PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR CUANTITATIVAMENTE PROPIEDADES FÃ?SICO-QUÃ?MICAS DE SUELOS O RESIDUOS SÓLIDOS
Campo de la invención La presente invención se encuadra en el campo general de la geofísica y la geoquímica de suelos y residuos y en particular se refiere a un método para determinar las propiedades físico-químicas de suelos o residuos sólidos mediante el uso de la tomografía eléctrica sin necesidad de realizar grandes muestreos ni análisis de laboratorio.
Estado de la técnica El estudio del subsuelo ha sido de gran interés desde tiempos muy antiguos, incrementando su importancia en tiempos recientes debido a su influencia en la agricultura, la ingeniería y el medioambiente. En este sentido, las técnicas para estudiar el subsuelo incluyen desde métodos eléctricos hasta prospecciones geotecnias mediante sondeos mecánicos de gran profundidad.
El primer uso de los métodos eléctricos para el estudio del subsuelo se le atribuye al científico inglés Robert Fox, quien en 1830 detectó que había cuerpos minerales que generaban un voltaje natural y sugirió el uso de la medida de la resistencia eléctrica como herramienta de investigación. Sin embargo, no fue capaz de desarrollar un sistema de trabajo debido a la polarización de los electrodos. En 1880, Carl Barus, solventó el problema desarrollando un electrodo no polarizable hecho de madera porosa y arcilla sin esmaltar bañado en una solución de sulfato de cobre.
Los métodos de resistividad eléctrica, como se conocen actualmente, empezaron a desarrollarse a principios de 1890; aunque no fue hasta 1970 cuando se generalizó el uso de estas técnicas, ayudado en parte por la disponibilidad de ordenadores para el procesado y análisis de los datos.
En la actualidad, a la determinación del potencial que detectó Fox es a lo que se llama medidas del potencial natural; y a los métodos de resistividad desarrollados en Francia por los hermanos Schlumberger y en Estados Unidos por Wenner, uno de los cuales es el utilizado en esta invención, son a los que denominamos métodos de resistividad eléctrica, estos métodos se basan en la introducción de corriente eléctrica directamente en el subsuelo, modificando el campo potencial del mismo que es medido por medio de un voltímetro permitiendo obtener los valores de resistividad eléctrica que los materiales ofrecen al paso de esta corriente.
En este sentido, los métodos geofísicos son técnicas complementarias, no destructivas, de bajo coste y de rápida aplicación para evaluar un gran número de problemas ambientales y de ingeniería. Dentro de estas técnicas, el método geofísico de tomografía eléctrica (TE) puede ser usado para estudiar el espesor y la extensión que cubren las diferentes capas del subsuelo, evaluar su grado de erosión, identificar grietas y distinguir rutas preferenciales de agua o drenajes.
A pesar de las ventajas que esta técnica lleva asociadas, mencionadas en el párrafo anterior, su potencial de utilización no ha sido desarrollado completamente, ya que actualmente en los estudios del subsuelo además de realizar los perfiles de tomografía eléctrica, que no siempre se llevan a cabo, se realizan sondeos mecánicos con el fin de evaluar las propiedades físico-químicas de las capas identificadas por la tomografía. Estos sondeos son caros de realizar, requieren mucho tiempo para su realización y, por lo tanto, los costes de personal son elevados, los equipos utilizados para realizarlos son pesados y a veces su utilización está limitada por no poder acceder a los lugares de estudio que dichos equipos pesados; además, su representatividad está cuestionada para grandes superficies ya que no se consigue información de la totalidad del subsuelo, únicamente de la zona seleccionada para el sondeo, por lo que se requiere un gran número de sondeos para asegurar dicha representatividad, y una vez efectuados estos sondeos se deben de tomar gran cantidad de muestras que representen la columna extraída en cada sondeo, transportar dichas muestras al laboratorio y realizar los análisis pertinentes, lo cual encarece aún más los costes de su utilización.
Las patentes ES2393716, US8461843 describen procedimientos para detectar anomalías en el subsuelo mediante el uso de la tomografía, pero en ningún caso se puede deducir de las mismas la configuración específica y necesaria de los perfiles de tomografía, ni el muestreo específico que se debe de realizar, ni el tratamiento de datos que se debe de llevar a cabo para poder estimar de forma cuantitativa propiedades físico-químicas de suelos o residuos sólidos mediante el uso de la tomografía eléctrica.
Existe pues la necesidad de proporcionar un procedimiento para estimar las propiedades físico-químicas de suelos o residuos sólidos que solvente los problemas descritos en el estado de la técnica.
