Estudio geofísico y geológico

Transcripción

1 Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 72

2 3. Exploración geofísica El estudio de este sitio se realiza para caracterizar principalmente el suelo, debido a sus propiedades magnéticas y eléctricas que este pueda presentar, esto con el objetivo de tener un reconocimiento previo del suelo, a manera general conocer la estratigrafía del terreno, profundidad del nivel freático y otras características que puedan ser de utilidad para una eficiente programación de los sondeos de perforación y obtención de muestras. En este estudio las pruebas geofísicas aplicadas fueron: Prueba magnética Prueba eléctrica 3.1. Introducción Generalidades Investigaciones geofísicas magnéticas y eléctricas se llevaron a cabo en el costado oeste del Recinto Universitario Rubén Darío (UNAN-Managua), con el objetivo principal de delimitar áreas con anomalías magnéticas posiblemente relacionadas con estructuras geológicas verticales, y estudios eléctricos con la finalidad de conocer preliminarmente la estratigrafía de la zona, así como la profundidad en que se encuentra el nivel freático del agua. 3.2 Metodología general Recopilación de información La primera etapa del estudio consistió en la recopilación, revisión, selección e interpretación de información existente, así como el análisis de mapas de inventario, topográfica, geológica y ortofotomapa de la zona de estudio y vecindades. Esta etapa contempló visitas al sitio para validar lo expuesto en el párrafo anterior en lo que se refiere a la existencia de estructuras visibles y enterradas, analizando los rasgos geomorfológicos, para la planeación de la presente investigación y de otras técnicas Trabajo de campo La segunda etapa correspondió al trabajo de campo que comprende las actividades in-situ del trazado de la malla y su geo-referenciación para el levantamiento magnético y demás técnicas a aplicar. Para estas actividades se realizaron giras de campo efectivas entre Abril y Mayo del presente año. Las mediciones magnéticas se realizaron sobre 16 perfiles con una longitud máxima de 200 metros en dirección Este Oeste y espaciamiento de 5 metros entre mediciones, con separación entre perfiles de 20m. Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 73

3 Las mediciones eléctricas se realizaron sobre 6 perfiles con una longitud máxima de 200 metros en dirección Este Oeste, con separación entre perfiles de 40m y espaciamiento entre electrodos de 2.5m. Las pruebas magnéticas y eléctricas se realizaron sobre los mismos perfiles. En campo se realizó un primer procesamiento e interpretación de la información geofísica, con el objetivo de planear los trabajos siguientes Análisis de datos Esta fase consistió en el análisis e interpretación en gabinete, de la información de campo recopilada, definiendo el programa general del trabajo y la metodología específica a seguir para el cumplimiento de los objetivos, mediante actividades tales como: - Interpretación de orto-foto-mapas, mapas topográficos y geológicos a escalas mayores o iguales que 1:50, Procesamiento e interpretación de la información magnética para elaborar un mapa que refleje zonas con existencia o ausencia de estructuras geológicas verticales. - Análisis e interpretación conjunta de las diferentes técnicas aplicadas en el área. 3.3 Prueba magnética El propósito de este estudio magnético en el área consistió en detectar y ubicar estructuras geológicas que posiblemente estén relacionadas a fallas, contactos y / o paleo cauces, con base en anomalías del campo magnético que resultan de las propiedades magnéticas propias de cada material en el subsuelo, es decir, anomalías que se produzcan por las propiedades magnéticas del suelo y las propiedades magnéticas de los diferentes medios. Equipo utilizado en la prueba magnética magnetómetro automático GSM-19 cinta métrica GPS brújula Figura 3.1 Magnetómetro automático GSM19 El GSM-19 (Figura 3.1) es un instrumento para investigaciones base en muchos campos entre los que se puede mencionar: Exploración mineral, estudios ambientales y de ingeniería, como base para observaciones magnéticas, vulcanología y predicción de terremotos (Gem Systems, 2002). Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 74

