Técnicas geofísicas de reconocimiento del subsuelo: Georadar y

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Técnicas geofísicas
de reconocimiento
del subsuelo:
Georadar y tomografía
eléctrica. Casos prácticos.
Jordá Bordehore, L.
Ingeniero de Minas
RUDNIK INGENIEROS CONSULTORES.
El presente trabajo trata dos
técnicas geofísicas de
reconocimiento del subsuelo: el
georadar (ground penetrating
radar, GPR) y la tomografía
eléctrica .
Son dos técnicas que difieren
bastante en cuanto a su
concepción y puesta en servicio:
las representaciones obtenidas y el
tratamiento de los datos también.
A partir de los resultados brutos de
campo es necesario un tratamiento
de los datos y posterior
interpretación por personal
cualificado.
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El georadar es muy empleado en
la investigación somera del subsuelo urbano (con las llamadas antenas
blindadas), siendo la técnica por
excelencia para la localización y cartografía de servicios urbanos enterrados. La tomografía eléctrica
(dentro de las técnicas de resistividad) es muy empleada para la
correlación litológica, detección de
fallas y acuíferos.
Para la auscultación de cavidades, la tomografía eléctrica se presenta como una herramienta muy
eficaz aunque con limitaciones que
han de ser estudiadas antes de
diseñar la campaña . Por otro lado,
el georadar esta condicionado por el
tipo de antena que empleemos; la
profundidad
de
investigación
depende de la frecuencia de la antena y de la resistividad y permitividad eléctrica del medio. Los terrenos arcillosos y margas son
atenuadores de la señal, mientras
que en medios calizos la profundidad de investigación con una antena de 400 Mhz permite llegar hasta
los 10 metros con una nítida señal.
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Figura 1: equipo de georadar con antena emisora-receptora (que se ubica en la parte del carrito en
contacto con el suelo), unidad de adquisición y ordenador. Es un equipo de ultima generación capaz de
tomar e interpretar los datos en la propia obra y rápido de poner en funcionamiento una vez llegados a la
zona de estudio. En el presente estudio se ha empleado una antena que hace funciones de emisor y
receptor con una frecuencia de 400 Mhz. Este tipo de equipo es muy adecuado para prospecciones de
gran precisión en el rango de los primeros 5 metros del terreno .
Prospección mediante
georadar
La prospección geofísica por radar se
engloba dentro de los métodos electromagnéticos de alta frecuencia. Los reconocimientos mediante georadar se basan en
el estudio de la propagación de ondas
electromagnéticas en el subsuelo en un
dominio de frecuencias que varían entre
unas decenas de Mhz hasta algunos Ghz.
Son ondas emitidas como impulsos temporales de muy corta duración, desde una
antena emisora (Tx) que se desplaza por
la superficie del terreno. Cuando estas
ondas se encuentran con un contraste dieléctrico, se reflejan hacia la superficie (Ley
de Snell - Descartes) donde sus características son medidas por una antena
receptora (Rx).
La propagación de las ondas a través
del terreno esta regida por las ecuaciones
de Maxwell y dependen en gran medida
de las características del medio en el que
se propagan, así como de las propiedades
dieléctricas y espaciales de las heterogeneidades que "van encontrando" las
ondas.
Medidas y tratamiento
de la señal del georadar
Se miden las variaciones de amplitud
del campo eléctrico producido por las
reflexiones y difracciones sobre los contrastes dieléctricos del medio en función
del tiempo. Los modernos equipos permiten la toma de grandes volúmenes de
datos sin que existan excesivos problemas
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Figura 2:
Radargrama
bruto en
terrenos
calcáreos.
Torrelaguna,
Madrid.
Figura 3. En la
imagen se
aprecia la
continuidad de
los reflectores y
el buzamiento
de las capas. El
perfil se realizó
perpendicular a
la dirección de
estratificación.
Figura 4: En la imagen superior se aprecia una estratificación cruzada y una señal de
extraordinaria calidad hasta los 3,50 metros de profundidad en arenas (antena de 200
Mhz). Perfil realizado en Arabia Saudí, cortesía de IDS (tratamiento de señal propio).
de muestreo y almacenamiento de estos,
así como interpretaciones rápidas de los
mismos.
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El primer resultado en la prospección,
es el radargrama bruto (figura inferior) o
corte en función del tiempo. El aspecto es
muy similar a las representaciones obteni-
das en sísmica de reflexión. En abcisas, de
derecha a izquierda se representa el espacio (x) recorrido, en ordenadas, el tiempo
de llegada de las reflexiones y difracciones
de la onda electromagnética.
El siguiente paso consiste en filtrar e
interpretar la señal, así como obtener un
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Figura 5:
Detección de la
parte superior
de un
oleoducto.
