Mapeamento do campo experimental de geofísica (CEG) da FEUP pelo método da resistividade eléctrica

Transcrição

1 Mapeamento do campo experimental de geofísica (CEG) da FEUP pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 2013/2014 MIEMM/LEEMG Coordenador geral: Armando Sousa Coordenador de curso: Alexandre Leite Equipa EMM14: Supervisor: Jorge Carvalho Monitor: José Pedro Gomes Estudantes & Autores: Diana Teixeira Flávio Rodrigues Patrícia Lima Diogo Coelho Joana Silva Pedro Costa Susana Almeida

2 Resumo Pretende-se com este trabalho, realizado no âmbito da unidade curricular Projeto FEUP, elaborar o mapeamento do campo de geofísica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, através de um método indireto, o método da resistividade eléctrica, mais concretamente o método de Schlumberger. Mostrar-se-á também neste trabalho, todo o trabalho prático realizado pelo grupo na recolha de dados a partir do terreno. Agradecimentos A equipa está grata a todos os oradores responsáveis pelas palestras da semana de receção, pois mostrou-se uma formação útil para a elaboração de todo o relatório. Agradecemos também aos professores envolvidos no projeto, Professor Alexandre Leite, Professor Jorge Carvalho, Professor José Rodrigues, e, como não poderia deixar de ser, ao nosso monitor, José Pedro Gomes. Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 2

3 Índice 1. Introdução 2. Resistividade eléctrica 2.1 Resistividade eléctrica Métodos de determinação da resistividade do solo Arranjo de Wenner Arranjo de Schlumberger Fatores que influenciam a resistividade 3. Descrição da actividade prática 4. Resultados 5. Conclusões Referências bibliográficas Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 3

4 1.Introdução Enquadrada na Unidade Curricular Projecto FEUP, foi proposta a realização do mapeamento do Campo Experimental de Geofísica (CEG) através do método da resistividade eléctrica. Com este trabalho procura-se compreender o método geofísico da resistividade eléctrica e as técnicas utilizadas no processo de recolha de dados de solos de forma não invasiva, experienciado no trabalho de campo realizado. O método da resistividade eléctrica, tal como outros métodos geofísicos, procura avaliar as condições geológicas locais, através de contrastes das propriedades físicas dos materiais. À necessidade de rapidez de avaliação e redução de custos, o método da resistividade eléctrica apresenta-se como uma excelente opção a vários sectores de actividade, na prospecção de contaminações subterrâneas, nas pesquisas e caracterizações geológica e hidrológica ou na detecção de resíduos. Este trabalho subdivide-se em duas partes. Na primeira, apresenta-se a componente teórica e na segunda a componente prática do estudo. Quanto à revisão da literatura, aborda-se o método da resistividade eléctrica e os arranjos propostos por Wenner e Schlumberger que definem os dispositivos geométricos a utilizar. Dá-se também conta dos factores que influenciam a resistividade, nomeadamente o tipo de solo e minerais, a temperatura, o teor em água. Na segunda parte deste trabalho, descrevemos os procedimentos utilizados para a recolha e tratamento de dados de campo, apresentamos os resultados e, por último, avaliamos os resultados, determinando as conclusões finais. Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 4

5 2. Resistividade Elétrica A resistividade eléctrica é um método geofísico baseado na determinação da resistividade dos materiais. A sua grande utilização incide sobre os vários campos de aplicação da geociência. Os primeiros trabalhos de aplicação deste método datam o início do seculo XX, de todos os investigadores que contribuíram para o desenvolvimento do método da resistividade destacam-se Conrad Schlumberger e Frank Wenner. As propriedades eléctricas dos materiais localizados abaixo da superfície da terra designam-se de resistividade eléctrica, permissividade eléctrica e permeabilidade magnética. Estas propriedades são condicionadas pelas características do terreno, como podem, também, ser originados como consequência da poluição do solo com outro tipo de material. Assim a prospecção eléctrica recorre ao uso de várias e diferentes técnicas, em que cada uma delas se baseia, exclusivamente, nas características específicas dos materiais constituintes dos solos. Estas técnicas classificam-se de Potencial espontâneo, Polarização induzida, Magneto telúrico, e por fim, resistividade eléctrica, técnica sobre a qual incide o nosso trabalho. O método da resistividade eléctrica permite deduzir as características geológicas ou minerais do subsolo, uma vez que proporciona a recolha de informação no sentido das anomalias na condutividade eléctrica dos materiais. A resistividade refere-se à maior ou menor dificuldade que um determinado material impõe à passagem da corrente eléctrica e constitui uma propriedade física das mais variáveis (Kearey, 1984). Siñeriz (1928, p. 319) define resistividade como a resistência ohmica de um condutor que tenha por base a unidade da superfície e como longitude, a unidade longitude, ou seja, a resistência em ohm por metro. Inversamente à resistividade está a condutividade, grandeza que quantifica a passagem dessa corrente através de um determinado material. As propriedades eléctricas das rochas e dos minerais são, então, de extrema importância neste método. A resistividade de um material, exprime-se em ohms por metro (Ω/m). Pode ser definida também como sendo a resistência eléctrica R [Ω], que é uma característica que expressa a maior ou menor oposição à passagem de corrente eléctrica. É importante salientar que o solo não apresenta, normalmente, uma resistividade uniforme e constante. Os valores podem ser díspares, ou seja, pode existir uma variação nos valores de resistividade. Desta forma, as medições de Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 5

