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• Itzel Sarai Lázaro Cerino

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ÍNDICE INTRODUCCIÓN................................................................................................................ 2 2.1 ELECTRICIDAD TERRESTRE.....................................................................................3 2.1.1 Campo magnético terrestre...........................................................................3 2.1.2 Electricidad terrestre.................................................................................... 3 

2.1.2.1 Corrientes de la tierra....................................................................4



2.1.2.2 Carga en la superficie terrestre......................................................4

2.2 CAUSA DEL POTENCIAL ESPONTANEO Y USO DEL MÉTODO..............................7 2.2.1. Potencial electrocinético.............................................................................. 8 2.2.2. Causas del potencial espontaneo.................................................................9 2.2.3. Método del potencial espontaneo..................................................................9 2.3 FENÓMENO DE POLARIZACIÓN ELÉCTRICA EN EL TERRENO...........................10 2.4 INSTRUMENTAL USADO...........................................................................................12 2.4.1. Potencial electrocinético............................................................................12 2.4.2. Equipo requerido...................................................................................... 13 2.5 TRABAJO DE CAMPO...............................................................................................14 2.5.1. Estudio del potencial en terrenos no consolidados.........................................14 2.5.2. Estudio del potencial en medios fisurados....................................................14 2.5.3. Metodología de campo.............................................................................. 16 2.5.3.1.Tipos de configuraciones en la captura de los datos.................................16 2.5.3.2. Fenómenos que “contaminan” nuestras medidas de potencial...................18 2.5.4. Planificación de la campaña de reconocimiento............................................22 2.5.5. Procesado e interpretación de los datos.......................................................23 2.5.6. Ventajas y limitaciones del método..............................................................24

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INTRODUCCIÓN En las siguientes páginas se abordarán los temas de la unidad 2 “METODOLOGÍA DEL POTENCIAL ESPONTÁNEO”. Anteriormente vimos que el objetivo principal del potencial espontáneo se basa en medir entre dos puntos del terreno, cual es la diferencia de potencial eléctrica generada de forma natural en el subsuelo. El origen de estos campos eléctricos naturales (potenciales espontáneos) está asociado a diferentes fenómenos como por ejemplo a las variaciones de las propiedades del terreno (cambios de humedad, de su química, etc.), la presencia de cuerpos metálicos, actividad biológica de la materia orgánica, etc.. Y dentro de la industria petrolera el método del potencial espontáneo comúnmente llamado método del auto-potencial o método SP- es una medición pasiva tomada por los que llevan a cabo censos de pozos dentro de la industria para caracterizar las propiedades de las formaciones de rocas. Dentro de esta unidad veremos que es la electricidad terrestre, en que consiste y como esta puede hacerse visible por medio de los truenos y rayos. Otro de los temas abordados será la causa del potencial espontáneo y uso del método, así como los fenómenos de polarización eléctrica del terreno y algunos tipos de polarización como por ejemplo la polarización electrónica, polarización iónica o atómica, polarización por orientación etc. Otro tema a abordar será el del instrumental usado para medir el potencial espontáneo, que uno de los primordiales son los electrodos y el voltímetro. También se abordará el trabajo de campo, como se realizan las mediciones dentro del terreno y las interpretaciones cualitativas y cuantitativas. Cada uno de estos temas son importantes dentro del potencial espontáneo y nos ayudaran a conocer todo lo necesario de él, desde el instrumental que se utiliza para medirlo, de qué manera deben utilizarse cada uno de eso instrumentos, bajo qué condiciones deben realizarse nuestras mediciones, así como que factores pueden llegar a ocasionar alguna perturbación en la medición como por ejemplo el exceso de ruidos.

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2.1 ELECTRICIDAD TERRESTRE 2.1.1 Campo magnético terrestre. La Tierra posee un poderoso campo magnético, como si el planeta tuviera un enorme imán en su interior cuyo polo sur estuviera cerca del polo norte geográfico y viceversa. Aunque los polos magnéticos terrestres reciben el nombre de polo norte magnético (próximo al polo norte geográfico) y polo sur magnético (próximo al polo sur geográfico), su magnetismo real es el opuesto al que indican sus nombres. Las posiciones de los polos magnéticos no son Ilustración 1. El magnetismo de la Tierra es el de una dinámica, ya que su núcleo de constantes y muestran notables cambios de resultado hierro de la Tierra no es sólido. año en año. Cada 960 años, las variaciones en el campo magnético de la Tierra incluyen el cambio en la dirección del campo provocado por el desplazamiento de los polos. El campo magnético de la Tierra tiene tendencia a trasladarse hacia el Oeste a razón de 19 a 24 km por año.

2.1.2 Electricidad terrestre. Se conocen tres sistemas eléctricos generados en la Tierra y en la atmósfera por procesos geofísicos naturales. Uno de ellos está en la atmósfera, otro está dentro de la Tierra, fluyendo paralelo a la superficie y el tercero, que traslada carga eléctrica entre la atmósfera y la Tierra, fluye en vertical. La electricidad atmosférica es el resultado de la ionización de la atmósfera por la radiación solar y a partir del movimiento de nubes de iones. Estas nubes son desplazadas por mareas atmosféricas, que se producen por la atracción del Sol y la Luna sobre la atmósfera. Suben y bajan a diario, como ocurre en el mar. La ionosfera constituye una capa esférica casi perfectamente conductora. Las corrientes de la Tierra constituyen un sistema mundial de ocho circuitos cerrados de corriente eléctrica distribuidos de una forma bastante uniforme a 3

ambos lados del ecuador, además de una serie de circuitos más pequeños cerca de los polos. La superficie de la Tierra tiene carga eléctrica negativa. La carga negativa se consumiría con rapidez si no se repusiera de alguna forma. La ionización y, por consiguiente, la conductividad eléctrica de la atmósfera cercana a la superficie de la Tierra es baja, pero crece con rapidez al aumentar la altura. Entre los 40 y los 400 km por encima de la Tierra, la ionosfera constituye una capa esférica casi perfectamente conductora. La capa refleja las señales de radio de ciertas longitudes de onda, ya se originen en la Tierra o lleguen a la Tierra desde el espacio. La ionización de la atmósfera varía mucho, no sólo con la altura sino también con la hora del día y la latitud. 

