Un modelo analítico para estimar el exceso de densidad de carga efectiva a partir del flujo de agua en la zona no saturada

Abstract

El método de potencial espontáneo (PE) es un método geofísico pasivo que se basa en la medición de las diferencias de potencial eléctrico natural. Una de las contribuciones a la señal de PE es la debida al potencial electrocinético que resulta de particular interés para la hidrogeofísica ya que se origina principalmente por el movimiento de agua en el subsuelo, en particular en la zona no saturada del terreno. El potencial electrocinético se genera por el arrastre del exceso de cargas ubicado en la capa difusa de la lámina de agua que rodea la superficie del mineral. En este estudio, desarrollamos un modelo analítico para estimar el exceso de densidad de carga efectiva que es arrastrado por el flujo de agua en condiciones de saturación parcial. El modelo propuesto asume que los medios porosos pueden representarse mediante un conjunto de tubos capilares tortuosos con una distribución fractal de tamaño de poro. El exceso de densidad de carga que es efectivamente arrastrado por el flujo de agua se estima utilizando el método de promediación del flujo. Bajo estas hipótesis, se obtiene una expresión analítica cerrada para este nuevo modelo que describe el exceso de densidad de carga efectiva en función de la saturación y de la permeabilidad relativa del medio. Asimismo, el modelo depende de las propiedades químicas del agua y de los parámetros petrofísicos del medio. El modelo propuesto se validó con modelos previos, y con diferentes conjuntos de datos experimentales de la literatura. Las predicciones del modelo propuesto proporcionan un muy buen ajuste a los datos experimentales tanto de laboratorio como de campo, y muestran mejores estimaciones de la magnitud del exceso de densidad de carga efectiva sobre los modelos previos. Una relación entre el exceso de densidad de carga efectiva y la permeabilidad también puede derivarse del modelo propuesto, que representa una generalización a condiciones de saturación parcial de una relación empírica ampliamente utilizada. Este nuevo modelo propone una manera simple y eficiente de modelar la generación del potencial electrocinético para medios porosos parcialmente saturados. Además, constituye la base de una novedosa técnica para medir el flujo de agua in situ y estudiar procesos físicos que tienen lugar en la zona no saturada del subsuelo tales como el flujo de contaminantes, las inyecciones de CO2 o la absorción de agua de las raíces.