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Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Departamento de Engenharia de Minas - DEMIN Métodos Geofísicos de Prospecção Prof. Paulo Salvadoretti.

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1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Departamento de Engenharia de Minas - DEMIN Métodos Geofísicos de Prospecção Prof. Paulo Salvadoretti ( Depto. Eng. de Minas – UFRGS Porto Alegre – Brasil (material de divulgação interna )

2 Métodos Geofísicos de Prospecção

3 Estrutura do tema Introdução, importância, aplicações Apresentação e classificação dos principais métodos geofísicos Métodos principais … Potenciais Radiométricos Elétricos e eletromagnéticos Sísmicos Perfilagem

4 Introdução Geofísica – É uma ciência que utiliza formas indiretas de investigação (método indireto de prospecção) no estudo das propriedades físicas da Terra.

5 Métodos geofísicos... Procuram identificar as litologias em subsolo por meio das propriedades físicas das rochas, tais como velocidade de propagação de ondas, resistividade elétrica, densidade, campo magnético, etc. Estas propriedades físicas estão relacionadas com características geológicas como litologias, grau de alteração, falhamentos, fraturas, entre outras.

6 Importância e aplicações O conhecimento e as noções sobre os diferentes métodos geofísicos irão orientar o engenheiro de minas: -Na escolha do método mais adequado para prospectar cada tipo de minério, visando um melhor conhecimento da jazida; - Embasar o planejamento e projeto de mineração, tanto na lavra quanto no beneficiamento de minérios - As características de cada tipo de jazida que irão influenciar a escolha do método de beneficiamento mais adequado; - Definição das espessuras de overburden para planejamento do avanço da lavra; - Definição de estruturas e descontinuidades (falhas, fraturas, intrusões) para auxiliar no dimensionamento e previsão de medidas de contenção da rocha; - Aplicações ambientais, no monitoramento de contaminações do solo e sub-solo; Servem também como informações complementares aos métodos diretos (sondagens), com o objetivo de diminuir o número de sondagens testemunhadas, reduzindo o custo do projeto.

7 Aplicações comuns dos métodos geofísicos para investigação geológico-geotécnica Caracterização geomecânica de litologias; Cubagem de materiais para escavação; Determinação da densidade de rochas; Determinação da integridade de estruturas e zoneamento de maciços; Determinação da profundidade do topo do embasamento; Determinação do nível dágua; Determinação dos módulos elásticos dinâmicos; Detecção de cavidades; Estudos de escarificabilidade do maciço; Localização de zonas de falhas; Mapeamento de contatos geológicos; Mapeamento de diques

8 Classificação dos métodos geofísicos em função da fonte de energia... Fontes naturais: metodos potenciais (campo gravitacional e magnetico da terra) metodos eletromagnéticos (relâmpagos e atividade solar) metodos radiométricos (emissoes naturais de torio, potassio e uranio) energia sísmica de tremores (terremotos) Fontes ativas (artificiais): correntes elétricas e campos eletromagneticos (ambos produzidos por baterias e geradores) energia sísmica (produzida por marretas, explosivos, vibradores, etc)

9 *Extraído de SME-Min.Eng.Handbook, 2011; cap.3.3.

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12 Prospecção Geofísica: Gravimetria

13 Gravimetria... Fundamenta-se na determinação da atração gravitacional em pontos da superfície da Terra empregando gravímetros. A finalidade é identificar contrastes de densidades das rochas em subsolo, que originam mudanças na aceleração da gravidade medida em superfície. É uma aplicação adequada para estudos regionais (grandes unidades litológicas), pois o contraste de densidade entre o embasamento e os sedimentos sobrepostos, em bacias sedimentares com espessuras superires a 50m, são suficientemente significativas para permitir a determinaçaõ da conformação do embasamento rochoso.

14 Gravimetria... Atualmente, existem técnicas de detalhe, voltadas para a geologia de engenharia ou para prospecção mineral. A precisão na medição de anomalias tem possibilitado ensaios de detecção de vazios (túneis e cavernas) em situações em que outros metodos tradicionais não fornecem bons resultados. Terrenos planos onde ocorrem grandes cavidades (cársticas, p.ex.), proporcionam exemplos de aplicação deste método em geologia de engenharia.

