UNIVERSIDAD CATOLICA SANTO TORIBIO DE MOGROVEJO
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL AMBIENTAL
CURSO: GEOLOGIA APLICADA A LA INGENIERIA CIVIL TEMA: “GEORADAR
(GPR)”.
ESTUDIANTES:
HURTADO GUEVARA, TOBIAS MENDOZA FARROÑAN, NESTOR PISFIL DIAZ, JUNIOR MICHAEL TARRILLO HUAMAN, JUNIOR
ASESOR:
MERINO RONCERO, JUAN
CHICLAYO- PERÚ
INDICE Error! Bookmark not defined. I. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN .................. ......... ................... ................... ................... ................... .............Error! II. FUNDAMENTO FUNDAMENTO TEÓRICOS TEÓRICOS DEL GEORADAR GEORADAR (GPR) ........... ......... .. ..Error! Bookmark not defined. 2.1 Origen y formación de las ondas electromagnéticas ……………………………………….5 2.2 Ecuaciones de Maxwell ..................................................................................5 2.3 Parámetros electromagnéticos de un medio…………………………………... medio………………………………… ...6 2.4 Propagación de una onda electromagnética …………………………………… 8 2.5 Velocidad de propagación y longitud de onda …………………………………. 8 2.6 Reflexión y refracción.……………………………………………………………. refracción. ……………………………………………………………. 9 2.7 Atenuación…………………………………………………………………………. Atenuación…………………………………………………………………………. 9
III. EQUIPOS UTILIZADOS(GEORADAR)…………………………………………… UTILIZADOS(GEORADAR)…………………………………………….....10 .....10 3.1 Unidad central……………………………………………………………………. 10 3.2 Antenas y tipos de antenas …………………………………………………….. 11 3.3 Ordenador portátil………………………………………………………………...12 3.4 Odómetro……………………………………………………………………… ……13
IV.
PLANIFICACIÓN, PLANIFICACIÓN, ADQUISICIÓN ADQUISICIÓN E INTERPRETACIÓN INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS DATOS ....... 13 4.1 Método de adquisición de los datos …………………………………………… 13 4.1.1 Reflexión…………………………………………………………………13 4.1.2 Medición de velocidad del medio…………………………………….. 15 4.1.3 Sondeos………………………………………………………………… Sondeos………………………………………………………………… 16 4.2 Procesamiento de datos………………………………………………………... datos……………………………………………………… ...17 4.2.1 Ajuste del cero (Offset)……………………………………………… (Offset )………………………………………………... ...17 4.2.2 Ajuste de la escala horizontal………………………………………… horizontal………………………………………… 17 4.2.3 Filtrado…………………………………………………………………... Filtrado…………………………………………………………………... 18
V.
APLICACIONES……………………………………………………………………….18 5.1 Aplicaciones en la Ingeniería Civil…………………………………………… ..18 5.2 Aplicaciones a la Arqueología…………………………………………………. Arqueología …………………………………………………. 19 5.3 Aplicaciones para el Medio- Ambiente…………………………… Ambiente………………………………………… ……………19 5.4 Aplicaciones para la Geotecnia………………………………………………... Geotecnia……………………………………………… ...20 5.5 Aplicaciones para usos Policiales …………………………………………….. 20
VI.
