APLICAÇÃO DO MÉTODO DE RADAR DE PENETRAÇÃO DO SOLO (GPR) NA DEFINIÇÃO LITOLÓGICA DA ÁREA DO PARQUE DO MICO LEÃO DOURADO NA BACIA DE CAMPOS, MUNICÍPIO DE CABO FRIO-RJ Erikelly Barros1; José M. A. G. Cesário1; Adriana Ribeiro da Silva1; Andresa Figueira Queiroz 1; Miguel Ângelo Mane2 1 Universida do Estado do Amazonas, Unida Acadêmica Coari - erikellybarros@gmail.com jmcesario@gmail.com - adrianaribeirosilva90@gmail.com - andresaqueirozepg@gmail.com 2 Universida do Estado do Rio Janeiro migangel@uerj RESUMO O Parque Ecológico do Mico-Leão Dourado situa-se na Bacia Hidrográfica do Rio São João na região Cabo Frio no Estado do Rio Janeiro. É uma área essencialmente preenchida sedimentos do quaternário, cujos pacotes são o resultado da posição continental da bacia Campos. Embora o GPR (Radar Penetração do Solo), tenha limitação profundida, seus perfis 2D têm as mesmas características respostas da Sísmica Reflexão, amplamente usada na Indústria Petróleo e Gás. O processamento e a interpretação do GPR são baseados no princípio reflexão ondas eletromagnéticas, com o tpo aquisição ns. O GPR é um método geofísico eletromagnético que prega ondas rádio frequências muito altas (normalmente entre 10 a 1400 MHz), diferente da Sísmica que usa ondas mecânicas. Os dois métodos são úteis para localizar estruturas e feições geológicas bora o GPR tenha a sua profundida investigação torno 30 metros. Neste trabalho, foram estudados perfis 2D GPR, e o resultado correspon a um conjunto pacotes sedimentos dispostos, cuja interpretação mostra ambientes transgressivos e regressivos, como consequência, a formação cordões litorâneos. A Bacia Campos possui a maioria do seu ambiente costeiro preenchido pelos referidos cordões, e esses resultados pom ajudar na compreensão da posição uma Bacia Petróleo, tal como é a Bacia Campos no Estado do Rio Janeiro, através análogos mapeamentos estratigráficos. Palavras-chave: Propriedas Dielétricas, Onda Eletromagnética, GPR. contato@conepetro.com
1. INTRODUÇÃO Os métodos geofísicos envolv técnicas medição ou rastreamento superfície, não invasivos e, portanto, não strutivos, pregados estudos ambientais, estruturas geológicas subsuperfície, ou com presença resíduos enterrados, além interferências modo geral. 1.1 Funcionamento do GPR O funcionamento do método GPR se baseia na seguinte sistática: um pulso (onda) energia eletromagnética é irradiado para o interior do solo por uma antena transmissora, a energia refletida (Figura 1) é captada pela antena receptora, sendo o sinal, então, amplificado, formatado, armazenado e apresentado na tela um notebook. Antena transmissora Antena receptora Direção do caminhamento nx Figura 2 Imag area mapeada no processo transmisão e recepção ondas eletromagnéticas pelo equipamento GPR (Conyers 2004). Sinal itido Sinal refletido Superfície Camada 1 (K 1 ) R ESÍDUOS (K 3 ) Camada 2 (K 2 ) Figura 1. Esqua issão e reflexão do sinal GPR subsuperfície. A issão das ondas radar é produzida na forma feixe energia eletromagnética, aproximadamente cônico, com seção elíptica (Conyers 2004 - Figura 2). A antena irradia a maior parte da energia num feixe cujo ângulo (na direção slocamento da antena) é 90o. A maior parte da energia radiação fica compreendida ntro da zona finida pelo ângulo radiação, que muitas antenas utilizadas é 45o.frequência subsuperfície, permitindo mapeamentos 2D, selhante a sísmica reflexão. Po-se observar a relação geométrica entre a Permissivida Dielétrica Relativa (ε) e a área do alcance da onda profundida, footprint que é finido como a área efetiva investigação. A tabela 1 mostra a relação entre frequência e profundida investigação das antenas mais comumente usadas. Tabela 1 Relação entre frequência e profundida investigação algumas antenas GPR. contato@conepetro.com
