5. metodos geofísicos pdf

01/03/2015 M en C. Martha Angélica Elizondo
Sámano
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EXPLORACIÓN DIRECTA
Presenta tres inconvenientes que en la actualidad tienen gran impacto:
el costo (debido entre otras cosas a la necesidad de realizar
perforaciones cada vez más profundas y en terrenos que
presentan mayor dificultad)
el tiempo empleado en la obtención de resultados
y la perturbación creada en el subsuelo
La alternativa de solución a estos problemas son:
MÉTODOS INDIRECTOS

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MÉTODOS INDIRECTOS
Son métodos que sin necesidad de tener muestras subsuelo se
obtienen resultados que nos permiten conocer de forma aproximada los
estratos o materiales del subsuelo.
La Exploración Geofísica son métodos indirectos de exploración
sus técnicas nos ayudan a describir la geometría y la propiedades
mecánicas de los suelos a profundidad.
En la Ingeniería Civil la utilización de los Métodos Geofísicos
se han convertido en un proceso utilizado cada vez con mayor
frecuencia

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La Exploración Geofísica relaciona los PARÁMETROS FÍSICOS del
subsuelo con los diferentes materiales que lo componen
Se aplica en:
La prospección y evaluación de los recursos naturales
( para ver la estructura interna de la tierra,
el petróleo, la construcción de infraestructura y la minería)
En cuestiones más someras como
las exploración de agua subterránea
la evaluación de contaminantes
la evaluación de riesgos
sísmicos
pluviales (inundaciones)
tectónicos

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La geofísica presenta un problema inicial
LA ESCALA A LA QUE SE UTILIZA
Profundidad de interés
En la Prospección para ver la estructura interna de la tierra,
para la exploración y la explotación del petróleo, las profundidades de
investigación son del orden de km, mayores a 5000 m
En la Ingeniería Civil son profundidades
menores a 100 m en la mayoría de los casos
Esto NO afecta la teoría de los métodos
Pero tiene un problema en la logística de la adquisición
de la información
Es decir, afecta en:
los métodos de campo para la adquisición de datos
y en el sistema de detección utilizado (ejem. Sismógrafos y georadar)

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PROPIEDADES FÍSICAS
La densidad
La susceptibilidad magnética
La resistividad eléctrica
El grado de radioactividad
Etc.
Otros parámetros que están en función de las propiedades anteriores
La velocidad de la transmisión de la ondas elásticas
La velocidad de la onda electromagnética
La magnetización
La permitividad eléctrica

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Estas propiedades se miden a través de la medición de los fenómenos
físicos relacionados con la estructura de la tierra como:
El campo gravitacional
El campo geomagnético
Y el flujo térmico
Es posible producir, artificialmente y en pequeña escala:
Campos eléctricos
Campos magnéticos
Fuentes sísmicas

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La variación en profundidad de los parámetros en las observaciones
de los campos mencionados, ya sean naturales o artificiales
Es lo que se conoce en geofísica como:
ANOMALÍA
OBJETIVO PRIMORDIAL DE LA GEOFÍSICA ES
Es la definición de la geometría y la posición de la estructura
que genera la ANOMALÍA, sus propiedades físicas (densidad, resistividad,
velocidad de la onda sísmica, conductividad eléctrica, etc.), su interrelación
con las características generales a nivel regional y con el conocimiento
previo del área.

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Los métodos geofísicos generan una gran cantidad de
Información útil, para el diseño de las estructuras, y para el
proceso constructivo:
Para que estos métodos proporcionen las resultados esperados
es preciso establecer en la Ingeniería Civil
SUS ALCANCES Y SUS LIMITACIONES
Es necesario entender que dichos procedimientos son
técnicamente y económicamente
APLICABLES
Esto es debido a la versatilidad de los equipos utilizados y gracias
a los avances de la electrónica

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El grado de desarrollo alcanzado en estas técnicas es
muy alto sobre todo:
En la fabricación de los instrumentos de medición
En la teoría que se aplica
Y en el proceso e interpretación de estas técnicas.
Lo que permite el uso de diversos métodos en las condiciones
de campo requeridas y a un costo razonable.

