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ESTUDIO DE TÉCNICAS ELECTROMAGNÉTICAS DE PROSPECCIÓN DEL SUBSUELO.

INGENIERÍA TÉCNICA EN TOPOGRAFÍA PROYECTO FINAL DE CARRERA.

Daniel Feria Rodríguez.

Directores: Carlota Auguet y Blas Echebarria.

Convocatoria Junio/Julio 2015.

 

RESUMEN.

Este estudio se basa principalmente en la Geofísica Aplicada, a la que muchos se refieren como Prospección Geofísica. Dicha ciencia es la aplicación de la Física al estudio de la parte más superficial de la corteza terrestre, que puede ser explotada por el hombre; dicho de otra forma, sería la aplicación de los métodos geofísicos de prospección a la búsqueda de toda clase de recursos útiles para el ser humano.

Así pues, lo esencial en este estudio son los métodos que se utilizan en las diferentes aplicaciones (prospección petrolífera, minería, ingeniería civil, etc.). Partiendo de aquí, este volumen se remite a las técnicas y métodos que más nos interesan en Topografía y que más se utilizan en general en la prospección geofísica.

En conclusión, daremos un repaso de los diferentes métodos eléctricos y magnéticos con el fin de poder escoger la técnica y dispositivo adecuado al estudio en campo que se quiera realizar.

 

ÍNDICE.

Resumen.

Glosario.

Introducción.

Capítulo 1. Generalidades y consideraciones.

Capítulo 2. Métodos de prospección eléctrica.

Capítulo 3. Métodos de potencial y corrientes naturales.

3.1. Método Autopotencial.

3.2. Corrientes telúricas.

Capítulo 4. Métodos de potencial inducido/resistividades.

4.1. Sondeo Eléctrico Vertical.

4.2. Calicatas Eléctricas.

4.3. Polarización inducida.

4.4. Tomografía eléctrica.

Capítulo 5. Métodos electromagnéticos.

5.1. Inducción electromagnética.

5.2. Sondeo magnetotelúrico.

5.3. GPR.

Capítulo 6. Ejercicio práctico con SEV.

Conclusiones.

Bibliografía.

 

GLOSARIO.

Términos:

Calicata, calicateo, cateo. Diferentes nomenclaturas para el método de Calicata Eléctrica.

Karst. (O carst). Se conoce a una forma de relieve originada por meteorización química de determinadas rocas, como la caliza, dolomía, yeso, etc., compuestas por minerales solubles en agua.

Permafrost. (O permagel). Es la capa de hielo permanente en los niveles superficiales del suelo de las regiones muy frías o periglaciares,

Constante dieléctrica. Es una propiedad macroscópica de un medio dieléctrico relacionado con la permitividad eléctrica de un medio continuo 

Dielectrico. Se denomina al material mal conductor de electricidad.

Isotropía. Es la característica de algunos cuerpos cuyas propiedades físicas no dependen de la dirección en que son examinadas.

Anisotropía. Es la propiedad general de materia según la cual cualidades como: elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de propagación de la luz, etc.

varían según la dirección en que son examinadas.

Corrientes de Foucault. Fenómeno eléctrico que se produce cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa.

Lineas Isorresistividad. En los mapas de resistividad, son curvas que conectan los puntos de valores de resistividad constante.

 

Siglas: 

AFMAG Audio Frecuencia Magnética.

CE Calicata Eléctrica.

CES Calicata Eléctrica Simétrica.

CED Calicata Eléctrica Dipolar.

CETC Calicata Eléctrica Trielectródica Combinada.

CSAMT Controlled Sourse Audio-Frequency Magnetotelluric.

EM Electromagnético.

ERT Electrical Resistivity Tomography.

FDEM Frequency Domain Electromagnetic.

GPR Ground Penetrating Radar o Georadar.

HLEM Horizontal Loop Electromagnetic.

MCF Metallic Conduction Factor.

MT Magnetotelúrico.

PFE Porcentual Frequency Effect.

PI Polarización Inducida.

SEV Sondeo Eléctrico Vertical.

