METODOS GEOFISICOS EN INVESTIGACIONES GEOTECNICAS EN EL PERMAFROST ANTARTICO Silva Busso, A. 1 y Yermolin, E. 2 1 Instituto Nacional de Agua. (DSH), Empalme J. Newbery K 1,620, Ezeiza, Buenos Aires, Argentina. E-mail: pnsantas@inas.gov.ar 2 Instituto Antártico Argentino, Cerrito 1248, C1010AAZ, Buenos Aires, Argentina. Palabras clave Geoeléctrica, geotecnia, permafrost. Keywords: Geoelectric, geologic engineering, permafrost RESUMEN Se detalla aquí la aplicación de metodologías geoeléctricas en el estudio del permafrost y las características geotécnicas del mismo. Esto ha sido de importancia en los estudios previos a la realización de diversas obras de apoyo logístico pistas aéreas, abastecimiento de agua y fundaciones de diversos tipos. El área de trabajo comprende la región norte de la península Antártica e islas adyacentes. Se han aplicado técnicas geoeléctricas 1D y 2D para el reconocimiento de diferentes procesos geocriológicos. La efectividad de dichos métodos es evaluada en este estudio incluyendo los criterios de aplicación en cada caso. ABSTRACT: GEOPHYSICAL METHODS IN GEOLOGICAL ENGINEERING RESEARCH IN ANTARCTIC PERMAFROST This paper detailed the application of geoelectrical methodologies in the permafrost study and geologic engineering studies. This methodology has been of importance in permafrost previous studies, in the infrastructure build of logistic support, air tracks, water supply and several types of constructions. The study area is in the north region of the Antarctic Peninsula and adjacent Island. We have been applied 1D and 2D geolectrical techniques for the research of the geocriologyc different processes. The effectiveness of these geolectrical methods is evaluated along the paper including the application criteria in every case. INTRODUCCIÓN Y AREA DE ESTUDIO La aplicación de los métodos que se detallará en este trabajo ha sido muy intensa en los últimos cinco años y las zonas específicas de trabajo corresponde a un conjunto ubicado en la región norte de la península Antártica e islas adyacentes que involucra, la Isla Marambio (Seymour), Isla Cerro Nevado, Península Brandy en Isla Ross, Cabo Lamb y Cabo del Buen Encuentro en Isla Vega, Bahía Esperanza, Cabo Welchness en Isla Dundee y Península Potter en las Islas Schetland (ver figura 1). El objetivo general ha sido el reconocimiento indirecto de las propiedades del permafrost antártico a partir de métodos geoeléctricos indirectos, sin embargo, la aplicación de estos métodos ha tenido una importante aplicación, derivada de la anterior, en relación con estudios geotécnicos para la realización de diversas obras de apoyo logístico (pistas aéreas, abastecimiento de agua y fundaciones de diversos tipos) como ha ocurrido en Base Petrel, Esperanza y Marambio. En los estudios de permafrost es importante examinar información geológica, hidrogeológica y geocriológica previa de la región para determinar el tipo de modelo
conceptual bajo el cual se correlacionara la información generada durante el trabajo de campo con los objetivos del estudio conducente a una correcta interpretación de los resultados. El uso de métodos geoeléctricos 1D es de uso corriente en hidrogeología y geocriología desde hace muchos años, aunque en Antártida en particular podemos citar los trabajos de Fournier, et. al., (1990); Fukuda et.al., (1992); Silva Busso et al, (2000) y Ermolin y Silva Busso, (2006) con el objeto de estudiar el permafrost en zonas específicas del norte de la península. Los ejemplos de la aplicación de métodos geoeléctricos de 2D, por ser más recientes son claramente menos frecuentes en al bibliografía. En Argentina han empleado estos métodos para el reconocimiento de estructuras geológicas (Fazzito, 2004). Fig. 1. Áreas de estudio y aplicación de métodos geoeléctricos METODOLOGIA GEOELECTRICA APLICADA AL ESTUDIO DEL PERMAFOST La resistividad del subsuelo varıa de acuerdo con el tamaño y tipo de sedimentos y el contenido de fluidos en función de su porosidad y grado de saturación de agua o contenido de hielo. Este es el fundamento físico de la aplicación de los métodos geoeléctricos indirectos de estudio del subsuelo. Esto se traduce en variaciones de los valores