Geofísica
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La geofísica es la ciencia que se encarga del estudio de la Tierra desde el punto de vista de la física. Su objeto de estudio abarca todos los fenómenos relacionados con la estructura, condiciones físicas e historia evolutiva de la Tierra. Al ser una disciplina experimental, usa para su estudio métodos cuantitativos físicos como la física de reflexión y refracción de ondas mecánicas, y una serie de métodos basados en la medida de la gravedad, de campos electromagnéticos, magnéticos o eléctricos y de fenómenos radiactivos. En algunos casos dichos métodos aprovechan campos o fenómenos naturales (gravedad, magnetismo terrestre, mareas, terremotos, tsunamis, etc.) y en otros son inducidos por el hombre (campos eléctricos y fenómenos sísmicos).
Sumario
¿Qué es la Geofísica?
Cada vez que miramos por la ventana de nuestra casa nos enfrentamos a una visión tan cotidiana como inexplicable, en muchos sentidos. Ya sea en verano o en invierno, de día o de noche, no importa si vives en la ciudad o en el campo, en la montaña o cerca del mar, lejos en el trópico o más lejos aún en los polos. Esa visión de la naturaleza puede estimular cientos de preguntas, muchas de ellas con explicaciones que utilizan elementos de las ciencias naturales, y en el caso de la Geofísica, a través del lenguaje matemático y la física.
La Geofísica es la ciencia que estudia los campos físicos vinculados a nuestro planeta. Es decir, que estudia la Tierra mediante métodos de la física, de carácter indirecto, a fin de conocer su evolución y características actuales (geofísica pura) y también como herramienta de prospección de recursos (geofísica aplicada). Las ciencias más estrechamente vinculadas son, lógicamente, la Geología y la Física, y en menor grado la Geoquímica.
Describir y explicar los movimientos del aire, del agua y de la corteza terrestre. Conocer las fuerzas que mantienen estos movimientos, o que generan la formación de nubes cargadas de lluvia o nieve, de marejadas y olas gigantes, de montañas submarinas siempre en erupción. Explicar por qué la tierra hace 20 mil años atrás tenía muchas regiones cubiertas con hielo, o por qué en la actualidad se está sobrecalentando el planeta, o por qué el fenómeno El Niño produce impactos en todo el mundo.
Hablar de Geofísica es hablar de muchas disciplinas. Meteorología, Oceanografía Física, Hidrología, Sismología, Gravimetría, Geomagnetismo, Prospección Geofísica, entre muchas otras. La Geofísica es una disciplina experimental, pero también podemos ampliar el conocimiento a través de la teoría, y no sólo de nuestro planeta Tierra, sino incluso de otros planetas.
Así, la Geofísica es una ciencia natural y básica, muy cercana a la vida cotidiana. Si ves en la televisión el pronóstico del tiempo, detrás de esos mapas y predicciones está el trabajo de un geofísico. Cuando hay un sismo y se requiere saber dónde se produjo y con qué magnitud, hay un geofísico que hace los cálculos necesarios para responder. Si hay que cerrar un puerto durante una tormenta, esa decisión se toma considerando el informe de un geofísico. En todos los ámbitos donde las fuerzas de la naturaleza provocan desastres que conocemos como naturales, necesariamente hay un geofísico entregando conocimiento. Y por supuesto, la interacción de los seres vivos con su medio físico, es un problema fundamental que es abordado por geofísicos y profesionales de muchas otras disciplinas.
Otras Definiciones
- Para Gutemberg 1937, era la ciencia que estudia los fenómenos físicos que se verifican sobre la tierra o parte de ella, suficientemente grande, como para que este hecho sea capaz de imprimir al fenómeno físico un carácter especial.
- Para Lozano 1962 era la ciencia que estudia los campos físicos ligados a la Tierra.
- Sharma 1976 amplia los dominios de la ciencia, hasta el estudio de la atmósfera, reconociendo que, por lo general, se aplica el concepto en un sentido restrictivo, es decir sólo a la Tierra sólida (solid earth geophysics); dividía la Geofísica en Geofísica Global y en Geofísica de Exploración.
