ART. RUDNIK.qxd
14/09/2005
17:02
PÆgina 1
GEORADAR
Técnicas geofísicas de reconocimiento del subsuelo: Georadar y tomografía eléctrica. Casos prácticos. Jordá Bordehore, L. Ingeniero de Minas RUDNIK INGENIEROS CONSULTORES.
El presente trabajo trata dos técnicas geofísicas de reconocimiento del subsuelo: el georadar (ground penetrating radar, GPR) y la tomografía eléctrica . Son dos técnicas que difieren bastante en cuanto a su concepción y puesta en servicio: las representaciones obtenidas y el tratamiento de los datos también. A partir de los resultados brutos de campo es necesario un tratamiento de los datos y posterior interpretación por personal cualificado. 34 agosto 2005
El georadar es muy empleado en la investigación somera del subsuelo urbano (con las llamadas antenas blindadas), siendo la técnica por excelencia para la localización y cartografía de servicios urbanos enterrados. La tomografía eléctrica (dentro de las técnicas de resistividad) es muy empleada para la correlación litológica, detección de fallas y acuíferos. Para la auscultación de cavidades, la tomografía eléctrica se presenta como una herramienta muy eficaz aunque con limitaciones que han de ser estudiadas antes de diseñar la campaña . Por otro lado, el georadar esta condicionado por el tipo de antena que empleemos; la profundidad de investigación depende de la frecuencia de la antena y de la resistividad y permitividad eléctrica del medio. Los terrenos arcillosos y margas son atenuadores de la señal, mientras que en medios calizos la profundidad de investigación con una antena de 400 Mhz permite llegar hasta los 10 metros con una nítida señal.
ART. RUDNIK.qxd
14/09/2005
17:02
PÆgina 2
GEORADAR
Figura 1: equipo de georadar con antena emisora-receptora (que se ubica en la parte del carrito en contacto con el suelo), unidad de adquisición y ordenador. Es un equipo de ultima generación capaz de tomar e interpretar los datos en la propia obra y rápido de poner en funcionamiento una vez llegados a la zona de estudio. En el presente estudio se ha empleado una antena que hace funciones de emisor y receptor con una frecuencia de 400 Mhz. Este tipo de equipo es muy adecuado para prospecciones de gran precisión en el rango de los primeros 5 metros del terreno .
Prospección mediante georadar La prospección geofísica por radar se engloba dentro de los métodos electromagnéticos de alta frecuencia. Los reconocimientos mediante georadar se basan en el estudio de la propagación de ondas electromagnéticas en el subsuelo en un dominio de frecuencias que varían entre unas decenas de Mhz hasta algunos Ghz. Son ondas emitidas como impulsos temporales de muy corta duración, desde una antena emisora (Tx) que se desplaza por la superficie del terreno. Cuando estas ondas se encuentran con un contraste dieléctrico, se reflejan hacia la superficie (Ley de Snell - Descartes) donde sus características son medidas por una antena receptora (Rx).
La propagación de las ondas a través del terreno esta regida por las ecuaciones de Maxwell y dependen en gran medida de las características del medio en el que se propagan, así como de las propiedades dieléctricas y espaciales de las heterogeneidades que "van encontrando" las ondas.
Medidas y tratamiento de la señal del georadar Se miden las variaciones de amplitud del campo eléctrico producido por las reflexiones y difracciones sobre los contrastes dieléctricos del medio en función del tiempo. Los modernos equipos permiten la toma de grandes volúmenes de datos sin que existan excesivos problemas
35 agosto 2005
ART. RUDNIK.qxd
14/09/2005
17:02
PÆgina 3
GEORADAR
Figura 2: Radargrama bruto en terrenos calcáreos. Torrelaguna, Madrid.
Figura 3. En la imagen se aprecia la continuidad de los reflectores y el buzamiento de las capas. El perfil se realizó perpendicular a la dirección de estratificación.
Figura 4: En la imagen superior se aprecia una estratificación cruzada y una señal de extraordinaria calidad hasta los 3,50 metros de profundidad en arenas (antena de 200 Mhz). Perfil realizado en Arabia Saudí, cortesía de IDS (tratamiento de señal propio).
de muestreo y almacenamiento de estos, así como interpretaciones rápidas de los mismos.
36 agosto 2005
El primer resultado en la prospección, es el radargrama bruto (figura inferior) o corte en función del tiempo. El aspecto es muy similar a las representaciones obteni-
das en sísmica de reflexión. En abcisas, de derecha a izquierda se representa el espacio (x) recorrido, en ordenadas, el tiempo de llegada de las reflexiones y difracciones de la onda electromagnética. El siguiente paso consiste en filtrar e interpretar la señal, así como obtener un
ART. RUDNIK.qxd
14/09/2005
17:02
PÆgina 4
GEORADAR
Figura 5: Detección de la parte superior de un oleoducto. Arabia Saudí (Cortesía IDS)
Figura 7: resultados del georadar. A la derecha se muestran los filtros y algoritmos empleados en el tratamiento de la señal: desplazamiento de horizonte y = 0, filtrado del ruido, filtrado de banda pasante a 100 - 550 Mhz y ganancia. El radargrama corresponde a la imagen de la figura 7. Se detectan las capas superficiales, relleno de la zanja y tubería. Se ha preferido no filtrar la señal de los rebotes horizontales para no perder claridad en la parte somera de la imagen.
