15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

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1 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental INTEGRAÇÃO DE MÉTODOS GEOFÍSICOS COM A SONDA MIP PARA CARACTERIZAÇÃO ESTRATIGRÁFICA DE UMA ÁREA CONTAMINADA Leandro Gomes de Freitas 1 ; Otavio Coaracy Brasil Gandolfo 2 ; Regis Gonçalves Blanco 3, Nestor Kenji Yoshikawa 4 ; Alexandre Muselli Barbosa 5 ; Daniel Carlos Leite 6 Resumo A integração de diferentes técnicas de investigação geoambiental é uma metodologia inovadora para a elaboração de modelos conceituais mais precisos em áreas contaminadas. Os resultados de levantamentos geofísicos pelos métodos de eletrorresistividade, sísmica e GPR foram comparados com perfis de condutividade elétrica do subsolo obtidos por meio da sonda de imageamento direto MIP. Os resultados demonstraram nítidas correlações no mapeamento dos estratos do terreno, cujas feições geológicas são caracterizadas por depósitos aluvionares quaternários sobrepostos aos sedimentos terciários da Bacia de São Paulo. Como os resultados de condutividade elétrica do subsolo podem variar em função de uma série de fatores, é recomendável integrar diferentes técnicas de investigação para minimizar incertezas e validar modelos conceituais em solos tropicais contaminados. Abstract Integration of different geoenvironmental investigation techniques is an innovative method to develop more accurate conceptual models of contaminated sites. The results of geophysical surveys by the electrical resistivity, seismic and GPR methods were compared with subsurface electrical conductivity profiles obtained by direct imaging probe MIP. The results showed clear correlations to map the subsurface strata, whose geological characteristics are quaternary alluvial deposits over the tertiary sediments of the São Paulo Basin formation. As the results of electrical conductivity of the subsurface may vary depending on a number of factors, it is recommended to integrate different investigation techniques to minimize uncertainties and to validate conceptual models of tropical contaminated soils. Palavras-Chave Geofísica, MIP, estratigrafia, modelo conceitual, áreas contaminadas Eng. Ambiental, Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - SP, (11) , lfreitas@ipt.br; Geofísico, Dr., Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - SP, (11) , gandolfo@ipt.br; Geólogo, Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - SP, (11) , rblanco@ipt.br; Geólogo, Dr., Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - SP, (11) , nestorky@ipt.br; Eng. Agrônomo, Msc., Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - SP, (11) , muselli@ipt.br; Tecnólogo Ambiental, Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - SP, (11) , dcleite@ipt.br; 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1

2 1. INTRODUÇÃO A problemática das áreas contaminadas é um tema de alta relevância na atualidade para o meio técnico científico relacionado às geociências e à engenharia ambiental. Os desafios envolvidos exigem conhecimentos multidisciplinares e o domínio de diversos métodos para o diagnóstico e a recuperação destes passivos ambientais. Os métodos tradicionais de investigação comumente envolvem técnicas invasivas tais como sondagens e instalação de poços de monitoramento para coleta de amostras de solo e água subterrânea. Apesar de efetivas, essas técnicas demandam tempo, logística e recursos consideráveis para a sua execução, tornando-se altamente custosas para a investigação de áreas extensas ou para programas de monitoramento de longo prazo, principalmente quando se requer uma resolução espacial com baixo grau de incerteza. Diversas técnicas têm sido incorporadas aos procedimentos de investigação geoambiental para melhorar e otimizar o diagnóstico destas áreas. Uma das estratégias já consagradas é a execução de levantamentos geofísicos, caracterizados como métodos não invasivos e não destrutivos. Dentre os principais parâmetros que podem ser obtidos pela geofísica, destacam-se informações sobre a estratigrafia do subsolo, profundidade do nível d água, profundidade