Detección de Cavidades con Métodos Geofísicos

El tema de la detección de cavidades, es un tipo de exploración que se podría decir, es inverso a la exploración minera, porque en lugar de buscar excesos de masa, o altas susceptibilidades magnéticas, o altos conductivos o bajos resistivos, se busca todo lo contrario. Se aplica principalmente al dominio kárstico con el fin de detectar cualquier recarga por diferencia entre el antes y después de los periodos lluviosos. Como es sabido, una cavidad o una red kárstica suponen un déficit de masa en relación con la roca encajonante, dando como resultado anomalías de cierta magnitud, y en donde es posible interpretar sus características geométricas y dimensionales, así como su profundidad.

Una cavidad se entiende cuando el espacio está lleno de aire o agua; también incluye un relleno de material más débil. Las cavidades pueden provocar asentamientos diferenciales o colapso de estructuras. En el caso de presas y estanques de sedimentación, las cavidades provocan fugas. Las cavidades pueden ser naturales o artificiales. Las naturales son particularmente comunes en ambientes calcáreos, debido a la disolución por el agua subterránea ácida, dando lugar a cuevas. Las cavidades artificiales se dejan por la minería debido a la excavación de túneles, antiguos pozos, etc. Por eso es necesario encontrar su profundidad y extensión (puede extenderse más allá de sus paredes); y a veces comprobar que vacíos se han llenado por completo.

En el pasado, el estudio del subsuelo se basaba en gran medida en la perforación, en la que, así como puede proporcionar información esencial, también puede perder características importantes, porque es puntual, y hacer muchas perforaciones sólo para exploración puede ser muy costoso. Una mejor estrategia es, primero llevar a cabo una combinación de estudios geológicos y geofísicos, y luego concentrarse en la perforación en puntos definidos basados en los resultados.

Actualmente, la ingeniería civil necesita información detallada sobre el subsuelo antes de comenzar la construcción de presas, puentes, carreteras, aeropuertos, edificios, túneles, etc. Para obtener resultados exitosos, los geofísicos y los geólogos deben tener claro qué información necesita el especialista (civil, geotecnista o hidrogeólogo), así como aclarar las limitaciones de los diferentes estudios que cada uno ofrece.

Es probable que una cavidad tenga un gran contraste con la roca circundante por muchas propiedades físicas, por lo que la mayoría de las técnicas geofísicas son potencialmente útiles. Sin embargo, el contraste dependerá de lo que llene la cavidad, que puede ser aire, agua o relleno o sedimentos poco consolidados y sobre la naturaleza de la roca circundante. La utilidad de una técnica también depende de la forma, tamaño y profundidad de la cavidad (la profundidad hasta la parte superior de una cavidad generalmente excede su diámetro, porque de lo contrario es probable que tenga algún tipo de colapsó). Aunque obviamente es difícil detectar una cavidad pequeña y profunda, estas podrían no presentar ningún problema de colapso, por lo que es importante estimar si una técnica determinada puede detectar desde la cavidad más pequeña y hasta la más grande, con o sin algún tipo de relleno.

Algunas aplicaciones que pueden ser útiles como herramientas para las diferentes áreas de la ingeniería civil son: la probabilidad de ocurrencia de que se rebase una aceleración máxima esperada en un tiempo dado, profundidad de cubiertas no consolidadas, extensión de rellenos; detección de zonas de fractura y cavidades; tuberías u objetos enterrados; áreas de antiguas galerías mineras; zonas de suelo contaminado, zonas de saturación, etc., que pueden ser detectados con los distintos parámetros de las respuestas anómalas que se pueden medir con varios métodos geofísicos.

Métodos sísmicos.

Es probable que una cavidad tenga una velocidad mucho más baja que la velocidad de su entorno, pero esto no es suficiente para asegurar el éxito mediante los métodos sísmicos básicos de refracción y/o reflexión, porque estos son principalmente para detectar interfaces subhorizontales.

GPR.