CONCLUSIONES………………………………………………………………………22
VII. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………23
INTRODUCCIÓN El Georadar (GPR) es una técnica geofísica no destructiva que proporciona una imagen del subsuelo midiendo diferencias en las propiedades electromagnéticas de los materiales. Dichas propiedades son definidas por una serie de parámetros que, junto con las características de la onda emitida, determinan la propagación de la energía del pulso electromagnético por el medio. El resultado es la generación de una imagen del subsuelo con una altísima resolución vertical y lateral permitiendo caracterizar el entorno. El radar de subsuelo ofrece la mejor solución de investigación con la mejor resolución posible. Las antenas de alta frecuencia ofrecen un método fiable y no destructivo de recopilación de información del subsuelo en tiempo real de forma eficiente y precisa. La técnica se basa en la emisión y recepción de ondas electromagnéticas. A partir de los tiempos de llegadas de las ondas reflejadas y la velocidad de propagación, las ondas en el medio en el cual se deslizan las antenas, es preciso deducir la profundidad a la cual se encuentra el objeto reflector. La tecnología del Georadar, es relativamente reciente puesto que los primeros ensayos datan de primeras décadas del siglo XX, en la década de los 70 se logro el desarrollo de un método practico. Los primeros estudios fueron orientados hacia las áreas de geología y glaciología, pero rápidamente se encontró aplicación en otros campos como el de la ingeniería civil. Las primeras etapas de investigación fueron conducidas a la determinación de las propiedades electromagnéticas de los materiales investigados, así como a encontrar un rango de frecuencias en el cual el funcionamiento fuera óptimo. A fines de los 80 y principios de los 90 se completa el diseño y la construcción de los primeros equipos, tales como se conocen en la actualidad. El funcionamiento de Georadar es similar al de un radar de detección, la diferencia fundamental radica en el medio de propagación, el cual en el caso del Georadar es de tipo heterogéneo. En la siguiente investigación expondremos este tema con todo lo indagado, analizado y sintetizado, para llegar a varias recomendaciones y conclusiones.
II. FUNDAMENTOS TEORICOS EN LOS QUE SE BASA EL GEORADAR El Georradar (GPR) se basa en la emisión de impulsos electromagnéticos de muy corta duración (entre 1-10 ns) en la banda de frecuencias de UHF-VHF (normalmente entre 10Mhz y 2Ghz) y en el principio de reflexión de ondas electromagnéticas que se propagan en un medio. La propagación de estos pulsos electromagnéticos por un medio se puede definir teóricamente a partir de las ecuaciones de Maxwell para ondas electromagnéticas. Sus fundamentos teóricos son los mismos que los que un radar convencional emplea para detectar un avión, pero el georradar utiliza un ancho de banda más amplio y las antenas emisora, receptora se encuentran dirigidas hacia el medio a estudiar (subsuelo, estructura u objeto). Cada medio posee unas características electromagnéticas propias, que son: la permitividad o constante dieléctrica relativa ( ε ), la permeabilidad magnética relativa (µ) y la conductividad eléctrica ( σ ).
2.1 Origen y formación de las ondas electromagnéticas. Las cargas eléctricas al ser aceleradas originan ondas electromagnéticas. El campo E originado por la carga acelerada depende de la distancia a la carga, la aceleración de la carga y del seno del Angulo que forma la dirección de aceleración de la carga y la dirección al punto en que medimos el campo (sen θ). Un campo eléctrico variable engendra un campo magnético variable y este a su vez uno eléctrico, de esta forma las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío sin soporte material.
2.2 Ecuaciones de Maxwell La forma básica para describir los fenómenos electromagnéticos relacionados con la óptica ondulatoria son las ecuaciones de Maxwell. Los métodos de prospección se explican, teniendo en cuenta por un lado los conceptos de óptica geométrica, y por otro la teoría de campos electromagnéticos cuyas ecuaciones como ya señalamos fueron formulados por Maxwell, mediante las cuales se relacionan los campos eléctricos y magnéticos. En el sistema CGS Gauss se escriben estas ecuaciones para el campo eléctrico y magnético:
Donde H es el campo magnético, E es el campo eléctrico, D es el vector desplazamiento, B es el vector inducción magnética, j es la densidad de corriente, ρ es la densidad de carga, y c es una constante de proporcionalidad (velocidad de la luz en el vacío). Las ecuaciones de Maxwell se complementan con las denominadas relaciones constitutivas:
Donde ε es la constante dieléctrica, μ es la permeabilidad magnética y σ es la conductividad eléctrica. En un medio dieléctrico homogéneo, isótropo y sin carga, ρ = 0, σ = 0, ε y μ = ctes.
