Geofisika Aplikatua Geofísica Aplicada Geofísica Aplicada Applied

Geofisika AplikatuaGeofsica AplicadaGeofsica AplicadaApplied Geophysics

Chairpersons:Albert Casas Ponsati

Alex Marcuello PascualFernando Monteiro Santos

Manuel Senos Matias

S08

7 ASAMBLEA HISPANO-PORTUGUESA DE GEODESIA Y GEOFSICA DONOSTIA SAN SEBASTIN 2012

Proceedings S08-591

Aurkibidea/ndice/ndice/Index

Simulacin numrica acoplada de la extraccin de un fluido en un acufero y de su anomala gravimtrica asociada.Coupled numerical simulation of fluid extraction in an aquifer and its associated gravimetric anomaly.................593Jos Paulino Fernndez lvarez, Adriana Snchez MornMtodos geoelctricos aplicados a la caracterizacin y seguimiento de la planta piloto de almacenamiento de CO2(Hontomn, Burgos)Geoelectrical Methods applied to characterize and monitor the Pilot CO2 Storage Plant (Hontomn, Burgos) ......595Alex Marcuello, Juanjo Ledo, Pilar Queralt, Xnia Ogaya, Lena Escalas, Perla Pia, David Bosch, EloiVilamaj, Fabin BellmuntSistemas GPR 3D multicanal: Aplicaciones en ingeniera y arqueologaMultichannel 3D GPR array systems: From engineering to archaeology .................................................................601Alexandre Novo, Gianfranco Morelli, Dean Goodman, Henrique LorenzoEnsayo de geofsica pasiva en la cuenca negena del Valls-Peneds (Centro de Catalunya)Passive geophysical test in Neogene basin of Valls-Peneds (Centre of Catalunya)...............................................605Gabs A., Macau A., Bellmunt F., Brenner Y., Benjumea B., Figueras S., Vil M.

Estudio GPR de la estructura interna del campo dunar de Xag, costa norte espaolaGPR survey of the internal structure of Xag dune field, Spanish north coast ..........................................................611David Rubio-Melendi, Germn Flor-Blanco, J. Paulino Fernndez-lvarez, Germn Flor

Prospeccin geofsica multisistema en el yacimiento arqueolgico de Irulegi (Lakidain, Nafarroa)Multi-system geophysical survey at the archaeological site of Irulegi, Navarre .......................................................619Ekhine Garcia, Roger Sala, Robert Tamba, Javier BucesInterpretacin integrada de la geofsica realizada en las lagunas de Estaa (Huesca)Integrated interpretation of the geophysical works carried out at the Estaa lakes (Huesca Spain) ........................625F. M. Rubio, J. L. Plata, C. Prez-Bielsa, L. J. LambanEvaluacin de puentes de arco de fbrica mediante GPR: El Puente Lubians (Galicia, Espaa)Evaluation of masonry arch bridges by GPR: The Lubians Bridge (Galicia, Spain) ................................................629Mercedes Solla, Henrique Lorenzo, Beln Riveiro, Pedro Arias, Alexandre NovoAnlisis comparativo de la resolucin de las tcnicas SASW, ReMi y crosshole para reconocer el perfil de rigidez enun terreno urbanoComparision of the resolution of SASW, ReMi and crosshole techniques in order to establish the stiffness profile ofan urban terrain .........................................................................................................................................................633Prez-Santisteban I., Muoz Martn A., Carb Gorosabel A., Ruiz Fonticiella J. M.

Correlaciones empricas entre la velocidad de propagacin de las ondas S (Vs) y otros parmetros geotcnicos paralos suelos de MadridEmprirical correlations of shear wave velocity (Vs) with other geotechnical parameters of soils in Madrid...........641Prez-Santisteban I., Muoz Martn A., Carb Gorosabel A., Ruiz Fonticiella J.M.Impacto meditico de la geofsica aplicada. Caso: la prospeccin geofsica en el Parque Federico Garca Lorca,Alfacar (Granada)Media impact of applied geophysics. Case: geophysical prospecting in the Federico Garca Lorca Park, Alfacar(Granada) ...................................................................................................................................................................649J. A. Pea, T. Teixid, E. Carmona, F. Carrin, C. M. PeraltaGeofsica para la caracterizacin hidrogeolgica de la Cuenca de Lerma (Zaragoza)Geophysics for the hydrogeological study of the Lerma Basin (Zaragoza) ...............................................................655J. L. Plata, J. Causap, F. M. Rubio, D. MerchnCorrecciones en microgravimetra relativa para investigacin hidrogeolgicaCorrections in relative microgravity for hydrogeological research ..........................................................................659J. L. Plata, F. M. Rubio, P. Ibarra

DONOSTIA SAN SEBASTIN 2012 7 ASAMBLEA HISPANO-PORTUGUESA DE GEODESIA Y GEOFSICA

Proceedings S08-592

Alteraes nos Gradientes de Temperatura Provocadas por Circulao de gua no SoloThermal Gradient Changes Caused by Water in the Soil ...........................................................................................663Duque, M. R., Malico, IsabelNueva metodologa para cartografiar servicios enterrados bajo aceras mediante georradar multi-canalIntroducing an advanced multi-channel GPR methodology for mapping utilities within a footpath .........................667Miquel Coll, Alexandre Novo, Craig Simmonds, Gianfranco Morelli

Deteccin y caracterizacin de fallas activas mediante tomografa de resistividadDetection and characterization of active faults by resistivity tomography ................................................................671P. Ibarra, F.M. Rubio, J. Garca-Mayordomo, R. Martn, E.Rodrguez-Escudero, A.SalazarTransecta magnetotelrica Topoiberia: distribucin de resistividades corticales bajo la Cordillera Cantbricaoccidental, El Bierzo, Montes de Len y SanabriaTopoiberia Magnetotelluric Transect: a cortical distribution of resistivities in the western Cantabrian Mountains, ElBierzo, Montes de Leon and Sanabria........................................................................................................................675P. Ibarra, J. Pous, L.R. Rodrguez Fernndez, H. Seille, N. Heredia, A. Pedrera, P. Gonzlez Cuadra, F.Martn Gonzlez, A. MnguezDeterminacin de la detectabilidad y de las capacidades de monitoreo del mtodo CSEM en el Laboratorio deInvestigacin sobre el almacenamiento geolgico de CO2 en Hontomn (Burgos)Assessing the detectability and monitoring capabilities of the CSEM method at the Research Laboratory onGeological Storage of CO2 in Hontomn (Burgos) ....................................................................................................679Eloi Vilamaj, Pilar Queralt, Juanjo Ledo, lex MarcuelloDensificacin de suelos por movimientos ssmicos fuertes en el rea metropolitana de Granada (Espaa)Soil densification due to seismic movement in Granada (Spain)................................................................................685I. Valverde-Palacios, F. Vidal, I. Valverde-Espinosa

Evaluacin de estructuras seleccionadas en la Depresin Intermedia como posibles almacenes de CO2. Estudiospreliminares: modelizacin gravimtrica 3DAssessment of Depresion Intermedia structures as potential CO2 storage sites. Preliminary studies: 3D gravimetricmodelling ....................................................................................................................................................................689Garca-Lobn J. L., Ayala C., Rubio F. M., Rey-Moral C., Reguera I., Ibarra P., Bernat M.

Un nuevo mtodo para identificar fuentes de ruido cultural en las series temporales magnetotelricasA new method to identify cultural noise sources in magnetotelluric time-series........................................................693Escalas, M., Queralt, P., Ledo, J., Marcuello, A.

Magnetotelluric characterization of a deep saline aquifer: using a priori information to determine its capability asCO2 storage site. ........................................................................................................................................................697Perla Pia-Varas, Juanjo Ledo, Pilar Queralt, Eduard Roca, Jose L. Garca-Lobn, Pedro Ibarra, CristinaBiete

Resultados preliminares de la caracterizacin magnetotelrica 3-D del subsuelo de la Planta de DesarrolloTecnolgico de Hontomn (Burgos) para el almacenamiento geolgico de CO2Preliminary results of the 3-D magnetotelluric characterization of the subsurface of the Technology DemonstrationPlant of Hontomn (Burgos) for geological storage of CO2 .......................................................................................703Xnia Ogaya, Pilar Queralt, Juanjo Ledo, lex Marcuello, Alan G. Jones

Mapping of water content distribution in sandy soil through electrical resistivity measurements ............................709Farzamian, M., Monteiro Santos, F. A., Soares, A., Bernardo, I.The origins of groundwater salinity in some valleys at Santiago Island (Cape Verde) .............................................713Rui Goncalves, Fernando Santos, Paula Carreira, Patrcia Represas, Eugnio Almeida


Proceedings S08-593

Simulacin numrica acoplada de la extraccin de un fluido en un acufero y de suanomala gravimtrica asociada.Coupled numerical simulation of fluid extraction in an aquifer and its associatedgravimetric anomaly.

