Mapeo electromagnético en el dominio de las
frecuencias y uso de la tomografía de resistividad eléctrica =
en
el sitio hispánico de San Carlos de Portobelo, Panamá
Alexis Mojica1*=
, Patricia Cid2=
y Leonardo Casin=
i3=
[1=
]
Laboratorio de Investigación=
en
Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Centro Experimental de
Ingeniería, Universidad Tecnológica de Panamá
2 Facultad de Arquitectura
y Diseño, Universidad Católica
3 Centro de Investigacion=
es
para la Conservación del Patrimonio Arquitectónico y Urbano,
Panamá
* Autor para correspondencia. E=
mail:
alexis.mojica@utp.ac.pa
Recibido:
17 de marzo de
Aceptado: 08 de abril de 2=
020
Resumen
El estudio sobre la defensa mili=
tar
de San Carlos de Portobelo, su arquitectura fortificada y las técnic=
as
constructivas empleadas por los ingenieros militares españoles duran=
te
las últimas décadas del siglo XVII es una colaboración=
de
la Universidad Católica Santa
María la Antigua para la Dirección
Nacional de Patrimonio Histórico del Ministerio de Cultura de Panamá. En la búsqueda de
profundizar en el conocimiento del bien histórico ante la
problemática del complejo de fortificaciones de Portobelo considerado
actualmente: “Patrimonio Mundial en Peligro”, se solicitó=
; a
la Universidad Tecnológica de Panamá la realización de
pruebas geofísicas puntualizadas en el sitio, con el interés =
de
obtener información que contri=
buya a determinar características constructivas del
sistema de estructuras murarias actuales e identificar la ubicación =
de
posibles componentes arquitectónicos bajo tierra a ser analizados en=
una
futura etapa de estudios arqueológicos.
En este trabajo se presentan los resultados de una
primera fase de prospecció=
;n
de tipo electromagnética en el dominio de las frecuencias y de
resistividad eléctrica 2D en el sitio fortificado de San Carlos de Portobelo, provincia =
de
Colón. Esta estructura de tipo
hispánica constituye un sitio arquitectónico y arqueoló=
;gico
de gran interés debido a su trascendencia histórica, al no
haberse concluido por la Corona Española. Las jornadas geofísicas fueron desarrollada=
s en
dos zonas específicas: la Puerta de Tierra – entrada Sur de la ciudad – y en el <=
/span>Baluarte de San Pedro. En la primera zona, el mapa de
conductividad eléctrica aparente obtenida con la configuració=
n dipolar
vertical (150 cm de rango de profundidad efectiva) no reveló
anomalías ligadas a rasgos arqueológicos enterrados; sin emba=
rgo,
el mapa obtenido en el rango de profundidad efectiva de 75 cm (configuraci&=
oacute;n
dipolar horizontal) presentó algunas anomalías de baja conductividad
eléctrica (alta resistividad eléctrica) que podrían es=
tar
asociadas a posibles rasgos enterrados o suelo firme, con un bajo contenido=
de
humedad. En esta misma zona, las tomografías de resistividad
eléctrica 2D ofrecieron información valiosa referente a la
profundidad de los muros que aun afloran en esta área circunscrita del sitio, =
y de
igual forma, los cimientos ubicados en=
las
entradas de la mencionada zona. Por su parte, en el Baluarte
de San Pedro, se desarrollaron 3 tomografías de resistividad
eléctrica obteniéndose información referente a la
profundidad del muro; el resto de las anomalías de baja resistividad
eléctrica se asocian a suelo con alto contenido de humedad.
Palabras claves:
Prospecci&o=
acute;n
geofísica, San Carlos de Portobelo, prospección
electromagnética EM-38, tomografía de resistividad
eléctrica 2D, arquitectura
fortificada.