2.3 Parámetros electromagnéticos de un medio. Se ha visto en el apartado anterior que las ecuaciones de Maxwell ligan los campos eléctrico y magnético con las fuentes que los producen, a partir de una serie de parámetros constantes para cada medio determinado. Estas constantes definen electromagnéticamente el medio: conductividad, la Permitividad dieléctrica y la permeabilidad magnética. Estos tres valores son complejos. -
Conductividad eléctrica (σ).
La conductividad de un medio nos proporciona una medida de la respuesta de sus cargas libres en presencia de un campo eléctrico externo, siendo el factor de proporcionalidad entre el campo libre aplicado y la densidad de volumen de corriente debido al movimiento de estas cargas libres. Se pueden distinguir: - Materiales conductores (Valores para la conductividad mayores de 105 S/m) - Materiales s emic onductores . (Valores para la conductividad entre 10-8 S/m y105S/m) - Materiales ais lantes (Valores para la conductividad menores de 10-8 S/m) En general, la conductividad es un parámetro que puede variar, en un mismo medio, ya que no depende solo de los cambios de materiales del medio.
-
Permitividad dieléctrica (ε).
Es una constante de proporcionalidad entre la intensidad del campo eléctrico externo aplicado y el vector desplazamiento eléctrico. La permitividad dieléctrica proporciona una medida de capacidad de polarización de un material en presencia de un campo eléctrico. Proporciona un valor de la respuesta estática del material cuando está en presencia de un campo eléctrico externo.
-
Permeabilidad magnética (µ).
Este parámetro relaciona la inducción magnética con la intensidad de campo magnético. La mayor parte de los materiales que nos encontramos en los estudios con Georadar (excepto aquellos que contengan materiales ferromagnéticos) se cumple que la permeabilidad magnética se aproxima a 1, y por lo tanto no depende de la frecuencia del campo magnético.
2.4 Propagación de una onda electromagnética. La radiación electromagnética es una forma de energía que puede ser únicamente observada por su interacción con la materia. La EMR está hecha de componentes eléctricos y magnéticos y es afectada por las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia con la cual entra en contacto.
2.5 Velocidad de propagación y longitud de onda. A partir de las ecuaciones desarrolladas por Maxwell, dada una onda plana que se propaga en un medio, es posible calcular las relaciones que definen la propagación de las ondas electromagnéticas en un material.
2.6 Reflexión y refracción. Un modelo muy sencillo del subsuelo, con respecto al Georadar, está constituido por una serie de capas estratificadas. El comportamiento electromagnético de cada capa viene descrito por su permitividad dieléctrica, permeabilidad magnética y conductividad dieléctrica. Cada capa del subsuelo se comporta como un filtro sobre la señal electromagnética, que al propagarse se atenúa y se
dispersa.
2.7 Atenuación Se denomina factor de atenuación, al parámetro que caracteriza el grado de disminución de la amplitud de onda, conforme aumenta la distancia al punto de emisión (antena), siendo sus unidades m-1 y su expresión matemática la siguiente:
Este parámetro permite obtener el grado de decaimiento de la amplitud de la onda conforme esta se propaga por el medio.
III. EQUIPOS UTILIZADOS (GEORADAR). Un equipo de radar de subsuelo funciona de la misma forma que cualquier otro sistema de radar, es decir, consiste en una antena emisora, una antena receptora, un sistema de control de la radiación y una unidad de almacenamiento de registros. El equipo de Georadar está formado, fundamentalmente, por:
3.1 Unidad central. La unidad central o unidad de control de un Georadar es donde se realiza la coordinación y control de las antenas, de los diversos accesorios que se pueden añadir al equipo básico y de la señal emitida. También coordina el almacenamiento de la señal en algún tipo de soporte (magnético, fotográfico, en papel) y, en algunos casos, permite realizar el tratamiento básico de las señales durante la adquisición de datos. Esta unidad lleva implementado un programa informático que realiza el procesado básico de señal.
3.2 Antenas y tipos de antenas. Las antenas son una parte fundamental del equipo básico ya que son elementos encargados tanto de emitir el pulpo electromagnético al medio como de recibir la energía que regresa a la superficie tras haber sufrido una reflexión.
