MANUAL DE GEOFÍSICA Y MÉTODOS GEOFÍSICOS

NicolásScivettiMarcosE.BahíaJorgeO.Spagnuolo

MANUALDEGEOFÍSICA Y

MÉTODOSGEOFÍSICOSParteI

Colección CienciasyTecnologías

Scivetti, Nicolás Manual de geofísica y métodos geofísicos / Nicolás Scivetti; Marcos E. Bahía; Jorge O. Spagnuolo; contribuciones de Marta Minor Salvatierra... [et al.]. - 1a edición para el alumno - Bahía Blanca: Editorial de la Universidad Nacional del Sur. Ediuns, 2021. 174 p.; 24 x 18 cm. ISBN 978-987-655-268-4 1. Geología. I. Bahía, Marcos E. II. Spagnuolo, Jorge O. III. Minor Salvatierra, Marta, colab. II. Título. CDD 550.1

Diseño interior: Alejandro M. Banegas Diseño de tapa: Fabián Luzi

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Librería

Universitaria

Argentina

Dedicatoria

En mi carácter de profesor jubilado quiero dedicar este texto a todos los alumnos de las carreras de Geología y Geofísica de la Universidad Nacional del Sur que al cursar las materias Geofísica y Métodos Geofísicos seguramente se beneficiarán con su lectura; pero muy especialmente a todos y cada uno del grupo de jóvenes docentes que me acompañaron a lo largo de los años, constituyendo un valioso complemento para la tarea de enseñanza en armoniosa convivencia laboral. Con igual énfasis quiero destacar el trabajo de quienes me sucedieron a la hora de mi retiro y son los principales artífices de la calidad de este emprendimiento didáctico. Remarco con intensidad el nivel de sus conocimientos y la gran voluntad puesta al servicio de la concreción del texto. Por último, no quiero olvidar al geofísico José Kostadinoff quien hace muchos años fue mi profesor y posteriormente me enri-queció con su experiencia durante más de treinta años.

Finalmente, que esta contribución didáctica sea un sentido homenaje a los com-pañeros de carrera que durante la fatídica década de los setenta se vieron forzados a abandonar sus estudios, víctimas de una despiadada persecución y, muy especial-mente, a quienes les arrebataron la vida por el solo hecho de proyectar un mundo más justo.

Dr. Jorge O. Spagnuolo

Índice

Prólogo ............................................................................................................. 9

Introducción ................................................................................................... 11

La atmósfera terrestre ..................................................................................... 21

Geotermia ....................................................................................................... 27

Geodesia y mareas ........................................................................................... 39

Origen y estructura de la Tierra ....................................................................... 49

Isostasia ......................................................................................................... 63

Gravimetría I .................................................................................................. 71

Gravimetría II ................................................................................................ 83

Gravimetría III .............................................................................................. 97

Gravimetría IV .............................................................................................. 115

Geomagnetismo I ........................................................................................... 125

Geomagnetismo II ......................................................................................... 153

9

Prólogo

Este manual constituye un breve resumen de los contenidos que se tratan en la asignatura de Geofísica para la Licenciatura en Ciencias Geológicas y la asignatura de Métodos Geofísicos para la Licenciatura en Geofísica de la Universidad Nacional del Sur.

Como todo manual, no puede reemplazar una clase completa y mucho menos a un libro. Por eso te recomendamos que asistas a las clases teóricas y prácticas, que participes de las consultas, que intercambies conocimientos, ideas e inquietudes con tus compañeras y compañeros, que cuestiones los conceptos que recibís y que, sobre todo, leas. Lee mucho, lee tanto como puedas, libros, artículos científicos, artículos de divulgación, publicaciones, resúmenes de la rama que más te guste. Leer te va a emancipar, te dará argumentos y mejorará tus habilidades de crítica.

El objetivo de este manual es introducir a las y los lectores en la geofísica y en los métodos de los que se vale, comprender cómo funcionan, para qué se utilizan, qué resultados nos brindan y cómo interpretarlos.

Esperamos poder despertar tu interés por esta apasionante disciplina.

