UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE NICARAGUA

UNAN-MANAGUA

Faculta de Ciencias e Ingeniería

Carrera de Ingeniería Geológica

Ingeniería Geológica I

Unidad III: Trabajos de prospección de las investigaciones ingeniero-geológicas.

Docente: MSc. Mélida Schliz

I. Ensayos Geofísicos

En la naturaleza los materiales (rocas y suelos) poseen características geológicas que

frecuentemente se asocian a parámetros físicos significativos. En dependencia de dichas

características geológicas dichos parámetros físicos van a presentar variaciones y la geofísica se ha

encargado de desarrollar métodos y equipos para determinar o medir estas variaciones. Vamos a

encontrar que determinados materiales se pueden ubicar dentro de rangos específicos en la escala

de los parámetros físicos.

Por lo tanto, la Geofísica se define como una ciencia aplicada, una rama de las ciencias de la

tierra, que estudia el comportamiento de la tierra y facilita la medición, compresión y, en ocasiones,

predicción de eventos naturales.

Una de las principales ventajas de la geofísica es que los métodos de investigación no son invasivos.

A esto debe sumarse que se pueden realizar investigación de gran cobertura. Sin embargo son

métodos complementarios a las técnicas de investigación directa, necesitando la correlación de los

resultados geofísicos con los obtenidos en métodos mecánicos. La aplicación de las técnicas

geofísicas requiere una especialización específica del investigador.

Existen varias organizaciones o asociaciones internacionales dedicadas al estudio de la tierra

utilizando los principios y propiedades físicas. Varias de estas organizaciones están asociadas a la

Unión Geodésica y Geofísica Internacional (UGGI, http://www.iugg.org/) fundada en 1919. Sin

embargo, el uso y cooperación en investigaciones geofísicas para propósitos sociales se pueden

encontrar desde la primera década del siglo XIX, cuando Alexander von Humbolt organizó una serie

de observaciones magnéticas simultáneas en distintos lugares.

Desde entonces muchas son las aplicaciones que se han generado para las distintas técnicas

geofísicas. Específicamente en ingeniería geológica algunas de las aplicaciones de los ensayos

geofísicos son para determinar:

- Espesores de rellenos

- Excavabilidad de materiales

- Posición del nivel freático (Hidrogeología)

- Localización de heterogeneidades del suelo (como cavidades)

- Estructura del subsuelo

- Propiedades geomecánicas de materiales

- Localización de zonas de debilidad

(fallas o superficies de deslizamiento)

- Espesor de roca alterada

- Índices de fisuración

- Localización de conducciones

subterráneas

- Evolución de fenómenos dinámicos

Los métodos geofísicos pueden clasificarse

según el parámetro físico que estudian (Tabla 1),

y según la manera en que se aplican en campo,

si en superficie o en sondeo (algunos de los

cuales ya vimos en la clase de ensayos de deformabilidad).

A. Métodos Geofísicos de Superficie

1. Métodos Eléctricos

Los métodos eléctricos tratan de controlar el comportamiento de la resistividad (ρ) ante la respuesta

del terreno cuando se inyecta y se propaga una corriente eléctrica continua DC (Direct Current).

La resistividad es la resistencia eléctrica específica de cada material para oponerse al paso de una

corriente eléctrica. Este parámetro es una propiedad intrínseca de la roca y varía en función de las

características del terreno. Algunos de los factores que lo influencian son:

- El grado de saturación del terreno.

- La temperatura.

- Porosidad y la forma de los poros.

- La salinidad del fluido.

- Litología.

- Estructura interna.

- La presencia de materiales arcillosos con alta capacidad de intercambio catiónico.

Por esta estrecha relación, al final de este tipo de investigaciones la interpretación se hace en

función de las características geológicas de la zona de estudio y utilizando aplicaciones

informáticas que facilitan los cálculos.

La resistividad obtenida con los métodos eléctricos usualmente corresponde a un conjunto de

materiales de diversas características, por lo que se considera el resultado como una resistividad

aparente (ρa). Sólo cuando el material en el área estudiada es homogéneo se puede considerar

que la resistividad obtenida es real, esto sucede en suelos muy superficiales.