Jos Paulino Fernndez lvarez (1) y Adriana Snchez Morn(2)(1) Departamento de Explotacin de Minas. rea de investigacin y prospeccin de yacimientos.

Universidad de Oviedo, Mieres, Asturias, Espaa. [email protected](2) Unidad de Modelizacin Hidrogeofsica y Ensayos No Destructivos.

Universidad de Oviedo. [email protected]

SUMMARYFluid injection or extraction in a porous medium is an extremely important problem for different fields: groundwater use,artificial recharge and CO2 capture, just to mention a few. The hydrogeological monitoring of these events is expensive orsimply impossible in many instances. The mass variation linked to the piezometric head change generates gravimetricanomalies that can be detected using modern existing microgravity instruments of improved precision offering, therefore, acomplementary monitoring strategy.This paper describes how a finite element coupled numerical simulation of an injection/extraction process in a porousmedia can be coupled to the corresponding gravimetric simulation of its anomaly. This is performed using COMSOL. Theresult allows the use of microgravity measurements for calibrating hydraulic parameters or, at least, for addingconsistency to the inversion process, following the task of following the evolution of the fluid in the medium.

1. INTRODUCCINEl uso de las tcnicas geofsicas para la caracterizacin del

movimiento de los fluidos en el terreno, permite efectuar unseguimiento hidrogeolgico de los diferentes fenmenos asociados alas aguas subterrneas. De igual forma, permite monitorizar otrosprocesos de inters, como la prospeccin de recursos (petrleo y gas)o el seguimiento y control de la inyeccin o extraccin de fluidos enmedios porosos (inyeccin de CO2, explotacin de acuferos).

Su uso es especialmente til cuando el seguimiento mediante lastcnicas tradicionales es caro o incluso inviable, debido a diversosfactores, como la inaccesibilidad a las zonas de estudio, trabajos enzonas urbanas, escasez de datos, etc.

Dado que existe una relacin directa entre las propiedadesgeofsicas del terreno y ciertos parmetros hidrogeolgicos,especialmente en los relacionados con la estructura interna y con lapresencia y movimiento de fluidos y contaminantes, se puedepretender realizar una estimacin cuantitativa de estos parmetros,vase Christiansen et al. (2011), normalmente limitada a la toma dedatos en el terreno.

Esto permitira efectuar posteriormente la calibracin de losmodelos hidrogeolgicos, basndose en parmetros hidrulicos quederivan de datos geofsicos, lo cual recibe el nombre de "inversinhidrogeofsica" o "inversin conjunta de parmetros" ("jointinversion"), cuyo esquema de trabajo se muestra en la Figura 1.

Figura 1 - Inversin hidrogeofsica: a partir de los resultados de un modelogeofsico se puede obtener una primera estimacin de los parmetroshidrulicos a introducir en un modelo hidrolgico. (Hydrogeophysicalinversion) (Modificado de Binley et al. 2010)

2. CONTEXTO Y OBJETIVOSEn el contexto de este estudio, est previsto que en el pozo

Montsacro, situado en Asturias, y propiedad de la empresa mineraHUNOSA, se realice una inyeccin de CO2 en una capa de carbnno explotada, con el fin de valorar la posibilidad de capturar dichogas y de recuperar simultneamente CH4.

Se pretende realizar el seguimiento mediante tcnicas geofsicas(en concreto gravimetra) de la evolucin del fluido en el interior dela capa tras la inyeccin, para lo cual se estn efectuando variascampaas de toma de datos topogrficos y gravimtricos a lo largode las galeras del interior de la mina.

Los gravmetros actuales, con una precisin del orden demicro-gales, permiten obtener datos reales de la anomalagravimtrica generada por los cambios de densidad del terreno,debido a la existencia de cavidades, mineralizaciones o fluidos, loque va a permitir modelizar numricamente el comportamiento delfluido inyectado en la capa tras la inyeccin.

En este estudio se pretende seleccionar un cdigo de simulacinque permita calcular, mediante el mtodo de elementos finitos, laanomala gravimtrica asociada a la variacin de la densidad delsubsuelo tras la inyeccin.

Se pretenden dar as los primeros pasos para realizar la inversinhidrogeofsica, que permitir posteriormente calibrar los parmetroshidrulicos del subsuelo a partir de los datos geofsicosexperimentales obtenidos en el pozo Montsacro.

3. SELECCIN DEL CDIGOPara simular un problema de este tipo, se requiere un cdigo de

simulacin capaz de resolver: Un problema directo hidrogeolgico: se ha obtenido en

primer lugar, la variacin piezomtrica asociada a laextraccin de agua de una capa horizontal a travs de unpozo de bombeo a caudal constante. Este modelo admitesolucin analtica.

Un problema directo gravimtrico: por otra parte, se hacalculado la anomala generada por la existencia de unalmina de baja densidad en el subsuelo. Este modeloadmite solucin analtica.

El acoplamiento entre ambas fsicas: finalmente se hamodelizado la anomala gravimtrica asociada al cambiode densidad en el subsuelo producido por la extraccin deagua a travs de un pozo de bombeo en una capa


Proceedings S08-590

horizontal. Esto se ha realizado dentro de la mismasimulacin, sin necesidad de emplear dos cdigosdistintos.

Por las caractersticas que presenta, para efectuar estassimulaciones se ha seleccionado el cdigo COMSOL Multiphysics,un entorno de modelizacin que permite el acoplamiento entrediferentes fsicas sobre diferentes geometras, con un mallado muyflexible. La interaccin entre los diferentes fenmenos fsicos seconsigue mediante el acceso a las ecuaciones de gobierno,permitiendo la creacin y modificacin de las variables yparmetros, en funcin del problema a resolver, mediante unlenguaje de programacin de tipo Java o Matlab.

Se basa en el mtodo de elementos finitos, que permite encontraruna solucin aproximada a un problema en derivadas parciales, quedescriben muchos de los fenmenos fsicos conocidos, resolviendoas numerosos problemas de ingeniera.

Tras la ejecucin de las simulaciones, es necesario efectuar laverificacin analtica de los resultados obtenidos, comprobando asque este software de modelizacin es capaz de resolver de formanumrica los problemas planteados, con un margen de precisintolerable.

4. FUNDAMENTOS TERICOSEcuacin general de flujo subterrneoEn el caso del flujo subterrneo en medio poroso, los principios

fsicos relevantes son la ley de Darcy y la ley de conservacin de lamasa, visto en Fitts (2002). Combinando las relaciones matemticasque describen estos principios, es posible llegar a la ecuacin generalde flujo subterrneo, en la que se basa la resolucin por mtodosnumricos del problema hidrogeolgico, y que se muestra acontinuacin.

mSC QDgpk

tpS

0 (1)

Donde es la densidad del fluido (kgm-3), SSC el coeficiente dealmacenamiento especfico (Pa-1), p la presin (Pa), k0 lapermeabilidad intrnseca (m2), la viscosidad dinmica (Pas), g laaceleracin de la gravedad (ms-2), D el campo potencial debido a lacota (m) y Qm la fuente de masa (kgm-3s-1).

En el primer trmino de la ecuacin aparece la derivada temporalde la presin, la variable dependiente, y representa la variacin demasa por unidad de volumen a lo largo del tiempo. El segundotrmino, donde intervienen las derivadas espaciales, muestra lavariacin de la presin en funcin de la posicin, y representa elflujo por unidad de volumen, es decir, las entradas y salidas de masadel sistema. En el segundo miembro de la ecuacin aparece la fuentede masa, que en este caso estara representada por la inyeccin oextraccin de fluido a travs del pozo.

Solucin de Theis para pozo de bombeoPara la verificacin analtica de los resultados obtenidos en las

simulaciones numricas del problema hidrolgico, se ha utilizado elmtodo de Theis, en Kresic (2011), que describe el flujo subterrneoen estado transitorio hacia un pozo totalmente penetrante en unacufero confinado, y que es la base para numerosos mtodos deanlisis de ensayos de bombeo.