Descripción de la invención El problema técnico que resuelve la presente invención es la determinación cuantitativa de las propiedades físico-químicas de suelos o residuos sólidos de grandes extensiones y profundidades, sin necesidad de tomar gran número de muestras, tanto en superficie como en profundidad, para la caracterización de dichos suelos o residuos, ni por lo tanto tener que analizar en el laboratorio dichas muestras, con la consiguiente reducción de costes tanto de muestreo como de determinaciones analíticas, incluyendo reactivos, mano de obra y equipamientos.
Así pues, en un primer aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento para la determinación cuantitativa de propiedades físico-químicas de suelos o residuos sólidos que comprende las siguientes etapas:
− determinación de las resistividad del suelo o residuo sólido a evaluar mediante tomografía eléctrica, en al menos tres emplazamientos, que comprende el uso de electrodos metálicos (4) , separados entre ellos por una distancia comprendida de 25-35 cm e insertados en una cavidad circular para cada electrodo de 4-7 cm de profundidad y de 8-12 cm de diámetro;
− toma de muestras de suelo o residuo, que comprende al menos tres perforaciones o sondeos sobre cada uno de los perfiles de tomografía donde se toman al menos tres muestras (6) en cada uno de los sondeos, así como la toma de al menos tres muestras control (7) por perfil;
− determinación y cuantificación de las propiedades físico-químicas de las muestras obtenidas en la etapa anterior,
− obtención de la relación de las propiedades físico-químicas del suelo o residuo con los valores de resistividad obtenidos mediante tratamiento estadístico de los datos.
En una realización en particular de la presente invención, el electrodo es de 40-50 cm de longitud y se introduce en el suelo/residuo a 15-25 cm de profundidad.
En una realización en particular de la presente invención, la resistividad se determina con una humedad del suelo o residuo inferior al 15%.
En una realización en particular de la presente invención, la resistividad se determina al menos tres veces en cada uno de los perfiles de tomografía.
En una realización en particular de la presente invención, las perforaciones o sondeos se realizan a una profundidad de entre 80-100 cm
En una realización en particular de la presente invención, las muestras se obtienen a unas profundidades de 0-30 cm, 30-60 cm y 60-90 cm.
En una realización en particular de la presente invención, el tratamiento estadístico de los datos incluye el coeficiente de correlación de Spearman.
Cuando éste es significativo al 99%, se calculan las ecuaciones que relacionarán las propiedades fisicoquímicas de los suelos o residuos con los valores de resistividad, de tal forma que se determinan de forma cuantitativa las propiedades fisicoquímicas de otros emplazamientos de características semejantes en función de los valores de resistividad.
En una realización en particular de la presente invención, el procedimiento comprende una etapa de validación de las ecuaciones obtenidas, esta etapa comprende mediante el uso de los resultados geoquímicos de las muestras control y sus correspondientes valores de resistividad, lo que aportará la precisión de las ecuaciones obtenidas.
Descripción de las figuras FIG. 1. Muestra un esquema de disposición de los perfiles de tomografía eléctrica definidos en la primera etapa del proceso objeto de la presente invención.
FIG. 2. Muestra un esquema del proceso de toma de muestras empleado en la presente invención.
FIG. 3. Muestra un esquema de la barrena utilizada para la toma de muestras en la presente invención.
Descripción detallada de la invención En un ejemplo práctico de aplicación, el procedimiento descrito de la invención se ha aplicado a una balsa de residuos mineros (1) de la minería metálica desarrollada en el Distrito Minero de Cartagena-La Unión. Se trata de una balsa localizada entre la carretera (2) que va hacia la Playa del Gorguel al sur y la carretera (2) que une La Unión con Escombreras al norte, cuya superficie es de 7400 m2, con una profundidad de residuos de 14 m y un volumen total de 150000 m3 aproximadamente. Se considera representativa del resto de balsas de residuos mineros por sus características de salinidad, falta de vegetación, elevado contenido de metales (Cd, Pb, y Zn) , bajo contenido de materia orgánica y su afección por la erosión hídrica y eólica.
En primer lugar se seleccionó la ubicación de tres perfiles de tomografía (3) sobre la balsa de residuos (1) (Figura 1) , lo cual se basó tanto en diferencias visuales en la superficie de la balsa como en el conocimiento sobre el proceso de formación de este tipo de balsas. Estos emplazamientos fueron seleccionados porque las propiedades físico-químicas de los mismos eran lo más diferentes posibles entre ellos, para ello se tuvo en cuenta tanto diferencias visuales como conocimientos previos de la zona a estudiar. La selección de un menor número de emplazamientos no sería representativa de la superficie a estudiar y a efectos estadísticos los resultados obtenidos no tendrían validez, por lo que al menos deben ser tres los emplazamientos a seleccionar.
