metodos electromagneticos

Ctedra de Geofsica Aplicada, U.N.P.S.J.B., Chubut, Argentina. Tema 8 Mtodos Electromagnticos y de Polarizacin Inducida

Chelotti, L., Acosta, N., Foster, M., 2010.

MTODOS ELECTROMAGNTICOSEl electromagnetismo (EM) fue estudiado inicialmente por el escocs James Maxwell en 1861 (On Physical Lines of Force) y desarrollado experimentalmente por el alemn Heinrich Hertz en 1886. Como sabemos, las componentes elctrica y magntica oscilan en forma ortogonal a la direccin de propagacin del campo electromagntico y a su vez lo hacen en planos que son perpendiculares entre s. Las cuatro ecuaciones vinculadas por Maxwell, todas a partir de integrales de superficie cerrada, son las siguientes: Ley de Maxwell (1861): ]Bds = 0 donde B es el flujo magntico(las lneas de induccin magntica son contnuas, no hay polos aislados) Ley de Gauss (1838): ]Dds = q donde D es la Induccin electrosttica y q la carga (las lneas de campo elctrico pueden ir de una a otra carga) Ley de Faraday-Lenz: ]Eds = -dB/dt donde E es el campo elctrico y t el tiempo (1831) (un campo magntico variable produce un campo elctrico) Ley de Ampre (1826): ]Hds = J+(dD/dt) donde H es el campo magn. y J la densidad de corriente (un campo elctrico variable genera un campo magntico)

Recordando que D = .E y que B = .H Maxwell descubri adems que la velocidad de la luz en el vaco est dada por: c=1/(oo) (recordamos que o es la permeabilidad magntica y o la constante dielctrica, ambas en el vaco) Los mtodos prospectivos fueron desarrollados inicialmente por la escuela sueca desde la dcada de 1920 (tambin por geofsicos rusos y otros) y se basan en establecer un campo electromagntico variable mediante el flujo de una corriente alterna por una bobina o un cable muy largo al que llamaremos transmisor o emisor. El campo generado se llama campo normal o primario. Este campo primario inducir corrientes elctricas alternas en cualquier conductor que encuentre en su camino de propagacin: las corrientes de eddy o remolino, tambin conocidas como corrientes de Foucault (porque el francs Len Foucault las estudi hacia 1850). La intensidad de estas corrientes fundamentalmente depender de la resistividad del conductor y de la frecuencia del campo primario, es decir, la intensidad ser mayor cuanto menor sea la resistividad y cuanto ms alta sea la frecuencia. Las corrientes inducidas en el conductor tienen una direccin tal que el campo electromagntico secundario que generan se opone al primario. 1



La frecuencia de la corriente alterna primaria se elige de tal manera que el campo electromagntico inducido por la presencia de las corrientes de remolino o eddy en el suelo es insignificante cuando el subsuelo tiene una conductividad normal. Esto lleva a un lmite superior cercano a los 5000 ciclos por segundos o Hertz para la frecuencia de operacin, aunque en algunos casos se registra con frecuencias de hasta unos 50 KHz e incluso ms. En cualquier caso, el campo resultante se mide con un receptor, que consiste en una bobina conectada a un amplificador electrnico sensible. Actualmente los mtodos EM se aplican a muy variados objetivos, incluyendo la deteccin de acuferos con distintas salinidades en temas hdricos o ambientales. Pero las reas donde se originaron estos mtodos son las que suelen presentar las mejores condiciones para su aplicacin: topografa suave, encape superficial de alta resistividad y roca cristalina no alterada. Si en tal contexto existen mineralizaciones que se presentan como cuerpos tabulares casi verticales con ms de un 25% de contenido de sulfuros metlicos, como en el Escudo Fenoscandio donde se comenzaron a aplicar estos mtodos, entonces las conductividades anmalas pueden llegar a ser de hasta ms de 1000 veces superior que la roca de caja, como se esquematiza en la figura de la izquierda. Naturalmente, no es necesario tener contrastes tan elevados en el emplazamiento u otra relacin geomtrica de variado origen que pueda ser de inters prospectivo. Pero s es importante no tener un encape conductivo cuya muy alta respuesta minimice la de conductores ms profundos.

En cada punto del espacio habr una intensidad elctrica y una magntica. En ausencia de conductores en el subsuelo, el campo electromagntico en cada punto oscilar a lo largo de una lnea y se puede representar por un vector cuya magnitud dar la amplitud del campo, tal como vemos arriba a la derecha. La direccin del campo depender de la posicin relativa del transmisor y del punto de observacin. Por ejemplo, las lneas del campo debidas a una bobina fuente o emisora son diferentes de las orginadas en un cable largo emisor o fuente, como se ilustra aqu.

Los fsicos franceses Jean B. Biot y Flix Savart hallaron en 1820 la relacin que existe entre la intensidad I de una corriente rectilnea e indefinida (en la prctica un cable largo) y el campo magntico B creado por ella a una cierta distancia r: B = o I / 2 r 2 En el caso de una bobina emisora se deduce que: B = o I a / 2 r (a es el rea de la bobina) Para detectar un campo electromagntico en el espacio, se puede utilizar una bobina receptora, consistente en una bobina con sus terminales conectados a un amplificador y de esto a un par de audfonos o cualquier otro sistema indicador de corriente alterna. 2



El voltaje inducido en la bobina por el campo magntico alterno resulta proporcional a la componente de dicho campo que es ortogonal al plano de la bobina, tal como puede verse en la siguiente figura.

