1. Imagen de Resistividad Eléctrica (ERI)
Applicaciones ambientales y geotécnicas
Laurence R. Bentley
Professor
Department of Geology & Geophysics
University of Calgary
Calgary, Alberta T2N 1N4 Canada
lbentley@ucalgary.ca
www.geo.ucalgary.ca/~bentley
Notas para el curso corto de geofísica
Escuela Centroamericana de Geología
San José, Costa Rica
16 Junio 2003
Traduccion por Heyddy Calderon
Centro Para Investigaciones en Recursos Aquaticos
UNAN
4. Calidad del agua a partir de ERI
Modelo Waxman-Smits
Término de la Arcilla
(contenido de arcilla, CEC,
densidad, Porosidad, σw)
( )vw BQ
F
1
+= σσ
EC deAgua de poro
EC de
conjunto (ERI)
m
aF −
= φ
Factor de formación
φ - Porosidad
a,m - Constantes empíricas
5. Susann Berthold1
, Laurence R. Bentley2
, and Masaki Hayashi2Susann Berthold1
, Laurence R. Bentley2
y Masaki Hayashi2
1
Inst. of Geophysics, TU Bergakademie Freiberg, Germany
2
Dept. of Geology and Geophysics, University of Calgary, Canada
Interpretación Hidrológica yInterpretación Hidrológica y
Geofísica Integrada de los CiclosGeofísica Integrada de los Ciclos
de Agua y Soluto alrededor dede Agua y Soluto alrededor de
Humedales de PraderasHumedales de Praderas
7. 3 0 0 5 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 5 0 0 0 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0
E C g r o u n d w a t e r [ µ S /c m ]
1 0 0
5 0
3 3
2 5
2 0
1 7
1 3
1 0
5
Soilresistivity[Ohmm]
Waxman-Smits
Resistividaddelsuelo
ERI
Relación entre ERI y la química del agua
650030001200
15 Ohmm
24 Ohmm
36 Ohmm
650030001200
1 0 0 0 1 0 0 0 02 0 0 0 5 0 0 0 2 0 0 0 05 0 0
G r o u n d w a t e r E C [ µ S / c m ]
1
1 0
1 0 0
1 0 0 0
1 0 0 0 0
2
3
5
2 0
3 0
5 0
2 0 0
3 0 0
5 0 0
2 0 0 0
3 0 0 0
5 0 0 0
2 0 0 0 0
3 0 0 0 0
Sulfateconcentration[mg/L]
5000
2100
300
Concentracióndesulfato
8. Sal evaporítica
Fondo
Parcialmente
lixiviado
Definitivamente
lixiviado
Líneas de ERI
Línea 1Línea 1
LíneaLínea
33
N S
Wetland 106Wetland 109 Wetland 107Wetland 117
100 m
30m
100 m
Humedal 117
N Humedal 109 Humedales 107 y 106
S
10m
W E
Depression 109EDepression 109SEDepression 109S
50 m50 m
Depresión 109S Depresión 109SE Depresión 109E
O E
11. Aplicación de la resistividad eléctrica en el
desarrollo de un modelo geológico para
un relleno propuesto en Edmonton
L. N. Meads, L.R. Bentley y C. A. Mendoza
Canadian Geotechnical Journal, 40, 551-558 [2003].
12. LINEA S
LINEA
W
LINEA N
NORTE
200 400m1000
PERFORACIONES
POZOS DE BOMBEO
PUNTO DE REFERENCIA
CANAL DE THALWEG
AUSENCIA DE ARENA
SOBRE LA ROCA
PRESENCIA DE ROCA DE
CORRIMIENTO
LEGENDA
SOUTHCHANNEL
EASTCHANNEL
ESTE (m)
346400 346900 347400 347900
5939700594020059407005941200
NORTE(m)
300
88-39
88-35
88-11
PW-2
88-30
90-60
90-61
88-32
90-56
87-1
88-31
88-8 88-22
90-45
88-23
90-46
PW-1
88-2
BM-1
33STREETNE
137 AVENUE NE
16
21
14
28
16A
2
16
37
STUDY AREA
NORTH SASK.
