CARACTERIZAÇÃO GEOESTATÍSTICA DAS HETEROGENEIDADES DO MEIO AQUÍFERO ENVOLVENTE À LIXEIRA DE ESCARPÃO COM BASE EM DADOS GEOFÍSICOS

Transcrição

1 CARACTERIZAÇÃO GEOESTATÍSTICA DAS HETEROGENEIDADES DO MEIO AQUÍFERO ENVOLVENTE À LIXEIRA DE ESCARPÃO COM BASE EM DADOS GEOFÍSICOS Luís Nunes Assistente Estagiário, Universidade do Algarve, UCTRA Campus de Gambelas, UCTRA, 8000 Faro, Portugal Telefone: Ext Amélia Carvalho Professora Auxiliar, Universidade do Algarve, UCTRA, Investigadora do C.V.R.M. Campus de Gambelas, UCTRA, 8000 Faro, Portugal Telefone: Luís Ribeiro Professor Auxiliar, Instituto Superior Técnico, Investigador do C.V.R.M. Av. Rovisco Pais, 1096 Lisboa Codex, Portugal Telefone: ; Fax: ; nlrib@alfa.ist.utl.pt 1. INTRODUÇÃO Avalia-se neste trabalho a aplicabilidade do método geofísico VLF (Very Low Frequency) à detecção de zonas de maior permeabilidade potencial (maior fracturação e carsificação) em sistemas cársicos. Comparam-se duas alternativas de tratamento dos dados: tratamento geoestatístico das variáveis geofísicas brutas, seguido de interpretação geofísica; e interpretação geofísica dos dados brutos, seguida de tratamento geoestatístico. Em qualquer dos casos é estimado um campo de permeabilidades recorrendo a uma codificação binária (permeável, impermeável). Os resultados são interpretados à luz do conhecimento actual do sistema. A codificação utilizada permite converter dados de difícil interpretação para não especialista, em informação simplificada, ao mesmo tempo que fornece dados para entrada em modelos estocásticos de simulação de fluxo e contaminação de águas subterrâneas. Estes resultados virão a ser utilizados na previsão da migração dos lixiviados do aterro municipal de Albufeira (estudo em elaboração). A interpretação de pormenor de variáveis geofísicas em problemas de hidrogeologia é uma tarefa que requer experiência, e algum conhecimento da geologia do local em estudo. A aplicação de métodos geofísicos a sistemas cársicos é relativamente recente e centrada em métodos electromagnéticos, com ou sem contacto. São já vários os trabalhos realizados com estes métodos (GRETILLAT ET AL., 1987; TURBERG, 1992; TURBERG, 1993, entre outros), e em que as variáveis geofísicas são trabalhadas geoestatisticamente. Neste trabalho utilizam-se dados recolhidos num sistema com um método geofísico baseado no desfasamento originado pelo solo em ondas electromagnéticas, e no campo eléctrico

2 induzido. As variáveis registadas são a resistividade eléctrica aparente do solo, e a fase (i. é o desfasamento do campo electromagnético secundário - após atravessar o solo - em relação ao campo electromagnético primário - originado por uma fonte emissora longínqua). Escolheu-se como área de estudo uma região situada a cerca de 7 km de Albufeira, onde está implantada a antiga lixeira e actual aterro sanitário do Escarpão, local de deposição dos lixos provenientes do concelho e cujas infraestruturas estão longe de serem consideradas perfeitas. A área de estudo tem de dimensões 1km na direcção E-W, e 2 km na direcção N-S. Situa-se sobre os calcários bastante fracturados e carsificados do Escarpão do Jurássico Superior (J4-5) - calcários muito carsificados (calcários compactos, calcários com polipeiros, dolomitos e calcários margosos do Kimeridgiano e Portlandiano), assentando sobre margas e margas do Oxfordiano e Kimeridgiano inferior (J3-4). Nesta formação de calcários e dolomitos do Escarpão encontram-se formas endocársicas consideradas por ALMEIDA (1985) como as mais importantes e numerosas de todo o Algarve. Os calcários apresentam conexão hidráulica com outeras formações geológicas e pertencem à Unidade Hidrogeológica de Boliqueime-Quarteira. Do ponto de vista tectónico, a região é atravessada por diversas falhas, muitas delas não cartografadas nas cartas existentes. Métodos geofísicos Entre 1994 e 1996 foram realizadas campanhas geofísicas utilizando RMT-R (radio magnetoteluric-resistivity) (THIERRIN & MULLER, 1988). Este método é uma variante dos métodos de VLF tradicionais, com capacidade para utilizar frequências menores. Os princípios teóricos e o procedimento de campo para o método podem ser encontrados em (THIERRIN & MULLER, 1988) e TUBERG (1993). A interpretação dos pares de valores resistividade eléctrica-desfasamento em VLF permitem identificar a constituição do estrato amostrado, bem como indicar a ordem litoestratigráfica em função da resistividade do material que constitui as diversas camadas. A aplicação de técnicas VLF-R a meios cársicos esteve limitada pela sensibilidade e precisão dos aparelhos até início dos anos oitenta. MULLER alcançou, em 1982, resultados encorajadores da aplicação desta técnica em sistemas cársicos, baseados no desenvolvimento de aparelhos especificamente adaptados a estudos hidrogeológicos. Aperfeiçoamentos posteriores permitiram ao autor evoluir esta técnica por forma a operar com um maior leque de frequências (12 a 240 khz) (THIERRIN & MULLER, 1988). Este autores designaram esta técnica de muito baixas frequências de RMT-R. A profundidade alcançada relaciona-se inversamente com a frequência da fonte emissora. A profundidade de penetração (ou profundidade de pele) é descrita pela seguinte expressão: δ 2ρ = = 503 ωµ ρ 0 f em que µ 0 : permeabilidade magnética do vácuo = 4πE-7; ρ: resistividade eléctrica (Ohm m); ω: pulsação = 2πf (Hz), ƒ: frequência (Hz). Resultado em metros. (1)