Por lo tanto habr posiciones definidas de la bobina respecto al campo primario que harn que la seal sea mxima, mnima o intermedia. As, cuando el vector campo primario es perpendicular al plano de la bobina, el ngulo ser igual a 0 y en consecuencia la tensin inducida en la bobina ser mxima, lo cual se manifestara con una seal de salida en el indicador (audfonos). Por otra parte cuando el ngulo sea igual a 90, o sea cuando el vector campo primario este en el plano de la bobina, no habr ninguna fraccin del campo magntico atravesando la misma por lo que no se inducir voltaje alguno y la seal en los audfonos ser nula. Habr un nmero infinito de posiciones de la bobina receptora para las cuales el ngulo ser igual a 90 y la seal resultar nula. Esto es debido a que el vector campo primario contina en el plano de la bobina (cuando ella se haga rotar alrededor del dimetro que coincide con la direccin del campo). En el caso en que un conductor est presente el subsuelo y se genere un campo magntico alterno secundario, el vector campo resultante en cualquier punto describir una elptica en un plano definido y entonces se dice que el campo esta elpticamente polarizado. Dicho campo es equivalente a dos vectores perpendiculares oscilantes, uno a lo largo del eje mayor de la elipse y el otro a lo largo del eje menor. Al igual que antes, cuando el campo resultante coincida con el plano de la bobina. La seal ser nula, pero a diferencia de antes en que el campo total en el espacio es el vector campo primario solamente, en este caso habr una y slo una posicin de la bobina para la cual el voltaje inducido es cero: es aquella en que el plano de la elipse de polarizacin coincide con el plano de la bobina. Para encontrar el plano de polarizacin en el campo, se procede de la siguiente manera: se rota la bobina receptora alrededor de un eje vertical hasta que la seal sea mnima, luego se hace rotar alrededor de un eje horizontal hasta encontrar otra mnima y finalmente se hace rotar alrededor de un eje perpendicular a los otros dos hasta que la seal se anule. El plano de polarizacin queda definido por el rumbo y el buzamiento. El rumbo es la direccin de la lnea de interseccin de los planos de polarizacin y horizontal. El buzamiento es el ngulo formando por ambos planos. Sin embargo para conocer la orientacin de la elipse de polarizacin dentro del plano es necesario por lo menos determinar la inclinacin de uno de los ejes principales, el mayor o el menor. Para ello la bobina receptora se coloca perpendicular al plano de silencio y se hace rotar hasta la posicin de mxima seal. En ese momento el eje mayor de la elipse coincide con la perpendicular al plano de la bobina. Se llama inclinacin (tilt) del campo EM al ngulo formado por el eje mayor de la elipse de polarizacin y la horizontal. Y este concepto fue aprovechado por la primera tcnica de prospeccin electromagntica usada: el Mtodo de Inclinacin de Campo. En ste se opera del modo arriba descripto, o sea buscando mximo sonido y mximo silencio en la bobina exploradora para as poder hallar la ubicacin de la elipse de polarizacin y la inclinacin de su eje mayor. Tambin en el mtodo Afmag, citado en el Tema 7, se registra de la misma forma, aunque en este caso aprovechando el campo natural de audiofrecuencias magnticas. 3



El procedimiento del mtodo de inclinacin de campo queda graficado en la figura a la derecha.

Observador del campo electromagntico con la bobina exploradora.

Naturaleza de las Anomalas Electromagnticas: Cuando se hace fluir una corriente alterna por una bobina, se originar un campo EM primario que estar en fase con dicha corriente y que puede representarse por una sinusoide en la que P es su amplitud. Si este campo acta sobre un conductor (ejemplo pirita), se inducir un voltaje oscilante, el cual estar atrasado un cuarto de periodo (90) con respecto al primario. A su vez la corriente inducida en el conductor est retrasada respecto del voltaje inducido, dependiendo este retraso de la resistencia del conductor. El campo EM secundario que se induce por la presencia de esta corriente alterna est en fase con dicha corriente, o sea que est retrasada respecto al voltaje. El campo resultante en un punto cualquiera ser la suma del campo primario y del campo secundario, o sea, la curva resultante de la suma de la primera y la tercera. Este campo tendr diferente amplitud que el campo primario y adems estar retrasado una fraccin de perodos respecto de l. 4



En general puede expresarse que en el emisor ser la intensidad: I = Io sen (wt) y en el receptor resultar: I = Io sen (wt+), con un retraso y w = 2.f (frecuencia) Diagrama Vectorial: Lo expresado precedentemente puede representarse mediante un diagrama vectorial, transformando la diferencia de fase en una relacin de tiempo entre el campo primario, secundario y resultante, tomando convencionalmente el sentido contrario a las agujas del reloj para indicar un retraso relativo, como se ilustra.