2.1.2.1 Corrientes de la tierra

Las corrientes de la Tierra constituyen un sistema mundial de ocho circuitos cerrados de corriente eléctrica distribuidos de una forma bastante uniforme a ambos lados del ecuador, además de una serie de circuitos más pequeños cerca de los polos. La superficie de la Tierra tiene carga eléctrica negativa. La carga negativa se consumiría con rapidez si no se repusiera de alguna forma. El núcleo de la Tierra, que está compuesto por hierro fundido y níquel, puede conducir electricidad y es comparable con el armazón de un generador eléctrico gigantesco. Se considera que las corrientes de convección mueven el metal fundido en circuitos relacionados con el campo magnético de la Tierra y se ven reflejados en el sistema de las corrientes de la Tierra que producen. Se ha observado un flujo de electricidad positiva que se mueve hacia abajo desde la atmósfera hacia la Tierra. La causa es la carga negativa de la Tierra, que atrae iones positivos de la atmósfera. Al parecer, la carga negativa se traslada a la Tierra durante las tormentas y el flujo descendente de corriente positiva durante el buen tiempo se contrarresta con un flujo de regreso de la corriente positiva desde zonas de la Tierra con tormentas. 

2.1.2.2 Carga en la superficie terrestre

La superficie de la Tierra tiene carga eléctrica negativa. Aunque la conductividad del aire cerca de la Tierra es pequeña, el aire no es un aislante perfecto y la carga negativa se consumiría con rapidez si no se repusiera de alguna forma. Cuando se han realizado mediciones con buen tiempo, se ha observado que un flujo de electricidad positiva se mueve hacia abajo desde la atmósfera hacia la Tierra. La causa es la carga negativa de la Tierra, que atrae iones positivos de la atmósfera. 4

La electricidad en la Tierra puede manifestarse de diversas formas que nos pueden parecer muy comunes ya que las vemos regularmente, pero, nos hemos preguntado, ¿cómo se producen? Para resolver esa cuestión mencionaremos ejemplos de estas manifestaciones:  Tormentas eléctricas ¿Cuándo se forma una tormenta eléctrica? La tormenta eléctrica tiene lugar cuando el aire caliente se eleva a gran velocidad y se encuentra con aire frío a temperatura por debajo del punto de rocío, lo que libera el calor latente y produce la tormenta. Los rayos se generan cuando desde nubes altas se desprenden partículas heladas con destino a la superficie terrestre, liberando energía por la existencia de distintas cargas en las partículas. Cuando se produce una tormenta eléctrica, siempre se generan rayos, y también, en general, lluvias fuertes y ráfagas de vientos y hasta a veces granizo y tornados. Una tormenta eléctrica independiente se denomina una célula, que dura hasta una hora. Un grupo de células se denomina súper célula. Mientras que las células individuales mueren y se forman nuevas, una súper célula puede durar horas y generar una cierta cantidad de tornados. Son necesarios cuatro factores para que se forme una corriente eléctrica, éstos son: Elevación: para que las nubes se formen, el aire húmedo debe subir, enfriarse y condensarse. La elevación es el mecanismo que hace que el aire suba, y existen muchas maneras para que esto suceda. Humedad: éste es un ingrediente esencial en todos los sistemas climáticos. El aire ascendente no formará nubes si es seco. Las nubes cumulonimbos están cargadas de humedad en forma de vapor de agua. Se forman a medida que el aire cálido se eleva y luego se enfría hasta llegar al punto de condensación. Aire inestable: el aire húmedo y ascendente no siempre genera tormentas eléctricas. El aire debe ser inestable. Si el aire es estable, el aire ascendente se enfría más que el aire a su alrededor y vuelve a descender, y se evita así la tormenta eléctrica. Las masas de aire inestable ascienden y se enfrían pero se mantienen más calientes que el aire a su alrededor y, por lo tanto, continúan elevándose. Estos cuatro ingredientes se combinan para formar una tormenta. Una corriente ascendente hace que se desarrollen nubes altísimas. Cuando comienza a caer lluvia, la corriente descendente desarrolla y forma ráfagas de viento cerca de la tierra. Finalmente, la corriente ascendente se rompe y la tormenta se termina. La 5

fuerza de la corriente ascendente y descendente determina la fuerza de la tormenta. Los rayos ocurren dentro de las nubes de tormenta así como también fuera de éstas, y no necesariamente impactan en la tierra.  ¿Por qué las nubes producen electricidad? En principio, se sabe que las partes superiores de las nubes de tormenta poseen carga positiva, mientras que en las partes centrales predominan las negativas. Algunas veces, un pequeño centro cargado positivamente aparece en la lluvia, en la parte inferior de la nube. La región de máxima intensidad de campo eléctrico se halla entre las dos zonas principales de distinta polaridad. Las teorías que intentan explicar la electrificación de las tormentas pueden dividirse en dos grupos, según que para su tesis requieran la presencia de cristalitos de hielo y precipitación o no. La mayor parte de los meteorólogos opinan que la primera clase de hipótesis es la correcta, puesto que las descargas no se observan, en general, hasta que las nubes no alcanzan un desarrollo bastante notable, con hielo en las capas superiores.

