MÉTODOS
PROSPECCIÓN ELÉCTRICA
SONDEO ELÉCTRICO VERTICAL (SEV).
La exploración geoeléctrica en corriente continua es uno de los métodos geofísicos principales para el estudio de la estructura geológica de la parte superior de la corteza terrestre, se fundamentan en la teoría general del campo eléctrico estacionario y se basa en detectar los efectos super- ficiales que produce el flujo de una corriente eléctrica inducida en el subsuelo (Ley de Ohm).
El dispositivo tetraelectródico simétrico Schlumberger, actualmente es el más empleado en exploración geoeléctrica, su finalidad es deter- minar la distribución vertical de resistividad bajo el punto de atribución sondeado.
A grandes rasgos el objetivo de la prospección eléctrica consiste en propor- cionar imágenes del subsuelo en términos de espesores y resistividades, colo- cando dos electrodos de contacto galvánico en el terreno (A y B), correspon- dientes al circuito de energización o de inyección de corriente y medir la diferencia de potencial entre dos electrodos intermedios denominados (M y N).
La curva de resistividad resultante se procesa aplicando métodos geofísicos de inver- sión, con el objetivo de obtener un corte geoeléctrico el cual proporciona una imagen del subsuelo formado por una serie de unidades geoeléctricas definidas por un valor de resistividad y una profundidad, a partir de ellas y con la información geológica de la zona se puede realizar su interpretación litológica.
geofractal.ingenieria@gmail.com
La curva de resistividad resultante se procesa aplicando métodos geofísicos de inversion, con el objetivo de tener un corte geoeléctrico el cual proporciona una imagen del subsuelo formado por una serie de unidades geoeléctricas definidas por un valor de resistividad y una profundidad, a partir de ellas y con la información geológica de la zona se puede realizar su interpretación litológica.
El metodo se ejecuta en base a lo que determina la normatriva internacional ASTM D 6431-99.
Standard Guide for Using the Direct Current Resistivity Method for Subsurface Investigation.
TOMOGRAFÍA ELÉCTRICA (TRE).
La Tomografía de Resistividad Eléctrica (TRE) es un método geofísico para la caracterización del subsuelo, su finalidad es determinar la distribución horizontal y vertical de la resistividad, mediante una cobertura a detalle de campo.
La adquisición consiste en medir la resistividad aparente, mediante un dispositivo tetraelectródico con una separación constante entre electrodos denominada (a), los pares de electrodos de inyección de corriente y recepción de caída de potencial, los cuales varían su distancia por múltiplos de un valor denominado (n), el resultado será un modelo de resistividad aparente a varios niveles de profundidad de investigación (n);
Las técnicas de inversión de datos TRE permiten definir el comportamiento geoeléctrico del terreno, devolviendo como resultado perfiles 2D y modelos tridi- mensionales de alta resolución de resistividades reales del subsuelo.
TRE es una herramienta de alta resolución eficiente en investigaciones de ingeniería civil, detección de plumas contaminantes, ubicación de restos arqueológicos, caracteri- zación de yacimientos minerales, determinación de intrusión salina, localización de karsti- ficaciones, cavidades, zonas inestables y fracturas.
El metodo se ejecuta en base a lo que determina la normatriva internacional ASTM D 6431-99.
Standard Guide for Using the Direct Current Resistivity Method for Subsurface Investigation.
PROSPECCIÓN ELÉCTROMAGNETICA
GEORADAR
El georadar más conocido por sus siglas en inglés como GPR (Ground penetration radar) es una técnica novedosa de prospección geofísica, basado en la emisión y recepción de ondas electromagnéticas, es un método no destructivo de amplia utilización, la cual nos permite genera una imagen del subsuelo con alta resolución lateral y vertical, entre sus principales aplicaciones se encuentra la ingeniera civil, medio ambiente, geotecnia, arqueología, geología y minería.
El funcionamiento se basa en la emisión de un breve pulso de energía elec- tromagnética generado en la antena transmisora (Tx) con frecuencia central que oscila entre 50 y 2,000 MHz, la antena receptora (Rx) registra parte de la señal reflejada en la superficie cada vez que interacciona con un objeto, estruc- tura o cambio en la estratigrafía del terreno, con propiedades electromagnéticas diferentes a las del medio circundante.
