Os métodos electromagnéticos clássicos (Very Low Frequency) utilizam ondas

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1 5 1. CAPÍTULO PROSPECÇÃO GEOFÍSICA 5.1 Introdução Os métodos electromagnéticos clássicos (Very Low Frequency) utilizam ondas geradas por fortes antenas existentes em diferentes lugares do mundo e que emitem na banda dos 12 a 30 khz. Os aparelhos utilizados neste trabalho têm a possibilidade de utilizar antenas de rádio de banda de frequência mais alargada (até aos 300 khz). São métodos de utilização fácil, bastante expeditos, práticos e baratos. A utilização destes métodos torna-se inviável em locais de grande densidade de linhas de alta tensão. Outros constrangimentos poderão surgir em terrenos muito acidentados (efeito de escarpa) ou em presença de camadas geológicas muito condutoras, de grande espessura na cobertura. Quando um transmissor de ondas electromagnéticas gera um campo de forças e atinge um corpo condutor provoca neste o aparecimento de correntes eléctricas secundárias induzidas. Estas correntes, por sua vez, criam novos campos electromagnéticos indutivos, conhecidos como campos electromagnéticos secundários, que diferem do campo original emitido, tanto em intensidade como na fase e na direcção. O processo, acima descrito, é conhecido como princípio da Indução Electromagnética. No caso em estudo, a utilização de métodos geofísicos electromagnéticos Radiofrequency - Electromagnetics (RF-EM) e Radiomagnetotelluric-Resistivity (RMT-R) teve como intuito detectar anomalias do sinal obtido, de alguma forma indicadoras de caminhos de escoamento preferenciais da água subterrânea e também: obter uma melhor visualização da geometria e estrutura no interior do aquífero; delimitar zonas de contaminação; 82

2 relacionar a geologia e a estrutura da mina com o sinal obtido. Com efeito, a utilização destes métodos em ambientes mineiros é inédita, o que lhe dá um carácter inovador. Mas, simultaneamente, converteu-a numa tarefa exigente e exaustiva. Para se chegar a uma interpretação correcta dos resultados, a sua validação passo a passo tornou-se muito importante. Para tal, recorreu-se à integração de todos os perfis geológicos, plantas da mina e demais bibliografia existente (elaborada durante o desmonte da mesma pelos serviços técnicos da ECD) recorrendo a um sistema SIG a três dimensões. De seguida, confrontou-se individualmente cada sondagem e cada perfil electromagnético com o conhecimento da estrutura da mina e da geologia (s.l.). Ambos os aparelhos de medição utilizados são protótipos desenvolvidos e concebidos pelo Prof. Imré Müller e J. Duperex (Universidade de Neuchâtel). 5.2 Método Radiofrequency Electromagnetic (RF-EM) Descrição do método Este dispositivo, pertencente ao departamento de Hidrogeologia do INETI, foi especificamente concebido para o estudo da fissuração, para detecção de acidentes tectónicos e localização de cavidades cársicas. Neste caso, embora não se encontrem cavidades cársicas, existem as cavidades deixadas em aberto após a extracção do carvão. É um dispositivo que se torna muito expedito na rápida identificação de heterogeneidades como falhas, canais cársicos (Turberg e Müller, 1992) ou paleocanais em material não consolidado (Carvalho Dill, 1993; Carvalho Dill et al., 1998). O dispositivo de medida é constituído por duas antenas ortogonais (Figura 5.1). A intensidade do campo magnético primário (Hp) é medida através de uma bobine de eixo horizontal. As componentes verticais do campo secundário (Hs), que se encontram em fase (in-phase) ou em quadratura (out-of-phase) com o campo magnético primário, detectam-se por meio de uma bobine de eixo vertical (Carvalho Dill et al., 1998). 83

3 Figura 5.1 Princípio método RF-EM (Carvalho Dill et al. (1998) adaptado de Turberg e Müller, 1992) Os resultados expressam-se por uma relação entre: a intensidade da componente vertical (em fase ou quadratura) e a intensidade do campo magnético primário em percentagem (Hs/HP) %. As componentes verticais são muito sensíveis a anomalias de condutividade detectando-se assim as variações laterais da litologia. A descrição mais pormenorizada do método pode ser encontrada em Turberg (1994) e em Stiefelhagen (1998). O registo da variação do sinal faz-se de modo contínuo, em intervalos de 2 segundos, com o auxílio de um data-logger. Para a localização dos pontos de medição recorreu-se a um aparelho de GPS da marca Garmin 12 XL. Trata-se de uma técnica de prospecção em contínuo, que não necessita de contacto com o solo e que permite pôr em evidência, à escala métrica, todas as mudanças laterais das propriedades eléctricas das rochas. A análise das curvas registadas é feita ainda de modo qualitativo e semiquantitativo Metodologia No total foram executados 16 perfis (Figura 5.2) e foram escolhidas duas gamas de frequências tendo em conta o posicionamento da estrutura geológica e mineira a estudar. 84

