DETERMINAÇÃO DA ESPESSURA DO MANTO DE INTEMPERISMO UTILIZANDO SÍSMICA DE REFRAÇÃO RASA NA ÁREA DE SEIVAL RS RESUMO

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1 DETERMINAÇÃO DA ESPESSURA DO MANTO DE INTEMPERISMO UTILIZANDO SÍSMICA DE REFRAÇÃO RASA NA ÁREA DE SEIVAL RS Luciano Barsé, Felipe Molina Sentinger, Breno Gorelik, Cláudio Luiz Simões Duarte, Paulo Salvadoretti, João Felipe Coimbra Leite Costa & Jair Carlos Koppe Departamento de Engenharia de Minas da UFRGS RS BRASIL RESUMO Este trabalho tem por objetivo principal avaliar a acuracidade do método de refração rasa na estimativa da espessura do manto de intemperismo na área de Seival-RS. O estudo foi conduzido em uma área de pesquisa de minério de carvão, onde o conhecimento das características e da espessura do solo impacta diretamente na avaliação dos custos de exploração e explotação. Para a aquisição de dados, usou-se um sismógrafo de 24 canais e geofones de refração de 10 Hz. A fonte sísmica utilizada foi uma marreta de 6 kg e a configuração de tiros/receptores foi determinada pelo método de tratamento de dados escolhido: Generalized Reciprocal Method (GRM), que se caracteriza por encontrar boas soluções mesmo em terrenos com refratores acidentados. Os perfis de velocidade, obtidos através do GRM, foram confrontados com as informações de 10 furos de sondagem existentes na área, permitindo uma avaliação da precisão do método nesta área. A sísmica de refração rasa é um método não invasivo, barato, de rápida aquisição e de baixíssimo impacto ambiental. A sua implementação, na indústria do carvão, permite otimizar os custos de exploração e explotação, quando bem executada e bem interpretada. Palavras-chave: Sísmica, refração rasa, espessura, GRM 1. INTRODUÇÃO Na fase de investigação que antecede um projeto de engenharia, é comum utilizar métodos diretos, como sondagens, para obter informações sobre o subsolo. O espaçamento entre estas sondagens, no entanto, pode chegar facilmente a centenas de metros, ou até milhares de metros, como em casos de áreas com investigação restrita por questões ambientais, dificuldades de acesso dos equipamentos de grande extenção, etc. Nesses casos, é interessante recorrer a técnicas indiretas de investigação, que permitam obter maior volume de informação, em menor tempo e com menores custos, sobre o subsolo. A geofísica é uma ciência que desenvolve técnicas de investigação indireta utilizando conceitos físicos com aplicação em geologia e geotecnia. Dentre os diversos métodos geofísicos, será utilizado, neste trabalho, o método sísmico de refração rasa para investigação da espessura do manto de intemperismo. A sísmica de refração baseia-se no fenômeno da refração que ocorre quando uma frente de onda mecânica atinge interfaces, que separam estratos com diferentes velocidades de propagação da onda, em ângulo crítico (Fig. 1). A sísmica de refração é tradicionalmente usada na engenharia para determinar a espessura do manto de intemperismo (cobertura de solo) assim como delinear interfaces mais profundas entre diferentes tipos de rochas que apresentem velocidades crescentes em profundidade.

2 Figura 1: Perfil esquemático de levantamento sísmico de refração, ilustrando a propagação da onda mecânica. O presente trabalho visa determinar, via levantamento de seções sísmicas de refração rasa, o contato do material intemperisado com a rocha sã e comparar os valores obtidos com as espessuras verificadas em furos de sondagem. Com isso, será possível estimar um erro médio para o método de refração rasa na avaliação da espessura da camada intemperisada, nesta área de interesse. 2. CARACTERIZAÇÃO DO ESTUDO A área de estudo, está situado na porção sul do estado do Rio Grande do Sul no distrito de Seival pertentente a cidade de Candiota. No local, há um depósito de carvão não explorado que se encontra em fase de pesquisa. Diversos furos de sondagem, usados em pesquisa de carvão, estão distribuídos em uma malha irregular. Para o presente estudo, foram selecionados 10 furos, conforme mapa da Figura 2. Figura 2: Localização da área sob estudo, no distrito de Seival-RS.