La respuesta del medio a las señales emitidas, brinda información sobre la localización exacta (posición y profundidad) de objetos enterrados, así como de la composición del subsuelo, estos registros se denominan radargramas.
El metodo se ejecuta en base a lo que determina la normatriva internacional ASTM D 6432.
Standard Guide for Using the Surface GPR Method for Subsurface Investigation.
SONDEO TRANSITORIO ELECTROMAGNÉTICO (TEM).
El método del sondeo electromagnético transitorio, común- mente conocido como sondeo TEM, es una técnica novedosa de prospección geofísica usada para estimar la resistividad eléctrica del subsuelo.
El método de campo consiste en hacer circular una corriente constante por el Loop transmisor (Tx), produciendo un campo magnético primario, un corte instantáneo de esta corriente ocasiona la interrupción del campo magnético primario, induciendo una fuerza elec- tromotriz que satisface la Ley de Faraday de inducción electromagnética en el subsuelo.
Estas corrientes inducidas migran a profundidad generando un campo magnéti- co secundario, que con el tiempo inducen un voltaje en la bobina receptora (Rx), la cual contiene información sobre la resistividad del subsuelo, puesto que la magnitud y distribución de las corrientes inducidas depende de la resistividad.
El procesamiento de esta información generalmente se realiza con algún esquema de inversión linealizada en donde, a partir de un modelo inicial, en forma iterativa se estiman los parámetros del modelo de capas planas (resistividades y espesores), para que la respuesta calculada del modelo ajuste a la respuesta observada, sus principales aplica- ciones se encuentran en la geohidrología, minería y geotermia.
El metodo se ejecuta en base a lo que determina la normatriva internacional ASTM D 6820.
Standard Guide for Use of the Time Domain Electromagnetic Method for Subsurface Investigation.
POLARIZACIÓN INDUCIDA (PI).
El fenómeno de polarización inducida es una técnica aplicada en exploración geofísica, la cual permite registrar las variaciones transitorias en la caída de potencial ligado a los diferentes mecanismos de conducción eléctrica que ocurren en el subsuelo, con el objetivo de cuantificar las propiedades capacitivas de las formaciones geológicas, relacionados a sulfuros diseminados y/o soluciones acuosas, este método es comúnmente utilizados en exploración de minera y estudios ambientales.
El método consiste en inyectar una corriente eléctrica en el subsuelo mediante el arreglo geométrico dipolo-dipolo, el fenómeno de polarización se observa cuando la corriente se interrumpe del dispositivo electrodico, esto origina que el subsuelo se comporte como un capacitor, reteniendo parte de la corriente transmitida, debido a que el voltaje decae lentamente en función del tiempo, tanto por efectos capacitivos y electroquímicos particularmente en zonas de minerales diseminados y en algunos ambientes arcillosos.
El procesamiento de los datos consiste en una evaluación matemática (inversión geofí- sica), de los parámetros de resistividad y PI generando valores aproximados a los obser- vados en campo mediante algoritmos sometidos a varias iteraciones, representando los resultados como producto final secciones y modelos 3-D, que se asemejen indirectamente a la estructura del subsuelo, además su interpretación conjunta proveen información de litolo- gía, zonas mineralizadas, plumas contaminantes, fallas y fracturas.
El metodo se ejecuta en base a lo que determina la normatriva internacional ASTM D 6639.
Standard Guide for Using Frequency Domain Electromagnetic Method for Subsurface Investigation.
SONDEOS MAGNETOTELÚRICOS (MT).
El método Magnetotelúrico (MT) es una técnica pasiva de prospección geofísica, que permite determinar la estructura geoeléctrica del subsuelo a grandes profundidades. La fuente de energía electromagnética natural proviene de las perturba- ciones producidas por tormentas eléctricas y oscilaciones de corrientes ionosféricas, las cuales inducen al subsuelo flujos de corrientes eléctricas cuya distribución depende de las propiedades del medio.
