Tesis PhD Nassim Benabdeloued 2009

Departamento de Física Ingeniería de sistemas y Teoría

de la Señal

Principios Y Aplicación Del Georadar (GPR) En Ecología,

Geotécnica Y Arqueología

Memoria para optar al grado de Doctor.

D. Nassim Youcef Boualem Benabdeloued

Dirigida por:

Dr. José Juan Giner Caturla

Catedrático Escuela Universitaria

Departamento de Ciencias de la Tierra y del medio ambiente

Universidad de Alicante

Dr. Julio Luís Rosa Herranz

Profesor Titular de Universidad

Departamento de Física Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal

Universidad de Alicante

Alicante, noviembre 2008

Dept. de Física, Enginyeria de Sistemes i Teoria del Senyal Dpto. de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal

JOSÉ JUAN GINER CATURLA, Catedrático Escuela Universitaria del Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente de la Universidad de Alicante, y

JULIO LUIS ROSA HERRANZ, Profesor Titular de Universidad del Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal de la Universidad de Alicante,

CERTIFICAN:

Que D. NASSIM YOUCEF BOUALEM BENABDELOUED ha realizado bajo nuestra dirección la memoria titulada “Principios y aplicación del GPR en ecología, geotécnica y arqueología” en el Programa de Doctorado del Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal de la Universidad de Alicante, que constituye su Tesis Doctoral para optar al Grado de Doctor, reuniendo, a nuestro juicio, las condiciones necesarias para ser presentada y defendida ante el tribunal correspondiente.

Y para que conste a los efectos oportunos, y en cumplimiento de la legislación vigente, firmamos el presente certificado en Alicante, a 27 de noviembre de 2008.

Fdo. José Juan Giner Caturla Fdo. Julio Luís Rosa Herranz

A mis hijos y a mi madre.

Agradecimientos: Deseo expresar mi más sincera gratitud a los Doctores D. Pedro Jáuregui Eslava, D. José Juan Giner y D. Julio Rosa Herranz por la dirección, por sus consejos y la ayuda prestada que han hecho posible la realización del presente trabajo. A D. Pedro Jáuregui Eslava, excelente persona, por confiar en mí y por su apoyo incondicional. Por las largas horas dedicadas al trabajo de campo y en el laboratorio, que han sido imprescindibles para la elaboración de esta tesis. A D. José Juan Giner por apoyarme, por sus consejos y las oportunidades que me brindó a lo largo de estos años. A D. Julio Rosa Herranz, por guiarme, por la paciencia que ha tenido conmigo y por todo el tiempo invertido en la elaboración y corrección de esta tesis. Nunca dejaré de expresar mi gratitud a D. Artemio Cuenca Payá y sus compañeras de trabajo Eva y Maria Ángeles, por su importante contribución en los estudios de carreteras que han servido para el desarrollo experimental de nuestra investigación en este campo. Quiero agradecer al D. David Cano por su contribución con los testigos y datos de espesores de la parte dedicada al estudio en el aeropuerto de alicante. Agradecer al Dr. Luís Fernando Romero Castellano, alias Lucho, y a su formidable esposa Sami, hermanos y amigos, la colaboración que me brindaron durante todo este tiempo. A mi amigo y compañero de laboratorio Juan Luís Soler, por su valiosa contribución en esta tesis y su buen humor de siempre. Me gustaría agradecer a todos los miembros del Departamento de ciencias de la Tierra y del Medio ambiente por la acogida que me han dispensado y por contribuir a que mi estancia sea tan agradable en este departamento. No olvidare agradecer la formidable contribución de grupo de arqueólogos del gabinete de arqueología de la ciudad de la Habana Vieja que, gracias al proyecto Geosis, inscrito dentro del Proyecto Habana, me permitió realizar el trabajo de arqueología. Otra vez a los arqueólogos Cubanos, pero en calidad de hermanos y amigos, a Alina, Francés, Ángel, Fidel y todos los amigos de ahí, al Prof.

Orestes, René, sin olvidar nuestro estimado y querido Dr. Filiberto y su magnifica familia. Un agradecimiento especial para mi amigo y hermano Alberto por todo el trabajo y la atención que nos dedico y por la gran amistad que nos brindo. Agradezco también a mí estimada y querida profesora de español, amiga y hermana Mariana, por todo lo que me enseño y su apoyo incondicional. Gracias por apostar por mí. Por otro lado, no puedo olvidarme de todo los amigos que me apoyaron. A mi amiga Ruth por su amistad y ánimos tan especiales. A Cris, Marina, Sofia, Tatou, Mohamed, Haroun, Amin, y a todos los que no están citados aquí, pero que están presente en mi memoria. Especialmente a Diego y Yelitza, mis antiguos compañeros de piso y queridos amigos y hermanos, que les deseo los mejor de la vida y que tengan mucha suerte con el doctorado. A todos los doctorandos: Adela, Noelia, Rosario, Alma, Haroun, Mohamed, Issam, Hacen, y todos los demás, que tengan animo y mucha fuerza. Finalmente, pero no por ello menos importante, a la Universidad de Sidi Bel Abbes, Argelia, por la formación recibida en las diferentes materias que han sido un soporte básico para el desarrollo de esta tesis.

Principios y aplicación del GPR en ecología, geotécnica y arqueología

Sumario 3

Índice

I Introducción 07

II Objetivos de la Tesis 07

III Estructura de la memoria 08

Capitulo 01

Fundamentos Del Radar De Penetracion Del Suelo

(GPR-Ground Penetrating Radar)

1.1 Radar de Penetración del Suelo 13

1.2 Componentes 15

1.2.1 Unidad de control 16

1.2.2 Antenas 17

1.3 El Sistema RAMAC/GPR 19

1.3.1 Introducción 19

1.3.2 Equipo básico y funcionamiento 20

Capitulo 02

Tratamiento De Datos

2.1 Principios de los radargramas 27

2.2 Software comercial para la interpretación de radargramas 29

2.2.1 Ground Vision 29

2.2.2 Gradix 31

2.3 Programas desarrollados 38

2.3.1 Programa GPR3DM 39

2.3.2 Programa ECO3DM 41


4 Sumario

2.3.3 Programa NIVELCERO 42

2.3.4 Programa ASCAP 42

Capitulo 03

Ensayos De Calibración Del Sistema GPR Ramac

3.1 Introducción 45

3.2 Antena monostática de 1GHz 46

3.3 Antena monoestática y blindada de 500 MHz 55

3.4 Antena monoestática y blindada de 100 MHz 60

3.5 Comparación del pulso emitido por 3 antenas diferentes con la misma frecuencia nominal 61

Capitulo 04

Aplicación Del GPR En Ecología


4.2 Detección de las raíces en un ecosistema dunar 65

4.3 Estimación del crecimiento de las raíces en islotes de repoblación de encinas 76

Capitulo 05

Casos De Aplicación En Geotécnica


5.2 Exploración de posibles fenómenos de karstificación en canteras de piedra ornamental 86

5.3 Tomografía GPR de segmentos de pavimento de una carretera 99

5.4 Control de espesores en los firmes de carreteras 120


Sumario 5

Capitulo 06

Aplicación Del GPR En Arqueología


6.2 Investigación arqueológica mediante GPR en el área del castillo de Atarés, la Habana 145

Capitulo 07

Conclusiones generales

Conclusiones 197

ANEXOS

Anexo 01

Fundamentos físicos del funcionamiento del GPR

A1.1 Propagación de ondas electromagnéticas 207

A1.2 Reflexión y transmisión de ondas electromagnéticas 209

A1.3 Generación de ondas electromagnéticas por medio de una antena 213

A1.4. Espectro de ondas electromagnéticas 214

Anexo 02

Propiedades del suelo

A2.1 Introducción 217

A2.2 Permitividad eléctrica 218

A2.3 Permeabilidad magnética 219

A2.4 Conductividad 219


6 Sumario

A2.5 La resistividad de las aguas naturales 222

A2.6 La resistividad de las rocas 223

A2.7 Efecto de la humedad 226

Bibliografía

Apéndices

Apéndice 01: Programa GPR3DM (Matlab) III

Apéndice 02: Programa ECO3DM (Matlab) V

Apéndice.03: Programa NIVELCERO (Matlab) VIII

Apéndice.04: Programa ASCAP (Matlab) IX


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I Introducción

En las últimas décadas las técnicas de prospección geofísica han tenido un gran desarrollo gracias a los avances técnicos, lo que ha permitido hacerlas más manejables y accesibles para su aplicación en diferentes campos.

Dentro de estas técnicas, el radar de penetración del suelo (Ground Penetrating Radar-GPR) ha experimentado un gran avance dadas las ventajas que ofrece como técnica no invasiva, de alta resolución, fácil de aplicación y de bajo coste en comparación con otras técnicas de prospección.

La técnica GPR esta basada en la emisión y propagación de ondas electromagnéticas en el subsuelo, con la posterior recepción de las reflexiones que se producen en sus discontinuidades. Estas discontinuidades son el resultado de los cambios en los parámetros electromagnéticos del terreno: conductividad, permitividad eléctrica y permeabilidad magnética.

Las reflexiones registradas a lo largo de un perfil se representan en un radargrama. La representación es como un corte vertical del perfil registrado donde se pueden observar las anomalias detectadas.

II Objetivos de la tesis:

El objetivo principal de esta tesis es verificar la capacidad y alcance del sistema GPR como técnica de prospección aplicada a diferentes campos de investigación como: ecología, geotécnica y arqueología.

Para alcanzar este objetivo general hemos de cubrir diferentes etapas en las que se plantean los siguientes objetivos específicos:

• Calibración y verificación del alcance y los límites de nuestro sistema GPR con las diferentes antenas disponibles. Este trabajo es imprescindible para adecuar la configuración del sistema GPR a las características de los diferentes trabajos de investigación que se abordan, así como para interpretar correctamente los registros efectuados (radargramas).

• Diseño de metodologías adecuadas para utilizar el sistema GPR como herramienta de análisis en los diferentes campos de estudio. Se trata de estudiar las metodologías aplicadas ya en determinados


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campos, modificándolas a partir de nuestra propia experiencia, y desarrollar metodologías propias en aquellas áreas donde el sistema GPR se ha utilizado en escasas ocasiones y no existen procedimientos de actuación bien definidos (como por ejemplo en ecología y en el estudio del firme de carreteras en geotécnica).

• En los estudios que se realizan sobre cuantificación de la presencia de raíces en parcelas (investigación ecológica), y sobre identificación y cálculo de espesores y parámetros del asfalto en varios tramos de carretera (investigación geotécnica), nos proponemos desarrollar nuestro propio software para el análisis e interpretación de resultados.

• Como último objetivo específico nos proponemos realizar representaciones 3D con el Programa Voxler, utilizando el Matlab como herramienta para sacar los datos de los registros brutos GPR en forma de matriz 3D y realizar una representación en volumen. Este objetivo se plantea con el fin de mejorar la presentación de los resultados, ofreciendo un formato más práctico e intuitivo para ver el conjunto de anomalías y poder apreciarlas en tres dimensiones. Este trabajo ayudará también a perfeccionar la configuración de la metodología, a la hora de realizar la toma de datos, con el fin de obtener una buena densidad de información que permita optimizar la representación 3D.

III Estructura de la memoria:

A continuación presentamos un breve resumen de los temas desarrollados en cada capitulo y las aplicaciones realizadas para lograr los objetivos expuestos.

En el primer capítulo hacemos una breve introducción sobre los aspectos generales de los sistemas GPR y los diferentes campos de aplicación. Como segundo paso se describen los componentes principales de estos sistemas. Finalmente repasaremos los aspectos generales del equipo GPR de MALA GeoScience, utilizado en la elaboración de esta tesis.

En el segundo capítulo se exponen los fundamentos de los radargramas y seguidamente se detallan los aspectos más importantes de los programas de interpretación utilizados en esta tesis. El primero, más genérico, es el programa Ground Vision, de MALA GeoScience, que nos permite la toma de datos y la interpretación y el segundo Gradix, de la


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firma Interpex, más completo, que ofrece un mayor número de opciones a la hora de interpretar y presentar los resultados.

En la tercera y última parte de este capitulo, presentaremos los diferentes programas que hemos creado para el desarrollo de esta tesis.

El tercer capitulo esta dedicado a la descripción de los ensayos de laboratorio, y calibración de las antenas de nuestro sistema GPR.

La aplicación del sistema GPR a la investigación en diferentes campos se presentan en tres capítulos, cada unos de los cuales trata un campo específico. El capítulo 4 sobre la aplicación del GPR en ecología, el capitulo 5 en geotécnica y el capitulo 6 en arqueología.

En el campo de la ecología presentamos dos trabajos. En el primero se aplica esta técnica para la detección de raíces en un ecosistema dunar, mientras que el segundo trabajo se dedica a la estimación del crecimiento de raíces en islotes de repoblación de encinas, en un terreno de agricultura abandonado, aprovechando la información de la reflectividad de los radargramas para calcular la densidad de las raíces en las parcelas investigadas.

En el campo de la geotécnica presentamos tres trabajos. El primero trata de la detección de cavidades en una cantera de mármol. En el segundo trabajo se estudia la aplicación de una tomografía GPR del pavimento en una carretera con problema de hundimiento del firme. En el último trabajo se realizan estimaciones de los espesores del asfalto para el control de los firmes de carreteras.

En el capítulo dedicado a las aplicaciones del GPR en arqueología se presenta un trabajo realizado con la colaboración del gabinete de arqueología de la ciudad de la Habana vieja, Cuba, en el castillo de Atares.

Finalmente, en el séptimo capitulo presentan las conclusiones generales sobre el trabajo desarrollado en esta tesis.

CAPITULO 01

FUNDAMENTOS DEL RADAR DE PENETRACIÓN DEL SUELO

(GPR-Ground Penetrating Radar)


Fundamentos del radar de penetración del suelo 13

1.1 Radar de penetración del suelo:

RADAR son las siglas asignadas en 1934 para determinar “Radio Detection And Ranging`` (Buderi, R., 1999). El primer radar de penetración del suelo (Ground Penetarting Radar- GPR) fue fabricado en Austria en 1929 para explorar las profundidades de los glaciares (Stern 1929 y 1930). Esta tecnología se abandono casi totalmente a pesar que se presentaron más de 36 patentes entre 1936 y 1971. El abandono persistió hasta el final de los años 50 cuando un radar de las fuerzas aéreas de los Estados Unidos, al intentar guiar el aterrizaje de unos aviones en Groenlandia, leyó mal la altitud del hielo, porque detectaba a través de él, lo que causo que alguno de estos aviones se estrellara. Esta circunstancia contribuyo al comienzo de investigaciones para comprobar la habilidad del radar no solo para detectar a través del hielo, sino también para mapear las propiedades del subsuelo y aguas subterráneas (Davis, B. R. et al. 1966).

A los principios de los años 70, para realizar una prospección mediante esta técnica, no había más remedio que construir un GPR propio. Pero en 1972 Rex Morey y Art Drake (Geophysical Survey Systems Inc.) empezaron a fabricar y vender sistemas GPR comerciales. De esta manera comenzó el desarrollo de aplicaciones, generándose una explosión de publicaciones e investigaciones.

Hoy en día existen multitud de empresas que fabrican equipamientos GPR comerciales, como MALA GeoScience, GroundProb, GSSI, Sensors & Software Inc., Penetradar, 3d-Radar AS, IDS (Ingenieria Dei Sistema), Geozondas JSC, US Radar y Radarteam Sweden, entre otros, y son numerosas las empresas e instituciones que realizan investigaciones mediante esta técnica. Como consecuencia de su gran éxito han surgido varios congresos internacionales para presentar los avances en el estudio sobre esta técnica y sus aplicaciones. Uno de los más importantes a nivel mundial es el International Conference on Ground Penetrating Radar, el cual se celebra cada 2 años desde 1986.

El GPR es un método de prospección basado en la emisión y propagación de ondas electromagnéticas en el subsuelo (Cooper, B. L., et al. 1998, Annan, A. P., 2001), con la posterior recepción y estudio de las reflexiones que se capturan. Reflexiones que se producen cuando aparece un cambio en el sustrato o algún tipo de objeto enterrado u obstáculo; entonces una parte de esta energía es reflejada mientras que otra parte continúa refractándose hasta la próxima interfase y una última parte se pierde. En definitiva lo que se detecta es un cambio en las propiedades electromagnéticas de los medios atravesados, es decir,

Principios y aplicación del GPR en ecología, geotecnia y arqueología

14 Capitulo 01

alteraciones de la conductividad, la permitividad eléctrica y/o la permeabilidad magnética.

La energía reflejada se detectada por medio de una antena receptora puesta en superficie. Con ella se genera una serie de registros espacio-tiempo de características similares a los registros clásicos de sísmica de reflexión. Al ir desplazando las antenas sobre la superficie se van registrando el conjunto de reflexiones producidas, con lo que se obtiene una imagen bidimensional (radargrama) de la historia de reflexiones bajo la línea de desplazamiento de la antena.

El GPR irradia un pulso electromagnético en un intervalo de distancia o de tiempo elegido por el operador. Normalmente suelen ser intervalos de distancia, y cambian según las anomalias que se buscan en cada investigación.

La profundidad penetración que se puede alcanzar depende tanto de las condiciones del medio analizado como del tipo de equipo utilizado y la frecuencia de estudio. En aplicaciones de tipo geológico, las antenas no-blindadas (unshielded antennas) permiten investigar hasta profundidades de 30-60 m. En aplicaciones urbanas y de alta resolución las antenas blindadas (shielded antennas), de alta frecuencia, permiten un mejor control del ruido y de las reflexiones desde el aire y una altísima calidad en la imagen radar con un alcance en la profundidad de investigación entre 5 y 10 m.

Siendo una técnica no invasiva y de buen rendimiento, con unos resultados de alta resolución, el GPR se aplica en diversos campos de investigación como en la ingeniería civil (construcción, estructural-vial), estudios del medio ambiente, estudios de contaminación, así como aplicaciones geológicas, exploración minera, geotecnia y arqueología, entre otras. En particular, algunas de las aplicaciones son:

• Detección de utilidades metálicas y no-metálicas (Hunaidi, O. and Giamou, P., 1998, Gamba, P. and Losan, S., 2000).

• Detección de minas (Van Kempen, L. et al., 1999, Schavemaker, J. G. M. et al., 2001, Zoubir, A. M. et al., 2002, Van Genderen, P. and Nicolaescu, I., 2003, Miller, T. W. et al. 2004, Ainoa, G. G. et al., 2006, Lopera, O. et al., 2007).

• Identificación de cavidades (Casas, A. et al., 1996 y 1999, Chamberlain, A. T. et al., 2000, Al-Fares, W. et al., 2001) y estructuras enterradas (tanques, objetos militares, túneles, etc.) (Herman, H. and Sanjiv, S., 1994, Cardarelli, E. et al., 2003).



• Inspección y caracterización de construcciones: puentes, túneles, muros (Dérobert, X. et Coffec, O., 2001.), etc.

• Inspección del pavimento de autopistas y ferrocarril (Dérobert, X. et al., 2001), pistas de aeropuertos (Silvast, M., 2001).

• Clasificación del substrato (Power, C. J. et al., 1999, Remke, L. V. D. et al., 2002, Beauvaisa, A. et al., 2004, Pettinelli, E. et al., 2007), estratificación (Antunes, A. P. R. et al., 2002, Rangel, D. et al., 2003), sedimentaría (Remke, L. V. D. et al., 2000) etc.

• Determinación de espesores en zonas de relleno o aluvial (Dahlin, T. and Owen, R., 1998).

• Mapeo lagos (García, G. F. et al., 2002, Schwamborn, G. et al., 2002) y aguas subterráneas (Al-Fares, et al., 2001, Nakashima, Y. et al., 2001, Ezzy, T. R. et al., 2003, Sharpe, D. R. et al., 2003).

• Medio Ambiente, mapeo y delineamiento de terrenos y fluidos contaminados (Guy, E. D. et al., 2000, Kowalsky, M. et al., 2003), estudios de raíces (Hruska, J. et al., 1999, Butnor, J. R et al., 2001 y 2003).

• Caracterización de sitios arqueológicos (Appel, E. et al., 1997, Ciara, M. C. et al., 1999, Pérez, G. V., 2001, Da Silva, C. G. et al., 2001, Whiting, B. M. et al., 2001, Utsi, E., 2004, Dean, G. et al., 2006) y estudios forenses / seguridad policial (Millar, M. L., 2002).

• Mapeo de glaciares (Gruber, S. and Ludwig, F., 1996, Arcone, S. A. et al., 2000).

• Ensayos de laboratorio (Spagnolini, U., 1997, Greenfield, R. J. et al., 2000, Bellett, P. T. and Leat, C. J., 2003, Van der Kruk, J. et al., 2003).

• Exploración minera (Francké, J. C. and Nobes, D. C., 2000, Grégoire, C. et al., 2003), y de canteras de mármol (Godio A. and Sambuell, L., 2003, Gómez, R. M., 2004).

1.2 Componentes

Un sistema GPR se compone básicamente de una antena emisora, otra receptora, una unidad de control y un portátil para registrar y visualizar los perfiles (fig. 1.1).

Pantalla

Registro

Uni. Control

Emisor Receptor

Antena Antena

Figura 1.1: Esquema de funcionamiento de un GPR


16 Capitulo 01

1.2.1 Unidad de control:

Su función principal es el control y la coordinación entre los diferentes elementos que forman el GPR.

En primer lugar, la unidad central coordina entre la emisión de las ondas electromagnéticas y la recepción de las reflexiones a través las antenas correspondientes. En el caso de emisión de pulsos controlados por tiempo, este se controla mediante un reloj interno que puede discriminar hasta intervalos de 2. 10-5 s. Si la emisión se controla por distancia, la orden de disparo se controla mediante un odómetro. Como la duración del pulso se encuentra entre 1 y 10 ns (para frecuencias de 1 GHz y 100 MHz), en cualquiera de los casos se puede decir que el sistema está casi todo su tiempo en silencio, a la espera de poder detectar las reflexiones del subsuelo, cuyo retraso es directamente proporcional a la profundidad del elemento reflector.

El proceso de recepción de señales es algo más complejo, ya que los circuitos electrónicos receptores no son suficientemente rápidos como para poder registrar, en unos cuantos ns, la historia de las reflexiones. De modo que es necesario, para reconstruir la señal, recurrir a una técnica de muestreo.

La unidad central, en los primeros sistemas, permitía visualizar los impulsos en tiempo real, bien mediante un osciloscopio que llevaban incorporado, o bien mediante el envío de la señal al monitor del propio GPR.

En los sistemas GPR mas recientes, la unidad central digitaliza los impulsos recibidos de la antena receptora y se transfiera a un portátil a través el puerto paralelo (ECP) mediante un cable de comunicación estándar. Este proceso se produce al mismo tiempo que se realizan los registros de campo. Los datos se visualizan con un programa de control y procesamiento especial para cada modelo de GPR.

En general, los programas de GPR permiten controlar los principales parámetros de la configuración de adquisición de los registros radar (tipo de antena usada, ventana de tiempo del registro, frecuencia de muestreo, intervalo entre cada traza, número de apilamiento, etc.). Estos parámetros se eligen en función de la resolución y profundidad de investigación deseados. Los programas disponen también de una serie de herramientas para el tratamiento de datos, filtros, amplificación y corrección de señales.



Además de los programas básicos hay programas específicos para realizar un procesamiento e interpretación más eficaz de los perfiles GPR.

1.2.2 Antenas

Las antenas son una parte fundamental del equipo ya que son los elementos encargados tanto de emitir el pulso electromagnético como de recibir la energía reflejada.

Se conectan con la unidad de control mediante un cableado que puede ser metálico u óptico. Este último tipo de cableado es el más adecuado para antenas de baja frecuencia (por debajo de los 100 MHz), ya que el cableado metálico genera corrientes parásitas que se manifiestan en la señal como ruido electrónico de fondo.

Las antenas se utilizan para realizar dos funciones básicas en la prospección con GPR: deben irradiar la energía que se les suministra en forma de potencia, con la direccionalidad y las características adecuadas a la aplicación pensada, y deben captar la parte de la energía reflejada. La capacidad de direccionalidad de las antenas es fundamental, por cuanto permite mejorar la relación señal/ruido y obtener registros nítidos con un rango más elevado (mayor profundidad de estudio). La disminución del ruido se produce porque al emitir la energía únicamente hacia el interior del medio de estudio se evitan las reflexiones de objetos externos. Por este motivo es habitual el empleo de antenas direccionales y apantalladas.

En general se puede caracterizar una antena por su frecuencia central. La longitud de onda del pulso emitido depende de esta frecuencia y de la velocidad de la onda en el medio a través de la siguiente expresión:

fv

=λ (1.1)

Siendo v la velocidad de propagación de la onda electromagnética en el medio donde se produce la propagación (si la onda se propaga en el aire, esta velocidad puede tomarse como la velocidad de propagación de una onda electromagnética en el vacío, c≈3.108 m/s), λ la longitud de la onda en dicho medio y f la frecuencia del pulso emitido.

El GPR utiliza bandas de frecuencia situadas entre los aproximadamente, 10 MHz y 3 GHz.


18 Capitulo 01

Las antenas utilizadas en un GPR suelen consistir en espiras de media longitud de onda que trabajan como dipolos. La longitud de estas espiras determina la frecuencia central de la emisión, ya que la onda emitida, en el vacío, tiene una longitud de onda doble que la longitud de la espira (Pérez, G. V., 2001).

En el aire, estas antenas emiten un lóbulo principal que forma un campo aproximadamente cilíndrico. Sin embargo, cuando se sitúa la antena en contacto con el suelo, el diagrama de radiación de la antena se modifica considerablemente como consecuencia del brusco contraste entre parámetros electromagnéticos debidos al contacto aire-suelo (Streich, R. and Van Der Kruk, J., 2006).

Otra de las características de las antenas es la anchura de banda de la emisión, centrada en la frecuencia que caracteriza el equipo. Como interesa que el pulso que emite una antena tenga una duración corta, la anchura de la banda de frecuencias tiene que ser grande. De este modo, por ejemplo, una antena que emita a una frecuencia central de 100 MHz puede estar emitiendo en una banda centrada en los 100 MHz con un ancho de banda del mismo orden magnitud, o sea, situado entre los 50 MHz y los 150 MHz(Pérez, G. V., 2001).

El ancho de banda de este tipo de antenas provoca una pérdida de energía por dispersión. La atenuación de la señal para una misma frecuencia central aumenta cuando la banda de frecuencias es más ancha, haciendo que la sensibilidad del aparato y el alcance del estudio disminuyan (Pérez, G. V., 2001).

En general las antenas se pueden definir en dos modos: monoestático y biestático.

En el modo monoestático el emisor y receptor se encuentran a distancia fija. Pueden diferenciarse dos tipos: antenas de conmutación y antenas con dos dipolos. Las primeras tienen una única espira (o dipolo) que actúa como emisor y receptor de energía. Para ello se incluye un conmutador que va modificando su actuación. Al inicio de cada traza, la antena funciona emitiendo el pulso de energía de corta duración, pasando inmediatamente a funcionar como receptora (Pérez, G. V., 2001). Tras un tiempo de recepción, que varía de un tipo de antena a otra, vuelve a conmutar la función.

En la antena con dos dipolos el primero actúa como emisor, mientras que el otro actúa como receptor. La separación de los dipolos es constante y se desplazan juntos dentro de la misma carcasa que cubre



a ambos. Las antenas monoestáticas permiten realizar con facilidad perfiles, siendo utilizadas en trabajos que requieren mayor rapidez, un número elevado de perfiles o una estructura de malla para poder analizar el medio, es decir, agrupaciones de perfiles paralelos y cruzados. El principal problema que presenta esta configuración se debe a las reflexiones múltiples y por lo tanto la repetición del patrón del objeto.

En el modo de antena biestática se puede variar la distancia de separación entre los dipolos emisor y receptor. Esta característica permite calcular velocidades aparentes de propagación de la onda, utilizando técnicas iguales a las que se emplean en prospección sísmica, con estudios de punto medio común (“CMP”). También se utilizan estas antenas para estudios puntuales, obteniendo una traza en cada punto de estudio. Su resolución en superficie es menor con respecto a la configuración monostática.

1.3 El sistema RAMAC/GPR

1.3.1 Introducción

El equipo utilizado en este trabajo es un GPR de la empresa Sueca Mala GeoScience. Esta compañía desarrolla y produce diferente instrumentación para estudios de geofísica desde los años 70, siendo hoy un día una de las entidades líder de fabricación de GPR para diferentes aplicaciones.

En 1935 el Swedish Geological Survey lanzo un ambicioso programa en la pequeña localidad de Mala (Suecia) para el desarrollo de instrumentación para la prospección mineral. Desde entonces Mala fabricó diferentes tipos de equipos.

Durante los años 80 Mala GeoScience introdujo el RAMAC, la primera herramienta radar dedicada solo a las medidas borehole y todavía es el único producto en el mercado mundial.

En 1994 se construyo el RAMAC/GPR. Este instrumento es una modernización la primera versión de la herramienta radar RAMAC, permitiendo realizar medidas desde la superficie.

Durante la ultima década MALA lanzo en el mercado una variedad de productos radar para diferentes aplicaciones (CART arrays, X3M, Easy Locutor, Sewer Radar, etc.…)


20 Capitulo 01

El Departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente, de la universidad de Alicante, cuenta con un sistema RAMAC/GPR de MALA, con las siguientes componentes:

Una unidad de control CUII

Antena de 100 MHz monoestática apantallada

Antena de 500 MHz monoestática apantallada

Antena de 1 GHz monoestática apantallada 1.3.2 Equipo básico y funcionamiento

El sistema RAMAC/GPR consiste en un PC portátil, una unidad de control radar (CUII) y una antena blindada monostática (fig. 1.2).

La unidad central del radar esta conectada a la antena blindada mediante un cableado de fibra óptica y al PC con el cable paralelo de comunicación (ECP).

La figura 1.3 representa el diagrama del sistema RAMAC/GPR con las partes fundamentales que le compone.

Batería Unidad central Cable ECP

PC

Rueda de medidaAntena blindada

Cableado de fibra óptica

Batería

Figura 1.2 Sistema básico del RAMAC/GPR

Anclaje

Figura 1.3 Descripción general del principio de funcionamiento del sistema RAMA/GPR

PC

CUII

Emisor Receptor

Anomalía

Datos y órdenes

Señal para registrar

Señal para emitir

Datos

Pulso electromagnético emitido

Pulso de avance de la rueda

Rueda de medida

Pulso electromagnético recibido

Separación

Antena blindada monostática



En este ejemplo se presenta una antena blindada monostática, en la que existe una separación entre el modulo de emisión y el modulo de recepción dentro de la misma carcasa. La separación tiene un aislamiento para minimizar el ruido electromagnético creado por los dos módulos y la detección de la onda directa por el modulo de recepción.

Antes iniciar una medida se configura el intervalo de distancia para controlar la emisión de los pulsos electromagnéticos a lo largo del perfil y la frecuencia de muestreo (frecuencia a la cual se muestrea la señal registrada por el modulo receptor para reconstruir una traza del radargrama).

Estas condiciones iniciales se introducen en el programa de adquisición Ground vision, facilitado con el RAMAC/GPR. Los datos se envían a través del cable de comunicación ECP del portátil a la unidad central CUII, donde se puede almacenar en su memoria interna, que además nos permite guardar diferentes configuraciones del sistema radar para distintas antenas y también calibraciones de las ruedas de medición o sistemas de codificaciones de distancia.

Cuando se inicia la medida de un perfil la unidad central CUII espera una señal eléctrica del decodificador que esta acoplado a la rueda de medición. Esta señal se emite cuando la antena avanza una distancia igual a la elegida como intervalo de medida. En este momento la unidad central CUII manda un pulso eléctrico al modulo emisor para producir una onda electromagnética. En el caso del sistema de RAMAC/GPR la unidad central controla la puesta en escucha del modulo de recepción, poco antes de mandar la orden de emisión de un pulso, para no perder información en la detección de la energía reflejada. Esto se hace así, porque los sistemas electrónicos no son tan rápidos como para empezar a registrar justo después que se emite el pulso electromagnético.

Unidad central

La unidad central CUII (figura 1.4) permite controlar los elementos del GPR. Para una operatividad rápida y fácil, la calibración y los parámetros de los registros se guardan en la memoria interna de esta unidad.


22 Capitulo 01

Antenas blindadas

En la actualidad Mala Geoscience fabrica las siguientes antenas blindadas: 100 MHz, 250 MHz, 500 MHz, 800 MHz ,1 GHz, 1.2 GHz, 1.6 GHz y 2.3 GHz. Estas antenas, menos las cuatro últimas, tienen una unidad electrónica que se les acopla (estándar para las diferentes antenas). Las demás antenas tienen la unidad electrónica integrada en la misma carcasa.

Las antenas blindadas están creadas de modo que la mayoría de energía emitida esté dirigida hacia una dirección predeterminada (el subsuelo). Son también insensibles a las radiaciones recibidas desde direcciones distintas a la parte inferior de la antena (fondo), donde el elemento receptor de esta ultima esta colocado.

La parte frontal de la antena esta equipada con enganches para amarrar dos asas o una correa para arrastrarla. Al final de la antena hay un sistema de enganche para acomodar la rueda de medida de distancias. La rueda funciona como un dispositivo de disparo (triggering) si el sistema GPR está registrando con intervalos de distancia.

La unidad se alimenta mediante una batería estándar de RAMAC/GPR. Las comunicaciones con la unidad central CUII se gestionan vía tres conexiones de fibra óptica y un cable para los impulsos del odómetro de la rueda de medición de distancia.

Figura 1.4 Ejemplo de unidad de control RAMAC CUII de MALA GeoScience AB

Conexiones para cables de fibra óptica

Conexión para disparador externo

Interruptor on-off

Emplazamiento de la batería

Conexión puerto

Beeper

Led de funcionamiento

Conexiones para multicanal

Conexiones para multicanal



En la unidad eléctrica de la antena se puede ver tres Leds indicadores que muestran el estado de comunicación entre los diferentes módulos y la unidad central del radar.

Las antenas apantalladas son usadas principalmente en medios donde se requiere una gran resolución. La protección que llevan resulta muy útil para investigaciones urbanas o sitios con un gran ruido de fondo.

Una de las características más útiles de las antenas RAMAC/GPR es su capacidad para intercambiar elementos como: la unidad eléctrica de la antena, la rueda de medición y los sistemas de arrastre entre las diferentes antenas. De este modo se pueden establecer diversas configuraciones de GPR a un coste moderado. Las antenas utilizadas en el presente estudio son:

Antena blindad de 100 MHz.

Es una de las antenas de menor frecuencia que se puede encontrar en el mercado. Se utiliza en aplicaciones geológicas y geotecnias que no requieren una gran resolución y permiten una profundidad de investigación entre 2 a 15 m en buenos entornos geológicos.

Antena blindad de 500MHz.