TEM/TDEM Transient Electromagnetic/Time Domain Electromagnetic.

VLF Very Low Frequency.

El resto de símbolos matemáticos que aparecen, incluidos en el Sistema Internacional, se obvian a conocimiento del lector.

 

INTRODUCCIÓN.

En este documento se trata de hacer un análisis teórico de las diferentes técnicas de prospección incluidas dentro de la Geofísica Aplicada o Prospección Geofísica.

Para ello, cabe hacer una breve introducción a dicha ciencia y a su diversificación sobre los diferentes métodos de prospección gravimétrico, magnético, sísmico, eléctrico, etc.

Delimitaremos entonces el alcance de nuestro estudio, y lo llevaremos hacia donde más nos interesa, los métodos geoeléctrico y electromagnéticos.

Dicho análisis teórico comentado anteriormente, sumado a las aplicaciones, concluye en una comparación sobre las diferentes técnicas, eléctricas o magnéticas, más representativas; y el análisis de los diferentes factores que afectan al uso de uno u otro método de trabajo, valorando sobre todo la metodología e instrumentación, pues no entraremos a profundizar en el factor económico.

Así pues, como objeto de este estudio, debemos comprender las limitaciones y ambigüedades de cada método y de este modo poder elegir los métodos y técnicas adecuados para el trabajo que se quiera llevar a cabo. Entendiendo a su vez, la importancia de la interpretación de los datos resultados de cada proyecto. Por lo que, finalmente, se realizará un ejercicio de procesado e interpretación de datos con un software particular.

 

CAPÍTULO 1.

GENERALIDADES Y CONSIDERACIONES.

La Geofísica Aplicada es la ciencia que nos ocupa en este estudio y cuya materia consiste, finalmente, en la aplicación de diferentes técnicas para el estudio del subsuelo. Estas prospecciones se realizan con el fin de encontrar recursos minerales y no minerales, de resolver problemas geológicos, etc.; pero que pueden ser, sin duda, de gran interés económico.

Todos los métodos geofísicos estudian la propagación de alguna determinada propiedad físico-química de las capas del subsuelo, o de alguna característica relacionada con dichas propiedades.

En esencia, la prospección geofísica consistirá en determinar las variaciones de dicha propiedad sobre la zona de estudio a explorar. Y estas divergencias del valor normal que es de esperar en la zona investigada respecto del valor real encontrado nos indicarán, por lo general, la presencia de estructuras o acumulaciones minerales.

A continuación incluimos una breve clasificación de los métodos geofísicos:

a) Método gravimétrico. Se basa en el campo natural de la gravedad, y estudia la variación de la componente vertical del campo gravitatorio terrestre. Normalmente varía en función de la densidad del material.

Habitualmente se emplea a modo de reconocimiento general en prospecciones petrolíferas, mientras en minería se suele emplear como método de comprobación o
complementario.

b) Métodos magnéticos. Están basados en el campo magnético terrestre. Las pequeñas variaciones de dicho campo pueden indicar la presencia de sustancias magnéticas, generalmente minerales de interés comercial.

Los métodos magnéticos se utilizan como métodos de reconocimiento en la prospección petrolífera, y tanto de reconocimiento como de detalle en prospección minera.

c) Métodos sísmicos. Se produce un pequeño terremoto artificialmente, y midiendo los tiempos de llegada de las ondas producidas, podemos reproducir una imagen muy aproximada de las discontinuidades sísmicas, que por lo general son discontinuidades estratigráficas.

Se dividen en dos clases: métodos de reflexión y de refracción. El de reflexión es un método de detalle y el método sísmico de refracción es tanto de reconocimiento general como de detalle.

d) Métodos eléctricos. Medimos las variaciones de las propiedades eléctricas, de rocas y del mineral, especialmente su resistividad. Por lo general, exceptuando los métodos Autopotencial, telúrico y AFMAG (audio frecuencia magnética) que utilizan campos eléctricos naturales, se emplea un campo artificial eléctrico creado en la superficie, por el paso de una corriente en el subsuelo.

