nivel del mar, controlándose mediante la altitud barométrica.

 

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Cuando el objetivo del levantamiento es la búsqueda de yacimientos minerales se vuela paralelamente a la superficie del terreno y en este caso, la altitud radiométrica será constante. Sin embargo, en este último caso es necesario tomar algunas precauciones, ya que cuando el relieve topográfico es accidentado, los movimientos bruscos del avión contribuyen al nivel general de ruido, debido a la variación de la orientación relativa entre el sensor y la superficie del terreno (Lynam, 1986).

El transporte del magnetómetro es también otro aspecto importante, especialmente en lo referente a la influencia de las partes metálicas del avión sobre el sensor y a la estabilidad que algunos de ellos requieren.

La influencia de los circuitos eléctricos del avión y de las partes metálicas del mismo sobre el sensor del magnetómetro se reduce mediante métodos electromagnéticos de compensación (Nakatsuka et al., 1976), experimentalmente (Serson et al., 1957) y separando en lo posible el sensor del resto del avión. 

En este último caso existen varias soluciones:

a) Remolcar el sensor mediante un cable largo y colocándolo en el interior de un contenedor en forma de proyectil (bird), (Fig.l,3).

b) Situar el sensor al final de una estructura en forma de mástil horizontal unido rígidamente a la cola del avión (stinger), (Fig.l,4a).

c) Colocar el sensor en el extremo de un ala del avión.

En el primer caso la influencia del avión sobre el sensor queda muy atenuada por la longitud del cable de remolque (entre 30 y 150 metros>, mientras que en los dos últimos casos la influencia se minimiza cdn la colocación de tiras protectoras de permaloy situadas alrededor de la casilla que contiene el sensor y mediante corrientes eléctricas que atraviesan bobinas compensadoras.

La estabilización es un problema que afecta fundamentalmente a los magnetómetros de núcleo saturado o fluxgate ya que su sensor debe mantenerse en la dirección del vector B cuando se desea medir su módulo. Esto se logra mediante dos detectores fluxgate adicionales que se hallan orientados ortogonalmente con el primero, es decir, los tres elementos forman un triedro trirrectangular. El conjunto completo se monta sobre una pequeña plataforma giroestabilizada que puede girar libremente en cualquier dirección (Fig.l,4b).

Cuando el fluxgate de medida se mantiene paralelo al campo magnético la señal es nula en los otros dos. Cualquier desviación respecto de esta dirección produce una señal en uno o los dos elementos de control que una vez amplificada, es dirigida a un servomotor (uno para cada eje) que devuelven la orientación al sistema.

 


En lo que respecta a las aplicaciones principales del método aeromagnético, es necesario, llamar la atención en los siguientes aspectos:

a) Permite localizar yacimientos de minerales magnéticos tales como la magnetita, etc.

b) Permite realizar estudios preliminares en la búsqueda de posibles yacimientos petrolíferos, antes de la aplicación de procedimientos más caros. Esto es debido a que el método aeromagnético permite calcular la profundidad del basamento respecto a la altura de vuelo y por lo tanto determina la magnitud de los espesores sedimentarios que es un dato del mayor interés para las posibilidades petrolíferas de la zona. 

c) Es de utilidad para el levantamiento del mapa geológico de una región. 

Es posible realizar una interpretación geológica usando un buen mapa aeromagnético.

De igual modo que ocurre en el resto de los métodos de exploración geofísica, los levantamientos aeromagnéticos y los levantamientos terrestres posee ventajas e inconvenientes y por lo tanto, el procedimiento más adecuado para una región o aplicación puede no serlo para otra. 

Balseley ha resumido las ventajas e inconvenientes de ambos métodos en los siguientes puntos (Balseley, 1952) Ventajas:

1) La ventaja más evidente del método aeromagnético es la rapidez y la reducción de personal contratado.

2) Debido a la ventaja anterior, el coste es menor que el de un levantamiento terrestre equivalente, siempre que el área sea lo suficientemente extensa como para justificar los gastos.

3) Un levantamiento aeromagnético puede realizarse sobre agua o terrenos inaccesibles para las operaciones de tierra.

4) Los efectos de la deriva instrumental y de la variación diurna quedan, en general, reducidos al mínimo, debido a la velocidad con que se realiza el trabajo.

5) Debido a la altitud a la que vuela el avión, los campos magnéticos artificiales producidos afectan mínimamente a los registros, mientras que estas fuentes interfieren continuamente cuando los datos se toman en tierra.

6) Análogamente, los efectos producidos por fuentes geológicas que se hallan en la superficie o a poca profundidad, interfieren de forma mínima en el reconocimiento de las anomalías debidas a fuentes profundas, pudiéndose variar la altitud del vuelo para lograr una discriminación máxima.

