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GEOFÍSICA MARINA APLICADA AL ESTUDIO DE LOS

RIESGOS GEOLÓGICOS LITORALES L.A.P. Souza1 y M.M. Mahiques2

1Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo, Brasil.

2Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo, Brasil. INTRODUCCIÓN

La investigación de ambientes sumergidos llanos despierta un interés

especial para los estudios geológicos-geotécnicos en función de las grandes inversiones en obras de infra-estructura. La expansión de oleoductos y gasoductos (Souza et al., 2006), hidrovías, puentes, túneles y puertos (Dias & Silva, 2003; Bianco et al., 2003; Bianco, 2004; Marrano et al., 2004; Souza 2006), la exploración mineral (Dias et al., 1982; Dias, 2000; Ayres Neto, 2000), la colmatación de estuarios (Carvalho, 2008, Souza et al., 2004), el levantamiento de áreas destinadas a la disposición de residuos (Mansor, 1994) son algunos temas de extrema importancia actual (Souza, 2006, 2008).

En función de esta interacción entre la actividad antropogénica y los riesgos litorales es que adquieren gran importancia los estudios geológicos y geofísicos previos. Los ejemplos de la catástrofe del aeropuerto de Nice (Francia), en 1979 (deslizamiento seguido de tsunami) (Dan et al., 2007), del tsunami asociado a deslizamiento en la Isla de Stromboli (Italia) (Chiocci et al., 2008) y de la subsidencia del aeropuerto de Kansai (Japón) (Uchida et al., 1998; Inoue et al., 2003) son bastante significativos en términos del carácter capital de la necesidad de estudios de evaluación de riesgos. La asociación entre actividad antropogénica y la distribución de marcas de escapes de gas en la Ría de Vigo (España) (García-García et al., 1999) constituye un ejemplo de otro tipo de riesgo litoral que puede ser mejor evaluado a través de estudios geológicos.

En este sentido una mejor caracterización física y estructural de las áreas sumergidas demanda, necesariamente estudios geológicos y geotécnicos de detalle y es desde este punto de vista que los métodos geofísicos poseen una importante contribución, principalmente por constituir métodos de investigación no invasivos o no destructivos (Jones.1999; Souza, 1988, 2006, 2008; Souza et al., 1998).

Entre los posibles métodos geofísicos que pueden ser empleados en la investigación de áreas sumergidas llanas, se destacan, indudablemente, los métodos sísmicos. Radar de Penetración terrestre (GPR), electro resistividad, magnetometría, entre otros, son métodos geofísicos también aplicables en la

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investigación de ambientes litorales, pero estos últimos poseen restricciones, principalmente cuando se trata de la obtención de datos cuantitativos.

CLASSIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS SÍSMICOS

No es nuestra intención describir detalladamente las bases teóricas de los métodos sísmicos; los compendios de Jones (1999) y Kearey et al. (2002) constituyen textos excelentes para los investigadores que deseen profundizar en el tema.

Por la propia naturaleza y dimensión de las áreas investigadas, de pocas decenas de kilómetros cuadrados y con espesor de columna sedimentaria del orden de pocas decenas de metros, la investigación sísmica del litoral requiere equipamientos geofísicos y medios fluctuantes de menor porte.

Las investigaciones en estos ambientes tienen como foco principal el ofrecimiento de soporte técnico a proyectos de Ingeniería y/o de Geología básica y pueden ser subdivididas en dos grupos: investigación de superficie y de sub-superficie (Souza, 2006, 2008).

El primer grupo se refiere a la caracterización geológica de las superficies sumergidas y abarca el levantamiento de afloramientos rocosos, formas sedimentarias o estructurales así como la localización de embarcaciones naufragadas, en el caso de operaciones de busca y salvataje o con finalidades arqueológicas.

La delimitación del trazado de ductos, de hidrovías y de áreas favorables para la instalación de pilas de descarte, son ejemplos de proyectos en los cuales la prioridad de la investigación es la caracterización de superficies sumergidas. En términos de riesgos geológicos, la caracterización de la naturaleza de los materiales geológicos y la identificación del sentido de las corrientes pueden ser establecidas con técnicas de sísmica de superficie (Fig. 1). En este tipo de investigación se utilizan fuentes acústicas que emiten de preferencia señales co espectros de altas frecuencias, generalmente superiores a 30kHz.