La antena apantallada de 500MHz es la más popular de toda la gama de antenas de MALA Geoscience. Tiene poca profundidad de penetración pero una buena resolución. Es excelente para carreteras, vías de ferrocarril y detección de tuberías y cableado subterráneo.

Figura 1.6 Antena blindad monostática de 500MHz RAMAC

Figura 1.5 Antena blindad monostática de 100 MHz de RAMAC


24 Capitulo 01

Antena de 1GHz.

Se usa en investigaciones de alta resolución, generalmente en estudios de hormigón y construcción. La electrónica de antena esta integrada en el diseño. Tiene un tamaño reducido y es ligera.

La antena blindada de 1GHz esta diseñada para investigaciones superficiales tal como firme de carreteras, hormigón, yacimientos arqueológicos, etc. Con esta antena la profundidad de investigación en estos materiales es de aproximadamente 1m. Una batería estándar del sistema RAMAC/GPR se conecta en la parte superior de la antena, suministrando energía.

Conexión de fibra óptica.

La unidad central del radar RAMAC/GPR comunica con la electrónica de las antenas a través cables de fibra óptica. La tasa de transferencia de los datos a través del cable de fibra óptica e superior a 4Mb/s.

Todos los dispositivos de medidas del RAMAC/GPR usan un decodificador óptico que transmite pulsos eléctricos al CUII. Los Ficheros de calibración de distancia se usan para guardar una calibración que sirve para convertir el número de los pulsos emitidos por el odómetro a distancias correspondiente a la recorrida por la rueda. El operador puede crear diferentes ficheros de calibración para diferentes sistemas de disparo.

Figura 1.7 Antena blindad monostática de 1GHz de RAMAC

CAPITULO 02

TRATAMIENTO DE DATOS


Tratamientos de los datos 27

2.1 Principios de los radargramas

El radargrama es un registro espacio-tiempo de las reflexiones detectadas por la antena de recepción. Este registro se presenta en forma de imagen bidimensional que agrupa el conjunto de todas las señales registradas en un perfil (mediciones secuenciales efectuadas en una línea recta).

Una vez emitida una onda electromagnética en forma de pulso por el GPR, las reflexiones que de esta onda se producen en el subsuelo, recepcionadas por la antena y digitalizadas por el sistema, conforman una señal que denominamos traza. Las diferentes trazas se representan secuencial y verticalmente en el plano (en forma de columnas), de forma que en el eje horizontal de la representación figura el punto espacial (cuando la detección se realiza por intervalos de distancia) en el cual se han obtenido las diferentes trazas.

En el eje vertical del radargrama se representa la profundidad de exploración. Profundidad que se obtiene a partir del tiempo de viaje de la onda electromagnética. Si t1 es el tiempo de viaje desde la antena emisora hasta la interfase causante de la reflexión y t2 el tiempo de viaje desde interfase de reflexión hasta la antena de recepción, la profundidad se calcula multiplicando la mitad del tiempo completo de viaje ( ) 221 tt + por la velocidad estimada de la propagación de la onda electromagnética en el medio estudiado.

En la figura 2.1 presentamos un ejemplo de un radargrama de 201 trazas a intervalos de 0.06 m. La duración de cada traza es de 256 ns y cada una de ellas contiene 256 muestras. Para una mejor visualización de este tipo de registro se ha representado una traza de cada tres.

Figura 2.1: Ejemplo de un radargrama con una representación de una traza de cada 2.


28 Capitulo 02

Otra forma alternativa de representar un radargrama se ofrece en la figura 2.2, donde se muestra el mismo radargrama con todas las trazas registradas y con una atribución de escala de colores a los valores de la amplitud de las muestras con las que construye cada señal. En este caso la escala de colores representa el valor de máxima amplitud positiva en azul, el máximo valor de amplitud negativa en rojo y el valor nulo en blanco. La escala de color se puede cambiar si se considera oportuno.

La interpretación de los perfiles GPR se basa en la comprensión de las formas que pueden surgir en los radargramas y una de estas formas, la hipérbola, es la más significativa. Puede tener diferentes orígenes, por ejemplo: tubería, cavidades, objetos aislados, piedras, raíces, etc. En cada caso la hipérbola tendrá un tamaño y forma distinta.

Como ejemplo, presentamos la formación de una hipérbola por la detección de un tubo (figura 2.3).

Figura 2.2: El mismo radargrama anterior pero con todas las trazas y la atribución de color a las amplitudes de cada una de ellas.

+1

-1

0

Antena emisora-receptora

Desplazamiento

Reflexión en forma de hipérbola

Tubería

Superficie del suelo

Haz segundarioHaz Principal

Figura 2.3: Construcción de una hipérbola

Tubería



Supongamos que tenemos un perfil continuo que pasa por encima y perpendicular a la trayectoria de una tubería. En este caso vamos a obtener reflexiones de la tubería antes de llegar a pasar por encima ella, reflexiones debidas a la forma de emisión de la antena. En la práctica las antenas emiten un haz principal y tiene otros haces secundarios que generan reflexiones antes y después de llegar al objeto. Al acercarnos a la posición del tubo enterrado las reflexiones que se registran aparecen cada vez a menor profundidad hasta llegar encima del tubo. En ese momento la reflexión registrada nos indica su posición y su profundidad exacta (cumbre de la hipérbola).

Pasando la posición real del tubo obtenemos reflexiones de este último que cada vez aparecen a mayor profundidad, hasta que la antena receptora se aleja lo bastante para no captar reflexiones.

2.2 Software comercial para la interpretación de radargramas

2.2.1 Ground Vision

a) Introducción

El programa Ground Vision es un programa de adquisición e interpretación de datos para los sistemas GPR RAMAC, diseñado por Mala GeoScience.

Es una interfase fácil para operar sobre los perfiles GPR. Las medidas realizadas se guardan en dos ficheros: uno de datos (.rd3) y otro que contiene la información de su configuración (.rad).

El programa Ground Vision permite la incorporación de un registro GPS durante las medidas para una ubicación exacta de los perfiles registrados.

b) Adquisición de datos con el Ground Vision:

Al crear un nuevo registro el programa de adquisición nos permite elegir el tipo de antena, el sistema de disparo y la configuración de los parámetros de la medida.

En la parte configuración de la medida (Settings), se elige la frecuencia de muestreo de la antena, la ventana de tiempo del registro, el número de muestras por traza, el número de apilamiento de la señal, tiempo cero de registro, resolución en el tiempo e intervalo de disparo.


30 Capitulo 02

c) Filtros

Con el programa Ground Vision se pueden aplicar los siguientes filtros:

DC Removal

El filtro DC permite quitar el desplazamiento (offset) de la señal registrada. En la caja de dialogo se puede elegir a partir de que muestra se aplica el filtro.

Automatic gain control (AGC)

El control de ganancia automático ajusta la ganancia igualando la amplitud media de la señal en una ventana de tiempo elegida, luego, los valores de las muestras son multiplicados por el factor de escala que se fija por el operador.

Background removal

Este filtro (pasa alta espacial horizontal) permite quitar los efectos horizontales o casi horizontales de los radargramas.

Band pass

Dispone de dos filtros que son FIR (finite impulse response) y IIR (infinite impulse response).

Las características del filtro se determinan en las siguientes opciones:

Filtring method: permite elegir el uso del filtro FIR o el filtro IIR, el filtro IIR es también más conocido como filtro recursivo (recursive filter).

Upper cut-off frequency: define la frecuencia más alta que pasa a través del filtro sin atenuación.

Luwer cut-off frequency: define la frecuencia más baja que pasa a través del filtro sin atenuación

Running Average

El filtro calcula el promedio de la señal según el número de puntos elegidos. Las teclas numéricas en la caja de dialogo representan este número de puntos.

Subtract Mean Trace:

Este filtro sustrae una traza media, calculada dentro de una ventana centrada sobre una traza seleccionada. El tamaño de la ventana depende del número de trazas que se elije para calcular el filtro.



El método Total average calcula la media de las trazas seleccionando la totalidad de las trazas del fichero.

El método de sustracción (Subtraction method) permite calcular de dos maneras diferentes: como la media de la totalidad de los datos o como la media a lo largo de la ventana centrada alrededor de una traza determinada.

Time Varying Gain

Ganancia aplicada a una amplificación a la vez lineal y exponencial. La amplificación se expresa con la siguiente función: ( ) ( )tiempoBetiempoA ×+× , donde A es la ganancia lineal y B la ganancia exponencial.

2.2.2 Gradix

a) Introducción:

GRADIX es un programa que permite importar y leer los registros GPR de la mayoría de los sistemas existentes en el mercado (Mala (.rd3), GSSI (.dzt), Pulse Ekko (dt1)) y otros ficheros como SEG-Y y SEG-2.

También tiene una amplia gama de funciones para filtrar y procesar los radargramas y representarlos.

Los perfiles GPR pueden ser colocados en un plano según su situación en el momento de la medida y obtener una representación con las separaciones y la geometría adecuada. Este tipo de representación permite una vista del conjunto de los perfiles de un mismo proyecto y representar las anomalias en planta, lo que ofrece una vista general de la distribución de las anomalias para averiguar una posible continuidad y/u orientación, como en los casos de detección de cavidades, cableado, tuberías, yacimientos arqueológico, etc. El programa también permite realizar correcciones topográficas.

b) Creación de un proyecto

Para procesar los datos GPR en El programa GRADIX necesitamos crear un proyecto con los perfiles GPR registrados, asignar a estos perfiles una geometría y una orientación en el plano coincidente con la geometría de la toma de datos. Al mismo tiempo el programa crea una base de datos referente a cada proyecto y a cada uno de sus perfiles, donde se


32 Capitulo 02

puede encontrar la lista de los procesos aplicados y las anomalias marcadas.

Cada proceso y paso de edición crea una nueva versión del perfil seleccionado sin alterar el fichero original. Esto permite al usuario corregir un proceso incorrecto, hacer una comparación entre dos diferentes procesos o cambiar los parámetros de un proceso anterior. Cada versión de perfil contiene una lista con el historial completo de todos los procesos aplicados.

Durante el procesado de los perfiles se pueden marcar las anomalías detectadas. Estas anomalías se guardan en una base de datos referida al proyecto, donde se crean con los atributos y anotación que se les atribuye. Además se marcan en el plano general del proyecto y en la versión en archivo para exportar (eps).

c) Procesado de los perfiles GPR

El programa GRADIX, permite usar un gran número de filtros y de procesos, que se pueden resumir en lo siguiente:

c.1) Analyse

Dewow (Wow Removal):

El Wow es un ruido de muy baja frecuencia que existe en algunos registros radar. Este ruido se produce normalmente como resultado de la saturación de la parte electrónica en el dipolo de recepción, por causa de la gran amplitud de las ondas del aire y directa.

En la ventana del Wow Removal se representa el espectro de amplitudes de 10 trazas seleccionadas en orden creciente a lo largo del perfil. La media del espectro esta dibujada con una línea vertical roja que representa el límite a partir de la cual se va efectuar el corte del filtro pasa alta.

Este filtro dispone de tres métodos para el Wow removal:

High pass filter

Residual mean filter

Residual median filter

Drift Removal:

Este proceso se usa para alinear las trazas y esta basado en un número de diferentes rutinas de correlación. Esta función se aplica si el perfil



presenta una tendencia en la alineación de las trazas (drift) o desplazamiento en tiempo (time shift) como alteración que puede resultar de los instrumentos o de un factor externo.

El proceso del drift removal esta basado en la selección de la sección de una traza modelo y luego se aplica una de las funciones de correlación, usando este modelo de traza para alinear el perfil.

Esta función tiene las siguientes opciones:

Crosscorrelation

Energy funcion

Como paso previo el filtro drift removal dispone de pasos previos para la preparación de la traza de referencia (trace precondition):

Instantaneous phase Square amplitudes Smooth samples Zero small samples

Set time zero:

Función que permite ajustar el cero del perfil en su posición correspondiente al inicio de la reflexión que representa el suelo (colocar el cero de la ventana del tiempo con la reflexión de la superficie del medio).

Remove background:

Sustrae el ruido de fondo de cada traza en el perfil. El ruido de fondo puede ser determinado seleccionando una traza modelo. Una vez seleccionada esta traza y el ancho de la operación (número de trazas adyacente a la de referencia para calcular la función del filtro), podemos crear la ganancia de nuestra función que se va aplicar a la traza modelo antes de sustraerla del resto de las trazas del perfil.

Gain:

Esta función permite aplicar las siguientes ganancias

Agc

Linear

Programmed

Exponential

sph/exp


34 Capitulo 02

Constant

Power

Balance trcs

Remove attenuation:

Calcula y aplica una serie de correcciones de ganancia dependiendo de la frecuencia (frequency dependent gain correction), en la forma:

( )tweightt

ttg ∗∗+∗∂

= βαexp)( por t>0

( )αexp)( =tg por 0≤t

Si g(t)> umbral, g(t)=umbral

Donde

t: tiempo de la muestra actual

t∂ : Intervalo de muestra

α : Constante empírica

β : Constante empírica

Weight: parámetro de peso elegido en la ventana de dialogo de esta función.

Umbral: parámetro de umbral especificado en la ventana de dialogo de esta función.

La expresión g(t) tiene dos factores; el primer factor calcula la divergencia esférica de la propagación del frente de onda, mientras que el segundo factor calcula la absorción de la energía electromagnética por el medio de propagación.

En este filtro podemos configurar los siguientes factores:

Reference trace

Start time

End time

Minimum frequency

Maximum frequency

Threshold

Weight



Filter

Nos permite quitar las frecuencias no deseadas (ruido) de los datos. En la ventana de dialogo de este filtro están especificados los parámetros del filtro y en la misma ventana se representa, en la parte derecha, las representaciones del time series, amplitude spectrum y phase spectrum Window. Estas ventanas permiten ver la representación en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia de la actual configuración del filtro.

Podemos elegir entre los siguientes parámetros:

Amplitude spectrum (Trapezoidal Bandpass, Butterworth Bandpass, Gaussian, Notch, From File)

Phase Spectrum (Constant, Minimum, From File)

Smoothing (None, Parzen, Hamming, Welch)

Velocity profile

El perfil de velocidad es una sección 2D que determina los parámetros velocidad/tiempo que coinciden con cada perfil. La información que nos proporciona este proceso nos sirve para calcular las variaciones lateral y horizontal de las velocidades provocadas por los cambios geológicos en el subsuelo.

Analyze Spectral

Este proceso nos permite elegir entre el tipo de análisis espectral que queremos realizar.

Existen dos modos de realizar un Analyze spectral

Spectral Analysis

FK Analysis

c.2) Apply

Declip

Como la mayoría de los instrumentos radar registran a muestras integrales a 16-bit, y como la onda del aire y la onda directa tienen una amplitud mucho más alta que la amplitud de la energía reflejada, la amplitud de algunos ciclos del perfil están cortados (clipped). Esta función restituye la forma de onda por interpolación


36 Capitulo 02

Despike

En el caso que los datos originales tengan picos (spikes), causados por mal funcionamiento del equipo o por un ruido, se elige un número de muestras con los picos típicos y seguidamente cada traza se filtra con estas configuraciones. Cualquier pico con el tamaño especificado o más pequeño se elimina de los datos.

Spatial resampling

Es un proceso que se usa para corregir el incremento irregular de la trazas de un perfil registrado en modo continuo (cuando se toma los datos con el modo de disparo activado a intervalos de tiempo).

FK filter

El filtro FK es un filtro dos dimensiones, que trabaja en dominios de tiempo y frecuencia. El filtro FK se usa en general para quitar el ruido coherente, es decir, el ruido que tiene una expresión regular traza a traza a lo largo del perfil.

Es posible usar dos tipos de filtro FK, filtro de velocidad o un filtro poligonal. El primer filtro quita los eventos que contienen anomalías en el registro de velocidad. Mientras que el filtro poligonal quita los datos que están fuera del polígono dibujado en el plano FK.

El filtro FK se puede configurar con los siguientes parámetros:

Velocity

Min velocity

Max velocity

Filter type

Pass

Reject

Mientras que el filtro poligonal se define en la parte FK spectrum

Fx decon

El Fx decon es un proceso de filtrado espacial para quitar el ruido aleatorio. Este filtro se puede configurar con los siguientes parámetros:

Filter design window

Filter operator length

Filter overlap



Deconvolution

Proceso que calcula y aplica a los datos un filtro inverso del mínimo cuadrado (least-squares inverse filter). El resultado de este proceso es una fuente de onda comprimida. Idealmente, la propagación de la onda esta comprimida en un pico de una sola muestra; como este caso no es posible en la realidad, el proceso de deconvolucion lo aproxima en un sentido al mínimo cuadrado. El resultado de la deconvolucion es un espectro de amplitud blanco (whiter amplitude spectrum) y una fuente de onda corta (pocos ciclos).

Este filtro se le puede especificar los siguientes parámetros:

Autocorrelation Window start

Autocorrelation window end

Operator length

Gap

Prewhitener

mode

Sum

Dos perfiles pueden ser sumados o sustraídos, uno del otro. La operación aritmética esta realizada traza a traza.

Depth conversion

Este proceso permite convertir la escala del tiempo en profundidad. Se puede realizar de dos maneras, por velocidad constante (constant velocity) o perfile de velocidad. En el primero se introduce un valor de la velocidad de propagación considerada de la onda electromagnética en el medio investigado, en la segunda, si existe un perfil de velocidades, se selecciona y se aplica para la conversión, en caso contrario se crea este fichero en la parte Analyse–velocity profile.

La conversión de profundidad se hace muestreando cada traza en profundidad, en lugar del muestreo en el tiempo. Si se usa una velocidad constante la conversión es lineal, y es la misma para cada una de las trazas a lo largo del perfil. Si se usa el perfil de velocidad, la conversión nos es necesariamente lineal, y cambia lateralmente a lo largo del perfil como se especificó en la construcción del perfil de velocidad.


38 Capitulo 02

Elevation statics

Si a lo largo del perfil GPR hay un cambio topográfico considerable se corrige el radargrama insertando una corrección de la elevación para que la imagen de las reflexiones del subsuelo sea más real.

Este proceso se prepara creando en primer lugar un fichero de elevación del perfil en Edith elevations. Cada traza se desplaza en el tiempo hacia la posición exacta de la elevación de la superficie a lo largo del perfil.

Mix

Trace mixing mejora la señal coherente y atenúa el ruido aleatorio a expensas de las alteraciones en la resolución horizontal. Cada traza de salida se obtiene como valor medio de la suma de las n trazas seleccionadas, alrededor de la traza de referencia.

Los siguientes parámetros permiten configurar este proceso:

Number of traces to Mix

Method (Mean, Median)

Weights (Even, Triangular, Exponential, Usar-supplied, Weight file)

2.3 Programas desarrollados

Al margen del software estándar para tratamiento datos GPR, en esta Tesis se desarrollan programas propios que proporcionan diferentes utilidades. La idea que subyace en el software diseñado es aprovechar al máximo la información de los radargramas, aplicándoles un enfoque diferente de los programas convencionales.

Los programas están creados en entorno Matlab (Apéndices: 01, 02, 03 y 04).

El programa GPR3DM nos proporciona una herramienta para crear una matriz 3D y representarla en Voxler (programa de representación 3D), obteniendo una imagen en volumen de estos datos.

El programa ECO3DM nos permite calcular y visualizar la reflectividad de raíces en diferentes parcelas de ensayo, con el fin de comprobar los efectos de los tratamientos aplicados en las investigaciones realizadas en ecología.



El programa NIVELCERO calcula, de forma automática, para cada toma de medidas la corrección del tiempo cero, que a su vez permite obtener el nivel exacto del suelo.

El Programa ASCAP, permite estimar el espesor del firme a partir de las reflexiones producidas por las diferentes capas que lo constituyen.

2.3.1 Programa GPR3DM:

Este programa parte de la lectura de los archivos GPR registrados (.rad y .rd3). En los archivos (.rad) se guarda la información de cabecera del archivo de los datos correspondiente (número de trazas, frecuencia, paso, número de muestra, etc.) y en los archivos (.rd3) se almacenan los datos registrados.

Al iniciarse el programa pide el número de perfiles que hay que abrir y si hay que invertir algunos perfiles, en el caso que se hayan registrado en sentido contrario a los demás.

A partir de estos datos el programa abre los archivos seleccionados y procede a la lectura de los ficheros de cabecera. Seguidamente presentamos un ejemplo de este proceso y de la información que se obtiene:

SAMPLES: 512 FREQUENCY: 8013.847929 FREQUENCY STEPS: 55 SIGNAL POSITION: -0.024714 RAW SIGNAL POSITION: 43660 DISTANCE FLAG: 1 TIME FLAG: 0 PROGRAM FLAG: 0 EXTERNAL FLAG: 0 TIME INTERVAL: 0.000000 DISTANCE INTERVAL: 0.010363 OPERATOR: NASSIM CUSTOMER: ARQUEOLOGIA SITE: CALPE ANTENNAS: 500 MHz shielded ANTENNA ORIENTATION: NOT VALID FIELD ANTENNA SEPARATION: 0.180000 COMMENT: PERFILES N TIMEWINDOW: 63.889408


40 Capitulo 02

STACKS: 8 STACK EXPONENT: 3 STACKING TIME: 0.040960 LAST TRACE: 363 STOP POSITION: 3.761769 SYSTEM CALIBRATION: 0.0000022688 START POSITION: 0.0000000000 SHORT FLAG: 1 INTERMEDIATE FLAG: 0 LONG FLAG: 0 PREPROCESSING: 0 HIGH: 0 LOW: 0 FIXED INCREMENT: 0.0000000000 FIXED MOVES UP: 0 FIXED MOVES DOWN: 1 FIXED POSITION: 0.0000000000 WHEEL CALIBRATION: 386.0000000000 POSITIVE DIRECTION: -1

Seguidamente se normalizan todos los perfiles para tener la misma longitud y la misma profundidad, y según estos valores se crean los ejes X, Y, Z.

Después de este paso se abren los archivos .rd3 correspondientes creando una matriz con un número definido de puntos y un número definido de trazas. Estos dos números han sido obtenidos en el paso anterior a través de la normalización de los perfiles GPR.

Al acabar esta operación el siguiente paso es transformar la escala de tiempo en escala de profundidad (eje Z). Este proceso se realiza multiplicando los valores obtenidos previamente en la columna z por la velocidad de propagación. En general se aplica una velocidad estándar de 0.09 m/ns, que se puede modificar en el programa.

Para preparar la matriz 3D el programa necesita los datos de un ultimo eje (eje Y). En la programación inicial se colocan los valores del eje Y según la separación de los perfiles en la toma de medidas.

Con estos datos el programa crea una matriz 3D y a cada elemento de la matriz le asigna el valor de la amplitud de la señal obtenida en los correspondientes puntos de cada uno de los perfiles.



Por ultimo esta matriz se guarda como un archivo .dat para que se pueda leer en Voxler o utilizando la caja de herramientas de Matlab.

Representación en Voxler

En Voxler se puede cargar los archivos con la extensión .dat. En las opciones de importación se elije el modo de separación de las columnas (en general por espacios). El programa Voxler procesa los datos y los carga en su propia plantilla: asignando las 3 primeras columnas a los ejes X, Y y Z, e incluyendo en la cuarta columna el valor de la amplitud de la señal muestreada.

Para preparar una representación en volumen se crea un Gridder: proceso que interpola los espacios vacios entre los puntos de la matriz 3D, creando una rejilla 3D uniforme. La interpolación puede realizarse con diferentes métodos: Inverse Distance, Inverse Distance Equations, inaverse distance refernces, data metric y local polynomial.

Terminado el Gridder, se crea una representación en volumen aplicando el proceso VolRender, que convierte los valores de la matriz 3D en superficies.

2.3.2 Programa ECO3DM:

En este programa, partiendo de las utilidades que proporciona el programa GPR3DM, se diseña una aplicación específica para obtener un parámetro de gran interés en el campo de la ecología, como es la reflectividad de raíces. Como en el caso anterior en una primera fase el programa extrae del archivo de cabecera de un radargrama (.rad) las informaciones necesarias para crear una matriz 3D.

De igual forma, pasando por las mismas etapas descritas en el proceso explicado en el apartado anterior, se extraen los datos de los ficheros .rd3, hasta construir la matriz 3D de los datos registrados; aplicándose procesos como el detrend para eliminar la tendencia, y la transformada de Hilbert para calcular la envolvente.

Una vez la matriz 3D esta lista, podemos representar la reflectividad de cada grupo de perfiles de las parcelas objeto de estudio en un mapa o en representación 3D.

A partir de las representaciones 3D podemos calcular: primero, la reflectividad en los radargramas de las parcelas objeto de estudio; en segundo lugar, la reflectividad en los radargramas tomados en parcelas


42 Capitulo 02

de control (parcelas naturales sin tratamiento) y finalmente calcular la reflectividad de las raíces en cada una de las parcelas. Esta última operación se efectúa restando la reflectividad de las parcelas de control de la reflectividad de los perfiles obtenidos en las parcelas en las que se desarrolla la experiencia.

El resultado se muestra en una imagen que representa la reflectividad de las raíces presentes en una parcela objeto de estudio a partir de los perfiles registrados en ella. La representación puede ser 2D (con el comando contour de Matlab) o una representación 3D (con el comando Surf o Meshgrid de Matlab).

2.3.3 Programa NIVELCERO:

Este programa identifica la primera reflexión del suelo a partir de un perfil de ensayo de lifting. Seguidamente corrige la posición del cero en el resto los radargramas registrados en la misma área. La especificación de los pasos que se realizan en este programa se encuentran desarrollados en el siguiente capítulo, junto con los ensayos de lifting realizados con las diferentes antenas.

2.3.4 Programa ASCAP:

Con este programa se puede estimar el espesor del firme de una carretera o plataforma con una capa de asfalto. Esta estimación se basa en la localización de los picos de reflexión que causa la interfase entre el asfalto y la zahorra. El programa proporciona los valores de las constantes dieléctricas de las capas, la velocidad de propagación y el espesor de las capas.

Más adelante se explica con más detalle su aplicación.

CAPITULO 03

ENSAYO Y CALIBRACIÓN DEL SISTEMA GPR RAMAC


Ensayos de calibración del sistema GPR Ramac 45

3.1 Introducción:

Como primera tarea, antes de empezar cualquier trabajo de investigación, es imprescindible realizar una calibración del equipo GPR que se va a utilizar (Valle, S. et al., 2001, Bloemenkamp, R. and Slob, E., 2003, Lacko, P. R. et al., 2003, Pereira, M. et al., 2006, Lestari, A. A. et al., 2007, Travassos, L. et al., 2007, Grasmueck, M. and Viggiano, D. A., 2007, Rial, F. et al., 2007 y 2008). Esta calibración nos sirve a posteriori para ajustar la configuración de las medidas en el campo y nos facilita las tareas de interpretación, sobre todo en los casos donde se requiere mayor precisión.

La calibración correcta del GPR nos permite, además de optimizar los resultados obtenidos a partir de las medidas efectuadas, ajustar correctamente la configuración del equipo en función del estudio particular que se vaya a realizar. Ajustes como: la distancia de medición con la distancia real recorrida por la antena, altura de antena respecto al suelo y, sobre todo, la identificación de la primera reflexión del suelo. Esta última tarea es imprescindible para ubicar el cero correspondiente al inicio de la superficie en su lugar exacto. Así conseguimos una estimación correcta de la profundidad de los objetos o anomalias que se detectan.

Estos ajustes son fundamentales cuando se realizan trabajos en determinados sectores donde se necesita una precisión centimétrica o milimétrica. Así ocurre por ejemplo en algunos estudios en la obra pública (auscultación del pavimento) o ingeniería civil (control de estructuras).

En este capítulo presentamos varios ensayos con objetivo de calibrar el comportamiento de las diferentes antenas que utilizaremos con el sistema GPR.

Las antenas del sistema GPR RAMAC que usamos se componen de dos dipolos (tipo bowtie antenna) protegidos en una carcasa que les aísla de las interferencias externas y optimiza la detección mejorando la directividad hacia la parte inferior de la antena.

Estas antenas son de tipo ground-coupled, lo que significa que la onda que se emite se acopla con el medio de propagación. En este caso, la determinación del tiempo cero de la onda emitida es un valor fijo, que se puede determinar en un ensayo y aplicarlo a todas las medidas. El valor del tiempo depende de cada antena en particular, las


46 Capitulo 03

propiedades eléctricas del medio de propagación y de la altura al cual esta la antena sobre el suelo (Yelf, R., 2004).

Comenzaremos los ensayos con la antena de 1 GHz, comprobando la variación del nivel de reflectividad de la misma cuando se usa con baterías de plomo (Pb). Seguidamente aislaremos la onda de aire de la antena y realizamos ensayos para determinar el nivel del suelo en los radargramas (Rial, F. et al., 2006; Yelf, R., 2004;). Como ultimo ensayo con la antena de 1 GHz comparamos la señal registrada en un mismo punto pero con varios valores de stacking (número de trazas utilizadas para conformar la traza que se visualiza en el radargrama).

Así mismo realizaremos la calibración de la antena de 500 MHz, menos la comprobación de la variación del nivel de reflexión con las baterías de Pb, que es un problema que solo afecta a las antenas de alta frecuencia como la de 1GHz.

Finalmente, calibramos la antena de 100 MHz. Con esta antena sólo se puede realizar el ensayo de la comprobación de las variaciones de la señal con diferentes números de stacking, ya que por sus dimensiones no nos permite realizar ensayos como levantar la antena a una altura que permita evitar cualquier reflexión del suelo o de los laterales.

3.2 Antena monostática de 1GHz:

En la figura 3.1 se aprecia el esquema de construcción de la antena de 1 GHz (Valle, S. et al., 2001). La antena se compone de dos dipolos para la emisión y la recepción de las ondas electromagnéticas, separados con un material aislante.

Se diferencia de las demás antenas monostaticas de Ramac, porque la parte electrónica de antena la tiene integrada en la carcasa, al contrario de las otras antenas monostaticas que tiene esta parte movible y estándar para todas.

Figura 3.1: Esquema de construcción de la antena de 1GHz del sistema GPR de RAMAC (Valle et al, 2001).



a- Reflectividad:

En general, los trabajos con el GPR no se ven muy afectados por las variaciones de nivel de reflectividad a lo largo de un día de trabajo. Estas fluctuaciones de reflectividad, al principio, parecen no afectar a los radargramas y así es. Si estamos buscando una anomalía puntual o elemento estratigráfico, lo que nos interesa son las variaciones en las formas o hipérbolas que se observan en el radargrama.

Sin embargo, para trabajos de detalle como el cálculo de espesor del firme de una carretera, el cálculo de la constante eléctrica de una capa o el propio estudio de reflectividad de las anomalías, la variabilidad de la reflectividad afecta seriamente el resultado de estos estudios.

Por eso, es conveniente realizar una parametrización de los niveles de la reflectividad registrada por las antenas GPR al inicio y final de cada trabajo y efectuar las correcciones adecuadas en cada caso.

Generalmente estas variaciones en el nivel de reflectividad afectan a las antenas de alta frecuencia, como la de 1 GHz, cuya alimentación se realiza por medio de baterías de Pb.

En la siguiente experiencia vamos a realizar una serie de registros con la antena de 1 GHz, alimentada con una batería de Pb completamente cargada. Los ensayos consisten en registrar 5 perfiles, de 20 pulsos cada uno, esperar 30 mn sin desconectar el GPR y repetir el mismo ensayo a lo largo de dos horas.

Primer ensayo

(Directamente después de enchufar las baterías)

maxima reflectividad

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

d

mV

P1P2P3P4P5

Figura 3.2: Reflectividades máximas de los perfiles 1 al 5.


48 Capitulo 03

Segundo ensayo

(a 30 mn)

Tercer ensayo

(a 60 mn)

Cuarto ensayo

(a 90 mn)


210

212

214

216

218

220

222

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

d

mV

P6P7P8P9P10



65

67

69

71

73

75

77

79

81

83

85

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

d

mV

p11p12p13p14p15



65

67

69

71

73

75

77

79

81

83

85

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

d

mV

p16p17p18p19p20




Quinto ensayo

(a 120 mn)

A partir de los precedentes ensayos podemos observar que, al iniciar las medidas, el sistema GPR necesita un tiempo de funcionamiento para llegar al nivel de su reflexión nominal. Este nivel se mantiene en las dos primeras tandas de ensayos y en la tercera, después de 60 mn de funcionamiento, el nivel baja al 34% de su valor nominal (de 250 a 85).

Después de más de 120mn de funcionamiento el nivel de potencia de la batería de Pb llega a un nivel crítico, muestra un error de comunicación y nos impide continuar con las medidas.

Esta variación de reflectividad esta relacionado con la gran energía que consume la antena de 1GHz y la variación de potencia de las baterías con el tiempo de uso.

La figura 3.7 muestra una representación comparativa de los ensayos realizados.

En consecuencia, cuando en un trabajo se utiliza la reflectividad como valor de medida es muy importante comprobar el buen estado de las baterías y sus niveles de carga, sobre todo si son de Pb (este fenómeno no ocurre con la nueva generación


0

10

20

30

40

50

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

d

mV

p21p22p23p24p25


1

5

9

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P1

0P1

1P1

2P1

3P1

4P1

5P

16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23 P24 P25

0

50

100

150

200

250

mV

Pulsos

Perfiles

variaciones de la reflectividadP1

P2

P3

P4

P5

P6

P7

P8

P9

P10

P11

P12

P13

P14

P15

P16

P17

P18

P19

P20

P21

P22

P23

P24

P25 Figura 3.7: Representación comparativa de las reflectividades

máximas de los perfiles 1 al 25.


50 Capitulo 03

de baterías de Litio - Li). Además, se deben realizar tandas de ensayos de reflectividad antes de empezar las medidas y al terminarlas. Así se pueden corregir las medidas efectuadas si, al finalizar las mismas, en los ensayos se registran variaciones en la reflectividad.

b- Determinación de la onda de aire (onda directa):

Para determinar la onda directa de la antena de 1GHz registramos una serie de 20 pulsos con la antena elevada a 2m del suelo y dirigida hacia el cielo. De esta forma estamos seguros de que no se registra ninguna reflexión externa, al menos en los 6 primeros nanosegundos.

En la figura 3.8 se muestra una traza registrada con el ensayo propuesto.

Lo que se observa en esta traza es un ringing (una oscilación del voltaje o de la corriente). Se produce cuando un pulso eléctrico causa valores parásitos de capacidad e inducción en el circuito electrónico, que crean un fenómeno de resonancia que predomina sobre la onda directa. Este fenómeno se ha registrado también en antenas de alta frecuencia de otros constructores, por ejemplo la antena de 1GHz de GSSI (Nuzzo, L. and Quarta, T., 2007).

El acoplamiento con el suelo (o el medio donde se transmite), cambia la forma de la onda registrada y minimiza el efecto de ringing de la propia antena.

En la figura 3.9 presentamos una señal registrada con la antena de 1GHz colocada sobre el suelo y dirigida hacia él, comparada con la registrada anteriormente en el aire.