Ilustración 2 Electricidad en las nubes



Electricidad terrestre: rayos.

¿Cómo se forma un rayo? ¿Qué ocurre en el cielo durante una tormenta eléctrica? En una nube de tormenta las partículas de granizo, de cristales de hielo y gotas sobre enfriadas chocan entre sí por la acción de corrientes de aire, creando cargas eléctricas positivas y negativas. Estas mismas corrientes depositan las cargas negativas en la parte baja de la nube 6

que después son atraídas por las cargas de la superficie de la tierra, creando de esta manera un campo eléctrico. Cuando el nivel de energía está en su máximo, ocurre la descarga que puede llegar cerca de los 28 mil °C lo que equivale a 5 veces la temperatura del sol. Cuando los rayos de forman buscan siempre la vía más fácil hacia el suelo como son los árboles, las agujas de las iglesias y los objetos elevados puntiagudos generan cargas positivas que se elevan hacia la tormenta, estas guías positivas atraen y facilitan el contacto eléctrico con las nubes.

2.2 CAUSA DEL POTENCIAL ESPONTANEO Y USO DEL MÉTODO Origen del potencial espontaneo. Dentro del pozo se originan potenciales eléctricos espontáneos en las interfaces entre las rocas permeables e impermeables, así como en la interface de la entre la zona virgen y la zona lavada.

Ilustración 3. Esquema de potencial espontaneo.

2.2.1. Potencial electrocinético. El paso de una solución de resistividad eléctrica ρ y viscosidad η a través de un medio capilar o poroso, puede generar un gradiente de potencial eléctrico a lo 7

largo de la trayectoria del flujo. Este potencial es lo que se conoce como Potencial electrocinético. Según Dakhnov, la génesis de este potencial se debe a la adsorción preferencial de iones de la misma polaridad (en general aniones) en la superficie de los granos, formando una capa fija. Como respuesta a este fenómeno, se produce un enriquecimiento por parte del fluido intersticial de iones de polaridad opuesta formando otra capa (en este caso móvil), de forma que en presencia de un gradiente hidráulico, el movimiento del agua intersticial y por tanto de la capa móvil, genera una carga neta de separación en la dirección del movimiento. Estas dos capas es lo que se conoce como la doble capa de Helmotz. Para un tubo capilar la amplitud del potencial electocinético V entre los dos extremos del conducto poroso, viene definido por la ecuación de Helmholtz, en donde ε es la constante dieléctrica, ρ la resistividad, η la viscosidad del electrolito, ∆P el incremento de presión en los extremos del capilar, y ζ es el potencial Zeta o potencial eléctrico de la doble capa de Helmholtz. Al cociente V/∆P se le denomina “electrokinetic coupling coeficient”.

V=

ζερ ∆P 4 πη

Sin embargo, el uso de esta ecuación en problemas reales es poca práctica dado que: • En general la estimación de ζ en las rocas no es nada sencillo. • Se basa en el estudio de un tubo capilar y por tanto no tiene en cuenta la complejidad de un medio poroso, en donde la relación granulometríapermeabilidad del medio, la forma y tortuosidad de los poros, así como otros factores, tienen una gran importancia en el comportamiento del potencial. • Efectos secundarios (i.e. los observados en los minerales de las arcillas) pueden enmascarar los potenciales electrocinéticos puros, complicando por tanto la interpretación de los resultados (i.e. Lapagne). 2.2.2. Causas del potencial espontaneo. 1. 2.

Potencial de electro filtración: por el lodo en un medio poroso. Potencial de membrana: en caso de arcillas o margas. 8

3. Potencial de difusión: debido a la existencia de diferentes concentraciones de electrolito en el terreno. 4. Potencial electroquímico: la existencia de menas metálicas en el subsuelo. 2.2.3. Método del potencial espontaneo. El método del Potencial espontáneo se basa en medir entre dos puntos del terreno, cual es la diferencia de potencial eléctrica generada de forma natural en el subsuelo. El origen de estos campos eléctricos naturales (potenciales espontáneos) está asociado a diferentes fenómenos como por ejemplo a las variaciones de las propiedades del terreno (cambios de humedad, de su química, etc.), la presencia de cuerpos metálicos, actividad biológica de la materia orgánica, etc.. Sin embargo de todo el conjunto de potenciales espontáneos, el que nos interesa es el denominado Potencial electrocinético (Electrokinetic potential o Streaming potential) dado que su génesis está ligada al paso de un fluido a través de un medio poroso. Por consiguiente, el objetivo de este método se reduce simplemente a detectar en nuestro registro de campo, las variaciones espaciales del potencial electrocinético.

Registro de potencial espontaneo Muestra la diferencia entre el potencial eléctrico de un electrodo móvil en el pozo y el potencial eléctrico de un electrodo fijo en la superficie. Es el producto de la combinación de 4 potenciales eléctricos.   

Electroquímico de membrana (Esh) Electroquímico de contacto (Ed) Electrocinético (Emc)

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

Electrocinético (Esb)

Factores que afectan el registro de SP     

El espesor de la capa. La arcillosidad de la formación. La resistividad de la formación. La profundidad de la invasión. Resistividad del lodo / Diámetro del pozo.

2.3 FENÓMENO DE POLARIZACIÓN ELÉCTRICA EN EL TERRENO

La polarizac el c

Ilustración 5. Polarización eléctrica.