Historia de la Geofísica
En la antigua Grecia encontramos los primeros estudios rigurosos sobre la Tierra y el cielo, que aparecen también después en otras civilizaciones (Chinos, Mayas, etc.), destacándose Eratóstenes de Cirene quien a finales del siglo III a. C. calculó con escaso error el radio terrestre, así como la distancia de la Tierra al Sol y la inclinación del eje planetario.
El conocimiento de la Tierra se aceleró desde el Renacimiento. El término geofísica es empleado inicialmente por Julius Fröbel en 1834 y otros autores en años siguientes, pero aparece publicado por vez primera en Alemania gracias a Adolf Mühry en 1863: Beitraege zur Geophysik und Klimatographie, y luego nuevamente en 1887 en el Handbuch der Geophysik de S. Günther.
Si bien hubo algunas prospecciones geofísicas informales ya desde la alta Edad Media, el primer aparato específico de prospección geofísica data de 1879, el magnetómetro de los alemanes Thalen y Tiberg, con el que prospectaron hierro exitosamente. Y la primera cátedra de geofísica la debemos a Emil Wiechert, en 1898 en Göttingen, Alemania.
Desarrollo de la Geofísica
Muchos de los contenidos científicos de la Geofísica son tan antiguos como la ciencia misma. Esto no es de extrañar, ya que la Tierra es el primer laboratorio en el que se realizan observaciones y al que se aplican las teorías científicas. Muchas de las disciplinas que componen hoy la Geofísica extienden sus raíces hasta los orígenes de las ciencias en la Antigüedad. Entre los antiguos griegos de los siglos [III] y [IV] a. de C., como, por ejemplo, Eratóstenes y Aristóteles, por sólo citar a dos, se encuentran ya cálculos geodésicos del tamaño de la Tierra y discusiones sobre el origen de los terremotos. La Geofísica moderna se desarrolla a la par de la ciencia en los siglos XVI Y XVII con Galileo, Gilbert, Newton, Halley, etc., y progresa juntamente con ella en los siglos XVIII y XIX.
Sin embargo, el término Geofísica, de acuerdo con W. Kertz, aparece por primera vez en 1863 en el tratado de Adolf Mühry Beitraege zur Geophysik und Klimatographie. Georg van Neumayer, en 1871, define la Geofísica como el conocimiento de las relaciones físicas de la Tierra.
En 1880, el profesor de Geografía de Kónisberg Karl J. Zoeppritz define más concretamente la Geofísica como aquella parte de las ciencias de la Tierra que trata del estudio de la actividad de las fuerzas físicas responsables del origen, evolución y estructura de la Tierra. La Geofísica para él llena un vacío existente en las ciencias de la [Tierra] que entonces constituían la Geografía y la Geología.
Antes de la generalización del término Geofísica, los contenidos de esta ciencia se designaron con otros nombres. A. G. Werner, que procedía de la minería y geología, utiliza en 1755 el término Geognosia, y mucho antes, en el siglo [XVII], J. Zahn y A. Kircher utilizaron el de Geoscópica. Alejandro Von Humbolt, al que se le considera como uno de los padres de la Geofísica moderna y cuya influencia en esta ciencia fue muy grande, utilizó el término Physikalische Geographie(GeografíaFísica) y Franz Neumann el de Physik der Erde (Física de la Tierra).
A finales del siglo XVIII y principios del XIX, fuera del ámbito germano, en Francia, encontramos el uso del término Theorie de la Terre (Teoría de la Tierra) por De la Metherie y el de Physique du Globe (Física del Globo) por Saigey, término este último que sigue usándose en la actualidad.
En [Inglaterra], el profesor de [Cambridge] W. Hopkins introduce en 1838 el término Physical Geology (Geología Física) para designar la ciencia que trata de los aspectos fisicomatemáticos de la Geología. Como resume Kertz, al final del siglo XIX, la Física había perdido el interés por la Tierra, para la Geología los métodos de la Geofísica le eran extraños y sus temas demasiado generales y algo parecido le sucedía a la Geografía. Esta situación justificaba el nacimiento de una ciencia separada con un nombre y contenido específico, la Geofísica. Esta ciencia queda consagrada definitivamente a finales del siglo XIX con el texto de S. Günther Handbuch der Geophysik, publicado en [1887], con la primera revista especializada creada en [1893] por G. Gerland, Beiträge zur Geophysik, y con la primera cátedra de Geofísica establecida en [1898] en la Universidad de [Gottingen] y que ocupó Emil Wiechert.
