La magnetotelúrica ( MT ) es un método geofísico electromagnético para inferir la conductividad eléctrica del subsuelo de la Tierra a partir de mediciones de la variación natural del campo geomagnético y geoeléctrico en la superficie de la Tierra.
La profundidad de la investigación varía desde 100 m bajo tierra mediante el registro de frecuencias más altas hasta 200 km o más con sondeos de período largo. Propuesta en Japón en la década de 1940, y en Francia y la URSS a principios de la década de 1950, la MT es ahora una disciplina académica internacional y se utiliza en estudios de exploración en todo el mundo.
Los usos comerciales incluyen exploración de hidrocarburos (petróleo y gas), exploración geotérmica , secuestro de carbono , exploración minera, así como monitoreo de hidrocarburos y aguas subterráneas . Las aplicaciones de la investigación incluyen la experimentación para desarrollar aún más la técnica MT, la exploración de la corteza profunda de períodos largos, el sondeo del manto profundo, el mapeo del flujo de agua subglacial y la investigación de precursores de terremotos.
La técnica magnetotelúrica fue introducida de forma independiente por científicos japoneses en 1948 [1] (Hirayama, Rikitake), el geofísico soviético Andrey Nikolayevich Tikhonov en 1950 [2] y el geofísico francés Louis Cagniard en 1953. [3] Con avances en instrumentación, procesamiento y modelado , la magnetotelúrica se ha convertido en una de las herramientas más importantes en la investigación de las profundidades de la Tierra.
Desde su creación en la década de 1950, los sensores, receptores y técnicas de procesamiento de datos magnetotelúricos han seguido las tendencias generales de la electrónica, volviéndose menos costosos y más capaces con cada generación. Los principales avances en instrumentación y técnica de MT incluyen el cambio del hardware analógico al digital, la llegada de referencias remotas, sincronización GPS basada en el tiempo y adquisición y procesamiento de datos 3D.
Para la exploración de hidrocarburos , la MT se utiliza principalmente como complemento a la técnica primaria de exploración de sismología de reflexión . [4] [5] [6] [7] Si bien las imágenes sísmicas pueden obtener imágenes de la estructura del subsuelo, no pueden detectar los cambios en la resistividad asociados con los hidrocarburos y las formaciones que contienen hidrocarburos. MT detecta variaciones de resistividad en las estructuras del subsuelo, lo que puede diferenciar entre estructuras que contienen hidrocarburos y aquellas que no. [8]
En un nivel básico de interpretación, la resistividad se correlaciona con diferentes tipos de rocas. Las capas de alta velocidad suelen ser muy resistivas, mientras que los sedimentos (porosos y permeables) suelen ser mucho menos resistivos. Si bien las capas de alta velocidad son una barrera acústica y hacen que la actividad sísmica sea ineficaz, su resistividad eléctrica significa que la señal magnética pasa a través de ellas casi sin obstáculos. Esto permite a MT ver profundamente debajo de estas capas de barrera acústica, complementando los datos sísmicos y ayudando a la interpretación. [9] Los resultados del estudio MT en 3-D en Uzbekistán (cuadrícula de sondeos de 32 x 32) han guiado un mapeo sísmico adicional de una gran formación conocida que contiene gas con una geología subterránea compleja. [10] [11]
China National Petroleum Corporation (CNPC) y Nord-West Ltd utilizan MT en tierra más que cualquier otra compañía petrolera del mundo y realizan miles de sondeos de MT para exploración y mapeo de hidrocarburos en todo el mundo. [12]
La MT se utiliza para la exploración de diversos metales básicos (por ejemplo, níquel) y metales preciosos , así como para el mapeo de kimberlita .
