Aplicación de la inversión generalizada a la interpretación de sondeos eléctricos verticales. Realización de campañas geoeléctricas completas

Previamente a ello se presenta la teoría del sondeo eléctrico vertical con sus principales aplicaciones y limitaciones, la inversión generalizada y los filtros lineales, en concreto el filtro de Andersson.

El empleo de los algoritmos presentados ha permitido proceder al estudio de las limitaciones del método S.E.V. y como resultado se ha desarrollado una metodología analítica en la cual a partir de la matriz de resolución de los parámetros estimados del modelo se detecta la presencia de la principal limitación de la prospección geoeléctrica: las equivalencias. La detección de su presencia permite afrontarlas en el momento de la interpretación mediante la adquisición de información por otros medios.

Finalmente, se ha puesto en marcha el equipo ABEM SAS 300 de prospección geoeléctrica, adquirido por el Servei de Geofísica de la UPC, en el marco de los estudios preliminares de reconocimiento del terreno que se realizan para el proyecto Sincrotrón de Cataluña y también en una de sus aplicaciones más usuales: el estudio de una explotación de áridos a cielo abierto. Todo ello se ha interpretado satisfactoriamente con las técnicas presentadas en la tesina.

2.- APLICACIONES DE LOS SONDEOS ELÉCTRICOS VERTICALES 5
2.1.- Condicionantes para la aplicación del método S.E.V 5
2.2.- Principales aplicaciones del método S.E.V 6

3.- PROPIEDADES ELECTROMAGNÉTICAS DE ROCAS Y SUELOS 8
3.1.- Factores determinantes de la resistividad de una formación 9
3.2.- Orden de magnitud de la resistividad en diferentes tipos de materiales 13

4.- METODOLOGÍA DE CAMPO Y PROCEDIMIENTO DE TOMA DE MEDIDAS 15
4.1.- Configuraciones electródicas 15
4.2.- Elección de la disposición Schlumberger frente a la Wenner y sondeos dipolares en aplicaciones para ingeniería civil 17
4.3.- Elección de los puntos y dirección de toma de medida 18
4.4.- Circuito de medida de potencial; integración de corrientes parásitas 20
4.5.- Equipo de prospección geoeléctrica Terrameter S.A.S 300 de ABEM 24

5.- CONCEPTOS Y PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE PROSPECCIÓN GEOELÉCTRICA 26
5.1.- Ecuaciones generales 26
5.2.- Condiciones de contorno en la interfase entre dos medios 29
53.- Potencial electródico en un medio estratificado de n capas 30
5.4.- Función de resistividad aparente 36
5.5.- Cálculo de la resistividad aparente a partir de las observaciones de campo para las diferentes configuraciones electródicas 37
5.6.- Relación entre la resistividad aparente y la función transformada de la resistividad 39
5.7.- Tipos de curvas S.E.V. y nomenclatura 40

6.- INTERPRETACIÓN DE SONDEOS ELÉCTRICOS VERTICALES 42

7.- MÉTODOS DE INTERPRETACIÓN CUALITATIVA 44

8.- INTERPRETACIÓN CUANTITATIVA DE SONDEOS ELÉCTRICOS VERTICALES 46
8.1.- Introducción 46
8.2.- Problema directo 48
8.2.1.- Resolución del problema directo mediante filtros lineales 49
8.3.- Problema inverso 56
8.3.1.- Inversión generalizada 56
8.3.2.- Técnicas de resolución de problemas «mal condicionados»; inversión «Ridge Regression» 61
8.3.3.- Indices de valoración de la resolución de los parámetros estimados 65
8.3.4.- Aplicación de la inversión generalizada a la prospección geoeléctrica 70
8.3.5.- Valoración de las derivadas de pa(si) respecto de los espesores y resistividades de las capas 72
8.3.6.- Implementación de los algoritmos 75

