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Geofísica Geral Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral Prof. Marcelo Rocha unb.br.

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1 Geofísica Geral Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral Prof. Marcelo Rocha unb.br blog: my.opera.com/marcelorocha Brasília/DF – 1° Semestre/2011 Eletrorresistividade – Fundamentos (Baseado nas aulas do Prof. Welitom Borges)

2 HISTÓRIA WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. Os métodos elétricos possuem sua origem no século XVIII, com a descoberta sobre a resistividade das rochas por Gray e Wheeler (1720 apud ORELLANA, 1972) e sobre a condutividade do solo por Watson, em 1746 (apud ORELLANA, op. cit.). Os primeiros trabalhos de aplicação deste método, em prospecção mineral, datam do início do século XX. Benjamin Franklin Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral

3 HISTÓRIA WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. Entre os diversos pesquisadores que contribuíram para o desenvolvimento do método da eletrorresistividade, destacam- se Conrad Schlumberger, da "Escola Francesa" e Frank Wenner, da "Escola Americana". Eles foram responsáveis pela introdução do arranjo de quatro eletrodos para medidas de resistividade em superfície. Conrad Schlumberger Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral

4 PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. A prospecção elétrica envolve a detecção de efeitos em superfície produzidos pelo fluxo de corrente elétrica em subsuperfície. Por intermédio de métodos elétricos é possível medir potenciais, correntes, e campos eletromagnéticos que ocorrem naturalmente, ou são induzidos, na Terra. Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral

5 PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. Os principais fatores que influenciam o fluxo de corrente no subsolo são suas propriedades elétricas: 1. condutividade elétrica; Capacidade de um material conduzir eletricidade. 2. permissividade dielétrica; Capacidade de um material polarizar-se em respota a um campo elétrico aplicado. 3. permeabilidade magnética. Medida do CM induzido como resposta a um CM externo. Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral

6 PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. Os principais fatores que influenciam o fluxo de corrente no subsolo são suas propriedades elétricas: Dentre elas, a condutividade elétrica é a mais importante para o método da eletrorresistividade (KELLER; FRISCHKNECHT, 1966). Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral

7 PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. A corrente elétrica pode ser propagada no meio de três modos: 1.Eletrônica 2.Eletrolítica ou Iônica 3.Dielétrica Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral

8 PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. A corrente elétrica pode ser propagada no meio de três modos: Eletrônica – ocorre principalmente em materiais com estrutura homogênea, com alta concentração de portadores de carga (elétrons livres) com elevada mobilidade. Ex.: cobre, grafita e alguns sulfetos. Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral

9 WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. Eletrolítica ou Iônica – principal tipo de condução elétrica nas rochas, tendo lugar nos espaços porosos e de maneira secundária entre grãos minerais. A concentração dos íons presentes, valência, mobilidade, e temperatura são as principais variáveis que controlam o fluxo de corrente, através da solução presente nos poros. No arcabouço sólido das rochas, a condução tem lugar de acordo com as propriedades dos minerais que o formam (KELLER; FRISCHKNECHT, 1966). Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS A corrente elétrica pode ser propagada no meio de três modos:

10 WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. Dielétrica – ocorre em meios isolantes ou fracos condutores, onde existam pouco ou nenhum elétron livre. Sobre a influência de um campo elétrico externo, os elétrons são deslocados rapidamente do núcleo; esta rápida separação de cargas positivas e negativas é conhecida como polarização dielétrica do material e ela produz uma corrente conhecida como corrente de deslocamento (TELFORD et al., 1990). Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS A corrente elétrica pode ser propagada no meio de três modos:

11 PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. Em geral, o fluxo de corrente elétrica no solo/rocha é eletrolítico e acontece ao longo da umidade e porosidade contidas dentro da matriz isolante (McNEIL, 1980). A resistividade é, então, influenciada em solos e rochas por: Porosidade: forma e tamanho dos poros, número, tamanho e forma das passagens de interconexão. Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral

12 WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. Quantidade de poros preenchidos por água, isto é, quantidade de água. Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS Em geral, o fluxo de corrente elétrica no solo/rocha é eletrolítico e acontece ao longo da umidade e porosidade contidas dentro da matriz isolante (McNEIL, 1980). A resistividade é, então, influenciada em solos e rochas por:

13 WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. Concentração de Sólidos Totais Dissolvidos – STD, na água: influencia nas características elétricas do meio, tornando-o mais ou menos condutivo. SALINIDADE CONDUTIVIDADE Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS Em geral, o fluxo de corrente elétrica no solo/rocha é eletrolítico e acontece ao longo da umidade e porosidade contidas dentro da matriz isolante (McNEIL, 1980). A resistividade é, então, influenciada em solos e rochas por:

14 WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. Temperatura e estado físico da água nos poros. Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS Em geral, o fluxo de corrente elétrica no solo/rocha é eletrolítico e acontece ao longo da umidade e porosidade contidas dentro da matriz isolante (McNEIL, 1980). A resistividade é, então, influenciada em solos e rochas por:

15 WARD, S.H Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp. Concentração e composição dos colóides [Colóides – partículas, com diâmetros médios entre 1 nm (10 -9 m) a 1000 nm, que constituem as fronteiras gerais para uma classificação das misturas. Assim, partículas com diâmetro inferior a 1 nm encontram-se em solução e devem ser chamadas de soluto. Por outro lado, partículas com diâmetro superior a 1000 nm estariam dispersas em misturas denominadas suspensões] Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS Em geral, o fluxo de corrente elétrica no solo/rocha é eletrolítico e acontece ao longo da umidade e porosidade contidas dentro da matriz isolante (McNEIL, 1980). A resistividade é, então, influenciada em solos e rochas por:

16 A eletrorresistividade é um método elétrico que consiste na verificação dos potenciais desenvolvidos nos materiais, a partir da propagação de uma corrente injetada nos mesmos. I V Δ R V A I VaVa VbVb FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA V = V b – V a Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral

17 Para um simples eletrodo de corrente implantado na superfície de um meio homogêneo de resistividade, a corrente flui radialmente. A voltagem entre dois pontos na superfície pode ser descrita como a diferença de potencial na direção do fluxo de corrente. As linhas de equipotenciais (igual voltagem) intersectam as linhas de igual corrente nos ângulos retos (90°). A densidade de corrente (J) é a corrente (I) dividida pela área (A) em que a corrente está distribuída em uma semi-esfera (A=2 r 2 ), e a densidade de corrente diminui com o aumento da distância da fonte de corrente. Deste modo, é possível calcular o potencial elétrico na distância (r) de um simples ponto de injeção de corrente. Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

18 A diferença de potencial ( V) ao longo de uma estrutura semi-esférica de incremento de espessura r é dada pela Equação 01. Equação 01 Desse modo a voltagem V r em um ponto r distante do ponto de corrente é dada pela Equação 02. Equação 02 Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

19 Se um novo eletrodo de corrente é adicionado no esquema, uma nova distribuição de potencial ocorre. Nesta nova configuração, o potencial V p em algum ponto P no solo é igual à soma das voltagens dos dois eletrodos, de modo que: V p = V A + V B, sendo que V A e V B são as contribuições potenciais dos dois eletrodos, A (+I) e B (-I). Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

20 Os potenciais nos eletrodos M e N são fornecidos pelas equações 03 e 04. Equação 03 Equação 04 Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

21 Contudo, é mais fácil medir a diferença de potencial, V MN (Equação 05): Equação 05 Reescrevendo a Equação 05 para que fique em função da resistividade elétrica (Equação 06), tem-se: Equação 06 Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

22 Quando se realiza uma investigação elétrica por injeção de corrente no solo, têm-se as seguintes variáveis: a) as dimensões do material, por onde passa a corrente, varia com a localização dos pontos de injeção; e b) o meio não é homogêneo, pois engloba o solo, a rocha subjacente, a influência do nível freático e de outras rochas intercaladas. Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

