En esta práctica de campo realizada del 21 al 24 de junio en La Mintzita, Michoacán se aplicaron 5 métodos de exploración geofísica (Resistividad, Magnetometría, Georadar, Gravimetría y Sísmica) con el objetivo de plantear un perfil de trabajo y conocer la instrumentación de cada método así como el procesamiento e interpretación de los datos.
Contexto geológico
En la zona sureste de la capital michoacana se encuentra una localidad llamada “La Mintzita”, región de diversas fallas geológicas activas que han originado semi grabens y grabens de diferentes dimensiones, que están relacionados con la alineación de la litología de la zona y con el vulcanismo monogenético en el Holoceno, viéndose afectados a su vez los estados de Michoacán y Jalisco debido a la actividad de fallas y de vulcanismo. La zona de estudio, localizada sobre el Cinturón Volcánico Transmexicano, se caracteriza por la presencia de rocas volcánicas, las cuales se relacionan estrechamente a su origen y a los procesos tectónicos posteriores que disminuyeron o aumentaron su permeabilidad.
La zona de la Mintzita está ubicada en el sistema de fallas llamado Morelia-Acambay, el cual se originó durante el Mioceno con un desarrollo de movimientos laterales izquierdos y transtensivos hace aproximadamente 6-12 Ma (Millones de años).
Las direcciones de este sistema de fallas son E-O, ENE-OSO y NE-SO. En la parte sur del área se definieron la presencia de 4 fallas normales importantes que controlan la dirección del flujo subterráneo de la zona y a ellas se asocia la presencia de manantiales y pozos. La falla normal El Águila de dirección NE-SO y que presenta un escarpe de altura máxima de 47 m. La falla normal Cointzio presenta NE-SO hasta E-O, se alinea a partir de la población de Cointzio y continúa al occidente hasta la población de La Joya de Buenavista, presenta un escarpe de más de 130 m y sobre ella se manifiestan los manantiales de Cointzio.1
Métodos de exploración geofísica
Para aplicar los métodos geofísicos en la zona de la Mintzita, se realizó un reconocimiento general para poder escoger un perfil en el cual se hizo un análisis y estudio de las condiciones y propiedades del entorno debido a su respuesta con las diferentes técnicas aplicadas. Se escogió un perfil de dirección O-E que empieza en el final de la propiedad donde se nos permitió trabajar, sigue un pequeño camino que atraviesa perpendicular a un gasoducto del cual se conoce su ubicación ya que hay señalizaciones que indican la sección en la que se puede encontrar y así evitar que ese espacio sea perforado.
Método de resistividad
El método de resistividad forma parte de los métodos eléctricos de exploración geofísica, en él, las corrientes eléctricas generadas artificialmente se introducen en el suelo por medio de electrodos y las diferencias de potencial resultantes se miden en la superficie.
Para poder realizar este método geofísico se utilizó el instrumento Syscal Junior con su respectiva batería de coche, además de cables de corriente los cuales se conectaron a los electrodos. Los electrodos se colocaron con una separación de 5 m entre cada uno de modo que abarcaran una distancia de 115 m con 24 electrodos.
Se configuró el software Electre Pro de modo que se obtuvieran lecturas en los arreglos Dipolo-Dipolo, Wenner y Wenner-Schlumberger para que se reflejara una profundidad de ~23 m. El procedimiento anterior se realizó igual para el Roll-along que se tuvo que hacer para complementar el espacio sobrante del perfil (175 m) con la mitad del arreglo inicial, obteniendo un total de 36 electrodos.
Se obtuvieron un total de 743 lecturas para posteriormente ser procesadas en el software Earth Imager 2D. El archivo ingresado al programa se editó para ser configurado como .urf (Universal Resistivity Format) el cual recibe los datos de geometría de nuestros electrodos a lo largo de nuestro perfil, las configuraciones de los cuadripolos en cada medición, una columna de resistencia, otra de corriente inducida y finalmente una columna con el error asociado a cada registro.
Mediante la toma de datos con los arreglos Dipolo-Dipolo, Wenner y Wenner-Schlumberger, con un total de 36 electrodos con una extensión de 175 m, se obtuvieron 743 lecturas en total. Por medio del software Earth Imager 2D se obtuvo la siguiente tomografía de resistividad eléctrica en 2D donde nos indica las mediciones de la resistividad aparente en cada pseudo sección, el cálculo de la resistividad aparente y la inversión de resistividad en la sección del perfil.
