Equipos Medidas Gravedad Absoluta y Relativa

Cátedra de Geofísica Aplicada, U.N.P.S.J.B., Chubut, Argentina. Tema 3 Gravimetría, Instrumental y Aplicaciones Chelotti, L., Acosta, N., Foster, M., 2010.

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INSTRUMENTAL Y APLICACIONES GRAVIMÉTRICAS

Mediciones de Gravedad Relativa: Los primeros trabajos de prospección fueron realizados con balanzas de torsión, como la de Eötvos, que medían el gradiente de la gravedad -por lo cual eran aparatos llamados gradiómetros- y también en esos tiempos se utilizaron péndulos, si bien de operación lenta -más apropiados para mediciones absolutas-, de los cuales el más utilizado fue el del inglés Henry Katter (1817). Pero desde principios de la década de 1930 se han utilizado los gravímetros, que miden directamente pequeñas variaciones de la componente vertical (z) de la gravedad relativa, respecto a una referencia o base principal, sobre la base de que m.g = k.h (k es la constante del aparato y h el desplazamiento vertical). En verdad la prestación de las balanzas de torsión era superior, pero la mayor rapidez de los gravímetros, con aceptables resultados, pesó especialmente en las actividades de exploración hidrocarburífera.

Gravímetros Estables: En éstos el cambio de la longitud del muelle se mide directamente por medio de una amplificación (óptica, mecánica o eléctrica), ajustándose nuevamente al punto central mediante un tornillo y leyendo las divisiones debidas a la variación de la longitud del muelle, es decir al cambio de g. Prácticamente dejaron de usarse hace décadas. Algunos ejemplos son el Hartley, con un sistema de amplificación mecánico-óptica, y el Gulf, con amplificación de tipo óptica.

Gravímetros Inestables o Astáticos: Desarrollados en Francia en 1934 por Lucien La Coste y Arnold Romberg (pero comercializado en escala sólo después de la Segunda Guerra Mundial) consta de una masa suspendida inestablemente a través de un brazo lateral, tal que para determinado valor de g la masa se encuentra en equilibrio. Basta un pequeño cambio de g para que se abandone el equilibrio y esto se traduzca en desplazamientos relativamente grandes. Posee dos resortes principales, uno para los ajustes de las mediciones como en los estables y otro para suspender el sistema, el cual es llamado resorte cero (zero length spring) ya que no se modifica su posición durante la operación. Algunas marcas conocidas, cada una con varios modelos, son Thyssen, La Coste-Romberg, Worden, Sodin, Canadian y otras.

Como se mencionó antes, el material de los resortes (inicialmente metálicos, actualmente de cuarzo) genera una deriva (en inglés, drift) que es necesario determinar. La deriva es la variación que experimentan las lecturas en una misma estación con respecto al tiempo. Se debe a deformaciones no perfectamente elásticas del sistema (fatiga), inevitablemente variante respecto al


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resorte ideal, más otras variaciones por la temperatura y perturbaciones que eventualmente sufre un instrumento durante su trabajo. Aquí podemos ver ilustraciones de distintos tipos de gravímetros.

Existen diseños de gravímetros adaptados para ser bajados a fondos marinos (La Coste, 1952, con mando remoto), también para trabajar desde barcos o también desde aviones (ya desde los años ’60), o para pozos petroleros (Gilbert, Edcon, etc., que se mantienen verticales sin importar la inclinación del pozo), todos construidos según el principio de los gravímetros astáticos. Existen asimismo versiones avanzadas para mediciones satelitales, y hasta fue enviado a la Luna un diseño especial de La Coste, en 1972.

También han surgido recientemente gravímetros de Resorte Vibrante con un sistema de registro electromagnético y otros que funcionan por Levitación Magnética de un imán sobre un campo


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inducido a través de una bobina, los que constituyen la base de los modernos desarrollos en curso. A la derecha se ilustra el diseño básico de cada uno de ellos.

Gradiómetros: Empleados también para mediciones de gravedad relativa. Los más antiguos, desde fines del siglo XIX, fueron las Balanzas de Torsión, modificadas de la balanza original de Cavendish, siendo la más utilizada la desarrollada por Lorand von Eötvös (1886), para medir directamente la pendiente o gradiente de la gravedad. Ésta consta de dos masas iguales suspendidas de brazos a distintas alturas y con posibilidad de rotar en conjunto para situarse en la dirección de máximo gradiente horizontal de la aceleración gravitatoria.