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MÉTODOS GEOFÍSICOS
MÉTODOS SÍSMICOS
MÉTODOS ELÉCTRICOS
MÉTODOS
ELECTROMAGÉTICOS
GRAVIMÉTRÍA
MAGNETOMETRÍA
MÉTODOS RADIOACTIVOS
REGISTROS DE POZOS

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MÉTODO SÍSIMICO
Los métodos sísmicos pueden ser:
Refracción sísmica
Relfexión sísmica
Sísmicos no convencionales

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MÉTODOS ELÉCTRICOS
Los métodos eléctricos pueden ser:
Sondeos Eléctricos Verticales (SEV)
Dispositivos Dipolares
Dipolo-dipolo
Sluberger
Winner
entre otros
Polarización Inducida
Potencial Espontáneo

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MÉTODOS ELECTROMAGNÉTICOS
Los métodos electromagnéticos pueden ser:
Sondeo Magnetotelúrico (SMT)
Sondeos por Frecuencia
Transitorios Electromagnéticos
Sondeo por Transitorio Electromagnético (TEM)
Calicatas Electromagnéticas
Radar de Penetración Terrestre (Georadar)

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OTROS MÉTODOS SON:
GRAVIMETRÍA
MAGNETOMETRÍA
METODOS RADIOACTIVOS

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REGISTROS DE POZOS
Los registros de pozos pueden ser:
Eléctricos de Resistividad
Un electrodo
Multipolares
Dispositivos Normales
Dispositivos Laterales
Registros de Guarda
Electromagnéticos
Registros de Inducción
Registros de Tiempo-Propagación Magnética
Registro Magnético Nuclear
Registros Sónicos
Registros Sónicos de Porosidad

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Registros Radioactivos
De Densidad (gamma-gamma)
Densidad Compensada
Espectrometría de Rayos Gamma
Rayos Gamma Naturales
Saturación
Registros Geométricos
Caliper
Desviación –Dirección
Flujo
De Echados
Registros de Video

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MÉTODO SÍSMICO
El principio de los métodos sísmicos es la generación de ondas
elásticas con una fuente artificial (golpe de marro, explosivos,
electromecánicas,…) y el registro de la propagación del pulso
generado se detecta en sismógrafos o geófonos colocados en
la superficie del terreno o en pozos

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Los métodos sísmicos utilizan dos características importantes de la
formación del subsuelo:
1º la velocidad de la propagación de las
ondas elásticas que varían según la naturaleza
del subsuelo y que depende de sus características
de deformabilidad.(modulo de elasticidad y coeficiente
de Poison)
2º Particularmente que la estratigrafía del subsuelo está
separada por superficies de contacto definidas que
reflejan parte de la energía generada

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La velocidad de transmisión de las ondas sísmicas, definen superficies
de separación en las que las ondas sufren refracción, reflexión y difracción
(ley de Snell).

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Los sismógrafos se diseñan para medir una de las componentes
del movimiento del terreno
Para tener el vector de movimiento del terreno, necesitamos
tres sismógrafos, que midan las tres componentes del movimiento
del terreno.

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Las ondas elástica generadas por cualquier fuente artificial
están constituidas por:
Ondas P
Ondas S
Ondas superficiales
Ondas de aire

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Las ondas superficiales son aquellas que existen únicamente
en la superficie libre de un medio elástico y se conocen dos
tipos:
Ondas Rayleigh
Son una combinación de
ondas longitudinales
y transversales donde la
vibración de las partículas
se efectúa en el plano
perpendicular a la superficie
del terreno y por tanto a la
propagación de la onda
Es un movimiento elíptico y
retógrado
Ondas Love
Son una combinación de
las ondas longitudinales
donde el desplazamiento
de las partículas es horizontal
o paralelo a la dirección de
propagación de la onda

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En prospección sísmica la mayor parte de la energía producida es
en forma de ondas longitudinales o de compresión, transversales o
de cizallamiento y superficiales.
La Instrumentación consta de los siguientes equipos:
los sensores
los cables
el iniciador del registro
y el geófono o sismógrafo

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Refracción Sísmica
Está técnica se basa en los tiempos de viaje de los primeros
arribos de la señal, es decir, en la diferencia de velocidad de
la onda sísmica en las distintas capas subsuelo
Consiste en la realización de perfiles longitudinales, instrumentados
con geófonos, espaciados entre sí regularmente, la energía que libera
el disparo generada por el golpe de un martillo de 8 kg, llega a los sensores
provocando una perturbación que se registra en el sismógrafos.

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La longitud de los perfiles suele ser de 25 a 100 m.
La separación de los geófonos es de aproximadamente 5 m.
La medida de los tiempos de llegada de las ondas elásticas
A los geófonos proporciona el valor de la velocidad de
Propagación de la onda y el espesor de los distintos materiales
Sismograma

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Las primeras ondas en llegar son las ondas directa
a partir de la Distancia Crítica, llegan primero las ondas refractadas
que circulan en los niveles del subsuelo
La mayor distancia recorrida por las ondas es compensada por la
Mayor velocidad

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La democrónica es la función lineal
que relaciona el tiempo de llegada
de la primera onda con la distancia
recorrida por la misma onda
Existe varias formas para obtener la
la profundidad y velocidad bajo cada
Geofono, son basados en la desviación
De la recta teórica, que se observan en
Cada geofono
Y se puede medir el tiempo de ida
Y el tiempo de regreso o de vueltsa

