Métodos geofísicos

1. Introducción
La exploración geofísica comprende una amplia gama de disciplinas entre las que
se pueden mencionar: geología, física, química y electrónica.
La geología se encarga del estudio de la historia y desarrollo de la Tierra mediante
la observación y estudio de las rocas.
La química es la ciencia que penetra en el conocimiento de las sustancias tanto en
elementos como en compuestos, y las leyes que rigen sus combinaciones y
reacciones.
Por su parte, la física es la ciencia que examina cuidadosamente y define las
propiedades de la materia y la energía.
Estas disciplinas se encuentran intrínsecamente relacionadas en la “Geofísica”,
pudiéndose dividir en dos grandes ramas:
GEOFÍSICA PURA, dedicada exclusivamente al estudio de la física de la Tierra
sólida.
GEOFÍSICA APLICADA o EXPLORACIÓN GEOFÍSICA, Se puede considerar
como el arte de aplicar las ciencias físicas al estudio de la estructura y
composición de las diversas capas de la Tierra; es la que se dedica a la aplicación
de los principios específicos en la investigación de los depósitos económicamente
explotables, o en el conocimiento de las condiciones físicas del subsuelo en
proyectos de cimentaciones de obras importantes.

2. Resumen
Los métodos geofísicos basan su aplicación en un fuerte contraste de las
propiedades físicas de los materiales geológicos, entre las que se encuentran,
densidad, potenciales naturales, permeabilidad magnética, potenciales REDOX,
conductividad térmica, etc., y dependiendo de las condiciones físicas y
morfológicas del sitio de estudio, se podrán aplicar diversas técnicas geofísicas
para resolver un problema.
La geofísica aplicada nació de la necesidad de resolver problemas asociados a la
detección de yacimientos de hidrocarburos y minerales del subsuelo. Conforme se
fue desarrollando el arte del estado sólido de la electrónica y creciendo los
conocimientos en las diferentes técnicas de prospección, se empleó en agua
subterránea, estudio del interior de la Tierra y finalmente contribuyendo de manera
substancial la ingeniería civil a través de ayudar en el reconocimiento y solución
de problemas relacionados con la construcción de presas, carreteras, túneles, etc,
así como en distritos de suelos y rocas que presentaban algún riesgo potencial
para las obras.
Las herramientas de prospección geofísica de mayor uso en los proyectos básicos
de ingeniería civil son: la prospección eléctrica, la prospección sismológica, la
técnica del radar de penetración terrestre, la prospección gravimétrica, y la
testificación de pozos.

3. Objetivos de la geofísica aplicada
Los objetivos de la prospección geofísica, utilizando los contrastes y variaciones
de las propiedades físico-químicas, son localizar en el subsuelo estratos (de rocas,
tobas, suelos) que representen masas resistentes, y, que puedan soportar una
obra civil; además de localizar yacimientos de: agua, petróleo, gas, vapor, y
minerales de interés económico para el hombre; así como en el monitoreo de flujo
y transporte de contaminantes; mapeo de eventualidades geológicas que
representen un riesgo potencial para las obras civiles; mediante la percepción
remota localizar yacimientos.

4. Métodos geofísicos:
“Método sísmico”
Los métodos sísmicos de prospección geofísica se fundamentan en el estudio de
la propagación de las ondas elásticas en el medio. La señal sísmica, que puede
ser generada artificialmente (martillo, caída de pesos,…) o ser natural (sísmica
pasiva), es registrada mediante unos sensores (geófonos) distribuidos de forma
adecuada en el terreno.
Los principales métodos sísmicos son:
La sísmica de refracción, basada en el estudio de las ondas directas y refractadas
críticamente, define las distintas capas presentes en el medio con sus velocidades
sísmicas así como zonas de alteración, fallas, fracturas, rellenos,
deslizamientos,… Técnica geofísica de aplicación muy extendida en obra civil y
geotecnia ya que, además de lo mencionado, permite definir los grados de
excavabilidad y ripabilidad de los materiales.
La sísmica de reflexión, fundamentada en el estudio de las ondas reflejadas,
permite definir objetivos muy similares a la refracción pero alcanzando
profundidades muy superiores (varios kilómetros).
La tomografía sísmica de superficie, cuyo desarrollo en campo es similar a la
sísmica de refracción pero con una mayor densidad de puntos de disparo, permite
obtener, mediante un proceso iterativo, modelos de inversión de velocidad sísmica
partiendo de un modelo inicial.
La sísmica pasiva REMI se basa en el análisis espectral de las ondas superficiales
para definir la distribución de velocidad de onda S (Vs) con la profundidad. Técnica
de aplicación muy extendida en medios con fuerte ruido sísmico (medio urbano,
zonas con tráfico u obras, etc.) y también empleada como complemento a técnicas
que definen velocidad sísmica de onda P (Vp).
Los ensayos down-hole y cross-hole son técnicas geofísicas en sondeo que se
basan en el estudio de las ondas directas y refractas para obtener la distribución
de velocidades sísmicas de ondas P y S. Estos valores, junto con la densidad de
los materiales, permite definir los módulos elásticos de los mismos fundamentales
para distintos cálculos geotécnicos.
La tomografía sísmica en sondeos nos permite definir con gran precisión la
distribución de velocidades sísmicas Vp entre dos sondeos mediante una alta
densidad de pares punto de disparo – receptor.
La sísmica paralela es un ensayo sísmico en sondeo que permite definir la
profundidad de elementos constructivos enterrados (muros, pantallas, pilotes,…)
gracias al cambio brusco de velocidad sísmica que se produce en su límite.

