Nuevos métodos de análisis cuantitativo de datos de georradar mediante el estudio de la influencia de las propiedades electromagnéticas del medio

La prospección geofísica mediante georradar permite la identificación de ciertos elementos o estructuras presentes en el subsuelo, con gran rapidez y un alto grado de resolución. Es por ello, que el objetivo general planteado en esta tesis consiste en el análisis de las propiedades electromagnéticas del medio a partir de datos de georradar, mediante el planteamiento de tres objetivos específicos orientados al análisis cuantitativo y numérico de las señales.
El primer objetivo propuesto consiste en el desarrollo de herramientas que permitan el estudio de pavimentos asfálticos mediante el análisis de la señal de georradar y más concretamente en la caracterización automática de capas y en el análisis del contenido de humedad. El segundo objetivo específico se centra en analizar los datos de georradar en el espectro de frecuencias para obtener la frecuencia dominante y el ancho de banda como índices que se pueden relacionar con la presencia de ciertos contaminantes en el medio investigado. El tercer y último de los objetivos definidos consiste en el desarrollo de un método experimental que permita obtener valores de permitividad eléctrica, por la importancia de este parámetro en la determinación de la velocidad de propagación de las señales de georradar.
Los estudios derivados del análisis de la señal de georradar para la evaluación de pavimentos asfálticos han demostrado que, a partir de la comparación de amplitudes mediante el coeficiente de correlación de Pearson, junto con otros criterios basados en la información contenida en la curva envolvente y en los datos procedentes de puntos de control, es posible obtener una caracterización automática de los reflectores de interés. Además, mediante el análisis del grado de atenuación de la señal de georradar se ha conseguido identificar en los radargramas aquellas zonas con alto contenido en humedad.
Por otro lado, la metodología propuesta para la optimización del análisis del ancho de banda y de la frecuencia dominante ha permitido delimitar las zonas contaminadas en un caso de estudio, asociándolas a aquellas en las que se produce una variación notable con respecto al espectro de frecuencias promedio de los perfiles de georradar.
En cuanto a las medidas realizadas con el analizador de impedancias, se ha conseguido cuantificar la influencia de la humedad y de la conductividad en los valores de la permitividad eléctrica del medio. Este parámetro resulta determinante para poder calcular la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas durante el proceso de atribución de profundidades en el ámbito de aplicación del georradar.
Como conclusión general se puede afirmar que la interpretación cuantitativa de los datos de georradar debería reemplazar a la tradicional interpretación visual de los radargramas. Por ello, las diferentes metodologías propuestas en esta tesis resultan de especial interés para ciertas investigaciones, como la caracterización de zonas contaminadas o el análisis del grado de humedad.
En lo referente a la metodología propuesta en el análisis de las aplicaciones del georradar para el estudio de pavimentos asfálticos, se ha conseguido desarrollar una herramienta que permite, por un lado, la delimitación de capas del firme de una carretera de forma automática y por otro, cuantificar la presencia de humedades en el mismo por su relación con la atenuación de las señales de georradar.
En cuanto al análisis conjunto del ancho de banda y la frecuencia dominante, la metodología propuesta ha demostrado su capacidad para obtener rápidos resultados relacionados con la presencia de ciertos contaminantes en el subsuelo, que a su vez dependen directamente de la conductividad y del grado de atenuación del medio investigado.
Finalmente, en relación a la determinación de la permitividad eléctrica a partir del analizador de impedancias, se puede destacar que el método experimental desarrollado ofrece una fuerte estabilidad en las medidas realizadas para un amplio rango de frecuencias.

En este apartado se presenta un compendio de las conclusiones generales obtenidas a partir de los resultados derivados de esta tesis.
En términos generales se puede afirmar que la interpretación cuantitativa de los datos de georradar debe sustituir a la tradicional interpretación visual de los registros en determinados ámbitos de aplicación de esta técnica. Por este motivo, las metodologías propuestas en este trabajo resultan de especial interés para ciertas investigaciones del subsuelo, como la caracterización de zonas contaminadas o el análisis del grado de humedad.
En lo referente a la metodología propuesta para el estudio de pavimentos asfálticos mediante el análisis de la señal de georradar, se pueden destacar algunas conclusiones generales.
En primer lugar, el algoritmo desarrollado para la eliminación de la componente continua (DC) mediante el cálculo de la mediana ha demostrado funcionar correctamente corrigiendo la posición de las trazas de una manera óptima. Por este motivo, dicho algoritmo fue implementado igualmente en los datos correspondientes al análisis del ancho de banda y de la frecuencia dominante.
En cuanto a la eliminación de los efectos geométricos (divergencia esférica y efecto dipolar) la multiplicación por el inverso de la función de propagación de todas las trazas consigue reproducir una situación en la que la señal alcanza su intensidad máxima de forma instantánea y ésta no decae en función de la distancia al foco emisor a medida que se aleja de él, por lo que la atenuación de la señal puede atribuirse únicamente a las propiedades electromagnéticas del medio investigado.
La metodología propuesta para la caracterización automática de reflectores ha proporcionado excelentes resultados y la interfase mostrada como ejemplo en este trabajo, correspondiente al contacto de la base granular con el terreno natural, ha quedado perfectamente definida en los cinco canales utilizados para la adquisición de los datos.