O processo imageamento GPR na figura 3 mostra: a) Procedimento envolvendo movimentos repetitivos slocamento das antenas transmissora e receptora com espaçamento constante entre as antenas. b) Traços GPR esquáticos mostrando a chegada da onda aérea, a onda direta na Terra e da onda refletida nos substratos subsuperfície. As reflexões da onda eletromagnética subsuperfície ocorr nas interfaces materiais com diferentes propriedas dielétricas. A permissivida dielétrica po ser finida como a medida da capacida que um material isolante possui armazenar cargas elétricas ou se polarizar. Po-se dizer que, para a maioria das aplicações, as reflexões das ondas radar ocorr nas interfaces materiais com distintos valores permissivida dielétrica (ε). Na aquisição dados campo o GPR foi configurado pela sua frequência central (fc), que no caso foi 100MHz, sua largura banda ( f), a qual está associada à duração do pulso ( t). As antenas transmissora e receptora foram projetadas para operar com uma razão entre a frequência central e a largura banda torno 1 o que significa que o espectro da energia, variou 0,5fc (frequência mínima) a 1,5fc (frequência máxima). O GPR fornece seções contínuas tpo real (distância percorrida profundida) dos perfis executados campo, proporcionando o imageamento alta resolução das estruturas ou feições subsuperfície. x A frequência operação é escolhida modo a fornecer a relação mais vantajosa entre a penetração e a resolução para este objetivo, que é mais litológico. A maioria dos sistas po operar sob várias frequências. Figura 3 Imag reflexão da onda GPR profundida A proprieda física envolvida neste fenômeno é a permissivida dielétrica, que é expressa pela constante dielétrica K. A penetração do pulso radar no interior do solo é limitada fundamentalmente pela condutivida do terreno. Ondas radar com frequências que variam 10 a 200 MHz apresentam maior profundida penetração que as frequências situadas no intervalo 300 a 1000 MHz, porém apresentam menor resolução (menor talhamento). Durante os levantamentos campo, po-se aquar o equipamento às condições locais penndo da finalida a ser alcançada. On: ε = permissivida dielétrica do meio e é a permissivida no vácuo que é igual a 8,854x10-12 F/m contato@conepetro.com
2. GEOLOGIA DA AREA DE ESTUDO A área estudo está inserida no Domínio Tectônico Cabo Frio (DTCF) (Schmitt, 2001) aflorante no extro suste da Faixa Ribeira, um cinturão orogênico com trend NE-SW, que se esten ao longo da marg atlântica formado durante o Neoproterozóico-Eo-Paleozóico (Heilbron & Machado, 2003). A subdivisão mais recente para a Faixa Ribeira foi proposta por Heilbron et al. (2004b), limitando-a cinco terrenos tectono-estratigráficos separados ora por falhas purrão, ora por zonas cisalhamento oblíquas transpressivas. Estes terrenos são nominados Ocintal, Paraíba do Sul, Embu (aflora apenas na porção sul da faixa), Oriental e Cabo Frio. A colisão stes terrenos é caracterizada pelo imbricamento escamas crustais com vergência para oeste, direção à marg do Cráton São Francisco (Figura 4). Figura 4 - Perfil estrutural composto do Orógeno Ribeira com a relação entre os diferentes terrenos e domínios estruturais. Legenda: Terreno Ocintal (1-6): 1 a 3 - Megassequência Andrelândia nos domínios Autóctone, Andrelândia e Juiz Fora, Terreno Ocintal; 4 a 6 - Associações do basamento (Complexo Barbacena, Mantiqueira e Juiz Fora); Terreno Paraíba do Sul (7-8): 7-Grupo Paraíba do Sul; 8-Complexo Quirino; Terreno Oriental (9-13): 9- Sequência Cambuci; 10-Seqüência Italva; 11- Sequência Costeiro; 12-Arco Magmático Rio Negro; 13-Granitos colisionais; Terreno Cabo Frio (1415): 14-Seqüência Búzios e Palmital; 15- Complexo Região dos Lagos (Heilbron et al., 2004b). 