La resistividad de un material está definida por:

ρ = R (S/l)= Ω.m

R: Resistencia (Ω ohm) S: sección transversal (m2) l: longitud (m)

Tabla 1. Métodos geofísicos según la propiedad que

investigan

Método Geofísico Propiedad física

Gravimetría Densidad

Magnético susceptibilidad magnética

Eléctrico Resistividad

Electromagnético conductividad eléctrica y

permeabilidad magnética

Sísmicos velocidad de propagación de

ondas sísmicas

Radioactivos niveles de radiación natural e

inducida

La resistividad es el inverso de la conductividad, que queda definida por:

σ = 1/ρ = Siemens (S)

La base teórica de funcionamiento de los métodos eléctricos es la misma para todos:

- Se instalan 4 electrodos en el terreno

- Se genera un campo eléctrico introduciendo una corriente continua de intensidad I a través

de dos electrodos de corriente A y B conectados a un miliamperímetro.

- Los otros dos electrodos M y N se conectan a un milivoltímetro y se mide la variación del

potencial eléctrico ∆V.

- La profundidad alcanzada depende de la separación entre electrodos.

A partir de ∆V se puede determinar el valor de la resistividad aparente en el punto medio del

dispositivo y a una profundidad determinada a través de la siguiente expresión:

ρa = k(∆V/I)

K: Constante de configuración geométrica del dispositivo en cada medida (depende de las

distancias entre electrodos).

Hay diferentes arreglos de electrodos. Siempre los electrodos están alineados y simétricos, y A y B se

colocan en los extremos. Los arreglos más utilizados son:

Wenner: Todas las separaciones entre electrodos son iguales.

Schlumberger: separación entre M y N inferior a un 1/5 de separación entre A y B.

Fig. 1 Esquema de la base teórica sobre el funcionamiento de los métodos eléctricos.

Los equipos no suelen variar mucho. Usualmente consisten de una caja de baterías, electrodos

de corriente y potencial, cables de conexión y el resistivímetro.

a) Sondeos Eléctricos Verticales (SEV):

- Se separan los electrodos de corriente A y B sucesivamente desde el centro y sobre una línea

recta. En cada posición se mide la resistividad.

- El obtiene la variación de la ρa con la profundidad.

- La ρa es dada por el valor correspondiente a espesores mayores según se van separando los

electrodos.

- El método alcanza una profundidad de hasta 200 m.

- El arreglo Schlumberg es muy usado.

b) Calicatas Eléctricas:

- El arreglo frecuentemente usado es el de Wenner.

- Se mueve todo el dispositivo sobre una línea de perfil.

- Se obtienen las variaciones laterales de la ρa a una profundidad constante.

- Profundidad de alcance es de 50 m.

c) Dipolo-Dipolo (pseudosección):

- Cada par de electrodos A-B y M-N es un dipolo y se colocan un dipolo al lado del otro de

forma alineada.

- El dipolo A-B se mantiene fijo y el M-N se va desplazando y se mide la resistividad. Se desplaza

un paso el dipolo A-B y se repite el proceso.

- Se obtiene la distribución de ρa en un perfil o pseudosección.

d) Tomografía Eléctrica Multielectrodo (Electrical Imaging):

- Todos los electrodos se colocan alineados sobre la línea de un perfil, y el equipo

automáticamente hace las mediciones en todos los arreglos posibles de electrodos.

- Adquisición de datos completamente automatizado en corto tiempo (500 medidas en hora y

media).

Fig. 2 Arreglos de lectrodos Wenner y Schlumberger

- La gran cantidad de datos que se pueden obtener rápidamente permiten obtener un

modelo en 2D de gran resolución.

- Permite medir la ρa tanto lateralmente como en profundidad.

- La ρa se puede convertir a ρa real con un programa especializado de inversión.

- Muy usada para problemas de filtración

2. Métodos Sísmicos

Los métodos sísmicos se basan en el comportamiento de la propagación de ondas sísmicas

generadas artificialmente y relacionarlo a la configuración geológica del subsuelo.

La velocidad de propagación de las ondas sísmicas depende de las constantes elásticas y la

densidad del medio.

