Tenth International Congress of the Brazilian Geophysical Society. Universidade de São Paulo IO-USP

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1 Investigações geofísicas em áreas submersas rasas: qual o melhor método? Luiz Antonio Pereira de Souza 1 laps@ipt.br Roberto Bianco 2 robianco@terra.com.br Moysés Gonsalez Tessler 3 mgtessle@usp.br Otavio Coaracy Brasil Gandolfo 1 gandolfo@ipt.br 1 Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo IPT; 2 Instituto de Pesquisas Hidroviárias INPH; 3 Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo IO-USP Copyright 2007, SBGf - Sociedade Brasileira de Geofísica This paper was prepared for presentation at the 10 th International Congress of The Brazilian Geophysical Society held in Rio de Janeiro, Brazil, November Contents of this paper were reviewed by the Technical Committee of the 10 th International Congress of the Brazilian Geophysical Society and do not necessarily represent any position of the SBGf, its officers or members. Electronic reproduction, or storage of any part of this paper for commercial purposes without the written consent of the Brazilian Geophysical Society is prohibited. Abstract The objective of this article is to discuss and assess the applicability of geophysical methods by focusing on seismic methods in studies conducted in shallow waters. Criteria to help to select the most appropriate geophysical method to solve geological or geotechnical issues must be established to minimize problems, particularly environmental ones. The focus on shallow waters was driven by the lack of systematic data and the demand for geological and geotechnical knowledge in these areas, due to the concentration, in these sectors, of the main economic activities of our current society like projects of ports, moles, ducts, marinas, bridges, tunnels, fishing activities, beach regeneration, mineral prospecting, waterways, dredging and reservoirs. In any of these topics, basic geological knowledge of the bottom and sub bottom of water-covered areas is essential to ensure the success of the project. Considering this, geophysical methods, particularly seismic ones, are investigation tools that effectively contribute to generate new information, and are the only set of tools available to quickly and objectively provide enough data to improve the geological understanding of the area under investigation. Keywords: geological oceanography; shallow stratigraphy; shallow investigation; applied geophysics; shallow seismic surveys; side scan sonar; bathymetry; continuous seismic profiling; acoustic sources; sedimentary structures Introdução Os métodos sísmicos tem se destacado quando se trata da investigação de áreas submersas. Todavia não são poucas as opções existentes atualmente com relação ao tipo de fonte acústica a ser empregada num levantamento sísmico. Cada uma das fontes acústicas disponíveis possui características específicas e aplicações diretamente relacionadas com estas propriedades. Assim a decisão pelo emprego de uma ou de outra está diretamente relacionada ao objetivo da investigação não se tratando, portanto de procedimento trivial. Observa-se, em várias situações, durante o desenvolvimento de projetos de investigação de áreas submersas, que opções equivocadas têm sido adotadas com conseqüentes prejuízos financeiros e técnicos aos empreendimentos. Uma análise criteriosa se faz necessária para garantir o sucesso do método sísmico empregado. Fontes acústicas que emitem espectros de freqüências abaixo de 2 khz (boomers e sparkers) devem ser empregadas quando há necessidade de se conhecer espessuras de pacotes de sedimentos arenosos ou a profundidade do embasamento rochoso. Por outro lado, quando da necessidade de informações sobre a espessura das camadas de sedimentos finos próximos à superfície, fontes acústicas que emitem sinais com freqüências entre 2 e 