3. METODOLOGIA O levantamento campo usando o GPR obeceu ao procedimento afastamento constante. Nessa técnica a geometria das antenas transmissora e receptora é mantida com uma distância fixa (no caso 1m) e constante, sendo transportada passo a passo ao longo da linha, formando uma imag 2D. O resultado obtido é uma imag on o eixo horizontal representa a posição das antenas (distância) e o eixo vertical é o tpo duplo do sinal GPR (tpo ida e volta), mostrando as variações das propriedas dielétricas da subsuperfície (reflexões) conforme ilustrado na figura 3. Os perfis reflexão GPR, comumente nominados radargramas, são então obtidos movendo-se as antenas transmissora e receptora com um intervalo espaçamento constante. O resultado um perfil GPR é uma imag das variações subsuperfície das propriedas dielétricas função do tpo duplo percurso do pulso eletromagnético. O resultado foi a obtenção perfis 2D, que seguiram para a fase processamento. A etapa pós-campo englobou toda a compilação e comparação dos dados levantados na bibliografia e das medições na área. Esta etapa teve como objetivo promover os conhecimentos da geologia rasa da área e a interpretação 2D do perfil GPR. Os dados GPR foram processados utilizando-se o software REFLEX V4.5 da Sandmeier Scientific Software. 4. FUNDAMENTOS TEÓRICOS O conhecimento das limitações do método GPR são necessários para se fazer um bom uso do método durante a aquisição dos dados (Porsani, 1999). Os fundamentos do método GPR estão basados na teoria propagação ondas eletromagnéticas, ou seja, nas equações Maxwell. Estas contato@conepetro.com
equações são utilizadas para estudar a estrutura interna da Terra, a partir suas propriedas elétricas e magnéticas, screvendo o comportamento do campo eletromagnético qualquer meio. Entretanto, elas não possu nenhuma informação sobre as propriedas elétricas dos materiais por on os campos elétricos e magnéticos atuam. Dessa forma, é necessário introduzir as relações constitutivas do meio, que relacionam o campo elétrico externo aplicado ao campo interno pelas propriedas elétrica e magnética dos materiais. 4.1 Propriedas Elétricas e Magnéticas As propriedas EM dos materiais penm sua composição e umida, ambos controlando a velocida propagação das ondas EM e sua atenuação (Annan, 1992). Os materiais geológicos (rochas sedimentares, ígneas e metamórficas) pom ser consirados sicondutores ou dielétricos, pondo ser caracterizados por três propriedas: condutivida elétrica, permissivida dielétrica e permeabilida magnética. 4.2 Condutivida Elétrica A primeira relação constitutiva do meio, conhecida como lei Ohm, relaciona a nsida corrente condução ( ) ao campo elétrico ( ), e é escrita como: Nos materiais geológicos simples, essa relação é aproximadamente linear e a constante proporcionalida é a condutivida elétrica (σ). A condutivida elétrica um material é uma medida sua habilida conduzir corrente elétrica (Keller, 1987). A condutivida, geral, é expressa Siens por metro (S/m). Para investigações rasas, como é o caso das aplicações do GPR, é mais comum trabalhar com a unida ms/m. Segundo Keller (1987), a condutivida (σ), ou o seu inverso, a resistivida (ρ), po variar até 20 orns magnitu para os materiais geológicos. Os principais fatores que afetam a condutivida elétrica nos materiais geológicos próximos a superfície são: o teor umida, a porosida, a salinida, a proporção da fração argila e a presença materiais condutivos. 