Mapeamento do Campo Experimental de Geofísica da FEUP pelo método da resistividade elétrica

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1 Unidade curricular projeto FEUP Mapeamento do Campo Experimental de Geofísica da FEUP pelo método da resistividade elétrica Qual a distribuição dos valores da resistividade aparente no CEG, a diferentes profundidades? Grupo EMM12 Ana Sofia Gorito (up @fe.up.pt) Guilherme Prata (up @fe.up.pt) João Silva (up @fe.up.pt) Evandro Miguel (up @fe.up.pt) Paulo Carvalho (up @fe.up.pt) Ricardo Guedes (up @fe.up.pt) Soraia Lopes (up @fe.up.pt) Supervisores: Alexandre Leite, Feliciano Rodrigues, Jorge Carvalho Monitor: José Pedro Gomes Novembro de 2013

2 Resumo Este relatório tem como objetivo apresentar o método da resistividade elétrica que constitui um método indireto, de grande credibilidade, para o estudo do interior da geosfera. Para tal, efetuaram-se medições no campo geotécnico da FEUP para medir os níveis de resistividade do solo em diferentes locais e a partir daí avaliar as características do mesmo. O relatório fará referência ao trabalho experimental e a todos os conhecimentos que adquirimos. Palavras-chave: Geofísica; Método da resistividade; Resistividade elétrica; Resistivímetro; Página 1

3 Agradecimentos Agradecemos aos supervisores Alexandre Leite, Feliciano Rodrigues e Jorge Carvalho, e ao nosso monitor José Pedro Gomes pela disponibilidade e apoio prestados durante toda a unidade curricular. Página 2

4 Índice Agradecimentos Introdução Métodos indiretos VS métodos diretos Métodos Geofísicos Método da resistividade elétrica Trabalho de Campo Material: Procedimento: Resultados Discussão e conclusão Bibliografia Anexos Tabela dos dados Exemplo de cálculo: Página 3

5 1. Introdução Este trabalho foi realizado no âmbito da unidade curricular Projeto FEUP, atividade incluída no plano de estudos dos alunos do primeiro ano, realizando-se no primeiro semestre na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, FEUP. Ao nosso grupo EMM12 foi-nos atribuído o mapeamento do campo experimental de Geofísica (CEG) da FEUP pelo método da resistividade elétrica. Neste trabalho apresentamos e utilizamos o conceito de resistividade, através de diferentes tipos de prospeção geoelétrica (geofísica), passando por alguns exemplos, numa tentativa de mostrar aos alunos, em especial do primeiro ano, a importância deste trabalho ao nível da integração e da ambientação a um novo grau de exigência no seu processo escolar. Enquanto alunos do primeiro ano da FEUP, a realização deste trabalho suscitou-nos grande interesse. Derivado ao facto de termos entrado nesta nova atmosfera, totalmente diferente, são-nos impostos um conjunto variado de estímulos que poderão pôr em causa o nosso sucesso nesta nova etapa. Por isso, a realização deste projeto demonstrou o maior dos sentidos, pois com ele foi-nos possível a integração na nossa nova casa, o regresso ao ritmo energético da vida estudantil, perceber a exigência da universidade e por fim trabalhar em grupo e com esse contacto a criação de novas amizades. Para a realização deste trabalho pretendia-se que cada uma das 8 equipas levasse a cabo uma aprendizagem expedita do método geofísico da resistividade elétrica, para com isso proceder ao reconhecimento e caracterização dos terrenos. Para esta caracterização foi realizado um levantamento de dados pelo referido método, utilizando a configuração electródica de Schlumberger com diferentes espaçamentos entre elétrodos de corrente e potencial, definida para cada equipa, numa área de 200 m 2 no Campo Experimental de Geofísica (CEG) da FEUP. Numa tentativa de enriquecimento da transmissão de conhecimento, decidimos oferecer informações mais abrangentes de forma a englobar todo o conjunto de dados recolhidos neste estudo, tentando com isso que houvesse uma maior compreensão do objetivo do trabalho. Página 4

6 Em suma, o principal objetivo desta atividade, com uma forte componente de trabalho de campo, consiste em produzir representações gráficas esclarecedoras da distribuição dos valores da isoresistividade aparente no terreno investigado, em retirar ilações e apresentar todos os resultados neste relatório. Página 5