Se pueden definir límites entre los materiales debido a que en los contactos definen superficies de

separación en las ondas generando refracción, reflexión o difracción, a esto se le conoce como Ley

de Snell.

De manera teórica se considera que la estructura del suelo varía en profundidad siguiendo el

modelo suelo - roca alterada - roca sana, y que con esta misma estructura las velocidades van

creciendo en profundidad.

a) Sísmica de Refracción:

Para propósitos ingenieriles, los métodos sísmicos más utilizados toman como base la refracción de

ondas mediante los cuales se determina la energía que vuelve a la superficie después de sufrir

refracción total en superficies límites del suelo.

Su aplicación se destaca en:

- Determinación de suelos de recubrimiento

- Determinación de la estructura del subsuelo

- Determinación de ripabilidad de los materiales, etc.

Para esta técnica se utilizan sensores o geófonos los cuales se disponen en un perfil longitudinal (50-

100 m) a distancias constantes (5m). Para liberar la energía que generará las ondas se realiza un

disparo a través de un golpe con un martillo de 8 kg, y se hacen por lo menos 3 puntos de golpeo

en cada perfil. Los sensores registran una perturbación que se refleja en un sismógrafo.

Se mide el tiempo desde el momento de disparos hasta la llegada de la primera perturbación a los

geófonos. Las primera en llegar son las ondas directas, a partir de un punto las ondas refractadas

llegan primero, siendo estas las que circulan en los niveles inferiores del subsuelo, a mayor distancia

recorrida por la onda mayor velocidad. Al medir los tiempos de llegada en los geófonos se pueden

obtener las velocidades de propagación y los espesores del material.

La velocidad propagación brinda información sobre las características de los materiales. Los

estados de alteración de la roca van a incidir en la velocidad de onda, por ejemplo, la velocidad

de propagación en un granito sano es de 5000 m/s mientras que una intensa alteración en esa roca

reduce la velocidad a 1000 m/s o menos.

b) Sísmica de reflexión

Este método se aplica principalmente a la determinación de estructuras geológicas profundas para

proyectos de túneles, deslizamientos profundos, etc. Debido a que permite representar varios

horizontes de un único disparo sin perder precisión en profundidad.

El proceso consiste en generar ondas sísmicas por una fuente de energía que puede ser un martillo,

pistola, caída de peso, dinamita, etc, y medir en geófonos alineados en un perfil los tiempos de

llegada de las ondas reflectadas por las superficies de contactos en el subsuelo.

A partir de los tiempos de llegada de las ondas longitudinales y las velocidades en los distintos

horizontes se pueden reconstruir la trayectoria de las ondas primarias. Se deben atenuar otros tipos

de ondas que se generan por las condiciones superficiales, ruido aleatorio, etc y que enmascaran

los resultados.

3. Métodos Electromagnéticos

Los métodos electromagnéticos estudian la respuesta del terreno ante la propagación de campos

electromagnéticos. Existen muchas maneras de generar y detectar estos campos lo que ha

constituido a este grupo de técnicas como el más diverso metodológica e instrumentalmente.

Al igual que los métodos eléctricos, los electromagnéticos brindas información acerca de la

conductividad del suelo, y por ende también de la conductividad. Entre los problemas en los que se

aplican métodos electromagnéticos para su solución están:

- Estudios de aguas subterráneas

- Filtraciones de agua en el subsuelo

- Detección de contaminantes vertidos

- Localización de cavidades, etc

Las principales ventajas de los métodos electromagnéticos son su versatilidad y velocidad en la

toma de datos, ya que no necesita contacto físico con el terreno (electrodos) para ser realizados.

Esto también permite que la aplicación de estos métodos se pueda hacer en barco y en aviones.

a) Prospección electromagnética en dominio de frecuencias (FEDM):

- Se colocan una bobina emisora y una receptora a cierta distancia (5 a 50 m).

- Se emiten impulsos electromagnéticos desde la bobina emisora con frecuencias entre 100 Hz

y 10 kHz, que la bobina receptora deberá captar.

- La profundidad depende de la frecuencia aplicada, por eso en un punto generalmente se

emiten distintas frecuencias, para medir a distintas profundidades.