A partir de 1970 empezaron a usarse Gradiómetros Modernos, conformados por tres pares de gravímetros ensamblados en las direcciones x, y, z, inicialmente para navegación submarina, reemplazando al sonar durante la Guerra Fría. Hacia 1993 salieron del secreto militar y comenzaron a ser empleados también para prospección marina principalmente petrolera ya que, si bien muy costosos, brindan respuestas superiores a la de los gravímetros que sólo miden la componente z de la gravedad. Van montados sobre plataformas girocontroladas y con acelerómetros que permiten corregir los efectos provocados por los movimientos de la embarcación. La aplicación más habitual se relaciona con la presencia de diapiros halocinéticos que entrampan hidrocarburos en los reservorios de sus flancos. Las siguientes figuras ilustran sobre la gradiometría moderna.


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Mediciones de Gravedad Absoluta:

Péndulos: Basados en el sincronismo de su período descubierto por Galileo Galilei, fueron los primeros instrumentos usados y aún se los emplea. El período T = 2π/√L/g (siendo L la longitud del péndulo ideal, aproximadamente igual a k, constante del sistema real). (Como se mencionó, algunos péndulos también se usaron hace más de un siglo para prospección.)

Aparatos de Caída Libre: Desarrollados en las últimas dos décadas, miden la gravedad por caída de un cuerpo en un receptáculo en vacío (otra idea original de Galileo), haciendo las determinaciones mediante instrumental electrónico de alta precisión y recordando que la distancia vertical h = (1/2)g.t2 (siendo t el tiempo de caída).


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Gravímetro Superconductor o Criogénico: De desarrollo reciente, consiste en una esfera hueca suspendida en un campo magnético generado por un toroide superconductor enfriado por un compresor de helio. Usado para mediciones absolutas y monitoreo fino de mareas y sismos.

APLICACIONES GRAVIMÉTRICAS

Como ya fue en parte mencionado, existen anomalías de Bouguer negativas -siempre en términos relativos respecto a una referencia zonal- allí donde hay sinclinales, domos evaporíticos, etc. Los altos gravitacionales, en cambio, pueden presentarse si hay rocas ígneas intruyendo una secuencia sedimentaria, o bien donde existan anticlinales -porque en su núcleo las rocas más antiguas, generalmente más densas, se acercan a la superficie- y también en otras diversas conformaciones geológicas. Los objetivos pueden vincularse al estudio de la geología regional con variados fines prospectivos y aun investigaciones corticales de gran magnitud, como el siguiente ejemplo alpino.


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En algunos casos la adquisición de los datos es un mallado terrestre de gran escala, o bien transectas generalmente perpendiculares a los principales rasgos tectónicos. Desde hace ya muchos años, como se dijo, la gravedad puede ser registrada tanto desde barcos como aviones, si bien con alguna disminución en su precisión pero útil a los fines regionales, a veces con gravímetros y otras veces con gradiómetros, que son más costosos pero brindan información de excelente calidad. Desde barcos o aviones es importante tener una navegación lo más pareja posible y evitar aceleraciones que generarían ruidos en las lecturas, si bien es posible recurrir a acelerómetros que permiten compensar esto. Desde el aire se trata de seguir líneas de vuelo rectas a altura constante, más o menos paralelas entre sí y, como en otras modalidades, aproximadamente normales a las estructuras, con algunas líneas de atadura en sentido perpendicular al antedicho. Finalmente, como también se mencionó, existen registros satelitales con fines fundamentalmente geodésicos.

Arriba tenemos los mapas de anomalía de Bouguer y residual de los Estados Unidos, generados a partir de la integración de muchos relevamientos individuales. Se pueden apreciar los valores negativos sobre el orógeno que está actualmente activo (las Rocky Mountains) y


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valores positivos sobre las raíces exhumadas de un orógeno antiguo (los Apalaches). Puede verse que el mapa residual quita estos elementos regionales muy profundos y realza rasgos relativamente más someros. Abajo un relevamiento típico, en una cuenca sedimentaria del noroeste argentino.

El primera figura a la izquierda en la página siguiente es la interpretación de una transecta a escala cortical, desde las Sierras Cuyanas de Argentina al Pacífico en Chile. La anomalía de Bouguer está descompensada por la ya citada eliminación metodológica de las antirraíces (el relieve) y la anomalía de Aire Libre -sin supresión de la masa interpuesta que configura las antirraíces- da, en cambio, un resultado más semejante al de la anomalía Isostática, de modo que se la puede tomar como una primera aproximación si no se tiene la oportunidad de calcular el desbalance isostático.


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Los mapas a la derecha muestran precisamente la relativa similitud entre la anomalía de Aire Libre y la Isostática modelada a escala continental (D.Chapin,1996; Geophysics).

Pero además existen otras diversas aplicaciones de la gravimetría a menores escalas, como el ejemplo de la figura de aquí arriba, en la cuenca Austral: un maar (cráter freatomagmático) con una intrusión ígnea subvolcánica visible en la sísmica de reflexión y en el perfil de detalle de la anomalía de Bouguer generada por el contraste de densidades.


