Mapeamento do Campo Experimental de Geofísica (CEG) da FEUP pelo Método da Resistividade Eléctrica

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mapeamento do Campo Experimental de Geofísica (CEG) da FEUP pelo Método da Resistividade Eléctrica Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? Projecto FEUP 2013/ LCEEMG e MIEMM Armando Sousa Alexandre Leite e Laura Ribeiro Equipa EMM11: Supervisor: José Feliciano Rodrigues Monitor: José Pedro Gomes Estudantes & Autores: António Barros up @fe.up.pt Bruno Lima up @fe.up.pt Francisco Cruz up @fe.up.pt Joana Viana up @fe.up.pt Maria Jesus up @fe.up.pt Mário Almeida up @fe.up.pt Rui Alves up @fe.up.pt Rui Rodrigues up @fe.up.pt Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 1/27

2 Resumo No âmbito da unidade curricular do Projeto FEUP, foi proposta a elaboração de um trabalho com objetivo de mapear o Campo Experimental de Geofísica da FEUP (CEG) através do método geofísico da resistividade elétrica. Sendo assim, utilizando a configuração de Schlumberger, uma das variadas configurações geométricas do método da resistividade, recolheram-se os dados da resistência medida em diversos pontos no CEG. Com estes dados, determinou-se a resistividade aparente de cada ponto, pela fórmula respetiva da configuração de Schlumberger. Então, as várias resistividades aparentes recolhidas foram transformadas em resistividades reais, pela inversão de dados, através de um programa, o Surfer 8. Daqui resultou um mapa de isorresistividades elétricas do campo investigado. Comparando as isorresistividades obtidas com uma tabela de resistividades de rochas e minerais, concluiu-se que tipo de material se encontra no subsolo estudado. Palavras-Chave Corrente elétrica; resistivímetro; resistência elétrica; resistividade real; resistividade aparente; CEG; soluções eletrolíticas; métodos geofísicos; configuração de Wenner; configuração de Schlumberger. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 2/27

3 Agradecimentos A equipa agradece toda a formação recebida pelos palestrantes durante a semana de receção e, como não poderia deixar de ser, um especial apreço aos monitores do projeto, José Pedro Gomes e Miguel Mendanha, e aos professores orientadores, a nomear, professor Alexandre Leite, professor Jorge Carvalho e professor Feliciano Rodrigues. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 3/27

4 Índice Lista de figuras.5 Lista de tabelas 6 Glossário 7 1. Introdução 8 2. Teoria Fundamental Métodos Geofísicos Método da Resistividade Configuração de Wenner Configuração de Schlumberger Seleção da configuração a utilizar Profundidade de investigação Condução da corrente elétrica mobilização de iões em águas superficiais e subsuperficiais Metodologia Aquisição de dados Equipamento/ Material Procedimento Resultados Tratamento de Dados Conclusões.23 Referências bibliográficas 24 Anexos.25 Anexo A 25 Anexo B..27 Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 4/27

5 Lista de Figuras Fig.1 método da resisitiviade posição dos elétrodos de corrente (A e B) e dos elétrodos de potencial (M e N); Fig.2 Configuração de Wenner; Fig.3 Configuração de Schlumberger; Fig.4 Determinação da profundidade através de um método trignométrico; Fig.5 Resistivímetro terrameter SAS 300C; Fig.6 Terreno do CEG estudado; Fig.7 Pontos a analisar; Fig.8 Esquema da montagem; Fig.9 Mapa das isorresistividades das medições do grupo EMM11, obtido pelo Surfer 8 Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 5/27

6 Lista de Tabelas Tab.1 Comparação entre as diferentes configurações; Tab.2 Resistividade e condutividade de alguns minerais e rochas. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 6/27

7 Glossário Intensidade da corrente (I) quantidade de carga elétrica que flui por unidade de tempo. A unidade padrão no S.I é o ampere (A). Potencial elétrico capacidade de um corpo realizar trabalho, atraindo ou repelindo cargas elétricas. Tensão elétrica diferença de potencial elétrico entre 2 pontos. A unidade padrão no S.I é o volt (V). Resistividade resistência de um material entre as faces opostas e um cubo de aresta unitária desse material. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 7/27

