Geofísica Geral Eletrorresistividade – Fundamentos Prof. Marcelo Rocha Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral Geofísica Geral Eletrorresistividade – Fundamentos (Baseado nas aulas do Prof. Welitom Borges) Prof. Marcelo Rocha marcelorocha @ unb.br blog: my.opera.com/marcelorocha Brasília/DF – 1° Semestre/2011
Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral HISTÓRIA 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. http://media-2.web.britannica.com/eb-media/27/8427-004-1D9C6161.jpg Benjamin Franklin WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral HISTÓRIA 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 http://www.annales.org/archives/images/conrad1912.jpg WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS 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. http://i135.photobucket.com/albums/q145/Keile1111/electricstorm.jpg WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS 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. http://www.cartoonstock.com/lowres/amc0313l.jpg WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS 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). http://www.cartoonstock.com/lowres/amc0313l.jpg WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
A corrente elétrica pode ser propagada no meio de três modos: 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: Eletrônica Eletrolítica ou Iônica Dielétrica WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS 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: 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. http://z.about.com/d/chemistry/1/0/j/c/copper.jpg WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS 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: 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). WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS 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: 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). WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS 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: Porosidade: forma e tamanho dos poros, número, tamanho e forma das passagens de interconexão. WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS 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: Quantidade de poros preenchidos por água, isto é, quantidade de água. WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
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: SALINIDADE Concentração de Sólidos Totais Dissolvidos – STD, na água: influencia nas características elétricas do meio, tornando-o mais ou menos condutivo. CONDUTIVIDADE WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS 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: Temperatura e estado físico da água nos poros. WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
PROPRIEDADES ELÉTRICAS DOS MATERIAIS 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: 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] WARD, S.H. 1980. Electrical, electromagnetic, and magnetotelluric methods. Geophysics, 45(11):1659 – 1666.pp.
DV = Vb – Va Δ V R = I FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A Vb Va I V Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 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. V A I Va Vb DV = Vb – Va Δ V R = I
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 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=2r2), 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.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 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 Vr em um ponto r distante do ponto de corrente é dada pela Equação 02. Equação 02
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Se um novo eletrodo de corrente é adicionado no esquema, uma nova distribuição de potencial ocorre. Nesta nova configuração, o potencial Vp em algum ponto P no solo é igual à soma das voltagens dos dois eletrodos, de modo que: Vp = VA + VB, sendo que VA e VB são as contribuições potenciais dos dois eletrodos, A (+I) e B (-I).
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Os potenciais nos eletrodos M e N são fornecidos pelas equações 03 e 04. Equação 03 Equação 04
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Contudo, é mais fácil medir a diferença de potencial, VMN (Equação 05): Equação 05 Reescrevendo a Equação 05 para que fique em função da resistividade elétrica (Equação 06), tem-se: Equação 06
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 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.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 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.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Deste modo, rearranjando a Equação 06, tem-se a Equação 07: Equação 07 sendo o fator geométrico (K) dado pela Equação 08: Equação 08
TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS 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 TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS Sondagem Elétrica Vertical (SEV) - A SEV é aplicada quando se deseja uma informação pontual, com observação da variação vertical da resistividade. A3 B3 M1 N1 A2 B2 M1 N1 M1 N1 A1 B1
TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS Sondagem Elétrica Vertical (SEV) - A SEV é aplicada quando se deseja uma informação pontual, com observação da variação vertical da resistividade. 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
TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS 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. M1 N1 A1 B1 M2 N2 A2 B2 M3 N3 A3 B3 M4 N4 A4 B4 M5 N5 A5 B5 M6 N6 A6 B6 M7 N7 A7 B7
TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS 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. profundidade
TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS 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 Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS 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 Universidade de Brasília – Instituto de Geociências Curso de Graduação em Geologia Geofísica Geral TÉCNICAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS 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.