La solucin de Theis permite obtener el descenso de los nivelespiezomtricos en cualquier instante tras el comienzo del bombeo,como se muestra en la siguiente ecuacin:

uWT

Qs 4

(2)

Donde s (m) es el descenso, Q la tasa de bombeo constantedurante el ensayo (m3s-1), T la transmisividad (m-1), y W(u) es lafuncin de pozo o funcin de Theis, que depende del parmetroadimensional u, que se define como:

tTSru4

2 (3)

Donde r es la distancia del pozo de bombeo al punto de medida(m), S es el coeficiente de almacenamiento (adimensional), y t es eltiempo transcurrido desde el inicio del bombeo (s).

As, la funcin de pozo se define como la integral exponencial:

u

u

duu

euW )( (4)

0Variacin de masa unitariaPara calcular la anomala gravimtrica asociada a la extraccin

de un fluido de una capa horizontal, es necesario obtener la variacinde la densidad del subsuelo asociada al descenso de los nivelespiezomtricos, calculados en la resolucin del problema directohidrogeolgico.

Una variacin de los niveles piezomtricos lleva asociada unavariacin en la cantidad de masa de fluido contenida en el terreno, ypor tanto, en la densidad del subsuelo.

Esta variacin de la densidad produce anomalas en lacomponente vertical de la aceleracin de la gravedad, del orden demicrogales, detectables mediante los gravmetros actuales, de granprecisin.

De este modo sta es la variable que va a permitir enlazar elproblema hidrolgico y el gravimtrico, y que permitir acoplarambos problemas en la misma simulacin.

Para obtenerla, se parte de la propia definicin de coeficiente dealmacenamiento especfico, que es el volumen de fluido (VU) quees necesario extraer o introducir en un volumen unitario de acuferopara que su nivel piezomtrico descienda o ascienda 1 m (h).

As, el volumen total de fluido desalojado a travs de un pozo debombeo, por unidad de acufero (VU), se corresponde con estecoeficiente, multiplicado por el descenso total de los niveles (h).

hSV SU (5)Por tanto, la variacin de masa por unidad de volumen de

acufero, se obtiene multiplicando este volumen por la densidad delfluido, en este caso agua.

hSm SU (6)A este valor se le ha denominado "densidad equivalente", y ser

la variable que, una vez implementada en el programa, permitiracoplar ambos problemas.

Ecuacin de Poisson para potencial gravitatorioEl potencial gravitatorio satisface la ecuacin de Poisson:

42 GU (7)Donde U es el potencial gravitatorio (Jkg-1), G la constante de

gravitacin universal (6.67e-11 Jmkg-1) y la distribucin de ladensidad de masa (kgm-3).

Anomala de Bouguer para lmina finitaPara la verificacin analtica de los resultados numricos

obtenidos en la simulacin del problema gravimtrico, se hautilizado la deduccin de la anomala de Bouguer para una lminainfinita, vase Burger (1992).

Adaptando los lmites de integracin a las dimensiones de unalmina bidimensional horizontal, finita a lo largo del eje x, yconsiderando un punto de observacin situado a una altura H fuerade este dominio, se obtiene finalmente la anomala gravimtricagenerada por la existencia de una lmina de baja densidad en elsubsuelo, cuya formulacin se muestra a continuacin:

HL

arctg

HL

arctg

z HLarctg

HLarctgdzGddzGg )(2)(2

(8)

Donde gz es la componente vertical de la aceleracin de la gravedad(ms-2), (dz) la densidad por unidad de rea (kgm-2), L la distanciaentre el punto medio de la lmina y cada uno de sus extremos, a lolargo del eje x (m), y H la distancia entre la lmina y el punto deestudio (m).


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5. PROBLEMA DIRECTO HIDROGEOLGICO

Modelo conceptualSe ha calculado la variacin piezomtrica asociada a la

extraccin de agua de una capa horizontal a travs de un pozo debombeo a caudal constante. Se ha implementado adems, sobre esteproblema, la variable "densidad equivalente", correspondiente a lavariacin de masa por unidad de volumen de acufero, para obtenerla redistribucin de las densidades, que generar la anomalagravimtrica una vez acoplado el problema gravimtrico.

Para la simulacin en COMSOL se ha considerado un problemabidimensional, de modo que se ha creado un dominio cuadrado de10000 m de lado, que representa el acufero horizontal confinado porel que circular el fluido, con un espesor constante de 10 m.

Se ha trabajado en rgimen transitorio, creando un pozo debombeo en el centro de la capa, de radio 0.22 m, para simular laextraccin de agua durante 100 das, con un caudal constante de100 m3/da.

Se establecen los parmetros del material y del fluido, mostradosen la siguiente tabla:

Tabla 1 - Parmetros hidrulicos (Hydraulic Parameters)Parmetro Unidades (SI) ValorDensidad del fluido () kgm-3 1000Viscosidad dinmica () Pas 0.001Permeabilidad (k0) m2 1.18E-12Porosidad () - 0.2Coeficiente de almacenamientoespecfico (SS)

m-1 1E-5

Se establecen las condiciones iniciales (H=50 m), y lassiguientes condiciones de contorno: Tipo 1 o Dirichlet: se impone un potencial hidrulico

H = 50 m en los bordes externos del dominio. Tipo 2 o Neumann: se impone un flujo de 100 m3/da en los

bordes del pozo de bombeo.

ResultadosUna vez ejecutada la simulacin, se muestran los resultados

obtenidos sobre el dominio bidimensional, en el entorno del pozo debombeo (Fig. 2):

Figura 2 Isopiezas generadas por la extraccin de agua de un acuferohorizontal bidimensional, en el entorno del pozo de bombeo, vista enplanta. (Hydraulic head isolines)

Estudiando los resultados a la largo de un plano perpendicular aldominio, que pasa por el pozo de extraccin, se representa en la

siguiente figura (Fig. 3) el nivel piezomtrico a lo largo del eje x,observndose el tpico cono de descensos asociado a un pozo debombeo.

Figura 3 - Cono de descensos asociado a la extraccin de agua de unacufero horizontal bidimensional, vista transversal. (Cone of drawdow)

Tras implementar en el programa la variable "densidadequivalente", en la Figura 4 se representa la variacin de la densidadasociada a la variacin de los niveles piezomtricos en valoresabsolutos. Se aprecia que tiene una forma inversa al cono dedescensos, dado que es en el entorno del pozo donde se produce elmayor desalojo de agua, y es por tanto donde se genera la mayorvariacin de densidad.

Figura 4 - Variacin de "densidad equivalente" asociada al descenso delos niveles piezomtricos por bombeo en un acufero horizontalbidimensional. (Variation of "equivalent density")

Verificacin analticaSe ha efectuado la comparacin entre los resultados obtenidos en

la simulacin numrica con los obtenidos analticamente mediante lasolucin de Theis para un pozo de bombeo en acufero confinado acaudal constante, que se muestra en la figura 5.

Como se puede apreciar, la solucin numrica se ajusta muy biena la analtica, con un margen de error inferior al 1%,fundamentalmente debido a las condiciones de contorno.


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Figura 5 - Verificacin analtica del problema hidrogeolgico mediante lasolucin de Theis para un pozo de bombeo en acufero confinado.(Analytical verification of the hydrological problem)

6. PROBLEMA DIRECTO GRAVIMTRICO

Modelo conceptualPara comprobar que COMSOL es capaz de resolver

correctamente un problema de este tipo, se ha calculado y verificadoanalticamente la anomala gravimtrica generada por la existenciade una lmina bidimensional de baja densidad en el subsuelo.

Para la simulacin, dado que el punto donde se manifiesta lavariacin de gz se ubica fuera de la lmina, se ha considerado unproblema tridimensional, creando un cubo de 10000 m de lado, querepresenta el volumen de terreno en el que se encuentran tanto lalmina, de menor densidad que los materiales que la rodean, comolos puntos de observacin de la anomala generada.

Por la propia naturaleza de las ecuaciones de gobierno, se trabajaen rgimen estacionario.

Se imponen a continuacin las siguientes condiciones decontorno: Tipo 1 o Dirichlet: se asigna un potencial gravimtrico

U = 50 Jkg-1 en los bordes externos del dominio. Tipo 2 o Neumann: se modeliza la existencia de una

lmina de baja densidad en el plano xy, mediante unacondicin Neumann, restringida a lo largo del eje x, desdex=4000 hasta x=6000, donde = -100 kgm-3.

