GeofísicaGeofísica

Métodos Elétricos Métodos Elétricos (ou Geoelétricos)(ou Geoelétricos)Prof. Henrique César (DGAE)Prof. Henrique César (DGAE)

henriquecsilva@ige.unicamp.henriquecsilva@ige.unicamp.brbr

1a Parte

Materiais para estudoMateriais para estudo

Apostila do Colorado School of Mines Apostila do Colorado School of Mines (PDF ou online)(PDF ou online)

Apostila da Unesp de Rio Claro (Prof. Apostila da Unesp de Rio Claro (Prof. Antonio Celso O. Braga)Antonio Celso O. Braga)

Apostila do Berkeley Course (PDF ou Apostila do Berkeley Course (PDF ou online)online)

Materiais extras (slide-show, Materiais extras (slide-show, applets)applets)

Livros: Telford, Mares, ParasnisLivros: Telford, Mares, Parasnis ArtigosArtigos

Métodos GeoelétricosMétodos Geoelétricos

Eletrorresistividade (DC)

Polarização induzida (IP)

Potencial espontâneo (SP)

Eletromagnético (EM)

Radar de penetração (GPR)

Magnetotelúrico

Resistividade elétricaResistividade elétrica

Variação de V em Variação de V em função de tfunção de t

Potencial naturalPotencial natural

CondutividadeCondutividade

Constante Constante dielétrica/permissividdielétrica/permissividadeade

Aplicações Aplicações (artigos publicados no Brasil)(artigos publicados no Brasil)

Geologia básicaGeologia básica

HidrogeologiaHidrogeologia

GeotecniaGeotecnia

Geologia ambientalGeologia ambiental

VantagensVantagens

Baixo custoBaixo custo

Conceitos físicos Conceitos físicos fundamentaisfundamentais Resistência (R)Resistência (R)

Resistividade (Resistividade (ρρ))

Lei de Ohm (V = R x I)Lei de Ohm (V = R x I)

Potencial elétrico (P)Potencial elétrico (P)

Condutividade (Condutividade (σσ))

Constante dielétrica (Constante dielétrica (εε))

Conceitos físicos Conceitos físicos básicosbásicos

Método do Potencial Método do Potencial Espontâneo (SP)Espontâneo (SP) Em algumas situações, é possível medir Em algumas situações, é possível medir

diferenças de potenciais entre dois diferenças de potenciais entre dois eletrodos introduzidos no terreno, entre eletrodos introduzidos no terreno, entre alguns milivolts até dezenas de milivoltsalguns milivolts até dezenas de milivolts

Esta anomalia é geralmente devida à Esta anomalia é geralmente devida à presença de condutores (sulfetos presença de condutores (sulfetos maciços) no caso de prospecção mineral.maciços) no caso de prospecção mineral.

Nos casos de engenharia e ambiental – Nos casos de engenharia e ambiental – estudo do movimento de águas em estudo do movimento de águas em subsuperfíciesubsuperfície

Conceitos físicos Conceitos físicos básicosbásicos

Base teórica formalBase teórica formal

Base teórica formalBase teórica formal

Base teórica formalBase teórica formal

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 Resistividade de alguns metaisalguns metais

Resistividade de rochas e Resistividade de rochas e solossolos

Campos, 2004.

Questões:Questões:

Se a maioria dos minerais e rochas Se a maioria dos minerais e rochas possui resistividade tão alta, como possui resistividade tão alta, como se pode utilizar métodos elétricos, se pode utilizar métodos elétricos, ou seja, baseados em corrente ou seja, baseados em corrente elétrica?elétrica?

O que pode influenciar os valores O que pode influenciar os valores de resistividade nas rochas e solos?de resistividade nas rochas e solos?

Influências na Influências na resistividaderesistividade

PorosidadePorosidade

FraturamentoFraturamento

Presença de águaPresença de água

Presença de minerais condutivos Presença de minerais condutivos (>10%)(>10%)

Vide detalhes na Apostila de Berkeley: http://appliedgeophysics.berkeley.edu:7057/dc/index.html

Trabalho de CampoTrabalho de Campo

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

Técnicas de CampoTécnicas de Campo

Sondagem vertical (SEV)Sondagem vertical (SEV)– centro de arranjo dos eletrodos permanece fixocentro de arranjo dos eletrodos permanece fixo– Informação pontual com variação da profundidade Informação pontual com variação da profundidade

(vertical)(vertical)

Caminhamento elétrico (CE)Caminhamento elétrico (CE)– centro de arranjo se desloca na superfície do centro de arranjo se desloca na superfície do

terreno ao longo do ensaioterreno ao longo do ensaio– Estudo da variação lateral (horizontal) da Estudo da variação lateral (horizontal) da

resistividade a uma determinada profundidaderesistividade a uma determinada profundidade

