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Título del evento al que va dirigido
SÉPTIMA CONVENCIÓN CUBANA DE CIENCIAS DE LA TIERRA, GEOCIENCIAS´2017
Forma de presentación:
Evento IX Congreso Cubano de Geofísica (GEOFÍSICA´2017) Oral __X__ Poster ______
UTILIZACIÓN DEL SAMT DURANTE INVESTIGACIONES HIDROGEOLÓGICAS EN
URUGUAY.
Julián Andrés Ramos(1), Willy Roberto Rodríguez Miranda(2), Orlando Carraz
Hernández(2), Pablo Gamazo(2)
1. Departamento del Agua, Regional Norte, UdelaR. Salto, Uruguay.
2. Departamento de Geociencias, Facultad de Ingeniería Civil, CUJAE. Calle 114 No.11901 e/Ciclovía y
Rotonda, Marianao, La Habana, Cuba.
Aunque los estudios geofísicos para investigaciones hidrogeológicas siempre han tenido en los métodos
eléctricos de corriente continua, en particular el SEV, a sus principales exponentes, en las últimas décadas, la
utilización de técnicas electromagnéticas ha ganado reconocimiento. En particular, el método magneto-telúrico
ha incrementado sus posibilidades y en el área latinoamericana, se reportan varias experiencias a partir del año
2000. En esta oportunidad, se presentan algunos ejemplos de la utilización del SAMT en Uruguay como
resultado de las relaciones de colaboración entre el Departamento del Agua, de la Regional Norte, UDelaR y el
Departamento de Geociencias, de la Facultad de Ingeniería Civil, Cujae.
Se incluyen algunos resultados que forman parte de tres proyectos de investigación realizados en varias
localidades de la República del Uruguay. En el primer caso, se utilizó el SAMT para tratar de localizar zonas
fracturadas en la formación Arapey, constituida por basaltos, debido a que los pozos ubicados en el área del
acuífero, proporcionan caudales muy diferentes, al estar ubicados en un medio mixto, donde los basaltos están
recubiertos por secuencias sedimentarias. Los resultados obtenidos permitieron diferenciar varios horizontes,
con características eléctricas particulares, que podrían explicar las diferencias notables en los caudales
reportados en el área.
El segundo caso reporta los resultados de la utilización del SAMT en una situación geológica donde predominan
rocas graníticas y se necesitaba valorar la posibilidad de ubicar un pozo para el suministro de agua a la
ganadería, así como a actividades agrícolas familiares. Los resultados obtenidos permitieron aclarar el corte
geológico y las posibilidades colectoras en el área, así como apoyar los resultados de la interpretación de otros
métodos geofísicos utilizados.
El último caso muestra los resultados de una campaña más amplia, donde se ejecutaron 37 SAMT como parte
de un complejo de métodos geólogo-geofísicos y que tenía como objetivo caracterizar geológicamente un sector
del sistema acuífero Salto-Arapey. Los resultados aportados por el SAMT permitieron la confección de un
modelo geo-eléctrico del acuífero, así como la caracterización estadística de las cuatro principales formaciones
presentes en la región, donde fue posible demostrar la capacidad del SAMT para delimitar posibles zonas
colectoras en la región. Finalmente, se propuso un modelo de regresión que permite estimar los caudales que
podrían esperarse en el medio fisurado, utilizando los parámetros de Dar Zarrout obtenidos a partir de la
información de SAMT paramétricos y los resultados de las perforaciones disponibles en el área.
Los resultados presentados en esta ocasión muestran la efectividad del método magneto-telúrico durante las
investigaciones hidrogeológicas, sobre todo, para estudiar horizontes ubicados a profundidades que no siempre
son accesibles para los métodos eléctricos de corriente continua, así como su relativa facilidad para la
obtención de los datos primarios y sus costos, en general bajos.
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INTRODUCCIÓN.
En Uruguay, más del 50% del territorio está ocupado por acuíferos fisurados (Basamento Cristalino y Basaltos),
en los que el agua se almacena y circula en fracturas, fisuras y fallas, y ocasionalmente en el manto de
alteración. Estos acuíferos tienen la particularidad de que su aprovechamiento depende directamente de la
identificación y ubicación de estructuras portadoras (Montaño, 2005).