ResultadosTras ejecutar la simulacin, se estudian los resultados en un

plano xz, perpendicular a la lmina de baja densidad, en el entornode la misma, mostrando en la figura 6 las isolneas del potencialgravitatorio, as como los vectores de campo, perpendiculares alpotencial y dirigidos hacia la ausencia de masa simulada por lalmina.

Figura 6 - Potencial gravitatorio y vectores de campo generados por laexistencia de una lmina horizontal bidimensional de baja densidad,comprendida entre x=4000 y x=6000. (Gravitational potential and fieldlines)

Representando la componente vertical del campo gravitatorio, gz,a lo largo de una lnea contenida en este plano xz, situada a 1000 mde altura sobre la lmina de baja densidad (una posible galera deestudio) se obtiene finalmente la grfica que representa la anomalagravimtrica generada, que se muestra en la figura 7.

Figura 7 Valores de la anomala gravimtica observados a lo largo deuna lnea de estudio situada por encima de la lmina bidimensional.(Gravimetric anomaly generated by the low density sheet)

Verificacin analticaAl igual que para el problema hidrogeolgico, se han comparado

los resultados obtenidos en la simulacin numrica con la solucinobtenida de forma analtica (Fig.8).

La solucin numrica se ajusta bastante bien a la analtica, conun margen de precisin en el entorno de la lmina no superior al 4%,aunque aumenta en los bordes del dominio, debido a las condicionesde contorno impuestas.


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Figura 8 - Verificacin analtica del problema gravimtrico. (Analyticalverification of the gravimetric problem)

7. ACOPLAMIENTO ENTRE AMBAS FSICASUna vez que se han resuelto y verificado analticamente ambos

problemas, queda comprobado que COMSOL Multiphysics es capazde resolver ambos modelos por separado, mediante el mtodo deelementos finitos.

Sin embargo, el objetivo de este estudio es acoplar ambosprocesos fsicos en la misma simulacin, como primer paso pararealizar posteriormente una inversin hidrogeofsica y calibrar as losparmetros hidrulicos del subsuelo en base a datos geofsicosreales.

Para alcanzar este objetivo, se ha efectuado una simulacinacoplada, en la que se ha calculado la anomala gravimtricagenerada por los cambios de densidad del terreno asociados aldescenso de los niveles piezomtricos, por extraccin de agua de unacapa horizontal a caudal constante.

Para ello, se ha resuelto un problema hidrogeolgico sobre undominio bidimensional, obteniendo los niveles piezomtricosasociados a la extraccin de agua de una acufero horizontal, acaudal constante, tras 100 das de bombeo.

A continuacin, se ha implementado, sobre la misma geometra,la variable "densidad equivalente", que representa la variacin demasa asociada al desalojo de agua, y que es por tanto, unaredistribucin de las densidades del terreno.

Finalmente, y siempre dentro de la misma simulacin, se hacreado un dominio tridimensional, un cubo de terreno con una capahorizontal central, bidimensional, sobre la que se ha aplicado laredistribucin de densidades obtenida, para obtener as la anomalagravimtrica generada por el ensayo de bombeo, medida a lo largode una lnea de estudio situada por encima de la capa de bajadensidad

Para efectuar el acoplamiento, se ha utilizado una extrusinlineal, un operador de COMSOL especialmente til a la hora deensamblar diferentes fsicas sobre diferentes dominios o partes de unmismo dominio, de modo que cuando el operador es evaluado en unpunto del dominio destino, su valor se calcula en el dominio fuente.

Siguiendo la metodologa de los problemas anteriores, se ejecutala simulacin, obtenindose los resultados que se muestran en lafigura a continuacin (Fig. 9), donde puede observarse el potencialgravitatorio generado por el pozo de bombeo (situado en el puntocentral del cubo), en los planos principales del espacio:

Figura 9 - Potencial gravitatorio generado por el pozo de bombeo.(Gravitational potential generated by the pumping test)

Se estudian estos resultados a lo largo de una lnea paralela al ejex, situada a 1000 m de altura sobre la capa en la que tiene lugar elbombeo, que podra representar una de las galeras de la mina sobrela que se estuvieran tomando datos de gravimetra.

As, representando la componente vertical de la aceleracin de lagravedad, gz, se obtiene finalmente, en la grfica siguiente (Fig. 10),la anomala gravimtrica generada por un pozo de bombeo enacufero confinado.

Figura 10 - Anomala gravimtrica generada por un pozo de bombeo enacufero confinado. (Gravimetric anomaly generated by the pumping test)

Los resultados obtenidos mediante esta metodologa, demuestranque sta es perfectamente aplicable en problemas reales, conmedidas obtenidas directamente con un gravmetro, como las que yase estn recopilando actualmente en las galeras del pozo Montsacro.


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8. CONCLUSIONESEn este estudio, se ha demostrado que el cdigo seleccionado,

COMSOL Multiphysics, es capaz de acoplar diferentes procesosfsicos, basados en diferentes ecuaciones de gobierno y situadossobre diferentes geometras, con diferente mallado, en una mismasimulacin, sin necesidad de realizar un tratamiento externo de losdatos.

De este modo, se ha puesto a punto una herramienta paracalcular la anomala gravimtrica asociada a la inyeccin oextraccin de un fluido en un medio poroso, dando as los primerospasos para efectuar posteriormente la inversin hidrogeofsica,utilizando los datos experimentales del pozo Montsacro, paracalibrar los parmetros hidrulicos del subsuelo en base a estasmediciones, controlando adems la evolucin de los fluidos en lacapa sobre la que se pretende efectuar la inyeccin de CO2.

9. REFERENCIASBinley, A., Cassian, G. and Deiana, R., (2010): Hydrogeophysics:

opportunities and challenges. Bollettino di Geofisica Teorica edApplicata, 51(December), pp.267284.

Burger, H.R. (1992): Exploration Geophysics of the Shallow Subsurface,Prentice Hall PTR.

Christiansen, L., Lund, S., Andersen, O. B., Binning, P.J. and Rosbjerj, D.(2011): Measuring gravity change caused by water storage variations:Performance assessment under controlled conditions. Journal ofHydrology, 402(1-2), pp.6070.

Fitts, C.R. (2002): Groundwater Science, Academic Press.Kresic, N. (2011): Hydrogeology and Groundwater Modeling, Second

Edition, CRC Press.


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Mtodos geoelctricos aplicados a la caracterizacin y seguimiento de la planta pilotode almacenamiento de CO2 (Hontomn, Burgos)Geoelectrical Methods applied to characterize and monitor the Pilot CO2 Storage Plant(Hontomn, Burgos)

Alex Marcuello(1), Juanjo Ledo(1), Pilar Queralt(1), Xnia Ogaya(1)(2), Magdalena Escalas(1), Perla Pia-Varas(1)(3),David Bosch(1), Eloi Vilamaj(1), Fabin Bellmunt(1)

(1)Inst. Geomodels. Dept. Geodinmica i Geofsica, Universitat de Barcelona, c/ Mart Franqus, s/n. Barcelona, [email protected](2)CIUDEN- Fundacin Ciudad de la Energa. Avenida Segunda, 2 (Compostilla). Ponferrada (Len)(3)IGME Instituto Geolgico y Minero de Espaa, C/ La Calera, 1. Tres Cantos (Madrid)

SUMMARYThe long term geological storage of CO2 is one of more developed options to reduce the presence of this gas in theatmosphere. The CO2 is stored in a supercritical state, which imposes some pressure and temperature constraints for thereservoir. These conditions are fulfilled for geological reservoirs deeper than 0.8 km. The characterization of thisreservoirs and the later monitoring of the CO2 stored appears as a challenge for the geoelectrical methods in terms ofstructure resolution and sensitivity to changes. In this work two results are presented. On the one hand we show thegeoelectrical characterization obtained by means of the magnetotelluric method of the pilot plant for CO2 storage in a deepsaline aquifer that CIUDEN is developing at Hontomn (Burgos). At the North of the studied area, the simplified modelshow four main resistivity layers alternating conductive and resistive layers reaching a depth of 1.6 km, however at theSouth the three upper layers show a more complex structure than the tabular one. On the other hand we present the resultsobtained with numerical simulation for the monitoring of a foreseen CO2 plume in the reservoir. These simulationsconsider instrumentation in planned wells to improve plume monitoring. Two methods are taken into account for thissimulation: control source electromagnetics and cross-hole electrical tomography. The results show that the expectedincreasing of electrical resistivity due to the presence of CO2 can be monitored with these techniques.

