Análisis Dielectrico de Banda Ancha de Arcillas: Impacto de la Capacidad de Intercambio Catiónico, Contenido de Agua y Porosidad

Resumen Los suelos y sedimentos ricos en arcilla son componentes clave de los sistemas cercanos a la superficie, influyendo en la retención de agua, el intercambio de iones y la estabilidad estructural. Su compleja respuesta dieléctrica bajo condiciones húmedas surge de la electrostática superficie-ión y las capas dobles difusas que rigen los procesos de transporte y retención. Este estudio explora los espectros dieléctricos de banda ancha (1 MHz–5 GHz) de cuatro arcillas saturadas de agua (kaolinita, ilita y dos bentonitas activadas por sodio) en un dispositivo de línea de transmisión coaxial. Los espectros fueron parametrizados con dos modelos de relajación fenomenológica: el Modelo de Relajación Dieléctrica Generalizado (GDR) y el Modelo Combinado de Permittividad-Conductividad (CPCM), y dos modelos de mezcla: el Modelo de Mezcla Dieléctrica Compleja de Banda Ancha Aumentada (ABC-M) y el Modelo de Índice de Refracción Complejo (CRIM). Estas aproximaciones fueron evaluadas por su capacidad para vincular el comportamiento de relajación dieléctrica con parámetros petrofísicos clave como la Capacidad de Intercambio Catiónico (CEC), el Contenido de Agua Volumétrico (VWC) y la porosidad. Los resultados demuestran firmas espectrales distintas que correlacionan con la mineralogía de la arcilla, particularmente a bajas frecuencias. La fuerza de relajación y la conductividad DC aparente muestran relaciones sistemáticas con la CEC, enfatizando la influencia de las propiedades superficiales específicas de la arcilla. Mientras que las arcillas expansibles como las bentonitas mostraron una relajación mejorada debido a la dinámica de intercambio de iones, las desviaciones en una bentonita activada por soda destacaron el impacto de los tratamientos químicos en el comportamiento dieléctrico. En general, el estudio destaca tanto el potencial como las limitaciones de la espectroscopia dieléctrica de banda ancha para la caracterización de suelos y arcillas. Este estudio proporciona un marco sistemático para vincular la física de los minerales de arcilla con métodos electromagnéticos aplicados. Los resultados tienen implicaciones significativas para métodos no invasivos en el dominio de frecuencias para caracterizar suelos y sedimentos, modelado hidrológico, evaluación geotécnica y monitoreo ambiental.