7 2. Métodos indiretos VS métodos diretos O conhecimento do interior da Terra desde cedo foi uma grande preocupação dos cientistas. Para o estudo do interior da geosfera são utilizados vários métodos, diretos e indiretos, que, embora estejam restringidos a uma pequena porção de Terra em profundidade, têm dado importantes informações acerca da atividade interior desta. Os métodos diretos têm por base a exploração e observação da geosfera. Existem, por exemplo, as sondagens, que são estudos a dimensões mais profundas em consequência das perfurações que se realizam para o efeito, o estudo de afloramentos rochosos, grutas e minas e a análise dos materias expelidos pelos vulcões. Os métodos indiretos assentam na observação de fenómenos que ocorrem no interior da Terra e se refletem há superfície (como por exemplo a sismologia) e no estudo das propriedades dos solos a partir de medições. Deste último ponto encarrega-se a área da Geofísica Métodos Geofísicos A Geofísica é a ciência que estuda a estrutura, composição e dinâmica do planeta Terra sob a ótica da física. Compreende, portanto, uma parte do domínio da Física- medição de grandezas- e outra do domínio da Geologia- ao nível da interpretação- para que haja uma boa análise dos resultados.(sousa, Vasco Mendes de. 1945) Os métodos geofísicos têm recebido grande credibilidade devido ao facto de serem métodos rápidos, económicos e não destrutivos. Os métodos geofísicos permitem avaliar as condições geológicas locais através dos contrastes existentes nas propriedades físicas dos materias na subsuperfície terrestre. Estas diferenças podem ser a nível da condutividade ou resistividade elétrica, magnetismo, densidade, etc. Estes fatores podem estar relacionados com as diferenciações litológicas e outras heterogeneidades naturais. ( Solos/ áreas contaminadas. Acedido entre Setembro/Outubro de 2013) Página 6

8 Uma das principais vantagens da aplicação das técnicas geofísicas em relação aos métodos tradicionais de investigação, como por exemplo as sondagens, é a rapidez na avaliação de grandes áreas com custo relativamente menor. São rápidos, económicos e não destrutivos. Existem diversos métodos geofísicos para o estudo indireto do interior da Terra, no entanto, aquele que vai ser mais frisado é o método da resistividade elétrica Método da resistividade elétrica Como o nome indica este método consiste na comparação dos valores de resistividade em diferentes partes do solo. A resistividade, ou resistência elétrica específica, é uma propriedade de um material que expressa a maior ou menor resistência que este opõe ao ser atravessado por corrente elétrica. Quanto mais baixa for a resistividade mais facilmente o material permite a passagem de uma corrente, ou seja, maior é a condutividade elétrica. O método da resistividade elétrica é muito utilizado na deteção e mapeamento de plumas de contaminação no solo e na averiguação das variações litológicas num local. Este método baseia-se no estudo do potencial elétrico de campos elétricos artificialmente provocados com recurso a um resistivímetro. Estes campos são criados a partir da injeção de uma corrente elétrica no terreno.para a sua conceção são necessários quatro elétrodos ligados ao resistivímetro, que serão colocados na superfície do terreno a distâncias combinadas. Dois deles serão responsáveis pela passagem de uma corrente elétrica a uma determinada intensidade, sendo esta emitida pelo gerador de corrente elétrica, e os outros dois medem a diferença de potencial. ( Resistividade eléctrica. Acedido entre Setembro/Outubro de 2013) A partir das medições do potencial elétrico efetuadas na superfície terrestre é possível o reconhecimento de estruturas geológicas a uma profundidade considerável (na ordem dos 500 metros). (Sousa, Vasco Mendes de. 1945) Página 7

9 Resistivímetro O resistivímetro é um equipamento geofísico que pode ser utilizado em qualquer terreno onde seja permitida a introdução de elétrodos. Este aparelho é responsável pela emissão de corrente elétrica, numa intensidade controlada, entre os elétrodos dispostos no solomedindo a resistência elétricanesse mesmo trajeto marcado. ( Resistivímetro. Acedido entre Setembro/Outubro de 2013) Figura 1- Resistivímetro A partir da resistência elétrica é possível determinar a resistividade Configurações de Wenner e de Schlumberger Duas das configurações que a disposição dos elétrodos podem tomar, no método da resistividade elétrica, são a de Wenner e a de Schlumberger. Na configuração de Wenner a distâncias entre os elétrodos de corrente (interiores) e os elétrodos de potencial (exteriores) não varia. Pelo contrário, na configuração de Schlumberger, a distância entre os elétrodos interiores e os exteriores varia permitindo que as medições se efetuem a Página 8

10 maior profundidade conforme o maior afastamento dos elétrodos de potencial. ( Métodos geofísicos.acedido entre Setembro/Outubro de 2013) Figura 2- Planificação dos elétrodos recorrendo ao método de Wenner Figura 3- Disposição dos elétrodos recorrendo ao método de Schlumberger Resistência Vs Resistividade Conhecida a resistência do solo é possível calcular o valor da resistividade a partir da fórmula: R = U I π. B(B + A) A Onde o quociente entre a diferença de potencial e a intensidade da corrente é a resistência (valor dado pelo resistivímetro). Esta fórmula está concebida para a configuração de Schlumberger onde a distância entre os elétrodo interiores e os exteriores é diferente. Página 9