Figura 3.8: Traza registrada con la antena de 1GHz dirigida hacia el

cielo.



En la figura se puede comprobar que, además de un pequeño desfase (0,2ns), la onda registrada encima del suelo tiene menos amplitud en el primer ciclo, en el segundo ciclo tiene mas amplitud que la primera traza y luego se va atenuando con la misma proporción que la primera traza.

Se debe resaltar que en la onda registrada con la antena encima del suelo el ringing se amortigua con la señal reflejada.

En la figura 3.10 comparamos una onda registrada sin reflectores (dirigida al cielo), con la onda registrada colocando la antena sobre una placa metálica y dirigida hacia ella.

En la figura podemos comprobar el efecto del acoplamiento con la onda reflejada sobre el metal. La onda registrada encima de la placa metálica tiene un pequeño desfase (0.6 ns) con la onda registrada sin reflector. Esta onda tiene menos amplitud que la primera y el ringing se atenúa fuertemente con la señal reflejada. La reflexión de la onda electromagnética encima de la placa es casi total.

Figura 3.9: Comparación de dos trazas registradas con antena de 1GHz, la primera con la antena dirigida hacia el cielo (azul) y la

segunda encima del asfalto (rojo).

Figura 3.10: Comparación de dos trazas registradas con antena de 1GHz, la primera con la antena dirigida hacia el cielo (azul) y la

segunda encima de una placa metálica (negro).


52 Capitulo 03

El resultado de estos ensayos nos permite tener un mejor criterio para interpretar las imágenes obtenidas en radargramas reales.

c- Lifting

El Lifting es un procedimiento para la determinar el tiempo cero (Saarenketo, T., 2006, Yelf, R., 2004). Este test se debe aplicar antes de cada investigación cuando se utilizan antenas tipo ground-coupled, como es nuestro caso.

El lifting consiste en medir en modo continuo, con la antena apuntando sobre el mismo punto del suelo, elevar despacio la antena a una determinada altura (ej. 1.5m) y volver a bajarla a su posición inicial (Fig. 3.11).

El tratamiento de datos que se aplica a los registros del lifting se realiza con un programa compilado en Matlab.

En la figura 3.11 se presenta un radargrama obtenido con un lifting a 0.5m. En el eje horizontal figuran las trazas que se registran con la antena sobre el suelo (aproximadamente las 75 primeras), la antena subiendo hasta 0,5 m y bajando (de 75 a 130) y nuevamente sobre el suelo (hasta el final). En el eje vertical figuran las muestras temporales de la señal (con una frecuencia de muestreo de 29000 MHz)

Para identificar la primera reflexión del suelo aplicamos un removal background, filtro que elimina todas las trazas en las que la antena está en reposo. Para ello se construye una traza media a partir del conjunto de trazas que conforman la primera parte del radargrama (que no esta afectada por el lifting), seguidamente se sustrae esta traza de todas las trazas de nuestro radargrama. En la figura 3.12 se muestra el resultado tras la aplicación del filtro.

Figura 3.11: Lifting con antena de 1GHz a 0.5m.



Seguidamente determinamos la primera reflexión que se separa de la onda directa, esta reflexión es la del suelo. Buscamos el punto donde se une (flecha negra) o se separa (flecha blanca) esta reflexión de la del aire y la marcamos, esta operación nos devuelve un número de muestras que coincide con la reflexión del suelo.

Finalmente iniciamos el radargrama original a partir de la muestra seleccionada, tomando esta muestra como referencia del suelo. El resultado de la representación se muestra en la figura 3.13

Este ensayo nos permite tener una referencia del punto cero del suelo para todos los registros realizados con esta antena en este tipo de terreno. Si las características del terreno varían apreciablemente es necesario repetir estos ensayos.

d- Stacking

En los diferentes sistemas de GPR se puede elegir el número de Stacking. Este número debe aumentarse en aquellos casos en los que se requiere mejorar la relación señal-ruido de las medidas (Pereira, M. et al., 2006). No obstante, para Figura 3.13: Radargrama del lifting con la corrección del cero.

Figura 3.12: Radargrama del lifting aplicándole un removal background.


54 Capitulo 03

optimizar el rendimiento conviene determinar el Stacking a partir del cual un incremento en su número no introduce mejoras sustanciales para el estudio requerido.

En el ensayo con la antena de 1GHz situada en un punto fijo registramos 20 pulsos con los diferentes stacking que nos permite nuestro sistema GPR (1, 2, 4, 8, 16, 32 y 64). En la figura 3.14, para una mejor visualización, presentamos sólo las trazas obtenidas con un stacking de 1, 8, 32 y 64.

A partir de este ensayo observamos que el nivel de reflectividad (amplitud de la señal) no varía mucho con el número de stacking. Sin embargo, la calidad de la señal mejora a partir de un stacking de 4, y se distorsiona con el stacking de 128.

En la figura 3.15, podemos apreciar la diferencia en la calidad de la señal con un stacking de 1 y 64, además de esta diferencia se observa que la señal con el stacking 1 introduce un desfase con respecto a las trazas registradas con otros stacking.

Figura 3.14: Trazas registradas con la antena de 1GHz con diferentes

staking.

Figura 3.15: Comparación de dos señales registradas con un

stacking de 1 y 64.



Estos resultados nos aconsejan seleccionar un stacking entre 8 y 64. 8 cuando se requiere mayor velocidad en la toma de datos y 64 cuando necesitamos mayor calidad en la señal.

3.3 Antena monoestática y blindada de 500 MHz:

Esta antena tiene la misma configuración que la antena anterior, con una separación entre dipolos emisor y receptor de 18 cm. Generalmente se usa montada sobre un carrito a una altura de entre 3 cm y 5 cm (se puede elevar en los casos en los que la superficie del suelo lo aconseje).

Después de varios ensayos hemos comprobada que esta antena no padece los problemas de reflectividad que se producían en la antena de 1GHz. El nivel de reflectividad en los radargramas permanece estable durante toda la tanda de ensayos.

Para la calibración de esta antena realizamos los siguientes ensayos:

a- Determinación de la onda de aire:

Para este experimento, orientamos la antena monostática de 500 MHz hacia arriba, en un lugar a cielo abierto (sin ningún obstáculo a los 10 metros de alrededor), para evitar la intervención en la señal de cualquier reflexión que pueda afectar en los primeros nanosegundos.

En la figura 3.16 podemos observar una traza registrada con la antena orientada hacia el cielo.

En el siguiente experimento nos alejamos a 7 metros de una valla metálica, orientando la base de la antena hacia la valla para tener una reflexión de referencia. La antena se mantiene

Figura 3.16: Un traza con la antena de 500 MHz orientada hacia el cielo.


56 Capitulo 03

perpendicular respecto al suelo (haz principal paralelo al suelo y perpendicular a la valla metálica) y se procede a la medición.

En la figura 3.17 podemos observar el radargrama con la reflexión obtenida de la valla y la representación de una de las trazas de este mismo perfil. En la figura 3.18 comparamos dos pulsos de cada una de las dos experiencias. Podemos observar que la única diferencia es una onda registrada en la segunda traza (color rojo) que representa reflexión de la valla metálica.

En la figura 3.18 identificamos la onda del aire (cuadro azul): en ambas trazas esta onda se encuentra superpuesta entre 2 ns y 7.8 ns. Se le denomina onda de Ricker, y es el registro del dipolo de recepción cuando el dipolo emisor genera un impulso monociclo (Yeld, R., 2004)

Reflexión común (cuadro rojo): la encontramos en las dos trazas entre 8.5 ns y 11.4 ns. Esta reflexión puede ser atribuida al suelo: aunque en las dos experiencias la antena estaba dirigida hacia el cielo o hacia el muro, siempre hay pérdidas de energía o haces secundarios que emiten en otras direcciones.

Reflexión de la valla metálica (cuadro negro): esta

Figura 3.18: Comparación de dos pulsos obtenidos en los dos experimentos, la traza en negro: pulso medido con la antena dirigida hacia el cielo y la traza en rojo: pulso medido con la antena dirigida

hacia la valla metálica

Onda del aire

Reflexión de la valla metálica

Reflexión común ¿?

ns

Figura 3.17: Traza registrada con la antena de 500 MHz orientada

hacia una valla metálica a 7 metros de distancia.



reflexión se encuentra solo en la segunda traza entre 50 ns y 53.4 ns, que coincide con la distancia entre la antena y la valla. La distancia se calcula de la siguiente forma:

Distancia mctt ir 2.7

2=×

−=

Donde tr=50,5 ns es el tiempo de inicio de la reflexión de la valla, ti=2,5 ns el tiempo de inicio de la onda del aire y c=3⋅10 8m/s la velocidad de las ondas electromagnéticas en el aire.

Estos ensayos permiten conocer, a través de su registro, las características de una onda directa (onda de aire) y de una onda reflejada (sobre valla metálica). El conocimiento de las diferencias que presentan ambas, permite mejorar la interpretación cualitativa y cuantitativa de los radargramas del subsuelo.

b- Lifting

A continuación presentamos los ensayos de Lifting para la antena de 500 MHz. En la figura 3.19 podemos apreciar el radargrama correspondiente. Las medidas se efectuaron en modo continuo, cada 0.5 s, levantando la antena despacio hasta una altura de 1.5m y volviéndola a bajar hasta el mismo punto. Igual que en el caso de la antena de 1GHz, para separar la primera reflexión del suelo (tiempo cero), seleccionamos un número de trazas de la parte inicial del radargrama no afectada por el liftin y calculamos la traza media de esta zona.

Figura 3.19: Lifting con la antena de 500 MHz a 1.5m.


58 Capitulo 03

Restamos la traza media obtenida previamente de todas las trazas de nuestro radargrama. Esta operación nos devuelve un nuevo radargrama donde se conserva solo la parte del lifting, mientras se atenúan todas las demás trazas fuera del lifting (figura 3.20).

El siguiente paso consiste en identificar la reflexión del suelo en la parte central del lifting, es la parte donde la onda directa y la reflexión del suelo están claramente separadas. Siguiendo esta reflexión (del suelo) hasta el inicio del lifting (figura 3.20), marcamos el cruce de esta onda con el tiempo inicial del lifting (flecha negra al inicio del perfil y flecha blanca al final del mismo), esta operación nos devuelve una estimación del tiempo en el cual llega la primera reflexión del suelo. Este tiempo se aplica para llevar el cero de la profundidad en los demás radargramas registrados en la misma zona (encima del mismo material). Los resultados se muestran el la figura 3.21

Este ensayo nos permite tener una referencia del punto cero del suelo para todos los registros realizados con esta antena en este tipo de terreno. Si las características del terreno varían apreciablemente es necesario repetir estos ensayos.

Figura 3.21: Radargrama inicial del lifting con la corrección del cero.

Figura 3.20: Radargrama del lifting filtrado.



c- Stacking

Para determinar el número de stacking idóneo registramos varios perfiles en el mismo punto, de 20 pulsos cada uno, con stacking: 1, 8, 32, 64 y 128. Los resultados se presenten en la figura 3.22

De los precedentes ensayos podemos comprobar que aumentando el número de Stacking se mejora la calidad de la señal reduciendo el ruido del registro, mientras que la reflectividad no cambia con el valor del Stacking.

Igual que la antena de alta frecuencia (1GHz), la señal registrada con la antena de 500 MHz con un stacking de 1 esta desfasada de las demás señales con stacking mayor (figuras 3.22 y 3.23).

La calidad de la señal con esta antena no varía mucho con el número de stacking, como se puede observar en la figura 3.23.

Como conclusión de este ensayo con la antena de 500 MHz podemos decir que, en los casos en los que se necesiten medidas rápidas que no requieran excesiva precisión, basta con usar un número de stacking de 4. En casos muy concretos donde se requiere mayor resolución (Ej. búsqueda de raíces)

Figura 3.22: Stacking de l 1, 8, 32, 64 y 128 con la antena de 500 MHz y una frecuencia de muestreo de

8000 MHz

Figura 3.23: Comparación entre dos señales registradas con 1 y 128

stacking.


60 Capitulo 03

es recomendable usar un número de stacking igual o mayor que 8.

3.4 Antena monoestática y blindada de 100 MHz:

Es una antena de baja frecuencia (100MHz), del mismo constructor (MALA Geoscience). Tiene la misma estructura que las dos primeras antenas que hemos presentado con los dipolos en el interior de la carcasa, separados 0.5 m. Esta antena se utiliza generalmente a ras del suelo arrastrada por un operador.

Al igual que la antena de 500MHz no tiene problemas de disminución del nivel de reflectividad cuando se usan baterías de Pb.

Las antenas de baja frecuencia, aunque estén blindadas, siempre tienen perdidas de energía en otras direcciones mediante los haces o lóbulos secundarios del dipolo emisor. Este problema afecta a las medidas, sobre todo cuando hay algún elemento metálico por encima o a los lados del recorrido de la antena (cables de alta tensión, brazo de grúa, viga metálica, etc.…)

Otro problema que encontramos con esta antena es la imposibilidad de realizar los ensayos de onda del aire y lifting, ya que en cualquiera situación siempre hay alguna interferencia con los elementos que podemos usar para levantar la antena (necesita mas espacio libre que la demás antenas). Por otra parte, el ensayo del lifting tiene que ser fácil de ejecutar y sobre todo práctico en el campo.

Por estas razones, el único ensayo que presentamos con esta antena es el stacking.

a- Stacking

En la figura 3.24 presentamos las diferentes ondas registradas con antena monostática blindada de 100 MHz, Figura 3.24: Trazas GPR registradas con la antena de 100 MHz con

diferentes stacking.



con diferentes números de stacking. Podemos comprobar que la calidad de la señal y la reflectividad es casi la misma a partir de stacking 2. Con un stacking bajo tenemos una buena señal al contrario de la antena de 1GHz, que presentaba picos.

Con esta antena no hay desfase entre la señal registrada con stacking 1 y un stacking superior.

A partir de los resultados de este ensayo, concluimos que se puede usar un número de stacking bajo (1 ó 2), sin perder calidad en los registros, dado que esta antena no se utiliza para trabajos de precisión.

3.5 Comparación del pulso emitido por 3 antenas diferentes con la misma frecuencia nominal:

En este ensayo comparamos el pulso registrado de tres antenas con la misma frecuencia nominal (500 MHz) y del mismo fabricante (MALA). Para tener las mismas condiciones de medida con las tres antenas usamos una única unidad central CUII, conectada al mismo PC y utilizando la misma versión del software de adquisición.

El experimento consiste en registrar 20 pulsos con la antena elevada a 3 cm por encima de una placa metálica de 1 m2, este experimento se repite con las demás antenas.

Es muy importante anotar que todo los registros se hicieron en el mismo punto (se marco la posición de la antena para tener unas referencias fijas), y con la misma configuración inicial de medidas.

En la figura 3.25, presentamos las tres trazas obtenidas con las diferentes antenas. Donde la antena A: corresponde a la

Figura 3.25: Representación de las tres trazas obtenidas con las diferentes antenas y con la misma configuración de medidas.


62 Capitulo 03

antena de 500 MHz de la universidad que usamos en los trabajos de esta tesis, la B y C son antenas de 500 MHz prestadas para este experimento.

A partir de la figura 3.25, se destaca los diferentes inicios de las trazas a pesar que tienen la misma configuración de medida, además, si comparamos la amplitud del segundo pico de cada una de las trazas (antena A: 199, antena B: 2611 y antena C: 3304), observamos una diferencia significativa en el nivel de reflectividad.

A la vista de estos datos, para poder realizar interpretaciones correctas de los radargramas obtenidos en un estudio concreto, resulta imprescindible efectuar previamente las calibraciones propuestas en este capítulo (lifting, determinación de la onda de aire, nivel de reflectividad, stacking) sobre cualquier antena que vaya a ser utilizada en dicho estudio.

Capitulo 04

CASOS DE APLICACIÓN EN ECOLOGÍA


Casos de aplicación en ecología 65

4.1 Introducción:

En las últimas décadas la técnica del GPR ha alcanzado una gran importancia en varios campos de trabajo por su facilidad de uso y la alta resolución que ofrece. Pero las primeras aplicaciones del GPR en estudios de agricultura y ecología son relativamente recientes. Quizás los que más han trabajado en estas áreas son: Hruska, J. et al., 1999 quienes investigaron la distribución del sistema radicular de árboles de roble. Cermak, J. et al., 2000, estudiaron el crecimiento de las raíces en áreas urbanas y en suelos arcillosos. Butnor, J. R. et al., 2001, desarrollan el trabajo iniciado por Hruska et al., explorando la habilidad del GPR para delinear raíces en diferentes tipos de suelo y clasificando las raíces por su diámetro. Wielopolski, L. et al., 2000, propusieron un procedimiento no invasivo en el estudio de raíces. Nakashima, Y. et al., 2001, aplicaron este método para estimar el nivel freático.

Siguiendo estas líneas de investigación, nos hemos propuesto tener nuestra propia experiencia en este campo, además de dar un nuevo enfoque en la metodología a la hora de la toma de datos y el procesado de la señal.

Seguidamente presentamos dos investigaciones encuadradas dentro de la ecología

4.2 Detección de las raíces en un ecosistema dunar

En el primero de los trabajos que presentamos hemos aplicado la técnica de GPR para localizar la distribución de raíces en un ecosistema dunar. Este trabajo nos ha permitido parametrizar nuestro equipo para este tipo de investigaciones y diseñar una metodología propia.

a) Objetivos y metodología

Los objetivos de esta investigación son:

Validar la técnica GPR para la detección de raíces de dos especies arbóreas del ecosistema dunar de Guardamar Del Segura (Pinus halepensis Miller y Pinus pinea L).

Diseñar una metodología adecuada para el estudio de sistemas radiculares en zona de dunas. Diseño que conlleva determinar qué


66 Capitulo 04

configuración del GPR (antenas, frecuencia de muestreo, etc.) es la más apropiada para el tipo de suelo en el que se ha de operar

Determinar el diámetro mínimo de las raíces que se puede detectar y la distribución de las raíces en el subsuelo.

En esta investigación se estudiaron ocho árboles de dos especies de pino (Pinus halepensis Miller y el Pinus pinea L) con un diámetro troncal, a 1,5 m de altura, superior a 25 cm (DBH) y con una altura media de 7 m.

Inicialmente se realizaron ensayos enterrando 5 raíces de diferente diámetro (59.00 mm, 46.00 mm, 34.30 mm, 23.09 mm y 15.60mm), y realizando las medidas con la antena de 500 MHz a diferentes frecuencias de muestreo (5000MHz, 8000MHz, 1200MHz, 15000MHz, 18000MHz y 20000MHz).

Una vez parametrizados los resultados de las mediciones se procede a diseñar el sistema reticular más apropiado para el estudio de las dos especies arbóreas dominantes en las dunas de Guardamar. El procedimiento diseñado consiste en:

a) Marcar un cuadrado de 2x2 m y separaciones de 0,25 m colocando la base del árbol a 0.5 m.

b) Marcar un cuadrado de 4x4 m y separaciones de 0,25 m colocando la base del árbol en el centro del cuadro.

c) Realizar las medidas en cada uno de los perfiles marcados utilizando la antena de 500 MHz con una frecuencia de muestreo de 18000 MHz.

d) Una vez efectuadas las medidas se desentierran las raíces (con cuidado para no desplazarlas de su emplazamiento original), con el objeto de contrastar los datos obtenidos con el GPR y los observados in situ.

e) Finalmente se marcan todas las raíces, se anota su profundidad, diámetro e intersección de las mismas con los perfiles horizontal y vertical.

También se realizaron mediciones con la antena de 1GHz utilizando una lámina de cartón como base para marcar las guías de los perfiles, con la finalidad de evitar el problema de bloqueo de la rueda en la arena, evitando así errores en el posicionamiento de los pulsos registrados.



Después de varios ensayos con la antena de 1GHz variando la frecuencia de muestreo, seleccionamos la frecuencia de 29000 MHz por ser la que nos proporciona los mejores resultados.

b) Trabajo de campo

Seguidamente se describen los ensayos previos realizados para determinar la mejor configuración de nuestro material: antena, frecuencia de muestreo, cálculo de la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el medio, elegir el paso de medidas y obtener la firma (imagen en el radargrama) que proporcionan raíces de diferente diámetro enterradas.

El primer lugar calibramos la velocidad del terreno enterrando una placa de aluminio de 30cm X 30cm y de 2 cm de grosor a 30cm de profundidad. Se realizan diferentes registros (radargramas) para identificar el inicio en tiempo (t) de la reflexión de la placa de aluminio.

El cálculo de velocidad se determina con la expresión:

( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2tPv

Donde P es la profundidad de la placa de aluminio y t el tiempo doble de viaje de la onda electromagnética (desde el dipolo emisor de la antena a la placa de aluminio y de esta hacia el dipolo receptor de la antena GPR). La velocidad obtenida para este caso (arena) es de 90 sm µ/ .

Como segundo paso hemos enterrado cinco raíces de diferentes diámetros (59.00 mm, 46.00 mm, 34.30 mm, 23.09 mm y 15.60 mm) a 12 cm de profundidad, separadas 0.5m entre si, en una zanja de 0.5 m de ancho y de una longitud de 4.5 m (figura 4.1).

Figura 4.1: Ensayo para obtener la firma de diferentes raíces con diferentes diámetros


68 Capitulo 04

Figura 4.2: Radargrama de las raíces enterradas

Se realizaron varias tomas de datos usando la antena monostática blindada de 500 MHz y utilizando varias frecuencias de muestreo.

En la figura 4.2 se muestra una radargrama (procesado con el programa GRADIX) de las 5 raíces enterradas, obtenido con una frecuencia de muestreo de 18000 MHz. En esta representación podemos apreciar las hipérbolas que resultan de las reflexiones de las respectivas raíces.

Con este ensayo obtenemos la firma de las raíces que vamos a estudiar y nos permite tener una idea de la imagen que nos va a proporcionar una raíz si pasamos perpendicularmente por encima de ella.

Después de varios ensayos con las antenas de 500 MHz y 1 GHz, comprobamos que lo más apropiado es utilizar la antena de 500 MHz, con una frecuencia de muestreo de 1800 MHz, para la detección de raíces de hasta 1 cm de diámetro, y la antena de 1GHz con una frecuencia de muestreo de 29000 MHz para detectar raíces de menos de 1cm y a menos de 20 cm de profundidad.

Todos los ensayos se realizaron con árboles de un DBH superior a 25 cm. La figura 4.3 muestra el diseño reticular de los ensayos:

a bFigura 4.3. Preparación de las mallas que sirven de referencia en ambas configuración

al desenterrar las raíces y al mismo tiempo de guía para la antena de GPR.



Malla de 2x2 m a 0.5 m de la base del tronco, con mallado de 0.25 m de separación (figura 4.3.a), y malla de 4X4 m con una separación del mallado de 0.25 m (figura 4.3.b), con el centro de la malla coincidiendo con el tronco del árbol.

En el ensayo con la antena de 1GHz se utiliza una lámina de cartón de 1x1 m marcando la separación (15 cm) y sentido de perfiles que se observa en la figura 4.4.

Para comprobar e identificar las anomalias marcadas en los radargramas, se desenterraron las raíces en toda el área marcada. La profundidad de excavación se hizo hasta aproximadamente 0.80 m: esta tarea se realizó tanto de forma manual como mecánica. En primer lugar se procede a ablandar el suelo (figura 4.5.a); posteriormente se usa una sopladora, como se muestra en la figura 4.5.b, con el propósito de retirar toda la arena posible pero sin alterar la posición de las raíces.

Una vez descubiertas las raíces se procede a marcar cada una de estas, se toma su profundidad y posición respecto a los ejes X e Y, y por ultimo se mide su diámetro (figura 4.6).

a b Figura 4.5: a). Extracción de la arena manualmente, b). Extracción de la arena con

Figura 4.4: Lámina de cartón marcada con los perfiles y antena de 1000MHz usada para tomar registros.


70 Capitulo 04

c) Resultados

En el siguiente ejemplo (figura 4.7) se estudia un árbol de la especie Pinus halepesis Millar, con una antena de 500MHz y una frecuencia de muestreo de 1800 MHz: La malla es de 2X2 m a 0.5 m del tronco del árbol, con 14 perfiles separados 0.125 m entre si en cada eje.

El resultado obtenido son 28 perfiles de los dos ejes. En la figura 4.8 presentamos los 14 perfiles del eje horizontal. En los siguientes radargramas nos proponemos hacer el seguimiento de una raíz en particular y luego comprobar estos resultados mediante la excavación.

Los radargramas están presentados con el programa Ground Vision y los registros están procesados con los siguientes filtros:

DC removal

Time variang gain con una ganancia lineal de 100 y exponencial de 45, siendo la ganancia máxima de 5.32.

Figura 4.6: Identificación y medición de diámetro en las raíces desenterradas.

Figura 4.7: Posición del cuadro y la malla en la zona de estudio



Figura 4.8: radargramas del eje horizontal con el seguimiento de una raíz.


72 Capitulo 04

En los perfiles 1 a 6 tenemos una buena señal de la raíz, representada por una hipérbola que esta bien definida, lo que nos indica que los perfiles cortan el eje de la raíz perpendicularmente.

En los perfiles 7 a 9, la hipérbola se deforma, debido al cambio de orientación de la raíz.

En los últimos perfiles de 10 a 14, vuelve la raíz a su orientación inicial lo que nos da una reflexión en forma de hipérbola bastante uniforme.

La presencia de la raíz seguida se ha confirmado después con el desenterramiento, figura 4.9.

Con el cuadro amarillo de la figura 4.9 se muestra la parte descubierta de la raíz seguida en los radargramas precedentes. Los números encima de las cuerdas representan el orden de los perfiles paralelos al árbol.

En el siguiente caso, colocamos la malla de manera que el árbol se queda en el centro de esta ultima, de esta manera tendremos una vista en general de cómo es la distribución de las raíces alrededor del árbol (figura 4.10).

En la siguiente series de perfiles que presentamos (figura 4.11), realizados con la misma configuración GPR pero procesados con el programa Gradix, observamos como mejora la presentación de los radargramas y como resaltan las anomalias producidas por las raíces.

Figura 4.9: Zona del estudio desenterrada con las raíces enumeradas y referenciadas

P02

P04

P06

P08

P10

P12

P14

Figura 4.10. Plano de distribución de los perfiles GPR alrededor del árbol y foto de la malla marcada.



En estos radargramas se puede apreciar como existe un gran numero de raíces superficiales situadas en los primeros 0.50 m y algunas, muy pocas, están por debajo de 0.75 m. En general la resolución obtenida en este tipo de suelos es muy buena, sobre todo si la toma de datos se realiza en épocas de verano porque el suelo esta seco y permite una mejor penetración de la onda electromagnética.

Figura 4.11: Radargramas obtenidos con la antena de 500 MHz en un árbol de Pinus pinea L procesados con el programa GRADIX.


74 Capitulo 04

La figura 4.12 representa un perfil perpendicular a la costa dentro de la pinada, realizado con la antena blindada de 500 MHz y con la misma frecuencia de muestreo anterior (18000 MHz). Se aprecian claramente las anomalías producidas por las raíces.

El tratamiento de los registros se realiza con el software Ramac GroundVision, aplicando los filtros DC-Removal, Band Pass y Running Average, y representando el valor de las amplitudes con una escala de grises.

Podemos observar que la mayor densidad de raíces esta localizada a una profundidad comprendida entre 0,20 m a 0,80 m.

Aprovechando la existencia de una zanja, de 15m de longitud y de 1 m de profundidad, hecha en el dunar de Guardamar del Segura en la zona del estudio, realizamos varios perfiles GPR con la antena de 500 MHz (frecuencia de muestreo igual a 1800MHz) a lo largo de esta zanja.

La zanja nos dio la oportunidad de contrastar los anteriores resultados de la distribución de las raíces, además era otra ocasión para comprobar los radargramas con las observaciones que se podían hacer en la zanja. Los resultados de esta comparación se muestran en la figura 4.13.

Figura 4.12. Perfiles GPR con antena de 500MHz en la pinada de Guardamar del Segura.

a bFigura 4.13: a) Zanja de comprobación de la distribución de las raíces en el dunar de Guardamar del Segura, b) Perfil GPR con antena de 500MHz en paralelo a la zanja



En el radargrama podemos observar las anomalías producidas por las raíces, donde la mayoría esta comprendida entre 0.2 m y 0.8 m. Además, en la zanja se observó la presencia de una zona con mayor contenido de humedad, situada entre 0.40 m y 0.60 m de profundidad, que coincide con la mayor presencia de raíces.

En la figura 4.14 presentamos varios radargramas como ejemplo de los registros obtenidos con la antena de 1000 MHz. los registros tienen una longitud de 90 cm, la profundidad alcanzada con una frecuencia de muestreo de 29000 MHz fue de menos de 0.50 m, los filtros utilizados son: DC-Removal y Band pass. Usando esta antena se ha mejorado la resolución vertical que nos ha permitido identificar raíces del orden de 8.60 mm.

.

d) Conclusiones

El ecosistema dunar es un medio ideal para el estudio de las raíces con el método de GPR, debido a lo homogeneidad de este medio y al gran contraste que hay entre el pequeño tamaño de los granos de arena respecto al tamaño de las raíces.

Se ha logrado detectar raíces del orden de 10 mm usando la antena de 500 MHz con una frecuencia de muestreo de 18000 MHz y raíces del orden de 8.6 mm usando la antena de 1 GHz con una frecuencia de muestreo de 29000 MHz, pero perdiendo por consecuencia en profundidad de investigación, pues solo hemos logrado llegar a unos 50cm, que es muy poca profundidad para el tipo de estudio que estamos haciendo y los objetivo pretendidos.

Figura 4.14. Radargramas obtenidos con la antena de 1000 MHz.


76 Capitulo 04

La mayor densidad de raíces se encuentra comprendida entre los 0.20 m a 0.60 m, dado que es la zona que posee la mayor cantidad de agua.

Hemos comprobado que el GPR es una valiosa herramienta de gestión en ecosistemas tan frágiles como es el caso de las dunas costeras.

4.3 Estimación del crecimiento de las raíces en islotes de repoblación de encinas

Este investigación ha sido el resultado de la colaboración entre el departamento de Ecología de la Universidad de Alcalá de Henares, Madrid y el Laboratorio de Geofísica del departamento de Ciencias de la Tierra de la Universidad de Alicante.

En este caso, el GPR fue una herramienta de apoyo al trabajo de investigación realizado por el Dr. José M. Rey Benayas (Rey Benayas, J. M., 1998, Rey Benayas, J. M. and Camacho, A., 2004, Rey Benayas, J. M. et al., 2008), iniciado en 1993, para la repoblación de terrenos de cultivos abandonados con una especie de encinas autóctonas (Evergreen Mediterranean Oak Quercus ilex).

a) Objetivo

El principal objetivo de esta colaboración es la detección de raíces mediante GPR en las diferentes parcelas de ensayo, y comprobar su densidad de crecimiento a través de la reflectividad que producen.

La investigación Ecológica se inició en el año 1993 plantando 800 arbolillos de encinas, de un año de edad, en 16 parcelas de 10m X 10m, conservándose otras 4 parcelas, del mismo tamaño, en su estado original como parcelas de control. Seguidamente se aplicaron diferentes tratamientos para el control de crecimiento de los arbolillos. Los tratamientos se realizaron en 4 grupos distintos, cada uno de ellos formado por 4 parcelas. Estos duraron 3 años, aplicándose una combinación de presencia o carencia de irrigación y presencia o carencia de sombreado artificial de las parcelas en épocas de verano.

En 1996 se interrumpieron los tratamientos y se dejaron las parcelas dependiendo de las condiciones naturales de la zona. A finales de 2006



se iniciaron los trabajos con el sistema GPR para determinar el crecimiento de las raíces.

b) Metodología y trabajo de campo

En este trabajo se utiliza una antena biestatica blindada de 500 MHz. Se realizan 80 perfiles en las 16 parcelas, todos ellos en la misma direccion (W-E), con una frecuencia de muestreo de 8000 MHz, una ventana de tiempo de 64 ns, un paso de media de 0.01 m y separación entre perfiles de 2 m. Además se realizaron 3 perfiles en cada una de las parcelas de control (parcelas 5.1, 5.2, 5.3 y 5.4) totalizando 12 perfiles GPR. Los perfiles P1 y P2 de cada parcela se trazaron en la direccion W-E y los perfiles P3 en la direccion N-S (figura 4.15)

En el estudio realizado con el GPR se registran 5 perfiles en cada parcela sometida a tratamiento, y tres perfiles GPR en las parcelas de control para parametrizar la reflectividad del suelo natural.

Los radargramas se tratan con el programa GRADIX, y por otro lado se calcula la reflectividad de cada parcela estimando el crecimiento de las raíces en función del tratamiento aplicado en cada una de ellas. Para esta última tarea se recurre a una cuantificación de la biomasa presente en cada parcela, a través de la reflectividad de la raíces en los radargramas. Para el tratamiento de los datos se desarrolla una aplicación en Matlab, por ser imposible realizarlo con los programas comerciales.

c) Resultados

La figura 4.16 presenta algunos de los radargramas obtenidos. Estos nos indican la presencia, tamaño y profundidad de las raíces a través las reflexiones que producen.

Figura 4.15: Situación y localización de los perfiles GPR de las parcelas estudiadas


78 Capitulo 04

A partir de estos datos podemos obtener también una estimación de la densidad de las raíces en un volumen determinado.

Parcela 01_perfil 01



Parcela 01_perfil04

Parcela 01_perfil05

Figura 4.16: ejemplo de los radargramas de la parcela 01 procesados con GRADIX



Las reflexiones también pueden ser producto de las piedras del propio terreno, lo que puede crear una cierta confusión. Es por esta razón por lo que necesitamos los datos de reflectividad que nos proporcionan las parcelas de control (sin raíces). Para hacer una interpretación cuantitativa de la reflectividad de las raíces se sigue el siguiente procedimiento:

a) Se calcula de la reflectividad de cada uno de los 5 perfiles en cada parcela a lo largo de 10m (longitud del perfil) y sobre una profundidad de 2.2m

b) Al mismo tiempo se calcula la reflectividad del suelo natural (parcelas de control),

c) Esta reflectividad se sustrae de la reflectividad de los perfiles de las parcelas de ensayo, obteniendo una estimación de la reflectividad de las raíces sin el efecto del suelo.

La figura 4.17 muestra como varia, a lo largo de 10 metros de recorrido y 2.2 metros de profundidad, la reflectividad media de las raíces (línea

Figura 4.17: Ejemplo de la reflectividad media en los 5 perfiles de la parcela 1.1 (línea azul) y en una parcela de control (línea roja)


80 Capitulo 04

azul) en cada perfil de una parcela tratada.; y la reflectividad media del terreno obtenida en los perfiles del suelo de control (línea roja).

La figura 4.18 muestra una representación en volumen que nos permite observar la reflectividad media de las raíces, una vez sustraída la reflectividad del suelo, que se obtiene en los 5 perfiles de la parcela 1.1, calculado para una profundidad de 2.2 m. Esta figura nos permite tener una idea de cómo se distribuye la densidad de las raíces a lo largo de los perfiles y resalta la diferencia entre cada uno de ellos.