6 resistividades eléctricas, obtidas pelos diferentes arranjos existentes, quando o solo não é totalmente homogéneo, não representam o valor real da resistividade, mas apenas o seu valor aparente, sendo por isso chamada à resistividade obtida a resistividade aparente do solo. Um solo é considerado como sendo um mau condutor se o mesmo se encontrar seco, uma vez que a condução do solo é predominantemente electrolítica. Na seguinte tabela (Tabela 1), pode observar-se e comparar as diferenças relativas à resistividade do solo e à resistividade de alguns metais condutores. Condutores Resistividade (Ω/m) (20 C) Alumínio Cobre Prata Solos Comuns 2,8E-8 1,7E-8 1,6E-8 5 a 20 E3 Tabela 1- Diferentes resistividades de alguns condutores Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 6

7 2.1 Métodos de determinação da resistividade do solo Para medir a resistividade do solo podemos optar por dois tipos de medições, uma em que se recolhe uma amostra do terreno em estudo, e outra em que a medição é efectuada no terreno. - Medição por amostragem: Este método consiste na recolha de uma amostra do solo que deverá estar contida de forma compacta num cubo com dimensões conhecidas. A resistividade é obtida medindo-se a resistência entre as duas faces do cubo. Esta medição é mais propícia a erros (ou não represe, pois como apenas é considerado uma pequena amostra do local, as características poderão ser diferentes, devido ao solo variar sempre de um ponto para outro. - Medição no local: Na determinação da resistividade do solo no local, podemos considerar dois arranjos, o arranjo de Wenner, e o de Schlumberger, que se baseiam, para o cálculo da resistividade aparente do solo, na Lei de Ohm. Lei de Ohm Esta lei poder ser enunciada da seguinte forma: para certos condutores metálicos, homogéneos e filiformes, a uma dada temperatura, é constante a razão entre a diferença de potencial e a intensidade da corrente. Esta constante é a resistência do condutor. (Lei de Ohm. In Infopédia. Porto Editora, 2013.) Ou seja, o valor da resistência é dado pela seguinte equação: Fig. 1 Equação da Lei de Ohm R - Valor da resistência I Intensidade da corrente V - Diferença de potencial Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 7

8 2.1.1 Arranjo de Wenner O arranjo (ou configuração) de Wenner consiste na colocação de 4 elétrodos todos igualmente espaçados, em linha reta e enterrados à mesma profundidade. Nesses quatro eléctrodos, temos dois de potencial e dois de corrente. A medição resume-se a injectar uma corrente alternada nos eléctrodos de corrente, que irá percorrer o solo, e será medida com a ajuda dos elétrodos de potencial, onde será medida a diferença de potencial. A resistência é obtida através da equação R=(I/V), onde R é a resistência lida no resistivímetro, I é a intensidade da corrente injectada nos elétrodos de corrente, e V é a diferença de potencial. (Coelho, N. 2011) Fig. 2 Esquema do arranjo de Wenner Para o cálculo da resistividade é utilizada a fórmula ƥ=2πar, onde R é a resistência e a é o espaçamento entre os eléctrodos. Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 8

