Métodos Elétricos (ou Geoelétricos) Geofísica Métodos Elétricos (ou Geoelétricos) Prof. Henrique César (DGAE) henriquecsilva@ige.unicamp.br 1a Parte

Materiais para estudo Apostila do Colorado School of Mines (PDF ou online) Apostila da Unesp de Rio Claro (Prof. Antonio Celso O. Braga) Apostila do Berkeley Course (PDF ou online) Materiais extras (slide-show, applets) Livros: Telford, Mares, Parasnis Artigos

Métodos Geoelétricos Eletrorresistividade (DC) Polarização induzida (IP) Potencial espontâneo (SP) Eletromagnético (EM) Radar de penetração (GPR) Magnetotelúrico Resistividade elétrica Variação de V em função de t Potencial natural Condutividade Constante dielétrica/permissividade

Aplicações (artigos publicados no Brasil) Geologia básica Hidrogeologia Geotecnia Geologia ambiental

Vantagens Baixo custo

Conceitos físicos fundamentais Resistência (R) Resistividade (ρ) Lei de Ohm (V = R x I) Potencial elétrico (P) Condutividade (σ) Constante dielétrica (ε)

Conceitos físicos básicos

Método do Potencial Espontâneo (SP) Em algumas situações, é possível medir diferenças de potenciais entre dois eletrodos introduzidos no terreno, entre alguns milivolts até dezenas de milivolts Esta anomalia é geralmente devida à presença de condutores (sulfetos maciços) no caso de prospecção mineral. Nos casos de engenharia e ambiental – estudo do movimento de águas em subsuperfície

Conceitos físicos básicos

Base teórica formal

Base teórica formal

Base teórica formal

Resistivity (Ohm.meter) Material Resistivity (Ohm.meter) Air ~ ° Pyrite 2.9 x 10^-5 - 1.5 Galena 3 x 10^-5 - 3 x 10^2 Sphalerite 1.5 - 1 x 10^7 Quartz 4 x 10^10 - 2 x 10^14 Calcite 2 x 10^12 Rock Salt 30 - 1 x 10^13 Mica 9 x 10^12 - 1 x 10^14 Ground Water 0.5 - 300 Sea Water 0.2 Diabase 20 - 5 x 10^7 Limestones 50 - 1 x 10^7 Sandstones 1 - 6.4 x 10^8 Shales 20 - 2 x 10^3 Gabbro 1 x 10^3 - 1 x 10^6 Basalt 10 - 1.3 x 10^7 Dolomite 3.5 x 10^2 - 5 x 10^3

Resistividade de alguns metais

Resistividade de rochas e solos Campos, 2004.

Questões: Se a maioria dos minerais e rochas possui resistividade tão alta, como se pode utilizar métodos elétricos, ou seja, baseados em corrente elétrica? O que pode influenciar os valores de resistividade nas rochas e solos?

Influências na resistividade Porosidade Fraturamento Presença de água Presença de minerais condutivos (>10%) Vide detalhes na Apostila de Berkeley: http://appliedgeophysics.berkeley.edu:7057/dc/index.html

Trabalho de Campo Fonte: http://www.eeescience.utoledo.edu/research/geophysics/dsweb27.htm

Técnicas de Campo Sondagem vertical (SEV) Caminhamento elétrico (CE) centro de arranjo dos eletrodos permanece fixo Informação pontual com variação da profundidade (vertical) Caminhamento elétrico (CE) centro de arranjo se desloca na superfície do terreno ao longo do ensaio Estudo da variação lateral (horizontal) da resistividade a uma determinada profundidade Perfilagem Elétrica (PERF)

Método da Eletroresistividade

Método da Eletrorresistividade Fonte: http://www.iag.usp.br/siae98/geofisica/geofmetodos.htm

Sondagem Elétrica Vertical Arranjo Schlumberger Superior em praticidade e qualidade dos resultados bastante utilizado no Brasil mais prático no campo – deslocamento de apenas dois eletrodos menos interferência de ruídos Arranjo Wenner

Conceitos físicos básicos Com valores de V e I pode-se medir a resistência elétrica mas... A resistência depende das dimensões do objeto condutor (área e comprimento) Precisamos de uma grandeza que não dependa disso = resistividade