En la figura 4.19 se realiza una reconstitución de la distribución de la densidad de raíces en una de las parcela de ensayo, usando los datos de las estimaciones anteriores y aplicando una representación en contour del programa Matlab. Esto nos permite obtener una estimación más general sobre la distribución en planta a lo largo de 2.2 m de profundidad.

Figura 4.18: Ejemplo de la reflectividad media de la raíces en la parcela 1.1 estimada en un volumen de 10m X 10m X 2.2m



d) Conclusiones

Los radargramas aportan una idea de la presencia de raíces en las parcelas de ensayo, pero no permiten hacer una estimación directa a partir de la información que proporcionan, siendo necesario estimar y descontar la reflectividad del propio suelo.

Para tener un representación fiel de la densidad de raíces hay que realizar un número elevado de perfiles, con el fin de obtener una densidad de datos lo bastante alta y fiable para no perder información. Esto, en la práctica, es laborioso, caro y sobre todo difícil de realizar por las condiciones del terreno (árboles, vallas, desniveles, etc.).

El programa de estimación de la reflectividad, creado con Matlab, proporciona una herramienta cuantitativa para conocer la densidad media de raíces en cada parcela de ensayo. A partir de estos datos se pueden extraer conclusiones sobre la efectividad de los diferentes tratamientos aplicados a las encinas, objetivo principal de la investigación ecológica.

Figura 4.19: Ejemplo del mapa de distribución de la reflectividad de las raíces en una superficie de 10x10 m2 y una profundidad de 2,2 m, para la parcela 1.1.


82 Capitulo 04

La representación de datos utilizada permite obtener datos cuantitativos de reflectividad que no proporcionan los programas comerciales. Su interpretación resulta sencilla para personas no expertas en técnicas geofísicas. Y por último, se consigue una gran libertad a la hora de presentar los resultados, proporcionando flexibilidad para comparar los datos obtenidos, permitiendo: una visión conjunta de los valores de reflectividad de los perfiles en cada parcela individualmente, los valores por grupo (4 parcelas con el mismo tratamiento) y finalmente en general con todos los grupos.

CAPITULO 05

APLICACIÓN DEL GPR EN GEOTÉCNICA


Aplicaciones del GPR en geotécnica 85

5.1 Introducción

La alta resolución que ofrece el GPR hace que sea una de las herramientas más utilizadas en la prospección geofísica orientada a la geotécnica y la obra civil (Cimadevilla, L. E., 1996), sobre todo en la detección de cavidades (Chamberlain, A. T. et al., 2000), seguimiento de cableado y tuberías (Hunaidi, O. and Giamou, P., 1998), control de paredes (Sarri, A. et al., 2002), control de puentes (Dérobert, X. and Coffec, O., 2001), túneles (Cardarelli E. et al., 2003), firmes de carreteras (Pereira, M. et al., 2006; Dérobert, X. et al., 2001; Emmanuel, F. and Wanting, L., 2000), etc.

Durante los últimos años hemos realizado diversas investigaciones en geotécnica con el fin de enriquecer nuestra formación en este campo de trabajo, empezando por casos muy especiales como la detección de grietas en el vaso de una piscina, control de las armaduras en un puente, control de la plataforma de un parking subterráneo, control de los cimientos de un edificio, detección de cavidades y control del firme de varias carreteras, entre otros casos. De todas ellas presentaremos tres ejemplos: la detección de cavidades en una cantera de mármol, el estudio de las causas de hundimiento del firme de una carretera y el control de espesores en el firme de carreteras.

El primer caso se dedica al estudio de las cavidades. El problema de las cavidades, ya sea en canteras o en parcelas edificables, tiene una gran importancia, principalmente por la seguridad, la rentabilidad y sobre todo por la planificación de las obras y el cálculo de los cimientos en el caso de la construcción.

El segundo caso se dedica al estudio de problemas que originan el hundimiento del firme de una carretera. Situación para la que el sistema GPR ofrece un método preciso de diagnostico y control del pavimento, lo que no proporciona ninguna otra técnica. Por otra parte, estos estudios son de gran interés para la prevención y la seguridad vial. El sistema GPR permite introducir una herramienta que ofrece elevadas prestaciones para el mantenimiento de carreteras.

El tercer caso se orienta hacia el empleo de nuestro sistema GPR en un control de calidad clásico en las carreteras, como es la estimación del grosor de su firme. Opción que permite sustituir sistemas tradicionales como testigos y catas, mucho más costosos y que originan mayores problemas de fluidez en el tráfico.


86 Capitulo 05

5.2 Exploración de posibles fenómenos de karstificación en canteras de piedra ornamental

Una de las utilidades más relevante del GPR en geotecnia es la detección de cavidades y fisuras (Casas, A et al., 1996 y 1999) debido a la claridad de la firma que resalta en los radargramas, resultado del gran contraste entre el material del subsuelo en general y el aire contenido en las cavidades. En la mayoría de los casos se emplea una antena de baja frecuencia (en nuestro caso de 100 MHz) para llegar a la mayor profundidad posible, salvo casos especiales donde las oquedades son de tamaño reducido y a poca profundidad, en cuyo caso se usa una antena de frecuencia más alta (por ejemplo de 500 MHz).

La creciente demanda de piedras ornamentales, mármol y granito, en diferentes sectores propició que los profesionales de este campo se interesaran por el sistema GPR, dadas sus ventajas: alta resolución y rapidez de ejecución de los trabajos. Lo que propició una nueva utilidad para este tipo de técnica de prospección.

En este apartado presentamos un caso de detección de cavidades en una cantera de mármol (figura 5.1), desarrollando una metodología para hacer más accesible y práctica esta técnica. Esto permite obtener el máximo provecho del volumen de mármol presente y extraerlo en las mejores condiciones.

En este estudio hemos realizado la cartografía por medio de secciones verticales GPR, de volúmenes de roca de hasta 10-12 m de profundidad, sobre una cantera fuera de explotación a causa de la existencia de al menos una gran cavidad de varios m3.

La zona objeto del estudio geológico-geofísico examinada consiste en una pequeña elevación, constituida por calizas fosilíferas de grano grueso. Presenta una estratificación poco marcada y una red de diaclasado poco densa de direcciones N150-180E, N09-95E//70S, N10-15E, N45-55E y N120E//60S.

Figura 5.1: Foto de la zona de estudio.



a) Objetivos

El objetivo de la campaña consiste en contrastar las conclusiones del estudio geológico de superficie, acerca de las posibles direcciones de fisuración, así como determinar la posición y entidad de la red de fisuras y cavidades que presumiblemente afectan al macizo rocoso.

Aprovechando esta información se planteo, como segundo objetivo, la creación de un mapa para delimitar la ubicación de las cavidades, destacando las zonas de riesgo para los operadores y las maquinarias de extracción. El mapa también proporciona una orientación en la explotación, cartografiando las partes de la cantera donde se encuentra el material de calidad, sin defectos, y las partes donde hay fracturas u oquedades. Toda esta información es de gran relevancia, pues permite emprender la extracción del mármol con el máximo aprovechamiento de la zona más sana (utilizando como trazado de los cortes las líneas de fracturación existentes), mejorando el rendimiento de la misma y las condiciones de seguridad de trabajadores y maquinaria, o en otros casos saber, sin necesidad de excavar, si es beneficioso o no proceder a la explotación de una cantera nueva.

b) Trabajo de campo

De acuerdo con la información geológica disponible, y a la vista de las dimensiones de las anomalias de interés, se optó por utilizar una antena monoestática apantallada de 100 MHz de frecuencia central, capaz de alcanzar en condiciones ideales los 15 metros de profundidad.

Se obtuvieron un total de 42 perfiles longitudinales, totalizándose aproximadamente 2500 metros de perfil. Ensayando diferentes configuraciones de ventanas de tiempo y relaciones de muestreo. El comportamiento de la roca se reveló idóneo para la frecuencia empleada, permitiendo obtener claras reflexiones hasta 200-250 ns de tiempo de viaje doble. Ensayos realizados en la zona de estudio permitieron evaluar la velocidad de propagación en el mármol en alrededor de 120 m/µs.


88 Capitulo 05

A la vista de la disposición del terreno, que representamos en el plano de situación en la figura 5.2, consistente en: una explanada resultado de las labores de extracción limitada, tanto al este como al oeste, por sendas alturas aún por explotar, al norte por el camino de acceso a la explotación y al sur por la escombrera de la misma; se dividió el estudio en tres etapas:

1.- 26 perfiles paralelos de la máxima longitud posible en la explanada central de la explotación a intervalos de dos metros, numerados del 1 al 26.

2.- 6 perfiles paralelos en la altura que limita la explanada por el oeste

3.- 8 perfiles paralelos en la altura que domina a la explanada por el este, donde existen diversas construcciones de servicio de la explotación.

La disposición general de los perfiles se encuentra representada en el croquis siguiente (figura 5.3).

En el sistema de referencia que hemos utilizado se asigna la coordenada X al eje norte/sur y la coordenada Y al eje este/oeste, positiva hacia el este del punto origen y negativa hacia el oeste.

Figura 5.2: Ubicación de la zona de estudio y posición de los perfiles GPR.

Figura 5.3: Croquis de ubicación de los perfiles realizados.



El sentido de recorrido de los perfiles es de este a oeste en el caso de las etapas 1 y 2. En el caso de la etapa 3, el sentido de recorrido es de oeste a este.

Adicionalmente se realizaron dos perfiles más, uno de ellos, denominado CU, cerca de la oquedad existente, con objeto de parametrizar una imagen de la misma y el otro, denominado PAS, a lo largo del pasillo de acceso a la explotación, con lo que el total de perfiles realizados asciende a 42.

c) Resultados

A continuación presentamos los resultados obtenidos. En primer lugar los radargramas registrados y procesados, seguidos de una tabla con la posición y profundidad de las anomalías observadas en los radargramas, lo que proporciona una idea acerca de su forma y dimensiones, así como una estimación del tipo de accidente que genera la anomalía.

Dividimos la presentación de los resultados en tres bloques de acuerdo con las tres etapas en que se dividió el trabajo de campo. Al final de cada etapa presentamos una tabla con la posición de los contactos anómalos obtenidos.

Etapa 1: perfiles 1 a 26

En la figura 5.4 presentamos la disposición de los perfiles GPR en la etapa 1.

Figura 5.4: Croquis en planta de las anomalías presentes en la etapa 1.


90 Capitulo 05

P1 P2

P3 P4

P5 P6

P6VIS2 P7



P8 P9

P10 P11

P12 P13

P14 P15


92 Capitulo 05

P16 P17

P18 P19

P20 P21

P22 P23



Tabla 5.1: Detalle de anomalias registradas Perfil start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly

P1 0.0 -0.4 2.1 0.0 -3.8 5.2 User-Defined P1 0.0 -8.1 2.0 0.0 -12.6 5.5 Drum P2 2.0 -1.5 1.1 2.0 -2.9 1.9 Hyperbola P2 2.0 -7.5 1.3 2.0 -9.4 2.6 Hyperbola P2 2.0 -11.1 2.1 2.0 -13.5 5.9 User-Defined P3 4.0 -10.5 2.7 4.0 -14.4 7.0 Stratigraphy P3 4.0 -33.7 4.2 4.0 -36.8 5.6 Stratigraphy P3 4.0 -1.0 1.9 4.0 -4.2 4.5 Stratigraphy P4 6.0 -1.7 2.0 6.0 -4.4 4.8 Stratigraphy P4 6.0 -11.0 6.5 6.0 -20.0 9.8 Stratigraphy P5 8.0 -0.8 2.3 8.0 -2.9 4.9 Stratigraphy P5 8.0 -10.4 1.8 8.0 -13.3 7.1 Stratigraphy P6 10.0 -2.8 2.3 10.0 -4.2 4.4 Stratigraphy P6 10.0 -11.7 2.1 10.0 -15.4 5.6 Stratigraphy P6 10.0 -31.2 8.8 10.0 -35.2 11.1 Stratigraphy P7 12.0 -1.3 2.4 12.0 -4.2 5.5 Stratigraphy P7 12.0 -12.4 1.8 12.0 -13.0 7.4 Stratigraphy P8 14.0 -3.5 2.0 14.0 -5.4 6.3 Stratigraphy P8 14.0 -9.4 1.6 14.0 -11.3 7.2 Stratigraphy P9 16.0 -2.8 3.0 16.0 -5.1 5.3 Stratigraphy P9 16.0 -9.2 1.8 16.0 -15.0 5.6 Stratigraphy P9 16.0 -43.2 3.1 16.0 -44.8 5.2 Stratigraphy

P10 18.0 -8.6 2.4 18.0 -10.7 4.9 Stratigraphy P10 18.0 -15.4 1.9 18.0 -20.4 5.2 Stratigraphy P11 20.0 -8.1 2.1 20.0 -9.4 5.3 Stratigraphy

P24 P25

P26


94 Capitulo 05

Es de destacar la existencia de una zona de fracturación asociada con la presencia de fracturas y cavidades que recorre en dirección aproximada NNW-SSE de la zona de trabajo, interesando una franja de 3 a 6 metros de anchura promedio. A ambos lados de esta zona de fracturación, la masa rocosa se presenta sana.

Etapa 2: Perfiles 27 a 32

En la figura 5.5 presentamos la disposición de los perfiles GPR en la etapa 2.

Perfil start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly P11 20.0 -13.4 1.9 20.0 -21.3 8.9 Stratigraphy P11 20.0 -46.0 3.4 20.0 -46.8 5.4 Stratigraphy P12 22.0 -1.8 5.2 22.0 -3.7 7.7 Stratigraphy P12 22.0 -11.6 2.4 22.0 -16.2 5.3 Stratigraphy P12 22.0 -18.3 1.6 22.0 -21.3 11.2 Stratigraphy P12 22.0 -46.7 1.8 22.0 -47.3 4.2 Stratigraphy P13 24.0 -15.0 2.0 24.0 -22.3 12.0 Stratigraphy P13 24.0 -43.1 2.0 24.0 -45.9 5.0 Stratigraphy P14 26.0 -7.0 1.4 26.0 -9.4 5.9 Stratigraphy P14 26.0 -15.9 1.6 26.0 -22.0 10.3 Stratigraphy P14 26.0 -42.8 1.4 26.0 -43.6 4.8 Stratigraphy P15 28.0 -16.2 2.2 28.0 -18.5 5.0 Stratigraphy P15 28.0 -19.4 1.2 28.0 -23.3 8.9 Stratigraphy P15 28.0 -41.4 1.1 28.0 -44.7 5.6 Stratigraphy P16 30.0 -16.4 1.56 30.0 -20.7 4.89 Stratigraphy P16 30.0 -17.9 7.25 30.0 -24.3 8.90 Stratigraphy P16 30.0 -40.8 1.69 30.0 -43.2 2.16 Stratigraphy P17 32.0 -14.7 1.4 32.0 -23.0 8.5 Stratigraphy P18 34.0 -15.3 1.2 34.0 -21.7 5.8 Stratigraphy P18 34.0 -0.2 3.8 34.0 -0.9 6.6 Stratigraphy P19 36.0 -0.2 1.7 36.0 -2.0 6.3 Stratigraphy P19 36.0 -0.5 8.1 36.0 -5.1 11.4 Stratigraphy P19 36.0 -14.4 1.9 36.0 -20.0 7.3 Stratigraphy P20 38.0 -18.1 2.2 38.0 -21.4 7.0 Stratigraphy P21 40.0 -10.1 7.0 40.0 -11.3 12.9 Stratigraphy P21 40.0 -17.7 1.3 40.0 -20.6 5.5 Stratigraphy P21 40.0 -23.8 2.0 40.0 -25.7 2.7 Stratigraphy P22 42.0 -17.3 3.0 42.0 -20.3 5.2 Stratigraphy P23 44.0 -10.1 6.6 44.0 -11.0 11.6 Stratigraphy P23 44.0 -19.3 4.3 44.0 -21.7 5.9 Stratigraphy P23 44.0 -23.5 3.4 44.0 -25.5 4.9 Stratigraphy P24 46.0 -10.3 5.0 46.0 -11.1 12.1 Stratigraphy P24 46.0 -19.6 1.1 46.0 -22.7 3.3 Stratigraphy P25 48.0 -14.4 2.4 48.0 -15.5 5.3 Stratigraphy P25 48.0 -18.8 2.0 48.0 -20.0 4.6 Stratigraphy P25 48.0 -10.1 3.2 48.0 -10.8 8.1 Stratigraphy P26 50.0 -12.4 3.3 50.0 -15.7 6.4 Stratigraphy P26 50.0 -21.9 3.6 50.0 -23.3 5.2 Stratigraphy P26 50.0 -25.2 1.1 50.0 -27.3 3.6 Stratigraphy



P27-18 P28-19

P29-26 P30

P31 P32



96 Capitulo 05

Tabla 5.2: Detalle de anomalias registradas Perfil start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly

P27-18 34.0 -45.7 1.4 34.0 -46.6 2.7 Stratigraphy P28-19 36.0 -42.3 2.5 36.0 -44.2 7.3 Stratigraphy P29-26 50.0 -46.5 2.4 50.0 -52.2 6.0 Stratigraphy

P30 67.0 -43.4 2.2 67.0 -44.8 4.4 Stratigraphy P30 67.0 -49.3 1.0 67.0 -51.4 3.2 Stratigraphy P30 67.0 -57.7 1.2 67.0 -59.5 3.3 Stratigraphy P31 70.0 -42.3 2.5 70.0 -43.6 3.9 Stratigraphy P31 70.0 -49.6 1.2 70.0 -50.1 2.0 Stratigraphy P31 70.0 -55.5 2.6 70.0 -56.4 4.1 Stratigraphy P31 70.0 -59.6 1.3 70.0 -60.8 2.2 Stratigraphy P32 73.0 -47.8 2.5 73.0 -49.3 4.1 Stratigraphy P32 73.0 -54.0 1.1 73.0 -56.8 4.3 Stratigraphy

Etapa 3: Perfiles 33 a 40

Presentamos la disposición de los perfiles GPR de la etapa 3 en la siguiente figura.


P33-13 P34-15



Tabla 5.4: Detalle de anomalias registradas Perfil Start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly

P33-13 24.0 5.0 1.9 24.0 9.2 9.1 Stratigraphy P33-13 24.0 17.6 2.9 24.0 20.5 5.4 Stratigraphy P33-13 24.0 23.8 5.4 24.0 25.5 8.7 Stratigraphy P34-15 28.0 2.3 2.1 28.0 3.7 4.2 Stratigraphy P35-17 32.0 0.1 2.1 32.0 0.6 3.6 Stratigraphy P35-17 32.0 2.4 2.0 32.0 2.9 3.2 Stratigraphy P36-19 36.0 5.7 2.7 36.0 6.7 8.9 Stratigraphy P37-21 40.0 18.0 1.8 40.0 19.8 3.6 Stratigraphy P37-21 40.0 23.6 1.7 40.0 26.3 6.8 Stratigraphy P37-21 40.0 31.2 2.0 40.0 32.8 3.9 Stratigraphy P37-21 40.0 44.6 1.2 40.0 46.1 4.6 Stratigraphy P37-21 40.0 55.7 1.9 40.0 57.6 11.5 Stratigraphy

P35-17 P36-19

P39-17 P40-15

P37-21 P38-19


98 Capitulo 05

Perfil Start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly P38-19 36.0 32.0 1.5 36.0 38.0 2.8 Stratigraphy P38-19 36.0 46 1.5 36.0 51 2.1 Stratigraphy P39-17 32.0 42.5 2.3 32.0 46.8 4.1 Stratigraphy P40-15 28.0 31.3 6.8 28.0 32.3 9.2 Stratigraphy

d) Conclusiones

En este estudio geológico-geofísico hemos comprobado las buenas prestaciones que ofrece el sistema GPR para la explotación provechosa de una cantera de mármol. En este tipo de terreno la onda electromagnética tiene una buena propagación, con escasa dispersión y atenuación, permitiendo detectar fácilmente las alteraciones. A partir del mapeo de las fisuras se puede trazar un plan de extracción más rentable.

En el área estudiada se reconocen dos zonas de alteración: Una zona superficial, de 4-8 metros de potencia, muy fracturada, brechificada y karstificada. Y una zona inferior, de al menos 10 metros de espesor, más homogénea y compacta, solo atravesada por la red de conductos kársticos.

De los radargramas se deduce la existencia de una dirección principal de fracturación, en dirección NNW-SSE (fig. 5.7), a lo largo de la cual se observan las principales anomalías.

Estas se muestran como un conjunto de cavidades y fisuras interconectadas, afectando principalmente a la dirección indicada, con profundidades y dimensiones variables. En algunos casos las cavidades son de dimensiones métricas y se encuentran a poca distancia de la superficie, con el consiguiente riesgo de colapso.

Por lo que respecta a las anomalias contenidas en las etapas segunda y tercera, parecen de menor entidad que las contenidas en la primera etapa. Si bien las condiciones de la Figura 5.7: Situación final de las anomalias detectadas.



medida han sido peores debido a la irregularidad e inclinación del terreno.

A partir de la distribución de anomalías registradas en el área de estudio (figura 5.7), se puede elegir un modo más eficaz y rentable de realizar los cortes para la explotación de la cantera. La elección de los sitios tiene que coincidir con las zonas fracturadas o con oquedades (anomalías marcadas en la figura 5.7). De esta forma se puede obtener una mayor rentabilidad en la extracción del mármol, aprovechando al máximo las zonas donde el material es más homogéneo.

El conocimiento de las anomalías también permite obtener un mayor rendimiento de la maquinaria, así como mejorar las condiciones de seguridad de trabajadores al poder situar las zonas donde puede existir peligro de hundimiento.

A la vista de los resultados obtenidos en este estudio resaltamos también la gran utilidad que el sistema GPR puede tener en la explotación de nuevas canteras. Realizar un estudio previo mediante ese sistema se revela fundamental, ya que la información obtenida proporciona indicios claros sobre si la nueva explotación puede ser o no rentable.

5.3 Tomografía GPR de segmentos de pavimento de una carretera

El buen estado de las carreteras es un elemento fundamental para la seguridad vial, lo que incita a los profesionales de este sector a buscar métodos eficaces y rápidos para detectar problemas en el firme. En este caso el GPR se presenta como un método rápido, no invasivo, simple de aplicación y de gran resolución para estos trabajos.

a) Objetivos

En vista de las deformaciones observadas en tres secciones de pavimento alrededor de los puntos kilométricos PK.10.2 (figura 5.8), PK.11.8 y PK.12.0, de la carretera CV91, se pretende determinar el origen, alcance en profundidad y dimensiones horizontales de las mismas.


100 Capitulo 05

Además, y con la finalidad de mejorar la presentación de la información recabada con el sistema GPR, nos proponemos diseñar un procedimiento para la toma de datos, y el software necesario, que nos permita obtener imágenes tridimensionales de las deformaciones.

Toda esta información es fundamental para la empresa constructora en la tarea de definir posteriormente el tipo de obra correctora necesaria.

b) Trabajo de campo

Para realizar este estudio se programan una serie de 59 perfiles, con separación entre perfiles de 0.5 metros, realizados todos ellos con antenas de 100 MHz adaptándonos al espacio disponible en superficie. Se utiliza una frecuencia de muestreo de 2000 MHz, una ventana de tiempo de registro de 256 ns (512 muestras por traza) y un intervalo entre cada traza de 0.5 m.

De ellos se obtuvieron 19 perfiles en cada uno de los puntos kilométricos PK 10.2 y PK 11.8. Los 21 perfiles restantes se obtuvieron alrededor del punto kilométrico PK 12.0.

La planificación de este procedimiento de trabajo se basó en anteriores experiencias sobre pavimentos decidiéndose, en este caso, separar los pulsos una distancia equivalente a la separación entre perfiles, con

Deformación de la calzada

Guías para los perfiles GPR

Figura 5.8: Foto de la posición de los perfiles del PK12.0.



objeto de obtener sobre la superficie una densidad de medidas similar en ambas direcciones.

Para ello se realizan pequeños taladros, sobre el eje transversal de la carretera, a distancia de 50 cm, en los que se insertaron los soportes de las guías. A continuación se extienden las mismas definiéndose así las direcciones de los perfiles, paralelos al eje longitudinal de la calzada (figura 5.9).

La longitud de los perfiles es del orden de 50 metros lineales para cada uno, con sentido de recorrido de este a oeste. Los puntos de inicio de cada perfil han quedado señalizados sobre el terreno coincidiendo el origen del perfil 01 de cada P.K. con las coordenadas (0,0). En todos los casos el perfil 01 se toma sobre el arcén de la carretera más alejado del rio, creciendo las coordenadas X hacia el oeste e Y hacia el sur.

c) Resultados y secciones GPR

A continuación presentaremos las 59 secciones GPR obtenidas con Gradix, distribuidas entre los tres puntos kilométricos de referencia. La profundidad útil de la investigación, entre 2.5 y 3.5 metros, es bastante menor que la que se deriva de la combinación de la velocidad de propagación y longitud de la ventana de tiempo utilizada, lo que estimamos se debe a la presencia del nivel freático cerca de la superficie. En caso de agua rica en iones salinos el horizonte límite de la resolución de la antena se reduce drásticamente, como vemos.

La conversión de la escala de tiempo en escala de profundidad se ha realizado con una velocidad de propagación constante de 90 m/µs, obtenida mediante ensayos paramétricos en terrenos de similares características.

Figura 5.9: Vista de las guías y paso de la antena de 100 MHz


102 Capitulo 05

Punto kilométrico PK 10.2

Figura 5.10: Zona explorada alrededor del PK. 10.2. Origen y sentido de los perfiles.

P01 P02

P03 P04



P06 P05

P07 P08

P09 P10

P12 P11


104 Capitulo 05

P14 P13

P16 P15

P17 P18

P19



Se observa en el perfil 01 la existencia de subsidencia en el terreno entre los metros 20 a 40 que, dentro de las posibilidades de la antena, parece afectar a una columna de al menos 2.5- 3 metros de espesor.

Esta anomalía estratigráfica permanece estable los cuatro primeros perfiles, desplazándose para iniciarse en el metro 15, es decir, ampliando su traza entre los perfiles 5 y 12, a la vez que parece disminuir su afección en profundidad.

A partir del perfil 13 se atenúa, siendo sustituida por anomalías puntuales de menor entidad, hasta volver a reaparecer, menos definida que al principio, entre los perfiles 17 a 19.

Todo permite suponer la existencia en el subsuelo de sedimentos poco consolidados en esta área, que se pueden atribuir a la presencia en el inmediato subsuelo de lechos antiguos, paleocauces o meandros abandonados.


Figura 5.11: Zona explorada alrededor del PK. 11.9 origen y sentido de los perfiles.


106 Capitulo 05

P01 P02

P05 P06

P07 P08

P09 P10



P11 P12

P13 P14

P15 P16

P17 P18


108 Capitulo 05

En este conjunto de perfiles, obtenidos alrededor del P.K. 11.8, es de destacar la clara vergencia estratigráfica que afecta a toda la longitud de los perfiles en el sentido de avance de los mismos. En particular, entre los perfiles 1 a 12, se observa una primera zona de subsidencia entre los metros 20 a 30, seguida a continuación por un abombamiento que sugiere un empuje, metros 30 a 40, seguido de una nueva área de depresión que se prolongaría más allá de los límites del trazado. También como en el caso anterior, el área de subsidencia parece, dentro de la vergencia general, desplazarse diagonalmente hacia los primeros 10-20 metros de los perfiles a partir de perfil 13 y siguientes. En su conjunto, el fenómeno afecta a una columna de entre 2 y 3 metros de profundidad.

La interpretación geológica es similar a la anterior suponiendo se trata de la presencia bajo el trazado de sedimentos menos consolidados o más recientes.


PER19

Figura 5.12: Zona explorada alrededor del PK. 12.03 Origen y sentido de los perfiles.



P02 P01

P04 P03

P06 P05

P08 P07


110 Capitulo 05

P09 P10

P12 P11

P14 P13

P16 P15



Finalmente, la observación del conjunto de perfiles obtenidos sobre el P.K. 12.0, delata la presencia clara de un área de subsidencia con buena definición entre los metros 20 a 35 de los primeros perfiles, es decir perfiles 1 a 6, con una penetración que afecta a los tres primeros metros de espesor. Esta área deprimida se propaga como en los casos anteriores hacia los metros iniciales del perfil, a medida que estos se alejan del cauce del rio, localizándose en los perfiles del 19 en adelante entre los metros 10 y 25.

P18 P17

P20 P19

P21


112 Capitulo 05

Es de señalar, en todos los perfiles obtenidos sobre este punto kilométrico, anomalías espúreas o artefactos que aparecen al inicio y al final de cada perfil y no tienen significado geológico. Se producen como consecuencia de usar hilo conductor para el trazado preliminar de los perfiles y desaparecieron en los PK restantes al sustituir por cordel al cable de trazado.

d) Representaciones en 3-D

Dado el procedimiento regular de espaciar la toma de datos en forma cuadrada (misma distancia de separación entre perfiles que entre pulsos), ha sido posible la obtención de imágenes tridimensionales de los perfiles realizados en cada uno de los puntos kilométricos. El eje X es paralelo a la carretera, el Y transversal, ambos en metros y el Z la profundidad vertical (expresada en nanosegundos en el radargrama).

Para ello se han preparado los ficheros de entrada adecuados, conteniendo toda la información y características geométricas de los perfiles, los cuales han sido exportados a un programa de representaciones volumétricas.

En lo que sigue presentamos algunos de los rasgos más destacados de las representaciones obtenidas

d.1) Punto kilométrico 10.2:

La figura 5.13 representa la reconstrucción volumétrica de los datos obtenidos en el punto este punto.

Figura 5.13: Representación del volumen estudiado con GPR del .P.K.10.2. En primer plano corresponde al perfil 01.



-Representación del corte en el Plano XZ de la sección volumétrica. El plano representado es el perfil P01:

Se observa la zona sana o no afectada por la subsidencia al inicio del perfil, seguida a partir del metro 20 por el área afectada.


En este caso se presenta el perfil 19, apreciándose el inicio de las anomalías sobre el metro 10.

Figura 5.14: Representación en curvas de iso-intensidad del corte XZ de los perfiles GPR del P.K. 10.2 (primer perfil P01).

Figura 5.15: Representación en curvas de iso-intensidad del corte XZ de los perfiles GPR del P.K. 10.2 (plano representado perfil P19).


114 Capitulo 05

-Representación del corte en el Plano XY de la sección volumétrica:

Se observa la zona sana o no afectada por la subsidencia al inicio del plano, seguida a partir del metro 20 por el área afectada. También destaca la orientación transversal de la anomalía.

d.2) P.K.11.8

-Representación de la reconstrucción 3D de los datos GPR obtenidos en la zona de estudio. El primer plano corresponde al perfil 01.

Se observa la ligera vergencia que afecta a todo el volumen.

Figura 5.16: Representación en curvas de iso-intensidad del corte XY en el tiempo de los perfiles GPR del P.K. 10.2.





Se observa tanto la vergencia general como el inicio del área de subsidencia entre los metros 15 y 20.


En esta figura apreciamos el inicio de las anomalías sobre el metro 10 y la vergencia general del corte, la anomalía se propaga incluso por debajo de la zona sana de la carretera a partir del metros 30.

Figura 5.17: Representación en curvas de iso-intensidad del corte XZ de los perfiles GPR del P.K. 11.8 (primer perfil P01).

Figura 5.18: Representación en curvas de iso-intensidad del corte XZ de los perfiles GPR del P.K. 11.8 (plano representado perfil P19).


116 Capitulo 05


En la presente sección observamos que entre los metros 15 y 20 aparece la anomalía que corta transversalmente a la planta de la carretera.

d.3) P.K.12.0

-Representación de la reconstrucción 3D de los datos GPR obtenidos en la zona de estudio. El primer plano corresponde al perfil 01.

En este caso la anomalía estratigráfica aparece muy marcada y localizada entre los metros 20 y 35.






Destaca la entidad y localización precisa de la anomalía estratigráfica que parece propagarse en profundidad algo más que en los puntos anteriores


En esta figura se observa el desplazamiento de las anomalías hacia el inicio del perfil y su pérdida de definición y profundidad.

Figura 5.21: Representación en curvas de iso-intensidad del corte XZ de los perfiles GPR del P.K. 12.0 (primer perfil P01)

Figura 5.22: Representación en curvas de iso-intensidad del corte XZ de los perfiles GPR del P.K. 12.0 (Perfil representado P19).


118 Capitulo 05


La planta de la anomalía atraviesa diagonalmente la traza de la carretera.

e) Conclusiones

Dada la cantidad y calidad de los datos obtenidos, el sistema GPR se revela como una herramienta sumamente eficaz para el estudio de las causas de deformaciones en el firme de carreteras, sustituyendo a técnicas invasivas mucho más laboriosas y costosas de ejecutar.

En los tres casos estudiados, la perfilación por medio de GPR ha puesto de manifiesto la presencia de fuertes deformaciones estratigráficas que afectan al menos a los tres primeros metros del subsuelo. La penetración del GPR se ha visto mermada por la presencia del nivel freático.

La entidad de las deformaciones y su evolución sobre el eje longitudinal de la carretera ha quedado registrada en todos los casos, sugiriendo una combinación de vergencia suave y generalizada hacia el oeste combinada con subsidencia de tipo local.

En planta, las áreas de subsidencia atraviesan diagonalmente el trazado de la carretera con orientación hacia el inicio de los perfiles, como se puede observar en las secciones de tiempo constante o XY.




De la morfología y entidad de las anomalías estratigráficas observadas a lo largo de la campaña, parecen deducirse en su origen la existencia de asientos diferenciales provocados por el diferente grado de compactación de los materiales del subsuelo.

Ello encajaría con la posible presencia de paleocauces o segmentos de meandros abandonados asociados al cauce actual del río Segura.

N.B:

Dado el gran volumen de datos y representaciones, posibles en el dominio volumétrico, hemos incorporado al CD-ROM que acompaña al presente trabajo una serie de ellas, en formato de video, compatible (AVI), con objeto de su reproducción y el estudio de sus características.


120 Capitulo 05

5.4 Control de espesores en los firmes de carreteras: El control de calidad clásico en las obras de carreteras representa un tema complicado y laborioso. Esta tarea generalmente se realiza mediante métodos tradicionales como testigos y catas.

La aplicación de estos métodos de control generan problemas en la fluidez de la circulación de los vehículos y moviliza grandes medios técnicos y humanos, lo que repercute en un coste elevado para cada control, cubriendo solo zonas puntuales de la carretera.