8 1. Introdução Este trabalho teve como objetivo caracterizar uma parte do CEG quanto à resistividade do seu subsolo, e a partir das resistividades obtidas tentar determinar que tipo de material se encontra no subsolo. Deste modo, recorreu-se ao método da resistividade elétrica, mais concretamente à configuração geométrica dos elétrodos de Schlumberger para obter os valores das resistividades aparentes em cada ponto. Procedeu-se, então, à aquisição dos dados no terreno e ao respetivo tratamento dos mesmos, no programa Surfer 8. Numa primeira fase pretendeu-se fazer uma análise descritiva do método utilizado fazendo referência aos fundamentos teóricos; técnicas; equipamentos; aplicabilidade; capacidades e limitações do mesmo. Numa segunda fase incidiu-se na área prática do projeto, tratando-se os dados das resistividades aparentes recolhidas; construindo-se os gráficos esclarecedores da distribuição dos valores de isorresistividades aparentes do terreno estudado e concluindose sobre os mesmos. Que tipo de material é provável encontrar no subsolo? É um das principais questões deste trabalho. Este projeto culminou na elaboração de um relatório, acompanhado de um póster e uma apresentação em PowerPoint. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 8/27

9 2. Teoria Fundamental 2.1. Métodos geofísicos A geofísica é a ciência que aplica os princípios da Física, incluindo os seus instrumentos e métodos para estudar as propriedades do interior da Terra a partir da superfície, de modo indireto. Os principais métodos de prospeção geofísicos utilizados são os seguintes: Gravimétricos (exemplo: deteção de cavidades); Magnéticos (exemplo: anomalias provocadas pela presença de objetos ferromagnéticos); Elétricos: resistividade (exemplo: caracterização em profundidade de limites geológicos); potencial espontâneo; polarização induzida; Eletromagnéticos; Sísmicos; Radiométricos. Estes métodos do estudo indireto do solo e do subsolo têm vindo cada vez mais a ser utilizados na prospeção geológica e na investigação de problemas ambientais. O método elétrico da resistividade é um dos mais utilizados na geofísica, tendo sido este método o selecionado para esta investigação Método da Resistividade Objetivo: Obtenção de uma imagem das isorresistividades sob a superfície que está correlacionada com a geologia do local de estudo. Funcionamento: Consiste na introdução de uma corrente elétrica artificial no terreno através de 2 elétrodos, A e B, os elétrodos de corrente. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 9/27

10 O potencial do corrente gerado é medido noutros 2 elétrodos, M e N, os elétrodos de potencial, nas proximidades do fluxo de corrente. O resistivímetro, ao qual estão ligados os elétrodos, fornece o valor da resistência desse ponto, tornando-se possível, deste modo, calcular a resistividade, ainda que aparente do subsolo. Fig.1 Método da resistividade posição dos elétrodos de corrente (A e B) e dos elétrodos de potencial (M e N) (em a 3 de Novembro). Entre os elétrodos de corrente, formam-se linhas de corrente, enquanto que a partir dos elétrodos de potencial forma-se linhas equipotenciais, que intersetam as de corrente. Áreas de aplicação: Deteção de cavidades; Caracterização geotécnica; Prospeção de massas minerais; Investigações arqueológicas; Deteção de plumas de contaminação; Monitorização de terrenos sujeitos a técnicas de remediação; Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 10/27

11 Monotorização de processos subterrâneos como recarga de aquíferos, infiltração intrusão salina, túneis e infiltração em barragens. Investigação da qualidade de água subterrânea. Vantagens: Os perfis criados são usados para detetar plumas de contaminação, em associação com as características hidrogeológicas (exemplo: nível freático); Estima profundidade, espessura e resistividade das camadas; Os valores obtidos são usados para identificar a composição geológica das camadas ou para estimar a condutividade das plumas de contaminação. Estimativa de locais de lixeiras e locas de depósito de resíduos enterrados. Os dados dos perfis de resistividade criados podem ser avaliados no campo. Desvantagens: Muito suscetível ao ruído provocado por cercas metálicas, tubos e heterogeneidade geológica; A interpretação quantitativa exige o uso de curvas e ou programas de computador e experiência na sua utilização. E um método muito demorado, necessitando de 3 operadores em campo. Quando o solo é homogéneo a resistividade é constante, independentemente da configuração dos elétrodos e da localização espacial. Ora, na existência de heterogeneidades, a resistividade varia com a posição relativa dos elétrodos, e por isso, o valor calculado designa-se por resistividade aparente. Esta é diferente da verdadeira pois não é nenhuma propriedade física. A resistividade verdadeira é obtida através da inversão de dados, num programa específico, a partir dos dados obtidos no campo. O cálculo da resistividade aparente baseia-se na Lei de Ohm: (1) Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 11/27