Se aplican como métodos tanto de reconocimiento como de detalle, en función del estudio a realizar.

e) Otros métodos. Dichos métodos se consideran complementarios y se trata de métodos radioactivos, geoquímicos y geotérmicos, que se basan respectivamente en el estudio de las mencionadas propiedades de la materia.

Dando por concluida esta clasificación, debemos considerar de qué forma iniciamos una prospección geofísica.

Sea del ámbito que sea, hay una serie de factores a tener en cuenta, tanto para la elección del método más apropiado como para la disposición sucesiva de los métodos que suelen seguir a continuación, ya que como norma general, no es habitual emplear un solo método, sino dos o más que se complementen y hagan la investigación más eficiente.

De esta forma el procedimiento a seguir es el siguiente:

Para la preparación del trabajo, primero se debe pasar por el planteamiento puramente geológico, es decir, realizar previamente un estudio geológico de la zona o remitirnos a estudios ya realizados con el fin de conocer las condiciones estructurales, posibilidades y características, a grandes rasgos, del área de estudio.

A continuación, se prosigue con un método geofísico de reconocimiento general y una vez acabado se delimitan las zonas más interesantes deducidas de los estudios anteriores y en ellas se procederá con el método de detalle más adecuado.

El concepto de métodos de reconocimiento y de detalle es un poco relativo y varía según las circunstancias. Por ejemplo, el método gravimétrico, se usa generalmente como de reconocimiento en prospecciones petrolíferas, mientras que como detalle se utilizara el sísmico de refracción. Los métodos eléctricos se utilizan en minería en la prospección de sulfuros como de reconocimiento y el gravimétrico como detalle.

El factor más importante que determina el método a aplicar es el económico. Y siempre se debe tener en cuenta en función del ámbito de aplicación. Es decir, el método gravimétrico en prospección petrolífera se considera económico, mientras que el mismo método en minería se considera caro, obviamente debido a la diferencia de rentabilidad que se espera de una aplicación u otra. Sin embargo, generalmente serán más baratos y rápidos los métodos que emplean los campos naturales directamente.

Finalmente, detallamos los diferentes ámbitos de aplicación, sabiendo que el más importante y extendido es la prospección petrolífera, de la cual ha surgido precisamente, la relevancia de la geofísica aplicada. El resto de aplicaciones se remiten a la minería, detección de aguas subterráneas e ingeniería civil, siendo cada vez más extendida ésta última.

Consideraremos de esta forma la ingeniería civil como la aplicación que más nos interesa, y remitiremos nuestro estudio a los métodos más representativos que se utilizan en este ámbito: los métodos de prospección eléctrica.

 

CAPÍTULO 2.

MÉTODOS DE PROSPECCIÓN ELÉCTRICA.

Introducción.

Las prospecciones eléctricas se pueden basar en fuentes naturales de potencial y corriente, aunque generalmente se trata del estudio de señales inducidas a través de cuerpos conductores mediante campos eléctricos y magnéticos generados en el terreno, es decir, fuentes artificiales.

Las investigaciones en esta categoría incluyen los métodos resistivos y electromagnéticos.

Por lo que estaríamos hablando de tres grupos de métodos: los de potencial natural, potencial inducido y métodos electromagnéticos.

Se pueden encontrar en algunos casos varias denominaciones para cada método, por lo que se debe tener cierto criterio a la hora de tratar sobre cada método. Un ejemplo es el caso de los métodos de campo variable y los de corriente continua que, erróneamente, se les denomina "electromagnéticos" o "eléctricos", respectivamente. Pues todos los métodos son por el mismo hecho electromagnéticos [6].

Las técnicas eléctricas requieren la medida de la diferencia de potencial entre electrodos instalados adecuadamente en el terreno.

Los campos de potencial eléctrico que se estudian en prospección son muy variados. Incluso un yacimiento de mineral puede actuar como una batería y crear su propio campo eléctrico, constituyendo el método llamado Autopotencial, en el caso de los métodos que utilizan fuentes de potencial naturales.

