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La geofísica cercana a la superficie es el uso de métodos geofísicos para investigar características de pequeña escala en el subsuelo poco profundo (decenas de metros). [1] Está estrechamente relacionado con la geofísica aplicada o geofísica de exploración . Los métodos utilizados incluyen refracción y reflexión sísmica , gravedad , métodos magnéticos, eléctricos y electromagnéticos. Muchos de estos métodos se desarrollaron para la exploración de petróleo y minerales , pero ahora se utilizan para una gran variedad de aplicaciones, incluida la arqueología , las ciencias ambientales , las ciencias forenses , [2] la inteligencia militar , la investigación geotécnica , la búsqueda de tesoros y la hidrogeología . Además de las aplicaciones prácticas, la geofísica cercana a la superficie incluye el estudio de los ciclos biogeoquímicos . [3] [4]
En los estudios de la Tierra sólida, la característica principal que distingue a la geofísica de la geología es que involucra sensores remotos . Se utilizan diversos fenómenos físicos para sondear debajo de la superficie donde los científicos no pueden acceder directamente a la roca. Los proyectos de geofísica aplicada suelen tener los siguientes elementos: adquisición de datos, reducción de datos, procesamiento de datos, modelado e interpretación geológica. [5]
Todo esto requiere varios tipos de estudios geofísicos. Estos pueden incluir estudios de gravedad, magnetismo, sismicidad o magnetotelúricos .
Un estudio geofísico es un conjunto de mediciones realizadas con un instrumento geofísico. A menudo, un conjunto de medidas se realiza a lo largo de una línea o transversal . Muchos levantamientos tienen un conjunto de transversales paralelas y otro conjunto perpendicular a ellas para obtener una buena cobertura espacial. [5] Las tecnologías utilizadas para los estudios geofísicos incluyen:
Los datos brutos de un estudio geofísico a menudo deben convertirse a una forma más útil. Esto puede implicar corregir los datos para detectar variaciones no deseadas; por ejemplo, un estudio de gravedad se corregiría según la topografía de la superficie. Los tiempos de viaje sísmicos se convertirían a profundidades. A menudo, un objetivo de la encuesta se revelará como una anomalía , una región que tiene valores de datos por encima o por debajo de la región circundante. [5]
Es posible que los datos reducidos no proporcionen una imagen suficientemente buena debido al ruido de fondo . La relación señal-ruido se puede mejorar mediante mediciones repetidas de la misma cantidad seguidas de algún tipo de promedio, como apilamiento o procesamiento de señales . [5]
Una vez que se obtiene un buen perfil de la propiedad física que se mide directamente, se debe convertir a un modelo de la propiedad que se está investigando. Por ejemplo, las mediciones de la gravedad se utilizan para obtener un modelo del perfil de densidad bajo la superficie. A esto se le llama problema inverso . Dado un modelo de densidad, se pueden predecir las medidas de gravedad en la superficie; pero en un problema inverso se conocen las medidas de gravedad y se debe inferir la densidad. Este problema tiene incertidumbres debido al ruido y la cobertura limitada de la superficie, pero incluso con una cobertura perfecta muchos modelos posibles del interior podrían ajustarse a los datos. Por lo tanto, se deben hacer supuestos adicionales para restringir el modelo.
Dependiendo de la cobertura de datos, el modelo puede ser solo un modelo 2D de un perfil. O se puede interpretar un conjunto de transectos paralelos utilizando un modelo 2½D, que supone que las características relevantes son alargadas. Para características más complejas, se puede obtener un modelo 3D mediante tomografía . [5] [6]
El último paso de un proyecto es la interpretación geológica. Una anomalía de gravedad positiva puede ser una intrusión ígnea , una anomalía negativa una cúpula o vacío de sal. Una región de mayor conductividad eléctrica puede tener agua o galena . Para una buena interpretación se debe combinar el modelo geofísico con el conocimiento geológico de la zona. [5]
La sismología aprovecha la capacidad de las vibraciones para viajar a través de la roca en forma de ondas sísmicas . Estas ondas son de dos tipos: ondas de presión ( ondas P ) y ondas de corte ( ondas S ). Las ondas P viajan más rápido que las ondas S y ambas tienen trayectorias que se curvan a medida que la velocidad de las ondas cambia con la profundidad. La sismología de refracción hace uso de estas trayectorias curvas. Además, si existen discontinuidades entre capas de la roca o sedimento, las ondas sísmicas se reflejan. La sismología de reflexión identifica estos límites de capas mediante las reflexiones. [7]
La reflexión sísmica se utiliza para obtener imágenes de capas casi horizontales de la Tierra. El método es muy parecido al sonido del eco . Se puede utilizar para identificar plegamientos y fallas, y para buscar campos de petróleo y gas. A escala regional, los perfiles se pueden combinar para obtener estratigrafía secuencial , lo que permite fechar capas sedimentarias e identificar el aumento eustático del nivel del mar . [7]
La refracción sísmica se puede utilizar no sólo para identificar capas de rocas mediante las trayectorias de las ondas sísmicas, sino también para inferir las velocidades de las ondas en cada capa, proporcionando así cierta información sobre el material de cada capa. [7]
Los estudios magnéticos se pueden realizar a escala planetaria (por ejemplo, el estudio de Marte realizado por el Mars Global Surveyor ) o a escala de metros. En la superficie cercana, se utiliza para mapear fallas y límites geológicos, encontrar ciertos minerales , diques ígneos enterrados, [8] localizar tuberías enterradas y antiguas minas, y detectar algunos tipos de minas terrestres . También se utiliza para buscar artefactos humanos . Los magnetómetros se utilizan para buscar anomalías producidas por objetivos con mucho material magnéticamente duro como las ferritas . [9]
