Prospección magnética en áreas de intenso ruido como herramienta de análisis en la ingeniería civil. Aplicación conjunta con técnicas de georadar a la zona del sincrotrón de Cataluña

      Se ha programado el reconocimiento del subsuelo mediante diferentes técnicas de prospeción geofísica apoyadas en sondeos. El presente estudio desarrolla una metodología de medición y control de errores que permite una aplicación de la técnica magnética al campo de la ingeniería civil incluso en entornos de intenso ruido magnético; establece la localización y cuantificación de las principales fuentes de distorsión; compara la señal de la zona de estudio con la del observatorio magnético más próximo para establecer una caracterización del nivel de ruido y propone un método frecuencial alternativo al método integral utilizado; y determina la estructura del subsuelo a partir de la aplicación de la técnica magnética complementada con el análisis mediante georadar.

      También se emplea el método del georadar, el cual ha permitido corroborar el carácter natural de la zona central, comprobar la ausencia de líneas de servicios enterrados en la zona central, así como asegurar la continuidad de las capas y definir el buzamiento de deposición natural.

      Por último se comparan los métodos magnético y electromagnético estableciendo sus posibles aplicaciones a la ingeniería civil a partir de la experiencia desarrollada en la zona del Sincrotrón.

AGRADECIMIENTOS

ÍNDICE i

LISTA DE FIGURAS vii

LISTA DE TABLAS xiii

SÍMBOLOS Y UNIDADES xv

Capítulo 1:
INTRODUCCIÓN 1
1.1 Antecedentes 4
1.2 Objetivos 5

Capítulo 2:
CAMPO GLOBAL: GEOMAGNETISMO 7
2.1 El campo magnético 9
2.2 Elementos magnéticos 13
2.3 Aproximación del campo terrestre mediante el campo de un dipolo 16
2.4 Análisis armónico del campo terrestre 23
2.5 Fuentes que generan el campo terrestre 27
2.6 Variaciones temporales del campo magnético terrestre 32
2.6.1 Variación secular 32
2.6.2 Variación diurna solar 35
2.6.3 Variación semidiurna lunar 37
2.6 .4 Tormentas magnéticas 38
2.6.5 Pulsaciones magnéticas 40

Capítulo 3:
CAMPO REGIONAL 41
3.1 Minerales con propiedades magnéticas 42
3.2 Susceptibilidad magnética de las rocas 44
3.3 Magnetización remanente de las rocas 45
3.4 Campo de referencia de la Península Ibérica 51
3.5 Campo magnético regional de Cataluña 54
3.5.1 Susceptibilidades magnéticas de las rocas catalanas 58

Capítulo 4:
CAMPO LOCAL: MAGNETOMETRÍA 60
4.1 Situación 61
4.2 Geología 62
4.3 Secuencia de trabajo 62
-análisis magnético 63
-análisis electromagnético 64
4.4 Replanteo topográfico 64
4.5 Medida del campo magnético 65
4.5.1 Magnetómetro de precesión de protones 65
4.5.2 Magnetómetro de bombeo óptico 68
4.5.3 Instrumentación utilizada 70
4.6 Metodología propuesta para un levantamiento magnético 74
4.6.1 Toma de contacto con el campo local 74
4.6.2 Definición de los parámetros característicos del levantamiento 75
a) limites de la zona 75
b) Distancia entre puntos de medida. 76
c) Altura del sensor 78
d) Número de lecturas 79
e) Cadencia de medida de los magnetómetros base y operador 80
j) Número de puntos de control 83
4.6.3 Puesta a punto de los magnetómetros 84
a) Calibración de los magnetómetros 84
b) Corrección instrumental y azimutal 84
– error sistemático 85
– desviación cuadrática media del error 85
– error azimutal 86
4.6.4 Consulta de las Previsiones Magnéticas 86
4.6.5 Consideraciones importantes acerca del levantamiento 87
a) Anotaciones de campo 88
b) Perfiles de trabajo 90
c) Punto de control y perfil patrón 91
d) Control del magnetómetro 92
e) Ensayos 92
J) Finalización del trabajo 93

