Geofisica agua

Métodos Geofísicos e Integración de Datos en Investigaciones
Hidrogeológicas - Innovaciones Tecnológicas
Versión Julio 06

El crecimiento y sostenimiento de las sociedades humanas siempre ha estado íntimamente
relacionado a la disponibilidad y fácil acceso de agua dulce para consumo directo, riego, cría de
animales y mantenimiento de la infraestructura industrial. A raíz del crecimiento demográfico, el agua
representa el elemento fundamental para un desarrollo sustentable. En otras palabras, la
disponibilidad de agua para el consumo, está relacionada directamente con el crecimiento y
desarrollo de la población.
A nivel mundial se estima que cerca de 1 billón de personas (aproximadamente una quinta
parte de la población) carecen de acceso a agua potable y cerca de 3.4 millones de personas mueren
anualmente por la misma causa. A pesar de las ingentes cantidades de agua existentes en el planeta,
tan solo un 0.1% es útil para actividades humanas, y principalmente están concentradas en glaciares,
ríos y en el subsuelo, y en muchos casos, estas fuentes de agua dulce se encuentran alejadas de los
principales centros urbanos, o contaminadas por la actividad humana.
En Venezuela existen áreas donde se presentan problemas de disponibilidad de agua dulce,
como en Falcón (Península de Paraguaná), La Isla de Margarita, los Llanos (Guarico, Apure,
Portuguesa) y la Región Capital, incluyendo el Estado Vargas. La escasez de agua potable de fácil
acceso frena el desarrollo Industrial, Agrícola y Turístico de estas zonas, así como también disminuye
la calidad de vida de sus habitantes. Toda esa problemática puede llegar a dar origen a conflictos de
tipo social. Si aunado a esto mencionamos los problemas de contaminación que presentan algunas
de las reservas de agua dulce de nuestro país, como el lago de Maracaibo y el lago de Valencia, y las
variaciones climáticas observadas en los últimos años, capaces de alterar los regímenes de lluvias y
de sequía, encontramos un panorama preocupante que nos estimula a la planificación de
exploración, caracterización y monitoreo de recursos acuíferos subterráneos.
Las aguas subterráneas representan entonces una fuente de agua suplementaria,
generalmente de mejor calidad que las aguas superficiales. Aunado a la escasez de fuentes de agua
dulce de fácil acceso hacen de su localización y monitoreo una actividad de vital importancia en el
mundo actual.

Metodología de investigación en un proyecto de hidrogeología
Para el aprovechamiento o explotación de los sistemas de aguas subterráneas de un área es
necesaria la realización de una secuencia de estudios que permitan caracterizar estos sistemas y así
obtener una mejor comprensión y evolución del sistema acuífero estudiado. En forma general, se
distinguen tres etapas principales.
a) Estudios preliminares o de reconocimiento. Su objetivo es localizar los acuíferos más
importantes, estimar sus dimensiones, parámetros hidrológicos, zonas de recarga y descarga de sus
aguas. Por lo general se hacen a escalas de 1:200.000 a 1:100.000, por lo que la recopilación de
datos se hace con ayuda de mapas geológicos y topográficos regionales e información de fotografías
aéreas e imágenes de satélite. También se estima recopilar información de pozos antiguos presentes
en el área. En este ámbito la geofísica puede contribuir a través de la ejecución en los pozos
existentes (activos y abandonados) de logs (tipo gamma) que permiten reconstruir la estratigrafía y
las condiciones geológicas. En las zonas petroleras venezolana el uso de pozos no activos para la
ejecución de diagrafías podría ofrecer excelentes informaciones regionales y locales sobre los
modelos hidrológicos. Toda esta información, integrada en un sistema de información geográfica
SIG puede definir ambientes aluviales con potenciales acuíferos primarios y estructuras a gran escala

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propicias de ser estudiadas en detalle, como pueden ser fallas o fracturas en terrenos rocosos. La
definición específica de estas áreas a nivel local podría ser hecha con fotografías aéreas de detalle a
mayor escala (1:25000 - 50000), mapas geológicos y observaciones de campo.
b) Estudios generales. Una vez definidas las posibles zonas de interés o estructuras
susceptibles de almacenar aguas, se procede a planificar un estudio de superficie, mediante la
combinación de distintas técnicas de investigación geofísica. El uso de estas técnicas es legitimado
por su carácter no destructivo, su compatibilidad ambiental (no afecta el entorno) y sus ventajas
técnico-económicas. Se debe tener en cuenta que no tiene sentido efectuar sin más una campaña de
investigación geofísica “para buscar agua” si no se ha efectuado antes un estudio hidrogeológico que
haya fijado el modelo del acuífero (ocurrencia – distribución geométrica, materiales y estructuras) y se
haya escogido la metodología mejor para caracterizar el modelo de acuífero esperado en la condición
geológica – estructural especifica del sitio investigado. No existe una metodología universal de
investigación que funcione para cualquier modelo de acuífero o ambiente geológico. Para el éxito del
estudio es importante una correcta planificación que considere todos los parámetros geocientíficos y
el test de diferentes métodos y configuraciones. Se tiene que poner en evidencia que, a excepción de
la resonancia magnética protónica (NMR - PMR), no existe método que permite la detección directa
de agua en el subsuelo.
c) Estudios de detalle. Al finalizar la etapa anterior, se pueden emplazar pozos exploratorios
con gran precisión sobre aquellas áreas y estructuras geológicas más promisorias. De esta forma, se
puede lograr una efectividad de pozos productores cercana al 80%. Todo esto tiene como principal
implicación el ahorro de tiempo, de dinero y la optimización de los resultados. Sírvase notar que la
existencia de una perforación en un sitio donde se conoce, a través de la integración de datos en un
SIG, el entorno geológico, estructural e hidrológico, permite el monitoreo del acuífero y su
clasificación en una base de datos global que permita planificar y regular la gestión de los recursos
hídricos.

Geofísica Superficial en Estudios Hidrológicos
Las técnicas geofísicas superficiales son utilizadas para obtener información acerca de las
unidades del subsuelo que controlan el almacenamiento, movimiento y calidad de las aguas
subterráneas. Todos los métodos geofísicos se basan en la medición de una propiedad física
específica de los materiales que conforman el subsuelo, por ejemplo, la resistividad y la conductividad
eléctrica, la velocidad de propagación del sonido, el campo magnético, el campo gravitacional, entre
otras. Algunas de las herramientas de mayor uso y eficacia en la exploración de aguas subterráneas,
tanto someras como profundas son: Métodos Eléctricos o Galvanicos (SEV y Tomografía eléctrica),
Métodos Electromagnéticos (FDEM, VLF, TDEM y AMT/CSAMT), Sísmica de refracción/reflexión,
Radar (GPR y Borehole Radar) y Resonancia Magnética Nuclear (NMR o PMR), cada una de ellas
corresponde a una de las propiedades físicas anteriormente mencionadas.

El uso de la geofísica es ampliamente aceptado y usado en las comunidades y organizaciones
internacionales y es, en algunos casos como Brasil, una rutina (soportada en la legislación y
normativas de los estados) para la ubicación de pozos.

Las investigaciones geofísicas de este tipo generalmente alcanzan a estudiar los primeros
300m de la superficie terrestre. Dentro de este rango de profundidades, las técnicas geofísicas han
sido aplicadas con éxito en la caracterización de acuíferos de diferentes tipos, sintéticamente
clasificados como:
Primarios. Aluviales en secuencias permeables de arenas y gravas alternadas a
unidades impermeables de limos o arcillas, o en niveles/formaciones permeables
continuas asociadas a rocas como calizas, carbonatos, areniscas, etc.


Secundarios. Estructuras de origen tectónica (fracturas, fallas,…) o secundaria
(Karsts,…) que pueden almacenar agua.

Fig. Acuíferos primarios en: 1. sedimentos clásticos (arenas y arenas/gravas), 2. Rocas permeables (calizas o carbonáticas),
y, 3. Acuíferos secundarios en fracturas

A continuación se presentan brevemente las definiciones de estos entornos hidrológicos y algunos de
los posibles problemas asociados al desarrollo hidrológico de una área (la penetración de la cuňa
salobre en zonas costeras y la contaminación de aguas por actividades industriales o urbanas).