20 khz são as que oferecem os melhores resultados. Fontes do tipo SBP 3.5 khz, 7 khz, chirp de baixa potência, entre outras, tem sido utilizadas sem sucesso na investigação, por exemplo, de leitos de rios, em apoio a projetos de implantação de dutos. Boomers e sparkers constituem excelentes fontes acústicas para a investigação de pacotes sedimentares espessos, todavia, deixam a desejar quando o objetivo é a definição das camadas superficiais de sedimentos finos, visando, por exemplo, a coleta de dados para suporte a projetos de dragagem. Com estes objetivos, até mesmo ecobatímetros de baixa freqüência (15-35 khz) podem oferecer resultados satisfatórios em algumas situações (Figura1). Figura 1: Perfil obtido com um Ecobatímetro da Kongsberg de freqüência de 33 khz mostrando camada de lama com cerca de 3 m de espessura. Registro cedido pela Kongsberg. Assim, o emprego dos métodos geofísicos, sísmicos ou não, carece de uma revisão crítica do ponto de vista da sua aplicabilidade, em especial quando se trata da investigação de áreas submersas rasas. A investigação de áreas submersas rasas Na investigação de áreas submersas o emprego dos métodos geofísicos tem relevância especial, tendo em vista as inerentes dificuldades de se investigar estes ambientes, ante os naturais limites de acesso aos locais de interesse. A investigação geofísica de áreas submersas pode ser abordada sob dois pontos de vista. Um primeiro é relativo à investigação da superfície de fundo propriamente dita, e diz respeito à caracterização geológica destas superfícies. O mapeamento de Tenth International Congress of the Brazilian Geophysical Society

2 INVESTIGAÇÕES GEOFISICAS EM ÁREAS SUBMERSAS RASAS: QUAL O MELHOR MÉTODO? 2 afloramentos rochosos e de feições sedimentares ou estruturais e até mesmo a localização de embarcações naufragadas, são algumas das características identificadas em estudos que priorizam a caracterização de superfícies de fundo. A delimitação do traçado de dutovias, de hidrovias e de áreas favoráveis para instalação de bota-foras, são alguns exemplos de projetos nos quais a prioridade de investigação é a caracterização de superfícies de fundo. Com estes objetivos, ecobatímetros de altas freqüências (simples, dupla ou multifeixes) e o sonar de varredura lateral constituem os principais métodos geofísicos empregados. A imagem mostrada na figura 2 ilustra um excelente exemplo de aplicação do sonar de varredura lateral. Nesta figura observa-se nitidamente o contato entre dois tipos de fundo: afloramento rochoso de um lado e a cobertura sedimentar do outro. Outros exemplos da importância da caracterização das superfícies submersas visando a escolha de rotas para instalação de dutos pode ser visto em IPT (2002, 2005) e Souza (1988, 2006). se a condutividade elétrica do meio (água e sedimentos) for elevada. Os métodos elétricos necessitam de um pósprocessamento dos dados, utilizando programas de inversão, para quantificar os resultados. A quantificação dos dados é de fundamental importância, tendo em vista as exigências dos projetos de engenharia que comumente se utilizam dos resultados de levantamentos geofísicos. Mesmo dentre os métodos sísmicos, critérios adequados devem ser adotados ao optar-se pela utilização de uma determinada fonte acústica. Fontes acústicas possuem algumas propriedades que são específicas de cada uma delas, a se destacar, espectro de freqüências emitido e energia (potência), que as credenciam para serem aplicadas a objetivos distintos. Fontes acústicas que emitem espectros com freqüências superiores a 2 khz comumente não oferecem resultados satisfatórios quando da investigação de ambientes com sedimentos predominantemente arenosos e/ou cascalhosos. Nestas condições, fontes do tipo sparkers ou boomers possibilitarão a obtenção de resultados mais representativos. O gráfico ilustrado na figura 3 mostra, por exemplo, as