Técnicas Convencionales de Geofísica de Superficie Aplicadas en Hidrogeología

| 28 octubre, 2010 | 0 Comentarios

RESUMEN

La Geofísica aplicada es un tecnología que permite efectuar un diagnóstico de la constitución del subsuelo por interpretación de unos documentos obtenidos a partir de unas mediciones y de unos cálculos. Cada método de prospección geofísica obedece al estudio de una determinada propiedad de las rocas, existiendo numerosas posibilidades en la manera de efectuar las mediciones sobre el terreno, de tal forma que puedan adaptarse a la escala y el objetivo requerido por cada trabajo: desde reconocimientos regionales a caracterizaciones locales y superficiales. En principio, todos los métodos geofísicos de superficie pueden ser utilizados en la resolución de problemas geológicos relacionados con la Hidrogeología, siendo fundamental tener en cuenta los límites tanto intrínsecos de cada método como los derivados de su forma de utilización. Sin embargo, la naturaleza de la mayoría de los problemas planteados en Hidrogeología exige conocer la distribución de propiedades en el subsuelo en sentido vertical, lo que unido al importante papel que juega el agua en la resistividad eléctrica de las rocas, hace que los métodos eléctricos sean con diferencia los cuantitativamente más utilizados. No obstante, no es infrecuente que la resolución de los problemas planteados demande la utilización de métodos sísmicos, gravimetría o magnetometría, así como tecnologías eléctricas no convencionales: cada tipo de situación geológica requiere la aplicación del método adecuado, siendo conveniente en muchas ocasiones la aplicación simultánea de más de un método, lo que a veces no es posible por los límites económicos que suelen imponerse a las investigaciones hidrogeológicas. En este sentido, la reutilización de la información geofísica a través de cartografía y bases de datos nacionales es una excelente alternativa. Tanto para la introducción de nuevas tecnologías como para la más correcta utilización de las existentes, es necesaria la realización de proyectos de desarrollo tecnológico; este tipo de actuaciones sólo serán de utilidad si se tienen en cuenta las necesidades reales y la correcta identificación de los problemas a resolver, lo que se ve favorecido por el acercamiento entre organismos de investigación y organismos gestores de los recursos.

INTRODUCCIÓN

El tema del que vamos a ocuparnos en este capitulo es, visto desde el mundo de la Prospección Geofísica o Geofísica Aplicada, de una gran generalidad, por lo que para intentar abarcarlo en unos minutos hay que seleccionar solamente unas pocas de las muchas cosas que pueden y deben decirse; sin embargo visto desde el mundo de la Hidrogeología, puede resultar un tema muy específico, del que cabe esperar que en breve espacio se sinteticen los aspectos más importantes. Ante esta dificultad, hemos tenido en cuenta que uno de los objetivos perseguidos con la celebración de estas Jornadas es el de promover el acercamiento entre especialistas de diferentes campos; no se trata por tanto de que los geofísicos nos contemos una vez más unos a otros lo que hacemos y lo bien que lo hacemos, sino de que se lo contemos a profesionales que no son especialistas en Geofísica y de que escuchemos sus opiniones respecto de lo que nuestro trabajo está realmente aportando en la resolución de sus problemas. En este contexto he seleccionado los breves comentarios que sobre el tema voy a hacer a continuación; sobre cuestiones de tipo técnico, me centraré en dar una visión sobre las características generales de lo que es la Prospección Geofísica, los métodos disponibles y la relación entre ellos y las aplicaciones a la Hidrogeología; seguidamente, parece obligado dar algunos datos de tipo estadístico, tanto de los métodos empleados como de sus aplicaciones; y, finalmente, el título de estas Jornadas demanda efectuar algunos comentarios respecto de su actualidad y, en consecuencia, de su futuro.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA PROSPECCIÓN GEOFÍSICA