Para solucionar estos problemas y buscar un nuevo método de control, los especialistas en carreteras han recurrido al GPR como aplicación para la identificación de los firmes y el cálculo de sus espesores (Cimadevilla, L. E., 1996, Saarenketo, T., 1998 y 1999, Dérobert, X. et al., 2001, Emmanuel, F. and Wenting, L., 2000, Saarenketo, T. and Scullion, T., 2000, Saarenketo T et al. 2002, Fauchard C. et al 2003, AL-Qadi I.L. and Lahouar, S., 2004 y 2005, Cherif, A. Y. and Majidzadeh, T., 2006, Loizos, A. and Plati, C., 2007, Lahouar, S. and Al-Qadi, I. L., 2008).

En la mayoría de los casos encontrados en la literatura relacionados con este tema se utilizaron antenas GPR tipo air-coupled, mientras que existe pocos estudios se aplicaron antenas tipo bowties o ground –coupled (Saarenketo, T. and Scullion, T., 2000, Huisman, J. A. et al., 2003, Giannopoulos, A. and Diamante, N., 2004).

El mayor uso de las antenas de tipo air-coupled en estos trabajos se debe a que el pulso del suelo se registra separado del pulso de aire, permitiendo tener unas señales fáciles de interpretar. Además se trabaja con ellas elevadas a cierta altura sobre el suelo permitiendo mayor velocidad en la toma de datos que con las antenas ground –coupled, sin embargo con estas últimas se obtiene una mayor profundidad de penetración.

a) Objetivos

En este trabajo pretendemos:

Utilizar nuestro sistema GPR con la antena de 500 MHz apantallada tipo bowtie para el estudio de los espesores de las capas del asfalto en diferentes obras de carreteras.

Comparar nuestros resultados con los diferentes trabajos que se encuentran en la literatura y con los datos obtenidos en las catas y sondeos.



Crear un programa (ASCAP) para calcular los parámetros (constante dieléctrica y espesores) de las capas de asfalto que constituyen el firme de una carretera a partir de los registros GPR.

Automatizar la detección de las reflexiones de cada una de las capas y aplicarlo a lo largo de un perfil o un conjunto de perfiles.

Representar los datos obtenidos (valor de las constantes dieléctricas y los espesores de las diferentes capas) en planta con Surfer.

b) conceptos del programa ASCAP:

El programa que hemos desarrollado permite obtener los valores de las constantes dieléctricas de la primera y segunda capa del asfalto y sus correspondientes espesores. Para ello usamos las ecuaciones descritas en la literatura, que seguidamente vamos a exponer.

Es importante destacar que para cada lugar donde se realizan las mediciones es necesario realizar los ensayos de calibración y registros de referencia de la máxima reflectividad de la antena usada.

Estos registros se obtienen midiendo con la antena puesta sobre una placa metálica de 1X1m. Además de este ensayo, también se efectúa otro con la antena a 0.5m de altura de la placa metálica para distinguir claramente la reflexión de la placa metálica de la onda de aire y estudiar así sus características.

Estas señales se utilizan como referencia para la comparación de las atenuaciones que sufre señales reflejadas por el suelo (Saarenketo, T. and Scullion, T., 2000, Cherif, A. Y. and Majidzadeh, T., 2006, Lahouar, S. and Al-Qadi, I.L., 2008).

El método establecido para medir en los puntos de referencia (puntos previstos para realizar sondeos o catas), consiste en medir perfiles de 4m a 10m de longitud centrados en los puntos en cuestión. De esta manera eliminamos los efectos locales del terreno que alteran los resultados si se realiza medidas estáticas.

Para la comparación de los pulsos se calcula la media de un número determinado de trazas alrededor del punto marcado y se compara con la señal de referencia (señal registrada encima de la placa).

Esta comparación nos permite obtener el coeficiente dieléctrico de la primera capa de asfalto aplicando la ecuación 5.1 (Saarenketo, T. and


122 Capitulo 05

Scullion, T., 2000, Huisman, J.A. et al., 2003, Cherif, A.Y. and Majidzadeh, T., 2006, Giannopoulos, A. and Diamante, N., 2004, Liosos, A. and Plati, C., 2007)

( )( )

2

1

11 1

1⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+

=m

m

AAAA

ε 5.1

Donde 1ε es la constante dieléctrica relativa de la primera capa del asfalto, A1 amplitud de la reflexión de la superficie de la primera capa de asfalto, Am amplitud de la reflexión de la onda electromagnética en la placa metálica (figura 5.27).

El conocimiento de la constante dieléctrica relativa 1ε nos permite calcular el espesor de La primera capa del asfalto (h1) a partir de la ecuación 5.2 (Saarenketo, T. and Scullion, T., 2000, Giannopoulos, A. and Diamante, N., 2004, Liosos, A. and Plati, C., 2007):

Figura 5.27: ventana del programa ASCAP para selección de los picos de amplitud de referencia (en negro la traza registrada sobre la placa y en rojo la traza medida sobre el asfalto).



1

11 2 ε

tch ∆×= 5.2

Donde h1 es el espesor de la primera capa de asfalto, c la velocidad de la luz en el vacío y 1t∆ es el tiempo de medido entre los picos A1 y A2 (figura 5.27).

La constante dieléctrica relativa de la segunda capa se puede calcular de dos formas:

a) Según Sarrenketo (Saarenketo, T. and Scullion, T.,2000, Cherif, A.Y. and Majidzadeh, T., 2006, Liosos, A. and Plati, C., 2007):

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−

=

mm

mm

AA

AA

AA

AA

2

2

1

2

2

1

12

1

1εε 5.3

b) Según Scullion (Giannopoulos, A. and Diamante, N., 2004):

2

1

2

1

1

1

2

1

1

12

14

14

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+−

−−

=

AAAA

εεεε

εε 5.4

El espesor de la segunda capa (h2) se calcula mediante la expresión 5.5:

2

22 2 ε

tch ∆×= 5.5

Donde h2 es el espesor de la segunda capa de asfalto, c la velocidad

de la luz en el vacío y 2t∆ es el tiempo de medido entre los picos A2 y A3

(figura 5.27).

Todos estos cálculos se han integrados en el programa ASCAP de tal manera que se ejecutan automáticamente, usando los botones medir 1, medir 2 y medir 3 de la caja que contiene las dos ondas de comparación (la reflejada por la placa metálica y la reflejada por el asfalto).


124 Capitulo 05

Los diferentes botones ejecutan los siguientes cálculos:

Medir 1: aplica las ecuaciones que usa Scullion (ecuación 5.4).

Medir 2: aplica las ecuaciones que usa Sarrenketo (ecuación 5.3).

Medir 3: aplica las ecuaciones de Scullion (ecuación 5.4) tratando un perfil completo, en esta secuencia del programa se realiza una suavización de las señales registradas mediante una decimación del perfil, creando una traza media a partir de 4 señales adyacentes.

Esta opción, guarda los resultados en archivos.

c) Metodología

Los registros GPR se programaron alrededor de puntos específicos donde se había previsto realizar catas (Almoradí y aeropuerto de Alicante) y sondeos (Bigastro, y aeropuerto de Alicante), con la idea de comprobar los datos obtenidos por el GPR y nuestro programa con los datos reales de las catas y de los sondeos.

Por ello, se registraron perfiles de 4 m centrados en los puntos previstos para los sondeos y 10 m centrados en los puntos previstos para las catas.

En el caso del aeropuerto, aprovechando la disponibilidad de información y regularidad de las capas de asfalto en la plataforma estudiada, se realizaron 20 perfiles paralelos de 50 m de largo y una separación entre perfil de 1 m. Se comprobó los resultados de los registros GPR gracias a los datos obtenidos en 7 sondeos realizados en la zona de estudio.

d) Trabajo de campo

En esta parte presentamos los resultados obtenidos con la antena de 500 MHz, aunque se trabajo también con la antena de 1 GHz. Como hemos comentado antes, por un problema de ringing de esta antena no se pudieron aprovechar los resultados.



Bigastro:

Los siguientes ensayos se realizaron en una rotonda al norte de Bigastro, Alicante, en la carretera CV95.

En este trabajo se tomaron 6 perfiles de 4m de longitud centrados en 6 puntos distribuidos de manera simétrica alrededor de la rotonda (figura 5.28).

Estos puntos sirven a posteriori como referencia para sacar testigos. Para cubrir toda la zona de estudio, se tomaron 2 perfiles circundantes a la rotonda el primero por el carril exterior y el segundo por el interior.

Antes de empezar la toma de datos, en los diferentes puntos de referencia realizamos una medida de calibración de la onda registrada por el GPR encima de una placa metálica en situ.

Almoradí:

Se registraron dos perfiles GPR con sus correspondientes registros de reflectividad en dos puntos al este de Almoradí, en la avenida de Algorfa (Figura 5.29).

Una vez marcados los puntos de referencia se procedió a medir los registros de calibración con la placa metálica y los perfiles GPR para el estudio. Una vez obtenidos los registros se realizó una cata de 1X0.5 m en cada uno de los puntos de referencia.

Figura 5.29: Posición de los Puntos de referencia.

Figura 5.28: Posición de los testigos.


126 Capitulo 05

Aeropuerto de Alicante:

El estudio se ubica en la nueva plataforma realizada para ser la zona de aparcamiento de aviones, situada al este de la nueva terminal del aeropuerto de Alicante (figura 5.30).

Se registraron 20 perfiles con 1m de separación en un cuadro de 19 m X 50 m.

e) Resultados

En el siguiente apartado presentamos los diferentes radargramas registrados en cada sitio y la comparación entre los datos de catas y sondeos y los obtenidos por nuestra investigación.

Bigastro:

En la zona de trabajo alrededor de la rotonda situada al norte de Bigastro, Alicante. Se obtuvieron 6 perfiles GPR (4 m de longitud) y sus correspondientes sondeos, además de dos perfiles alrededor de la rotonda, el primero en el carril interior de 118.23 m y el segundo en el carril exterior de 145.02 m.

En las siguientes figuras se puede observar cada perfil con su correspondiente testigo (posición del sondeo en el metro 2) y los dos perfiles interno y externo alrededor de la rotonda:

Figura 5.30: Zona de estudio GPR (en azul) en la nueva Terminal del aeropuerto de alicante



T01

18.3 cm

T02

25.5 cm

T03

22.8 cm

T04

25 cm

T05

22 cm

T06

31.5 cm


128 Capitulo 05

En las siguientes tablas (5.1, 5.2 y 5.3) presentamos los resultados de las estimaciones de los espesores del paquete de firme con el Programa ASCAP a partir de las medidas con el GPR:

Tabla 5.1: Espesores de las capas de asfalto obtenido con el programa ASCAP usando el pulso de de reflexión sobre la placa metálica como referencia de reflectividad

Medir 1 Perfil e1 e2 v1(cm/ns) v2(cm/ns) h1(cm) h2(cm) Espesor del testigo (cm)

T1 41.64 115.09 4.64 2.72 11.3 3.3 18.3 T2 9.56 24.53 9.70 6.05 20.0 6.3 25.5 T3 22.15 47.91 6.37 4.33 15.8 6.0 22.8 T4 8.69 24.20 10.17 6.09 22.2 7.3 25.0 T5 50.32 223.48 4.22 2.00 10.3 2.7 22.0 T6 13.34 26.64 8.21 5.81 23.5 8.2 31.5


T1 41.38 114.42 4.66 2.80 11.3 3.3 18.3 T2 9.56 24.53 9.70 6.05 20.2 6.0 25.5 T3 22.00 46.68 6.39 4.39 15.9 6.0 22.8 T4 8.88 24.95 10.06 6.00 22.0 7.4 25.0 T5 52.96 250.23 4.12 1.89 10.0 2.5 22.0 T6 13.46 27.00 8.17 5.77 23.4 7.9 31.5


T1 43.40 122.26 4.55 2.71 11.1 3.2 18.3 T2 9.56 24.15 9.7 6.1 20.0 6.2 25.5 T3 22.42 48.76 6.33 4.29 15.7 6.0 22.8 T4 8.88 24.56 10.06 6.05 21.8 7.3 25.0 T5 51.62 232.9 4.17 1.96 10.1 2.6 22.0 T6 13.55 27.17 8.14 5.75 23.4 8.1 31.5

Perfil del carril interno de la rotonda Perfil del carril externo de la rotonda



Tabla 5.2: Espesores de las capas de asfalto obtenido con el programa ASCAP usando el pulso de reflexión a 0.5 m de altura de la placa metálica como referencia de reflectividad


T1 20.45 39.72 6.63 4.75 16.1 5.6 18.3 T2 6.76 14.27 11.53 7.93 23.6 8.1 25.5 T3 13.13 23.07 8.27 6.24 20.6 8.5 22.8 T4 6.41 14.81 11.84 7.79 25.8 9.5 25.0 T5 24.27 64.32 6.08 3.74 14.7 4.8 22.0 T6 9.00 15.31 9.99 7.66 28.7 10.5 31.5


T1 20.79 41.19 6.57 4.67 16.1 5.5 18.3 T2 6.87 14.56 11.44 7.86 23.5 7.9 25.5 T3 13.20 23.19 8.25 6.22 20.4 8.6 22.8 T4 6.35 14.46 11.9 7.88 26.0 9.5 25.0 T5 24.00 64.35 6.12 3.73 14.9 4.8 22.0 T6 9.10 15.65 9.93 7.58 28.4 10.4 31.5


T1 21.13 42.02 6.52 4.62 15.9 5.4 18.3 T2 6.80 14.35 11.49 7.91 23.6 8.1 25.5 T3 13.20 23.19 8.25 6.22 20.4 8.5 22.8 T4 6.35 14.16 11.90 7.88 26.2 9.4 25.0 T5 24.13 65.15 6.10 3.71 15.0 4.9 22.0 T6 9.10 15.69 9.93 7.57 28.2 10.6 31.5

Tabla 5.3: Espesores de las capas de asfalto obtenido con el programa ASCAP usando el pulso del aire como referencia de reflectividad


T1 15.55 27.42 7.60 5.72 18.3 6.8 18.3 T2 5.95 11.74 12.29 8.75 25.4 9.0 25.5 T3 10.43 17.09 9.28 7.25 23.0 9.9 22.8 T4 5.48 11.62 12.80 8.80 28.1 10.7 25.0 T5 17.80 40.65 7.10 4.70 17.2 6.3 22.0 T6 7.64 12.36 10.85 8.53 30.8 12.1 31.5


T1 15.94 28.72 7.51 5.59 18.3 6.6 18.3 T2 5.89 11.57 12.35 8.81 25.5 8.9 25.5 T3 10.65 17.52 9.19 7.16 22.8 9.8 22.8 T4 5.48 11.62 12.80 8.80 27.7 10.8 25.0 T5 18.09 41.48 7.05 4.65 17.0 6.2 22.0 T6 7.58 12.28 10.88 8.55 31.4 11.9 31.5


T1 15.55 27.42 7.60 5.72 18.3 6.6 18.3 T2 5.99 11.67 12.25 8.77 25.1 9.1 25.5 T3 10.72 17.63 9.16 7.14 22.8 9.7 22.8 T4 5.53 11.79 12.74 8.73 27.8 10.7 25.0 T5 17.80 40.65 7.10 4.70 17.3 6.2 22.0 T6 7.73 12.54 10.78 8.47 30.8 11.9 31.5

De los resultados obtenidos con el programa ASCAP, observamos que usando una antena de tipo bow-tie se obtiene mejor resultados con los


130 Capitulo 05

diferentes métodos cuando se toma como referencia la onda de aire en los cálculos (tabla 5.3).

Los resultados obtenidos en la tabla 5.3 son los que mejor se ajustan a los espesores del asfalto.

El valor de las constantes dieléctricas relativas se conserva en los rangos normales para este tipo de material (Saarenketo, T. and Scullion, T., 2000, Giannopoulos, A. and Diamante, N. 2004, Cherif, A. Y. and Majidzadeh, T., 2006).

El error obtenido en los diferentes cálculos, excepto en el T4 y el T5, oscila entre 0.1 cm y 0.4 cm.

El error en la estimación del espesor del asfalto en los testigos T4 y T5 oscila entre 2.7cm y 3.1cm en el testigo T4 y entre 4.7cm y 5 cm en el Testigo 5.

Estos errores de estimación del programa les atribuimos a una alteración superficial (radargrama T4 y T5) del firme que dificulta la identificación de los picos de referencia (picos de reflexión de las capas).

No se puede comprobar el espesor h2 porque los testigos se cortan en la base del asfalto (en el inicio de la capa de zahorra)

Almoradí:

En los dos puntos seleccionados en la avenida de Algorfa, al este de Almoradi, se obtuvieron 2 perfiles GPR de una longitud de 10 m y sus correspondientes registros de reflectividad. A posteriori se realizaron dos catas de 1X0.5 m, de 1.05 m de profundidad en el P01 y de 0.66 m en el P02.

A continuación presentamos los radargramas obtenidos acompañados de las fotos de sus respectivas catas:



En las siguientes tablas (5.4, 5.5 y 5.6) presentamos los resultados de las estimaciones de los espesores del paquete de firme con el programa ASCAP a partir de las medidas con el GPR:

Tabla 5.4: Espesores de las capas de asfalto obtenido con el programa ASCAP usando el pulso obtenido encima de la placa metálica como referencia de reflectividad

Medir 1 Perfil e1 e2 v1(cm/ns) v2(cm/ns) h1(cm) h2(cm) Espesor del asfalto (cm)

P01 12.41 23.90 8.15 6.13 15.5 9.7 20 P02 34.30 90.14 5.12 3.15 12.0 4.0 24


P01 12.68 24.52 8.42 6.05 15.4 9.4 20 P02 33.64 87.48 5.17 3.2 12.0 4.0 24


P01 12.52 24.11 8.47 6.10 15.5 9.7 20 P02 35.28 93.64 5.05 3.1 11.8 4.0 24

Tabla 5.5: Espesores de las capas de asfalto obtenido con el programa ASCAP usando el pulso de reflexión a 0.5 m de altura de la placa metálica como referencia de reflectividad

Medir 1 Perfil e1 e2 v1(cm/ns) v2(cm/ns) h1 (cm) h2(cm) Espesor del asfalto (cm)

P01 7.42 11.65 11 8.78 20.3 13.8 20 P02 10.38 16.90 9.31 7.29 21.8 9.4 24


P01 7.59 12.36 10.88 8.53 20.0 13.56 20 P02 10.30 17.06 9.34 7.26 21.9 9.5 24


P01 7.48 12.12 10.96 8.61 20.2 13.4 20 P02 10.30 16.78 9.34 7.32 21.9 9.3 24

P02

24 cm

P01

20 cm


132 Capitulo 05

Tabla 5.6: Espesores de las capas de asfalto obtenido con el programa ASCAP usando el pulso del aire como referencia de reflectividad

Medir 1 Perfil e1 e2 v1(cm/ns) v2(cm/ns) h1(cm) h2(cm) Espesor del asfalto (cm) P01 7.52 11.88 10.93 8.70 19.6 13.7 20 P02 8.29 12.52 10.41 8.47 24.3 11.2 24

Medir 2 Perfil e1 e2 v1(cm/ns) v2(cm/ns) h1(cm) h2(cm) Espesor del asfalto (cm) P01 7.40 11.84 11.02 8.71 20.1 13.6 20 P02 8.44 13.04 10.32 8.30 24.0 10.7 24

Medir 3 Perfil e1 e2 v1(cm/ns) v2(cm/ns) h1(cm) h2(cm) Espesor del asfalto (cm) P01 7.46 1176 10.97 8.74 20.4 13.3 20 P02 8.22 12.64 10.46 8.43 24.4 11.0 24

Comparando las medidas hechas sobre las catas con las estimaciones obtenidas con el programa ASCAP observamos lo siguiente:

Igual que el caso anterior, los mejores resultados se han obtenido usando la onda del aire como traza de referencia (tabla 5.6).

El valor de las constantes dieléctricas relativa se conserva en los rangos normales para este tipo de material (Saarenketo, T. and Scullion, T., 2000, Giannopoulos, A. and Diamante, N., 2004, Cherif, A. Y. and Majidzadeh, T., 2006).

Las diferencias obtenidos en los diferentes cálculos y las medidas reales no superan los 0.4 cm.

En los dos perfiles el GPR detecto todo el paquete de asfalto como una sola capa de un espesor h1, el espesor h2 se atribuye a una capa intermedia de la zahorra.



Aeropuerto de Alicante

En el momento de la toma de datos la sección del firme ejecutado se encontraba formado por una capa de zahorra artificial (sub-base granular), por una base de aglomerado asfáltico tipo G-25 Calizo (extendido en 3 capas), y por una capa intermedia (“binder”), formada por aglomerado asfáltico S-20 Calizo. Dicho firme se encuentra apoyado en el terraplén sobre una capa de material estabilizado con cemento (figura 5.31).

En la figura 5.32 presentamos los 3 testigos de control extraídos de la zona de estudio, donde el S20 tiene un espesor medio de 7 cm y el G25 un espesor comprendido entre 21 y 25 cm.

Seguidamente presentamos los 20 radargramas obtenidos en esta investigación.

Figura 5.31: Corte representativo con las diferentes capas de asfalto en la zona de estudio

Figura 5.32: Testigos de control en la zona de estudio.


134 Capitulo 05

P01

P02

P03

P04

P05



P06

P07

P08

P09

P10


136 Capitulo 05

P11

P12

P13

P14

P15



P16

P17

P18

P19

P20


138 Capitulo 05

Igual que los casos anteriores se utilizo el programa ASCAP para la determinación de los espesores en esta zona de trabajo. En esta sección presentamos los resultados obtenidos usando la traza de la onda de aire como referencia en los cálculos, ya que es la que da la mejor aproximación. Dentro de los tres métodos de cálculo presentamos los resultados obtenido con Medir 3, porque nos permite calcular los espesores a lo largo de un perfil completo y preparar los resultados para usarlos con otros programas como el Surfer.

En la siguiente tabla (tabla 5.7) presentamos los resultados de las estimaciones de los espesores obtenidos con el programa ASCAP.

Tabla 5.7: Espesores de las capas de asfalto obtenido con el programa ASCAP usando la traza de la onda de aire como referencia en los cálculos

Medir 3 Perfil e1 e2 v1(cm/ns) v2(cm/ns) h1 (cm) h2(cm)

P01 9.35 16.86 9.80 7.30 26.6 9.0 P02 8.86 21.83 10.07 6.41 24.4 8.0 P03 8.25 12.97 10.44 8.32 29.5 9.5 P04 10.65 20.78 9.19 6.57 23.7 8.8 P05 19.19 35.29 6.84 5.04 17.7 6.8 P06 11.42 23.60 8.87 6.17 22.6 10.8 P07 14.23 20.64 7.95 6.60 21.1 9.3 P08 10.01 16.36 9.47 7.41 24.3 11.1 P09 7.48 11.66 10.96 8.78 31.2 9.78 P10 12.90 22.44 8.35 6.33 15.0 4.1 P11 7.48 13.11 10.96 8.28 31.8 9.0 P12 12.53 21.70 8.47 6.43 21.8 7.4 P13 8.58 17.03 10.24 7.26 26.3 10.0 P14 10.43 18.33 9.28 7.00 25.6 8.6 P15 11.50 22.07 8.84 6.38 22.0 7.9 P16 9.41 19.82 9.77 6.73 26.9 8.2 P17 10.01 16.77 9.48 7.32 24.0 8.6 P18 9.87 19.51 9.54 6.79 24.2 9.1 P19 8.92 14.72 10.03 7.81 25.0 11.1 P20 8.46 14.09 10.30 7.99 24.0 11.2

De la tabla 5.7 concluimos que el valor del espesor completo del paquete de asfalto en cada perfil en general varía entre los 21 cm y los 31cm, frente a la variación 28 cm a 32 cm que se ha obtenido en los testigos. El espesor calculado en los perfiles P05 y P10 es de 17.7 cm y 15 cm respectivamente, estos valores son demasiados bajos y no corresponden al espesor del firme en estos perfiles.

En la figura 5.32 podemos comprobar que los picos de referencia en un perfil, por ejemplo el P20, están en su mayoría agrupados y coinciden en el mismo tiempo de reflexión respecto a cada uno de los picos (A1, A2 y A3). Hay algunos picos que no coinciden en el tiempo con los demás, este fenómeno se debe a efectos puntuales en el terreno.



En las figuras 5.33 y 5.34 se observan las variaciones de las constantes dieléctricas en toda la superficie de la zona de estudio.

Figura 5.32: agrupación de los picos de referencia en el tiempo (A1, A2 y A3) del perfil P20.

Figura 5.33: distribución en planto de la constante dieléctrica de la primera capa en la zona de estudio

Figura 5.34: distribución en planto de la constante dieléctrica de la segunda capa en la zona de estudio


140 Capitulo 05

En las figuras 5.33 y 5.34 observamos que en general el valor de la constante dieléctrica de la primera capa esta entre 9 y 15 y de la segunda capa esta entre 11 y 23.

A lo largo de los perfiles P05, P10 y P15 tenemos una subida en el valor de la constante dieléctrica en las dos capas. Esta variación en el valor de la constante dieléctrica esta provocado por las juntas creadas conforme se va echando el asfalto por la maquinaria.

Aunque el espesor del asfalto se considera uniforme en la nueva plataforma que se realizo en el aeropuerto, las variaciones de la constante dieléctrica a lo largo de la zona de estudio dan a entender la existencia de fallos en el procedimiento seguido para extender la capa de asfalto. Este fallo se explica por el hecho de que en el inicio de cada vertido los elementos gruesos del material que se extiende van abajo del depósito, mientras que los finos se quedan arriba. Este fenómeno provoca una variación cíclica de la constante dieléctrica a lo largo de los perfiles que corresponden a los ciclos de carga y descarga de la maquina.

f) Conclusiones

A partir de las investigaciones llevadas acabo en Bigastro, Almoradí y la nueva plataforma del Aeropuerto de Alicante concluimos que:

El GPR una herramienta rápida y útil en el estudio y el control del espesor del asfalto

La antena de 500 MHz, por sus características, sobre todo por su longitud de onda, es incapaz de diferenciar entre las diferentes capas de asfalto. Pero es muy eficaz en la determinación del espesor total del asfalto.

Nuestro programa ASCAP ha sido capaz de resolver y estimara el espesor del paquete de asfalto a pesar de las limitaciones de nuestra antena

En nuestro caso, con el uso de antenas ground-coupled, los mejores resultados de estimación de los espesores del asfalto se han obtenido con la onda de aire como traza de referencia en los cálculos a diferencia de los estudios en la literatura que se realizan con ondas reflejadas encima de una placa metálica.



En el último caso, el espesor h2 no se ha tomado en cuenta porque su valor depende de las constantes dieléctricas de la primera y segunda capa, que varían en función de la calidad del vertido y no su espesor.

CAPITULO 06

APLICACIÓN DEL GPR EN ARQUEOLOGIA


Aplicaciones del GPR en arqueología 145

6.1 Introducción

El uso de técnicas geofísicas en la prospección siempre han tenido un gran interés para la arqueología (Luck, E. et al., 1997, Savvaidis, A et al., 1999, Piro, S et al., 2000, 2003 y 2007, Hiroyuki, K. et al., 2000 y 2002, Hildebrand, J. A. et al., 2002, Sarris, A. et al., 2002, Gaffney, V. et al., 2004, Metwaly, M. et al., 2005, Abbas, A. M. et al., 2005, Atya, M. A. et al., 2005, Pomfret, J., 2006, Dogan, M. and Papamarinopoulos, S., 2006, Tsokas, G. N. et al., 2007). Estas técnicas ahorran tiempo y esfuerzo, y sobre todo minimizan el uso destructivo y aparatoso de las excavaciones y catas. Así se preservan y protegen mejor los yacimientos arqueológicos estudiados. Entre estas técnicas, el GPR les ofrece resultados de alta resolución y densidad de datos (Hruska, J. and Fuchs, G. 1999, Zhou, H. and Sato, M., 2001, Giovanni, L., 2002, Carrozzo, M. T. et al., 2003, Alastair, R. et al. 2004, Linford, N., 2004; De La Vega, M. et al., 2005, Dean, G. et al., 2006, Novo, A. et al., 2006, Ernenwein, H. G., 2006, Meyer, C. et al., 2007, Barone, P. M. et al., 2007, Rinita, A. D. and Dean, G., 2007), consiguiéndose una investigación con mayor precisión y fiabilidad.

Estas características han hecho que el GPR tenga mayor éxito otras técnicas de prospección geofísica. También contribuye a este éxito el gran avance en innovación del material y en los programas de adquisición e interpretación alcanzados en las últimas décadas, ofreciendo una gran manejabilidad para darle un uso que se adapta a cada caso especifico.

6.2 Investigación arqueológica en el área del castillo de Atarés, la Habana:

De acuerdo a lo previsto en el proyecto GEOSIS, durante el año 2003 se desarrollaron un conjunto de actividades tendientes a potenciar los vínculos entre profesores y alumnos de la Universidad de Alicante y profesores y alumnos de diferentes entidades en el campo de la Geociencia en Cuba.

En este marco surgió la idea de apoyar el trabajo que desde hace varios años realiza la Oficina del Historiador de la Ciudad de la Habana, en la rehabilitación de edificaciones de alto valor histórico y patrimonial en la Habana Vieja. En reunión efectuada en el mes de Marzo del 2003, entre el representante español del Proyecto GEOSIS en la Habana y dirigentes del Gabinete de Arqueología de la Oficina del Historiador, se acordó incluir entre las próximas actividades de GEOSIS en Cuba la


146 Capitulo 06

ejecución de un volumen de trabajos geofísicos en apoyo al proyecto de búsqueda arqueológica en el Castillo de Atarés, elaborado por dicha institución.

El área de estudio se ubica en la fortaleza de Atarés y sus alrededores. Esta obra se ubica en el margen sureste de la bahía y al sur del Centro Histórico de La Habana, en un promontorio que se eleva a 29.0 m sobre el nivel del mar, que fue conocido en los tiempos coloniales como La Loma de Soto. Posee dos vías de acceso: por el este con la avenida Fábrica y por el oeste con la avenida Ferrer.

Es importante reconocer que esta intervención del proyecto GEOSIS en el proyecto arqueológico Atarés constituye la primera vez que en Cuba se aplican técnicas geofísicas de investigación en el estudio arqueológico de un sitio.

En la investigación realizada en el castillo de Atarés se aplicaron las siguientes técnicas de prospección geofísicas: GPR, sondeos eléctricos verticales y sísmica de refracción. Los datos obtenidos se trataron por diferentes equipos especializados en cada una de las técnicas. En esta tesis vamos a presentar los resultados de la parte de la investigación que nos corresponde, es decir la prospección mediante GPR.

a) Objetivos

En este trabajo se plantearon los siguientes objetivos básicos:

• Detección y localización de un antiguo cementerio ubicado en la zona Sureste de la Loma de Soto.

• Detección del emplazamiento de un canal enterado en la zona Suroeste de la Loma de Soto.

• Localización de los límites del antiguo brazo de mar al norte del castillo de Atares y la continuación del canal asociado.

• La detección de una galería subterránea que se comunicaba con el castillo de Atares.

• la investigación dentro del recinto del castillo de Atares, para la detección de la posible presencia de estructuras defensivas, canales, mazmorras, etc...



b) Metodología y trabajo de campo

Por la complejidad y extensión del sitio, las características de la prospección arqueológica y con el fin de facilitar la ejecución de los trabajos de campo, fue necesario crear cuatro zonas de estudio a partir de los dos sectores previamente establecidos por los arqueólogos (figura 6.1).

En las 4 zonas se utilizaron antenas 500 MHz y/o 100 MHz según al tamaño de los objetos buscados y la profundidad prevista de la detección.

La zona 1: Se ubica hacia el Sureste de la loma, y comprende la localización del antiguo cementerio construido en 1850, cuando una epidemia de cólera azotó a la Habana. Esta parte se realizo con la antena de 500 MHz para tener mas detalle en los perfiles.

La zona 2: Al Suroeste de la Loma de Soto, comprende la búsqueda de anomalías asociadas a un canal construido como elemento defensivo en el área donde se encontraba el punto de acceso a la fortificación. En esta zona aplicamos la antena de 100 MHz para alcanzar mayor profundidad.

La zona 3: Al Norte de la fortificación, comprende una extensa área de terrenos yermos donde se pretende localizar los límites de un brazo de mar tapado actualmente con material de relleno, la continuidad del canal y la galería subterránea. En esta zona se aplico la antena de 100 MHz con el objetivo de llegar a mayor profundidad, igual que en la zona 2, y la antena de 500 MHz para la detección de la galería subterránea.

Figura 6.1 vista aérea del área de estudio con las zonas de trabajo.

Z1

Z2

Z3

Z4


148 Capitulo 06

La zona 4: Comprende el recinto amurallado, incluyendo foso y camino cubierto, donde se plantea la localización de los siguientes elementos:

1. Detección de dispositivos estructurales y defensivos que se ubiquen bajo los niveles actuales del pavimento, dentro del recinto o en el camino cubierto.

2. Localización de estructuras subterráneas en desuso como pueden ser: letrinas, canales, bóvedas, mazmorras y fosas, entre otras.

3. Localización de enterramientos en el interior del edificio.

Z1 (zona del cementerio)

En la zona 1 se realizaron un total de 4 perfiles ubicados tal como se muestra en la Figura 6.2, con las siguientes nomenclaturas: S41, S42, S43 y S44. El perfil S41 se traza en el centro de la calle asfaltada que accede al castillo.

En esta zona se utilizó solo la antena de 500 MHz debido a las dificultades de accesibilidad a la zona de trabajo y por la profundidad (1.5m a 3m) a la cual se esperaban encontrar las anomalías de interés.

Se realizaron tres medidas en cada perfil de la zona del cementerio con las siguientes frecuencias de muestreo P1= 5001 MHz, P2= 8014 MHz y P3= 12243 MHz. Estas diferentes medidas en el mismo perfil nos permite tener varios puntos de vista sobre las anomalías que se pueden encontrar. Con un frecuencia de muestreo baja podemos llegar a más profundidad pero perdemos detalle, mientras que con una frecuencia de muestreo más alta tenemos mayor resolución en las anomalías, pero se reduce la ventana de tiempo de los registros lo que se traduce en radargramas mas cortos.

Z2 (zona del canal)

En la zona 2 se realizaron 2 perfiles con antena de 100 MHz, con dos frecuencias de muestreo, P1= 1001 MHz y P2= 2001 MHz.

Figura 6.2: Perfiles de la zona Z1

Figura 6.3: Posición de los perfiles S1 y S2



Dado que se buscaba el contraste entre el antiguo fondo marino y el reciente relleno, que se esperaba entre los 5 m y los 10 m, se utilizó la antena de 100 MHz. Con vistas a cumplir los objetivos trazados se ejecutaron dos perfiles paralelos S1 y S2 (figura 6.3).

Zona 3:

Se busca el antiguo brazo de mar que conectaba con el canal y hacia funciones de elemento defensivo. En el transcurso del tiempo había sido rellenado con una mezcla materiales de diversa procedencia. Se realizo el perfil S3 (figura 6.4) con la antena de 100 MHz con dos frecuencias de muestreo, por las mismas razones descritas en el párrafo anterior.