4 Figura 5.2 Mapa de enquadramento da área geográfica onde se efectuaram os perfis

5 Nos primeiros 11 perfis, utilizou-se o canal de frequência de 16 khz (emissor GBR) para permitir a identificação das estruturas de direcção nordeste. O canal de frequência 24 khz (transmitido pelo emissor NAA a noroeste), foi utilizado entre os perfis 12 a 16 (inclusive), de modo a localizar contactos litológicos e outras estruturas paralelas à disposição das camadas. A gama de frequências utilizada foi baixa pois pretendia-se atingir profundidades maiores, a fim de tentar encontrar as estruturas em profundidade. Sempre que a direcção predominante da fracturação e das falhas o exigia, procedeu-se à escolha de outro emissor e mudança de orientação da antena receptora. Registaram-se os valores das componentes de fase e de quadratura, tendo-se, preferencialmente, utilizado, para o estudo da fracturação e variação litológica, os valores de quadratura. Obtiveram-se gráficos da variação da relação em percentagem entre a intensidade da componente de quadratura (campo secundário) e da componente magnética do campo primário [(Hs/Hp)%] com a distância, tendo-se localizado, de seguida, as falhas, contactos litológicos e anomalias provocadas pelo abatimento de galerias e estruturas presentes. No protótipo de RF-EM utilizado, os valores de quadratura positivos correspondem a litologias menos resistivas enquanto que os valores de quadratura negativos correspondem a litologias de resistividade altas, como é o caso dos quartzitos Resultados obtidos A Figura 5.3 ilustra a variação do sinal de quadratura, perante o sistema de falhas de direcção NE-SW, que ocorre na Formação de Valongo, próximo do Rio Arda (vale de falha). O contacto entre os xistos ardosíferos e os quartzitos traduz-se pela diminuição dos valores de quadratura (zona assinalada por um circulo). Pela observação tridimensional dos perfis, em ambiente ARC-View, foi possível determinar a orientação das falhas que se apresentam no Complexo Xisto-Grauváquico (CXG) com orientação NW-SE (ver início do perfil). O desfasamento aparente entre o sinal do RF-EM e a geologia de superfície está directamente correlacionado com a inclinação das camadas geológicas (inclinação de, aproximadamente, 70º). 86

6 Figura 5.3 Perfil exemplificando o efeito de falhas e mudanças litológicas no sinal de quadratura. A presença de fios de alta tensão, localizados preferencialmente na zona de contacto entre o Carbonífero e o Ordovícico, impediu que o mesmo fosse registado As camadas de carvão e a zona de subsidência encontram-se bem assinaladas na Figura 5.4. O aumento da condutividade, provocado tanto pelo carvão como pela presença de materiais mais finos de colmatação, reflecte-se num aumento de valores de quadratura. 87

7 30 Hs/Hp % (Valores de quadratura) Subsidência e preenchimento por materiais mais finos Falha ϕ4 Carvão Zona de cabos de alta tensão Distância (m) -30 Figura 5.4 Perfil (16kHz) ilustrando o efeito no sinal de quadratura das camadas de carvão e dos fenómenos de subsidência colmatada por materiais mais finos 5.3 Radiomagnetotelluric-Resistivity (RMT-R) Descrição do método O RMT-R mede a indução magnética numa bobina devido ao campo magnético primário e compara-a com a componente eléctrica medida entre dois eléctrodos enterrados no chão, espaçados 5 metros (Turberg, 1994). Estes são colocados perpendicularmente ao campo magnético, isto é, paralelos à direcção do emissor (Figura 5.5 e Figura 5.6). 88

8 Figura 5.5 Princípio do método RMT-R unidireccional. Os emissores são escolhidos com a mesma direcção. À medida que a frequência dos emissores diminui a profundidade aumenta (adaptado de Tezkan et al., 2000) Aparelho de RMT-R Antena Eléctrodo Figura 5.6 Professor Imré Müller executando uma sondagem com o aparelho de RMT-R utilizado Com este método, calcula-se a resistividade aparente e o desfasamento (φ) da componente eléctrica e do sinal em relação à componente magnética (H) (Turberg, 1994). 89

