07 Montoto Jimenez 2012 Geofisica Geomecanica
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APEC-CFE Workshop for IntroducingCO2 Geological Storage in Earth Sciences Undergraduate Programs
27-28 June 2012Mexico City
APEC-CFE Workshop for IntroducingCO2 Geological Storage in Earth Sciences Undergraduate Programs
27-28 June 2012Mexico City
Geomecánica y Geofísica en sitios de almacenamiento geológico de
CO2Modesto Montoto/Oscar Jiménez
Ex-Director del Programa de Almacenamiento Geológico de CO2
Fundación Ciudad de la Energía (España)Prof. Honorario. Universidad de Oviedo (Oviedo, España)
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OBJETIVO
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• Aclaración de conceptos.• Elementos de geomecánica.• Principales métodos geofísicos.• Importancia de los estudios de sitio.
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CONTENIDO• INTRODUCCIÓN
- Generalidades y conceptos básicos
• GEOMECÁNICA- Esfuerzos-deformación-fracturas-fallas- Presión de poro-Modelo geomecánico
• MÉTODOS GEOFÍSICOS- Microsismicidad -Eléctrico -Magnetotelúrico -Logging- Sísmica de reflexión -Gravimétrico -Radar de penetración
• CONCLUSIONES Y PREGUNTAS
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ESLABONES DE ESTUDIO
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INTRODUCCIÓN
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INTRODUCCIÓN
5
ESCALAS DE TRABAJO Y NIVELES DE RESOLUCIÓN
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ALMACÉN GEOLÓGICO – MODELO GEOLÓGICO-GEOFÍSICO
6
INTRODUCCIÓN
ALMACENAMIENTO GEOLÓGICO DE CO2
• n
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ALMACENAMIENTO GEOLÓGICO DE CO2
El complejo almacén (antes y después)Características sismotectónicas, estructurales, litológicas,
físicas y químicas:Roca/s almacén y fluidosRoca/s selloDiscontinuidades de macizoMacizos rocosos “Dual porosity medium”Presión de confinamiento - Presión de poroTemperaturaCaracterísticas ambientales
7
INTRODUCCIÓN
LÍNEA BASE
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• DOS PREGUNTAS:
• ¿Cómo se consigue inyectar CO2 en el reservorio?
• ¿Cómo reacciona el complejo almacén durante y después de la inyección de CO2?
• Esencialmente:• Deformaciones mecánicas• Reacciones geoquímicas
8
INTRODUCCIÓN
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ANTE LA REACCIÓN DEL COMPLEJO ALMACÉN:
Las preguntas clave Los requisitos fundamentales
La garantía sobre:
Seguridad y eficiencia del reservorio
Estanqueidad y estabilidad mecánica
Inyectabilidad durante toda la etapa operativa
9
INTRODUCCIÓN
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INTRODUCCIÓNLAS RESPUESTAS TECNOLÓGICAS:
¿Qué tipo de información interesa obtener permanentemente?
¿Cómo obtenerla?
¿Bajo qué principios científicos?
Monitorización
Técnicas de caracterización y de monitorización
Principios físicos más adecuados para obtener tal información
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11
Investigaciones geomecánicas y
geofísicas: adquisición de diversos parámetros
físicosdel interior del
medio geológico.
La información que proporcionan esos
parámetros está condicionada por las
propiedades físicas de ese medio geológico.
La correcta interpretación de esa información,
permitirá caracterizar ese medio geológico.
INTERPRETACIÓN DEL MEDIO GEOLÓGICO: EL MODELO
INTRODUCCIÓN
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GEOMECÁNICADisciplina que estudia las características mecánicas de los materialesgeológicos. Se basa en los conceptos y teorías de la mecánica de rocasy la mecánica de suelos.
Se trata de una relación de comportamiento entre el materialgeológico y los cambios de esfuerzo producidos por fenómenosnaturales y actividades humanas (por ejemplo, sismos, movimiento defluidos, operaciones petroleras de perforación, producción de pozos,inyección de fluidos, etcétera).
Los estudios de geomecánica son un combinado de resultadosprocedentes de la observación, la descripción, y los experimentos decampo y laboratorio conjuntamente con soluciones analíticas y demodelado que resuelven problemáticas particulares.
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13
• Presencia de fallas y fracturas.
• Movimiento de fallas.• Sismicidad.• Tipo de estados de
esfuerzos.• Comportamiento
petrofísico de los materiales rocosos.