11 A resistência e a resistividade estão relacionadas na medida em que uma depende da outra. São ambas medidas que representam a dificuldade do fluxo de eletricidade a atravessar um corpo. No entanto, a resistividade é uma propriedade do material e a resistência é medida em relação a um determinado objeto. A resistência aparenteé variável com a posição dos elétrodos (conforme estes estejam mais ou menos afastados) e com a composição e heterogeneidade do subsolo. (Sousa, Vasco Mendes de. 1945) Variação dos valores de resistividade A resistência aparente é variável com a posição dos elétrodos (conforme estes estejam mais ou menos afastados) e com a composição e heterogeneidade do subsolo. (Sousa, Vasco Mendes de. 1945) Como já averiguamos, a resistividade é o inverso da condutividade elétrica, logo nos locais onde existem corpos que conduzem a corrente, os valores de resistividade vão ser mais baixos. Os metais são frequentemente utilizados como corpos condutores de corrente elétrica e partindo do conceito que existem metais na crusta terrestre podemos averiguar que existirá condução da corrente devido á sua existência. As soluções eletrolíticas também conduzem a corrente elétrica. Nestas soluções as substâncias encontram-se completamente ionizadas, isto é, apenas existem iões na solução e por essa razão existe condução elétrica. Conforme a variação dos valores da resistividade em várias zonas do terreno e a profundidades distintas, será possível estimar uma possível composição do solo, ou seja, poderemos inferir os materiais nele existente. No entanto, sendo um método de estudo indireto onde não existe a observação objetiva do solo não podemos tirar certezas acerca da sua constituição. Página 10

12 3. Trabalho de Campo 3.1. Material: Resistivímetro; Cabos de ligação; Elétrodos; Martelo; Fita-métrica; Estacas; Luneta de topografia; Bandeiras de sinalização; Elásticos Procedimento: 1) Preparou-se o terreno recorrendo a um corta-relva; 2) Para a criação de uma malha quadrada no terreno, piquetagem, em cujos nós seriam realizadas as medições geoeléctricas, efetuaram-se as medições necessárias com o auxílio da luneta de topografia para que estas fossem rigorosas e corretas; 3) O campo experimental, que possuía uma área de 400m2, foi dividido em dois campos retangulares de dimensões 20x10 metros; Página 11

13 20 metros 2 metros 10 metros 4) Colocaram-se estacas no terreno e a elas foram presos elásticos, de forma a delimitar a zona de medição, e dividindo o espaço em várias filas; 5) Colocaram-se bandeiras de sinalização ao longo do elástico com o espaçamento de 2m entre cada uma delas; As bandeiras sinalizavam o local a partir do qual se iam fazer as medições e iriam servir de marco para a colocação dos elétrodos; 6) Inseriram-se 4 elétrodos em linha reta com distância constante entre eles (fig.1), sendo que a distância entre os elétrodos interiores era de 0,25m e a dos elétrodos exteriores era de 1,25m; 7) Preparou-se o resistivímetro tendo sido utilizada uma intensidade de corrente constante de 0,5mA; 8) Estabeleceu-se ligação entre o e o resistivímetro e os quatro elétrodos recorrendo a cabos de ligação; 9) Ligou-se o Resistivímetro para induzir uma corrente elétrica; 10) Registou-se numa folha de cálculo o valor da resistência do solo calculada pelo resistivímetro; Página 12

14 11) Calculou-se a resistividade recorrendo à fórmula: R = U I π. 1.25( ) 0.25 Figura 4- Configuração de Schlumberger com os respetivos comprimentos ( Medição da Resistividade. Acedido entre Setembro/Outubro de 2013) ( FEUP Resistividade. Acedido entre Setembro/Outubro de 2013) Página 13

15 4. Resultados Figura 5- Gráfico a três dimensões construído a partir dos valores de resistividade calculados no trabalho de campo Figura 6- Mapa de isolinhas que representa os pontos no solo que possuem o mesmo valor de resistividade (mapa de isoresistividade). Página 14

16 A partir dos dados recolhidos durante o trabalho de campo foi possível reproduzir um gráfico a três dimensões, que representa os níveis de resistividade em diferentes pontos do solo, e um segundo gráfico de isolinhas que representam as linhas de iso-resistividade (pontos no solo com os mesmo valores de resistividade). O gráfico foi concebido no software Surfer 8 e o método de interpolação utilizado foi o de Krigagem. A grelha tem 20 linhas e 40 colunas e um espaçamento de 0.5 x 0.5 cm. O esquema de cores é o Geology. Página 15