3 Tratamento geoestatístico O semi-variograma é o operador estrutural utilizado na Geoestatística para quantificar a variabilidade espacial. Na essência, o variograma, substitui a distância Euclidiana, h, pela distância 2γ(h), que é específica do atributo e do local em estudo. A distância dada pelo variograma mede o grau médio de dissimilitude entre um valor não amostrado, z(u), e um valor amostrado vizinho z(u 0 ). Os conceitos geoestatísticos podem ser encontrados em publicações de referência (e.g., MATHERON (1970), JOURNEL (1976), JOURNEL (1987), ISAAKS E SRIVASTAVA (1989)). O formalismo e prática da variografia e krigagem tem sido aplicado por diversos autores a variáveis geofísicas (resistividade eléctrica e fases) (TUBERG, 1993, e referências nele citadas). Estima-se neste estudo o campo de permeabilidades potenciais. Identifica-se esta permeabilidade com a presença de canais condutores de água. Esta condução far-se-à ao longo das fracturas - desta forma quanto mais fracturado for o meio, tanto mais permeável será, pelo menos teoricamente. Os métodos geofísicos utilizados permitem apenas detectar fracturas que estejam preenchidas de material condutor (e.g., argila ou água). Significa isto que as variáveis geofísicas registadas são indicadoras da fracturação preenchida, pelo que a fracturação hidraulicamente condutora deve ser estimada assumindo que as fracturas se prolongam verticalmente e que o preenchimento é incompleto em profundidade. 2. TRATAMENTO DOS DADOS Os dados de RMT-R foram processados de duas formas distintas: i) inferência geoestatística dos dados originais para todo o campo de trabalho, seguida de inversão automática por forma a obter informação sobre a litoestratigrafia; ii) inversão automática dos dados originais, seguida de inferência para todo o campo de trabalho. Em ambos os casos os resultados foram codificados numa variável indicatriz, tal como definido em (1). Designou-se a primeira variável indicatriz por i(ρ α,r), e a segunda por k(ρ α,r). Os dados originais obtidos por registo das resistividades e fases no campo, na direcção N30, foram convertidos automaticamente em valores de profundidade de camadas e resistividade eléctrica. Foi utilizado modelo de inversão automática (FISCHER, 1985). Os dados assim obtidos foram então codificados e convertidos numa variável indicatriz. Nesta abordagem pretendeu-se caracterizar a área em estudo em termos das zonas potencialmente permeáveis, e não quantificar o valor deste parâmetro. Nesta fase não é quantificada a permeabilidade (tanto mais que esta formação só é permeável através das fracturas e canais). Pretende-se apenas identificar as áreas onde é possível existirem zonas de maior permeabilidade. Foram consideradas áreas potencialmente permeáveis aquelas em que o valor da resistividade fosse superior a 120 Ω m. Este valor deverá corresponder a calcários fracturados e parcialmente preenchidos por argila. A nova variável é, então, definida por:

4 1 se l( ρα,r) = 0 se ρ ρ ρ > ρ α α, l = i, k (2) A figura 1 apresenta os dois caminhos seguidos. i) Dados RMT-R ii) Variografia Krigagem Codificação (0,1) (expressão (2)) Inversão automática Variografia Krigagem Dados estratigráficos Dados estratigráficos Codificação (0,1) (expressão (2)) Inversão automática i( ρ α,r) Representação gráfica k(ρ α,r) Figura 1. Duas opções estudadas para inferência e codificação dos dados RMT-R. 3. RESULTADOS Foram registados valores de resistividade e fase nas frequências de 19 khz, 77,5 khz e 183 khz, na direcção N30. A profundidade de penetração, de acordo com a expressão (1), na frequência 19,0 khz, deverá ter sido de cerca de 40 m. Pelo que se utilizará este valor para todos os cálculos Perfil A Perfil B Perfil C

5 Figura 2. Localização dos pontos de amostragem; desenho aproximado da localização e forma do aterro de Albufeira (unidades UTM). Na figura 2 estão representados os pontos de amostragem de todas as campanhas geofísicas realizadas entre 1994 e É também dada uma imagem aproximada da configuração e localização do aterro municipal de resíduos sólidos urbanos de Albufeira. Inferência da variável i(ρ α,r) As variáveis originais foram estimadas numa malha regular de pontos (40 x 40 m) por forma a inferir todo o campo. Os dados assim obtidos foram então invertidos recorrendo ao programa de inversão. A figura 4 apresenta as imagens obtidas por krigagem, utilizando os modelos de variogramas descritos adiante. Os modelos de semi-variograma ajustados aos dados disponíveis mostraram uma forte anisotropia geométrica: as distâncias de autocorrelação espacial são muito superiores na direcção N-S, em comparação com a direcção W-E. Superfícies do variograma (distâncias de autocorrelação espacial) são apresentados na figura 3. a) b) Figura 3. Superfícies do variograma (distâncias de autocorrelação espacial) dos valores da resistividade e fase para a frequência 183 khz. É evidente uma forte anisotropia geométrica. Os parâmetros dos modelos dos semi-variogramas teóricos são apresentados na tabela 1. Tabela 1. Parâmetros dos modelos de semi-variogramas teóricos para os dados de RMT. Todos os h modelos ajustados são do tipo esférico, sem efeito de pepita ( γ ( h) = C1 Esf a ). Frequência (khz) 183,0 77,5 19,0 Fase Fase Logresistividade Logresistividade Logresistividade Direcção C 1 a C 1 a C 1 a C 1 a C 1 a C 1 a 0 0, ,0 50,19 200,0 0, ,0 39,65 183,6 0, ,0 24,7 112,0 45 0, ,0 50,19 80,0 0, ,0 39,65 120,0 0, ,0 24,7 104,0 90 0, ,5 50,19 130,0 0, ,0 39,65 150,0 0, ,0 24,7 68, , ,0 50,19 111,8 0, ,0 39,65 78,7 0, ,6 24,7 80,0 Fase O modelo de inversão automática permitiu estimar a estratigrafia do local em estudo, pelo que a codificação definida por (2) foi realizada em profundidade, de metro a metro. Na figura 4 são apresentados os perfis de direcção W-E, obtidos por krigagem ordinária da

6 variável i(ρ α,r). A zona central dos perfis coincide com a posição do aterro sanitário de Albufeira. Perfil A Perfil B Perfil C Figura 4. Estimativa da variável i(ρ α,r). Perfis A, B, C, segundo a direcção E-W na área em estudo (ver figura 3). A linha define o valor 0,5, i. é, acima desse valor é mais provável encontrar substrato não permeável (não indica directamente a probabilidade de encontrar material não permeável). Inferência da variável k(ρ α,r) Neste caso os dados originais são invertidos e codificados segundo (2) antes do tratamento geoestatístico. Tal como no caso anterior, o modelo de inversão automática permitiu estimar a estratigrafia do local em estudo, pelo que a codificação definida por (2) foi realizada em profundidade, de metro a metro. A figura 6 apresenta as imagens obtidas por krigagem, utilizando os modelos de variogramas descritos nos parágrafos seguintes. Esta variável apresentou isotropia nas direcções horizontais, em contraste com uma forte anisotropia vertical (a x,y 200 m; a z 80 m, c.f., figura 5). γ(h) h γ(h) h a) b) Figura 5. Variogramas experimentais da variável k(ρ α,r). a) Direcção E-W; b) direcção vertical. O modelo de variograma ajustado, de tipo esférico, com apenas uma estrutura, ficou, então definido por (3): h γ ( h) = 0, 245 Esf a se h 200 (3) γ ( h) = 0, 245 se h 200