Arabia Saudí
(Cortesía IDS)
Figura 7: resultados del georadar.
A la derecha se muestran los
filtros y algoritmos empleados en
el tratamiento de la señal:
desplazamiento de horizonte y =
0, filtrado del ruido, filtrado de
banda pasante a 100 - 550 Mhz y
ganancia. El radargrama
corresponde a la imagen de la
figura 7. Se detectan las capas
superficiales, relleno de la zanja y
tubería. Se ha preferido no filtrar
la señal de los rebotes
horizontales para no perder
claridad en la parte somera de la
imagen.
Figura 6: Para
poner a punto el
equipo se han
llevado a cabo
campañas donde el
emplazamiento de
los objetivos era
conocido. En la
imagen
delimitación de
una tubería
conocida
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Figura 8: En la
imagen se muestran
las hipérbolas de
difracción
correspondientes a
diversas tuberías así
como reflectores
estratigráficos
horizontales.
Probablemente el
inferior, situado a
1.70 metros,
corresponde al nivel
freático.
Figura 9: La localización
y cartografía de servicios
urbanos es una aplicación
mayúscula del georadar,
aunque como se ha visto
presenta otras muchas.
corte en función de la profundidad . El
resultado es un radargrama interpretado y
corte en profundidad. Bajo estas líneas se
representa el tratamiento de la señal del
radargrama bruto anterior.
Para obtener una imagen más legible del
radargrama se emplean algoritmos de tratamiento de señal. En concreto la "migración" tiene por objeto focalizar la energía de
la señal entre trazas y convertir las hipérbolas
(debidas a tuberías, cavidades,
fallas, etc.) en puntos.
Detección de cavidades por
georadar
La signatura de una cavidad es un contraste de amplitud más o menos pronunciado sobre el radargrama . Ese contraste
es particularmente fuerte para una cavidad vacía . La señal asociada a ese contraste presenta a menudo hipérbolas de
difracción seguidas de interacciones con
los bordes y techos. La señal es elevada
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para una cavidad inundada, con presencia
de reflexiones múltiples y sin embargo
está muy atenuada cuando las ondas atraviesan medio relleno de materiales conductivos como las arcillas .
Puesta a punto del equipo y
calibrado de la señal
El georadar presenta una elevada resolución en la detección de huecos y conductores en medio resistivo (> 100 ohm *
m), en profundidades que dependen
mucho de la conductividad de los terrenos
encajantes. Se debe de tener especial
atención pues el método no es recomendable para detección de cavidades en
medio conductor o en presencia de una
cobertera conductora, pues las ondas no
se propagan por debajo de ella. Cuanto
mayor es la frecuencia de la antena
empleada mejor es la resolución pero la
profundidad de penetración es menor. El
compromiso entre ambos es difícil y por
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Figura 10: En las imágenes superiores se muestran varias secciones en las que se ha detectado la
presencia de armaduras en el hormigón. Nótese las hipérbolas de difracción asociadas a los redondos. La
imagen superior es un "radargrama bruto", las dos inferiores son secciones filtradas, la inferior derecha
corresponde a la adquisición superior.
ello se emplean al mismo tiempo varias
antenas de diversos rangos de frecuencia.
Georadar en sondeo
La testificación en sondeos mediante
georadar se basa en los mismos principios
que en la prospección superficial. En este
caso se escanean los materiales circundantes del sondeo. Se emplean dos configuraciones básicas: modo reflexión, en el
que el transmisor y receptor se encuentran en el mismo sondeo y modo tomografía, en el que transmisor y receptor se
ubican en sondeos contiguos. Es una técnica que permite la "difícil misión" de
detectar cavidades y fracturas que no
intersecan el sondeo. Asimismo, realizando sondeos próximos a cimentaciones
podemos determinar el alcance de las mismas. Esta última aplicación es de crucial
importancia en estudios geotécnicos de
patologías, en las que se desconoce la
cota de apoyo de la cimentación.
Tomografía eléctrica
El método "eléctrico" cuadripolar consiste en introducir una corriente eléctrica
continua en la superficie del terreno a través de dos electrodos de "corriente". Se
mide el voltaje mediante otro par de electrodos. A partir del valor de la corriente
inyectada y del voltaje medido se obtiene
la "resistividad aparente" del subsuelo.
Cada tipo de material presenta un rango
de resistividad "real" más o menos característico. Las cavidades vacías (llenas de
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Figura 12: estimación de la longitud de un pilote, plaza Venezuela, Caracas, Venezuela (cortesía TRXconsulting)
Figura 13: Ejemplo de penetración de la corriente en el terreno con un dispositivo dipolo - dipolo.