El estudio de prueba de concepto realizado por INCO en 1991 en Sudbury , Ontario, Canadá, detectó un depósito de níquel a 1.750 metros de profundidad. Falconbridge siguió con un estudio de viabilidad en 1996 que localizó con precisión dos zonas mineralizadas de Ni-Cu a unos 800 my 1350 m de profundidad. Desde entonces, tanto las empresas mineras importantes como las más jóvenes están utilizando cada vez más la MT y los audiomagnetotelúricos (AMT) para la exploración tanto de terrenos abandonados (cerca de depósitos conocidos) como de terrenos nuevos (terrenos inexplorados). Se ha realizado un importante trabajo cartográfico de MT en áreas del Escudo Canadiense . [13]
La exploración de diamantes, mediante la detección de kimberlitas, también es una aplicación probada. [14]
Las mediciones de exploración geotérmica de MT permiten la detección de anomalías de resistividad asociadas con estructuras geotérmicas productivas, incluidas fallas y la presencia de una capa de roca , y permiten estimar las temperaturas de los yacimientos geotérmicos a varias profundidades. [15] [16] [17] Se han completado docenas de estudios de exploración geotérmica MT en Japón y Filipinas desde principios de la década de 1980, lo que ha ayudado a identificar varios cientos de megavatios de energía renovable en lugares como la planta Hatchobaru en Kyushu [18] [ 19] y la planta de Togonang en Leyte . [20] [21] [22] La exploración geotérmica con MT también se ha realizado ampliamente en los Estados Unidos , Islandia, [23] Nueva Zelanda, Hungría, [16] China, [24] Etiopía , Indonesia, Perú , [25] Australia e India . [26]
La MT también se utiliza para la exploración de aguas subterráneas y la investigación cartográfica, el monitoreo de yacimientos de hidrocarburos, la investigación profunda (100 km) de las propiedades eléctricas del lecho rocoso para sistemas de transmisión de corriente continua de alto voltaje (HVDC), [27] el secuestro de dióxido de carbono , [28] [29] y otras aplicaciones de ingeniería ambiental (por ejemplo, monitoreo de sitios de explosiones nucleares [30] y monitoreo de sitios de eliminación de desechos nucleares ).
Dado que la MT es muy sensible a la composición y temperatura de la Tierra, se ha utilizado ampliamente para comprender numerosos fenómenos geológicos en el manto y la corteza terrestre . Estos incluyen investigar la composición y distribución de los derretimientos , [31] [32] comprender la mecánica de fallas y la generación de terremotos , [33] obtener imágenes de la arquitectura y composición de la litosfera profunda, que pueden vincularse a muchos procesos geodinámicos. [34] [35] Grandes investigaciones se han centrado en los Estados Unidos contiguos (por ejemplo, el Programa MT EarthScope de la Fundación Nacional de Ciencias y su sucesor NASA y USGS MTArray [36] ), la elevación del Pacífico Oriental , Australia (Programa MT AusLAMP [37] ), África Austral (Proyecto SAMTEX MT [38] ), China (Parte del proyecto Sinoprobe [39] ) y la Meseta Tibetana .
Las fluctuaciones en la señal MT pueden predecir la aparición de eventos sísmicos. [40] [41] [42] Se han instalado sistemas de monitoreo de MT estacionarios en Japón desde abril de 1996, proporcionando un registro continuo de las señales de MT en la estación Wakuya (anteriormente en el Observatorio Geodésico de Mizusawa) y la estación Esashi del Instituto de Estudios Geográficos. de Japón (GSIJ). Estas estaciones miden las fluctuaciones en el campo electromagnético de la Tierra que se corresponden con la actividad sísmica. [43] Los datos brutos de series de tiempo geofísicas de estas estaciones de monitoreo están disponibles gratuitamente para la comunidad científica, lo que permite estudiar más a fondo la interacción entre los eventos electromagnéticos y la actividad sísmica. [44]
Otras estaciones de monitoreo de precursores de terremotos MT en Japón están ubicadas en Kagoshima , Sawauchi y Shikoku . También se han desplegado estaciones similares en Taiwán , en la isla Penghu , así como en la Reserva Fushan, en la isla de Taiwán propiamente dicha. [45]
POLARIS es un programa de investigación canadiense que investiga la estructura y la dinámica de la litosfera de la Tierra y la predicción del movimiento sísmico del suelo . [46]
La energía solar y los rayos provocan variaciones naturales en el campo magnético terrestre , induciendo corrientes eléctricas (conocidas como corrientes telúricas ) bajo la superficie terrestre. [47]
Diferentes rocas, sedimentos y estructuras geológicas tienen una amplia gama de conductividades eléctricas diferentes . La medición de la resistividad eléctrica permite distinguir diferentes materiales y estructuras entre sí y puede mejorar el conocimiento de los procesos tectónicos y las estructuras geológicas .
Los campos eléctricos y magnéticos que varían naturalmente de la Tierra se miden en una amplia gama de frecuencias magnetotelúricas de 10.000 Hz a 0,0001 Hz (10.000 s). Estos campos se deben a las corrientes eléctricas que fluyen en la Tierra y a los campos magnéticos que inducen estas corrientes. Los campos magnéticos se producen principalmente por la interacción entre el viento solar y la magnetosfera . Además, la actividad de las tormentas en todo el mundo provoca campos magnéticos en frecuencias superiores a 1 Hz. Combinados, estos fenómenos naturales crean fuertes señales de fuente MT en todo el espectro de frecuencias.