Perfilagem Elétrica (PERF)Perfilagem Elétrica (PERF)

Método da Método da EletroresistividadeEletroresistividade

http://www.bgr.bund.de/cln_030/nn_461220/EN/Themen/GG__Geophysik/Methoden/Geoelektrik/geoelektrik__bild2__en.htm l

Método da EletrorresistividadeMétodo da Eletrorresistividade

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

Sondagem Elétrica Sondagem Elétrica VerticalVertical Arranjo SchlumbergerArranjo Schlumberger

– Superior em praticidade e qualidade Superior em praticidade e qualidade dos resultadosdos resultados

– bastante utilizado no Brasilbastante utilizado no Brasil– mais prático no campo – deslocamento mais prático no campo – deslocamento

de apenas dois eletrodosde apenas dois eletrodos– menos interferência de ruídosmenos interferência de ruídos

Arranjo WennerArranjo Wenner

Conceitos físicos Conceitos físicos básicosbásicos Com valores de V e I pode-se Com valores de V e I pode-se

medir a resistência elétrica mas...medir a resistência elétrica mas... A resistência depende das A resistência depende das

dimensões do objeto condutor dimensões do objeto condutor (área e comprimento)(área e comprimento)

Precisamos de uma grandeza que Precisamos de uma grandeza que não dependa disso = não dependa disso = resistividaderesistividade

ResistividadeResistividade

A resistividade vai depender:A resistividade vai depender:

– da natureza e do estado físico do da natureza e do estado físico do materialmaterial

ResistividadeResistividade

Fatores que influenciam na resistividade Fatores que influenciam na resistividade dos materiais litológicos:dos materiais litológicos:– resistividade do minerais que formam a resistividade do minerais que formam a

parte sólida da rocha;parte sólida da rocha;– resistividade do líquidos e gases que resistividade do líquidos e gases que

preenchem seus poros;preenchem seus poros;– umidade da rocha;umidade da rocha;– porosidade da rocha;porosidade da rocha;– textura e forma de distribuição de seus textura e forma de distribuição de seus

poros;poros;– processos que ocorrem no contato dos processos que ocorrem no contato dos

líquidos com a estrutura mineral (adsorção líquidos com a estrutura mineral (adsorção de íons)de íons)

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

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 correnteEletrodos 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 aparenteResistividade aparente

Dedução: vide apostila de Braga (Unesp) – p. 12 e 13

UNIDEDADE: ohm.m

Resistividade aparenteResistividade aparente

Por que RESISTIVIDADE APARENTE?

RuídosRuídos

Polarização dos eletrodosPolarização dos eletrodos Presença de condutoresPresença de condutores Baixa resistência da superfícieBaixa resistência da superfície Geologia e topologia nas Geologia e topologia nas

proximidades dos eletrodosproximidades dos eletrodos Corrente induzida nos cabos de Corrente induzida nos cabos de

mediçãomedição

Arranjo WennerArranjo Wenner

Arranjo de Arranjo de SchlumbergerSchlumberger

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

SEV – Arranjos de SEV – Arranjos de campo (Schlumberger)campo (Schlumberger) Identificar o local exato de centro Identificar o local exato de centro

da sondagem (estaca com o n. da da sondagem (estaca com o n. da sondagem)sondagem)

Vai-se então variando as Vai-se então variando as distâncias do eletrodos de distâncias do eletrodos de corrente (resistividade x corrente (resistividade x profundidade)profundidade)

Gráficos bi-logGráficos bi-log

SEV – Arranjo de SEV – Arranjo de campocampo Mostrar slide-showMostrar slide-show

Operação Operação “embreagem”“embreagem” Os valores de Os valores de ΔΔV diminuem V diminuem

rapidamente com o aumento de ABrapidamente com o aumento de AB Para isso aumenta-se o valor de Para isso aumenta-se o valor de ΔΔV V

aumentando-se a separação MN, aumentando-se a separação MN, mantendo-se fixo o espaçamento mantendo-se fixo o espaçamento

Passa-se à próxima posição AB e Passa-se à próxima posição AB e realiza-se novamente as medidas com realiza-se novamente as medidas com as mesmas posições MN anterioresas mesmas posições MN anteriores

Vide apostila Braga (Unesp) p. 77

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

2626

Processo de Processo de interpretaçãointerpretação Distribuição espacial dos parâmetros Distribuição espacial dos parâmetros

físicos no subsolo (método do ajuste físicos no subsolo (método do ajuste de curvas) – softwaresde curvas) – softwares

Buscar o significado geológico de tais Buscar o significado geológico de tais parâmetros – envolvendo muita parâmetros – envolvendo muita experiência do intérpreteexperiência do intérprete