Como se puede observar en la tomografía los valores de resistividad van desde los 7.6 - 500 \(\Omega \cdot m\), donde el valor menor de 7.6 \(\Omega \cdot m\) tiene lugar en la parte más somera (tonos azules), los valores de resistividad más bajos de la tomografía eléctrica corresponden a la constante dieléctrica baja causada por la alta humedad del subsuelo. Los valores altos de resistividad que se aproximan a los 500 \(\Omega \cdot m\) indican estructuras del basamento cristalino en el subsuelo con profundidades aproximadas de 6 m (tonos rojizos).
No es posible visualizar el gasoducto debido a que tiene una dimensión de 88 pulgadas y el perfil tiene una separación de 5 m entre electrodos, por lo tanto la resolución de la tomografía no es suficiente para detectar este tipo de objetos. De acuerdo a las señalizaciones el gasoducto podría estar localizado entre los electrodos 10, 11 y 12.
Magnetometría
La magnetometría es un método geofísico que mide las anomalías magnéticas del campo magnético terrrestre, permitiendo detectar objetos en el subsuelo con estas características.
Para realizar esta técnica geofísica se utilizó el magnetómetro GSM-19 de efecto Overhauser que obtiene 10 muestras por segundo y tiene una resolución de 0.01 nT, se tomaron 197 lecturas ya que cada medición se realizó con 1 m de separación desde el inicio del perfil hasta el final.
El armado del equipo consistió en colocar un magnetómetro a una altura de 2 m, otro magnetómetro a 1 m del primero y un sensor GPS a 50 cm del segundo magnetómetro, dando una altura total de 3.5 m. La finalidad de que se colocaran dos magnetómetros fue poder obtener un gradiente que pueda detectar mejor las anomalías a identificar. Se consideró también que al momento de tomar las lecturas hubiera un aumento en el valor de los datos cuando se pasaba cerca de construcciones con objetos metálicos (bardas de concreto, casa habitacional, varillas, etc.) o si se pasaba por debajo de postes con cables de luz que alimentan las casas de la zona.
Dentro de la configuración del magnetómetro se tuvieron que considerar ciertos parámetros de acuerdo a la zona en que nos encontrábamos, se consideró el datum WGS84 en la zona 14Q y se utilizó un filtro AC de 60 Hz. Las mediciones fueron realizadas por los integrantes de brigada Alejandro Maldonado y Yarco Álvarez.
Una vez obtenidos los datos del magnetómetro GSM-19, siendo un total de 197 lecturas, se compilaron los datos en un documento .txt que posteriormente fue procesado por medio de un CLI (Command Line Interface) llamado MagnetoPy escrito por Juan Carlos Bucio para poder crear un documento .csv donde se puedan procesar los datos de la estación base, que se obtiene del Observatorio Magnético de Teoloyucan, y de las estaciones móviles tomadas en campo.
El documento .csv contiene los datos de fecha, tiempo, campo magnético total, coordenadas, elevación, error, diferencia de tiempo, variación diurna, corrección por variación diurna, intensidad del IGRF y la intensidad del campo magnético residual. El documento .csv obtenido de MagnetoPy fue procesado en el software Oasis Montaj para utilizar los valores de corrección por variación diurna y poder obtener el siguiente modelo:
Para el modelo anterior se tuvo que procesar el mapa de corrección por variación diurna al cual se le aplicó el filtro de Primera Derivada, el cual se utiliza para resaltar fuentes someras (frecuencias altas, longitudes de onda cortas), ya que nos interesaba poder ubicar el gasoducto que cruza perpendicular al perfil y que no se encuentra enterrado muy profundo.
Se puede observar que hay valores que van desde -132,404,162.6 nT hasta 132,088,968.9 nT, y que hay una geometría tipo cilindro en color azul rey que presenta un valor magnético muy bajo, podemos interpretarlo como si éste fuera el gasoducto por el tamaño y la ubicación en el modelo y el mapa de la zona, la cual coincide con las mediciones realizadas en campo (50-60 m desde el origen del perfil), alrededor del mismo se observan anomalías muy altas porque se relacionan con las construcciones que existen cercanas al gasoducto.
