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Aplicación del método electromagnético de inducción ligera parael análisis de la permeabilidad en medios fracturados (granito de

"El Berrocal", Sistema Central Español)

Application of the low-induction electromagnetic method for the permeability analysis in fractured rocks («ElBerrocal» granite, Spanish Central System)

Raquel De Vicente (1,2), Alfonso Muñoz-Martín (2), Antonio Olaiz (2) , Loreto Antón (2) y Gerardo de Vicente (2)

(1) Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera-CSIC, Barcelona.(2) Grupo de Tectonofísica Aplicada. Departamento Geodinámica, Universidad Complutense. 28040 Madrid. rdevicente@ija.csic.es; amunoz@geo.ucm.es

ABSTRACT

Fracture characterization in granites has been an important subject of study during these last years, bymeans of geological-structural cartography, hydrogeology and geochemical analysis. These works havebeen carried out to investigate the hydromechanics and permeability in low-permeability rocks. In thisstudy we apply a surface geophysical method in order to characterize the permeability of the fault zonesaffecting «El Berrocal» granite (Central System, Spain). The low-induction electromagnetic method (EM)gives us the apparent resistivity (ρa) values of the rocks at a maximum depth. As the ρa depends on thegranite alteration and/or the water content, this parameter allows estimating the relative permeability ofdifferent fracture zones. The obtained results show that the high-permeability fractures are those that arelarger ones which were active during Alpine deformation (Eocene-present).

Key words: Permeability, low-induction electromagnetic method, resistivity, fractures, Spanish CentralSystem

Geogaceta, 46 (2009), 39-42ISSN: 0213683X

Introducción

Los macizos graníticos suelen pre-sen ta r una pe rmeab i l idad ba ja yheterogénea, siendo las fracturas lasprincipales vías de flujo. La caracte-rización hidrogeológica de éstas serealiza mediante modelos discretos defracturas, para los cuales es necesariocaracterizar geométricamente la redde fracturación, y asignar valores depermeabilidad. El objetivo de este tra-bajo es la detección y cartografía defracturas conductoras en superficie, yla estimación de su permeabilidad re-lativa mediante la aplicación del mé-todo EM de inducción ligera. La zonade estudio ha sido el granito de «ElBerrocal», debido a que existen nu-merosos trabajos previos, y es posiblecalibrar los resultados con informa-c ión geo lóg i co -e s t ruc tu ra l ,hidrogeológica y geoquímica (Cam-pos et al ., 1996; Hidrobap Project,1999 ; Pé rez -López e t a l . , 2005 ;Elorza Tenreiro, F.J. (2002); PajaresGiménez, G., 2005).

Marco geológicoEl granito de «El Berrocal» se en-

cuentra en la provincia de Toledo,

cerca del término municipal de Esca-lona. Fisiográficamente forma partedel Sistema Central Español, estandolimitado al Norte por el Macizo deGredos, al Suroeste por la Sierra deSan Vicen te y a l Su r po r e l r í oAlberche (Fig. 1). Geológicamenteestá situado en las proximidades delborde sur del Sistema Central, el cualcabalga a los sedimentos terciarios dela Cuenca de Madrid (Fig. 1).

El macizo granítico se encuentrafuertemente fracturado (Fig. 1), y lacar tograf ía es t ructura l (HidrobapProject, 1999) muestra que existencuatro familias principales de fallas,con direcciones NNE-SSW, NE-SW,E-W y NW-SE. Éstas han sido inter-p re tadas como generadas en dose v e n t o s t e c t ó n i c o s p r i n c i p a l e s(Pérez-López et al., 2005): 1) Campode paleoesfuerzos extensional N-S,datado con una edad Permo-Triásica(240 ± 10 M.a.), con S HMAX segúnN100ºE; 2) campo de paleoesfuerzosAlpino (Eoceno - Actualidad?) conSHMAX entre N150º y N10ºE.

