Mapeamento do campo experimental de Geofisica (CEG) da FEUP pelo método da resistividade elétrica

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1 Mapeamento do campo experimental de Geofisica (CEG) da FEUP pelo método da resistividade elétrica Coordenador geral: Armando Sousa Projeto FEUP 2013/2014 MIEMM e LCEEMG: Coordenador de Curso: Manuel Vieira Equipa EMM24: Supervisor: Alexandre Leite Monitor: Miguel Mendenha José Pedro Gomes Estudantes & Autores: Ana Miranda up @fe.up.pt Beatriz Coelho up @fe.up.pt Daniel Vinhas up @fe.up.pt Frederico Ribeiro up @ fe.up.pt Inês Mesquita up @fe.up.pt João Ramalho up @ fe.up.pt Maria Pina up @ fe.up.pt YanZhang Wen up @ fe.up.pt

2 Resumo Ao longo do último mês, a nossa equipa do Projeto FEUP realizou um trabalho no campo experimental de Geofisica da FEUP, CEG, acerca da prospeção de solos através do método eléctrico da resistividade. Este projeto teve duas vertentes, uma mais focalizada na obtenção de dados no campo experimental e na pesquisa de informação na qual fomos auxiliados por técnicas adquiridas na semana de receção ao caloiro e, outra mais prática que consistiu na elaboração de um relatório, pôster e apresentação powerpoint. Agradecimentos A equipa agradece a todos os professores pela formação recebida nas palestras durante a semana de receção. Queremos deixar igualmente um especial apreço aos nossos monitores José Pedro Gomes e Miguel Mendenha. EMM24 Página 2

3 Indice Resumo...2 Agradecimentos..2 Lista de Figuras Introdução Breve definição de Geofisica Geofisica á escala mundial Geofisica Ambiental Métodos de mapeamento Método Eletromagnético Indutivo Radar de Penetração no solo (GPR) Método Sismico 9 6. Método da Resistividade Eletrica Resistividade elétrica Mobilização de iões em águas superficiais e subsuperficiais Arranjo Schlumberger Mapeamento do campo Trabalho prático Objetivo Processo Experimental Material Material utilizado no CEG Material utilizado na análise de resultados Procedimento Tabelas de dados obtidos Resultados Gráficos Conclusão Referências Bibliográficas EMM24 Página 3

4 Lista de figuras Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Figuras Figura 1: Estrutura da Terra Pág. 7 Figura 2:Testemunhos de sondagens Pág. 8 Figura 3: Imagem gerada por um GPR Pág. 9 Figura 4: Esquema de montagem de um sistema para medir a resistividade no solo Pág. 11 Figura 5: Esquema de campo para o Arranjo Schlumberger Pág. 12 Figura 6: Mapa do Campo Experimental de Geofisica Pág. 15 Figura 7: Resistivimetro Pág. 17 Tabelas Tabela 1: Valores aproximados de resistividade em função dos diferentes terrenos. Pág. 12 Tabela 2: Medições com terreno seco. Pág. 16 Tabela 3: Medições com terreno molhado. Pág. 17 Gráficos Gráfico 1: Contour Map Pág. 19 Gráfico 2: 3D Surface Pág. 19 EMM24 Página 4