Abstra=
ct
The study of the military defens=
e of San Carlos on Portobelo, its fortified architecture and the constructi=
on techniques used by Spanish military engineers during the last decades of=
the 17th century is a collaboration of the Santa Maria la Antigua Catholic Univer=
sity to the National Directorate of Historical Her=
itage of the Ministry of Culture of Panama. In =
search to study the knowledge of the historical asset deeply in the face of=
the problems of Portobelo fortification complex currently considered as &#=
8220;World Heritage in Danger”, the Technological University of Panam=
a was requested to carry out geophysical tests in specific areas at the sit=
e, with the purpose to obtain information that contribute to determinate co=
nstructive characteristics of the current wall structure system and to iden=
tify the location of possible architectural components underground to be an=
alyzed in a future stage of archaeological studies.=
This work presents the results o=
f a first phase of electromagnetic prospecting type in the frequency domain=
and 2D electrical resistivity at the fortified site of San Carlos on Porto=
belo, Colon Province. This Hispanic-type structure constitutes an architect=
ural and archaeological site of great interest due to its historical signif=
icance of not having been concluded by the Spanish Crown. The geophysical s=
essions were developed in two specific areas: the Puerta de Tierra Gateway =
– South entrance to the city – and the San Pedro Bastion. In the first zone, the apparent electrical conductivity map obtained =
with the vertical dipole configuration (150 cm effective depth range) revea=
led no abnormalities linked to buried archaeological features; although, th=
e map obtained in the effective depth range of 75 cm (horizontal dipole con=
figuration) presented some anomalies of low electrical conductivity (high e=
lectrical resistivity) which could be associated with possible buried featu=
res or firm soil, with a low moisture content. In the same zone, 2D electri=
cal resistivity scans offered valuable information regarding the depth of t=
he walls that still emerge in this circumscribed area of the site and in th=
e same way, the foundations located at the entrances of the mentioned area.=
Instead, in the San Pedro Bastion, 3 electrical resistivity tomographies w=
ere developed obtaining information regarding the depth of the wall; the re=
st of the anomalies of low electrical resistivity are associated with soil =
of high moisture content. Keywords: Geophysical prospecti= ng, San Carlos de Portobelo, = electromagnetic survey EM-38, 2D electrical resistivity tomography, = fortified architecture.
1 Introducción
San Carlos de Portobelo ubicado en el interior =
de
la histórica ciudad, inició su construcción en las
últimas décadas de la segunda mitad del siglo XVII con la
intención de albergar al poblado ubicado a orillas de la bahía
que habría de transferirse al interno del área de San Crist&o=
acute;bal
y ser protegido por una muralla defensiva que lo habría circundado. =
El
proyecto de la nueva ciudad dedicado a Carlos II de España, fue
concebido bajo los principios de las ciudades fortificadas europeas de
influencia de la época y por los parámetros constructivos
enunciados en los tratados de arquitectura militar. El proyecto nunca se
culminó, pero las estructuras que aún restan nos permiten
observar distintas etapas en el proceso de edificación de estos tipo=
s de
fortificaciones.
A finales de enero de 2020, se llevó
a cabo una primera campaña de estudios geofísicos en el sitio=
del
Baluarte de San Pedro y de la Puerta de Tierra como parte inicial de una se=
rie
de estudios que pretenden analizar las técnicas de construcción de las estructuras en piedra existentes y que, en gran part=
e,
aún restan en pie hasta el Baluarte del Duque. El equipo estuvo conformado por A. Mojica, doctor =
en
geofísica aplicada con experiencia en sitios de interés cultu=
ral;
P. Cid y L. Casini, arquitectos restauradores con conocimientos en la historia de las
fortificaciones de Portobelo y encargados de la dirección del proyec=
to;
y M. Linero B., doctora en arqueología de la arquitectura quien
brindó su asesoría en esta etapa.
<=
span
lang=3DES style=3D'font-size:12.0pt;font-family:"Garamond",serif;mso-bidi-f=
ont-family:
"Times New Roman";mso-ansi-language:ES'>El empleo de las prospecciones geof=
ísicas
como herramienta de investigación científica aplicada a este
proyecto, forma parte de la “fase de trabajo de campo” y=
ha
permitido obtener importantes datos preliminares con los cuales,=
iniciar
el proceso analítico de verificación
in situ de la documentación histórica y de la caracterizaci&oacu=
te;n
técnica de las estructuras arquitectónicas, además de,
contribuir a la determinación de áreas de interés para=
el
proyecto y que se requieren sean analizadas
próxima=
mente a
través de un estudio arqueológico.
La prospección geofísica es una disciplina
científica relativamente nueva, que emplea las estructuras
matemáticas que caracterizan algunos fenómenos de la naturale=
za
para determinar las propiedades físicas de las rocas o suelos y sus
contrastes. La prospección geofísica se caracteriza por abarc=
ar
un conjunto de técnicas que se enfocan en obtener un conocimiento so=
bre
la distribución espacial de las rocas, materiales y formaciones en el
interior del planeta, siendo éstas de interés al ser humano, =
por
ejemplo: las fuentes de agua subterránea, rasgos arqueológico=
s,
mantos rocosos, fallas tectónicas y contaminantes.