La tendencia a unificar en una sola ciencia, a la que finalmente se dio el nombre de Geofísica, los aspectos [fisicomatemáticos] de los [fenómenos] relacionados con la [Tierra] encuentra desde sus principios el problema de establecer su relación con dos ciencias más antiguas, la Geografía y la Geología. Ya Günther en el prólogo de su obra se extiende en este sentido sobre el significado de la Geofísica y su carácter [físico] en contraste con el carácter más descriptivo de la Geografía y el limitado a los materiales directamente observables en la superficie de la Tierra y en pequeña escala de la Geología. Sin embargo, la separación entre Geología y Geofísica no es tan clara al principio, como lo demuestran la obra de E. Suess Das Anlitz der Erde, y M. Neumayr y E. Suess, Erdgeschichte. Que tratan igualmente temas de ambas ciencias. Otro problema es la relación entre la Geofísica y la Geodesia, ciencia con una larga tradición y vinculada en muchos aspectos a la Astronomía. Sobre este asunto hay muchas opiniones, aunque se suele vincular a la Geofísica la parte de la Geodesia física y Gravimetría
Hemos visto que el inicio de la Geofísica como una ciencia independiente se realiza en la tradición alemana desde la Física y las Matemáticas y de una manera un tanto desligada de la Geología. Esta desconexión se agudiza en cierta manera durante la primera mitad de este siglo, durante la cual las interrelaciones entre ambas disciplinas fueron escasas. Esta situación es algo distinta en Estados Unidos, al estar en muchas universidades la Geofísica integrada en un mismo departamento junto con la Geología. El contacto entre ambas disciplinas es, en efecto, muy necesario. La parte de la Geofísica que trata de la Tierra sólida necesita del conocimiento detallado de las capas superficiales que aporta la Geología, y su interpretación de la evolución temporal de las estructuras, y la Geología a su vez necesita de la Geofísica, si no quiere anclarse en una interpretación meramente cualitativa y descriptiva de los fenómenos geológicos.
El geólogo, que estudia una región muy concreta, necesita relacionar sus observaciones con procesos tectónicos y estructuras más amplias y profundas cuya información le aporta la Geofísica. Afortunadamente, la tendencia actual es la de un acercamiento de ambas disciplinas, al acentuarse la matematización y el empleo de métodos físicos en el estudio de los problemas geológicos. Baste mencionar, entre otros, la determinación de las edades de estratos y fósiles por métodos radiactivos, el uso del magnetismo remanente de las rocas para determinar el movimiento relativo de bloques de la corteza terrestre y el empleo, cada vez más frecuente, de los métodos geofísicos al estudio de los estratos y formaciones geol6gicas.
Por otra parte, al enfrentarse la Geofísica con problemas cada vez más concretos de la estructura y dinámica de la corteza terrestre, necesita para la interpretación de sus observaciones la información de los estudios geológicos, un gran impulso a esta cooperación interdisciplinar se ha logrado con los proyectos internacionales Geodinámico y de la[ Litosfera] en los que entre 1970 y 1990 se aunaron esfuerzos de todas las disciplinas de las ciencias de la tierra para abordar problemas relacionados con la estructura y dinámica de litosfera, corteza y manto superior de la Tierra. Es muy posible que con el tiempo la separación tan rígida entre Geofísica y Geología desaparezca en beneficio de unas ciencias de la Tierra unificadas, en las que las distintas metodologías científicas tengan su aplicación al estudio de los fenómenos relacionados con la Tierra.
==Prospección==La prospección geofísica es, a primera vista, un conjunto de técnicas físicas y matemáticas, aplicadas a la exploración del subsuelo para la búsqueda y estudio de yacimientos de sustancias útiles (petróleo, aguas subterráneas, minerales, carbón, etc.), por medio de observaciones efectuadas en la superficie de la tierra.
