Vitoria-Gasteiz :: Arqueología.


 

 

 

Evaluación de la técnica de prospección mediante el uso de Georradar.

Edwin Alfonso Roa Ramos.

Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Maestría en Ingeniería
Bogotá, Colombia
2015

 

Capítulo 4. Metodología.


El presente trabajo es una combinación de investigación, labor de campo y comparación de datos obtenidos para determinar la coincidencia o la imprecisión de la detección mediante GPR (exploración indirecta) con los registros de perforación (exploración directa). Se estableció un particular interés por obtener los espesores de los estratos identificados y la posición del nivel freático que arroja el GPR para compararlos con los datos obtenidos de la exploración directa y determinar la fiabilidad del uso de esta tecnología.

A continuación se describen las actividades desarrolladas para alcanzar los objetivos propuestos:

4.1. Investigación.

Se revisó y analizó la información disponible acerca de la prospección geotécnica mediante la utilización de GPR, así como las normas técnicas vigentes para el uso de esta tecnología y su aplicación práctica. También se revisaron los trabajos relacionados con el uso de esta tecnología, los proyectos de investigación y tesis elaborados para optar títulos de maestría y doctorado en diferentes universidades nacionales e internacionales, así como los últimos trabajos presentados en congresos, los cuales sirvieron de guía para llevar a cabo el presente estudio.

Se hizo una revisión de los estudios de suelos ejecutados por diferentes compañías en el área de estudio con el fin de identificar y recopilar información de sondeos efectuados con toma de muestras inalteradas en las que se hubieran determinado las propiedades físicas de los materiales que conforman el perfil estratigráfico en el sector. Para el presente documento se reunió la información de tres campañas de exploración directa (desarrolladas por diferentes compañías) de las cuales se presentan los resultados obtenidos por los sondeos.

Cabe anotar que el equipo empleado cumple con la normatividad ASTM D 6432 ­ 99 (reaprobada en 2005).

Se realizó la evaluación geológica con el fin de definir la constitución, origen y comportamiento de los materiales que conforman el perfil estratigráfico en el sector estudiado con base en los documentos existentes sobre geología regional y local.


4.1.1.
Geología regional.

La zona seleccionada para la ejecución del presente trabajo corresponde a un área de aproximada de 108,000 m2, localizada en el área urbana del municipio de Dosquebradas.

El área de estudio seleccionada se localiza al norte del municipio de Dosquebradas, Risaralda. En la figura a continuación se presenta la localización del estudio.


Figura 4-1. Localización geográfica, general y específica del sector de estudio.


La evaluación de las características geológicas generales del área de estudio se identifican según la información registrada en los estudios de Geología correspondientes a la Geología de la Plancha 224 Pereira, del Servicio Geológico Colombiano (Antiguo Ingeominas), año 1984 versión digital 2009, a escala 1:100.000.

A nivel regional, se identifica una geología compleja, donde se pueden encontrar rocas metamórficas paleozoicas que conforman el Complejo Cajamarca (Pa y Pe), rocas ígneas Cretáceas y terciarias de origen intrusivo y extrusivo, donde se identifican en primera instancia las unidades Stock Gábrico de Pereira (Kgp), Grupo Diabásico (Kvo) y Pórfidos Andesíticos de Pereira (Tpp), además de rocas cretáceas sedimentarias de la unidad superior del Grupo Dagua (Kso), se identifican depósitos cuaternarios donde inicialmente encontramos flujos de lodos y cenizas de la unidad Qto, formados a partir de actividad volcánica reciente, Depósitos de Pendiente (Qtl), conformados por materiales residuales de las formaciones geológicas circundantes afectadas por procesos de denudación (principalmente por la afectación de las aguas de infiltración en épocas de altas lluvias); por último, se encuentran depósitos recientes de origen aluvial, los cuales se localizan próximos a los principales ríos y quebradas y su composición es variable donde se puede evidenciar algunos bloques redondos a sub-redondos embebidos en una matriz generalmente arenosa y en menor proporción areno arcillosa a areno limosa. Las últimas dos unidades geológicas mencionadas interactúan directamente con el sector de estudio.

