Muestra central

Una muestra de núcleo es una sección cilíndrica de una sustancia (generalmente) natural. La mayoría de las muestras de núcleo se obtienen perforando la sustancia, como sedimento o roca, con un tubo de acero hueco llamado sacatestigos . El orificio hecho para la muestra de núcleo se llama "perforación de núcleo". Existen diversos sacatestigos para muestrear diferentes medios en distintas condiciones; la tecnología está en constante desarrollo. En el proceso de extracción del núcleo, la muestra se introduce en el tubo prácticamente intacta. Una vez extraída del tubo en el laboratorio, se inspecciona y analiza mediante diferentes técnicas y equipos, según el tipo de datos que se deseen obtener.

Se pueden tomar muestras de núcleos para analizar las propiedades de materiales artificiales , como el hormigón , la cerámica , algunos metales y aleaciones, especialmente los más blandos. También se pueden tomar muestras de núcleos de seres vivos, incluidos los seres humanos, en particular de los huesos, para su examen microscópico y así ayudar a diagnosticar enfermedades.

La composición de los materiales analizados puede variar desde casi líquidos hasta los materiales más resistentes que se encuentran en la naturaleza o en la tecnología, y su ubicación puede variar desde una mesa de laboratorio hasta más de 10  km de la superficie terrestre en un pozo . Por consiguiente, la variedad de equipos y técnicas aplicadas es muy amplia. Las muestras de núcleo se suelen tomar con su eje longitudinal orientado aproximadamente paralelo al eje del pozo, o paralelo al campo gravitatorio en el caso de las herramientas que funcionan por gravedad. Sin embargo, también es posible tomar muestras de núcleo de la pared de un pozo ya existente. Tomar muestras de un afloramiento, ya sea una pared rocosa saliente o en otro planeta, es prácticamente sencillo. (Los vehículos exploradores de Marte llevan una herramienta de abrasión de rocas , que es lógicamente equivalente a la herramienta de "núcleo rotatorio de pared lateral" que se describe más adelante).

Algunas técnicas comunes incluyen:

• La extracción de testigos por gravedad consiste en dejar caer el muestreador en la muestra, generalmente el lecho de un cuerpo de agua, aunque la misma técnica también puede aplicarse a materiales blandos en tierra. Las fuerzas de penetración, si se registran, proporcionan información sobre la resistencia del material a diferentes profundidades, lo que puede ser la única información necesaria, siendo las muestras un beneficio adicional. Esta técnica es común tanto en investigaciones de emplazamientos de ingeniería civil (donde se asemeja a la hinca de pilotes ) como en estudios geológicos de depósitos acuáticos recientes. La baja resistencia de los materiales perforados implica que los testigos deben ser relativamente pequeños.
• Vibración , en la que el muestreador se hace vibrar para permitir la penetración en medios tixotrópicos . Nuevamente, la resistencia física del material limita el tamaño del núcleo que se puede extraer.
• La perforación consiste en presionar una herramienta anular giratoria, respaldada por un dispositivo cilíndrico para almacenar la muestra, contra el material de interés para extraer un cilindro. Normalmente se requiere un mecanismo para retener la muestra cilíndrica en la herramienta de extracción. Dependiendo de las circunstancias, especialmente de la consistencia y composición del material, pueden ser necesarias diferentes disposiciones dentro de las herramientas para sostener y proteger la muestra durante su ascenso a la superficie. A menudo también es necesario controlar o reducir el contacto entre el fluido de perforación y la muestra, para minimizar las alteraciones derivadas del proceso de extracción. Las fuerzas mecánicas ejercidas sobre la muestra por la herramienta suelen provocar su fractura y la pérdida de intervalos menos competentes, lo que puede complicar considerablemente su interpretación. Los núcleos pueden cortarse habitualmente con diámetros de tan solo unos milímetros (en madera, para dendrocronología ) hasta más de 150 milímetros (lo cual es habitual en la exploración petrolera ). La longitud de las muestras puede variar desde menos de un metro (de nuevo, en madera, para dendrocronología) hasta unos 200 metros en una sola pasada, aunque lo más habitual es de 27 a 54 metros (en la exploración petrolera ), y se pueden realizar muchas pasadas consecutivas si un análisis "rápido" en el campo sugiere que la zona de interés continúa.
• La técnica de extracción de testigos por percusión lateral utiliza robustos cilindros que se proyectan explosivamente contra la pared de un pozo para obtener una muestra de núcleo relativamente pequeña y corta. Estas muestras suelen estar muy fragmentadas, lo que dificulta la medición de la porosidad y la permeabilidad , pero a menudo son suficientes para estudios litológicos y micropaleontológicos . Se pueden analizar varias muestras en una sola pasada con las herramientas, que normalmente están configuradas con entre 20 y 30 cilindros y cargas propulsoras a lo largo de su longitud. Varias herramientas se pueden combinar para una sola pasada. Las tasas de éxito para el disparo de un cilindro, su penetración en la pared del pozo, la recuperación del cilindro por el sistema de retención y la retención de la muestra son relativamente bajas, por lo que no es raro que solo la mitad de las muestras analizadas resulten exitosas. Este es un factor importante a considerar al planificar los programas de muestreo.
• La extracción de testigos laterales mediante perforación rotativa consiste en aplicar una herramienta de perforación rotativa automatizada y miniaturizada a la pared del pozo para obtener una muestra de tamaño similar a la de un testigo lateral de percusión (descrito anteriormente). Estos testigos suelen sufrir menos deformación que los de percusión. Sin embargo, el proceso de extracción es más prolongado y suelen producirse atascos en el equipo auxiliar que recupera la muestra de la broca y la almacena en el cuerpo de la herramienta.
• La extracción manual de testigos puede realizarse con diversos instrumentos, como un muestreador de turba ruso, un muestreador de pistón manual o simplemente un tubo hueco. Las ventajas de la extracción manual son su bajo coste y rapidez, pero un muestreador manual solo alcanza profundidades limitadas, que van desde unos pocos decímetros en suelos arcillosos hasta unos pocos metros en sedimentos lacustres blandos. ^{[ 1 ]}

