MEDIDAS TERMICAS DE ALTA PRECISaN EN EL LABORATORIO

GEODINAMICO DE LANZAROTE

•J. Fernández; M. Van Ruymbeke and R. Vieira

Instituto de Astronomía y GeodesiaFacultad de Ciencias MatemáticasCiudad Universitaria28040-HADRID

• Observatolre Royale de BelglqueAvenue Circulaire, 3

1180 Bruxelles

ABSTRACTSince 1988, under the exislinq collaboralion belween

the Instituto de Astronomía y Geodesia, the ObservaloireRoyale de Belgique and the European Center for Geody-namics and Seismology,lhermal measuremenls have be en madein the geodynamlc slalion Cueva de los Verdes (Lanzarole,Canary Islands), that have been used lo check the qualityoí the sensors used as well the thermal slablllly of thelaboralory.

Several experiments have been performed:measuremenlsoí vertical and horizontal thermal profiles, continuousrecords of the temperature In different points of rockand continuos record of the ambient temperature of thelaboratory.

The measures of the temperature profiles have beenmade in three observation campaings, the results of whichwe pr:~ent here. We have achieved precisions in the rangeof 10 oC. We have found a vertical gradient O.03oC/m inthe profile temperature.

The long and short period variations of rock andambient temperature have been studied. The results of theharmonic analysis of those temperatures are presented~ere.

1 INTRODUCCION

Dentro del proyecto de investigación que el 1. A.G.desarrolla en Canarias, y en colaboracion con el o. R. B. y elE. C. G.S. se han realizado estudios térmicos, desde 1988, en laestación geodinámica de la Cueva de los Verdes, situada en eltúnel volcánico del Volcán" La Corona en Lanzarote, Islas

7

Canarias (Vieira et al. ,1988(a), 1988(b), 1988(c), 1989(a),1989(bJ, 1989(c), 1990) .

En una primera etapa se realizó la observación de perfilestérmicos en la roca, que nos permitieron establecer la precisiónde los sensores utilizados en la realización de medidaspuntuales. Posteriórmente se procedió a dejar instalados demanera permanente sensores para estudiar las variaciones de largoy corto periodo de la temperatura en roca.

Durante este tiempo se realizó también un registro continuode la temperatura ambiente y de la humedad relativa en el túnel,en la zona donde se encuentra situada la estación.

Las medidas de los perfiles térmicos se han repetido en dosocasiones más.

2. PERFILES TERMICOSSe han observado diversos perfiles, Figura 1, (Fernández et

al., 1988). Tres situados en la zona del túnel llamada LosCoropiales, llana y de facil acceso: uno horizontal de 12 puntos,en unos 14 metros, cuyo objetivo fué estudiar el mejor método deobservación; otro tridimensional de 8 puntos abarcando las dosparedes del tunel; y un tercer perfil, vertical, realizado parael estudio del gradiente vertical, con 21 puntos. También sehicieron observaciones en un perfil horizontal que une elAuditorium situado en la zona anterior a Los Coropiales con laestación geodinámica (aproximádamente 250 metros).

Para la observación de la temperatura se realizaronperforaciones en la roca de unos 10 cm de profundidad yaproximádamente 1.5 cm de diámetro. En estas se introdujerontubos de material plástico para evitar la caida de tierra queimpidiese el contacto directo del sensor con la roca.

Los sensores usados se basan en la uti 1ización deresistencias termosensibles. Se utilizaron dos tipos desensores,unos con salida directa en ohmmios y otros con salida enmV a traves de electrónica (Van Ruymbeke et al., 1989; VanRuymbeke, 1990).

Se han hecho observaciones dejando distintos tiempos elsensor en la perforación, antes de realizar la lectura, buscandoel intervalo que diese mejor resultado (Fernández et al. 1988).

