Sesión 5

(sesión 5)

Prospección Electromagnética

Este campo se propaga tanto por encima como por debajo de la superficie del suelo. Cuando el subsuelo es homogéneo no hay diferencia entre el campo que se propaga fuera o dentro de él, salvo una ligera reducción en amplitud de este último respecto del primero.

El principio de estos métodos se basa en el hecho que una bobina Transmisora por la que circula corriente alterna produce un campo electromagnético variable llamado Primario…

RESUMEN

Recordemos que las líneas de campo producidas por una bobina por la que circula una corriente alterna son similares a las de un imán colocado perpendicular al plano de la bobina, y que las líneas de fuerza producidas por un cable con corriente forman círculos concéntricos en planos perpendiculares al cable.

Si hay un material conductor en el subsuelo, el campo primario le induce una corriente alterna, la cual genera un nuevo campo electromagnético que llamamos Secundario, que difiere del primario en amplitud y fase, y detectado por otra bobina llamada Receptora, que recibe la resultante de ambos campos (Primario y Secundario) sin identificarlos a cada uno por separado. Es el mismo principio de los transformadores de corriente.

Las corrientes inducidas en el conductor tienen una dirección tal que el campo secundario que generan adopta un sentido opuesto al primario, según la Ley de Lenz.

La intensidad de estas corrientes dependerá fundamentalmente de la resistividad del conductor y de la frecuencia del campo primario, es decir, su intensidad será mayor cuanto menor sea la resistividad y cuanto más alta sea la frecuencia.

En cualquier caso, los campos primario y secundario dan un campo resultante que se mide con un receptor, que consiste en una bobina conectada a un amplificador electrónico sensible.

Sin embargo en algunas prospecciones se registra con frecuencias de hasta unos 50 KHz (ya dentro del rango de baja frecuencia o LF). Incluso hay algunas variantes específicas que recurren a altas (HF), muy altas (VHF) o ultra altas frecuencias (UHF).

La frecuencia de la corriente alterna primaria se selecciona de tal manera que el campo electromagnético inducido por la presencia de las corrientes de remolino en el suelo sea insignificante cuando el subsuelo tenga una conductividad normal. Esto lleva a un límite superior cercano a los 5.000 hertz o hercios (ciclos por segundo) para la frecuencia de operación, dentro del rango de VLF (Very Low Frequency), lo que implica una longitud de onda del orden de unos 60 km.

Como el oído es más sensible a un sonido mínimo que a uno máximo, se gira la bobina hasta que se anula el sonido. El plano de la bobina estará en la dirección del campo. Algunos equipos de EM tienen además un potenciómetro (compensador de amplitud y fase) para comparar las señales del campo primario y secundario. Las fuentes de energía son alternadores en motores o en pequeños osciladores en baterías.

Para la detección del campo en la bobina receptora se amplifica primero el voltaje alterno inducido y se lo conecta luego a unos auriculares. Como la amplitud de este voltaje es proporcional a la componente del campo perpendicular al plano de la bobina, la intensidad de la señal en los auriculares será máxima cuando el plano de la bobina esté a 90° de la dirección del campo, o será nula cuando dicho plano sea paralelo a la dirección del campo primario siempre que no haya un cuerpo conductor en el subsuelo.

La disposición de las bobinas transmisora y receptora es generalmente horizontal (coplanar) o vertical (coaxial) y define dos grupos: Emisor Fijo: Donde el emisor permanece inmóvil y el receptor se desplaza, conocidos como de Inclinación de Campo y el Sundberg o Del CompensadorEmisor y Receptor Móvil: Utilizan bobinas portátiles, donde la transmisora y receptora se desplazan con separación constante como el Turam, el Slingram, VLF y GPR o Radar.

Modalidad de disposición de las bobinas

En la siguiente figura el campo primario es generado por un cable lineal o un bucle rectangular aislado, de varios cientos de metros, y alimentado por una corriente alterna de baja frecuencia (unos 500 ciclos/seg).