17 5. Discussão e conclusão Estudou-se, inicialmente, o método da resistividade elétrica no seu domínio teórico, analisando as condições de aplicação, vantagens e limitações e aprendemos a trabalhar com o resistivímetro que foi um aparelho essencial na elaboração do trabalho de campo. Partiu-se de seguida para a realização prática do projeto, que consistiu na definição dos limites territoriais sujeitos a análise. Como foi referido no conteúdo teórico deste relatório, os objetivos do trabalho consistiam no mapeamento do campo geofísico da FEUP pelo método da resistividade elétrica. Como abordamos no conteúdo teórico, os níveis de resistividade no solo variam conforme a composição deste e por essa razão, antes de realizarmos o trabalho de campo, conseguimos prever que iriam existir oscilações nos valores devido não só à constituição do solo mas também da sua humidade. Para que a corrente elétrica seja conduzida no solo é necessário a existência de materiais condutores (como os metais, por exemplo) ou de soluções eletrolíticas, onde há o movimento de iões em solução. Quanto maior for a condutividade elétrica menor será a resistividade visto que uma é o inverso da outra como já foi referido. Com base nos resultados recolhidos pela equipa podemos observar grandes amplitudes de valores de resistividade. Por um lado, para as coordenadas 2<X<6 e 0<Y<4; 10<X<12 e 0<Y<4, os valores da resistividade revelam ser de caráter reduzido (<135 ohm/m) o que permite deduzir que nas referidas áreas do terreno a condutividade dos materiais é elevada estando implícita uma possível existência de substâncias metálicas. Em contraste, nas zonas correspondentesa 6<X<10 e 2<Y<8; 12<X<20 e 2<Y<6, a resistividade elétrica ostenta valores elevados (>185 ohm/m) revelando a existência de componentes de natureza não-metálica. No entanto, para as coordenadas X=2 e 4<Y<8; 10<X<14 e 7<Y<10 a resistividade apresenta valores intermédios (entre 135 e 185 ohm/m), podendo aferir que os materiais presentes no subsolo nas zonas referidas possuirão índices de condutividade elétrica intermédios. Página 16

18 6. Bibliografia ( Medição da Resistividade. Acedido entre Setembro/Outubro de entos_cap12.pdf. ( FEUP Resistividade. Acedido entre Setembro/Outubro de (Sousa, Vasco Mendes de A prospecção eléctrica do sub-solo pelo método da resistividade aparente. Lisboa: Jorge Fernandes /SOUv/PRO. Acedido em Setembro/Outubro de ) ( Resistividade eléctrica. Acedido entre Setembro/Outubro de dos_ao_estudo_de_monumentos_megaliticos_o_dolmen_de_picoto_do_vasco ). ( Métodos geofísicos.acedido entre Setembro/Outubro de etodos-electricos&catid=36:metodos-geofisicos&itemid=60 ) ( Resistivímetro. Acedido entre Setembro/Outubro de ) ( Contaminações do solo. Acedido entre Setembro/Outubro de pdf) ( Resistivímetro. Acedido entre Setembro/Outubro de sa/superstingr8_new.jpg&imgrefurl= sting.htm&h=300&w=400&sz=13&tbnid=h9ees0ewi5dwum:&tbnh=90&tbnw=120&zoo m=1&usg= Pihnm- JbJUxA1dIXHJuNSwVduhQ=&docid=ky9em4Hbq7Xm2M&sa=X&ei=F9pyUpTLOIGp7AaG5 ocida&ved=0ceeq9qewaq.) Página 17

19 7. Anexos 7.1. Tabela dos dados Coordenada X (M) Coordenadas Y (M) Resistividade (Ω/m) Resistência(Ω) ,3 8, ,3 10, ,2 9, ,8 10, ,7 8, ,8 10, ,1 8, ,2 8, ,7 9, ,1 7, ,5 9, ,8 11, ,2 7, ,7 7, ,6 7, ,6 10, ,3 11, ,4 8, ,3 13, ,9 12, ,8 12, ,2 15, ,5 11, ,9 10, ,4 8, ,6 9, ,9 17, ,2 13, ,2 10, ,3 14, ,6 13, ,9 12, ,5 9, ,5 10, ,5 10, ,4 12, ,8 10, ,4 14, ,9 13,49 Página 18

20 ,5 13, ,3 13, ,5 15, ,5 15, ,6 12, , ,2 10, ,9 8, ,9 11, ,2 12, ,9 11, ,1 10, ,8 11, ,9 12, ,6 11, ,9 7, , ,4 10, ,4 10, ,8 11, ,3 13, ,4 12, ,4 9, ,8 12, ,6 13, ,4 14, ,2 11,07 Página 19

21 7.2. Exemplo de cálculo: R = U I π. B(B + A) A Cálculo da resistividade para a coordenada (0,0) Resistência = 8,68 A=0,25 B = 1,25 R = 8,68. 1,25(1,25 + 0,5)/0,50 R=8,68π. 4,375 R=119,3 ohm/m Página 20