En primer lugar considrese al vector campo primario como un vector ubicado en el eje x siendo OA: P la amplitud del mismo durante una oscilacin. La fem inducida en el conductor (corrientes de remolino o eddy) al estar retrasada 90 respecto al campo primario, podr ser representada por un vector AB de la figura. Como la corriente inducida en el conductor esta retrasada respecto a la fem y a su vez el campo secundario esta en fase con dicha corriente, la representacin del campo secundario corresponde al vector AC del diagrama siendo el ngulo de retraso de este respecto a la fem inducida. Adems el vector AC representar la amplitud del campo secundario durante una oscilacin. Se ha dicho anteriormente que la diferencia de fase entre fem y la corriente inducida dependen de la conductividad del cuerpo, siendo mayor cuanto ms conductivo es el mismo. Por lo tanto: -Cuando el cuerpo es muy buen conductor, el ngulo se aproxima a 90. El campo secundario est retrasado casi 180 respecto al campo primario -Si, en cambio, tiene baja conductividad tiene un valor cercano a cero. El retraso es, en este caso, muy prximo a 90. El campo resultante estar retrasado un ngulo respecto al primario pudindose observar que cuando el conductor es muy bueno el ngulo tiende a cero. Utilizando este mismo diagrama vectorial podemos introducir los conceptos de componente real y componente imaginaria, de mucha importancia en los mtodos de prospeccin ms utilizados. La proyeccin del vector resultante R sobre el eje x es igual a R cos . De la misma manera la proyeccin de S sobre X es S sen . Tanto una como otra componente est en fase con el campo primario y se las denomina componente real o en fase. De igual modo la proyeccin de R y S sobre el eje y nos dar en cada caso una componente atrasada 90 con respecto al campo primario, a la que se denomina componente imaginaria o en cuadratura. Para el campo resultante esta componente es R sen mientras que para el secundario es S cos . 5



Debe entenderse que el campo primario, el campo secundario y el campo resultante tienen una posicin en el espacio y que lo expresado hasta ahora se refiere a cada una de sus respectivas posiciones en el tiempo. La elipse de polarizacin es el resultado de dos vectores oscilantes sobre un punto, que son el campo primario y secundario. En el tiempo decimos que el campo secundario est retrasado respecto al primario porque este ltimo alcanza su amplitud mxima, una fraccin de tiempo antes que el secundario. En el espacio cualquier vector campo podr ser descompuesto en tres componentes, generalmente se utiliza la componente vertical en prospeccin EM. Cualquiera de estas componentes espaciales del campo EM secundario o del resultante podr ser separada en dos componentes temporales, una real y otra imaginaria, o sea, una en fase y otra en cuadratura respecto al campo primario. En el diagrama vectorial se puede observar que cuanto mayor es el ngulo , mayor es la componente real del campo secundario y menor es su componente imaginaria. Pero como aumenta cuando aumenta la conductividad del conductor podemos entonces relacionar el valor del cociente Re/Im con al conductividad del cuerpo inductor del campo secundario, tendiendo este valor a infinito para un cuerpo de muy elevada resistividad y cero para uno altamente resistivo. De la misma manera podemos analizar la amplitud y el desfasaje del campo resultante: Si el conductor es muy resistivo: las corrientes inducidas en l sern dbiles y en consecuencia el campo secundario tendr una amplitud pequea adems el desfasaje ser apenas superior a los 90 de retraso a la fem inducida. Por lo tanto el campo electromagntico resultante difiere muy poco del campo primario, tanto en amplitud como en fase. Si se trata de un muy buen conductor: el campo secundario tendr una amplitud grande y su direccin ser casi igual a la del campo primario, pero con sentido opuesto. Esto significa que el desfasaje ser cercano a los 180, o sea que cuando el campo primario alcance un valor mximo el secundario estar prximo al mnimo y viceversa. Debido a esto la amplitud del campo resultante disminuye notablemente aunque la diferencia de fase con el primario es otra vez muy pequea. Cuando el cuerpo conductor tiene una conductividad media: el campo resultante ser bastante menor en amplitud que el primario, pero el retraso o desfasaje ser tambin considerable.

La importancia de estas consideraciones est dada por el hecho de que las posiciones relativas en el tiempo de los campos primario, secundario y resultante han servido de base para el desarrollo de los ms modernos mtodos EM. En algunos de ellos se miden la amplitud y el retraso del campo resultante, mientras que en otros se miden las componentes real e imaginaria del campo secundario. La mayora de los mtodos opera en la modalidad de Calicatas. Ms adelante veremos Sondeos y otras variantes prospectivas. 6



CALICATAS EM DE EMISOR FIJO Existen varios mtodos que varan segn el dispositivo empleado y otros detalles funcionales. (Podran modificarse para registrar sondeos EM anlogamente a los de corriente continua, pero no resulta prctico.) Son estos, en el orden cronolgico en que se fueron desarrollando: De Inclinacin de Campo, el mtodo ms antiguo arriba descripto. De Bieler-Watson (en Canad) el cual, en cada punto de medicin, con la bobina receptora en posicin horizontal se asume que capta la componente real y en posicin vertical registra la imaginaria, cuyos resultados se comparan. De los Dos Cuadros, con dos bobinas receptoras a cierta distancia entre s, para comparacin de amplitudes de la componente real entre una y otra. De Sundberg o del Compensador (en Suecia) para mediciones de las componentes real e imaginaria, que utiliza un compensador o puente de corriente alterna para tener tensiones de referencia y as conocer las magnitudes real e imaginaria en cada punto medido. De Turam (Hedstrm, 1937, en Suecia) de dos cuadros con compensador para medicin de la razn de amplitudes y la diferencia de fases, como se detalla abajo. Detector de Metales (en VHF, muy alta frecuencia). De Elipticidad de Alta Frecuencia (Whiteside, 1962 en Estados Unidos).