7 com a = 200 m para as direcções horizontais (N-S e E-W), e a = 80 m para a direcção vertical. A inferência para a totalidade do campo foi realizada por krigagem ordinária tridimensional. Na figura 6 são apresentados três perfis de direcção W-E ao longo do campo de estudo. A localização dos perfis é dada na figura 2. Perfil A Perfil B Perfil C Figura 6. Estimativa da variável k(p α,r). Perfis A, B, C, segundo a direcção E-W na área em estudo (ver figura 2). A linha define o valor 0,5, i. é, acima desse valor é mais provável encontrar substrato não permeável (não indica directamente a probabilidade de encontrar material não permeável). 4. DISCUSSÃO Os resultados das variáveis i(ρ α,r) e k(ρ α,r) são semelhantes nas características de grande escala (identificação das grandes áreas de permeabilidade potencial), mas diferem significativamente no detalhe. A primeira preserva muita da variabilidade inicial dos dados, mostrando maior contraste; a variável k(ρ α,r), tem menor variabilidade e contraste. Os perfis evidenciam um nítido contrastes de resistividades: Uma zona central com permeabilidades mais elevadas, ladeado por áreas de menor permeabilidade. A interpretação dos perfis geofísicos e o reconhecimento geológico de campo confirmam este comportamento, pelo menos na superfície: a lixeira deverá assentar sobre um corredor de calcários bastante fracturados e carsificados, ladeada por margas e calcários margosos. O conhecimento da geologia do local não permite, nesta fase, indicar se uma variável é superior à outra. A variável k(ρ α,r) é muito menos exigente no tempo dispendido no cálculo de variografia (3 variogramas contra no mínimo 12 da variável i(ρ α,r)), bem como no tempo de processamento em computador. Desta forma, quando for apenas pretendida uma caracterização global, o método mais rápido pode poupar muito tempo e recursos. Se for pretendida uma definição mais rígida dos limites das formações, então o segundo método é preferível. Realça-se que quando forem necessários trabalhos de pormenor, os métodos tradicionais são os mais indicados. 5. AGRADECIMENTO Este trabalho insere-se no projecto: Modelação Geoestatística-Determinística da Poluição das Águas Subterrâneas (proj nº PEAM/P/GAG/223/93) apoiado financeiramente pela Direcção-Geral do Ambiente.

8 6. BIBLIOGRAFIA ALMEIDA, C.A. (1985). Hidrogeologia do Algarve. Dissertação para obtenção do grau de Doutor, Dep. Geologia, Faculdade de Ciências de Lisboa, Universidade de Lisboa. Lisboa, 333 pp. ISAAKS, E.H. & SRIVASTAVA, R.M. (1989). Applied Geoestatistics. Oxford University Press, N.Y., 559 pp. FISCHER, G. (1985). Some remarks os the behavior of the magnetotteluric phase. Geological Prospecting, 33, GRETILLAT, P.A., BOUYER, Y. & MÜLLER, I. (1987). Un exemple d utilization de la geophysique electromagnetique (VLF et bopole) pour l etude de la fracturation au nord de la source karstique de la Noiraigue (Jura Neuchatelois). Bull. Centre d Hydrogeologie, 7, JOURNEL, A.G. (1976). Les krigages en termes de projections, Centre de Morphologie Mathématique, Ecole des Mines de Paris, Fontainbleau, 43 pp. JOURNEL, A.G. (1987). Geoestatistics for the Environmental Sciences. Project No. CR Env. Monitoring Systems Lab., Stanford Univ., Las Vegas, 135 pp. MATHERON, G. (1970). La Théorie des variables régionalisées, et ses applications. Fascicule 5. Centre de Morphologie Mathématique, Ecole des Mines de Paris, Fontainbleau, 212 pp. MÜLLER, I., WILHELM, S. & INTCH, R.A.M. (1995). Réflexions sur les résultats obtenus par l enregistrement en continu des paramètres géophysiques, électromagnetiques (VLF-EM) et magnétiques, pour l exploration hydrogeologique des aquifères karstique (grotte de Milandre, Jura, Suisse). Bull. Soc. Neuchâteloise des Sci. Naturelles, 118, THIERRIN, J. & MÜLLER, I. (1988). La méthode VLF-Résistivité multifréquence, un exemple d exploration hydrogéologique dans un synclinal crétace à la Brévine (Jura neuchâtelois). - Quatrième Coll. Hydrol. en Pays calcaires et en milieu fissuré, Besançon, 29/9-1/10/1988, Ann. sci. Univ. Besançon, Mém. H.S. 6, TURBERG, P. (1992). Méthodes géophysiques appliqés à la l hydrogeologie: Electromagnetisme - Introduction a la magneto-tellurie artificielle en domaine de frequence. Univeesité de Neuchâtel, Centre d Hydogeologie.

9 TURBERG, P. (1993). Apport de la cartographie radiomagnetotelurique a l hydrogeologie des millieux fractures. These Docteur ès Sciences. Centre d hydrogeology de l institut de Geologie. Université de Neuchatel.