Capítulo 5:
TRATAMIENTO DE DATOS 94
5.1 Teoría del error muestral 95
5.2 Estimación de las anomalías y del error cometido 98
5.2.1 Estimación de la anomalía magnética 99
5.2.2 Error cuadrático medio en la determinación de la anomalía P 102
5.2.3 Estimación del error de cierre del levantamiento 103
5.3 Limitaciones de la sustracción escalar 104
5.4 Distribuciones de los estadísticos muestrales 106
5.4.1. Ajuste de las desviaciones típicas de F determinadas con el GSM-8 108
5.4.2 Ajuste de las desviaciones típicas de F determinadas con el G-856 A 114
5.4.3 Valoración de los ajustes 120
5.5 Clasificación del levantamiento en función del error estimado 120
5.6 Algoritmo del procesado de datos 121
5.7 Resultados del procesado de datos 124
5.8 Comparación y valoración de la señal de F del Sincrotrón 125
5.9 Análisis de Fourier para la caracterización frecuencial de una señal 128
5.9.1 Transformada de Fourier 128
5.9.2 Cálculo digital de la transformada de Fourier 130
5.9.3 limitaciones del análisis de una señal finita de muestreo discreto 130
5.10 Análisis FFT del ruido en la señal de F del Sincrotrón 131
5.10.1 Extracción de la señal de ruido del registro de F del Sincrotrón 131
5.10.2 Análisis del algoritmo FFT rápida del ruido de F del Sincrotrón 132
5.10.3 Amplitudes frecuenciales armónicas de la FFT rápida del ruido de F del Sincrotrón 134

Capítulo 6:
INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS MAGNÉTICOS 137
6.1 Determinación de la escala vertical de cartografiado magnético 138
6.2 Representación gráfica de los datos procesados 139
6.2.1 Mapa de desviaciones típicas del registro de F del GSM-8 139
6.2.2 Interferencias de campo debidas al Laboratori 141
6.2.3 Interferencias de campo debidas a la autopista 142
6.2.4 Interferencias de campo debidas al vehículo todo terreno 144
6.2.5 Interferencias de campo debidas al operador 145
6 .2.6 Mapa de anomalías magnéticas a 0.9 m de altura 145
6.2.7 Mapa de anomalías magnéticas a 1.8 m de altura 146
6.3 Métodos de interpretación de un mapa magnético 147
6.4 Interpretación cualitativa: mapa de gradientes verticales 148
6.5 Determinación de las susceptibilidades de las muestras 154
6.6 Morfología de la anomalía originada por una fuente 157
6.7 Metodología de interpretación 160
6.8 Interpretación de las líneas de la zona anómala 161

Capítulo 7:
MÉTODO ELECTROMAGNÉTICO DE IMPULSOS DE ALTA FRECUENCIA 164
7.1 Propagación de las ondas electromagnéticas 165
7.2 Fenómenos presentes en la propagación de ondas 168
7.3 Instrumentación del método electromagnético 169
7.3.1 Funcionamiento del radar 169
7.3.2 Forma sencilla de la ecuación del radar 170
7.3.3 Ecuación del radar considerando las pérdidas 172
7.3.4 Estructura del georadar 173
7.4 Técnicas de prospección con el georadar 174
7.5 Aplicación del método en la parcela de construcción del Sincrotrón 176
7.5.1 Instrumentación 176
7.5.2 Metodologta de barrido electromagnético 178
7.5.3 Elección de los perfiles electromagnéticos 180
7.5.4 Registro del espectro electromagnético 181
7.5.5 Filtrado del espectro e interpretación 183
Filtros horizontales 183
Filtros verticales 184

Capítulo 8:
CONCLUSIONES 193
8.1 Aplicación del método magnético en la ingeniería civil 194
8.1.1 Ventajas del método magnético 196
8.1.2 Inconvenientes y limitaciones del método magnético 197
8.2 Aplicación del método electromagnético en la ingeniería civil 198
8.2.1 Ventajas del método electromagnético 200
8.2.2 Inconvenientes y limitaciones del método electromagnético 202
8.3 Resumen de conclusiones 202
8.4 Futuras líneas de investigación 204

BIBLIOGRAFÍA 206

ANEJOS

      La metodología de prospección propuesta supone registrar gran número de valores
de F, incluso con valores redundantes de control. La medición a varias alturas permite también un cierto control sobre el valor de la anomalía residual.