MetodologíaEl principio del método EM se basa

en la respuesta del terreno al paso de

las ondas EM. Por medio de una co-rriente alterna en una bobina transmi-sora (Tx) se crea un campo magnéticoprimario (Hp) ortogonal que se propa-ga por el aire y por el terreno (e.g.McNeill, J.D., 1980). Si en el terrenoexiste un conductor, se genera un cam-po magnético secundario (Hs). Unabobina receptora (Rx) recibe tanto Hpcomo Hs, y a bajos números de induc-ción (frecuencias < 50 kHz), la razónentre estos campos es proporcional a laconductividad del terreno (Sharma,1997). Durante este estudio se ha tra-bajado con el método EM de inducciónligera CM-031, que está compuestopor dos bobinas (Tx y Rx) montadas enuna barra rígida, espaciadas entre sí3.74 m y con una frecuencia de 9.8kHz. La toma de datos se lleva a cabososteniendo el equipo durante unossegundos en cada punto sin contactodirecto con el suelo. En función de laorientación de las bobinas es posibleobtener diferentes penetraciones (6 msi el dipolo está vertical y 3 m si estáhorizontal). Al profundizar hasta 6 mla distorsión en los valores obtenidoses mucho menor debido al menor efec-to del suelo edáfico y la topografía.Para evitar esta distorsión, así como la

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presencia de anisotropías se han reali-zado dos medidas por punto a 90º, uti-lizando el valor medio para la realiza-ción de los mapas.

El método proporciona dos medi-das, una de ρa (Ohm·m) y otra de com-

ponente en fase (en partes por mil) deHp respecto a Hs. Este úl t imoparámetro sirve como control de cali-dad de las medidas (a mayor estabilidadde componente en fase, menor ruido enla señal).

Trabajos realizados

Los perfiles EM se han realizado so-bre las zonas principales de fracturacartografiadas en trabajos previos(Hidrobap Project, 1999). Se han reali-zado un total de 22 perfiles EM, agru-pados en 4 zonas (Fig. 2). El espaciadode la toma de datos es de 5 m. La locali-zación y georeferenciación de los datosse real izó con GPS y a l t ímetrobarométrico. Una vez realizado el le-vantamiento EM se han calibrado losdatos de ρa con el de componente enfase, eliminando los valores menos es-tables (< 2%). Posteriormente se hanrealizado los mapas de resistividad apa-rente a ambas profundidades.

Resultados

Los resultados que presentamos sonlos mapas de ρa a 3 y 6 m de profundi-dad para toda la zona, obtenidos trasintegrar en un único mapa las 4 mallaslocales. El primer hecho a destacar es labuena correlación entre el mapa a 3mcon el de 6 m (Fig. 3) de profundidad dealcance. Para la d iscusión de laspermeabilidades relativas utilizaremosel mapa a 6 m de profundidad. El mássuperficial permite controlar la presen-cia del suelo y/o zona de alteración. Enestos mapas, y dada la homogeneidadlitológica en el área, los valores ρabajosse interpretan como una mayor altera-ción y/o presencia de agua.

Las zonas de fractura quedan carac-terizadas por ser bandas de baja ρa (<60Ohm·m para el mapa a 6 m de profundi-dad) frente a los bloques de granito y/ogranodiorita menos fracturados (> 70Ohm·m). La disminución de ρa que apa-rece en los límites entre las cuatro zo-nas analizadas se debe a la ausencia dedatos y al efecto de la interpolación. Acontinuación se describen brevementelas principales características de cadazona (Figs. 2, 3):Zona 1: Se sitúa a lo largo de una

zona de fractura NNO-SSE. Losvalores de ρa obtenidos sonintermedios (entre 50 – 75Ohm·m), lo cual implica que es unazona de fractura poco permeable oun menor grado de intensidad defracturación. En el mapa localrealizado se puede observar quepresentan una forma anastomosadatípica de fallas de desgarre.

Zona 2: Se sitúa a lo largo de unazona de fractura orientada E-O, yen ella se pueden diferenciar dos

Fig. 1.- Localización regional del granito «El Berrocal». A) Mapa geológico del granito; B)localización de la zona de estudio.

Fig. 1.- Regional situation of the granite «El Berrocal». A) Geological map of the granite; B)location of the study zone.

Fig. 2.- Situación de los perfiles EM y señalización de las cuatro zonas de estudio en campo.