A ntena emi s ora: trasformada los impulsos eléctricos que recibe de la unidad central en ondas electromagnéticas de corta duración que se emiten hacia el medio que se quiere estudiar.
A ntena rec eptora: capta la energía reflejada y transformada en pulsos eléctricos que envía a la unidad central (UC). Ambas antenas emisora y receptora, están integradas en un mismo elemento. -
Tipos de antenas
Las antenas utilizadas por el georradar se pueden clasificar en Monoestáticas y Biestáticas
Antenas monoestaticas: en este tipo de antenas se emite y se recibe una onda electromagnética de una frecuencia dada. Con este tipo de antena se pueden adquirir datos mediante los métodos de perfiles, mediciones puntuales y sondeos.
Antenas biestaticas: en este tipo de antenas la unidad emisora esta separada de la unidad receptora, lo cual nos permite obtener los datos mediante los métodos utilizados con las antenas monoestaticas, así como punto medio en común y tomografías.
3.3 Ordenador portátil. Incorpora un software de registro de la señal electromagnética, que la procesa y permite una representación gráfica pudiéndose visualizar el perfil de georadar en tiempo real.
3.4 Odómetro. Es un dispositivo que indica la distancia recorrida. Se conectan a las antenas. Como la propia definición indica, sirven para determinar la posición de los diferentes puntos de los perfiles.
IV. PLANIFICACIÓN, ADQUISICIÓN E INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS. 4.1 Método de adquisición de los datos. Los métodos de toma de datos se pueden clasificar en tres grupos: reflexión, medición de la velocidad del medio y sondeos.
4.1.1 Reflexión Estos métodos se basan en la emisión durante un corto periodo de tiempo, posteriormente ésta viaja por el subsuelo hasta que encuentra discontinuidades y la energía es reflejada llegando de nuevo a la antena.
• Puntual. Esta manera de adquisición de datos se utiliza cuando no es posible el desplazamiento de las antenas, o es difícil el desplazamiento uniforme de las mismas, como puede ser el caso de zonas con gran pendiente u obstáculos.
• Perfiles. Para la toma de datos se desplaza la antena sobre la línea que queremos medir. En el caso de emplear una antena biestática hay que mantener la separación entre la antena emisora y receptora. Algunos equipos de georradar permiten que se acople un GPS y así referenciar el trabajo.
• Malla tridimensional. En este método se recogen los perfiles referenciándolos entre sí para posteriormente unirlos y formar una imagen tridimensional. La malla debe cumplir ciertas características para obtener una medición satisfactoria. La principal ventaja de este método es que facilita la interpretación. Por ello es apropiado para zonas complejas como por ejemplo en la ciudad donde están enterradas gran cantidad de tuberías y cables.
4.1.2 Medición de velocidad del medio. Los métodos de punto medio común (CMP) y Reflexión y refracción de gran ángulo (WARR) se emplean con antenas biestáticas, una antena emisora y otra receptora. Ambos son empleados para obtener un cálculo de la velocidad de la señal radar en función de la profundidad. Para ello varían el espaciado entre antenas en una localización fija y miden el tiempo de viaje de la señal.
• Punto medio común (CMP). Es un método utilizado para medir la velocidad y en consecuencia profundidades. Las antenas emisoras y receptoras son desplazas a partir de un punto central. Si únicamente tenemos un reflector en el subsuelo obtenemos en la representación espacio-tiempo la gráfica de una hipérbola.
• Reflexión y refracción de gran ángulo (WARR). Este método es similar al anterior, pero en vez de desplazar las dos antenas se deja fija una de ellas. Los registros obtenidos mediante esta técnica contienen diferentes eventos: • Onda aérea, se propaga directamente de una antena a otra por el aire. • Onda directa, se propaga por el medio superior. • Ondas reflejadas, se producirá una por cada contraste electromagnético brusco. • Ondas críticamente refractadas, se producirá una por cada discontinuidad electromagnética cuando la velocidad de propagación sea mayor en el medio inferior que en el inferior.