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Fig. 1. Ejemplo de registros de sonar de escaneo lateral (arriba) y ecosondeo (abajo), indicativo de ocurrencia de dunas sumergidas asimétricas.

El ecosondeo (simple, doble o multi-rayo) y el sonar de escaneo lateral constituyen los principales métodos sísmicos empleados.

El segundo grupo reúne un conjunto de métodos que tienen por objetivo la investigación de sub-superficie brindando soporte a proyectos en los cuales las informaciones sobre el espesor de la columna sedimentaria o la profundidad del embasamiento rocoso son datos fundamentales.

La determinación del espesor de las camadas sedimentarias objetivando cálculos de determinación del volumen de material de dragado y de la profundidad del embasamiento rocoso, en proyectos de puentes, túneles, ductos, puertos y diques, son algunos ejemplos de estudios que exigen informaciones de esta naturaleza. En estos casos, datos que permitan apenas la caracterización geológica de superficie no son suficientes para cubrir las necesidades de los proyectos. En el contexto de estos objetivos se destacan los métodos sísmicos que utilizan fuentes acústicas de tipo boomers, sparkers, 3,5kHz y chirps, entre otras, que emiten señales acústicas con espectros de frecuencias inferiores a 30kHz.

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¿CÓMO ESCOGER LA FUENTE ACÚSTICA ADECUADA PARA LA EVALUACIÓN DE RIESGO?

Aunque se considere el tradicional, excelente y consagrado desempeño de los métodos sísmicos en la investigación de ambientes sumergidos, la opción por la utilización de una u otra fuente acústica, entre las diferentes posibilidades existentes, no constituye un procedimiento trivial. Diferentes métodos sísmicos utilizan diferentes fuentes acústicas que, por su vez poseen características específicas y ofrecen productos finales distintos. No es raro, encontrar en la literatura técnica, ejemplos de utilización de fuentes acústicas en determinados proyectos priorizándose la disponibilidad de la fuente, en lugar de su real aplicabilidad para los objetivos del proyecto. Estos casos pueden resultar en perjuicios financieros y técnicos además del perjuicio mayor que consiste en el potencial de no evaluar correctamente los riesgos geológicos involucrados.

Las fuentes acústicas poseen propiedades, tales como espectro de frecuencias y energía (potencia), lo cual les permite ser aplicadas a objetivos distintos.

El gráfico de la Fig. 2 ejemplifica los límites de penetración de una fuente acústica del tipo 3,5kHz. En este ejemplo es posible observar la drástica disminución del desempeño de esta fuente con el aumento de la granulometría de los sedimentos de fondo, lo que, en principio, desmerita esta fuente acústica para la investigación de depósitos aluvionares o coluvionares, cuando existe la espectativa de que ocurran depósitos de arenas gruesas y gravas con espesor superior a 5-6m. Muy probablemente, una fuente con estas características no ofrece resultados adecuados en levantamientos costeros cuya finalidad sea la de buscar depósitos arenosos para la recomposición de ambientes litorales erosionados.

Fig. 2. Desempeño de la fuente acústica 3.5 kHz, modelo GeoPulse Pinger Geoacoustics. Penetración esperada (en azul) y variabilidad posible (en rojo) para la relación entre la penetración del señal acústico versus tipo de sustrato. Souza, 2006 - Modificado de: http://www.geoacoustics.com.

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Por otro lado, fuentes acústicas con estas características tienen gran aplicación en la investigación de ambientes sumergidos cubiertos por sedimentos finos, teniendo en vista su alto poder de resolución, lo que permite incluso la identificación de la presencia de interferencias antropogénicas, como ductos soterrados y navíos naufragados total o parcialmente cubiertos por sedimentos finos, o una correcta determinación de la distribución de sedimentos contaminados en áreas estuarinas.