La Prospección Geofísica puede definirse como una técnica que permite efectuar un diagnóstico de la constitución del subsuelo por interpretación de unos documentos que son el resultado de unas mediciones y de unos cálculos. Todo trabajo de Prospección Geofísica tiene, o debería de tener, una serie de etapas:
  • En primer lugar, el planteamiento o la definición del problema geológico que quiere investigarse, en donde, inexcusablemente, el protagonismo no lo tiene el geofísico, sino el especialista del campo del que se trate (p.e. el hidrogeólogo). En este sentido, hay que recordar que la Prospección Geofísica es una herramienta de la Geología con una capacidad mucho mayor para corroborar o refutar hipótesis que para establecerlas; por otra parte, sólo a preguntas concretas pueden darse respuestas concretas. En esta fase de planteamiento debe recopilarse la información geológica y geofísica disponible sobre el área
  • Establecido el problema, puede pasarse a la etapa de planificación de la campaña geofísica; para ello se comenzará por traducir a términos geofísicos el problema planteado, lo que implica elaborar el modelo del subsuelo cuya realidad quiere comprobarse además de los datos geométricos del modelo, que serán fruto de la hipótesis y/o conocimiento previo que se tenga sobre la geología del área, es de fundamental importancia conocer el valor más probable de las propiedades físicas de las rocas involucradas; a partir de este modelo, y con un buen conocimiento de las bases teóricas en que se fundamentan los diferentes métodos geofísicos, podrá seleccionarse el método más adecuado para la resolución del problema planteado; el uso de técnicas de cálculo de las anomalías geofísicas teóricas que cabe esperar, puede ser de gran ayuda en esta etapa, debiendo tenerse en cuenta además el relieve topográfico, ruidos culturales, etc. Una consideración adicional a la hora de esta planificación es que la utilización de más de un método es altamente recomendable, ya que ello no significa adicionar información, sino potenciarla, siendo por tanto las probabilidades de éxito de la campaña geofísica mucho mayores. Por otra parte, debe tenerse en cuenta que la selección del método incluye la definición del dispositivo y parámetros de toma de datos adecuada (tiempo de registro, distancia entre mediciones, dimensiones de las antenas, etc), sin lo cual, puede suceder que aunque el método en si mismo resulte apto para la resolución del problema, los datos de campo obtenidos no lo sean.
  • La siguiente etapa la constituye la toma de datos sobre el terreno o la etapa de medición, que quizá sea confundida en algunas ocasiones como la parte esencial o incluso única de la Prospección Geofísica, cuando en realidad no es así. Esta etapa puede ser llevada a cabo por personas distintas a las que realizan las restantes etapas, requiriéndose en algunos métodos un mayor especialización en cuestiones instrumentales que en Geología, aunque la evolución de la Geofísica está conduciendo a la paradoja de que mientras que para el manejo de la nueva instrumentación no es siempre imprescindible tener una alta cualificación técnica, la complejidad de la toma de decisiones en campo por la mayor sofisticación de los métodos utilizados, suele requerir profundos conocimiento geofísicos.
  • Una vez obtenidos los datos, es necesaria una etapa, más o menos importante según el método utilizado, de proceso de los mismos, a fin de convertirlos en un documento que es el que finalmente va a ser utilizado para la interpretación de los resultados. Como parte intrínseca de dicho proceso debe considerarse la forma de representar los resultados. Las bases de esta etapa pertenecen al dominio de la Física y de las Matemáticas, auxiliadas por el Cálculo, llevado a cabo actualmente casi de manera exclusiva por procedimientos informatizados, pero en los que el geofísico debe aportar normalmente algunas decisiones; no debería de olvidarse que los ordenadores no tienen más inteligencia que su usuario, por mucha rapidez que tengan en efectuar complicadísimos cálculos.
  • Finalmente podrá llevarse a cabo la interpretación, es decir, la formulación de la respuesta al problema planteado. Para ello, el documento geofísico debe ser convertido en un documento con expresión geológica, por lo que en esta etapa vuelve a ser imprescindible la aportación de expertos en el tema geológico contemplado, que juntamente con el geofísico podrán realizar la mejor interpretación de los resultados; hay que tener en cuenta que los instrumentos geofísicos miden magnitudes relacionadas con las propiedades físicas de las rocas, pero no saben nada sobre la litología, la estratigrafía, la tectónica, etc., que son o no posibles en el lugar de las mediciones. Proceso de datos e interpretación forman en muchas ocasiones una pareja inseparable; el proceso puede aportar diversas soluciones compatibles desde el punto de vista físico-matemático con las medidas tomadas, debiendo darse mayor prioridad en la elección a la viabilidad geológica de la interpretación que al menor error numérico del proceso. Conviene recordar que los ordenadores no realizan interpretaciones, siendo esta actividad hoy por hoy coto reservado del cerebro humano. En cualquier caso, el termino interpretación lleva ya implícito su carácter subjetivo.
Todas las etapas descritas tienen igual importancia: ningún proceso numérico puede mejorar unos datos mal tomados, ni será posible dar una interpretación correcta a un problema mal planteado; la incidencia del coste económico de las etapas de toma de datos y proceso sobre el costo total del estudio es muy variable según el método geofísico de que se trate, afectando en muchas ocasiones este costo de forma directamente proporcional a la calidad del trabajo efectuado: en los métodos más caros se suele dar más atención a las etapas de definición de objetivos y planteamiento, lo que contribuye a obtener mejores resultados; en los métodos más económicos, para que resulten más económicos todavía, estas etapas suelen ser peor atendidas, lo que afectará a la calidad final; esta realidad ha contribuido no poco al desprestigio de algunos métodos geofísicos.
Resaltamos por tanto que un estudio Geofísico no es cuestión exclusiva de los especialistas en Geofísica, sino que, sobre todo en las etapas de definición de objetivos y de interpretación, deben de participar siempre expertos en los temas geológicos involucrados.