2.1 Resultados

La observación en los perfiles térmicos se ha hecho en trescampañas (Fernández et al., 1988, Van Ruymbeke et al. 1989) enlos años 1988, 1989 Y 1990. Los resultados más representa tivospueden verse en las Tablas 1 y 2. Las desviaciones típicas de lasmedidas en la primera campaña están afectadas por tener muyreciente en el tiempo la realización de las perforaciones. Las

desviaciones típicas menores se han dado en los resultados de lasegunda campaña, una vez eliminado este efecto perturbador. Enlos perfiles observados en 1990 se han obtenido las mayoresdispersiones en las medidas.

En el perfil vertical se observa un gradiente vert í caI deaproximádamente 0.03 °C/m, en las dos campañas en que se haobservado este perfil.

3 TERMOMETROS FIJOS

Tras la primera campaña de observación de los perfilestérmicos se procedió a la instalación de dos termometros VRL8756,con salida en mV, números 901 y 902 (J. F'Ií ck et al., 1985; VanRuymbeke, 1989) de manera permanente en la pared de tunel situadaa la espalda de la caseta de la estación geodinámica, Figura 2,en dos puntos muy próximos.

En un primer periodo se realizaron lecturas dos veces porsemana, detectándose una variación máxima anual de 1.66 o C. Setuvo, en esta etapa, una respuesta análoga en ambos sensores (VanRuymbeke et al., 1989).

En 1990 tras la resolución de ciertos problemas eléctricos,los termometros situados en roca se conectaron al sistema deadquisición de datos de la estación (Fernández et al., 1989,Vieira et al. 1990), donde se han venido registrando de formacorrecta, datos cada 10 minutos. El sensor número 902 se trasladóde su situación originaria, junto al 901, a una perforaciónrealizada en la pared opuesta, Figura 2. Se situó en el techo dela estación un termómetro para el registro de la temperatura delaire en el tunel y un sensor de humedad relativa, Figura 2,conectados ambos también al sistema de adquisición de datos.

3.1 Variaciones de corto y largo periodo

Las variaciones máximas experimentadas en la temperatura enroca y ambiente en el periodo comprendido entre el 13/04/90 y el30/09/90 pueden verse en la Tabla 3. Entre los días que van desdeel 29/06/90 al 01/08/90 no existen datos del termómetro en rocanúmero 902.

Las variaciones diurnas para estas temperaturas en el mismoperiodo, de diez en diez días, junto a la humedad relativa mediadel día puede verse en la Tabla 4.

3.2 Análisis armónico

El resultado del análisis armónico realizado con los datosde los tres sensores, tanto con datos horarios, comosemihorarios, refleja dos ondas de amplitud significativa, una deperiodo diurno y otra de periodo semidiurno (Tabla 5). Estas dos

TO GfUl!WlMlC STATI (ti

/ /// M 57

I13. ~ 17

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l<l2 :3 ~ 5 6 7 8 9 10 11 12~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

/16. 2Cl./ 15! 19 I

lCE COIU'IAf FS

Figura l. Esquema de los perfiles térmicos. Los puntos de losperfiles están indicados con los símbolos: ., en el horizontalAuditorium-Geod. Station; ",en el perfil tridimenslonal, x, en

el vertical y <l , en el horizontal en Los Coropiales.

. 901 902

~OCEANO

1I SENSOR DE

o HUMEDAD

----)

VOLCAN(5 "M)(1 "M)

902

Figura 2

1:

ondas son, además, de ampl itudes muy similares para las trestemperaturas.

La existencia de la onda de periodo semidiurno podríadeberse a una influencia de la marea oceánica,principálmente porel efecto de esta en el nivel de aguas subterraneas. Laexistencia de posibles acuíferos subterráneos conectados alocéano, dado el origen del terreno (Vieira et al., 1989(a)) nosería tampoco un hecho anómalo.

4 CONCLUSIONES

Las desviaciones típicas de las medidas realizadas en losperfiles térmicos están en el margen comprendido entre 5.10-3 y5'10-2, y parecen depender, principálmente, una vez disipado elefecto de la perforación, de la variación diurna de latemperatura, ya que en la tercera campaña, donde esta variaciónfue mayor, se obtuvieron las peores precisiones.