limitações de penetração de uma fonte acústica do tipo 3,5 khz em função das características geológicas da superfície de fundo. Figura 2: Imagem obtida no rio Paraná (SP) por meio do sonar de varrredura lateral, ilustrando, o nítido contato entre um fundo com textura lisa e homogênea interpretado como cobertura sedimentar, e um fundo com textura rugosa, característico de afloramentos rochosos. (Souza, 2006). Outro ponto de vista de abordagem da investigação de áreas submersas é relativo à investigação da subsuperfície de fundo, e neste caso o objetivo é dar suporte a projetos em que informações sobre a espessura da coluna sedimentar ou a profundidade do embasamento rochoso são fundamentais. Delimitação da espessura das camadas sedimentares visando cálculos de cubagem de material para dragagem, profundidade do embasamento rochoso em projetos de pontes, portos, barragens, são alguns exemplos de estudos que exigem informações de subsuperfície. Com esta finalidade, vários métodos geofísicos tem sido utilizados, a se destacar os métodos sísmicos que utilizam fontes acústicas do tipo boomer, sparker e chirp que possibilitam em tempo real a observação direta das camadas sedimentares de até dezenas de metros de espessura. Métodos elétricos (eletrorresistividade) e eletromagnéticos (GPR) têm sido aplicados em estudos desta natureza, todavia ainda oferecem resultados que fornecem menor resolução do que os métodos sísmicos, não podendo, desta forma, substituí-los. Devem ser utilizados de forma conjunta, complementando-os. O GPR, ainda que possibilite a visualização dos dados em tempo real, pode não alcançar os objetivos desejados Figura 3: Desempenho da fonte acústica modelo GeoPulse Pinger 3.5 khz, da Geoacoustics: penetração esperada (em azul) e a variabilidade possível (em vermelho) para a relação penetração do sinal acústico x tipo de fundo. Modificado de: (Souza, 2006). Como pode ser observado no gráfico da figura 3 o poder de penetração dos sinais emitidos por uma fonte sísmica (no exemplo, uma fonte de 3,5 khz) diminui drasticamente com o aumento da granulometria dos sedimentos que compõem a cobertura sedimentar. Assim, na investigação de depósitos sedimentares compostos basicamente de sedimentos arenosos (areias e cascalhos) com espessuras superiores a 8-10 m, fontes acústicas de maior energia e que emitem espectros com freqüências inferiores (< 2 khz) se fazem necessárias. Fontes do tipo boomer e chirp estão entre as mais indicadas, neste caso. O exemplo ilustrado na figura 4 mostra um excelente perfil de subsuperfície obtido com uma fonte acústica do tipo boomer, no canal de Santos. Este registro permite observar a extensão do afloramento rochoso em profundidade, assim como camadas sedimentares superiores a 15 metros de espessura.

3 SOUZA, L A P.; BIANCO, R ; TESSLER, M G & GANDOLFO, O C B 3 Figura 4: Registro obtido por meio do emprego da perfilagem sísmica continua utillizando-se fonte acústica do tipo boomer. Canal de Santos, SP. Registro cedido pelo Geól. R. Bianco. O exemplo apresentado na figura 5 mostra o poder de resolução e de penetração de três distintas fontes sísmicas, utilizadas simultaneamente, ilustrando a importância de se estabelecer o objetivo da investigação, para então escolher a fonte acústica apropriada. Figura 5: Perfil sísmico executado com emprego simultâneo de três fontes acústicas distintas: a) pinger (24 khz); b) chirp (2-8 khz) e; c) boomer ( khz). Observa-se nitidamente nestes perfis o desempenho diferenciado das três fontes acústicas utilizadas, com relação à penetração do sinal nos estratos sedimentares subjacentes. No perfil A obtido com o pinger (24 khz) e no perfil B obtido com o chirp (2-8 khz) se evidencia na superfície uma anomalia na topografia de fundo que somente no registro C, obtido com uma fonte acústica do tipo boomer, pode ser correlacionada com a existência de um corpo