- Las bobinas se desplazan a intervalos a lo largo de un perfil.

b) Prospección electromagnética en dominio de tiempos (TEDM):

- Registra las variaciones en el tiempo del campo magnético secundario generado cuando la

bobina transmisora no emite.

- La Profundidad de las investigaciones puede llegar hasta 1000 m.

- Se puede realizar tanto en perfiles como en sondeos.

- Se ocupa para mapeo geológico, investigación hidrogeológica en ambiente sedimentario,

aplicaciones mineras, caracterización de zonas contaminadas.

c) VLF (Very low frequency)

- Fuente emisora es una estación lejana (antenas de radio a cientos o miles de kilómetros).

- No usa equipo pesado. Sólo bobinas ligeras receptoras del campo resultante.

- Las ondas se emiten entre 3 y 30 kHz de frecuencia y cada emisora tiene una frecuencia

específica (Banda VLF).

d) Geo-Radar (Ground Penetrating Radar)

- Se pueden obtener perfiles continuos similares a los de sísmica de reflexión.

- Un geo-radar consta de una unidad transmisora, una receptora, una de control y una

registro.

- Se radian impulsos cortos de energía electromagnética entre 50 MHz y 1.5 GHz, mediante una

antena transmisora del equipo.

- Se realizan perfiles desplazando las antenas a lo largo de una trayectoria con una distancia

constante.

- Cuando hay heterogeneidades magnéticas en el subsuelo al paso de la onda radiada, una

parte de la energía se refracta a la superficie y el resto pasa a mayores profundidades. Estas

heterogeneidades pueden indicar: contacto entre materiales, fracturas, huecos, elementos

metálicos y otros.

- La señal reflejada se amplifica, se transforma al espectro de la audiofrecuencia y se registra

obteniendo así el radargrama del perfil.

- Los equipos son muy sensibles a la influencia de estructuras metálicas, ondas de radio,

tendidos eléctricos y otros, que generan ruido ambiental.

4. Métodos Gravimétricos

Estos métodos investigan sobre la base de la anomalía gravimétrica que es la diferencia de los

valores del campo gravitatorio medido en un lugar y el valor que el campo en ese sitio

teóricamente debiese tener.

Dichas anomalías las generan las densidades heterogéneas en el subsuelo. Pueden ser positivas o

negativas en dependencia de la existencia de un cuerpo de mayor o menor densidad en relación

a su entorno. Los datos deben pasar por correcciones antes de ser interpretados (anomalías de Aire

Libre o de Bouguer). La unidad de medida utilizada es el miligal (mgal = 10-3 cm/s2) o unidad

gravimétrica (ug = 10-4 cm/s2).

Para la aplicación del método también se realizan perfiles longitudinales o retículas con espacios

constantes. Para ingeniería geológica es muy útil la Microgravimetría cuyos puntos de medida se

distancian más o menos un metro

La utilidad de los métodos gravimétricos en ingeniería destaca en la localización de:

- Huecos y su cubicación (Determinar en metros cúbicos la capacidad o el volumen de un

cuerpo)

- Galerías

- Zonas de tratamiento del terreno con aumento de densidad

5. Métodos Magnéticos

Los métodos magnéticos se ocupan de determinar las anomalías o variaciones locales del campo

magnético terrestre a través de medidas absolutas de la componente vertical de este. Estas

anomalías se generan por diferencias en los valores de susceptibilidad magnética del subsuelo y

rocas, y por la presencia de minerales magnetizados. La interpretación de los datos se hace de

manera cualitativa.

Usualmente se define una retícula donde las estaciones deben estar separadas por un espacio cuya

longitud máxima debe ser la mitad de la dimensión horizontal menor del cuerpo o anomalía a

investigar. La medición en un lugar toma solo 30 segundos.

Su principal ventaja es que su aplicación es rápida y económica, pero su aplicación en ingeniería

geológica es un poco limitada, y se destaca en la localización de:

- Conducciones metálicas enterradas

- Contactos litológicos

- Fallas, diques, masas mineralizadas, etc.

El levantamiento de datos puede ser afectado por la presencia de tendidos eléctricos, vías férreas

vehículos en movimiento o una alta heterogeneidad del terreno.