GEODINÁMICA
Heidback et. al., 2008
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14
GEOMECÁNICALos materiales geológicos están compuestos por fases sólidas y fluidas, las cuales interactúancuando el macizo rocoso es sometido a esfuerzos extremos efectivos. Así, se producen, porejemplo, esfuerzos inter-granulares, presiones de poro, reacciones químicas, etc.
Los esfuerzos aplicados controlan el comportamiento mecánicode los materiales, el cual se expresa en cambios medibles decompresión, distorsión, resistencia, recristalización, cambios deporosidad y permeabilidad, entre otros más.
Es muy importante considerar que los materiales geológicos presentan característicasparticulares que no son constantes, pues dependen de la localidad geográfica y geológica,de la profundidad a la que se encuentren, del clima, del tiempo y frecuencia en la que hanestado sometidos a presiones y, desde luego, a su historia geológica pasada.
Los materiales geológicos no presentan un comportamientoúnico y lineal, por lo cual se requieren muestras que sonanalizadas por medio de una gran variedad de ensayos delaboratorio y pruebas de campo.
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PRINCIPIOS DE LA FÍSICA TEÓRICA APLICADOS A LAS ROCAS: PROBLEMAS
No homogeneidadDiscontinuidades internasAnisotropíasLímites geométricos
HomogéneosContinuosIsótroposSin límites
Las rocas como materiales,se caracterizan por:
Difícil aplicación de losprincipios básicos de la
física teórica queconsidera materiales:
GEOMECÁNICA
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16
CONSIDERACIONES PETROFÍSICAS BÁSICAS
AnisotropyInhomogeneity
distance (mm)
Property max.
min.
Different values in different zones
Different values along different directions
GEOMECÁNICA
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HETEROGENEIDAD: variaciones de textura, composición de la roca, mineralogía, granulometría, etc.
GEOMECÁNICA
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18
Altered and recrystallizedlimestone.
Oolithes removed by solution.Pathway followed by the first arrival
vE-R = 3.133m/s
Idealpathway
ER
dE-R = 20.5cmvE-R = 3.416m/s
Δv = 9 %
dE-R = 21cmvE-R = 3500m/sΔv = 12 %
Assumedpathways
E
R
dE-R = 18.8cm
tE-R = 60μs
GEOMECÁNICA
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19
Ningún científico piensa con fórmulas.
Antes de que el físico comience a calcular,debe tener en su cerebro
el curso de los acontecimientos.
Estos últimos, en la mayoría de los casos,pueden ser expuestos con palabras claras y sencillas.
Los cálculos y las fórmulas constituyen el paso siguiente.Albert Einstein
GEOMECÁNICA
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20
GEOMECÁNICAACONTECIMIENTOS de los macizos rocosos
de interés en Ingeniería del terreno:
Estructura y litología Discontinuidades de macizo Tipos Función hidráulica y mecánica Propiedades físicas
Circulación del agua Tensiones del terreno Propiedades físicas macizo/roca matriz
Escalas: macizo/roca matriz
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21
EscalasEstudio
Experimentación
Métodos
Macizo“Intact rock” o “Roca matriz”
Directos - Indirectos
Destructivos - No destruct.
RealReducida
Obtencióninformación Modelos
teóricos
PROPIEDADES FÍSICAS DE MATERIALES GEOLÓGICOS PLANTEAMIENTO GENERAL
InhomogeneidadAnisotropías
DiscontinuidadesCarácter polifásico
Dificultad
GEOMECÁNICA
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221
ADQUISICIÓN DE DATOS GEOLÓGICOS Y PETROFÍSICOS DE DIFERENTES FUENTES Y TÉCNICAS.
Compilación y compra de documentación en línea.
Geología de campo desde imágenes hasta …
Estudios microscópicos: evaluación del espacio poroso, rutas de flujo de agua, textura de la roca, composición mineralógica, grado de intemperismo.
GEOMECÁNICA
… análisis y muestreo directos en el terreno.
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23231
Ejemplo de núcleo de roca(izquierda) y de las imágeneslog “unrolled” de las paredesdel pozo (óptica, centro yacústica, derecha).
Caracterización denúcleos de roca yperfiles petrofísicosen escala mm-cm.
Estudios preliminares en núcleosde roca a partir de imágenesacústicas y ópticas de los núcleos yparedes de los pozos perforados.