Resistividade A resistividade vai depender: da natureza e do estado físico do material

Resistividade Fatores que influenciam na resistividade dos materiais litológicos: resistividade do minerais que formam a parte sólida da rocha; resistividade do líquidos e gases que preenchem seus poros; umidade da rocha; porosidade da rocha; textura e forma de distribuição de seus poros; processos que ocorrem no contato dos líquidos com a estrutura mineral (adsorção de íons)

Mantendo-se a corrente constante, a resistência aumenta conforme aumenta o caminho percorrido pela corrente e a voltagem cresce

Voltímetro deve ter alta impedância, para passar pouca corrente. O que acontece se medir a tensão V com condutores muito próximos? Por que não posso acoplar o voltímetro no mesmo circuito dos terminais de corrente? Voltímetro deve ter alta impedância, para passar pouca corrente.

Dedução: vide apostila de Braga (Unesp) – p. 10

Notem que temos que ter, neste caso, quatro condutores ou ELETRODOS, fincados no solo: Dois ELETRODOS de corrente (A e B) e Dois ELETRODOS de tensão (M e N)

Eletrodos de corrente

Voltagem entre os eletrodos de potencial é pequena. Poderia ser aumentada se eles se afastassem mas... Os eletrodos de potencial não podem ficar muito próximos dos eletrodos de corrente, para minimizar os RUÍDOS.

Resistividade aparente UNIDEDADE: ohm.m Dedução: vide apostila de Braga (Unesp) – p. 12 e 13

Resistividade aparente Por que RESISTIVIDADE APARENTE?

Ruídos Polarização dos eletrodos Presença de condutores Baixa resistência da superfície Geologia e topologia nas proximidades dos eletrodos Corrente induzida nos cabos de medição

Arranjo Wenner

Arranjo de Schlumberger

Comparação entre os métodos Ver p. 22 do Braga (Unesp)

SEV – Arranjos de campo (Schlumberger) Identificar o local exato de centro da sondagem (estaca com o n. da sondagem) Vai-se então variando as distâncias do eletrodos de corrente (resistividade x profundidade) Gráficos bi-log

SEV – Arranjo de campo Mostrar slide-show

Operação “embreagem” Os valores de ΔV diminuem rapidamente com o aumento de AB Para isso aumenta-se o valor de ΔV aumentando-se a separação MN, mantendo-se fixo o espaçamento Passa-se à próxima posição AB e realiza-se novamente as medidas com as mesmas posições MN anteriores Vide apostila Braga (Unesp) p. 77

Curva típica de dados obtidos Vide apostila de Braga (Unesp) p. 26

Processo de interpretação Distribuição espacial dos parâmetros físicos no subsolo (método do ajuste de curvas) – softwares Buscar o significado geológico de tais parâmetros – envolvendo muita experiência do intérprete Correlações por estratificação Levar em consideração morfologia e geologia da área (vide p. 27 – Braga-Unesp)

Processo de interpretação Coluna geoelétrica (ver apostila em espanhol-SEV) Seção geoelétrica Níveis geoelétricos + geologia da área = estratos geoelétricos Não há correspondência exata entre tipos litológicos e estratos geoelétricos

Processo de interpretação Análise morfológica Definição qualitativa do modelo geoelétrico da área estudada Deve ser feita de maneira visual com todas as SEV’s em conjunto Modelo geoelétrico final Entendimento da geologia local em termos estratigráficos Necessidade de outros dados

Exemplos de aplicação (artigos brasileiros) Gallas, J. D. F.; Taioli, F.; Malagutti Filho, W.; Prado, R. L. & Dourado, J. C. Métodos e técnicas geoelétricas rasas na delimitação de área afetada por ruptura em teto de túnel urbano. Rev. Bras. Geof., Vol. 19(1), 2001. Khesin, B. Use of geophysical methods for the solution of environmental problems in Israel. Hait J. of Sci. and Engineering B, vol. 2, Issues 1-2, pp. 95-124, 2005. Porsani, J. L.; Hiodo, F. Y. & Elis, V. R. Investigações geofísicas em rochas graníticas no município de Itu, São Paulo – Brasil. Revista Brasileira de Geofísica, Vol. 20 (1), 2002.