1. INTRODUCCINEl almacenamiento del CO2 en formaciones geolgicas

profundas es una de las opciones actuales ms desarrollada parareducir la presencia de este gas en la atmosfera. En este campo seaprovecha en parte la experiencia de la industria del petrleo comopor ejemplo, la inyeccin de este gas en el reservorio petrolfero paramejorar la extraccin de petrleo (enhanced oil recovery, EOR).

Estos almacenes deben cumplir unos ciertos requisitos como laexistencia de una formacin sello que evite el escape del CO2inyectado, o que la roca almacn se encuentre a una determinadaprofundidad donde la presin y temperatura sean tales que el CO2alcance un estado de fluido supercrtico para favorecer elalmacenamiento. En condiciones normales estos requisitos sealcanzan a partir de unos 0,8 km de profundidad.

La planta piloto propuesta por Fundacin Ciudad de la Energa(CIUDEN) para los ensayos de almacenamiento geolgico se hallaen la zona de Hontomn (Burgos). El almacn consiste en unacufero salino situado a 1,5 km de profundidad que cumple con losrequisitos anteriores. En esta regin existen algunos pozos deexploracin petrolera que aportan valiosa informacin del subsuelo.En este trabajo se presentan los resultados de caracterizacingeoelectrica y el estudio de la factibilidad del seguimiento delpenacho de CO2.

La resistividad elctrica es un parmetro muy sensible a losconstituyentes menores de las rocas, p. ej. los fluidos. Como ademsen este tipo de almacenes se espera un alto contraste entre laresistividad (baja) del acufero salino y la resistividad (alta) del CO2,los mtodos geoelctricos (que caracterizan el subsuelo mediante laresistividad elctrica) sern los candidatos adecuados para realizar elseguimiento de la evolucin del penacho de CO2.

La conductividad de la formacin almacn variar cuando elCO2 vaya sustituyendo el agua en los poros y fracturas. Tal comoindican Nakatsuka et al. (2010) es posible describircuantitativamente este comportamiento mediante la ley de Archie.En este caso la variacin de resistividad se describe por

nCOo

S 21 (1)

Donde y o son la resistividad de la formacin con y sin CO2,SCO2 es la saturacin de CO2 y n el exponente de saturacin, unamagnitud emprica que se ha tomado con un valor de 2 en la fig. 1.All se ve como por ejemplo con una saturacin del 55% de CO2 laresistividad del almacn aumenta en un factor cinco.

Figura 1 Variacin de la resistividad de la formacin almacn segn lasaturacin de CO2. (Resistivity variation in the reservoir rock with CO2saturation.)

2. CONTEXTO GEOLGICOLa zona de inters consiste en una zona de unos 3x4 km2 en la

parte septentrional de la Plataforma Castellana de la cuenca Vasco-Cantbrica (fig. 2). De manera simplificada la trampa geolgica sepuede describir como un domo anticlinal en el nivel jursicolimitado por dos fallas normales al norte y al sur (fig. 3) y fosilizadaspor materiales cretcicos y terciarios. De esta manera la estructura


Proceedings S08-596

Figura 2 Situacin de la zona de inters sealada por la flecha negra.Modificado de Tavani et al. (2011). (Situation of the interest area pointedby the black arrow. Modified from Tavani et al. (2011))

anticlinal se suaviza en el techo del Cretcico inferior y desapareceen la base del Terciario.

Figura 3 Modelo geolgico 3D de la zona donde se identifican losprincipales niveles. Ex. vert.: 1,5. De A. Quint Geomodels UB- Nopublicado. (3D geological model of the area where the main levels areidentified. Vert. exagg. 1.5. From A. Quint Geomodels UB- Unpublished)

La informacin facilitada por los pozos de exploracin petroleraque se perforaron en la dcada de los sesenta del siglo pasado(alguno reabierto posteriormente) sirve de apoyo para la elaboracinde los datos ssmicos y la interpretacin geolgica. Desde el puntode vista de los mtodos geoelctricos, las diagrafas permitenconstruir perfiles de resistividad elctrica que sern utilizados paralas simulaciones.

El almacn principal es un acufero salino natural de potenciadecamtrica y est constituido por dolomitas y calizas fracturadasdel jursico inferior a una profundidad de 1500 m (Hettangiense), demanera que la formacin sello sern las series jursicas del Lias ydel Dogger. La formacin presenta una porosidad comprendida entre10-17% y el agua del acufero tiene salinidad del orden de 60g/L.

3. CARACTERIZACIN GEOELCTRICAA parte de la informacin aportada por los pozos, y para

disponer de una imagen geoelctrica tridimensional de la zonaindispensable para el seguimiento, se plante un experimentomagnetotelrico. En l se adquirieron datos en 109 estaciones conlas cuatro componentes horizontales (dos elctricas y dosmagnticas) en un rango de frecuencias entre 0,1 y 1000 Hz. Laubicacin de las estaciones se muestra en la fig. 4. El experimento serealiz en dos etapas, en una primera se adquirieron las 22estaciones indicadas por la lnea roja (perfil 2), y su interpretacin semuestra en la fig. 5.

En dicha figura se observa hacia el norte una estructuraprincipalmente tabular, con una alternancia de capas conductoras yresistentes. El almacn se identifica por la capa conductora a unos1,4 km de profundidad. En la parte sur la capas buzan hacia el S.Esta discontinuidad coincide con la zona de fallada indicada en lafig. 3.

15m

166m

514m

972m

1485

TerciarioCretcico sup

Utrillas+Escucha

Cretcico infWealdPurbeck

Dogger

Lias

Keuper


Proceedings S08-597

Figura 4 Ubicacin de las estaciones magnetotelricas. (Location ofmagnetotelluric sites).

Figura 5 Interpretacin 2D del perfil 2 de la fig. 4, de Ogaya et al.,2013. (2D model of the profile2 in fig. 4, from Ogaya et al. (2013)).

En una segunda etapa se completaron las 87 estaciones restantesy con ello se han elaborado modelos 3D como el que muestra la fig.6. En ella se muestra el mismo perfil que el mostrado en la fig. 5 y secomprueba la coincidencia entre ellos, si bien el modelo 3D presentaestructuras ms suavizadas debido al proceso de inversin.

Figura 6 Perfil 2 sobre el modelo 3D. (Profile2 on the 3D model).

4. SIMULACIONES DE SEGUIMIENTO DELPENACHO DE CO2

En este apartado se han considerado dos casos y en ambos seemplea instrumentacin en pozos. En el primero se ustiliza unmtodo electromagntico con fuente artificial (Control SourceElelctromagnetics, CSEM) mientras que en el segundo, latomografa elctrica entre pozos (Cross-hole Electrical ResistivityTomography, CHERT).

En el caso de CSEM se ha tomado una fuente emisora en la basedel pozo, por debajo del penacho de CO2, y las unidades de registroen la superficie. En la fig. 7 se presenta un esquema general deadquisicin; basndonos en el, el caso de Hontomn se haconsiderado nicamente una fuente en el pozo y los receptores ensuperficie que corresponde a las partes enmarcadas de la figura.Como fuente electromagntica se ha considerado un dipolo verticalde 1Am a 1500m.

Figura 7 Esquema del dispositivo CSEM con fuentes en superficie ypozo, de Streich et al., 2010. (Sketck of CSEM array with surface andborehole sources, from Streich et al. (2010))

Para la simulacin se ha tomado la inyeccin de 20kt de CO2 quepara una porosidad del 12% y saturacin del 50% en la formacinalmacn, ocupar un volumen de 5105 m3 (128x128x30m3). Conestas condiciones la resistividad de la formacin aumenta en unfactor 4 (de 15 a 60 m). En la fig. 8 se muestra el perfil vertical deresistividad y la posicin de penacho a 1500m en el centro delcuadro.

Figura 8 Izda. Perfil de resistividad, con la variacin debida al CO2(rojo). Dcha. Ubicacin del penacho a 1500m. (Left Resistivity profile,including the variation due to CO2 (red). Right: Location of CO2 plume at1500 m depth)

Los resultados se muestran en la fig. 9.

0

m

1000

1600

10 100 m

2km

0 km

2km

2km 0 km 2km

mm

450

100

10

2

1 km

1000

100

10

1

m

Perfil 2

2 km

Sondeo MT


Proceedings S08-598

Figura 9 Sup.: Amplitud y direccin del campo elctrico generado porel dipolo antes de la inyeccin. Medio: Variacin de campo provocadopor la inyeccin de CO2. Inf.: Detalle central de la anterior (Top:Amplitude and direction of electrical field prior to injection. Middle:Change after CO2 injection. Bottom: Detail of previous panel).

