APLICAÇÕES DO RADAR DE PENETRAÇÃO NO SOLO (GPR) E DA ELETRORESISTIVIDADE PARA A DETECÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS P. do L. Grazinoli A. da Costa T. M. P. de Campos E. do A. Vargas Jr. RESUMO: Este trabalho apresenta os resultados obtidos em um experimento de campo no qual dois métodos geofísicos - o Radar de Penetração no Solo (GPR) e a Eletrorresistividade foram utilizados em uma investigação geo-ambiental efetuada em uma área contaminada por compostos orgânicos no Município de Duque de Caxias, RJ. Na área, denominada Cidade dos Meninos, a disposição inadequada de grandes quantidades de um pesticida organoclorado, denominado HCH - hexaclorociclohexano, levou à contaminação do solo e água subterrânea, há mais de quarenta anos. Os resultados mostraram um enorme potencial dos métodos geofísicos para uso em investiações geo-ambientais, principalmente por serem métodos indiretos, não-invasivos e contínuos, o que complementou as informações extremamente localizadas de furos de sondagens. Com base nos custos e na qualidade dos dados obtidos com tais levantamentos, pode-se concluir que a geofísica constitui uma das formas mais otimizadas para efetuar a caracterização e monitoramento em área degradadas. 1. INTRODUÇÃO Este trabalho tem como objetivo mostrar os resultados obtidos em um experimento de campo no qual duas técnicas geofísicas - o Radar de Penetração no Solo (GPR) e a Eletrorresistividade foram utilizadas em uma investigação geo-ambiental efetuada em uma área no Município de Duque de Caxias, Rio de Janeiro, na qual o solo e água subterrânea foram contaminados por um pesticida organoclorado denominado HCH hexaclorociclohexano através da disposição inadequada de grandes quantidades deste material diretamente sobre o solo. Em um programa de investigação geoambiental, os seguintes parâmentros devem ser estabelecidos: conhecimento detalhado da sequência estratigráfica; entendimento em 3-D do fluxo da água subterrânea; estimativa de parâmentros físicos e mecânicos do subsolo (p.ex. condutividade hidráulica) delineação da extensão e natureza da contaminação em baixas concentrações; mapeamento das várias fases de contaminação sólida, gasosa, dissolvida, puras e/ou imiscíveis. Tais investigações são usadas para definir os processos de transporte de contaminantes no subsolo de modo a permitir a elaboração de medidas efetivas para o controle e reversão destes processos, e podem ser efetuadas através de métodos geofíscos, sondagens e instalação de poços de monitoramento e por técnicas de cravação direta (cones ambientais). A caracterização de heterogeneidades geológicas é um dos problemas mais difíceis 127
de serem resolvidos em tais investigações. O conhecimento impreciso dos limites entre litologias, processos estratigráficos, propriedades físicas e unidades geológicas, criam incertezas no modelamento. Furos de sondagens não solucionam adequadamente este problema, uma vez que fornecem informações muito localizadas, mesmo que detalhadas, de pontos em uma área, podendo acarretar no espalhamento ou vazamento de contaminantes. As técnicas geofísicas de superfície fornecem informações contínuas sobre as propriedades físicas e químicas da subsuperfície, tanto em profundidade como em extensão lateral, de forma não invasiva, contínua, segura e com um baixo custo. Entre as técnicas geofísicas disponíveis, o GPR produz as informações de mais alta resolução da subsuperfície (Brewster & Annan, 1994). 2. CARACTERIZAÇÃO DO PROBLEMA Em 19, em uma área conhecida como Cidade dos Meninos, no Município De Duque de Caxias, RJ, foi instalada uma fábrica para produção de HCH (hexaclorociclohexano), um pesticida organoclorado de fórmula molecular C 6 H 6 Cl 6. Este produto foi produzido durante cinco anos na fábrica, que foi desativada em 1955 por motivos econômicos, tendo sido deixados no local grandes quantidades de HCH, matérias primas e subprodutos diretamente sobre o solo, dos quais parte foi enterrada, segundo antigos moradores locais. Este material foi abandonado em um terreno de 13 Km 2, ao ar livre e sem qualquer tipo de proteção. Apesar de baixos, os valores do grau de solubilidade em água dos principais isômeros do HCH ultrapassam os limites permitidos no meio ambiente (5µ g/l para o lindano, segundo recomendação da FEEMA; 2µ g/l segundo a norma do EPA, 1993). Esta situação permaneceu até 1989, quando da descoberta pela FEEMA do depósito abandonado. No mesmo ano, a Defesa Civil do Rio de Janeiro retirou cerca de quarenta toneladas do pesticida do local. Além da ação do vento e da chuva, a relocação e estocagem de pequenas quantidades do pesticida para posterior revenda, e o uso do material para aterrar a estrada que atravessa a Cidade do Meninos, ajudaram