Correlações por estratificaçãoCorrelações por estratificação Levar em consideração morfologia e Levar em consideração morfologia e

geologia da área (vide p. 27 – Braga-geologia da área (vide p. 27 – Braga-Unesp)Unesp)

Processo de Processo de interpretaçãointerpretação Coluna geoelétrica Coluna geoelétrica (ver apostila em espanhol-(ver apostila em espanhol-

SEV)SEV)

Seção geoelétricaSeção geoelétrica Níveis geoelétricos + geologia da Níveis geoelétricos + geologia da

área = estratos geoelétricosárea = estratos geoelétricos Não há correspondência exata Não há correspondência exata

entre tipos litológicos e estratos entre tipos litológicos e estratos geoelétricosgeoelétricos

Processo de Processo de interpretaçãointerpretação Análise morfológicaAnálise morfológica

– Definição qualitativa do modelo Definição qualitativa do modelo geoelétrico da área estudadageoelétrico da área estudada

– Deve ser feita de maneira visual Deve ser feita de maneira visual com todas as SEV’s em conjuntocom todas as SEV’s em conjunto

Modelo geoelétrico finalModelo geoelétrico final– Entendimento da geologia local em Entendimento da geologia local em

termos estratigráficostermos estratigráficos– Necessidade de outros dadosNecessidade de outros dados

Exemplos de aplicação Exemplos de aplicação (artigos (artigos brasileiros)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., 2001Gallas et al., 2001

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

Gallas et al., 2001Gallas et al., 2001

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

Gallas et al., 2001Gallas et al., 2001 Técnica do CE (caminhamento elétrico) – Técnica do CE (caminhamento elétrico) –

arranjos Dipolo-Dipolo e Gradiente – arranjos Dipolo-Dipolo e Gradiente – verificar extensão.verificar extensão.

““O levantamento SP mostrou boa definição O levantamento SP mostrou boa definição no sentido de mapear a porção do terreno no sentido de mapear a porção do terreno afetada nos parâmetros afetada nos parâmetros porosidades/permeabilidades. A porosidades/permeabilidades. A Polarização Induzida indicou que as Polarização Induzida indicou que as porções do terreno afetadas pelo colapso porções do terreno afetadas pelo colapso apresentam valores de cargabilidade apresentam valores de cargabilidade aparentes mais elevados. As medidas de aparentes mais elevados. As medidas de resistividade indicaram e mapearam o resistividade indicaram e mapearam o local do colapso e as imediações atingidas local do colapso e as imediações atingidas pelo mesmo, através de valores mais pelo mesmo, através de valores mais baixos de resistividade aparente.” (p. 42)baixos de resistividade aparente.” (p. 42)

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

Porsani et al., 2002Porsani et al., 2002

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

a presença de uma fratura subvertical.a presença de uma fratura subvertical.

Porsani et al., 2002Porsani et al., 2002

SEV – ProgramaçãoSEV – Programação

Quais são os objetivos propostos Quais são os objetivos propostos do trabalho (tipos geológicos a do trabalho (tipos geológicos a serem estudados, profundidade a serem estudados, profundidade a ser atingida etc.)ser atingida etc.)

Especificar quais as formações e Especificar quais as formações e estruturas geológica a serem estruturas geológica a serem investigadasinvestigadas

Vista prévia ao localVista prévia ao local

SEV – ProgramaçãoSEV – Programação

Dispor previamente de dados sobre o Dispor previamente de dados sobre o local:local:– Mapas topográficos, Mapas topográficos, – mapas e seções geológicas, mapas e seções geológicas, – informações da sub-superfície,informações da sub-superfície,– Infra-estrutura local (instalações, rede Infra-estrutura local (instalações, rede

elétrica, rios etc.elétrica, rios etc. Topografia localTopografia local

– Inclinações muito acentuadasInclinações muito acentuadas– Pequenas depressões Pequenas depressões

SEV – ProgramaçãoSEV – Programação

Densidade dos ensaiosDensidade dos ensaios– Distância máxima entre as Distância máxima entre as

separações seja igual a duas vezes a separações seja igual a duas vezes a profundidade desejadaprofundidade desejada

Escolha do local do centro da SEVEscolha do local do centro da SEV Direção das linhas AMNB – Direção das linhas AMNB –

paralelas à estrutura geológica, paralelas à estrutura geológica, menos variações topográficasmenos variações topográficas

SEV – ProgramaçãoSEV – Programação

Cravação dos eletrodosCravação dos eletrodos– Problema: resistência de contatos Problema: resistência de contatos

elevadas; polarização nos M e Nelevadas; polarização nos M e N– Medidas práticas (para eletrodos A e Medidas práticas (para eletrodos A e

B):B): Aprofundar os eletrodos no soloAprofundar os eletrodos no solo Saturar o local com água salgadaSaturar o local com água salgada

Vide apostila de Braga (Unesp) p. 72-73