PANORAMA DE LOS MÉTODOS GEOFÍSICOS DISPONIBLES

Cada método geofísico obedece al estudio de una determinada propiedad física de las rocas. Una clasificación primaria puede establecerse en función de la procedencia de la información que proporcionan, teniendo así:
Métodos que informan de la distribución de propiedades a nivel de la superficie del suelo, o con unos pocos centímetros de penetración; dentro de ellos se encuentran todos los que utilizan las propiedades ópticas de las rocas (reflectividad), o en bandas especiales de frecuencias (p.e. imágenes de infrarrojos), las propiedades de radiactividad natural (espectrometría), reflectividad electromagnética (radar aéreo), fluorescencia, etc.
Los restantes métodos informan de la distribución de propiedades en el subsuelo, con rangos de penetración muy dispares, que varían desde unos pocos metros a miles de metros. Dentro de ellos pueden hacerse dos familias:
Aquellos métodos que estudian las propiedades naturales de las rocas:
Densidad (gravimetría), susceptibilidad magnética (magnetometría), campos eléctricos y electromagnéticos naturales (magnetotelúrico, potencial espontáneo), conductividad térmica (termometría), etc.
Los que estudian las propiedades que surgen en las rocas como respuesta a su previa excitación con algún tipo de energía desde el exterior a las mismas: la velocidad de propagación de un esfuerzo mecánico (sísmica), la resistencia al paso de la corriente eléctrica (métodos geoeléctricos de corriente continua), la generación de campos electromagnéticos inducidos (métodos de corriente alterna, entre los que cabe incluir los métodos radiomagnetotelúricos), la reflectividad de las ondas electromagnéticas por cambio de la constante dieléctrica (radar terrestre), la cargabilidad (polarización inducida), los fenómenos electrocinéticos, la resonancia magnética de los protones (SRM), etc. En este grupo de métodos, las posibilidades que ofrece el disponer de un circuito desde donde se emite la energía y de otro donde se recibe la respuesta del subsuelo, hace que los submétodos o formas posibles de efectuar las mediciones y analizar los datos sean muy variados; así, en sísmica, habría que diferenciar entre la utilización de las ondas reflejadas, refractadas, las ondas directas de tipo superficial, las ondas canalizadas, etc.; en los métodos eléctricos las mediciones pueden disponerse de tal forma que se investigue la variación de la resistividad en vertical (sondeos, p.e. los SEV de corriente continua) o en horizontal a un determinado nivel de profundidad (calicatas), y en corriente alterna las posibilidades se abren más aún al considerar que puede trabajarse tanto en el denominado dominio de las frecuencias como en el dominio del tiempo (p.e. los SEDT). La profundidad de la información puede también ser gobernada: bien en función de la intensidad de la energía introducida en el subsuelo (p.e. en sísmica) o de sus características (p.e. la frecuencia en electromagnético), bien en función de la distancia entre fuente de energía y sensores, o bien sencillamente según el tipo de sensores (p.e. dimensiones de las bobinas receptoras en SRM). Casi todos estos métodos pueden además utilizarse de forma tomográfica, disponiendo emisor y receptor rodeando el volumen de terreno a investigar.
En muchos métodos geofísicos las medidas pueden ser tomadas tanto desde tierra como desde el aire o en el mar, o bien introducir los instrumentos de medición en un sondeo mecánico, dando lugar a parte de los métodos geofísicos de testificación, en los cuales, debido a la corta distancia entre los sensores geofísicos y la roca investigada, surgen todavía más posibilidades de medición de otras propiedades y de diseño de dispositivos. Aunque la presencia de agua modifica varios parámetros petrofísicos (conductividad, velocidad de las ondas sísmicas, constante dieléctrica), es sin embargo la resistividad eléctrica la propiedad física de las rocas que más variación presenta con la porosidad, permeabilidad y con el contenido en agua y su calidad. Sin embargo, aunque la resistividad de unas arcillas es normalmente más de cien veces inferior a la de unas gravas, el contenido en agua de las gravas puede modificar su resistividad en esta misma proporción, pudiendo llegar a ser tan baja como la de unas arcillas, sobre todo si se tiene en cuenta la salinidad del agua. No existe por lo tanto una posibilidad de relacionar directamente un valor de resistividad con una determinada e inequívoca litología o contenido en agua de la misma, aunque pueden establecerse relaciones entre la resistividad y la porosidad, e incluso con la conductividad hidráulica, si los valores se han podido calibrar para una zona determinada. Esta exposición de posibilidades, que no pretende ser exhaustiva, aunque incluye algunos de los métodos últimamente desarrollados, se centra en los métodos que pueden considerarse como convencionales o suficientemente probados, que son sobre los que versa la primera parte de esta Jornada, dedicada a los métodos geofísicos de superficie. De forma general, todos estos métodos son aplicados en prospección hidrogeológica, por lo que puede entenderse que el tema propuesto es realmente amplio, como me refería en la introducción, y que por tanto en esta Ponencia no pretendemos más que destacar unos pocos aspectos de la cuestión.