Sin embargo, lo más frecuente es enviar energía al terreno, como en las técnicas de potencial inducido. De esta forma, se crean campos artificiales de distintos tipos, de cuya deformación pueden deducirse consecuencias sobre las características geológicas o mineras del subsuelo.

Finalmente, las técnicas electromagnéticas detectan de manera remota zonas de anomalías conductivas; no se necesita el contacto directo con el terreno. Así pueden ser utilizados tanto en superficie como en el aire (vuelos aéreos).

Hay que tener en cuenta que no solamente se utiliza corriente continua, sino también corriente alterna, que se considera bastante más cómoda de emplear que la primera. Aun así, se prefiere en muchos casos no utilizar la alterna debido a que la interpretación se hace más complicada por tener que atender a fenómenos de inducción, capacidad, etc. 

Otra diferencia a destacar sobre los métodos gravimétrico y magnético es el poder controlar la profundidad de penetración. Ello se debe al empleo de diferentes frecuencias en corriente alterna, por lo general, lo más bajas posibles, debido a que a frecuencias mayores, se llega a menor profundidad.

Se suelen considerar bajas frecuencias las que oscilan de 5 a 60 Hz; intermedias las que van de 200 a 1000 Hz; y altas frecuencias las que van de 80 a 100 kHz. A partir de los 100 kHz se entra dentro de las radiofrecuencias.

 

Consideraciones teóricas.

Como ya sabemos, el método eléctrico está basado en las diferentes propiedades eléctricas de las rocas, por lo que explicaremos las principales propiedades:

resistividad y conductividad eléctrica.

La resistividad, en primer lugar, se define como la resistencia en Ohmios medida entre dos caras opuestas de un cubo de materia homogénea con dimensiones unitarias en el S.I.

 

Figura.1. Parámetros usados para definir la Ley de Ohm para un cuerpo conductor.

 

Se hablará en todo caso, de medidas de resistividad aparente, ya que la resistividad no es homogénea en todo el terreno. La resistividad viene determinada por diferentes litologías y estructuras geológicas, es decir, un medio muy heterogéneo. Esta complejidad no se tiene en cuenta cuando tomamos medidas, y se asume un subsuelo uniforme. Por lo tanto no se considerará como el valor real de dicho material o capa. De esta forma, a partir de este momento, la denominaremos

En segundo lugar, la conductividad, se define como el valor inverso de la resistividad. Y se distinguen en ella dos principales clases, una llamada conductividad metálica o electrónica, y otra llamada conductividad electrolítica. 

La primera propiedad la poseen ciertos minerales metálicos y cristales, y que se verifica por el transporte de electrones. Ejemplos son la pirita, la galena, el sulfuro de cobre, la magnetita, etc.

Sin embargo, esta conductividad puede desaparecer por la interposición de otros minerales aislantes como el cuarzo.

La conductividad electrolítica se refiere a minerales y rocas aislantes en estado de sequedad, pero que conducen corriente a través del agua que contienen; lo que se demuestra con el transporte de iones al paso de la corriente y en función de la cantidad de agua y sales ionizadas disueltas en ella. Así pues, se debe tener en cuenta la cantidad y distribución de los poros (porosidad) y el volumen del poro (saturación del agua) en la roca. Ello es especialmente importante en sedimentos porosos y rocas sedimentarias.

Se pueden destacar otras propiedades como la actividad electroquímica, la isotropía y anisotropía, la constante dieléctrica, efectos de la impregnación del agua en las rocas, etc. [1].

Estas propiedades y factores aún no son por sí mismas totalmente concluyentes.

Al ser, el suelo, una mezcla de rocas, gases, agua y otros materiales orgánicos e inorgánicos, dicha composición hace que la resistividad del subsuelo, aparte de depender de su composición intrínseca, dependa de otros factores externos como la temperatura, la humedad, presión, etc., que pueden provocar que un mismo suelo presente resistividades diferentes con el tiempo. El factor más importante es la humedad; además, es el que puede alterarse más fácilmente mediante la lluvia o el riego del suelo.

 

Aplicaciones.

