APLICACIÓN ESTRATÉGICA DE MÉTODOS GEOFÍSICOS PARA LA EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA

Un estudio geofísico es a menudo el medio más rentable y rápido para obtener información del subsuelo, especialmente en áreas de estudio grandes (Sirles, 2006). La geofísica en la geotecnia se puede utilizar para seleccionar la ubicación de los pozos y puede proporcionar información confiable sobre la naturaleza y la variabilidad del subsuelo entre los pozos existentes. Es posible que un programa de perforación de rutina no detecte una estructura geológica aislada, como un pináculo de piedra caliza (Figura 1). Sin embargo, un estudio geofísico efectivo podría detectar la presencia del pináculo y mapear la altura y la extensión aérea del mismo. Otras ventajas de la geofísica geotécnica están relacionadas con la accesibilidad del sitio, la portabilidad, la no invasividad y la seguridad del operador.

El equipo geofísico a menudo se puede instalar debajo de puentes y líneas eléctricas, en áreas densamente boscosas, en sitios contaminados, en áreas urbanas, en pendientes pronunciadas, en terreno pantanoso, en pavimento o roca, y en otras áreas que pueden no ser de fácil acceso para equipos de perforación o equipos de prueba de penetración de cono (CPT). Además, la mayoría de las herramientas geofísicas de superficie o aerotransportadas no son invasivas y, a diferencia de la perforación o la excavación de zanjas, dejan poca o ninguna huella en el medio ambiente. Estas consideraciones pueden ser cruciales cuando se trabaja en áreas ambientalmente sensibles, en terrenos contaminados o en propiedad privada. Además, los estudios geofísicos generalmente se consideran menos peligrosos que la perforación, ya que existen menos riesgos asociados con los encuentros y operaciones de servicios públicos. Por último, los estudios geofísicos pueden permitir a los ingenieros reducir la cantidad de pozos requeridos.

Las herramientas geofísicas geotécnicas se utilizan habitualmente para obtener imágenes del subsuelo de la Tierra en apoyo de las investigaciones geotécnicas relacionadas con el transporte (Sirles, 2006). Los métodos geofísicos comúnmente empleados incluyen refracción sísmica, reflexión sísmica, MASW, ReMi, tomografía sísmica de pozos cruzados, GPR, EM, resistividad eléctrica, IP, magnetismo, SP y gravedad (Anderson, 2006; Wightman et al., 2004) (Tabla 1, Figuras 2–13).

Por lo general, los pulsos acústicos se generan en ubicaciones de fuentes predeterminadas (S) a lo largo del perfil sísmico de refracción. Los tiempos de viaje de la energía acústica que ha sido refractada críticamente en los horizontes de interés (L1) se registran en ubicaciones receptoras predeterminadas (R1, R2, etc.). La información del tiempo de viaje registrado se utiliza para generar un perfil de estructura de velocidad del subsuelo poco profundo a lo largo del perfil de refracción. Si las restricciones externas están disponibles, el perfil de estructura de velocidad se puede transformar en un modelo geológico.

Por lo general, los pulsos acústicos se generan en ubicaciones de fuentes predeterminadas (S) a lo largo del perfil sísmico de reflexión. Los tiempos de viaje y las amplitudes de la energía acústica reflejada se registran en ubicaciones de receptor predeterminadas (R1, R2, etc.). La información de amplitud y tiempo de viaje registrada se utiliza para generar un perfil sísmico de reflexión. Estos datos se pueden transformar en un perfil de estructura de velocidad. Si las restricciones externas están disponibles, el perfil de estructura de velocidad se puede transformar en un modelo geológico.

La energía de onda superficial (onda de Rayleigh), generada mediante una fuente acústica cercana, se registra en ubicaciones de receptor predeterminadas (R1, R2, etc.). Una curva de dispersión (velocidad de fase frente a frecuencia), generada a partir de los datos de campo adquiridos, se invierte y se utiliza para generar un perfil de velocidad de onda transversal 1-D (generalmente vinculado al centro físico del conjunto de receptores). Si se adquieren conjuntos de datos MASW adicionales en ubicaciones adyacentes, se pueden crear modelos de velocidad de onda transversal 2-D o 3-D. Si las restricciones externas están disponibles, los modelos de velocidad de onda de corte se pueden transformar en modelos geológicos.