9 2.1.2 Arranjo de Schlumberger Este arranjo, sendo uma das possíveis configurações e das mais utilizadas na sondagem elétrica vertical, consiste na análise e interpretação da resistividade aparente, obtida a partir de medições realizadas na superfície do terreno. Neste arranjo os quatro elétrodos estão dispostos em linha reta, sendo assim simétricos em relação ao centro da configuração. Os dois elétrodos exteriores são os elétrodos de corrente, a fonte da corrente, e os dois elétrodos internos são os elétrodos de potencial, os recetores. Os dois elétrodos de corrente são dispostos num ponto equidistante a uma certa distância b de um ponto, por outro lado os elétrodos de potencial também serão equidistantes do referido ponto mas a uma distância menor que b, como podemos constatar no esquema abaixo. Fig. 3 Esquema do arranjo de Schulmberger Pela seguinte equação obtém-se o valor da resistividade aparente através da implementação deste arranjo: Fig. 4 Equação para obter a resistividade aparente ρ A resistividade aparente do solo a distância entre os eléctrodos de potencial Lei de Ohm b distância entre os eléctrodos de corrente e potencial Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 9

10 2.1.2 Fatores que influenciam a resistividade a) Propriedades das rochas e minerais Os solos são compostos por ar, água e elementos sólidos. Os elementos líquidos e gasosos preenchem os espaços vazios. O ar funciona como isolante e a água representa o fluido intersticial. A medição de resistividade deriva, por um lado, da resistividade das partículas sólidas e, por outro, da resistividade do fluido intersticial. Segundo Telford et al (1990), a corrente eléctrica propaga-se pelas rochas e minerais de três maneiras distintas. Na condução electrónica (ou ohmnica), a corrente passa através do material contento electrões livres, principalmente no grupo dos metais. Na segunda forma de propagação da corrente, decorre um processo electrolítico, onde a corrente passa através dos iões de forma lenta. Por último, a condução dieléctrica ocorre nas situações em que existe pouca condutividade de corrente. Natureza dos terrenos Resistividade [Ω.m] Terreno pantanoso 1 a 30 Lama 20 a 100 Húmus 10 a 150 Solo arenoso 50 a 1000 Turfa húmida 5 a 100 Argila plástica 50 Mármores e argilas compactas 100 a 200 Mármores do Jurássico 30 a 40 Areia argilosa 50 a 500 Areia silicosa 200 a 3000 Solo pedregoso nu 1500 a 3000 Solo pedregoso recoberto de relva ou 300 a 500 erva curta Calcários macios 100 a 300 Calcários compactos 1000 a 5000 Calcários fissurados 500 a 1000 Xistos 50 a 300 Micaxistos 800 Granito e grés, consoante a alteração 1500 a geológica Granito muito alterado 100 a 600 Betão com 1 de cimento e 3 de inertes 150 Betão com 1 de cimento e 5 de inertes 400 Betão com 1 de cimento e 7 de inertes 500 Tabela 2 - Variação do valor da resistividade dos solos mais comuns (adaptado de COELHO, 2011, P. 19) Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 10

11 Em situações em que o mineral apresenta fraca condutividade, mas os seus poros se encontrem com bastante fluido, a condutividade realiza-se através da condução electrolítica. A condutividade da água varia de acordo com a maior ou menor presença de cloritos, sulfatos ou outros materiais dissolvidos presentes. Segundo McNeill (1980, cit. por Fontoura et al, 2011) nesta movimentação de iões, factores como a composição mineralógica, porosidade, temperatura, teor em água, quantidade e composição dos sais dissolvidos influenciam a resistividade. Um material é bom condutor se a sua resistividade (Ω/m) for inferior a 10-5 Ω/m e apresenta boa resistividade quando os seus valores são superiores a 10 7 Ω/m. Os valores intermédios classificam-se como semicondutores. O grupo dos metais são, por norma, bons condutores, uma vez que contêm um elevado número de electrões livres. Outro factor que determina a maior ou menor condutividade de um material é a variação da temperatura. A temperaturas baixas o material torna-se mais condutor. Normalmente, quanto mais profunda for a pesquisa, mais estável a temperatura se torna, adoptando o termo de resistividade residual. Condutividade Variação de resistividade Tipo de Rochas Exemplos de Materiais Boa 10-3 a 1 Ω/m Sedimentares Metais, sulfitos, arsenites, alguns óxidos. Intermédia 1 a 10 7 Ω/m Metamórficas Óxidos, minérios, rochas porosas com água. Fraca Ω/m Ígneas Silicatos, fosfatos, carbonatos, nitratos, sulfatos. Tabela 3- Classificação de condutividade. (Adaptado de Telford et al, 1990). De modo geral, também podemos classificar o tipo de rochas quanto à sua condutividade, atendendo às suas propriedades físicas. Muitos solos e rochas minerais são isoladores eléctricos de alta resistividade. Nestes casos, a condutividade realiza-se sob a forma electrolítica, ocorrendo nos poros e nas passagens desses materiais (Fontoura et al, 2011; McNeill, 1980). Desta forma, as características climáticas também influenciam a resistividade, fruto do grau de alteração da fracturação e a percentagem de água que enche essas mesmas fracturas. Neste sentido, as rochas sedimentares apresentam menor resistividade, uma vez que são mais porosas e contêm maior quantidade de água. Pelo contrário, as rochas metamórficas e ígneas apresentam maior resistividade (Oliveira, 2009). O clima, a temperatura, a época do ano e a existência de lençóis de água são factores que influenciam a quantidade de água dos solos e consequentemente os sais Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 11