Investigación de la galería subterránea (túnel)

En la misma Z3 se realiza otra para investigación determinar la posición de una galería subterránea. Se registraron 8 perfiles con la antena de 500 MHz, tal como muestra la figura 6.5. Teniendo en cuenta las dimensiones de la galería a localizar y la profundidad estimada se realizaron 3 medidas en cada perfil con las siguientes frecuencias de muestreo 5009 MHz, 8014 MHz y 12243 MHz. Los perfiles realizados en esta sección son los siguientes: S45, S46, S47, S48, S49, S50, S51, S52.

Zona 4 (el interior del castillo)

La zona 4 se subdividió en dos partes: interior del castillo (figura 6.6) y camino cubierto (figura6.7). En el interior del castillo se realizaron un total 108 perfiles con dos antenas (100 MHz y 500 MHz) y con distintas frecuencias de muestreo. En la figura 6.6 se muestra un esquema de ubicación de estos perfiles

Figura 6.4: Posición del perfil

Figura 6.5: Ubicación de los perfiles GPR para la detección del túnel

i


150 Capitulo 06

En el patillo del castillo (plaza de armas) se realizaron 4 perfiles con la antena de 100 MHz (S5, S6, S7 y S8), para la detección de un aljibe. Cada uno de los perfiles se registró por duplicado, muestreando con frecuencias de: P1= 1001 MHz y P2=2001 MHz.

Dentro del castillo se realizaron 104 perfiles con la antena de 500 MHz, utilizándose dos frecuencias de muestreo para cada perfil, P1= 5009 MHz y P2= 8014 MHz, con el objetivo de localizar cavidades o galerías de diferentes ordenes que pudieron servir como elementos defensivos, para el almacenamiento de alimentos y agua (salas, almacenes, comedores, etc.) o mazmorras.

Investigación en el camino cubierto.

En el camino cubierto, Figura 6.7 se realizaron 11 perfiles duplicados. Con la antena de 100 MHz los perfiles: S9A1, S10A1, S11A1, S12A1, S13A1, S14A1 Y S15A1 usando las siguientes frecuencias de muestreo P1=1001 MHz y P2= 2001 MHz. Con la antena de 500 MHz: S9A5, S10A5, S11A5,

Figura 6.6: zonas de trabajo dentro del castillo.



S12A5, S13A5, S14A5, S15A5, S24A5, S25A5, S31A5 Y S32A5 con frecuencia de muestreo: P1=5001 MHz y P2=8014 MHz.

c) Resultados

A continuación presentaremos los resultados obtenidos. En primer lugar los radargramas registrados y procesados, seguidos de una tabla con la posición y profundidad de las anomalías observadas en los radargramas, lo que proporciona una idea acerca de la forma y dimensiones de los elementos detectados, así como una estimación del tipo de accidente que genera la anomalía.

Radargramas de la zona 1 (cementerio)

En el estudio de la zona 1 se realizaron 4 perfiles GPR con la antena de 500 MHz, con diferentes frecuencias de muestreo (P1=5009 MHz, P2=8014 MHz y P2=12243 MHz). En este caso en particular estamos buscando un cementerio colectivo o fosas comunes.

De acuerdo con los datos históricos, este cementerio se construyó entre 1850-1868. En este lugar fueron inhumados más de mil cadáveres que fallecieron por la epidemia de cólera que se propago por la Habana en 1850.

Figura 6.7 plano de ubicación de los perfiles GPR en el camino cubierto de la


152 Capitulo 06

Teniendo en cuenta el tipo de terreno, y la profundidad de los objetivos de estudio se consideró oportuno utilizar la antena de 500 MHz.

Tabla 6.1: Geometría de los perfiles GPR de la Z1 en Gradix File Name First Eastg First Northg Last Eastg Last Northg Station Inc Line Angle

S41P1 0 0 -33.62 72.09 0.021 -25S42P1 -21.21 24.54 -42.65 15.44 0.021 -113S43P1 -13.67 16.85 -35.94 7.4 0.021 -113S44P1 -1.27 -0.23 -22.73 -5.98 0.021 -105

A continuación presentamos los perfiles GPR registrados en la zona del cementerio, obtenidos con una frecuencia de muestreo de 5009 MHz, con sus respectivas anotaciones de anomalías registradas a lo largo de los perfiles.

Tabla 6.2: Ubicación de las anomalías del perfil S41P1 Anomalías start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS41P1A1 -14.48 31.06 2.55 -15.66 33.57 2.67 Hyperbola S41P1A2 -15.67 33.61 2.52 -16.83 36.09 2.64 Hyperbola S41P1A3 -21.58 46.29 2.42 -22.44 48.11 2.53 Hyperbola S41P1A4 -23.39 50.17 2.25 -24.55 52.64 2.41 Hyperbola S41P1A5 -27.90 59.84 2.03 -29.41 63.07 2.20 Hyperbola S41P1A6 -30.54 65.49 2.50 -31.83 68.25 2.63 Hyperbola

S41P1



Tabla 6.3: Ubicación de las anomalías del perfil S42P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S42P1A1 -21.81 24.29 3.31 -23.16 23.71 3.71 Stratigraphy S42P1A2 -25.87 22.56 2.36 -28.00 21.66 2.89 Stratigraphy S42P1A3 -31.24 20.28 1.70 -32.91 19.58 1.87 Hyperbola S42P1A4 -29.66 20.95 3.33 -30.70 20.51 3.50 Hyperbola S42P1A5 -37.78 17.51 2.60 -38.94 17.02 2.76 Hyperbola S42P1A6 -40.79 16.23 3.24 -41.91 15.75 3.38 Hyperbola

Tabla 6.4: Ubicación de las anomalías del perfil S43P1 Anomalias start_x Start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S43P1A1 -23.33 12.95 3.71 -24.87 12.33 3.83 Hyperbola S43P1A2 -32.60 9.20 3.18 -33.51 8.83 3.31 Hyperbola S43P1A3 -33.57 8.81 3.35 -35.13 8.18 3.48 Hyperbola

S42P1

S43P1


154 Capitulo 06

Tabla 6.5: Ubicación de las anomalías del perfil S44P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S44P1A1 -2.17 -0.45 2.64 -3.43 -0.77 2.84 Hyperbola S44P1A2 -1.94 -0.4 3.10 -3.02 -0.67 3.33 Hyperbola S44P1A3 -4.27 -0.98 3.06 -5.49 -1.28 3.25 Hyperbola S44P1A4 -4.10 -0.94 3.73 -6.45 -1.52 4.06 Hyperbola S44P1A5 -8.63 -2.06 3.15 -9.36 -2.25 3.29 Hyperbola S44P1A6 -20.08 -4.92 2.11 -21.28 -5.22 2.38 Hyperbola S44P1A7 -21.79 -5.35 2.11 -22.67 -5.56 2.29 Hyperbola S44P1A8 -20.67 -5.07 3.29 -21.44 -5.26 3.48 Hyperbola

S44P1

Figura 6.8: Representación de las anomalías registradas con el GPR en la zona 1.



Registros GPR de la zona del canal (Z2).

Como se ha dicho con anterioridad, el objetivo en esta zona era la localización del canal, que según los informes históricos se ubicaba en la margen oeste de la Loma de Soto (figura 6.9), uniendo dos brazos de mar que se desarrollaban por el norte y el sur de dicha elevación, quedando un puente como única vía de acceso entre la fortificación y la ciudad. Este canal fue un elemento defensivo construido aprovechando de las características del terreno.

En esta prospección la mediciones se hicieron con la antena de 100 MHz con dos frecuencias de muestreo de P1=1001 MHz y P2=2001 MHz, debido a las dimensiones y profundidad del canal. Se hicieron dos perfiles GPR, S1 y S2, a los largo de la calle Cristina, el principio de cada perfil se ubica al nivel de la antigua garita colonial (figura 6.10).

A continuación presentamos la geometría y los radargramas de los perfiles registrados en la zona 2 con sus respectivas anotaciones de anomalías.

Tabla 6.6: Geometría de los perfiles GPR de la zona Z2 en Gradix File Name First Eastg First Northg Last Eastg Last Northg Station Inc Line Angle

S1P2 1.4 4 -73.03 4 0.018 -90 S2P2 0 0 -74.38 0 0.018 -90

Figura 6.9: Detalle del plano del canal según Rand M. et al., 1901.

Canal

Puente

Figura 6.10: Posición de los perfiles S1 y S2


156 Capitulo 06

S1P1 (f= 1001 MHz)

En este radargrama tenemos dos anomalías significativas, y la zona de mayor interés está marcada con el cuadro amarillo, del cual tenemos un radargrama, el S1P2, con mayor detalle y donde se pueden apreciar más anomalías.

Tabla 6.7: Ubicación de las anomalías del perfil S1P1 Anomalías start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S1P1A1 -1.05 4.00 1.74 -7.53 4.00 6.43 User-Defined S1P1A2 -67.41 4.00 1.64 -69.72 4.00 2.70 Hyperbola

Tabla 6.8: Ubicación de las anomalías del perfil S1P2 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S1P2A1 -6.90 4.00 1.85 -2.76 4.00 4.51 User-Defined S1P2A2 -67.20 4.00 1.66 -70.71 4.00 2.18 Hyperbola S1P2A3 -31.20 4.00 2.71 -35.34 4.00 3.63 Hyperbola S1P2A4 -48.48 4.00 2.75 -52.62 4.00 3.61 Hyperbola

S1P2 (f= 2001 MHz)



Tabla 6.9: Ubicación de las anomalías del perfil S2P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type

S2P1A1 -18.74 0 3.7 -22.43 0 6.52 User-Defined S2P1A2 -56.63 0 2.6 -59.96 0 3.48 Hyperbola

En este radargrama tenemos dos anomalías significativas, y la zona de mayor interés está marcada con el cuadro amarillo, del cual tenemos un radargrama con mayor detalle, el S2P2, donde se pueden apreciar mejor las anomalias registradas en el S2P1.

Tabla 6.10: Ubicación de las anomalías del perfil S2P2 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S2P2A1 -14.51 0 2.7 -23.60 0 4.84 User-Defined S2P2A2 -31.61 0 2.7 -35.48 0 3.59 Hyperbola S2P2A3 -49.07 0 2.5 -51.68 0 3.28 Hyperbola S2P2A4 -55.64 0 2.3 -60.23 0 3.67 Hyperbola

S2P1 (f=1001MHz)

S2P2 (f= 2001 MHz)


158 Capitulo 06

Radargrama de la zona Z3 (brazo de mar)

Para la localización del brazo de mar se registraron dos perfiles GPR con diferentes frecuencias de muestreo (1001 MHz y 2001 MHz) sobre el mismo trazado. Seguidamente presentamos la geometría de los perfiles y los radargramas correspondientes con las anomalías registradas.

Tabla 6.11: Geometría de los perfiles GPR de la zona Z3 en Gradix File Name First Eastg First Northg Last Eastg Last Northg Station Inc Line Angle

S3P1 0 4 48.16 4 0.018 90S3P2 0 0 48.56 0 0.018 90

Tabla 6.12: Ubicación de las anomalías del perfil S3P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS3P1A1 13.28 4.00 1.03 16.26 4.00 1.71 Hyperbola S3P1A2 33.50 4.00 0.93 38.69 4.00 1.76 Hyperbola S3P1A3 2.34 4.00 1.38 5.76 4.00 1.83 Hyperbola

En el siguiente radargrama vemos las anomalias registradas en el perfil S3P1 con mayor detalle, ya que el mismo perfil esta registrado con una frecuencia de muestreo más alta que el primero (2001 MHz).

Figura 6.11: Representación de las anomalías registradas en los perfiles S1 y S2en la Zona 2 en el plano original.

S3P1 (P=1001 MHz)



Tabla 6.13: Ubicación de las anomalías del perfil S3P2 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S3P2A1 33.50 0 1.1 36.37 0 1.79 Hyperbola S3P2A2 34.05 0 2.8 40.90 0 5.39 Stratigraphy S3P2A3 16.26 0 2.1 20.24 0 2.63 Hyperbola

Túnel exterior

En la tabla 6.14, presentamos la geometría asignada a los perfiles en el programa Gradix, seguida de los radargrama obtenidos.

S3P2 (P2= 2001 MHz)

Figura 6.20: Representación de las anomalías registradas en el perfil S3 de la

zona 3.


160 Capitulo 06

Tabla 6.14: Geometría de los perfiles GPR de la galería en la zona 3 en Gradix. File Name First Eastg First Northg Last Eastg Last Northg Station Inc Line Angle

S45 27.15 189.5 51.11 189.5 0.021 90S46 20.26 174.77 44.49 176.89 0.021 85S47 25.18 197.27 40.24 197.27 0.021 90S48 41.75 139.7 46.71 139.53 0.021 92S49 38.88 72.52 44.57 73.52 0.021 80S50 29.77 44.01 36.23 37.55 0.021 135S51 11.42 28.8 17.23 28.6 0.021 92S52 16.31 27.19 18.69 24.36 0.021 140

Tabla 6.15 Ubicación de las anomalías del perfil S45 Perfil start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type

S45A1 29.69 189.50 1.20 32.13 189.50 1.30 Hyperbola

Tabla 6.16: Ubicación de las anomalías del perfil S46 Perfil start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type

S46A1 24.65 174.77 1.00 25.57 174.77 1.10 Hyperbola

S45

S46




S47A1 27.26 197.27 1.21 27.87 197.27 1.28 Hyperbola S47A2 31.84 197.27 1.51 32.68 197.27 1.63 Hyperbola S47A3 33.20 197.27 2.37 33.96 197.27 2.48 Hyperbola S47A4 35.22 197.27 2.35 35.70 197.27 2.39 Hyperbola S47A5 36.12 197.27 2.39 36.75 197.27 2.49 Stratigraphy S47A6 37.40 197.27 2.26 37.99 197.27 2.36 Hyperbola S47A7 39.63 197.27 2.04 40.17 197.27 2.09 Hyperbola


S48A1 42.42 139.70 0.81 43.01 139.70 0.86 Hyperbola S48A2 44.17 139.70 0.78 45.11 139.70 0.87 Hyperbola S48A3 45.76 139.70 0.82 46.43 139.70 0.91 Hyperbola

S47

S48


162 Capitulo 06


S49A1 39.81 72.68 0.86 40.35 72.78 0.96 Hyperbola



S49

S50




S51A1 15.03 28.67 1.68 16.27 28.63 1.80 Hyperbola S51A2 12.07 28.78 2.43 12.97 28.75 2.48 Hyperbola



S51

S52


164 Capitulo 06

Zona Z4 camino cubierto

En lo que sigue, presentamos la geometría atribuida a los 11 perfiles GPR del Camino cubierto en el programa Gradix y los radargramas correspondientes con las anomalias detectadas.

Tabla 6.23: Geometría de los perfiles GPR de la zona Z4 del camino cubierto en Gradix File Name First Eastg First Northg Last Eastg Last Northg Station Inc Line Angle S9A5P1 19 69.4 74.08 87.3 0.021 72S10A5P1 21.22 60.56 0.61 20.11 0.021 -153S11A5P1 3.98 30.94 33.38 1.54 0.021 135S12A5P1 29.17 3.53 60.73 3.53 0.021 90S13A5P1 76.03 8.84 87.22 29.03 0.021 29S14A5P1 104.32 19.9 98.38 68.3 0.021 -7S15A5P1 99.9 58.79 55.58 82.35 0.021 -62S24A5P1 19.89 72 42.16 79.24 0.021 72S25A5P1 27.84 66.3 46.53 72.37 0.021 72S31A5P1 33.15 4.42 53.73 4.42 0.021 90S32A5P1 33.59 2.21 54 2.21 0.021 90

Figura 6.23: Representación de las anomalías (puntos verdes) registradas

en la zona 3 del plano general.



Tabla 6.24: Ubicación de las anomalías del perfil S9P1 Anomalías start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS9P1A1 25.31 71.45 1.54 26.79 71.93 1.95 Stratigraphy S9P1A2 29.55 72.83 1.46 31.12 73.34 1.57 Hyperbola S9P1A3 29.39 72.77 1.93 31.22 73.37 2.05 Hyperbola S9P1A4 29.25 72.73 2.40 31.32 73.40 2.58 Hyperbola S9P1A5 27.71 72.23 3.50 28.85 72.60 3.67 Hyperbola S9P1A6 24.59 71.22 4.41 26.69 71.90 4.54 Stratigraphy S9P1A7 62.28 83.46 2.05 67.19 85.06 2.88 Stratigraphy

Tabla 6.25: Ubicación de las anomalías del perfil S10

Anomalías start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS10A1 19.85 57.87 1.77 19.20 56.59 2.01 User-DefinedS10A2 17.68 53.62 1.38 16.82 51.93 1.52 Hyperbola S10A3 14.21 46.81 1.25 13.62 45.65 1.64 StratigraphyS10A4 5.38 29.48 1.68 4.31 27.37 2.11 Stratigraphy

S9 (P1=5009 MHz)

S10


166 Capitulo 06

Tabla 6.26: Ubicación de las anomalías del perfil S11 Anomalías start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type

S11A1 11.00 23.92 0.48 15.70 19.22 0.84 Trench S11A2 20.09 14.83 0.58 23.30 11.62 0.83 Trench

Tabla 6.27: Ubicación de las anomalías del perfil S12 Anomalías start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS12P1A1 39.73 3.53 2.23 37.51 3.53 2.60 Trench S12P1A2 39.69 3.53 2.13 42.08 3.53 2.63 Stratigraphy S12P1A3 41.16 3.53 2.38 41.92 3.53 2.48 Hyperbola S12P1A4 40.05 3.53 2.57 41.39 3.53 2.69 Hyperbola

S11

S12




S13A1 76.71 10.07 1.24 77.12 10.81 1.37 Hyperbola S13A2 78.59 13.45 1.92 78.75 13.74 1.98 Hyperbola S13A3 81.54 18.78 1.37 81.82 19.29 1.44 Hyperbola S13A4 85.02 25.06 1.22 85.15 25.30 1.27 Hyperbola


S14A1 104.28 20.23 1.78 103.85 23.74 2.07 Stratigraphy S14A2 102.43 35.30 1.47 102.91 31.36 2.27 Stratigraphy S14A3 99.29 60.86 1.49 99.06 62.78 1.68 Hyperbola

S13

S14


168 Capitulo 06


S15A1 64.60 77.56 1.57 63.39 78.20 1.78 Hyperbola S15A2 59.05 80.51 1.13 60.94 79.50 1.77 Stratigraphy


S24A1 28.96 74.95 1.53 32.29 76.03 1.79 Hyperbola S24A2 30.42 75.42 2.13 32.05 75.95 2.29 Hyperbola S24A3 29.78 75.21 2.85 31.41 75.74 3.05 Stratigraphy S24A4 22.31 72.79 1.43 28.70 74.86 1.51 Stratigraphy

S15

S24



Tabla 6.34: Ubicación de las anomalías del perfil S31 Anomalías Start_x start_y Start_z end_x end_y end_z anomaly type

S31A1 43.33 4.42 2.3 44.13 4.42 2.49 Hyperbola S31A2 44.95 4.42 3.1 47.66 4.42 3.70 Stratigraphy S31A3 38.86 4.42 1.9 39.53 4.42 2.10 Hyperbola


S25A1 32.95 67.96 1.43 34.51 68.47 1.58 Hyperbola S25A2 32.41 67.79 1.91 35.01 68.63 2.07 Hyperbola S25A3 28.68 66.57 1.39 29.82 66.94 1.54 Hyperbola S25A4 29.60 66.87 1.42 31.10 67.36 1.56 Stratigraphy S25A5 31.28 67.42 1.44 32.85 67.93 1.60 Hyperbola S25A6 33.09 68.01 1.95 34.55 68.48 2.11 Hyperbola S25A7 32.83 67.92 2.81 34.17 68.36 2.89 Hyperbola S25A8 33.17 68.03 2.95 34.29 68.40 3.03 Hyperbola S25A9 28.40 66.48 2.75 29.36 66.79 2.88 Hyperbola S25A10 30.04 67.01 2.77 31.16 67.38 2.83 Hyperbola S25A11 31.34 67.44 2.75 32.43 67.79 2.86 Hyperbola

S25

S31


170 Capitulo 06


S32A1 40.96 2.21 2.35 37.71 2.21 3.35 Stratigraphy S32A2 42.93 2.21 2.41 44.07 2.21 2.57 Hyperbola S32A3 49.13 2.21 2.49 50.96 2.21 2.85 Stratigraphy

S32

Figura 6.13: Representación de los perfiles del camino cubierto de la zona 4 con las anomalías registradas.



Radargramas de los perfiles GPR de la zona Z4 dentro del castillo Atarés

En esta sección, presentamos la geometría y los radargramas con las anomalias registradas de los perfiles GPR tomados dentro del castillo. Los 4 primeros perfiles (S5, S6, S7 y S8) se tomaron dentro del patio interior, por lo cual ha sido posible realizarlos con la antena de 100 MHz con diferentes frecuencias de muestreo, los demás perfiles se hicieron dentro de las habitaciones y los recintos interiores del castillo con la antena de 500 MHz y diferentes frecuencias de muestreos.

Tabla 6.36: Geometría de los perfiles GPR de la zona Z4 dentro del castillo Atarés en Gradix File Name First Eastg First Northg Last Eastg Last Northg Station Inc Line AngleS16A5P1 -6.86 20.52 -4.2 17.86 0.021 135S17A5P1 -6.15 17.13 -2.05 21.23 0.021 45S18A5P1 -9.63 28.75 -9.63 53.09 0.021 0S19A5P1 -3.28 39.56 -3.28 50.9 0.021 0S20A5P1 -24.79 33 -24.79 47.51 0.021 0S21A5P1 -30.83 22.15 -30.83 46.4 0.021 0S22A5P1 -33.32 4.55 -28.57 4.55 0.021 90S23A5P1 -37.61 2.96 -37.61 10.81 0.021 0S26A5P1 -17.9 34.21 -17.9 54.29 0.021 0S27A5P1 -18.6 42.83 -18.6 30.84 0.021 180S28A5P1 -14.7 35.45 -19.49 35.45 0.021 -90S29A5P1 -14.74 39.7 -19.49 39.7 0.021 -90S30A5P1 -14.79 43.15 -19.6 43.15 0.021 -90S33A5P1 -14.2 17.45 -9.09 12.34 0.021 135S34A5P1 -13.84 16.27 -11.75 18.36 0.021 45S35A5P1 -11.16 13.41 -9.24 15.33 0.021 45S36A5P1 -31.3 13.28 -31.3 20.44 0.021 0S37A5P1 -29.51 16.61 -36.63 16.61 0.021 -90S38A5P1 -29.68 20.67 -33.61 20.67 0.021 -90S39A5P1 -35.79 18.37 -44.55 18.37 0.021 -90S40A5P1 -38.44 16.42 -38.44 20.33 0.021 0

S5P2 -23.8 0.95 -23.8 27.41 0.018 0S6P2 -26.4 26.75 -17.29 26.75 0.018 90S7P2 -26.13 18.91 -15.98 18.91 0.018 90S8P2 -17.64 16.64 -17.64 27.89 0.018 0


172 Capitulo 06

Tabla 6.37: Ubicación de las anomalías del perfil S5P2 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS5P2A1 -23.80 2.77 2.0 -23.80 6.91 2.38 Stratigraphy S5P2A2 -23.80 3.34 3.7 -23.80 5.36 4.38 Hyperbola S5P2A3 -23.80 19.80 0.9 -23.80 21.24 1.74 Hyperbola S5P2A4 -23.80 13.93 1.3 -23.80 15.69 2.18 Hyperbola

Tabla 6.37: Ubicación de las anomalías del perfil S6P2 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S6P2A1 -25.63 26.75 1.2 -26.35 26.75 1.66 Hyperbola S6P2A2 -19.00 26.75 1.0 -18.48 26.75 1.73 Hyperbola

S5P2

S6P2



Tabla 6.38: Ubicación de las anomalías del perfil S7P2 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S7P2A1 -24.91 18.91 1.17 -23.09 18.91 1.83 Hyperbola S7P2A2 -18.05 18.91 1.34 -17.15 18.91 1.98 Hyperbola S7P2A3 -19.78 18.91 1.21 -19.09 18.91 1.71 Stratigraphy

Tabla 6.39: Ubicación de las anomalías del perfil S8P2 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S8P2A1 -17.64 19.23 1.42 -17.64 20.24 1.88 Hyperbola S8P2A2 -17.64 26.97 0.87 -17.64 27.73 1.40 Hyperbola

S7

S8


174 Capitulo 06

Tabla 6.40: Ubicación de las anomalías del perfil S16P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS16P1A1 -6.82 20.48 0.67 -6.01 19.67 0.25 StratigraphyS16P1A2 -4.22 17.88 0.86 -4.97 18.63 0.26 StratigraphyS16P1A3 -5.29 18.95 1.45 -4.48 18.14 1.67 Hyperbola S16P1A4 -5.26 18.92 1.91 -4.26 17.92 2.12 Hyperbola S16P1A5 -5.66 19.32 2.32 -4.45 18.11 2.59 Hyperbola

Tabla 6.41: Ubicación de las anomalías del perfil S17P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS17P1A1 -4.78 18.50 1.02 -4.03 19.25 1.18 Hyperbola S17P1A2 -2.73 20.55 0.93 -2.10 21.18 1.08 Hyperbola S17P1A3 -5.75 17.53 1.98 -4.56 18.72 2.21 Hyperbola S17P1A4 -5.42 17.86 2.68 -4.31 18.97 2.82 Hyperbola

S16

S17



Tabla 6.42: Ubicación de las anomalías del perfil S18P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS18P1A1 -9.63 31.21 2.06 -9.63 28.94 2.43 Hyperbola S18P1A2 -9.63 46.96 1.97 -9.63 50.40 2.31 Hyperbola S18P1A3 -9.63 48.51 2.48 -9.63 49.69 2.71 Hyperbola

Tabla 6.43: Ubicación de las anomalías del perfil S19P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS19P1A1 -3.28 40.19 0.77 -3.28 39.60 1.01 Hyperbola S19P1A2 -3.28 43.72 1.12 -3.28 44.79 1.33 Hyperbola S19P1A3 -3.28 46.07 1.03 -3.28 47.08 1.18 Hyperbola S19P1A4 -3.28 47.58 0.98 -3.28 48.44 1.15 Hyperbola S19P1A5 -3.28 42.00 1.83 -3.28 45.57 2.71 StratigraphyS19P1A6 -3.28 47.12 2.03 -3.28 47.96 2.24 Hyperbola S19P1A7 -3.28 49.12 2.59 -3.28 49.79 2.70 Hyperbola

S18

S19


176 Capitulo 06

Tabla 6.44: Ubicación de las anomalías del perfil S20P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S20P1A1 -24.79 34.01 2.85 -24.79 34.85 2.90 Hyperbola S20P1A2 -24.79 38.88 1.27 -24.79 40.14 1.38 Hyperbola S20P1A3 -24.79 41.48 1.25 -24.79 42.49 1.41 Hyperbola S20P1A4 -24.79 35.27 1.31 -24.79 36.78 1.68 Stratigraphy S20P1A5 -24.79 39.49 2.15 -24.79 40.79 2.26 Hyperbola S20P1A6 -24.79 43.82 2.10 -24.79 44.76 2.25 Hyperbola

Tabla 6.45: Ubicación de las anomalías del perfil S21P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S21P1A1 -30.83 23.47 2.10 -30.83 22.17 2.35 Hyperbola S21P1A2 -30.83 33.97 2.30 -30.83 35.40 2.68 Stratigraphy S21P1A3 -30.83 41.15 2.27 -30.83 39.01 2.77 Stratigraphy S21P1A4 -30.83 45.19 2.10 -30.83 46.19 2.28 Hyperbola S21P1A5 -30.83 30.36 1.36 -30.83 31.62 1.50 Hyperbola S21P1A6 -30.83 34.73 1.31 -30.83 35.32 1.43 Hyperbola S21P1A7 -30.83 39.26 1.14 -30.83 40.27 1.25 Hyperbola S21P1A8 -30.83 43.97 1.17 -30.83 45.23 1.30 Hyperbola

S20

S21



Tabla 6.46: Ubicación de las anomalías del perfil S22P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S22P1A1 -32.96 4.55 0.69 -32.02 4.55 1.00 Stratigraphy S22P1A2 -29.01 4.55 0.60 -30.04 4.55 1.05 Stratigraphy S22P1A3 -31.45 4.55 1.30 -30.63 4.55 1.52 Hyperbola S22P1A4 -31.91 4.55 1.98 -30.27 4.55 2.18 Hyperbola S22P1A5 -32.14 4.55 2.48 -29.64 4.55 2.74 Stratigraphy

Tabla 6.47: Ubicación de las anomalías del perfil S23P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S23P1A1 -37.61 3.34 2.24 -37.61 4.30 2.29 Hyperbola S23P1A2 -37.61 5.04 2.22 -37.61 5.65 2.29 Hyperbola S23P1A3 -37.61 9.13 0.88 -37.61 10.52 1.40 Stratigraphy S23P1A4 -37.61 9.85 1.74 -37.61 10.54 1.94 Hyperbola S23P1A5 -37.61 9.76 2.47 -37.61 10.71 2.67 Hyperbola

S22

S23


178 Capitulo 06

Tabla 6.48: Ubicación de las anomalías del perfil S26P1 Anomalias start_x start_y Start_z end_x end_y end_z anomaly typeS26P1A1 -17.90 36.08 2.00 -17.90 34.31 2.37 Hyperbola S26P1A2 -17.90 42.46 1.63 -17.90 45.49 1.75 Hyperbola S26P1A3 -17.90 47.71 0.96 -17.90 49.31 1.07 Hyperbola S26P1A4 -17.90 51.11 1.31 -17.90 52.67 1.53 Hyperbola S26P1A5 -17.90 52.96 1.09 -17.90 54.80 1.37 Hyperbola S26P1A6 -17.90 34.36 4.04 -17.90 36.04 4.18 Hyperbola

Tabla 6.49: Ubicación de las anomalías del perfil S27P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS27P1A1 -18.60 34.16 0.84 -18.60 32.06 1.03 Hyperbola S27P1A2 -18.60 34.98 2.12 -18.60 32.77 2.34 Hyperbola S27P1A3 -18.60 42.70 0.86 -18.60 41.02 1.34 Stratigraphy

S26

S27



Tabla 6.51: Ubicación de las anomalías del perfil S29P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS29P1A1 -15.94 39.70 2.07 -18.37 39.70 2.43 Hyperbola

Tabla 6.50: Ubicación de las anomalías del perfil S28P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS28P1A1 -16.30 35.45 1.99 -17.93 35.45 2.33 Hyperbola S28P1A2 -15.88 35.45 2.44 -14.83 35.45 2.56 Hyperbola S28P1A3 -18.44 35.45 2.45 -19.45 35.45 2.59 Hyperbola S28P1A4 -17.83 35.45 2.75 -19.15 35.45 2.83 Stratigraphy S28P1A5 -17.11 35.45 2.62 -19.28 35.45 3.42 Stratigraphy

S28

S29P1


180 Capitulo 06

Tabla 6.52: Ubicación de las anomalías del perfil S30P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS30P1A1 -16.13 43.15 2.03 -17.94 43.15 2.25 Hyperbola S30P1A2 -16.09 43.15 2.71 -18.15 43.15 2.91 Hyperbola S30P1A3 -16.13 43.15 4.07 -18.21 43.15 4.36 Hyperbola

Tabla 6.53: Ubicación de las anomalías del perfil S31P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS33P1A1 -13.56 16.81 1.26 -12.42 15.67 1.70 Stratigraphy S33P1A2 -10.73 13.98 1.08 -9.37 12.62 1.94 Stratigraphy S33P1A3 -12.94 16.19 2.47 -12.00 15.30 2.65 Hyperbola S33P1A4 -13.53 16.78 1.90 -12.64 15.89 2.01 Hyperbola S33P1A5 -10.75 14.00 2.08 -9.73 12.98 2.22 Hyperbola

S30P1

S33P1



Tabla 6.54: Ubicación de las anomalías del perfil S341 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS34P1A1 -12.90 17.21 0.58 -11.85 18.26 1.16 Stratigraphy S34P1A2 -13.26 16.85 1.62 -12.16 17.95 1.81 Hyperbola S34P1A3 -12.79 17.32 1.95 -11.78 18.33 2.11 Hyperbola S34P1A4 -13.14 16.97 2.28 -12.18 17.93 2.51 Hyperbola

Tabla 6.55: Ubicación de las anomalías del perfil S35P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly typeS35P1A1 -11.06 13.51 0.90 -10.6 13.91 1.13 Stratigraphy S35P1A2 -9.68 14.89 0.41 -9.29 15.28 0.63 Stratigraphy S35P1A3 -10.51 14.06 1.71 -9.93 14.64 1.88 Hyperbola S35P1A4 -9.85 14.72 2.45 -9.24 15.33 2.62 Hyperbola S35P1A5 -10.05 14.52 2.78 -9.41 15.16 2.97 Stratigraphy S35P1A6 -9.82 14.75 3.50 -9.29 15.28 3.69 Stratigraphy

S34P1

S35P1


182 Capitulo 06

Tabla 6.56: Ubicación de las anomalías del perfil S36P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S36P1A1 -31.30 15.00 40.06 -31.30 13.47 47.12 Hyperbola S36P1A2 -31.30 19.43 25.26 -31.30 20.34 29.66 Hyperbola S36P1A3 -31.30 19.54 44.47 -31.30 20.40 49.94 Hyperbola S36P1A4 -31.30 14.20 64.39 -31.30 13.78 68.27 Hyperbola

Tabla 6.57: Ubicación de las anomalías del perfil S37P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S37P1A1 -30.85 16.61 1.57 -31.74 16.61 1.76 Hyperbola S37P1A2 -29.91 16.61 1.97 -32.07 16.61 2.28 Hyperbola S37P1A3 -35.45 16.61 2.21 -36.50 16.61 2.48 Stratigraphy S37P1A4 -31.00 16.61 3.24 -32.98 16.61 3.41 Hyperbola S37P1A5 -34.26 16.61 1.55 -35.28 16.61 1.68 Hyperbola

S36P1

S37P1



Tabla 6.58: Ubicación de las anomalías del perfil S38P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S38P1A1 -29.72 20.67 0.52 -30.63 20.67 0.84 Stratigraphy S38P1A2 -33.56 20.67 0.44 -32.58 20.67 0.86 Stratigraphy S38P1A3 -30.73 20.67 3.74 -32.16 20.67 3.94 Hyperbola S38P1A4 -31.34 20.67 1.27 -32.09 20.67 1.43 Hyperbola

Tabla 6.59: Ubicación de las anomalías del perfil S39P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S39P1A1 -35.90 18.37 0.76 -37.16 18.37 1.06 Stratigraphy S39P1A2 -44.38 18.37 0.64 -43.35 18.37 1.12 Stratigraphy S39P1A3 -39.80 18.37 1.05 -41.19 18.37 1.17 Hyperbola S39P1A4 -37.24 18.37 1.94 -39.17 18.37 2.17 Hyperbola S39P1A5 -37.43 18.37 2.62 -39.36 18.37 2.82 Hyperbola S39P1A6 -37.60 18.37 3.68 -39.19 18.37 3.80 Hyperbola

S38P1

S39P1


184 Capitulo 06

Figura 6.14: Ubicación de las anomalías registradas en la zona

Z4 dentro del castillo en el plano original.