Aunque a menudo se pasa por alto, las muestras de núcleos siempre se degradan en cierta medida durante el proceso de corte, manipulación y estudio. Las técnicas no destructivas son cada vez más comunes, por ejemplo, el uso de resonancia magnética para caracterizar granos, fluidos intersticiales, espacios porosos ( porosidad ) y sus interacciones (que constituyen parte de la permeabilidad ), pero es probable que esta costosa precisión sea inútil en un núcleo que ha sido sacudido en un camión sin suspensión durante 300  km por un camino de tierra. Lo que sucede con los núcleos entre el equipo de extracción y el laboratorio (o archivo) final es una parte a menudo descuidada del registro y la gestión de núcleos.

La extracción de núcleos se ha consolidado como una fuente importante de datos, y se presta cada vez más atención a la prevención de daños durante las distintas etapas de su transporte y análisis. El método habitual consiste en congelar completamente el núcleo con nitrógeno líquido, que es de bajo costo. En algunos casos, también se utilizan polímeros especiales para preservar y proteger el núcleo de posibles daños.

De igual modo, una muestra de núcleo que no se puede relacionar con su contexto (donde se encontraba antes de ser extraída) pierde gran parte de su utilidad. La identificación del pozo, así como la posición y orientación ("hacia arriba") del núcleo dentro del pozo, son cruciales, incluso si el pozo se encuentra en el tronco de un árbol. Los dendrocronólogos siempre procuran incluir una superficie de corteza en sus muestras para poder determinar con precisión la fecha del crecimiento más reciente del árbol.

Si estos datos se separan de las muestras de núcleo, generalmente es imposible recuperarlos. El costo de una operación de extracción de núcleos puede variar desde unas pocas unidades monetarias (para un núcleo extraído manualmente de una sección de suelo blando) hasta decenas de millones de unidades monetarias (para núcleos de pared lateral de un pozo submarino remoto a muchos kilómetros de profundidad). El registro inadecuado de estos datos básicos ha mermado la utilidad de ambos tipos de núcleos.

Las distintas disciplinas tienen diferentes convenciones locales para registrar estos datos, y el usuario debe familiarizarse con las convenciones de su área. Por ejemplo, en la industria petrolera, la orientación del testigo se registra normalmente marcándolo con dos franjas longitudinales de color, con la roja a la derecha cuando el testigo se extrae y se marca en la superficie. Los testigos extraídos para la minería de minerales pueden tener sus propias convenciones, diferentes a las habituales. La ingeniería civil o los estudios de suelos también pueden tener sus propias convenciones, diferentes a las habituales, ya que sus materiales a menudo no son lo suficientemente resistentes como para realizar marcas permanentes.

Cada vez es más común conservar las muestras de núcleo en envases cilíndricos que forman parte del equipo de corte, y marcar estos "barriles interiores" en el campo antes de su posterior procesamiento y análisis en el laboratorio. A veces, el núcleo se envía del campo al laboratorio con la misma longitud con la que se extrae; otras veces se corta en longitudes estándar (5 m, 1 m o 3  pies) para su envío y luego se vuelve a ensamblar en el laboratorio. Algunos sistemas de "barriles interiores" permiten invertir la posición de la muestra, de modo que en el laboratorio la muestra queda "en la posición incorrecta" al volver a ensamblar el núcleo. Esto puede complicar la interpretación.

