Integración de datos geofísicos y de medidas de gases en suelos como herramienta para la caracterización de una falla activa: el ejemplo de Amer (Pirineos, NE España)
Grupo de Geodinámica Externa e Hidrogeología & Grupo de Física de las Radiaciones (Proyecto CNS2009-0001-C02-01)
Zarroca, M.; Linares, R.; Bach, J.; Roqué, C.; Moreno, V.; Font, L..; Baixeras, C.
ZONAS SELECCIONADAS
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS E 3º00'
E 2º45'
E 2º30'
E 3º15'
30
Pyrenees
S e a a n M e d i t e r r a n e
N 42º00'
Girona
Selva Basin
5
Fig. 2b
Alluvial fan
Facet
A
sB
AMER
ERT-1 and soil s gas profile-1
L-3
N
N Scarps
Ca
tal
an
es
Facet 0
10 km
e
llè Va
s
ng
Neogene sedimentary rocks
Hot water springs
Neogene and Quaternary volcanics
Hot water and carbonic springs
Quaternary sediments
Carbonic springs
100 m
0
50 m
100 m
d
e
l
Esquerda de l'Infern
T
r
Epicentres (1977-1997 ) 3<M<5
50 m
o
Amer fault
Paleogene sedimentary rocks
t
Plio-Quaternary faults
Mesozoic sedimentary rocks
a
Paleozoic granitoids
r
Major faults
0
Esquerda de la Gasalla
r
Paleozoic metasedimentary rocks
Alluvial fan
S
in as
a Co
Ra tal
a
L-8
Schists (Paleozoic) N 41º45'
L-6 L-7
Schists (Paleozoic)
a
II
a
L-2 a
AMER
a
L-1
Terrace +5m
a L-5
Facet a
er
ug
Amer
Scarp
Sag-pond
riv e nt
Debris flow
r
5
Br
Empordà Basin Ebro Basin
Fig. 2a
ive
Olot
tR g en
b
a
Alluvial fan Terrace + 5 m
ERT-2 and soil gas profile-2
L-4 Scarps
The combined use of geophysical and soil gas composition exploration methods allows to rapidly obtain at a relative low cost significant information about seismic activity conditions. In this study we carried out geochemical soil gas sampling (222Rn, 220Rn and CO2) and electrical resistivity tomography (ERT) - seismic refraction profiles in two selected zones near the town of Amer in the Spanish Pyrenees, where the presence of recent fractures is evident in the field. Data analysis clearly reveals anomalous values for each gas at specific positions along the electrical imaging transects. According to geomorphologic and hydrogeologic data, by the integration of geophysical data and soil gas measurements it is evidenced that: (1) endogen gases radon (222Rn) and carbon dioxide (CO2) are released from the metasedimentary basement rocks across the main fracture zones with higher permeability (K) values, while lower Cenozoic detrital sedimentary formations act as an impervious boundary; (2) sites with highest radon concentrations (52 kBq m-3) coincide with the most recent geomorphologic activity zones in the Amer fault, and more specifically with those areas covered by thinner surficial formations; (3) the lowest 222Rn values (0,2 0,4 kBq m-3) were recorded just on the principal active fault plane. This pattern could be explained as a dilution effect resulting from high rates of soil CO2 efflux (267 g m-2 d-1); (4) soil thoron (220Rn) activity is maximum (143 kBq m-3) in areas with high surficial fracturing; (5) groundwater pumping may cause important distortions in the natural flow dynamics and in the measured gases concentrations. The agreement between the different data (geochemical, geophysical, hydrogeological) and field observations (geology and geomorphology) leads us to propose a preliminary tectonic-gravitational model for the studied area.
B ru
a
Figueres N 42º15'
Alluvial fan
B
15
Scarp
Old Alluvial fan
I
II
g e n t R iv e r
n
Esquerda de l'Infern
Lloret Salvatge
N d Ter river
Ter r
iver
0 W-SW Erosion surface Esquerda mA de l'Infern 1000 (projected)
0.5 km
c
1km E-NE
Font Pudosa
500
Font Picant
B
Erosion surface Amer
0 0
0.5 km
1km
1
10
19
28
2
11
20
29
3
12
21
30
4
13
22
31
5
14
23
32
6
15
24
33
7
16
25
17
26
18
27
8 9
5
RESULTADOS Y DISCUSIÓN Prospección geofísica I
I
a)
a)
b
3
Medida de gases I
SSW-NNE
2
2
1
1
Scarps
b)
3
SW-NE
3
Immediaciones de la Font Pudosa
CO2-rich water springs (proj.) Well 96-109 mS/cm
Scarp (proj.)