9 A resistividade aparente (Rhoa) de um estrato entre 2 pontos pode ser obtida de acordo com a seguinte equação (Eq. 5.1): Rho a E H y 2 * 1 2 πµ F x = (Eq. 5.1) 0 sendo: Rho a a resistividade aparente (em ohm.metros), E x a componente eléctrica do campo resultante (em volt/metro), H y a componente magnética do campo resultante (em ampere/metro), µ 0 a permeabilidade electromagnética no vácuo (em henry/metro), F a frequência do emissor (em Herz (Hz)). Cada tipo de rocha possui diferentes características eléctricas fazendo com que a resistividade seja um bom indicador do tipo de rocha que se quer investigar. O desfasamento (φ) da componente eléctrica e do sinal em relação à componente magnética (H) fornece informação estratigráfica sobre o local em estudo. Se valor de φ é igual a 45º revela a existência de uma só camada homogénea; quando os valores de φ são inferiores a 45º revela a existência de uma camada condutora sobre uma mais resistiva. Valores de φ superiores a 45º indicam a presença de uma camada resistiva sobre uma camada condutora. A profundidade de penetração (P) é em função (Turberg et al., 1994) da resistividade (ρ0) da rocha e da frequência (F) utilizada (Eq. 5.2): P = 503,3 ρ 0 F (Eq. 5.2) A resistividade real das camadas e o valor das espessuras dos estratos pode ser calculada usando um modelo de inversão magnetotelúrico. Para o seu cálculo, foi utilizado o programa FITVLF2, desenvolvido na Universidade de Neuchâtel. Este programa foi concebido para aplicação em terrenos com camadas horizontais, o que não acontece no caso em estudo, uma vez que se está perante camadas com pendores que variam entre 60º a 90º. No entanto, a sua utilização foi possível em alguns locais. 90

10 A selecção do transmissor para cada frequência usada é feita de acordo com a direcção da estrutura a estudar. Devem-se escolher transmissores com direcções paralelas ou perpendiculares à estrutura de modo a que os dados de observação possam ser associados às direcções de polarização eléctrica (E pol) e polarização magnética (H pol) e serem interpretados quantitativamente com modelos 2D de condutividade (Tezkan et al., 2000). No caso em estudo, tal não foi possível de realizar, uma vez que a captação de mais do que uma frequência segundo a direcção NW-SE não era possível, tendo-se utilizado apenas a direcção NE-SW Metodologia Executaram-se cerca de 200 sondagens unidirecionais multifrequência na área de estudo (Figura 5.7). Utilizaram-se as seguintes frequências: 183 khz (transmissor localizado em França), 77.5 khz (antena localizada em Stuttgart) e 23.4 khz (transmissor localizado em Rhauderfehn), com direcções semelhantes (NE-SW), de modo a apanhar a direcção próxima da ideal às estruturas geológicas existentes. Apenas o perfil 4 foi realizado parcialmente segundo a direcção N-S, uma vez que, durante o trabalho de campo, houve perda do sinal na direcção NE-SW. Figura 5.7 Localização das 200 sondagens executadas na área de estudo 91

11 A profundidade de investigação variou entre os 2 e os 308 m (Tabela 5.1). Estes valores extremos têm a ver não só com a presença de focos de contaminação mas também com a grande variabilidade litológica e com as estruturas tectónicas presentes. Tabela 5.1 Valores máximos, mínimos e médios das profundidades (m), resistividades aparentes (Ohm.m) e desfasamento (φ) nas diferentes frequências utilizadas Média Máximo Mínimo 2 Desvio padrão 183 khz (1º canal) 77.5 khz (2ª canal) 23.4 khz (3º canal) Prof. Rho a φ Prof. Rho a φ Prof. Rho a φ Os valores influenciados pela presença de linhas de alta tensão foram rejeitados, tendo-se elaborado de seguida uma tabela onde foram descritas, para cada sondagem, as litologias atravessadas. As estruturas subterrâneas da mina (galerias e travessas, zonas de extracção de carvão, quer pelo método de enchimento quer pelo método de abatimento) são factores que influenciam os resultados e que era necessário esclarecer. Este grande número de variáveis externas, passíveis de influenciar o sinal obtido, impediu a aplicação de métodos de interpretação que são hoje em dia comummente utilizados noutros tipos de estudo em que se realiza a extrapolação dos dados para valores médios por área. Assim, teve de se optar, neste estudo, pela interpretação e análise individual e exaustiva de cada uma das sondagens. Para tal, a interpretação dos resultados auferidos pelas sondagens electromagnéticas foi efectuada com a ajuda do modelo geológico-estrutural em ambiente SIG a 3 dimensões Resultados obtidos O sinal obtido para uma dada estrutura vai depender da orientação desta relativamente ao emissor, isto é, se uma estrutura se encontra paralela ao emissor, diz-se que o sinal obtido está em E Pol. Isso reflecte-se numa alteração contínua e suave do valor da resistividade aparente (Schnegg, com. oral). Quando a estrutura está perpendicular ao emissor, diz-se que o sinal está em H pol, provocando uma variação descontínua e brusca da 92