Ilustración 4. Registros del potencial espontaneo.

ión eléctrica (también llamada densidad de polarización o simplemente polarización) es ampo vectorial que expresa la densidad de los momentos eléctricos dipolares permanentes o inducidos en un material dieléctrico. El vector de polarización P se define como el momento dipolar por unidad de volumen. La unidad de medida en el SI es coulomb por metro cuadrado.

La polarización eléctrica es uno de los tres campos eléctricos macroscópicos que describen el comportamiento de los materiales. Los otros dos son el campo eléctrico E y el desplazamiento eléctrico D.

¿Qué es un dipolo? Es un sistema de dos cargas de signo opuesto e igual magnitud cercana entre sí. Los dipolos aparecen en cuerpos aislantes dieléctricos. A diferencia de lo que ocurre en los materiales conductores, en los aislantes los electrones no son libres. Al aplicar un campo eléctrico a un dieléctrico aislante éste se polariza dando lugar a que los dipolos eléctricos se reorienten en la dirección del campo disminuyendo la intensidad de éste. 10

Ilustración 6. Dipolo.

Momento eléctrico dipolar. Surge de la existencia de dos partículas cargadas, +q y –q, localizadas en dos puntos distintos del espacio, y que se define matemáticamente como el producto de la carga (por convención negativa) por la distancia que las separa. µ=qr

Por tanto, µ es una magnitud dirigida, es decir, es una cantidad vectorial que se suele representar gráficamente por una flecha con origen en la carga negativa. Para cada sistema en particular se debe distinguir entre el momento dipolar instantáneo, el cual puede tomar cualquier valor entre las soluciones propias dependientes del tiempo, y el momento dipolar promedio, el cual en caso de átomos, moléculas diatómicas homonucleares o poliatómicas con distribución espacial simétrica, su valor es cero. Generalmente, cuando se habla del término µ se entiende que se trata del valor promedio.

Ilustración 7. Momento dipolar.

Además, existe el momento dipolar inducido, el cual es resultado de aplicar un campo eléctrico uniforme, lo que tiene como consecuencia la polarización de la carga dentro del sistema.

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2.4 INSTRUMENTAL USADO 2.4.1. Potencial electrocinético. El paso de una solución de resistividad eléctrica ρ y viscosidad η a través de un medio capilar o poroso, puede generar un gradiente de potencial eléctrico a lo largo de la trayectoria del flujo. Este potencial es lo que se conoce como Potencial electrocinético. Según Dakhnov , la génesis de este potencial se debe a la adsorción preferencial de iones de la misma polaridad (en general aniones) en la superficie de los granos, formando una capa fija. Como respuesta a este fenómeno, se produce un enriquecimiento por parte del fluido intersticial de iones de polaridad opuesta formando otra capa (en este caso móvil), de forma que en presencia de un gradiente hidráulico, el movimiento del agua intersticial y por tanto de la capa móvil, genera una carga neta de separación en la dirección del movimiento. Estas dos capas es lo que se conoce como la doble capa de Helmotz. Para un tubo capilar la amplitud del potencial electocinético V entre los dos extremos del conducto poroso, viene definido por la ecuación de Helmholtz , en donde ε es la constante dieléctrica, ρ la resistividad, η la viscosidad del electrolito, ∆P el incremento de presión en los extremos del capilar, y ζ es el potencial Zeta o potencial eléctrico de la doble capa de Helmholtz. Al cociente P/V ∆ se le denomina “electrokinetic coupling coeficient”. 12

V = (ζερ/4πη) ∆P Sin embargo, el uso de esta ecuación en problemas reales es poco práctica dado que: • •

En general la estimación de ζ en las rocas no es nada sencillo. Se basa en el estudio de un tubo capilar y por tanto no tiene en cuenta la complejidad de un medio poroso, en donde la relación granolumetríapermeabilidad del medio, la forma y tortuosidad de los poros, así como otros factores, tienen una gran importancia en el comportamiento del potencial. • Efectos secundarios (i.e. los observados en los minerales de las arcillas) pueden enmascarar los potenciales electrocinéticos puros, complicando por tanto la interpretación de los resultados (i.e. Lapagne). • Por todo ello, los investigadores centraron sus esfuerzos en determinar y evaluar la influencia de distintos factores en el comportamiento del potencial electrocinético, tanto en terrenos no consolidados (arcillas, limos y arenas) como en medios fisurados. 2.4.2. Equipo requerido. Independientemente de la configuración de medida empleada, el equipo básico requerido es bastante sencillo y consta de: • • • •

unos electrodos cable eléctrico un carrete para recoger el cable un milivoltímetro con el que medir el potencial

En el caso de utilizar la configuración multielectródica se precisa un sistema multicanal de adquisición de datos, y que el cable eléctrico sea multiconductor. Por otro lado, y dado que en general tendremos la presencia de cierto nivel de “ruido” en nuestra señal de campo, es prácticamente habitual el uso de un monitor telúrico con el que medir las variaciones temporales del potencial espontáneo, y evitar de esta forma confundirlas con las variaciones espaciales de potencial electrocinético. En cuanto al tipo de electrodos a utilizar, si bien durante muchos años se han estado empleando electrodos metálicos, diversos estudios (Corwin and Butler [17]) revelaron la conveniencia de utilizar electrodos no polarizables, ya a que este tipo de electrodos reduce los fenómenos de polarización y de deriva.

