Detection and characterization of karstic caves: integration of geological and geophysical techniques

Martínez Moreno, Francisco José

2016-A
Mejor Tesis en Geofísica
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Resumen

RESUMEN EXTENDIDO

El estudio de cavidades cársticas ha experimentado un alto crecimiento debido a su alto valor socioeconómico y científico. Las cavidades representan un alto potencial turístico y económico, así como un gran reservorio de agua y otros usos, tales como viviendas, bodega de vinos o conserva de alimentos. El estudio de cuevas que tienen acceso desde el exterior se puede abordar de una forma directa mediante técnicas geodésicas y geológicas clásicas. Sin embargo, existe un gran número de cavidades sin descubrir y sin acceso desde el exterior. El estudio de este tipo de cavidades se debe abordar de forma indirecta.

Los métodos geofísicos se presentan como una herramienta adecuada para la detección de nuevas cavidades. Sin embargo, cada cueva tiene condiciones de contorno diferentes que deben ser tenidas en cuenta. Los parámetros geológicos, tales como litología, foliación, estratificación, buzamiento, fallas, diaclasas así como las características hidrogeológicas van a determinar la morfología de las cavidades presentes y, por tanto, facilitará la interpretación de los resultados de prospección geofísica aplicados.

En este trabajo se realiza una combinación de varias técnicas geofísicas aplicadas a cavidades con morfologías y contextos geológicos diferentes. Se han investigado cuevas encajadas en mármoles (Gruta de las Maravillas, Aracena, suroeste de España), calizas (Cueva de la Algaidilla, Estepa, sur de España), y yesos (Cuevas de Sorbas, Sorbas, sureste de España). Las diferentes propiedades físicas entre cavidad y roca encajante (densidad, resistividad, velocidad de ondas sísmicas o contraste dieléctrico) son analizadas para detectar y determinar las cavidades presentes. Además, en las cavidades estudiadas cambian la respuesta esperada en cada una de las técnicas aplicadas ya que tiene condiciones de contorno diferentes que incluyen: cuevas parcialmente sumergidas en agua (Cueva de la Algaidilla y Gruta de las Maravillas), con paredes tapizadas de mineralizaciones metálicas (Gruta de las Maravillas) y cuevas totalmente secas (Cuevas de Sorbas). Además también influyen las diferentes profundidades y tamaños, desde pequeñas y superficiales (Cuevas de Sorbas y Gruta de las Maravillas), hasta profundas y grandes (Cueva de la Algaidilla y Gruta de las Maravillas).

La integración de diferentes metodologías geofísicas permite obtener unos resultados más fiables. Se ha realizado una combinación de métodos microgravimétricos, magnéticos, eléctricos (resistividad y polarización inducida), sísmicos (refracción y reflexión) y electromagnéticos (Georradar). Todos estos métodos geofísicos han sido acompañados de métodos geodésicos de alta precisión para un buen posicionamiento y ajuste de las medidas de campo.

Esta combinación de métodos geofísicos ha sido acompañada de un detallado estudio geológico de las áreas circundantes a la cavidad. Estas observaciones geológicas han permitido interpretar los resultados de forma que se ajuste mejor a la realidad y ha conseguido subsanar la mayor parte de los errores de interpretación.

Los resultados obtenidos muestran que los estudios microgravimétricos regionales en malla regular, con un espaciado apropiado a las dimensiones y profundidades esperadas para la cavidad estudiada, son la primera aproximación para una buena localización y estimación de zonas con alta probabilidad de contener cavidades. Además, se ha realizado una comparativa de los diferentes métodos de separación de la anomalía de Bouguer en anomalía regional y residual, y se ha determinado que los mejores resultados se obtienen mediante ajuste polinomial de bajo orden. Debido a que los métodos gravimétricos no ofrecen una solución única en la estimación de morfologías, tamaños y profundidades, estos deben ser combinados con otros métodos geofísicos. Los perfiles de tomografía eléctrica de resistividad y perfil de velocidades en sísmica de refracción ofrecen resultados que se aproximan a morfologías reales, que pueden ser comprobadas con modelos gravimétricos directos en 2.5D. Además, los métodos de cobertura de rayos en sísmica de refracción y microgravimetría no están tan restringidos a las condiciones de contorno de la cavidad para su detección, como sí lo están los métodos eléctricos, magnéticos o de georradar. Las medidas de tomografía eléctrica separadas en el tiempo revelan que la variación en las condiciones de humedad del suelo aumenta el contraste de resistividad entre la cueva insaturada y la roca encajante.