a espalhar o material por áreas afastadas do foco identificado. Um volume desconhecido do pesticida permaneceu no local até 1995 nas condições em que foi encontrado, quando o Ministério da Saúde e a Prefeitura de Duque de Caxias realizaram uma tentativa de remediação através da mistura de cal ao solo contaminado, em presença de água. A mistura foi realizada sem o emprego de equipamento de mistura mecânica adequado, o que resultou na contaminação generalizada por triclorobenzeno, produto da reação parcial do HCH com a cal e sais inorgânicos, além da não eliminação do HCH do solo, promovendo uma mistura muito mais heterogênea que a anterior, aumentando o volume de material contaminado (FEEMA/GTZ, 1997). 3. ÁREA DE ESTUDO - Localização e Geologia A área da Cidade dos Meninos localiza-se na Baixada Fluminense, região compreendida entre o litoral e a encosta da Serra do Mar, localmente denominada Serra dos Órgãos. A baixada é constituída por restingas e aluviões fluviais, tabuleiros (Gr. Barreiras) e peneplanos pré-cambrianos. Comumente, encontram-se cordões arenosos junto ao mar, barrando planícies pantanosas para o interior e, frequentemente, interrompidas por formações rochosas que as apóiam (Antunes, 1978). Os depósitos quaternários são formados por sedimentos flúvio-marinhos, restingas e aluviões fluviais. Na área, afloram sedimentos fluviais, compreendendo depósitos dispostos em camadas irregulares na forma, extensão e espessura, apresentando-se lenticulares, variando abruptamente em relação à sua constituição granulométrica. Esta variação ocorre em conseqüência da variação rápida das condições de deposição. Quanto à composição mineralógica, observa-se uma estreita correlação dos depósitos da baixada com as rochas cristalinas da Serra dos Órgãos (Barreto, 1998). 128
A Cidade dos Meninos está compreendida entre os rios Capivari, Iguaçu e Pilar. Em geral, a região apresenta-se topograficamente plana e sujeita a alagamentos. A geologia da área de foco foi caracterizada a partir dos perfis das sondagens realizadas nas proximidades da área da antiga fábrica por Barreto (1998). Ao todo foram realizadas quatorze sondagens, que também serviram de suporte para a avaliação dos dados da geofísica de superfície. Estes dados mostram uma alternância entre solo arenoso e argiloso, em intercalações de espessura irregular, além da presença de lentes de um tipo de solo dentro de outro. Esta alternância de material fino e grosseiro, disposto em lentes e camadas, é típica de depósitos sedimentares de planície fluvial em regime de baixa energia. Hidrogeologia e Pedologia Segundo Barreto (1998), o sedimentos aluviais deram origem a duas classes predominantes de solo, que são os planossolos e os glei húmicos. Os primeiros desenvolveram-se nas áreas mais elevadas, ou seja, de melhor drenagem, e os glei húmicos, nas áreas mais baixas sujeitas a alagamentos. Há ocorrência também de solos da classe aluvial, que apresentam minerais rudimentares pouco evoluídos e não hidromórficos, e se caracterizam por apresentarem apenas o horizonte A como diagnóstico. Encontram-se como uma sucessão de camadas estratificadas sem nenhuma relação pedogenética entre si. Ainda segundo a autora, o modelo hidrogeológico é de um aquífero livre composto por sedimentos permeáveis, assim sendo, facilmente sujeitos à contaminação. Através da análise dos dados piezométricos, que mostraram que o aquífero alimenta o rio, concluiu-se que a recarga do aquífero superficial se dá principalmente por infiltração das águas pluviais. No entanto, a nível regional, os aquíferos da Baixada recebem contribuições das águas de runoff da serra dos Órgãos e do fluxo de subsuperfície proveniente dos depósitos coluvionares que ocorrem no seu sopé. Na área, as medidas dos níveis de água variam de 1, a 2,5 metros de profundidade (junho de 1996 a dezembro de 1997). 4. RESULTADOS DA GEOFÍSICA DE SUPERFÍCIE Foram efetuadas medidas de resistividade elétrica com as técnicas da Sondagem Elétrica Vertical (SEV) e do Caminhamento Elétrico, apresentados sob a forma de seções geoelétricas e mapas de iso-resistividade, respectivamente. A primeira caracteriza-se por uma série de determinações de resistividade aparente efetuadas com o mesmo tipo de arranjo e separação crescente entre os eletrodos de emissão e recepção de corrente elétrica. Esse procedimento permite a observação dos valores de resistividade aparente, em um ponto fixo, a profundidades cada vez maiores. A técnica do caminhamento elétrico consiste em obter a variação lateral de resistividade a profundidades constantes, fixando-se o espaçamento entre os eletrodos e caminhandose com os mesmos ao longo de um perfil. O GPR é uma técnica de reflexão que emite uma onda eletromagnética (EM) no solo que é parcialmente refletida e parcialmente transmitida sempre que uma descontinuidade elétrica é encontrada no subsolo, ou seja, uma interface onde há mudança na impedância eletromagnética. Reflexões são causadas por mudanças abruptas na velocidade da onda EM, ou condutividade elétrica, dos materiais do subsolo. A velocidade da onda do radar é expressa em unidades de distância (m) por tempo (ns = 1-9 s), e depende principalmente da constante dielétrica do meio de propagação. Feições comuns que possuem um contraste forte de velocidade incluem: a) cavidades, vazios ou túneis; b) mudanças na porosidade; c) nível d água; d) contêineres plásticos; e) fundações de concreto; f) mudanças na geologia; g) fraturas em rocha; h) NAPLs. Feições condutivas incluem barris ou tanques metálicos, dutos, argilas e sais dissolvidos na água subterrânea. As seções geo-elétricas mostram valores crescentes de resistividade elétrica à medida que os perfis se aproximam da área do foco, assim como mostra a Figura 1. Os mapas de iso-resistividade mostram nitidamente valores altos de resistividade elétrica dentro da área do foco e valores mais baixos em uma área localizada a 2 metros do foco, a qual sabe-se que a estratigrafia não 129
variava significativamente. Na Figura 2 são apresentados os mapas de iso-resistividade (ohm.m) na profundidade de 6m realizados dentro (a) e fora (b) da área de foco do HCH. Na análise dos resultados da eletrorresistividade foram usados dados de sondagens à percussão para controlar a interpretação dos dados, sendo possível constatar-se que tais anomalias não se associam a variações composicionais dos sedimentos fluviais presentes na área. as antenas transmissora e receptora, mantidas a uma pequena distância fixa (offset) entre elas, são desclocadas ao longo de um perfil. A velocidade do sinal foi estimada em,9 m/ns, baseada no perfil CMP realizado na área. A Figura 3 mostra um perfil de reflexão típico da área do foco, no qual o refletor que aparece na profundidade de 2,4 m ( ns) é referente ao nível d água. Este refletor desaparece entre as distâncias 1 e 45 m, o mesmo ocorrendo com o refletor referente à base do solo em,8 m (ns). Os refletores que aparecem entre e,7 m ( e 19 ns) correspondem às ondas diretas aérea e terrestre. 1 5 4 y(m) 3 Figura 1 - Seção geo-elétrica (ohm.m) ultrapassando a área de foco a partir de metros. ' 4 E C ) y (m 1 9 1 1 1 9 1 CE1' x(m) Figura 2a - Mapa de Iso-resistividade (ohm.m) na profundidade de 6m dentro da área de foco. Os perfis de reflexão realizados com o GPR mostram a profundidade do N.A., e uma forte atenuação da onda eletromagnética à medida que estes perfis se aproximam da área de foco. Esta atenuação se dá principalmente pela presença de materiais condutivos no subsolo. Ao todo, foram efetuados oito perfis de reflexão com a antena de 1 MHz, nos quais CE3' 1 ' 2 E C 115 11 15 1 95 9 85 75 65 55 45 35 25 15 1 1 x(m) Figura 2b - Mapa de Iso-resistividade (ohm.m) na profundidade de 6m fora da área do foco. 5. CONCLUSÕES Ambos os métodos mostram valores altos de resistividade elétrica na área de foco, ou seja, anomalias condutivas referentes aos materiais contaminados. Este caráter condutivo não possibilitou a penetração do sinal do radar com a antena de 1 MHz, fato este que prejudicou a determinação mais detalhada da estratigrafica da área. Esta será melhor caracterizada com a antena de MHz em uma área adjacente ao foco. No entanto, algumas considerações podem ser efetuadas com base nestes resultados preliminares da geofísica de superfície. Anomalias condutivas na área de foco foram detectadas por ambos os métodos e foram explicadas pela reação química entre a cal e o HCH. em setembro de 1995. Esta tentativa de remediação resultou numa 1 2 1 1 1
Figura 3 Perfil de Reflexão do GPR com Antena de 1 MHz dentro do Foco de Contaminação. contaminação generalizada no local da antiga fábrica por triclorobenzeno e sais solúveis em água, produtos da reação parcial do HCH com a cal, além da não-eliminação do HCH. Os levantamentos geofísicos mostraram a extensão destas reações através do caráter condutivo dos sais produzidos. Com base nos custos e na relativa simplicidade dos levantamentos geofísicos, pode-se afirmar que estes possuem um enorme potencial para uso em áreas contaminadas, tanto no processo de avaliação como no de monitoramento. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Grazinoli, P. L. (1997). Avaliação da contaminação por HCH no solo e água subterrânea através de métodos geofísicos. Dissertação de Mestrado. Instituto de Geociências, UFRJ. Brewster, M. L.; Annan, P. (1994). Ground penetrating radar monitoring of a controlled DNAPL release: MHz radar. Geophysics, Vol. 59. No 8, 1211-1221. 131