5 1.Introdução Ao longo das últimas semanas, a nossa equipa realizou um projeto inserido numa área de conhecimento denominada geofisica. Este trabalho teve como principal meta a obtenção e a análise crítica de mapas da variabilidade espacial, em planta, da resistividade aparente do solo, numa zona definida do CEG da FEUP, recorrendo ao método da resistividade elétrica. O nosso grande objetivo, e expetativa, para este projeto era e deteção de metais algures enterrados no subsolo do CEG. Para o conseguirmos, realizamos um trabalho prático que necessitou de várias tardes para ser concluido. Á medida que a prospeção ao terreno era executada, a equipa teve de lidar com alguns imprevistos que afetaram, de algum modo, os nossos resultados nomeadamente, as condições climáticas e a disponobilidade dos elementos da equipa. Assim que a recolha dos dados do terreno foram todos retirados, a equipa realizou várias pesquisas para ganhar alguns conhecimentos acerca das matérias envolventes neste projeto a fim de poder analisar os dados recolhidos e retirar algumas conclusões. Este foi um trabalho que levou mais horas a ser concluido do que contavamos e que são o resultado do processo de trabalho em equipa: alinhamento dos elementos do grupo com os objetivos do trabalho e o modo de interação entre todos. Contudo, a equipa soube manter-se coesa e com a ajuda de alguns meios externos conseguimos passar por todos os momentos mais complicados e chegamos a uma conclusão final. EMM24 Página 5

6 2. Breve definição de Geofisica A geofísica é uma ciência que estuda a estrutura, a composição, as propriedades físicas e os processos dinâmicos da Terra. Um engenheiro/geólogo que trabalhe na geofísica investiga os fenómenos elétricos, térmicos, magnéticos, gravitacionais e sísmicos do planeta Terra. Com instrumentos especiais e leis da matemática, da física e da química, um geofísico estuda as forças que afetam a superfície, o subsolo e a atmosfera terrestre. Observa e calcula os movimentos do solo e do subsolo e pesquisa a origem e a atividade dos vulcões, a curvatura do planeta e outras características geofísicas do globo terrestre. Deteta e mede a intensidade de terramotos e maremotos, para além de investigar a estrutura das formações rochosas e as propriedades físicas e químicas dos mares. 3. A Geofísica à escala mundial Como já foi referenciado anteriormente a geofísica é a junção do estudo da Geologia e da física (disciplina que correlaciona e explica certos fenómenos naturais que sucedem na Terra e no espaço envolvente mais próximo), sendo esta dividida em dois semi campos: a geofísica externa (tudo o que acontece na crusta terrestre: a meteorologia, a oceanografia física e a hidrologia) e a geofísica interna (a geodesia, a sismologia, o magnetismo terrestre, a vulcanologia e a tectonofísica). A população mundial percebeu, desde 1960, que a questão ambiental além de ser uma questão científica é também de dimensão social e política deu início a debates públicos e internacionais, baseados no padrão de crescimento socioeconómico, que concluíram que, desde há dez anos para os dias de hoje, as intervenções antrópicas intensas (em especial a atividade industrial) no meio ambiente causam um número cada vez maior de impactos ambientais e como consequência admitiu-se ser necessário uma proposta alternativa de desenvolvimento e resolução de problemas até ao momento criados. A existência de áreas de deposição de resíduos sólidos (contaminantes), onde há suspeita de contaminação, não só do solo como de águas subterrâneas é, até agora, um dos maiores problemas a nível mundial. Assim, a Geofisica é uma das principais ciências para questões rlacionadas com o ambiente. A geofísica tem sido portanto de grande utilidade na prospeção do solos, tanto para instalação de áreas de disposição de resíduos como para verificar as condições de algumas destas áreas já existentes. Esta inspeção é mais concretamente a realização de estudos detalhados das características do meio físico (principalmente relacionadas à capacidade dos materiais em atenuar a carga de EMM24 Página 6