260 m/s 760 m/s
290 m/s
Triangular facet 1
b)
Brugent river water level
Linear ridge
2
4
5
SSW-NNE
6
II
Irrigation channel 730 m/s
2200 m/s
3
Former railway embankment
SW-NE
1400 m/s
3440 m/s
Reactiviación gravitacional de este tramo de la falla de Amer. En base a datos históricos, deducimos que en este punto se produjeron emaciones de gases (Fumarolas) durante la secuencia sísmica de 1427.
II
3400 m/s
890-920 mS/cm
600 m/s 560 m/s 570 m/s 2750 m/s 3230 m/s 2500 m/s
Well
450 m/s 2550 m/s
II
938 mS/cm
Seismic contact with average velocities
Se trata de la zona en la se producen las mayores descargas de gases
c)
En los últimos años, la prospección geofísica somera se ha convertido en una herramienta estándar para el estudio de fallas sísmicamente activas, en numerosos contextos Reactiviación gravitacional deeteste tramoLadetomografía la falla de Amer.de resistividades (ERT) es uno de los métodos más utilizados (e.g.: Suski et al., 2010; Fazzito et geológicos y tectónicos (e.g.: Vanneste al., 2008). eléctrica En base a datos históricos, deducimos quede enestructuras este punto se produjeron emaciones de gases al., 2009). Metodologías recientes para la investigación tectónicas activas, basadas en el análisis de la composición del gas en el suelo (e.g. Baubron et al., 2002) durante et la al., secuencia sísmica de 1427. relevante sobre las condiciones de esfuerzo regionales. y en(Fumarolas) el agua (González-Díez 2009) proporcionan información
Teniendo en cuenta las consideraciones previas, se ha llevado a cabo el estudio geoquímico y geofísico de dos secciones, seleccionadas en base a criterios geomorfológicos, que atraviesan la falla de Amer, en el sector norte de la población del mismo nombre (Fig. 2). La falla de Amer es considerada una falla activa (e.g. Perea, 2009). El objetivo de este trabajo es el de explorar las potencialidades de ambos métodos cuando son desarrollados conjuntamente. Se trata de un ejemplo de aplicación de varias técnicas: tomografía eléctrica de resistividades (ERT) y análisis de gases en el suelo (222-Rn, 220-Rn y flujo de CO2) en el estudio de la actividad de una falla.
MÉTODOS
a)
Q2
Intensely fractured zones
Deep groundwater flow
I
60
Rn-222 (kBq/m3) Rn-220 (kBq/m3) CO2 (g m-2 d-1)
40 Background value
350.00
250.00
Background value
20
150.00
0
50.00
Schists
II
50 m
Perfiles ERT (475 m y 315 m de longitud, profundidad investigada superior a 50 m). Lund Imaging System (ABEM) de 64 electrodos.
60
40 Background value 20
150.00
0
50.00
Q1
50 m
T 0
50 m
Plastic bag Out
220
+
Gas out Gas in
Font Pudosa
70 cm
SOIL and/or SURFICIAL FORMATION
Preferencial Rn-222 and CO2 outflow paths (deep fractures)
Higher Rn-220 emission areas (mainly with shallow fractures)
Local flow of gases across surficial formations
Medium of median permeability
3
1
Medium of low permeability 2
Gas Flux
Localized water flow across areas affected by DSGSDs
BASEMENT
-
+
Q3
Q1
4
Medium of low permeability
Active fault
T 0
Font picant d'Amer
Espectrofotómetro portátil NDIR (non dispersive infrared) EGM-4 (PP Systems) para la medida de exhalación de CO2. Control de variables ambientales mediante dispositivo multiparamétrico VelociCalc® Plus (TSI).