4 Aspectos del trabajo de campo en la prueba magnética Previo a la interpretación de datos magnéticos se hace necesaria la reducción de los mismos para eliminar de estos los efectos producidos por la variación diurna (Kearey y Brooks, 1984). En este caso, se toman lecturas periódicamente durante la duración del levantamiento en puntos fijos llamados base. Entonces, las diferencias observadas con respecto al punto base se distribuyen proporcionalmente a las lecturas obtenidas sobre las estaciones de medición tomando en cuenta la hora de la observación. Los magnetómetros no presentan desplazamientos, por lo tanto las lecturas de la base se toman solamente para corregir las variaciones temporales en las medidas de campo. Para el presente estudio se realizaron mediciones de campo magnético total sobre 16 perfiles en dirección este-oeste. Las estaciones magnéticas se encuentran distribuidas a intervalos de 5 metros a lo largo de perfiles, mismos que están espaciados cada 20 metros y con longitudes de 200 metros (Figura 3.2). En el mapa, el eje vertical corresponde a la dirección Norte y el horizontal a la dirección Este en coordenadas UTM (expresadas en metros). Procedimiento de campo para la aplicación de la prueba magnética 1. Se seleccionó la zona a ser estudiada. 2. Se estaqueo sobre el terreno una línea maestra de 300m de longitud en dirección norte-sur cada estaca separada a una distancia de 20 m. 3. Posteriormente se estaqueo en dirección perpendicular a la línea maestra para formar líneas de perfil, cada estaca separada 50m, la longitud de las líneas perfiles variaban de 200 a 220m estaqueando aproximadamente un área de 60000m Se eligió un punto de referencia o punto base al cual se le tomó lectura magnética. 5. Luego se realizaron mediciones de campo magnético a un total de 16 perfiles en dirección este-oeste, las estaciones magnéticas se encuentran distribuidas a intervalos de 5m a lo largo de los perfiles. Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 75

5 MAGISTRAL Cancha de baloncesto Area de estudio Perfiles magnéticos Figura 3.2 Mapa de localización de perfiles magnéticos. Proyección UTM, Datum WGS84. Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 76

6 Procesamiento de datos En el trabajo de gabinete, la primera actividad consistió en crear la base de datos en formato Excel. Esta actividad es un proceso lento y cuidadoso, pues de ello depende la calidad de los resultados y por ende, de la investigación. Para el modelado de los datos, es necesario aplicarles la corrección por variación diurna del campo magnético. Para tal fin, en el campo, previamente se escogieron una serie de puntos base. En el proceso de medición, se inicia en uno de estos puntos base, al cual se regresa cada hora aproximadamente a cerrar el ciclo de medición con el objeto de observar la variación de las lecturas en este punto base y distribuir proporcionalmente esta variación entre las mediciones hechas en el lapso de tiempo del ciclo. Como se mencionó anteriormente fue preciso antes que nada eliminar aquellas lecturas extremadamente altas o bajas tomadas cerca de fuentes perturbadoras del campo magnético tales como cables de alta tensión, cercas metálicas, casas, chatarras, etc Resultados Producto del procesamiento de la información magnética, se elaboraron 16 perfiles de campo magnético total versus la distancia entre puntos de medición (Figura 3.3 y Anexo 1, perfiles magnéticos) que reflejan la variabilidad del campo magnético a lo largo de los perfiles según los elementos superficiales y geológicos en profundidad distribuidos en el área. En el eje Y se representa el campo magnético total en natotesla (nt) y en el eje X la distancia en coordenadas UTM. Cabe puntualizar que la media del campo magnético en el área es del orden de los nt. Algunos perfiles muestran variaciones muy fuertes debido a la presencia de elementos metálicos en los alrededores, que podrían ser interpretadas erróneamente. De la integración de toda la información magnética, se elaboró un mapa de campo magnético total (Figura 3.4), que refleja espacialmente la respuesta magnética de los cuerpos que se encuentra en el subsuelo. Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 77

7 Perfil magnético P Campo magnético total (nt) Distancia ( m ) Perfil magnético P 40 Campo magnético total ( nt ) Distancia ( m ) Figura 3.3 Perfiles magnéticos realizados en el RURD/UNAN-Managua. Nicaragua / Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 78

8 Valores mágneticos altos Valores mágneticos bajos Maestra Valores mágneticos medios Magnetismo alto Magnetismo medio Magnetismo bajo Escala de camp magnético (nt) Figura 3.4 Mapa de campo magnético total. Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 79