7 contaminantes e isolá-la de possíveis aquíferos e outros possíveis locais que contenham água), como o conhecimento dos materiais geológicos e dos seus arranjos espaciais e das características geotécnicas, hidrogeológicas e físico-químicas. Contudo o uso da Geofísica, aliada à informação geológica da superfície terrestre, não é apenas utilizada no diagnóstico de áreas contaminadas. Em levantamentos geofísicos obtém-se muitos mais dados relativos ao terreno em estudo como a informação das feições geológicas e hidrogeológicas dos locais investigados: mapas relativos á disposição de resíduos quanto a características do meio físico onde é possível identificarem o fluxo de águas superficiais e subterrâneas e o seu nível, a espessura e o volume de materiais consolidados e a presença de fraturas, e também nas relações entre resíduos e o local de disposição como deteção e delimitação da zona de influência e avaliação da intensidade de contaminação (no caso desta existir). 4. Geofísica Ambiental Investigação geofísica é o que permite a descoberta da variação das propriedades físicas do interior da Terra, tanto vertical como lateralmente. Assim sendo, dá-nos informações que permitem estudar a estrutura e composição do interior da Terra. Fig. 1 Estrutura da Terra ( Os métodos geofísicos são utilizados em diversos estudos, que variam entre a escala global até à exploração de regiões na crusta. Grande parte do conhecimento da estrutura e composição terrestre vem da observação geofísica: observação de ondas sísmicas, medições do campo magnético, medições do campo gravítico EMM24 Página 7

8 Houve, desde há cerca de 70 anos, um desenvolvimento nestes métodos (principalmente voltado para os depósitos minerais e prospecção de hidrocarbonetos). Durante este tempo criaram-se vários instrumentos e houve um grande avanço na interpretação dos dados. Para dar resposta ao enorme consumo de matérias-primas, a exploração geofísica tem-se feito a profundidades cada vez maiores. Mais recentemente, na última década começaram a existir modelagens a 3 dimensões. Ou seja, começou a ser possível a conversão de medições geofísicas de rochas do subsolo para imagens a 3D, o que permite uma melhor visualização e análise da informação disponível. Infelizmente, como a tecnologia é muito recente, é ainda limitada e não fornece modelos com grande nível de precisão. Alternativamente, é possível investigar a geologia do interior da Terra pelo uso de sondagens. No entanto, estas são dispendiosas e a sua informação é reduzida ao local da realização. As sondagens não podem ser dispensadas totalmente, mas, aplicando os levantamentos geofísicos, é possível reduzir a sua necessidade. Fig 2 Testemunhos de sondagens EMM24 Página 8

9 5. Métodos de mapeamento Existe uma grande variedade de métodos Geofisicos que podem ser utilizados nos estudos da Geofisica. A escolha de um método geofisico adequado ao estudo de um local tem, como é óbvio, a ver com o tipo de informação necessária para aquilo que se pretende analisar. Existem vários métodos geofisicos para a inspeção de terrenos. A seguir são enumerados e brevemente descritos os principais métodos geofisicos utilizados em trabalhos de Geofisica: 5.1 Método Eletromagnético Indutivo Este método baseia-se nos fenomenos fisicos de eletrecidade e magnetismo. Deste modo, aprospeção é feita através de um processo denominado como indução eletromagnética. O aparelho utilizado neste método é o condutivímetro. 5.2 Geo Radar (GPR) Este método caracteriza-se por ser um dos mais recentes e eficazes na investigação Geofisica. Possiblita mapeamento com alta resolução de feições e estruturas geológicas. Fig 3 Imagem gerada por um GPR 5.3 Métodos sismicos São métodos que utilizam a propagação de ondas elásticas. Têm tido um papel decisivo nos estudos relacionados com a Geologia de Engenharia e é dos métodos mais eficazes na inspeção a grandes profundidades. Veja-se, por exemplo, as jazidas pretoliferas que são detetadas através da sismica. EMM24 Página 9