Se pueden utilizar mediciones de gravedad de alta precisión para detectar anomalías de densidad cerca de la superficie, como las asociadas con sumideros y antiguas minas, [10] y el monitoreo repetido permite cuantificar los cambios cerca de la superficie sobre estas. [11]
El radar de penetración terrestre es uno de los dispositivos geofísicos cercanos a la superficie más utilizados en arqueología forense , geofísica forense , investigación geotécnica , búsqueda de tesoros e hidrogeología , con profundidades de penetración típicas de hasta 10 m (33 pies) por debajo del nivel del suelo, según las condiciones locales. condiciones del suelo y de la roca, aunque esto depende de la antena transmisora/receptora de frecuencia central utilizada. [1]
La conductividad terrestre en masa generalmente utiliza pares de transmisor/receptor para obtener señales EM primarias/secundarias del entorno circundante (tenga en cuenta la posible dificultad en áreas urbanas con fuentes de interferencia EM sobre el suelo), y las áreas de recolección dependen del espaciado de las antenas y del equipo utilizado. Actualmente existen sistemas aéreos, terrestres y acuáticos disponibles. Son particularmente útiles para trabajos iniciales de reconocimiento terrestre en investigaciones geotécnicas , arqueológicas y geofísicas forenses . [1]
El recíproco de la conductividad , los estudios de resistividad eléctrica miden la resistencia del material (generalmente suelo) entre sondas eléctricas, con profundidades de penetración típicas de una a dos veces las separaciones de los electrodos. Hay varias configuraciones de electrodos de equipo, la más típica utiliza dos electrodos de corriente y dos de potencial en una matriz dipolo-dipolo. Se utilizan para investigaciones geotécnicas , arqueológicas y geofísicas forenses y tienen mejor resolución que la mayoría de los estudios de conductividad. Experimentan cambios significativos con el contenido de humedad del suelo, una dificultad en la mayoría de las investigaciones de sitios con terrenos heterogéneos y diferentes distribuciones de vegetación. [1]
Milsom y Eriksen (2011) [12] proporcionan un libro de campo útil para la geofísica de campo.
Se pueden utilizar métodos geofísicos para encontrar o mapear un sitio arqueológico de forma remota, evitando excavaciones innecesarias. También se pueden utilizar para fechar artefactos.
En los estudios de un sitio arqueológico potencial, las características excavadas en el suelo (como zanjas, fosas y agujeros para postes) pueden detectarse, incluso después de rellenarse, mediante métodos magnéticos y de resistividad eléctrica. El relleno también puede detectarse mediante un radar de penetración terrestre. Los cimientos y las paredes también pueden tener una firma magnética o eléctrica. Los hornos, chimeneas y hornos pueden tener una fuerte anomalía magnética porque una magnetización termorremanente se ha horneado en minerales magnéticos. [13]
Los métodos geofísicos se utilizaron ampliamente en trabajos recientes sobre los restos sumergidos de la antigua Alejandría , así como sobre tres ciudades sumergidas cercanas (Herakleion, Canopus y Menouthis). [14] Los métodos que incluían sonar de barrido lateral , estudios magnéticos y perfiles sísmicos descubrieron una historia de mala ubicación del sitio y falta de protección de los edificios contra riesgos geológicos. [15] Además, ayudaron a localizar estructuras que pueden ser el Gran Faro perdido y el palacio de Cleopatra , aunque estas afirmaciones son controvertidas. [14]
La geofísica forense se utiliza cada vez más para detectar objetos/materiales cercanos a la superficie relacionados con una investigación penal o civil. [16] Los objetos más destacados en las investigaciones criminales son los entierros clandestinos de víctimas de asesinato, pero la geofísica forense también puede incluir la localización de entierros anónimos en cementerios y cementerios, un arma utilizada en un delito, o drogas enterradas o alijos de dinero. Las investigaciones civiles intentan con mayor frecuencia determinar la ubicación, la cantidad y (lo que es más complicado) el momento de los desechos vertidos ilegalmente, que incluyen contaminantes físicos (por ejemplo, vertidos en moscas) y líquidos (por ejemplo, hidrocarburos). Hay muchos métodos geofísicos que podrían emplearse, dependiendo del objetivo y de los materiales anfitriones del fondo. Lo más habitual es utilizar un radar de penetración terrestre, pero puede que no siempre sea una técnica de detección de búsqueda óptima.
Las investigaciones geotécnicas utilizan la geofísica cercana a la superficie como herramienta estándar, tanto para la caracterización inicial del sitio como para evaluar dónde realizar posteriormente una investigación intrusiva del sitio (SI), que involucra perforaciones y pozos de prueba. [1] En las zonas rurales se pueden emplear métodos convencionales de SI, pero en las zonas urbanas o en sitios difíciles, las técnicas geofísicas específicas pueden caracterizar rápidamente un sitio para métodos de investigación intensivos de seguimiento, superficiales o cercanos a la superficie. Lo más común es buscar servicios públicos enterrados y cables aún activos, cimientos de edificios despejados, determinar los tipos de suelo y la profundidad del lecho de roca bajo el nivel del suelo, contaminación por desechos sólidos/líquidos, pozos de minas [17] y ubicaciones de minas relictas bajo tierra e incluso diferentes terrenos. condiciones. [18] Incluso se han llevado a cabo investigaciones geofísicas en interiores. [19] Las técnicas varían según el objetivo y los materiales del anfitrión, como se mencionó.