Dr. Nicolas Scivetti Lic. Marcos E. Bahía

Dr. Jorge O. Spagnuolo

11

Introducción Dr. Nicolás Scivetti

Lic. Marcos E. Bahía Dr. Jorge O. Spagnuolo

Geofísica

En el sentido más amplio, la ciencia de la geofísica es la aplicación de la física a las investigaciones de la Tierra, la Luna y los planetas. También está relacionada con la astronomía. Sin embargo, el término geofísica se usa de manera más restringida, y se suele aplicar únicamente a la Tierra. Incluso así, el término incluye temas como meteorología, física ionosférica, y otros aspectos de las ciencias atmosféricas.

Para evitar confusiones, el uso de la física para estudiar el interior de la Tierra, desde la superficie terrestre hasta el núcleo interno, se conoce como geofísica de la Tierra sólida. Este término se puede subdividir aún más en geofísica global, que es el estudio de partes enteras o sustanciales del planeta, y geofísica aplicada, que se ocupa de investigar la corteza terrestre y la superficie cercana para lograr un objetivo práctico y, la mayoría de las veces, económico (Reynolds, 2011).

Dentro de los fenómenos naturales que estudia la geofísica, se encuentran el campo magnético terrestre (magnetometría), los flujos de calor terrestre (geotermia), la propagación de ondas sísmicas (sísmica y sismología) y el campo gravitatorio (gravimetría), entre otros. En un sentido amplio, estudia también los fenómenos extraterrestres que influyen sobre la Tierra, como lo son las manifestaciones de la radiación cósmica y especialmente el viento solar. De esta manera, es posible entender el funcionamiento del planeta en la actualidad y en su pasado remoto. Para la geofísica, la Tierra constituye un laboratorio en el que se realizan observaciones, se plantean hipótesis científicas y se ponen a prueba.

12 | Nicolás Scivetti, Marcos E. Bahía, Jorge O. Spagnuolo

Áreas de estudio de la geofísica

Las áreas de estudio en las que es posible dividir la geofísica, pueden plantearse según diferentes criterios. Una de esas propuestas consiste en dividir a la geofísica en las siguientes áreas (Lastovicka et al., 2011):

Gravimetría Geoelectricidad Sismología y estructura de la Tierra Aeronomía Geotermia Física Magentosférica y Viento solar Geodinámica Planetología Geomagnetismo

Exploración geofísica

Esencialmente, son métodos que utilizan instrumentos cuya función es registrar los cambios en las propiedades físicas del subsuelo. Por lo tanto, implica la aplicación de principios de varias ciencias físicas y se relaciona con la medición de las pro-piedades de las rocas, como la densidad, la velocidad, la susceptibilidad magnética y la resistividad (Wren, 1988).

Prospección geofísica

La prospección geofísica es el conjunto de métodos utilizados por la geofísica aplicada. Es decir, constituyen los estudios de áreas relativamente pequeñas, profundidades de unos pocos kilómetros, y su finalidad es la obtención de un fin económico inmediato.

Métodos geofísicos

Los métodos geofísicos pueden ser divididos en dos grandes grupos. Los métodos potenciales son aquellos que evalúan las condiciones propias y naturales de la Tierra que suministran suficiente energía como para ser registrables (Ej. Gravimetría y geomagnetismo) mientras que los inducidos son aquellos en los que se envía energía al medio geológico para luego medir la respuesta del mismo (Ej. Sísmica y geoeléctrica).

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Campo de aplicación profesional

La geofísica es una ciencia que posee una alta demanda laboral. El campo de aplicación de sus conocimientos es amplio e incluye tanto el ámbito de la investí-gación y docencia (universidades, laboratorios, centros de investigación e insti-tutos) como el área privada (compañías petroleras, mineras, de recursos hídricos, consultoras, etc.).

Introducción y generalidades sobre los métodos de prospección

Existe una gran variedad de métodos de prospección geofísica que se basan en la diferencia de propiedades de los materiales. Se puede inferir información sobre la composición del subsuelo mediante la evaluación de algún parámetro físico medido desde superficie, como ser la velocidad de transmisión de una onda mecánica, variaciones de un campo gravitacional producidas por diferencias de densidad o la intensidad de una corriente asociada a la resistividad de un material (Spagnuolo, 2014).