      Mientras que la metodología de tratamiento de datos busca establecer un valor representativo de la anomalía magnética que no esté distorsionado por el ruido local, ni las variaciones temporales de campo de origen natural. Además ésta genera un parámetro de fiabilidad que da una descripción de la variabilidad de la serie de medidas empleadas en la estimación de la anomalía. El parámetro de fiabilidad desarrollado clasifica la medida en cinco niveles de bondad de la estimación.

      La estimación de los errores mediante la formulación propuesta y desarrollada permite caracterizar el nivel de dispersión en la determinación del valor representativo de F en el intervalo de registro en cada punto, originado por la gran variación de la intensidad de campo local.

      El estudio de ajuste de la distribución muestral de la dispersión de las series de diez medidas de F registrada con los magnetómetros de protones GSM-8 y G-856 A permite la caracterización de un método para establecer el incremento de intensidad de campo total entre iso líneas.

      También se propone el apoyo de la prospección en una primera retícula realizada con magnetómetro de protones (el cual proporciona una gran capacidad para cubrir con rápidez la zona a analizar) con la prospección con magnetómetro de flujo en una retícula mucho menos densa que la primera y que cubra algunos puntos analizados con el de protones. Establecer una interpolación de la declinación e inclinación del campo en los puntos en los que no se han registrado las tres componentes de campo con el magnetómetro de flujo y realizar una sustracción vectorial , en vez de escalar, para ganar resolución en la estimación de la anomalía residual.

      Los resultados obtenidos con una instrumentación tan limitada (el GSM-8 es el magnetómetro más elemental de la gama de ABEM) cuando actualmente existen magnetómetros de lectura más rápida y más memoria que el G-856 A, dan fe de la capacidad del método desarrollado. Incluso, garantiza mejores resultados en el análisis con los magnetómetros y gradiómetros de mejores prestaciones que existen actualmente (el magnetómetro ABEM GSM-19 F sólo emplea 02 segundos entre dos medidas sucesivas). Otros facilitan la prospección gracias a la configuración especial de manos libres: el gradiómetro GSM-19 G permite cubrir mayores zonas cómodamente sin tener que determinar la intensidad de campo total a dos alturas en dos pasadas sucesivas, lo que comporta duplicar el tiempo de prospección y aumentar los errores debidos al ruido de la señal local de F.

      Las prestaciones de los aparatos de registro magnético actualmente comercializados no tienen comparación con las de los magnetómetros G-856 A y GSM-8 utilizados en el estudio del Sincrotrón. La utilización de instrumental de características más acordes con las posilibidades de la técnica, confiere al método desarrollado una mayor aplicación a todos los niveles.

      El método electromagnético de impulsos de alta frecuencia constituye una técnica muy versátil para la detección y localización de objetos, y para determinar la estructura de la zona más superficial de la corteza (de interés especial para la ingeniería).

      La perturbación del georadar frente a señales distorsionadoras es escasa debido al control de las características de las ondas emitidas. En cambio, el método magnético resulta altamente perturbado por el ruido producido por las ondas electromagnéticas aéreas que son generadas por instalaciones eléctricas o vehículos; con todo, es posible minimizar el efecto del ruido con una intensificación de las medidas, con una metodología de prospección y tratamiento de datos y mediante la determinación de F en intervalos entre medidas menores a la mitad de la longitud de la onda menor característica del ruido y posterior realización de un análisis frecuencial.