9 3.3.4 Interpretación Del mapa de campo magnético total se desprende que de acuerdo a la respuesta magnética del subsuelo, en el área se puede identificar tres zonas que están limitadas por la curva magnética de 37,000 nt. Esta curva límite se ha escogido tomando el antecedente de la existencia de la Falla Zogaib que justo está en el límite entre la parte alta (Mocorón) y la parte más plana (topográficamente hablando) con orientación aproximada norte-sur. De Oeste a Este: Valores magnéticos altos: Se encuentran en el área más elevada (topográficamente hablando), y presenta los valores más altos de campo magnético total por encima de los 37,000 nt. Aquí se encuentran más cerca de la superficie materiales más compactos. Valores magnéticos medios: Corresponde al área más baja (topográficamente hablando). Presenta valores del campo magnético total en el rango 37,000 37,400 nt. Corresponde a material con una respuesta magnética inferior a la presentada por los materiales de la Zona 1. Estos valores de campo magnético se distribuyen a lo largo del límite zona alta-zona baja; límite que corresponde con lo que se supone esté sobre la Falla Zogaib. Valores magnéticos bajos: se presentan en el área central, las zonas aquí definidas con valores del campo magnético inferior a los 37,000 nt. Es interrumpida por dos anomalías con valores del campo magnético total por encima de los 37,000 nt, no de gran importancia pues, son aisladas y de dimensiones pequeñas. Corresponde al material menos magnético del área, asociado quizás a material suelto o a relleno producto de la erosión producido en el Mocorón. Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 80

10 3.4 Prueba eléctrica Equipo utilizado Para la presente investigación se utilizaron los siguientes equipos Lund Imaging System Computadora portátil Electrodos Cables multiconetores Cinta métrica Mazo Lund Imaging System El equipo utilizado para la realización de los SEVC en esta investigación, es el Lund Imaging System de la marca sueca ABEM Instrument AB. En la actualidad, este equipo es de los más especializados con que cuenta Nicaragua para hacer investigaciones geofísicas. Es un sistema de multielectrodos para sondeos de resistividad en 2D y 3D con alta resolución, que consiste básicamente de: Una unidad básica llamada ABEM Terrameter SAS 4000, la que integra un resistivímetro, un amplificador de corriente y una computadora, ver Figura 3.5. Tiene la capacidad de realizar mediciones eléctricas de la manera SEV convencionales así como SEVC, los que pueden ser controlados directamente con la computadora interna del equipo. Una computadora portátil externa Husky, ilustrada también en Figura 3.5, que es utilizada para manejar y controlar la adquisición de datos durante el proceso de medición, para lo que se utilizó el software de adquisición de datos eric, éste se encarga de leer y aplicar el protocolo a utilizar. En dicho protocolo se encuentra la configuración de electrodos utilizada durante la medición, así como las combinaciones de electrodos para cada secuencia, las que son transmitidas a la unidad selectora de electrodos. Dos unidades selectoras de electrodos ABEM ES464 (Figura 3.5) que controlan la conexión y desconexión de las líneas de potencial y corriente, además activan los electrodos que van a funcionar. Se utilizan dos unidades para hacer las mediciones en cuatro canales, lo que quiere decir que hay cuatro canales de información transmitiendo datos a la computadora, un canal que envía información a los electrodos de corriente, activándolos, y tres canales que están midiendo las diferencias de potencial en tres pares de electrodos. Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 81

11 Cuatro cables multicapas con 21 tomas separadas cada 5 metros en las que se conectan los electrodos por medio de conectores. El total de electrodos con que se realiza la medición es de 81. Figura 3.5 Equipo Lund Imaging System Aspectos del trabajo de campo en la prueba eléctrica 1. Los perfiles eléctricos son efectuados sobre las líneas donde se efectuaron los perfiles magnéticos. 2. En la recolección de datos se utilizó una microcomputadora junto con una o dos unidades electrónicas que se usan para seleccionar automáticamente los cuatro electrodos a utilizar para cada medición se conecta a un cable multiconector. 3. El espaciamiento entre electrodos fue de 2.5m, se usaron 81 electrodos a lo largo de la línea de perfil, el cable multiconector se unió a una unidad electrónica, la cual se conectó a una computadora portátil. Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 82