Los distintos métodos ofrecen una forma de obtener información acerca de las condiciones del suelo y de las rocas del subsuelo. Esta capacidad de caracterizar rápidamente las características del subsuelo ofrece una relación costo/beneficio más baja y, comúnmente, con menos riesgo ambiental. Generalmente, se deben utilizar y combinar más de un método para lograr obtener la información deseada. Los resultados de investigaciones geofísicas son datos numéricos o registros gráficos que deben ser interpretados posteriormente. Para los geólogos, constituyen técnicas indirectas, pero de gran valor interpretativo.

Para poder obtener algún resultado utilizando un método geofísico durante una prospección, es necesario que se presenten tres condiciones fundamentales (Spagnuolo, 2014):

1 Que existan contrastes significativos entre los materiales estudiados (ano-malías).

2 Que esas anomalías se puedan detectar y medir.

3 Que sea posible vincular esas anomalías para establecer la correlación con la geología del subsuelo.


a) Magnetismo terrestre

El denominado geomagnetismo investiga el campo magnético terrestre, su medi-ción, su origen, su evolución en el tiempo y el espacio, y su utilidad para ayudarnos a comprender más acerca de las características de la Tierra. El paleomagnetismo es el estudio del registro dejado en las rocas y ha contribuido significativamente en el entendimiento del campo magnético del pasado. Ambos poseen aplicaciones puras y aplicadas en la prospección de hidrocarburos y minerales, en la navegación, en la datación de rocas y en el movimiento de placas (Gubbins y Herrero-Bervera, 2007). La generación de los campos magnéticos parece estar relacionada con el movimiento de la materia fluida conductora de electricidad en el interior de la Tierra, de tal forma que el planeta actúa como una dinamo auto-excitada (Spagnuolo, 2014).

a1) Prospección magnética

La Tierra es un imán natural que da lugar al campo magnético terrestre. Las pequeñas variaciones de este campo, pueden indicar la presencia, a cierta pro-fundidad, de sustancias magnéticas. Este método, se basa en las diferencias de susceptibilidad magnética de las rocas, es decir el grado en que pueden ser afectadas por el campo magnético de la Tierra. Los estudios magnéticos expresan diferentes resultados en función del contenido de minerales magnéticos en sedimentos y rocas.

Por ejemplo, el campo magnético de la Tierra afecta a los yacimientos que contienen magnetita (Fe). Estos yacimientos refuerzan el campo magnético na-tural. Por medio de magnetómetros se miden las anomalías magnéticas desde la superficie terrestre, las cuales podrían ser producidas por un yacimiento (Spagnuolo, 2014).

Este método es utilizado en la prospección de yacimientos minerales, en la loca-lización de tubos, cables y objetos metálicos ferrosos, artillería militar enterrada (minas, bombas, etc.), tambores metálicos enterrados (conteniendo residuos con-taminados o tóxicos, etc.), restos arqueológicos, diques ígneos, límites geológicos con contraste magnético (incluyendo fallas), entre otros (Reynolds, 2011)


b) La gravedad terrestre

El campo gravitacional de la Tierra se entiende generalmente como el campo generado por la masa del cuerpo terrestre. Sin embargo, las mediciones reales realizadas en la superficie incluyen componentes de mareas debido al Sol, la Luna (y teóricamente a otros planetas) y la atmósfera, así como la aceleración centrífuga debido a la rotación de la Tierra. Por lo tanto, las y los geodestas distinguen entre la gravitación terrestre (atracción de la Tierra) y la gravedad (gravitación más aceleración centrífuga), donde los efectos de marea y atmosféricos se tratan como correcciones (Gupta, 2011). La gravimetría efectúa mediciones a fin de determinar el campo gravitatorio terrestre intentando explicar sus variaciones.

b1) Prospección gravimétrica

El método está basado en el estudio la variación de la componente vertical del campo gravitatorio terrestre. Mediante instrumentos denominados gravímetros se realizan mediciones relativas de gravedad que detectan variaciones laterales de un lugar al otro y posteriormente se los compara con valores del campo gravitatorio absoluto. La prospección gravimétrica es un método muy importante en la búsqueda de depósitos minerales ya que grandes cuerpos mineralizados pueden aumentar los valores de gravedad en una región determinada. En la industria del petróleo se utiliza para establecer los límites de cuencas y lineamientos regionales. El relieve en la periferia de la estación de medición tiene una influencia crítica sobre este método de prospección y sus efectos deben ser corregidos, por lo que la gravimetría es más dificultosa de procesar en zonas de relieve abrupto.

c) Sismología y sísmica

La sismología es una rama de la geofísica que se encarga del estudio de terremotos y las ondas producidas por estos (fuente natural). Por su parte, la sísmica se ocupa de generar ondas mediante fuentes artificiales en superficie (o subácueas), recibir las señales después de que han viajado por el interior del subsuelo y de su grabación o registro para su posterior análisis (Gupta, 2011).