La técnica de campo consiste a partir de una estación registra la informa- ción en series de tiempo de las componentes ortogonales del campo eléctri- co y magnético a diferentes frecuencias, la geometría del arreglo está defini- da por dos electrodos impolarizables enterrados perpendicularmente Norte-Sur y Oeste-Este, separados a una distancia aproximada de 20 a 50 metros, además de tres sensores magnéticos especiales de una solo componente, dos de ellos hori- zontales en dirección N-S y W-E y uno en dirección vertical.
El procesamiento consiste en el control de calidad de los registros y corrección Static Shif, posteriormente transformar las series de tiempo al dominio de las frecuencias, con el objetivo de calcular la componente tensorial, para obtener la curva de resistividad aparente y realizar el proceso basado en algoritmos de inversión 1D, actualmente los más utilizados son la transformada de Bostick y el algoritmo de Occam, como producto final generar modelos unidimensionales y/o secciones de resistividad.
Los avances recientes en el método Magnetotelúrico (MT), han permitido aplicarlo a exploraciones geotérmicas, geohidrológicas, zonas de alta mineralización e Hidrocarburos.
PROSPECCIÓN SÍSMICA
SÍSMICA DE REFRACCIÓN
Originalmente el método geofísico de refracción sísmica es una técnica de prospección que se desarrolló en la exploración petrolera y que ha encontrado un lugar importante en la ingeniería civil, para el análisis de propiedades físicas y mecánicas del subsuelo al efectuar diseños de cimentación, determinación de las condiciones (meteorización, fracturación, alteración) y competencia de la roca, valoración de estabilidad de taludes y deslizamientos, estra- tigrafía del terreno, así como en estudios de ingeniería sísmica.
La técnica en campo consiste en la detección de un frente de ondas elásticas, generado mediante una fuente mecánica (marro o explosivos), el cual se propa- ga a través del subsuelo causando deformaciones no permanentes, detectadas en superficie mediante una serie de sensores (geófonos), dispuestos en línea recta a distancias conocidas, llamado tendido de refracción sísmica (TRS).
Los registros de cada sensor tienen información de la respuesta del terreno en función del tiempo y son conocidos como sismogramas. El análisis del tiempo de llegada de las primeras ondas de cuerpo, tanto onda P como onda S, a cada sensor permite obtener una imagen de velocidad sísmica 2D o 3D del terreno en base a sus propiedades elásticas.
El metodo se ejecuta en base a lo que determina la normatriva internacional ASTM D 5777-95.
Standard Guide for Using the Seismic Refraction Method for Subsurface Investigation.
ENSAYO SÍSMICO MASW
El Ensayo MASW (Análisis de Ondas Superficiales en Arre- glo Multicanal), es un método sísmico no destructivo, el cual permite estimar la velocidad de onda de corte (Vs), basándose en el cambio de las propiedades dinámicas de los materiales que lo conforman.
Esta técnica se ha venido utilizando con bastante frecuencia en la exploración geotécnica, obteniéndose buenas correlaciones con ensayos SPT (Sondeos de Penetración Estándar), con ello clasificar la zona de estudio de acuerdo a normas internacionales y códigos sísmicos (IBC 2012, CFE 2015), que sirvan de análisis tanto en fase de planificación, caracterización de sitio, construcción y mantenimiento de grandes obras.
En un medio estratificado, la velocidad de fase de las ondas Rayleigh depende de la frecuencia, el método MASW consiste en analizar las propiedades de dispersión de los modos fundamentales de la propagación de las ondas superficiales Rayleigh, generadas por una fuente mecánica que se propagan elípticamente y retrograda a lo largo de la superficie del terreno a un sistema de registro en arreglo multicanal de banda ancha, por medio de 24 o más geófonos verticales con una frecuencia natural de 4.5 Hz
La secuencia de procesamiento de la información levantada en campo consiste en extraer y analizar la curva de dispersion de la onda Rayleigh, utilizando multiples algoritmos y técnicas de inversión, teniendo como resultado un modelo de velocidades de ondas de corte (Vs), para el punto central del tendido sísmico en el caso MASW 1-D y un mapa bidimensional para MASW 2-D.
El ensayo aporta información muy valiosa y de muy buena confiabilidad a un costo significativamente menor, motivo por lo cual constituye una alternativa fiable y económica.
