Ser. Cient. INACH 40: 95-100, 1990.

Resistividad eléctrica del suelo en isla Rey Jorge, Antártica

MARCELO IRIBARREN B. I Y JORGE CARRANZA C. I

RESUMEN

El presente trabajo presenta una breve descripción de uno de los métodos de medición de la resistividad eléctrica del suelo. el sondeo eléctrico vertical. junto con los resultados de su aplicación en isla Rev Jorge. Antártica (62"/2'5. 58"54 ' W).

Soil Resistivity Measurements at King George Island, Antarctica

MARCELO IRIBARREN B . I and JORGE CARRANZA C.I

SUMMARY

This paper gives a brief description of the vertical electric sounding. a method to measure the soil resistivity, and its measurement at King George , ¡sland, Antarctica (62"/2'5, 58"54 'W).

INTRODUCCiÓN

La resistividad eléctrica es una propiedad física de los materiales, fundamental para su adecuada caracterización desde el punto de vista eléctrico . Por ello es un dato imprescindible para el cálculo de una malla de tierra cuyo objetivo fundamental es la protección contra cortocircuitos, la atenuación de interferencias electromagnéticas sobre equipos e instrumentos o para determinados cálculos de propagación radioeléctrica.

El objetivo de las mediciones, efectuadas en enero de 1985 , fue obtener los datos básicos para el diseño de una malla de tierra para la Estación lonosférica operada por el Departamento de Física (Geofísica), Facultad de Ciencias, Universidad de Concepción en las proximidades de la base Teniente Rodolfo Marsh, isla Rey Jorge, Antártica (62°12'S, 58°54'W),

Características del lugar prospectado

El lugar prospectado es una planicie inclinada en dirección al mar, existente 800 m al SE de las dependencias principales de la base Teniente Rodolfo Marsh, lugar en el cual se encuentra el módulo de instrumentos de la estación ionosférica. Sus características topográficas principales son: 14 m de cota media y 140 m de distancia media al mar.

'Departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Concepción, Casilla 53-C, Concep­ción, Chile.

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lribarren , M. Y J . Carranza

Por prospección mecánica se detenninó que el suelo está constituido por una capa superficial de grava gruesa de espesor variable (10-30 cm) y a continuación una capa de grava fina y arcilla aún presente a 1 m de profundidad. Entre los 80 y 100 cm se comienza a observar roca fragmentada de origen volcánico . Dependiendo del punto prospectado, se encuentra "pennafrost" a partir de I m de profundidad.

El suelo del área investigada se caracteriza por estar cubierto de nieve y su componente de agua congelada entre los meses de mayo a diciembre. En los meses de diciembre a abril nonnalmente existen napas de agua de deshielo provenientes de las laderas vecinas, escurriendo a través de la capa superficial . En enero y febrero de 1986 se midieron temperaturas entre 1° Y 3°C entre 30 y 80 cm de profundidad.

Consideraciones ambientales

La resistividad eléctrica del suelo depende tanto de su humedad como de su temperatura. En el Anexo I se puede apreciar que este parámetro para una mezcla de arena y limo, la cual tiene características similares a una mezcla de grava y arcilla, disminuye con la humedad y la temperatura (Biddle, 1981). Por lo anterior, los datos entregados en este trabajo (verano 85) son los menores valores a esperar para dicha zona y terreno .

Medición de la resistividad eléctrica: Sondeo eléctrico vertical

Si el suelo no es homogéneo, tiene diferentes resistividades en los distintos estratos o en un mismo estrato' que tenga gradientes de humedad, salinidad o temperatura . Por lo tanto, al realizar una medición se obtiene un valor llamado resistividad aparente y que no corresponde a los valores específicos de cada estrato, ni a ninguna relación lineal de dichas resistividades (Vuscovich, 1981 ).

De lo anterior, se deduce la necesidad de realizar un sondeo eléctrico vertical, el cual consiste en detenninar las resistividades aparentes de los estratos a lo largo de un pozo eléctrico vertical bajo un punto de la superficie .

Básicamente, el sondeo eléctrico vertical consiste en entregar, mediante dos electrodos unidos a una fuente de voltaje continuo. un flujo de corriente 1 que crea un gradiente de potencial V entre dos puntos cualesquiera del material, el cual puede detectarse mediante un voltímetro conectado a otro par de electrodos (Fig . 1). En este caso la resistividad o está dada por la expresión:

Los datos obtenidos en terreno se grafican en papel bilogarítmico v/s las distancias entre electrodos. A la curva así obtenida se le asocia una curva teórica que más se asemeje, la cual representa una configuración particular de capas y que se supone idéntica a la estratificación del terreno.