Esta técnica se asemeja a la sísmica de reflexión en detectar ondas reflejadas, respondiendo a discontinuidades, principalmente con la permitividad relativa más que con impedancia acústica. Su poca penetración (unas pocas decenas de metros en roca caliza o arena, mucho menos si arcilla o agua salina) puede no ser una limitación para muchas aplicaciones de ingeniería debido a su alta resolución (cm) en comparación con la sísmica de reflexión (m). El GPR es ampliamente empleado para detectar pequeñas cavidades debajo de carreteras, pistas, y así sucesivamente, o tumbas, o bien, objetivos pequeños y relativamente superficiales, y que no son detectables con la sísmica de reflexión. Los objetivos generalmente se revelan por difracción de las ondas en objetivos pequeños (ej. tuberías), o por la interrupción de un reflector más profundo (objetivos más extendidos), sin embargo, si las cavidades contienen saturación o fracturameinto en los alrededores, podría ser un problema.

Métodos magnéticos.

El aire y el agua no son magnéticos, pero una anomalía debida a un vacío es probable que pase desapercibida incluso cuando la roca circundante es relativamente magnética, y en rocas no magnéticas como la caliza, por ejemplo, es probable que sea indetectable. Por esta razón, un estudio magnético no suele ser la primera opción para detectar una cavidad natural, a menos que haya contenido de sedimentos relativamente magnéticos o con contenido de ferromagnesianos y rodeado por rocas no magnéticas, como puede ocurrir con los sumideros. Los estudios magnéticos tienen su mayor éxito detectando cavidades artificiales, donde abandonaron objetos ferrosos, como tubos y rieles de hierro, los cuales pueden producir grandes señales. El éxito de los levantamientos magnéticos dependería, por tanto, sobre la presencia de materiales que no son una parte intrínseca de la cavidad, pero pueden frustrarse por ruido magnético debido a tuberías cercanas a la superficie u objetos ferrosos poco enterrados o someros. Se preferiría un estudio con gradiómetro para objetivos más superficiales o residuales, ya que ignoraría en gran medida fuentes magnéticas más distantes. Aunque estos estudios pueden llevarse a cabo rápidamente, puede valer la pena intentarlo, sin embargo, no es recomendable utilizar este método para este fin.

Métodos geoeléctricos.

Una cavidad llena de aire tendrá una resistividad mayor que la roca circundante, pero si la roca está seca, su resistencia puede ser tan alta, que su contraste podría ser demasiado significativa, por otro lado, una cavidad llena de agua, en contraste, generalmente tiene una resistividad menor que su entorno. En los arreglos geoeléctricos, el espacio debe ser lo suficientemente grande para penetrar a la profundidad de la cavidad, pero no tan grande que la cavidad forma solo una pequeña parte del volumen por donde fluye la corriente.

Métodos EM.

Tienen la ventaja sobre los métodos geoeléctricos, cuando el material cercano a la superficie tiene una resistividad muy alta, como la arena del desierto, y viceversa cuando es muy conductivo. Por ejemplo, el TEM no requiere mucho espacio que como en el caso de los geoeléctricos, esto es, que es más compacto en el momento de realizar los estudios, lo cual es una ventaja en sitios confinados, pero es menos rápido para emplear y es más costoso. Sin embargo, después de que una cavidad ha se ha localizado, vale la pena emplear el TEM para delimitar sus dimensiones con mayor precisión.

Métodos gravimétricos.

Tanto las cavidades totalmente vacías como con contenido de agua tendrán un contraste mayor de densidad, lo que favorece su detección por gravimetría; una cavidad rellena de rocas o suelo tendría un efecto muy reducido, pero posiblemente todavía un contraste significativo. Aun así, las anomalías serían pequeñas; por ejemplo, un vacío esférico de 5 m de diámetro centrado 10 m debajo de la superficie, en roca con densidad 2.7 gr/cm3, produce una anomalía de sólo aproximadamente 12 μGal (en la práctica, es probable que sea mayor por el “efecto halo”). Esto requiere un gravímetro muy sensible y gran cuidado en el proceso de los datos (correcciones), particularmente en la medición de la altitud de las estaciones, en donde se requiere una precisión de unos pocos milímetros. Sin embargo, como solo las variaciones locales en g son necesarias, los resultados se reducen a un dato local, no al nivel del mar. La anomalía de la gravedad de una masa enterrada se extiende más allá de los bordes del cuerpo, como hacer las anomalías de algunos otros métodos; aunque esto reduce la agudeza de las anomalías, significa que el gravímetro no necesita estar sobre una cavidad para detectarlo, lo que puede ser una ventaja. La gravimetría tiene una gran ventaja sobre otros métodos geofísicos para la detección de vacíos o cavidades, debido a que las respuestas anómalas se sitúan siempre sobre la vertical de la cavidad.