10 6. Método da Resistividade Elétrica Este método consiste numa corrente eletrica artificial que é introduzida no terreno através de dois eletrodos. Deste modo, é possivel medir o potencial gerado em outros dois eletrodoscolocados simetricamente em relação a um ponto central. Através da relação que existe entre potencial eletrico, disposição geometrica dos eletrodos e corrente eletrica, é possivel calcular a resistência nos subsolos. Contudo, a resistividade dos solos é afetada por varios fatores dos quais salientam-se: composição mineralogica, teor de água e quantidade e natureza dos sais dissolvidos. De entre estes fatores, a água, é sem dúvida aquele que pode ser considerado mais influente. Note-se, que a existencia de água ou de pelo menos humidade nos solos é condição que permite a aplicação deste método. 6.1 Resistividade elétrica Resistividade eléctrica é a capacidade de qualquer corpo se por à passagem de corrente eléctrica mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada. A unidade SI usada é o Ωm (ohm por metro. Deste modo, quanto mais baixa for a resistividade de um material, mais facilmente este permite a passagem de uma carga eletrica. Note-se que diferentes materiais têm diferentes valores de reistividade, classificando-se assim como: condutores, semicondutores e isolantes térmicos A resistividade depende de vários factores, entre os quais: Temperatura - Metais (quanto maior a temperatura, maior a resistência) - Semicondutores (quando maior a temperatura, menor a resistência) Natureza do material Embora a resistência esteja directamente dependente da resistividade do material, é importante frisar que resistividade é uma propriedade de um tipo de material, enquanto que a resistência é medida em relação a um determinado objecto. A resistividade do solo depende essencialmente da composição do terreno, e uma vez que o solo raramente é homogêneo, a resistência do solo varia consoante a composicão do solo. A resistividade do solo geralmente é afetada também por fatores externos, tal como contaminação e compactação do solo. EMM24 Página 10

11 Os metais são exemplo de bons condutores, tendo baixos valores de resistividade, enquando que a borracha é exemplo de um mau condutor. As propriedades eléctricas do solo podem ser medidas de diversas formas, existindo assim vários métodos possíveis de serem utilizados. Fig. 4 Esquema de montagem de um sistema para medir a resistividade no solo Valores aproximados de resistividade em função dos diferentes terrenos Tabela 1 Natureza do Terreno Resistividade (em ohm.m) Terreno pantanoso 0 a 30 Lodo 20 a 100 Terra vegetal 10 a 150 Turfa húmida 5 a 100 Argila plástica 50 Terra calcária ou Argila compacta 100 a 200 Terra calcária do jurássico 30 a 40 Areia argilosa 50 a 500 Areia de sílica 200 a 3000 Solo rochoso nu 1500 a 3000 Solo rochoso nu coberto de relva 300 a 500 Calcário mole 100 a 300 Calcário compacto 1000 a 5000 Calcário gretado 500 a 1000 Xistos 50 a 300 Mecaxistos 800 Granitos e grés alterados 1500 a EMM24 Página 11

12 6.2 Arranjo Schlumberger Schlumberger. Aqui irá-se descrever-se suscintamente como é e como funciona o arranjo de No arranjo Schlumberger os quatro eletrodos são colocados em linha: dois eletrodos de potencial no meio e mais outros dois eletrodos de corrente nos extremos todos colocados simetricamente em relação a um ponto central. Como funciona: Como se pode observar na figura 5, a corrente eletrica é ejetada no solo através de dois eletrodos. A resposta é medida através da diferença de potencial. Assim, com os valores da corrente e do potencial é possivel calcular a resistividade dos materiais presentes no subsolo. É de referir ainda que quanto maior for a distância AM e NB (Figura 5), a prospeção é feita a maior profundidade. Isso deve-se ao facto de as linhas equipotenciais se interceptarem a maior profundidade porque as suas origens estão mais afastadas uma da outra. Utilidades: Podemos, através dos valores da resistividade prever a exixtencia de metais no subsolo. Fig. 6 Esquema de campo para o Arranjo Schlumberger EMM24 Página 12