La mejor combinación de metodologías geofísicas aplicadas en las diferentes cuevas estudiadas ha permitido definir morfologías de cavidades desconocidas hasta ahora (Cueva de la Algaidilla y continuidad de la Gruta de las Maravillas). Además ayuda a caracterizar las anomalías asociadas a cavidades en las diferentes técnicas aplicadas, para poder detectar otras cavidades desconocidas en condiciones similares en el futuro. La combinación de métodos geofísicos en diferentes contextos geológicos ha permitido determinar que la microgravimetría y la cobertura de trazado de rayos en sísmica de refracción son la mejor metodología de trabajo para la detección de cavidades.

Abstract

EXTENDED ABSTRACT

The study of karstic cavities has undergone substantial growth due to its high socio-economic and scientific value. In addition to attracting tourists and having economic potential, caves imply large reservoirs of water and may even serve for housing, wine cellars or food preservation. The study of caves that are accessible from the outside can be conducted in a direct way, using classical geodetic and geological techniques. However, there are many undiscovered cavities lacking direct access, and their study must be conducted indirectly.

Geophysical methods are presented as a suitable tool for new cavity detection. Still, each cave has different boundary conditions to be taken into account. Geological features such as lithology, bedding, foliation, dip, faults and joints, as well as the hydrogeological features, determine cave morphologies and therefore condition the interpretation of results when applying geophysical prospecting techniques.

In this Ph.D. Thesis, a combination of geophysical techniques was applied over cavities having different morphologies and geological settings. Included are caves hosted in marbles (Gruta de las Maravillas cave, Aracena, Southwest Spain), limestone (Algaidilla Cave, Estepa, Southern Spain), and gypsum (El Bosque cave, Sorbas, Southeast Spain). Diverse physical properties between the cavity and surrounding rock (density, resistivity, seismic wave velocity or dielectric contrast) are analysed to detect the presence of cavities. The response of the applied techniques varies due to the different boundary conditions: caves partially submerged in water (Gruta de las Maravillas and Algaidilla), metallic mineralized walls (Gruta de las Maravillas), or completely dry caves (El Bosque). Another essential aspect is the depth and magnitude of the void, from small and shallow caves (Gruta de las Maravillas and El Bosque), to deep and large ones (Gruta de las Maravillas and Algaidilla).

By integrating various geophysical methods, more reliable results are ensured. Microgravity, magnetic, electrical methods (resistivity and induced polarization), seismic methods (refraction and reflection) and electromagnetic (Ground Penetrating Radar) were combined in this research. All the geophysical procedures were supported by high-precision geodetic techniques for the positioning and adjustment of field measurements.

This combination of geophysical methods was furthermore complemented by a detailed geological survey of the areas surrounding the cavity. Such data aids the interpretation of findings, so that they better fit reality.

The obtained results show that regional microgravity studies, performed at regular grid measurement spacing according to the expected size and depths of the studied cavity, may be used as a first approximation to locate and estimate sectors with a high probability of containing cavities. A comparison of the different methods for separating the Bouguer anomaly into regional and residual anomalies indicated that low-order polynomial fitting was most adequate for this purpose. Because gravity methods offer a non-unique solution for morphology, size and depth estimations, they must be complemented with other geophysical methods. Electrical resistivity tomography and velocity profiles in seismic refraction provide high resolution with accurate cave morphologies, which can be tested using direct gravity 2.5D models. Unlike electric, magnetic and GPR methods, microgravity and ray tracing coverage in seismic refraction methods are not restricted to the boundary conditions exclusively for cave detection. Time-lapse electrical tomography measurements served to reveal that variable soil humidity conditions increase the resistivity contrast between the unsaturated cavity and host rock.