Entre los métodos de prospección
geofísica más empleados, caben mencionarse los eléctri=
cos
y electromagnéticos (enfocados al estudio de las propiedades el&eacu=
te;ctricas
del subsuelo), los gravimétricos y magnéticos (los cuales se
ocupan del estudio de la densidad y la susceptibilidad magnética de =
los
materiales, respectivamente) y los sísmicos (focalizados en el estud=
io
de las propiedades elásticas de los suelos). Existen otros
métodos geofísicos que se utilizan, pero no con mucha frecuen=
cia
como los térmicos y radiactivos.
Exceptuando las técnicas de exploraci&oacut=
e;n
magnética, los métodos electromagnéticos han jugado un=
rol
importante en el campo de la minería; no obstante, sus aplicaciones =
no
se han extendido de forma amplia a la resolución de problemas de
ingeniería civil, pero han tenido un papel notable en la
detección de estructuras metálicas enterradas (cables y tubos
metálicos, por ejemplo). En el campo ambiental, se ha visto un auge
significativo en el mapeo superficial de infiltraciones de contaminantes (T=
elford
et al., 1996).
En Arqueología, sus métodos
clásicos incluyen excavaciones sistemáticas que demandan un
notable esfuerzo humano, recurso económico y tiempo; en este aspecto,
los métodos de mapeo geofísico emergen como una alternativa d=
e la
rápida evaluación del potencial arqueológico de un
determinado sitio, siendo los eléctricos y magnéticos los m&a=
acute;s
empleados (Tabbagh, 1992); no obstante, un tercer método
geofísico está siendo muy utilizado hoy día: el
electromagnético en el dominio frecuencial.
Estas metodologías no invasivas vendr&iacut=
e;an
a representar, por ende, una nueva herramienta opcional de apoyo a la activ=
idad
arqueológica. El incremento en el uso de técnicas
geofísicas para resolver problemas de tipo arqueológico
constituye un hecho que revelan el éxito en la preservación d=
e la
herencia histórica de muchas ciudades. Los métodos
electromagnéticos fueron empleados inicialmente durante los añ=
;os
60 del siglo pasado, pero no fue hasta finales de ese mismo siglo que su us=
o se
incrementó en estudios de tipo arqueológico arqueológico y agrícola. Son varias las investigaciones que han sido
realizadas con éxito empleando este tipo de tecnologías
electromagnéticas en estudios arqueológicos, por ejemplo, Bev=
an
(1983); Frohlich y Lancaster(1985); Wynn (1986); Scollar et al., (19=
90);
Dalan (1991).
El objetivo de este trabajo se focaliza en detecta=
r y
parametrizar posibles rasgos arqueológicos que se encuentren ligados=
a
los restos construidos de
la muralla defensiva de San Carlos ubicada en las cercanías de l=
as fortificaciones
de la bahía de Portobe=
lo,
específicamente en dos zonas importantes, mediante el uso de los
métodos electromagnético
–en el domin=
io frecuencial– y tomográfico de
resistividad eléctrica 2D.
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;font-family:"Garamond",serif;mso-bidi-font-family=
:"Times New Roman";
mso-ansi-language:ES-PA'>2 El=
sitio
El sitio de interés se encuentra ubicado en el corregimiento =
de
Portobelo, distrito del mismo nombre. La Figura 1 presenta la
localización del área.
El objetivo de la Corona Española era la de
trasladar la antigua ciudad de Portobelo a una nueva
ciudad amurallada con la capacidad de contrarrestar el at=
aque
de los piratas. Las Figuras 2 y 3 presentan un mapa antiguo de dicha estructura que
data de 1683 y una imagen aérea actual, respectivamente.
![3D"Imagen](3D"05CidCassiniOF_archivos/image003.jpg")
Figura 1. Localización geográfica de Portobelo, sector Norte del
Istmo de Panamá.
![3D27872435.jpg](3D"05CidCassiniOF_archivos/image005.jpg")
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;font-family:"Garamond",serif;mso-bidi-font-family=
:"Times New Roman";
mso-ansi-language:ES-PA'>Figura 2. “Planta de la nueua Ciudad de Puertouelo que se está
executando”, Fernando de Saavedra, 1683. A - Baluarte de San Pedro. K
– Puerta de Tierra. G – Baluarte del Duque. AGI (Archivo Gen=
eral
de Indias),MP-PANAMA,95.
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image006.gif")
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image008.jpg")
Figura 3. Imagen aér=
ea
que muestra los restos del Baluarte de San Pedro.