GEOMECÁNICA
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24
GEOMECÁNICA
Rock discontinuities
Rock massif
Rock matrix
Two scales in Rock
Engineering
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25
Pruebas destructivas y no-destructivas(non-destructive tests: NDT) (perfil ultrasónico a lo largo del núcleo de roca) para evaluar las propiedades
físicas de acuerdo a normas y procedimientos estándares.
1
5000
5200
5400
5600
5800
6000
6200
0 2 4 6 8 10 12
cm
Vp (m
/s)
EJE 1 EJE 2 EJE 3 EJE 4
FeO
Análisis microscópicos de barrido y geoquímicos que incluyen μ-mapeo de
elementos químicos.
LA COMPILACIÓN Y ANÁLISIS DE TODOS LOS DATOS ASÍ OBTENIDOS APORTA LA
GEOMECÁNICA
CARACTERIZACIÓN PETROFÍSICA DE LA MATRÍZ DEL MACIZO ROCOSO DEL SITIO CANDIDATO
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26
GEOMECÁNICAPERFORACIÓN DE POZOS
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POZOS DE PRUEBA SOBRE PARÁMETROS DE INYECCIÓN, GEOFÍSICA Y MUESTREO.
GEOMECÁNICA E INYECCIÓNINSTRUMENTACIÓN Y PRUEBA EN POZOS
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28
GEOMECÁNICA e INYECCIÓN
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29
MODELADO EN LABORATORIO DE PARÁMETROS DE INYECCIÓN.
GEOMECÁNICA e INYECCIÓN
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GEOFÍSICA
+¿DESDE DÓNDE SE OBTIENE LA INFORMACIÓN?
Aeroportada, Barcos, Superficie, Profundidad, Campo próximo en las paredes de sondeos – Logging.
Estudio de la Tierra a partir de métodos cuantitativos físicos basados en la medición de campos naturales (gravitacional, magnéticos terrestres, eléctricos, entre otros), e inducidos por el hombre (eléctricos, sísmicos, etcétera).
+¿CÓMO SE OBTIENE?
Diferentes tipos y tamaños de arreglos (redes) según la técnica de análisis, la escala y de la profundidad del objeto de estudio.
+¿QUÉ TIPO DE “SEÑALES” SE OBTIENEN?
Generación - Transmisión - Recepción - Procesado
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31
Las principales técnicas utilizadas para eventos naturales e inducidos, son:
1.Métodos sísmicos tales como sismología de reflexión, sísmica de refracción y tomografía sísmica.2.Técnicas de sismicidad incluyendo sismicidad de temblores y sismicidad inducida.3.Técnicas magnéticas que incluyen estudios aeromagnéticos.4.Técnicas eléctricas como tomografía de resistividad eléctrica y polarización inducida.5.Técnicas electromagnéticas tales como magneto telúrico y radar de penetración terrestre.6.Técnica gravimétrica como gradiometría de gravedad.7. Registros geofísicos de pozo (“well logging”).8.Técnicas de Sensores Remotos incluyendo análisis hiperespectral.
Usos y aplicación:La exploración geofísica se encarga de hacer la cartografía de estructuras del subsuelo, la distribución espacial de las unidades de roca, detectar fallas, pliegues y cuerpos intrusivosde roca, detectar propiedades petrofísicas de materiales geológicos, entre otras más. Tienen una amplia aplicación en la industria petrolera, en la geotecnia, geohidrología y estudios de impacto ambiental. http://en.wikipedia.org/wiki/Exploration_geophysics
GEOFÍSICA
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32
GEOFÍSICAGeological mapping
Geophysical survey
Ground penetrating radar cost
Magnetic cost
Gravity cost
Seismic cost
Boreholes & logging
Cross-hole - Tomography cost
Site investigationFieldwork
Geophysical surveys
Two main uses in site investigation Filling in detail between
boreholes after drilling
Searching a large area for anomalies before drilling
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33
GEOFÍSICA Y PETROFÍSICAMethod Measured parameter Operative
physical property
Seismic Travel times of reflected/refractedseismic waves
Density and elastic moduli, (which control the velocity
of seismic waves)
Gravity Spatial variations in the strength of the gravitational field of the Earth Density
Magnetic Spatial variations in the strength of the geomagnetic field
Magnetic susceptibility and remanence
Electrical
Resistivity Earth resistance Electrical conductivity
Electromagnetic Response to electromagnetic radiation
Electrical conductivity and inductance
Radar Travel times of reflected radar pulses Dielectric constant
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34
GEOFÍSICA
SISMOLOGÍA. Método en el que se generan ondas sísmicas en el terreno. La velocidad de propagación de las ondas sísmicas depende de las características de deformación del terreno por donde pasan dichas ondas.