do embasamento rochoso, presença de falhas ou fraturas, caminhos preferenciais de percolação de água subterrânea e outras feições geológicas de interesse. Podem ainda ser utilizados para a delimitação de plumas de contaminantes, localização de valas de resíduos, detecção de tambores e estruturas enterradas e determinação de vazamentos em tanques ou dutos (AQUINO, 1999). Mesmo com sua aplicabilidade comprovada, diversos fatores podem influenciar na interpretação das anomalias geofísicas, sendo necessária a combinação de mais de um método, ou a combinação com outras técnicas de investigação, para a elucidação de ambiguidades e consolidação de um modelo conceitual representativo. Conforme demonstrado por Mondelli (2008), melhores resultados podem ser obtidos, ainda, quando é possível integrar técnicas geofísicas com procedimentos de sondagem e imageamento direto do subsolo para avaliação das fontes e plumas de contaminação. Desde os anos 90, novas sondas de cravação e imageamento do subsolo, antes utilizadas apenas em ensaios de geotecnia, vêm sendo adaptadas para investigações geoambientais. Estas sondas permitem a obtenção de perfis característicos do subsolo, tais como litológicos, elétricos, de concentração de contaminantes e de parâmetros geotécnicos, de forma contínua e em tempo real. Alguns exemplos são os equipamentos RCPTu (Piezocone de resistividade) e o MIP (Membrane Interface Probe), que têm sido utilizados com sucesso para aquisição de dados em investigações de alta resolução (CRUMBLING, 2004). Conforme descrito por Riyis (2012), uma das ferramentas mais utilizada para esses ensaios nos EUA é o sensor de Resistividade ou Condutividade Elétrica (CE), comercializado pela empresa americana Geoprobe. Seus idealizadores publicaram alguns estudos a partir dos anos 90 (CRISTY et al, 1994) exemplificando a correlação da condutividade elétrica com os tipos de solo e com seu teor de argilominerais. Schulmeister et al (2003) detalham as vantagens do uso desta ferramenta para obter dados da estratigrafia de uma área, na qual além do perfil das camadas do subsolo, o sensor foi utilizado para fornecer informações sobre aquíferos e zonas preferenciais de fluxo (RIYIS, 2012). De acordo com estes autores, o sensor CE é uma ferramenta poderosa para o estabelecimento de um modelo conceitual hidrogeológico da área com grau de incerteza reduzido. Ainda segundo o mesmo autor, quando comparado com os métodos tradicionais de sondagem, o imageamento direto com o sensor de CE é mais eficiente, rápido, barato, de maior resolução e que obtém maior densidade de informações, sem prejuízo da qualidade desses dados. Neste contexto, o presente trabalho objetiva comparar os resultados de métodos geofísicos com os de uma sonda de imageamento direto do subsolo, utilizados para a caracterização litoestratigráfica do subsolo de uma área contaminada. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 2

3 2. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA ESTUDADA A área de estudo do presente trabalho esta localizada em um terreno de aproximadamente m 2, onde funcionou entre 1974 e 1997 uma Usina de Tratamento de Madeiras, no bairro do Jaguaré, São Paulo-SP (Figura 1). Neste terreno eram executados desde o corte, até a preservação química e armazenamento de dormentes de madeiras. Utilizava-se como produtos químicos o pentaclorofenato de sódio, o arseniato de cobre cromatado (CCA) e principalmente o óleo de creosoto, sendo que todos os compostos eram armazenados em tanques aéreos. Mapa das Subprefeituras da Cidade de São Paulo Subprefeitura da Lapa Figura 1. Localização da área de estudo no bairro do Jaguaré, São Paulo-SP. A área localiza-se na região de várzea do Rio Pinheiros e possui feições geológicas típicas de depósitos quaternários. A estratigrafia do subsolo é compostos por camadas de argila, areia e cascalho, com granodecrescência ascendente, sobrepostos por uma camada de aterro argilo arenoso de aproximadamente 2 m de espessura. Sob os sedimentos aluvionares encontram-se os depósitos terciários da Bacia de São Paulo. Em 2011, o Laboratório de Resíduos e Áreas Contaminadas (LRAC) do IPT