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Existen tablas, para la ver la velocidad de propagación de las ondas
sísmicas longitudinales P
La aplicación de la sísmica de refracción en la determinación de los
espesores, en la cubicación de las áreas de préstamo de materiales
Etc.
Ver práctica de refracción sísmica

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SÍSMICA DE REFLEXIÓN
Es muy similar a la técnica anterior
A partir de los tiempos de llegada de las ondas longitudinales
A los geófonos y las velocidades de los distintos horizontes se pueden
Reconstruir las trayectorias de las ondas primarias y delimitar la disposición
Estructural de los distintos horizontes sísmicos a lo largo del perfil
Todo lo anterior va en función
del coeficiente de reflexión
que depende de la amplitud de
la onda incidente y reflejada
entre el material inferior y superior
y la relación de velocidades de
propagacion en cada uno de los
materiales.

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Este método tiene la desventaja de tener asociados otros tipos de onda
Originados por las condiciones de la superficie del terreno, lo que se
llama ruido aleatorio ambiental y reflexiones múltiples que se registran
al mismo tiempo que la señal enmascarando los resultados
Su atenuación es posible mediante el tratamiento de las señales
Lo que se llama Procesamiento de la Señal Sísmica, para después
Interpretar la señal.
Tiene la ventaja de que permite representar gráficamente múltiples
Horizontes con un único disparo, sin perder precisión con la profundidad

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Métodos Eléctricos
Son aquellos que estudian la respuesta del terreno cuando se propaga a través
de él corrientes eléctricas continuas (DC)
El parámetro físico que se controla es resistividad, que es una propiedad
de los materiales y sobre todo del contenido de agua

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FORMULA DE ARCHIE
Relaciona la resistividad del material, el agua contenida
En los poros y la porosidad
w
nm
Sa  

Donde S es la saturación del material
Y a, m, n son coeficientes experimentales
de los cuales se utilizan promedios

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La medida de resistividad se lleva
acabo mediante los siguientes pasos
Introducción al terreno de una
corriente continua de intensidad
I mediante electrodos, llamados A y B
conectados a una fuente de energía
Se mide la diferencia de potencial ,
generada por el paso de corriente
entre dos electrodos M y N
Y se calcula la resistividad del
espesor de terreno afectado por el
paso de corriente
V
)/( IVKa 

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Donde
K es el coeficiente
geométrico del dispositivo
usado
Existen varios dispositivos:
Schlumberger
Wenner

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La interpretación de los resultados
de las investigaciones eléctricas se
realiza mediante cálculos
matemáticos que proporcionan unos
resultados más confiables cuanto
más parecido sea el modelo obtenido
o real, al modelo Geológico de
partida

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Esta técnica utiliza la configuración la configuración Schlumberger, consiste
en separar sucesivamente los electrodos de corriente A y B, del punto central
siguiendo una línea recta.
La resistividad aparente calculada es la correspondiente a mayores espesores
según se va variando los electrodos.
La profundidad habitual de investigación es entre 0 y 200 m.
El resultado que se obtiene es la variación de la resistividad con la profundidad
en el punto central del perfil.
Sondeos Eléctricos Verticales

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Calicatas Eléctricas
Se adopta el dispositivo Wenner,
donde las distancias AM; MN y NB son
iguales y se mueve todo el dispositivo
lateralmente a lo largo del perfil
seleccionado
Detectando las variaciones laterales
de resistividad aparente a una
profundidad
más o menos constante.
La profundidad habitual de
investigación están entre 0 y 50 m

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Dipolo-Dipolo o Pseudosecciones
En esta técnica se sitúa el dípolo MN
lateralmente al AB y alineado con él.
Se mantiene fijo el dipolo se desplaza
sucesivamente el MN
Se mueve un paso AB y se repite el
proceso.
El esquema de distribución de los
electrodos y la distribución de las
Resistividades aparentes obtenidas se
presentan en la figura
Y el resultado es un perfil de
resistividades del terreno

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Métodos Electromagnéticos
Son aquellos que estudian el subsuelo cuando la respuesta del terreno
se propaga a través de campos electromagnéticos
Es el método que más formas de generación o detección de campos tiene
La diversidad de sus características dan lugar a un mayor número de técnicas

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RADAR DE PENETRACIÓN TERRESTRE
Es un método que funciona por reflexión de la onda electromagnética
obteniendo perfiles continuos de alta resolución, similares a los de
Sísmica de reflexión
Sus ventajas son
La rapidez en la toma de datos
y su versatilidad para cambiar antenas con diferentes frecuencias
Su desventaja principal es la excesiva dependencia de las características
Superficiales del terreno al que se le aplica.