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Mtodo de Turam: Mtodo de calicateo electromagntico que mide el gradiente del campo alterno. El dispositivo consiste en: Un emisor, que es un cable largo o bien un bucle rectangular de cable aislado con lados superiores a 1 km de longitud, en cualquier caso alimentado por una corriente alterna.. Un receptor que est compuesto por dos bobinas de induccin (exploradoras) llevadas a una separacin constante (20 a 40 m) y conectadas a un compensador que mide la razn de amplitud y la diferencia de fase entre los campos recibidos por las dos bobinas. stas se calculan, respectivamente, como:RR=(B2/B1)/(ri+1/r1) y P=2 1

Un compensador de corriente alterna es un sistema para medir componentes en fase y en cuadratura de un voltaje alterno inducido sobre una bobina receptora. Es muy similar al compensador de corriente continua, con la diferencia de que se debe disponer de dos tensiones ajustables y comparables con el voltaje inducido, estando esos dos voltajes con una diferencia de fase de 90. Esto se puede lograr con un circuito apropiado con capacitores e inductancias. Los compensadores pueden calibrarse para medir la amplitud y fase del campo en el receptor, o bien los valores de las componentes Real e Imaginaria del mismo. La intensidad del campo primario depende del tamao y forma del transmisor y de la ubicacin del punto de observacin. Si no hay conductores en la vecindad, la diferencia de tensin ser cero y la razn de amplitudes ser una funcin de la distancia desde el transmisor. Las observaciones deben corregirse usando la ya citada Ley de Biot y Savart, que establece que el campo magntico debido a un cable largo decrece en relacin inversa a la distancia desde el cable. 8



En el conductor la razn de amplitudes alcanza un mximo mientras que las diferencias de fase dan un mximo negativo. El mtodo de Turam es muy efectivo en yacimientos superficiales, vetiformes masivos y de alto buzamiento, como el ejemplo de la figura adjunta. La profundidad de exploracin se puede controlar en cierta medida mediante la variacin de la distancia entre bobinas, as como mediante la alteracin de las frecuencias empleadas, segn se ver con relacin a los Sondeos EM.

Detector de Metales: Es un sistema de bobina receptora nica, de fcil transporte, con la que se explora el terreno en el rango de las muy altas frecuencias (VHF, Very High Frequency de 30 a 300 MHz) con el objetivo de detectar mineralizaciones metalferas, objetos de metal enterrados por accin humana o fracturas del terreno con presencia de agua. La bobina mide inclinacin del campo resultante y calcula las componentes real e imaginaria del campo secundario. La fuente son las ondas de radio (en ese rango de frecuencias, esencialmente planares y horizontales por su lejana fuente, y su rebote en la ionosfera), lo cual hace de l un Mtodo de Campo Natural, aunque suele recurrirse al refuerzo del campo radial disponible en el rea con pequeas antenas emisoras VHF dispuestas en las cuatro esquinas de la zona a prospectar, o bien un cable tendido en el suelo a lo largo de hasta un kilmetro, alternativas que van a mejorar las imgenes obtenidas. Adicionalmente se puede recurrir a un par de electrodos de potencial espontneo para dar mediciones de resistividad que pueden asociarse a alteraciones en zonas donde hay presencia de oro, plata u otros metales. Elipticidad de Alta Frecuencia (H. F. Ellipticity): A partir de las ondas electromagnticas dadas por una antena emisora de altas frecuencias, del orden de los 500 a los 2000 kHz, mide las tres componentes de los campos resultantes (polarizados elpticamente) para resolver sus vectores componentes H (magntico) y E (elctrico), girando una bobina sobre los tres ejes del espacio y haciendo las determinaciones mediante un sistema de compensador electromagntico y deteccin electrnica. Puede trabajar con uno o varios receptores. CALICATAS EM DE EMISOR Y RECEPTOR MVILES Surgidas durante la Segunda Guerra Mundial, esencialmente para prospeccin area, tambin se registran en la modalidad terrestre. El dispositivo general consta de una bobina emisora y otra receptora, pudiendo stas situarse en distintas posiciones: Coplanares horizontales 0 Coplanares Verticales 0 l Coaxiales Verticales l El arreglo coplanar horizontal se usa en prospeccin terrestre, tal el caso del mtodo de Slingram. Los otros dos, en cambio, son tpicos del relevamiento areo: las bobinas pueden ir en los extremos 9



de las alas del avin, tambin en la proa y en la cola del mismo, con soportes especiales (algo muy usual cuando se recurre a helicpteros), o bien montadas en un soporte que cuelga lejos de la nave, o con una bobina sobre la mquina y la otra remolcada con un cable (de unos 50 100 metros, ms abajo y algo ms atrs), en cuyo caso hay rotacin y la relacin planar ya no se mantiene. Mtodo de Slingram: Este mtodo, de bobinas coplanares horizontales, se caracteriza porque no slo es mvil el dispositivo receptor sino que tambin lo es la fuente del campo primario, que est constituida por una bobina porttil de peso liviano. La bobina emisora es alimentada por la corriente alterna suministrada por un oscilador porttil de 1 a 2 vatios y de ella se toma una tensin fija de referencia que es introducida en un compensador. La tensin en el receptor se descompone en dos partes, una en fase y la otra desfasada 90 (un cuarto de periodo) respecto de la tensin de referencia. La magnitud de cada componente se determina por comparacin con el voltaje de referencia. Este campo primario es muy sensible a pequeas variaciones de distancia entre Tx y Rx, como as tambin a variaciones de la orientacin de las bobinas. El emisor y el receptor, separados por una distancia fija, son desplazados conjuntamente en la direccin de la lnea que determina, la cual puede ser paralela o perpendicular al rumbo supuesto para el conductor buscado, segn la orientacin del emisor (Tx) y del receptor (Rx). El trabajo de campo de los sistemas de emisor y receptor mviles es sencillo, la prospeccin no necesita ligarse rgidamente a una red de lneas estaqueadas y los sistemas permiten gran flexibilidad. Un equipo de dos o tres personas basta para las mediciones, llevando uno el oscilador sobre su espalda y el emisor (bobina) alrededor de su cintura, mientras otra persona lleva la bobina receptora y el compensador. En este, como en otros mtodos EM, puede ser necesario proceder a una correccin por topografa, si sta es significativa. Por ejemplo para bobinas coplanares horizontales la correccin de la componente real vale: CR = 300(h2/r2), siendo h la diferencia de cota y r la distancia entre bobinas. Por motivos prcticos se utilizan separaciones entre bobinas relativamente pequeas (25 a 100 m) y generalmente no estn vinculadas rgidamente entre s; la distancia entre ellos se mantiene constante usando como cinta el cable de referencia. Se leen las componentes real e imaginaria del campo secundario en el receptor como porcentaje del campo primario, el cual es el campo existente en el receptor cuando el sistema se coloca en terreno neutral. Seleccionada la distancia entre Tx y Rx el sistema se coloca en terreno neutro y las agujas se colocan en cero, cuando no haya seal en el receptor significa que el campo primario ha sido compensado. Tras haber hecho esto, los valores que se obtienen dan directamente el valor de las componentes del campo electromagntico. 10