RELACIÓN ENTRE MÉTODOS Y SUS APLICACIONES EN HIDROGEOLOGÍA

El ámbito de aplicación de la Geofísica a la Hidrogeología abarca una gran variedad de temas; unos están relacionados con la creación de modelos hidrogeológicos para el control y gestión de acuíferos; otros se refieren a cuestiones derivadas de la contaminación por las actividades agrícolas, industriales y de residuos urbanos; otros temas están relacionados con la conservación de la Naturaleza; otras cuestiones se refieren a problemas geotécnicos, como la influencia de la oscilación del nivel freático en la estabilidad de obras; o los temas vinculados al almacenamiento superficial y subterráneo de sustancias, obras mineras, etc. En cada uno de estos temas, se requiere la determinación de una serie de parámetros; unos pueden ser de tipo geométrico: potencia, profundidad y extensión lateral de los acuíferos, aquitardos y sustrato impermeable, posición del nivel freático, etc.; otros se refieren a características hidráulicas ligadas a la litología, como la porosidad y permeabilidad, con los que poder evaluar la transmisividad y coeficiente de almacenamiento; otros son dinámicos: velocidad y dirección de flujo; otros son datos sobre recarga y extracción: conexiones entre unidades aflorantes y profundas, envejecimiento de pozos,etc.
Por tanto, si los métodos de Prospección Geofísica forman un conjunto de varios elementos, la Hidrogeología presenta aún más riqueza de variaciones en la posibilidad de problemas tipo que pueden presentarse, siendo las combinaciones entre los elementos de estos dos grupos realmente muy elevada; además, aunque el número de parámetros que el hombre necesita conocer para resolver estos problemas sea limitado, las circunstancias del entorno geológico y ambiental de cada caso añade un elemento más a tener en cuenta, por lo que en realidad hay que considerar combinaciones de tres conjuntos: método geofísico – problema hidrogeológico – entorno.
Sería posiblemente muy útil el poder asegurar que un determinado método geofísico es el que debe ser utilizado para la resolución de un determinado problema geológico o hidrogeológico, o si se quiere plantear al revés, el poder decir que tal problema es inequívocamente solucionado con la aplicación de tal método. Aunque desde un punto de vista muy simplificativo pudiera establecerse este tipo de relación
Método – Aplicación, creo que este planteamiento hace poco favor a la investigación hidrogeológica por métodos geofísicos, dadas las múltiples excepciones que en la práctica se presentan.
Personalmente, me inclino por presentar esta relación de una forma más realista, y que, desde mi punto de vista, es más constructiva: varios métodos pueden ser normalmente aplicados para la resolución del mismo problema, y su selección dependerá del contexto, de la economía, de la disponibilidad, de la experiencia; y en cualquier caso, siempre será mejor emplear más de un método. Lo más importante es realizar una correcta y concreta identificación del problema geológico que se plantea, efectuar una buena traducción del mismo en términos geofísicos y analizarlo para decidir en primer lugar si es o no posible su solución con el uso de las técnicas de Prospección Geofísica; en algunas ocasiones, resulta claro que no es posible, por lo que la sensatez aconseja no insistir en seguir adelante con las restantes etapas de una Prospección Geofísica; en otros casos, puede resultar suficientemente claro que el tema es abordable, por lo que se puede proseguir con la selección del método, o métodos, más adecuados; sin embargo no es infrecuente, sobre todo con la creciente dificultad de los temas que son planteados, el que no resulte evidente la selección, por lo que la única vía posible y rentable es la realización de ensayos previos con los métodos que puedan parecer más adecuados, y mediante la evaluación de estos ensayos tomar la decisión final.
No hay lugar en el marco de esta Ponencia para profundizar y demostrar de forma convincente la realidad de este planteamiento, ya que ello requeriría una exposición rigurosa de todos los métodos geofísicos, así como un análisis crítico detallado de múltiples casos reales de aplicación. Si este planteamiento puede parecer ambiguo, téngase en cuenta que es una consecuencia tanto de la variedad de métodos geofísicos disponibles, como de que estamos tratando de Ciencias de la Tierra, en donde aunque una situación sea parecida a otra, nunca es igual. Por ejemplo, al problema genérico de qué método se puede utilizar para localización de un basamento impermeable, la respuesta correcta es que todos; en un caso, se ha podido resolver con dispositivos de sísmica de refracción de 100 m de longitud, cartografiando con fiabilidad tanto la zona meteorizada (de unos 40 m de potencia) que constituye el acuífero hasta llegar a la roca fresca, como el nivel freático, por presentar en este caso un buen contraste de velocidad; en otra situación se han empleado sondeos magnetotelúricos para cartografiar la potencia de sedimentario hasta llegar a un basamento de baja porosidad situado a más de 800 m de profundidad, lo que sería técnica, o al menos económicamente, inviable con sísmica de refracción.
Para la aplicabilidad de un método geofísico puede que tenga más importancia tener en cuenta sus limitaciones que sus virtudes; el límite puede provenir de las bases del propio método, que en función de la propiedad física estudiada puede verse limitado en algunos aspectos: profundidad de investigación, dimensiones verticales y horizontales de los objetivos o resolución que es posible alcanzar, unicidad de la solución, etc. El límite puede venir dado también por el entorno donde hay que realizar la toma de medidas en campo: existencia de ruido tanto geológico como cultural que impida la aplicación del método; o bien que aún existiendo un contraste de propiedades físicas de las rocas, este sea en la realidad insuficiente para producir una anomalía mensurable; o bien que la geometría de los contactos geológicos no sea compatible con la obtención de resultados de la calidad necesaria. Otros límites pueden deberse sencillamente a la forma de usar la Geofísica: defectos en la etapa de planteamiento, utilizar una distancia entre medidas inadecuada, no disponer de control geológico, no efectuar una suficiente georeferenciación de los datos, etc.