Una vez localizados los perfiles, para cada uno de ellos se excavaron 36 cavidades circulares en el residuo, las dimensiones de dichas cavidades fueron de 5 cm de profundidad por 10 de diámetro, esto garantizó el contacto galvánico residuo-electrodo y una mejor transmisión de la corriente eléctrica, estas cavidades distan unas de otras 30 cm, y en cada una ellas se introdujo un electrodo metálico (4) , de acero inoxidable de 30 cm de longitud a una profundidad de 20 cm lo que dio como resultado una longitud de cada perfil (3) de 1050 cm. Mayor profundidad y/o diámetro provocarían una pérdida de los valores de resistividad de las capas más superficiales del suelo; al igual que una menor profundidad y/o diámetro no garantizarían que se eliminará la capa de suelo superficial alterada por dichos factores y, por lo tanto, los valores de resistividad obtenidos no serían representativos de las propiedades físico-químicas del subsuelo.
Para esta primera etapa se utilizó un equipo convencional de tomografía eléctrica compuesto por un resistivímetro (5) o unidad principal de medida dos bobinas de cable multiconductor unidas entre sí mediante un cajetín de conexión de bornes del cableado, y un extremo de una de ellas se conectó el resistivímetro (5) , cada bobina está compuesta por 18 conectores donde se unirán los 36 electrodos metálicos (4) de acero inoxidable utilizando 36 pinzas de unión entre conectores y electrodos.
Una vez conectados los electrodos al cable conductor de la electricidad mediante las pinzas metálicas, se procedió a la aplicación de la corriente eléctrica mediante la configuración dipolo-dipolo, y a la toma de datos de resistividad del subsuelo. Estas medidas se realizaron con el suelo seco (>15% de humedad) y con tres iteraciones.
Tras la toma de datos del subsuelo, éstos fueron sometidos a una serie de etapas de procesado (filtración, corrección topográfica, eliminación de datos anómalos, inversión, etc.) . Tras estas fases de procesado se obtendrían los valores de resistividad real de los materiales del subsuelo con una profundidad de investigación de 210 cm.
La segunda etapa del procedimiento comprende la toma de muestras de los residuos, para lo cual se realizaron tres perforaciones de 90 cm de profundidad en cada perfil de tomografía, localizado el primero de ellos en el centro del perfil, el segundo y tercer sondeo se localizaron a izquierda y derecha del primer sondeo respectivamente y distanciados 120 cm de este, en cada una de las cuales se toman tres muestras (6) a tres profundidades: 0-30 cm; 30-60 cm y 60-90 cm (Fig. 2) . Además, se tomaron tres muestras control (7) por perfil, de 0-30 cm a 120 cm a la izquierda del segundo sondeo, de 30-60 cm a 240 cm a la izquierda de este mismo sondeo y de 60-90 cm a 120 cm a la derecha del tercer sondeo, las cuales se usaron para validar las ecuaciones obtenidas del tratamiento estadístico de los datos.
La extracción de las muestras se realizó de forma manual con una barrena (8) para suelos de 123 cm de longitud, cuyo extremo final (9) de 23 cm de longitud (Fig. 3) permite la extracción de la muestra, la cual es guardada en una bolsa de polietileno para su transporte al laboratorio. El proceso se repitió para cada uno de los 3 perfiles de tomografía, tomando un total de 36 muestras.
En la tercera etapa del proceso, las muestras se llevaron al laboratorio donde fueron analizadas para los siguientes parámetros: pH, salinidad, humedad, carbono orgánico, carbono inorgánico, azufre total, nitrógeno total, arcilla, limo, arena, plomo total, cinc total, cobre total, cadmio total, níquel total, aluminio total, manganeso total, hierro total, arsénico total y selenio total.
Una vez obtenidos lo resultados analíticos de la etapa anterior, se comenzó con la cuarta etapa de tratamiento estadístico de los datos y la obtención de las ecuaciones que relacionarán las propiedades fisicoquímicas de los residuos con los valores de resistividad. Para ello se calculó el coeficiente de correlación de Spearman (r) , el cual indica la existencia de correlación entre dos variables, en este caso la resistividad y cualquiera de los parámetros anteriormente mencionados (Tabla 1) .