La Fig. 3 muestra registros obtenidos con la utilización simultanea de tres fuentes acústicas, donde es posible observar el mejor desempeño de la fuente de tipo chirp (2-8kHz) en lo que se refiere a la resolución, una vez que en el registro obtenido con esta fuente (B) se identifican claramente los ductos soterrados a poca profundidad (Souza et al., 2008). Lo mismo no ocurre con el registro obtenido con la fuente de tipo boomer (A), el cual muestra un mejor desempeño en la identificación de la estratigrafía local (mayor penetración), pero sin permitir una buena resolución para la identificación de los mismos ductos.

Fig. 3. Registros sísmicos obtenidos en el canal de São Sebastião (São Paulo) con la utilización simultánea de tres fuentes sísmicas distintas (A=boomer 0.5-2kHz, B=chirp 2-8kHz, C=pinger 24kHz). Souza et al. (2008).

La Fig. 4 ilustra un registro obtenido con el empleo de fuente acústica de

tipo chirp, en el que se puede atestar su importancia en la identificación del espesor de las camadas superficiales de sedimentos fangosos.

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Fig. 4. Registro obtenido en el canal de Santos (São Paulo) con el empleo de perfilador sísmico de fuente acústica de tipo chirp (2-8kHz). Souza (2006, 2008).

De una forma general es posible afirmar que fuentes acústicas de

frecuencias superiores a 2kHz (chirp de baja potencia, 3.5, 7, 10, 15 e 24 kHz, entre otras) ofrecen una excelente resolución, pero, con perjuicio en la penetración.

Por otro lado, fuentes acústicas que emiten señales de frecuencias inferiores a 2kHz ofrecen un mejor desempeño en la penetración y resultan, por lo tanto, extremamente importantes para la investigación de depósitos sedimentarios compuestos de sedimentos arenosos (arenas y gravas) comunes en ambientes litorales de alta energía, con espesores superiores a 8-10m. Fuentes del tipo boomers, sparkers y chirp (de alta potencia) son las más indicadas para alcanzar estos objetivos.

Un excelente ejemplo de aplicación de este tipo de fuente acústica está ilustrado en el registro sísmico de la Fig. 5, donde se observa una camada de sedimentos con cerca de 40 metros de espesor, depositada sobre la topografía irregular del embasamiento local, así configurada como resultado de procesos de progradación costera.

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Fig. 5. Registro sísmico (boomer) obtenido en el canal de São Sebastião (São Paulo), donde se identifica el potencial de penetración de fuente acústica de baja frecuencia (espesor máximo del pacote sedimentario de cerca de 40 metros). Souza et al., (2008).

No es raro, en la evaluación de riesgos, relacionados con proyectos de

Ingeniería o Geotécnia, la necesidad de obtención de datos de diferente orden que estén relacionados con los materiales subyacentes. En estos casos, la determinación del espesor de la columna sedimentaria y de la profundidad del embasamiento rocoso, así como la caracterización del embasamiento aflorante constituye un conjunto fundamental de datos. En actividades de esta naturaleza, la solución ideal se obtiene con la utilización de sistemas que tengan la capacidad de operar, de forma simultánea, con varias fuentes sísmicas, incluso el sonar de escaneo lateral.

Aunque no existan, por limitaciones físicas, fuentes acústicas que permitan la emisión, a partir de un único módulo, de señales acústicas continuas de 500Hz a 30kHz, lo que sería, teóricamente ideal, existen hoy en el mercado internacional, sistemas que permiten administrar la actuación simultánea de varias fuentes acústicas que, al final, resulta en la solución más próxima a lo ideal, frente a las varias demandas involucradas en la investigación de áreas sumergidas llanas, de forma a asegurar simultáneamente, resolución y penetración.

Un ejemplo de utilización simultánea de tres fuentes acústicas está ilustrado en la Fig. 6 la cual presenta nítidamente el producto diferenciado, bajo el punto de vista de la resolución y penetración en cada una de las tres fuentes acústicas utilizadas (pinger 24kHz, chirp 2-8kHz y boomer 0,5-2kHz).

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Fig. 6. Perfil sísmico ejecutado con el empleo simultáneo de tres fuentes acústicas (A) pinger (24kHz); (B) chirp (2-8kHz) y (C) boomer (0,5-2kHz). En los perfiles A y B evidencia-se, en la superficie, una anomalía topográfica que, solamente en el perfil C, puede ser correlacionada a la existencia de un cuerpo rocoso en sub-superficie (Souza, 2006).