12 resistividade aparente (Schnegg, com. oral). Por esse motivo, esta é a melhor direcção para detectar variações de condutividades. No caso em estudo, a direcção dominante das estruturas é NW-SE, ou seja, perpendicular ao emissor escolhido (situação ideal de H pol). Estão, neste caso, as camadas geológicas, algumas falhas e quebras no terreno (geradas por subsidência) e as galerias de rolagem da mina. Situações de E pol são criadas pelas falhas e pelas travessas que cortam as galerias de rodagem de cada nível da mina e que têm direcção NE-SW (Figura 5.8). Figura 5.8 Esquematização da utilização do RMT-R na área de trabalho O perfil presente na figura 5.9 ilustra bem a variação do sinal obtido com o método RMT-R para as diferentes litologias. Entre os pontos 117 e 123, é possível observar, que em profundidade, há uma aproximação gradual dos quartzitos e xistos intercalados para as litologias mais condutoras. Com efeito, à excepção do ponto 118 que parece estar a ser afectado por uma falha em polarização E (direcção NE-SW), os restantes pontos apresentam uma variação da fase que traduz esse fenómeno: os valores da fase do 1º canal (menos profundo) são inferiores a 45º, situação que indica a presença de uma camada condutora sobre uma de maior resistividade, o que deixa de acontecer no terceiro canal (mais profundo) que passam a ser maiores que 45º (situação estrutural oposta). O ponto 128 marca a mudança litológica entre os xistos ardosíferos do Ordovícico e as litologias do Carbonífero. A escombreira, que se situa em frente à entrada para o nível 135, é representada por valores de Rhoa e φ extremamente baixos (inferior a 100 Ohm e 45º, respectivamente), formando um corpo superior de tal maneira condutivo que não permite a penetração do sinal em profundidade. 93

13 Figura 5.9 Estudo RMT-R exemplificando a variação de sinal obtido para as diferentes litologias (a) Localização do perfil na planta geológica (b) valores de Rhoa e φ obtidos ao longo do perfil (c) Corte geológico do perfil com a projecção das profundidades de penetração das sondagens de RMT-R para cada uma das frequências: vermelho para a frequência 183 khz, preto - para a frequência 77,5 khz, azul - para a frequência 23,4 khz 94

14 Na figura 5.10, observa-se a presença da contaminação por lixiviados da escombreira da Xeira quer à superfície (nos pontos 25, 26 e 27) quer a sua infiltração nas camadas mais profundas a jusante (nos pontos 76, 88, 89 e 90). Estes lixiviados infiltraram-se a SW na escombreira da Xeira (que se localiza a montante) e, devido às condições topográficas, estão a infiltrar-se e a contaminar para NE (ver Figura 5.10 c). Neste perfil, também, se nota que a presença da brecha intracarbonífera provoca um aumento muito grande do sinal obtido pelas sondagens de RMT-R uma vez que é uma litologia bastante resistiva com valores de resistividade aparente superiores a 2000 Ωm. 95

15 Figura 5.10 (a) Variação dos valores de RMT-R ao longo do corte efectuado (SW-NE); (b) Corte geológico esquemático do perfil com a projecção das profundidades de penetração das sondagens de RMT-R para cada uma das frequências: vermelho para a frequência 183 khz, preto - para a frequência 77,5 khz, azul - para a frequência 23,4 khz; (c) corte topográfico da superfície do terreno exemplificando a infiltração de lixiviados ao longo do perfil 96