El área de estudio está afectada por una tectónica regional, que afecta el sector denominado Depresión Intramontañosa del Cauca, localizada entre las cordilleras Occidental y Central; esta se encuentra regida a partir de cuerpos plutónicos que intruyeron las rocas suprayacentes y han generado un metamorfismo de grado medio en estas, además de distintos lineamientos de falla y un intenso fracturamiento en las rocas, donde se presentan zonas de infiltración, las cuales en épocas invernales actúan como factor detonante (junto con el agua infiltrada) ante la alteración de las rocas y movimientos de las diferentes cuñas y fallas planares en los afloramientos rocosos. En el área de estudio se logran identificar algunas fallas inferidas con dirección rumbo NE relacionadas con la actividad regional del Sistema de fallas de Romeral; este sistema rige en gran proporción la actividad tectónica correspondiente a la cordillera Central. Estas fallas también siguen una secuencia en la dirección de rumbo de las fallas principales próximas al sector de estudio, como lo son las de Quebrada Nueva y Toro localizadas al occidente del área de estudio, cerca al municipio de Cartago.

A partir de la actividad tectónica regional, en el área de estudio se presenta un nivel de amenaza Sísmica alta a intermedia donde se registran valores de Aceleración Sísmica (Aa) de 0,25.

En la Figura 4-2 se presentan las características geológicas generales del área de estudio.

Figura 4-2. Características Geológicas Generales del Área de estudio. Tomado de La Geología de la Plancha 224 Pereira del Servicio Geológico Colombiano (Antiguo Ingeominas), año 1984 versión digital 2009, a escala 1:100.000.

 

4.1.2. Geología Local.

En el área de estudio se pueden identificar unidades geológicas recientes no consolidadas, donde se observan Depósitos de Pendiente (Qtl) y Aluviales (Qal), además de la presencia de suelos residuales orgánicos de poco espesor y Rellenos Antrópicos (Qra).

No se presenta una afectación directa por fallas geológicas; sin embargo se debe tener en cuenta el nivel de amenaza sísmica generado a partir de la actividad de fallas geológicas regionales ya que estas generalmente presentan un rango de afectación amplio.

 

4.1.2.1. Litología.

Se describen a continuación las unidades geológicas presentes en el sector estudiado en orden cronológico desde la más antigua a la más reciente.

Depósitos Aluviales.

Esta unidad comprende los suelos no consolidados formados a partir de la actividad de los drenajes principales, se componen principalmente de bloques y fragmentos de rocas redondos a sub-redondos embebidos en una matriz que varía de areno-limosa a areno-arcillosa, también se presentan en proporciones menores algunos niveles finos compuestos por suelos limosos y arcillosos.

Esta unidad geológica comprende la mayor parte del área de estudio, donde los materiales más finos se ubican hacia el sector occidental entre las quebradas La Almoladora y El Mandarino, aquí encontramos niveles de materiales limo arcillosos de hasta 9m de espesor, suprayacidos por niveles de gravas y arenas que conforman el estrato principal de estos depósitos. Hacia el sector oriental encontramos un predominio de suelos arenosos y areno-limosos con presencia de gravas, los cuales aparecen a una profundidad media de 3.5m, suprayacidos por una capa de suelos residuales blandos que conforman la unidad aluvial afectada por procesos de denudación superficial.

Morfológicamente en esta área se observa suave a plana con algunos sectores ondulados.

 

Depósitos de Pendiente.

Esta unidad corresponde a suelos residuales formados a partir de la meteorización de las rocas de las unidades geológicas adyacentes al área de estudio los cuales, a partir de procesos hidrogravitacionales han sido transportados ladera abajo. Su composición es generalmente fina (arcilla y limo) con menores niveles de arena y grava, con coloraciones que van desde pardas a cafés. A partir de la exploración del subsuelo se estima que la unidad alcanza entre los 7m y 9m de espesor.

Esta corresponde a la segunda unidad predominante en el área de estudio y se ubica en el sector noroccidental, donde se presentan pendientes suaves y onduladas.

Depósitos de Rellenos Antrópicos.

La unidad agrupa los niveles de suelos heterogéneos resultantes de obras de expansión urbana relacionadas con viviendas, vías y rellenos utilizados en explanaciones.


4.1.2.2.
Geología estructural.

El área de estudio no se encuentra afectada directamente por fallas geológicas, sin embargo se presenta una afectación a partir de fallas regionales cuya magnitud hace que su rango de afectación sea muy extenso, donde se generan fallas satélites, las cuales son cercanas al área de estudio, tanto así que en el sector se presenta un nivel de amenaza sísmica alto a intermedio, regido a partir de la actividad de las fallas principales próximas al sector.