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;font-family:"Garamond",serif;mso-bidi-font-family=
:"Times New Roman";
mso-ansi-language:ES-PA'>3 La
prospección geofísica
En estudios arqueológicos, la detección de rasgos
culturales se encuentra basada en la medición de una diferencia o
contraste entre las propiedades físicas (conductividad eléctr=
ica
aparente o su inversa, la resistividad eléctrica aparente) de los
materiales que componen dichos rasgos y del medio que la rodea, motivo por =
el
cual se hace preponderante el estudio de las propiedades físicas de =
los
suelos bajo las cuales los diferentes métodos geofísicos se
encuentran basados (Scollar et al.,
1990).
3.1. La prospecci&oacut=
e;n
electromagnética en el dominio frecuencial
Los fenómenos electromagnéticos pueden ser descritos
mediante las ecuaciones de Maxwell, las cuales describen la relación
estrecha que existe entre los campos eléctrico y magnético y =
la
interacción de estos con las estructuras o materiales contenidos en =
el
subsuelo. El principio de operación de esta metodología se ba=
sa
en el uso de una bobina emisora por donde circula una determinada intensida=
d de
corriente eléctrica de tipo alterna; dicha circulación genera un campo
magnético primario (Hp=
) que oscila en los alrededores del punto de
medición. Luego, este campo primario oscilante genera una variaci&oa=
cute;n
en el flujo del campo magnético en el subsuelo, que a su vez produce
corrientes secundarias inducidas en el mismo. Finalmente, estas corrientes
secundarias crean en el interior de suelo un campo magnético secunda=
rio (Hs) el cual es
registrado en conjunto con el campo magnético primario por una bobina
receptora. La razón de ambos campos registrados por el dispositivo E=
M-38
obedece a la siguiente ecuación:
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image010.gif")
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;font-family:"Garamond",serif;mso-bidi-font-family=
:"Times New Roman";
mso-ansi-language:ES-PA'>En donde L=
representa la separación de las bobinas de emisión y
recepción, =
m0 la permeabilidad magnética del vacío y f la
frecuencia de oscilación. Para valores débiles de conductivid=
ad
eléctrica s(<100 mS/m), McNeill (1980) demostró que
cuando un determinado dispositivo de inducción electromagnéti=
ca
(tipo Slingram EM-38, por ejemplo) se ubica en la superficie del suelo, la
medición de sa (conductiv=
idad
eléctrica aparente) está dada por la ecuación anterior=
.
Con respecto a la respuesta
instrumental en función de la profundidad, es posible construir dos
funciones FV(z) y =
FH(z) que describen las contribuciones relativas del c=
ampo
magnético secundario que se deriva de una capa delgada a cualquier
profundidad z tanto para=
dos
configuraciones dipolares vertical y horizontal, respectivamente.
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image012.jpg")
Figura
4. Comparación de las respuestas relativas de=
los
dipolos horizontal y vertical.
En los últimos años, la
utilización de dispositivos electromagnéticos tipo Slingram o=
EM-38
en estudios arqueológicos ha sido notable; este tipo de instrumentos
emplea la inducción electromagnética con el objetivo de medir=
el
valor de la conductividad eléctrica aparente de una columna de suelo
hasta una profundidad de observación específica (Sudduth et al., 2001).
La Figura 5 presenta una panorámica de este tipo de
dispositivos los cuales son distribuidos por Geonics Inc. (Canadá). =
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image014.jpg")
Figura 5
En este tipo de dispositivos electromagnéticos, las ecuaciones
matemáticas que relacionan las respuestas relativas con respecto a <=
/span>z son:
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image016.gif")
3.2. La tomografí=
;a
de resistividad eléctrica 2D
En esta metodología, las propiedades eléctricas de las
rocas y los minerales se encuentran controladas por diversos procesos
químicos y por los parámetros termodinámicos como por
ejemplo la presión y la temperatura del medio en el cual las cargas
eléctricas se mueven (Nover, 2005); la movilidad que experimentan estas
cargas la gobierna cuatro procesos diferentes de transporte: la
conducción electrolítica de los fluidos contenidos en las roc=
as
porosas saturadas y que depende de sus propiedades petrofísicas, la
conducción electrónica que al igual que la electrolíti=
ca
dependen de forma moderada de la temperatura y la presión, la
semi-conducción que se da lugar cuando la temperatura de los mineral=
es
que forman las rocas aumenta y debido a la mayor movilidad de los defectos =
en
la red y las impurezas, y la fusión parcial la cual aumenta la
conductividad eléctrica si las temperaturas son muy elevadas.