13 7. Mapeamento do Campo Trabalho Prático 7.1 Objetivo A componente prática deste trabalho teve como principal meta a obtenção dos valores da resistividade no subsolo do campo experimental de Geofisica da FEUP (CEG). Para cumprir com este objetivo, a equipa seguiu um procedimento (que está devidamente descrito no ponto pág. 14) e recolheu todos os dados necessários para retirar algumas conclusões acerca da existência de metais enterrados no subsolo. Estes valores foram obtidos em pontos especificos. No final foi calculado o valor da resistividade aparente em todos os pontos e construiram-se 2 gráficos (pág. 18) que nos permitiram analisar toda a informação recolhida no CEG. 7.2 Processo experimental Este trabalho prático precisa de várias horas para ser concluido. A sua duração depende de muitos fatores entre eles: o número de medições por ponto e as condições climáticas. 7.3 Material Material utilizado no CEG 4 Eletrodos 4 Pregos metalicos 18 Estacas de madeira Pelo menos 1 elastico Fita métrica com 40 metros 1 Martelo 18 Estacas de madeira Resistivimetro Fio condutor Luneta Topográfica Material utilizado na análise dos resultados Computador: Programa Surfer 11 ; Microsoft Exel ; Microsoft Word EMM24 Página 13

14 7.4 Procedimento 1. Colocar a Luneta Topográfica num ponto escolhido estratégicamente 2. Assinalar esse ponto (P1) com um prego de madeira 3. Calibrar a Luneta Topográfica 4. Proceder á marcação dos 10 metros (P2) e colocar um prego de madeira nesse ponto 5. Girar a Luneta Topográfica a 90 graus 6. Marcar 20 metros (P3) e 40 metros (P4) nesta direção 7. Colocar uma estaca de madeira nestes dois pontos 8. Cortar toda a relva que se encontre na área delimitada pelos pontos P1 P2 E P4. 9. No ponto onde estava colocada a luneta topográfica colocar o 0 da fita métrica e esticá-la em direção á referência dos 10 metros. 10. De 2 em 2 metros espetar um prego de madeira. 11. Colocar a Luneta Topográfica no ponto P3 e repetir o passo anterior 12. Colocar a Luneta Topográfica no ponto P4 e repetir o passo Remover a Luneta Topográfica do terreno 14. Prender um elástico numa estaca e estica-lo em direção á estaca simetricamente oposta a esta 15. Colocar o resistivimetro em frente á primeira estaca 16. Medir 25 cm para cada lado desse ponto 17. Espetar duas espigas metálicas nesses dois pontos 18. A partir desses dois pontos, medir 3m para cada lado (sempre paralelo ás linhas de campo) 19. Espetar nesses dois pontos mais duas espigas metálicas 20. Ligar os eletrodos ao resistivimetro 21. Ligar os eletrodos às espigas metálicas 22. Selecionar no resistivimetro o número de medições que se pretende efetuar 23. Ligar o resistivimetro 24. Carregar no botão start 25. Registar o útimo valor a ser digitalizado 26. Repetir o mesmo processo para todos pontos 27. Calcular a resistividade aparente em cada ponto EMM24 Página 14

15 Fig. 7 Mapa do Campo Experimental de Geofisica (imagem fornecida pelos supervisores) 7.5 Tabelas de dados obtidos Tabela 2. Medições com terreno seco: Medição Coordenada X Coordenada Y Resistência Resistividade Aparente , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , EMM24 Página 15

16 Tabela 3. Medições com terreno molhado: Medição Coordenada X Coordenada Y Resistência Resistividade Aparente , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , EMM24 Página 16

17 7.6 Resultados Depois da obtencao dos valores da resistência em cada ponto, a equipa procedeu ao cálculo da resistividade aparente em cada ponto. O valor da resistividade aparente e dado pela fórmula: Em que: = R=Resistência (valor digitalizado no resistivimetro) a = 0,5 m b = 3 m Após o cálculo da resistividade aparente em todos os pontos procedeu-se á construção de duas tabelas de modo a organizar a informação. Essas tabelas constam nas páginas 15 e 16 deste relatório. Esta divisão é devida às diferentes condições metereológicas em que as medições foram feitas. Fig. 8 Resistivimetro EMM24 Página 17