Ahora bien, estos métodos se utilizan asimismo en el estudio de cuestiones referentes a zonas profundas de la tierra sólida, planteadas por la geofísica pura; también se realizan prospecciones para ayuda de la ingeniería civil, como el estudio de las condiciones de cimentación de construcción de una nueva carretera. Además, la Prospección Geofísica tiene otras aplicaciones, como la orientación de excavaciones arqueológicas, detección de galerías subterráneas, etc.
En todas estas investigaciones , los cuerpos o estructuras buscadas pueden discreparse si discrepan de los que los rodean en alguna propiedad física; por lo que como resumen de lo dicho podríamos dar, con carácter tentativo , la siguiente definición: La Prospección Geofísica es una rama de la Física] Aplicada que se ocupa del estudio de las estructuras ocultas del interior de la tierra y de la localización en este de cuerpos delimitados por el contraste de alguna de sus propiedades físicas con las del medio circundante, por medio de las observaciones realizadas en la superficie de la Tierra. Se ha de hacer notar, no obstante, que a veces se realizan observaciones en el interior de minas, y que una rama lateral de la Prospección Geofísica se ocupa de efectuar mediciones en el interior de sondeos mecánicos.
El papel de la geofísica
El estudio de la interrelación tanto en espacio como en tiempo de las diferentes rocas, el comportamiento en el pasado de éstas, según deducciones, el estudio de los minerales en las rocas ordinarias, dicho más brevemente, la aplicación de la geología y de la mineralogía- pueden restringir aún más la zona de prospección. Sin embargo, el área puede ser todavía demasiado grande para que las labores de exploración o cateo, tales como excavaciones y perforaciones, sean prácticas y económicas, por lo que son deseables nuevas restricciones.
Además, tanto la geología como la mineralogía dependen de la existencia de afloramientos de rocas, pero no siempre se dispone de éstos. Si existen, puede que no sean 10 suficientemente abundantes para que la situación de los yacimientos pueda predecirse con certeza razonable. Por otra parte, aunque las formaciones metalizadas sean bien conocidas, los yacimientos pueden hallarse ocultos a profundidad menor o mayor por debajo de la superficie accesible para el estudio directo geológico o mineralógico.
En realidad, este caso se da muy frecuentemente en la prospección moderna, ya que los yacimientos aflorantes han sido descubiertos desde hace mucho tiempo y en muchos casos están agotados. El papel del examen geológico de la superficie, pierde importancia con el desarrollo de la industria minera. Este es el momento en que la Geofísica -la aplicación de la Física al estudio de la Tierra- entra en escena. Los yacimientos suelen diferir en sus propiedades físicas (susceptibilidad [magnética], [conductividad eléctrica], [densidad], etc.) respecto de las rocas que los rodean.
Observando adecuadamente las variaciones de las propiedades físicas del terreno, y mediante cuidadosa interpretación de los resultados, podremos eliminar extensas zonas como de escasa probabilidad para contener menas de ciertos tipos específicos, y encauzar investigaciones más detalladas sobre zonas reducidas y concretas. La elección de la zona inicial para el estudio geofísico, se hace frecuentemente tomando como guía consideraciones geológicas.
Las porciones que la Geofísica puede eliminar son, en términos muy generales, aquellas dentro de las cuales la propiedad física relevante del terreno no presenta variaciones significativas (anomalías), mientras que deben escogerse para ulterior investigación las zonas que muestran variaciones apreciables que puedan atribuirse razonablemente a cuerpos del subsuelo que difieren en dicha propiedad respecto de las rocas encajantes. En este sentido, la prospección de menas es una prospección directa, en contraste con la prospección [petrolera], que es indirecta.
En la prospección de petróleo no podemos aprovechar ninguna propiedad física del mismo petróleo, sino que hemos de buscar estructuras geo16gicas capaces de actuar como almacenes petrolíferos. Con sólo datos geofísicos no puede decidirse si los cuerpos por ellos señalados corresponden o no a yacimientos mineros. No obstante, la combinación de estos datos con datos geo1ógicos e información de otro tipo, así como con la experiencia previa, permite con frecuencia escoger algunas de las indicaciones como las que presentan mayor probabilidad de estar causadas por la mena buscada.