4.1.2.3.
Fallas.

A continuación se describen las fallas geológicas principales que interactúan con la actividad tectónica en el área de estudio.

Sistema de fallas de Romeral.

Es uno de los sistemas de falla más importantes del país en cuanto a su afectación tectónica, ya que está relacionado con diferentes acontecimientos geológicos registrados sobre la cordillera Central. Este sistema de fallas genera una afectación a partir de sus lineamientos más occidentales localizados a pocos kilómetros al oriente del área de estudio; estos presentan una dirección de rumbo predominantemente NE.

Este sistema de fallas es muy activo y su zona de afectación es muy extensa, donde se registran grandes desplazamientos y buzamientos fuertes, lo cual hace que la zona sea potencialmente crítica ante la generación de fenómenos tectónicos.

Falla de Toro.

Es una falla inversa de ángulo alto a vertical que buza al occidente (W), es una falla de actividad media, la cual hace parte del Sistema de Fallas del Cauca, donde se registran desplazamientos significantes. Esta estructura se localiza al occidente del área de estudio a una distancia aproximada de 35 Km al noroccidente del Municipio de Cartago.


Falla de Quebrada Nueva.

Falla de Cabalgamiento de buzamiento variable que pone en contacto las Formaciones Paila con el miembro Cinta de Piedra de la Formación Cauca Superior. Presenta una actividad media y se localiza al occidente del área de estudio a una distancia aproximada de 22 Km.


4.2.
Exploración directa.

Las labores consistieron en la interpretación de 13 sondeos efectuados con equipo manual. Estas perforaciones alcanzaron profundidades entre 3,0 m y 14,8 m, como se aprecia en la siguiente tabla:


Tabla 4-1.
Exploración directa del subsuelo.

En la Figura 4-3 se presenta la localización de cada uno de los sondeos ejecutados.

Figura 4-3. Localización sondeos directos ejecutados.

Durante la ejecución de los sondeos fueron identificados visualmente los diferentes estratos.

En los suelos en donde, debido a la elevada consistencia de los materiales finos o a la presencia de materiales granulares no fue posible la recuperación de muestras inalteradas, fue adelantado el ensayo de penetración estándar (SPT), con la respectiva recuperación de la muestra alterada mediante el tubo de cuchara partida (split spoon).

Adicionalmente algunas de las muestras obtenidas fueron ejecutados ensayos tendientes a conocer sus propiedades físicas, tales como granulometría, límites de Atterberg, humedad natural, gravedad específica y peso unitario. En la figura a continuación se presenta el resumen gráfico de propiedades índice de uno de los sondeos ejecutados.

Figura 4-4. Resumen gráfico de propiedades sondeo S1.

Con el fin de caracterizar los materiales que conforman el perfil estratigráfico en la zona de estudio fueron realizados los siguientes ensayos de laboratorio.


Tabla 4-2.
Ensayos de laboratorio realizados.

Los resultados de los ensayos realizados se presentan en el anexo C del presente documento.

 

- Perfil estratigráfico promedio.

Con base en la exploración del suelo ha sido posible establecer el perfil estratigráfico típico del área en estudio el cual se describe a continuación.

Desde la superficie actual del terreno y hasta una profundidad variable entre 3 y 10 m se reporta la presencia de arcillas y limos de color amarillo y café de consistencia blanda a media, humedad alta, plasticidad alta a muy alta, que clasifican en el sistema unificado de calsificación de suelos (USCS) como CH y MH y presenta valores de humedad natural variables entre 33,6 y 199%, limite liquido entre 26,9 y 146,8%, en índice de plasticidad entre 19,4 y 96,6%. Presentan valores de resistencia al ensayo de penetración estándar (SPT) entre 4 y 16 golpes/pie, estos materiales corresponden a la capa superficial de depósitos aluviales (Qal1) que por procesos de meteorización de composición limosa y arcillosa.

Seguido al estrato anterior y hasta la máxima profundidad de exploración se reportan arenas y gravas de compacidad densa a muy densa, que presentan valores de rechazo al ensayo de penetración estandar (SPT). Estos materiales corresponden a depósitos aluviales de composición arenos y limosa en proporciones variables (Qal2).