12 é o valor da resistência dada pelo resistivímetro. K é o fator geométrico próprio de cada configuração. Configurações geométricas: Existem várias configurações que aplicam o método da resistividade de formas diferentes. Os diferentes espaços entre os elétrodos originam configurações diferentes. As configurações mais comuns são: A de Wenner; A de Schlumberger; A polo-dipolo; A dipolo-dipolo. Cada uma tem, então, um fator geométrico diferente, o que origina diferentes valores resistividades aparentes. A de Wenner e a de Schlumberger são as mais utilizadas Configuração de Wenner É das mais simples e das mais utilizadas. Os elétrodos são igualmente espaçados ao longo de uma linha. Vantagens: é sensível a variações verticais de resistividade (estruturas horizontais). Desvantagens: menos sensível a variações horizontais (estruturas verticais). Investiga até profundidades médias. É configuração que apresenta a força de sinal mais elevada (Loke, 1999). A resistividade aparente é calculada através da expressão: (2) Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 12/27

13 é o valor da resistência dada pelo resistivímetro em cada ponto do terreno investigado. a é a distância entre elétrodos, que é a mesma para todos. Fig.2 Configuração de Wenner (em Fundamentos de Prospecção Geofísica ) Configuração de Schlumberger No método de Schlumberger os quatros elétrodos são dispostos em linha e distribuídos simetricamente em relação a um ponto central, sendo que a distância MN deve ser menor que a distância AB/2. Então, os elétrodos de corrente (A e B) são espaçados com distância superior à distância entre os elétrodos de potencial (M e N). É configuração sensível tanto para variações horizontais como verticais de resistividade. Para o mesmo espaço entre elétrodos, a profundidade média de investigação é superior em 10 % ao dispositivo de Wenner. No entanto, a força do sinal é menor do que no de Wenner, mas é maior do que no dipolo dipolo (Loke, 1999). Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 13/27

14 Ao introduzir no subsolo a corrente elétrica (I) por meio dos elétrodos A e B, medese a diferença de potencial (ΔV) criada entre os elétrodos M e N. As medidas obtidas são utilizadas para o cálculo da resistividade aparente, utilizando-se a equação: (3) Espaçamento entre os elétrodos (neste trabalho de investigação): b = A M = NB = 0,75 m a = MN= 0,50 m Fig.3 Configuração de Schlumberger (em Fundamentos de Prospecção Geofísica ). Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 14/27

15 Seleção da configuração a utilizar Não existe consenso generalizado sobre qual a configuração que apresenta mais vantagens. No entanto, a de Schlumberger apresenta maior facilidade de operação em campo, pois os elétrodos de potencial mantêm-se fixos ou são movimentados muito poucas vezes durante a execução da medição. Há uma economia no material, esforço e de tempo de trabalho. Por outro lado, na configuração de Wenner, os iguais comprimentos de linha de emissão da intensidade de corrente permite uma maior resolução e profundidade de investigação. Tab.1 Comparação entre as diferentes configurações. (Loke,1999) Deste modo, para este projeto, o mais adequado é a de Schlumberger. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 15/27

16 Profundidade de investigação Em geral, a profundidade de penetração da corrente aumenta com a separação dos elétrodos. Para a mesma distância entre elétrodos, a profundidade de investigação pode ser considerada constante ao longo do perfil. Qual é essa profundidade? Uma aproximação dessa profundidade é obtida através de um método trigonométrico: Fig.4 Determinação da profundidade através de um método trigonométrico. Sendo a distância entre A e o centro do aparelho é 1 m, e sendo o ângulo em A de 45 graus, a tangente desse ângulo tem de ser igual a 1, o que faz com que a profundidade aproximada seja de 1m. Logo, tendo os elétrodos à distância acima já mencionada, é possível atingir 1 m de profundidade. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 16/27