DATOS ESTADÍSTICOS SOBRE LOS MÉTODOS UTILIZADOS EN HIDROGEOLOGÍA

En la obtención de estadísticas es evidente que puede tener una importancia decisiva la forma de tomar las muestras; en el caso que nos ocupa, los valores pueden depender tanto de las fuentes utilizadas, como de la forma de analizar los datos; por otra parte, en mi opinión, creo que tiene más interés en estas Jornadas obtener una visión global de la situación, para satisfacer una legítima curiosidad, que pretender calcular unas cifras exactas de dudosa utilidad.
Se han analizado tres tipos de fuentes. En primer lugar, mediante consulta a las publicaciones efectuadas en una serie de revistas de Geofísica en los últimos 22 años, que recogen trabajos realizados prácticamente en todo el mundo (Geophysics, Geophysical Prospecting, First Break, Geoexploration, Journal of Applied Geophysics y Extended Abstracts de los Congresos de la European Association of Exploration Geophysicists y de la Environmental and Engineering Geophysical Society); el resultado es que en un 65 % de los casos expuestos se han utilizado métodos eléctricos, siendo algo mayor el uso de la corriente continua que el de la corriente alterna, y métodos como PI, radar terrestre o magnetotelúrico han sido utilizados sólo en un 10 % de los trabajos; los métodos sísmicos han sido empleados en cerca del 20 % de las aplicaciones, con una ligera mayor proporción de la reflexión; los campos potenciales (gravimetría y magnetometría) ocupan algo más del 10 %, con mayor empleo de la gravimetría, quedando algo menos del 5 % para los restantes métodos.
La segunda fuente utilizada ha sido las comunicaciones sobre aplicaciones a la Hidrogeología presentadas en el Congreso Europeo de la EEGS celebrado en Barcelona en 1998; esta muestra responde por tanto a los trabajos realizados fundamentalmente en el entorno europeo en los últimos 2 años; no se observan variaciones significativas respecto de la muestra anterior, a pesar de la importante diferencia de tiempo y cobertura geográfica contemplada en ambas fuentes: la proporción en la utilización de métodos eléctricos permanece prácticamente inalterada (70 %), si bien es notable la mayor relevancia de las técnicas de corriente alterna, así como el mayor uso de otros métodos geoeléctricos menos convencionales, que pasan al 15%; la sísmica y los campos potenciales ocupan en esta muestra el 20 % de los casos, no porque se hayan utilizado menos, sino por la mayor participación de métodos geofísicos diferentes a los eléctricos, sísmicos, y de campos potenciales, que llega aquí hasta más del 10 %, debido al origen de la muestra, ya que en todo Congreso de carácter anual es lógicamente más numerosa la presentación de casos con los últimos avances (por ejemplo, la Resonancia Magnética).
La tercera muestra ha sido tomada con las propias comunicaciones presentadas a estas Jornadas, representativas de los trabajos realizados los últimos años en un entorno Iberoamericano; manteniéndose aproximadamente la misma distribución por grandes métodos que en las muestras anteriores, llama la atención la mayor utilización de los métodos decorriente continua, efecto producido fundamentalmente por la participación de países de Sudamérica, y que si se elimina, conduce a una situación prácticamente igual a la reflejada en la segunda fuente utilizada.
Una lectura de estos datos es que los métodos eléctricos eran, son y seguirían siendo los más utilizados en Hidrogeología, con una clara tendencia a aumentar la proporción de la corriente alterna, que ha ido evolucionando precisamente para poder abordar temas en los que la corriente continua se ve más limitada; pero de ninguna manera son los métodos eléctricos los únicos utilizados, no siendo nada despreciable la participación de la sísmica y campos potenciales, normalmente acompañando a los métodos eléctricos; para los métodos menos utilizados hay que hacer una lectura especial, ya que tienen sin embargo un gran interés cualitativo por su habilidad para resolver problemas específicos.

COMENTARIOS SOBRE LAS APLICACIONES HIDROGEOLÓGICAS

Yo creo que no es posible hacer una estadística de qué métodos han sido aplicados en cada uno de los diferentes temas que pueden plantearse en una investigación hidrogeológica, porque, como ya hemos comentado, si la Geofísica es rica en variedades, la Geología lo es aún más, dando lugar a una enorme dificultad para tipificar los casos. Es por tanto obligad simplificar los tipos de aplicaciones y los métodos geofísicos fundamentalmente empleados en cada una de ellas, siendo unas posibles clasificaciones las siguientes:
Por problemas tipo:
Determinación de parámetros geométricos:
Caracterización de estructuras en general:
  • Morfología de cuencas sedimentarias
  • Posición y salto de fallas
  • Condiciones de borde
  • Localización de paleocanales y valles enterrados

Todos los métodos geofísicos son aplicados en este tipo de temas.

