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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 relacionada 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 , la ciencia ambiental , la ciencia forense , [2] inteligencia militar , investigación geotécnica , búsqueda de tesoros e 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 implica la teledetección . Se utilizan diversos fenómenos físicos para investigar 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 distintos tipos de estudios geofísicos, que 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 mediciones se realiza a lo largo de una línea o poligonal . Muchos estudios tienen un conjunto de poligonales paralelas y otro conjunto perpendicular a él para obtener una buena cobertura espacial. [5] Las tecnologías utilizadas para estudios geofísicos incluyen:
Los datos brutos de un estudio geofísico a menudo deben convertirse a un formato más útil. Esto puede implicar corregir los datos para detectar variaciones no deseadas; por ejemplo, un estudio de gravedad se corregiría para tener en cuenta la topografía de la superficie. Los tiempos de viaje sísmico se convertirían a profundidades. A menudo, un objetivo del estudio 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 lo 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 promediado, 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 en un modelo de la propiedad que se está investigando. Por ejemplo, las mediciones de gravedad se utilizan para obtener un modelo del perfil de densidad bajo la superficie. Esto se llama un problema inverso . Dado un modelo de la densidad, las mediciones de gravedad en la superficie se pueden predecir; pero en un problema inverso, las mediciones de gravedad son conocidas 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 suposiciones 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 utilizando tomografía . [5] [6]
El paso final de un proyecto es la interpretación geológica. Una anomalía gravitacional positiva puede ser una intrusión ígnea , una anomalía negativa un domo o vacío de sal. Una región de mayor conductividad eléctrica puede tener agua o galena . Para una buena interpretación, el modelo geofísico debe combinarse con el conocimiento geológico del área. [5]
La sismología hace uso de 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 hay discontinuidades entre las capas de la roca o el 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 sondeo por eco . Se puede utilizar para identificar plegamientos y fallas, y para buscar yacimientos de petróleo y gas. A escala regional, los perfiles se pueden combinar para obtener una estratigrafía secuencial , lo que permite datar capas sedimentarias e identificar el aumento eustático del nivel del mar . [7]
La refracción sísmica se puede utilizar no sólo para identificar capas en rocas por 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 en cada capa. [7]
La prospección magnética se puede realizar a escala planetaria (por ejemplo, la prospección de Marte realizada por el Mars Global Surveyor ) o a escala de metros. En la superficie cercana, se utiliza para mapear límites geológicos y fallas, encontrar ciertos minerales , diques ígneos enterrados, [8] localizar tuberías enterradas y antiguas explotaciones mineras, 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 una gran cantidad de material magnéticamente duro como las ferritas . [9]
Se pueden utilizar mediciones de gravedad de alta precisión para detectar anomalías de densidad cercanas a la superficie, como las asociadas con sumideros y antiguas explotaciones mineras, [10] y el monitoreo repetido permite cuantificar los cambios cercanos a la superficie sobre estas anomalías. [11]
El radar de penetración terrestre es uno de los métodos geofísicos de 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, dependiendo de las condiciones locales del suelo y la roca, aunque esto depende de las antenas transmisoras/receptoras de frecuencia central utilizadas. [1]
La conductividad del suelo a granel suele utilizar pares transmisor/receptor para obtener señales electromagnéticas primarias/secundarias del entorno circundante (nótese la posible dificultad en áreas urbanas con fuentes de interferencia electromagnética sobre el suelo), y las áreas de recolección dependen del espaciamiento de las antenas y del equipo utilizado. Actualmente hay sistemas aéreos, terrestres y acuáticos disponibles. Son particularmente útiles para el trabajo inicial de reconocimiento terrestre en investigaciones geotécnicas , arqueológicas y geofísica forense . [1]
El recíproco de la conductividad , los estudios de resistividad eléctrica miden la resistencia del material (generalmente el 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 los equipos, la más típica utiliza dos electrodos de corriente y dos de potencial en una matriz dipolo-dipolo. Se utilizan para investigaciones geotécnicas , arqueológicas y geofísica forense y tienen una 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 terreno heterogéneo y diferentes distribuciones de vegetación. [1]
Milsom y Eriksen (2011) [12] proporcionan un libro de campo útil para la geofísica de campo.
Los métodos geofísicos se pueden utilizar para encontrar o mapear un sitio arqueológico de forma remota, evitando excavaciones innecesarias. También se pueden utilizar para datar artefactos.
En los estudios de un posible yacimiento arqueológico, las características excavadas en el suelo (como zanjas, pozos y agujeros para postes) pueden detectarse, incluso después de rellenarse, mediante métodos de resistividad eléctrica y magnéticos. 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, las chimeneas y los hornos de leña pueden tener una fuerte anomalía magnética debido a que se ha incorporado una magnetización termorremanente a los minerales magnéticos. [13]
Los métodos geofísicos se han utilizado ampliamente en trabajos recientes sobre los restos sumergidos de la antigua Alejandría , así como en 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 una falla en la protección de los edificios contra los georriesgos. [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 o materiales cercanos a la superficie relacionados con una investigación civil o criminal. [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 sin marcar en cementerios y camposantos, un arma utilizada en un crimen o escondites de drogas o dinero enterrados. Las investigaciones civiles intentan con mayor frecuencia determinar la ubicación, la cantidad y (lo que es más complicado) el momento en que se arrojaron desechos ilegalmente, que incluyen contaminantes físicos (por ejemplo, vertidos ilegales) y líquidos (por ejemplo, hidrocarburos). Hay muchos métodos geofísicos que se podrían emplear, dependiendo del objetivo y de los materiales que los albergan en el fondo. El radar de penetración terrestre es el más común, pero puede que no siempre sea una técnica de detección de búsqueda óptima.
Las investigaciones geotécnicas utilizan la geofísica cercana a la superficie como una herramienta estándar, tanto para la caracterización inicial del sitio como para evaluar dónde emprender posteriormente una investigación intrusiva del sitio (SI) que involucra perforaciones y pozos de prueba. [1] En áreas rurales se pueden emplear métodos de SI convencionales, pero en áreas urbanas o en sitios difíciles, las técnicas geofísicas específicas pueden caracterizar rápidamente un sitio para métodos de investigación intensivos de seguimiento en la superficie o cerca de la superficie. Lo más común es la búsqueda de servicios públicos enterrados y cables aún activos, cimientos de edificios despejados, determinación de los tipos de suelo y la profundidad del lecho rocoso debajo del nivel del suelo, contaminación por desechos sólidos/líquidos, pozos de minas [17] y minas relictas ubicadas debajo del suelo e incluso diferentes condiciones del suelo. [18] Incluso se han realizado investigaciones geofísicas en interiores. [19] Las técnicas varían según el objetivo y los materiales anfitriones, como se mencionó.