Fig. 2.- Location of the EM profiles. The four fieldwork zones are signalled too.

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Aplicación del método electromagnético de inducción ligera para el análisis de la permeabilidad

fracturas de di rección yresistividad diferente. La situadamás al Norte (sobre la que se hanrealizado 3 perfiles EM) presentaunos valores de ρa altos (> 70Ohm·m), lo cual implica que es unafractura muy poco conductora. Lafalla situada más al Sur lleva unadirección NE-SO, y presentavalores de ρa bajos (entre 40 y 55Ohm·m), por lo que lainterpretamos como más permeableque la E-O. En el mapa local se hapodido observar que la falla NE-SOpresenta una geometría escalonada,y además, el mínimo topográficono coincide con el mínimoresistivo, lo cual implica que latraza de la falla no va por el fondodel valle, sino a media ladera.

Zona 3: Se dispone a lo largo de unafractura NO-SE, y presenta unosvalores de ρa intermedios (55 – 70Ohm·m). La pecul iar idad quepresenta esta zona de falla es que elmínimo que la caracter iza seinterrumpe hacia el SE, dondeaparece una f ranja de a l taconductividad perpendicular a ella.Esta franja podría corresponder aotra falla que se dispone de maneraortogonal, y que no había sidocartografiada previamente debido ala menor cal idad de losafloramientos cuando las fracturasafectan a la granodiorita.

Zona 4: Se sitúa a lo largo de unaimportante zona de fractura NNE-SSO, que pone en contacto elgranito facies «El Berrocal» con lagranodiorita y el dique aplíticoatravesado por aquel (Fig. 1). Estafractura es la que presenta losmenores valores de ρa de la regiónestudiada (< 45 Ohm·m), por lo quela interpretamos como la zona defractura más permeable . Secaracteriza por estar constituidapor una importante zona de fracturapr incipal de más de 20 m deanchura. Estos datos sugieren unacomponente menos direccional ymás extensional, lo que está deacuerdo con datos cinemáticas ydinámicos previos (Pérez-López etal., 2005).

Conclusiones

Desde el punto de vista metodológicoel método EM de inducción ligera presen-ta una gran eficacia para cartografiar zo-nas de fractura conductoras en granito.

Las zonas de fractura quedan definidaspor bandas más o menos complejas debaja ρa (< 60 Ohm·m) frente a los granitosfrescos (> 80 Ohm·m). En profundidadlas ρa son más homogéneas, debido aque es menos sensible a la presencia desuelo y/o variaciones topográficas su-perficiales. Por este motivo, para lascondiciones de la zona de trabajo, sehan utilizado los valores de ρa a 6 m deprofundidad para caracterizar las zonasde fractura en profundidad.

Desde el punto de vista geológicolas zonas de falla más conductoras

Fig. 3.- Mapas de resistividades aparentes, A) 3 m de profundidad; B) 6 m de profundidad.

Fig. 3.- Apparent resistivity maps, A) 3 m depth; B) 6 m depth.

son las orientadas según NNE-SSO,seguidas de las NE-SO y NO-SE. Al-gunas de estas zonas de fractura pre-sen t an en p l an t a un ca rác t e ranastomosado, propio de fallas dedesgarre. Las fracturas de direcciónE-O presentan una permeabilidad me-nor en esta zona del granito, tal ycomo demuestran sus altos valores deρa. Los trabajos geológicos previoshan interpretado estas fracturas comoactivas en periodos antiguos y no ac-tivos bajo el campo de esfuerzos «Al-pino» (Eoceno – Actualidad). Desde

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el punto de vista estructural las zonasde falla más conductoras se corres-ponden con las principales fracturascon ac t iv idad tec tón ica t e rc ia r ia(Muñoz Martín y De Vicente, 1998).Dentro de estas últimas la zona defractura NNE-SSO, que constituye ellímite oriental del granito, es la quepresenta una mayor permeabilidad,extensión longitudinal (> 400 m) yanchura (> 20 m).

Agradecimientos

Este estudio ha sido financiado porlos proyectos PR41/06-14940 (BancoSantander - UCM) y REN2002-04328-

C02-02 / HID (Ministerio de Educacióny Ciencia).

Referencias

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