18 7.6.1 Gráficos Após a recolha e o cálculo dos valores da resistência, a equipa recorreu ao programa Surfer para elaborar dois gráficos com as seguintes caracteristicas: Método de interpolação: kriging Nº máximo de pontos estimulantes: 6 Grelha: 0,5m 0,5m Eixos: Unidades metro Gráfico 1 - Contour Map y x Gráfico 2-3D Surface EMM24 Página 18

19 8. Conclusão Com a realização deste projeto, a equipa desenvolveu um trabalho intenso, do nosso ponto de vista. Contudo, com a aplicação da nossa metedologia de trabalho e com a contribuição de todos os elementos do grupo, conseguimos atingir o nosso grande objetivo, embora os resultados não estejam de acordo com as nossas expetativas. De um modo geral, esta unidade curricular de Projeto FEUP, ajudou-nos a desenvolver bastantes capacidades nomeadamente, o trabalho em equipa, assim como nos ofereceu uma excelente formação para a realização de um Projeto. No que diz respeito ao trabalho em si, a análise ao solo foi mais demorada do que pensávamos e demonstrou que o terreno do CEG é bastante homogénio. Tal situação deve-se ao facto de os nossos resultados finais, valores de resistividade aparente, se demonstrarem muito regulares em todo o campo, sem quase nenhuma zona claramente destacada. Contudo, existem algumas zonas no campo a ter em consideração entre as quais: no ponto (0,0) onde o valor da resistividade é muito elevado, o que nos leva concluir acerca da existencia de um material muito pouco condutor naquela zona. Para valores de x entre 14 e 16 e para valores de y entre 4 e 6 há uma zona onde o valor da resistividade é muito baixo logo concluimos que existe um metal condutor naquele local do campo. Dados estes resultados, a equipa teria sido a favor de recorrer antes a um radar de penetração no solo (GPR) que permite uma prospeção mais rápida, a maior profundidade e com muito mais resolução. EMM24 Página 19

20 9. Referências Bibliográficas Geofisica Ambiental IAG USP Acedido a 23 de Outubro Geofisica aplicada a deteção de contaminação do solo Acedido a 23 de Outubro Resistividade elétrica Acedido a 21 de Outubro GEOFÍSICA Guia do Estudante Acedido a 22 de Outubro INTRODUÇÃO Á GEOFISICA IAG USP Acedido a 22 de Outubro INTRODUÇÃO Site de utilizadores Universidade do Algarve Acedido a 23 de Outubro Geofísica In Infopédia [Em linha]. Porto: Porto Editora, [Consult ]. --- Acedido a 18 de Outubro EMM24 Página 20

21 Medição da Resistividade do Solo Fluke Acedido a 28 de Outubro Medição da resistividade do solo Revista o Setor Elétrico Acedido a 26 de Outubro Elis, Vagner Roberto, and Lázaro Valentim Zuquette. Caracterização geofísica de áreas utilizadas para disposição de resíduos sólidos urbanos. Brazilian Journal of Geology 32.1 (2008): ,Elis, V. R., & Zuquette, L. V. (2008). Caracterização geofísica de áreas utilizadas para disposição de resíduos sólidos urbanos. Brazilian Journal of Geology, 32(1), Acedido a 23 de Outubro Ver. Bras. Geof. Vol.26 no.2 São Paulo Apr./June Ensaios geofísicos no aterro sanitário de Cuiabá-MT --- Acedido a 16 de Outubro Ver. Bras. Geof. Vol.24 no.1 São Paulo Jan./Mar Sergio Junior da Silva Fachin I ; Felix Huber II ; Shozo Shiraiwa III ; Welitom Rodrigues Borges IV ; Renato Blat Migliorini ---- Acedido a 16 de Outubro (Lima et al., 1995; Elis, 1999; Aquino, 2000; Shiraiwa et al., 2002; Lago, 2004; Porsani et al., 2004) EMM24 Página 21

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