La finalidad de una prospección geoeléctrica es conocer la forma, composición y dimensiones de estructuras o cuerpos inmersos en el subsuelo a partir de medidas de superficie. Así pues, conseguimos trazar una cartografía de resistividades aparentes del subsuelo que nos darán información sobre estructuras.

Las aplicaciones principales de los métodos eléctricos se encuentran dentro de los ámbitos de la minería, detección de aguas subterráneas, ingeniería civil y con métodos especiales en prospecciones petrolíferas.

En el desarrollo de la técnica, estos métodos se han aplicado principalmente a la exploración minera. En un principio, a encontrar filones de mineral conductor, pero actualmente también para localizar filones no conductores.

A la aplicación en minería le siguió el estudio de estructuras subterráneas, depósitos de aguas subterráneas, delimitación del nivel freático, etc. Todo ello, a través de la medida de resistividad por el posible manto acuífero, o delimitando la configuración estructural y estratigráfica del subsuelo y, por tanto, los puntos en que es más probable la acumulación de agua.

De esta forma evoluciona la técnica hasta llegar a obras públicas, que es lo que a priori más nos interesa en nuestro ámbito de la topografía. Así pues, se aplican los métodos eléctricos en la determinación de la profundidad de la roca firme, en presas y túneles, en localizar escapes de agua del cuerpo de las presas, en ciertas investigaciones en los puertos y otros muchos problemas.

Podríamos destacar, finalmente, la testificación eléctrica, que nos permite completar la testificación geológica de un sondeo.

Recientemente, los métodos de prospección eléctrica tienen mayor importancia debido a los problemas medioambientales, frente a técnicas invasivas, tales como sondeos mecánicos, etc.

Desde el punto de vista económico, la principal ventaja es el reducido coste, no sólo en la instrumentación sino en el trabajo de campo [1].

CAPÍTULO 3

MÉTODOS DE POTENCIAL Y CORRIENTES NATURALES.

La investigación de las propiedades naturales eléctricas está basada en las medidas de voltaje entre un par de electrodos implantados en el terreno. Las diferencias de potencial suceden en relación a dichas propiedades naturales de los cuerpos que crean su propio campo eléctrico; estos cuerpos actúan como una célula voltaica, es decir, el potencial surge de reacciones electroquímicas.

Las corrientes naturales, denominadas corrientes telúricas, fluyen a través de la corteza y el manto de la Tierra.

En el estudio de estos potenciales y corrientes naturales no se tiene control sobre la fuente de la señal. Estas restricciones generan problemas en la interpretación, sobre todo cualitativas.

Los métodos naturales no son tan útiles como los métodos de inducción controlada, como las técnicas de resistividad y electromagnéticas, sin embargo son más baratas y rápidas.

3.1. Método Autopotencial o potencial espontáneo (Self-Potential).

El potencial creado espontáneamente en el terreno se debe, en algunos casos, a la acción del hombre, como alteraciones en el medio ambiente, cables eléctricos enterrados, tubos de drenaje o los depósitos de residuos.

En otros casos, puede deberse a efectos naturales de acciones mecánicas o electroquímicas. En cualquier caso, la presencia de agua subterránea juega un papel imprescindible actuando como electrolito.

 

Instrumentación.

El equipo necesario para llevar a cabo el método Autopotencial consiste, básicamente, en un voltímetro digital de alta impedancia que mide la diferencia de potencial entre dos electrodos sujetos al terreno.

No se puede utilizar cualquier tipo de electrodo, debido a la reacción electroquímica entre el metal y la humedad del terreno, la cual puede modificar la medida real del potencial. Así pues, para evitar o minimizar este efecto se utilizarán electrodos impolarizables. Dicho electrodo consistirá en una barra de metal sumergida en una solución saturada de su propia sal (ver figura 2); normalmente se utiliza una barra de cobre con una solución de sulfato de cobre. Esta barra se sitúa dentro de un recipiente cerámico que permite al electrolito el goteo lento y constante a través de las paredes porosas, de esta forma mantiene el contacto eléctrico con el suelo.

Figura 2. Esquema y fotografía de un electrodo tipo.

Metodología.