• Definición y Caracterización de
Acuíferos Primarios

Son formaciones subterráneas de roca
permeable y material poco consolidado que
pueden almacenar cantidades importantes de
agua. Pueden clasificarse en Confinados, cuando
el agua se encuentra entre dos capas
impermeables, a presiones superiores a la
atmosférica; o no Confinados, donde su límite
superior viene dado por el nivel freático. Estas
clases de acuíferos primarios pueden ser
originados por: a) secuencias aluviales clásticas
de arenas y gravas permeables alternadas a
arcillas y b) formaciones sedimentarias permeables (carbonatos, calizas, areniscas). En ambos
casos, las propiedades físicas de los materiales en contacto son tan diferentes, que las técnicas
geofísicas permiten definir la extensión y el espesor de los depósitos, así como también permiten
definir la calidad y el tipo de agua que estos almacenan (NMR). La problemática más marcada se
presenta, en geofísica, para la caracterización de secuencias aluviales espesas donde se alternan
capas permeables de arenas y arcillas (Sierra de Guanipa). Este caso necesitaría la comprensión del
modelo geológico y, seguramente, la integración multidisciplinaria de datos que incluyan diagrafías en
pozos existentes para la calibración de los métodos. En términos generales, para la selección del
método geofísico apropiado para esto tipo de investigación se tiene que considerar la escala del
trabajo, la profundidad de investigación necesitada y las condiciones geológicas locales que pueden
limitar la aplicación de algunos de los métodos descritos mas abajo.


• Definición y Caracterización de Acuíferos Secundarios

En áreas donde el substrato rocoso es somero, el flujo de agua en zonas de fracturas, fallas o
cavidades (karsts en calizas) puede ser la principal fuente de aguas subterráneas. Muchas técnicas
geofísicas pueden ser útiles para localizar, identificar y caracterizar estas fracturas y cavidades.
Desde el inicio del siglo 20 campañas de estudios geofísicos (Eléctrica – EM) han sido exitosas en la
identificación de fracturas en áreas áridas y semiáridas de África. Con el progresar del tiempo la
problemática de ubicación de nuevas fuentes de agua ha permitido la ampliación de la aplicación de
las metodologías geofísicas para aplicaciones mas profundas (AMT/CSAMT – sísmica de reflexión).

Esquema de un sistema de acuíferos mostrando las fracturas o acuíferos secundarios

• Localización y Monitoreo de Cuñas de Intrusión Salina

En algunos casos, como en la Isla de Margarita, el desarrollo no planificado (construcción de
edificios), actividades agrícolas / industriales en zonas costeras ha producido una explotación
irracional de los acuíferos de la zona causando como posible consecuencia una invasión de aguas
salobres y la contaminación de los acuíferos existentes. Condición similar de intrusión de la cuňa
salobre es observada en áreas costeras como la península de Paraguaná, la de Paria o en el estado
Falcón donde se encuentra una configuración geológica local que permite la penetración del nivel
salobre hacia el interior de la costa. El contacto entre el agua salobre y el agua dulce es una interfase
dinámica que puede ser fácilmente mapeada con ayuda de métodos geofísicos, debido a que esta
presenta un fuerte contraste de conductividad. Gracias a esto, se pueden desarrollar programas de
monitoreo de acuíferos costeros, ambientes extremadamente sensibles y de importancia vital para las
economías locales. Este tema es de gran importancia no solo para la ubicación exitosa de pozos de
producción de agua, sino también para el monitoreo y su protección (la explotación no controlada del
acuífero determina una contaminación irreversible de la parte dulce por la parte salobre). En este
caso los métodos mas apropiados son, en función de la escala e de las profundidades a investigar,
los métodos de conductividad FDEM - resistividad / ERT, y TDEM. Los primeros permiten caracterizar
rápidamente amplias áreas hasta profundidades de aproximadamente 100-200 m. Los otros dos
permiten una definición cuantitativa le las variaciones verticales hasta profundidades de hasta 500 m.


Sección de Resistividad (SEV) en la caracterización de una cuña salobre.

• Localización y Monitoreo de Contaminantes

La geofísica de superficie puede ser usada para identificar la presencia de infraestructuras
enterradas, como tuberías, cables, tanques, bidones, etc. que deben ser evitados al momento de
realizar una perforación, pero también permite definir la presencia y el impacto potencial de
materiales y sustancias contaminantes en el subsuelo.

Sin embargo, los métodos geofísicos presentan algunas limitaciones que hay que tomar en
cuenta,
o Debe existir un contraste importante en las propiedades físicas entre las unidades
litológicas de interés.
o La profundidad de penetración y la resolución de un método específico puede ser un factor
limitador. Como regla general, a mayor profundidad de penetración, menor resolución o
detalle puede obtenerse.
o En algunos casos, la presencia de ruidos externos puede imposibilitar la interpretación de
los datos.

Las metodologías geofísicas de alta efectividad en este tipo de estudios son:

• Electromagnetismo en el dominio de la frecuencia (FDEM).
• Ground penetrating radar (GPR).
• Resistividad Eléctrica. (IP, ERT).
• PID-IR


Anomalía de conductividad (geonics EM-34) asociada a una pluma contaminante originada en una planta de
herbicidas.

El éxito de la aplicación de métodos geofísicos es la integración de sus datos con diferentes
informaciones geocientíficas del área estudiada tanto durante la fase de diseño del estudio como en
la fase de interpretación.


Diseño de la Adquisición Geofísica

Para realizar el diseño de una exitosa adquisición geofísica, hay que definir claramente un grupo de
objetivos (entre estos algunos de ingeniería) y la elección de los métodos apropiados. Los objetivos
deben estar basados en criterios geofísicos correctos. Para esto es importante que el objetivo
geofísico tenga propiedades físicas que sean distintas a las respuestas de su entorno (rasgos
geológicos e hidrogeológicos) y al ruido ambiental (ruido cultural junto al ruido geológico).

El siguiente paso en la definición del proyecto, es estar dispuesto a proveer de una adecuada
descripción del sitio a través de datos del área previamente recopilados, mapas del sitio u otros datos
que pudiesen pertenecer al área. Esto incluye características logísticas como el acceso al sitio,
fuentes de ruido y restricciones de trabajo. El cliente debe especificar previamente en los
procedimientos el tipo o la forma de entrega de los resultados finales.

La aplicación de los métodos geofísicos apropiados y la utilización correcta de los métodos garantiza
el éxito del estudio. Solo una vez que el objetivo está definido claramente y en pleno acuerdo entre el
cliente y el contratista, se puede seleccionar el método geofísico correcto. El control de calidad en
cada estación de trabajo es primordial para un trabajo exitoso. El control de calidad en campo debe
incluir, procedimientos de calibración básica del equipo, un preciso reporte de campo, revisión de
datos digitales grabados y descargados a los computadores, medidas repetidas en los puntos base,
o puntos de calibración. Durante el procesamiento este control de calidad incluye cálculos de los
datos procesados, documentación de los pasos de procesamiento y separación de la revisión de los
datos por personas independientes no directamente envueltas en el proyecto.

Parámetros de Investigación y Técnicas de adquisición

Todas las técnicas geofísicas miden variaciones de las propiedades físicas de los materiales. Para
suelos y rocas, las propiedades pueden ser divididas en matriz y la componente del contenido de
poros. Diferentes materiales exhiben diferentes parámetros de respuestas tales como su resistividad
o su inverso la conductividad, la velocidad acústica, la permitividad magnética y la densidad. Estos
parámetros están influenciados por el tipo de mineral, arreglo de granos, porosidad, permeabilidad y
contenido de poros. En general ninguna propiedad es única de un solo material, pero cada material
es descrito en un rango de cada propiedad.

Para la investigación de aguas subterráneas los parámetros de más significancía que han sido
usados para describir un sistema de acuíferos son los relacionados a la porosidad y permeabilidad
del acuífero y sus acuitardos adyacentes. Las propiedades geofísicas que pueden ser asociadas a la
porosidad / permeabilidad son:

Conductividad Eléctrica y su inverso la resistividad: Es el factor de proporcionalidad relativa al
flujo de corriente eléctrica en un medio al cual se le aplica un campo eléctrico. Esta habilidad
de las cargas eléctricas de moverse a través del material ha sido correlacionado con la
porosidad. La relación se establece a través del contenido de arcilla y el tipo de fluido
presente en la roca.
Velocidad sísmica para ondas compresionales y de cizalla está relacionada con los módulos
elásticos y la densidad del material. La velocidad de las ondas compresionales ha sido
correlacionada con la porosidad y usadas para determinar el contenido de fluidos.


El éxito de cada técnica geofísica depende no solo de un cuidadoso diseño de adquisición sino
también de la cantidad de consideraciones geológicas que se tengan en cuenta además del factor
cultural junto a los datos geofísicos:

Naturaleza del objetivo: La respuesta del objetivo geofísico debe ser diferenciada del entorno
geológico e hidrogeológico.

Geometría del objetivo: Se tiene que tener en cuenta si se están buscando medios estratificados
horizontales (y si son eventuales repeticiones) o medios subverticales o locales. Hay técnicas
especificas y optimas para los diferentes modelos hidrológicos.

Profundidad del objetivo: La profundidad del objetivo es importante debido a que diferentes técnicas
tienen diferentes rangos de penetración. El rango de penetración es una relación entre la
profundidad de penetración y la resolución de la técnica con respecto al rasgo de interés. Una técnica
que puede ver a gran profundidad en la tierra generalmente tiene menor resolución que una técnica
que vea objetivos someros.