En el análisis de las observaciones, la variación diurna detemperatura se considera como deriva instrumental, lo que esequivalente a considerar que no varía a lo largo del día(Fernández el al., 1988), siendo ajustada por una recta. Si lavariación de temperatura es pequeña, el error cometido al ajustarpor una recta puede ser suficiéntemente pequeño, sobre todo si elintervalo de observación no es muy ámplio; pero parece más lógicoajustar por una función de grado dos (al menos) en algunasocasiones. Estamos trabajando en la realización de un nuevoanálisis de las tres campañas ajustando la deriva en cada perfil(en la que se incluye la variación diurna de temperatura) por unarecta y una parábola, quedándonos para su corrección con la curvaque nos de un mejor ajuste. De esta manera esperamos disminuirlas desviaciones estandar de las medidas.

Se ha observado que el método más apropiado de observaciónes, en perfiles con poca separación entre puntos (perfilestérmicos situados en Los Coropiales), dejar diez minutos elsensor en la perforación antes de realizar lectura; y en perfilescon una distancia mayor (perfil Auditorium-Estación Geodinámica)esperar veinte minutos.

En relación con el registro continuo, se observa que lasvariaciones diurnas máximas se dan en verano, llegando a seralgunos días del orden de cinco décimas de grado. En épocas menoscálidas es normál que no sobrepase una décima.

Puede haber una conexión entre las variaciones de latemperatura en roca a lo largo del día con la temperaturaambiente y el tanto por ciento de humedad· del aire. Estamostrabajando en la obtención de un modelo experimental de larelación entre estos tres parámetros. Será interesante considerarlos días en los que se han producido precipitaciones.

La señal registrada con el sensor 902 es de una amplitudbastante más pequeña que la registrada con el sensor 901,instalado también en roca; esto nos indica cláramente que el

11

aislamiento del sensor respecto a la temperatura ambiente debeser bueno, o cuanto menos mejor que el del 901. El análisarmónico de las temperaturas registradas en la roca es análogo,en cuanto a las ondas representativas, al obtenido con latemperatura ambiente, lo que parece reflejar un efecto de estaúltima sobre las primeras.

Algo reálmente importante es la mejora en el análisisarmónico obserbada al hacerlo con datos semihorarios en lugar dehorarios, Table S, lo que , junto a la precisión del registro conel Sistema de Adquisición de Datos nos ha permitido separarcláramente ondas de una amplitud tan pequeña como las obtenidasen el análisis de la temperatura registrada con el sensor 902.

Podemos utilizar para el análisis datos obtenidos cada 10minutos, lo que sería interesante buscando mejorar los resultadosdel análisis armónico, tanto en este caso, como en cualquierotro.

Planteamos realizar en un futuro próximo un estudio de laconductividad y el flujo térmico en diversas zonas del túnelvolcánico, principálmente en la zona donde se encuentra situadala estación geodinámica. En estos estudios se utilizaríantermómetros, basados en la misma técnica que los que estamosusando en la actualidad , pero instalados entre 1 y 2 metros deprofundidad, evitándose así, en lo posible, la influencia dela temperatura externa.

También se realizará un estudio de posibles correlacionesentre las temperaturas, ambiente y en roca, y la marea oceánica,investigando la posible existencia de aguas subterráneasconectadas con el mar.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido financiado con fondos del proyecto"Dinámica Superficial y Profunda de la Caldera del Teide y de laIsla de Lanzarote investigada a partir de Técnicas y MétodosGeodésicos y Gravimétricos de alta precisión (PB-0022)" delInsti tuto de Astronomía y Geodesia (Consejo Superior deInvestigaciones Científicas-Universidad Complutense de Madrid) ydel European Center for Geodyamics and Seismology (E.C.G.S.).