realizou a investigação confirmatória do terreno, onde foi levantado o seu histórico e informações sobre os produtos químicos manipulados. Foram mapeadas as fontes potenciais de contaminação e realizadas sondagens para amostragem de solo. Como resultado obteve-se informações preliminares sobre a estratigrafia do terreno e a confirmação da contaminação do solo por hidrocarbonetos utilizados na preservação de madeiras. Foi constatada ainda a presença de óleo no material proveniente das perfurações, demandando assim a sequência de estudos no Gerenciamento de Áreas Contaminadas, com a execução da investigação detalhada da área. 3. MÉTODOS 3.1. Levantamentos Geofísicos Os levantamentos geofísicos foram realizados pela equipe de geofísica da Seção de Geotecnia do Centro de Tecnologia de Obras de Infraestrutura CT-OBRAS do IPT, no início do ano de O intuito destes levantamentos foi de auxiliar na caracterização do meio físico, bem como detectar eventuais resíduos ou tubulações enterradas e delimitar plumas de contaminação no solo e na água subterrânea, visando subsidiar a escolha dos novos pontos de investigação. Foi estabelecida uma malha composta de seis linhas (A, B, C D, E, F) concentrada no setor onde foi confirmada a presença de contaminação (Figuras 2). Os pontos da malha foram georeferenciados com um GPS diferencial, garantindo a precisão das medidas das coordenadas. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 3

4 Figura 2. Localização das linhas dos ensaios geofísicos realizados na área investigada. Foram utilizados os seguintes métodos geofísicos: - Eletrorresistividade: caminhamento elétrico com arranjo dipolo-dipolo, espaçamento entre eletrodos igual a 10 metros e 5 níveis de investigação em profundidade. - GPR (Ground Penetrating Radar): foi utilizado o equipamento RAMAC/Malä Geoscience com uma antena blindada de 250 MHz e espaçamento entre as medidas (traços) igual a 5 cm. - Sísmica: foram realizados oito levantamentos utilizando o método MASW (informação 1D), em uma linha de 84 metros de extensão, com deslocamento entre cada ensaio igual a 12 metros (indicada em lilás na Figura 2), possibilitando a elaboração de uma seção 2D (distância x profundidades). Foi utilizado um arranjo de 24 geofones de componente vertical, frequência igual a 4,5 Hz e espaçados de 2m. Para a geração das ondas superficiais foi utilizada uma marreta de 5 kg batendo contra uma placa metálica sobre o solo. No registro dos dados foi utilizado um sismógrafo modelo Geode, fabricado pela Geometrics Ensaios de imageamento direto com a sonda MIP Com base nos resultados da geofísica, foram locados seis pontos de cravação com a sonda MIP (MIP-01 a MIP-06) para a definição de uma seção representativa da área de ocorrência de anomalias elétricas resistivas obtidas pelo método geofísico (Figura 3). A profundidade máxima de perfuração foi até a condição impenetrável da sonda. N Figura 3. Alinhamento dos pontos de sondagens MIP. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 4

5 A sonda MIP, comumente utilizada para detecção de compostos orgânicos voláteis no subsolo, também permite a obtenção de dados em tempo real sobre os contatos litoestratigraficos, por meio de seu sensor de condutividade elétrica. Um dos objetivos da utilização desta ferramenta no presente estudo foi de caracterizar em detalhe as camadas estratigráficas do terreno. Por meio de um equipamento de cravação direta (direct push), a ponteira é cravada no terreno e envia sinais elétricos, através de um cabo, até o sistema de aquisição de dados na superfície. As medidas de condutividade elétrica são tomadas a cada 1,6 cm de cravação e os dados são automaticamente processados por um software e plotados em um gráfico 2D. Todos os ensaios seguiram os procedimentos da norma ASTM D7352 (ASTM, 2012). Este artigo dará enfoque à comparação dos dados obtidos pelos métodos geofísicos com os perfis de condutividade elétrica das camadas de solo gerados através da sonda MIP. Os resultados auxiliaram nas etapas seguintes do estudo, subsidiando a definição das camadas de interesse para investigação e amostragem de solo e água subterrânea. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO A seguir são apresentados os principais resultados obtidos pela geofísica e pelas sondagens com o MIP, bem como a integração dos dados e discussão dos resultados obtidos Levantamentos Geofísicos As Figuras 6, 7 e 8 apresentam as três seções modeladas de eletrorresistividade (linhas C, D, E, destacadas na Figura 2). Ficaram bem evidenciadas as anomalias de alta resistividade elétrica (em tons avermelhados) nas posições próximas à localização dos antigos tanques de produtos químicos. Estes resultados, aliados à constatação da presença de solos contaminados por hidrocarbonetos em estudo anterior, indicam que as anomalias resistivas podem ser associadas à contaminação do subsolo local, pois estas substâncias tendem a apresentar um comportamento eletricamente mais resistivo em relação ao terreno onde se encontram. Figura 6. Seção de caminhamento elétrico realizado na Linha C. Figura 7. Seção de caminhamento elétrico realizado na Linha D (mostrada na Figura 2). 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 5

6 Figura 8. Seção de caminhamento elétrico realizado na Linha E. O mapa da Figura 9 é o resultado da integração de todas as seções de caminhamento elétrico realizadas, considerando-se a profundidade de interesse entre 5 e 10 m, a fim de destacar em planta a abrangência da anomalia resistiva identificada nas seções (tons em roxoavermelhados), representadas por valores de resistividade maiores que 4 (log da resistividade). Esta área pode estar relacionada com a presença mais intensa de contaminantes, supondo-se o seu comportamento eletricamente mais resistivo. A Figura 10 apresenta um mapa de atenuação da onda eletromagnética, pela análise do sinal da onda direta, obtida pelo método GPR. Esta informação, que está relacionada à parte rasa da subsuperfície (até 2 m), foi sobreposta ao mapa de resistividade elétrica para comparação dos resultados. Figura 9. Mapa da anomalia resistiva identificada entre 5 e 10 m de profundidade. Figura 10. Mapa síntese com os resultados do GPR e da eletrorresistividade. Os pontos onde ocorre baixa atenuação do sinal (azul escuro e claro) sobre a mancha que representa os locais de alta resistividade elétrica (em vermelho e roxo), podem indicar os locais com presença mais intensa de contaminantes nas porções rasas em subsuperfície. O GPR apresentou limitações quanto à profundidade de penetração alcançada (~2 m), devido à presença de solos argilosos nas camadas superficiais do terreno. Com relação aos resultados do método sísmico, a inversão dos dados de cada uma das oito curvas de dispersão obtidas dos ensaios de MASW, resultou em oito modelos 1D (V S x profundidade), informação pontual que é atribuída ao meio do arranjo de 24 geofones. Reunindo-se os resultados destes modelos 1D, pode ser elaborada uma seção 2D que representa a distribuição da velocidade da onda de cisalhamento (onda S) em subsuperfície (Figura 11). Nesta figura é apresentada a correlação da seção MASW-2D (representada na Figura 2) com o perfil estratigráfico de 3 sondagens anteriormente realizadas nas proximidades da linha onde foi realizado o ensaio (PM-02, PM-03A e PM-07A). Esta comparação permite inferir que o aumento da velocidade da onda S (V S ) a partir de 5 m de profundidade, indicando um aumento de rigidez do material, pode estar correlacionado com a camada de areia grossa observada em algumas sondagens. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 6

7 Figura 11. Correlação da seção sísmica MASW-2D com informações das sondagens Ensaios de imageamento direto com a sonda MIP A seguir é apresentada a seção obtida por meio da integração dos seis perfis de condutividade elétrica do subsolo, obtidos a partir dos ensaios de imageamento direto com a sonda MIP (Figura 12). É apresentada também a interpretação estratigráfica do subsolo. Figura 12. Perfis de condutividade elétrica com as respectivas interpretações da estratigrafia do terreno. Os perfis apresentaram uma profundidade média de 14 m, limitada pela resistência de ponta crescente (aumento da dureza) dos materiais a partir desta profundidade. A condutividade elétrica para as camadas mais argilosas superficiais, localizadas até 4m de profundidade, variou entre 20 e 50 ms/m. Para as camadas arenosas, localizadas entre 3 e 9 m de profundidade a condutividade variou entre 10 e 20 ms/m. Detectou-se ainda a presença de lentes mais argilosas em meio à camada de areia, com condutividade aproximada de 30 ms/m. Já para a camada inferior, composta pelos depósitos terciários (abaixo de 9 m de profundidade), a condutividade variou de 20 a 120 ms/m. Este estrato também apresentou várias lentes e camadas argilosas. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 7

