Polarização induzida. Mecanismo da Polarização Induzida

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1 Polarização induzida Usando um método standard de quatro eléctrodos (dois para a injecção de corrente e dois para medir a tensão) em corrente contínua e se desligar-mos a corrente, o potencial entre os eléctrodos de potencial não se anula instantaneamente. O que se verifica é que após um decréscimo inicial elevado a voltagem decai gradualmente para zero. Figura 1 Um fenómeno semelhante ocorre quando se liga a corrente. Primeiro a tensão aumenta subitamente e depois mais devagar. Quer isto dizer que o solo actua como um condensador que armazena carga eléctrica, ou seja, fica polarizado electricamente. Mecanismo da Polarização Induzida Experiências laboratoriais indicam que a energia eléctrica é armazenada nas rochas sobretudo por processos electroquímicos. Isto acontece por dois modos: A passagem de corrente através das rochas (devido a uma diferença de potencial a elas aplicada) ocorre sobretudo por fluxos electrolíticos através dos poros cheios de fluído. A maioria dos minerais das rochas têm uma resultante de cargas negativas na sua interface com o fluído dos poros e atraem iões positivos a essa interface (fig. a). Figura 2 Universidade do Algarve 1

2 A concentração de iões positivos estende-se a uma distância de cerca de 100 μm no poro e, se essa distância for da mesma ordem do diâmetro do estrangulamento do poro, a movimentação dos iões no fluído resultante da diferença de potencial é inibida. Os iões positivos e negativos acumulam-se em ambos os lados do estrangulamento e, com a remoção da ΔV, regressam às suas posições originais ao fim de um período de tempo finito, provocando assim um decréscimo gradual da voltagem. Este efeito, designado por polarização de membrana é mais acentuado na presença de minerais de argila (fig??), caso em que os poros são particularmente pequenos, mas o seu efeito decresce com o aumento da salinidade do fluído nos poros. Figura 3 Ilustração do efeito de polarização de membrana. (a) antes da aplicação do campo. (b) depois de aplicar o campo. Quando existem minerais metálicos nas rochas estabelece-se um caminho electrónico, por onde a corrente pode fluir (fig. b). Quando uma diferença de potencial é aplicada, cargas positivas e negativas são impressas (induzidas) nos lados opostos do grão. Em consequência disso, acumulam-se iões positivos e negativos em ambos os lados do grão, que tentam tanto libertar como capturar electrões conduzidos através do grão. Quando a ΔV exterior é removida os iões difundem-se lentamente para as suas posições originais, provocando um decaimento da voltagem. Este efeito é designado por polarização metálica ou de eléctrodo. A magnitude deste efeito depende da intensidade da ΔV e da concentração de minerais metálicos. Este efeito diminui com o aumento da porosidade, já que neste caso há mais caminhos alternativos para a condução iónica (que é mais eficiente). As medições de I.P no domínio temporal envolvem a medição do decréscimo da voltagem após a corrente ter sido desligada. O parâmetro mais usado é a cargabilidade M, definida como a área A abaixo da curva de decaimento, estendida a um certo intervalo de tempo Δt, normalizada pela ΔV c contínua (porque o M depende da ΔV inicial). 2 A 1 t M = = Δ Δ v( t) dt Vc Vc t1 A cargabilidade M, é medida num dado intervalo de tempo pouco depois de a corrente ter sido desligada. A área A é medida pelo aparelho. Quando se planeia um levantamento de I.P. é importante saber que a voltagem de decaimento normalmente só atinge 1-2% da voltagem primária. Como em muitas áreas, o ruído telúrico e/ou industrial é elevado, a corrente primária deve ser aumentada de modo a manter a voltagem transiente acima de 1 mv. Universidade do Algarve 2

3 Para aplicações ambientais é importante que as águas salinas dificultem a polarização induzida, já que a sua alta condutividade não permite a acumulação de iões. Este efeito permite a discriminação entre a água subterrânea salina e argilas com a mesma resistividade. O sinal I.P. desaparece quando entramos nas águas salinas, mas pode aumentar, ou permanecer constante, quando se vai para as argilas. As aplicações ambientais da I.P. são a determinação dos limites dos lixos perigosos e o solo não contaminado; a localização de depósitos especiais de materiais com grande M no meio do lixo; e a determinação de plumas salinas em rochas com muitas argilas. Os dispositivos usados para fazer levantamentos de I.P. são os mesmos dos métodos de corrente contínua, mas o mais usado é dipólo-dipólo. No entanto, tecnicamente este método é muito mais complicado que as medições com corrente contínua e só deve ser usado quando se suspeita a presença de materiais polarizáveis (metálicos) que muitas vezes se encontram nas lixeiras. A pseudo-secção (dipólo-dipólo) da M na figura 3.21 (E.G. pág. 77), mostra um padrão que é completamente diferente do da pseudo-secção da resistividade. Os valores muito elevados de M dos resíduos galvânicos correspondem apenas a um ligeiro aumento da ρ a de 25 a 50 Ωm. Neste, tal como noutros casos, só os métodos de I.P. são capazes de fornecer informação acerca de depósitos de materiais especiais numa lixeira. Figura 4 Pseudo-secção de IP sob uma lixeira de resíduos tóxicos. Os contornos de resistividade sobre uma lixeira (fig do E.G. já apresentada), mostram só um máximo. O mapa da I.P. da mesma lixeira (fig do E.G. na página 78) apresenta dois máximos. A pseudo-secção da figura 3.23 atravessa o máximo a sul. Universidade do Algarve 3

4 Figura 5 Contornos da cargabilidade sob uma lixeira Figura 6 Pseudo-secção de IP da lixeira da figura anterior. As cargabilidades mais elevadasmostram um maior detalhe sobre o material depositado que as baixas resistividades. Universidade do Algarve 4

5 As diferenças entre ρ a e a M, quer em localização quer em valor, mostram que as anomalias de I.P. devem ser originadas por outras fontes que as das anomalias de resistividade. Não se sabe que tipo de material no lixo provocou as fontes de M. Para responder a esta questão é preciso determinar as cargabilidades e as resistividades aparentes dos diferentes tipos de lixo em laboratório e compará-las com medições no campo onde se reconhecem as composições dos depósitos. Figura 7 Carta de contornos de IP (η(%)) e extensão da pluma contaminante. O ponto A é fonte da contaminação. Universidade do Algarve 5

6 A fig 1 (pag. 99 vol.2 ) e tabela mostra o caso de uma lixeira da Bohémia que largava contaminantes de metais pesados (chumbo, crómio, cádmio e níquel). A contaminação foi descoberta depois de se alargar a estrada para fazer uma auto-estrada. Foram feitas medições em laboratório em materiais do tipo dos da lixeira tabela. Estas medições indicam que tanto a resistividade como a polarizabilidade (η= ΔV IP /ΔV * 100%) eram mais elevadas que o material do sub-estrato. No entanto as medições de campo da resistividade não revelaram anomalias (provavelmente as condições do laboratório não reproduziram as do terreno, possivelmente por diferenças do grau da saturação de água) e porque eles ainda não estariam oxidados, como será o caso dos da lixeira. No entanto, os metais pesados, com boa conductividade electrónica, disseminaram-se no resto do material provocando um boa anomalia de η. A fig. 1, diz respeito à zona de contaminação da lixeira. Considerou-se que η< 0.75 significava uma não contaminação. O grande interesse deste caso é ele ter sido feito acompanhado de medições em laboratório, indicando a boa aplicabilidade do métodos I.P para o estudo de contaminação de minerais pesados. Universidade do Algarve 6