Dimensión del objetivo: Una estimación de la dimensión del objetivo (en términos de extensión
horizontal y vertical) es necesaria previo a la selección de la técnica apropiada. La dimensión del
objetivo debe ser considerada en conjunto con el rango de profundidad por técnicas individuales.

Intervalo de las estaciones de medición: Esto dependerá de la profundidad del objetivo sus
dimensiones y la técnica seleccionada. La adquisición geofísica ha sido tradicionalmente llevada a
través de perfiles o mallados, por esta razón el espaciamiento entre estaciones debe ser calculado
junto con la separación entre líneas para no perder la dimensión de un objetivo particular u obtener
aliasing espacial del objetivo. A groso modo, una anomalía geofísica será aproximadamente dos
veces el tamaño del objeto que la causa por eso se debe dar el máximo espaciamiento entre
estaciones y líneas.

Calibración de los datos: La clave del éxito de una adquisición geofísica es la calibración de los datos
geofísicos con información geológica e hidrogeológica verdadera del subsuelo. La Calibración de los
datos puede ser suministrada por datos de geofísica de pozo, muestras derivadas de pozos por un
muestreo continuo o por ripios.


METODOS GEOFISICOS

Métodos Eléctricos

Los métodos de resistividad estudian, por medio de mediciones efectuadas en superficie, la
distribución en profundidad de alguna magnitud eléctrica de los materiales del subsuelo.Todos los
métodos de resistividad / conductividad para la localización de aguas subterráneas, dependen de la
correlación de las propiedades eléctricas del subsuelo con la presencia de aguas y su interacción con
las rocas que la contienen. Sintéticamente, los principios básicos de la aplicación de métodos de
resistividad/conductividad en investigación de agua son:

Las rocas frescas sin poros o fracturas y una arena seca sin agua o arcilla son altamente resistivas
(hasta miles de ohm*m)
Una roca porosa o fracturada capaz de almacenar agua, tiene una resistividad la cual depende del agua
y de la porosidad de la roca (cerca de unos cien y mil de ohm*m). El comportamiento absoluto depende
del contraste con la roca a su alrededor.
Una arena o grava con agua es relativamente resistiva si localizada en contacto o comparada a una
arcilla, es conductiva si es por debajo de un nivel de la misma arena seca. Las resistividades de arenas
con agua varían entre las decenas y unos cientos de ohm*m.
Una capa de arcilla impermeable, que ha confinado el agua, tiene baja resistividad, entre uno y 10
ohm*m. Una fractura en roca competente y rellena de agua es generalmente meno resistiva de la roca
a su alrededor.

Entre las modalidades de estas técnicas de investigación, las más usadas en investigaciones
hidrogeológicas son:

1) Sondeos Eléctricos Verticales (SEV)

Se conoce como sondeo eléctrico
vertical (SEV) a una serie de
determinaciones de resistividad
aparente, efectuadas con el
mismo tipo de dispositivo y
separación creciente entre los
electrodos de emisión y recepción
de corriente. En las
configuraciones de adquisición,
dos electrodos son usados para
energizar el suelo y dos electrodos
para medir la diferencia de
potencial. La correlación entre la
corriente inyectada, la diferencia
de potencial medida y un
coeficiente geométrico relativo a la
disposición de los 4 electrodos determina el valor de la resistividad aparente en el sitio. Este valor de
resistividad aparente corresponde a una cierta profundidad, función de la separación entre los
electrodos (y configuración usada) y de las secuencias electro-estratigráficas investigadas. Estos
factores y los objetivos de investigación determinan la programación de la longitud o extensión del
sondeo. Los datos de resistividad aparente obtenidos en cada SEV se representan por medio de una


curva bi-logarítmica, en función de las distancias crecientes entre electrodos. La finalidad del SEV es
averiguar la distribución vertical de resistividades bajo el punto sondeado. Esto es posible a través de
la modelizacion numérica de la curva de resistividad aparente.

Las configuraciones geométricas posibles para la ejecución de los SEV son generalmente
tres, Schlumberger, Wenner y Dipolo Dipolo.

Lo que se suele buscar con este procedimiento son estructuras y capas acuíferas, y la
diferenciación entre materiales permeables e impermeables (acuitardos y estratos confinantes).

Los tipos de problemas y condiciones hidrogeológicas más importantes entre las susceptibles
de estudio por medio del SEV son los siguientes.

a) Formaciones con sedimentos incoherentes
Son formaciones caracterizadas por tener materiales con tamaño de grano que va
desde las arcillas hasta las gravas. La permeabilidad aumenta con el tamaño de grano, por lo
tanto el objetivo de estos estudios se traduce en buscar materiales permeables con suficiente
continuidad lateral, y esto se logra definiendo zonas resistivas, ya que las arcillas tienen
resistividades menores a las arenas y a las gravas, de mayor tamaño de grano.

b) Aluviones
Siempre que éstos presenten suficiente contraste de resistividad con la formación
subyacente, se puede detectar su espesor. Además se pueden detectar cambios en la
naturaleza de los aluviones, lentejones arcillosos intercalados entre estos, etc.

c) Rocas efusivas
En zonas volcánicas es frecuente encontrar rocas efusivas con bastante permeabilidad
y que constituyen excelentes acuíferos, como algunos basaltos. En algunos casos, tales
formaciones pueden delimitarse mediante SEV.

d) Rocas compactas
En estos casos, las aguas subterráneas sólo pueden encontrarse en las grietas o
fracturas, o en la zona de alteración superficial. En este caso los SEV ayudan a determinar la
profundidad del techo de la roca sana y, si se usan más SEV a lo largo de un perfil, se pueden
definir zonas de fracturación. Una configuración radial de varios SEV permite definir la
orientación de las fracturas.

e) Rocas calcáreas
La resistividad de las calizas depende en gran medida de su estado de fisuración y del
relleno de sus grietas y cavidades. Los valores mayores corresponden a rocas muy
compactas con fracturas vacías, los intermedios a calizas con fisuras llenas de agua dulce, y
los menores a rocas muy fracturadas o rellenas con agua salada.

f) Diferenciación entre aguas dulces y saladas
Las aguas saladas presentan mayor conductividad que las aguas dulces, por lo que
pueden ser diferenciadas mediante métodos geoeléctricos, en especial el SEV. Gracias a esta
propiedad se puede distinguir entre acuíferos de agua dulce y de agua salada, determinar, en
planta, el límite de la zona de contaminación marina en regiones costeras, y establecer la
marcha en profundidad del contacto entre el agua dulce y la salada.


En la aplicación del SEV el subsuelo se supone formado por capas horizontales, en entornos donde
existe una tridimensionalidad de las estructura el método carece de aplicabilidad. Desde el punto de
vista de la profundidad de investigación ésta se establece comúnmente del orden de 0.1 a 0.3 de la
apertura AB dependiendo de las características eléctricas que presente el entorno investigado.

El método eléctrico es sin duda el mas conocido y, a pesar de ser engorroso en su aplicación,
representa una solución tecnológicamente valida y robusta en investigaciones hidrológicas someras
(<100 m de profundidad) en proyectos pequeños y de bajo presupuesto.


Resistividad (SEV) Interpretación bidimensional en caracterización de acuíferos

2) Tomografía Eléctrica (ERT)- Imaging Electrico

Investigaciones eléctricas con configuraciones multi – electrodos tipo Wenner, Schlumberger o Dipolo
– Dipolo (Polo – Dipolo) en un perfil permiten un estudio de detalle de las variaciones verticales y
horizontales de las propiedades eléctricas del subsuelo. Estas investigaciones posibles por la
evolución de la tecnología de adquisición y procesamiento, están entre las herramientas más
novedosas para la investigación con métodos de resistividad.

Prácticamente, usando instrumentación multi canal, “switch” - “multi plexer” y cables multi – polares
se puede adquirir en breve tiempo un tendido electródico de amplia dimensión. El ordenador y la
electrónica del sistema de adquisición permiten controlar la secuencia y la geometría del arreglo.


Resistividad (Tomografía) Localización de fracturas con tomografía eléctrica

El uso de esta configuración tiene como finalidad estudiar en particular las variaciones laterales de
resistividad del subsuelo. Se trata de un método de investigación muy apropiado (por su alta
resolución lateral) para detectar cambios geológicos verticales o inclinados, relativamente
superficiales (< 50-100 m), tales como diaclasas o fracturas.

La profundidad de investigación depende del número de electrodos (canales) y su espaciamiento.
Considerar que aumentar el numero de electrodos / canales implica también usar un transmisor de
alta potencia para garantizar una relación señal/ruido alta y una logística mas complicada. Como
regla general la profundidad máx. de investigación es 0.2*L (largo del tendido).