Configuración de los electrodos

Existen varias configuraciones posibles de los electrodos de corriente y potencial. Los tres métodos más usados en ingeniería se muestran en la Figura 2. En todos ellos se utilizan cuatro electrodos que se ubican a lo largo de una línea. Éstos son:

• Configuración de Wenner • Configuración de dipolos polares • Configuración de Schlumberger

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Resistividad eléctrica del suelo antártico

Amperímetro Batería

1 J--------tllt---------.,

voltímetro

r-----{v

A e o B

I r4 I I ., I .... r2 .... 1

I

L.!

I l I

I Figura 1. Diagrama esquemático de un instrumento de medición de la resistividad eléctrica del suelO.

__ -----4II...----i 1

r-----{ V \---..,

~ A 1-- A Id A --1 l---- e I , ... , . I I

I I

L ~I ... L I ~ ...

• t I

a) b)

II~ 0

l- b ~ I l- b "1 l- a ..¡

Figura 2. Configuración de electrodos más usuales para la medición de conductividad >,eléctrica: a) .Wenner, b) Schlumberger, c) Dipolos polares. ' .

En la configuración de Wenner la distancia entre los cuatro electrodos es igualen cada medición (Fig. 2a), esto es, después de cada medición se separan los electrodos a una misma distancia ' A ' Y la resistividad aparente está dada por: '

8 = 2 TI A _---:V'--_ 1

[Ohm X m]

En la configuración de dipolos polares, los dos electrodos de corriente y los dos de voltaje, están separados por la misma distancia 'b' y pueden no estar alineados, pero su configuración más usual es la de dipolos axiales (Fig. 2c). Para los propósitos del sondeo, los dos electrodos de potencial se

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,"., .. -~i'

lribarren. M. Y J. Carranza

alejan simultáneamente a una distancia 'a' a lo largo de una línea axial, manteniendo constante la distancia 'b' entre ellos. En este caso la resistividad aparente está dada por:

[Ohm x m]

En que: a: distancia entre dipolos (metros) b: distancia entre par de electrodos (metros)

En la configuración de Schlumberger los dos electrodos de potencial se colocan espaciados a una distancia' B' equidistante de los electrodos de corriente, entre los cuales hay una distancia '2L·. tal que L > B (Fig. 2b). La resistividad aparente está dada por:

[Ohm x m]

Comparación de las configuraciones de electrodos

La ventaja de la configuración de Schlumberger y de los dipolos polares axiales, es que sólo se mueven los electrodos de corriente. Los electrodos de potencial. en esta configuración, sólo se mueve si la razón L/B es muy alta. Este valor debiera mantenerse entre 3/1 y 30/1. La configuración de Schlumberger, a diferencia de la de Wenner, permite discriminar fácilmente las variaciones laterales de la conductividad con respecto de las verticales. La mayoría de las curvas patrones, útiles para tres o más capas. han sido calculadas para la configuración de Schlumberger; la de Wenner tienen la desventaja de que hay que mover los cuatro electrodos en cada medición.

Profundidad de penetración del sondeo

La profundidad de penetración del sondeo en las configuraciones de Wenner y Schlumberger es aproximadamente igual al espaciamiento de los electrodos de corriente.

En la configuración de dipolos polares axiales es igual a 2/2 veces la separación entre los centros de los dipolos. o sea. aproximadamente el 70% de dicha distancia.

RESULTADOS

Para la determinación de la conductividad eléctrica se utilizaron:

• Configuración de electrodos de Schlumberger • Tester Biddle NU C3382 • Curvas Patrón (Orellana y Mooney, 1966)

Se efectuaron dos sondeos eléctricos verticales: el primero el 13.01.85 Y el segundo el 19.0 1.85, siguiendo dos líneas casi paralelas en dirección Este-Oeste, espaciadas 15 m, aproximadamente.