En el panel inferior de la figura se observa como la amplitudaumenta hasta cinco veces sobre la ubicacin del penacho. La cruzblanca en la figura marca la posicin del pozo.

Para la simulacin mediante CHERT se han considerado dospozos verticales y paralelos separados 100m. Cada pozo contiene 28electrodos separados 8 metros entre s cubriendo 216 m entre lasprofundidades de 1304 y 1520m.

En este caso se han tomado diferentes valores de CO2 (entre 1 y10 kt) para simular la evolucin. Ahora la porosidad y saturacin enla formacin almacn se han tomado del 15% y del 40%respectivamente. Con estas condiciones la resistividad de laformacin aumenta en un factor 3 (de 10 a 30 m). En la fig. 10 semuestra el perfil vertical de resistividad para esta simulacin y laposicin y forma del penacho para 10 kt.

Figura 10 Izda.: Perfil de resistividad. Dcha.: Posicin de los electrodosy del penacho de CO2. (Left: Resistivity profile. Right: location of theelectrodes and shape of the CO2 plume).

Los datos se han tomado segn una configuracin AM-BN talcomo ilustra la fig. 11. En ella tambin se ve la pseudoseccincorrespondiente al medio estratificado de la fig. 10 (sin CO2).

Figura 11 Izda. Configuracin en el pozo. Dcha: Pseudoseccin previaa la inyeccin de CO2 (Left: CHERT array.Right Pseudosection prior toCO2).

La pseudoseccin de resistividad aparente se ha construidoasignando al eje vertical a la profundidad media del dispositivo y aleje horizontal la separacin entre electrodos (o niveles).

En la fig. 12 se muestra los cambios de la pseudoseccin con elcambio de la masa de CO2 inyectada a 1500m, tomando un grosordel penacho de 25m.

100

10

m1308m

1516m

10 kt1520 m

1304 m

+


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Figura 12 Evolucin de las variaciones relativas de la pseudoseccinentre dos instantes consecutivos de la inyeccin de CO2. (Evolution ofrelative changes in the pseudosection during CO2 injection).

As en la parte superior izquierda se observa la variacin relativaen los datos cuando se inyecta inicialmente una kilotonelada, ysucesivamente se muestra la variacin entre dos momentosconsecutivos de la inyeccin. En la fig. 13 se presenta la variacintotal respecto de la pseudoseccin de la fig. 11 al inyectar los 10 ktde CO2. En ella se ve un cambio de hasta el 40 % en las medidas queinvolucran los electrodos prximos al penacho.

Figura 13 Variacin total en la pseudoseccin al inyectar 10 kt de CO2(Overall pseudosection variation after injecting 10 kt of CO2).

5. DISCUSIN Y CONCLUSIONESEl mtodo magnetotelrico muestra su potencialidad para la

caracterizacin geoelctrica tanto en 2D como en 3D en estascondiciones de estudio de hasta dos kilmetros. Los resultados estnde acuerdo con la informacin existente de pozos y los modelosgeolgicos y ssmicos realizados con el objetivo de caracterizar elalmacn. En particular se identifica claramente el acufero salino, elsello y la falla al sur de la zona.

En las simulaciones de seguimiento con una fuente vertical de 15Am para CSEM se observa que la amplitud aumenta en un factor dosen la mayora de estaciones de superficie, pero aquellas que seencuentran justo encima del penacho muestran que su amplitudaumenta en un factor superior a cuatro, lo que permite ladetectabilidad del penacho.

En la simulacin de la evolucin del penacho mediante CHERTse observa que para el dispositivo empleado el cambio aparece enaquellos puntos de la pseudoseccin que involucran electrodos juntoal penacho, por eso las variaciones aparecen slo en una bandainferior de la pseudoseccin. As la zona del sello no muestraalteraciones. En el ejemplo presentado la mxima variacin a lolargo de la evolucin desde 0 a 10 kt (un 40% aproximadamente) seproduce en los cinco primeros niveles de la pseudoseccin.

En este trabajo se ha mostrado la capacidad del mtodomagnetotelrico para la caracterizacin geoelctrica de almacenesgeolgicos en acuferos salinos profundos, as como lasposibilidades de seguimiento de las cantidades previstas mediantemtodos geoelctricos con instrumentacin en el pozo de inyecciny en pozos auxiliares. Para afinar ms el procedimiento y asegurarlos parmetros petrofsicos sera necesario disponer de muestras dela formacin geolgica en las condiciones del almacn.

AgradecimientosEste trabajo ha sido apoyado econmicamente por el proyecto

PIERCO2 (CGL2009-07604) del Ministerio de Ciencia e Innovaciny fondos FEDER de la UE, la ayuda P711RT0278 del CYTED, ypor CIUDEN (contratos FBG305656, FBG305658 y FBG306224).

6. REFERENCIASOgaya X., J. Ledo, P. Queralt, A. Marcuello and A. Quint 2013. First geoelectrical

image of the subsurface of the Hontomn site (Spain) for CO2 Geological Storage: amagnetotelluric 2D characterization International Journal of Greenhouse GasControl, 13, 168-179.

Nakatsuka Y., Z. Xuea, H. Garcia and T. Matsuoka 2010. Experimental study on CO2monitoring and quantification of stored CO2 in saline formations using resistivitymeasurements. International Journal of Greenhouse Gas Control, 4, 2, 209-216.

Streich, R, M. Becken and O. Ritter,. 2010. "Imaging of CO2 storage sites, geothermalreservoirs, and gas shales using controlled-source magnetotellurics: Modelingstudies" Chemie der Erde Geochemistry, 70, 3, 63-75

Tavani S., A. Quint and P. Granado, 2011 Cenozoic right-lateral wrench tectonics inthe Western Pyrenees (Spain): The Ubierna Fault System. Tectonophysics, 509, 3-4, 238-253.

0%

10%

0kt

1kt

2kt

4kt

6kt

8kt

10kt

40%

0%


Proceedings S08-600


Proceedings S08-601

Sistemas GPR 3D multicanal: Aplicaciones en ingeniera y arqueologaMultichannel 3D GPR array systems: From engineering to archaeology

Alexandre Novo(1,2), Gianfranco Morelli(1), Dean Goodman(2) y Henrique Lorenzo(3)(1)Geostudi Astier, Via Nicolodi, 48, 57121, Livorno (Italia), [email protected], [email protected], [email protected](2)Geophysical Archaeometry Laboratory, 20014 Gypsy Ln, Woodland Hills (Estados Unidos), [email protected](3)EUET Forestal, Universidad de Vigo, Campus A Xunqueira s/n, 36005 Pontevedra (Espaa), [email protected]

SUMMARYGround penetrating radar (GPR) has been one of the most utilized geophysical tools for engineering and archaeologicalprospection in the last two decades due to its high-resolution data and 3D visualization capabilities. However, the standardmethodology is still based on 2D data acquisition and real-time interpretation or low-resolution pseudo-3D surveying. Thishas significantly limited the use of the technology to small projects and research purposes. Recently, advances in GPRimaging with multichannel 3D GPR array systems have greatly improved the speed and areal coverage of the ground. Withthe cross-line spacing approaching a 1/4 wavelength of the transmitted microwaves into the ground, multichannel systemshave the advantage of complete coverage of a site with no need for interpolation in most cases. Multichannel data requireadvanced imaging software which provides additional RSP (radargram signal processes) in order to balance the channelsand to condition the data prior to imaging. In addition, efficient data processing must be automated and fast in order tohandle big amount of data generated by multichannel systems. This work presents recent results acquired with the IDSSTREAM systems together GPR-SLICE v7 software for advanced 3D imaging as a new and revolutionary option fornoninvasive prospecting in engineering and archaeology.

1. INTRODUCCIN

El georradar ha sido una de las tcnicas geofsicas ms utilizadaspara ingeniera y prospeccin arqueolgica en las ltimas dosdcadas (Conyers y Goodman, 1997; Annan, 2003; Daniels, 2004)debido a su alta resolucin y a la posibilidad de analizar los datos entres dimensiones. Aunque en la ltima dcada se ha logrado generarimgenes de resolucin completa con sistemas monocanal(Grasmueck et al., 2005; Grasmueck y Viggiano, 2007; Novo et al.,2008) y dichas imgenes permitan detectar con precisin reflectoressutiles previamente no visibles (Novo et al., 2012), el tiempo extraque se necesita para hacer este tipo de adquisicin ultra-densa haminimizado su uso. Por consiguiente, la metodologa estndar esttodava basada en adquisicin 2D con interpretacin de reflectores entiempo real o estudios seudo 3D los cuales utilizan una malla deadquisicin poco densa de perfiles paralelos entre si paraposteriormente generar imgenes de baja resolucin basadas en unavasta interpolacin de datos (Novo et al., 2010).