Espaciamiento Largo del Profundidad
No Electrodos Electrodos tendido Max (m)
5 240 24 - 48
48 10 480 64-96
5 360 48-72
72 10 720 128-144

En investigaciones hidrológicas (y problemas asociados) el método es particularmente indicado para
caracterización de acuíferos secundarios, penetración de cuña salobre y estudios de contaminación.

A pesar de que pueda ser usado para la caracterización de secuencias aluviales a profundidades
menores de 100 m, la aplicación de este método tendrá sentido solo si en el modelo geológico se


evidencia que las secuencias permeables del área sean muy variables lateralmente, asociadas a
lentejones y se requiera una alta definición lateral. En secuencias aluviales relativamente regulares
en extensión y para estudios regionales el método no es el óptimo.

Resistividad (Tomografía) Mapeo de paleocanales con tomografía eléctrica


Métodos Electromagnéticos

En los últimos años los métodos de inducción electromagnética han resultado de suma
utilidad para detectar y medir pequeños cambios causados por la presencia, calidad y tipo de las
aguas subterráneas. Estas técnicas son necesarias en ambientes donde los contrastes de
conductividad son altos, pero donde los materiales y las condiciones superficiales no permiten la
aplicación de métodos resistivos, como por ejemplo en regiones muy áridas.
Entre los métodos electromagnéticos tenemos tres grandes categorías, métodos en el dominio
de la frecuencia (FDEM), métodos en el dominio del tiempo (TDEM), y métodos como el Magneto
Telúricos donde se combina la medición de los campos eléctricos y magnéticos naturales de la tierra
en función de diferentes frecuencias.

Métodos EM en el Dominio de la Frecuencia - FDEM

a) FDEM (Calicata y Tomografía Electromagnética)
Pequeñas bobinas llamadas dipolos son usadas como transmisores y receptores de ondas
electromagnéticas de diferentes frecuencias. Varias configuraciones son usadas para diferentes
aplicaciones. Pares de bobinas pueden ser usadas en configuración coplanar horizontal, coaxial
vertical o coaxial horizontal. En algunos sistemas el Tx y el Rx son ubicados en el mismo contenedor
y transportados por una sola persona a lo largo del perfil. Sistemas con separación mas grandes y
operadas por dos personas presentan una bobina Tx y una Rx separadas de unas decenas de
metros. Dependiendo del objetivo de la investigación, se adquirirán frecuencias singulares o
múltiples.

FDEM Principios operativos

Las separaciones pueden variar en función de la frecuencia o, a paridad de separación, se
pueden usar diferentes frecuencias para investigar a diferentes profundidades.

Estas técnicas son comúnmente utilizadas en investigaciones hidrogeológicas superficiales,
de hasta 60 – 100 m de profundidad. Su habilidad para detectar cambios en la conductividad con alta
resolución lateral permite su utilización tanto en caracterizaciones de potenciales acuíferos
secundarios (fracturas), como en caracterización de cuñas salobres y en estudios de contaminación

de aguas subterráneas. En el caso de las cuñas salobres los métodos FDEM permiten un rápido
mapeo espacial y la eventual optimización de otras investigaciones geofísicas profundas (SEV y
TDEM) o la ubicación directa de perforaciones. En el caso de estudios de contaminación, una gran
cantidad de contaminantes contienen ácidos, sales, etc., que aumentan la conductividad del subsuelo
y de las aguas, en cambio, los contaminantes con hidrocarburos, al presentarse en grandes
cantidades disminuyen la conductividad del medio.
Como la conductividad es el recíproco de la resistividad eléctrica, las aplicaciones de los métodos
eléctricos, anteriormente explicadas, también son válidas con estos equipos. Los métodos FDEM
son definitivamente una herramienta muy útil en la fase de caracterización espacial de propiedades
eléctricas en proyectos de exploración relativamente someros.

EM. Definición en planta de una cavidad Karstica EM Caracterización de una falla a lo largo de un perfil
rellena de agua (alta conductividad)

Very Low Frecuency o VLF

Es un método electromagnético muy utilizado en la exploración de aguas subterráneas en
fallas geológicas y zonas de fracturas en rocas competentes. Consiste en la medida de los
efectos de la irradiación de una corriente generada por transmisores VLF ubicados alrededor
del mundo en el suelo. Esta corriente tiende a concentrarse a lo largo de estructuras
geológicas conductoras causando una distorsión cuantificable del campo magnético. Se
grafican las cantidades medidas en cada sitio de prospección permitiendo la interpretación de
zonas de fracturas. El método es muy económico y rápido. Permite investigaciones hasta 50-
100 m de profundidad en función de las características geológicas del sitio (mas resistivo es el
entorno mas profundidad puede ser alcanzada).

VLF Aplicación de VLF para localizar un cuerpo conductor vertical (fractura con agua)


Métodos EM en el Dominio Temporal (Campo Transitorio) - TDEM

El principio operativo del método TDEM (Time Domain EM) consiste en hacer circular
cíclicamente, en cortos periodos de tiempo, un campo eléctrico alterno alrededor de una bobina
transmisora. Durante el periodo de conexión se origina un campo magnético primario estable en el
subsuelo. Cuando se corta de forma instantánea la corriente que circula por la bobina transmisora (y
por tanto cesa el campo magnético primario) el campo EM inducido en el subsuelo causa corrientes
parásitas (EMF) que se propagan tanto a través del terreno como en los conductores próximos. Como
consecuencia de pérdidas de resistencia calórica estas corrientes disminuyen con el tiempo,
provocando un campo magnético secundario decreciente en la superficie.

Como el campo magnético secundario se genera cuando el campo primario está desconectado,
puede medirse con relativa facilidad. Cuando en el subsuelo hay cuerpos de conductividad eléctrica
elevada, la atenuación de las corrientes parásitas es significativamente menor que en los malos
conductores. Por tanto, la medida de la relación de decrecimiento del campo secundario proporciona
una forma de detectar la presencia de cuerpos conductores en el subsuelo y estimar su
conductividad.

El dispositivo de medida común consiste en situar la bobina receptora en el centro de la bobina
emisora (generalmente cuadrada), e incluso utilizar la misma bobina para las dos funciones. En esta
configuración, la medida del campo decreciente en el centro de la bobina es equivalente a la medida
de la resistividad en función de la profundidad (análoga al método de SEV en corriente continua).

La profundidad de investigación es función del retardo (delay time) del campo decreciente y es
independiente de la separación entre las bobinas emisora y receptora. Al aumentar el tiempo, la
intensidad de corriente se propaga a mayores profundidades. El método es rápido (pocos minutos de
medida por cada sondeo) y permite alcanzar, en función de las dimensiones de las bobinas (bucles)
usados y de la potencia del transmisor, desde pocas decenas de metros (NanoTEM para estudios de
alta resolución) a algunos km de profundidad (LoTEM donde se utiliza un gran dipolo transmisor y un
generador de alta potencia).

Los valores de un sondeo TDEM (llamados también SEDT) se representan en forma de curvas de
variación de la resistividad aparente en función del tiempo, y su interpretación se lleva a cabo de
forma análoga a los de los SEV’s. Los datos de SEDT y SEV se pueden correlacionar e integrar
perfectamente y son usados en forma conjunta para optimizar modelos de interpretación. Pseudos
secciones de conductividad y secciones 2D de resistividad pueden ser compiladas para la
caracterización y definición geométrica de la secuencia electro estratigráfica.


El método TDEM tiene varias ventajas sobre los métodos EM en el dominio de frecuencias y sobre
los métodos eléctricos galvánicos. Entre estas podemos destacar:

Respecto al FDEM
Usar más frecuencias (respecto al FDEM) y por lo tanto proveer mayor resolución vertical.
Capacidad de un mayor poder de penetración.
Mayor resolución en definición de estructuras estratificadas. El efecto negativo con respecto a
los métodos FDEM es la menor resolución lateral.
Respecto a los métodos eléctricos
La disminución de las influencias laterales y la relativa insensibilidad al ruido geológico.
No necesita contactos electródicos y la posibilidad de sondear a través de recubrimientos
resistivos (donde no penetraría corriente usada por los métodos eléctricos).
Mayores profundidades de investigación con relativo menor esfuerzos logístico.
Mayor rapidez y productividad en la adquisición.

Sección de resistividad aparente a través de un perfil de TDEM


Métodos Magnetotelluricos – AMT - CSAMT
El método magnetotelúrico, magnetotelúrico de fuente natural y el magnetotelúrico de fuente
controlada, utiliza las componentes magnéticas y eléctricas de los campos magnetotelúricos
naturales con la finalidad de mapear variaciones en las resistividades del subsuelo a profundidades
de hasta algunos kilómetros. CSAMT es una derivación específica de los métodos magnetotelùricos
que permite una señal más fuerte y confiable permitiendo detectar objetivos someros que sería
imposible observar con las bajas frecuencias de las señales naturales.