5. “Métodos potenciales”
Los métodos potenciales de prospección geofísica comprenden las técnicas que
emplean campos potenciales, como el gravimétrico o el magnético, en el estudio
del subsuelo. Como norma general con estos métodos se obtienen imágenes 2D
en planta que permiten definir cambios laterales de los materiales asociados a
cambios en las propiedades físicas de los mismos (densidad, susceptibilidad
magnética, etc). Estos métodos geofísicos no precisan de ninguna fuente artificial
sino que miden un campo natural presente en el medio mediante perfiles o mallas
de datos. Los principales métodos potenciales son la prospección gravimétríca y la
magnética.
La Gravimetría se basa en el estudio del campo gravimétrico terrestre con el fin de
detectar cambios de materiales o variaciones en la densidad de los mismos. La
prospección gravimétrica suele realizarse en forma de malla (datos
equiespaciados en las dos direcciones horizontales, X e Y) de forma que podemos
definir un mapa 2D de gravedad resultado de aplicar distintas correcciones
(topografía, deriva, mareas, etc.) a los datos originales. Una vez aplicadas estas
correcciones obtendremos las imágenes de Bouguer y Residual en las que se
pretenden definir o aislar los cambios locales (anomalías gravimétricas) objetivo
final del estudio. La gravimetría se aplica principalmente en minería metálica y
geotecnia (detección de huecos y cavidades).
La Magnetometría se basa en el estudio del campo magnético terrestre con el fin
de localizar cambios de materiales o variaciones en las propiedades magnéticas
de los mismos. Al igual que la Gravimetría suele realizarse en forma de malla
obteniéndose como resultado final un mapa 2D en el que se ha aplicado alguna
corrección (deriva, reducción al polo,…). La Magnetometría es un método bastante
rápido y económico y se emplea principalmente en arqueología, minería metálica y
geología estructural.

6. “Métodos eléctricos”
Los métodos eléctricos en corriente continua (Geoeléctrica) se fundamentan en el
estudio de la propagación de la señal eléctrica en el medio. La Geoeléctrica ha
desarrollado multitud de dispositivos.
El fin último es el conocimiento de las resistividades eléctricas presentes en el
subsuelo mediante las medidas de diferencia de potencial generadas por la
inyección de una corriente eléctrica en el subsuelo. Las dos técnicas geoeléctricas
más empleadas, principalmente en obra civil, geotecnia, hidrogeología y medio
ambiente, son las tomografías eléctricas y los sondeos eléctricos verticales SEVs.
La tomografía eléctrica, muy desarrollada desde la aparición de los equipos
multielectrodo, permite obtener secciones 2D de alta resolución de resistividad
eléctrica real mediante la inversión de pseudosecciones de resistividad aparente.
Las tomografías eléctricas no son más que distintos niveles de las calicatas
eléctricas tradicionales sobre los que se realiza una inversión para obtener
modelos 2D de resistividades reales.
Los sondeos eléctricos verticales SEVs permiten obtener la distribución de
resistividades reales con la profundidad en un punto (información 1D) mediante la
inversión de curvas resistividad aparente – distancia AB. Con los SEVs podemos
alcanzar varios kilómetros de profundidad siempre y cuando se cumplan ciertos
condicionantes.
Aunque no son estrictamente métodos eléctricos en corriente continua podemos
incluir en este apartado, al estar relacionados con características eléctricas de los
materiales, los estudios de polarización inducida (obtenemos información de
resistividad eléctrica y cargabilidad de los materiales), cuerpo cargado o potencial
espontáneo (método de campo natural).

