Application of the Electrical Resistivity Method to Identify Karst Features: Geotechnical and/or Geoenvironmental Implications for Hydrocarbon Exploration Areas

Abstract

ABSTRACT. Areas with geological substrate composed of carbonate rocks, such as some areas of hydrocarbons exploration and production, occasionally may be related to cases of subsidence of the surface, sometimes caused by the instability of the areas associated with zones of dissolution and its voids, which commonly evolve from systems of pre-existing fractures. The physical infrastructure of these areas (buildings, oil storage tanks and waste materials, and others) can be compromised, affecting, in turn, the integrity of the geological substrate from an environmental point of view. This context includes the epigenetic karst, associated with the percolation of rainwater, focus of this work. Thus, the use of geophysical methods (notably the resistivity) allows to analyze satisfactorily, in terms of resolution and depth of investigation, the carbonate substrate and their areas of dissolution. Therefore, this research shows initially a modelling phase of several hypothetical karst systems, for the purpose of compare the different responses of the arrays used (Schlumberger, Dipole-Dipole and Wenner), followed by a qualitative analysis of real data collected in the field, which were used as a basis for defining the values of geoelectric models, from an interactive analysis. In this phase of forward modeling, synthetic geoelectrical models were generated in order to simulate an approximate geology characterized by karstic features and its geoelectric response. The inversion process aimed at validating the geophysical responses obtained from the initial models and, thus, eliminate any distortions observed in the pseudo-sections of apparent resistivity, adjusting the values of the electrical resistivity to values near the initial model proposed. Finally, the data initially modeled were corroborated by the real data. Keywords: karst, geoelectrical, modeling, environment, geotechnics. RESUMO. Regiões que apresentam substrato geológico composto por rochas carbonáticas, a exemplo de algumas áreas de exploração e produção de hidrocarbonetos, podem estar associadas a casos de abatimento da superfície do terreno, provocados ocasionalmente pela instabilidade das áreas relacionadas a zonas de dissolução e seus vazios, os quais, por sua vez, comumente evoluem a partir de sistemas de fraturas pré-existentes. A infraestrutura física destas áreas (edificações, tanques de armazenamento de petróleo e seus resíduos, entre outras) pode ser comprometida, afetando a integridade do substrato geológico do ponto de vista ambiental. Este contexto engloba o carste epigenético, associado à percolação de águas meteóricas, foco do presente trabalho. Deste modo, o uso de métodos geofísicos (notadamente a eletrorresistividade) permite analisar de maneira satisfatória, quanto aos aspectos de resolução e profundidade de investigação, o substrato carbonático e as respectivas zonas de dissolução. Para tanto, este trabalho de pesquisa trata inicialmente de uma fase de modelagem de diversos sistemas cársticos hipotéticos, de modo a comparar as diferentes respostas dos arranjos utilizados (Schlumberger, Dipolo-Dipolo e Wenner), seguida da análise qualitativa de dados reais coletados em campo, os quais foram utilizados como base para a definição dos valores dos modelos geoelétricos, a partir de uma análise interativa. Nesta etapa de modelagem direta foram gerados modelos geoelétricos sintéticos, a fim de simular de forma aproximada uma geologia caracterizada por feições cársticas e sua resposta geoelétrica. O processo de inversão nos dados obtidos pela etapa da modelagem buscou validar as respostas geofísicas obtidas a partir dos modelos iniciais e assim eliminar as eventuais distorções observadas nas pseudo-seções de resistividade aparente, ajustando os valores de resistividade elétrica a valores próximos do modelo inicial proposto. Por fim, os dados modelados inicialmente foram corroborados pelos dados reais. Palavras-chave: carste, geoelétrico, modelagem, meio ambiente, geotecnia.

Investigating Land Use and Karst Disaster Mitigation through Geoelectric and Magnetotelluric Methods: A Case Study in Sendang Biru, Malang, Indonesia

“…Numerous studies have employed Electrical Resistivity Tomography (ERT) as a geophysical method to investigate karst areas. These investigations have sought to acquire information on the location of subsurface sinkhole cavities [3], characterize the subsurface karst environment [4], and visualize dissolution zones within karst systems to determine the risk of surface collapse [5]. Other studies have highlighted the significant difference in resistivity between watersaturated karst and karst bedrock [6], sinkhole formation due to the widening of vertical dissolution at the intersection of three series of conduit channels [7], and the geological characteristics of cavities and other features in highly heterogeneous karst environments [8].…”