rochoso em subsuperfície, permitindo inclusive seu dimensionamento (Souza, 2006). Discussão e Conclusões A discussão proposta neste artigo permite concluir que para um adequado desenvolvimento de estudos geológicos e/ou geotécnicos em áreas submersas rasas é fundamental proceder primeiramente uma análise criteriosa com relação ao método geofísico a ser utilizado. A melhor solução para o problema geológicogeoténico será encontrada se três questões básicas forem devidamente avaliadas: 1) Qual é o objetivo do empreendimento?; 2) Quais são as profundidades a serem investigadas?; 3) Qual o tipo de material a ser atravessado pelos sinais acústicos? Nas áreas submersas rasas, subsídios relevantes a projetos como, por exemplo, instalação de dutos e de portos, dentre outros, serão obtidos com o emprego de métodos sísmicos que utilizam fontes acústicas de alta energia e que emitam sinais acústicos com freqüências inferiores a 2 khz, de forma a garantir a penetração do sinal nas camadas sedimentares para obtenção de dados relativos à conformação do embasamento ao longo do trecho investigado. De uma maneira geral poderíamos classificar os métodos geofísicos disponíveis, para aplicação em ambientes de águas rasas, da seguinte forma: a) Ecobatimetria/Sonografia: ecobatímetros de uma ou duas freqüências, ou multifeixes e sonar de varredura lateral, constituem um grupo de métodos sísmicos que comumente emitem sinais acústicos com freqüências superiores a 30 khz e são empregados quando o objetivo é caracterizar a morfologia da superfície de fundo, através da identificação de feições como afloramentos rochosos, estruturas sedimentares, feições estruturais, como falhas e lineamentos e, até mesmo, a localização de embarcações naufragadas, neste caso dando suporte a operações de busca ou salvamento; b) Perfilagem Sísmica Contínua com prioridade para resolução: métodos sísmicos que utilizam fontes acústicas que emitem sinais com freqüências entre 2 e 30 khz (SBP 3.5 khz, 7 khz, 15 khz, chirp de baixa potência (2-10 khz) e pinger (24 khz) entre outras), permitem caracterizar com precisão a espessura das camadas de sedimentos finos inconsolidados (lamas e, no máximo, areias finas), dando suporte, desta forma, a obras de dragagem de manutenção em áreas portuárias e hidrovias, de lagoas de decantação, a estudos de assoreamento de reservatórios, entre outros projetos de natureza semelhante; c) Perfilagem Sísmica Contínua com prioridade para penetração: este contexto reúne métodos sísmicos que utilizam fontes acústicas que emitem sinais com freqüências abaixo de 2 khz e, desta forma, garantem a adequada penetração na coluna sedimentar. Sparker, boomer, chirp de alta potência, estão entre as principais fontes acústicas utilizadas com estes objetivos, bem representados pelos exemplos das Figuras 5, 6 e 7.

4 INVESTIGAÇÕES GEOFISICAS EM ÁREAS SUBMERSAS RASAS: QUAL O MELHOR MÉTODO? possível das antenas com a superfície d água ou, idealmente, utilizarem-se antenas mergulhadas na coluna d água, próximas à superfície de fundo. A figura 8 mostra um perfil obtido em que foram adotados estes procedimentos. 4 Figura 6: Registro obtido com emprego de perfilador sísmico com fonte acústica tipo boomer (Bianco, Souza & Cunha, 2003). Este exemplo da Figura 6 mostra a potencialidade do método de perfilagem sísmica com o uso de fonte tipo boomer, em projeto de dragagem de aprofundamento e de derrocagem submarina, na área da Pedra das Palanganas, no Porto de Paranaguá PR. Tal método, ao ser capaz de indicar, com grande perfeição, o contorno do topo do embasamento rochoso sotoposto pelas seqüências sedimentares com até dezenas de metros de espessura, torna possível identificar e resolver eventuais interferências à navegação ou ao projeto de expansão do porto propriamente dito. Outro exemplo do excelente desempenho de fontes acústicas que emitem sinais com freqüências