ALGUNOS EJEMPLOS DE MÉTODOS GEOFÍSICOS
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35
Envío y recepción de señales sísmicasProcesado y visualización de las
señales sísmicas recibidas.Obtención de “imágenes sísmicas”
Inicio de la caracterización del medio geológico
M. Montoto - Universidad de Oviedo (España)
GEOFÍSICASISMOLOGÍA DE REFLEXIÓN
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36
GEOFÍSICA
SISMOLOGÍA DE REFLEXIÓN
![Page 37: 07 Montoto Jimenez 2012 Geofisica Geomecanica](https://reader034.fdocuments.us/reader034/viewer/2022051516/55cf9b20550346d033a4d83a/html5/thumbnails/37.jpg)
37
Cortesía: Prof. A. Pérez-Estaún y R. Carbonell. IJA CSIC (Barcelona, España)
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE SÍSMICA DE REFLEXIÓN
Información de interés geológico que
aporta
¿Hay otras técnicas que puedan
proporcionar este tipo de información
geológica?
GEOFÍSICA
![Page 38: 07 Montoto Jimenez 2012 Geofisica Geomecanica](https://reader034.fdocuments.us/reader034/viewer/2022051516/55cf9b20550346d033a4d83a/html5/thumbnails/38.jpg)
38
Cortesía: Prof. A. Pérez-Estaún y R. Carbonell. IJA CSIC (Barcelona, España)
¿Hay otras técnicas que puedan
proporcionar este tipo de información
geológica?
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE SÍSMICA DE REFLEXIÓN
Evolución de la pluma de CO2
inyectado en Sleipner
GEOFÍSICA
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39
GEOFÍSICASISMICIDAD NATURAL Y SISMICIDAD INDUCIDA: Los sismos sonmovimientos convulsivos en el interior de la tierra los cuales generan unaliberación repentina de energía que se propaga en forma de ondas y provocanel movimiento del terreno.
Un sismograma es una gráfica que representa una liberación de energía potencial elástica acumulada por deformación gradual de las rocas contiguas, al superar el estado de equilibrio mecánico.
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40
TRANSIT OF DEFORMATION THROUGH AN ELASTIC MEDIUMPropagation of ultrasonic waves
Alternatedsequences of:
CompressionExpansion
Shearing
P wavesCompressive
S wavesShearingM
. Mon
toto
-U
nive
rsid
ad d
e O
vied
o (E
spañ
a)GEOFÍSICA
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41
GEOFÍSICASISMICIDAD NATURAL Y DEFORMACIÓN DE LA CORTEZA TERRESTRE
Heidback et. al., 2008
Y ESCTRUCTURAS PREEXISTENTES
![Page 42: 07 Montoto Jimenez 2012 Geofisica Geomecanica](https://reader034.fdocuments.us/reader034/viewer/2022051516/55cf9b20550346d033a4d83a/html5/thumbnails/42.jpg)
42
GEOFÍSICASISMICIDAD INDUCIDA: Herramienta geofísica para caracterización y monitorización
Información de interés que aportan en
almacenamiento geológico de CO2
Si debido a la presión de inyección del CO2, se está produciendo fisuración o reactivación de fisuras preexistentes.
Posición espacial de tales fisuraciones.
Evolución del estado tensional en el seno del complejo almacén.