7) La regularidad de los datos permite un mejor uso de los métodos analíticos de procesamiento e interpretación.

 

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Inconvenientes:

1) La precisión del resultado del trabajo está siempre limitada por la exactitud del mapa al que se transcriben los datos magnéticos. La cartografía existente de algunas zonas puede, ser incompleta o demasiado inexacta para poder situar sobre ella los datos magnéticos.

Sin embargo, cuando en estas zonas se llevan exploraciones terrestres, el levantamiento topográfico necesario puede realizarse al mismo tiempo que las medidas magnéticas.

2) El coste mínimo de un levantamiento aeromagnético es elevado debido a uso de aviones. Si la superficie a explorar es pequeña, el coste por kilómetro de este tipo de exploración puede hacerse prohibitivo.

 


I.4.
INSTRUMENTACIóN.


Para levantar un mapa aeromagnético, es necesario asignar a cada uno de los puntos de observación el valor de la magnitud magnética que se ha medido en él. 

Por ello, consideraremos la instrumentación aeromagnética dividida en dos grupos:

- Instrumentación para las medidas del campo magnético.
- Instrumentación para la determinación de la posición del punto de medida.

Dentro del primer grupo se describen los magnetómetros más utilizados en los últimos años para este tipo de levantamiento; como son:

- El magnetómetro de núcleo saturado.
- El magnetómetro de protones.
- El magnetómetro de bombeo óptico.
- El magnetómetro de doble resonancia nuclear.

En el segundo grupo se presenta algunos de los sistemas de navegación más empleados, como el Sistema Doppler.

 

 

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I.4.1. El magnetómetro de núcleo saturado o fluxgate.

El magnetómetro de núcleo saturado permite medir la intensidad del campo magnético terrestre o la de alguna de sus componentes, aprovechando la propiedad de histéresis que presentan algunos materiales.

El magnetómetro se compone de dos núcleos cilíndricos paralelos de un material de alta permeabilidad magnética con arrollamientos en serie pero en sentido inverso, de tal manera que al pasar por ellas una corriente eléctrica, los campos producidos son iguales y de sentidos contrarios (Fig.l,5).

Si se aplica una corriente alterna sinusoidal de intensidad y a los arrollamientos de dichos núcleos, el campo magnético B en su interior seguirá un ciclo de histéresis producido por el campo inductor H (Fig.l,6a). Suponiendo una simetría perfecta del dispositivo, los campos producidos en ambos núcleos

son iguales y de signo contrario por lo que se anulan entre sí y, si se colocara una bobina envolviendo a ambos núcleos no se induciría en ella ninguna corriente. 

Sin embargo, si existiese un campo magnético externo menor que H y paralelo a los ejes de los núcleos, 

tal que al superponerse al campo producido por la corriente 4 el valor máximo del campo inductor cumpliera


donde

es el valor del campo inductor necesario para alcanzar la saturación y el valor máximo del campo producido por la corriente i, el estado de saturación de los núcleos se alcanzará en un semiciclo pero no en el otro (Fig.l,6b).

Por lo tanto, al aproximarse al punto de saturación el flujo de variará de forma más lenta que la senoidal.

Lo mismo ocurriría con el flujo de

pero existiendo un desfase en respecto al primero, surgiendo como consecuencia de ello unos máximos con frecuencia doble de la del campo inductor. 

Se demuestra (De Miguel, 1980), que en ese caso la fuerza electromotriz inducida en la bobina exterior vale


siendo la frecuencia de la corriente alterna aplicada el coeficiente de tercer grado del desarrollo en serie del campo inductor H en el ciclo de histéresis. 

Es decir, la fuerza electromotriz inducida es proporcional a la intensidad del campo magnético exterior, por lo que una vez orientado debidamente el sensor del instrumento, puede determinarse el valor de la componente magnética que se desee. 

La orientación del sensor se mantiene paralela al campo mediante la instalación del mismo sobre una plataforma giroestabilizada unida a un servomotor que rectifica las desviaciones respecto al campo magnético terrestre, tal como se ha explicado en I.3.

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I.4.2. El magnetómetro de protones.


Como es sabido, los protones de los átomos están dotados de un movimiento de rotación alrededor de un eje, como consecuencia del cual poseen un momento magnético y un momento cinético a de la misma dirección. 

En un líquido cualquiera, en ausencia de campos magnéticos, las direcciones de los ejes de giro de los distintos protones serán diferentes. Sin embargo, si se aplica un campo magnético B, tenderán a orientarse en la dirección de las líneas de fuerza pero la propiedad giroscópica que les confiere su momento cinético se opone a ello temporalmente, originándose un movimiento de precesión alrededor de B (Fig.l,7) cuya frecuencia cumple la siguiente relación

 

siendo la constante giromagnética, la cual vale

Por lo tanto, si B es el módulo del campo magnético terrestre, su medida se reducirá a la determinación de la frecuencia de precesión f.