17 2.2. Condução da corrente elétrica mobilização de iões em águas superficiais e subsuperficiais A condução de corrente elétrica pode ser de 3 tipos: eletrónica - eletrões livres eletrolítica iões que se movimentam em soluções dielétrica - condutores pobres ou isoladores, com poucos eletrões livres. A condução elétrica numa rocha depende da resistividade intrínseca da matriz, porosidade, textura, e distribuição dos poros, resistividade do líquido intersticial, e dos processos que ocorrem nas superfícies de contacto entre a matriz e as fases fluidas. As Rochas ígneas como apresentam uma porosidade muito baixa, as resistividades são mais elevadas. Já as rochas sedimentares apresentam resistividades mais baixas. Nota: partículas argila baixa resistência para a condução da eletricidade. As temperaturas mais elevadas, é maior energia cinética média dos componentes iónicos, o que aumenta a capacidade da condução iónica, diminuindo a resistividade. Nos metais existem grande quantidade de eletrões livres - são bons condutores elétricos. Nas soluções eletrolíticas há uma grande quantidade de catiões e aniões livres são bons condutores. É raro encontrar metais livres na superfície. Estes normalmente encontram-se associados a óxidos e sulfuretos. É a partir destes minérios que os metais básicos são extraídos. Normalmente, não há condições para se verificarem correntes elétricas no subsolo a partir dos metais, visto que eles são raros, existindo apenas alguns resíduos, ao contrário da corrente elétrica a partir de soluções eletrolíticas. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 17/27

18 A água mais ao menos carregada com gás carbónico é o agente fundamental da mobilização iónica, pois permite a dissolução de uma parte dos minerais através da hidrólise, conduzindo à libertação de iões e da dissolução de rochas calcárias. Logo, muita da corrente elétrica detetável no subsolo e rochas é devido a estas soluções. É essencial conhecer os valores típicos de resistividade dos diferentes materiais no subsolo para se poder comparar com os obtidos na experiência. Tab.2 Resistividade e condutividade de alguns minerais e rochas (Telford et al, 1999; Aktarakiçi, 2008) Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 18/27

19 3. Metodologia Aquisição de Dados 3.1. Equipamento/ Material resistivímetro terrameter SAS 300C elétrodos marreta estacas fita métrica caderno de campo. Fig.5 Resistivímetro terrameter SAS 300C (em Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 19/27

20 3.2. Procedimento 1 Determinação do terreno utilizado - malha retangular (20x10) = 200 cm 3 no CEG. Fig.6 Terreno do CEG estudado (em Google.maps) 2- Divisão do espaço em mini áreas. Fig.7 Pontos a analisar. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 20/27

21 3 - Colocaram-se estacas de 2 em 2 metros ao longo do eixo do x e do y. 4- Iniciaram-se as medições no ponto (0,0), sendo feitas de 2 em 2 metros por toda a área de estudo e o seu registo temporário. 5 - espaçamento entre os elétrodos para o grupo: AM=NB=0,75 m; MN =0,50 m. 6 - Intensidade da corrente escolhida 8 foi igual para todos os grupos. 7 - Para cada grupo, em cada ponto medido, o que diferenciava na medição, era a distância entre os elétrodos AM, NB, AB, que aumentava para cada grupo. Isto permitia uma avaliação em profundidade cada vez maior, à medida que a distância entre os elétrodos aumenta. 8 - Obtêm-se os valores da resistividade a várias profundidades e em vários pontos ao longo da linha de prospeção. Fig.8 Esquema da montagem. (em Os dados recolhidos encontram-se no anexo A Os dados posteriormente foram transmitidos para o computador, trabalhados num programa, o Surfer 8, que transforma os dados da resistividade aparente em resistividade real, por inversão dos dados. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 21/27

22 4. Resultados Tratamento de Dados Criação do gráfico: Começou-se por introduzir as coordenadas (x, y, z) na qual a coordenada z corresponde ao valor da resistividade aparente calculado. O parâmetro de malha usado foi de 0,5m x 0,5m; o método de interpolação usado foi o kriging e o tipo de esquema de cores usado foi o geology. Depois de tudo isto, suavizou-se as linhas isossistas através de smoothing medium e reduzindo a opacidade das mesmas. Assim sendo, obteve-se o seguinte mapa de isorresistividades: Fig.9 Mapa das isorresistividades das medições do grupo EMM11, obtido pelo Surfer 8. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 22/27

