Tomografía de resistividad eléctrica

La tomografía de resistividad eléctrica ( TRE ) o imagen de resistividad eléctrica ( IRE ) es una técnica geofísica para obtener imágenes de estructuras subsuperficiales a partir de mediciones de resistividad eléctrica realizadas en la superficie o mediante electrodos en uno o más pozos . Si los electrodos se suspenden en los pozos, se pueden investigar secciones más profundas. Está estrechamente relacionada con la técnica de imagen médica de tomografía de impedancia eléctrica (TIE) y, matemáticamente, es el mismo problema inverso . Sin embargo, a diferencia de la TIE médica, la TRE es esencialmente un método de corriente continua . Un método geofísico relacionado, la polarización inducida (o polarización inducida espectral ), mide la respuesta transitoria y tiene como objetivo determinar las propiedades de cargabilidad del subsuelo.

Las mediciones de resistividad eléctrica pueden utilizarse para la identificación y cuantificación de la profundidad del agua subterránea, la detección de arcillas y la medición de la conductividad del agua subterránea. ^{[ 1 ]}

Esta técnica evolucionó a partir de técnicas de prospección eléctrica anteriores a las computadoras digitales, en las que se buscaban capas o anomalías en lugar de imágenes.

Los primeros trabajos sobre este problema matemático, realizados en la década de 1930, asumían un medio estratificado (véase, por ejemplo, Langer y Slichter). Andrey Nikolayevich Tikhonov, conocido principalmente por su trabajo sobre la regularización de problemas inversos, también trabajó en este problema. Explica detalladamente cómo resolver el problema ERT en un caso sencillo de un medio de dos capas. Durante la década de 1940, colaboró ​​con geofísicos y, sin la ayuda de ordenadores, descubrieron grandes yacimientos de cobre. Como resultado, recibieron el Premio Estatal de la Unión Soviética.

Cuando las computadoras adecuadas se hicieron ampliamente accesibles, el problema inverso de la ERT pudo resolverse numéricamente. El trabajo de Loke y Barker en la Universidad de Birmingham fue uno de los primeros en ofrecer una solución de este tipo, y su método aún se utiliza ampliamente.

Con el avance de la tomografía de resistividad eléctrica (TRE), que ha evolucionado de 1D a 2D y actualmente a 3D, la TRE ha explorado numerosos campos. Entre sus aplicaciones se incluyen la investigación de fallas, el estudio del nivel freático, la determinación del contenido de humedad del suelo y muchas otras. En la obtención de imágenes de procesos industriales, la TRE se puede utilizar de forma similar a la tomografía de impedancia eléctrica (TIE) médica, para visualizar la distribución de la conductividad en recipientes de mezcla y tuberías. En este contexto, se suele denominar tomografía de resistividad eléctrica , haciendo hincapié en la magnitud que se mide en lugar de la que se visualiza.

La resistividad del suelo , medida en ohm-centímetros (Ω⋅cm), varía con el contenido de humedad y los cambios de temperatura. En general, un aumento de la humedad del suelo produce una reducción de su resistividad. En las arenas, el fluido intersticial constituye la única vía eléctrica, mientras que en las arcillas, tanto el fluido intersticial como las partículas cargadas superficialmente proporcionan vías eléctricas. La resistividad de los suelos húmedos de grano fino suele ser mucho menor que la de los suelos húmedos de grano grueso. La diferencia de resistividad entre un suelo seco y uno saturado puede ser de varios órdenes de magnitud. ^{[ 1 ]}

El método para medir la resistividad del subsuelo consiste en colocar cuatro electrodos alineados en el suelo, con la misma separación entre ellos. Se aplica una corriente alterna (CA) medida a los dos electrodos exteriores y se mide la tensión alterna (CA) entre los dos electrodos interiores. La resistencia medida se calcula dividiendo la tensión medida entre la corriente medida. Esta resistencia se multiplica luego por un factor geométrico que incluye la separación entre cada electrodo para determinar la resistividad aparente.

Para investigaciones  a poca profundidad (<10 m), se suelen utilizar espaciamientos entre electrodos de 0,75, 1,5, 3,0, 6,0 y 12,0 m. Para investigaciones a mayor profundidad, se suelen utilizar espaciamientos mayores de 1,5, 3,0, 6,0, 15,0, 30,0, 100,0 y 150,0 m. La profundidad de la investigación suele ser inferior al espaciamiento máximo entre electrodos. Se introduce agua en los orificios de los electrodos al introducirlos en el suelo para mejorar el contacto eléctrico .  

La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) se utiliza para crear imágenes de diversas condiciones y estructuras del subsuelo. Tiene aplicaciones en numerosos campos, entre ellos:

Estudios ambientales:

• Exploración de aguas subterráneas: La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) ayuda a localizar acuíferos subterráneos y a evaluar la calidad del agua.
• Mapeo de contaminantes: La tomografía de resistividad eléctrica (TRE) se utiliza para monitorear y delimitar la propagación de contaminantes en el suelo y el agua subterránea.
• Monitoreo de vertederos: ERT monitorea las condiciones del vertedero, la generación y migración de gases, ^{[ 2 ]} y las vías de lixiviación . ^{[ 2 ]}

Ingeniería geotécnica:

• Investigación del sitio: La ERT se utiliza para estudiar las propiedades del suelo y la roca, así como la infraestructura subterránea existente en proyectos de construcción. ^{[ 3 ]}
• Evaluación de cimientos: La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) permite evaluar el estado de los cimientos, detectar huecos y determinar su capacidad portante.
• Detección de sumideros: La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) puede identificar cavidades subterráneas que pueden provocar la formación de sumideros.