15 Correções nas medidas de campo... - os levantamentos são feitos com um gravímetro móvel que determina variações de gravidade relativas entre locais de referência. -várias correções são necessárias para transformar as acelerações lidas no gravímetro em informações geológicas úteis (ver quadro abaixo).

16 Correções nas medidas de campo...

17 O termo g geo é denominado Anomalia completa Bouguer de gravidade e representa a diferença entre g obs e g teorico, onde g teorico é a gravidade esperada no ponto de observação. Deste modo, mapas de g geo em áreas de levantamentos gravimétricos são usados para propósitos de interpretação geológica. Exemplo: mapa de anomalias mostrando efeito de um corpo mais denso na parte central da área.

18 Equipamentos (gravímetros)... -Medem a componente vertical do campo gravitacional -O valor médio do campo gravitacional (g) na superfície terrestre é 9,8m/s2 (obs.: Gal é a unidade de medida de aceleração no C.G.S., e 1 Gal = 1cm/s2; 9,8m/s2 = 980 Gal.) -Anomalias de gravidade são da ordem de mGal. -Levantamentos podem ser aerotransportados ou terrestres... os aerotransportados são muito usados em exploração de petróleo (acuracidade de 2 mGal); os terrestres são usados em eng. e estudos geotécnicos, ou para verificar anomalias em terra, antes da etapa de sondagem (acuracidade de 5 a 15 mGal). -Gradiômetros : são gravimetros especiais (medem gradiente de variação de g) usados na exploração mineral (p.ex. Minério de ferro) para detectar corpos compactos pequenos (acuracidade = 0,1 mGal).

19 Equipamentos (gravímetros)... Worden Master land gravity meter Gradiômetro de gravidade aerotransportado AGG (airborne gravity gradiometer), desenvolvido por BHP Billiton

20 Intensidade das anomalias gravimétricas... Todos os materiais do globo terrestre influenciam o valor da gravidade. A maior contribuição vem do manto e do núcleo, e a menor contribuição é a dos materiais da crosta (0,3% do valor de g). Os primeiros 5 km (zona de interesse da prospecção) – contribuição de 0,05%. As variações de densidade das rochas nesta faixa produzem flutuações inferiores a 0,01% no valor de g (100 mGal). As estruturas e corpos geológicos, objetivo da prospecção gravimétrica, produzem oscilações em g da ordem de 0,001%. Na prospecção de petróleo, as anomalias são da ordem de 10 mGal. Na pesquisa mineral são < 5 mGal, em geral.

21 Exemplos de mapas de anomalias Bouguer de gravidade: Seção… Planta…

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23 Prospecção Geofísica: Magnetometria

24 Magnetometria... É um dos métodos mais versáteis, tanto pela facilidade e rapidez na execuçaõ como no baixo custo de levantamento de campo. Entretanto, a interpretaçaõ pode ser complexa, pelas ambigüidades inerentes deste método. A técnica detecta anomalias no campo magnético terrrestre, conseqüente da magnetização diferenciasda em subsolo; por este motivo tem grande aplicação na prospecção mineral. Na geologia de engenharia, levantamento de detalhe tem importantes aplicaçoes.

25 Magnetometria... A prospecção magnetométrica baseia-se nas variações locais do campo magnético terrestre originadas pela presença, no subsolo, de rochas contendo minerais com diferentes susceptilidades magnéticas, tais como magnetita, ilmenita e pirrotita. A magnetometria baseia-se no poder de magnetização do campo magnético terrestre e na susceptibilidade diferenciada dos materiais da Terra, o que serve para auxiliar os mapeamentos geológico-estruturais e a prospecção mineral. A unidade de medida, no sistema SI, da intensidade magnética utilizada em geofísica é o tesla (T). O campo magnético terrestre varia de 25.0 a 70.0 nT. A sensibilidade dos magnetômetros usuais em trabalhos de campo é de 0,1 a 1nT.