8 Os resultados mostram claramente a capacidade da ferramenta em delimitar a estratigrafia do subsolo através do contraste dos valores de condutividade elétrica obtidos para cada camada. Os resultados mostram ainda os detalhes do perfil geológico local, caracterizado por uma bacia sedimentar, com a presença de camadas de argila e areia intercaladas, situação comum nos sedimentos da Bacia de São Paulo (RICCOMINI et al., 2004) Integração dos resultados A seguir é apresentada a sobreposição dos perfis de condutividade elétrica obtidos pela sonda MIP (com a interpretação estratigráfica) sobre a seção sísmica MASW-2D (Figura 13). Esta sobreposição utilizou os pontos de MIP com posicionamento mais próximo possível das respectivas posições dos geofones na linha sísmica. Os dados apresentam uma nítida correlação, mostrando que a presença de materiais menos resistentes no topo da seção sísmica está relacionada às camadas mais argilosas e de maior condutividade elétrica nos perfis de MIP. Uma boa correlação também pode ser observada para o contato na transição entre os sedimentos quaternários arenosos e os sedimentos terciários, marcados pela transição de materiais menos condutivos e menos rígidos, para materiais de maior rigidez e com picos de condutividade elétrica mais acentuados. Figura 13. Sobreposição dos perfis de condutividade elétrica da sonda MIP sobre a seção MASW-2D. Foram integrados ainda os resultados dos perfis de condutividade elétrica da sonda MIP com os dados da seção de caminhamento elétrico mais próxima à linha do MIP (Linha C), utilizando os perfis das sondagens MIP-02, MIP-03, MIP-04 e MIP-05 (Figura 14). Figura 14. Sobreposição dos perfis elétricos do MIP sobre a seção de eletrorresistividade da Linha C. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 8

9 Os dados mostram que os valores maiores de resistividade elétrica estão associados aos sedimentos quaternários arenosos. Por se tratar de uma área contaminada, a presença de contaminantes orgânicos de características resistivas (como o creosoto) pode ter influência nos dados de condutividade elétrica na região saturada do solo. Os dados também apresentam boa correlação para a transição entre os sedimentos quaternários e os terciários, mostrando uma diminuição da resistividade a partir dos 10 m de profundidade. Esta correlação não é tão exata, podendo ser influenciada pela presença de contaminantes orgânicos, mais pesados que a água e com características resistivas, migrando para a camada inferior de sedimentos terciários, principalmente nas sondagens MIP-02 e MIP Incertezas e continuidade dos trabalhos As sondagens realizadas pelo método direct push na etapa anterior de investigação confirmatória apresentaram limitações para a caracterização da estratigrafia do local. Não foi possível penetrar a camada de sedimentos localizada a partir de 9 m de profundidade, devido à compacidade dos materiais. Ocorreram também defasagens na recuperação dos testemunhos de sondagem das camadas superficiais de solos moles. Estas limitações não permitiram uma boa caracterização inicial da estratigrafia do terreno, o que demandou o uso de técnicas diferenciadas na etapa de investigação detalhada. A partir da integração dos dados das técnicas de geofísica e MIP foi possível refinar o modelo conceitual da área de estudo e delimitar as regiões preferenciais para detalhamento das investigações. Deve-se ressaltar, porém, que conforme descrito por Mondelli (2008), a condutividade elétrica do subsolo pode variar em função de vários fatores, tais como: teor de umidade, porosidade, presença e concentração de contaminantes orgânicos ou inorgânicos, níveis de argila e mineralogia dos materiais. Neste contexto, nota-se a importância de se integrar diversas técnicas de investigação para calibração e validação das interpretações dos dados, tanto dos levantamentos geofísicos, como dos ensaios de imageamento direto do subsolo. Com base nos resultados obtidos foi estabelecida a distribuição da nova malha de amostragem de solos e de instalação de poços de monitoramento para a conclusão da etapa de investigação detalhada da área de estudo. 