inferiores a 2 khz pode ser observado no perfil de ótima qualidade mostrado na figura 7, que foi obtido em projeto de dragagem no Porto Naantali, no Mar Báltico, nos arredores do arquipélago Sea, golfo da Finlândia. A fonte acústica utilizada foi um boomer (C-Boom) acoplado ao sistema MD DSS da Meridata. Figura 8: Registro de GPR (antena de 500 MHz mergulhada na coluna d água), de excelente qualidade, obtido no rio Waal, Holanda, mostrando as principais feições geológicas do substrato do rio (topografia de fundo e estratos sedimentares rasos) além da localização de dutos enterrados, objetivo principal do levantamento executado. Registro cedido pela Dra. P.P. Kruiver, da CSO Adviesbureau voor Milieuonderzoek e pelo Instituto Rijkswaterstaat (Holanda). A eletrorresistividade pode apresentar resultados satisfatórios na investigação de áreas submersas rasas, desde que as seções modeladas com a inversão dos dados, sejam interpretadas em conjunto com as seções sísmicas, obtidas pela ecobatimetria e perfilagem sísmica contínua. Deve ainda ser avaliado, em termos de procedimento de campo, logística de levantamento e as características do ambiente da investigação (espessura da lâmina d água, natureza do material de fundo etc.) e a melhor forma de aquisição dos dados de eletrorresistividade: com cabos rebocados na superfície ou dispostos diretamente sobre o fundo do corpo d água. Finalmente, ressalta-se que seja qual for o método geofísico escolhido para investigação de ambientes submersos rasos, sempre será importante a associação de dois ou mais métodos geofísicos, de preferência complementando e cruzando os resultados destes estudos com sondagens e testemunhagens do substrato investigado. Referências Figura 7: Perfil obtido com o sistema MD DSS da Meridata utilizando um boomer (C-Boom) como fonte acústica. Registro cedido pela Meridata (Finlândia). Quando se trata da investigação da subsuperfície de áreas submersas, alguns métodos elétricos (eletrorresistividade) e eletromagnéticos (GPR) têm sido utilizados com sucesso, como métodos de apoio à caracterização do ambiente investigado. O GPR ainda não se constitui em método estabelecido para a investigação de áreas submersas, devido a algumas de suas limitações, dentre as quais destaca-se a baixa penetração. Portanto para sua utilização neste contexto devem ser adotados procedimentos operacionais adequados para se garantir o melhor resultado, destacando-se a garantia do melhor acoplamento Bianco, R., Souza, L. A. P. & Cunha, A. G. N., Sísmica rasa e sonar de varredura lateral aplicados a projetos de dragagem e derrocagem submarina. 8 th International Congress of the Brazilian Geophysical Society, Rio de Janeiro (RJ). Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo-IPT Levantamento geofísico com o sonar de varredura lateral para mapeamento da superfície de fundo de um trecho do porto de Suape, PE. Microars Consultoria e Projetos. Relatório Técnico IPT nº p. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo-IPT Levantamentos sísmicos (ecobatimetria, sonografia e perfilagem sísmica contínua) em apoio a obra de implantação de duto sob o rio São Francisco SE/AL. Geo-radar. Relatório Técnico IPT nº p.

5 SOUZA, L A P.; BIANCO, R ; TESSLER, M G & GANDOLFO, O C B Souza, L.A.P As técnicas geofísicas de Sísmica de Reflexão de Alta Resolução e Sonografia aplicada ao estudo de aspectos geológicos e geotécnicos em áreas submersas. In: Congresso Brasileiro de Geologia, 35. Belém, PA, 6 a 13 de novembro de Anais, 4: Souza, L.A.P Revisão crítica da aplicabilidade dos métodos geofísicos na investigação de áreas submersas rasas. Tese de Doutorado. Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo. 311p. Souza, L. A. P.; Bianco, R.; Gandolfo, O. C. B.; Cordeiro, R.P. & Tessler, M.G A investigação geofísica em projetos de dutovias. Anais do II Simpósio Brasileiro da SBGf Natal CD. 5