26 Magnetometria... Em prospecção, as anomalias magnéticas geralmente têm amplitudes muito menores que os valores nomais do campo terrestre. Por isso, esta unidade é substituída pelo submúltiplo nanotesla (nT) ou gama, equivalentes a oersted (Oe é a unidade do C.G.S.). Exemplos de intensidades magnéticas: Campo magnético terrestre = 25.0 – 70.0 nT Formações ferríferas maciças = centenas a milhares de nT Rochas magnéticas cristalinas = dezenas a centenas de nT Camadas magnéticas em rochas sedimentares = 0.2 – 10 nT Ruído geológico em ambientes não magnéticos = Menor que 0.2 nT Sensibilidade magnetômetro de prótons 1 nT

27 Magnetometria... Áreas de aplicação: Petróleo Profundidade do embasamento – espessura de bacias Relevo do embasamento – estrutura dos sedimentos sobrepostos Prospecção Mineral Prospecção direta de minerais magnéticos Prospecção de minerais não-magnéticos associados a minerais ou estruturas que provocam efeitos magnéticos detectáveis Água Subterrânea Aqüíferos em fraturas Espessura de sedimentos Obras de Engenharia Presença de intrusões Fraturamentos/falhamentos

28 Magnetometria... Origens do magnetismo terrestre: A teoria mais moderna para explicar a parte principal do campo baseia-se no funcionamento de um dínamo. O campo é produzido por correntes elétricas que circulam no núcleo líquido da Terra, constituído principalmente por ferro. As correntes, segundo a Teoria do Dínamo, são mantidas pelo movimento de partículas no núcleo líquido. Superpõe-se ao campo principal contribuições de campos externos à Terra, que variam com o tempo, causados pelas correntes que fluem na ionosfera (camada gasosa parcialmente ionizada entre 60 e 1000 km) e atividades magnéticas na magnetosfera (camada gasosa ionizada entre 1000 e km) e vento solar (plasma contendo hidrogênio ionizado emitido pelo Sol).

29 Magnetometria... Origens do magnetismo terrestre: O campo recebe ainda contribuições locais, das concentrações de minerais magnéticos que ocorrem nos primeiros 5 km da crosta. Estas contribuições constituem as anomalias do campo magnético, objetivo da prospecção geofísica. Devido ao caráter dipolar e direção espacialmente variável do campo magnético, a magnetometria é mais complexa do que a gravimetria, baseada em um campo monopolar e de direção vertical invariável. Um mapa gravimétrico caracteriza-se por um relevo suave com domínio de respostas regionais, enquanto um mapa magnetométrico exibe um relevo perturbado, evidenciando grande quantidade de anomalias locais. A intensidade e direção da magnetização precisam ser consideradas na interpretação das anomalias.

30 Magnetômetros... Na técnica de magnetometria, o que se mede é alguma componente do campo magnético total, que é composto por: - campo magnético terrestre, de origem interna à Terra; -um campo externo, produzido por correntes induzidas na ionosfera e atividades magnéticas originadas na magnetosfera; - vento solar; - um campo local, gerado pelos minerais e rochas magnetizadas. Existem vários tipos de magnetometros, os mais comuns são: Proton precession magnetometro Caesium vapor magnetometer Fluxgate magnetometer

31 Proton precession magnetometer: Conhecidos como próton magnetometros (PPMs), medem a freqüência de ressonância (ressonância nuclear magnética - NMR) de prótons (núcleo do hidrogênio) em um campo magnético a ser medido. Como a freqüência de precessão depende apenas de constantes atômicas e da amplitude do campo magnético ambiente, a acuracidade de equipamento é grande. Apresentam baixo custo (< $US 8,000) e são bastante usados em exploração mineral.

