Prospeccion magnetica: principios básicos e instrumentos de la magnetrometria

Definición: ¿Qué es la prospección magnética?

La prospeccion magnetica es un metodo magnetico basado en el estudio de la geología del suelo a través de la detección de las anomalías del campo magnético terrestre, debido a la presencia de estructuras subsuperficiales.

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Historia de la magnetometría

Las primeras observaciones sobre los imanes se remontan presuntamente al filósofo griego Tales en el siglo VI a. C. Los chinos también hicieron uso de ella mediante la brújula magnética alrededor del año 1100 d. C., así como los europeos occidentales en 1187, los árabes en 1220 y los escandinavos en los años 1300.

Algunos conjeturan que los chinos habían descubierto el efecto de orientación de la magnetita o piedra imán ya en el siglo IV a. C., más no fue hasta los años 1540 a 1603 que William Gilbert realizó la primera investigación del magnetismo terrestre, mostrando que el campo magnético de la tierra puede aproximarse por el campo de un imán permanente que está en una dirección general norte-sur cerca del eje de rotación de la tierra. La atracción de las agujas de la brújula por las formaciones naturales de hierro condujo finalmente a su uso como herramienta de prospección en el siglo XIX.

A medida que se comprendió mejor la asociación entre la magnetita y los depósitos de metales, creció la demanda de instrumentos de magnetometría más sensibles; hasta la Segunda Guerra Mundial, los instrumentos de medición eran en su mayoría adaptaciones especializadas de la brújula vertical, pero como medio crucial para la guerra, Vacquier en asociación con Gulf Research desarrollaron el primer magnetómetro para uso en la detección de submarinos aerotransportados. Este instrumento proporcionó una mejora en la magnitud de sensibilidad en función a los diseños anteriores. Los oceanógrafos rápidamente adaptaron los magnetómetros al uso marino, el cual permitió conocer un patrón de franjas magnéticas compensadas por una zona de fractura, franjas que luego se atribuirían a la expansión del fondo marino durante períodos de reversiones geomagnéticas.

A medida que la magnetometría evolucionaba, sus instrumentos también lo hicieron, la sensibilidad para el magnetómetro de precesión de protones aumentó, con sensibilidades más altas, el presupuesto de error para los levantamientos magnéticos se volvió dominado por la precisión de la ubicación, los errores de rumbo, las variaciones temporales del campo magnético y otros factores externos. Hoy en día, los levantamientos magnéticos de alta resolución, se consideran estándar de la industria.

Conceptos básicos y definiciones de la prospeccion magnetica

Para comprender la prospeccion magnetica y los efectos magnéticos asociados con los materiales terrestres se requiere un conocimiento de los principios básicos del magnetismo, como los que se mencionan en continuación:

Polos magnéticos: si se esparcen limaduras de hierro al azar en una hoja de papel que descansa sobre una simple barra magnética, tenderán a alinearse; estas líneas a lo largo de las cuales se orientan las limaduras se denominan líneas de fuerza. Cada una de ellas sigue una trayectoria curva desde un punto cerca del extremo de un imán designado como polo, al polo correspondiente cerca del otro extremo

Las limaduras tienen esta orientación porque cada una de ellas es en sí misma un pequeño imán, con una alineación determinada por el campo de fuerza procedente de la barra magnética, por lo tanto, si un imán simple pivota en su centro para que pueda girar libremente en todas las direcciones, asumirá una dirección que siempre apunte en la dirección general del polo norte. Cerca de este extremo se encuentra el polo positivo o que no busca nada del imán. Cerca del otro extremo está el polo negativo o que apunta al sur.

Fuerza magnética: Si los polos de fuerza Po y P, respectivamente, están separados por una distancia r, la fuerza entre ellos será:

La constante µ, conocida como permeabilidad, depende de las propiedades magnéticas del medio en el que se sitúan los polos.

Momento magnético: dado que nunca se han encontrado polos aislados, los imanes reales generalmente se consideran dipolos magnéticos. Un dipolo consta de dos polos de fuerza igual P y de signo opuesto separados por una distancia corta L. El producto PL de la fuerza del polo estará definida por la separación M, el momento magnético del dipolo. La dirección del momento será a lo largo de la línea entre los polos y, por consiguiente, hacia el polo que busca el norte.