La nueva generacin de equipos GPR multicanal intentaaumentar la densidad de muestreo espacial y la velocidad deadquisicin de datos. La principal ventaja de los equipos multicanales su capacidad de adquirir adecuadamente datos de resolucincompleta ya que la separacin entre los distintos canales de lasantenas se aproxima a un cuarto de la longitud de onda transmitida.Esta caracterstica constructiva ha sido recientemente implementadapor los principales fabricantes de equipos GPR multicanal. A pesarde que los primeros ensayos con este tipo de sistemas se llevaron acabo hace ms de 15 aos (Warhus et al., 1993), su aceptacin haestado limitada por la calidad de los datos y la complejidad de suprocesado (Francese et al., 2009). Especialmente, la excesivadiferencia en cuanto a respuesta de los distintos canalesimposibilitaba la creacin de imgenes de resolucin completa apartir de los perfiles individuales. Sin embargo, en los ltimos aosla mayora de los fabricantes han sido capaces de solventar esteproblema y equilibrar las respuestas de los diferentes canales(Linford et al., 2010; Trinks et al., 2010; Simi et al., 2010). Porconsiguiente, actualmente, se puede aplicar un flujo de procesado"tradicional" a los radargramas de cada canal y todava obtenerimgenes compensadas por las pequeas diferencias en las respuestasde cada canal. Adems, debido a la alta densidad de adquisicin dedatos de los equipos multicanal, la necesidad de interpolar entreperfiles es menor (Goodman et al., 2011). Por lo tanto, el tamao de

las celdas del volumen de datos se puede aproximar al espaciadoentre trazas registrado originalmente.

2. GEORRADAR MULTICANAL "STREAM"

La familia de georradares multicanal llamada "STREAM"(Subsurface Tomographic Radar Equipment for Assets Mapping) fueinicialmente desarrollada para cartografiar servicios enterrados (Simiet al., 2010) por la empresa italiana IDS (Ingegneria dei SistemiSpa.). Los sistemas STREAM son modulares, pudiendo formarmatrices compuestas por un nmero de antenas variable en funcinde las necesidades (Figura 1). Por lo tanto, un mismo sistema puedeser configurado con simple o doble polarizacin y con anchuravariable para cubrir con una sola pasada desde 0.84m a 3.72m. Ladoble polarizacin se usa habitualmente para mapear anomalasparalelas y perpendiculares a la direccin de adquisicin con una solapasada (por ejemplo: tuberas o armaduras). En cuanto a dimensionesdel sistema, la configuracin ms estrecha es idnea para zonas dedifcil acceso en ambientes urbanos o interiores de edificios. Lasconfiguraciones ms anchas se utilizan para cubrir extensas reaslibres de obstculos en el menor tiempo posible. Por otro lado, launidad de control de datos garantiza una alta velocidad deadquisicin de los mismos (hasta 1450 trazas por segundo y 520muestras por cada traza).

2.1. Posicionamiento de los datosUna parte crucial en la adquisicin de datos es el

posicionamiento de los mismos con precisin centimtrica. Para ellogeneralmente se utiliza un sistema GPS-RTK (Real-time kinematic)para espacios abiertos o bien una estacin total robtica paraespacios cerrados y ambiente urbano donde la cobertura satelital esmenor y por ende la precisin de un GPS disminuye. Ambossistemas de posicionamiento pueden ser conectados al software deadquisicin para el correcto posicionamiento de los datos radar entiempo real.

Obviamente, la adquisicin de datos tiene que cumplirciertas pautas bsicas como: las pasadas adyacentes debensuperponerse parcialmente para no dejar ningn hueco sindatos y asegurar as un mapeo preciso de los reflectoressituados en los bordes de dichas pasadas; las trayectoriasdeben ser rectas en lo posible, evitando hacer curvas.


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Figura 1 - Diferentes arquitecturas de la tecnologia STREAM. Imagen cedida por IDS Spa. (Different STREAM architectures. Image courtesy of IDSSpa.)

2.2. Sistema de navegacinLos sistemas STREAM disponen de un sistema de gua con

interfaz grfica para la navegacin en tiempo real. As, el operadorpuede seguir la trayectoria adecuada y mantener una superposicinconstante entre pasadas sin necesidad de crear una cuadrcula en lasuperficie, siendo as ms eficiente en el trabajo de campo. Estesistema funciona a travs de un software especfico llamadoSnailNav y que ha sido desarrollado por Geocarta para IDS. Estesoftware funciona en paralelo al software de adquisicin de datosradar y proporciona una interfaz grfica para que el operador puedaver en la pantalla del porttil su navegacin en tiempo real. Gracias aeste sistema, un solo operador puede hacer la adquisicin de datos demanera autnoma.

2.3. Procesado de datosDebido a la gran cantidad de radargramas generados por estos

equipos de adquisicin masiva, es comn utilizar macros de filtrospara agilizar el procesado. Actualmente 1GB de datos se procesacompletamente en 30 minutos. El flujo comienza con filtros"bsicos": dewow, alineamiento del tiempo cero, ganancia ybackground removal. Posteriormente se pueden aplicar la migracinde Kirchoff 2.5D y la transformada de Hilbert. Tras la aplicacin defiltros se genera un cubo de datos con celdas del tamao igual a ladistancia entre canales para as mantener la resolucin real de losdatos recogidos y evitar la interpolacin. Dicho cubo se corta enfinas rodajas horizontales (depth-slice), creando una por cadamuestra. En este punto generalmente visualizamos dos tipos decubos de datos: uno preservando valores positivos y negativos de lastrazas registradas. As, la preservacin de la polaridad de la traza y lavisualizacin de los datos a travs de finas rodajas horizontalespueden ayudar a la identificacin de reflectores sutiles deimportancia para la correcta interpretacin de datos como as sediscute en Grasmueck et al. (2005) y Trinks et al. (2010).

El otro tipo de cubo se genera a partir de los datos resultado deaplicar la transformada de Hilbert. Como resultado, los datos seconvierten al dominio positivo produciendo imgenes ms "simples"que generalmente ayudan a resaltar las anomalas ms evidentes.

Tras el procesado, el principal objetivo de visualizar los datosprocesados es localizar fcilmente estructuras o anomalas de inters.Para ello, el uso combinado de los software GRED HD3 y GPR-SLICE permite una visualizacin contempornea de varios cortes delcubo (x,y,z), usar herramientas para la interpretacin de estructuras yexportacin de estas a software CAD.

En esta comunicacin se presentan varios de estos sistemas yejemplos de su uso en distintas aplicaciones.

3. APLICACIONES EN INGENIERIA CIVIL

3.1. Cartografa de servicios enterrados a gran escalaUna de las aplicaciones con ms potencial es la cartografa de

servicios enterrados a gran escala (carreteras). El sistema STREAMEM (mostrado anteriormente en la figura 1) es un sistema con doblefrecuencia (200-600MHz) y doble polarizacin (HH y VV). La altadensidad de muestreo (6cm entre perfiles) y a la doble polarizacintienen permiten mapear la completa red de tuberas conduciendo elsistema en el sentido de circulacin y sin necesidad de cortar eltrfico. El anlisis de datos se realiza a travs de una visualizacinde los datos en 3 planos que permite la interpretacin de estructuraslineares e hiprbolas en el plano cenital, transversal y longitudinal(Figura 2).

Dentro de esta aplicacin, se han desarrollado recientementenuevos equipos para la cartografa de servicios enterrados bajo lasaceras (Col et al., 2012).


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Figura 2 - Visualizacin contempornea e interactiva de rodaja temporal(parte superior izquierda) seccin transversal (parte superior derecha) yperfil longitudinal (parte inferior de la imagen). (Contemporaneous andinteractive visualization of time-slice (upper left), cross-section (upperright) and longitudinal profile (bottom par of the image.)

03.2. Tableros de puentes y pavimentos

Para el estudio de tableros de puentes y pavimentos se hadesarrollado recientemente el sistema RIS Hi-Bright. Msconcretamente para la deteccin de espesores, detectar la presenciade focos de humedad, patologas en el hormign y localizar forjados(Figura 3) y tubos. Este sistema trabaja a 2 GHz de frecuenciacentral y cuenta con una matriz bipolar densa de 16 antenas, 8 enconfiguracin HH y 8 en VV.