4.1.3 Sondeos. En estudios de sondeos también es posible utilizar los dos tipos de antenas: manoestáticas y biestáticas. Ya se ha comentado que, en algunos casos (cuando existen dos sondeos paralelos), el tipo de dispositivo que puede emplearse es similar al utilizado para una tomografía o transiluminación. En el caso de realizar un estudio de un único sondeo con una antena manoestática.
con antenas biestáticas se puede preceder de igual manera que con monoestáticas en un solo sondeo, o pueden utilizarse de forma similar a las tomografías
4.2 Procesamiento de datos. En función de lo que se esté buscando y de la calidad de los registros será preciso un mayor o menor procesado de los datos. A veces los propios datos en bruto pueden servir y no es necesario un procedo de los mismos. Si los datos que se obtienen no son claros por la cantidad de ruido que contienen será necesario un mayor procesamiento. A continuación, daremos una breve explicación de las diferentes técnicas de procesado.
4.2.1 Ajuste del cero (Offset). Se puede definir como el retardo de tiempo desde que es emitida la señal hasta que entra en contacto con la superficie del suelo. La corrección consiste en sincronizar el contacto de la señal en el subsuelo con el comienzo del conteo del tiempo. Este ajuste debe realizarse antes de la aplicación cualquier tipo de filtro o interpretación de datos. El sistema GSSI permite corregirlo tanto en campo como en post-proceso.
4.2.2 Ajuste de la escala horizontal. Es una normalización de la escala horizontal para conseguir eliminar los efectos de la dificultad de desplazar la antena a una velocidad constante. Para ello es importante tomar medias intermedias de distancias y así conseguir una buena representación de la escala horizontal. Cuando se utiliza un odómetro en la medición este paso no es necesario ya que la escala se ajusta automáticamente.
4.2.3 Filtrado. El filtrado se aplica para eliminar ruido, siendo importante procurar no perder información. Se pueden dar diferentes clasificaciones de filtros. Hay varios tipos de filtros, así como distintas clasificaciones para estos filtros. Según a que parte del registro se aplique encontramos:
Filtros horizontales. Es un procesado digital de la señal que se aplica horizontalmente a las diferentes trazas del registro. El objetivo es eliminar el ruido de fondo de las señales. Este ruido puede estar localizado a lo largo de todo el r egistro o en un número limitado de trazas.
Filtros verticales. Estos filtros se aplican en la dirección vertical o lo que es lo mismo del tiempo. Con este tipo de filtro se atenúa la señal en cada traza. Para seleccionar la frecuencia de corte se aplicada la transformada de Fourier y así se obtiene un registro de frecuencias.
V. APLICACIONES. El GPR es aplicado en la ingeniería civil (estructural-vial), en estudios del medio ambiente, así como aplicaciones geológicas, exploración minera de placeres, geotecnia y arqueología entre otras. En particular, algunas de las aplicaciones son:
5.1 Aplicaciones en la Ingeniería Civil. El Georradar resulta muy útil para localizar todo tipo de servicios públicos y utilidades debido a que en muchos lugares no hay planos de las redes existentes y ante la necesidad de intervenir las vías o realizar cualquier tipo de trabajo de mantenimiento o adecuación se hace indispensable conocer que hay en el subsuelo. Otras aplicaciones en Ingeniería Civil: • • • • • •
Estudio de características del suelo Densidad de pavimento Ubicación de estructuras enterradas Detección de zapatas, muros, cimentaciones Análisis de composición de suelos, lecho rocoso Perfil Estratigráfico
5.2 Aplicaciones a la Arqueología. Desde épocas inmemorables el hombre se ha interesado por conocer su pasado a través del estudio de elementos materiales antiguos que han perdurado a través del tiempo. Equipos como los Georradares, localizadores, detectores, buscadores de tesoros y demás instrumentos geofísicos nos han ofrecido la posibilidad de encontrar estos vestigios. Estudios previos a excavaciones - Ubicación de restos arqueológicos, galerías, tumbas, objetos - Ubicación de ruinas, cementerios, cuevas - Búsqueda de vestigios de culturas precolombinas
5.3 Aplicaciones para el Medio-Ambiente. Ya que el Georadar proporciona a los científicos una imagen de lo que hay debajo de la superficie de la tierra, esta tecnología puede desempeñar un papel muy importante en la protección de nuestro medio ambiente para las generaciones futuras. Unas de las aplicaciones más importantes de Georadar es la ubicación de las amenazas que potencialmente podrían causar efectos perjudícales sobre el medio ambiente y las especies vulnerables de plantas y animales.