En la posterior interpretacin de los datos debe tenerse presente que las anomalas dispersas debidas a la conductividad de las formaciones prximas a la superficie pueden interferir con las anomalas de origen ms profundo.

Arriba ejemplos de prospeccin con Slingram y abajo con Bobinas Verticales Coaxiales.

Conductivmetros: Basados en el Beam Slingram de la compaa sueca Boliden, son sistemas tipo vara (foto a la derecha) de bobinas mviles porttiles, coplanares horizontales o verticales de separacin fija, que permiten registrar el campo electromagntico y obtener datos de resistividad elctrica -o su inversa, la conductividad- y opcionalmente de susceptibilidad magntica a profundidades variables segn la configuracin del sistema, desde 1 hasta 60 m. Pueden colgar desde aeronaves. 11



En este, como en algunos otros mtodos EM, es posible entonces obtener valores de (o ) que surgen de la siguiente expresin analtica: Hs / Hp = V.2.w.o. l / 4 . de donde: = [(4 / V.w.o. l).(Hs / Hp)] -2 (siendo l la distancia, Hs el campo magntico secundario y Hp el primario) Ejemplos Aeroelectromagnticos: Al igual que en magnetometra, tambin los mtodos EM se emplean principalmente desde el aire. Como ya fue referido, se trata de distintas variantes de los mtodos de emisor y receptor mvil: sea con bobinas coaxiales o con coplanares verticales, en la nave o remolcadas. Si slo una de las bobinas va colgando, rota respecto a la que va en la mquina y en este caso slo puede medirse la diferencia en la fase (temporal, no dependiente de la orientacin) y no se mide el mdulo del campo R o S (ni de las componentes real / imag.).

Arriba, datos desde helicptero y correcciones por desniveles de vuelo. Abajo, ejemplo desde avin.

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En esta pgina continan las figuras referidas a un yacimiento de hidrocarburos de Texas, cuyo modelo conceptual puede verse en la ltima figura de la pgina anterior. Aplicando magnetometra y electromagnetismo se evala desde avin el impacto ambiental del escape de aguas de formacin (salobres) hacia niveles someros (dulces) a travs de encamisados antiguos con cemento en mal estado. La figura superior izquierda es el mapa de anomalas magnticas. El perfil a su derecha expresa las respuestas obtenidas con tres registros EM terrestres, cada uno de distinta separacin entre bobinas, y debajo est la interpretacin resultante. A la izquierda de esta ltima, se grafica la distinta penetracin que se consigue variando la frecuencia del campo EM y tambin en funcin de la conductividad del medio, lo que constituye una aplicacin combinada de Calicata con el Sondeo de Frecuencias (que se explica un poco ms adelante). Aqu a la derecha imgenes areas a profundidades sucesivas (frecuencias en baja). 13



El caso de arriba trata de un relevamiento hecho sobre basurales donde se presentan los resultados en tres formas de clculo distintas a partir de la misma informacin registrada, lo que revela la importancia de manejarla con diferentes algoritmos para hallar parmetros de representacin evidentes de las anomalas que estamos tratando de evaluar. A la derecha se ilustra una adquisicin de datos EM marinos para la evaluacin de yacimientos de gas en forma de hidratos, junto con secciones de ssmica de reflexin. Abajo, geometra del dispositivo de registro.