El parámetro de interés en este tipo=
de
análisis es la resistividad aparente la cual se expresa en ohm.m y
representa el grado de dificultad que experimentan las cargas eléctr=
icas
al atravesar un determinado volumen de terreno. A parte de las
características termodinámicas mencionadas con anterioridad, =
este
parámetro depende de una serie de propiedades del suelo: la naturale=
za
de los sólidos que la constituyen como la distribución del
tamaño de las partículas y mineralogía, el arreglo de =
los
vacíos como la porosidad, la distribución del tamaño de
los poros y la conectividad, el grado de saturación del agua o conte=
nido
de agua y la resistividad eléctrica de los fluidos (Samoüelian<=
/span>
et al, 2005; Nover, 2005). Esta técnica de exploración
geofísica se caracteriza por la inyección de una corriente
eléctrica en el subsuelo a través de dos electrodos (A=
y B)
y la medición de la diferencia de potencial mediante otro par de
electrodos (M y N) incrustados en el suelo. Si en un punto so=
bre
la superficie de interés se conocen estos dos parámetros y la
geometría del arreglo electródico utilizado, entonces es posi=
ble
calcular la resistividad eléctrica aparente del subsuelo.
Para la realización de estas pruebas, se
utilizó un resistivímetro Syscal R1 (de IRIS Instruments). Di=
cha
medición es representativa de un determinado volumen de suelo que
depende de la posición y de la geometría de los electrodos
utilizados; esto significa que existe una gama de arreglos electródi=
cos
que se utilizan de acuerdo con la necesidad del trabajo a realizar. Debido =
al
bajo nivel de ruido telúrico que presenta el sitio y la débil
profundidad de exploración a investigar (<3 m), se empleó =
una
configuración electródica tipo dipolo – dipolo, en dond=
e la
distancia AB =3D MN =3D a, y este par se encuentra sep=
arado
una distancia an, siendo n un valor entero (1, 2, 3, 4, 5); el
segundo arreglo electródico empleado en este trabajo fue el Wenner-a=
lfa,
en donde las distancias AM =3D MN =3D NB =3D l =
siendo el
mismo poco sensible al ruido telúrico y con una profundidad de
investigación superior al dipolo – dipolo.
Para obtener una imagen
bidimensional del subsuelo en términos de sus propiedades
eléctricas, se necesita recurrir a complejos conceptos
matemáticos relacionados con la resolución del problema inver=
so.
Esta teoría se focaliza en determinar un modelo que ofrezca una
respuesta del modelo (conjunto de valores de resistividad eléctrica =
aparente
sintéticos) similar a los datos de resistividad aparente medidos sob=
re
la superficie del área de interés. Este modelo, obtenido lueg=
o de
un proceso iterativo, corresponderá a la distribución de la
resistividad eléctrica real del subsuelo; por otro lado, la respuesta
del modelo se obtiene a partir de las ecuaciones físicas que ligan el
fenómeno con el modelo. Para caracterizar este modelo, se necesita
discretizar el subsuelo a través de un conjunto de elementos
cúbicos rectangulares o prismas, y los valores de resistividad
eléctrica de dichos elementos corresponderán a los
parámetros del modelo. Este cálculo se realiza a travé=
s de
la resolución del problema directo, en donde se busca resolver una
ecuación diferencial de segundo orden y cuya estructura
matemática se obtiene de las leyes de conservación en
Física y la ecuación de continuidad. Dicha ecuación ti=
ene
la forma:
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image018.gif")
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;font-family:"Garamond",serif;mso-bidi-font-family=
:"Times New Roman";
mso-ansi-language:ES-PA'>4
Metodología
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image020.jpg")
<=
![endif]>
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image022.jpg")
<=
![endif]>
![3D"Imagen](3D"05CidCassiniOF_archivos/image024.jpg")
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image026.jpg")
<=
![endif]>
![3D"Imagen](3D"05CidCassiniOF_archivos/image028.jpg")
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image030.jpg")
<=
![endif]>
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image032.jpg")
<=
![endif]>
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image034.jpg")
![](3D"05CidCassiniOF_archivos/image036.jpg")
<=
![endif]>
Proyecto de colaboración para la Dirección Nacional de
Patrimonio Histórico (DNPH=
) del Ministerio de Cultura de Panamá y el
Patronato de Portobelo y San Lorenzo
(PPSL).
Al Laboratorio de Investigación en Ingeniería y
Ciencias Aplicadas del Centro Experimental de Ingeniería de la
Universidad Tecnológica de Panamá, por su importante colaboración e interés=
en
este proyecto.
Al Smithsonian Tropical Research
Al Archivo General de Indias del Minister=
io
de Cultura y Deporte de España, por la imagen MP-Panamá,95 qu=
e se
utiliza en este artículo para fines educativos.