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 los 100 m bajo tierra mediante el registro de frecuencias más altas hasta los 200 km o más profundos 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 la exploración de hidrocarburos (petróleo y gas), la exploración geotérmica , el secuestro de carbono , la exploración minera, así como el monitoreo de hidrocarburos y aguas subterráneas . Las aplicaciones de investigación incluyen la experimentación para desarrollar aún más la técnica MT, la exploración de la corteza profunda de largo plazo, el sondeo del manto profundo, el mapeo del flujo de agua subglacial y la investigación de precursores de terremotos.
La técnica magnetotelúrica fue introducida independientemente 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 los avances en instrumentación, procesamiento y modelado, la magnetotelúrica se ha convertido en una de las herramientas más importantes en la investigación de la Tierra profunda.
Desde su creación en la década de 1950, los sensores magnetotelúricos, los receptores y las técnicas de procesamiento de datos han seguido las tendencias generales de la electrónica, volviéndose menos costosos y más capaces con cada generación. Los principales avances en la instrumentación y la técnica de MT incluyen el cambio del hardware analógico al digital, la llegada de la referencia remota, la sincronización basada en el tiempo del GPS y la adquisición y el procesamiento de datos en 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 generar imágenes de la estructura del subsuelo, no pueden detectar los cambios en la resistividad asociados con los hidrocarburos y las formaciones que contienen hidrocarburos. La 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 sísmica sea ineficaz, su resistividad eléctrica significa que la señal magnética pasa a través de ellas casi sin impedimentos. Esto permite a la MT ver profundamente debajo de estas capas de barrera acústica, complementando los datos sísmicos y ayudando a la interpretación. [9] Los resultados de la prospección 3-D MT en Uzbekistán (cuadrícula de sondeos de 32 x 32) han guiado el mapeo sísmico adicional de una gran formación conocida que contiene gas con geología compleja del subsuelo. [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 MT para la exploración y el 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 de 1991 de INCO en Sudbury , Ontario, Canadá, detectó un depósito de níquel de 1750 metros de profundidad. Falconbridge siguió con un estudio de viabilidad en 1996 que localizó con precisión dos zonas mineralizadas de níquel y cobre a unos 800 m y 1350 m de profundidad. Desde entonces, tanto las empresas mineras importantes como las pequeñas están utilizando cada vez más la MT y la audiomagnetotelúrica (AMT) tanto para la exploración de yacimientos industriales (cerca de yacimientos conocidos) como de yacimientos no explorados (terrenos inexplorados). Se ha realizado un importante trabajo de mapeo 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 MT permiten la detección de anomalías de resistividad asociadas con estructuras geotérmicas productivas, incluyendo fallas y la presencia de una roca de cubierta , y permiten la estimación de las temperaturas del yacimiento geotérmico 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, ayudando a identificar varios cientos de megavatios de energía renovable en lugares como la planta Hatchobaru en Kyushu [18] [19] y la planta 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]
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] 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 disposición de desechos nucleares ).
Dado que el 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 terrestres . Estos incluyen la investigación de la composición y distribución de los derretimientos , [31] [32] la comprensión de la mecánica de fallas y la generación de terremotos , [33] la obtención de imágenes de la arquitectura y composición litosférica profunda, que se pueden vincular a muchos procesos geodinámicos. [34] [35] Grandes investigaciones se han centrado en los EE. UU. continentales (por ejemplo, el Programa EarthScope MT de la National Science Foundation y su sucesor NASA y USGS MTArray [36] ), la Dorsal del Pacífico Oriental , Australia (Programa AusLAMP MT [37] ), el sur de África (Proyecto SAMTEX MT [38] ), China (parte del proyecto Sinoprobe [39] ) y la meseta tibetana .