Este es el fundamento teórico del magnetómetro de protones.

El aparato consiste en una botella sensora que contiene un líquido rico en protones. Dicha botella esta rodeada por una bobina de hilo de cobre orientada en la dirección Este-Oeste, por la que al principio se hace pasar una corriente eléctrica durante unos instantes con objeto de orientar y poner en fase a todos los protones (Fig.l,8.1). 

Al cesar la corriente, sometidos los protones al campo magnético terrestre, se originará el movimiento de precesión antes citado, permaneciendo en fase todos ellos durante unos segundos (Figs.l,8.2 y I,8.3), por lo que en la bobina se inducirá una corriente de frecuencia igual a la de precesión y por ello proporcional al campo que se desea medirse. La dificultad estriba en la medida de una señal amortiguada que normalmente tiene una duración inferior a los cinco segundos. 

No obstante, existen varios procedimientos para lograrlo, El más frecuente de ellos, consiste en medir el número de ciclos que tiene lugar durante el tiempo que emplea un protón en completar un número fijo de revoluciones alrededor de su eje. Para ello se utiliza un oscilador controlado por cristal de cuarzo.

Un segundo procedimiento, recurre a aplicar un campo magnético oscilante de la misma frecuencia que la de precesión y perpendicular a B

Al coincidir ambas frecuencias habrá un aumento de energía consumida, que corresponde a la absorbida por los protones, pudiéndose determinar así la frecuencia deseada.

 

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1.4.3. El magnetómetro de bombeo óptico.


El magnetómetro de bombeo óptico se basa en el fenómeno físico que posee el mismo nombre y que a continuación se describe.

Para comprender el fenómeno antes mencionado, consideremos un átomo con únicamente tres niveles de energía, a los cuales llamaremos A, B y C (Fig.l,9).

Los niveles A y B se hallan muy próximas y el incremento de energía existente entre ambos corresponde a una línea del espectro de las radiofrecuencias.

Supongamos además, que inicialmente todos los átomos se hallan igualmente distribuidos entre sí. 

El nivel C es mucho mayor y las transformaciones A-C y B-C corresponden a líneas de la zona óptica del espectro electromagnético.

Si una muestra de este tipo de átomos se ilumina con radiación en la que la frecuencia correspondiente a la línea B-C ha sido filtrada, los fotones de la radiación pueden excitar a los átomos que se encuentran en el nivel A pero no a los que están en el nivel B (Fig.l,9.1). 

Los átomos de A excitados absorben energía y ascienden al nivel C (Fig.l,9.2). 

Estos átomos permanecen allí poco tiempo (una diezmillonésima de segundo aproximadamente) y luego emiten energía, regresando nuevamente al estado A o al estado B (Fig.l,9.3).

La porción de átomos que cae en cada estado depende de la estructura de los mismos, pero lo más importante es que ocasionalmente caen átomos a B, los cuales no pueden ser nuevamente excitados por la radiación incidente.

Si un átomo regresa al nivel de energía A, la energía luminosa incidente lo elevará nuevamente al estado C (Fig.l,9.4) y, como consecuencia de ello, también tendrá cierta probabilidad de descender al estado B (Fig.l,9.5). 

De esta manera, en un intervalo de tiempo suficientemente alto, todos los átomos que se hallaban en el estado A de energía habrán sido "bombeados" al B (Fig.l,9.6).

Conforme lo átomos van abandonando el estado A de energía, la muestra absorbe menos energía luminosa y el medio se hace cada vez más transparente a la misma, alcanzándose un máximo cuando el bombeo se completa (Fig.l,10b).

Ahora bien, si algunos átomos descienden súbitamente al nivel A (Fig I,8), la energía luminosa incidente será nuevamente absorbida y el brillo de la luz transmitida caerá insistentemente (Fig.l,10c). Esto puede conseguirse irradiando energía a los átomos con una frecuencia correspondiente a la energía de transición entre los niveles A y B.

Esta técnica es extraordinariamente sensible. 

Una muestra de vapor a presión de milímetros de mercurio puede reducir la intensidad de la luz transmitida hasta un 20% cuando se aplica una radiofrecuencia adecuada.


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Por otra parte, al someter un átomo a la acción de un campo magnético B, cada uno de sus niveles se divide en varios subniveles (efecto Zeeman) de energías ligeramente diferentes muy próximas entre sí y simétricamente colocadas con respecto a la raya no descompuesta. 

Cuanto mayor es el valor de B, tanto mayor es la distancia entre dos subniveles, ya que la energía de los electrones del átomo en cada de ellos vale:

 


obteniéndose el valor de B a partir de (1,5).


La figura I,11 muestra un esquema del magnetómetro de bombeo óptico.

 

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