32 Levantamentos... Os levantamentos de reconhecimento são realizados ao longo de estradas ou margens de rios, com medidas a cada 500m ou alguns km. Em levantamentos de detalhe, as medidas são feitas em malhas fechadas, com medidas espaçadas de 10 a 100 m. Mede-se o campo total (magnetômetro de precessão nuclear) ou a componente vertical do campo (magnetômetros fluxgate). São realizados com aviões ou helicópteros. No caso de helicópteros, é possível manter uma altitude constante e menor. Importante no caso de alvos de pequenas dimensões ! Quando são usados aviões, a altitude de vôo média é de 150m, podendo variar de 50 a 450 m. Os levantamentos são feitos em linhas de vôo paralelas espaçadas de 200 a 2000 m. São feitas linhas de controle, tranversais ao levantamento. Se alvos são mais profundos que 100m, levantmentos aereos são mais efetivos. Alvos rasos (<100m em prof.) precisam de levantamentos terrestres.

33 Correções... TRATAMENTO DOS DADOS - Correções para eliminar as variações devidas a causas não geológicas (como a variação diurna e o desnível entre pontos de amostragem) e filtragens para eliminar efeitos geológicos indesejáveis (como os produzidos próximos à superfície ou interferência de fontes rasas e profundas). CORREÇÃO DA VARIAÇÃO DIURNA... 1) Levantamento terrestre - repetição de pontos de medidas a cada 2 ou 3 horas. -estação-base (para remover variação diurna do campo mag.). 2)Aerolevantamentos -estação de base; -REMOÇÃO DO IGRF (Internacional Geomagnetic Reference Field). O IGRF é a representação teórica, para um dado intervalo de tempo, do campo magnético normal da Terra (ou principal), excetuando-se os campos causados por materiais magnéticos da crosta e correntes elétricas induzidas por campos magnéticos externos à crosta. Pode ser necessária a remoção se a área for muito grande e ou se busca grande precisão. Em áreas pequenas, um único IGRF serve para a área toda. Cada IGRF prevê uma variação secular do campo, permitindo extrapolações para os 5 anos seguintes.

34 *Exemplos de mapas de anomalias magnéticas e gravimétricas...

35 **Exemplos de mapas de anomalias magnéticas e gravimétricas...

36 ***Exemplo de integração de dados MAG e GRAV... Objetivo: fazer o reconhecimento por MAG e GRAV dos limites 3D de um corpo de grande dimensão (batólito – vários quilometros de extensão). Aerolevantamentos para MAG (altura vôo=150m e espaçamento entre linhas = 300m), leitura de campo magnético total. GRAV = levantamento terrestre (mais esparso que MAG). Comparar limites do corpo (figura do próx. slide) conforme mapeamento geológico e anomalia MAG.

37 MAG e GRAV... Levantamento MAG de grande extensão.

38 MAG e GRAV... Levantamento GRAV.

39 Integração de dados MAG e GRAV... A profundidade para o batólito (= 20 a 25km), e contatos laterais foram estimados por modelamento GRAV-MAG. Modelamento: compara-se a anomalia obtida em levantamento de ampo com a anomalia produzida por formas hipotéticas simuladas em computador.

40 Prospecção Geofísica: Radiometria

41 Radiometria... O estudo da distribuição de elementos químicos radioativos na subsuperfície terrestre é realizado pela radiometria. A radiometria utiliza leituras de radiação gama proveniente das rochas. A leitura de radiação gama pode ser: total (ou contagem gama total) = para identificar indiscriminadamente a presença de elementos radioativos como o potássio-K, urânio-U e tório-Th; espectral = para estimar, por meio de espectrômetros de vários canais, as quantidades individuais destes elementos (é chamada espectrometria gama).

42 Radiometria... Embora existam muitos outros elementos radioativos, nos levantamentos geofísicos aéreos ou terrestres, apenas U, Th e K são considerados. Em datações de rochas em laboratório, são analisados outros elementos. A unidade de medida da atividade radioativa em geofísica é a contagem por segundo (CPS). Os sensores dos espectrômetros gama utilizam cristais de substâncias que produzem cintilações ao receberem a incidência de radiação gama [p. ex. cristais de iodeto de sódio ativados com tálio – NaI(Tl)].