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De electrodos no polarizables existen de diversos tipos siendo los de Cu −CuSO4 los más utilizados. Estos electrodos están formados por una barra de metal inmersa en una solución saturada de sal de su propio metal, y todo ello dentro de un tubo de porcelana porosa que permite poner en contacto la solución con el terreno (Ives and Janz. En la figura 12 se muestra un esquema básico.

Ilustración 8 Esquema de un electrodo no polarizable de Cu −CuSO4 , 2.5 TRABAJO DE CAMPO ( Reynold ).

2.5.1. Estudio del potencial en terrenos no consolidados. En este ámbito destaca el trabajo de Ogilvy. En este estudio se realiza un profundo análisis de la influencia que tienen sobre el valor del potencial, factores como el gradiente hidráulico, el tamaño de grano, la permeabilidad, así como la concentración de sal en un fluido. Utilizando arenas de cuarzo limpias y bajo la hipótesis de régimen laminar, en donde la ley de Darcy tiene validez, las principales conclusiones que se derivaron de este estudio fueron: • A medida que aumentamos el gradiente de presión del fluido, la amplitud del potencial también incrementa su valor, pero siempre en valores negativos. • Dado un gradiente hidráulico, las mayores amplitudes del potencial electrocinético se obtienen para terrenos de permeabilidad entre 60-70 Darcy (corresponden a arenas de tamaño de grano medio). • Fijado un gradiente hidráulico y una permeabilidad, un aumento de la concentración de sal del fluido conlleva una disminución significativa del valor del potencial, llegándose incluso a valores casi imperceptibles. Este 14

aspecto limitará el uso del método del Potencial espontáneo en problemas en donde el aguas presente elevada salinidad. 2.5.2. Estudio del potencial en medios fisurados. A diferencia de los terrenos no consolidados, el estudio del potencial en medios fisurados no ha sido tan amplio. En este sentido destaca el trabajo de Bogolosvsky, en el que intenta establecer la relación existente entre el potencial y algunos de los parámetros que definen un material fisurado: la apertura de las fisuras, la existencia o no de relleno, y la proporción de finos y arenas presentes en el relleno. También bajo la hipótesis de régimen laminar, las conclusiones más importantes que se derivaron de los ensayos fueron las siguientes: • Para distintas aperturas de fisuras sin relleno, se observó que cuanto menor sea la apertura mayor será la magnitud del potencial electrocinético (en valores negativos). También se apreció que el orden de magnitud de los valores de potencial obtenidos, eran muy pequeños en comparación con los observados para materiales no consolidados. • Dada una apertura de fisura de 3mm y diferentes cantidades de relleno arenoso, se observó que: 1. No existe una relación de proporcionalidad entre el potencial y la cantidad de relleno, es decir dado un gradiente hidráulico, más cantidad de relleno arenoso no implica valores de potencial más grande. Los valores máximos de potencial se obtuvieron para un relleno aproximado del 40%. 2. El orden de magnitud de los valores obtenidos son mucho más grande que los obtenidos para fisuras sin relleno, pero sin llegar a los niveles medidos en terrenos no consolidados. 3. Por último, dada una apertura de fisura de 3mm y rellena al 100% con diferentes mezclas de arena y arcilla, se observó que fijado el gradiente hidráulico, a medida que aumenta la proporción de arcilla en el relleno, el valor del potencial electrocinético disminuye, si bien el orden de magnitud de éstos valores (siempre negativos) continúan siendo muy superiores a los observados para fisuras sin ningún tipo de relleno. En definitiva, la detección de focos de filtración en medios fisurados precisará de la existencia de fisuras de pequeña apertura y con cierto relleno (preferentemente arenoso), de forma que la magnitud del potencial generado por el flujo de agua, sea lo suficientemente significativo como para ser medido. En caso contrario la localización de áreas de filtración es prácticamente imposible. 15

A estas limitaciones, al igual que pasaba en terrenos no consolidados, hemos de sumarle la influencia de la concentración de sal en el fluido en donde recordemos, un incremento de la salinidad del agua conlleva una disminución de la magnitud del potencial. Destacar que estos ensayos se engloban bajo la hipótesis de régimen laminar, de forma que en el caso de tener un flujo en régimen turbulento (muy factible en medios fisurados o Karst) el comportamiento descrito deja de tener validez. 2.5.3. Metodología de campo. 2.5.3.1.Tipos de configuraciones en la captura de los datos. A la hora de realizar las medidas de campo, que al igual que en Tomografía eléctrica se disponen en forma de perfiles, podemos optar por diferentes procedimientos. Si bien todos ellos se han utilizado con éxito en diferentes trabajos, la susceptibilidad a errores sistemáticos hacen que ciertos dispositivos sean más idóneos que otros.

Configuración del gradiente. Esta técnica solo precisa 2 electrodos, y se basa en medir mediante el milivoltímetro, cual es la diferencia de potencial entre los dos electrodos, siendo la distancia entre ambos invariable. Para ello, en primer lugar definiremos quien es el electrodo A y B y los uniremos a la terminal positiva y negativa del milivoltímetro respectivamente. Realizada la primera medida, ahora sin cambiar la polaridad del dispositivo así como la distancia electródica, procederemos a tomar el resto de medidas a lo largo del perfil, de forma que el electrodo A ocupe siempre la posición que ocupaba el B en la anterior medida. Si la distancia fija entre los dos electrodos es relativamente pequeña en comparación con la longitud de onda de la anomalía, este procedimiento representa esencialmente el gradiente del potencial espontáneo en la dirección del perfil de reconocimiento (Parasnis [20]). Para obtener la variación espacial del valor total del potencial, basta con ir sumando cada uno de estos gradientes. Ventajas