Variaciones temporales en la ionosfera y magnetosfera de la tierra, causadas por factores tales como
vientos solares y variaciones diurnas del campo magnético terrestre, resultan en campos
magnetotelúricos de baja frecuencia a través del globo el cual induce corrientes alternantes telúricas
en el subsuelo. Señales de alta frecuencia resultante de tormentas eléctricas alrededor del mundo
están superpuestas a estos campos de baja frecuencia. Similarmente las frecuencias en el espectro
de las radio ondas contribuyen a incrementar esta señal natural que se transmite en el subsuelo y
representa la fuente de señal de estos métodos EM.

Las heterogeneidades geológicas (cavidades, zonas de fractura, transiciones litológicas verticales y
laterales etc.) pueden causar cambios medibles en el factor de atenuación y fase de la onda EM. Las
ondas secundarias que se producen por dispersión desde las zonas anómalas se atenúan
rápidamente con la distancia en los medios conductores y representan objetivos excelentes de
investigación.

Los métodos magnetotelúricos convencionales utilizan el campo magnético y eléctrico naturales con
la finalidad de mapear variaciones de resistividad en el subsuelo a grandes profundidades. Esto es
posible a través de la medida de señales de baja frecuencia. En este espectro de frecuencias, la
naturaleza errática de estas fuentes en términos de fuerza y dirección impone la necesidad de apilar
datos por largos periodos de tiempo en una estación. En el caso de investigaciones mas superficiales
se puede usar la porción del espectro que incluye la ondas radios (método AMT). La ausencia de
una cobertura homogénea del rango de frecuencias que permitirían una investigación optima del
subsuelo y la variabilidad en la intensidad de estas señales introdujo la idea de usar una fuente
controlada de transmisión de señal (cuya interacción con el subsuelo es investigada para reconstruir
una sección de conductividad). El método CSAMT utiliza una fuente artificial en el rango de los 0.1 y
10 hasta 100 kHz para proveer una señal fuerte y confiable además de rapidez en la adquisición.

Modernos instrumentos de CSAMT también pueden medir señales magnetotelùricas tanto naturales
como de audiofrecuencia para suministrar una rango de profundidad mas extenso en exploración.
Medidas de los cambios en los campos eléctricos y magnéticos, en un rango de frecuencias permiten
construir una curva de sondeo de resistividad aparente. La resistividad aparente es combinada con
medidas de diferencia de fase entre los campos magnéticos y eléctricos. En un medio isotropico
homogéneo, la componente magnética está desfasada con respecto a la eléctrica de π/4. Como la
resistividad varia con la profundidad, la diferencia de fase medida será diferente. La inversión
conjunta de los datos usando tanto la fase como la resistividad aparente provee una interpretación
más robusta. Los datos son normalmente presentados como resistividad aparente versus frecuencia
y fase versus gráfico de frecuencia. La combinación de la inversión 1D de resistividad junto con la
inversión fase/resistividad permite la formación de pseudos secciones 2D de resistividad versus
profundidad.


El método “hibrido” AMT – CSAMT se basa
en el hecho de que la relación entre el campo
eléctrico y el campo magnético a una cierta
frecuencia es constante para una cierta
resistividad. Esta relación puede ser obtenida
midiendo señales naturales, sin embargo
estas no siempre están presentes. El método
AMT – CSAMT soluciona este problema
combinando el uso de señales naturales con
el uso de una antena transmisora, con la que
se transmiten frecuencias desde 1kHz hasta
70 kHz, frecuencias que generalmente son
débiles en el espectro de frecuencias
naturales. En la imagen a lado, se
esquematiza la instrumentación empleada en
este método. Con este método se puede
seleccionar la banda de frecuencias a utilizar,
que pueden ir desde 10 Hz hasta 100 kHz,
asi como el tiempo de integración o “stacks”.
Generalmente el tiempo de integración va de 5 a 10 minutos, tiempo en el cual se realiza un sondeo
completo. Tomando en cuenta el tiempo necesario para la puesta en sitio de la instrumentación, un
sondeo puede ser realizado en aproximadamente 15 o 20 minutos. Los datos pueden ser procesados
e interpretados en sondeos en 1D, que posteriormente son combinados para generar
pseudosecciones en 2D de la resistividad. La profundidad de investigación dependerá de la
resistividad del medio y de las frecuencias empleadas.


Perfil CSAMT trasversal a una cuenca e inversión 2D

Aunque este método es a menudo menos susceptible que otras técnicas al ruido geológico, en la
interpretación debe tenerse en cuenta efectos culturales en la estática superficial así como efectos
geológicos multidimensionales que no pueden ser modelados con facilidad.

La aplicación de este método ha sido comprobada en la caracterización de variaciones laterales de
conductividad asociadas a modelos geológicos relativos a zonas de fracturas, cuerpos mineralizados
o plumas geotérmicas. En aplicaciones hidrológicas el método ha sido aplicado con éxito en el rápido
mapeo de acuíferos primarios continuos asociados a formaciones permeables profundas o en la
identificación de fracturas al interior de un substrato rocoso.


SONDEOS POR MÉTODOS GALVANICOS (SEV) y EM (TDEM – AMT/CSAMT)
PROFUNDIDAD DE INVESTIGACION, LOGISTICA - VELOCIDAD DE ADQUISICION (VdA),
VENTAJAS Y DESVENTAJAS, APLICABILIDAD DEL METODO, CONSIDERACIONES PARA
VENEZUELA

Investigación de Acuíferos Primarios

SEV
Profundidad de investigación. Como regla general la profundidad de investigación varia entre un 0.1 y
0.3 veces el largo del tendido AB, llegando en algunos casos a penetraciones aun menores. En
práctica un SEV de AB=600 (AB/2=300m) puede llegar a cien metros de profundidad de
investigación. Una profundidad similar puede ser el resultado de SEV mas largos (AB/2=800-1000m)
en áreas con secuencias muy conductivas. Esto es el caso de la Sierra de Guanipa donde SEV de
AB/2=1000m (AB=2000m) proveen información hasta 120-200 m. La implicación relativa al uso de
tendidos largos es la necesidad de usar transmisores de corriente muy potentes (500-1000W
mínimo).

Logística – VdA. La logística y velocidad de adquisición está fuertemente condicionada por el largo
del tendido y por el entorno de trabajo. Comúnmente en Venezuela se pueden ejecutar entre 2 y 3
SEV de AB/2=1000 m diarios.

Ventajas. Método robusto y ampliamente aceptado. Permite a técnicos expertos de controlar los
resultados y la calidad de los datos del sondeo en campo. Su universalidad permite la fácil
interpretación numérica y la integración de datos de diferentes estudios. Es un método que puede
ser usado en ambientes con fuertes conductivos superficiales (típicos de áreas tropicales). Excelente
en la caracterización de variaciones eléctricas verticales en medios subhorizontales. Seguramente la
solución técnico/económica óptima para investigaciones superficiales a pequeña escala.

Desventajas. Lento y con necesidad de largos tendidos para investigar profundidades mayores de
100m. No es fácilmente aplicable en ambientes con alta resistividad superficial asociadas a zonas
muy áridas y con sedimentos compactados (ej. Valle de Quibor), suelos laterizados, etc. Otra
desventaja es la necesidad de usar electrodos clavados en el suelo (contactos galvánicos) y el ser
sensible al ruido geológico asociado a estructuras 2D y a condiciones de capas no planas y paralelas.

TDEM
Profundidad de investigación. La profundidad de investigación es función de la dimensión/numero de
vueltas en la bobina o largo del dipolo de transmisión y de la potencia del transmisor. Esta puede
llegar y superar los 500 - 1000m, con instrumentación diseñada para investigaciones superficiales e
intermedias, y a algunos km con instrumentación tipo LOTEM (Long Offset Transient Domain). La
penetración es función de la resistividad superficial y secuencia electro-estratigráfica investigada.

Logística – VdA. La logística es práctica y rápida si se usan bucles reducidos (5-10 m) con más
grande número de vueltas en la bobina (8). En este caso cada set-up y medida (sondeo) podría
tomar un máximo de 20-30 minutos. En el caso de bucles más grandes (100m) la operación podría
ser más lenta y tomar un 30 % de tiempo adicional. Un promedio de 10 sondeos TDEM diarios es
común en áreas sin mayores limitaciones asociadas a vegetación y topografía.


Ventajas. Método robusto y ampliamente aceptado como el SEV. Como todos los métodos
electromagnéticos resulta meno sensible a ruido de tipo geológico que los SEVs. Método activo, la
general alta relación señal / ruido permite adquirir datos confiables en cualquier ambiente. Es un
método excelente en ambientes tropicales y es el estándar operativo para investigaciones
intermedias y profundas en países como Australia, Norte América, Europa y África. Excelente en la
caracterización de variaciones eléctricas verticales en medios subhorizontales estratificados
(secuencias sedimentarias y aluviales). No necesita electrodos puestos a tierra y es más rápido que
los SEV.