Intensidad de magnetización (o polarización): cualquier material magnético colocado en un campo externo tendrá polos magnéticos inducidos sobre su superficie. En los materiales moderadamente magnéticos y los campos débiles, esta magnetización inducida, a veces llamada polarización, está en la dirección del campo aplicado, y su fuerza será proporcional a la fuerza de ese campo.

Inducción magnética: los polos magnéticos inducidos en un material por un campo externo H producirán un campo propio, H´, que está relacionado con la intensidad de magnetización I por la fórmula

El flujo magnético total dentro del material, medido en una cavidad estrecha que tiene un eje perpendicular al campo, se llama inducción magnética B. Esta es la suma de los campos externo e interno y es proporcional a la intensidad del campo externo en materiales moderadamente magnéticos, como se muestra en la relación:

Magnetización de rocas: las rocas magnéticas casi siempre han adquirido su polarización a partir del campo terrestre, con la excepción de los raros casos en los que la magnetización se debe a la iluminación. A menudo, la polarización es del tipo inducido, y su magnitud y dirección están determinadas enteramente por la magnitud y dirección del campo de la tierra tal como lo es hoy. En consecuencia, cuando el campo terrestre cambia, este tipo de magnetización cambia. Otras rocas magnéticas muestran una magnetización remanente que no está relacionada con el campo actual de la tierra, sino que está dada por el campo que existía cuando se formó la roca.

Técnicas topográficas aplicadas al metodo magnetico de exploración

Los suelos plantean una serie de dificultades para la adquisición, análisis e interpretación de datos aún mediante metodos magneticos de prospección. La exploración del terreno con la aplicación de técnicas topográficas da lugar a un método de investigación y control no destructivos ya que no se necesita una intervención física en el terreno, debido a que este metodo magnetico utiliza una onda que, al ser emitida, tiene la propiedad de reflejar los objetos o medios no homogéneos del subsuelo.

Los errores de procesamiento y adquisición de datos del metodo magnetico causados por las dificultades para explorar sobre terrenos accidentados se han superado en gran medida con el advenimiento de las superficies cubiertas y la navegación GPS, pero estos pasos no tienen en cuenta los efectos de las fuentes magnéticas del propio terreno, por ejemplo en terrenos arcillosos la calidad de la señal recibida empeora, pero existe la posibilidad de mejorar los resultados al aplicar algoritmos adecuados en la fase de procesamiento de datos.

Las anomalías magnéticas producidas por los efectos magnéticos de las rocas que forman la topografía se denominan anomalías topográficas o efectos magnéticos del terreno y no deben confundirse con los efectos producidos por el despeje irregular del terreno. Se reconocen fácilmente por la fuerte correlación de las formas de las anomalías con la topografía.

Estaquillado del terreno para la aplicación del metodo magnetico

Suele realizarse antes de la aplicación del metodo magnetico de prospección, en ocasiones con levantamiento simultáneo del mapa topográfico mediante estaciones totales para permitir la toma de lecturas de manera sistemática.

Este sistema consiste en medios topográficos convencionales, con división del terreno en cuadrados de una superficie. Este sistema facilita la prospección en un tiempo razonable además de que concede un gran número de medidas redundantes que permiten un estricto control de la calidad de las lecturas

Interpretación de la susceptibilidad magnetica del suelo y las rocas

La propiedad magnética más importante del suelo es su susceptibilidad. La susceptibilidad magnetica de las rocas y del suelo depende de la forma, tamaño y concentración de ciertos minerales, como: ferrimagnéticos, maghemita, magnetita y titanomagnetitas, así como del método de medición.

Esta propiedad puede ser determinada por medio de un sistema de ondulación, sin necesidad de extraer el material, por lo que es una técnica no destructiva para cuantificar el tejido promedio de una pequeña muestra de suelo. La interpretación del tejido magnético no siempre es sencilla. Sin embargo, las direcciones principales del elipsoide de magnitud de susceptibilidad comúnmente muestran orientaciones consistentes con las interpretaciones cinemáticas de pliegues, zonas de corte y otras características estructurales. Las direcciones pueden corresponder con las orientaciones de los objetos tensos o con las orientaciones minerales planar-lineales. En función de la susceptibilidad existen tres tipos de sustancias:

Materiales diamagnéticos: la susceptibilidad magnética de los diamagnéticos es débil y negativa (k<0), y además es independiente de la temperatura del material.