ENSAYO SÍSMICO MAM Y SPAC EN LINEA
El método de ondas superficiales MAM (Medición de Microtrepidaciones en Arreglos Multicanal), es un método pasivo de exploración geofísica, el cual consiste en estimar la estructura de velocidad de ondas de corte, a partir del análisis espectral de registros de ruido sísmico ambiental, por lo que es favorable aplicarlo en zonas urbanas, presentando ventajas notables con respecto a los métodos tradicionales de prospección sísmica.
La base teórica del método consiste únicamente en ruido sísmico ambien- tal, cuya contribución pasiva es principalmente el espectro lentitud-frecuen- cia.
Los registros de campo se adquieren mediante diferentes tipos de arreglos Multi- canal, tales como triangulo, escuadra (forma de L), círculo y en línea, con sensores verticales de 4.5 Hz de frecuencia natural.
La integración de los ensayos sísmicos MASW y MAM, Constituye una alternativa muy económica para la evaluación de propiedades dinámicas del subsuelo, Su mayor aplica- ción se encuentra en la caracterización de sitios (Vs30), amplificación del terreno y respuesta de sitios para ingeniería civil.
SÍSMICA DE POZO DOWNHOLE Y CROSSHOLE
La predicción de la respuesta dinámica de la interacción suelos-estructuras, es un problema complejo que requiere la colaboración de diversas disciplinas entre ellas Ing. Geofísica, geotecnia e ingenieros estructurales. Los ensayos sísmicos de pozos (Downhole y Crosshole), constituye uno de los métodos ampliamente utilizados para determinar la velocidad de las ondas sísmicas compresiónales y de cizalla polarizada en el interior de pozos.
El ensayo Downhole consiste en la preparación del pozo, el cual debe estar entubado con PVC, relleno con una lechada compuesta por agua-cemento, sin obstrucciones y libres de daños, En el interior se coloca un geófono triaxial direccional con respuesta en frecuencia de 4.5 a 18 Hz, adaptado a un sistema de anclaje a las paredes del tubo, en superficie se generan ondas sísmicas, mediantes impactos mecánicos en una placa metálica ubicada a una distancia de 5 metros del pozo en sentido vertical se generara Onda P y lateralmente Onda S, midien- do cada metro hasta alcanzar la profundidad del pozo estudiado.
La interpretación consiste en corregir los tiempos de arribo en función del offset, con el objetivo de obtener un gráfico tiempo–profundidad, donde los contactos entre unidades litoló- gicas están representados por la inclinación de segmentos de recta, donde el valor inverso de su pendiente corresponde a la velocidad de propagación de las ondas sísmicas a distintos nive- les de profundidad del pozo
Las aplicasiones principales se encuentran en estimar los módulos dinámicos de deformación del terreno tales como, Razon de Poisson, Modulo de Corte, Modulo de Young, Modulo Volumétrico Dinamico, que sirven como base para realizar cálculos del comportamiento sisimico en diversas estructuras u obras civiles,segin norvativa de diseño CFE 2015.
El metodo se ejecuta en base a lo que determina la normativa internacional ASTM D 7400.
Standard Test Methods for Downhole Seismic Testing.
ESPECTRO NAKAMURA [H/V]
El riesgo sísmico es un concepto que considera la posibilidad de que se produzcan pérdidas de vidas humanas y pérdidas económicas debidas a la acción de un terremoto.
Las metodologías utilizadas para el análisis del riesgo sísmico ocupan una herramienta muy importante, como lo es el análisis diná- mico de suelos ya que a través de él podemos conocer la respuesta o comportamiento de los suelos frente a las ondas sísmicas esta respuesta dinámica está íntimamente ligada con la frecuencia natural de vibración del suelo.
La técnica de cocientes espectrales H/V para la estimación del periodo funda- mental de vibración del suelo fue desarrollado por Nakamura en 1989, permite encontrar la función de transferencia del suelo utilizando vibraciones ambientales, dicho método representa una técnica práctica y económica a fin de inferir las propie- dades dinámicas del suelo, estimando el efecto de sitio para capas superficiales con el objetivo de mitigar el riesgo sísmico.
El metodo se ejecuta en base a lo que a lo que se determina la normativa internacional ASTM E 2026-07.
Standard guide for Seismic Risk Assessment of Buildings.