Tabla 6.60: Ubicación de las anomalías del perfil S39P1 Anomalias start_x start_y start_z end_x end_y end_z anomaly type S40P1A1 -38.44 17.43 1.09 -38.44 16.59 1.25 Hyperbola S40P1A2 -38.44 19.57 1.11 -38.44 18.25 1.51 Stratigraphy S40P1A3 -38.44 19.30 1.85 -38.44 21.00 2.07 Hyperbola S40P1A4 -38.44 17.60 2.20 -38.44 16.50 2.36 Hyperbola S40P1A5 -38.44 19.11 3.43 -38.44 20.22 3.67 Hyperbola

S40P1



d) Integración de los datos geofísicos e históricos

A partir de un reciente estudio fotoplanimétrico realizado sobre una imagen de satélite, el levantamiento topográfico del Coronel de ingenieros, Don Francisco Albear y Lara, de 1874, y el levantamiento topográfico actual de la Empresa de Proyectos para el Transporte del MICONS, se ha podido establecer con mayor precisión la ubicación de los perfiles y la selección de los puntos de interés en las zonas Z1, Z2 y Z3 marcadas para este estudio (figura 6.15).

Como puede verse en la foto montaje se han destacado los elementos registrados por Albear en 1874, que corresponden a los siguientes elementos: en fondo azul la antigua zona cubierta por el mar, en fondo verde uno de los brazos de mar y el canal construido como elemento defensivo, y finalmente enmarcada en amarillo la parcela que limitaba el cementerio provisional. En esta imagen se han destacado además, los perfiles geofísicos y sobre ellos, en rojo, los puntos de interés que integran los datos geofísicos e históricos que a continuación serán señalados y discutidos.

Para este análisis se ha tenido en cuenta el tipo y la concentración de las anomalías, la profundidad en la que se encuentran y las dimensiones

Figura 6.15: Foto montaje donde se observan en rojo los puntos de interés para la investigación arqueológica a partir del estudio geofísico


186 Capitulo 06

de las anomalías reflejadas en los radargramas que puedan asociarse a los objetivos planteados en estas zonas.

Las interpretaciones arqueológicas que se hacen en este apartado son el fruto de la colaboración entre nuestro equipo de especialistas en GPR y los arqueólogos del gabinete de arqueología de la ciudad de la Habana. También se toman en consideración otros resultados de trabajos geofísicos como la sísmica de refracción y los sondeos eléctricos verticales que hemos realizado, pero que se interpretan por los especialistas de la Universidad de la ISJAE, de la Habana. Todos los detalles de estos trabajos se encuentran en la publicación realizada por el departamento de Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente, Universidad de Alicante, patrocinada por el proyecto GEOSIS (Jáuregui, P. et al., 2004).

Zona 1:

Localización de fosas y elementos arquitectónicos asociados al cementerio provisional que se estableció en el sector Sureste de la Loma de Soto en el 1850.

A partir del estudio sísmico (Jáuregui, P. et al., 2004) se encontró la existencia de tres capas geológicas bien definidas, en las interfaces de las cuales se detectaron 10 anomalías, 5 de ellas coincidían espacialmente con las detectadas por el GPR. Por la profundidad que se extienden estas capas resultan de interés las anomalías halladas en la interfaz entre la primera y segunda capa, no desechando completamente aquellas que están a mayor profundidad. Por otra parte, del estudio realizado por el GPR se pudieron señalar un total de 23 anomalías, 2 de tipo estratigráficas y el resto de tipo hipérbola. La profundidad en que es

Figura 6.16: Puntos de interés arqueológico en la zona 1.



hallaron estas anomalías oscila entre los 1,7 m y 4,06 m respecto al nivel del suelo. De esta manera puede verse que las anomalías se ubican, fundamentalmente, dentro de la primera capa y en la intersección con la segunda capa (capas que habían sido detectadas previamente en el estudio sísmico). En estos perfiles sísmicos y de GPR fueron señalados un total de 9 puntos de interés para el estudio arqueológico (figura6.16):

En el perfil 1, donde se realizaron los cortes sísmicos T1 (Jáuregui, P. et al., 2004) y GPR S43P1 se han considerado dos puntos de interés: P1, que se encuentra a los 9,0 m del origen y a 3,7 m de profundidad, comprende las anomalías A1 del GPR y A1 de Sísmica. Por las características que se aprecian en los cortes de velocidad y radargramas, y su ubicación fotoplanimétrica, se pueden considerar como posibles fosas de enterramientos. Y P2, a los 23,0 m del origen y a 3,0 m de profundidad, abarca las anomalías A2 de sísmica y A2 y A3 del GPR. Por las dimensiones de la hipérbola observada en el radargrama y la ubicación fotoplanimétrica de este punto consideramos estas anomalías asociadas a un elemento constructivo, posiblemente el muro perimetral oeste del cementerio.

En el perfil 2, donde se realizaron los cortes T2 y S42P1, se consideró el punto de interés P3, que se encuentra a los 30 m del origen y a una profundidad de 2,0 m, como señala la anomalía A2 de sísmica. Por su ubicación fotoplanimétrica y las características que presenta en el corte de velocidad resulta de interés para el estudio arqueológico, ya que pudiera tratarse de restos de alguna de las obras defensivas exteriores que se construyeron en el siglo XIX y que aparecen reflejadas en la documentación histórica.

En el perfil 3, donde se realizaron los cortes sísmico T3 (Jáuregui, P. et al., 2004) y de GPR S44P1, se consideraron de interés dos puntos: El punto P4, que se encuentra al inicio del perfil y a partir de los 2,6 m de profundidad, posee una acumulación de 4 anomalías del GPR señaladas como A1, A2, A3 y A4, y la A1 de sísmica. Estas anomalías detectadas por el GPR se observan en el radargrama como pequeñas hipérbolas, no así en el corte de velocidad sísmico, donde se aprecia una anomalía bien definida. Por su ubicación fotoplanimétrica y su abundante acumulación entendemos que este punto puede estar asociado a fosas de enterramiento. El punto P5, desde los 19,0 a los 25,0 metros del inicio del perfil y a los 2,1 m de profundidad, comprende las anomalías A6, A7 y A8. Este punto, al igual que el anterior, refleja pequeñas anomalías en el radargrama, descritas como hipérbolas, pero por su ubicación dentro del área de cementerio y su acumulación se consideran de interés para el estudio.


188 Capitulo 06

En el perfil 5, donde se realizó el corte sísmico T5 (Jáuregui, P. et al., 2004), se considera de interés el punto P6, ubicado entre los 30,0 y 35,0 m y a 4,0 m de profundidad. Por su localización fotoplanimétrica y su morfología apreciada en el corte de velocidad suponemos que pudiera estar asociado a los restos del muro oeste del cementerio.

En el perfil 7 (Jáuregui, P. et al., 2004) donde se realizó el corte S41P1 del GPR resultaron de interés los puntos P7, P8 y P9 a los 36,0, 55,0 y 66,0 metros respectivamente desde el origen y a una profundidad promedio de 2,25 m. Estos tres puntos aparecen en los radargramas como grandes hipérbolas y según el estudio fotoplanimétrico se encuentran dentro del área del cementerio. Por las características de las anomalías comprendidas dentro de los puntos de interés se puede pensar que se trate de restos de estructuras.

Zona 2:

Localización del puente de acceso a la fortaleza desde el frente terrestre. Como consta en los datos históricos la fortaleza quedaba aislada del resto de la ciudad por un ancho canal que unía dos brazos de mar que se desarrollaban en el Norte y Sur de la Loma de Soto.

En los dos cortes realizados con el GPR en esta zona fueron seleccionados tres puntos de interés, dada su localización fotoplanimétrica (figura 6.17). El resto de las anomalías detectadas por el GPR no son tomadas en cuenta en una primera aproximación del estudio en esta zona, ya que pudieran estar relacionadas con los materiales que formaron parte de los grandes rellenos de nivelación que afectaron a esta zona.

En el perfil 8 (Jáuregui, P. et al., 2004) se consideró de interés el punto P10, que incluía la anomalía A2 del corte S1P2 localizada desde los 32,0 a 37,0 m y a 2,7 m de profundidad. Y en el perfil 9 fueron indicados dos puntos de interés: P11 (A1 del perfil S2P2), que se extiende desde los 14,0




a 24,0 m del origen y a 2,7m de profundidad, y P12 (A2 del perfil S2P2), que se extiende desde los 31,0 a 35,0 m den origen y a 2,7 m de profundidad.

Zona 3:

Zona con tres elementos de interés por localizar. Por un lado, un corte sísmico (Jáuregui, P. et al., 2004) se encargaría de detectar uno de los estribos del canal y la profundidad de los rellenos que llegaron a esa área desde finales del siglo XIX. En el sector Norte, resultaba de interés la determinación de un cambio estratigráfico producido por el brazo de mar. Y finalmente, una serie de 8 perfiles de GPR intentarían ubicar desde la superficie del terreno la continuidad de una galería subterránea de la que se conoce su existencia. Como puede verse en la figura 6.18 fueron seleccionados 8 puntos de interés.

De la serie de 8 perfiles trazados con el GPR para buscar la continuidad de la galería subterránea fueron señalados los siguientes puntos de interés:

P13: Este punto se ubica a los 25.0 m del origen del perfil sísmico T7. En el corte de velocidad se aprecia un cambio estratigráfico aproximadamente a los 2.5 m de la superficie. El perfil fue trazado sobre el área del canal y su punto anómalo se refleja en la imagen fotoplanimétrica, en el límite entre el canal y el brazo de mar que han desaparecido dentro del crecimiento urbano.

P14: desde los 7,0 a 13,0 m del origen del perfil y a una profundidad de 1,28 a 2,49 m de la superficie. Este punto incluye las anomalías A2, A3, A4, A5 y A6 del corte S47. Por la ubicación de este perfil y las características de estas anomalías pudiera tratarse de la salida de la mencionada galería.



190 Capitulo 06

P15: de 2,0 a 5,0 metros del origen y un metro bajo la superficie. Este punto comprende la anomalía A1 del perfil S45. Aunque esta anomalía posee semejanza y alineación con la A1 del perfil S47, que no fue señalada de interés, se ha optado por tomarla en cuenta en el punto P15 para aumentar la probabilidad de localización de la continuidad de la galería subterránea.

P16: de 1,0 a 5,0 metros de extensión y de 0,78 a 0,91 m de profundidad, que incluye las anomalías A1, A2 y A3 del corte S48. Teniendo en cuenta que este perfil cortó transversalmente la galería subterránea, lo hemos tomado en cuenta como patrón anómalo para el estudio en los radargrama de la presente serie de cortes.

P17: de 1,0 a 2,0 m del origen y sobre los 0,86 m de profundidad. Este punto incluye la anomalía A1 del corte S49. Por su localización y semejanza con la anomalía A2 del perfil S48, es muy probable que esté relacionado con la galería subterránea.

P18: de 0,3 a 2,0 m del origen y a un metro de profundidad. Las anomalías A1 y A2 del perfil S50 sugieren la presencia de la galería subterránea. Este dato se corrobora por la existencia de un acceso forzado en un área muy cercana al lugar donde se trazo este perfil.

P19: de 3,5 a 5,0 m del origen y bajo los 1,68 m de la superficie. La anomalía A2 puede estar relacionada con la galería subterránea, ubicando su punto de contacto con el parapeto del camino cubierto en estas coordenadas.

P20: de 0,0 a 1,0 m del origen y bajo los 0,89 m de la superficie. Se ha señalado la anomalía A2 del perfil S52 como el posible punto de unión, más cercano, entre la galería y el parapeto del camino cubierto.

Zona 4:

Primera fase: Realización de perfiles GPR alrededor del camino cubierto para localizar la continuidad de la galería subterránea y detectar otras posibles estructuras y canalizaciones, que se extienden fuera del edificio pasando a través del camino cubierto.

Segunda fase: Realización de perfiles GPR en el interior de la fortaleza para la localización de estructuras subterráneas en desuso como letrinas, canales, bóvedas, mazmorras, etc.



Fase 1: Sobre el camino cubierto se realizaron 11 perfiles y fueron señaladas 47 anomalías. De este análisis resultaron de interés los siguientes puntos:

P21: de 5,0 a 12,0 m desde el origen y de 1,46 a 4,54 m de profundidad. Se señalan las anomalías de interés: A1, A2, A3, A4, A5 y A6 del perfil S9P1, posiblemente relacionadas con la galería subterránea por la profundidad y localización.

P22: de 10,0 a 16,8 m del origen y de 0,48 a 0,84 m de profundidad. La anomalía A1 del perfil S11 resulta de interés por sus dimensiones y características al ser descrita en el radargrama como una anomalía de tipo trinchera.

P23: de 22,9 a 26,0 m del origen y de 0,58 a 0,83 m de profundidad. La anomalía A2 del perfil S11 posee semejantes características a la señalada en el punto P22.

P24: de 7,5 a 9,2 m del origen y de 1,49 a 1,68 m de profundidad. La anomalía A3 del perfil S14P1 es señalada de interés por la relación que pudiera tener con un canal de desagüe de los fosos que se aprecia en la contraescarpa.

P25: de 15,0 a 22,4 m del origen y 1,53 a 3,05 m de profundidad. Son de interés las anomalías A1, A2 y A3 del perfil S24P1. Si bien su ubicación espacial las saca del área con mayores probabilidades de ser relacionada con la entrada de la galería subterránea, sus características y profundidad nos permiten afirmar que no pueden ser descartadas como posible situación del elemento buscado.

P26: de 3,0 a 11,0 m del origen del perfil y de 1,5 a 1,7 m de profundidad. Es de interés la anomalía A4 del perfil S24P1. Por su ubicación y dimensiones este punto puede estar relacionado con la galería subterránea.

P27: de 0,6 a los 7,6 m del origen y de 1,42 a 3,03 m de profundidad. Se aprecian las anomalías A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9, A10 y A11 del perfil S25P1. Por las características, acumulación y ubicación pueden estar relacionadas con la galería antes mencionada.

Fase 2: Dentro del área del edificio se realizaron un total de 24 perfiles de GPR en los cuales fueron detectadas 108 anomalías. De estas son de interés las siguientes:


192 Capitulo 06

P28: que se extiende de 2,8 a 7,0 m del origen y a una profundidad de 2,0 a 3,34 m. Comprende las anomalías A1 y A2 del perfil S5P2. Por su ubicación dentro de la Plaza de Armas y dimensiones este punto resulta de interés para la intervención arqueológica.

P29: de 14,0 a 15,0 m del origen y de 0,9 a 1,7 m de profundidad. Es considerada de interés la anomalía A4 del perfil S5P2. El estudio de este punto es considerado de utilidad por la ubicación y la profundidad a que se encuentra la anomalía detectada.

En las áreas techadas no son señalados puntos de interés. El motivo es que los radargramas muestran un patrón de anomalías que, por su morfología, son similares a las que se presentan cuando se recogen reflexiones de las ondas aéreas que resultan de las pérdidas de energía que tienen las antenas. Aunque las antenas son blindadas, se producen reflexiones en los techos y bóvedas de las habitaciones del castillo produciendo falsas anomalias en los radargramas en forma de hipérbolas. Por eso, dentro de la intervención arqueológica en el interior del inmueble se ha previsto la ejecución de catas de prueba para corroborar la causa de estas anomalías, teniendo en cuenta que es la primera vez que hemos empleado esta técnica en tales en condiciones.

e) Conclusiones

En este estudio se han aplicado métodos geofísicos de avanzada tecnología que aportan información para la selección de 29 puntos de interés para el estudio arqueológico en las áreas seleccionadas. Entre los métodos aplicados, el uso del GPR resultó ser el de mayor alcance para aportar soluciones a los objetivos planteados en esta investigación.

Cabe destacar que para la selección de los puntos de interés arqueológico, la detección de posibles elementos por el sistema GPR en las zonas Z1, Z2, Z3 y el camino cubierto perteneciente a la zona Z4, ha aportado la mayor cantidad de información y precisión sobre los elementos buscados, frente a otros métodos utilizados en el mismo área: sísmica de refracción y sondeos eléctricos verticales.

En el caso especifico de las áreas cubiertas en el interior del inmueble, los radargramas reflejan anomalías que siguen un patrón similar al que proporciona la reflexión de ondas aéreas, debido muy probablemente a la reflexión de las ondas electromagnéticas en las cubiertas abovedadas. Este hecho provoca falsas anomalías que enmascaran las



posibles reflexiones debidas a los elementos buscados que se encuentran en el subsuelo.

En zonas techados el sistema GPR presenta una limitación evidente, pues no se puede tener certeza en la localización de anomalías a partir de una determinada profundidad. La profundidad de prospección puede obtenerse como: Z<(h.VS/c), siendo h la altura del techado, VS la velocidad de propagación de la onda en el subsuelo y c su velocidad de propagación en el aire.

Se ha de destacar que la reflexión de la onda producida por las paredes no afecta en la misma medida que la del techo, pues esta presenta una firma muy bien definida en el radargrama perfectamente identificable (una línea que asciende conforme el sistema se aproxima hacia la pared)

A pesar de su menor rendimiento en ambientes cerrados, consideramos de sumo interés la utilización del sistema GPR en los estudios de tipo arqueológico por constituir un método no intrusivo y por el alto rendimiento y efectividad mostrada en el resto de las áreas prospectadas en este estudio.

CAPITULO 07

Conclusiones generales


Conclusiones 197

Conclusiones generales:

Como primera conclusión consideramos que el Georadar, además de ser un dispositivo de medida no invasivo y de alta resolución, se adapta a diversos tipos de aplicaciones siempre que se utilice con una metodología apropiada.

Esta ventaja de adaptabilidad también se aprecia a la hora de manejar los datos adquiridos para la interpretación y la representación, siendo posible usar programas comerciales o crear programas propios para estas tareas.

La aplicación de una buena metodología y una adecuada configuración del sistema GPR permiten obtener resultados que no ofrece ninguna otra técnica de prospección geofísica.

En cada prospección es fundamental conocer el comportamiento exacto del sistema GPR que se utiliza mediante diferentes ensayos: identificación de la onda directa, determinación de la reflectividad registrada, forma de ondas características y fijación del nivel cero (suelo). Estos ensayos son imprescindibles para cada equipo y cada emplazamiento aunque se utilicen antenas del mismo fabricante y de la misma frecuencia nominal.

Las antenas de alta frecuencia (1 GHz) alimentadas con baterías de plomo (Pb), presentan un problema de variabilidad en el nivel de reflectividad (amplitud de la señal registrada) a lo largo de una sesión de trabajo. Este problema esta ligado principalmente a la variabilidad de potencia de las baterías de Pb. El fenómeno en cuestión no se aprecia en las antenas de menor frecuencia y desaparece al usar baterías de litio. No obstante se recomienda realizar test de reflectividad de la antena encima de una placa metálica antes y después de cada trabajo in situ. Estos test nos permiten introducir las correcciones adecuadas utilizando el nivel de reflectividad como referencia en el estudio.

La antena de 1 GHz que se utilizó durante esta investigación presenta un problema de ringing excesivo. Este problema no afecta los estudios de carácter cualitativo pero se considera una limitación en los estudios de carácter cuantitativo.

Las reflexiones aéreas (paredes, cables eléctricos colgados, zonas techadas, etc.) representan un inconveniente aunque las antenas que usamos son apantalladas y, en teoría, están protegidas contra este tipo de reflexiones. No obstante se ha comprobado que en algunos casos


198 Capitulo 07

estas reflexiones se detectan y pueden inducir a una interpretación errónea. Por ello es aconsejable tomar nota in situ de la altura y posición donde se cruza cualquier elemento reflectivo próximo a los perfiles y, en el caso de trabajos en zonas techadas, disponer de planos exactos para ubicar en ellos los perfiles registrados y poder identificar así las posibles reflexiones derivadas de los elementos aéreos y eliminarlos de la interpretación.

Los programas desarrollados durante la elaboración de esta tesis permiten obtener un mayor aprovechamiento de los registros obtenidos con el sistema GPR. Complementan las prestaciones de los programas comerciales, se obtienen representaciones (p.e. en 3D) que no facilitan estos últimos y permiten mayor libertad en el procesado de los datos.

Las buenas prestaciones que hemos conseguido utilizando esta técnica en los trabajos realizados en esta Tesis se debe, fundamentalmente, a dos aspectos: (a) el diseño de una metodología de medida adaptada a cada caso particular y (b) al desarrollo de un software específico en alguna de las aplicaciones que ha mejorado las prestaciones de los programas comerciales.

Con respecto a la utilización del GPR en los campos estudiados concluimos:

ECOLOGÍA

La aplicación del sistema GPR en investigaciones de ecología resulta de gran ayuda por los datos de alta resolución que ofrece, la rapidez de ejecución y, lo más importante en este campo, su carácter de técnica no invasiva.

La utilización del GPR en un ecosistema dunar es idónea por la homogeneidad del suelo. Esto permite apreciar fácilmente los contrastes entre las constantes dieléctricas de las raíces y los granos de arena, identificándose también con facilidad el grosor de las primeras. Por ello se puede afirmar el GPR es una valiosa herramienta de gestión en ecosistemas tan frágiles como es el caso de las dunas costeras. Dependiendo de la antena y frecuencia de muestreo usadas hemos logrado detectar raíces del orden de 10 mm, con la antena de 500 MHZ, y de 8.6 mm con la antena de 1GHz.

En cuanto al trabajo realizado en la estimación del crecimiento de las raíces en islotes de repoblación de encinas, la obtención de resultados satisfactorios se debe a la extracción y representación, mediante los programas GPR3DM y ECO3DM, de los niveles de reflectividad de las


Conclusiones 199

raíces en las parcelas de estudio y las parcelas de referencia, lo que permite estimar cuantitativamente la densidad media de las raíces en las parcelas sometidas a diferentes tratamientos.

GEOTÉCNICA

Para la Exploración de posibles fenómenos de karstificación en canteras de piedra ornamental se cuenta con la ventaja de que, en este tipo de terreno, la onda electromagnética tiene una buena propagación, con escasa dispersión y atenuación, haciendo más provechosa y eficaz la aplicación del GPR. Los resultados obtenidos con esta técnica permiten planificar una extracción del mármol más rentable aprovechando el mapeo de las fisuras. También se puede aprovechar el mapeo de las cavidades y fisuras para realizar un mapa de riesgo de colapso, útil para la seguridad de los trabajadores

El GPR también se muestra como una herramienta sumamente eficaz para el estudio de las causas de deformaciones en el firme de carreteras, sustituyendo a técnicas invasivas mucho más laboriosas y costosas de ejecutar. La representación de los resultados obtenidos en 3 dimensiones permite tener una visión global del problema que afecta a la carretera. Esta representación ha sido posible gracias a la extracción de los datos registrados mediante el programa GPR3DM y la posterior representación en 3D con el programa Voxler.

De la misma forma el sistema GPR es una herramienta adecuada, rápida y útil para controlar y determinar el espesor del asfalto. No obstante, el GPR utilizado solo permite detectar el paquete completo el asfalto, sin distinción entre las diferentes capas internas. Este resultado es debido a que la antena de 500 MHz, por su longitud de onda, es incapaz de detectar las cualidades de las diferentes capas que constituyen el asfalto. Con las antenas utilizadas en nuestros ensayos, tipo ground-coupled, los mejores resultados en la estimación de los espesores del asfalto se han obtenido cuando se utiliza en los cálculos la onda de aire como traza de referencia. Esto presenta una diferencia con los estudios que constan en la literatura, que utilizan como referencia ondas reflejadas encima de una placa metálica.

ARQUEOLOGÍA

La utilización del sistema GPR en la investigación arqueológica en el área del castillo de Atarés (la Habana), en comparación con otros procedimientos aplicados (sísmica de refracción y sondeos eléctricos


200 Capitulo 07

verticales), resultó ser el de mayor alcance para aportar soluciones a los objetivos planteados en esta investigación.

El sistema GPR presenta una limitación evidente en las zonas techadas, dificultad provocada por las reflexiones aéreas que enmascaran los elementos de interés. A pesar de esta limitación consideramos de sumo interés la utilización del sistema GPR en los estudios de tipo arqueológico por constituir un método no intrusivo, rápido de ejecutar y de alto rendimiento.

ANEXOS

ANEXO 01

FUNDAMENTOS FÍSICOS DEL FUNCIONAMIENTO DEL GPR


Fundamentos del funcionamiento del GPR 207

A1.1 Propagación de la onda electromagnética

En esta parte se va desarrollar las bases teóricas sobre las que se asientan los fenómenos de propagación, transmisión y reflexión de las ondas electromagnéticas.

Se utilizan las leyes de Maxwell como punto de partida para obtención de las ecuaciones que rigen la propagación de ondas electromagnéticas, definiendo su dependencia con los parámetros electromagnéticos del medio de propagación.

La expresión de la 3ª y 4ª leyes de Maxwell en forma vectorial es la siguiente Ecuaciones que relacionan la variación de las magnitudes de campo eléctrico y magnético con el tiempo, en un punto cualquiera del espacio (Serway, R. A., 1997):

tBE

∂∂r

r−=×∇ (1.1)

tEJB∂∂µεr

rr+=×∇ (1.2)

Donde:

E: intensidad de campo eléctrico (V/m).

B: intensidad de campo magnético (T)

J: densidad de corriente (A/m2)

µε y : Permitividad eléctrica y permeabilidad magnética del medio

Estas ecuaciones también ligan los campos eléctrico y magnético con las fuentes que los producen, a partir de una serie de parámetros constantes para cada medio determinado. Estas constantes definen electromagnéticamente el medio. En prospección con radar de subsuelo tres de estos parámetros son básicos para comprender qué se está registrando. Se trata de la conductividad, la permitividad dieléctrica y la permeabilidad magnética, siendo

σ = Ε /J (1.3)

ε =Ε /D (1.4)

D: densidad de flujo eléctrico (C/m2)


208 Anexo 01

µ =Η /B (1.5)

H: intensidad de campo magnético aplicado (Wb/m2)

Siendo σ, ε y µ constante para cada material independiente de los campos, tal y como se indica a continuación:

σ : Conductividad eléctrica del material (Ω-1m-1)

0.εεε r= : Constante dieléctrica del material (F/m) (1.6)

εr : constante dieléctrica relativa.

ε0 =10-9/(36π) F/m, constante dieléctrica en el vacío.

0.µµµ r= : Permeabilidad magnética del material (H/m) (1.7)

µr: permeabilidad magnética relativa.

µ0=4π/107 H/m, permeabilidad magnética en el vacío.

La mayoría de las ondas electromagnéticas pueden ser consideradas como la superposición de un conjunto de ondas planas, de modo tal que el conocimiento del comportamiento de las ondas planas, ayuda a resolver los problemas planteados al tratar ondas más complejas.

Dos ecuaciones rigen el fenómeno de propagación de ondas electromagnéticas en un medio homogéneo e isotópico:

022

2

=− yy E

xE

γ∂∂

(1.8)

022

2

=− yy H

xH

γ∂∂

(1.9)

Una solución para la onda incidente de campo eléctrico resulta ser entonces:

xtjy eeEE γω −= 0 (1.10)

Donde ω=2π f, siendo f la frecuencia de la onda y γ la constante de propagación, que se define como:

µεωωµσγ 2−= j (1.11)

La constante de propagación también se puede escribir de la siguiente forma:



βαγ j+= , donde j es el número complejo.

Siendo α la constante de atenuación y β la constante de fase.

Donde:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−+=−= 11

2Re 22

22

εωσµεωµεωωµσα j (1.12)

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡++=−= 11

2Im 22

22

εωσµεωµεωωµσβ j (1.13)

La velocidad v y la longitud de la onda de la señal λ se expresan con las siguientes ecuaciones:

βω

=v (1.14)

βπλ 2

= (1.15)

Verificando entre las dos relaciones precedentes:

fv

=λ (1.16)

A1.2 Reflexión y transmisión de ondas electromagnéticas

Si se suponen dos medios a través de los cuales se propaga una onda electromagnética plana, en una dirección que forma un ángulo iθ con la normal a la superficie de separación de ambos medios (figura 1.1), al incidir el campo en esta superficie parte de la energía que posee penetra en el segundo medio y parte se refleja volviendo al medio inicial.

E i

H i H r

E r

H t E t

θi θr

θt

Figura 1.1 Reflexión y transmisión de una onda electromagnética polarizada con su vector E

contenido en el plano incidente

xy

z


210 Anexo 01

La relación entre las variables que se definen el campo incidente y las de los campos reflejado y transmitido depende no solamente del contraste de propiedades electromagnéticas entre ambos medios, sino también de los ángulos de incidencia, reflexión y transmisión.

Para ello se comienza estudiando la relación entre las amplitudes de los campos eléctricos incidente, reflejado y transmitido, generalizando posteriormente los conceptos de reflexión y transmisión en un marco de intercambio de energía entre ambos medios.

Suponiendo el vector del campo eléctrico de la onda incidente iE contenido en el plano de incidencia, tal y como se verifica en los campos generado por las antenas del GPR, y considerando un tríodo de referencia (x,y,z) tal como se indica en la figura 1.1, donde los ejes ``x`` y ``z``están contenidos en dicho plano, teniendo el eje ´´z´´ como sentido positivo hacia el interior del segundo medio, y el eje ``y`` coincide con su normal en la dirección del campo magnético incidente, es posible expresar los campos incidentes de la siguiente manera:

( ) tjzsenxii eeEE ii ωθθγ cos0

+−= (1.17)

Con

( ) tjzsenxii eeHH ii ωθθγ cos0

+−= (1.18)

Eiii aEE 00 = (1.19)

yii aHH 00 = (1.20)

Donde ya , es el vector unitario en la dirección de eje ``y``, Eia es el vector unitario en la dirección del vector campo eléctrico incidente y

iE0 y iH 0 pueden ser complejos para incluir las diferencias de fase.

Análogamente, para los campos eléctrico y magnético reflejados las ecuaciones son:

( ) tjzsenxrr eeEE rr ωθθγ cos0

+−= (1.21)

Con

( ) tjzsenxrr eeHH rr ωθθγ cos0

+−= (1.22)



Errr aEE 00 = (1.23)

yrr aHH 00 −= (1.24)

Donde Era es el vector unitario en la dirección del vector campo eléctrico reflejado y rE0 y rH 0 pueden ser complejos para incluir las diferencias de fase.

Por ultimo, las expresiones de los campos eléctrico y magnético transmitidos son las siguientes:

( ) tjzsenxtt eeEE tt ωθθγ cos0

+−= (1.25)

( ) tjzsenxtt eeHH tt ωθθγ cos0

+−= (1.26)

Ertt aEE 00 = (1.27)

ytt aHH 00 = (1.28)

Siendo Eta es el vector unitario en la dirección del vector campo eléctrico transmitido y tE0 y tH 0 pueden ser complejos para incluir las diferencias de fase.

El porcentaje de energía reflejada depende del contraste existente entre los parámetros electromagnéticos de los diferentes materiales del medio. Este porcentaje nos define los coeficientes de transmisión y de reflexión de la energía.

La impedancia de un campo electromagnético es el cociente entre el campo eléctrico y el campo magnético, pudiendo definir una impedancia para el campo electromagnético incidente, 1η , que coincidirá con la del campo magnético reflejado, y otra para el campo electromagnético refractado, 2η , es decir, transmitido:

r

r

i

i

HE

HE

0

0

0

01 ==η , t

t

HE

0

02 =η (1.29)

Por otra parte, de las condiciones de continuidad de las componentes tangenciales de E y H en cualquier instante de tiempo y punto de la


212 Anexo 01

superficie de separación se deducen las siguientes relaciones de Fresnel, que relacionan la intensidad del campo eléctrico incidente con las de los campos reflejado y transmitido según: (teniendo cuenta que ri θθ = )

ti

iti

r

EE

refθηθηθηθη

coscoscoscos

21

12

0

0

+−

== (1.30)

ti

ii

t

EE

traθηθη

θηcoscos

cos2

21

2

0

0

+== (1.31)

Las anterior expresiones se conoce a ``ref`` como coeficiente de reflexión de la amplitud del campo eléctrico incidente y a ``tra`` como coeficiente de transmisión de dicha amplitud.

Estando tθ expresado en función de iθ de acuerdo con la ley de Snell

que relaciona los ángulos de incidencia, reflexión y refracción con las

velocidades de propagación de las ondas en los dos medios que están

en contacto (2

1

1

2

ηη

θθ

==vv

sensen

i

t ).

A partir de dichas expresiones es inmediato calcular los coeficientes de reflexión y transmisión de la intensidad del campo magnético, bastando para esto expresar en ellas los campos eléctricos en función de los magnéticos a través de las impedancias 1η y 2η .

En el caso de que se puede suponer incidencia normal, las ecuaciones se simplifican ( 0== ti θθ ) quedando únicamente en función de la relación entre impedancias de ambos medios:

21

12

ηηηη

+−

=ref (1.32)

21

22ηη

η+

=tra (1.33)



A1.3 Generación de ondas electromagnéticas por medio de una antena

La producción de una onda electromagnética es el resultado de la variación de un campo electromagnético que produce un campo eléctrico y viceversa (Serway, R. A., 1997), entonces cada vez que una corriente que circula por un alambre cambia con el tiempo (sinusoidal), el alambre emite una radiación electromagnética.

Si por ejemplo aplicamos un voltaje alterno a los alambres de una antena (figura 1.2), este voltaje alterno obliga a oscilar a las cargas eléctricas en la antena.

En el siguiente ejemplo vemos lo que ocurre si las dos barras conductoras de una antena están conectadas a una batería (figura 1.3). En este caso la aceleración de la cargas de las barras de la antena se realiza mediante un interruptor (en la realidad se utiliza un transistor, en este ejemplo usamos el concepto de interruptor para simplificar la explicación). Al principio, tenemos el interruptor abierto (figura 1.3 a), por consecuencia la corriente en el circuito es nula (I=0), por lo cual no hay campos presentes. En el momento que el interruptor se cierre (figura

Figura 1.2 Creación de un campo eléctrico por los alambres de una antena gracias a una fuente de corriente alterna.

a) t=0 b) 4Tt = c)

2Tt =

d) t=T

~E

~E

~ E

~E

+++

+ + +

+++

---

---

---

Figura 1.3 Creación de ondas electromagnética con una fuente continua

Batería a)

I = 0

B=0

-+

Batería b)

E

B

I (t)

-+

++

+

--- Batería

c) B=0

E

I = 0

-+

+ +

+

-

-


214 Anexo 01

1.3 b), las barras de la antena empiezan a acumular, la barra superior se acumula una carga positiva y en la barra inferior una carga negativa.