Figura 6: Para poner a punto el equipo se han llevado a cabo campañas donde el emplazamiento de los objetivos era conocido. En la imagen delimitación de una tubería conocida
37 agosto 2005
ART. RUDNIK.qxd
14/09/2005
17:02
PÆgina 5
GEORADAR
Figura 8: En la imagen se muestran las hipérbolas de difracción correspondientes a diversas tuberías así como reflectores estratigráficos horizontales. Probablemente el inferior, situado a 1.70 metros, corresponde al nivel freático.
Figura 9: La localización y cartografía de servicios urbanos es una aplicación mayúscula del georadar, aunque como se ha visto presenta otras muchas.
corte en función de la profundidad . El resultado es un radargrama interpretado y corte en profundidad. Bajo estas líneas se representa el tratamiento de la señal del radargrama bruto anterior. Para obtener una imagen más legible del radargrama se emplean algoritmos de tratamiento de señal. En concreto la "migración" tiene por objeto focalizar la energía de la señal entre trazas y convertir las hipérbolas (debidas a tuberías, cavidades, fallas, etc.) en puntos.
Detección de cavidades por georadar La signatura de una cavidad es un contraste de amplitud más o menos pronunciado sobre el radargrama . Ese contraste es particularmente fuerte para una cavidad vacía . La señal asociada a ese contraste presenta a menudo hipérbolas de difracción seguidas de interacciones con los bordes y techos. La señal es elevada 38 agosto 2005
para una cavidad inundada, con presencia de reflexiones múltiples y sin embargo está muy atenuada cuando las ondas atraviesan medio relleno de materiales conductivos como las arcillas .
Puesta a punto del equipo y calibrado de la señal El georadar presenta una elevada resolución en la detección de huecos y conductores en medio resistivo (> 100 ohm * m), en profundidades que dependen mucho de la conductividad de los terrenos encajantes. Se debe de tener especial atención pues el método no es recomendable para detección de cavidades en medio conductor o en presencia de una cobertera conductora, pues las ondas no se propagan por debajo de ella. Cuanto mayor es la frecuencia de la antena empleada mejor es la resolución pero la profundidad de penetración es menor. El compromiso entre ambos es difícil y por
ART. RUDNIK.qxd
14/09/2005
17:02
PÆgina 6
GEORADAR
Figura 10: En las imágenes superiores se muestran varias secciones en las que se ha detectado la presencia de armaduras en el hormigón. Nótese las hipérbolas de difracción asociadas a los redondos. La imagen superior es un "radargrama bruto", las dos inferiores son secciones filtradas, la inferior derecha corresponde a la adquisición superior.
ello se emplean al mismo tiempo varias antenas de diversos rangos de frecuencia.
Georadar en sondeo La testificación en sondeos mediante georadar se basa en los mismos principios que en la prospección superficial. En este caso se escanean los materiales circundantes del sondeo. Se emplean dos configuraciones básicas: modo reflexión, en el que el transmisor y receptor se encuentran en el mismo sondeo y modo tomografía, en el que transmisor y receptor se ubican en sondeos contiguos. Es una técnica que permite la "difícil misión" de detectar cavidades y fracturas que no intersecan el sondeo. Asimismo, realizando sondeos próximos a cimentaciones
podemos determinar el alcance de las mismas. Esta última aplicación es de crucial importancia en estudios geotécnicos de patologías, en las que se desconoce la cota de apoyo de la cimentación.
Tomografía eléctrica El método "eléctrico" cuadripolar consiste en introducir una corriente eléctrica continua en la superficie del terreno a través de dos electrodos de "corriente". Se mide el voltaje mediante otro par de electrodos. A partir del valor de la corriente inyectada y del voltaje medido se obtiene la "resistividad aparente" del subsuelo. Cada tipo de material presenta un rango de resistividad "real" más o menos característico. Las cavidades vacías (llenas de
39 agosto 2005
ART. RUDNIK.qxd
14/09/2005
17:02
PÆgina 7
GEORADAR
Figura 12: estimación de la longitud de un pilote, plaza Venezuela, Caracas, Venezuela (cortesía TRXconsulting)
Figura 13: Ejemplo de penetración de la corriente en el terreno con un dispositivo dipolo - dipolo.