Desventajas. No es tan sensible a variaciones laterales de la resistividad (elemento no relevante en
investigación de acuíferos primarios). Podría ser engorroso en términos de velocidad de adquisición
porque para llegar a profundidades mayores se necesitan bucles de mayor tamaño.

AMT / CSAMT
Profundidad de investigación. La profundidad de investigación, en el rango de frecuencias relativas a
aplicaciones comunes de 1-10 Hz hasta 90 KHz, puede llegar y superar los 500m en función de la
resistividad superficial y secuencia electroestratigráfica investigada.

Logística – VdA. La logística y velocidad de adquisición es una de las más práctica y rápida entre los
métodos analizados. Cada setup y medida (sondeo) podría tomar un máximo de 20-30 minutos.

Ventajas. Método rápido y de gran potencialidad si se comprueba su aplicabilidad local. El ambiente
optimo donde ha demostrado a pleno su capacidad investigativa para investigaciones hidrológicas
son áreas donde se investigan cuencas sedimentarias donde se quiere identificar un horizonte
asociado a rocas permeables (calizas - areniscas en acuíferos continuos) o zonas fracturadas
profundas. Como todos los métodos electromagnéticos resulta fácilmente aplicable en áreas con
altos resistivos en la cobertura y es meno sensible a ruido de tipo geológico de los SEVs. En
Venezuela este método seria altamente productivo en ambientes geológicos como los de la zona de
Barquisimeto donde los acuíferos productivos están asociados a la permeabilidad primaria y a
fracturas del substrato carbonático cubierto por una secuencia aluvial arcillosa de baja permeabilidad.
El método es excelente en aplicaciones donde se necesitan resolver variaciones laterales de
conductividad (geotermia, minería).

Desventajas. A pesar de ser un método evolucionado en términos teóricos e instrumental es un
método pasivo y más susceptible a fuentes de ruido que los métodos activos. La combinación híbrida
CSAMT permite reducir esta limitación para ciertas frecuencias. El campo de las frecuencias
investigadas solapa el rango de las frecuencias de las comunicaciones y de transmisión eléctricas
proveyendo limitaciones en la aplicación del método en áreas próximas a instalaciones industriales y
fuentes de ruido EM. Como para el método PMR la relación señal / ruido puede ser pequeña,
introduciendo ambigüedades en la representatividad de la data en caso de presencia de ruido EM.
Es un método muy sensible a variaciones topográficas que pueden provocar fuertes distorsiones en
datos AMT adquiridos con los campos eléctricos perpendiculares al rumbo geológico. Sensible a
efectos estáticos superficiales y a efectos multi-dimensionales. Su aplicabilidad en estudios
hidrológicos tendría que ser confirmada localmente, en función del modelo geológico y posible ruido
EM en entornos geográficos y latitudes específicas.

No se encuentran experiencias publicadas y confrontadas con datos de perforación de la aplicación
de AMT / CSAMT en Venezuela. Su efectividad, especialmente en condiciones de baja latitud con


grande ocurrencia de ruido EM asociado a “spherics”, tendría que ser aclarada con correlaciones con
otros datos geofísicos y de perforaciones. El método MT ha sido aplicado en el oriente de Venezuela
conjuntamente al LOTEM en los aňos 80 (Intevep) para objetivos profundos.

En el caso de modelos geológicos (como el de la sierra de Guanipa) donde se identifica un acuífero
aluvial, la aplicabilidad del método CSAMT / AMT en la resolución de secuencias de arcillas y arenas
tendría que ser comprobada tramite la correlación con perforaciones.


Radar
El radar de penetración del subsuelo es una técnica electromagnética para medición de
desplazamiento de corrientes superficiales en el subsuelo. Los desplazamientos de corriente se
generan por un movimiento de las cargas del subsuelo por polarización y pueden estar relacionadas
a la permitividad eléctrica o la constante dieléctrica del terreno.

Es una técnica para investigaciones superficiales (hasta un max de 30-50 m). El método es
similar a la sísmica de reflexión a offset constante en lo que respecta la adquisición y el
procesamiento de los datos, sin embargo la sísmica utiliza ondas acústicas mientras el radar utiliza
ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia. Un breve pulso de energía electromagnética es
irradiado por un transmisor (Tx), con una frecuencia característica única que puede estar entre 25 y
2000 Mhz. Cuando este pulso alcanza interfases donde existe un contraste de la constante dieléctrica
o cuerpos que presenten diferencias en dicha constante con el medio que los rodea, ocurren
fenómenos análogos a los que se dan en sísmica cuando cambia la impedancia acústica: una
fracción de la energía de la onda es reflejada, regresa hasta la superficie y es detectada en una
antena receptora (Rx), mientras la energía remanente continúa hasta la próxima interfase. Debido a
que utiliza ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia, su profundidad de penetración es de
varias decenas de metros, por lo que es ideal en investigaciones hidrogeológicas superficiales. El
radar genera una imagen del subsuelo con altísima resolución lateral y vertical, que permite definir las
distintas estructuras presentes en el subsuelo somero. Las dos configuraciones generales del radar
son las siguientes:

a) Ground Penetrating Radar (GPR)
Es el método moderno de más éxito en investigaciones del subsuelo no invasivas. Por esto es
un método que no afecta el medio ambiente y es excelente para las fases de planificación y
desarrollo de proyectos industriales. Adicionalmente no necesita establecer contacto físico de
ningún tipo (tipo electrodos) con el suelo, es rápido y de fácil aplicación en todos los
ambientes. Siendo un método electromagnético activo, permite investigar áreas urbanas (con
antenas blindadas) y ambientes geológicos donde las condiciones superficiales limitan la
aplicación de otros métodos.
Sus principales aplicaciones hidrogeológicas superficiales son:
• Definición del nivel freático (la mesa de agua es identificada como un reflector)
• Delimitación del acuífero primario (no confinado)
• Caracterización del substrato y su morfología (paleocanales ..)
• Determinación del grado de saturación de agua
• Localización de fracturas y fallas
• Localización de plumas contaminantes

GPR Definición del Nivel Freático con GPR GPR Identificación de Paleocanales con agua


Nuevas aplicaciones del GPR en hidrologia son experimentadas en el tema de la
caracterización del contenido de agua en medios porosos.

b) Borehole Radar
El método de Borehole Radar se basa en el mismo principio que el GPR, pero en este caso el pulso
electromagnético es transmitido por una antena emisora ubicada en un pozo y es recibido por una
antena receptora colocada en el mismo pozo o en otro colocado a una cierta distancia.
Debido a que la presencia de agua modifica la conductividad del medio el método permite definir los
límites de los acuíferos, su grado de saturación, así como también, la estratigrafía del área.

GPR Definición del Nivel freático y estratigrafía con Borehole Radar


Sísmica

La sísmica de refracción es un método
altamente efectivo y económico para obtener
información en estudios hidrogeológicos. Esta
técnica ha sido muy utilizada en casos en donde
se presentan discontinuidades de velocidades
sísmicas entre las unidades hidrológicas. El
principal uso de estas técnicas en este campo de
investigación es generar un marco hidrogeológico
del área y localizar los límites del acuífero.
Aquellos ambientes en donde la velocidad
de propagación de las ondas sísmicas aumenta
con la profundidad, donde no se presentan capas
delgadas y donde existe una diferencia
significativa entre las velocidades sísmicas de la
interfase hidrogeológica son ideales para la
aplicación de un estudio de sísmica de
refracción. Normalmente la velocidad de las
rocas consolidadas es mayor a la de las rocas no
consolidadas, y dentro de un mismo tipo de roca, Sísmica Modelo de Velocidades Sísmicas en profundidad
aquellas que estén saturadas presentaran una
mayor velocidad de propagación.
En aquellos casos en donde estas condiciones no se cumplan, la técnica de sísmica de
refracción no es apropiada. Aparte de estas limitaciones físicas, la sísmica de refracción no permite
detectar (1) capas de bajas velocidades que se encuentran por debajo de una capa de alta velocidad,
(2) dos unidades hidrogeológicas diferentes que posean la misma velocidad sísmica, o (3) capas
delgadas de velocidades sísmicas intermedias en una secuencia de capas cuya velocidad sísmica
aumenta con la profundidad. Otra limitación del método es la necesidad de usar fuentes a percusión
(martillo o explosivos) cuya potencia está relacionada con la profundidad de investigación necesaria y
al tipo de material aflorante que puede limitar la penetración de la señal.

En el caso de la sísmica de reflexión, el método es extremadamente eficaz en la
caracterización de la geometría de rocas permeables (carbonatos, areniscas) en secuencias
sedimentarias.