El conocimiento de la forma geométrica a esperar en profundidad, tiene gran importancia en el análisis de los
posibles recursos en aguas subterráneas de una región porque no todas las rocas o asociaciones de rocas
tienen la misma capacidad de almacenar y ceder agua (Bossi, 2007). Es necesario entonces conocer la
extensión, geometría y características de un acuífero para poder diseñar obras de captación. Existen diferentes
técnicas que pueden implementarse para resolver estas tareas. Entre ellas el SAMT es una posibilidad que
aunque ha sido utilizado en diversas investigaciones geofísicas, en el caso de estudios hidrogeológicos no
existen muchas referencias.
En esta ocasión se presentan tres ejemplos de la utilización del SAMT durante investigaciones hidrogeológicas
en Uruguay. Estas experiencias fueron el resultado de la colaboración establecida entre el Departamento del
Agua, Regional Norte, UDelaR y el Departamento de Geociencias, Facultad de Ingeniería Civil, Cujae que hasta
el momento ha permitido la asesoría, tanto en pregrado como postgrado, de los especialistas cubanos en la
formación de recursos humanos en tierras uruguayas.
Las campañas tuvieron lugar durante entre 2014 y 2016. Para la adquisición se utilizó un equipo modelo MTU-
5A de la firma Phoenix Geophysics conectado a dos dipolos eléctricos ortogonales formados por dos pares de
electrodos no polarizables con apertura MN de 50 m de longitud y a tres bobinas modelo AMTC30. Se colocó un
quinto electrodo en el centro de los dipolos, que funciona como referencia a tierra, y también se instaló el GPS
propio del equipo (Ramos, 2016).
Figura 1 - Equipo utilizado. Figura 2 - Configuración de campo.
Tanto los dipolos como las bobinas fueron orientados con brújula, tomando como referencia el norte magnético.
Las bobinas se nivelaron con un nivel de mano.
El AMT es una variante del método MT que se aplica en investigaciones someras. Se basa en los mismos
principios físicos que el método MT, pero trabaja en un rango de frecuencias más alto. A diferencia del MT, la
fuente pasiva que posee el AMT proviene de descargas atmosféricas producidas durante las tormentas
tropicales. Las ondas electromagnéticas generadas se denominan esféricas y se propagan en forma de onda
plana entre la superficie y la ionósfera terrestre. La palabra audio es agregada debida a que prácticamente
coinciden, la banda de frecuencias que emplea el método con la banda de audición humana. El hecho de que
las fuentes que utilizan el AMT y el MT sean pasivas, constituye una gran ventaja desde el punto de vista del
impacto ambiental de ambos métodos.
Los sondeos fueron realizaron con una duración promedio de una hora. El intervalo de frecuencias utilizado
durante de adquisición de las series de tiempo correspondientes a los campos eléctricos y magnéticos (Ex, Ey,
Hx, Hy, Hz) fue entre 10 000 a 1 Hz, lo que proporciona profundidades de investigación máximas teóricas entre
400 y 500 m, en dependencia del nivel de ruido. Esta profundidad de estudio es suficiente para el objetivo de
esta investigación.
Los datos fueron preparados y procesados para obtener por último los modelos geoeléctricos unidimensionales
para la interpretación. El procesamiento consiste en transformar las series de tiempo a su forma espectral de
donde se calculan los productos cruzados entre las componentes Hx y Ey y entre las componentes Hy y Ex con
el programa SSMT 2000 v. 0.6.0.69 provisto por el fabricante del equipo. A partir de éstos pares se calculan las
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impedancias en los ejes principales del tensor de impedancia (Zxy y Zyx) de donde se obtienen dos curvas de
resistividad y dos de fase correspondientes a la dirección de la estructura principal y en la dirección
perpendicular a ésta (Corbo, 2006).
Modelo geoeléctrico 1D
Previo a obtener el modelo de resistividad se realizó un análisis de distorsión electromagnética de cada
sondeo el cual arrojó como resultado que los mismos poseen características propias de un medio 1D.
Posteriormente se obtuvo la gráfica de resistividad y ángulo de fase del invariante del tensor de impedancia.