7. “Métodos Electromagnéticos”
Los métodos electromagnéticos o métodos eléctricos en corriente alterna se basan
en el estudio del subsuelo a través de los cambios en las propiedades eléctricas y
magnéticas de los materiales que lo componen.
Los métodos EM pueden ser de campo natural o artificial, pueden estudiar con
detalle los primeros metros o alcanzar varios kilómetros de profundidad con menor
resolución, pueden proporcionar información 1D, 2D o 3D del medio,…, son, por lo
tanto, muy diversos y capaces de definir objetivos muy diferentes.
Los denominados electromagnéticos ligeros emplean aparatos relativamente
sencillos que permiten realizar calicatas electromagnéticas de zonas grandes en
relativamente poco tiempo. Proporcionan información en planta de conductividad
eléctrica que permite definir cambios laterales de materiales hasta unas pocas
decenas de metros de profundidad. Se aplican principalmente en arqueología y
geotecnia.
Los electromagnéticos profundos, bien sean en el dominio del tiempo o en el de
frecuencias, emplean bucles o dipolos de gran tamaño junto con antenas
receptoras de campo magnético. Su principal aplicación está dentro de la
hidrogeología y la minería metálica aunque por su gran penetración pueden
utilizarse en cualquier estudio geológico profundo. Dentro de este grupo podemos
destacar:
Los sondeos electromagnéticos en el dominio del tiempo (SEDT) permiten obtener
información 1D o 2D de resistividad eléctrica hasta un máximo de un kilómetro de
profundidad.
Los sondeos magnetotelúricos que proporcionan información 1D, 2D y 3D de
resistividad eléctrica hasta varios kilómetros de profundidad utilizando las
corrientes telúricas naturales. En zonas con ruido se puede emplear una corriente
artificial como fuente alcanzándose menor profundidad de estudio pero con mayor
calidad de medidas (CSAMT – Control Source Audio Magneto Telluric).
Por último los equipos electromagnéticos de baja frecuencia o VLF (Very Low
Frequency) se basan en el estudio de ondas de frecuencia entre 10 y 30 Khz. Se
emplea principalmente en geología estructural

8. “Georadar GPR”
El método geofísico del georadar GPR (“Ground Penetrating Radar”) estudia las
reflexiones de las señales electromagnéticas producidas por una antena emisora y
recogidas por otra antena, en este caso receptora de la señal, ubicadas en un
sistema móvil y ligero de uso muy sencillo.
Este método electromagnético emplea frecuencias altas (desde 20 MHz hasta
1GHz) lo que permite obtener muy alta resolución en el estudio siendo baja su
profundidad de penetración (unos pocos metros).
En los estudios GPR la antena se desliza por el suelo observándose a tiempo real
la señal registrada (radargrama) en una pantalla donde las máximas amplitudes se
corresponden con la señal reflejada en discontinuidades del terreno (cambios
litológicos del terreno, presencia de huecos, servicios o galerías, restos
arqueológicos, etc.).
Esta técnica se emplea de manera muy habitual en la localización de servicios,
oquedades o restos arqueológicos, auscultación de túneles,…
El principal problema del georadar es la profundidad de estudio ya que la alta
frecuencia de la señal se atenúa muy rápidamente en el medio, en mayor medida
cuanto más conductor sea éste (presencia de agua, materiales conductores,…).
Debido a ello las antenas presentan amplios rangos de penetración ya que ésta no
solo depende de la frecuencia (cuanto mayor es la frecuencia más resolución
obtendremos y menor penetración) sino también de las características del medio.

9. “Conclusión”
Se lograron entender los diferentes métodos citados anteriormente concluyendo
que estos métodos nos proporcionan informaciones sobre la composición del
subsuelo mediante alguna propiedad física medida a partir de la superficie
terrestre, que puede ser la velocidad de una onda mecánica, o variaciones de un
campo gravitacional producidas por diferencias de densidad, o la intensidad de
una corriente asociada a la mayor o menor facilidad de propagación de las cargas
eléctricas. Los métodos ofrecen una forma de obtener información detallada
acerca de las condiciones del suelo y rocas del subsuelo. Esta capacidad de
caracterizar rápidamente las condiciones del subsuelo sin perturbar el sitio ofrece
el beneficio de costos más bajos y menos riesgo, dando mejor entendimiento
general de las condiciones complejas del sitio. Es necesario a menudo utilizar más
de un método para lograr obtener la información deseada.