Generalmente se utilizan dos métodos de campo. El método de gradiente eléctrico y el método total field [5]:

- El método de gradiente eléctrico utiliza una separación fija entre los electrodos del orden de 10 metros. Se mide el potencial entre los electrodos, después el par se traslada siguiendo el perfil, situando el electrodo de salida en el lugar donde previamente estaba el electrodo de entrada. El potencial total se encuentra con la suma de las diferencias de incremento de potencial, (ver figura 3).

Figura 3. Método de gradiente con el espaciado fijo entre electrodos.

La polarización del electrodo es inevitable, aun siendo electrodos impolarizables. Ello da lugar a pequeños errores en la medida, aunque estos errores pueden ser reducidos intercambiando los electrodos de entrada por los de salida.

La acumulación de este error de medida es el principal inconveniente de esta técnica, mientras que la ventaja reside en la corta distancia de conexión entre electrodos.

- El método de total field utiliza un electrodo fijo como base de la estación y otro como electrodo de medida móvil, (ver figura 4). 

Figura 4. Método campo total, con las posiciones fijas.

Con este método se mide directamente el potencial total en cada estación.

Es necesario una gran extensión de cable que cubra siempre la distancia entre electrodos.

Este método permite menos error en la medida que el método anterior y mayor flexibilidad en el movimiento del electrodo de medida, resultando datos de mejor calidad. De ahí que este método sea de uso preferente excepto en terrenos difíciles.

El procedimiento general se basa en la creación de perfiles, cuyos datos obtenidos luego son representados como mapas y las interpretaciones de las anomalías están basadas en dichas geometrías. En la figura 5 se muestran dos ejemplos.

 

Figura 5. Hipotéticas curvas de nivel de una anomalía negativa Autopotencial alrededor de un yacimiento. La asimetría de la anomalía a lo largo del perfil AB sugiere que el yacimiento se inclina hacia A.

Generalmente, estos métodos se utilizan para la interpretación cualitativa o en modelos geométricos simples. La interpretación de los mapas de anomalías suelen revelar tendencias relacionadas con la elongación del yacimiento y su orientación.

 

3.2. Corrientes telúricas.

El fenómeno surge debido a que el campo geomagnético induce corrientes eléctricas, llamadas corrientes telúricas, que fluyen en capas horizontales en la corteza y el manto terrestres.

La distribución de la densidad de estas corrientes telúricas depende de la variación de la resistividad en la conductividad de las capas horizontales, es decir, de la litología de la zona.

En el caso de la corteza, el flujo de corriente se ve alterado por estructuras en el subsuelo que causan contrastes en la resistividad. Esto ocurre debido a estructuras geológicas o por la presencia de minerales. En el caso de una zona donde se puedan diferenciar dos capas de diferente material con diferentes resistividades, nos encontramos con alguna causa de contraste.

El flujo de corrientes telúricas se intensifica en la zona de menor resistividad, lo que incrementará la densidad horizontal de la corriente (ver figura 6). 

Figura 6. Líneas de corriente telúricas se desvían por cambios en el espesor de la capa conductora sobre una estructura más resistiva

La densidad de la corriente telúrica (superior) surge del voltaje medido, en la superficie, entre un par de electrodos con separación fija.

La superficie equipotencial, normal a las líneas de corriente, intersectan en la superficie del terreno. Que es donde la diferencia de potencial eléctrico puede ser medida.

Instrumentación.

El equipo de medida viene a ser el mismo que el anterior, dos electrodos impolarizables a una distancia fija L de entre 10 y 100 metros, y un voltímetro de gran impedancia.

La dirección de la corriente no es conocida, así que se debe utilizar un par de electrodos orientados perpendicularmente al otro par. Las corrientes telúricas varían impredeciblemente con el tiempo, pero cambian lentamente en el caso de una región homogénea e ideal.

Este método, generalmente, se utiliza midiendo a su vez tres componentes del campo magnético.

Ello da lugar a un procedimiento más completo y efectivo denominado sondeo o método Magnetotelúrico, del cual hablaremos más adelante.

 

CAPÍTULO 4.