Las fluctuaciones en la señal MT pueden ser capaces de predecir el inicio de eventos sísmicos. [40] [41] [42] Desde abril de 1996 se han instalado en Japón sistemas estacionarios de monitoreo MT, que proporcionan un registro continuo de señales MT en la Estación Wakuya (anteriormente en el Observatorio Geodético Mizusawa) y la Estación Esashi del Instituto de Estudios Geográficos de Japón (GSIJ). Estas estaciones miden fluctuaciones en el campo electromagnético de la Tierra que corresponden a la actividad sísmica. [43] Los datos geofísicos brutos de series temporales de estas estaciones de monitoreo están disponibles gratuitamente para la comunidad científica, lo que permite un estudio más profundo de la interacción entre eventos electromagnéticos y actividad sísmica. [44]
En Japón hay otras estaciones de vigilancia de precursores de terremotos MT en Kagoshima , Sawauchi y Shikoku . También hay estaciones similares desplegadas en Taiwán , en la isla de Penghu , así como en la reserva de Fushan en la isla de Taiwán propiamente dicha. [45]
POLARIS es un programa de investigación canadiense que investiga la estructura y dinámica de la litosfera de la Tierra y la predicción del movimiento del suelo durante los terremotos . [46]
La energía solar y los rayos provocan variaciones naturales en el campo magnético de la Tierra , induciendo corrientes eléctricas (conocidas como corrientes telúricas ) bajo la superficie de la Tierra. [47]
Diferentes rocas, sedimentos y estructuras geológicas tienen una amplia gama de conductividades eléctricas diferentes . La medición de la resistividad eléctrica permite distinguir entre distintos materiales y estructuras y puede mejorar el conocimiento de los procesos tectónicos y las estructuras geológicas .
Los campos eléctricos y magnéticos de la Tierra, que varían naturalmente, se miden en un amplio rango de frecuencias magnetotelúricas, desde 10 000 Hz hasta 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 tormentas eléctricas en todo el mundo provoca campos magnéticos a frecuencias superiores a 1 Hz. Combinados, estos fenómenos naturales crean fuertes señales de fuentes 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 pelicular afecta a los campos electromagnéticos , la relación en los rangos de frecuencia más altos proporciona información sobre la Tierra superficial, mientras que la información más profunda la proporciona el rango de baja frecuencia. La relación suele representarse 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 MT pueden investigar profundidades desde unos 300 m hasta cientos de kilómetros, aunque las investigaciones en el rango de 500 m a 10.000 m son típicas. Una mayor profundidad requiere medir frecuencias más bajas, lo que a su vez requiere tiempos de registro más largos. Las mediciones muy profundas y de períodos muy largos (desde la corteza media hasta las profundidades del manto superior ) pueden requerir registros de varios días o semanas o más para obtener una calidad de datos satisfactoria.
La resolución horizontal del MT depende principalmente de la distancia entre los puntos de sondeo: los puntos de sondeo más cercanos aumentan la resolución horizontal. Se ha utilizado el perfil continuo (conocido como Emap), con solo 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 investigación.
Los campos magnéticos en el rango de frecuencia de 1 Hz a aproximadamente 20 kHz son parte del rango audio-magnetotelúrico (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 de profundidad de varios metros a varios kilómetros por debajo de la superficie de la Tierra. Debido a la naturaleza de la fuente magnetotelúrica, las ondas generalmente fluctúan en altura de amplitud. Se necesitan tiempos de registro largos 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 entornos marinos para la 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 alrededor de 1 Hz.
Los estudios bidimensionales consisten en un perfil longitudinal de sondeos MT sobre el área de interés, proporcionando "cortes" 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 la resistividad del subsuelo.