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43
GEOFÍSICA
Actividad microsísmica
Deformación
Esfu
erzo
AE/MS
ε
σ
SISMICIDAD INDUCIDA =MICROSÍSMICAEsfuerzo - Deformación - Actividad
![Page 44: 07 Montoto Jimenez 2012 Geofisica Geomecanica](https://reader034.fdocuments.us/reader034/viewer/2022051516/55cf9b20550346d033a4d83a/html5/thumbnails/44.jpg)
44
GEOFÍSICA
Actividad microsísmica
Deformación
Esfu
erzo
AE/MS
ε
σ
Emisión Acústica / Actividad MicrosísmicaAcoustic Emission / Microseismic Activity (AE/MS)
FundamentalCorrecta “lectura petrofísica” de las
curvasEsfuerzo - deformación
Esfuerzo - AE/MSPermite entender y predecir la“cinética de fractura del medio
rocoso”
Esfuerzo - Deformación - Actividad Microsísmica
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45
GEOFÍSICA
Actividad microsísmica
Deformación
Esfu
erzo
AE/MS
ε
σ
Emisión Acústica / Actividad Microsísmica
Fundamental
Correcta “lectura petrofísica” de las curvas Esfuerzo - deformación
Esfuerzo - AE/MS
Puede monitorizarse la evolución del estado tensional de fracturas problemáticas durante la inyección del CO2 y, como no, la aparición de
nuevas fracturas
Esfuerzo - Deformación - Actividad Microsísmica
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46
GEOFÍSICA“Seguimiento petrofísico”
de lacinética de fractura
en granito(“intact rock”)
medianteactividad microsísmica
AE/MS
2 4 6
5 10 15 20
20
80
60
40
AE
εT(-)
εL(+)
ε [μd x 103]
σ a (M
Pa)
AE/MS (counts x 104)
Montoto, M. et al., (1984)
Evolución del microfracturamiento de la
roca y de la emisión acústica
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47
Time
Stra
in (μ
E)
0
200
400
600
800
0
500
1000
1500
5 10
e1eV
e2
(days)
Continental Deep Drilling Program (FGR)2231.5 m depth
Cum
ulat
ive
AE
coun
ts2000
Lamprophyre
Relajación tensional en testigos de sondeoDeformación y actividad microsísmica
(modified)After Wolter, 1990
Determinación de “stress relief cracks”
GEOFÍSICA
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48
GEOFÍSICA
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49
GEOFÍSICAMAGNETOMETRÍA: Método geofísico mediante el cual se mide lacomponente vertical del campo magnético terrestre, es usado en áreas deestructuras geológicas complejas, y ayuda a determinar la configuración delbasamento en el subsuelo.
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50
GEOFÍSICAGRAVIMETRÍA : Una anomalía de gravedad se define como la variación de los valores medidos de la gravedad con respecto a la gravedad normal después de haber aplicado las correcciones necesarias.
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GEOFÍSICAELÉCTRICA: los métodos geoeléctricos se basan en la conductividad o la resistividad eléctrica de las rocas, las cuales son propiedades de los materiales geológicos.
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GEOFÍSICARADAR DE PENETRACIÓN TERRESTRE: Es conocido comúnmente como GPR y se trata de un método electromagnético de alta frecuencia (de 50 a 1600 MHz) con capacidad de adquirir gran cantidad de información en un período corto de tiempo.
El sistema genera una imagen del subsuelo (radargrama) que a primera vista se asemeja a la obtenida por un sonar para determinar la profundidad del agua y/o bien a la de una sección sísmica obtenida mediante detonaciones impulsivas en superficie.
Sin embargo, el GPR utiliza como fuente transmisora una antena electromagnética emitiendo una señal a una frecuencia fija que puede penetrar sedimentos, roca, concreto, hielo u otros tipos de materiales naturales o artificiales, convirtiéndolo en un método de gran utilidad en aplicaciones geotécnicas y de estudios medio ambientales.
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MAGNETOTELÚRICO: El método (MT) es una técnica que consiste en medir desde la superficie las fluctuaciones temporales de los campos electromagnéticos naturales de la Tierra (tormentas eléctricas, corrientes ionosféricas) y determinar la distribución de la resistividad eléctrica en función de la frecuencia (periodo) con respecto a la profundidad, desde los primeros metros hasta decenas de Kilómetros.
GEOFÍSICA
A partir de les relaciones lineales entre las componentes del campo eléctrico y magnético, se obtiene un modelo de resistividades eléctricas del subsuelo.
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GEOFÍSICA
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55
GEOFÍSICA
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GEOFÍSICA
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GEOFÍSICA
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CONCLUSIONES
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González de Vallejo, L. I., Ferrer, M., Ortuño, L., Oteo, C. (2002). "Ingeniería Geológica". Prentice Hall, ISBN 84- 205-3104-9.
Montoto, M. (2003)."Petrophysics at the rock matrix scale: hydraulic properties and petrographicinterpretation".Publicación Técnica nº 11/03. ENRESA (Madrid). ISSN: 1134- 380X
Arno, Zang y Ove. Stephansson (2008). Stress Field of the Earth's Crust. Springer, ISBN 978-1-4020-8443-0
REFERENCIAS