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SONDEOS DE FRECUENCIAS Consisten en la emisin y recepcin en posiciones fijas, variando la frecuencia de la fuente, de modo de iluminar en forma predominante zonas sucesivamente ms profundas a medida que se utilizan ms bajas frecuencias. Debe recordarse que las altas frecuencias generan respuestas muy intensas incluso de rocas poco conductivas, por lo cual el encape, aun siendo relativamente resistivo, puede dar una alta respuesta cuando se opera con muy altas frecuencias. Ergo, cuanto ms se baje la frecuencia, ms se lograr evitar respuestas poco profundas de conductores hasta de mediana conductividad y por lo tanto mejor se vern los niveles profundos que sean muy conductivos. La profundidad de penetracin puede estimarse con la siguiente expresin: Z(m) = 503 [(m) / f(Hz)]1/2 Para, por ejemplo, 10 m de resistividad del medio, con 10 Hz se obtiene una profundidad de investigacin de unos 500 m, con 100 Hz se alcanzan 150 m y con 1000 Hz los 50 m. TOMOGRAFAS EM en el Dominio del Tiempo (en ingls abreviado TDEM) Mtodo ideado por los estadounidenses Halliday y Resnick en 1974. Consiste en calicatas desde decenas hasta 3000 ms metros de longitud con un procedimiento que a la vez permite sondear a gran profundidad. Puede hacerse con emisor fijo o mvil. Con Emisin Mvil: Se emplean uno o ms transmisores y uno o ms receptores (por ejemplo dos bobinas coplanares y dos coaxiales), generalmente en modalidad area (avin o helicptero), y se opera transmitiendo un campo electromagntico primario y luego registrando su respuesta en los planos x, y, z en ventanas temporales (treinta o ms) entre alrededor de 1 y 2000 ms s, informacin que proviene de distintas profundidades, segn la demora en su registro. Usualmente se obtienen registros buenos desde decenas hasta cientos de metros de profundidad. Con Emisin Fija: Desde un bucle cuadrado sobre el terreno se aplican pulsos de corriente alterna de algunos s que terminan en un campo magntico variante en el tiempo, lo que crea un campo secundario bajo el mismo bucle, que se introduce en el subsuelo con la misma forma del bucle, como se ve en la figura. Este campo secundario va decayendo y generando corrientes de eddy o remolino adicionales que se expanden como anillos de humo. Las mediciones se hacen en el centro del bucle en los intervalos de no emisin. La profundidad de investigacin depende del tiempo transcurrido entre el corte y la medicin y la intensidad de las respuestas procedentes de campos secundarios generados es proporcional a las corrientes de remolino de donde proceden y por lo tanto de la conductividad de las profundidades de las cuales provienen. Adems del tiempo, tambin el tamao del bucle, la frecuencia de la seal y la resistividad del suelo contribuyen a determinar la profundidad de investigacin mxima, que en condiciones favorables puede superar los 2000 m.

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Procesamiento de los Datos: Se aplican correcciones metodolgicas y luego los datos se invierten a travs de un proceso en computadora -por ejemplo, mediante una migracin por continuacin descendente, como en gravimetra, magnetometra o ssmica- que permite generar modelos de cuerpos conductivos, fallas, etc. Se puede calcular la conductividad (o su inversa, la resistividad), adems de la susceptibilidad y la permeabilidad magnticas, partiendo de la asignacin de valores conocidos o estimados en uno o varios sectores de la calicata obtenida y calculando estas magnitudes en el resto de los puntos registrados en funcin de la variacin de los parmetros electromagnticos adquiridos. Estas tomografas pueden conformar cortes o secciones de muchos kilmetros de longitud y de una profundidad de cientos de metros -y hasta de un par de miles de metros con emisor fijo-. Adems se pueden interpolar los datos en planta generando imgenes areales para distintas profundidades de inters con las magnitudes antes citadas e incluso proceso de datos en 3D. REGISTROS HERTZIANOS Tambin conocidos como Radiografas Hertzianas o Radiokip en Rusia. Es un mtodo que ha sido empleado en galeras o perforaciones mineras, en curso de cateo o produccin, para conseguir detectar metalizaciones entre ellas. El registro electromagntico se basa en la emisin de ondas de radio de fuentes lejanas, ya disponibles por las emisiones radiales preexistentes -en ese caso sera un mtodo de campo natural- o bien generadas especialmente para tal fin. Lo que se mide, con un microvoltmetro, es el campo elctrico secundario generado por dichos campos radiales. La intensidad de stos (y por lo tanto sus diferencias de tensin medibles) es funcin proporcional de la presencia de cuerpos conductores emplazados en las rocas entre las galeras mineras, como tambin depende del rumbo de tales mineralizaciones, ya que producen una corriente ms intensa si su orientacin es aproximadamente coincidente con la del campo radial.

APLICACIONES DE LOS MTODOS EMTal como se explic, estos mtodos estn fundamentalmente dirigidos a la prospeccin de minerales conductivos o sus paragenticos, pero los registros superficiales electromagnticos tienen tambin otras diversas aplicaciones, como tambin se ha ido explicando. Sobre todo en la bsqueda de acuferos (resistividades mayores a 10 m suelen indicar acuferos dulces y menores a ese valor, aguas de formacin saladas), as como zonas de fractura, depsitos contaminantes, yacimientos arqueolgicos, identificacin de cavernas o conductos artificiales, fundaciones, vapor geotrmico, y en general todo aquello que genere un cambio en los registros electromagnticos, principalmente a profundidades menores a los cien metros. En la bsqueda de hidrocarburos los mtodos EM pueden dar respuestas diferentes en casos de reservorios con agua de formacin (salada) frente a otras posiciones con hidrocarburos (ms resistivos), pero no constituyen una herramienta de rutina por su baja resolucin a grandes profundidades, salvo algunos casos favorables donde la metodologa EM en el Domino del Tiempo da buenos resultados. Es por esto que slo se la utiliza espordicamente como complemento, algunas veces importante, de otras metodologas. Su principal ventaja respecto a los mtodos de Inyeccin de Corriente (Continua) es que, al no necesitar contacto con el terreno, pueden operar en prospeccin area con la ventaja que representa poder hacer una rpida cobertura de grandes reas exploratorias. Es ampliamente conocido que los perfiles de induccin, que operan segn los mismos principios que en prospeccin superficial, son herramientas muy aplicadas en la evaluacin de pozos de exploracin y desarrollo petrolero, como se ver ms adelante. 16