Georadar (GPR)
El georadar ó GPR (Ground Penetrating Radar) por sus siglas en inglés, es una técnica geofísica basada en la detección de pulsos electromagnéticos de corta duración (1-60 nanosegundos). Estos pulsos pueden ser detectados por una antena que produce un pulso y al mismo tiempo recibe la señal producida por el subsuelo. Este es un método ampliamente utilizado para detectar anomalías someras que van desde 3 m hasta 40 m con antenas más sofisticadas.
Para realizar este método se utilizó el instrumento MALA Vision con el cual se realizaron 5 perfiles utilizando una antena de 250 MHz en la zona del perfil de la brigada (Figura 2), cada uno de ellos tenía un ancho de 2.5m - 3m. El recorrido tuvo una extensión de 136 m considerando solo una dirección lo cual permitió hacer un modelo 2D de los resultados obtenidos con el equipo, cada perfil tomó 20 minutos y en total el estudio tuvo una duración de 1 hora. Además, se tuvieron que rodear montículos de huizache por lo que los primeros tres perfiles no fueron en su totalidad rectos, a pesar de esto los datos obtenidos fueron adecuados. Finalmente, para poder procesar los datos obtenidos se utilizó el software en línea MALA Vision.
Al haber procesado los archivos correspondientes 0707, 0708, 0709, 0710, 0711 con extensión .rd3 y .rad en el software indicado anteriormente, se realizó el perfil 2D con georadar (Figura 8). Para realizar el procesamiento de los datos obtenidos se aplicaron 3 filtros con la finalidad de reducir el ruido y mejorar la resolución de la información. Se aplicó el filtro de señal DC que le resta a todos los valores el promedio de las señales obtenidas, el filtro AGC (Automatic Gain Control) que compensa la pérdida por la propagación de ondas basándose en la diferencia en amplitudes entre el valor promedio de la señal y el valor máximo, finalmente se aplicó el filtro de supresión de fondo que como su nombre lo indica remueve el ruido de fondo provocado por la oscilación de la antena.
En los primeros 35 m del perfil se detectan conjuntos de líneas superpuestas en disposición horizontal marcadas con recuadros azules que podrían estar asociadas a capas de sedimentos las cuales se pueden ver también en otras zonas del perfil, en los recuadros amarillos se delimitan puntos de difracción que suelen asociarse a estructuras de colapso como fallas o fracturas, los recuadros rojos nos indican la presencia de cimientos de una construcción que se encuentra en los últimos 30 m del perfil los cuales coinciden y finalmente el par de puntos rojos delimitan la sección en la cual debería encontrarse el gasoducto de 88 pulgadas.
Gravimetría
La gravimetría es un método geosífico que mide las variaciones gravitacionales de la Tierra en un punto o en un conjunto de puntos a lo largo de un perfil o mallado de estudio, este método puede emplearse para detectar anomalías subterráneas o bien, para medir la marea terrestre.
Durante la recolección de datos para el método gravimétrico se utilizó el gravímetro Lacoste & Romberg Modelo G-247, se estableció un punto de medición en una de las construcciones para mantener el equipo estable y siempre tomando en cuenta que este equipo trabaja a una temperatura interna de 50.5°C con un crosshead de 3.2 para poder tomar los datos, que en este caso fueron para analizar la marea terrestre.
Al haber nivelado correctamente el equipo, se estableció un tiempo de dos horas y media para tomar las medidas cada 5 minutos al igual que la hora en la que se reportaban en horario UTC, obteniendo un total de 26 mediciones.
Posteriormente utilizamos el GPS Garmin para determinar las coordenadas del punto de muestreo, las cuales son 19.6413806 N, -101.281325 O; la toma de datos se hizo de manera manual, los integrantes de la brigada Alejandro Maldonado, Juan Carlos Bucio y Yarco Álvarez tomaron 5 lecturas cada uno, y Dinorah Martínez y Andrea Sánchez tomaron 8 lecturas cada una.
Se sabe que la Tierra es un sólido elástico y que es afectada por fuerzas que la atraen, especialmente por factores como la posición en la que nos encontramos con respecto al Sol y a la Luna, es por ello que el planeta llega a tener una forma de equilibrio dependiendo de la gravedad y de las fuerzas que se generan.
