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Física do Meio Ambiente Responsável pelo Conteúdo: Prof. Dr. Francisco de Assis Cavallaro Revisão Textual: Prof.ª Dr.ª Selma Aparecida Cesarin Métodos Físicos e Geofísicos de Identificação de Anomalias Ambientais Métodos Físicos e Geofísicos de Identificação de Anomalias Ambientais • Obter conhecimentos fundamentais sobre os principais métodos físicos e geofísicos aplicados ao meio ambiente na obtenção de anomalias resultantes das ações de poluentes. OBJETIVO DE APRENDIZADO • Introdução; • Principais Métodos Geofísicos em Estudos de Contaminação Subterrânea; • Magnetometria ou Método Magnético. UNIDADE Métodos Físicos e Geofísicos de Identificação de Anomalias Ambientais Introdução A destinação inadequada de resíduos sólidos ou efluentes oriundos do processo industrial tem se apresentado como um dos principais problemas ambientais que vem sendo enfrentado nos últimos anos, sendo que práticas como a infiltração ou o descarte direto de resíduos no solo foram comumente adotadas, principalmente, nas décadas passadas, vez que o desconhecimento das consequências de tais procedi- mentos, aliado à inexistência de uma Legislação específica mais rígida, propiciaram o emprego dessas ações nocivas ao meio ambiente, especificamente no que diz res- peito à qualidade dos solos e das águas subterrâneas. Apesar das consequências danosas desses procedimentos ao meio ambiente e da evolução técnica atual, descartes clandestinos de resíduos sem o conhecimento dos Órgãos Públicos responsáveis pela fiscalização e pelo controle ambiental ainda podem ser verificados, situação esta também agravada pelo passivo ambiental estabelecido após a desativação de algumas plantas industriais e que, além dos riscos à população do entorno, demandam elevados recursos a serem despendidos na sua remediação. A degradação da qualidade dos solos e da água subterrânea, seja decorrente de contaminação industrial, seja de descartes irregulares de resíduos, constitui uma questão de saúde pública, sendo que suas consequências devem ser investigadas com o intuito de avaliar a extensão e os impactos causados ao meio. Nesse sentido, a aplicação de técnicas em física aplicada à geologia, ou geofísica, para avaliação da contaminação do solo e das águas subterrâneas vem se desenvol- vendo de forma marcante nos últimos anos, tanto pela demanda cada vez maior por iniciativas das Indústrias ou das Empresas de Consultoria Ambiental quanto por exi- gências das Instituições de controle ambiental, vez que a adoção crescente desse tipo de levantamento não invasivo se justifica pela eficiência e pela rapidez que esses mé- todos apresentam para diagnosticar a presença de contaminantes em subsuperfície. A seguir, serão apresentados os métodos geofísicos mais efetivos para diagnóstico da presença de contaminantes em áreas suspeitas de contaminação. A Geofísica em investigações ambientais. Disponível em: https://bit.ly/35CeNs5 Principais Métodos Geofísicos em Estudos de Contaminação Subterrânea Existe uma variedade de métodos geofísicos que podem ser utilizados nos estudos ambientais, porém os principais e mais adequados métodos aplicados à investiga- ção da contaminação do solo e da água subterrânea são o GPR (ou Georradar), 8 9 o Eletromagnético Indutivo (EM) e a Eletrorresistividade (ER), que são métodos clas- sificados como ativos, pois geram artificialmente sinais transmitidos para a subsu- perfície, onde são modificados conforme as características do meio que atravessam, além do Método Magnético (Magnetometria) que, diferentemente dos anteriores, é um método passivo por medir as alterações do campo magnético natural da Terra (REYNOLDS, 2011). Poluição das águas subterrâneas. Disponível em: https://bit.ly/2Lbh6J7 Método GPR (Ground