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Otras aplicaciones de escala reducida son las hidrogeológicas (basamentos de acuíferos, etc.), las medioambientales (como ser la detección de piletas de petróleo o basurales tapados), también las referidas a trabajos de exploración arqueológica (por ejemplo construcciones con bloques densos yaciendo bajo sedimentos ligeros) o para fundaciones en ingeniería civil (rocas de base para diques, puentes, etc.), en algunos casos con mediciones de altísima precisión en un área muy reducida, como el ejemplo siguiente.

� Gravimetría Aplicada a la Prospección de Hidrocarburos:

La prospección gravimétrica ha sido muy utilizada en las primeras etapas exploratorias de las cuencas sedimentarias, dado que brinda buenas imágenes de la forma de las cuencas, sus variaciones de espesor y la conformación de sus principales estructuras que pueden eventualmente configurar trampas de hidrocarburos, tal como se ve en el ejemplo de la Fosa de Tucumán. La mayor proximidad a la superficie del basamento -o de rocas densas en general- se expresa en aumentos de la aceleración de la gravedad y por lo tanto de la anomalía de Bouguer observada en mapas y cortes. A la inversa, con mayor profundidad del basamento -o rocas someras de baja densidad- tenemos anomalías de Bouguer negativas respecto a la referencia regional. En cuencas exploratoriamente más maduras, ya sea marinas o continentales, la gravimetría puede ayudar a resolver modelos del subsuelo allí donde la sísmica de reflexión u otros métodos geofísicos no dan buena respuesta, por ejemplo bajo domos salinos relativamente complejos o bajo intrusiones ígneas o coladas de gran espesor. También puede ser una ayuda -siempre económica- si existen sobrecorrimientos de rocas densas sobre otras más modernas y los altos buzamientos


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dificultan la iluminación de la sísmica. Como asimismo han sido utilizadas las mediciones de gravedad en áreas donde no se ha podido registrar sísmica, por ejemplo áreas pobladas o zonas de reserva, tanto sea mediante adquisición terrestre como en la variante aérea. O también con mediciones terrestres pero con facilidades de transporte por helicóptero, tal como se ilustra a la derecha. A escala local, con mediciones de precisión, también se pueden obtener resultados afinados que pueden ser muy útiles si se los interpreta mediante modelos

apropiados, recurriendo siempre a la separación de componentes someras, profundas y eventualmente intermedias de la gravedad, conceptos que son relativos según la escala que estemos manejando. La componente profunda de un estudio de impacto ambiental (ejemplo piletas de petróleo mal tapadas) puede ser la más somera posible a nivel del estudio de una cuenca.

� Perfilaje Gravimétrico de Pozos:

Como ya se comentó, la gravedad puede medirse directamente a través de un perfilaje en un sondeo petrolero, como también minero o para otros fines. Existen las herramientas apropiadas (gravímetros de pozo) si tal información se considera de interés para la exploración o el desarrollo de yacimientos. Pueden emplearse en pozos incluso horizontales y son muy útiles en cuencas con presencia de rocas con densidades sensiblemente contrastantes, las cuales se pueden obtener con mayor precisión que con otras herramientas geofísicas, como el perfil radiactivo de Densidad. Abajo, foto y esquema de un gravímetro de pozo, y comparación de un perfil de pozo con otro de gravimetría superficial.


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La siguiente gráfica muestra esquemáticamente los registros gravitatorios de caída de la densidad en perfil debido a un emplazamiento lateral evaporítico a diferentes distancias:

CUESTIONARIO BÁSICO

- Señalar instrumental usado para mediciones absolutas

- ¿Qué tipos de gravímetros existen y dónde se los puede utilizar?

- ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de los gradiómetros?

- ¿Qué información brindan los gravímetros de pozo?

- Dar ejemplos de aplicaciones petroleras y no petroleras de la gravimetría, a escalas regional y de detalle.

BIBLIOGRAFÍA

- Cantos Figuerola, J., 1972. Tratado de Geofísica Aplicada (p.35-100). Librería de Ciencia e Industria.

- Fowler, C., 1990. The Solid Earth (p.169-189). Cambridge University Press.

- Griffiths y King, 1972. Geofísica Aplicada para Ingenieros y Geólogos (p.148-179). Editorial Paraninfo.

- Lowrie, W., 1997. Fundamentals of Geophysics (p.29-81). Cambridge University Press.

- Parasnis y Orellana. 1971. Geofísica Minera (p.227 -281). Editorial Paraninfo.

- Sheriff, R., 1991. Encyclopedic Dictionary of Exploration Geophysics. Society of Exploration Geophysicists. - Udías y Mezcúa, 1997. Fundamentos de Geofísica (p.37-139). Alianza Editorial.

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