La Fig. 7 ilustra otro ejemplo de excelente calidad, de la utilización simultánea de tres fuentes acústicas en un levantamiento geofísico en región costera. Los dos ejemplos ilustran claramente el desempeño diferenciado de cada una de las tres fuentes acústicas y la importancia de esta diferenciación en el estudio de ambientes sumergidos llanos.

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Fig. 7. Perfil sísmico ejecutado con el empleo simultáneo de tres fuentes acústicas (A) pinger (24kHz); (B) chirp (2-8kHz) y (C) boomer (0,5-2kHz). Observa-se nítidamente el desempeño diferenciado de las fuentes, con relación a la penetración de la señal en los estratos sedimentares subyacentes, una vez que solamente en el perfil obtenido con el boomer, es posible delinear, con continuidad y extensión, el contorno del embasamiento rocoso en el área investigada. Souza et al. (2008).

El análisis de los registros obtenidos por las tres fuentes acústicas en los

ejemplos ilustrados en las Fig. 6 y 7 permite concluir la importancia de la utilización de fuentes de alta energía como boomers o sparkers, para asegurar la identificación de la cumbre del embasamiento rocoso que, en los ejemplos presentados, no fue identificada por las fuentes acústicas que emiten frecuencias superiores a 2 kHz (pinger - 24kHz y chirp 2-8kHz), en los sectores de espesores de sedimentos más elevados. Este aspecto es particularmente importante en la evaluación de riesgos porque corresponde al volumen total de material disponible para remover.

Destacase también, a partir de los análisis de estos registros, la importancia de la utilización simultánea de diversas fuentes acústicas, una vez que cada una ofrece soluciones específicas para distintos aspectos.

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CONSIDERACIONES FINALES

El análisis abordado en este texto permite concluir que, para una evaluación adecuada de riesgos y establecimiento de estudios geológicos y geotécnicos en áreas sumergidas llanas es fundamental proceder primeramente a un análisis riguroso de los objetivos del levantamiento. La mejor solución para el problema geológico-geotécnico será encontrada si los objetivos del levantamiento están correctamente establecidos, así como si se tiene una primera idea de las profundidades a ser investigadas y cuáles son, en líneas generales, los tipos de material geológico a ser atravesados por las señales acústicas.

Las respuestas a estas cuestiones indicarán si la prioridad para una correcta evaluación del riesgo es la investigación de superficie (1) o de sub-superficie (2), y en este segundo caso, si la prioridad es la resolución (3) o la penetración (4) o inclusive si ambas informaciones son importantes. Con este abordaje el investigador tendrá condiciones de determinar la realización de levantamientos geofísicos que, básicamente serán constituidos por trabajos de:

(1) ecosondeo (con sus distintas variaciones) y/o sonar de escaneo lateral, con el objetivo de caracterizar la morfología superficial, identificando cuerpos sedimentares con expresión superficial, indicaciones de corrientes, evidencias de eventos de alta energía, y estructuras geológicas, como fracturas, fallas y lineamientos. Son ejemplos de proyectos de evaluación de riesgos en que las características superficiales son importantes, el levantamiento de riesgos a la navegación costera (Fig. 8) (Souza & Moura, 2005), la localización de depósitos arenosos en proyectos de recomposición de playas erosionadas (Gayes et al., 2001) y la monitorización de áreas de descarte de material dragado (Mosher & Currie, 1997).

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Fig. 8. Imagen de sonar de escaneo lateral en que se identifica la ocurrencia de arrecifes de corales en la región de Abrolhos (Bahia). Souza & Moura (2005).