Las aplicaciones de estos métodos son:

• Estratigrafía del terreno atendiendo a sus propiedades eléctricas
• Detección de depósitos enterrados de residuos urbanos e industriales
• Definición de zonas de intrusión marina
• Determinación de niveles freáticos
• Identificación de acuíferos contaminadoS
• Estudios de suelos y sus características hidrológicas.

El equipo es completamente portátil y sólo se necesita un operador para su funcionamiento. Consta de una pequeña consola alimentada por pilas, con dos largas barras a sus extremos, las cuales incluyen las bobinas o antenas, emisora y receptora.

Este método (Tva-ram en sueco significa dos cuadros). Consta de dos bobinas exploradoras idénticas a separación constante de 10 ó 20 metros, que se utilizan para medir la relación entre las amplitudes y las diferencias de fase de los campos electromagnéticos captados por las bobinas. Generalmente se las mantiene en posición horizontal para comparar las componentes verticales.

Método de Turam

Funciona muy bien para cuerpos a poca profundidad, la que puede ser regulada variando la separación de las bobinas, ya que cuanto mayor sea ésta mayor es la penetración. Las mediciones son más completas y mucho más exactas por el equipo utilizado.

En el avance de la medición por el perfil, la bobina de atrás ocupa el lugar de la bobina de adelante en la medición anterior.

Sobre un cuerpo conductor, las relaciones medidas alcanzan un máximo, esto implica que la diferencia de fase sea expresada como un adelanto del campo en la bobina delantera respecto de la trasera. Si no hay conductor, la diferencia será cero. El campo secundario es diferente en cada bobina R y se mide la relación o gradiente entre ambas, que obviamente cambia más de lo esperado cuando hay un cuerpo conductor.

Es un método de calicateo EM que mide el gradiente del campo alterno. El dispositivo consiste en:

• Un emisor o fuente

• Un receptor que está compuesto por dos bobinas de inducción llevadas a una separación constante (20 a 40 m) y conectadas a un compensador que mide la diferencia de fases y la relación de amplitudes entre los campos resultantes recibidos por las dos bobinas.

Los compensadores pueden calibrarse para medir la amplitud y fase del campo en el receptor, tal como ocurre en el método de Turam, o bien, alternativamente, cuantificar los valores de las componentes real e imaginaria del campo resultante.

Pero, ¿qué es 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.

Al llegar al conductor, la razón de amplitudes alcanza un valor máximo mientras que la diferencia de fases da un máximo negativo.

Dichas componentes también pueden medirse sobre el campo secundario, ya que éste puede ser deducido inmediatamente a partir del conocimiento de los campos primario y resultante. La intensidad del campo primario depende del tamaño y forma del transmisor y de la ubicación del punto de observación.

El método de Turam es sumamente efectivo en yacimientos superficiales, vetiformes y de alto buzamiento, como el ejemplo de la figura adjunta. Las calicatas deben ser ortogonales a los rumbos geológicos. La profundidad de exploración se puede controlar en cierta medida mediante la variación de la distancia entre bobinas, así como mediante la alteración de las frecuencias empleadas.

La máxima señal de amplitud medida implica que se está en presencia de un cuerpo conductor. La interpretación cuantitativa en términos de profundidad y tamaño del cuerpo, puede hacerse con la ayuda de curvas tipo que son suministradas por el constructor del equipo. En la siguiente figura vemos claramente la respuesta del equipo.

Es tal vez el más popular de los de emisor y receptor móviles, ya que tanto la fuente generadora del campo primario (bobina transmisora) como la bobina receptora se mueven juntas a separación constante.

Método Slingram

El campo generado se llama campo normal o primario. Éste habrá de inducir corrientes eléctricas alternas en cualquier conductor que encuentre en su camino de propagación: son las corrientes de remolino (Eddy currents) o de Foucault. La intensidad de estas corrientes dependerá fundamentalmente de la resistividad del conductor y de la frecuencia del campo primario, es decir, su intensidad será mayor cuanto menor sea la resistividad y cuanto más alta sea la frecuencia.