A partir de los datos de terreno se generó un gráfico de resistividades aparentes en función de la separación de los electrodos (Carranza e lribarren. 1986). Las curvas patrón de Orellana y Mooney que mejor coinciden con dichas curvas se indican en la Tabla 1, a partir de la cual se pueden obtener las siguientes conclusiones:

al Todas las curvas patrón (excepto KIO-I) indican la existencia de una primera capa de:

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Espesor: 30-60 (cm 1 Resistividad: 560-850 [ n x m]

Resistividad eléctrica del suelo antártico

Tabla l CURVAS PATRÓN DE ORELLANA Y MOONEY (1966) ASOCIADAS

A LAS MEDICIONES

Curva Patrón Capa Resistividad Espesor Observación X m (cm)

l 560 30 K22-2 2 16.000 60

3 O oc

850 60 KQ4-A 2 16.000 60 Medición 1

3 4.000 60 13.01.85 4 O oc

1 800 50 K18-2 2 14.000 100

3 O oc

1 600 34 KH6-D 2 2.800 170

3 210 34 4 600 oc

650 48 K23-0.3 2 22 .500 14

3 650 oc

650 48 Medición 2 KI9-0.7 2 11.300 39 19.01.89

3 650 oc

560 40 K15-2 2 5.200 80

3 1.350 oc

930 75 KIO-I 2 460 75

3 580 oc

1 600 40 Promedio 2 16.000 60

3 600 x

Estos valores pueden asociarse a una capa de grava-arcilla no congelada, con alto contenido de humedad, producto de napas de deshielo.

b) Todas las curvas patrón (excepto K 10-1 Y KH6-D) indican la presencia de una segunda capa de:

Espesor: 60-100 [cm] Resistividad: 5.000-22 .500 [n x ml

Estos valores pueden asociarse a una capa de "permafrost" constituida por grava, arcilla y roca volcánica fragmentada .

e) Todas las curvas (excepto K22-2 y K 18-2) indican la presencia de una tercera capa de :

Espesor: indeterminado Resistividad: 600-1.300 [n x m)

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mb~n.M.y J . CMrnnu

CONCLUSIONES

El método del sondeo eléctrico vertical para la detenninación de la conductividad e¡¿ctrica del suelo utilizando la distribución de electrodos de Schlumberger, muestra resultados de acuerdo con la estratificación y constitución del substrato en lugares irregulares y con presencia de ··pennafrost"· en el subsuelo . Esto ocurre con frecuencia en varios lugares de la península Antártica y. en particular, en las islas Shetland del Sur. En estas últimas la isla Rey Jorge sería representativa de las características eléctricas de los suelos sin cobertura de hielos pennanente .

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos al Instituto Antártico Chileno por el apoyo logístico y económico prestado para el desarrollo de este trabajo . Además agradecemos al Sr. C. Figueroa F. del Departamento de Física , Facultad de Ciencias, Universidad de Concepción, por la colaboración prestada en las actividades de terreno.

Anexo I

RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DE SUELO CONSTITUIDO POR UNA MEZCLA DE ARENA-LIMO EN FUNCIÓN

DE LA TEMPERATURA Y LA HUMEDAD

Contenido Resistividad Resistividad Temperatura de humedad a 10"C a 15.2% H [% en peso] [Ohm x cm] ¡Ohm x cm] ["C]

O 1.000.000 7 .200 20 2.5 150.000 9 .900 10 5 43 .000 13 .800 O Agua

10 18 .500 30.000 O Hielo 15 10.500 79 .000 - 5 20 6.300 330.000 - 15 30 4 .200

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BIDDLE. J .G .. 1981. Getting down to the Earth. Biddle Instruments , Pensilvania, USA.

CARRANZA. J . Y M. IRIBARR EN. 1986. Cálculo e implementación de una malla de tierra en isla Rey Jorge. Antártica . Departamento de Física. Facultad de Ciencias. Universidad de Concepción .

ORELLANA. E. Y H. M . MooNEY. 1966. Master Curves and Tables for Vertical Electrical Sounding over Layered Structures. Editorial Interciencia. España .

SCIIWARTZ. S .J .. 195~ . Analytical Express ions for the Resistance of Grounding Systems . Proceeding of AlEE. August.

VL·SCOVICH . J . I . 198 1. Prospecc ión de suelos por métodos no convencionales: Método de prospección geoe léetrica . Informe para optar al título de ingeniero ci vil. Facultad de Ingeniería . Universidad de Concepción .

Recibido: :::X .08 .89 . Aprobado: 10 .0 1.90

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