9.- LIMITACIONES DE LA INTERPRETACIÓN CUANTITATIVA DE SONDEOS ELÉCTRICOS VERTICALES; EQUIVALENCIAS Y SUPRESIÓN DE CAPAS 77
9.1.- Principio de equivalencia 78
9.1.1.- Introducción 78
9.1.2.- Equivalencias clásicas 79
9.1.3.- Estudio de las equivalencias a partir de la descomposión de Lanczos de la matriz de derivadas parciales 83
9.1.4.- Estudio de las equivalencias a partir de la matriz de resolución 88
9.2.- Principio de supresión de capas 94

10: ESTUDIO DE UNA EXPLOTACIÓN DE ÁRIDOS NATURALES EN OLESA DE MONTSERRAT 96
10.1.- Introducción 96
10.2.- Objetivos 97
10.3.- Técnicas geoeléctricas frente a sondeos mecánicos en explotaciones de áridos 97
10.4.- Geología de la explotación 98
103.- Plan de trabajo 98
10.6.- Morfología de las curvas de S.E.V 99
10.7.- Interpretación 104
10.8.- Resultados 107
10.9.- Conclusiones 111
10.10.- Modelos ajustados y cálculos 114

11.- RECONOCIMIENTO GEOELÉCTRICO DEL TERRENO PARA EL PROYECTO SINCROTRÓN DE CATALUÑA 132
11.1.- Introducción 132
11.2.- Situación geológica 134
11.3.- Objetivos 134
11.4.- Trabajo de campo. Condicionantes 135
11.5.- Morfología de las curvas e interpretación 138
11.6.- Resultados 142
11.7.- Conclusiones 145
11.8 .-Modelos ajustados y cálculos 146

12.- CONCLUSIONES 184

13.- BIBLIOGRAFÍA 189

I. Comparación con los métodos tradicionales de interpretación:

La necesidad de calcular el problema directo mediante el desarrollo en serie de la integral de Stefanesco (Mooney et al., 1966) limita la operatividad de los métodos tradicionales de interpretación que se traducen en la superposición gráfica de curvas maestras a las curvas S.E.V. obtenidas en experimentos de campo. El tratamiento automático con la teoría de filtros, en particular con el filtro de Andersson (1979), permite automatizar el análisis de los datos de campo. De su uso combinado con las técnicas de inversión generalizada se derivan las siguientes ventajas:

* Optimización de la precisión de la interpretación, minimizando el error cometido en el ajuste de parámetros a la curva S.E.V. de campo.

* Eliminación de la componente subjetiva del interpretador.

* Cuantificación y control del error cometido.

* Posibilidad de aumentar el número de capas incógnita del corte limitadas a 4 ó 5 en los métodos de superposición gráfica.

* Simplicidad y rapidez de interpretación de la prospección. Tradicionalmente, el interpretador de curvas S.E.V. tenía que ser un auténtico especialista debido a la dificultad de los métodos, necesitando un tiempo muy elevado para hallar una solución factible.

El uso de la inversión «Ridge Regression» junto con indicadores de control de la solución tiene las siguientes ventajas:

* Posibilidad de tratar problemas mal condicionados, que aparecen con frecuencia en la interpretación de S.E.V. debido a la existencia de los fenómenos de equivalencia y supresión de capas.

* Gran velocidad de convergencia del algoritmo.

* Posibilidad de conocer a través de la matriz de resolución que parámetros no han sido resueltos independientemente. Esto permite el estudio de las equivalencias presentes en el corte geoeléctrico, no limitadas a las clásicas.

* La posibilidad de fijar parámetros o de acotarlos permite tratar los fenómenos de equivalencias con otra información geológica procedente del estudio de la zona, de sondeos o de otras técnicas de prospección geofísica. La existencia de estas equivalencias puede detectarse a través del estudio de la matriz de resolución.

Las indeterminaciones del método S.E.V. deben buscarse en la física del problema. Éstas son debidas a lo poco que afectan a la morfología de las curvas S.E.V. determinadas variaciones de los parámetros del modelo, que dan lugar a los fenómenos de equivalencia y supresión de capas. El método de inversión presentado resuelve perfectamente aquella parte del modelo de la que se tiene suficiente información, es decir, la totalidad de los parámetros exceptuando los afectados por los fenómenos anteriores.