12 nela contidos. Daí resulta que a humidade funciona como condição da resistividade (Coelho, 2011). Neste ponto, abordámos os factores que condicionam a resistividade. O tipo de mineral ou de rocha, que por si só, apresenta determinada resistividade eléctrica, a porosidade da rocha, a quantidade de fluido e a temperatura. Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 12

13 3. Descrição da actividade prática A parte prática do projecto envolveu duas fases separadas que é importante definir: a preparação do terreno e a pictagem ou levantamento dos dados. Numa primeira fase, os grupos, com o auxílio dos docentes, limparam o terreno, com a ajuda de uma moto roçadora, uma vez que este apresentava uma vegetação demasiado alta e densa. Fig. 5 Marcação do terreno Ao mesmo tempo, marcou-se o ponto (colocou-se uma estaca no solo) a partir do qual se construiu uma malha de sondagem de 2mx2m, com 20m de extensão para a direita e 10 m para a frente (tendo como referência a cantina à esquerda e a Rua D. Frei Vicente da Soledad e Castro à frente), ou seja, 200m 2 de área. Através das lunetas topográficas, conseguiu medir-se exactamente 90º para poder marcar as dimensões do terreno com maior rigor. Com recurso a fitas métricas colocou-se estacas colocou-se as estacas nos extremos do nosso campo a analisar, ligando a estaca inicial a essas através de um elástico. Por fim colocou-se estacas de sinalização para se saber onde colocar o resistivímetro em cada ponto. Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 13

14 A actividade de mapeamento do CEG iniciou-se com uma breve explanação teórica por parte do professor Jorge Carvalho no terreno do método da resistividade elétrica que íamos utilizar (arranjo de Schulmberger) e qual a disposição dos elétrodos de corrente para cada grupo. Ficou também a saber-se os pontos no terreno que iam ser medidos, com a seguinte disposição: Fig. 6 CEG (momentos antes do início das medições) Fig. 7 Esquema da malha e pontos utilizados para medição Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 14

15 Sendo que, a cantina fica para a esquerda da origem e este terreno é o mais afastado da cantina (turma 1). Cada unidade de medida corresponde a 2 metros. Assim, colocou-se o resistivímetro em cada um dos pontos começando pelos pontos (0,0), (0,2), (0,4), (0,6), (0,8) e (0,10). A partir de cada ponto, a distância a foi sempre 0,50 metros e a b variou de grupo para grupo, sendo que para o nosso foi de 3 metros (segundo o esquema apresentado na figura 2 da pág. 8). Quando a recolha de dados terminou elaborou se uma folha Excell com os dados e com a ajuda do programa Surfer, fez-se uma representação gráfica da resistividade do terreno. As definições utilizadas no programa Surfer foram para o espaçamento ou malha 0,5m, o método Kriging ou o método de krigagem, para o qual foram seleccionados 6 valores para recolha de informação para simular ou recriar o mapa. Fig. 8 Representação em 3D da resistividade aparente do CEG Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 15

16 4. Resultados Com o tratamento dos dados, obtivemos um gráfico final que nos permite (sempre com alguma margem de erro) determinar qual o tipo de solo existente. Antes da análise do mapa será interessante verificar a profundidade atingida pela leitura que efectuamos. Dos vários métodos existentes para a determinação (uma estimativa apenas) da profundidade a que se lê, ou melhor, da atribuição de um valor de resistividade específico a essa profundidade destaca-se o método da pseudosecção ou dípolo - dípolo, será no entanto necessário referir que este método só é aplicável se tivéssemos utilizado outro arranjo (dípolo dípolo) que não o caso, no entanto é possível fazer uma aproximação se fizermos uma adaptação, que no caso em vez dos pólos temos eléctrodos. Este método enuncia que a profundidade atingida pela leitura se obtém ao traçar uma linha de 45º a partir de cada eléctrodo de corrente e considerar-se a profundidade do ponto em que as duas linhas se cruzam a profundidade da leitura. (Seria impossível fazê-lo na prática, para além de que há vários factores como a variação de tipos de solos e o teor em água que tornam esse cálculo bastante impreciso). Assim, a profundidade equivale a 3,7m. Fig. 8 Arranjo da pseudo secção ou dípolo - dípolo Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 16