Este proporciona un promedio ponderado de las dos respuestas perpendiculares (o modos de polarización)
cuyo resultado es más preciso en tanto las funciones ((ρ(f) y ϕ(f)) difieran menos (Arzate et al., 2012).
El modelo unidimensional se obtuvo invirtiendo el invariante de la resistividad y de la fase de las curvas
interpoladas. Como la inversión de un sondeo geoeléctrico puede generar más de una solución se utilizó el
algoritmo Occam de capas suavizadas para una primera aproximación al que se superpuso otro modelo de
capas discretas para obtener el modelo final de resistividad en función de la profundidad.
El algoritmo de Occam propone un modelo geoeléctrico que se logra a partir del concepto de aspereza, la
cual se define como la integral del cuadrado de la primera derivada y la integral del cuadrado de la segunda
derivada, ambas de las resistividades en función de la profundidad. Utiliza el criterio de mínimos cuadrados
para evaluar la calidad del ajuste de los datos medidos respecto a los calculados. Por iteración matemática
el algoritmo obtiene un modelo que minimiza la aspereza y obtiene valores mínimos aceptables de X2. Este
es un problema no lineal, por lo que no existen garantías que la solución sea única (Corbo, 2006).
El tensor impedancia Z puede obtenerse a partir de la siguiente expresión:
Ei = Componente horizontal del campo eléctrico
Hi = Componente horizontal del campo magnético
Zij = componente del tensor de impedancia.
La resistividad y el ángulo de fase, ambos en función de la frecuencia pueden determinarse mediante las
siguientes expresiones:
= resistividad aparente
= ángulo de fase
i = -1
= frecuencia angular
= permitividad magnética
Z = impedancia electromagnética
Im = componente imaginaria
Re = componente real
El ajuste final de cada modelo se obtuvo modificando el espesor y la resistividad aparente de cada capa
utilizando un modelo más discreto, de manera tal que las curvas simuladas de resistividad aparente y ángulo
de fase, ambos en función de la frecuencia, coincidan con los datos medidos.
Es posible encontrar un grupo de reportes relacionados con el empleo del método MT en investigaciones
hidrogeológicas, cada uno con sus propias características y resultados [Quarto y Schiavone, 1994; Sainato,
2000; Arango, 2005; Mamani, Castiglione y Di Giuseppe, 2006; Corbo, Oleaga y Arzate, 2005 y 2012; Perttu et
al., 2012).
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DESARROLLO.
El objeto de estudio de este trabajo han sido varios sectores de la geología uruguaya, siempre con el objetivo
de aclarar las características hidrogeológicas, ante el escaso conocimiento existente en los mismos para el
adecuado aprovechamiento de los recursos hídricos.
El primer sector corresponde a un área al NO de la ciudad de Salto, dentro del sistema acuífero Salto-
Arapey, donde se describen las formaciones sedimentarias Fray Bentos y Salto, así como las rocas
basálticas de la formación Arapey.
Figura 1 – Ubicación geográfica y principales formaciones geológicas existentes en la Colonia Gestido. Tomado
de Ramos y otros, 2015.
El segundo sector se refiere a un padrón que se encuentra a 25 km en dirección SE de la ciudad de Melo
en el departamento Cerro Largo, Uruguay. Posee una superficie de 1.11 km2 en donde aparecen varios
surtidores de agua (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.). Según la carta geológica a
escala 1:500,000 y el mapa hidrogeológico a escala 1:1000,00 publicados por la Dirección Nacional de
Minería y Geología de Uruguay, ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., la geología
superficial está constituida por granitos indiferenciados de origen plutónico y no se reportan otros tipos de
rocas en el área [3].
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Figura 2 – Ubicación geográfica y principales formaciones geológicas existentes en el padrón
de Melo. Tomado de Ramos y otros, 2015.
El tercer sector abarca un área de mayor extensión del sistema acuífero Salto-Arapey, situado en el
suroeste del Departamento de Salto en la República Oriental del Uruguay. Ocupa una superficie total de
553 km2. Sus límites son el Río Uruguay al oeste, la Colonia San Antonio al este, el arroyo Itapebí Grande
al norte y el Río Daymán al sur. En la figura 1 se muestra la ubicación del área de estudio.