II. Comparación del SA.S. 300 de ABEM con equipos anteriores.

* La disponibilidad de un circuito integrador de corrientes parásitas, siguiendo la teoría de Deeperman (1968), permite la aplicación de la prospección geoeléctrica en lugares donde por la presencia de fuertes corrientes parásitas, tanto industriales como naturales, se hacía impensable el uso de este tipo de prospección con otros aparatos. Éste ha sido el caso de la prospección realizada para el reconocimiento del terreno en la ubicación del futuro Sincrotrón de Catalunya.

* La potencia del aparato se ha visto limitada en algunas ocasiones para semialas superiores a los 310 metros. Apoyándonos en la experiencia de las prospecciones geoeléctricas realizadas durante la confección de esta tesina recomiendo el aumento de la corriente máxima admisible, actualmente 20 miliamperios, mediante la adquisición del complemento S.A.S. 2000 Booster que permitiría corrientes máximas de 500 miliamperios.

III. Aspectos sobre la metodología de adquisición de datos e interpretación

Son de interés para mejorar la eficiencia de la campaña de S.E.V. y su posterior interpretación los siguientes aspectos:

* La definición de la campaña de prospección eléctrica debe estar condicionada por los objetivos de ésta. Deben conocerse las limitaciones del método para proceder a una adecuada malla de S.E.V. y a la correcta interpretación de las medidas.

* Es importante realizar una interpretación cualitativa de todos los S.E.V. conjuntamente antes de proceder a cuantificar cada uno de los S.E.V. por separado.

* La definición del modelo eléctrico de partida para la realización de la inversión de las curvas, hace recomendable el disponer de la información de un sondeo mecánico. Esta información servirá además para resolver posibles fenómenos de equivalencia.

* La testificación eléctrica del sondeo mecánico nos permite conocer el número de capas eléctricamente significativas del corte, así como los contrastes de resistividades. Los valores de resistividad de los materiales obtenidos con la testificación eléctrica están afectados de la elevada conductividad de los lodos de perforación. Por lo tanto, se obtiene una cota inferior de estos valores, que puede introducirse en los algoritmos de inversión, pero nunca el valor exacto.

IV. Respecto al uso de la prospección geoeléctrica en los casos reales estudiados:

* Se presenta como una alternativa muy competitiva a los tradicionales sondeos en los estudios de reconocimiento del terreno para obras de Ingeniería Civil. La relación información/precio que puede obtenerse con una campaña bien desarrollada es muy elevada.

* La optimización del uso de los métodos de reconocimiento del terreno pasa por el empleo de las técnicas geofísicas, entre ellas el método S.E.V. Debe huirse de la utilización indiscriminada de sondeos mecánicos por debido a los siguientes aspectos:

– Elevado coste de los mismos.
– Carácter puntual de la información obtenida.
– Necesidad de accesos para el posicionamiento de la maquinaria.
– Necesidad de un plazo mayor para obtener la información.

En este sentido, los resultados de la prospección eléctrica tienen como utilidad inmediata la optimización de la subsiguiente campaña de sondeos, definiendo la ubicación más conveniente y la profundidad a alcanzar, en cada caso, en función de las dudas que se tengan tras la realización de la prospección.

No se trata de eliminar la ejecución de sondeos mecánicos sino de realizar únicamente los que sean precisos y donde sean necesarios. Con ello, las técnicas geofísicas contribuyen a reducir de forma decisiva los costes de exploración.

La conclusión final de la tesina es que debe potenciarse el empleo y conocimiento de los métodos geofísicos de reconocimiento del terreno entre los profesionales de la Ingeniería Civil. En particular, la prospección geoeléctrica es un medio muy barato para conseguir información de calidad suficiente en muchas tipologías de obras, sobre todo cuando se trata de determinar la profundidad de la base rocosa, potencias de mantos de alteración, localización de estratos resistentes, por ejemplo conglomerados u areniscas, donde cimentar y otros estudios geológicos. Este método merece más confianza que la que se le da actualmente.