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Figura 15: Perfil geoeléctrico obtenido mediante la técnica de inversión - tomografía. Se muestra un
terreno calcáreo con grandes bloques fracturados (calizas del páramo, Torija) que descansan sobre
margas (en azul, terrenos más conductivos)
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Figura 14: colocación de una línea de electrodos: perfil geoeléctrico en la excavación de una zapata
corrida de cimentación en Villanueva del Pardillo (Madrid), el objeto del estudio era detectar filtraciones
de agua y posibles socavamientos
Figura 16: cavidad en yesos. Prospecciones geoeléctricas en la provincia de Cuenca.
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Figura 16: Sondeo para comprobación de los resultados de una campaña geofísica en un solar previo a
la construcción e un pequeño edificio de 2 pisos con sótanos. Se detectaron cavidades artificiales para
almacenamiento de vino y túneles.
aire) presentan una resistividad aparente
que tiende al infinito: los terrenos saturados son altamente conductores y por tanto presentan baja resistividad, etcétera.
El método eléctrico es una de las técnicas geofísicas más antiguas y ha ido evolucionando en función de las capacidades
de los equipos de adquisición y procesado
de datos.
perfil y se interpolan e interpretan los
datos para hacer corte de resistividad del
terreno. Si las condiciones son adecuadas
es una herramienta muy potente para llevar a cabo correlaciones entre resistividad
y tipo de material en terrenos ocultos.
Consideraciones finales
Según la posición de los electrodos la
corriente penetra más o menos en el
terreno. En la práctica se extiende una
línea de más de 24 electrodos que son
seleccionados de cuatro en cuatro por el
equipo de campo (resistivímetro). De esta
manera se obtienen gran número de puntos de resistividades aparentes (Jordá,
2005).
En tomografía eléctrica se mide la
resistividad en numerosos puntos de un
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A modo de comparación podemos afirmar que ambas técnicas pueden emplearse a la vez en muchos estudios, el georadar perseguirá objetivos más someros y
mayores resoluciones, mientras que la
tomografía alcanzaría, con menor resolución, objetivos más profundos. En general
el georadar es menos penetrativo en antenas de alta frecuencia pero puede alcanzar
penetraciones de más de 30 metros con
antenas de menor frecuencia, si bien en
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zonas de calizas incluso una antena
"media" llega hasta profundidades considerables. Aún así los ejemplos del presente trabajo son claramente aplicaciones
muy someras de ambas técnicas, pero con
una más que notable resolución.
En muchas ocasiones la geofísica puede
"fallar" debido a que se le exige como técnica resultados que sobrepasan sus capacidades. Es por ello siempre recomendable
comprobar los resultados con técnicas de
recuperación de testigo, calicatas o ensayos de penetración.
una sección absoluta de la litología pero
aporta información crucial para la correlación de los ensayos.
A modo de conclusión podemos mostrar
una sección imaginaria en la cual la geofísica podría habernos ayudado a escoger
los puntos más representativos del perfil.
En función de la profundidad de los objetivos y de la litología escogeríamos una técnica u otra: tomografía electrica, sísmica,
georadar, etc...
Bibliografía complementaria
En muchos aspectos la geotecnia puede
compararse a la medicina. Así existe un
paralelismo entre geofísica de superficie,
sondeos y geotecnia, con las radiografías
(resonancias, etc,), cirugía y los diagnósticos médicos. Un médico puede requerir
de la combinación de una auscultación
(radiografía, resonancia magnética, etc..)
con una técnica de reconocimiento visual
(cámara) y cirugía para hacer un diagnóstico.
En geotecnia, de la misma manera se
requiere de la combinación de técnicas de
escáner de grandes superficies (técnicas
2D, pseudo- 3D y 3D) con prospecciones
puntuales. La geofísica debe de preceder a
los sondeos y calicatas para ubicarlos más
juiciosamente. La geofísica no representa
Arlandi, M. (2005): "Geofísica
Aplicada a la obra civil. Método geoeléctrico y sísmica de refracción. Casos prácticos". XII Curso de Geotecnia Aplicada.
Universidad de Jaén 2005, 64 pp.
Cataldi, A. et al.: "método borehole
radar" documento 8 pp. www.trx-consulting.com
VV.AA. (2004): "Detection de cavités
souterraines par méthodes géophysiques.
Guide technique. Ed. Laboratoire Central
des Ponts et Chaussés. Paris. 170 pp.
JORDA, L, (2005): "Geofísica somera
aplicada a informes geotécnicos de pequeña escala: detección de cavidades por
tomografía eléctrica". INGEOPRES nº 139,
pp 20 - 24
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