Este cambio de carga crea un campo eléctrico, que a su vez, produce un campo magnético alrededor de las barras. Finalmente, cuando las barras están completamente cargas, la corriente vuelve a ser nula y no hay campo magnético (figura 1.3 c).

Las ondas electromagnéticas también pueden inducir corrientes en una antena receptora. La respuesta de la antena receptora de dipolo en una posición determinada es un máximo cuando el eje de la antena es paralelo al campo eléctrico en ese punto y cero cuando el eje es perpendicular al campo eléctrico.

A1.4 Espectro de ondas electromagnéticas

Puesto que todas las ondas electromagnéticas viajan a través del vació con una velocidad c, su frecuencia f y longitud de onda λ están relacionadas por la siguiente expresión.

λfc = (1.34)

Los diversos tipos de ondas electromagnéticas se registran en la figura 1.4. Advierta el amplio intervalo de frecuencias y longitudes de onda. No hay un punto de división claro entre un tipo de onda y el siguiente. Debe observarse que todas las formas de radiación se producen (clásicamente) por cargas aceleradas.

Frecuencia Hz Onda

Rayos gamma

Rayos X

Ultravioleta

Luz visible

Infrarrojo

Microondas

TV, FM

Radiodifusora estándar

Onda larga

1 ángstrom, Å

1 nm

1 micra, µ

1 centímetro, cm

1 metro, m

1 Kilómetro, Km

1022

1021

1020

1019

1018

1017

1016

1015

1014

1013

1012

1011

1010

109

108

107

106

105

103

Figura 1.4 Espectro de ondas electromagnética

ANEXO 02

PROPIEDADES DEL SUELO


Propiedades del suelo 217

A2.1 Introducción

La prospección mediante GPR se basa en la propagación y la reflexión de las ondas electromagnéticas en un medio determinado. Los campos eléctrico y magnético de las ondas electromagnéticas interactúan con las propiedades electromagnéticas del medio donde se propagan de manera que el comportamiento de los campos electromagnéticos con las características de este medio afecta a la propagación, la atenuación, reflexiones y difracciones de estas ondas. En la mayoría de las aplicaciones GPR, las propiedades eléctricas del medio de propagación son los factores que controlan la respuesta de este método de prospección.

Por estas razones la importancia del buen conocimiento del de las propiedades electromagnéticas de los medios propagación (suelo, concreto, hormigón, etc...).

En la literatura encontramos numerosos trabajos completos sobre las propiedades del suelo y su interacción con el sistema GPR (Spagnolini, U., 1997, Nakashima, Y. et al., 2001, Pérez, G. V., 2001, Curtis, J. O., 2001, Remke, L. V. D. et al., 2000 y 2002, Oleschko, K. et al., 2002, Lambot, S. et al., 2003 y 2004) y sobre todo con el objetivo de la investigación, este tipo de estudio concierna por ejemplo los estudios de detección de minas (Montoya, T. P. and Smith, G. S., 1999, Miller, T. W. et al., 2004, Remke, L. V. D et al., 2005, Ainhoa, G. G. et al., 2006).

En el caso del trabajo que presentamos vamos a hacer una pequeña introducción a este tema, de manera mas general y abreviada, porque nuestro trabajo se aplica a diferentes temas en diferentes ambientes o suelos y con diferentes objetivos de investigación.

A través de las magnitudes físicas, como son la conductividad (o la resistividad eléctrica ρ =1/σ, inversa de la conductividad), la

Figura2.1: Relación ωεσ

entre las densidades de corrientes de

conducción y de desplazamiento, para distintos materiales, en función de la frecuencia


218 Anexo 02

permeabilidad magnética µ y la constante dieléctrica ε , se expresan las propiedades electromagnéticas, figura 2.1.

Los medios se pueden clasificar en tres principales grupos, aplicando el siguiente criterio:

Dieléctricos: 001,0<ωεσ

Cuasiconductores: 100001,0 <<ωεσ

Conductores: 100>ωεσ

A2.2 Permitividad eléctrica

La permitividad dieléctrica absoluta es una constante de proporcionalidad entre la intensidad del campo eléctrico externo aplicado y el vector desplazamiento eléctrico.

La permitividad absoluta (ε medida en el S.I. en F/m) se define como el producto entre una permitividad relativa del material (εr), que es una constante adimensional y la permitividad dieléctrica del vacío (ε0 = 8.854 . 10-12 F/m):

ε =ε0 εr (2.1).

La permitividad dieléctrica relativa es una constante que da una medida de la capacidad de polarización de un material en presencia de un campo eléctrico. Proporciona un valor de la respuesta estática del material cuando está en presencia de un campo eléctrico externo. La constante dieléctrica relativa del vacío es 1. Para la mayoría de los materiales que podemos encontrar en el subsuelo al realizar una prospección electromagnética, los valores de la permitividad dieléctrica relativa se encontrarán entre 1 (la del aire) y 81, siendo esta última la constante dieléctrica relativa del agua a 20º de temperatura.

Para altas frecuencias, entre 10 MHz y 1000 MHz (Pérez, G. V., 2001), en la mayor parte de los materiales del subsuelo, los fenómenos de desplazamiento (o polarización) dominan sobre los fenómenos de conductividad. De esta forma, los medios suelen caracterizarse a partir de su constante dieléctrica. Para frecuencias algo menores el término de la conductividad estática predomina sobre el otro. Para frecuencias



bajas (por debajo de los 100 Hz) no se ha observado que este parámetro dependa de la frecuencia del pulso, pero para frecuencias más altas se aprecia una dependencia entre ambos.

A2.3 Permeabilidad magnética

Este parámetro (µ) es el que relaciona la inducción magnética, B , con la intensidad de campo magnético, H se mide en Henri/metro y se puede escribir como el producto entre la permeabilidad magnética del vacío (µ0= 4π . 10−7 H/m) y la permeabilidad relativa del material:

rµµµ 0= (2.2)

Siendo rµ la permeabilidad relativa del material.

En la mayor parte de los materiales que nos encontraremos en los estudios con georadar (excepto en aquellos que contengan materiales ferromagnéticos) se cumple que la permeabilidad magnética es próxima a 1, no dependiendo de la frecuencia del campo magnético.

La relación entre la permeabilidad magnética en el vacío y la permitividad dieléctrica en el vacío se expresa como:

smc /10.998.21 8

00

==µε

(2.3)

Siendo c la velocidad de propagación de una onda electromagnética en el vacío.

A2.4 Conductividad

La conductividad de un medio (σ que se expresa en Ω-1m-1) nos proporciona una medida de la respuesta de sus cargas libres en presencia de un campo eléctrico externo, siendo el factor de proporcionalidad entre el campo libre aplicado y la densidad de volumen de corriente debido al movimiento de estas cargas libres. Es decir, proporciona una medida de la capacidad de un material de conducir corriente eléctrica.

ρσ 1

= (Ω-1m-1) ó (S/m) (2.4)

Los cuerpos eléctricamente conductores lo son porque permiten el paso a su través de portadores de cargas eléctricas, ahora bien estos portadores pueden ser electrones o iones. De esta forma se pueden


220 Anexo 02

distinguir dos tipos de conductividad: electrónica e iónica, este segundo grupo no es gaseoso y se le conoce como electrolitos.

A su vez los del primer grupo, es decir los electrónicos, se pueden clasificar en otros dos grupos: el de conductores propiamente dichos (metales), y el de los semiconductores.

El mecanismo de la conductividad de los metales se puede comprender debido a que los niveles energéticos de los átomos individuales se funden, debido a su proximidad, en bandas continuas. La de mayor energía, o banda de conducción está llena parcialmente hasta un valor llamado Nivel de Fermi.

La presencia de un campo exterior puede aumentar la energía de algunos electrones por encima de dicho nivel, pero dentro de la misma banda, dando lugar a la conducción.

Pero son pocos y muy escasos los componentes de la corteza terrestre que posean conductividad metálica, entre ellos se encuentran los metales nativos (oro, plata, cobre, estaño).

Debido a que aparecen con poca frecuencia y en cantidades siempre muy pequeñas, los conductores metálicos tienen poco interés directo en este tipo de prospección.

En los Semiconductores se presenta una conductividad creciente con la temperatura esta continuidad se llama intrínseca.

También se da otro tipo de conducción, extrínseca, debido a la presencia de impurezas, es decir, cuando en una red cristalina, algunos átomos se substituyen por otros de valencia diferente, se produce una falta o sobra de algún electrón. Este tipo de conducción predomina a baja temperatura.

Son muchos los minerales que pertenecen a este grupo de los semiconductores, pero la resistividad en ellos depende del contenido de impurezas.

Respecto a la conductividad eléctrica σ de las rocas se puede observar tanto la conductividad electrónica como la iónica. Esta última se produce en disoluciones que rellenan los poros de las litologías.

La conductividad electrónica depende de numerosos factores. La conductividad crece bruscamente con el aumento del contenido de minerales muy conductores. El valor de la conductividad del agua en



las rocas es muy relevante. Su valor está en función de la concentración de sales. Así pues con un incremento de la mineralización del agua de 0.1 hasta 10 g/l, la conductividad puede experimentar un aumento de 10 –2 S/m hasta 1 S/m.

A parte del agua libre, agua que discurre debido a la acción gravitacional, existe el agua constitución, que bien puede formar película delgada en la superficie del cristal (agua higroscópica), o bien quedarse entre los cristales debido a fuerzas de tensión superficial (aguas capilares). La concentración de iones es mayor en el agua de constitución y así como la permitividad dieléctrica es superior en varios órdenes de diez que en el agua libre. El aumento de la porosidad implica un incremento de la cantidad de agua, y por consiguiente un aumento de la conductividad. El grado de humedad y la saturación de agua constituyen uno de los factores más importantes.

Las rocas de origen ígneo poseen, generalmente, una conductividad baja, del orden de 10-4 a 2.10-3 S/m. Entre las rocas sedimentarias que presenten una conductividad baja cabe destacar las calizas entre 10-5 y 10-2 S/m y la sal gema próxima a 10-3 S/m. Las rocas sedimentarias no consolidadas se caracterizan por presentar menos conductividad cuanto mayor sean las dimensiones de los granos que las constituyen.

Se observa un aumento de la conductividad con respecto al incremento de la temperatura, aproximadamente el doble al aumentar esta en 40º C.

Tabla 2.1: Características eléctricas de algunos medios geológicos [Pérez, G. V., 2001]. Material Constante

dieléctrica Conductividad

(mS/m) Velocidad (m/ns) Atenuación (dB/m)

Aire 1 0 0.3 0 Agua destilada 80 0.01 0.033 0.002

Agua dulce 80 0.5 0.033 0.1 Agua del mar 80 30,000 0.01 1,000

Arena seca 3-5 0.01 0.15 0.01 Arena saturada 20-30 0.1-1.0 0.06 0.03-0.3

Caliza 4-8 0.5-2 0.12 0.4-1 pizarra 5-15 1-100 0.09 1-100 Légamo 5-30 1-100 0.07 1-100 Arcilla 4-40 2-1,000 0.06 1-300 Granito 4-6 0.01-1 0.13 0.01-1

Sal (seca) 5-6 0.01-1 0.13 0.01-1 Hielo 3-4 0.01 0.16 0.01

El hielo de agua dulce prácticamente representa un aislador, la congelación del agua libre produce una disminución de la conductividad entre 10 y 1000 veces. Por tanto la conductividad


222 Anexo 02

depende en gran medida de la frecuencia, la temperatura y las inclusiones presentes.

Dieléctricos

En los campos dieléctricos o aisladores, los electrones están fuertemente ligados a los átomos, puede deberse a que existen enlaces en los que dos átomos comparten dos electrones o enlaces iónicos, en los que un átomo cede al otro su electrón o electrones de valencia, quedando ambos con sus capas completas y como iones de signo contrario.

En este caso la red cristalina forma un electrolito sólido. La mayoría de los minerales pertenecen a este grupo. En los electrolitos sólidos no puede existir, la conducción por electrones, ya que el espacio entre la banda conductiva y la banda de valencia es muy grande y se necesitaría un fuerte incremento de la temperatura, pudiéndose incluso llegar al punto de fusión. En cambio, si que es posible una débil conductividad iónica producida por irregularidades o impurezas en la red iónica.

En todo caso y a temperaturas normales, los electrolitos sólidos presentan resistividades muy altas, superiores a 107 Ωm. Los minerales que se comportan como dieléctricos son muchos, siendo los más abundantes en la naturaleza.

A2.5 La resistividad de las aguas naturales

El agua pura es muy poco conductora, ya que es muy reducida su disociación.

Tabla 2.2. Parámetros electromagnéticos y características de la propagación de las ondas electromagnéticas para el aire y el agua.[Pérez, G. V., 2001].

Material rε

σ (mS/m) rµ v(cm/ns) Γ (dB/m)

Aire 1 0 1.0003 30 0 Agua destilada

Agua dulce Agua salada (y agua del mar)

80-81 81-88

0.01 0.1-10 4000

1

3.3

0.002 0.1-0.18

330-1000 Nieve polar 1.4-3 1 19.4-25.2 Hielo polar

Hielo templado Hielo puro

Lago dulce helado Hielo marino

3-3.15 3.2 3.2 4

2.5-8

0.02-0.003 5.10-4-8.10-6

16.8 16.7 16.7 15

7.8-15.7

0.01 0.01 0.01 0.01

Permafrost 1-8 1-0.1 1 10.6-30

Las aguas naturales, en cambio, si presentan una conductividad apreciable (tabla 2.2), pues tienen siempre disuelta alguna sal



(generalmente NaCl). La cantidad y clase de estas sales depende de la naturaleza de las rocas que están en contacto con el agua.

A2.6 La resistividad de las rocas

Todas las rocas tienen poros en proporción mayor o menor, las cuales suelen estar ocupados total o parcialmente por electrolitos, por lo que las rocas se comportan como conductores iónicos, de resistividad muy variable según los casos (tabla 2.3).

Tabla 2.3. Parámetros electromagnéticos y características de la propagación de las ondas electromagnéticas en diferentes tipos de rocas. [Pérez, G. V., 2001].

Material rε

σ (mS/m) rµ v(cm/ns) Γ (dB/m)

Anhidrita 6.7 11.6 Arenisca seca

Arenisca húmeda 6

6-8 0.00001-0.001

10 11.2

10.6-11.2 24

Basalto seco

Basalto húmedo 8 1.08 (2% magnetita)

1.18 (5% magnetita)10.6

Caliza seca Caliza húmeda

4-7 8-9

0.00001-0.00110-25

0.999987 11.3-13.4 10-10.6

14

Carbón 4-5 13.4-15 Cuarzo 4.3 0.001-3.3 0.999985 14.5

Dolomita 6.8-8 10.6-11.6 Esquisto seco

Esquisto húmedo 7

11.3

Gneis 9-10 9.5-10 Granito seco

Granito húmedo 5-6 7-15

0.00001 1

1.00(0% magnetita) 1.04(1% magnetita)

12.3-13.4 10.6-11.3

10-5 0.6

Hulla 2.5-15 7.7-19 Margas 5-15 1-100 9 1-100 Mármol 8.3-13 8.3-10.4 Sal gema 5-6 0.01-1 13 0.01-1

Si la resistividad de las rocas dependiese solo de los minerales, se tendrían que considerar como aislantes, en la inmensa mayoría, ya que el cuarzo, los silicatos, la calcita, las sales, etc., son aislantes. Las rocas pueden considerase como una red de conductos irregulares y tortuosos, llenos de electrolitos, a los cuales se debe por completo la conductividad del conjunto.

Las rocas cuya conductividad se debe a la presencia de inclusiones de minerales conductores ocupan un volumen relativamente muy pequeña en las capas superiores de la corteza terrestre. La conductividad de la mayor parte de las rocas se debe a la existencia de poros y fisuras rellenas total o parcialmente de electrolitos.

Además de los poros intergranulares, existe otra porosidad debida a las fisuras y diaclasas. La porosidad de una misma clase de roca disminuye


224 Anexo 02

con la edad y el grado de metamorfismo. Además como puede deducirse, la resistividad de las rocas puede variar en un amplio margen en función del contenido en agua, de la salinidad de ésta, y del modo de distribución de los poros. Cuando la conductividad se debe al agua contenida en los poros, el descenso de temperatura produce un aumento rápido de la resistividad en las proximidades de 0º C.

En la tabla 2.4 se presentan los parámetros para materiales no cementados y, en particular, para distintos tipos de suelos.

Tabla 2.4. Parámetros electromagnéticos para diferentes tipos de suelos y para materiales no compactados. [Pérez, G. V., 2001].

Material rε

σ (mS/m) V(cm/ns) α (dB/m) Aluviones 9-23 10-100 6.3-10

Arcilla seca Arcilla húmeda Arcilla limosa

3 8-15

30-50

0.25 50-1000 >1000

17.3 8.6-11

0.28 20

Arena seca Arena húmeda

Arena costera seca

3-6 20-30

10

0.01 0.1-1

12-17 5.5-6 9.5

0.01 2.3

0,03-0.3 Limos secos

Limos saturados 3-10

10-40 1-100

7-9.5

6

Grava Grava arenosa satura.

<8 15-22

<0.8 <0.8

>10.6 7.7-6.4

Suelo agrícola Suelo agrícola medio S. agr. grueso seco

S.agr. areno-limoso (saturado) S.agr. húmedo S.agr. saturado

9-25 15

8-15 10-15 15-22 20-26

1-100 -

0.8 0.8-1.5 1.5-2

0.8-1.5

6-10 7.7

10.6-7.7 9.5-7.7 7.7-6.4 6.7-5.9

Suelo arcilloso seco 2-3 0.1-1 21.2-17.3 Suelo arenoso seco 2-3 0.1-1 21.2-17.3

Suelo de bosque 12 Suelo de marismas 12 8.6 Suelo de pastoreo 13 8.3 Suelo limoso seco 2-3 0.1-1 21.2-17.3 Suelo promedio

Turba 16

50-78

1-2 7.5

3.4-4.2

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 grandemente 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.). La composición química de las arcillas es uno de los factores importantes, ya que pueden contener elementos conductores. Otros efectos, se relacionan con la porosidad de los medios y con el tamaño del grano.

Algunos de estos materiales, de la tabla 2.4 presentan un pequeño rango de variación de sus parámetros electromagnéticos, pero otros, como el hormigón puede presentar un amplio rango de variación., como concluye Reynolds (1997).

Este autor indica que la variación en la permitividad dieléctrica del hormigón puede variar, dentro de la misma mezcla, hasta más de un 50% en una distancia próxima a 0.1 metros. Esto quiere decir que la variación de la velocidad de la onda electromagnética es de un 35% aproximadamente, lo que puede introducir cierto error en el cálculo de espesores y profundidades, para los que se suele considerar constante la velocidad de propagación en el medio. Algunos trabajos recientes, como los de Hayakawa y Kawanaka (1998), empiezan a considerar velocidades no constantes (variables con la profundidad) dentro de un mismo medio. A partir de las hipérbolas de difracción, migradas para diferentes velocidades, construyen una matriz de datos espacio-tiempo-velocidad que utilizan para estimar la velocidad de propagación en el ápex de cada una de las hipérbolas de difracción.

Interpolando en el eje de tiempos estos valores discretos de la velocidad, obtenidos para cada una de las hipérbolas, llegan a una distribución de velocidades con la profundidad (o con el tiempo de propagación).

Con estas distribuciones se construye un modelo que se acerca más a las profundidades reales que los modelos obtenidos a partir de los métodos más clásicos en los cuales se consideran velocidades discretas y constantes para cada una de las capas.

En la tabla 2.5 se presentan características electromagnéticas de materiales, no naturales, utilizados en la construcción.


226 Anexo 02

Tabla 2.5. Parámetros electromagnéticos y características de la propagación de las ondas electromagnéticas para diferentes elementos no clasificados en las tablas anteriores. [Pérez, G. V.,2001].

Material rε σ (mS/m) v(cm/ns)

Hormigón 6-30 1-10 5.5-11.2 Asfalto 3-8 0.1-1 13.4-17.3

Suelo de cemento 16 10-100 7.5 PVC, epoxy,

Polyesters 3 17.3

Tubería metálica 1 100000000 Tronco de árbol 5 1

Nylon 3.6

A2.7 Efecto de la humedad.

La constante dieléctrica de las rocas húmedas es mayor que cuando están secas, por causa de la elevada permitividad del agua.

Cuando el contenido de agua es muy pequeño, la relación entre este y la ε de las rocas es lineal y para mayores contenidos, la constante tiende a un valor límite.

Si el agua tiene salinidad apreciable el efecto será mayor, debido a la permitividad de los electrolitos.

Se debe también tener presente que el valor de la constante dieléctrica de las rocas y minerales puede depender de la presión y temperatura. En general, a mayor presión corresponde mayor permitividad, puesto que al aumentar la presión crece el número N de átomos por unidad de volumen. La temperatura influye poco en la constante dieléctrica.

Así pues, conocida la porosidad de la roca en concreto y la resistividad de las soluciones acuosas que rellenan sus poros, podría calcularse la resistividad de dicha roca.

La porosidad en % de diferentes rocas se presenta en la siguiente tabla:

Tabla 2.6. Porcentaje de porosidad de diferentes tipos de rocas [Pérez, G. V., 2001].

Roca Porosidad % Roca Porosidad % Arcillas 20-50 Cienos 80-85

Arenas gruesas 25-60 Dolomías 3-20 Arenas finas 30-40 Gravas 20-40

Arenas de medanos 40 Lavas 20-80 Arena de playa 80-85 Margas 4-60

Areniscas 20-35 Rocas ígneas 0,35 Calizas 1,5-20 Vulcanitas clásticas 5-60

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APÉNDICES


Apéndices III

Apéndice 01:

Programa GPR3DM para extraer la matriz 3d de datos (Matlab).

clear t1=0; m=input('Teclee el numero de archivos que desea abrir: '); %pregunta cuantos archivos debe abrir if m==1 %para esta representación necesitamos al menos dos archivos disp('Tienen que ser al menos dos archivos') return end nfiles=m; s=1; n=0; l=input('¿Desea invertir los perfiles pares?(s/n): '); %hay veces que los perfiles están tomados en la misma dirección, y otras que no sp=input('separacion entre perfiles:'); %preguntar la separación entre cada perfil k=0; x=0; for i=1:m %vamos a abrir los n archivos *.rad k=k+1; [file ruta]=uigetfile('*.rad'); cd(ruta) fid=fopen(file); if fid<3,break,end cab=setstr(fread(fid))'; [file blanks(1) 'fichero leido'] fclose(fid); rut(i,:)=ruta; nom(i,:)=file; su=findstr(cab,':'); npuntos=str2num(cab(su(1)+1:su(1)+5)); %profundidad de la señal np(i)=npuntos; srate=str2num(cab(su(2)+1:su(2)+13)); dx=str2num(cab(su(11)+1:su(11)+8)); tmax=str2num(cab(su(19)+1:su(19)+8)); ntrazas=str2num(cab(su(23)+1:su(23)+4)); % numero de trazas en el archivo abierto nt(i)=ntrazas; xmax=str2num(cab(su(24)+1:su(24)+6)); end npuntos=min(np); ntrazas=min(nt); srate3d=srate; dx3d=dx; tmax3d=tmax; xmax3d=xmax; dt=10^3/srate3d; t3d=10^3/srate3d*(0:npuntos-1); %serán las unidades del eje z x=linspace(0,(ntrazas-1)*dx3d,ntrazas); %serán las unidades del eje x


IV Apéndices

for i=1:m cd(rut(i,:)) filerd3=nom(i,:); %abre el archivo RD3 correspondiente lfilerd3=length(filerd3); filerd3(lfilerd3-3:lfilerd3)=[]; filerd3=[filerd3 '.rd3']; fid=fopen(filerd3) if fid<3,break,end A=fread(fid,[npuntos,ntrazas],'int16'); %recoge toda la información proporcionada por el radar if l==1 %aquí es donde se invierten los archivos pares for k=1:m K=k+1; for j=1:K A(:,:)=fliplr(A(:,:)); end end end fclose(fid); M3D(:,:,i)=A; end jj=80; kk=430; M3D(1:jj,:,:)=[]; si=size(M3D); M3D(kk:si(1),:,:)=[]; t3d(npuntos-jj+1:npuntos)=[]; t3d(kk:si(1))=[]; z=0.08*t3d./2; % profundidad en metros v en m/ns, eje z [m,n,p]=size(M3D); for j=1:nfiles M3D(:,:,j)=detrend(M3D(:,:,j)); end disp('El tamaño de la matriz es: ') %nos dice de que tamaño ha quedado la matriz disp(size(M3D)) kp=k; kd=k*sp; y=[0:sp:kd]; % eje y con separación entre perfiles vox=zeros(m*n*p,4); kk=0; for j=1:n for k=1:p kk=kk+1; xy=repmat([x(j),y(k)],m,1); xyza=[xy z',M3D(:,j,k)]; vox((kk-1)*m+1:kk*m,:,:,:)=xyza; end end


Apéndices V

Apéndice 02:

Programa ECO3DM para calcular la reflectividad de las raíces (Matlab).

clear t1=0; m=input('Teclee el numero de archivos que desea abrir: '); %pregunta cuantos archivos debe abrir if m==1 %para esta representación necesitamos al menos dos archivos disp('Tienen que ser al menos dos archivos') return end nfiles=m; s=1; n=0; l=input('¿Desea invertir los perfiles pares?(s/n): '); %hay veces que los perfiles están tomados en la misma dirección, y otras que no k=0; x=0; for i=1:m %vamos a abrir los n archivos *.rad k=k+1; [file ruta]=uigetfile('*.rad'); cd(ruta) fid=fopen(file); if fid<3,break,end cab=setstr(fread(fid))'; [file blanks(1) 'fichero leido'] fclose(fid); rut(i,:)=ruta; nom(i,:)=file; su=findstr(cab,':'); npuntos=str2num(cab(su(1)+1:su(1)+5)); %profundidad de la señal np(i)=npuntos; srate=str2num(cab(su(2)+1:su(2)+13)); dx=str2num(cab(su(11)+1:su(11)+8)); tmax=str2num(cab(su(19)+1:su(19)+8)); ntrazas=str2num(cab(su(23)+1:su(23)+5)); % numero de trazas en el archivo abierto nt(i)=ntrazas; xmax=str2num(cab(su(24)+1:su(24)+6)); end npuntos=min(np); ntrazas=min(nt); srate3d=srate; dx3d=dx; tmax3d=tmax; xmax3d=xmax; dt=10^3/srate3d; t3d=10^3/srate3d*(0:npuntos-1); %serán las unidades del eje y d3d=linspace(0,(ntrazas-1)*dx3d,ntrazas); %serán las unidades del eje x for i=1:m


VI Apéndices

cd(rut(i,:)) filerd3=nom(i,:); % abre el archivo RD3 correspondiente lfilerd3=length(filerd3); filerd3(lfilerd3-3:lfilerd3)=[]; filerd3=[filerd3 '.rd3']; fid=fopen(filerd3) if fid<3,break,end A=fread(fid,[npuntos,ntrazas],'int16'); %recoge toda la información proporcionada por el radar if l== %aquí es donde se invierten los archivos pares for k=1:m K=k+1; for j=1:K A(:,:)=fliplr(A(:,:)); end end end fclose(fid); M3D(:,:,i)=A; end jj=80; kk=430; M3D(1:jj,:,:)=[]; si=size(M3D) M3D(kk:si(1),:,:)=[]; t3d(npuntos-jj+1:npuntos)=[]; t3d(kk:si(1))=[]; for j=1:nfiles M3D(:,:,j)=detrend(M3D(:,:,j)); end disp('El tamaño de la matriz es: ') %nos dice de que tamaño ha quedado la matriz disp(size(M3D)) [m,n,h]=size(M3D); for j=1:h suma(j,:)=skewness(M3D(:,:,j)); end media=mean(suma,2); desv=std(suma,0,2); for j=1:h sub=find(suma(j,:)>(media(j)+3*desv(j))); suma(j,sub)=(media(j)+3*desv(j))*ones(1,length(sub)); clear sub end sumas=csaps(d3d,suma,0.9999,d3d); ma=max(max(sumas')); mi=min(min(sumas')); vo=mi:(ma-mi)/12:ma; figure for j=1:h-1 id(j)=subplot(h-1,1,h-j);plot(d3d,sumas(j,:),d3d,sumas(h,:),'r'),title(nom(j,:));


Apéndices VII

end po=1:2:2*h; figure,waterfall(d3d,po,sumas),title(rut(1,:)) set(1,'number','off'); set(1,'name',rut(1,:)); hh=get(1,'currentaxes'); set(hh,'xlim',[0 10]); xlabel('distancia recorrida'); ylabel('perfiles'); zlabel('reflectividad'); colorbar figure,contourf(d3d,po(1:h),sumas(1:h,:),vo),title(rut(1,:)) set(2,'number','off'); set(2,'name',rut(1,:)); grid on xlabel('distancia recorrida'); ylabel('perfiles'); colorbar


VIII Apéndices

Apéndice.03:

Programa NIVELCERO para identificar la primera reflexión del suelo a partir de un perfil de ensayo de lifting.

leelift [m,n]=size(a); b=a(:,1:15); bb=mean(b')'; bg=repmat(bb,1,n); bgr=bg; c=a-bgr; l=m/2; figure,imagesc(c(1:l,:)); [x,y]=ginput(1); s=fix(y); disp('la muestra de referencia es') s st=length(t); t(st-s+2:st)=[]; imagesc(a(s:m,:)); af=a(s:m,:); af=af./max(max(af)); [pos]=plotlift(af,t,d,1);


Apéndices IX

Apéndice.04:

Programa ASCAP para el cálculo de las constantes dieléctricas y espesores de las capas de asfalto en carreteras. clear all %limpia datos anteriores [file ruta]=uigetfile('*.rad'); % prompt para seleccionar ficherodevuelve un nombre y un path cd(ruta) % va a la carpeta elegid fid=fopen(file); % abre el fichero seleccionado en modo lectura if fid<3,break,end % caso de no poder abrir finaliza la ejecución ca=fread(fid); frewind(fid); cab=setstr(fread(fid))'; % lee y almacena los datos en el espacio de trabajo fclose(fid) % cierra el fichero su=findstr(cab,':'); % busca y extrae datos del cabecero npuntos=str2num(cab(su(1)+1:su(1)+5)) fs=str2num(cab(su(2)+1:su(2)+13)); % en megaherzios fs=fs*10^6; % en Hz. % en seg. dt=dt*1e+009; % en nanoseg. dx=str2num(cab(su(11)+1:su(11)+8)); % metros fcn=10^6*str2num(cab(su(15)+1:su(15)+4)); come=cab(su(18)+1:su(19)-11); tmax=str2num(cab(su(19)+1:su(19)+8)); % en nanosegundos ntrazas=str2num(cab(su(23)+1:su(23)+4)); xmax=str2num(cab(su(24)+1:su(24)+6)); % acaba de extaer datos del cabecero filer=file; % asigna nombre al fichero de datos lfiler=length(filer); % mide su longitud filer(lfiler-3:lfiler)=[]; % elimina tres ultimas posiciones filerd3=[filer '.rd3']; % añade nueva extensión fid=fopen(filerd3); % abre fichero de datos if fid<3,break,end a=fread(fid,[npuntos,inf],'int16'); % lee y almacenana los datos en double preccission % en la matriz 'a', cada columna es una traza completa fclose(fid); % cierra el fichero


X Apéndices

t=dt*(0:npuntos-1); %crea vector de tiempo (eje vertical)en nanosegundos d=0:ntrazas-1; %segundo fichero [filo ruta]=uigetfile('*.rd3'); % abre otro fichero lfilo=length(filo); cd(ruta); fid=fopen(filo) b=fread(fid,[npuntos,inf],'int16'); % lee y almacenana los datos en double preccission fclose(fid); [mb,nb]=size(b) filo(:,lfilo-2:lfilo)='rad' fid=fopen(filo) cabb=setstr(fread(fid))'; fclose(fid); suu=findstr(cabb,':'); nb=str2num(cabb(suu(23)+1:suu(23)+4)) dx=str2num(cabb(suu(11)+1:suu(11)+8)) xmax=str2num(cabb(suu(24)+1:suu(24)+6)) filtrado pasa banda if npuntos>750 fcn=1000*10^6; else fcn=500*10^6; end a=detrend(a,0); b=detrend(b,0); % promedio de trazas previo ma=mean(a')'; % pulso metal promedio figure(1) set(1,'pos',[ 150 35 1100 944]); plot(t(1:fix(npuntos/3)),ma(1:fix(npuntos/3),1)); disp('marque rampa de inicio con el cursor') [t1,a1]=ginput(1); hold on,plot(t(1:fix(npuntos/3)),b(1:fix(npuntos/3),1:3),'r'); [t2,a2]=ginput(1); disp('marque rampa de inicio con el cursor') close(1) if t1<t2 sam=ceil((t2-t1)/dt); jj=find(t>t1-dt&t<t1); a(1:jj,:)=[]; b(1:jj+sam,:)=[]; a(npuntos-jj-sam+1:npuntos-jj,:)=[]; t(npuntos-jj-sam+1:npuntos)=[]; elseif t1>t2 sam=ceil((t1-t2)/dt); jj=find(t>t2-dt&t<t2); a(1:jj+sam,:)=[]; b(1:jj,:)=[];


Apéndices XI

b(npuntos-jj-sam+1:npuntos-jj,:)=[]; t(npuntos-jj-sam+1:npuntos)=[]; else jj=find(t>t1-dt&t<t1); a(1:jj,:)=[]; b(1:jj,:)=[]; t(npuntos-jj+1:npuntos)=[]; end lt=length(t); a=detrend(a,0); b=detrend(b,0); % promedio de trazas final ma=mean(a')'; % pulso metal promedio as=size(a,2); bs=size(b,2); %filtro de decimación bd=b'; for j=1:lt,yy(:,j)=decimate(bd(:,j),4);end b=yy'; bs=size(b,2); % ---------- promedio de trazas para cálculo------------ gc=figure(1); set(1,'pos',[ 150 35 1100 944]); plot(t(1:fix(npuntos/3)),ma(1:fix(npuntos/3),1),'k') set(gc,'numbertitle','off'); set(gc,'name',[file(1:5) blanks(3) filo(1:5)]); hold on,plot(t(1:fix(npuntos/3)),b(1:fix(npuntos/3),1),'r') dx=4*dx; x=0:dx:(bs-1)*dx; % vector de posición x %------------------vista de trazas--------------- %---------------- medida constantes dieléctricas-------------------- uu=uicontrol(1,'string','medir1','style','push','call','scul'); po=get(uu,'pos'); ua=uicontrol(1,'pos',po+[70 0 0 0],'string','medir2','style','push','call','saar'); ub=uicontrol(1,'pos',po+[140 0 0 0],'string','medir3','style','push','call','scul2'); sma=0.92;

Documents

Tesis PhD Nassim Benabdeloued 2009