Sísmica de alta resolución aplicada en superficie.

Por muchos años, la sísmica de reflexión fue descartada para caracterizar la geometría de acuíferos.
Ahora es posible trabajar en acuíferos profundos usando las mismas herramientas de procesamiento
sísmico que en la industria petrolera una vez definidos los parámetros que deben ser adaptados a las
especificaciones del acuífero en cuestión.

Acuíferos aluviales y continuos

Un acuífero contínuo está formado por formaciones de arenisca o caliza con buena porosidad y
permeabilidad protegido por formaciones suprayacentes. Este primer tipo de acuífero es más común
y puede ser seleccionado tomando en cuenta la profundidad de la formación. Los métodos de


investigación pueden ser ligeramente diferentes dependiendo si está por debajo o por encima de los
100 metros.

Para acuíferos continuos, la sísmica de reflexión puede ayudar a determinar la geometría y la
interconexión de acuíferos de diferentes formaciones al igual que las facies laterales o verticales y
otros elementos requeridos para un buen modelado. Para objetivos mas profundos a los 100 metros,
la sísmica de refracción y los métodos eléctricos pueden ser aplicados. Debido a que los acuíferos de
los niveles someros se han contaminado y las aguas superficiales no abastecen la demanda, la
exploración de aguas subterráneas ha alcanzado los 2000 metros de profundidad. Para un buen
conocimiento de los recursos, ha sido incrementado el uso de la sísmica de alta resolución, tanto en
2D como en 3D, dependiendo de la complejidad y la precisión requerida. Esta tecnología originada en
la industria petrolera permite obtener información muy útil cuando se hacen las consideraciones
geológicas necesarias al momento de su interpretación. Esta tecnología está siendo adaptada para
esta aplicación agregándole valor a los costos del recurso.

Un ejemplo de un acuífero continuo es presentado en la figura a continuación. Un estudio
microestructural podría ayudar a definir la orientación preferencial de fracturas abiertas y permite la
correlación con el fracturamiento obtenido de datos densos de sísmica 2D. Las herramientas
sísmicas usadas para caracterizar campos petroleros, como los atributos, pueden ser adaptadas sin
dificultad a la exploración de reservorios de agua.

Acuífero continuo (Violeta) por debajo de un tope arcilloso (Amarillo). La mesa de agua se alimenta
con agua del oeste con gas por una falla visible en el este.

La implicación es que el método es caro y aplicable en áreas donde los objetivos son
profundos.


Resonancia Magnética Nuclear PMR

Es el único método geofísico capaz de detectar directamente la presencia de agua en el
subsuelo, ya que como se ha visto, los demás sólo pueden proporcionar información estratigráfica y
estructural. Se basa en la medición de la resonancia magnética de los protones del núcleo de los
átomos de agua. La resonancia magnética nuclear o resonancia magnética del protón, es una
propiedad de los protones del átomo de hidrógeno que cuando son expuestos a un campo magnético
externo son excitados y producen una respuesta cuantificable en superficie. El procesamiento de los
datos permite localizar el acuífero y determinar otros parámetros de importancia, como su contenido
de agua en función de la profundidad y el tamaño de grano de la roca saturada (porosidad). También
da una idea del tipo de acuífero, lo que permite determinar la mejor posición para ubicar el pozo de
extracción. El método permite investigaciones hasta 150 m de profundidad.
Ruidos electromagnéticos de cualquier tipo, como líneas eléctricas, tuberías enterradas,
vallas, postes eléctricos, antenas de radio, ciudades, tormentas atmosféricas, etc., limitan la
aplicación de este método que ha de medir señales extremadamente pequeñas. La presencia de
rocas magnéticas (principalmente las de origen volcánico) no son favorables debido a las variaciones
laterales del campo magnético estático de la Tierra. Pero por otra parte es una excelente herramienta
en casos en donde los datos de resistividad no pueden ser relacionados a la presencia de aguas.

En Venezuela seria un método optimo en la investigación de agua en Los Llanos.


Métodos Magnéticos

La presencia del campo geomagnético es utilizada por la geofísica para detectar la presencia
(o ausencia) de elementos ferromagnéticos en el subsuelo. A escala microscópica, los momentos
magnéticos de los minerales magnéticos que se encuentran en objetos metálicos, suelos, sedimentos
y rocas se alinean en la dirección del campo geomagnético, produciendo un momento magnético
macroscópico neto que se observa como una magnetización inducida. Como en la mayoría de los
casos, la magnetización inducida es proporcional a la susceptibilidad magnética macroscópica del
cuerpo, propiedad que puede ser medida por los magnetómetros.
Para las investigaciones hidrogeológicas, el magnetismo puede ser utilizado en algunas de las
siguientes aplicaciones:
• Mapeo geológico de unidades que muestran contrastes de susceptibilidad
• Mapeo estructural (fallas, fracturas, etc.)
• Detección de profundidad del substrato y del basamento

Magnetismo Fracturas (potenciales acuíferos)


TESTIFICACIÓN GEOFÍSICA DE SONDEOS – DIAGRAFIA

La integración de los resultados de la aplicación de los precedentes métodos geofísicos, sensores
remotos y la compilación geológica e hidrológica de un área permitirá determinar el mejor sitio para la
perforación de un pozo de investigación. Este pozo debe estar situado en la zona mas profundad del
acuífero para permitir obtener una información sobre toda la columna. En el transcurso de la
perforación se efectuará el control del lodo, principalmente en lo relacionado al peso específico,
viscosidad y contenido de arena, el registro de la tasa o tiempo de penetración y la toma de muestras
litológicas por cada metro de avance pera el análisis macroscópico. En forma simultánea, durante la
perforación exploratoria se llevará un control continuo de algunos parámetros mediante una sonda.

En una diagrafía se compilan todos los datos levantados en un pozo, es decir a lo largo de un corte
vertical por el subsuelo. En una diagrafía geológica se compilan las propiedades geológicas,
mineralógicas y estructurales de los distintos estratos como el tamaño de grano, la distribución del
tamaño de grano, la textura y la fábrica de las rocas, su contenido en minerales, su contenido en
fósiles, su estilo de deformación.

En una diagrafía geotécnica se compilan las propiedades mecánicas de las rocas de un pozo como
por ejemplo su grado de resistencia, la tensión de cizallamiento y la cantidad de fracturas por unidad
de volumen.

En general una diagrafía geofísica puede incluir mediciones nucleares, espectrométricas, de potencial
propio (espontáneo), de resistividades y sísmicas. Las técnicas aplicadas en sondeos se
desarrollaron independientemente de los métodos geofísicos empleados en la superficie, pero a partir
de los sondeos realizados durante la fase de exploración, donde los métodos geofísicos contribuyen
a la correlación estratigráfica, al levantamiento geológico y al diseño del pozo (ubicación de la rejillas
de producción). La diagrafía geofísica comúnmente entrega datos múltiples grabados mediante un
único proceso de medición. Estos datos incluyen informaciones litológicas, estratigráficas y
estructurales, indicadores de la mineralogía y de la concentración de las menas e indicadores para la
exploración geofísica a partir de la superficie. Los parámetros medidos permiten la determinación de
parámetros hidrogeológicos como la porosidad, la permeabilidad, la velocidad y dirección de flujos.
Los registros de pozo mas utilizados en hidrogeología son los siguientes:

• “Natural Gamma Ray” Log o diagrafía de rayos naturales gamma. Es el método más importante
en hidrogeología. Permite obtener información sobre los límites de las capas y el contenido de arcillas
(indicando indirectamente la permeabilidad y donde ubicar las rejillas). Este método puede ser
aplicado también en pozos entubados (hierro/acero o PVC) y representa una importantísima
contribución a la comprensión (junto a los aforos y a la telecámara en pozo) del estado de un pozo y
especialmente si la ubicación de las rejillas fue ejecutada en forma apropiada. El método representa
también un enorme y económico aporte informativo en zonas petrolíferas donde la testificación de los
pozos no se ejecuta en los primero 500-1000 m. Prácticamente se podrían usar pozos petroleros no
activos para investigar las secciones hidrológicas de una zona complementando perfectamente la
información derivada de la geofísica superficial. Este es el caso del oriente Venezolano donde se
podría reconstruir el comportamiento hidrológico regional usando pozos petroleros descontinuados.

• “Potencial Espontáneo”. Este método se utiliza de manera puntual para resolver los problemas de
límites del acuífero o movimientos del agua. Da la conductividad de las formaciones y permite definir
la velocidad y dirección del flujo.


• “Resistividad Corta y Larga”. Da la conductividad del agua de formación y limites de capas.

• “Resistividad Lateral”. Resistividad de las formaciones.

• “Conductividad de Fluido”. Conductividad de los fluídos presentes en las formaciones geológicas.