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• La utilización de poca longitud de cable eléctrico, aspecto que supone que se minimize su exposición a las mordeduras de los animales y a los actos de vandalismo. • La rapidez con la que puede ser movido el dispositivo para evitar incidentes con los posibles vehículos que puedan aparecer en la zona. • En caso de observar problemas con el cable eléctrico, es más fácil de encontrar el lugar donde tenemos el fallo eléctrico. Desventajas • La gran desventaja de esta configuración reside en el tema de la calidad de los datos obtenidos. Esto se debe a que el propio proceso de adquisición de datos lleva asociado unos “errores” (polarización, deriva y efecto contactosuelo), que si bien pueden ser mínimos para cada medida puntual, a la hora de sumar los gradientes a fin de obtener el potencial total, la magnitud de estos errores se puede magnificar significativamente. Es justamente este aspecto de la acumulación del error, el que determina que la configuración de reconocimiento más habitual sea el de base fija, dejando la del gradiente para aquellas situaciones en las que debido a la orografía del terreno, o a la gran vulnerabilidad del cable eléctrico a sufrir daños, haga inviable el empleo del método de base fija.

Configuración de base fija (o campo total). Este dispositivo, en el que solo se precisan también 2 electrodos, se basa en colocar estaciones fijas de medida a lo largo del perfil que previamente hayamos definido. En el momento de realizar las medidas iremos a una de estas estaciones, colocaremos un electrodo (será el B) y mediremos el potencial con respecto al electrodo A, que estará situado siempre en una misma base (denominada base de referencia), en la que supondremos de forma arbitraria potencial cero. La correcta ubicación de esta base de referencia será fundamental a la hora de obtener unos resultados óptimos, siendo las zonas idóneas para su emplazamiento aquellas que presenten un valor del potencial muy estable en el tiempo. Ventajas • La principal ventaja es que ahora no tendremos problemas de acumulación del error, ya que cada lectura si bien está sujeta a las tres componentes del

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error anteriormente mencionadas, ya corresponde al valor total del potencial. • La flexibilidad a la hora de colocar las bases, dado que podemos optar por densificar su número en aquellas zonas de especial interés. Desventajas Dado que las distancias entre las estaciones de medida y la base de referencia pueden llegar a ser incluso de algún kilómetro, esto conlleva: • Un aumento de la susceptibilidad del cable eléctrico a sufrir algún percance, ya sea fortuito o por vandalismo. • Dificultad a la hora de encontrar la ubicación precisa del fallo. En definitiva, si bien el coste económico y de tiempo son más elevados en la configuración de base fija que en la configuración del gradiente, dado que la relación coste-calidad es muy baja, lo más aconsejable es utilizar esta configuración. Configuración multielectródica. Esta configuración es similar a la de base fija pero a diferencia de ésta, ahora no vamos de estación en estación conectando el electrodo B con el de referencia, y luego medimos, sino que ahora disponemos de un gran número de electrodos, los cuales ya están todos conectados a la base de referencia mediante un cable multiconductor. Mediante un sistema multicanal de adquisición de datos, iremos realizando de forma automática toda la secuencia de medidas, con el espaciado temporal que nosotros queramos. Ventajas • La gran ventaja de este dispositivo es la capacidad de realizar un gran número de medidas en un intervalo de tiempo concreto. Esto nos permitirá estimar con gran precisión la deriva de los electrodos, así como otras variaciones temporales del potencial (i.e. corrientes telúricas), y por tanto nos será mucho más fácil y preciso el filtrar estos potenciales de nuestro registro de campo. Desventajas • El elevado coste en comparación con las otras dos configuraciones. 2.5.3.2. Fenómenos que “contaminan” nuestras medidas de potencial.

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El método del Potencial espontáneo es un método pasivo, dado que simplemente medimos un potencial eléctrico que ya existe de forma natural en el terreno. Esta imposibilidad de poder modificar ningún parámetro de estudio (i.e. intensidad, frecuencia, etc.), y por tanto de intentar separar la señal de nuestro interés del resto, conllevará que el registro de campo obtenido se vea afectado por una gran variedad de potenciales espontáneos, que perturbarán y enmascararán el potencial de nuestro interés: el potencial electrocinético. Destacar que el orden de magnitud de éstos potenciales en muchas ocasiones son similares al del propio potencial electrocinético, que suele ser de algunas decenas de mV. En consecuencia nuestro primer objetivo será el reconocer cada uno de estos fenómenos perturbadores, para posteriormente poder filtrarlos de nuestro registro, y quedarnos simplemente con las variaciones espaciales del potencial electrocinético. Aunque comúnmente se denomina “ruido” a todas aquellas anomalías de potencial que no son de nuestro interés, basándonos en la nomenclatura usada por Corwin, estableceremos una clasificación de éstos. Así, Corwin distingue entre “error” y “ruido”. • “Error” serían todos aquellos errores irreproducibles asociados al propio proceso de adquisición de datos. • “Ruido” serían todos aquellos potenciales generados de forma natural (i.e. corrientes telúricas) o artificial (i.e. actividad humana), y cuya génesis no está ligada al movimiento del agua en el terreno. En el siguiente esquema se intenta resumir la mayoría de los fenómenos que perturban nuestra señal de campo.

