Modelització d'estructures bidimensionals per prospecció elèctrica en corrent continu

Abstract

La modelització numèrica és l'eina més potent per resoldre el problema directe de la prospecció elèctrica en models que presenten una distribución complicada de la resistivitat. En aquest treball es presenta el disseny d'un algorisme de modelització d'estructures bidimensionals per prospecció elèctrica en corrent continu. Les aplicacions de l'algorisme que es presenten cobreixen part del buit existent actualment en la modelització per al sondatge elèctric vertical amb dispositiu Schlumberger, que és, possiblement, el més utilitzat en la pràctica. 1) ALGORISME DE MODELITZACIÓ L'algorisme de modelització que s'ha desenvolupat i el programa que s'ha construït a partir d'ell permeten l'estudi de qualsevol estructura bidimensional. L'algorisme es basa en el mètode dels elements finits i generalitza els anteriors algorismes existents basats en aquest mètode. Resol directament el problema pel potencial total i inclou la modelització d'estructures bidimensionals tant en presència d'elèctrodes de corrent lineals (problema bidimensional) com d'electròdes puntuals (problema tridimensional). A més, contempla diferents tipus possibles de condicions de contorn: condicions de Dirichlet, de Neumann i mixtes; en particular, unes mixtes basades en el comportament asimptòtic del potencial a grans distàncies de 1'elèctrode. Tanbé dóna solució a la problemàtica del càlcul pel potencial en direccions no perpendiculars a la de l 'estructura, en particular en la direcció paral.lela. L'estudi del problema tridimensional ha comportat la utilització del potencial espectral per tal d'eliminar la dependència del potencial amb la direcció de l'estructura ("strike direction"). A partir del potencial espectral es determina el potencial antritransformat. El potencial transformat s'ha estudiat en detall i s'han determinat criteris òptims per al seu càlcul numèric, que faciliten la resolució del potencial en la direcció paral.lela a l'estructura tridimensional. De l'anàlisi de les aproximacions incloses en l'algorisme i de les fonts d'errors inherents al propi mètode numèric, hem obtingut uns criteris metodològics per l'elecció de la xarxa de discretització. La validesa de l'algorisme i el correcte funcionament dels programes han estat comprovats pels models dels quals es disposa d'una solució analítica (models de control): model homogeni, models estratificats i un model dc contacte vertical entre dos medis. Pels models més complexos es realitza un estudi de la convergència i l'estabilitat de les solucions obtingudes numèricament. 2) APLICACIONS Com a aplicació de la modelització realitzada amb el nostre algorisme, es els casos més freqüents d'estructures bidimensionals, considerant a la vegada diferents configuracions del dispositiu electròdic. Aquests són: - L'estudi de l'anomalia creada per un cilindre resistitiu en un medi homogeni en 1'aproximació de potencial bidimensional i utilitzant el dispositiu gradient. - Utilitzant el dispositiu dipol-dipol s'afronta el problema de la detectabilitat d'un dic rectangular conductor en funció de les dimensions del dispositiu i de la fondària a la que es troba el dic. - S'ha dedicat especial atenció als diferents efectes i anomalies que es presenten en els sondatges elèctrics verticals amb dispositiu Schlumberger. Els models estudiats han estat: - Efectes d'inhomogeneitats a l'entorn dels elèctrodes de potencial. - Efecte d'un esglaó en la superfície. - Efectes laterals produïts per contactes verticals i desnivells. - Efectes laterals produïts per un "horst" en el basament. - Efectes topogràfics sobre medis estratificats. La resolució d'aquests models ha portat a l'elaboració d'un conjunt d 'àbacs que permeten mostrar la morfologia de les corbes de resistivitat aparent i observar la influència dels diferents paràmetres dels models. Aquests àbacs són de gran utilitat a l'hora de realitzar la interpretació i/o d'efectuar correccions d'aquests efectes. Els efectes depenen del model patricular considerat. Els resultats indiquen que aquests efectes no són en general menyspreables i s'han detenir en compte quan es fa la interpretación, tal com mostrem a l'exemple de la interpretació d'una estructura bidimensional (con és un horst) mitjancant un model unidimensional, on es tendeix a sobrevalorar la fondària del basament. Com a conclusió general es pot afirmar que s'ha donat una solució a cada problema específic de la modelització d'estructures bidimensionals per prospección elèctrica en corrent continu i que es disposa de la infrastructura per abordar cada problemàtica geològica concreta amb independencia de si és o no és aproximable al clàssic model estratificat.

In this work, an algorithm to direct current resistivity modelling for two-dimensional structures has been developed. The algorithm is based on the finite element method and it permits the use of different kinds of boundary conditions: Dirichlet conditions, Neumann conditions and mixed conditions, specially the ones using the assymptotical behaviour of the potential far to current electrode. Even though the resistivity distribution model is 2-D, due to the fact that source is a point, the problem is tridimensional and to avoid the dependence of the potential on the strike direction, the Helmholtz equation for the potential must be solved. We have studied the general behaviour of the potential's spectrum to find out some criteria to calculate the potential in any direction, in particular in the strike direction. The validity of the algorithm and the good working of the programs have been checked with models that have analytical solutions. We have studied for complex models the stability and the convergence of the numerical solution and we have made also an analysis of the different error sources and of the aproximations considered in the algorithm. Finally, we have used the algorithm to calculate apparent resistivity curves for VES over a stratified medium with several lateral and topographic effects (a hill, a valley, a step, small heterogeneities around the electrodes, a horst in the basement). We also presented other model curves for gradient array and dipol-dipol array. This systematic study can provide information about the general characteristics of the curves, the influence of the different parameters of the model and it allows have an insight to the situations where the lateral or the topographic effect must he taken into account.