Las costosas labores de exploración, tales como perforaciones, calicatas y pozos, únicas capaces de dar la prueba definitiva de la existencia del mineral, pueden concentrarse en esos pocos lugares. Además, la interpretación detallada de las anomalías geofísicas suministra frecuentemente estimaciones confiables acerca de la profundidad, longitud, anchura, posición, etc., más probables, de los cuerpos anómalos.
Estos datos proporcionan ayuda para el establecimiento de programas de explotación racionales y económicos para la estimación del tonelaje y valor del posible yacimiento y para la toma de decisiones sobre su explotación.
Finalidad
La finalidad primaria de la Geofísica en la prospección es la de separar zonas que aparecen como estériles de las que presentan posibilidades de contener yacimientos. Puesto que los yacimientos mineros son accidentes relativamente raros, las zonas estériles son naturalmente más abundantes que las prometedoras, y los resultados de la mayoría de las prospecciones geofísicas serán negativos (correctamente) como ocurre también con la mayor parte de las prospecciones geológicas.
Por consiguiente, el éxito de una prospección geofísica bien ejecutada no puede medirse por el número de metalizaciones que ha descubierto, ni por el número de sondeos mecánicos que han cortado mineral, sino por el tiempo, esfuerzo y dinero que la prospección ha ahorrado al eliminar terrenos que, en caso contrario, habrían debido ser desechados por el empleo de métodos más costosos. Una prospección puede ser considerada como satisfactoria, aunque no se haya obtenido ninguna indicación geofísica, o aunque en caso afirmativo, no se haya encontrado mineral después de perforación o calicateo.
El criterio y medida del éxito es simplemente el ahorro estimado en los costos, conseguido por la eliminación de terreno estéril efectuada por medio de la prospección geofísica. Al estimar este ahorro, el costo de las labores efectuadas específicamente para comprobar los resultados de la prospección, como por ejemplo, perforaciones, debe incluirse, como es natural, en el coste de la prospección.
Prospección Geofísica y Geología
Tanto el prospector geofísico como el geólogo se ocupan de la parte física de la tierra, por lo que frecuentemente atacan el mismo problema pero sus métodos e instrumentos son muy dispares. El geólogo utiliza mínimo instrumental y basa sus razonamientos en leyes preferentemente cualitativas, mientras que el geofísico emplea aparatos costosos y complicados y maneja leyes físicas de expresión matemática nada sencilla.
Esta coincidencia de fines con disparidad de métodos entraña notorias ventajas, pero ha dado lugar a algunos malentendidos y confusiones. No es posible, porque sería ineficaz y económicamente prohibitivo, empezar el estudio de una zona aplicando sin más ni más tal o cual método geofísico. En los estudios de prospección es el geólogo el que tiene la palabra en primer lugar, pues debe ser él el que escoja las zonas más prometedoras para el fin buscado y plantee los problemas concretos cuya solución se exige de la Geofísica. Además debe recopilar la información geológica que exista sobre algunas zonas que van a investigarse y preparar además los mapas y cortes geológicos pertinentes.
Es entonces cuando entra a la acción el geofísico, el cual, teniendo a la vista la mencionada información, juntamente con la cartografía topográfica, fotografías aéreas, etc., debe determinar cuál es el método geofísico más apropiado y sus modalidades de aplicación, y fijar detalladamente la situación de perfiles , estaciones, líneas de medición y demás características del trabajo de campo. Terminando éste, y después de elaborados convenientemente los datos recogidos, viene la difícil tarea interpretativa, difícil no sólo por la complejidad de las relaciones matemáticas que intervienen, sino porque generalmente no es única la solución del problema planteado. La que debe basarse en su propia experiencia, y en la información geológica disponible.
En la fase final de la interpretación, cuando hay que dar significación geológica a la distribución subterránea de la magnitud física estudiada, es fundamental el trabajo conjunto del geólogo y del geofísico.