23 5. Conclusões Após a análise do mapa, inferiu-se que as resistividades mais baixas do campo de experimentação correspondem às zonas azuis, entre os 70 e os 120 ohm.m, na região delimitada entre os pontos (2,4) e (7,4). Comparando com a tabela 2, estas zonas azuis podem correspondem: - a uma área de argilito, rocha com uma relativa boa condutividade elétrica; - a uma área com sucata e tubagens enterradas (constituídas por metais); - a uma zona onde se verifica a existência de água subterrânea, com iões dissolvidos. Na região delimitada entre (13,6) e (17,6) os valores de resistividade são muito elevados, o que nos remete para ausência de metais no local analisado e a presença de rochas com baixa porosidade, como é o caso das ígneas e das metamórficas. É de salientar que alguns dados foram recolhidos depois de um período de chuva, o que pode ter influenciado os resultados. Foi um trabalho um pouco complexo, mas contribuiu para o desenvolvimento de capacidades em termos de trabalhos de campo, relacionados com os métodos geofísicos. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 23/27

24 Referências bibliográficas Fernandes. Carlos Eduardo de Moraes Fundamentos de Prospecção Geofísica. Rio de Janeiro: Editora Interciência. Prospecção Geofísica. (accessed 29 October 2013) Métodos eléctricos (accessed 3 November 2013) Investigações Geológicade Subsuperfície (accessed 3 November 2013) LOKE, M. H. (1999). Electrical Imaging Surveys for Environmental and Engineering Studies. Penang, Malaysia. LUÍS, J. (2005). Geofísica Ambiental. Métodos eléctricos. Universidade do Algarve. ( SHARMA, P. V. (1997). Environmental and Engineering Geophysics. Cambridge University Press, Cambridge. TARANTOLA, A. (2005). Inverse Problem Theory and Methods for Parameter Estimation. Society for Industrial and Applied Mathematics, Philadelphia. TELFORD, W.M.; GELDART, L. P.; SHERIFF, R.E. (1990). Applied Geofhysics. Second Edition. Cambridge University. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 24/27

25 Anexos Anexo A x y Resistência Resistividade x y Resistência Resistividade (ohm) (ohm.m) (ohm) (ohm.m) ,3 119, ,3 137, ,6 127, ,4 184, ,28 113, ,8 134, ,8 140, ,3 178, ,0 141, ,3 190, , ,1 153, ,69 119, ,9 182, ,4 120, ,5 203, ,7 121, ,6 209, ,91 99, ,3 178, ,4 149, ,8 128, ,8 157, ,1 169, ,6 121, ,8 110, ,22 71, ,1 141, ,62 97, , ,3 119, ,5 156, ,0 117, ,4 143, ,73 116, ,8 128, ,9 176, ,4 137, ,3 181, ,7 157, ,1 171, ,5 144, ,2 136, ,77 110, ,4 131, ,8 140, ,43 114, , ,7 104, ,6 156, , ,8 140, ,5 161, ,1 183,19 Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 25/27

26 ,8 175, ,6 162, ,6 156, ,2 118, ,2 189, ,9 146, ,6 162, ,9 170, ,1 141, ,6 168, ,4 120, ,6 144,91 Espaçamento entre os elétrodos: A e M = N e B = 0,75 m M e N: 0,50 m Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 26/27

27 Anexo B Diário de Bordo Projeto FEUP Equipa EMM11 Primeira semana de aulas: - Palestras diversas sobre recursos disponíveis na FEUP para auxiliar no projeto proposto. Sexta-feira: - Mini-teste à cerca das palestras assistidas durante a semana. Segunda semana: - Apresentação ao tema e às equipas; breve introdução ao contexto e objetivo final do trabalho. Conhecer professores e monitores encarregados de cada grupo. Terceira semana: - Introdução teórica ao tema do projeto; estabelecimento de metas a cumprir durante o decorrer do trabalho; programar tempo no campo para realizar a parte prática do projeto. Quarta e quinta semanas: - Aulas práticas e realização da experiência no CEG; reunir dados e análise dos mesmos em preparação para o relatório final a elaborar. Tarefas simultâneas: atividade de apresentação oral e preenchimento de auto e hetero avaliações. Sexta semana: - Entrega de um pré-relatório, sujeito a avaliação e crítica pelo professor e monitor da respetiva turma; começar a elaborar o poster e PowerPoint em preparação para a apresentação final. Sétima semana, até 5 de Novembro: junção e entrega de todos os trabalhos finais (relatório, poster, PowerPoint) e ensaios para apresentação. Apresentação de final da unidade curricular. Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? 27/27