4.3 Permissivida Dielétrica A segunda relação constitutiva do meio relaciona diretamente o campo elétrico ) à corrente slocamento, ou à polarização ( ), e a constante proporcionalida é a permissivida dielétrica do material (ɛ). Segundo: De acordo com Annan (1996), tanto a condutivida elétrica quanto a permissivida dielétrica são importantes, posto que afetam diretamente a atenuação e a propagação das ondas radar, respectivamente. Ward & Hohmann (1987) suger que a condutivida é dominante para as ondas EM baixas frequências (<1 MHz), enquanto que altas frequências (>1 MHz) a permissivida dielétrica é dominante. Usualmente, utiliza-se a permissivida dielétrica relativa (ɛr) ou constante dielétrica dos materiais (k), finida como: k = ɛr = on: ɛ = permissivida elétrica do material (F/m); ɛ0 = 8,854 x 10-12 F/m, é a permissivida dielétrica no vácuo. 4.4 Permeabilida Magnética A terceira relação constitutiva do meio relaciona diretamente o campo magnético ( contato@conepetro.com
com o campo indução magnética ), e a constante proporcionalida é a permeabilida magnética do material (µ). A permeabilida magnética é obtida acordo com a seguinte relação: Em muitas situações geológicas, os fatores mais importantes que controlam as respostas GPR são as propriedas elétricas. Para a propagação ondas EM nas frequências do radar, supõe-se que a permeabilida magnética da maioria dos materiais geológicos é essencialmente inpennte da frequência, e não varia significativamente relação à permeabilida magnética do vácuo (Olhoeft, 1981; Keller, 1987). Portanto, o efeito da variação na permeabilida magnética não t sido consirado quando são feitas medidas eletromagnéticas na Terra (Topp et al., 1980; Ward & Hohmann, 1987). Segundo Annan (1992), ve-se atentar para o fato que os efeitos uma forte permeabilida magnética pom não ser totalmente ignorados nas seções GPR. Substituindo-se as relações constitutivas do meio nas equações Maxwell, obtém-se as equações propagação da onda EM num terminado meio, on os fatores mais importantes que as governam são a velocida e a atenuação. Maiores talhes sobre as duções matáticas pom ser encontradas Annan (1992) e Porsani (1999). Para materiais geológicos com baixa perda, o campo EM propaga-se com uma velocida fase dada por: v= On: c = velocida da luz = 2,997 x 10 8 m/s 0,3 m/ns; k = permissivida dielétrica ou constante dielétrica dos materiais. Na figura 5 é apresentada uma variação típica da constante dielétrica (k) com o conteúdo volumétrico agua nos solos. Essa curva foi obtida piricamente por Topp et al. (1980), usando medidas do tpo propagação ondas eletromagnéticas nas frequências rádio para diversos tipos materiais geológicos. Figura 5 Variação da constante dielétrica função do conteúdo agua para os materiais geológicos (Topp et al., 1980). Além da constante dielétrica ser influenciada pelo conteúdo agua no meio, ela também reflete algumas interações, tais como: entre a porosida, as características do fluido intersticial, a superfície especifica, a mineralogia, a estrutura e a tperatura (Nunes, 2002). A relevância cada parâmetro varia com a frequência utilizada. Santamarina (2001) apresenta um estudo mais talhado stas interações, expondo relações píricas correlacionando alguns parâmetros do solo com a constante dielétrica, função da frequência aplicada. O autor também relata a dificulda avaliar e medir o efeito cada um stes parâmetros na propagação ondas eletromagnéticas. contato@conepetro.com
