Investigación

 

Geophysical exploration to estimate conductivity and permittivity model of an excavated soil block

 

F. Uribe^a, P. Zuñiga^a, P. Gómez^b

 

^a Departamento de Ingeniería Mecánica Eléctrica, Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica, CUCEI, Universidad de Guadalajara, Blvd. Marcelino García Barragán 1421, Col. Universitaria, 44430 Guadalajara, Jal. México.

^b Departamento de Ingeniería Eléctrica, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Instituto Politécnico Nacional, Unidad Profesional Adolfo López Mateos, Av. I.P.N., Col. Lindavista, 07738 México, D.F. México.

 

Received 25 April 2013.
Accepted 3 October 2013.

 

Abstract

An electrical módel fór a real stratified sóil blóck is proposed in this paper. The módel is suitable tó estimate the physical properties óf electrical cónductivity and permittivity, as well as the thickness óf each óf the layers óf the subsóil. Fór the estimatión, we implement a methódólógy based ón the efficient numerical sólutión óf the Takahashi et al. infinite integrals fór calculating the vector pótentials at the sóil surface. Fór the truncatión óf the infinite integrals, a new expónential based truncatión criterión is própósed. Subsequently, tó evaluate a móre accurate fitting óf the apparent resistivity curves óbtained by measurements and by the Takahashi et al., integrals, twó numerical óptimizatión techniques based ón genetic algórithms, and least squares methód are implemented fór accuracy assessment. Finally, a fórmal quantitative validatión methódólógy is presented in this paper based ón the cómparisón óf the numerical óptimizatión results with respect tó a data set óbtained by direct measurements óf the electrical resistivity ón the vertical excavatión profiles ón each subsurface layer dówn the experimental wórkstatións named Site-1, 2, ... 4.

Keywords: Direct current ground resistance measurements; Wenner methód; ground parameter estimatión; genetic algórithms; least-squares óptimizatión.

 

Resumen

En este artículo se propone el modelo eléctrico de un bloque de suelo real estratificado basado en la estimación de sus propiedades físicas de conductividad y permitividad eléctrica así como del grosor de cada una de las capas de tierra que conforman el subsuelo. Para dicha estimación, se implementa una metodología basada en la solución numérica eficiente de las integrales infinitas de Takahashi et al. para el cálculo del potencial vectorial en la superficie del subsuelo. Para la evaluación numérica de estas integrales infinitas se propone un criterio de truncamiento basad en la función exponencial. Posteriormente, para encontrar el ajuste más preciso entre las curvas de resistividad aparente obtenidas por mediciones y por la solución numérica de dichas integrales, se utilizan por comparación dos técnicas de optimización numérica basadas tanto en algoritmos genéticos como en mínimos cuadrados. Finalmente, se presenta una validación cuantitativa formal de la metodología aquí propuesta basada en la comparación de los resultados obtenidos de la optimización numérica con respecto a los nuevos datos de resistividad eléctrica obtenidos por medición directa sobre los perfiles verticales de cada una de las capas del subsuelo en las excavaciones realizadas bajo las estaciones de trabajo experimentales denominadas como Sitio-1, 2,. . . 4.

Descriptores: Medición de resistencia de suelo con corriente directa; método de Wenner; estimación de parámetros del suelo; algoritmos genéticos; optimización por mínimos cuadrados.

 

PACS: 93.85.Fg; 91.60.-x; 77.22.Ch; 84.37.+q

 

DESCARGAR ARTÍCULO EN FORMATO PDF

 

References

1. J.L. Davis and A.P. Annan, Geophysical Prospecting. 37 (1989) 531.         [ Links ]

2. J. R. Wait, Electromagnetic waves in stratified media (The Institute of Electrical and Electronic Engineers, New York, 1996).         [ Links ]

3. B.L.N. Kennett, Seismic wave propagation in stratified media (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1985).         [ Links ]

4. IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance and Earth Surface Potentials of a Ground System, IEEE Standard 81-1983 (The Institute of Electrical and Electronic Engineers, New York, 1983).         [ Links ]

5. C.A. Balanis, Advanced engineering electromagnetics (Wiley, New York, 1989).         [ Links ]

6. IEEE Guide for Measurements of Electromagnetic Properties of Earth Media, IEEE Standard 356-2010 (The Institute of Electrical and Electronic Engineers, New York, 2011).         [ Links ]

7. M.N. Nabighian, Electromagnetic Methods in Applied Geophysics, vol. 2 (Society of Exploration Geophysicists, Tulsa, 1991).         [ Links ]

8. T. Takahashi and T. Kawase, IEEE Trans. Power Delivery. 5 (1990) 604.         [ Links ]

9. I.F. Gonos and I.A. Stathopulos, IEEE Trans. Power Delivery. 20 (2005) 100.         [ Links ]

10. R.L. Lines and S. Treitel, Geophysical Prospecting, 32 (1983) 159.         [ Links ]

11. D.K. Butler, J.E. Simms, D.S. Cook, Geo-archeology. 9 (1994) 437.         [ Links ]

12. MATLAB, version 7.12 (Math Works, Inc., Natick, Massachusetts, 2003).         [ Links ]