La audiomagnetotelúrica (AMT) es una técnica magnetotelúrica de mayor frecuencia para investigaciones más superficiales. Si bien la AMT tiene una penetración de profundidad menor que la MT, las mediciones de AMT a menudo demoran solo una hora (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. La AMT transitoria es una variante de la 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]
El sistema electromagnético de fuente controlada CSEM es una variante marina de aguas profundas de la magnetotelúrica de audio de fuente controlada; CSEM es el nombre que se utiliza en la industria del petróleo y el gas en alta mar. [51] y para la exploración en tierra firme, Lotem se utiliza principalmente en Rusia, China, EE. UU. y Europa [52] [53]
El CSEM/CSAMT terrestre puede ser eficaz cuando el ruido electromagnético cultural (por ejemplo, líneas eléctricas, cercas eléctricas) presenta problemas de interferencia para los métodos geofísicos de fuentes naturales. Un cable de tierra extenso (2 km o más) tiene corrientes en un rango de frecuencias (0,1 Hz a 100 kHz) que pasan 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 es que haya un objetivo conductor (grafito, mineral de níquel o mineral de hierro). El CSAMT también se conoce en la industria del petróleo y el gas como electromagnetismo de fuente controlada terrestre (CSEM terrestre).
Una variante marina del 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 del MMT es la medición de canal único marina del campo magnético vertical únicamente (el Hz, o "tipper"), que elimina la necesidad de mediciones telúricas y mediciones magnéticas horizontales. [59]
Los estudios de exploración MT se realizan para adquirir datos de resistividad que se pueden interpretar 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), con un espaciamiento físico entre sondeos que 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 el trabajo más detallado puede tener espaciamientos de 200 m, o incluso sondeos adyacentes (dipolo a dipolo).
El impacto de la exploración MT en materia de HSE es relativamente bajo debido al equipo liviano, las fuentes de señales naturales y los riesgos reducidos en comparación con otros tipos de exploración (por ejemplo, sin perforaciones, sin explosivos y sin corrientes altas).
La referencia remota es una técnica de transmisión de datos que se utiliza para tener en cuenta el ruido eléctrico cultural mediante la adquisición simultánea de datos en más de una estación de transmisión de datos. Esto mejora enormemente la calidad de los datos y puede permitir la adquisición en áreas donde la señal de transmisión de datos natural es difícil de detectar debido a la interferencia electromagnética provocada por el hombre .
Un conjunto completo típico de equipos de 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 el sondeo de MT exclusivamente de período largo (frecuencias inferiores a aproximadamente 0,1 Hz), los tres sensores discretos de campo magnético de banda ancha pueden sustituirse por un único magnetómetro de compuerta de flujo triaxial compacto. En muchas situaciones, solo se utilizarán los sensores telúricos y se tomarán datos magnéticos prestados de otros sondeos cercanos para reducir los costes de adquisición.
Un equipo de campo pequeño (de 2 a 4 personas) puede transportar en una mochila o en un helicóptero ligero un conjunto completo de cinco componentes de equipo MT , lo que permite su despliegue en zonas remotas y accidentadas. La mayoría de los equipos MT pueden funcionar de manera confiable en una amplia gama de condiciones ambientales, con rangos que varían típicamente 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 de series temporales sin procesar en inversiones basadas en frecuencias. El resultado del programa de procesamiento se utiliza como entrada para la interpretación posterior. El procesamiento puede incluir el uso de datos de referencia remotos o solo datos locales.
Los datos de MT procesados se modelan utilizando diversas técnicas para crear un mapa de resistividad del subsuelo, donde las frecuencias más bajas generalmente corresponden a una mayor profundidad debajo del suelo. Las anomalías como fallas , hidrocarburos y mineralización conductiva aparecen como áreas de mayor o menor resistividad con respecto a las estructuras circundantes. Se utilizan varios paquetes de software para la interpretación (inversión) de datos magnetotelúricos, donde la resistividad aparente se utiliza para crear un modelo del subsuelo.
Cuatro empresas abastecen la mayor parte del mercado mundial de uso comercial: una en Estados Unidos (Zonge International, Inc. [60] ), una en Canadá (Phoenix Geophysics, Ltd. [61] ), una en Alemania (Metronix Messgeraete und Elektronik GmbH). [62] y una 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 Investigación Espacial de Ucrania .
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