La relación entre el campo eléctrico y el campo magnético proporciona información sencilla sobre la conductividad del subsuelo. Debido a que el fenómeno del efecto piel afecta los campos electromagnéticos , la relación en rangos de frecuencia más altos proporciona información sobre la Tierra poco profunda, mientras que el rango de baja frecuencia proporciona información más profunda. La relación generalmente se representa como resistividad aparente en función de la frecuencia y fase en función de la frecuencia.
Luego se crea un modelo de resistividad del subsuelo utilizando este tensor . [48]
Las mediciones de MT pueden investigar profundidades desde unos 300 m hasta cientos de kilómetros, aunque son típicas investigaciones en el rango de 500 ma 10.000 m. Una mayor profundidad requiere medir frecuencias más bajas, lo que a su vez requiere tiempos de grabación más largos. Las mediciones muy profundas y de períodos muy largos (desde la corteza media hasta el manto superior ) pueden requerir registros de varios días a semanas o más para obtener una calidad de datos satisfactoria.
La resolución horizontal de MT depende principalmente de la distancia entre las ubicaciones de sondeo; las ubicaciones de sondeo más cercanas aumentan la resolución horizontal. Se ha utilizado perfilado continuo (conocido como Emap), con sólo metros entre los bordes de cada dipolo telúrico.
La resolución vertical de MT depende principalmente de la frecuencia que se mide, ya que las frecuencias más bajas tienen mayores profundidades de penetración. En consecuencia, la resolución vertical disminuye a medida que aumenta la profundidad de la investigación.
Los campos magnéticos en el rango de frecuencia de 1 Hz a aproximadamente 20 kHz son parte del rango audiomagnetotelúrico (AMT). Estos son paralelos a la superficie de la Tierra y se mueven hacia el centro de la Tierra. Esta gran banda de frecuencia permite un rango de penetración profunda desde varios metros hasta varios kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra. Debido a la naturaleza de la fuente magnetotelúrica, las ondas generalmente fluctúan en amplitud y altura. Se necesitan tiempos de registro prolongados para determinar una lectura utilizable debido a las fluctuaciones y la baja intensidad de la señal. Generalmente, la señal es débil entre 1 y 5 kHz, que es un rango crucial para detectar los 100 m superiores de geología. El método magnetotelúrico también se utiliza en ambientes marinos para exploración de hidrocarburos y estudios litosféricos. [49] Debido al efecto de apantallamiento del agua de mar eléctricamente conductora, un límite superior utilizable del espectro es de aproximadamente 1 Hz.
Los estudios bidimensionales consisten en un perfil longitudinal de sondeos MT sobre el área de interés, proporcionando "porciones" bidimensionales de resistividad del subsuelo.
Los estudios tridimensionales consisten en un patrón de cuadrícula flexible de sondeos MT sobre el área de interés, lo que proporciona un modelo tridimensional más sofisticado de resistividad del subsuelo.
La audiomagnetotelúrica (AMT) es una técnica magnetotelúrica de alta frecuencia para investigaciones menos profundas. Si bien AMT tiene una penetración de profundidad menor que MT, las mediciones de AMT a menudo tardan solo aproximadamente una hora en realizarse (pero las mediciones de AMT profundas durante períodos de baja intensidad de señal pueden demorar hasta 24 horas) y utilizan sensores magnéticos más pequeños y livianos. El AMT transitorio es una variante del AMT que registra solo temporalmente durante períodos de señal natural más intensa (impulsos transitorios), lo que mejora la relación señal-ruido a expensas de una fuerte polarización lineal. [50]
La fuente electromagnética controlada CSEM es una variante marina de aguas profundas de los magnetotelúricos de audio de fuente controlada; CSEM es el nombre utilizado en la industria del petróleo y el gas marino. [51] y para la exploración terrestre principalmente Lotem se utiliza en Rusia, China, EE. UU. y Europa [52] [53]
CSEM/CSAMT en tierra puede ser eficaz cuando el ruido cultural electromagnético (por ejemplo, líneas eléctricas, cercas eléctricas) presenta problemas de interferencia para los métodos geofísicos de fuente natural. Un cable extenso puesto a tierra (2 km o más) tiene corrientes en un rango de frecuencias (0,1 Hz a 100 kHz) a través de él. Se miden el campo eléctrico paralelo a la fuente y el campo magnético que está en ángulo recto. Luego se calcula la resistividad y cuanto menor sea la resistividad, más probable será que haya un objetivo conductor (grafito, mineral de níquel o mineral de hierro). CSAMT también se conoce en la industria del petróleo y el gas como electromagnética de fuente controlada en tierra (CSEM en tierra).