Gallas et al., 2001 Este trabalho apresenta um uso da geofísica aplicada em uma situação de ambiente urbano. O objetivo dos levantamentos foi o de delimitar a extensão da zona afetada por um colapso e desmoronamento do teto de um túnel em construção sob o Parque do Ibirapuera na capital paulista. São descritos e apresentados os resultados obtidos através do emprego dos métodos geofísicos geoelétricos e suas técnicas, em uma situação emergencial e de risco em uma área urbana na cidade de São Paulo. Também são comparadas as técnicas/arranjos de campo e a forma de apresentação e interpretação dos mesmos.

Gallas et al., 2001 Os métodos empregados foram a Eletrorresistividade, Polarização Induzida (IP) e Potencial Espontâneo (SP). Os trabalhos de campo e interpretação preliminar foram efetuados em apenas um fim de semana (sábado e domingo). Os resultados mostraram-se plenamente satisfatórios e possibilitaram significativa redução nos custos nas obras de remediação da área do incidente, cuja área decresceu da inicialmente estimada pela engenharia (20x20 m) para 3x5 m definida pelos estudos geofísicos.

Gallas et al., 2001 Técnica do CE (caminhamento elétrico) – arranjos Dipolo-Dipolo e Gradiente – verificar extensão. “O levantamento SP mostrou boa definição no sentido de mapear a porção do terreno afetada nos parâmetros porosidades/permeabilidades. A Polarização Induzida indicou que as porções do terreno afetadas pelo colapso apresentam valores de cargabilidade aparentes mais elevados. As medidas de resistividade indicaram e mapearam o local do colapso e as imediações atingidas pelo mesmo, através de valores mais baixos de resistividade aparente.” (p. 42)

Porsani et al., 2002 Investigações geofísicas foram realizadas sobre a Suíte Granítica de Itu, localizada próxima à cidade de Itu, Estado de São Paulo-Brasil, com o objetivo de localizar zonas de fraturas nas rochas graníticas e determinar o topo da rocha sã, através da integração dos métodos GPR-Ground Penetrating Radar e Resistividade Elétrica. Os perfis geofísicos foram realizados sobre uma mesma linha para estudos comparativos entre estas duas metodologias, com a filosofia de interpretação integrada. Um perfil GPR de 80m foi adquirido com as antenas de 50, 100 e 200 MHz, além de dois perfis de caminhamento elétrico com dipolos de 2 e 10m.

Porsani et al., 2002 As análises dos perfis geofísicos permitiram identificar dois fortes refletores inclinados: um em torno de 10m de profundidade, interpretado como fraturas preenchidas com água e o outro entre 12 e 17m de profundidade, que corresponde a uma região resistiva mergulhando depois 15m de profundidade, interpretada como o topo da rocha granítica sã. Além disso, duas regiões anômalas foram identificadas: uma em torno de 50m e a outra em torno de 80m. Nos perfis GPR, essas regiões são caracterizadas por uma região sem refletores, devido à elevada atenuação das ondas eletromagnéticas. Nos perfis elétricos, essas regiões correspondem às regiões condutivas que podem estar relacionadas com a presença de uma fratura subvertical.

SEV – Programação Quais são os objetivos propostos do trabalho (tipos geológicos a serem estudados, profundidade a ser atingida etc.) Especificar quais as formações e estruturas geológica a serem investigadas Vista prévia ao local

SEV – Programação Dispor previamente de dados sobre o local: Mapas topográficos, mapas e seções geológicas, informações da sub-superfície, Infra-estrutura local (instalações, rede elétrica, rios etc. Topografia local Inclinações muito acentuadas Pequenas depressões

SEV – Programação Densidade dos ensaios Distância máxima entre as separações seja igual a duas vezes a profundidade desejada Escolha do local do centro da SEV Direção das linhas AMNB – paralelas à estrutura geológica, menos variações topográficas

SEV – Programação Cravação dos eletrodos Problema: resistência de contatos elevadas; polarização nos M e N Medidas práticas (para eletrodos A e B): Aprofundar os eletrodos no solo Saturar o local com água salgada Vide apostila de Braga (Unesp) p. 72-73