RIVER
EDMONTON
2
Figura 1 L.N. Meads, L.R. Bentley and C.A. Mendoza
13. Resistividad (ohm-m) Litología
Limo
Arcilla
Arena
Arena y limo
Arena y grava
TilIta
Pizarra
Arenisca
88-39
PW-2
80 160 240 320 400 480
88-35 88-11
660
640
620
600
Elevacion
(m)
Elevacion
(m)
600
620
640
660
SO
NE
5 6 7 8 10 12 15 18 22 27 33 40 49 60 73 89
Figura 2 L.N. Meads, L.R. Bentley and C.A. Mendoza
14. TABLA 1: Valores de resistividad interpretados para las diferentes
litologías en el sitio Aurum
Ubicación Litología
Valores de resistividad
(ohm.m)
Línea 1-S Arcilla y Tilita 12.16 a 18.93
Arena y Grava 48.93 a > 88.84
Roca < 4.50 a 12.16
Línea 2-W Arcilla y Tilita 12.16 a 26.94
Arena y Grava 26.94 a > 88.84
Roca < 4.5 a 26.94
Línea 3-N Arcilla y Tilita 12.16 a 18.93
Arena y Grava 48.93 a > 88.84
Roca < 4.50 a 12.16
15. Resistividad (ohm-m) Litología
Limo
Arcilla
Arena
Arena y Limo
Arena y Grava
Tilita
Pizarra
Arenisca
90-60 88-30
80 160 240
320 400 480 560
90-61 88-32
90-56 88-31 87-1
660
640
620
600
Elevacion (m) Elevacion (m)
600
620
640
660
O E
5 6 7 8 10 12 15 18 22 27 33 40 49 60 73 89
Figura 3 L.N. Meads, L.R. Bentley and C.A. Mendoza
16. Resistividad (ohm-m) Litología
88-8 88-23
80 160
240 320 400 480
88-22 90-45 90-46
PW-1
88-2660
640
620
600
Elevacion (m) Elevacion (m)
600
620
640
660
O E
5 6 7 8 10 12 15 18 22 27 33 40 49 60 73 89
Figura 4 L.N. Meads, L.R. Bentley and C.A. Mendoza
Limo
Arcilla
Arena
Arena y Limo
Arena y Grava
Tilita
Pizarra
Arenisca
18. Conclusiones
• Contrastes en resistividad debido a diferencias geológicas
• Datos de perforación eran muy escasos para capturar
la compleja geología.
• Si la ERI es completada antes de las perforaciones, estas pueden
ubicarse mas estratégicamente
• Por el mismo costo:
- Un survey de ERI de 3 líneas, 35-40 perforaciones con
barrena,15 perforaciones con rotacion con lodos y 2 pruebas de
bombeo
O
- 50 perforaciones con barrena, 15 perforaciones con rotacion
con lodos y 2 pruebas de bombeo
• Un conocimiento más rápido y exacto del sitio Aurum podría
obtenerse de un estudio hidrogeológico y geofísico integrado
19. Calidad de Agua e Intervalo de Tiempo
Monitoreo de la Remediación
20. Calidad del agua a partir de ERI
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Log(ECH20)@8o
C(mS/m)
ECH20 Vs Contenido ionico
Log meq/L
Los meq/L cambian conforme la calidad del agua evoluciona.
Hay una fuerte correlación entre meq/L y EC del agua.