Queremos agradecer la colaboración prestada por el Ing. J.Flick, presidente del E.C.G.S. y del Prof P. Melchior, directorde Observatoire Royale de Belgique, así como el enorme apoyoprestado por el Cabildo Insular de Lanzarote y todo el personaldel centro turístico de Jameos del Agua y de la Casa de losVolcanes, especiálmente a J.Naverán, J. Soto, O. Hernández y M.Espino.

Agradecemos también la ayuda prestada en la observación delos perfiles térmicos por J.P. Davidts, A. Van Ruymbeke y J.Arnoso.

1.:'

IIOR IZONTAL PIIOnu IN LOS COROPIJ.I.ES

19-01-88 26-01-88

POINT I T I S.D. I b I T I S.D. I b

18.324 12-187

2 lB. :l39 11 18.140 S-176 -86

:J 18.163 8 18.054 ..- SI • 18..c 1B.112 3 is. 072 .,-39 - 8

is. 073 12 18.064- ..c - 18

6 18.069 22 18.046 .• 12

7 la.058 1• -46 - 15

is. 115 14 18.043 .'75 • 11

9 18.190 9 lB.054-103

10 lB. 087 20 18.052'39 - 1~

11 18.126 26 18.038• 11 - 11

12 is. 137 4 18.027

T - T la'C) +202 +1132 12

(a)

Tabla 1

ntlDDlEllS11IIIAL PIIOnLI: 111 LOS CDROPIALES

25-01-88 01-03-89 08-().4-90

POINT I T I S.D. I b I T I S.D. I b I T I S.D. I b

13 lB.041 S 18.004 1 18.142 20

• 42 · B - 311~ 18.083 12 18.011 3 1B.111 11

-:J7 - 31 - 1215 18.046 11 17.980 2 18.099 29

- -40 • 11 • SS16 18.006 S 17.991 4 18.154 17

-38 - 29 - 2017 17.968 3 17.962 2 18.134 34

- 8 -+1 - S818 17.960 1 17.918 2 lB.076 19· 2 - 13 - 1819 17.962 4 17. 90S 1 18.0S8 20

- 1 • 35 • 8020 17.961 2 17.940 3 lB. 138 27

T - T la cl • 80 '604 • -C" 20

j E; t..-perat~ in· eS.D. ~ at.anclar clevlatlon in ~ e/J. ~ ln~l in ,;. e.• E; only one ~l

(b)

.".

VDITlCIJ. PROrru III LOS ClROI'IAlXS

2S-01-88 02-03-89

POIIIT T, S.D. ,b T, S.D.

1137 18.078

38 18.094

39 18.116 13

-40 18.1:10 16

-41 18.118 34

-42 IS.139 52

43 18.115 22

44 18.118 28

--45 18.127 28

--46 18.168 J6

47 IB.IS3 is

48 18.159 35

·49 IS.I90 29

50 18.174 29

51 18.156 44

52 18.192 47

53 18.183 38

54 18.169 17

6 18.021• 16

18.006 19·22

• 14

- 1218.033

+ 21

- 24

+ 3

+ 9

~ 41IB.063 26

- 15

+ 6

+ 31

- 16

- 18

+36

- 9

- 14

55 18.201+)2

18 18.122 13- 2

56 lB.I99 22

57 18.230 39

T - T (. el -t5237 57

+ 31lB.lSI

(a)

- 15

+2716

+ 30

• 56

+297

-130

Tabla 2

IIORIZOIlTAL PROnu AUDITDRJUII-cmDlNAHIC STATION

2!-O!-BB 27~2-89

POnrT T, S.D. b T 5._D._, b T, S.D.