3 A área situa-se na porção sul da unidade geomorfológica denominada Depressão Rio Ibicuí Rio Negro, que faz parte da Região geomorfológica Depressão Central Gaúcha correspondendo a áreas assentadas em substrato geológico de rochas da Bacia do Paraná. O relevo da região é formado, em sua maioria, por elevações suaves arredondadas, denominadas de coxilhas, cujas cotas variam entre 200 e 250 m. Os furos de pesquisa selecionados para esse experimento mostram que a parte rasa do terreno consiste basicamente de duas unidades distintas, (Figura 3): (1). A camada superficial ou intemperisada do terreno é composta principalmente de argilas e areias, cuja velocidade sísmica pode chegar aos 1400 m/s. Em geral essa camada apresenta uma fina espessura de solo orgânico que poderá ser medida nos perfis sísmicos. (2). A segunda camada, corresponde a um pacote de siltitos de origem marinha, com níveis milimétricos de arenito fino intercalados pertencentes à Formação Palermo. Abaixo disso, este pacote assenta em contato brusco com as camadas de carvão do pacote pelítico superior da formação Rio Bonito. Essas estratificações podem ter velocidades sísmicas de até 3000 m/s, dependendo do estado composicional da rocha. Estimativas para as velocidades sísmicas médias são geralmente fornecidas por tabelas (Tabela I) de velocidade de propagação da onda P para diferentes tipos geológicos, e que devem ser interpretadas levando em conta o conhecimento prévio da composição de cada litologia. Furo Prof. (m) Figura 3: Descrição dos furos de sondagem selecionados na área de estudo. Tabela I Velocidade de propagação (Vp) para alguns materiais geológicos. Material Vp (m/s) Solo Areia Argila Siltitos Carvão Fonte: Redpath, B. Seismics refraction exploration for engineering site investigations SVN-011 6,60 SVN-012 8,00 SVN-017 5,00 SVN-018 9,00 SVN-022 3,00 SVN-023 9,00 SVN-024 7,00 SVN-025 5,90 SVN-026 7,30 SVN-027 7,60 3. AQUISIÇÃO DOS DADOS Para este trabalho, foi utilizado um sismógrafo de 24 canais (Seistronix TM ) e geofones verticais com freqüência natural de 10Hz.

4 O espaçamento entre os geofones neste experimento foi de 1,5 metros e o comprimento total das linhas foi de 36 metros. A fonte sísmica foi gerada pelo impacto de uma marreta de 6 kg sobre uma chapa de alumínio. Cada linha de coleta de dados sísmicos (base) foi centrado sobre um furo de sondagem, como mostrado na Figura 4. Figura 4: Foto tirada de um dos levantamentos em campo mostrando a base de concreto do furo de sondagem e detalhe da linha sísmica passando pelo furo. Cada base recebeu 7 disparos, espaçados em 9 metros, sendo 2 externos e 5 internos ao arranjo de geofones (spread). Para todas as linhas, foi feita a altimetria do terreno para serem usadas no momento da interpretação dos dados (Figura 5). Figura 5: Arranjo executado em campo para cada um dos dez furos de sondagem

5 4. PROCESSAMENTO DOS DADOS Após os levantamentos de campo, os registros foram tratados com o software Winsism (Wgeosoft TM ), utilizando o método de interpretação Generalized Reciprocal Method (GRM), descrito por Palmer (1980). A aquisição de registros com boa razão sinal/ruído permitiu a marcação das primeiras chegadas de onda (primeiras quebras) de maneira confiável, as quais serviram de entrada para o processamento de dados. Um exemplo de uma aquisição de um registro em campo é mostrada na Figura 6. Figura 6: Exemplo de uma aquisição de um registro na posição do Tiro 2 no furo SVN-025. Após a marcação das primeiras chegadas da onda em cada geofone, é montado o gráfico Travel-Time. A construção do gráfico é feita a partir de um par de valores (distância, tempo) para cada geofone. Um exemplo de marcação feitas em dois registros é mostrada na Figura 7 com a construção dada pelo tiro direto e pelo tiro reverso construída pelo eixo do tempo versus o número do geofone na linha. A mudança de inclinação vista na Figura 7, indica a mudança de camada a partir da distância crítica no 4º geofone, seguindo para uma velocidade superior no segundo meio. Essa mudança acontece quando a onda direta que está seguindo pela superfície, após o impacto da fonte, é ultrapassada pela onda que percorre a interface do segundo meio refratando-se com o ângulo crítico para a superfície. Figura 7: Exemplo do gráfico travel-time com dois tiros, direto e reverso.