Con el fin de analizar la variación del perfil estratigráfico en toda el área de estudio, se procedió a la realización de cinco secciones transversales donde se integran los resultados de la exploración del subsuelo. En la figuras a continuación se muestra la localización de las secciones evaluadas.

 

Figura 4-5. Secciones estudiadas.

 

Figura 4-6. Perfil estratigráfico Sección A-A'.

 

Figura 4-7. Perfil estratigráfico Sección B-B'.

 

Figura 4-8. Perfil estratigráfico Sección C-C'.

 

Figura 4-9. Perfil estratigráfico Sección D-D'.

 

Figura 4-10. Perfil estratigráfico Sección E-E'.

 

Figura 4-11. Perfil estratigráfico Sección F-F'.

 

4.3. Exploración indirecta.

Se elaboró una cuadrícula sobre la cual se desplazó el equipo de GPR de manera tal que los resultados obtenidos (radargramas) se compararan con los resultados de los registros de perforación.


4.3.1.
Labor de campo y resultados de la exploración indirecta.

Se llevaron a cabo 10 líneas de georradar distribuidas en dos "mallas" o "cuadrículas". El propósito de hacer esta subdivisión del terreno tuvo dos motivaciones: En primer lugar, una línea de georradar muy larga presenta dificultades para su análisis y visualización; por otra parte, se estableció esta disposición con el fin de generar un modelo que cubriera el área más amplia posible y correlacionar así el perfil estratigráfico en toda la zona de estudio.

 

Tabla 4-3. Exploración indirecta del subsuelo.

 


Figura 4-12.
Toma de GPR en la zona de estudio.

 

En la figura, a continuación se presenta la localización de las líneas GPR realizadas.


Figura 4-13.
Localización líneas GPR.

 

Tal y como se describió en el numeral 3.5., los registros obtenidos en campo por medio de GPR han sido procesados con el fin de determinar la secuencia estratigráfica, obteniendo radargramas que representan claramente la existencia de dos estratos característicos con propiedades electromagnéticas sustancialmente diferentes, los cuales se ven reflejados en las discontinuidades presentadas en los registros. En la Figura 4-14, se presenta el radargrama correspondiente a la línea 8 donde se puede observar el contacto entre materiales (los radargramas correspondientes a las demas líneas ejecutadas se presentan en el Anexo C).

 

Figura 4-14. Radargrama Línea 8.

Es importante mencionar que aunque se pueden apreciar contactos definidos entre los materiales, el eje "Y" del radargrama corresponde a tiempo en nano segundos, por lo que para determinar la profundidad de estos cambios de material se ha optado por usar la metodología mencionada en el numeral 3.6.3. "Valores de referencia", otorgando datos de constante dieléctrica al estrato superficial obtenido mediante investigaciones previas y cuyos resultados se presentan en la Tabla 2-1. Una vez asignado este valor es posible establecer la velocidad de propagación de onda en el material seleccionado y de esta manera calcular la profundidad del estrato dado que se cuenta con el tiempo de llegada de la onda y la velocidad, para lo cual fue utilizado el software RadExplorer.

Con base en la geología local del sector ha sido posible determinar los materiales que conforman el perfil estratigráfico;en la parte superior corresponden principalmente a limos con presencia de arena de consistencia blanda, por lo que según la Tabla 2-1 es posible asignar un valor de constante dieléctrica entre 3 y 40.

Teniendo en cuenta lo anterior y la variabilidad de la constante dieléctrica se evaluó la posible profundidad del estrato mediante el uso de 5 valores (3, 7.5, 12, 26 y 40), para cada una de las líneas efectuadas. Los valores de profundidad presentados corresponden a la posición donde se realizo alguna de las perforaciones con el fin de posteriormente realizar una comparación entre los valores obtenidos y los reales. En la tabla Tabla 4-4 se muestran los resultados.

 

Tabla 4-4. Cálculo de la profundidad de contacto de los estratos.

 

 


Figura 4-15.
Variación de la profundidad en función de la constante dieléctrica.