5. CONCLUSÕES O presente trabalho mostrou que os métodos geofísicos são uma ferramenta que permite a otimização do mapeamento preliminar de atributos do meio físico e de anomalias associadas a plumas de contaminação. O método sísmico (MASW) mostrou-se muito assertivo para a caracterização das principais camadas do subsolo. Já a técnica de caminhamento elétrico apontou, tanto em planta, quanto em profundidade (até 12 m), a presença de anomalias resistivas que podem estar associadas à ocorrência de contaminantes orgânicos (subprodutos do óleo creosoto). O método GPR apresentou, porém, resultados pouco esclarecedores devido à baixa profundidade alcançada e em função da presença de solos argilosos nas camadas superiores do terreno. Os ensaios de imageamento direto do subsolo com a sonda MIP mostram a capacidade desta ferramenta em delimitar a estratigrafia do subsolo através do contraste dos valores de condutividade elétrica obtidos para cada camada, resultados este corroborados pelas informações obtidas nas sondagens realizadas anteriormente no local. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 9

10 Conforme descrito por diversos autores, a condutividade elétrica do subsolo pode variar em função de uma série de fatores, sendo portanto fundamental integrar diferentes técnicas de investigação para melhorar as interpretações, principalmente ao se tratar de solos tropicais contaminados. A partir da integração dos dados foi possível refinar o modelo conceitual da área de estudo e delimitar as regiões preferenciais para o detalhamento das investigações. Este método permitirá um melhor modelamento das plumas de contaminantes e subsidiará uma tomada de decisão mais assertiva para a futura remediação da área. REFERÊNCIAS AQUINO, W.F. (1999). Métodos Geofísicos Aplicados à Investigação de Contaminação Subterrânea: Estudo de Casos. 4 O Congresso Brasileiro de Geotecnia Ambiental (REGEO 99). ASTM D (2012). Standard Practice for Direct Push Technology for Volatile Contaminant Logging with the Membrane Interface Probe (MIP). ASTM International, West Conshohocken, PA. CRUMBLING, Deana M. Summary of Triad Approach. U.S. Environmental Protection Agency Office of Superfund Remediation and Technology Innovation: Superfund Triad Support Team Disponível em MONDELLI, G. (2008). Integração de diferentes técnicas de investigação para avaliação da poluição e contaminação de uma área de disposição de resíduos sólidos urbanos. Tese de Doutorado, Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. São Carlos-SP, p. RIYIS, M.T. (2012). Investigação geoambiental com tomada de decisão em campo utilizando o piezocone de resistividade como ferramenta de alta resolução. Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia, Bauru-SP p. CHRISTY, Colin D., CHRISTY, Thomas D.; WITTIG, Volker. A Percussion Probe Tool for Direct Sensing of Soil Conductivity. Technical Paper Geoprobe System SCHULMEISTER, Marcia K.; BUTLER JR, James J.; HEALEY, John M.; ZHENG, Li; WISOCKY, Douglas A.; McCALL, G. Wesley. Direct-Push Electrical Conductivity Logging for High-Resolution Hydrostratigraphic Characterization. Ground Water Monitoring & Remediation 23, no 3: RICCOMINI, C.; SANT ANNA, L. G.; FERRARI, A. L Evolução geológica do Rift Continental do Sudeste do Brasil. In: MANTESSO-NETO, V.; BARTORELLI, A.; CARNEIRO, C.D.R.; BRITO NEVES, B.B. (eds.) Geologia do Continente Sul-Americano: evolução da obra de Fernando Flávio Marques de Almeida. São Paulo, Beca, p º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 10