43 Radiometria... Usos da radiometria... Aplicação Direta – Prospecção de urânio Aplicação Indireta – Prospecção de carvão, Minerais pesados, Fosfatos Outras Aplicações... Diferenciações litológicas entre tipos de rochas ígneas/metamórficas, entre rochas sedimentares, entre sedimentares X ígneas metamóricas Identificação de halos de elementos radioativos, principalmente K, no entorno de minérios hidrotermais. A radiometria pode ser aerotransportada (a radiação gama pode propargar-se por centenas de metros, no ar) ou terrestre, contagem total ou espectrométrica, para os elementos K, U e Th.

44 Radiometria... principais minerais de K, U e Th Minerais de potássio 1-feldspatos potássicos = Constituintes de rochas ígneas ácidas e pegmatitos; 2-Muscovita (H2KAlSiO4) = Idem 3-Alunita (K2Al6(OH)12SO4) = Alteração de rochas vulcânicas ácidas; 4-Silvita, carnalita (KCl,MgCl2.6H2O) = Depósitos salinos em sedimentos Minerais de tório 1-Monazita (ThO2+fosfato de terras raras) = Granitos, pegmatitos, gnaisses 2-Torianita [(Th,U)O2] = Granitos, pegmatitos, placers;

45 Minerais de urânio 1-Uraninita ( óxido de U, Pb, Ra + Th, terras raras) = Granitos, pegmatitos e em depósitos de veios de Ag, Pb, Cu, etc; 2-Carnotita (K20,2UO3,V2O5,2H2O) = arenitos; 3-Gumita (alteração de Uraninita) = associação com Uraninita.

46 Radiometria... Levantamentos de contagem gama total são recomendados para propósitos regionais rápidos, avaliando potencialidades de mapeamento geológico preliminar. A espectrometria (maior sensibilidade) permite avaliação e mapeamento de variações litológicas usando razões anômalas dos radioelementos. O aerolevantamento pode ser gamaespectrométrico, com o propósito de avaliar a favorabilidade de grandes áreas e para mapeamento geológico preliminar. Gamaespectrômetros e cintilômetros portáteis são usados para o detalhamento de anomalias na superfície.

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48 Referências bibliográficas gerais (todos os métodos geofísicos) … DOBRIN, M.B. & SAVIT, C.H Introduction to geophysical prospecting, 4ª ed., McGraw-Hill, Inc., New York (USA), 867 p. FERNANDES, C.E. de M Fundamentos de prospecção geofísica. Ed. Interciência Ltda., Rio de Janeiro (Brasil), 190 p. GARLAND, G.D. ed Geophysical and geochemical exploration for minerals and groundwater, 3º Decennial Intern. Conference, Proceedings of Exploration ´87, Ontario Geological Survey Ed., Special Vol. 3, Canadian Geoscience Council, 923 p. GAVRONSKI, E.F Fundamentos de geofísica aplicada à pesquisa mineral. Apostila da disciplina ENG-519 (Pesquisa Mineral III), DEMIN (EE-UFRGS), Porto Alegre (Brasil), 3 vols., 660 p. GRANT, F.S. & WEST, G.F Interpretation theory in applied geophysics. McGraw-Hill Book Company, New York (U.S.A.), 584 p. HOOVER, D.B.; HERAN, W.D. & HILL, P.L. eds The geophysical expression of selected mineral deposits models. U.S.G.S. open-file Report 92/557, 129 p. KELLER, G.V. & FRISCHKNECHT, F.C Eletrical methods in geophysical prospecting. Pergaman Press Ltd., Oxford (U.K.), 517 p. MILSOM, J Field geophysics. Geological Society of London Hand­book, Open University Press, London (U.K.), 181 p. PARASNIS, D.S Principles of applied geophysics. 4ª ed., Chapman & Hall Ltd., London (U.K.), 402 p. SME Mining Eng. Handbook. 2011, cap.3.3-Geophysics Prospecting, 3 rd ed., Peter Darling ed., SME. SEG GEOTECHICAL AND ENVIRONMENTAL GEOFPHYSICS. Investigations in geophysics n.5., Vols I,II,III. Stanley H. Ward Ed., SEG-Tulsa.

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