Para el caso (2), los levantamientos geofísicos son los correspondientes a

los sondeos sísmicos continuos. En este contexto, se encajan las evaluaciones de espesor de sedimentos en proyectos de dragado, la determinación de la camada nefeloide, y otros trabajos que dicen respecto a los espesores de sedimentos en escalas decimétricas a métricas de sedimentos finos poco consolidados (fangos o arenas finas) y los levantamientos deberán ser ejecutados con métodos sísmicos que privilegian la resolución (3) y utilizan fuentes acústicas con señales de frecuencias entre 2 y 30kHz (Sub Bottom Profiler 3,5kHz, 7kHz, 10kHz, 15kHz, chirp 2-8/2-10/4-12/4-16/9-21kHz, entre otros el pinger 24kHz). Informaciones de esta naturaleza son comúnmente necesarias en ambientes estuarinos u otros de baja energía, en que la deposición de fangos supera la de arenas, o en los que los riesgos envuelven los procesos de colmatación.

Finalmente, si la prioridad consiste en obtener registros de alta penetración (4) de secuencias sedimentarias arenosas o gravosas, o si los datos sobre el espesor total de la columna sedimentaria o la profundidad del embasamiento rocoso constituyen informaciones fundamentales para la evaluación del riesgo, los levantamientos geofísicos necesarios son los que utilizan fuentes acústicas de alta potencia y que emiten señales acústicos con frecuencias abajo de 2kHz. Sparkers, boomers y chirps de alta potencia, están entre las principales fuentes acústicas utilizadas con estos objetivos en ambientes litorales, y que presentan un producto final análogo a los ejemplos ilustrados en las Fig. 5, 6 y 7. En este caso se encajan los análisis de riesgo

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asociadas a deslizamientos costeros o a los efectos de tsunamis, entre otros ejemplos.

Finalmente, considerando que cada fuente acústica cumple un papel específico en la investigación de áreas sumergidas, idealmente, mejores resultados siempre serán obtenidos con la utilización simultánea de un conjunto de fuentes acústicas que completen el espectro de frecuencias deseables para una completa evaluación del riesgo, o sea, entre 500Hz y 30kHz.

Un pinger de 15 o 24kHz, un chirp (2-10kHz) y un boomer (500Hz-2kHz) o un sparker (300Hz-1kHz), asociados a un sonar de escaneo lateral con frecuencia principal en torno de 100kHz, por ejemplo, constituyen un excelente conjunto de fuentes acústicas que seguramente responderán de forma satisfactoria a las principales cuestiones geológicas/geotécnicas involucradas en el contexto de esta discusión.

Es importante ratificar el concepto básico discutido en este texto que se refiere a la utilización simultánea de diferentes fuentes acústicas para una correcta evaluación del riesgo litoral. La utilización de una o de otra fuente acústica aisladamente, puede, en algunas situaciones, no ofrecer un resultado adecuado. La Fig. 9 ilustra un excelente ejemplo de la importancia de la utilización simultánea de las tres fuentes acústicas. En este ejemplo se observa que la pequeña columna sedimentaria, depositada sobre el embasamiento rocoso está mejor identificada en el registro obtenido por el sistema chirp, paradójicamente a los ejemplos ilustrados en las Fig. 6 y 7, que muestran mejor desempeño, bajo este punto de vista, de la fuente acústica boomer. Tal hecho resulta justamente de la perdida natural de resolución de la fuente acústica boomer cuando ocurre el embasamiento acústico muy próximo de la superficie de fundo.

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Fig. 9. Perfil sísmico ejecutado con empleo simultáneo de tres fuentes acústicas (A) pinger (24kHz); (B) chirp (2-8kHz) y (C) boomer (0,5-2kHz). En este ejemplo el mejor desempeño fue obtenido con la fuente chirp, que permitió la identificación plena del contacto entre la fina camada de sedimentos con embasamiento rocoso.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a los organizadores de la Red Iberoamericana en Teledetección Aplicada a la Prevención de Riesgos Geológicos Litorales y al Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED), por la posibilidad de la elaboración de este texto. Agradecen, también al Dr. Francisco Lobo Sanchez (CSIC-España) y a Georadar Levantamentos Geofísicos, por la autorización de inclusión de registros sísmicos, y a la Dra Leticia Burone, por la revisión de la primera versión. Este texto es una contribución del Grupo Brasileño para el Proyecto IGCP526 (Risks, Resources, Record of the Past on the Continental Shelf: Mining Late Quaternary Geological Evidence).

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