Tanto la sismología como la sísmica, mediante el registro y análisis de las ondas sísmicas, estudian la constitución interna de nuestro planeta, aunque a diferentes


profundidades y con diferentes objetivos. Casi todo lo que se conoce sobre la com-posición y estructura de la litosfera, el manto y el núcleo terrestre se ha deducido por el análisis de las ondas sísmicas.

c1) Métodos Sísmicos

El método sísmico permite obtener una imagen muy aproximada del subsuelo, y permite reconocer estructuras geológicas como discontinuidades, sinclinales, anti-clinales, fallas, domos, entre otras. Estas discontinuidades, coinciden generalmente con las discontinuidades estratigráficas. Existen dos grandes métodos sísmicos: el de reflexión y el de refracción. El método sísmico de reflexión es el más empleado en prospección petrolífera ya que resulta más adecuado para alcanzar grandes profundidades. El método sísmico de refracción es un conjunto de técnicas de estudio del subsuelo, cuyo objetivo es determinar la velocidad de propagación de las ondas en las diferentes unidades del subsuelo por las cuales se han propagado. Es especialmente útil para trabajos de ingeniería civil y estudios hidrogeológicos. Además de la exploración de hidrocarburos, los métodos sísmicos tienen un número considerable de otras aplicaciones, como ser (Reynolds, 2011):

Características geológicas: Información petrofísica:

Profundidad del basamento Módulos elásticos

Medida del espesor de glaciares Densidad de las rocas

Localización de fallas y zonas de falla Atenuación de amplitud

Desplazamiento de fallas Porosidad

Ubicación de valles enterrados Velocidades de onda elástica

Determinaciones litológicas Anisotropía

Estratigrafía Ripabilidad

Ubicación de diques ígneos

d) Geoeléctrica

La geoeléctrica es el estudio del flujo de corrientes eléctricas en la Tierra. Todas las corrientes eléctricas (naturales o artificiales, locales o globales) en la Tierra se denominan corrientes terrestres. El término corrientes telúricas está reservado para las corrientes eléctricas naturales a nivel global cuyos orígenes están casi


completamente fuera de la atmósfera. Las variaciones en el tiempo de cualquier campo magnético se asocian a un campo eléctrico que induce corrientes eléctricas en medios conductores como la Tierra (Yungul, 2019).

d1) Métodos eléctricos

Los métodos geoeléctricos utilizan corrientes eléctricas naturales y artificiales para explorar las propiedades del interior de la Tierra y buscar recursos (Yungul, 2019). Se basan en la conductividad o la resistividad eléctrica de las rocas, las cuales son propiedades intrínsecas de los materiales. Por ejemplo, los sulfuros presentan baja resistividad eléctrica y las micas presentan muy alta resistividad. Las mediciones se realizan sobre corrientes generadas espontáneamente en el subsuelo o inyectando corriente con distintas configuraciones de electrodos. Su alcance con respecto a la profundidad depende del tipo y de la longitud de la configuración que se haya realizado en superficie y de la potencia de la corriente eléctrica inyectada.

d2) Método de Resistividad

Los métodos que se encargan de determinar la resistividad de subsuelo son, sin duda, en todas sus modalidades los más importantes de todos los métodos eléctricos. El 70% de los estudios de geofísica realizados para estudios hidrogeológicos utilizan diferentes métodos eléctricos resistivos.

d2-I) Sondeo Eléctrico Vertical

El más importante de los métodos de resistividad es el Sondeo Eléctrico Vertical (SEV). Encuentra su aplicación principal en regiones cuya estructura geológica puede considerarse formada por estratos horizontales. La finalidad del SEV es la determinación de las profundidades de las capas del subsuelo a través de variaciones en la resistividad de las mismas. La profundidad de investigación es función de la configuración electródica.