Localización de acuíferos:
En sedimentario:
  • Potencia de aluvial sobre roca firme.
  • Profundidad y potencia de capas.
  • Naturaleza litológica de las capas y del sustrato.
  • Extensión lateral de capas.
  • En rocas ígneas y metamórficas:
  • Detección de fallas y zonas fracturadas
  • Localización de alteraciones (zonas meteorizadas)
En rocas volcánicas:
  • Localización de formaciones no compactas
  • Localización de coladas fisuradas
  • Límites por filones inyectados y coladas competentes
En formaciones cársticas:
  • Localización del carst
Los métodos eléctricos de corriente continua y alterna son los más utilizados en este tipo de aplicaciones,con apoyo de los métodos sísmicos tanto de reflexión como de refracción y de la gravimetría en terrenos sedimentarios. En ambientes no sedimentarios, además de los métodos eléctricos, es normal utilizar la magnetometría, y en ocasiones el Potencial Espontáneo en la detección de filones inyectados; en formaciones cársticas se utiliza el apoyo de la sísmica de refracción y gravimetría.
Determinación de parámetros sobre calidad del agua y contaminación
  • Salinidad del agua
  • Posición de la interfase agua dulce – salada
  • Plumas de contaminación (hidrocarburos, vertederos, fertilizantes)
Los métodos geoeléctricos permiten una evaluación cualitativa de la salinidad del agua, siempre que se trate de formaciones de resistividad conocida; la interfase de las intrusiones marinas pueden localizarse con fiabilidad, principalmente con métodos de corriente alterna; la Polarización Inducida está siendo utilizada en la localización de contaminaciones por hidrocarburos, siendo las secciones geoeléctricas las más utilizadas para otro tipo de contaminaciones que modifiquen las propiedades eléctricas, lo que no es el caso de los fertilizantes, que no pueden ser detectados por métodos geofísicos.
Control de vulnerabilidad a la contaminación:
  • Cartografía de capas protectoras impermeables
  • Localización de zonas fracturadas
  • Todos los métodos pueden encontrar su utilidad en este tipo de aplicación.
  • Temperatura del agua
  • No puede determinarse con métodos de superficie.
Determinación de parámetros hidrogeológicos:
  • Profundidad del nivel freático
  • Porosidad
  • Permeabilidad (conductividad hidráulica)
  • Coeficiente de almacenamiento
  • Velocidad de flujo
  • Dirección de flujo
Es la testificación geofísica de sondeos la herramienta más eficaz para la determinación de estos parámetros.
Desde superficie, combinaciones de métodos eléctricos y sísmicos permiten en zonas muy controladas la determinación de la porosidad y permeabilidad; la profundidad del nivel freático puede determinarse con sísmica y actualmente con Sondeos de Resonancia Magnética, siendo de menor fiabilidad las determinaciones por métodos eléctricos; la velocidad y dirección de flujo puede evaluarse mediante métodos eléctricos apoyados por trazadores, y en ocasiones con mediciones de Potencial Espontáneo y por la asociación a fenómenos electrocinéticos.
Efectuando la entrada por métodos geofísicos
Pueden hacerse las siguientes observaciones:
El método de REFRACCIÓN SÍSMICA ha sido utilizado para (Arandjelovic, 1969; Duguid, 1968; Haeni, 1996; Hasselström, 1969; Van Overmeeren, 1981; Warrick y Winslow, 1960):
  • Determinar la posición y el salto de falla en terrenos sedimentarios.
  • Cartografía de horts anchos.
  • Determinación de la profundidad del sustrato.
  • Determinación de la posición y potencia de acuíferos, aplicación limitada por la presencia de capas de baja velocidad (p.e. arcillas superficiales) y que exige una potencia mínima.
  • Pueden inferirse datos de porosidad (una disminución de la velocidad indica mayor porosidad), sobre todo con la combinación de ondas P y ondas S.
  • Determinar la profundidad de calizas carstificadas y el contacto con las calizas compactas, obteniéndose a veces mejor resultado que con los métodos eléctricos.
La SÍSMICA DE REFLEXIÓN permite (Bradford et al., 1998; Cardimona et al., 1998; Geissler, 1989; Hunter et al., 1989; Klarica y Perroud, 1996; Liberty, 1998; Meekes y Scheffers, 1990; Miller et al., 1989; Omorinbola, 1983; Whiteley et al., 1998; Woodward, 1994) la localización y determinación cuantitativa de saltos de falla, la cartografía de la roca firme y de estructuras del recubrimiento. Aunque utilizada fundamentalmente para profundidades superiores a los 100 m, en condiciones óptimas (grano fino y saturación de agua) se han alcanzado resoluciones de 1 m en los primeros 15 m. Es bastante frecuente el reproceso o reinterpretación de líneas sísmicas obtenidas para investigación de hidrocarburos, lo que permite utilizar esta información para cartografiar las estructuras que pueden controlar los acuíferos superficiales.
Los métodos GEOELÉCTRICOS en general están siendo aplicados para (Barker, 1996; Bose y Singh, 1975; Christensen, 1992; Darboux y Louis, 1989; Dobecki y Romig, 1985; Flathe, 1955; Gonçalves et al., 1997; Krulc y Mladenovic, 1969; Mazác et al., 1990; Mbonu et al., 1991; Moore et al., 1998; Morris y Ronning, 1994; Oteri, 1981; Van Dam y Meulenkamp, 1967; Van Dam, 1976; Van Overmeeren, 1989; White, 1994; Yadav y Abolfazli, 1998; Yaramanci, 1994; Zaafran, 1980; Zohdy, 1969) :
  • Determinar la posición y el salto de falla.
  • Determinar la posición de horst (donde pueden producirse errores en las mediciones por efectos laterales).
  • Determinar la potencia de recubrimiento arcilloso.
  • Determinación del espesor del acuífero.
  • La resistividad permite efectuar una cierta clasificación de la litología, siendo necesario conocer la resistividad de la formación para poder evaluar la calidad del agua.
evaluar las características hidráulicas de los aluviales: si hay arcilla intercalada, serán de mejores propiedades hidráulicas cuanto más resistivos; si no hay arcilla, la porosidad será mejor cuanto más baja sea la resistividad; si existe agua salada, los terrenos resistivos serán asignados a zonas porosas con agua dulce.
  • Calcular la profundidad del sustrato.
  • Localización de carst, cuando el método es utilizado en forma de calicatas eléctricas
  • Determinación de espesor de la zona alterada superficial en coladas compactas, por la disminución que la alteración produce en la resistividad.