 

De la grafica anterior se pueden identificar 2 grupos de datos que presentan comportamientos similares en cuanto a la posición del contacto de los estratos; el primero con los resultados correspondientes a las líneas L1, L3 y L4 con posibles espesores del estrato superior entre 2.2 y 7.3 m, mientras que las demás líneas presentan valores superiores a los registrados en los ensayos anteriormente mencionados. Con base en lo anterior es posible establecer que el área evaluada puede ser dividida en dos sectores con respecto al espesor del estrato superficial ya que los GPR que arrojan valores similares de profundidad presentan cercanía en cuanto a su localización geográfica, como es el caso del primer grupo de líneas GPR que se encuentran en la zona nororiental del área evaluada (Sector 1), mientras que el sector 2 corresponde a la superficie restante, así como se presenta en la figura a continuación.

 

Figura 4-16. Zonificación mediante lecturas GPR según profundidad de contacto.


Además en la Figura 4-15 se puede apreciar que para los radargramas de la Zona 1, la variación de la profundidad de contacto disminuye cuando se asignan valores mayores a 12 de constante dieléctrica, lo que indica que la velocidad de desplazamiento de las ondas electromagnéticas emitidas tiende a estabilizarse a medida que la constante dieléctrica supera dicho valor, comportamiento que no se aprecia en los GPR de la Zona 2, que aunque se observa un descenso en la pendiente de la línea sigue siendo importante la variación de la profundidad de contacto con el aumento de la constante dieléctrica. Es importante resaltar que si bien se observan comportamientos característicos en los resultados, esto no da una certeza de cual sea la velocidad de propagación y por ende la profundidad de contacto exacta en el sector.

Por otra parte, y con animo de analizar que tan susceptible es la constante dieléctrica en función de la profundidad de contacto para cada una de las líneas GPR efectuadas, se estableció un espesor fijo del estrato superior de 4.5 m (profundidad seleccionada aleatoriamente), para así determinar el valor de constante dieléctrica en cada una de las líneas, obteniendo los siguientes resultados.


Tabla 4-5.
Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m.



Figura 4-17.
Constante dieléctrica para una profundidad de contacto de 4.5 m.

 

De la tabla y figura anterior, se puede observar una gran variabilidad de la constante dieléctrica para una misma profundidad de contacto (4.5 m), hasta el punto de obtener valores superiores a los planteados por la bibliografía para este tipo de material como es el caso de las líneas L2, L5, L8, L9 y L10; lo que indica claramente que el espesor de los materiales superficiales (limos de consistencia blanda) es variable en el área estudiada, ya que al tratarse de un mismo tipo de suelo, la constante dieléctrica debería presentar valores similares. Sin embargo, al igual que en las evaluaciones previas, se aprecia un comportamiento semejante en las líneas L1, L3 y L4, lo que propone valores cercanos en cuanto a la profundidad del contacto entre los materiales identificados en la zona donde se ejecutaron dichas líneas GPR, específicamente en el sector nororiental.

Finalmente se evaluó la variabilidad de la posible profundidad de contacto para cada una de las líneas GPR realizadas manteniendo una constante dieléctrica de 7.5,que muestra al igual que los análisis realizados previamente, una similitud en los resultados de las líneas L1, L3 y L4, como se muestra en la figura a continuación.


Figura 4-18.
Profundidad de contacto para una constante dieléctrica de 7.5.

 

Una vez realizado el procesamiento de los registros del georradar, se puede decir que con solo con la utilización de la técnica de prospección mediante el uso del GPR, no es posible establecer la localización exacta de los contactos entre materiales, debido a que sin la ejecución de sondeos directos solo se cuenta con valores de referencia para la constante dieléctrica, que permite (como se mostró en el desarrollo del presente numeral) establecer rangos posibles de la posición de la interface que para este caso especifico de la zona compuesta donde se localizaron los GPR nombrados L1, L3 y L4 fue calculada entre 2.2 y 7.3 m, mientras que para las demás sectores fue se determinaron profundidades entre 4.1 y 16 m.

Finalmente, otro aspecto de gran importancia en la interpretación de los radargramas consiste en la es la identificación de la posición del nivel freático la cual típicamente es posible localizar debido a la presencia de anomalías a lo largo del registro, sin embargo en el presente trabajo no fue posible identificar este tipo de anomalías en ninguno de los radargramas, debido posiblemente a la baja frecuencia de las ondas emitidas (50 MHz) lo que se refleja en registros de baja resolución.