Tabla 1. Coeficientes de correlación de Spearman entre los valores de resistividad y 10 las propiedades físico-químicas de los residuos
Humedad pH Salinidad Carbono inorgánico Carbono orgánico Azufre total Nitrógeno total Arcilla Limo Arena
- 0, 779** 0, 312 -0, 937** 0, 542* -0, 129 -0, 417* -0, 417* -0, 768** -0, 594** 0, 709**
Cinc total Plomo total Cobre total Cadmio total Cromo total Níquel total Aluminio total Manganeso total Hierro total Arsénico total Selenio total
- 0, 513** -0, 480** -0, 488** -0, 436* -0, 201 -0, 002 -0, 501* 0, 308 0, 172 0, 227 -0, 026
* correlación significativa al 95%
** correlación significativa al 99%
Cuando el valor de correlación es significativo al 99%, se calcularon las ecuaciones que mejor rigen dichas correlaciones, lo que permitió estimar las propiedades fisicoquímicas en función de los valores de resistividad (Tabla 2) .
Tabla 2. Ecuaciones que relacionan la resistividad (x) con los parámetros físicoquímicos de los residuos (y) , indicando el coeficiente de correlación y la desviación respecto a los valores reales Finalmente se procedió a la validación de las ecuaciones obtenidas mediante la utilización de los resultados geoquímicos de las muestras control y sus correspondientes valores de resistividad, para ello sustituimos la resistividad medida
Parámetro (Y) Ecuación (X: resistividad) Coeficiente (R2) Desviación (%)
Humedad Y = 21, 716 X-0.3012 0, 7710 28
Salinidad Y = 6, 6568 X-0.2448 0, 7530 24
Arcilla Y = 9, 6683 e-0.0058x 0, 4462 27
Limo Y = -5, 3853 Ln (X) + 32, 245 0, 5736 18
Arena Y = 6, 4424 Ln (X) + 56548 0, 7019 5
Plomo total Y = -703, 27 Ln (X) + 5158 0, 4823 25
Cobre total Y = -23, 264 Ln (X) + 181, 79 0, 5095 22
Zinc total Y = -1409, 2 Ln (X) + 11853 0, 4326 20
en las muestras tomadas bajo los electrodos control en las ecuaciones y calculamos así un valor estimado de cada uno de los parámetros geoquímicos medidos. Este valor fue comparado con el valor determinado en el laboratorio (Tabla 3) , y de este modo calculado la desviación que ofrecen las ecuaciones (Tabla 2) .
Tabla 3. Valores reales y estimados con las ecuaciones de la tabla 2 de las muestras 10 control
Humedad Salinidad Arcilla Limo Arena Cinc Total Cobre Total Plomo Total
M R E R E R E R E R E R E R E R E
a 15, 2 16, 8 7, 3 5, 4 12, 5 9, 5 21, 9 27, 7 65, 6 62, 0 11040 10660 138 162 5181 4589
b 21, 8 15, 3 7, 3 5, 0 8, 5 9, 5 31, 6 26, 0 59, 9 64, 0 13280 10215 193 155 4809 4368
c 25, 3 32, 2 5, 1 9, 2 6, 5 9, 7 43, 6 39, 3 49, 9 48, 1 11968 13694 214 212 4885 6104
d 6, 2 5, 9 2, 2 2, 3 5, 9 6, 2 9, 9 9, 0 84, 2 84, 3 4414 5783 68 82 1513 2155
e 6, 9 10, 2 3, 1 3, 6 6, 0 9, 0 13, 9 18, 8 80, 1 72, 6 6219 8332 62 124 2000 3428
f 5, 7 7, 8 2, 5 2, 9 6, 0 8, 1 10, 0 13, 9 84, 0 78, 5 4474 7058 99 103 2377 2792
g 8, 1 5, 5 2, 8 2, 2 8, 0 5, 5 10, 0 7, 7 82, 0 85, 9 6944 5432 82 76 2131 1980
h 6, 4 9, 9 3, 6 3, 5 6, 0 8, 9 18, 0 18, 2 76, 0 73, 4 4587 8174 75 121 2137 3349
M: muestra; E: valor estimado con las ecuaciones; R: real
En base a los resultados obtenidos a partir de los muestreos geofísicos y geoquímicos 15 y del análisis estadístico de los mismos, se determinó que los parámetros que afectan 9
directamente a la resistividad eléctrica de los residuos mineros son principalmente la humedad, la salinidad, la arena, el limo, la arcilla, el zinc, el plomo y el cobre.
Los resultados obtenidos indicaron que la invención descrita permite determinar de forma cuantitativa propiedades físico-químicas de suelos o residuos de grandes 5 extensiones y profundidades sin necesidad de muestrearlos, ni analizarlos en el laboratorio.
Por otro lado, la aplicación de esta invención permite la localización de las diferentes capas que componen el suelo o residuos sólidos objeto de estudio e identificación de posibles materiales enterrados mediante el registro de diferentes resistividades, en concreto la cuantificación de la extensión, profundidad y composición físico-química aproximada de dichas capas.