Figura 3 – Ubicación geográfica y principales formaciones geológicas existentes en el sector estudiado del
sistema acuífero Salto-Arapey. Tomado de Ramos, 2016.
Para el estudio hidrogeológico de estos sectores fueron utilizadas una combinación específica de métodos
geólogo-geofísicos con el objetivo de aclarar el modelo físico-geológico y evaluar los recursos hídricos en los
mismos, de manera que la ubicación de los pozos de captación fuera más precisa. En esta oportunidad, se
presentan solamente los resultados de la utilización del SAMT debido a su novedad en las investigaciones
hidrogeológicas.
1. Resultados en la Colonia Gestido.
El estudio fue realizado a solicitud de un grupo de agricultores con el fin de evaluar la posibilidad de ubicar
zonas de captación, debido a la irregularidad en los resultados obtenidos para los pozos existentes en el
área, donde en algunos casos se tenían buenos caudales y en otros estos se comportaban prácticamente
secos.
INIA III
I - MALVI - II
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Figura 3 – Resultados en la Colonia Gestido. Tomado de Ramos, 2016.
En todos los casos se describen, según la descripción geológica de las calas, una capa de suelo con menos
de 0.5 m, así como intercalaciones de arcilla y arena arcillosa no mayores de 20 m. Finalmente se
describen varios tipos de basaltos a profundidades nunca mayores de 70 m.
Como se puede observar de las curvas del SAMT, en el caso del INIA III, se observa un espesor de
aproximadamente 50 m en los basaltos donde existen valores bajos de resistividad coincidentes con la zona
productora de los pozos, mientras que en los MALVIS solo existen pequeños espesores en las zonas no
basálticas con valores bajos de resistividad en profundidades por encima de los 100 m que sin dudas no
garantizan caudales adecuados. Sin embargo pudiera ser posible encontrar zonas de interés, por debajo de
los 100 m en los basaltos, donde los valores de resistividad disminuyen rápidamente y pudieran indicar la
presencia de áreas colectoras importantes.
2. Resultados en el padrón de Melo.
En esta ocasión se ejecutaron dos puestas, una a cada lado del alineamiento propuesto en la zona sur del
padrón por el levantamiento magnético previo.
En la figura 5 se muestran los resultados de ambos sondeos, donde se hace evidente la presencia de tres
comportamientos de la resistividad en profundidad: una primera capa con un gradiente fuerte de resistividad
que no supera los 100 -m y un espesor menor a 5 m; una segunda capa donde las variaciones de la
resistividad son menores, no superan los 700 -m y un espesor cercano a los 30 m; una tercera capa con
un comportamiento mucho más homogéneo de la resistividad y alrededor de los 1000 -m.
Figura 5. Sondeos audio-magneto-telúricos a (izquierda) y b (derecha).
Los resultados del SAMT confirman la presencia de dos horizontes bien diferenciados, donde incluso, sería
posible desdoblar el primero en dos, correspondiendo la parte superior a la presencia del suelo poco
desarrollado en el padrón y la parte inferior a la zona de meteorización con espesores alrededor de los 30
m. El segundo horizonte, parece corresponderse con el granito no alterado.
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3. Resultados en un sector del sistema acuífero Salto-Arapey.
El área donde se ubica el sistema acuífero Salto-Arapey ha sido objeto de varias investigaciones, las que
han arrojado diferentes versiones de mapas geológicos con un grupo de diferencias atribuibles a la escala
en que fueron elaborados, así como que en general se refieren a actualizaciones de los primeros trabajos.
La versión más reciente corresponde al mapa geológico del área del Proyecto Piloto Concordia - Salto a
escala 1:50 000. Este fue un producto del Proyecto para la Protección Ambiental y Desarrollo Sostenible del
Sistema Acuífero Guaraní.
A diferencia de la Formación (Fm) Arapey, el resto de las formaciones corresponden a diferentes paquetes
sedimentarios. Recientemente, en el sector suroeste, se ha descrito una nueva formación que sobreyace a
la Fm. Salto y lleva el nombre del aeropuerto cercano, Nueva Hespérides.