6 4.1 Método Recíproco Generalizado GRM O método GRM Generalized Reciprocal Method foi desenvolvido por Palmer (1980) para superar algumas deficiências que as técnicas simples e tradicionais não conseguiam solucionar. É uma técnica que define os refratores ondulados em qualquer profundidade a partir de dados sísmica de refração que consiste nos tempo do tiro direto e reverso de trânsito. O método GRM visa identificar uma distância ideal (XY) entre os geofones, que corresponda a um mesmo ponto, em subsuperfície, de subida da frente de onda de um tiro direto e de um tiro reverso. A pricipal caracteristica em relação a outros métodos é que ele utiliza uma série de distâncias XY e escolhe o valor ótimo como critério de mínima variância (Palmer, 1980). Para o valor de XY ótimo, os raios direto e reverso são refratados a partir de pontos muito próximos em subsuperfície conforme o modelo da Figura 8. Figura 8: Ilustração de um modelo de duas camadas com um refrator irregular para o método GRM. 5. RESULTADOS Após o processamento dos registros pelo método GRM, a espessura da camada intemperisada, determinada nos perfis com base nas velocidades médias descritas na caracterização desse estudo, foi comparada com a espessura da cobertura descrita nos furos de sondagem. Os perfis mostram que, além da diferenciação esperada entre a litologia siltito/carvão e a porção intemperisada descrita nos furos de sondagem, houve também o aparecimento de uma fina camada de baixa velocidade nos primeiros metros de profundidade, caracterizada por solos menos compactos. Um exemplo completo do processamento dos registros é dado no perfil SVN-017 (Figura 9), em que mostra então a diferenciação por velocidade sísmica entre camadas de solo não compacto (porção mais azul, com velocidades entre 250 e 450 m/s), o intemperisado de siltito e areias (velocidades entre 800 e 1200 m/s) e o pacote siltito/carvão (velocidades entre 2000 e 3000 m/s). Essa descrição também pode ser vista na Tabela II, com o resumo do perfil SVN-017, que mostra as velocidades e as espessuras de cada camada comparada com a profundidade em que a sondagem atingiu o pacote de siltito/carvão. Já na Tabela III, tem-se a descrição dos primeiros metros do furo de sondagem SVN-017. Na Tabela IV está o resumo dos resultados de todos os perfis em comparação com a profundidade descrita nos furos de sondagem. Também podem ser vistos os resultados no formato de perfis na Figura 10, com a representação do furo de sondagem. Em todos os perfis processados,

7 foi desenhado no centro uma representação do furo de sondagem proporcional ao perfil, a fim de mostrar as diferenças encontradas entre a espessura processada pela sísmica e a descrita pelo geólogo. Figura 9: Resultado do perfil sísmico do furo de sondagem SVN-017 Tabela II: Sumário do perfil SVN-017. SVN Descrição Velocidade m/s Espessura Prof. Sondagem Diferença Camada 1 Solo orgânico m ** ** Camada 2 Intemperisados de siltitos e areias m ** ** Camada 3 Siltito/carvão 2200 ** 5 m 1 m Tabela III: Estratigrafia do furo de sondagem SVN-017. hole_id from (m) to (m) length (m) Estratigrafia Descrição SVN Cobertura Solo + rocha alterada SVN Carvão DD SVN siltito siltito cinza claro SVN Carvão DB SVN siltito siltito cinza claro friável (perdas) SVN Carvão DB/BD fragmentado com perdas Tabela IV: Resultados das profundidades processadas por sísmica de refração em Seival. Furo Prof. Sondagem (m) Prof. Sísmica (m) Diferença (m) Diferença % Refrator (m/s) Descr. Geológica SVN-011 6,60 7,70 1,10 16,67% 3100 siltito maciço SVN-012 8,00 3,50-4,50-56,25% 2100 siltito fragmentado SVN-017 5,00 4,00-1,00-20,00% 2200 carvão SVN-018 9,00 5,80-3,20-35,56% 2100 siltito maciço SVN-022 3,00 5,00 2,00 66,67% 2600 siltito oxidado SVN-023 9,00 8,20-0,80-8,89% 2600 siltito oxidado SVN-024 7,00 6,90-0,10-1,43% 2100 siltito oxidado SVN-025 5,90 7,70 1,80 30,51% 2400 siltito maciço SVN-026 7,30 8,00 0,70 9,59% 2000 siltito oxidado SVN-027 7,60 8,50 0,90 11,84% 2200 carvão