Figura 3 - Rodaja temporal a 3.25ns de datos Hi-Bright permiten ver lamalla de armaduras en hormign. (Time-slice at 3.25ns of data collectedwith the Hi-Bright system shows rebar mesh in reinforced concrete.)

4. PROSPECCIN ARQUEOLGICAUna versin reducida del sistema anteriormente descrito se

transforma en el sistema STREAM X, desarrollado para prospeccinarqueolgica de alta resolucin y a gran escala (Novo et al., 2011;Novo et al., 2012). El conjunto se compone de un vehculo quearrastra una matriz de antenas GPR de 1.68m de ancho (Figura 4).Dicha matriz est compuesta por dos mdulos de 8 dipolos cada uno.Los dipolos estn orientados en paralelo con respecto a la direccinde adquisicin (polarizacin vertical o VV), con un espaciado de 12cm y una frecuencia central de 200MHz. Manteniendo losparmetros de adquisicin masiva para resolucin completa elconjunto puede ser conducido a una velocidad mxima de 15 km/h.

Figura 4 - Sistema Stream X en configuracin para mapeadoarqueolgico extensivo. (Stream X system configuration for extensivearchaeological mapping.)

El STREAM X es capaz de cubrir a resolucin completa 1 hectreade terreno libre de obstculos en dos horas y producir imgenesprecisas de las estructuras enterradas (Figura 5).

Figura 5 - Renderizado por isosuperficies de datos recogidos con elSTREAM X sobre parte de un templo Galo-Romano (las dimensionesson 60mx25m aproximadamente) . (Isosurface rendering of STREAM Xdata colleected over a section of a Gallo-Roman temple (approximatedimensions are 60mx25m.)

5. CONCLUSIONESEl estudio del subsuelo superficial mediante el uso de sistemas

GPR multicanal se postula como uno de los mtodos ms eficientes.La velocidad de adquisicin de datos y la alta densidad de muestreodan como resultado imgenes de alta calidad. Estas ventajas hacenpresagiar un incremento en el uso de los sistemas GPR 3Dmulticanal en diferentes aplicaciones de estudio del subsuelo.A pesar de la alta resolucin de las imgenes conseguidas, es todavamuy difcil mostrar una interpretacin completa de los datos radarusando solo imgenes "estticas" (en formato papel) como en elpresente artculo. Adems, para una completa comprensin de todala informacin contenida en estos datos GPR se necesitaraincorporar tecnologa aplicada en otros campos. Visualizacin einmersin 3D son mtodos comunmente aplicados en la industria delpetrolfera pero todava no incorporados a otras disciplinas como elgeorradar. Adems, la gran cantidad de datos generados por estosequipos chocan con las limitaciones actuales de software y PC's. Porello, la migracin 3D aun no ha sido incorporada en las rutinas deprocesado de estos sistemas. Actualmente, podra decirse, que latecnologa georradar multicanal est preparada para la adquisicinmasiva de datos de resolucin completa a gran escala (cientos dehectreas). Sin embargo, existen todava limitaciones en cuanto al


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posicionamiento preciso continuo de los datos a gran escala en zonasde baja cobertura satelital, as como limitaciones para el procesado einterpretacin de datos de semejante tamao.

6. REFERENCIASAnnan, A.P (2003): "Ground Penetrating Radar. Principles, Procedures &

Applications". Sensors & Software, Inc. Mississauga, ON L4W 2X8,Canada. 286p.

Conyers, L.B., y D. Goodman (1997): "Ground-Penetrating Radar. AnIntroduction for Archaeologists". AltaMira Press. A Division of Sageublications, Inc. Walnut Creek, CA (USA).

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Proceedings S08-605

10 km

N

Ensayo de geofsica pasiva en la cuenca negena del Valls-Peneds (Centro deCatalunya)Passive geophysical test in Neogene basin of Valls-Peneds (Centre of Catalunya)

Gabs A.(1) , Macau A.(1), Bellmunt F.(2), Brenner Y.(1), Benjumea B.(1) , Figueras S.(1) y Vil M.(1).(1)Institut Geolgic de Catalunya, c/ Balmes 209-211, 08006, Barcelona, [email protected](2)Universitat de Barcelona, c/ Mart i Franqus s/n, 08028, Barcelona.

SUMMARY

This study is part of a 1:5000 urban geological mapping project of Sant Cugat del Valls, Rub and Terrassa urban arealocated in the Valls-Peneds Basin (centre of Catalunya), which is carried out by IGC (Geological Institute deCatalunya). This work allows complementing the geological information using geophysical methods in those urban areaswhere the geology is difficult to characterize because of the lack of direct information from outcrops, surveys or otherevidences. The aim of this study is to characterize the subsurface lithology from geophysical models obtained in the Valls-Peneds graben. The methodology is based on the integration of two passive geophysical methods: the natural sourceaudio-magnetotelluric method and H/V microtremor technique.The audio-magnetotelluric method (AMT) works in the frequency range of 1Hz to 105Hz and is an electromagnetictechnique that measures the temporal variations of natural electromagnetic fields of the Earth at different frequencies. Onthe other hand, the H/V microtremor technique is a powerful method, simple and with a very small record time. Thesefeatures allow covering large areas of study (18 km of longitude in this work) with a low economic cost.The final integrated geophysical models provide an image of Neogene basin materials of the Valls-Peneds to the depthwhere bedrock is detected with location of some shallow and deep targets as fractures or faults.

1. INTRODUCCIN

Este trabajo ha sido realizado por la Unidad de TcnicasGeofsicas de lInstitut Geolgic de Catalunya (IGC), como soportea la Unidad de Cartografa Geolgica en la realizacin de los mapasgeolgicos urbanos. El estudio se enmarca en el proyecto: mapageolgico 1:5000 de la zona urbana del Valls-Peneds,concretamente en el rea urbana de Sant Cugat del Valls, Rub yTerrassa.

El trabajo conjunto de estas dos unidades del IGC permitecomplementar la informacin geolgica existente aplicando mtodosgeofsicos en aquellas zonas urbanas donde es difcil caracterizar lageologa a causa de la falta de informacin directa de afloramientos,prospecciones u otras evidencias.

Los objetivos del estudio se dividen en uno general y otro msconcreto. En primer lugar se pretende definir una metodologabasada en el uso de la combinacin de diferentes tcnicas geofsicascomplementarias entre ellas y que sirva de soporte a la elaboracinde los mapas geolgicos urbanos. El segundo objetivo, ms concreto,es aplicar la metodologa planteada al rea de estudio de la cuencanegena del Valls-Peneds para la caracterizacin litolgica de losmateriales hasta la profundidad donde se detecta la presencia delsustrato rocoso.

2. ZONA DE ESTUDIO Y ENTORNO GEOLGICO

Geogrficamente, la zona de estudio se localiza al noreste de laPennsula Ibrica, formando parte de la zona occidental de la fosatectnica del Valls-Peneds. El rea de estudio est ubicada en lacomarca del Valls Occidental, en la provincia de Barcelona eincluye los municipios de Sant Cugat del Valls, Rub y Terrassa(figura 1). Dicha comarca queda situada en la zona central de laDepresin Media del Sistema Mediterrneo y se encuentradelimitada por el sistema prelitoral al norte, el sistema litoral al sur,y por los ros Bess y Llobregat al este y oeste, respectivamente.

Figura 1 Situacin geogrfica del rea de estudio (rectngulo naranja)(ICC, 2012). (Geographical location of the study area).

Respecto al entorno geolgico de la zona, se puede decir que lafosa tectnica del Valls-Peneds es uno de los semi-grabens msestrechos y grandes, en la direccin NNE-SSW, que se extienden enel margen cataln continental (Cabrera et al. (1991), Bartrina et al.(1992), Cabrera y Calvet (1996)). Esta cuenca, formadamayoritariamente por materiales del Negeno, se caracteriza porpresentar una longitud de hasta 100 km y una anchura de entre 12 y14 km. El basamento del semi-graben consiste en metasedimentos ymateriales volcnicos del Paleozoico que fueron deformados durantela orogenia varisca. Las secuencias Mesozoicas se encuentran

Terrassa

Rub

Sant Cugat delValls


Proceedings S08-606

discordantes encima del basamento del Paleo

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