16 Um dos objectivos de aplicação deste método de geofísica, como já foi referido, era o de tentar obter uma visualização da estrutura da mina. Embora fizessem parte das referências bibliográficas cortes e perfis do interior da mina, por vezes, não se tinha a sua localização exacta devido às diferentes escalas utilizadas nos distintos trabalhos consultados. Através da aplicação do método RMT-R e com a consulta simultânea dos dados topográficos e dos dados bibliográficos foi possível delimitar, por exemplo, uma área onde tinha sido realizado o desmonte de carvão pelo método de enchimento (Figura 5.11). Nesta figura (Figura 5.11 a), entre os pontos 34 a 37, verifica-se que o sinal de RMT-R nos dois primeiros canais se apresenta completamente erróneo relativamente às condições naturais, isto é, verifica-se a presença de materiais extremamente resistivos. Constata-se na figura que estes pontos, localizados nos conglomerados, arenitos e xistos, apresentam valores idênticos ao ponto 99, localizado sobre a brecha intracarbonífera. Tendo em conta o perfil longitudinal de desmonte da 4ª camada (figura 5.11 c) e a localização daqueles pontos sob a travessa 29 é possível afirmar que, neste local, se recorreu muito provavelmente, para o enchimento da camada, de estéril proveniente da brecha intracarbonífera. De notar que, normalmente, o estéril de enchimento provinha do corte superior. Mas, quando o desmonte atingia uma espessura superior a 2,5 metros recorria-se a estéril das camadas anexas (Machado, 1970). Na figura 5.11, também é possível observar o efeito indutor provocado pela travessa 26 do nível 135 que reage como um corpo bastante condutivo em profundidade (do ponto 106 ao 33). 97

17 Figura 5.11(a) Variação dos valores de RMT-R ao longo do corte efectuado (NW-SE); (b) Planta geológica de superfície com indicação dos pontos de sondagem RMT-R e travessas do Nível 135 (c) Excerto do perfil de desmonte longitudinal da 4ª camada de carvão (NW-SE) evidenciando a localização da travessa 29 98

18 A utilização da inversão magnetotelúrica (através do programa FitVLF2) e a sua conjugação com os cortes geológicos a 3D permitaram o agrupamento de sondagens electromagnéticas para a determinação de valores médios de resistividades reais para cada uma das formações existentes: CXG, brecha, Carbonífero, xistos ardosíferos e, quartzitos e xistos intercalados (Figura 5.12). Verificou-se que, em média, há sempre uma diminuição dos valores de resistividade em profundidade para todas as formações presentes. Tal facto não devia ocorrer, uma vez que, por norma, as litologias em profundidade tendem a ser mais resistivas por não se encontrarem expostas a fenómenos de meteorização física. Provavelmente, a explicação para tal fenómeno é a presença da estrutura mineira (poços e galerias) e de contaminantes nas águas. Figura 5.12 Valores médios de resistividades reais, obtidos através da utilização de inversão electromagnética, para as formações presentes na área de estudo De notar que os resultados apresentados na figura 5.12 são apenas aproximados e têm de ser interpretados com precaução, dadas as limitações da utilização deste método e do programa de inversão já referidas. 5.4 Considerações finais A presença de lixiviados reflecte-se na diminuição da resistividade aparente para valores muito baixos (inferiores a 100 ohm.m e, por vezes, na ordem dos 10 ohm.m e nos valores de fase: < 45º) quando os mesmos se encontram à superfície como é visível na 99

19 figura 5.9, ou > 45º quando o fenómeno ocorre a maiores profundidade (situação de camada mais resistente sobre outra condutora). Verifica-se, quase sempre, um aumento de condutividade em profundidade que pode estar associado ou à presença de restos de camadas de carvão ou à presença de contaminantes. Conseguiu-se deduzir a existência de fluxo de água na direcção SW-NE, isto é, dos terrenos do Carbonífero para o Ordovícico, o que permite inferir que a barreira hidrogeológica definida entre estas duas litologias pelo cavalgamento é quebrada pela presença de falhas e fracturas, caminhos preferenciais ao longo dos quais se pode dar a contaminação das águas do Ordovícico. No entanto, não é possível quantificar o grau de contaminação. A aplicação conjunta dos dois métodos permite um complemento de dados obtidos. No presente trabalho, o método RF-EM demonstrou uma melhor aplicação na caracterização e distinção dos sistemas de falhas e fracturas enquanto que o método RMT-R se mostrou mais sensível no mapeamento das variações litológicas do local, tanto à superfície como em profundidade. A aplicação de ambos os métodos, no limite SW da jazida de carvão, não foi possível uma vez que é uma área populacional com demasiados factores externos que inviabilizam a sua utilização. 100