Los materiales paramagnéticos: La susceptibilidad es positiva pero débil (k>0).

Materiales ferromagnéticos los dipolos son paralelos, permitiendo una gran magnetización espontánea, que existe en ausencia de un campo magnético externo, y una susceptibilidad magnética muy alta (k>>>0), como por ejemplo el hierro, el cobalto y níquel.

Las mediciones in situ son preferibles siempre que puedan ser realizadas. Cuando se utiliza un campo magnético externo para medir la susceptibilidad magnetica de las rocas y del suelo, se acostumbra especificar la intensidad de este campo al tabular los resultados. La polarización que gobierna la respuesta de la muestra al campo de medición consta de dos partes, la polarización de susceptibilidad kH, dependiente del campo externo H y la susceptibilidad K, y la polarización remanente Ip, que gobierna el magnetismo residual en la ausencia de un campo externo.

La interpretación de la susceptibilidad magnética del suelo no sólo permite conocer los principales minerales magnéticos que lo componen, sino que también permite calcular su concentración, volumen y los procesos de su formación.

Tabla de susceptibilidad magnetica de las rocas

El levantamiento magnetico como metodo magnetico geofisico

La magnetometria geofísica es uno de los métodos más exitosos, económicos y detallados para realizar estudios en sitios grandes.

El levantamiento magnético actúa como metodo magnetico geofisico pasivo, que mide las anomalías del campo magnético de la Tierra, basándose en:

– El Enriquecimiento de minerales magnéticos en la capa superior del suelo

– La Magnetización natural remanente y termorremanente de suelos

Esta señal es denominada magnetograma, y posee una intensidad relativa de la anomalía magnética como una imagen de vista en planta, típicamente en tono gris.

Estrategias para el levantamiento magnetico

Al realizar una prospeccion magnetica geofísica, existen diversas estrategias a aplicar para la preparación del terreno, las cuales siempre es conveniente trabajar a través de las siguientes interrogantes:

— ¿Debo realizar una preparación del terreno antes de la prospeccion magnetica?

— ¿Cuántos sensores debo utilizar en función de su factibilidad?

— ¿En caso de utilizar dos sensores, ¿Qué tipo de medición debería escoger?

— ¿A qué altura debo colocar el sensor que actúa como sonda?

— ¿A qué distancia deben estar las estaciones de lectura?

Por consiguiente, al obtener estas respuestas se procederá a tomar las medidas necesarias, lo que facilitará en gran medida el trabajo de prospeccion magnetica

Procesamiento e interpretación de datos del levantamiento magnetico

El procesamiento y análisis de los datos arrojados por un levantamiento mediante el metodo magnetico geofisico, permite la obtención de información y restricciones sobre la distribución de materiales magnéticos en la superficie y debajo de esta.

La interpretación geológica moderna implica una síntesis compleja de múltiples aspectos: los resultados del análisis magnético, el conocimiento geológico del área de estudio, la comprensión de las propiedades magnéticas de las rocas, la integración con otros conjuntos de datos independientes y restricciones, la caracterización geológica de formas y patrones de anomalías e identificación de los aportes de la topografía y las fuentes culturales, para ellos se toman en cuenta los siguientes parámetros:

Compensación: Todas las mediciones magnéticas de la plataforma móvil están sujetas a errores causados por el campo magnético de la plataforma, ya sea por las propiedades magnéticas in situ o por las corrientes inducidas mientras se mueve en el campo magnético terrestre. Los modelos de error se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial, pero no se publicaron hasta mucho después. Posteriormente, se desarrollaron compensadores de retroalimentación para uso militar, pero con el avance de la tecnología se implementó un software como sistema de compensación que finalmente se comercializó y ahora se usa ampliamente, incluso en sistemas de sensor único.
Modelos de campo globales: El componente principal del campo magnético se origina en la dínamo magnética del núcleo exterior de la tierra. Este campo es principalmente dipolar, con una amplitud de alrededor de 50.000 nT. Dado que el campo del núcleo es casi siempre mucho más grande que el de la geología de la corteza, y dado que tiene un gradiente significativo en muchas partes del mundo, es deseable eliminar un modelo del campo global de los datos antes de su procesamiento posterior, y esto se puede hacer tan pronto como se corrijan todos los errores de posicionamiento
Eliminación de campo externa (variable en el tiempo): Los levantamientos terrestres y aéreos generalmente incluyen un magnetómetro estacionario que mide simultáneamente el campo magnético que varía en el tiempo para posteriormente sustraer los datos del levantamiento. Todavía existe un debate considerable sobre cuántas estaciones base se necesitan para muestrear adecuadamente las variaciones espaciales del campo externo para levantamientos más grandes o cuando el área de levantamiento se encuentra a una distancia considerable de la base de operaciones.
Micro-nivelación: La nivelación, generalmente produce resultados aceptables para la visualización de mapas de contorno, pero las pequeñas «ondulaciones» generalmente todavía se pueden ver en las imágenes. Para suprimirlos, se aplica micro nivelación o decorrugación.
Anomalías Culturales: Estas son un problema grave en la interpretación geológica de datos magnéticos, especialmente los levantamientos modernos que normalmente vuelan por encima de las fuentes culturales. Muchas estructuras artificiales son ferrosas y, por lo tanto, crean anomalías agudas de decenas a cientos de nT. Las anomalías culturales suelen tener una magnitud mucho mayor que las anomalías geológicas de interés

Instrumentos de prospeccion magnetica

La brújula minera sueca fue uno de los primeros instrumentos de prospeccion magnetica. Desarrollado a mediados del siglo XIX, consistía en una aguja ligera suspendida de tal manera que le permitía moverse tanto en dirección horizontal como vertical. Alrededor de 1860 se desarrolló la brújula de minería estadounidense, una versión mejorada de la sueca.

Estos fueron los primeros en una clase de los llamados instrumentos de aguja de inmersión con ajuste automático de meridianos y aunque todavía están en uso, estos pronto fueron reemplazados por inductores de tierra que podían medir tanto la inclinación como los diversos componentes del campo magnético de la tierra a partir del voltaje inducido en una bobina giratoria.

El magnetómetro Fluxgate: se desarrolló durante la Segunda Guerra Mundial para aplicaciones de guerra antisubmarina aerotransportada; al final de la guerra se adoptó inmediatamente para la exploración geofísica y siguió siendo el principal instrumento aerotransportado hasta que se introdujo el magnetómetro de precesión de protones en la década de 1960.

Los elementos básicos de un magnetómetro fluxgate son dos núcleos combinados de material de alta permeabilidad, generalmente ferrita, con devanados primario y secundario alrededor de cada núcleo.

El magnetómetro de precesión de protones: Se introdujeron a mediados de la década de 1950 y, a mediados de la década de 1960, habían suplantado a los magnetómetros fluxgate para casi todas las aplicaciones de exploración. Este instrumento de prospeccion magnetica no requieren orientación, una gran ventaja sobre los dispositivos anteriores.

El magnetómetro de precesión de protones se basa en la división de estados de espín nuclear en sub-estados en presencia de un campo magnético ambiental en una cantidad que es proporcional a la intensidad del campo y un factor de proporcionalidad que depende solo sobre constantes físicas fundamentales.

El magnetómetro de vapor alcalino: Poseen sensibilidades de alrededor de 0,01 nT y frecuencias de muestreo de 10 Hz, aparecieron en los laboratorios aproximadamente al mismo tiempo que los magnetómetros de precesión de protones y se convirtieron en instrumentos de campo populares. Debido a que eran más frágiles que los magnetómetros de precesión de protones, y debido a que el aumento de la sensibilidad tenía un valor marginal, su uso como instrumentos de campo se restringió principalmente a los gradiómetros hasta finales de la década de 1970.

En la actualidad, los magnetómetros de vapor alcalino son el instrumento predominante utilizado para los levantamientos magnéticos, aunque algunos instrumentos de precesión de protones todavía se utilizan, estos se han convertido en el tipo dominante en la exploración aérea, marítima y terrestre actual.