En cuanto a la identificación de zonas con alto grado de humedad en las diferentes capas del firme, el algoritmo desarrollado ha permitido determinar las zonas del radargrama donde se produce un mayor decaimiento de la señal y que pueden ser asociadas a la presencia de humedad.
A partir de los resultados obtenidos después de aplicar estas dos metodologías a un tramo de autovía se puede remarcar la enorme utilidad y las posibilidades que ofrecen ambos algoritmos, que pueden repercutir en una reducción considerable del tiempo de procesado e interpretación de los datos de georradar en este tipo de estudios.
En cuanto a la segunda metodología propuesta en esta tesis, consistente en el análisis conjunto del ancho de banda y la frecuencia dominante, ha demostrado su capacidad para obtener rápidos resultados relacionados con la presencia de ciertos contaminantes en el subsuelo, que a su vez dependen directamente de la conductividad y la atenuación del medio investigado con georradar.
Mediante el análisis del ancho de banda y de la frecuencia dominante simultáneamente se han podido delimitar las zonas contaminadas en un caso de estudio, asociándolas a aquellas en las que se produce una variación notable con respecto al espectro de frecuencias promedio de los perfiles de georradar.
Aunque, generalmente se asocia la presencia de LNAPL con resistividades elevadas, en este trabajo se ha podido comprobar que la presencia de LNAPL en el subsuelo producía un desplazamiento del espectro de frecuencia hacia valores menores al promedio de la zona, lo que se puede asociar con un aumento de la conductividad y de la atenuación de la señal de georradar.
No obstante, para que esta metodología proporcione resultados óptimos, será necesario que exista un alto contraste entre el espectro de frecuencias de una zona limpia y de otra con presencia de contaminante. En aquellos casos en que dicho contraste sea muy bajo, no será posible delimitar con precisión las zonas contaminadas mediante el análisis de la frecuencia dominante y del ancho de banda.
Se ha obtenido una correlación razonablemente buena entre los valores de resistividad, obtenidos en la misma zona de estudio y los resultados correspondientes al análisis de la frecuencia dominante y del ancho de banda.
Es importante destacar que la metodología propuesta en el Capítulo 6 no pretende sustituir a las técnicas de prospección eléctrica o electromagnética, sino constituir un complemento a las mismas, dado que la técnica del georradar presenta la ventaja de su versatilidad y rapidez en la adquisición de datos.
Finalmente, en lo referente a la determinación de la permitividad eléctrica a partir del analizador de impedancias, se puede destacar que el método experimental desarrollado ha mostrado una fuerte estabilidad en los resultados obtenidos en un amplio rango de frecuencias.
Las pruebas realizadas demuestran que la utilización del método del electrodo sin contacto, junto con el factor de corrección del efecto del recipiente plástico, proporciona idénticos resultados a los obtenidos con el método del electrodo de contacto. Esto implica una notable mejora en la precisión de las medidas, así como en la rapidez y facilidad de preparación de las muestras. Además, la utilización del recipiente plástico permite la posibilidad de realizar medidas sobre muestras no consolidadas o con escasa cohesión, por lo que amplía notablemente las posibilidades de aplicación de esta metodología.
Mediante la metodología propuesta, se ha conseguido cuantificar la influencia de la humedad y de la conductividad en los valores de la permitividad eléctrica del medio como parámetro determinante para poder calcular la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas durante el proceso de atribución de profundidades en el ámbito de aplicación del georradar.
En el análisis de la variación de los valores de la constante dieléctrica en función del grado de humedad, se ha podido comprobar, como era previsible, que la constante dieléctrica aumenta su valor con el incremento en el contenido en agua de la muestra. Por otro lado, mientras en las muestras secas se obtiene un valor constante, las muestras con diferente contenido en agua presentan una fuerte variación de la permitividad eléctrica relativa en función de la frecuencia.
Se ha observado un rápido aumento en los valores de la constante dieléctrica con el incremento de la humedad debido a la influencia principalmente del agua libre, por lo que este será el comportamiento previsible en suelos fundamentalmente arenosos.
Con respecto al análisis de las variaciones de los valores de permitividad eléctrica en función de la conductividad del medio, se ha podido comprobar como la constante dieléctrica aumenta su valor con el incremento en la conductividad del agua presente en la muestra. Además, se ha observado que, para ciertos niveles de aumento de la conductividad, se produce un incremento mayor en la constante dieléctrica, por lo que el mecanismo se comporta de manera no lineal.
Por otro lado, se ha constatado cómo la variación de la frecuencia de relajación (ω_r), en función de las diferentes conductividades ensayadas, produce que la caída en los valores de ε_r^’ tenga lugar a valores de frecuencia superiores cuanto mayor sea el valor de la conductividad.
Por último, se ha desarrollado una expresión analítica que proporciona los valores de ε_r^» en función de la frecuencia y de la conductividad del fluido de formación. Es importante destacar que esta fórmula empírica presenta un cierto grado de capacidad predictiva permitiendo obtener valiosa información, más allá de la frecuencia de 10 MHz, que es el límite operativo del analizador de impedancias utilizado. No obstante, para poder determinar el alcance de su ámbito de aplicación, será necesario comprobar la validez de dicha expresión para otro tipo de variables, como puede ser el caso de diferentes tipos de sales o distintos contaminantes.