21. Calidad del agua a partir de ERI
Grandes correcciones
Más error
Escoger la Temperatura standard
Dentro del rango de Temp. in situ
Tres temperaturas
•Temperatura de medición
• Temperatura Standard
•Temperatura In situ
Química del agua Vs ECH20 temperatura standard
ECH20 Vs ECERI temperatura in situ
Medición de ECH20 1) Sin correción de temperatura
2) Cerca de la temperatura in situ
Corrección de Temperatura
(Varía con la química)
3.64 ± 0.17 %/o
C
0
400
800
1200
1600
2000
0 5 10 15 20
Temperature (°C)
ECH2O(mS/m)
23. 9 5 0 1 0 0 0 1 0 5 0
9 5 0 1 0 0 0 1 0 5 0
8 5 0
9 0 0
9 5 0
1 0 0 0
8 5 0
9 0 0
9 5 0
1 0 0 0
L E G E N D
L in e
0 6 r
L in e 0 5 r
L in e
0 4 r
Line
03r
L in e 0 2 r T im e - la p s e E R T L in e , A u g . 2 0 0 0
9 7 - 1 A / B / C
P ie z o m e t e r ( A : s h a llo w ,
B : d e e p , C : d e e p e r )
U n iv e r s it y o f C a lg a r y
G A S P L A N T R E M E D IA T IO N P R O J E C T
Mapa de ubicación
Intervalo de tiempo ERI
Junio, 2000
Mayo, 2001
25. Sumario
•El progreso de la remediacion puede causar cambios en la
conductividad eléctrica de el agua de poro y la resistividad de
formación
Los cambios en resistividad pueden ser usados para rastrear el progreso
de la remediación
-Identificar áreas problema temprano en el proceso
-Ayudar a demostrar la terminación
-Calibración de modelos de flujo y transporte
Las correcciones de temperatura son esenciales
31. Efectos 3-D
x (m)
y(m)
z(m)
x (m)
y(m)
z(m)
Log conductivity (mS/m)
Modelo de la tierra
en 3-D
Imagenes de ERT
En 2-D
32. 1 20
1
20
Posicion de los electrodos a lo largo de las lineas 2-D
Metodo alternativo de ERT en 3-D
•Arreglo de ERT en
3-D ERT con red
espaciada de lineas en
2-D paralelas y
perpendiculares
•Reduce el numero
de mediciones sin
degradar seriamente la
resolucion
33. Arreglo en 3-D
x (m)y(m)
z(m)
Modelo de la tierra
en 3-D
Imagen de ERT
En 2-D
x (m)
y(m)
z(m)
Log conductivity (mS/m)
36. Sumario
•ERI en 2-D puede producir resultados inexactos y engañosos
debido a la geometria subterranea tri-dimensional
•ERI en 2-D frecuentemente es inadecuado para representar
geometrias suberraneas complejas
•ERI en 3-D puede conducirse con sets de lineas ortogonales
en 2-D
• Las imagenes de ERI en 3-D ubican correctamente y dan
mejores estimados de la verdadera geometria de resistividad
40. LCR meter
Resistance & Capacitance
Parallel & Series
120Hz, 1kHz & 10kHz
stainless steel
plate electrodes
loading frame
plexiglass
soil cell
measured soil
thickness
cross section
area
Grosor medido
del suelo
Area
Transversal
Celda de
plexiglass para
el suelo Electrodos de
acero
inoxidable
Resistencia y capacitancia
paralela y en serie
120Hz, 1kHz y 10kHz
Estructura
de carga
41. MEA
0
200
400
600
800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
150 200 250 300 350 400 450 500 550
Bulk EC (mS/m)
MEAConcentration(mg/kgdrysoil)
R1-SOIL-1 MEA (mg/kg) R1-SOIL-2 MEA (mg/kg) R1-PADD-1 MEA (mg/kg) R1-PADD-2 MEA (mg/kg)
R2-SOIL-1 MEA (mg/kg) R2-SOIL-2 MEA (mg/kg) R3-SOIL-1 MEA (mg/kg) R3-SOIL-2 MEA (mg/kg)
R3-NIN-1 MEA (mg/kg) R3-NIN-2 MEA (mg/kg) R3-SHFT-2 MEA (mg/kg) R3-SHFT-1 MEA (mg/kg)
R3-COLD-1 MEA (mg/kg) R3-COLD-2 MEA (mg/kg) R4-MEA-1 MEA (mg/kg) R4-MEA-2 MEA (mg/kg)
R4-NITIN-1 MEA (mg/kg) R4-NITIN-2 MEA (mg/kg) R4-ANA-1 MEA (mg/kg) R4-ANA-2 MEA (mg/kg)
ABCD
ConcentraciondeMEA(mg/Kgdesueloseco)
EC de conjunto (mS/m)
44. Zonas Geoquímicas
Corrección de temperatura de 3.0%
Zona Rango de EC del
laboratorio
(mS/m)
Rango de EC
In situ
(mS/m)
Descripción
5 400 < 224 < Anaeróbico, NH4
+
alto, acetato alto,
posible área fuente de MEA
4 275-400 154-224 NH4
+
alto a moderado,
principalmente acetato moderado ,
posible área fuente de MEA
3 175-275 98-154 NH4
+
moderado, acetato de
moderado a bajo. Sin MEA
2 87-175 49-98 NH4
+
de moderado a bajo, acetato de
moderado a bajo, posiblemente
fondo.