  • Determinación de la dirección del flujo, con ayuda de trazadores.
Los métodos ELECTROMAGNÉTICOS en particular, son especialmente útiles ( Bahloul, 1998; Fitterman et al., 1991; McNeill, 1991; Meekes et al., 1991; Palacky et al., 1981; Roy et al., 1997; Vogelsang, 1987; Wilson, 1996) en exploración de acuíferos colgados, cartografía de contaminantes industriales, medición de la salinidad e intrusión marina (si puede determinarse la resistividad de la formación, puede deducirse la calidad del agua), posicionando la interfase agua dulcesalada. Sus mayores ventajas sobre los métodos de corriente continua es que son más sensibles a pequeñas variaciones de resistividad, que las medidas se pueden hacer más rápidamente y facilitan las investigaciones a mayores profundidades. En general son más efectivos en la detección de conductores que de resistivos. Dentro de ellos, la variedad de Sondeos Electromagnéticos en el Dominio del Tiempo (SEDT o TDEM), por resultar menos influenciados por efectos laterales, es de especial aplicación para (Al-Ismaily y Sporry, 1998; Fitterman y Stewart, 1986; Goldman et al., 1991; Pagano et al., 1997; Taylor et al., 1991; Taylor et al., 1992): cartografía de aluvial y gravas sobre roca firme; cartografía de lentejones de arena y gravas, y detección de la interfase agua dulce-salada. La determinación de anisotropía de las propiedades eléctricas (y/o magnéticas) es de utilidad para localización de alteraciones y zonas fracturadas en terrenos ígneos y metamórficos (medios cristalinos). El método de VLF da buenos resultados (Bernard y Valla, 1991; Covel y Kaimen, 1996) para localización de coladas fisuradas en rocas volcánicas.
La POLARIZACIÓN INDUCIDA (Bodmer et al., 1968; Börner et al., 1996; Ogilvy y Kuzmina, 1972; Roy y Elliott, 1980; Seara y Granda, 1987) es utilizada siempre en conjunción con otros métodos geoeléctricos, siendo particularmente interesante para evaluar la arcillosidad de las arenas y delimitar en algunos casos la interfase agua dulce – agua salada.
El RADAR terrestre permite obtener una resolución muy alta (centimétrica) con poca penetración (hasta unos 20 m de profundidad); tiene aplicación para determinar (Arcone et al., 1998; Harari, 1996; Meekes, 1993; Soldal et al., 1994; Van Overmeeren, 1994) la potencia de hielo en lagos helados, profundidad de la roca inalterada, estratificación de suelos, profundidad del nivel freático, detección de huecos y carst.
Con los métodos MAGNETOTELÚRICOS se puede obtener información (Bartel, 1990; Chouteau et al., 1994; Corteaud et al., 1996; Guerin y Benderitter, 1995; Schwinn y Tezkan, 1997) sobre los límites de acuíferos, zonas de alta transmisividad, variaciones de permeabilidad y localización de sistemas de fracturas, lo que unido a la posibilidad de interpretación en 2D y 3D facilita el modelado de flujos; con la utilización de fuentes controladas (CSAMT) puede obtenerse buena resolución hasta unos 250 m de profundidad.
Otros métodos eléctricos como el POTENCIAL ESPONTÁNEO (Fournier, 1989; Schiavone y Quarto, 1984), PUESTA A MASA (Komatina y Kostic, 1996) y SISMOELÉCTRICO (Butler et al., 1996; Dietrich et al., 1996) son utilizados para resolver casos muy puntuales de límites de acuíferos y movimiento del agua, en terrenos tanto sedimentarios, como cársticos y volcánicos.
La GRAVIMETRÍA está siendo utilizada (Ali y Whiteley, 1981; Angelillo et al., 1991; Carmichael y Henry, 1977 Castillo et al., 1997; Rosselli et al., 1998; Stewart y Wood, 1990; Thomsen et al., 1991; Valli y Mattsson, 1998; Van Overmeeren, 1980) para
  • Determinar la posición y evaluar el salto de falla (conocida la densidad).
  • Cartografía de horst.
  • Definir la morfología y profundidad de cuencas sedimentarias.
  • Definir la morfología del sustrato bajo depósitos aluviales.
  • Localización de valles fósiles y paleocanales.
  • Determinar la potencia del aluvial sobre roca firme.
El método MAGNÉTICO es utilizado fundamentalmente desde el aire en entornos cristalinos y metamórficos. Gran parte del mundo está cubierta con cartografía aeromagnética, hecha para cartografía geológica, prospección minera y de hidrocarburos; sin embargo esta información puede ser de gran utilidad para Hidrogeología, por su valor de identificación geológica y en especial para detección de zonas de fallas y diques que pueden no ser visibles en la cartografía geológica de superficie, y ser de gran importancia como guía para la ejecución de pozos. Se ha empleado para (Astier y Peterson, 1989; Aubert et al., 1984; Bosum y Homilius, 1973; Koosimile et al., 1992; Satpathy y Kanungo, 1976; Zeil et al., 1991):
  • Determinar la posición cualitativa de fallas
  • Cartografía de horst.
  • Calcular la profundidad del basamento en cuencas, permitiendo evaluar la naturaleza litológica del mismo.
  • Localización de fallas mineralizadas, como posible fuente hidrotermal, en rocas cristalinas.
  • Localización de coladas y filones en rocas volcánicas.
La determinación de parámetros hidrogeológicos con métodos geofísicos es por ahora una aplicación más restringida al uso de la testificación geofísica; no obstante existen algunos ensayos en lugares muy calibrados, en donde por combinación de varios métodos de superficie geoeléctricos y sísmicos (Fechner et al. 1996; Komatina, 1997; Louis y Karasthatis, 1992; Monnet et al., 1998) es posible obtener información de la porosidad, y con ayuda de trazadores conductores, de la dirección de flujo horizontal, siendo aún incipiente el uso de la Resonancia Magnética para evaluaciones de porosidad – permeabilidad y contenido en agua (Gev et al., 1996; Legchenko et al., 1996; Legchenko et al., 1998);
En definitiva, actualmente está completamente reconocido que el uso integrado de métodos hidrogeológicos y geofísicos es muy efectivo, debido al efecto sinergético de ambas técnicas: se alcanza una mejor comprensión de los fenómenos estudiados a través de métodos no invasivos, permitiendo el uso de la Geofísica la identificación de la extensión y calidad de los acuíferos, la cartografía de las estructuras que controlan los sistemas de flujo subterráneo, una reducción de costos en la identificación de lugares óptimos para realizar pozos de captación o de control, además de ser de gran ayuda en los temas de contaminación.