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Ilustración 9 Resumen de diversos fenómenos que perturban nuestra señal de campo

Dentro de los “errores” tenemos: • Polarización y deriva La polarización se define como el potencial medido por un par de electrodos en ausencia de un campo eléctrico externo. Mientras que la deriva son las variaciones temporales del valor de la polarización. Ambos fenómenos responden a la variación de algunos parámetros medioambientales como son la temperatura, la humedad del suelo, así como la química del fluido intersticial. Cambios de humedad en el suelo en general provocan variaciones de algunos mV. Para su evaluación es aconsejable la construcción de probetas de terreno y analizar sus efectos (Morrison Corwin and Butler). 20

Las variaciones de temperatura entre los electrolitos del electrodo B con respecto al del A, pueden provocar de +0.5 a +1 mV. por cada Cº que aumente esta diferencia de temperatura. Los cambios de temperatura son los principales causantes de la deriva de los valores del potencial de polarización, llegándose incluso a alcanzar niveles de 10 a 20 mV. bajo condiciones severas (Corwin ). En cuanto a los cambios químicos, se pueden llegar a generar anomalías de potencial de algunas decenas de mV (Corwin ). • Efecto debido al contacto suelo-electrodo Si colocamos los electrodos en el terreno, medimos, los extraemos y volvemos a reintroducirlos para repetir la medición, se observa que generalmente las mediciones han cambiado. En muchos suelos compactos conductivos, estas variaciones son inferiores de 5 o 10 mV., sin embargo para suelos secos y resistivos estas variaciones pueden ser de decenas de mV. (Corwin ). Para intentar obtener unas lecturas más consistentes, podemos realizar pequeños agujeros en el terreno, a fin de llegar a una zona en donde las condiciones sean un poco más estables. En situaciones de suelo muy seco se puede proceder a verter agua para homogeneizar las condiciones de medida (Semenov). En este caso deberemos esperar algunas horas, dada la fuerte deriva en las mediciones producto de la filtración libre del agua (Corwin and Hoover ). En consecuencia solo es aconsejable verter agua en condiciones extremas. En lo que concierne al grupo de los “ruidos”, distinguimos entre los que generan un potencial espontáneo constante o variable en el tiempo. La detección y filtración de los “ruidos” transitorios pasa previamente por estimar su periodo de oscilación temporal. Estos periodos de oscilación pueden ir desde menos de un segundo a horas, días e incluso meses. Los de bajo periodo podrán ser detectados a través de propias medidas realizadas, sin embargo para los de periodo más grande se precisará de métodos alternativos (i.e. monitores telúricos), para detectarlos y filtrarlos. Del conjunto de “ruidos transitorios” destacamos: • Corrientes telúricas Son aquellos cambios de potencial debidos a las variaciones temporales del campo magnético terrestre. Las corrientes telúricas son de origen natural y sus variaciones temporales presentan unos periodos de oscilación comprendidos entre los milisegundos hasta horas (Kaufman and Keller). Ahora bien, el rango de periodos para los cuales solemos tener la máxima actividad telúrica es de 10-40 s. 21

(Corwin and Hoover ), con valores de amplitud del orden de algunos mV. por kilómetro, si bien en áreas de gran resistividad o en zonas en las que se produce una tormenta magnética, podemos tener anomalías de decenas e incluso de hasta centenas de mV. • Corrientes eléctricas debido a la actividad humana Las zonas industrializadas son fuente de grandes variaciones de potencial, en los que la amplitud de las anomalías puede ser de decenas a centenares de mV /Km (Corwin). En cuanto a los “ruidos estables” o con una variación temporal muy lenta, destacamos: • Efecto topográfico En bastantes casos el gradiente topográfico es fácil de reconocer. A modo de ejemplo tenemos la figura 14, extraída del trabajo de Ernston and Scherer, en el que los autores descomponen la señal de campo en tres componentes: efecto topográfico, residual SP (corresponde a las anomalías debido a la litología) y SP noise (corresponde a la actividad biológica).

2.5.4. Planificación de la campaña de reconocimiento.

Ilustración 10Descomposición de la señal de potencial espontáneo en tres componentes: efecto topográfico, efecto debido a la litología (residual SP) y efecto debido a la actividad biológica (noise SP)

Dada la cantidad de fenómenos que pueden perturbar nuestra señal de campo, en la planificación será fundamental el garantizar la correcta adquisición de los datos. En este sentido, la calidad de la información obtenida dependerá de: 1. La configuración de reconocimiento utilizada. 2. La selección del material adecuado así como de su mantenimiento. 3. La capacidad de reconocer posibles fuentes de error en nuestras lecturas de campo. 4. Las medidas adoptadas a fin de evitar incidentes (fortuitos o por vandalismo) con los equipos de medida. Además de estas cuestiones, otros aspectos que deberemos determinar en la planificación de la campaña de campo son: 22

1. Número, ubicación y longitud de los perfiles en el terreno. 2. Espaciado entre las estaciones de medida que conforman cada perfil. 3. Localización de la base de referencia (en el caso de usar configuración de base fija o multielectródica). 4. Periodicidad con la que se tomarán las medidas, a fin de intentar caracterizar y filtrar las variaciones temporales del potencial espontáneo La configuración más usual es la de base fija. Ello conlleva el determinar previamente la ubicación idónea de nuestra base de referencia, siendo el lugar más adecuado aquel en donde el valor del potencial espontáneo sea lo más estable posible (alejado de la zona afectado por el flujo subterráneo). Esta base puede estar situada a gran distancia de los puntos de medida. La disposición de las diferentes estaciones se disponen en perfiles (ver fig. 18) de forma análoga a lo visto en Tomografía eléctrica, siendo la separación entre ellas generalmente pequeña (de algunos metros), a fin de poder caracterizar correctamente incluso aquellas anomalías de longitud de onda pequeña.