Colaboración entre un Geólogo y Geofísico
La colaboración entre geólogo y geofísico es, pues, necesaria, en los trabajos prospectivos, y de calidad de esta colaboración depende grandemente la exactitud y confiabilidad de los resultados. Para esto, es necesario que cada uno de estos científicos tenga algún conocimiento del campo cultivado por otro, y sobre todo, que pueda comprender su lenguaje técnico.
La diversa mentalidad del geólogo y del geofísico representa, en último término, una ventaja, pues los resultados así obtenidos incorporan una visión más amplia del problema. Lo que ya no puede hacerse es tratar de reunir en una sola persona las dos especialidades, dada la ingente cantidad de conocimientos y técnicas incluidas en la Geología y en la Geofísica, y la disparidad de sus métodos. Por lo tanto, es errónea la idea de que un geólogo pueda transformarse en geofísico tras unos breves estudios o a la inversa. Esto quizá fuese posible hace 30 o 40 años, cuando la Prospección Geofísica se encontraba en las primeras fases de su desenvolvimiento, pero no es factible ahora. Como no existen técnicos omniscientes, se hace imprescindible el trabajo en equipo.
Ciencias afines
La Geología y la Física, y en menor grado la Geoquímica, son ciencias muy vinculadas con la Geofísica. Ahora bien, en su definición en sentido amplio están incluidas disciplinas a veces consideradas independientes, como Aeronomía, Meteorología, Oceanología, Hidrología otras que se vinculan con la geología como Geodinámica y Tectonofísica. La Planetología y la Astrofísica pueden, a su vez, considerarse emparentadas o hasta todavía más amplias, inclusivas de la Geofísica.
En un sentido más restringido están comprendidas la Gravimetría (conectada con la Geodesia), la Magnetometría (con Geomagnetismo y Paleomagnetismo), la Geoelectricidad, la Sismología y dos disciplinas también vinculadas con la geología: Radiometría (incluyendo Geocronología) y Geotermia (relacionada a la Vulcanología).
El Perfilaje de Pozos es una subdisciplina común a cada metodología geofísica, y ha tenido un enorme desarrollo principalmente a partir de los requerimientos de la exploración y explotación de hidrocarburos.
Ramas
Dentro de la geofísica se distinguen dos grandes ramas:
- La geofísica interna.
- La geofísica externa.
La geofísica interna
La geofísica interna analiza la superficie y el interior de la Tierra y las principales cuestiones que estudia son:
- Gravimetría, estudia el campo gravitatorio terrestre.
- Sismología, estudia los terremotos y la propagación de las ondas elásticas (sísmicas) que se generan en el interior de la Tierra. La interpretación de los sismogramas que se registran al paso de las ondas sísmicas permite estudiar el interior de la Tierra.
*Geomagnetismo, estudia el campo magnético terrestre, tanto el interno generado por la propia Tierra como el externo, inducido por la Tierra y por el viento solar en la ionosfera.
- Oceanología, estudia el océano.
*Paleomagnetismo, se ocupa del estudio del campo magnético terrestre en épocas anteriores del planeta.
- Geotermometría, estudia procesos relacionados con la propagación de calor en el interior de la Tierra, particularmente los relacionados con desintegraciones radiactivas y vulcanismo.
- Geodinámica, la interacción de estrés y fuerzas en la Tierra que causan movimiento del manto y de la litosfera.
- Prospección geofísica, usa métodos cuantitativos para la localización de recursos naturales como petróleo, agua, yacimientos de minerales, cuevas, o artificiales como yacimientos arqueológicos.
- Ingeniería geofísica o geotecnia, usa métodos cuantitativos de prospección para la ubicación de yacimientos de minerales e hidrocarburos, así como para las obras públicas y construcción en general.
- Tectonofísica, estudia los procesos geológicos en la Tierra.
La geofísica externa
La geofísica externa estudia las propiedades físicas del entorno terrestre.
- Meteorología, estudia la atmósfera y el tiempo atmosférico.
- Aeronomía.
- Estudio de la ionosfera y magnetosfera.
- Relaciones Sol-Tierra.