12 4. La secuencia de mediciones que se tomó, el tipo de arreglo usado y otros parámetros del estudio fueron asignados en un archivo de texto el cual es leído por un software instalado en el equipo. 5. Después de leer el archivo, el programa automáticamente selecciona los electrodos apropiados para la medición. Las mediciones son tomadas automáticamente y almacenadas en la computadora. La ubicación y dirección de los SEVC se determinó tomando en cuenta la orientación de las estructuras principales visibles así como las condiciones que presentaba el terreno para la realización de los mismos. (14)(25) Se desarrollaron 6 sondeos eléctricos todos en la dirección EW, la distancia entre perfiles eléctricos fue de 40m, la separación máxima entre electrodos de todos los perfiles es de 2.5 metros, obteniéndose una penetración máxima de 45 a 75 metros de profundidad. Los SEVC han sido nombrados de acuerdo a las distancias entre perfiles obtenidas de la topografía, también fuero referenciados, y medida la topografía a lo largo de los perfiles con DGPS para conocer la ubicación tanto espacial como en profundidad de los cuerpos del subsuelo. La localización de los SEVC se muestra a en la Figura 3.6. En general, en las secciones eléctricas invertidas obtenidas en el área de estudio, la línea horizontal representa la longitud del perfil eléctrico (en metros) en dirección W- E. Todos los perfiles tienen 200 metros de longitud. En cada uno, la línea vertical representa la profundidad máxima alcanzada de investigación. Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 83

13 P 20 P 60 P 100 P 140 P 180 P 220 MAGISTRAL Cancha de baloncesto Area de estudio Perfiles eléctricos Figura 3.6 Localización de los perfiles de SEVC realizados en el área de proyección del Estadio Nacional de Fútbol. RURD-UNAN-Managua Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 84

14 3.4.3 Procesamiento de datos Los datos se procesaron usando un algoritmo (programa RES2DINV.) que calcula valores de resistividad eléctrica con los cuales construye un modelo del subsuelo y los compara con los datos medidos. Éste está diseñado para invertir cantidades grandes de datos (hasta 6500 puntos) registrados por un sistema con numerosos electrodos (de 25 a 1800 electrodos). En este informe no se entrará en detalle sobre los métodos matemáticos que utiliza el programa para hacer la inversión, para mayor información se sugiere consultar los manuales de Geotomo Software (2001). De los seis perfiles trazados se construyó igual número de secciones eléctricas que muestra una gama de resistividades, misma que corresponden a los diferentes materiales que integran el subsuelo Resultados y descripción general de las imágenes de resistividad Dos unidades se pueden observar en las seis imágenes de resistividad mostradas en la Figura 3.8. Una unidad superficial con resistividades menores que 140 Ωm y con espesor entre 4 y 5 metros se extiende a través de los perfiles. Esta unidad, corresponde al material no consolidado que se ha acumulado a partir de la erosión de Mocorón y por la deposición producto de inundaciones. Le subyace una unidad muy resistiva (resistividades mayores a 190 Ωm). Su espesor no fue determinado por este método que profundizó hasta los 40 metros, deduciéndose que su espesor es mayor que la profundidad estudiada. En principio y en condiciones de ausencia de esfuerzos tectónicos, este estrato debería estar continuo en toda su extensión, sin embargo, entre los 45 y 55 metros a partir del inicio de cada perfil, es interrumpida verticalmente, por material cuyas resistividades es menor a 190 Ωm. Esta interrupción, se interpreta como debida a la Falla Zogaib que atraviesa aproximadamente en dirección norte-sur el área. En las imágenes, se ubica en el límite inferior de Mocorón. Esta falla ya es conocida y está muy sustentada por numerosas investigaciones realizadas anteriormente. En la tabla siguiente se muestran las posiciones en coordenadas UTM del límite Este de esta estructura vertical y en la figura 3.7 se muestra la prolongación. Tabla 3.1 Tabla con las coordenadas correspondiente al trazo de la estructura vertical delimitada por el estudio geofísico. FALLA ZOGAIB(Coordenadas) Este (UTM) Norte (UTM) Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 85

15 Escala de campo magnético(nt) Area de estudio Posible localizacón de la falla Zogaib. Figura 3.7 Posible localización de la falla zogaib en el área de estudio. Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 86