El campo secundario es generalmente medido como un porcentaje del primario. Alternativamente, algunos instrumentos son calibrados para leer la conductividad aparente. Si el cuerpo es una hoja vertical delgada, como un filón metálico, no habrá señal cuando T esté sobre el cuerpo, porque el campo magnético primario no atraviesa el cuerpo y no hay flujo en la bobina R.

La señal tendrá un máximo cuando el cuerpo esté en el punto medio entre T y R. El máximo es negativo porque en todo momento el primario y el secundario tienen direcciones opuestas. Si la lámina está inclinada, el perfil será asimétrico.

Cuando R está sobre el cuerpo tampoco hay señal porque el campo secundario en R es horizontal y por lo tanto no corta la R que también es horizontal.

Para localizar cuerpos más profundos deben separarse más las bobinas, aumentar la corriente y reducir la frecuencia. Las bobinas pueden ir montadas en los extremos de las alas de un avión o colgadas en un “pájaro” debajo de un helicóptero. Esto tiene varias ventajas, como la velocidad y el bajo costo en función del área. La disminución de la señal debido a las mayores distancias puede compensar usando grandes bobinas y corrientes.

Existen tres técnicas de PEM establecidas a partir de la relación de movimiento entre las bobinas transmisora y receptora, las cuales son:

• Transmisor fijo y receptor móvil (Turam)

• Transmisor móvil y receptor fijo (Turam)

• Transmisor móvil y receptor móvil con distancia fija entre ellos (Slingram)

Para concluir

Representación esquemática del método Slingram; s es la distancia entre las espiras, Hs campo secundario y Hp campo primario.

El método Slingram es un sistema que trabaja con un transmisor (Tx) y un receptor (Rx) móviles con una distancia de separación fija

Estas técnicas tienen diversos nombres como método Turam y Slingram, que corresponden a métodos electromagnéticos de fuente controlada (FDEM); sin embargo, el método Slingram, es el más utilizado debido a su fácil manejo, ya que no requiere de tendido de cables, por lo que su productividad y sencillez de mediciones les brinda una gran ventaja sobre otras técnicas.

La aplicación de este método provee simultáneamente dos tipos de información de la subsuperficie:

• La conductividad aparente (o su inverso la resistividad aparente)

• La susceptibilidad aparente

De la integración de esta información, es posible deducir sobre los parámetros de la fuente, objetos metálicos o zonas de contraste de conductividad y/o susceptibilidad con el entorno.

Los métodos electromagnéticos de fuente controlada en el dominio de la frecuencia, al igual que el resto de los métodos electromagnéticos, tienen como objetivo básico medir la conductividad eléctrica del terreno, y en algunos casos las propiedades electromagnéticas, como la susceptibilidad magnética in situ.

La forma general de operación del método se describe en los siguientes pasos: 1) A través de una bobina por la que circula una corriente alterna sinusoidal, se genera un campo electromagnético primario 𝐻𝑝 que se propaga en la superficie como en el interior del terreno. Este campo está formado por una componente magnética y una eléctrica. 2) En presencia de un cuerpo conductor, la componente magnética del campo primario induce corrientes aleatorias, que a su vez genera un campo magnético secundario 𝐻𝑠.

3) Este campo secundario, junto con el campo primario que circula por la superficie del terreno, serán detectados por la bobina receptora, dando lugar a un campo resultante, que variará tanto en fase como en amplitud con respecto al campo primario, aspecto que proporciona información acerca del tamaño y conductividad eléctrica del elemento conductor.

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1 gráfica por cada uno a mano Justifica tu diagrama

1. Con la siguiente información elabora un dibujo como ls ejemplos vistos en la clase del comportamiento de las líneas que representan el campo primario y secundario, es decir

TAREA 6.