de la resistividad de los sedimentos dependiendo de la presencia de agua (dulce o salada) o de hielo es elevada, situación usual de los sedimentos de génesis glaciar en Antártida. El método, como todos los métodos geoeléctricos, permite estudiar la resistividad del subsuelo consiste en la transmisión de corriente directa en el subsuelo. Se ha demostrado (Orellana, 1982) que en un arreglo sencillo con dos electrodos que inyectan corriente en un subsuelo homogéneo la diferencia de potencial que se mide entre otros dos electrodos de potencial se corresponde con un factor geométrico que depende de la posición de los cuatro electrodos. El ρ a indica que la resistividad es aparente, pues para cada medición de V y I, dado que la profundidad de penetración depende de la separación de electrodos, representa el valor de la resistividad de toda la columna de subsuelo hasta dicha profundidad. Si el subsuelo es litológicamente homogéneo y no hay cambios en al composición salina del agua o en el tipo y cantidad de hielo el valor de resistividad será relativamente constante. Si por el contrario hay variaciones de litología, contenido de salinidad en el agua o contenido de hielo
el valor de resistividad también cambia. Si se varıa la distancia entre ellos entonces dicha magnitud varıa para cada situación dado que cambia también la profundidad de penetración y la posibilidad de encontrar cambios. Investigación geoeléctrica 1D o Sondeo Eléctrico Vertical Consiste en un dispositivo usado para la realización de sondeos eléctricos verticales (SEV) que consiste en una serie de determinaciones de resistividad aparente ( ρ a ), efectuadas con el mismo tipo de dispositivo, una separación creciente entre los electrodos de emisión y recepción, azimut constante y con el centro del segmento fijo. Existen varios arreglos o distribución de los electrodos aunque los más usados son Schlumberger y/o Wenner aunque normalmente se emplea el primero por ser más resolutivo en profundidad. El resultado es una curva denominada curva de campo o de resistividad aparente ( ρ a ) que guarda relación con el comportamiento geoeléctrico del subsuelo inmediatamente debajo del punto medio del tendido. La finalidad del SEV es averiguar la distribución vertical de resistividades bajo el punto sondeado partiendo de la curva de campo, encontrando una curva de resistividades verdaderas que se adecue a la zona de trabajo. Investigación geoeléctrica 2D electrodos Dipolo-Dipolo En este caso la disposición de los electrodos puede ajustarse de acuerdo a la profundidad del sondeo, la resolución de resistividad en la vertical y horizontal deseada, las características geológicas, hidrogeológica o geocriológicas que se quieren estudiar y las posibilidades del equipo de medición. Existen distintas maneras de diagramar la geometría de los arreglos como en el caso anterior puede emplearse Schlumberger y/o Wenner, o incluso Dipolo-Dipolo y/o Polo- Dipolo. Normalmente se emplea dipolo-diplo cuyas resolución y número de cuadripolos es mayor proporcionando una mayor resolución lateral y profunda. En el arreglo dipolo-dipolo la distancia entre los dos electrodos de corriente es igual a la distancia de los electrodos de potencial. De las ecuaciones que determinan la relación caída de potencial - intensidad (Orellana, 1982; Fazzito, 2005) determinan que la intensidad de la respuesta decae en relación inversa a la separación de electrodos siendo más debil cuanto mayor separación. APLICACIONES GEOTECNICAS Y CARACTERISTICAS DEL PERMAFROST En áreas subpolares se han implementado con éxito métodos de geoeléctrica 1D en tendidos de macrosondeos y microsondeos para determinar el desarrollo de la capa activa, contenido relativo de hielo, contenido de agua y salinidad y cambios litológicos. Estos últimos han permitido también mejorar los modelos interpretativos de la depositación de sedimentos glaciarios. En general, se han aplicado tendidos Schlumberger de hasta 350m (macrosev) y de hasta 44m (microsev) donde se ha mantenido una densidad de lecturas de hasta 25 puntos. Los macrosondeos son útiles en el reconocimiento de unidades geológicas y características regionales del permafrost en los primeros 150m de