O!-Q04-90

21 18.369 31

22 18.160 J2

Z3 17.974

24 18. OSO 28

2S 18.004

Z6 17.7CS 20

27 17.731

28 17.728 20

29 17.547 21

3D 17.590 20

31 17.854

32 17.798

33 17.759

J4 17.732 32

35 17.858 20

36 17.800

T - T (. el21 36

24

22

12

11

11

18

-209

-186

• 76

--46

-259

- 14

- 3

-t81

.-4)

+26-4

- 56

- 39

-27

+126

- 58

+569

(b )

18.310 10

18.165 10

17.904

17.956

17.908

17.844

17.701

17.770

17.709

17.708 12

17.785

17.796 24

17.783 14

17.766 24

17.730

17.688

6

8

7

18.559 57-145

lB.337 51-261

lB. 085 52+ 52

lB. 105 46- -48

18.024 28-6-4

18'.060 35-143

17. B22 39• 69

17.914 J8- 61

17.963 37

17.875 37·77

17.877 37• 11

17. B93 J8- 13

17.902 J8- 17

17.923 45-36

17.776 JB---42

17.840 37

4fi22

-=-252

+ lO

- 81

• 36

-Z38

+92

+ -49

-88

2

+ 16

+ 9

+ 21

-147

+6-4

+719

T -t.-"'ture in +es. D.= .t.anctar devlatlon in _. e6- lnc:re-ent in • "e

TEMPERATIJRAAMBIENTE INSTRUMENTONUMERO 001

Periodo: 13/04/90Max.: 20.49Min.: 17.69~ = (Max.-Min.)=

a 30/09/90°c Fecha: 26/08/90°c Fecha: 15/04/90

2.8 °c

(a)

TEMPERATIJRAEN ROCA

Periodo: 13/04/90Max.: 19.012Min.: 17.714~ = (Max.-Min.)=

INSTRUMENTONUMERO 901

a 30/09/90°c Fecha: 26/08/90°c Fecha: 28/04/90

1.298°C

(b)

TEMPERATIJRAEN ROCA

Periodo: 13/04/90

INSTRUMENTONUMERO 902

a 20/06/90Max.: 18.023 "eMin.: 17.643 °c~ = (Max.-Min.)= 0.380°C

Period: 01/08/90Max.: 18.738Min.: 18.438~ = (Max.-Min.)=

Fecha: 20/06/90Fecha: 28/04/90

to 30/09/90°c Date: 27/08/90°c Date: 01/08/90

0.3 °c

(e)

Tabla 3

15

16

SENSORES DE TEMPERATURA H.R.M.

001 901 902 ( Yo

13-04-90 0.050 0.010 0.004 67

23-04-90 0.090 0.040 0.026 63

04-05-90 0.100 0.010 0.005 71

14-05-90 0.080 0.003 0.002 72

23-05-90 0.080 0.022 0.011 75

03-06-90 O.180 0.013 0.007 78

13-06-90 0.120 0.016 0.009 77

23-06-90 0.080 0.007 0.004 80

28-06-90 0.250 0.083 82

12-07-90 0.230 0.018 85

22-07-90 0.210 0.015 84

03-08-90 0.510 0.069 0.032 89

13-08-90 0.220 0.046 0.030 85

23-08-90 0.230 0.019 0.005 87

02-09-90 0.180 0.020 0.012 85

11-09-90 0.250 0.024 0.007 84

22-09-90 0.220 0.047 0.021 85

30-09'-90 0.150 0.020 0.007 84

Tabla 4. Variaciones diurnas en °c dadas, normálmente, cadadiez días, y la humedad relativa media (H.R.M) en %

correspondiente al mismo día

INSTRUMENTO

001

901

902

INSTRUMENTO

001

901

902

AMPLITUDDH

0.104

0.0107

0.0038

AMPLITUDHD

0.156

0.0103

0.0032

HD DATOS HORARIOSHS DATOS SEMI HORARIOS

PERIODO DIURNO

0.083

0.0147

0.0046

(a)

PERIODO SEMIDIURNO

0.154

0.0110

0.0032

(b)

Tabla 5

E.C.M.DH

0.033

0.0048

0.0021

E.C.M.HD

0.015

0.0014

0.0005

DS

0.022

0.0033

0.0015

HS

0.010

0.0008

0.0004

17

REFERENCIAS

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18

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19