Arqueología y patrimonio cultural:

• Elementos arqueológicos enterrados: La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) puede detectar estructuras, artefactos y yacimientos arqueológicos enterrados.
• Integridad estructural de los monumentos: ERT ayuda a evaluar el estado de edificios y estructuras históricas. ^{[ 4 ]}

Minería y exploración de minerales:

• Yacimientos minerales: La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) permite delimitar los límites y las características de los cuerpos minerales.
• Detección de cuevas: La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) se utiliza para localizar cuevas y formaciones kársticas en zonas mineras.

Hidrogeología:

• Cartografía de acuíferos: La tomografía de resistividad eléctrica (TRE) se utiliza para crear mapas detallados de los acuíferos subterráneos y sus propiedades.
• Monitoreo de la intrusión de agua salada: La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) ayuda a detectar y monitorear la invasión de agua salada en acuíferos de agua dulce.

Ingeniería e infraestructura:

• Evaluación de túneles y presas: La ERT evalúa la integridad estructural de túneles y presas. ^{[ 5 ]}
• Estudios de rutas de tuberías y cables: Ayuda a identificar servicios subterráneos y peligros potenciales. ^{[ 6 ]}
• Evaluación del riesgo de deslizamientos de tierra: La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) puede detectar planos de deslizamiento subterráneos y pendientes inestables.
• Evaluación de diques y terraplenes: Evalúa la integridad estructural de los diques y terraplenes.
• Inspecciones de salud de edificios: La ERT se utiliza para examinar el estado de los cimientos y otras partes subterráneas de los edificios para orientar el mantenimiento y las renovaciones. ^{[ 7 ]}

Exploración de petróleo y gas:

• Caracterización de yacimientos: La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) ayuda a comprender las propiedades de los yacimientos subterráneos.
• Monitorización de la migración de fluidos: La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) se utiliza para rastrear el movimiento de fluidos en el subsuelo durante la perforación y la producción.

Agricultura:

• Mapeo de la humedad del suelo: La tomografía de resistividad eléctrica (ERT) ayuda a evaluar el contenido de humedad del suelo para la agricultura de precisión .
• Visualización de la zona radicular: La tomografía de resistividad eléctrica (TRE) se utiliza para visualizar las estructuras radiculares de las plantas y las interacciones entre el suelo y las raíces.

• tomografía de capacitancia eléctrica
• tomografía de impedancia eléctrica
• Tomografía de capacitancia eléctrica tridimensional
• Magnetotelúrica
• Sismo-electromagnetismo
• Corriente telúrica
• Sondeo eléctrico vertical
• Imágenes geofísicas
• Radar de penetración terrestre

• Langer, RE (1933-10-01). "Un problema inverso en ecuaciones diferenciales" (PDF) . Boletín de la Sociedad Matemática Americana . 39 (10). Sociedad Matemática Americana (AMS): 814– 821. doi : 10.1090/s0002-9904-1933-05752-x . ISSN 0002-9904 . 
• Slichter, LB (1933). "La interpretación del método de prospección de resistividad para estructuras horizontales". Física . Vol.  4, n.º  9. AIP Publishing. págs. 307–322 . doi : 10.1063/1.1745198 . ISSN 0148-6349 .  
• Langer, RE (1936-10-01). "Sobre la determinación de la conductividad terrestre a partir de potenciales superficiales observados" (PDF) . Boletín de la Sociedad Matemática Americana . 42 (10). Sociedad Matemática Americana (AMS): 747– 755. doi : 10.1090/s0002-9904-1936-06420-7 . ISSN 0002-9904 . 
• Tikhonov, AN (1949). О единственности решения задачи электроразведки. Doklady Akademii Nauk SSSR (en ruso). 69 (6): 797–800 .
• AP Calderón, Sobre un problema inverso de valores en la frontera, en Seminario de Análisis Numérico y sus Aplicaciones a la Física del Continuo, Río de Janeiro, 1980. Copia escaneada del artículo.
• Loke, MH (2004). Tutorial: Estudios de imágenes eléctricas 2D y 3D (PDF) . Recuperado el 11 de junio de 2007 .
• Loke, MH; Barker, RD (1996). "Inversión rápida por mínimos cuadrados de pseudosecciones de resistividad aparente mediante un método cuasi-Newton". Geophysical Prospecting . 44 (1). Wiley: 131– 152. Bibcode : 1996GeopP..44..131L . doi : 10.1111/j.1365-2478.1996.tb00142.x . ISSN 0016-8025 . 
• Loke, MH; Barker, RD (1996). "Técnicas prácticas para estudios de resistividad 3D e inversión de datos". Geophysical Prospecting . 44 (3). Wiley: 499– 523. Bibcode : 1996GeopP..44..499L . doi : 10.1111/j.1365-2478.1996.tb00162.x . ISSN 0016-8025 .