1 < 87 < 49 Fondo
45. Mapa de
ubicación de
ERI en 3-D
Legenda
Arreglo de ERT en 3-D
Posicion del electrodo
Lapso de tiempo 2-D de
la linea ERT
Piezometro (A:somero,
B:profundo, C:mas profundo)
Muestra de core
Herramienta de conductividad
46. 880
885
890
Elevation(m)
960 980 1000 1020 1040
Easting (m)
850
900
950
1000
Northing(m)
Y
X
Z
Topografía superficial y ubicación de piezómetros
en el sitio de ERT 3-D
57. Geochemical zones; Temp. corr.=3.0%
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 1 2 3 4 5 6
Geochemical zone
Concentration(meq/kg) Acetate
NH4
MEA
Zona geoquimica
Concentracion(meq/kg)
Zonas geoquimicas; correccion de temperatura 3%
Acetato
58. Geochemical zones; Temp. Corr.=3.0%
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
0 1 2 3 4 5 6
Geochemical zone
concentration(mg/kg)
Acetate
Zonas geoquímicas; corrección de temperatura 3%
Zona geoquímica
Concentración(mg/kg)
Acetato
59. Geochemical zones; Temp. Corr.=3.0%
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
0 1 2 3 4 5 6
Geochemical zone
concentration(mg/kg)
NH4
Zonas geoquímicas; corrección de temperatura 3%
Zona geoquímica
Concentración(mg/kg)
60. Geochemical zones; Temp. Corr.=3.0%
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0 1 2 3 4 5 6
Geochemical zone
concentration(mg/kg)
MEA
Concentración(mg/kg)
Zonas geoquímicas; corrección de temperatura 3%
Zona geoquímica
61. Zonas Geoquímicas volúmenes de suelo usando resultados
de ERI
• Zona 1: EC < 49 (mS/m)
• Volumen total: 2172 m
• Zona 2: 49 < EC < 98 (mS/m)
• Volumen total: 10977 m3
• Zone 3: 98 < EC < 154 (mS/m)
• Volumen total : 5746 m3
•Volumen total 3+4+5 : 7286 m3
• Volumen total 3+4+5+sobrecarga : 9651 m3
• Zona 4: 154 < EC < 224 (mS/m)
• Volumen : 1146 m3
•Volumen total 4+5 : 1539 m3
• Volumen total 4+5+sobrecarga : 2554 m3
• Zona 5: EC > 224 (mS/m)
• Volumen total : 393 m3
• Volumen total 5+sobrecarga : 656 m3
62. Sumario
EC subterránea está correlacionada con la química del suelo y
el agua
Interpretación cuantitativa requiere datos en 3-D e inversión
Ubicación correcta
Magnitud correcta de EC
Modelos geoquímicos (o análisis de rocas) son necesarios para
extraer valores cuantitativos de interés a partir de valores
de ERI EC
La interpretación cuantitativa aumentara el valor de los datosLa interpretación cuantitativa aumentara el valor de los datos
geofísicosgeofísicos
63. Imagen de Resistividad
•El modelo Waxman-Smits da la relación entre la resistividad de ERI
y variacion a partir de las diferencias en la resistividad de geologia y
calidad de aqua.
•ERI puede usarse para mapear
Diferencias en la calidad del agua
Diferencias en geologia
•La temperatura es importante
•Cuidado con los problemas 3-D
•Siempre se necesitan los datos “duro” para tener confianza en
las interpretaciones
Notas del editor
I was a student of George’s at Princeton U. and later did a PDF with him at UVM. Besides mixing a mean Margarita, George is a great teacher. Besides the technical education, my students should thank him for teaching us how to be good advisors and mentors.