By combining geophysical methods applied in different settings, the morphologies of unexplored cavities could be identified (Algaidilla cave and continuity of the Gruta de las Maravillas). The main features of the anomalies related to the cavities, according to each technique applied, may help detect unknown cavities under similar conditions. In sum, microgravity and ray tracing coverage in seismic refraction are the most reliable methods overall for cave detection.

Índice

TABLE OF CONTENTS

PART I

1.INTRODUCTION3

2.OBJECTIVES17

3.GEOLOGICAL, GEODETICAL AND GEOPHYSICAL METHODS21

3.1 Geological methods23

3.2 Geodetical methods24

3.2.1 Cave topography24

3.2.2 High precision positioning26

3.2.2.1 Leica Differential GPS27

3.2.2.2 Auto Laser Level31

3.3 Geophysical methods32

3.3.1 Microgravity prospection32

3.3.2 Magnetic prospection37

3.3.3 Electrical tomography39

3.3.4 Seismic tomography51

3.3.5 Ground Penetrating Radar (GPR)57

4.OUTLINES61

PART II

5. GEOLOGY OF GRUTA DE LAS MARAVILLAS67

The Gruta de las Maravillas (Aracena, South-West Iberia): setting and origin of a sulphur-bearing marble-related cave69

5.1 Introduction72

5.2 Geological and geomorphic settings74

5.3 Structure and deformations of the Gruta de las Maravillas area75

5.4 Cave morphology81

5.5 Speleothems and other deposits83

5.6 Hydrogeology85

5.7 Discussion88

5.7.1 Geological structures and their relationship with Gruta de las Maravillas88

5.7.2 The origin of the cave related to the presence of pyrite89

5.7.3 Evolution of the cave92

5.8 Conclusions94

6. GEOPHYSICS OF GRUTA DE LAS MARAVILLAS KARST SYSTEM97

Integrated geophysical methods for studying the karst system of Gruta de las Maravillas (Aracena, Southwest Spain)99

6.1 Introduction102

6.2 Geological setting and cave description104

6.3 Geodetical and geophysical methods105

6.3.1 Cave cartography and local DTM105

6.3.2 Microgravity prospection106

6.3.3 Magnetic anomaly profiles108

6.3.4 DC electrical methods108

6.3.4.1. Forward modeling109

6.3.5 GPR profiles111

6.3.6 Seismic exploration111

6.4 Geophysical results113

6.4.1 Gravity anomalies113

6.4.2 Magnetic anomalies114

6.4.3 Combined geophysical survey and inversion models115

6.4.3.1 Geophysical profiles above Line 1 – known cave, karstic levels 1 and 2116

6.4.3.2 Geophysical profiles above Line 2 – new uppermost karstic level119

6.4.3.3 Geophysical profiles above Line 3 – karstic levels 1, 2 and 3122

6.4.3.4 Geophysical profiles above Line 4 — karstic levels 2, 3 and 4124

6.5 Joint interpretation and discussion127

6.5.1 Methodological flow diagram in geophysical cave prospecting127

6.5.2 Response of the geophysical methods to cavity presence129

6.5.3 Karst system of the Gruta de las Maravillas130

6.6 Conclusions132

7. REGIONAL AND RESIDUAL ANOMALY SEPARATION135

Regional and residual anomaly separation in microgravity maps for caves detection: the case study of Gruta de las Maravillas (SW Spain)137