MÉTODOS DE POTENCIAL INDUCIDO O RESISTIVIDADES.

El método de resistividades permite no solamente el estudio de formaciones horizontales tales como acuíferos, identificación de diferentes litologías, etc.; sino también verticales, como fallas o filones de mineral a una profundidad mayor.

Se considera, en todas sus modalidades, el método más representativo de todos los métodos eléctricos. Su funcionamiento, en general, consiste en enviar corriente al terreno mediante dos electrodos A y B que se clavan en el suelo y una vez establecido así un campo eléctrico artificial, se miden sus condiciones con otro par de electrodos M y N adicionales, también clavados en el terreno y cuyas distancias se varían convenientemente estableciendo de esta forma diferentes técnicas de actuación (ver Figura 7).

Figura 7. Esquema de implementación característica de cualquier método de potencial inducido.

Se puede determinar de este modo la resistividad aparente del terreno, que es función del cociente entre la diferencia de potencial medido entre los electrodos de medida y la intensidad de corriente con que se alimenta el campo. También interviene en la función un coeficiente o factor geométrico que depende de la disposición de los electrodos, y que controla la profundidad a la que se opera.

De esta forma se suministra una información cuantitativa de las propiedades conductoras del subsuelo, y podemos determinar la distribución vertical de su resistividad.

La teoría parte de la medida del potencial en un punto M a una distancia r del electrodo A que induce la corriente I (ver Figura 8).

De esta ecuación partimos para estudiar las diferentes configuraciones más empleadas en los métodos de resistividad.

Así pues, el potencial en un punto tal como el M, donde se encuentra el electrodo de medida, viene dado por el teorema de la superposición de campos eléctricos [1].

En el caso real de campo, casi nunca se presentará un terreno homogéneo, sino que en la mayoría de los casos, en los que se aplica el método de resistividades, estará formado por una serie de capas de terreno heterogéneo, como ya dijimos anteriormente.

Al aplicar las fórmulas obtenidas, en el caso homogéneo ideal, nos dará una resistividad aparente del terreno, resistividad que será función del parámetro del dispositivo, es decir, la distancia entre electrodos, que vendrá determinada por el tipo de dispositivo o configuración empleado.

Finalmente, hay que destacar como limitación principal de los métodos resistivos su alta sensibilidad a pequeñas variaciones de la conductividad cerca de la superficie, debido sobre todo al contenido de humedad. Una topografía accidentada puede tener un efecto similar, ya que el flujo de corriente se concentra en los valles y se dispersa en las colinas. Como resultado se distorsionan las superficies equipotenciales produciendo falsas anomalías.

 

Dispositivos y configuraciones.

Para la determinación de los dispositivos a utilizar en cada caso, debemos aclarar, previamente que los dispositivos empleados para la determinación de resistividades en 3D son prácticamente los mismos que para las determinaciones en 2D, con algunas modificaciones.

A continuación, haremos una reseña de la mayoría de los métodos y dispositivos actualmente empleados tanto para investigaciones 1D, 2D y 3D, lo que nos permitirá comprender con claridad las diferencias y ventajas de cada uno de ellos, e identificar las complicaciones prácticas de los mismos.

Normalmente los sondeos de resistividad en 1D involucran entre 10 a 20 lecturas, mientras que un sondeo 2D involucra entre 100 a 1000 medidas, en comparación con sondeos 3D que pueden involucrar varios miles de medidas.

De esta forma, y a lo largo del desarrollo de la técnica, se han ido utilizando innumerables tipos de dispositivos y configuraciones para los electrodos de corriente y medida, la mayor parte de ellos en desuso actualmente. El dispositivo Schlumberger es el que se ha impuesto y sólo se emplea además el Wenner, el Dipolo-dipolo, y algunas de sus variaciones para algunos casos concretos.

a) Dispositivo Schlumberger. 

En este dispositivo, los electrodos de medida M y N se colocan simétricamente a una distancia r del punto de estación O.