ICC-IBC 2009 Seismic Category Provisions.
SÍSMICA DE REFLEXIÓN
La sísmica de reflexión de alta resolución tiene como objetivo obtener una imagen o sección de offset cero en donde los diferentes reflectores representan los cambios de impedancia acústica del medio que se investiga.
El principio del método consiste en generar un disturbio elástico en la superficie, conocido como Punto de Tiro, el cual se difunde a través del medio en forma de ondas, al encontrar un medio de diferente densidad, parte de la energía regrese a la superficie y pueda ser registrada mediante geófonos, con el objetivo de una adquisición de cobertura múltiple se realizan numerosos disparos, cada uno colocado con una geometría determinada que dará como resultado un gran grupo de trazas sísmicas las cuales serán ordenadas por el método de Puntos de Reflejo Común (CMP).
El conjunto de todas las trazas CMP constituye la denominada “Sección Sísmica de Reflexión”, que es el resultado final de este método. en donde los máximos de amplitud de las trazas están directamente relacionados con la geometría e interfaces de las capas, su interpretación se emplea generalmente para estudios del campo geotécnico, obras civiles, estudios ambientales, exploración de minerales metálicos, delineación estratigráfica, riesgo sísmico y de subsidencia del terreno.
ESPECTRO DE DISEÑO SÍSMICO
Los sismos ocurridos en la ciudad de México han destacado la importancia de sus efectos en el comportamiento de las construcciones, el diseño sísmico investiga el comportamiento y los métodos de cálculo que garantizan el buen comportamiento y seguridad de estructuras ante los sismos.
La intensidad y las características del movimiento sísmico son afecta- das por las condiciones estratigráficas y las propiedades dinámicas de los suelos, por ello es de gran importancia determinar la respuesta del sitio donde se colocarán las estructuras.
Actualmente podemos definir espectro como un gráfico de la respuesta máxima expresada en términos de desplazamiento, velocidad o aceleración que produce una acción dinámica determinada en una estructura, que de acuerdo con el Manual de Diseño por Sismo de la Comisión Federal de Electricidad es una importante herra- mienta de la dinámica estructural de gran utilidad en el área del diseño sismorre- sistente
Las aplicaciones principales se encuentran en estimar los módulos dinámicos de deformación del terreno, tales como Razon de Poisson, Modulo de corte, Modulo de Young, Modulo Volumétrico Dinamico, que sirve como vase para realizar cálculos del comportamiento sísmico en diversas estructuras u obras civiles, segun norvativa de diseño CFE 2015.
ENSAYO DE INTEGRIDAD EN PILAS (PIT)
Evaluar la integridad de estructuras de concreto en cuanto a su capacidad y calidad al momento de su instalación garanti- zar la seguridad de nuestras obras civiles. El ensayo de integri- dad de pilotes (en inglés, Pile Integrity Testing, abreviado PIT) es un ensayo de integridad no destructivo para pilas de cimentación, se encuentra normalizado según ASTM D5882.
Para la realización de este ensayo se requiere que la cabeza de la pila sea correctamente descabezada, evitando fisuras y que el concreto se encuentre sano, una vez preparada la pila, se pule y limpia la zona donde se coloca un acelerómetro, cuando el martillo golpea la superficie de la pila se forma una onda que se propaga hasta encontrar un reflector o discontinuidad. Una discontinuidad consiste en la variación de impedancia mecánica, que puede deberse a un cambio de material, tal como ocurre en la base de la pila, una defor- mación en el área de sección, fractura y en los vaciados en sitio pueden presentarse por inclusiones, vacíos y pobre calidad del concreto.
La evaluación e interpretación de registros PIT se realiza mediante gráficas de velocidad en función del tiempo, producto del promedio de diferentes impactos de martillo, además de integrar datos de inspección, curvas de vaciado e información geológica. Con el objetivo final de identificar reflexiones asociadas a la base y/o posibles irregularidades en la composi- ción de la pila. El método PIT ofrece una técnica novedosa, fiable a un costo razonable para la evaluación de la integridad de elementos profundos de cimentación.
El método se ejecuta en base a lo que a lo que determina la normativa internacional ASTM E 5882.
Standard Test Method for Low Strain Integrity Testing of piles.