La energía de onda superficial (onda de Rayleigh), generada mediante una fuente acústica pasiva (de fondo), se registra en ubicaciones de receptor predeterminadas (R1, R2, etc.). Una curva de dispersión (velocidad de fase frente a frecuencia), generada a partir de los datos de campo adquiridos, se invierte y se utiliza para generar un perfil de velocidad de onda transversal 1-D (generalmente "vinculado" al centro físico del conjunto de receptores). Si se adquieren conjuntos de datos ReMi adicionales en ubicaciones adyacentes, se pueden crear modelos de velocidad de onda transversal en 2D o 3D. Si las restricciones externas están disponibles, estos modelos de velocidad de ondas de corte pueden transformarse en modelos geológicos.

Por lo general, los pulsos acústicos de alta frecuencia se generan en ubicaciones de origen predeterminadas (S) en el pozo de origen (SB). La amplitud y el tiempo de llegada de las llegadas directas (y otras) se registran en ubicaciones receptoras predeterminadas en el pozo receptor (RB). Los datos de amplitud y tiempo de viaje registrados se analizan estadísticamente y se utilizan para generar un modelo transversal de atenuación de velocidad del área entre los pozos de la fuente y el receptor. Si las restricciones externas están disponibles, el perfil de atenuación de la velocidad se puede transformar en un modelo geológico.

Por lo general, la energía EM pulsada se genera en ubicaciones de estaciones predeterminadas a lo largo del perfil GPR. Los tiempos de viaje y las amplitudes de la energía EM reflejada generalmente se registran mediante un transmisor-receptor monoestático. La información de amplitud de tiempo de viaje registrada se usa normalmente para generar un perfil GPR (imagen de amplitud de tiempo 2-D). Estos datos se pueden transformar en un modelo 2-D de velocidad-profundidad. Si las restricciones externas están disponibles, se puede generar un modelo geológico.

Los gravímetros están diseñados para medir variaciones en el campo gravitacional de la Tierra y, por lo general, se utilizan para generar modelos de densidad-profundidad en 2D o 3D del subsuelo. Si se dispone de restricciones externas, los modelos de densidad-profundidad se pueden transformar en un modelo geológico.

Los magnetómetros están diseñados para medir variaciones en el campo magnético de la Tierra. Estos generalmente son causados por la presencia de material magnéticamente susceptible de origen natural o humano (típicamente magnetita o hierro, respectivamente). En ciertos casos, los datos magnéticos pueden interpretarse cuantitativamente y transformarse en modelos geológicos restringidos. Sin embargo, más típicamente, los datos magnéticos se interpretan cualitativamente y simplemente se usan para verificar la presencia o ausencia de materiales magnéticamente susceptibles.

Por lo general, la corriente (I) se induce entre pares de electrodos (C1, C2). Se mide la diferencia de potencial (ΔV) entre los electrodos de voltímetro emparejados P1 y P2. Luego se calcula la resistividad aparente (Δa) (basada en I, ΔV, espaciamientos de electrodos). Si el espaciado de los electrodos de corriente se expande alrededor de una ubicación central, se puede generar un sondeo de resistividad-profundidad. Si la matriz se expande y se mueve a lo largo de la superficie, se pueden crear modelos de resistividad-profundidad en 2D o 3D. Si se dispone de restricciones externas, los modelos de resistividad-profundidad se pueden transformar en modelos geológicos.

Se adquieren dos tipos de datos de IP: dominio de frecuencia y dominio de tiempo. Los datos IP en el dominio de la frecuencia se generan comparando las resistividades aparentes determinadas para dos corrientes de entrada de frecuencia variable. Los datos en el dominio del tiempo se generan midiendo la tasa de decaimiento de la diferencia de potencial medida después de que finaliza el flujo de corriente. IP mide las propiedades capacitivas del suelo, y se utiliza para estimar cualitativa-cuantitativamente la concentración-distribución de arcilla o mineralización metálica.

Las herramientas de SP se utilizan (principalmente) para medir (a) las diferencias de potencial natural que surgen de la oxidación-reducción de cuerpos metálicos que se extienden a ambos lados del nivel freático y (b) el potencial de flujo asociado con el flujo de agua subterránea. Los datos de SP generalmente se interpretan de manera cualitativa y se usan de manera rutinaria para ubicar zonas de filtración en presas y diques de relleno de tierra.

Las herramientas EM se utilizan para medir la respuesta de la Tierra a la energía EM natural o antropogénica. Las mediciones se pueden realizar en el dominio del tiempo o de la frecuencia. Algunas herramientas se utilizan para localizar metales o servicios públicos; otros se utilizan para crear modelos de profundidad de conductividad del subsuelo. Si se dispone de restricciones externas, los modelos de conductividad-profundidad se pueden transformar en modelos geológicos.