2.5.5. Procesado e interpretación de los datos. Para cada perfil obtendremos una gráfica, en donde en el eje de abcisas colocaremos cada una de las estaciones de medida que conformen el perfil, mientras que en el eje de ordenadas ubicaremos cada uno de los valores del potencial espontáneo medido. Ahora, nuestro objetivo consiste en detectar y filtrar los diferentes “ruidos” y “errores” que puedan existir en nuestras medidas, a fin de quedarnos simplemente con las variaciones espaciales del potencial electrocinético. Su magnitud suele ser del orden de algunas decenas de mV. Este proceso puede ser muy complicado en zonas de elevado nivel de ruido (i.e. Cardona). Además de los perfiles, también es muy frecuente confeccionar mapas de isolíneas de potencial electrocinético, en los que a partir del aumento o disminución relativa del valor del potencial en el sentido del flujo, podremos caracterizar el problema de filtración en el subsuelo. A la hora de interpretar los resultados, la variación exacta del potencial espontáneo en zonas con presencia de flujos de agua, es una función compleja que depende de aspectos tales como la sección geoeléctrica, la intensidad del flujo, o la profundidad y geometría de éste (Wilt and Corwin). Sin embargo en la práctica, y como resultado de diversos estudios así como de la experiencia 23

acumulada en casos reales, se han observado ciertas tendencias en el comportamiento del potencial que se usan a modo de reglas en la interpretación. En el caso de analizar los resultados obtenidos a través de los perfiles, identificaremos como zonas susceptibles de presentar filtraciones, aquellas zonas en donde se produzcan anomalías negativas, es decir un descenso relativo del valor del potencial electrocinético.

Ilustración 11Anomalías del potencial espontáneo producto de un flujo de agua ( Butler).

2.5.6. Ventajas y limitaciones del método. Las principales ventajas de este método son: • Es un método muy económico y robusto, dada la sencillez de los aparatos. • Es un método que no es agresivo con el medio. En cuanto a las limitaciones que presenta este método tenemos: • Es un método que no nos permite estimar la profundidad del flujo. • No tenemos la capacidad de controlar la profundidad de investigación. • Dado que es un método pasivo (simplemente medimos el potencial espontáneo que ya existe de forma natural en el terreno), nuestra señal de campo en general se verá afectada por niveles significativos de ruido. En consecuencia la calidad del estudio dependerá en gran medida de la capacidad que tengamos de detectar y minimizar todos esos “ruidos” y “errores”, a fin de quedarnos simplemente con las variaciones del potencial electrocinético. 24

• Con objeto de solventar el problema anteriormente expuesto, se requiere que el responsable del proyecto tenga cierta experiencia. • El rango de aplicabilidad del método se ve restringido enormemente cuando trabajamos en medio fisurado, así como con fluidos de elevada salinidad. 1. Para medios fisurados, solo en los casos de tener fisuras de pequeña apertura y cierto relleno (preferentemente arenoso), la magnitud de la anomalía será lo suficientemente significativa como para ser detectado. 2. . En lo que concierne a la salinidad, en el caso de analizar filtraciones de agua con elevada concentración de sal, la detección será prácticamente imposible dado que la magnitud de la anomalía del potencial electrocinético será casi inapreciable.

CONCLUSIÓN En este método hace uso de pequeñas corrientes que son producidas naturalmente por debajo de la tierra, el potencial espontaneo mide la diferencia del potencial producida por las corrientes, entre dos puntos cualquiera del suelo. Pequeños potenciales son producidos por el flujo de líquidos electrolíticos a través de porosos materiales y por dos soluciones electrolíticas también el mayor potencial son producidos por conductores yacimientos mineralizados que están sumergidos en el agua. Las causas que originan el potencial espontaneo ya mencionados en el tema como por el lodo de un medio poroso, potencial de membrana, potencial de difusión y potencial químico, pero también hay otra fuente que lo origina como el potencial que fluye que representa del flujo de líquido cargado de minerales disueltos, el potencial espontaneo es un registro utilizado también como sondeo eléctrico vertical. Se conoce tres sistemas eléctricos generados naturalmente, uno está en la atmosfera, otro dentro de la tierra fluyendo paralelamente y el tercero que traslada 25

carga eléctrica entre la atmosfera y la tierra, la electricidad atmosférica es el resultado de la ionización de la atmosfera por la radiación solar y a partir de nubes de iones , la tierra posee campo magnético como si el planeta tuviera un gran imán, se ha observado un flujo de electricidad positiva que se mueve hacia abajo desde la atmosfera hacia la tierra la causa es la carga negativa de la tierra, que atrae iones positivos a la atmosfera, la carga negativa se traslada a la tierra por medio de tormentas. El fenómeno de polarización eléctrica de un material se clasifica en polarización electrónica, polarización iónica y polarización molecular, Polarización es el proceso por el cual en un conjunto se establecen características que determinan la aparición en él de dos o más zonas, los polos, que se consideran opuestas respecto a una cierta propiedad, quedando el conjunto en un estado llamado estado polarizado. La importancia de los instrumentales eléctricos de medición es incalculable ya que con ellos se miden e indican magnitudes eléctricas como corriente, carga, potencial y energía o las características eléctricas de los circuitos, como la resistencia, la capacidad, la capacitancia y la inductancia, además permite localizar las causas de una operación defectuosa en aparatos eléctricos en los cuales no es posible apreciar su funcionamiento en una forma visual. En el trabo de campo se enfoca a los métodos de investigación del terreno y el cuaderno de campo para los apuntes de observaciones y dibujos que se hace sobre el terreno. La interpretación cualitativa y la cuantitativa pueden ser relativamente fáciles de realizar si se adapta para ello un enfoque sistemático.

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