RADAR DE SUBSTRATO O GEORRADAR (Ground Penetrating Radar) Se diferencia de todos los otros mtodos EM descriptos en que sus registros se fundamentan en las variaciones de la permitividad o constante dielctrica , a diferencia de los anteriores que, como se explic, se basan en los cambios de . El radar (acrnimo de RAdio Detection And Ranging) fue empleado por primera vez por el britnico Edward Appleton en 1924 para determinar la altura de la ionosfera. El sistema se basa en la emisin de ondas electromagnticas en el rango de las microondas (VHF y UHF, Ultra High Frequency de 30 a 3000 Mhz) y la subsiguiente deteccin de sus reflexiones. Ha sido utilizado para navegacin marina (deteccin de costas, otros barcos, etc) y tambin para navegacin area (Radar Doppler, que se basa en el efecto de acortamiento o alargamiento de las ondas segn el movimiento relativo del observador, anlogo al sonido agudo de un vehculo acercndose y grave alejndose, fenmeno estudiado por el austraco Christian Doppler hacia 1840). Los radares tambin se utilizan desde satlites para mediciones altimtricas aplicadas a diversos campos, entre ellos el estudio del geoide y las anomalas gravimtricas del mismo. Y tambin para obtener imgenes de la superficie terrestre, generalmente desde aviones, las cuales tienen aplicaciones geocientficas y muchas otras. Las primeras aplicaciones del radar de substrato fueron realizadas en 1929 por Walter Stern en Austria para medir espesores de glaciares, y slo fueron reiniciadas despus de que, a fines de la dcada de 1950, aviones estadounidenses se estrellaran contra el hielo de Groenlandia al leer sus radares de vuelo la base de los glaciares como si fueran su superficie. La expresin matemtica bsica de esta interaccin fsica es: = (C. To / 2Z)2 (C es la velocidad de la luz, To el tiempo vertical de ida y vuelta de las ondas, Z la profundidad)

En prospeccin el Georradar ha sido empleado crecientemente desde hace tres dcadas. Generalmente es aplicado a objetivos de muy poca profundidad (pocos metros) donde logra una altsima resolucin (de pocos cm), aunque puede tambin a veces iluminar zonas a algunas decenas de metros con menor definicin (en suelos arenosos secos, calizas, rocas gneas o metamrficas). Las imgenes se obtienen con una antena emisora y otra receptora, la informacin se graba en computadora y se le efecta un proceso de datos muy similar al que se aplica sobre los datos de ssmica de reflexin. El resultado son secciones con una escala vertical dada por tiempos de ida y vuelta de la onda electromagntica (en nanosegundos) donde se observan reflectores cuya amplitud es funcin de los contrastes de la constante dielctrica entre las distintas capas del substrato. 17



Tambin se pueden hacer registros en pocitos de algunos metros para ajustar la puesta en profundidad, resultando radargramas de pozo anlogos a la ssmica de pozos petroleros. Y tambin se puede hacer registros de volmenes de informacin, comparables a los de la ssmica tridimensional. Dado que la permitividad es muy sensible al agua -sta tiene un valor muy alto de la constante, debido el carcter fuertemente dipolar de sus molculas- ha sido muy utilizado en reas de suelos congelados para iluminar por debajo del hielo o del permafrost, aunque tambin en otros diversos ambientes geolgicos, con fines de investigacin estratigrfica (como el ejemplo siguiente), hidrogeolgica, ambiental, minera, paleontolgica, etc.

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MTODOS DE POLARIZACION INDUCIDA

Abreviado PI (IP, Induced Polarization en ingls) fue observado por Schlumberger hacia 1920 y estudiado por Mller en 1937. Es el fenmeno que se verifica al desconectar una batera colocada entre dos electrodos conectados al terreno. Se trata de un decrecimiento gradual de la tensin una vez desconectada la batera, fenmeno anlogo al de un condensador elctrico. Implica que algn movimiento de iones se vea impedido y la PI aparece como una posterior difusin de iones. Alternativamente se verifica una variacin de resistividad cuando sta es medida en un medio dado utilizando corrientes de distinta frecuencia. Existen dos modos de crear este fenmeno: A) Polarizacin de electrodos: cargas inicas acumuladas en el limite electrolito-partcula metlica, las cuales crean una tensin que se opone al flujo, por lo que, cuando la corriente se interrumpe, queda un potencial residual debido a las cargas inicas all retenidas. Este potencial luego decrece continuamente al difundirse las cargas en los electrolitos de los poros. Abajo el anlogo elctrico de este proceso. B) Polarizacin de membrana: se produce debido a la presencia de partculas de arcilla, cuya superficie est cargada negativamente y por lo tanto atrae iones positivos de los electrolitos. Cuando se hace pasar una corriente los iones positivos se desplazan, y al interrumpirse se redistribuyen generando una tensin decreciente entre los dos electrodos en contacto con la arcilla.

PROSPECCIN MEDIANTE P. I. Normalmente se realizan calicatas con varias profundidades de inters, como en las tomografas elctricas (TE). A partir del impulso dado a estos mtodos hacia 1948 por la Newmont Exploration de los Estados Unidos, surgieron variantes prospectivas en dos dominios diferentes. 19



En el Dominio del Tiempo: Se aplica al terreno una corriente continua y se registra el decrecimiento de la tensin entre un par de electrodos de potencial despus de haber cortado la inyeccin de corriente. Pueden medirse: - Milivoltio por voltio y tanto por ciento de PI: cociente entre la tensin residual V(t) en un instante determinado t despus del corte de la corriente y la tensin normal V(o) mientras la corriente fluye, es decir: mVi / Vo o bien: mVi . 100 / mVo - Integral de tiempo normalizada: se registra la curva de descenso durante un cierto lapso de tiempo y se determina el rea comprendida entre dos lmites de tiempo (mV/seg) al dividir este resultado por el potencial normal Vo se obtiene la medida de la integral de tiempo de la PI, en algunos textos tambin llamada cargabilidad. - Cargabilidad: puede definirse de dos modos, como la integral arriba citada y expresada en la figura a la derecha, o bien como la relacin: m = (Vo Vi) / Vo