Las respuestas de parámetros anómalos con los distintos métodos de medición, a veces son más grandes de lo esperado y esto se atribuye a los “halos” de roca fracturada o grietas alrededor de las cavidades, porque, por ejemplo, reducen la velocidad sísmica (Vs) y además, como su grosor es pequeño comparado con la longitud de onda de las trayectorias de las ondas sísmicas, implicaría que no se detectarían reflejos, o bien, con habría respuesta alguna. Las grietas secas pueden reducir la conductividad de la roca alrededor de una cavidad, o bien, la conductividad podría aumentar cuando se llena con agua o se presenta saturación, agrandando efectivamente la respuesta del objetivo. Es poco probable que el agrietamiento tenga mucho efecto en las respuestas magnéticas. En el caso gravimétrico, pero puede ampliar significativamente la respuesta anómala de densidad, porque parte del volumen fracturado se encuentra muy cerca de la superficie. Todas las técnicas anteriores han tenido éxito en la detección de cavidades, aunque en algunos casos con ciertas limitaciones en la respuesta, que, sin embargo, depende mucho de la experiencia del interprete, porque suele suceder que en un macizo kárstico, el déficit de densidad no se deba únicamente a la cavidad en sí, sino además a la fracturación y a todos los procesos de disolución en los alrededores; el resultado se traduce en que normalmente las dimensiones estimadas para la cavidad están sobredimensionadas; por lo cual, la interpretación podría ser más cualitativa que cuantitativa debido a la cantidad de parámetros que intervienen, siendo más fácilmente detectable cuanto mayor sea su diámetro y menor su profundidad.

La respuesta de varios métodos geofísicos depende de las circunstancias en las que se encuentran las cavidades, como las propiedades de las rocas circundantes, las limitaciones en los sitios de medición, como en el caso en donde haya construcciones o algún tipo de infraestructura, o por alguna otra razón que no permita que no se puedan realizar los estudios.

Conclusión

Finalmente, se podría concluir que el método con mejores resultados, es la gravimetría, porque responde directamente a la ausencia de material, y en donde el tamaño de las respuestas anómalas se podría relacionar con el mismo tamaño de las cavidades y la respuesta anómala de baja magnitud, se encontraría directamente sobre el objetivo buscado, sin embargo, cabe aclarar que es un método que podría resultar más costoso que otros y se cobra por estación. En segundo lugar, podrían ser los métodos geoeléctricos, debido a que, por los contrastes de resistividad en los vacíos, podrían muy bien distinguir anomalías de resistividad de magnitud muy alta, considerando si hubiera o no saturación en los alrededores, sin importar los halos de agrietamiento, este último método podría ser menos costoso que la gravimetría y se cobra por km lineal.
Es conveniente que siempre consideres 3 cotizaciones, así mismo, no siempre te guíes por la más barata, considera el costo beneficio. Lo ideal es que tengas un mallado y así puedas crear modelos 3D para delimitar adecuadamente las cavidades para mayor certeza en el diseño de obras civiles, recuerda que los modelos 2D en búsqueda de cavidades solo te darán información en la dirección del perfil.
De ser posible, guíate primero de un consultor, antes de contratar a una empresa que te ofrezca servicios geofísicos y que te quiera vender un método que posiblemente no te dará los resultados óptimos. Otra opción es que alquiles el equipo del método que te indique un consultor y que el mismo pueda realizar el estudio y procesamiento de la información.

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