17 Fig. 9 Gráfico de isolinhas (CEG) Sendo que a resistividade aparente a uma profundidade maior do solo da área analisada é, de modo global, dispersa, temos uma secção que para além de apresentar picos de resistividade em relação a toda área, em si mesma (a linha 2) revela grandes variações. Há três pontos que se destacam: o ponto (2,2), (10,2) e o (14,2). Com o auxílio da tabela 2 (pág. 9) pode tentar perceber qual o tipo de solo que foi analisado. Para o ponto (2,2), temos uma resistividade aparente entre os 60Ω/m e os 100Ω/m, o que, consultando a tabela, corresponderá a um tipo de solo que tenha um teor em água elevado, que pode variar entre a lama, húmus e turfa húmida. Ou seja, pode haver a presença de lodo e argila (no caso da lama), ou mais materiais orgânicos (no caso do húmus ou turfa). Para os pontos (10,2) e (14,2) a resistividade aparente apresenta valores entre os 220Ω/m e os 360Ω/m, que podem corresponder a vários tipos de solo como areia argilosa (argila), xistos ou granito muito alterado. Estes valores ocorrem devido à baixa permeabilidade destes materiais, o que faz com que o seu teor em água seja reduzido e assim, haja uma maior oposição à passagem de corrente eléctrica. Há no entanto que eliminar as hipóteses pouco prováveis, como o xisto, que é uma rocha que se apresenta mais em trás os montes e nas beiras. Por outro lado, a presença de granito muito alterado (com muitas impurezas) é bastante provável devido ao facto de ser uma rocha muito comum em Portugal (exceto na região algarvia). Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 17

18 5. Conclusões Com o desenvolvimento do trabalho foram desenvolvidas também competências e conhecimentos ao nível da resistividade em solos e desenvolveram-se aptidões para a partir de métodos indirectos inferir sobre qual é o tipo de solo e o que nele pode existir. Para a análise do terreno, utilizou-se o arranjo de Schlumbreger, que permitiu chegar a valores de resistividade em diversos pontos, com auxílio de uma ferramenta informática, o programa Surfer, conseguiu-se mapear o terreno. A partir desse mapeamento concluiu-se que apesar de os valores serem praticamente uniformes ao longo da malha existem uns picos onde há baixos valores de resistividade, daí chega-se à conclusão (ainda que não certeza absoluta) que se trata de um solo que contem bastante água, húmus ou turfa húmida. Há também outros picos onde a resistividade é alta quando comparada com o resto da malha, conclui-se então a existência de um solo com baixa permeabilidade, como areias argilosas ou granitos. Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 18

19 Referências bibliográficas Coelho, N. (2011) Eléctrodos de terra. Tese de Mestrado (provisória). Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. (acedido em ) Fontoura, M. J.; Moura, R. M.; Dias, A. G. (2011). A Geologia e a Geofísica na avaliação da contaminação associada a vazadouros controlados o caso do VC de Matosinhos no Norte de Portugal. LNEG: Comunicações Geológicas. Disponível em em ). (acedido (acedido em ) (acedido em ) (acedido em ) Kearey, P.; Brooks, M. (1984). An Introdution to Geophysical Exploration. (pp ).Oxford: Blackwell Scientific Publications. McNeill, J. D. (1980) Electrical Conductivity of Soils and Rocks. Geonics Limited, Technical Note TN-5. Oliveira, João (2009). Caracterização da Pluma de contaminação numa antiga lixeira com o método da resistividade eléctrica. Tese de Mestrado. Lisboa: Universidade Nova de Lisboa. Disponível em (acedido em ). Pinto, E. Projecto, Melhoria e Medição de Terras. Relatório Final. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. (acedido em ) Siñeriz, José (1928). Los Métodos Geofísicos de Prospección y sus aplicacionesa la resolución de vários problemas geológico-tectónicos.(pp ). Madrid: Coullaut. Telford, W.M.; Geldart, L. P.; Sheriff, R.E. (1990). Applied Geofhysics. (pp e pp ). Second Edition. Cambridge University. Mapeamento do CEG pelo método da resistividade eléctrica Projecto FEUP 19