P -
Chamber
Valve
32 Estaciones de medida de gases en suelo ( Rn, Rn y CO2). Analizador portátil de gases radón y toron AlphaGuard PQ 2000 PRO (GENITRON) con sonda de captura en suelos y bomba de succión AlphaPump.
Q2
0
Pump
222
Lutites & sandstones
Schists
Q1
P
Deep flow of water, Rn-222 and CO2
350.00
250.00
IR spectrophotometer + Pump
Medición de gases
50 m
Intensely fractured zones
Lutites & sandstones
0
Líneas sísmicas de refracción (50 m de longitud, profundidad investigada del orden de 25 m). Sismógrafo ES-1225 (EG&G Geometrics) de 12 canales.
0
Rn-222 (kBq/m3) Rn-220 (kBq/m3) CO2 (g m-2 d-1)
Q2
Geofísicos
T
P
0
Integración de los datos
b)
AlphaGUARD PQ2000 PRO
50 m
Rn kBq/m3
En la región estudiada (NE de la Península Ibérica; Fig.1) son frecuentes manifestaciones de desgasificación de CO2 en forma de fuentes picantes sobre áreas tectónicamente activas (Linares et.al., 2001). El origen endógeno del CO2 que acompaña a las aguas subterráneas ha sido demostrado en estudios realizados en la zona (Redondo y Yélamos, 2005).
Q1
50 m
0
SSW-NNE
Channel water flow
T
P Deep groundwater flow
Fracture-related scarps
River water flow
Q2
0
c)
SW-NE
CO2 Flux (g m-2 d-1)
Debido a sus distintos periodos de semidesintegración, el radón 222-Rn (3,8 días) y torón 220-Rn (55,6 s) en forma de gas en el suelo pueden relacionarse con distintas fuentes. Estudios recientes muestran que las concentraciones en el suelo de 222-Rn tienden a incrementarse en las proximidades de los planos de falla principales. Este comportamiento se explica como el resultado de un cambio en las propiedades de las rocas (p.e., aumento de la permeabilidad del suelo al gas, mayor ratio de superficie específica en la roca fracturada, factores ambos que facilitan la liberación del radón de la matriz sólida) a lo largo de la falla (Giammanco et al., 2009). En numerosos casos, las anomalías en gas 222-Rn y otras trazas de gases se han correlacionado con una elevada desgasificación de dióxido de carbono (CO2), acreditando un modelo de transporte de radón advectivo a través de la columna de suelo por un gas portador, cuyo flujo es controlado por los gradientes de presión (p.e., Beaubien et al 2003). En ambientes volcánicos o geotermales, de los gases presentes en el suelo, el CO2 es normalmente el más importante tanto en términos de abundancia como de flujo de salida. Por dicha razón, resulta esencial en tales ambientes correlacionar medidas de 222-Rn y CO2 para evaluar las emisiones de gas en el suelo.
Q1
50 m
Rn kBq/m3
El conocimiento del grado de actividad de una falla es fundamental para la evaluación de la peligrosidad sísmica existente en una zona. Los estudios geológicos y geomorfológicos son los métodos que habitualmente se han venido aplicando para el reconocimiento y caracterización de fallas activas durante el Cuaternario. La combinación de estos métodos tradicionales con nuevas técnicas geofísicas y de medición de gases en suelos y aguas, enriquece-mejora considerablemente la información neotectónica.
Fractures-related topographic anomalies
P Q1
50 m
CO2 Flux (g m-2 d-1)
E 2º15'
II
I
Bru
ABSTRACT
El uso conjunto de métodos de exploración geofísica y análisis de la composición de los gases en el suelo, en zonas de fallas, proporciona información relevante a cerca de las condiciones de actividad sísmica, la cual puede ser obtenida rápidamente y a un costo relativamente reducido. En relación al área investigada, cabe destacar las buenas correlaciones obtenidas entre las anomalías de concentraciones y de flujo de gases endógenos y la localización de las principales zonas de falla, identificadas mediante imágenes geoeléctricas (ver abstract y libro resumen de comunicaciones).
Para más información, en la reunión participan: -
Joan Bach y Rogelio Linares joan.bach@uab.es & rogelio.linares@uab.es Geodinámica Externa e Hidrogeología Dpto de Geología Universidad Autónoma de Barcelona