7.1 Introduction140

7.2 The karst system of Gruta de las Maravillas143

7.3 Data acquisition and applied methods144

7.3.1 Microgravity acquisition144

7.3.2 Separation between Regional and Residual gravity fields146

7.4 Gravity forward model148

7.5 Results149

7.5.1 Bouguer anomaly map149

7.5.2 Regional and residual gravity anomaly maps150

7.6 Discussion157

7.6.1 Data distribution157

7.6.2 The optimum regional-residual gravimetric separation158

7.7 Conclusions160

8. CAVE DETECTION WITH GEOPHYSICAL METHODS AND DRILLS EXPLORATION IN CERRO DEL CASTILLO163

8.1 Introduction165

8.2 Drilling machine166

8.3 Drill exploration location and its relationship with geophysics results and geological settings167

8.4 Results169

8.5 Discussions and conclusions171

9. ALGAIDILLA CAVE175

Combined microgravity, electrical resistivity tomography and induced polarization to detect deeply buried caves: Algaidilla cave (Southern Spain)177

9.1 Introduction180

9.2 Geological and hydrogeological setting182

9.3. Methods185

9.3.1 Survey stations185

9.3.2 Microgravity186

9.3.3 Electrical resistivity tomography (ERT) and induced polarization (IP)188

9.3.3.1. Forward modelling189

9.3.3.2. Field acquisition189

9.3.3.3. Normalized depth of investigation index (DOI)190

9.4 Results191

9.4.1 Microgravity results191

9.4.1.1 Bouguer anomaly191

9.4.1.2 Microgravity models193

9.4.1.3 Electrical resistivity tomography and induced polarization194

9.5 Tentative 3D model199

9.6 Discussion200

9.6.1 Methodological implications200

9.6.2 Cave development, hydrogeological and engineering implications203

9.7 Conclusions203

10. EL BOSQUE CAVE205

Detecting gypsum caves with microgravity and ERT under soil water content variations (Sorbas, SE Spain)207

10.1 Introduction210

10.2 Geological setting211

10.3 Methods214

10.3.1 Microgravity measurements214

10.3.2 ERT measurements215

10.4 Results217

10.4.1 Microgravity results217

10.4.2 ERT prospection221

10.4.3 Gravity and ERT joint interpretation226

10.5 Discussion227

10.5.1 Density contrast and small gypsum cave detection227

10.5.2 Qualitative variation in different humidity contexts on ERT profiles229

10.5.3 Integrated interpretation232

10.6 Conclusions232

PART III

11. GENERAL DISCUSSION237

12. CONCLUSIONS / CONCLUSIONES249

13. FUTURE PERSPECTIVES255

14. REFERENCES259

Conclusiones

CONCLUSIONS

Geophysical methods applied from the surface are the optimal means of detecting and characterizing cavities that lack outside access. However, it is necessary to perform a previous geological survey to identify the settings and main features of a cave. The geological study is decisive to pinpoint the contrast in physical properties that determine responses provided by the geophysical methods.

Cavities are much more than voids located underground. They have numerous individual features: lithological contrasts with respect to the host rock, water content, ferromagnetic metallic mineralization in the cave walls, decalcification clays at the base, soil moisture, and size and depth where the cavity is located. Altogether, these factors are determinant when anticipating the response of each geophysical method applied to cave detection.

In view of all the geophysical techniques used, microgravity stands as the first regional reconnaissance approach, to locate areas most likely containing cavities. The microgravity study should entail an equidistant grid designed according to the size of the expected cavity. This survey will provide the residual anomaly map where gravity minima are shown, probably associated with cavities. Then the minima can be analysed by means of additional geophysical methods to confirm the presence or absence of cavities nearby. For cavities associated with ferromagnetic mineralization, regional magnetic prospecting is a second step towards identifying areas likely to contain cavities.