profundidad. Dado que son menos resolutivos en reconocimiento detallado suprapermafrost, interpermafost y en zonas costeras se implementan los micorsondeos como alternativa de mayor resolución. Desde el punto de vista geotécnico permiten estimar los cambios litológicos, profundidad de capa activa y contenidos de hielo en sedimentos. La información obtenida es interpretada para obtener la distribución de resistividades en el subsuelo y así poder traducirlas a los cortes geológicos que se necesitaban como resultado. La información recopilada de perfiles litológicos, hidrogeológicos o geocriológicos es utilizada para el ajuste paramétrico de las respectivas posiciones medidas y para una mejor interpretación global del esquema geocriológico de la zona. Recientemente se han empleado métodos
geoeléctricos 2D y/o tomografía eléctrica resistiva. El uso de esta técnica es actualmente muy difundida en estudios de ingeniería y medio ambiente para estimar la distribución de resistividad en el subsuelo y tienen como finalidad estudiar procesos complejos. El objetivo de la tomografía en nuestros estudios ha sido estimar la distribución de resistividad de secciones del subsuelo empleando las resistividades aparentes de la sección lateral de subsuelo. Las configuración dipolo-dipolo proporciona una mayor densidad de puntos de medición que a las profundidades someras que es la circunstancia es más deseable para el estudio detallado y evolutivo de la capa activa, infiltración de agua, variación o relaciones agua-hielo en la capa activa y límite de permafrost, procesos de termoerosión, subsidencia, colapso, relación entre hidrología e hidrogeología y en general cualquier proceso geocriológico en capa activa. CONCLUSIONES Es indudable que los métodos geoeléctricos debido a su transportabilidad, bajo costo, rapidez y de un impacto ambiental prácticamente nulo, resulta una herramienta útil de aplicación en el estudio del permafrost y las aplicaciones geotécnicas. El análisis de los datos de los estudios geotécnicos permite aportar algunas recomendaciones para la construcción de diferentes obras y prevenir los procesos negativos que podrían derivarse de una mala ejecución de las mismas. El siguiente cuadro resume las características de las diferentes metodologías mencionadas ponderando con cada tipo de tendido la efectividad esperada. TIPO TENDIDO 1D macrosondeos 1D micosondeos 2D tomografía EFECTIVIDAD Unidades geocriológicas Muy Buena Buena Pobre Litología (arcillas) Buena Buena Muy Buena Agua (salinidad) Buena Buena Muy Buena Contenido de Hielo Bueno Muy Bueno Muy Buena Profundidades y espesores Muy Bueno Bueno Bueno Rapidez Buena Muy Buena Pobre Impacto ambiente Muy Pobre Muy Pobre Muy Pobre Aplicación Geotecnia Pobre Buena Muy Buena Estudio Permafost Supra, Inter einfra Supra e Inter Supra BIBLIOGRAFIA Yermolin E. y Silva Busso A. 2006. Mapa y caracterización geocriológica del área de la Base Esperanza, península Antártica Tercer Congreso de la Ciencia Cartográfica y X Semana Nacional de la Cartografía, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, 26-29 de Junio del 2006 Fazzito S. Y., 2004. Método de procesamiento de datos para determinar la resistividad dieléctrica del subsuelo Dep. Cs. Físicas, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires. Trabajo final de Licenciatura (Inédito). Fournier, H.G., E. M. Buk and A. E.Corte, 1990. Three Permafrost Conditions Indicated by Geophysical Soundigns in Tertiary Sediments at Seymour Island, Antarctic Peninsula. Cold Regions Science and Technology, 17 pag: 301-307. Fukuda, M, J. Strelin, K. Shimocawa, N. Takahashi, T. Sone and D. Trombotto, 1992. Permafrost Ocurrence of Seymour Island and James Ross Island, Antarctic Peninsula. Recent Progress in Antarctic Earth Science, Edit: Yoshida et.al., pp 745-750. Tokyo, Japan.
Orellana, E. 1982. Prospección Geoeléctrica en Corriente Continua. Editorial Panarinfo, Madrid, España. 125 pp. Silva Busso, A.; Sánchez, R. Y Fresina, M., 2000 Caracterización del Comportamiento Hidrogelógico en la Isla Marambio, Antártida. Primer Congreso Mundial Integrado de Aguas Subterráneas. Abstracs, art. 230 pag 292 en CD pag: Fortaleza, Brasil. ALSHUD. AIH.