40 agosto 2005
Figura 15: Perfil geoeléctrico obtenido mediante la técnica de inversión - tomografía. Se muestra un terreno calcáreo con grandes bloques fracturados (calizas del páramo, Torija) que descansan sobre margas (en azul, terrenos más conductivos)
ART. RUDNIK.qxd
14/09/2005
17:02
PÆgina 8
GEORADAR
Figura 14: colocación de una línea de electrodos: perfil geoeléctrico en la excavación de una zapata corrida de cimentación en Villanueva del Pardillo (Madrid), el objeto del estudio era detectar filtraciones de agua y posibles socavamientos
Figura 16: cavidad en yesos. Prospecciones geoeléctricas en la provincia de Cuenca. 41 agosto 2005
ART. RUDNIK.qxd
14/09/2005
17:03
PÆgina 9
GEORADAR
Figura 16: Sondeo para comprobación de los resultados de una campaña geofísica en un solar previo a la construcción e un pequeño edificio de 2 pisos con sótanos. Se detectaron cavidades artificiales para almacenamiento de vino y túneles.
aire) presentan una resistividad aparente que tiende al infinito: los terrenos saturados son altamente conductores y por tanto presentan baja resistividad, etcétera. El método eléctrico es una de las técnicas geofísicas más antiguas y ha ido evolucionando en función de las capacidades de los equipos de adquisición y procesado de datos.
perfil y se interpolan e interpretan los datos para hacer corte de resistividad del terreno. Si las condiciones son adecuadas es una herramienta muy potente para llevar a cabo correlaciones entre resistividad y tipo de material en terrenos ocultos.
Consideraciones finales Según la posición de los electrodos la corriente penetra más o menos en el terreno. En la práctica se extiende una línea de más de 24 electrodos que son seleccionados de cuatro en cuatro por el equipo de campo (resistivímetro). De esta manera se obtienen gran número de puntos de resistividades aparentes (Jordá, 2005). En tomografía eléctrica se mide la resistividad en numerosos puntos de un 42 agosto 2005
A modo de comparación podemos afirmar que ambas técnicas pueden emplearse a la vez en muchos estudios, el georadar perseguirá objetivos más someros y mayores resoluciones, mientras que la tomografía alcanzaría, con menor resolución, objetivos más profundos. En general el georadar es menos penetrativo en antenas de alta frecuencia pero puede alcanzar penetraciones de más de 30 metros con antenas de menor frecuencia, si bien en
ART. RUDNIK.qxd
14/09/2005
17:03
PÆgina 10
GEORADAR
zonas de calizas incluso una antena "media" llega hasta profundidades considerables. Aún así los ejemplos del presente trabajo son claramente aplicaciones muy someras de ambas técnicas, pero con una más que notable resolución. En muchas ocasiones la geofísica puede "fallar" debido a que se le exige como técnica resultados que sobrepasan sus capacidades. Es por ello siempre recomendable comprobar los resultados con técnicas de recuperación de testigo, calicatas o ensayos de penetración.
una sección absoluta de la litología pero aporta información crucial para la correlación de los ensayos. A modo de conclusión podemos mostrar una sección imaginaria en la cual la geofísica podría habernos ayudado a escoger los puntos más representativos del perfil. En función de la profundidad de los objetivos y de la litología escogeríamos una técnica u otra: tomografía electrica, sísmica, georadar, etc...
Bibliografía complementaria En muchos aspectos la geotecnia puede compararse a la medicina. Así existe un paralelismo entre geofísica de superficie, sondeos y geotecnia, con las radiografías (resonancias, etc,), cirugía y los diagnósticos médicos. Un médico puede requerir de la combinación de una auscultación (radiografía, resonancia magnética, etc..) con una técnica de reconocimiento visual (cámara) y cirugía para hacer un diagnóstico. En geotecnia, de la misma manera se requiere de la combinación de técnicas de escáner de grandes superficies (técnicas 2D, pseudo- 3D y 3D) con prospecciones puntuales. La geofísica debe de preceder a los sondeos y calicatas para ubicarlos más juiciosamente. La geofísica no representa
Arlandi, M. (2005): "Geofísica Aplicada a la obra civil. Método geoeléctrico y sísmica de refracción. Casos prácticos". XII Curso de Geotecnia Aplicada. Universidad de Jaén 2005, 64 pp. Cataldi, A. et al.: "método borehole radar" documento 8 pp. www.trx-consulting.com VV.AA. (2004): "Detection de cavités souterraines par méthodes géophysiques. Guide technique. Ed. Laboratoire Central des Ponts et Chaussés. Paris. 170 pp. JORDA, L, (2005): "Geofísica somera aplicada a informes geotécnicos de pequeña escala: detección de cavidades por tomografía eléctrica". INGEOPRES nº 139, pp 20 - 24 Referencia 120
43 agosto 2005