Figura 6 - Localização da área estudo. A linha amarela correspon à uma das sessões GPR dos levantamentos geofísicos executados na área estud, cuja uimag é representada na figura 7 abaixo. asselha a sísmica Reflexão, muito usada 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO na Conforme mostrado na figura 7, o GPR mostrou variações do solo s a parte mais solta, passando pela intermediária a compacta. A área do Parque do Mico Leão Dourado, está essencialmente situada nos areias que reproduz os tipos solo O GPR não t gran penetração, mas se po ver os pacotes mais superficiais e suas variações. Um método investigação correlacionado com furos que possam existir na área, entendimento que Petróleo os e alunos Gás. O tiveram, transmitiu o conhecimento dos primeiro passos no que concerne ao processamento dados ssa natureza e sua interpretação. sedimentos quaternários. Essa feição se caracteriza observado. indústria poriam ser elentos comparação. Entretanto, mesmo com pouca penetração, foi possível mostrar que se trata um método reflexão 6. CONCLUSÕES A conclusão a que se po chegar é que o GPR, mesmo estudos ambientes com pouca profundida penetração, po servir para o conhecimento da distribuição das camadas litológicas subsuperfície. O padrão observado na sessão 2D, permitiu aos estudantes conhecer a forma como se discriminam as mamadas, as interfaces e as variações laterais, muito úteis na Sísmica. onda eletromagnética, cuja sessão 2D se contato@conepetro.com
Figura 7 Sessão 2D 900 metros extensão GPR mostrando as camadas litológicas marcadas com padrões distintos, conforme correlação com observações geologia superfície. contato@conepetro.com
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANNAN, A. P., COSWAY, S.W. 1992, Ground penetrating radar survey sign. Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Probls, Vol. 2, pp. 329-352. ANNAN, A. P. 1996. Transmission dispersion and GPR. Journal of Environmental and Engineering Geophysics, Vol. 0, nº 2, pp. 125136. HEILBRON, M.; MACHADO, N. 2003. Timing of terrane accretion in the Neoproterozoic-Eo-Palaeozoic Ribeira Orogen (SE Brazil). Precambrian Research, 125(1-2): 87-112. HEILBRON M., PEDROSA-SOARES A.C., CAMPOS NETO M., SILVA L.C., TROUW R. A J., JANASI V.C. 2004b. Brasiliano Belts in SE Brazil. Journal of Virtual Explorer, Volume 17, www.virtualexplorer.au. Ordoviciano caracterizado no Domínio Tectônico Cabo Frio, Faixa Ribeira suste do Brasil. Tese Doutorado, IG/UFRJ. 273p. TOPP, G. C., DAVIS J. L., ANNAN, A. P. 1980. Electromagnetic termination of soil water content: measurents in coaxial transmission lines. Water Resources Research, Vol. 16, nº 3, pp. 574-582. WARD, S. H., HOHMANN, G. W. 1987. Electromagnetic theory for geophysical applications. Investigations in Geophysics, nº 3. Electromagnetic Methods in Applied Geophysics. Society of Exploration Geophysicists, Ed. Misac N. Nabighian, Vol. 1, pp. 131-311. KELLER, G. V. 1987. Rock and mineral properties. Investigations in Geophysics, nº 3. Electromagnetic Methods in Applied Geophysics. Society of Exploration Geophysicists, Ed. Misac N. Nabighian, Vol. 1, pp. 13-51. NUNES, C. M. F. 2002. Aplicações do GPR (Ground Penetrating Radar) na caracterização perfis alteração rochas gnáissicas do Rio Janeiro. Dissertação Mestrado, DEC, PUC-Rio, RJ. PORSANI, J. L. 1999. Ground penetrating radar (GPR): Proposta metodológica prego estudos geológico-geotécnicos nas regiões Rio Claro e Descalvado SP. Tese Doutorado. Instituto Geociências e Ciências Exatas, UNESP, Campus Rio Claro SP. 145 p. SCHMITT, R.S. 2001. A Orogenia Búzios Um evento tectono-metamórfico Cambro- contato@conepetro.com