Propiedades y características de los suelos 74

La prospección con radar de subsuelo se realiza sobre medios que, a menudo, son mezclas de distintos tipos de materiales. Por separado, cada elemento tiene sus propias características electromagnéticas. Juntos, forman un medio cuya conductividad, permitividad dieléctrica y permeabilidad magnética dependen de cada uno de estos elementos y del porcentaje del mismo en la mezcla. Existen distintos modelos que permiten caracterizar estas mezclas (Vega, 2001), obteniendo la permitividad efectiva, por ejemplo, del medio en función de los materiales que forman parte del mismo y del porcentaje. Estos mismos modelos sirven también cuando se analiza un medio formado por un solo elemento sólido, agua y aire. Todo esto define los valores de la conductividad y de la permitividad dieléctrica del medio. Pero la composición también ejerce influencia sobre la permeabilidad magnética relativa. En muchas ocasiones es posible prescindir de este parámetro cuando se analizan los registros de radar de subsuelo, ya que suele ser un valor próximo a la unidad.

La propagación de las ondas electromagnéticas en el agua puede observarse que la velocidad es muy baja y la atenuación elevada. Se trata de un medio que presenta un elevado valor de su permitividad efectiva, que muchos autores aproximan por 80, aunque el valor es variable y se presenta una cierta dependencia con la temperatura y la composición mineral (y por lo tanto de la conductividad). El elevado contraste existente entre la permitividad del agua y la que pueden presentar otros elementos hace que el contenido de ésta en un medio influya notablemente en la velocidad promedio de propagación de las ondas electromagnéticas. Estudios como los realizados por Knoll y Knight (1994) muestran que, dentro de las frecuencias habituales en la prospección con radar de subsuelo, la permitividad dieléctrica relativa del medio aumenta con la saturación. Lo mismo sucede con la conductividad.

Además de la saturación, otros parámetros como la granulometría también tienen su importancia en estas relaciones. Los ensayos efectuados por diferentes autores indican que, aunque el aumento de permitividad y de conductividad se produce al aumentar el porcentaje de agua en la muestra, no lo hace de igual manera si el contenido de arcilla de la muestra cambia.

El comportamiento de estos parámetros también es fuertemente dependiente de la compactación del medio (porosidad). Un mayor porcentaje de poros en muestras secas hacen que descienda el valor tanto de la conductividad como de la permitividad relativa. Sin embargo, si la muestra tiene un cierto contenido de agua este comportamiento no es tan claro, y si la muestra está totalmente saturada el comportamiento se invierte. Estas mismas tendencias observadas experimentalmente se reflejan también en los modelos de medios no homogéneos.

Algunos modelos (Vega, 2001) permiten estimar el valor de la permitividad relativa del medio si conocemos los factores de porosidad, contenido de agua y composición (materiales y porcentaje de los mismos). Con estos modelos se observa que, para una misma porosidad y un mismo elemento matriz (sólido), el rango de variación de los parámetros electromagnéticos y de la velocidad de propagación es elevado, tomando como extremos una saturación total (todos los poros llenos con agua) y una saturación cero (todos los poros llenos de aire). Este rango de variación de la velocidad es mayor conforme aumenta la porosidad. Todo esto indica que la porosidad y el fluido que contienen estos poros influyen grandemente en las fluctuaciones que se observan tanto en la permitividad dieléctrica relativa como en la conductividad, considerando unos mismos elementos matriz para los medios. Este comportamiento puede llegar a predecirse utilizando modelos matemáticos, permitiendo realizar

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clasificaciones de los medios. Los resultados que ofrecen estos modelos son bastante similares entre sí, y la selección de uno o de otro de ellos no tiene gran importancia ya que las diferencias que presentan son suficientemente pequeñas para poderlas apreciar experimentalmente con el radar de subsuelo.

Los medios que se estudian con georradar suelen estar formados por mezclas de diferentes materiales. Las rocas, los suelos y los materiales constructivos (hormigón, mampostería, asfalto, etc.) se componen de distintos elementos, cada uno con unas propiedades electromagnéticas características. La conductividad, permeabilidad magnética y permitividad dieléctrica del medio dependen del valor de los parámetros electromagnéticos de cada uno de sus elementos componentes y del porcentaje de cada uno de ellos en el medio analizado. Un elemento que tiene gran influencia en el resultado final es el fluido existente en los poros. Un ejemplo de cómo varían estos parámetros puede verse en la tabla 3.1.

Tabla  3.1.  Parámetros  electromagnéticos  y  características  de  la  propagación  de  las  ondas  en  aire y agua. 

En la tabla 3.2 se recopilan los resultados para distintos tipos de suelos, donde puede observarse la fuerte variabilidad de la constante dieléctrica relativa, que depende en gran medida del tamaño de los poros y del contenido de agua del material. También la conductividad presenta amplios intervalos de valores, dependiendo de la porosidad del material, del contenido en agua y de los materiales y de las sales disueltas en el fluido intersticial.

La fuerte variabilidad de los parámetros electromagnéticos en este tipo de medios hace que su velocidad de propagación característica sea también altamente fluctuante. Al considerar suelos hay que tener en cuenta que el porcentaje de arcilla del suelo influye notablemente en el valor de los parámetros electromagnéticos.

Las características físico-químicas de la arcilla hacen que presente un comportamiento electromagnético muy distinto al de otros materiales del subsuelo (arenas, limos, gravas, etc.). En general, se ha observado que tanto la permitividad como la conductividad disminuyen con un aumento de su porosidad. La composición química de las arcillas es uno de los factores importantes, ya que pueden contener elementos conductores.

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Tabla  3.2.  Propiedades  de  los  materiales  más  comunes  durante  una  prospección:  constante  dieléctrica  (k);  conductividad  eléctrica  ( );  velocidad  de  propagación  (v);  coeficiente  de  atenuación ( ). 

En la figura 3.7 se puede ver cómo el contenido de arcilla influye tanto en el valor de la permitividad dieléctrica como en la conductividad del medio. Lo valores de esta última son mayores cuanto mayor es el porcentaje de arcilla de la mezcla. Estos valores también son mayores para frecuencias más elevadas.

Figura 3.7. Dependencia de los parámetros electromagnéticos según el contenido de arcilla de  un suelo. 

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Como la conductividad determina en gran medida la penetración de las ondas en el medio, se puede concluir que un elevado porcentaje de arcillas en el medio disminuye la penetración esperada, en mayor medida cuanto más elevada sea la frecuencia utilizada.