Geophysical techniques such as electrical tomography, seismic tomography or GPR are applied in a posterior stage of the survey, along profile arrays over the areas identified as gravity minima or magnetic anomalies. Electrical resistivity and velocity profiles provide contour maps with fitted morphologies that must be confirmed by gravity forward models, which in turn distinguish between the cavity and other structures of the host rock. Induced polarization models only provide locations of cavities when they include decalcification clays in carbonate caves or metallic mineralized walls. Ray tracing coverage in seismic refraction is the most conclusive method overall, as ray absence is caused by the presence of voids. Moreover, this method can approximately locate voids in depth. The common offset in seismic reflection can pinpoint areas probably containing cavities, although it is a less accurate method. Finally, GPR effectively locates the cavity ceiling and gauges its approximate depth.

Taking into account the different techniques and the studied field examples, it is concluded that the geophysical methods that best provide for detection and localization of cavities are microgravity and ray tracing coverage in seismic refraction. If these methods are accompanied with electrical resistivity tomography or velocity profiles in seismic refraction, the morphologies, dimensions and depth of cavities can also be obtained, to be tested at a later date by boreholes.

CONCLUSIONES

Los métodos geofísicos aplicados desde la superficie son la mejor herramienta para detectar y caracterizar cavidades que no tienen acceso desde el exterior. Sin embargo, es necesario realizar un reconocimiento geológico previo para identificar las características que puede presentar la cavidad y su entorno. El estudio geológico es crucial para conocer el contraste de propiedades físicas que determina la respuesta de los distintos métodos geofísicos.

Las cavidades no solamente se presentan como espacios vacíos emplazadas en el subsuelo. Existen características como contrastes litológicos respecto a la roca encajante, contenido en agua, mineralizaciones ferromagnéticas metálicas en sus pareces, arcillas de descalcificación en su base, humedad del suelo, tamaño y profundidad de la cavidad, las cuales hacen variar la respuesta esperada en la detección de dicha cavidad para cada método geofísico aplicado.

De todos los métodos geofísicos aplicados, la microgravimetría se convierte en una primera aproximación de reconocimiento regional para localizar zonas con presencia de cavidades. En este estudio se usa una malla equidistante diseñada en función del tamaño de la cavidad esperada. Este estudio determina un mapa de anomalía residual donde se muestran mínimos gravimétricos posiblemente asociados a cavidades. En un segundo paso, se deberán caracterizar dichos mínimos con otra u otras metodologías geofísicas para confirmar la presencia o no de cavidad. Para cavidades asociadas a mineralizaciones ferromagnéticas metálicas, la prospección magnética se convierte en una segunda técnica regional para identificar zonas susceptibles de contener cavidades.

Métodos geofísicos como tomografía eléctrica, tomografía sísmica o GPR son aplicados en una segunda etapa del estudio a lo largo de perfiles sobre las zonas identificadas con mínimos gravimétricos o con anomalías magnéticas. Los perfiles eléctricos de resistividad y los perfiles de velocidades ofrecen mapas de contornos con morfologías aproximadamente reales de las cavidades que deberán ser confirmados con modelos gravimétricos. Estos modelos diferenciarán entre cavidad u otras estructuras de la roca encajante. El método de polarización inducida solo ofrece localizaciones de cavidades cuando estas tienen arcillas de descalcificación en cuevas carbonatadas o paredes recubiertas por minerales con elementos metálicos. La cobertura del trazado de rayos en sísmica de refracción es el método más determinante, ya que localiza zonas con ausencia de rayos debidas exclusivamente a la presencia de vacíos. Además, este método localiza aproximadamente en profundidad los huecos. El método de offset común en sísmica de reflexión localiza zonas con posibilidad de contener cavidades, aunque se trata de un método menos preciso. Finalmente, el método de GRP localiza el techo de la cavidad y su profundidad aproximada.

Por todo esto se concluye que los métodos geofísicos que mejor detectan y localizan las cavidades son la microgravimetría y la cobertura de trazado de rayos en sísmica de refracción. Si estos métodos se utilizan combinadamente con tomografía eléctrica de resistividad o perfil de velocidades en tomografía sísmica de refracción, además se podrán obtener morfologías, dimensiones y profundidades de la cavidad, que finalmente deben de ser comprobadas mediante sondeos mecánicos.