En el Dominio de la Frecuencia: En esta modalidad se mide la variacin de la resistividad aparente del terreno con el cambio de frecuencia de la corriente aplicada. El pasaje del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia y viceversa puede hacerse matemticamente mediante el empleo de la Transformada de Laplace (desarrollada por el matemtico y astrnomo francs Pierre Laplace hacia 1800). 20



Su expresin analtica es:

y su inversa:

Aplicndola se puede mostrar la equivalencia de una resistencia y un condensador en funcin de sus condiciones iniciales, por lo que la P.I. en los dominios de la frecuencia y el tiempo equivalen. En la prctica en el Dominio de la Frecuencia se procede a determinar la resistividad a dos frecuencias: una de ellas muy baja y la otra ms alta. Pueden medirse: - Efecto de frecuencia: la resistividad de las rocas decrece al aumentar la frecuencia aplicada. La medida de la PI debido a la frecuencia se define como la diferencia entre la resistividad con CC y con CA, dividido por la resistividad con CA, es decir: e.f. = (cc cA) / cA En la prctica, dado que se trabaja con un alternador (o sea, slo CA), la cc es en verdad una cA pero de slo 0,1 Hz, que en la prctica equivale a una cc. La cA suele ser de unos 10 Hz. - Factor metlico: es un parmetro ideado para corregir la influencia de la resistividad de la roca de caja. Se define como el efecto de la frecuencia dividido por la resistividad aparente en CC (de nuevo, en la prctica es una CA de 0,1 Hz). multiplicado por un factor numrico arbitrario para dar resultados no tan pequeos. La expresin matemtica es: FM = 2.105 (cc cA) / (cc . cA)

Aqu vemos la tcnica de atribucin de los valores calculados en el dominio de la frecuencia:

Aplicaciones de la Polarizacin Inducida Son muchas las aplicaciones, incluyendo, entre otras: mineralizaciones metalferas, hidrogeologa, medioambiente, ingeniera civil y arqueologa. 21



Aqu pueden apreciarse dos ejemplos mineros:

La prospeccin tambin puede hacerse desde barcos con electrodos arrastrados por el lecho de un ro, lago o mar. En las ltimas dos dcadas ha surgido el inters en su aplicacin en prospeccin de hidrocarburos, se lo ha empleado en pozos y tambin desde superficie, en algunos casos con una importante profundidad de investigacin para inferir reservorios de petrleo y gas, como se ilustra:

Arriba, ejemplo de PI en el dominio del tiempo, ms mtodo MT. A la derecha, en China, PI en el dominio de la frecuencia, ms MT.

Se han utilizado mtodos de PI ocasionalmente en perfiles de pozos desde las primeras experiencias hechas por el ruso Dakhnov en 1959, tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia. 22



MTODOS GEOELCTRICOS Y GEOQUMICA En algunas reas los mtodos geoelctricos pueden ser sensibles a las caractersticas geoqumicas del terreno, constituyendo entonces una til herramienta prospectiva. De especial inters son los resultados de la geoelctrica como complemento del mapeo de la alteracin geoqumica de los suelos provocada por la presencia de hidrocarburos y sus elementos qumicos asociados, sobre reas de entrampamiento, por ejemplo por la presencia de pirita, as como magnetita y otros semiconductores generados como subproducto de la accin bacteriana en la biodegradacin de petrleos. A la derecha un ejemplo de los Estados Unidos, donde se coteja el mapa isopquico de un reservorio profundo con las respuestas dadas por la polarizacin inducida y la resistividad aparente. En el bosquejo de la izquierda se resumen posibles aplicaciones de diversos mtodos geoelctricos para la localizacin de zonas de microfugas de hidrocarburos, a partir de los variados efectos que pueden ocurrir geoqumicamente a poca profundidad.

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CUESTIONARIO BSICO - Indicar y justificar las condiciones ideales de uso de los mtodos de CA en superficie. - Cmo es el mtodo electromagntico de inclinacin de campo? - Graficar un diagrama vectorial indicando brevemente su significado. - Sealar las diferencias entre los mtodos de Turam y Slingram. - Qu parmetros permiten variar la profundidad de investigacin? - Explicar brevemente la Calicata EM en el Dominio del Tiempo. - Comentar aplicaciones de los mtodos electromagnticos. - Cules son los fundamentos y las aplicaciones del Georradar? - Cules son las dos causas del fenmeno de polarizacin inducida? - Cmo opera el mtodo en los dominios del tiempo y la frecuencia? - Cmo se adquieren y representan usualmente los datos de campo? - Qu aplicaciones tiene el mtodo de PI?

BIBLIOGRAFA- Cantos Figuerola, J., 1972. Tratado de Geofsica Aplicada (p.111-163, 311-329 y 422-429). Librera de Ciencia e Industria. - Parasnis y Orellana, 1971. Geofsica Minera (p.111-163, 206-225 y 314-328). Editorial Paraninfo. - Sheriff, R., 1991. Encyclopedic Dictionary of Exploration Geophysics. Society of Exploration Geophysicists.

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metodos electromagneticos

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como en

campo electromagntico

conductores en

ambas en

luz en

orginadas en

en ausencia

como se esquematiza