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Profile A-A’
A’ A
Exploradores
Ejército
de
O
riente
Batallón
de
Cuautla
19.3720°
-99.034°
50 m
A
A'
19.3742°

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Location of Exploratory Wells
13
12
11
10
9
1 km
Peñon del Marquez
2200
2300
100 m
Height(m)
Peñon del Marquez
12 11 10
SW NE
(modified from Marzal. 1978)
1250 m
2220
2210
2000
1990
1980
1970
2250
2240
2230
Mean Lake Level
HeightAboveSeaLevel(m)
10
11
12
13
Organic soil
Surficial unit
Upper Clay Unit
Transitional

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El equipo GPR
Consiste en insertar mediante una antena transmisora con diferentes
frecuencias impulsos cortos de energía electromagnética
Cuando la onda radiada se encuentra por ejemplo con fracturas, huecos
etc., La señal reflejada se amplifica, se transforma al espectro de
audiofrecuencia y se registra
De esto se obtiene, un perfil continuo, en el que se indica el tiempo total de
viaje de la señal al pasar a través del subsuelo, se refleja también la
Discontinuidad y la señal vuelve a la superficie
Este doble viaje se mide en nanosegundos

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La selección de la frecuencia de las antenas, es en función
del compromiso entre la resolución y la profundidad de
penetración
alta frecuencia mayor resolución pero
poca profundidad de penetración.
baja frecuencia mayor profundidad de
penetración pero menor resolución
El equipo consta de cuatro elementos principales:
La unidad transmisora
la unidad receptora
la unidad de control
la unidad de registro

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GPR Survey
• SIR-2000 GPR
(GSSI).
• 200 MHz antenna
• Range (2-5 m)
• Mono-static mode

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La interpretación de los registros de radar, también
llamados radagramas
Se basan en la caracterización de la textura, amplitud
continuidad y terminación de las reflexiones
Hay que recordar que son equipos muy sensibles a la
influencia de estructuras metálicas, ondas de radio,
tendidos eléctricos etc.

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Profile A-A’
Pipe lines
Water Table (??)
fracture??
subsidence
scans 50 m
scan 4
A A’Recently paved
Time(ns)
1
2 3 4 5 6

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Correlation between WVD-borehole (10)
100 300
Trace 4
Wigner-Ville
Transform
Trace 4
(Filtered)
Borehole 12
e
Frequency
Time
Depth(m)
Time(ns)
Time(ns)
0
50
100
150
s(t) (original) WVD (w,t) s(t) (filtered) 10
?
?
Frequency (MHz)
Depth(m)

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MÉTODO GRAVIMÉTRICO
Se basa en el estudio de las diferencias de campo gravitatorio
terrestre, en un lugar, y el valor que teóricamente debía tener ese
lugar.
La anomalía están originadas por la diferencia en la densidad
del subsuelo y son positivas o negativas según que exista en el lugar
un cuerpo de mayor o menor densidad que la del entorno
La unidad de medida es el miligal = 10-3 cm/s2
El aparato es el gravímetro, generalmente de precisión de 0.01 mgal.
Y existen Microgravímetros con una precisión de 0.001 mgal.

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Gravímetro LaCoste
&Romberg modelo G

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Registro de pozos

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Sísmica de sondeos
CROSS_HOLE
Que se realiza entre dos o tres sondeos proximos,
donde se introduce una sonda triaxial a distintas
profundidades y en el otro se realiza el golpeteo.
El resultado es una sección de diferentes profundidades
DWON-HOLE Y UP-HOLE
Se llevan a cabo en un solo sondeo en el que la sonda
triaxial se dispone a distintas cotas con un espaciador
regular entre ellas, y se procede a el golpeteo
En el Dwon hole es desde la superficie del sondeo
Y en el Up-hole es desde el fondo del sondeo

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TOMOGRAFÍA SÍSMICA
Esta técnica nos permite obtener una imagen de la distribución espacial
de la velocidad de propagación de las ondas sísmicas en la sección del
terreno afectada

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Sondas radioactivas
Pueden ser
pasivas o activas
Las pasivas miden la emisión natural de radiación
en el terreno que circunda el sondeo
Las activas registran la respuesta del terreno al ser
bombeadas por rayos gamma o por chorro de neutrones.

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La sonda gamma-gamma su principal utilidad es la estimación de
la densidad del terreno
Bombardea una fuente artificial de isótopos radioactivos que emiten
Rayos gamma (radio-226, cesio-137 y cobalto-60)
Registrándose los rayos gamma que permanecen con una determinada
pérdida de energía, momentos después, este valor es inversamente
Proporcional a la densidad de la formación.
SONDA GAMMA-GAMMA

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