Una variante marina de la MT, el método magnetotelúrico marino (MMT), [54] [ página necesaria ] utiliza instrumentos y sensores en carcasas de presión desplegadas por barco en zonas costeras poco profundas donde el agua tiene menos de 300 m de profundidad. [6] [55] [56] [57] [58] Un derivado de MMT es la medición en alta mar de un solo canal del campo magnético vertical únicamente (el Hz, o "tipper"), lo que elimina la necesidad de mediciones telúricas y horizontales. mediciones magnéticas. [59]
Los estudios de exploración MT se realizan para adquirir datos de resistividad que puedan interpretarse para crear un modelo del subsuelo. Los datos se adquieren en cada ubicación de sondeo durante un período de tiempo (los sondeos nocturnos son comunes), y el espaciamiento físico entre sondeos depende del tamaño y la geometría del objetivo, las limitaciones del terreno local y el costo financiero. Los estudios de reconocimiento pueden tener espaciamientos de varios kilómetros, mientras que los trabajos más detallados pueden tener espaciamientos de 200 m, o incluso sondeos adyacentes (dipolo a dipolo).
El impacto en HSE de la exploración MT es relativamente bajo debido a los equipos livianos, las fuentes de señales naturales y los riesgos reducidos en comparación con otros tipos de exploración (por ejemplo, sin taladros, sin explosivos y sin corrientes altas).
La referencia remota es una técnica de MT que se utiliza para tener en cuenta el ruido eléctrico cultural mediante la adquisición de datos simultáneos en más de una estación de MT. Esto mejora enormemente la calidad de los datos y puede permitir la adquisición en áreas donde la señal MT natural es difícil de detectar debido a la interferencia EM creada por el hombre .
Un conjunto completo típico de equipo MT (para un sondeo de "cinco componentes") consta de un instrumento receptor con cinco sensores : tres sensores magnéticos (normalmente sensores de bobina de inducción) y dos sensores telúricos (eléctricos). Para MT exclusivamente de período largo (frecuencias por debajo de aproximadamente 0,1 Hz), los tres sensores de campo magnético de banda ancha discretos pueden sustituirse por un único magnetómetro fluxgate triaxial compacto. En muchas situaciones, sólo se utilizarán sensores telúricos y se tomarán prestados datos magnéticos de otros sondeos cercanos para reducir los costos de adquisición.
Un equipo de campo pequeño (de 2 a 4 personas) puede transportar un conjunto completo de equipo MT de cinco componentes en una mochila o en un helicóptero ligero , lo que permite su despliegue en áreas remotas y accidentadas. La mayoría de los equipos MT son capaces de funcionar de manera confiable en una amplia gama de condiciones ambientales, con clasificaciones típicas de −25 °C a +55 °C, desde desierto seco hasta alta humedad (condensación) e inmersión total temporal.
Se requiere un procesamiento posterior a la adquisición para transformar los datos sin procesar de series temporales en inversiones basadas en frecuencia. La salida resultante del programa de procesamiento se utiliza como entrada para la interpretación posterior. El procesamiento puede incluir el uso de datos de referencia remotos o datos locales únicamente.
Los datos MT procesados se modelan utilizando varias técnicas para crear un mapa de resistividad del subsuelo, donde las frecuencias más bajas generalmente corresponden a una mayor profundidad bajo tierra. Anomalías como fallas , hidrocarburos y mineralización conductora aparecen como áreas de mayor o menor resistividad de las estructuras circundantes. Se utilizan varios paquetes de software para la interpretación (inversión) de datos magnetotelúricos, donde se utiliza la resistividad aparente para crear un modelo del subsuelo.
Cuatro empresas abastecen la mayor parte del mercado mundial de uso comercial: una en los Estados Unidos (Zonge International, Inc. [60] ), otra en Canadá; (Phoenix Geophysics, Ltd. [61] ); uno en Alemania (Metronix Messgeraete und Elektronik GmbH). [62] ) y uno en Rusia (Vega Geophysics, LLC). [63]
Las agencias gubernamentales y empresas más pequeñas que producen instrumentación MT para uso interno incluyen la Academia Rusa de Ciencias (SPbF IZMIRAN ); y el Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales de Ucrania .
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