CONSIDERACIONES DE FUTURO

Sea cual sea la situación actual, siempre cabe hacer unas consideraciones sobre cual puede ser el futuro; en este sentido, me inclino decididamente por no hacer de adivino, sino que voy a limitarme a hacer algunos comentarios en torno a una serie de aspectos que pueden ser de gran interés para potenciar el uso de la Geofísica.
En primer lugar, creo que debe fomentarse el uso simultáneo de varios métodos, ya que, como hemos dicho repetidas veces, esto no es sumar información sino potenciarla. Anteriormente hice referencia al aspecto subjetivo que tiene la interpretación Geofísica, llegándose a hablar del “arte de interpretar”; pues bien, la ambigüedad o la subjetividad son fuertemente disminuidas cuando se analizan simultáneamente más de una propiedad física, existiendo en la actualidad técnicas de simulación numérica e interpretación que permiten utilizar varios parámetros a la vez. Entiendo que en un contexto en el que he dicho que se utiliza poco la Geofísica, puede parecer extraño proponer como alternativa utilizar no sólo un método, sino dos, y la razón, a parte de ser de tipo técnico – científico, es de tipo pragmático: es posible que si se utiliza poco la Geofísica es porque o bien no se la conoce suficientemente o bien porque no se tiene la suficiente confianza en ella, en cuyo caso una solución de futuro creo que es precisamente ser capaces de demostrar que es una herramienta útil cuando se la emplea adecuadamente. Sería deseable no olvidar que la Geofísica no es ni una Ciencia Exacta, ni una religión en la que creer o no creer; es la única herramienta al servicio de la Geología que permite averiguar de forma científica la constitución del subsuelo; otros métodos geológicos permiten establecer hipótesis, pero sólo con métodos geofísicos pueden éstas ser confirmadas; para que una herramienta sea útil, en primer lugar hay que saber que existe, contar con ella, aunque también, evidentemente, hay que saber utilizarla.
Una alternativa posible en muchas ocasiones a la imposibilidad de utilizar métodos por falta de recursos económicos, es la reutilización de la información, tan importante en esta Época que además de ser del “usar y tirar”, también lo es del reciclaje. Una característica que no se le puede negar al dato de campo geofísico es su objetividad y por lo tanto su validez universal, por lo que puede volver a ser utilizado con un objetivo diferente de aquel para el que se obtuvo primariamente; existen en nuestro país una gran cantidad de datos geofísicos, como son líneas sísmicas, SEV, gravimetría, magnetometría, etc, que han sido tomados para investigaciones de hidrocarburos o mineras, y que pueden ser perfectamente reutilizados para investigaciones hidrogeológicas; el problema es que la información esté disponible, para lo que es de gran importancia la existencia de centros de documentación, donde se recuperen estos datos y se pongan a disposición de todo tipo de usuarios, en forma de bancos, bases de datos y cartografía geofísica. Una de las mayores dificultades que tiene en este sentido gran parte de la información geofísica obtenida en Hidrogeología es su dispersión o atomización, por comparación con la tomada con otras finalidades.
Otra forma de mejorar el uso de los datos geofísicos es mediante una creciente utilización de técnicas de análisis integrado de la información, como puedenser, aunque no en exclusiva, los Sistemas de Información Geográfica. Este tipo de herramientas demandan que los datos gocen de cierto standard en sus formatos, lo que lleva aparejado una labor de control de calidad, que por otra parte también puede ser bienvenida al mundo de la Geofísica (algunos intentos ha habido de establecer normas), pero sobre todo exige que absolutamente todos los datos estén ge referenciados; mientras que esto es normal en el mundo de la Geofísica, donde el dato de posición es fundamental en bastantes métodos, no resulta igual en otros datos geológicos, siendo, por ejemplo, demasiado elevado el número de sondeos mecánicos de nuestro país que carecen de coordenadas que permitan su correcta ubicación.
Finalmente, otra forma de mejorar pienso que es la realización de Proyectos de Desarrollo Metodológico, tanto para la utilización de nuevas tecnologías como para la más correcta utilización de las más clásicas; para ello es necesaria una buena identificación de cuáles son los problemas reales, lo que se verá posibilitado por un mayor acercamiento entre los centros Gestores del Agua y los centros de Investigación, habiendo sido ese precisamente uno de los objetivos por los que se han convocado estas Jornadas.

CONCLUSIONES

La síntesis a que ha obligado el espacio dedicado al tema hace que en definitiva no haya hecho otra cosa que enumerar conclusiones; como resumen de las mismas diría:
  • Todos los métodos geofísicos de superficie tienen cabida en la investigación hidrogeológica
  • La elección de cuáles y de como utilizarlos exige un trabajo en equipo entre geofísicos e hidrogeólogos.
  • Por razones fundamentalmente de tipo económico, hay métodos que se emplean poco, y en los que se emplean, el número de mediciones utilizado no es siempre el adecuado.
  • Para posibilitar la reutilización de la información geofísica tomada con otros objetivos, es de gran importancia la existencia de bases de datos, centros de documentación y cartografía geofísica.
  • Es conveniente fomentar proyectos de desarrollo entre OPIS y Gestores del Agua, lo que permite la correcta identificación de las necesidades reales de investigación.
  • En general, se aprecia una significativa evolución positiva en el uso de las técnicas geofísicas en Hidrogeología, muestra de lo cuál son las presentes Jornadas.

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