Si se realizan mediciones petrofísicas de las rocas de la pared del pozo y estas se repiten a lo largo del testigo, y luego se correlacionan ambos conjuntos de datos, casi universalmente se encontrará que la profundidad "registrada" para una pieza de testigo en particular difiere entre los dos métodos de medición. La elección del conjunto de mediciones más fiable se convierte entonces en una cuestión de política del cliente (en un entorno industrial) o en motivo de gran controversia (en un contexto sin una autoridad superior). Registrar las discrepancias, sea cual sea el motivo, permite corregir una decisión errónea posteriormente; destruir los datos de profundidad "incorrectos" imposibilita la corrección del error. Cualquier sistema para conservar y archivar datos y muestras de testigos debe diseñarse de manera que se puedan registrar opiniones discrepantes como esta.

Si las muestras de núcleo de una campaña son competentes, es práctica común dividirlas en dos o más muestras longitudinalmente al inicio del procesamiento en laboratorio, de modo que un conjunto de muestras pueda archivarse al comienzo de la secuencia de análisis como protección contra errores de procesamiento. Es común dividir el núcleo en dos conjuntos (2/3 y 1/3). También es común que un conjunto sea conservado por el cliente principal, mientras que el segundo se entrega al gobierno (que a menudo impone dicha donación como condición para la concesión de la licencia de exploración/explotación). La división en láminas también tiene la ventaja de preparar una superficie plana y lisa para el examen y la prueba de la permeabilidad del perfil, lo que facilita mucho el trabajo en comparación con la superficie típicamente rugosa y curva de las muestras de núcleo recién extraídas del equipo. La fotografía de las superficies de los núcleos, tanto en bruto como divididos en láminas, es rutinaria, a menudo bajo luz natural y ultravioleta.

Una unidad de longitud que se utiliza ocasionalmente en la literatura sobre testigos de sedimentos marinos es cmbsf , una abreviatura de centímetros por debajo del lecho marino.

La técnica de extracción de núcleos es muy anterior a los intentos de perforación del manto terrestre por parte del Programa de Perforación Oceánica Profunda . Pronto se hizo evidente el valor que tenía para la historia oceánica y geológica general la obtención de núcleos en una amplia zona de los fondos marinos . La toma de muestras de núcleos por parte de numerosas organizaciones científicas y de exploración se expandió rápidamente. Hasta la fecha, se han recogido cientos de miles de muestras de núcleos de los fondos de todos los océanos del planeta y de muchas de sus aguas continentales .

El acceso a muchas de estas muestras se facilita mediante el Índice de Muestras Geológicas Marinas y Lacustres .

La extracción de testigos comenzó como un método para muestrear los alrededores de los yacimientos minerales y la exploración petrolera. Pronto se extendió a océanos , lagos , hielo , lodo , suelo y madera . Los testigos extraídos de árboles muy viejos proporcionan información sobre sus anillos de crecimiento sin destruir el árbol.

Los núcleos de sedimentos indican variaciones del clima , las especies y la composición sedimentaria a lo largo de la historia geológica. Los fenómenos dinámicos de la superficie terrestre son, en su mayor parte, cíclicos en varios aspectos, especialmente la temperatura y las precipitaciones .

Existen muchas maneras de datar un núcleo de sedimento. Una vez datado, proporciona información valiosa sobre los cambios climáticos y geográficos . Por ejemplo, los núcleos encontrados en el fondo oceánico, el suelo y el hielo han transformado por completo la visión de la historia geológica del Pleistoceno .

La perforación por circulación inversa es un método en el que los recortes de roca se extraen continuamente a través de la varilla de perforación hueca y se pueden muestrear para su análisis. Este método puede ser más rápido y utilizar menos agua que la perforación con testigo, pero no produce testigos de material relativamente inalterado, por lo que se puede obtener menos información sobre la estructura de la roca a partir del análisis. Si se utiliza aire comprimido para la extracción de los recortes, la muestra permanece sin contaminar, está disponible casi de inmediato y el método tiene un bajo impacto ambiental. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

• Perforación de núcleo
• núcleo de hielo
• Programa Integrado de Perforación Oceánica
• Perforación científica

• Definición de extracción de núcleos Archivado el 18/07/2015 en Wayback Machine
• Núcleo de Walden Pond archivado el 18/04/2019 en Wayback Machine.
• Datación de núcleos de hielo
• La máquina perforadora de John Branner Newsom