La Fm. Arapey está integrada por la superposición de derrames basálticos con delgados niveles de
areniscas eólicas inter-estratificadas (Bossi, Caggiano y Olveira, 2011). Cada derrame o colada presenta
estructura interna diferente desde la base hasta la cima. Aunque esas asociaciones estructurales son
distintas, en cada derrame se dan solamente dos tipos fundamentales:
Tipo 1:
• basalto vesicular rojo fácilmente meteorizable
• basalto masivo de grano fino a muy fino
• basalto masivo muy fino
Tipo 2:
• basalto vesicular resistente a la meteorización con vacuolas tapizadas
• basalto masivo de grano grueso, fácilmente meteorizable
Explican que las rocas componentes siempre son basaltos, compuestos por labrador y augita en
proporciones equivalentes y que la presencia de cuarzo o de olivino produce modificaciones de la
composición química entre límites no demasiado alejados. Otra observación que realizan es que las
coladas tienen de 20 a 40 m de espesor y decenas de km2 de extensión. Desde el punto de vista textural y
mineralógico, el basalto presente en el área de estudio es equigranular medio a grueso con abundante
olivino.
Las características anteriores provocan las grandes variaciones en relación con los caudales existentes en
los pozos perforados en el área y que cortan los espesores de basaltos ampliamente extendidos tanto en
superficie como en profundidad.
Tabla 1 – Columna estratigráfica modificada de Montano, 2004.
En esta ocasión se realizaron 37 sondeos y con un espaciamiento de alrededor de 2.5 km, teniendo en
cuenta la distancia respecto a estaciones y líneas de alta tensión, el movimiento vehicular por carreteras,
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ductos y líneas de ferrocarril, para disminuir las afectaciones a la medición que estos producen. Otro criterio
fue que 10 coincidieran con pozos con descripción lito-estratigráfica (paramétricos), y el resto en lugares
donde no se cuenta con información de perforaciones o no existen perforaciones (exploratorios). Asimismo,
fueron proyectados de manera que se pudieran conformar diferentes perfiles con orientación NE-SO y E-O,
e interceptaran las principales estructuras geológicas descritas en el área.
En la figura 12 se observa un modelo geoeléctrico interpretado obtenido a partir de un SAMT. A la izquierda
se tiene una gráfica de cruces (x) que corresponde a los valores medidos de resistividad y ángulo de fase
del invariante del tensor de impedancia, ambos en función del inverso de la frecuencia, el período.
Superpuesto a los anteriores, con línea continua, se observa la curva simulada (tarea directa), obtenida a
partir del modelo 1D que se visualiza en el centro de la figura, cuya interpretación se muestra a la derecha.
En los sondeos paramétricos se observa que, por debajo del contacto entre el paquete sedimentario y el
basalto, la resistividad aparente aumenta en forma gradiente hasta una profundidad a partir de la cual toma
un valor alrededor de los 100 ohm-m que permanece prácticamente invariable por varias decenas de
metros. En la mayoría de los sondeos, se encuentra interesante el hecho de que, por debajo de los 100 m
de profundidad, la resistividad desciende nuevamente en una o dos capas con espesores de varias
decenas hasta centenas de metros. El descenso de la resistividad aparente puede deberse a que a esas
profundidades existan coladas de basalto con posibilidades colectoras, como sucede en la zona alterada y
fracturada supra-yacente al basalto masivo explicada anteriormente.
Figura 6. Ejemplo de modelo geoeléctrico interpretado (Ramos, 2016).
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Figura 18. Resistividad aparente interpolada. a) A 20 m sobre el nivel del mar.
b) A nivel del mar. c) a -60 m respecto del nivel del mar. d) A -140 m respecto del
nivel del mar.
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Como novedad científica se tiene que se realizó en Uruguay una investigación en que se utilizó la combinación
de métodos hidrogeológicos, SAMT y técnicas geomáticas para la caracterización geólogo-geofísica de un
sector del acuífero Salto-Arapey. Se propuso un modelo de regresión lineal que permite estimar caudales del
acuífero fracturado a partir de la información obtenida de la interpretación de SAMT y un modelo geólogo-
geofísico 3D integral del sistema.