Los electrodos de corriente, de igual forma, a la distancia variable L, y de forma que los cuatro electrodos queden alineados sobre el terreno. Estamos hablando por lo general, de una composición simétrica de los electrodos AMNB donde la distancia MN es mucho menor que AB, generalmente con la relación AB > 5MN (ver Figura 9).

b) Dispositivo Wenner.

Se utiliza también el sistema de electrodos alineados y simétricos respecto al punto de estación O, y se disponen de forma equidistante como se muestra en la Figura 10:

AM = MN = NB = a

Este dispositivo tiene el inconveniente, respecto al de Schlumberger, de que todos los electrodos han de modificarse en cada medida. Sin embargo la función del factor geométrico k resulta ser mucho más sencilla:

c) Dispositivo polo-dipolo.

En este dispositivo el electrodo B se instala a una gran distancia (teóricamente en el infinito) de los otros tres electrodos, de modo que queda de la forma indicada en la Figura 11:

d) Dispositivo doble-dipolo o dipolo-dipolo.

En esta configuración los electrodos se disponen sobre una línea en el orden ABMN formando así un doble dipolo, considerando el espaciado entre cada par de electrodos como a (Figura 12).

 

e) Dispositivo Lee.

Es similar al de Wenner, con la diferencia de que en el Lee se sitúa un electrodo de medida E, en el punto de estación O, haciéndose las lecturas entre el central y uno de los laterales (ver Figura 14).

Otros dispositivos.

La principal característica del resto de dispositivos no tan frecuentemente empleados es la no alineación de los electrodos de corriente y medida. Como se indica en el ejemplo de la Figura 15.

Conclusiones. Elección del dispositivo más adecuado.

En general, tal como se describe en la introducción del capítulo, los métodos resistivos están limitados por varios factores.

Además del descrito anteriormente, las interpretaciones son, por lo general, ambiguas, lo que conlleva a la necesidad de otros controles geofísicos y geológicos independientes para discriminar entre las interpretaciones válidas de los datos obtenidos. Asimismo la interpretación en sí está limitada por la propia simplicidad de la estructura de los dispositivos.

La profundidad de penetración del método está limitada por el máximo de potencial eléctrico que se introduce en el subsuelo y por las grandes longitudes que deben tener los cables.

Normalmente la profundidad límite para la mayoría de prospecciones esta alrededor de 1 km. 

Como se ha destacado anteriormente, de entre todos los dispositivos expuestos, los más utilizados son el Schlumberger y el Wenner, sobre todo por su sencilla implementación y simplicidad en su resolución. Por ello, vendremos a discutir el uso de uno u otro principalmente.

La elección de la mejor configuración para un sondeo depende del tipo de estructura a ser estudiada, la sensibilidad del resistivímetro y el nivel de ruido de fondo de la zona de estudio.

De entre las características de un determinado trabajo se debe considerar:

- La profundidad de investigación.
- La sensibilidad del arreglo a los cambios verticales y horizontales de la resistividad subterránea.

- La cobertura horizontal de datos y la relación señal /ruido.
- Factores económicos.

Una anomalía en la curva de resistividad será más ancha y complicada contra más electrodos se muevan, por lo que la Schlumberger con A y B fijos y la dipolo-dipolo son los más recomendados.

Cuanto más pequeña sea la distancia MN mayor será la resolución y amplitud de cambio de resistividad aparente debido a un objeto; por lo que la Schlumberger tiene mayor resolución que la Wenner.

Sin embargo, el dispositivo Wenner se adapta mejor a los perfiles laterales. Como la distancia entre electrodos la determinamos nosotros, el flujo de corriente se maximiza en profundidades donde el contraste lateral de resistividad se espera. Es el más adecuado para localizar buzamientos entre rocas con un fuerte contraste de resistividad, y yacimientos de materiales conductores.

Los dispositivos dipolares, no lineales, requieren intensidades de corrientes mucho mayores que los lineales (SEV), por lo que son menos empleados. Por lo que solamente se los utiliza para investigaciones geoeléctricas profundas.

En la práctica, se realizan varios perfiles combinando unos dispositivos con otros teniendo en cuenta la topografía del terreno (cartografía topográfica), mapas y corte geológicos, entre otros.

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