El magnetómetro del dispositivo de interferencia cuántica superconductora (SQUID): El hecho de que pueda existir una «corriente persistente» en un bucle superconductor se conoce desde la década de 1930. Esta corriente es inherentemente insensible al campo magnético ambiental, ya que una de las principales características de los superconductores es que expulsan campos externos, ya que las corrientes persistentes se pueden mantener a través de pequeños espacios en el bucle superconductor, y estas por medio del espacio son sensibles al flujo magnético que pasa a través del bucle. Los cambios de corriente pueden monitorearse mediante un circuito resonante normal y usarse para obtener valores de campo de componentes. Los instrumentos de este tipo se denominan dispositivos de interferencia cuántica superconductores en sus siglas en inglés: SQUID.

Los SQUID no han tenido un uso generalizado en aplicaciones de campos magnéticos, aunque se han utilizado ampliamente en estudios magnetotelúricos y paleomagnéticos.

Características técnicas de un magnetometro

Resistente
Simple
No tiene esencialmente ningún error de rumbo intrínseco
No requiere una plataforma de orientación.
Poseen una resolución de 0.1 nT
Exactitud: 0.5 n
Regularmente operan satisfactoriamente en el rango -20`C a 50 `C.
Poseen un grado de tolerancia relativa de gradiente de 1000 NT/meter

Los minerales magneticos y su influencia en el metodo magnetometrico

El metodo magnetometrico permite una clasificación de los materiales por su propiedad de ser atraídos o no por un imán, esta clasificación también se aplica para los minerales, ya que los minerales magnéticos contenidos en las rocas del suelo y subsuelo producen anomalías magnéticas que influyen directamente en esta.

Los minerales magnéticos se clasifican en: diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos.

Los minerales diamagnéticos se repelen al contacto de un campo magnético, los paramagnéticos son débilmente influidos por un campo magnético y los minerales ferromagnéticos son fuertemente atraídos por un imán. A su vez existen minerales meteoriticos, los cuales poseen una gran influencia en las variaciones de las mediciones magnéticas.

Minerologicamente, los meteoritos están conformados por una variedad de aleaciones de níquel-fierro, silicatos, entre otros. La característica más representativa de los meteoritos ferrosos es su consistencia de aleaciones de kamacita, taenita y tetrataenita. Este tipo de meteoritos puede ser localizado y analizado gracias a la prospeccion magnetica, ya que su presencia en la corteza terrestre es muy inusual

Preguntas frecuentes

¿Qué tipo de rocas son detectables por un MPP?

Existen dos tipos de magnetización en una roca las cuales pueden ser detectadas por un MPP o un magnetómetro de precesión de protones, una magnetización inducida debida a un campo magnético externo y una magnetización remanente debida a la historia geológica de la roca. Prácticamente todos los minerales que dan a las rocas una magnetización elevada, son ferrimagnéticas, las cual se ven reflejadas en el valor de la susceptibilidad en concordancia con la ecuación M=kH, destacando entre ellas la magnetita, la titanomagnetita y la ilmenita.

¿Cuáles son las limitaciones de un magnetometro MPP?

Las piezas de un magnetómetro MPP generalmente son estáticas, es decir no contiene partes móviles, y las lecturas son de forma digital, por lo que sus limitaciones son principalmente en las actividades que se ejecutan en campo, ya que, en primer lugar, la señal que se origina puede disminuir en presencia de un campo magnético grande que varíe con la posición (Aproximadamente 600nT por metro), y en segundo lugar, la amplitud de la señal es arrojada en microvoltios y debe medirse a una exactitud de 0.04Hz de la frecuencia de precesión de muchos miles de Hertz. Para la magnetometria geofísica, algunas condiciones como esta pequeña señal puede ser inmedible, un ejemplo de estas condiciones puede ser el efecto que produce la corriente eléctrica alterna provenientes de tomacorrientes.

Por estas dos razones, un magnetómetro MPP no debería ser operado en el interior o cerca de un edificio como metodo magnetometrico

Fuentes

Magnetic susceptibility of the soil and its significance in soil science – a review.
Introduction to Geophysical Prospecting – Milton B. Dobrin – Carl H. Savit.
The historical development of the magnetic method in exploration.
Geofísica aplicada en los proyectos básicos de ingeniería civil.
Estudio de métodos magnéticos en geofísica aplicada.
Magnetismo en suelos.

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