23 Num meio heterogêneo, os valores de área e comprimento já não podem ser definidos a priori porque dependem da geometria, do arranjo dos eletrodos no terreno e são, portanto, substituídos na fórmula da resistividade por uma constante K, que será diferente para cada arranjo eletródico. A resistividade medida desta forma não será mais a resistividade de uma rocha ou de uma camada e sim uma resistividade média do pacote de rochas (incluindo o solo) abaixo dos pontos de medidas e, por isso, denomina-se resistividade aparente ( a ), que é uma expressão da resistividade que o meio teria se fosse homogêneo e não guarda nenhuma relação quantitativa absoluta com o valor da resistividade verdadeira. Ela reflete apenas as propriedades médias do meio pelo qual a corrente passou. Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

24 Deste modo, rearranjando a Equação 06, tem-se a Equação 07: Equação 07 sendo o fator geométrico (K) dado pela Equação 08: Equação 08 Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

25 No método da eletrorresistividade, existem várias técnicas de aquisições de dados de campo e uma grande variedade de configurações de eletrodos, o que confere ao método grande versatilidade. As técnicas mais comuns são: 1. Sondagem Elétrica Vertical (SEV); 2. Caminhamento Elétrico (CE) ou Tomografia Elétrica (TE); e 3. Perfilagem Elétrica de Poços (PEP) TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral

26 Sondagem Elétrica Vertical (SEV) - A SEV é aplicada quando se deseja uma informação pontual, com observação da variação vertical da resistividade. M1M1 N1N1 A1A1 B1B1 A2A2 B2B2 M1M1 N1N1 A3A3 B3B3 M1M1 N1N1 Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS

27 Sondagem Elétrica Vertical (SEV) - A SEV é aplicada quando se deseja uma informação pontual, com observação da variação vertical da resistividade. Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS A interpretação destas curvas é baseada em gabaritos que representam valores de resistividade padrão. A curva ao lado se refere a um modelo 1 > 2 < 3

28 Caminhamento Elétrico (CE) ou Tomografia Elétrica (TE) - Quando o interesse do estudo é investigar estruturas em 2D, ou seja, identificar variações laterais da resistividade, utiliza-se a técnica da TE, amplamente conhecida no Brasil como Caminhamento Elétrico. M1M1 N1N1 A1A1 B1B1 M2M2 N2N2 A2A2 B2B2 M3M3 N3N3 A3A3 B3B3 M4M4 N4N4 A4A4 B4B4 M5M5 N5N5 A5A5 B5B5 M6M6 N6N6 A6A6 B6B6 M7M7 N7N7 A7A7 B7B7 Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS

29 profundidade Caminhamento Elétrico (CE) ou Tomografia Elétrica (TE) - Quando o interesse do estudo é investigar estruturas em 2D, ou seja, identificar variações laterais da resistividade, utiliza-se a técnica da TE, amplamente conhecida no Brasil como Caminhamento Elétrico. Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS

30 Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral Caminhamento Elétrico (CE) ou Tomografia Elétrica (TE) - Quando o interesse do estudo é investigar estruturas em 2D, ou seja, identificar variações laterais da resistividade, utiliza-se a técnica da TE, amplamente conhecida no Brasil como Caminhamento Elétrico. TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS

31 Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral Caminhamento Elétrico (CE) ou Tomografia Elétrica (TE) - Quando o interesse do estudo é investigar estruturas em 2D, ou seja, identificar variações laterais da resistividade, utiliza-se a técnica da TE, amplamente conhecida no Brasil como Caminhamento Elétrico. TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS

32 Perfilagem Elétrica de Poços (PEP) - Já a perfilagem elétrica de poço, como o próprio nome diz, é utilizada, tradicionalmente, em investigações dentro de poços, onde há presença de fluido e necessidade de verificação da resistividade elétrica real do meio. TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral


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