• “Gamma Log”. Detecta los rayos gamma dispersados y reflejados (backscattered rays) por las
formaciones geológicas emitidos por una sonda en el pozo proveyendo una diagrafía de la densidad
de las formaciones.

• “Neutron Log” o diagrafía de neutrones emplea una fuente, que emite neutrones y un detector
correspondiente. Permite obtener la porosidad neutrónica.

• “Sondeos de Resonancia Magnética”. Da la porosidad y permeabilidad de las formaciones
geológicas.

• “Sónico” (de velocidad acústica). Informa sobre la fracturación y litologías, especialmente en
acuíferos carbonatados, rocas ígneas o metamórficas.

• “Temperatura”. Permite la identificación de acuíferos, aportes de aguas de diferentes temperaturas,
gradiente térmico.


CONCLUSIONES

Método Geofísico Técnicas Parámetro Aplicaciones

Sondeo eléctricos Geometría del acuífero
verticales (profundidad de
Conductividad o formaciones impermeables
Tomografía Eléctrica resistividad y estructura del subsuelo),
Geoeléctrico eléctrica extensión lateral,
Polarizaciòn Inducida propiedades de las
formaciones (arena-arcilla),
Potencial Espontáneo salinidad del agua, plumas
de contaminación

Depósitos secos-saturados,
espesores de diferentes
Sísmica de refracción Velocidad de estratos y detección de
Sísmica propagación de un zonas de fracturamiento
Sísmica de reflexión esfuerzo mecánico Zonas de fallas,
cartografías de estructuras
de recubrimiento

Zonas de relleno,
Caracterización del
basamento, localización de
Gravimetría Gravedad terrestre Densidad fallas fracturas y zonas de
hundimiento y cavidades.

Detección de fracturas y
Magnetometría Magnetismo Susceptibilidad fallas
magnética

Frequency domain Localización de las áreas
más conductivas, detección
Electromagnetismo Time Domain EM Conductividad o de fracturas, detección de
resistividad plumas de contaminación,
Very Low Frequency eléctrica y caracterización y salinidad
magnetismo del suelo, intrusión de
Ground Penetrating Radar aguas salinas.

Controlled Source audio
Magne totellurics

Este breve repaso al desarrollo de los métodos geofísicos aplicados a la hidrogeología ha puesto de
manifiesto que en la última década se han producido avances muy significativos. Actualmente se
dispone de métodos más rápidos, económicos y sobre todo más resolutivos. En particular, el método
de la resonancia magnética protónica (RMP) abre grandes expectativas que habrán de confirmarse
con nuevas investigaciones y más casos de aplicación. Hay que hacer constar, sin embargo, que
ningún método puede considerarse como panacea o superior a los otros, ya que cada estudio


requerirá la aplicación de la técnica o técnicas más adecuadas en función del contexto geológico y de
los demás condicionantes ambientales.
En función del ambiente geológico, escala de estudio y la profundidad de investigación, el siguiente
esquema sintetiza en forma esquemática la aplicabilidad de los diferentes métodos.

Tipo Escala Profundidad Metodo
Ac 1. Aluviones pequena <150m SEV
Ac 1. Aluviones pequena >150m SEV, TDEM
Ac 1. Aluviones grande <150m TDEM, PMR
Ac 1. Aluviones grande >150m TDEM

Ac 1. Formaciones permeables pequena <150m SEV
Ac 1. Formaciones permeables grande >100m TDEM, AMT/CSAMT, sismica reflexion

Ac 2. Fracturas pequena <100m VLF, FDEM, ERT
Ac 2. Fracturas grande <100m VLF, FDEM
Ac 2. Fracturas grande >100m AMT/CSAMT, sismica reflexion

Cuna salobre <100 m FDEM, ERT
Cuna salobre >100m TDEM, AMT/CSAMT

Contaminacion < 50m FDEM, ERT

Ac 1 = Acuífero primario
Ac 2 = Acuífero secundario
Escala pequeña = Estudio de bajo presupuesto y/o bajo volumen de trabajo
Escala Grande = Estudio de alto volumen de trabajo y/o mas alto presupuesto o requerimientos técnicos

La siguiente tabla comparativa correlaciona la diferentes técnicas en exploración de agua
subterranea.

Tabla Comparativa Cualitativa de Distintas Tecnicas 5 Max
4
Electricas y Electromagneticas para la Exploracion de 3
Aguas Subterranea 2
1 Min
PROFUNDIDAD DE RESOLUCION RESOLUCION
METODO PRODUCTIVIDAD
PENETRACION VERTICAL HORIZONTAL
SEV 3 4 3 2
ERT 2 3 4 3
FDEM 2 3 5 5
TDEM 4 5 3 4
CSAMT 5 3 4 4
PMR 3 4 3 3


Ejemplos de aplicación de métodos geofísicos en estudios hidrológicos en Venezuela

Acuíferos Primarios Aluviales.
Ejemplos de aplicaciones para escalas pequeñas donde se buscan acuíferos en los primeros 150 m
(Villa de Cura, Cagua, Litoral Mirandino, Región Capital, Valle del Tuy…) indican que el SEV se
mantiene como una metodología robusta y económicamente valida. Experiencias en el occidente
donde la secuencias aluviales subyacen a una cobertura altamente resistiva que limita la inyección de
corriente (ej. cuenca de Quibor) soportan el uso de métodos como el TDEM que manteniendo la
resolución vertical y robustez del SEV proveen mayor aplicabilidad. Para investigaciones en áreas
mas delicadas (en termino de escasez de agua y existencia de un modelo con horizontes productivos
mas esporádicos) a profundidades menores (como Los Llanos donde también no se hipotiza la
presencia de un nivel de ruido que limite la aplicación del método) el método PMR representaría una
solución eficaz.

Para escalas de trabajos mayores donde se necesita mayor profundidad de investigación y rapidez
de ejecución (productividad) el TDEM representa la solución ideal. Seguramente el TDEM seria una
metodología eficaz para cuencas de profundidad mayor (Valencia) y para investigar secuencias
aluviales repetidas a profundidades mayores de 150m (sierra de Guanipa).

Acuíferos Primarios Continuos (en calizas-carbonatos, areniscas,..).
Ejemplos conocidos para estudios a pequeñas escala y a baja profundidad reportan el SEV como
método exitoso de exploración (valle de Barquisimeto). Para otras escalas y profundidad de
investigación aún no se conocen ejemplos de aplicaciones, pero el TDEM, el AMT/CSAMT y la
sísmica de reflexión (focalizada a caracterizar los primeros cientos de metros), podrían ofrecer
efectividad y productividad.

Acuíferos Secundarios en fracturas.
Para investigaciones de pequeña escala el método FDEM ha demostrado grande efectividad (Altos
Mirandinos, Escudo Guayanes,…). Aun no se han focalizado como objetivo sistemas de fracturas
mas profundas donde la sísmica de reflexión y el AMT/CSAMT podrían ofrecer una gran contribución
a nivel técnico.

Caracterización de Cuñas Salobres y acuíferos por debajo de las mismas. Ejemplos exitosos de
aplicación de SEV y FDEM a pequeñas escalas han sido reportados en Falcón, costa Mirandina y
Margarita. Estos métodos serian de básica importancia (especie el FDEM para mapeo espacial) en
áreas como la Península de Paraguaná y Paria. En esta ultima el próximo desarrollo industrial podría
poner en peligro, si no se monitorea la cuña salobre, el equilibrio hidrológico de la zona.

Caracterización de contaminación. Métodos FDEM y ERT (asociados a medidas atmo geoquímica
PID-IR) han sido aplicados exitosamente (campos petrolíferos de oriente y occidente, zonas
industriales mirandina y de Carabobo y Aragua) en la definición de contaminación orgánica
(hidrocarburos y rellenos sanitarios) e inorgánica y representan la herramienta de mas potencial en la
hidrología ambiental.


REFERENCIAS

Chapellier, D., 1987. Diagraphies appliquées à l’hydrologie, Technique et documentation,
Lavoisier.
Dobrin and Savit, 1988. Introduction to Geophysical Prospecting, 4th Edition, McGraw-Hill.
Meyer de Stadelhofen, C., 1991. Application de la géophysique aux recharges d’eau,
technique
et documentation, Lavoisier.
Olmo Alarcón, M., López Geta, J.A. Ed. 2000. Actualidad de las técnicas geofísicas aplicadas
en hidrogeologia. IGME, España.
Parasnis, D. S., 1997. Principles of Applied Geophysics (5th edition), Chapman and Hall.
Reynolds, John M., 1997. An Introduction to Applied and Environmental Geophysics, Wiley.
Sankar Kumar, N, Haria Pada, P, Shamsuddin, S., 2000. Geophysical prospecting for
groundwater, Primera.
Telford, W.M., L. P. Geldart, and R. E. Sheriff, 1990. Applied Geophysics (2nd Edition),
Cambridge.


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