5.4 Aplicaciones para la Geotecnia. El método del Radar de Penetración de Suelos (GPR) se ha ido integrando en los estudios geotécnicos, ya que ha generado excelentes resultados en la definición estructural y litológica de los suelos. - Capas de estratos. - Aguas subterrâneas. - Masa de raices. - Suelo perturbado. - Madera enterrada. - Rocas.
5.5 Aplicaciones para usos Policiales El Georadar ayuda a los funcionarios públicos encargados de la prevención y detección de delito. En los casos penales, el GPR puede ayudar a preservar las prendas delicadas utilizados como prueba, y tiene la capacidad de localizar áreas para permitir búsquedas mas detalladas de los investigadores. Otros usos de la GPR en cumplimiento de la ley incluyen. -Investigación forense -contrabando -objetos enterrados etc.
VI. CONCLUSIONES. -El método de prospección por GPR se basa en la emisión y recepción de ondas electromagnéticas, reproduciendo imágenes de alta resolución del subsuelo. - La profundidad de investigación y el grado de resolución depende del tipo de antena utilizada y de la frecuencia empleada. - En antenas apantalladas (alta frecuencia) se obtiene un mayor control de ruido, lo que quiere decir que se obtiene una mayor resolución y una menor profundidad de investigación en comparación con una antena no apantallada. - El GPR es un método de tipo no destructivo, en el cual no es necesario utilizar un contacto físico “electrodos” - El método es útil para buscar cuerpos con un gran contraste en las propiedades electromagnéticas con el medio encajante. - El método de prospección del GPR es similar al método sísmico de reflexión, en la toma de datos y en el procesamiento de estos. Se diferencian en el rango de la frecuencia utilizados, y en que las ondas utilizadas en GPR se propagan en función de las propiedades electromagnéticas del medio, y no dependiendo de las propiedades mecánicas del material como ocurre en el método sísmico. - Por lo que consideramos que, con esta investigación, hemos profundizado en un tema de gran interés y relevancia actual, el cual puede ser una herramienta muy importante que emplear en la resolución de problemas planteados al ingeniero geólogo.
VII. BIBLIOGRAFÍA. - Daniels, David J. (2004). Ground penetrating radar. IEE Radar, Sonar and Navigation series15. London. - Lorenzo Cimadevilla, Enrique (1996). Prospección geofísica de Alta Resolución mediante Geo-Radar, Aplicaciones a obras civiles. CEDEX, Ministerio de Fomento. Madrid. - Pérez García, Mª de la Vega (2001). Radar de subsuelo. Evaluación para aplicaciones en arqueología y en patrimonio histórico-artístico. Tesis doctoral UPC, 2001. - Acosta J. y otros. (2005). Resultados de la utilización del GEORADAR (GPR) en evaluación de yacimientos lateríticos de Cuba Oriental, GEOMINERA. -Bordehore J. (2002). Técnicas geofísicas em el reconocimiento de subsuelo: Georadar y tomografías eléctricas. -Petrash, D (2003). Investigación y exploración de acuíferos kárstico a través de Métodos Geofísicos, seminario de la Catedra Geofísica General, Universidad Central de Venezuela, Escuela de Geología, Minas y Geofísica. -Sánchez, K. (2004). Aplicación de radar de penetración de suelos (GPR) para la caracterización geotécnica de suelos. Trabajo de Grado. Universidad Central de Venezuela. Caracas, Venezuela. - GOODMAN, D. 1994. Ground-penetrating radar simulation in engineering and archaeology.