One of the points George would make about groundwater modeling went something like this, “The more data you have to constrain your model, the worse your model results look, but the more accurate they become.” This statement has stayed with me over the years and it has driven much of my research including today’s presentation.
El enfoque es usar imagen de resistividad electica lo que llamamos ERI
Our approach is to use surface electrical resistivity imaging which we call ERI.
A traves del uso de arreglos de electrodos conectados por cableado y controlados por computadoras, colectamos diferentes pseudo valores de resistividad con de trayectorias de corriente que se superponen
Through the use of arrays of electrodes connected by cabling and computer controled switching technology, we collect many different pseudo resistivity values with overlapping current paths.
Podemos trabajar con perfiles y suposiciones de geometria en 2 dimensiones o arreglos en 3-D. Hemos usado principalmente arreglos de Wenner para 2-D y arreglos de dipolo dipolo para 3-D.
We can work with profiles and assumptions of 2D geometry or full 3D survey arrays. To date we have mainly used Wenner arrays for 2D and Dipole Dipole for our 3D arrays.
La parte superior de la figura muestra una imagen en 2-D de pseudo resistividad electrica
The top of the figure shows a 2D image of the pseudo electrical resistivity.
La pseudo resistividad electrica es invertida para un estimado del verdadero perfil de resistividad. En el perfil, vemos la fuente en la parte alta y la y la concentracion de contaminantes en la region del pozo horizontal.
The pseudo electrical resisitivity is inverted for an estimate of the true resistivity profile. In the profile, we see the source area in the upland pad area and the concentration of contaminants in the region of the horizontal well.
A forward model of the pseudo resistivity profile is calculated with the inverted resistivity values and can be compared to the measured values.
Para interpretacion cuantitativa necesitamos un modelo fisico de roca
For quantitative interpretation we need a rock physics model.
Waxman-Smits es usado porque la tilita glacial contien una significativa fraccion de arcilla
Waxman-Smits is used because glacial tills contain a significant clay fraction.
Contiene la ley de Archie y un termino que considera la fraction de arcilla
It contains Archie’s Law and a term to account for the clay fraction.
The figure shows the correlation between site groundwater chemistry analysis determined values of meq/L and EC of pore water.
As water chemistry changes across the site, the EC of the water also changes.
Given the strong correlation, we hope to use EC to constrain the areal distribution of pore water chemistry.
In addition to the complex areal distribution of contaminants, the chemistry evolves with time. This figure shows the results of batch experiments on a slurry. The main points are that the chemistry evolves with time and the EC of the slurry parallels that evolution.
In this aerobic environment, processing chemicals methylethylglycol and methylethylamine degrade to acetic acid and the MEA also degrades to amonium. The MEA, NH4 and AC contribute to the EC. In an anaerobic environment, other chemical pathways are established.
Tracking these changes with monitoring wells alone is difficult and expensive.
However, we note the the EC evolution is correlated with the chemical evolution, giving us hope that we can use EC changes to guide our interpretation of chemical evolution.
Location of four time-lapse ERI profiles. Present comparison between June 00 and May 01. During the period, groundwater extractions had been made and attempts to enhance air circulation and add oxygen to the system. Indications of aerobic conditions (some nitrate) and anaerobic conditions (methane and hydrogen sulfide gas concentrations.
Nested piezometers show a complicated pattern of changes.
Upper piezometers ~ 2 mbgl
Lower piezometers ~ 4 mbgl
Chemistry can change dramatically in horizontal distances of 2 m and between upper and lower piezometers.
The June 00 and May 01 surveys are compared. We use an arbitrary cutoff of 150 mS/m to represent the division between abnormally high EC and background.
This is a fence post diagram with four lines showing the changes in categories between the two spring ERI inverted images. Note the locations of the piezometers which contained water EC changes as well
Red high with no change
Green background with no change
Blue high in June 00 but background in May 01
Yellow background in June 00 and high in May 01
Similar distribution to the water samples. Notice decreases in pad source area and along the horizontal well. However qualitative differences as well.
In some areas the upper wells increased in EC and meq/L while the lower wells decreased. Other areas simply decreased or showed no change