Entonces, al haberse colocado un gravímetro sobre una superficie, éste registra las variaciones periódicas de la gravedad que se encuentra influenciada por la atracción del Sol y la Luna haciendo que la Tierra se distorsione generando un pequeño desequilibrio en el equipo de medición; este fenómeno pudo observarse en el gravímetro Lacoste & Romberg, el cual es de alta precisión. Al obtener las mediciones, se pudo identificar que desde la hora 16:31:33 UTC hasta las 17:37:37 UTC las mediciones no cambiaron de manera significativa, debido a esto se hizo la suposición de que nos encontrábamos en uno de los valles de la variación semiduirna gravitacional, ya que durante el tiempo 18:24:17 UTC los valores comenzaron a aumentar. Este fenómeno se pudo identificar gracias al procesamiento realizado con el software TSoft el cual nos muestra el rango en el que los valores obtenidos con el gravímetro coinciden con la gráfica (Figura 9).
Sísmica
La sísmica ó sísmica de prospección es un método geofísico que consiste en generar ondas sísmicas por una fuente artificial controlada (por el golpe de un mazo, ruido sísmico, etc.) que se propagan a través del subsuelo. La sísmica de prospección mide las velocidades de propagación de las ondas en el subsuelo con la finalidad de detectar cuerpos de distintas composiciones.
Durante el levantamiento de este método se empleó el sismógrafo ES-3000 de Geometrics con una configuración de 24 geófonos de 4.5 Hz y una separación de 5 m a lo largo de una línea de 115 m iniciando al final de nuestro perfil, esto con la intención de intersectar el perfil de la brigada Las Metamórficas con dirección N-S. La toma de los datos se realizó por medio del método MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) que como su nombre lo indica, se caracteriza por registrar las ondas sísmicas superficiales producidas por el golpe del mazo en puntos preestablecidos. Las ubicaciones de cada trigger producido por el golpe se establecieron en los siguientes puntos: 5 m antes de g1 (g1=geófono 1), g1, g6, g12-g13, g18, g24 y 5 m después de g24.
Para registrar los datos se utilizó el software Surface Wave Wizard donde se especifica la configuración del perfil, la separación entre geófonos y la ubicación de los triggers en cada lectura.
El análisis de datos se realizó con el proceso de MAM (Microtremor Array Measurement) en el software SeisImager 2D utilizando los archivos que se obtuvieron al realizar el levantamiento, estos fueron los documentos 21 a 27 con extensión .dat.
En un inicio, se hizo el procesamiento tomando en cuenta que los datos se habían tomado como MASW, sin embargo, se observaba que el formato o la configuración que se hizo con el equipo durante el levantamiento no fue la adecuada, ya que no se detectaba una señal coherente con el tipo de procesamiento que se estaba realizando en un inicio, debido a esto, se consultó con el Dr. Luis Antonio Domínguez quien hizo la recomendación de tratar los datos como ruido sísmico.
Para observar los datos, se determinó una frecuencia mínima de 2 Hz ya que el software podrá escoger los puntos de amplitud máxima, al utilizarse geófonos de 4.5 Hz la energía que se registra puede variar debido a la sensibilidad del instrumento. Al haber aplicado estos parámetros con la herramienta Surface Wave Analysis se obtuvieron los puntos de dispersión los cuales se necesitaron para generar el modelo de velocidad aparente que se observa en la (Figura 11). El modelo se aproxima al rango de valores identificados en las barras de color gris.
Usos y aplicaciones
Como ya se describió en este estudio, la aplicación de distintos métodos geofísicos puede ser de gran utilidad para la detección de estructuras subterráneas, la finalidad de utilizar distintos métodos es establecer la no unicidad de las distintas técnicas, esto se define como la imposibilidad de determinar una única solución para la existencia de un conjunto finito de datos. En pocas palabras, se requieren más métodos para respaldar los resultados de una misma técnica.
Entre las aplicaciones más comunes de los métodos de exploración geofísica se encuentran:
- Identificación de cambios en la litología del subsuelo (composición de las rocas, minerales, etc.)
- Delimitación de sistemas de fallamiento
- Prospección minera
- Prospección de hidrocarburos
- Detección de pozos acuíferos
- Aplicaciones forenses (detección de cuerpos, fosas, etc.)
- Detección de cimientos y tuberías
- Arqueología (detección de objetos antiguos, estructuras de valor histórico, etc.)
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