16 a) b) Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 87

17 c) d) Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 88

18 e) f) Figura 3.8 Imágenes de resistividad correspondientes a los perfiles eléctricos en dirección Oeste-Este: a) PE 20, b) PE 60, c) PE 100, d) PE 140, e) PE 180 y f) PE 220 en el área de proyección del Estadio Nacional de Fútbol. RURD-UNAN-Managua Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 89

19 3.4.5 Interpretación De lo observado en los perfiles eléctricos, vemos que el suelo responde al inyectarle la corriente eléctrica como tres grupos bien diferenciados (en dirección Oeste Este) no teniendo en cuenta la capa vegetal y el terreno superficial, y verticalmente también se identifican tres zonas hasta la parte mas profunda explorada, teniéndose entonces la siguiente zonificación. Vertical (variación en profundidad): Los materiales de 0.0 a 1.20m tienen resistividades que están en un rango de 15 a 179 Ωm, que corresponden a suelo tipo arcilla arenosa, arena arcillosa o arena limpia, arena limosa. Los materiales que se localizan entre 1.20m y 3.70m de profundidad, tiene resistividades que están en el rango de 179 a 256 Ωm, que corresponden a suelo tipo arena limpia o grava limpia. El suelo localizado entre 3.70m hasta 10m de profundidad (profundidad alcanzada con las perforaciones). Presenta resistividades que están en el rango de 256 a 1056 Ωm, estas resistividades corresponden a suelos tipo roca meteorizada y roca sana. Esta división en la parte vertical se hizo, dividiendo al suelo en capas cada vez que se presentaban variaciones en las propiedades resistivas del mismo. Las capas de resistividad se pueden observar en anexos 2 (capas de resistividades eléctricas). Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 90

20 3.5 Levantamiento Geodésico Se realizó un levantamiento de tipo altimétrico para conocer con más detalle la topografía del área de estudio, así como para seleccionar las líneas donde se proyectarían las investigaciones geotécnicas. El equipo de Posicionamiento Global utilizado fué D-GPS LOCUS ASTEC (Figura 3.4), el cual posee una resolución en modo estático de m + 1 ppm en el plano horizontal y de 0.01 m + 1 ppm en el eje vertical, lo que garantiza la precisión de los datos obtenidos. El error de las mediciones puede ocurrir debido a dos factores principalmente: la mala geometría de los satélites al momento de la medición (PDOP) y a obstáculos que bloqueen la captación de los satélites. El principio básico del levantamiento por medio de Sistemas Diferenciales de Posicionamiento Global (D-GPS), es que puede calcularse la distancia entre dos o más puntos precisamente por medio de mediciones simultáneas usando dos o más unidades de D-GPS. Una unidad de D-GPS es localizada sobre un punto con coordenadas conocidas (Estación Geodésica Base). Las otras unidades son situadas sobre los lugares a medir y todas las unidades de D-GPS se mantienen colectando datos durante un período de tiempo. Los datos así obtenidos se bajan a una computadora donde se procesan las posiciones de todos los puntos colectados (Locus TM, 1998). Figura 3.9. Equipo DGPS. Con los datos se elaboró un mapa de curvas de nivel con espaciamiento vertical entre curvas de dos metro (Figura 3.10). En la tabla 3.2 se muestran las coordenadas y elevaciones de los puntos georeferenciados con el GPS de tipo diferencial. Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 91

21 Tabla 3.2 Coordenadas y Elevaciones de Puntos tomados con DGPS. # NOMBRE ESTE NORTE ELIPSOIDAL ORTOMETRICA 1 STADIO ESTACA ESTACA (+26) CVES CVES4 EST CVES4 EST CVES FIN CVES FIN ESTACA CVES CVES1 FIN ESTACA CVES3 ESTACA CVES4-0 EST CVES CVES5 180 M CVES6 220 M CVES STADIO CVES CVES2 FIN ESTACA CVES3 ESTACA CVES4 140-M CVES CVES CVES BASE ESTADIO BASE ESTADIO rectificada Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 92

22 Figura 3.10 Mapa topográfico de la zona de estudio. Edwin Nadir Castrillo Osorio Página 93