d2-II) Calicata Eléctrica

La calicata eléctrica trabaja con distancia interelectródica constante, por lo que la profundidad de investigación también es constante. Este método se emplea prin-cipalmente para detectar y delimitar cambios laterales en la resistividad, como ser estratos no horizontales, fallas, filones, etc.

d2-III) Tomografía eléctrica

La tomografía eléctrica involucra la visualización de alguna propiedad eléctrica del subsuelo (ej. resistividad), mediante secciones continuas, generalmente cortes ver-ticales, aunque actualmente ya se trabaja en tres dimensiones. Esta metodología es intensiva y de alto detalle o resolución y permite no solamente la prospección de los acuíferos, sino que mediante su observación en el tiempo (4D), se puede observar la dinámica hídrica. Se usa, por ejemplo, en controles de contaminantes para estudios medioambientales.

e) Georradar o GPR (Ground Penetrating Radar)

Es un método que emplea ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia (a partir de 10MHz y mayores hasta superar los 2 GHz) analizando la reflexión de las mismas. Dada su altísima frecuencia, permite investigación a relativamente poca profundidad en el subsuelo, pero con una muy alta resolución.

Menciones de otras ramas de la ciencia donde participa la geofísica

Hidrología

Es la principal ciencia que estudia las aguas continentales sobre y bajo la superficie terrestre y en la atmósfera. La circulación constante de agua desde las zonas con-tinentales hacia el mar a través de los ríos, la evaporación en los mares y océanos, la evapotranspiración por parte de la biosfera, las precipitaciones y la infiltración en el subsuelo, constituyen el ciclo hidrológico. Especialmente, en esta rama de la


ciencia, la geofísica intenta determinar la distribución, circulación y almacena-miento de las aguas subterráneas.

Volcanología

Los estudios volcanológicos se refieren a la erupción en superficie de magma, fragmentos del aparato volcánico y de gas desde el interior de la Tierra. También estudia las estructuras y los depósitos asociados a dicha actividad. En la vol-canología, la geofísica se encarga por ejemplo del monitoreo de aparatos volcánicos y de los sismos asociados con esta actividad.

Fenómenos atmosféricos

La aeronomía estudia fenómenos de la atmósfera alta y de la física magnetosférica. El campo magnético terrestre interacciona con el viento solar para formar la magnetósfera que presenta una dimensión de hasta 100.000 kilómetros pasando por el centro terrestre. La geofísica participa en el estudio de la atmósfera alta a través de la riometría. La riometría analiza la capacidad de la ionósfera para filtrar ondas electromagnéticas.


Aplicación combinada de gravedad y magnetismo: El separador isodinámico

Es un instrumento diseñado para la separación de diferentes grupos mineralógicos en función de las susceptibilidades de cada mineral. Se lo conoce como Separador Isodinámico de Frantz o Mesa de Frantz.

Este equipo consiste en un gran imán alimentado por corriente variable que permite, según el amperaje circulante, generar diversas intensidades de campo magnético. Además, el equipo puede inclinarse hacia arriba y hacia abajo y en forma lateral. En función de la inclinación y la corriente circulante, dominará la fuerza gravitatoria o la magnética sobre fragmentos minerales que circulan a través de una regleta interna al imán. Así, se podrán realizar diferentes separaciones minera-lógicas. Ver esquema y tabla de amperaje e inclinación para diferentes minerales (Fig. 12.15).

Pendiente del equipo 20º Pendiente del equipo 5º A B C D E F

Magnéticos (Amperaje) Altamente magnéticos

0.4 0.8 1.2 1.2 1.2

Magnetita Emenita Horblenda Diopsido Esfena Circón

Pirrotita Granate Hipersteno Tremolita Leucoxeno Rutilo Olivino Augita Enstantita Apatito Anatasa

Cromita Actinolita Espinela Andalucita Brockita

Cloritoide Estaurolita Estaurolita Monacita Pirita

Epidoto (Clara) Xenotina Corindón

Biotita Moscovita

Topacio

Clorita Zoisita Fluorita

Turmalina Clinozoisita Cianita Silimanita

(Oscura) Turmalina Anhidrita

(Clara) Berilo Figura 12.15. Arriba: Separador isodinámico o Frantz. Abajo: Tabla de valores de corriente e inclinación para la separación de diferentes fases minerales

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