8 Figura 10: Perfis processados de cada furo de sondagem.

9 6. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS A partir da análise dos resultados, constatou-se que, em alguns perfis (SVN-011, SVN-017, SVN-023, SVN-024, SVN-026 e SVN-027), a espessura da camada intemperizada, interpretada pela sísmica de refração, teve diferenças menores de 20% em relação à espessura descrita no furo de sondagem. Isso faz com que nesses perfis, o método mostra grande acuracidade em determinar a espessura da cobertura. Já em outros perfis tais como, o SVN-012, SVN-018, SVN-022 e SVN- 025, a diferença entre o estimado pela sísmica e o descrito no furo de sondagem foi maior do que 30% chegando até 66% de erro como no caso do furo SVN-022. Parte da justificativa para essas diferenças pode estar no possível procedimento do sondador no momento da perfuração. Os furos de sondagem dessa área foram feitos anos antes desse estudo, sendo que a metodologia do sondador enquanto perfurava foi de destruir a parte mais intemperisada até chegar na parte mais sã da rocha para testemunhar. Como a empresa não tinha interesse em recuperar os primeiros metros de material intemperisado, não deve ter havido o cuidado registrar com acuracidade a posição desta interface, às vezes gradacional. O estudo deve ser intensificado no sentido de identificar o real motivo que levou alguns perfis a terem diferenças grandes em relação ao descrito pela sondagem. Uma das alternativas, seria utilizar uma ferramenta de perfilagem sônica para identificar as diferentes velocidades dos estratos ao longo do furo de sondagem. 7. CONCLUSÕES O propósito desse estudo foi conhecer o potencial da técnica de sísmica de refração em estimar o limite entre a cobertura intemperisada e o pacote siltito/carvão, e com isso, conhecer a acuracidade do método nesta área. A técnica é uma poderosa ferramenta que pode apresentar bons resultados em determinados locais. Sempre que possível, é desejável um estudo prévio com alguns pontos de verificação com o objetivo de se conhecer a acuracidade do método em determinada área. Para aqueles resultados que mostraram uma diferença muito grande em relação à espessura de declarada nos perfis do geólogo serão feitos novos estudos nesses furos de sondagem, afim de verificar exatamente o que pode ter havido, isto é, se houve uma imprecisão no apontamento da profundidade da camada siltito/carvão pelo sondador. 8. AGRADECIMENTOS À Copelmi Mineração Ltda. pelo apoio ao projeto, fornecendo a estrutura para que fossem levantados os dados de campo em Seival. A toda equipe técnica do Laboratório de Planejamento Mineiro LPM/UFRGS tanto na ajuda em campo como no processamento dos dados, e ao CNPQ, pelo suporte financeiro. 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Griffin, R. H. Geophysical exploration for engineering and environmental investigations. Department Of The Army - U.S. Army Corps Of Engineers Washington, DC. Chapter 3 Seismic Procedures, 27p, 1995.

10 Khalil, M.H. & Hanafy, Sh. M. Engineering application of seismic refraction method: A field example at Wadi Wardan, Northeast Gulf of Suez, Sinai, Egypt. Applied Geophysics No 65, p , Palmer, D. An introduction to the generalized reciprocal method of seismic refraction interpretation. Geophysics, Vol. 46, No 18, p , Redpath, B. Seismics refraction exploration for engineering site investigations. Livermore, California, 43p, 1973.