AFNOR NFP 94-160-2 (Francia)
MÉTODOS POTENCIALES
MAGNETOMETRÍA
La prospección magnetométrica es una técnica fundada en el estudio de la variación del campo magnético terrestre, con el fin de detectar minerales ferromagnéticos los cuales ínsita la propiedad de magnetización inducida en los materiales en el subsuelo, el método puede ser aplicado en cualquiera condición geológica ya sea terrestre, aérea o marina; la unidad de medición es el gamma y/o nTesla.
El levantamiento en campo consiste en medir entre estaciones a lo largo de líneas paralelas y equidistantes entre sí, la intensidad magnética total, la cual contiene una componente regional y otra inducida o remanente, ocasio- nada por la presencia de cuerpos susceptibles a ser magnetizados que contri- buyen a modificar el campo magnético terrestre en su entorno.
El campo magnético terrestre no es constante, pues se encuentra sometido a varia- ciones periódicas y aleatorias, por tal motivo se coloca un segundo Magnetómetro base ubicado en un lugar fijo destinado a medir estas variaciones temporales, en forma periódica, por lo menos cada 15 segundos, durante todo el tiempo de adquisición, con el propósito de eliminar este fenómeno en los registros de campo.
El proceso de los datos consiste en técnicas espectral para separar una anomalía regional y otra residual, esta información suele presentarse para su posterior procesado e interpretación en forma de perfiles y mapas, el más usado es el Reducido al polo RTP, que permite relacionar especialmente las anomalías magnéticas de los cuerpos magnéticos que las producen.
Además de filtros con señal analítica, primera Derivada Vertical, así mismo el modelo de inversión, permite determinar en tres dimensiones de la ubicación, forma y profundidad de los cuerpos magnéticos.
GRAVIMETRÍA
La gravimetría es un método potencial de prospección geofí- sica que no requiere de una fuente artificial, ya que es una técnica pasiva que mide con alta precisión la variación de la componente vertical del campo natural gravitatorio, con el fin de detectar la distribución de densidad en las unidades geológicas presente en el subsuelo, su principal aplicación se encuentran en exploración petrolera, minería, cartografía geológica, ingeniería civil, geotecnia y arqueología.
La exploración geofísica en campo se realiza por medio de estaciones georeferenciadas con alta precisión distribuidas en perfiles o mallas, en cada punto se toman como mínimo cinco registros con el fin de adquirir una medi- ción estable, además de corregir por deriva instrumental los datos por observa- ciones periódicas de una estación base con lecturas a cada 10 minutos, en pros- pección gravimétrica la unidad de medición es el miligal.
Considerables avances en la teoría de campos potenciales e informática han contribuido al desarrollo de algoritmos de procesamiento, interpretación y visualización de datos 3-D; los cuales han permitido solucionar problemas geológicos mediante perfiles o modelos de densidad del subsuelo 2.5-D e inversión 3-D (Anomalía de Bouguer).
El fundamento fisicomatématico del método gravimétrico descansa en la «Ley de la Gravitación Universal de Newton»
ESPECTROMETRÍA DE RAYOS GAMMA
El método radiométrico se basa en el registro de la desinte- gración y comportamiento de los elementos radiactivos de los materiales en el subsuelo, asociados a la presencia de mine- rales inestables en suelos y rocas que tienen un potencial alto de ser explotados para fines económicos. La base teórica del método radica en la diferente abundancia que presentan los distintos tipos litológicos en sus contenidos de uranio, torio y potasio.
En campo el método consiste en realizar perfiles paralelos transversales al rumbo de las estructuras geológicas mediante estaciones donde se reali- zan lecturas al interior de una pequeña excavación (calicata), georeferencia- das realizando 3 lecturas con una duración de 15 segundos con un espectróme- tro orientado hacia el norte, este instrumento permite determinar a energía parti- cular la radiación gamma, el núcleo radiactivo emisor y determinando concentra- ciones equivalentes relativas de U, Th y K.
Los estudios radiométricos es una excelente herramienta para apoyar la cartografía geológica, en el monitoreo ambiental, es utilizado para detectar alteraciones químicas provocadas por elementos contaminantes, así como en la prospección de minerales radioactivos.