Penetrating Radar) O método GPR (ou Georradar) é um método geofísico eletromagnético que forne- ce seções contínuas dos perfis executados e que pode ser aplicado às investigações de passivos ambientais para a localização de cavas com resíduos, de tanques subter- râneos de qualquer tipo de material, de tambores ou bombonas plásticas enterrados, de dutos e galerias subterrâneas, além da detecção de vazamento em tubulações, a cubagem de aterros e lixões e a investigação de contaminação orgânica e inorgânica. O funcionamento do método GPR se dá quando pulsos de ondas de rádio de alta frequência (entre 10 e 2500MHz) são irradiados para a subsuperfície através de uma antena acoplada ao terreno. Na sequência, quando o sinal transmitido em profundidade atinge corpos ou estratos com permissividades dielétricas (ε) diferentes, parte da onda se reflete nesses objetos ou interfaces (Figura 1), enquanto outra parte se propaga até a próxima descontinuidade. A onda eletromagnética refletida é captada por uma antena receptora, sendo o sinal amplificado, digitalizado e armazenado para posterior processamento (DAVIS; ANNAN, 1989). Figura 1 – Emissão e Reflexão do Sinal de GPR Fonte: Adaptado de DAVIS; ANNAN, 1989 9 UNIDADE Métodos Físicos e Geofísicos de Identificação de Anomalias Ambientais Os sinais obtidos da onda eletromagnética refletida são registrados em relação ao tempo de percurso (ida e volta) em subsuperfície, que é o parâmetro físico medido e, estimando-se a velocidade de propagação da onda no meio investigado, é possível calcular a profundidade e a espessura das estruturas geológicas presentes. O produto final da aquisição de campo é uma seção contínua em tempo real (distância percorrida x profundidade), formada por uma série de sinais obtidos em cada ponto de amostragem (traços), que representa uma imagem de alta resolução da porção investigada do subsolo (DAVIS; ANNAN, 1989), sendo que através destas seções é pos- sível identificar configurações representativas de feições geológicas, hidrogeológicas e ambientais presentes, e de outras estruturas em subsuperfície (Figura 2). Figura 2 – Seção de GPR de local contaminado por resíduos industriais Fonte: AQUINO, 2000 Verifica-se, portanto, que o principal fator que afeta o comportamento da onda de GPR no solo é a permissividade dielétrica do meio, que é expressa pelo coeficiente dielétrico “K” (adimensional), sendo a velocidade de propagação das ondas eletro- magnéticas através de um determinado meio dada por: ( )/= CV m s K em que C é a velocidade da luz ou de uma onda eletromagnética no vácuo, cujo valor é 3 x 108m/s). Quanto aos valores encontrados nos materiais presentes em subsuperfície, a água apresenta elevado valor de seu coeficiente dielétrico (K ≅ 81), se comparado com os observados para os grãos minerais (K ≅ 3 a 5) e que constituem a matriz de uma rocha, assim como a do ar (K = 1) que pode preencher os poros dela. Na Tabela 1, são observados os valores do coeficiente dielétrico, condutividade elétrica de alguns materiais geológicos naturais. Tabela 1 – Constante dielétrica, condutividade elétrica de alguns materiais geológicos naturais Materiais Constante dielétrica (k) Condutividade elétrica (σ) mS/m Areia seca 2 – 6 0,01 Solo arenoso saturado 25 6,9 10 11 Materiais Constante dielétrica (k) Condutividade elétrica (σ) mS/m Argila seca 5 2 Solo argiloso saturado 15 50 Calcáreo seco 4 0,5 Folhelho seco 5 1 Folhelho saturado 7 100 Silte saturado 10 1 – 10 Diabásio seco 7 10 Basalto seco 6 1 Granito seco 5 0,01 Fonte: Adaptado de PORSANI, 1999, apud SOUZA, 2005 Na Tabela 2, são apresentados os valores dos coeficientes dielétricos de algumas substâncias potencialmente contaminadoras do solo e da água subterrânea, muitas dessas frequentemente identificadas nos diagnósticos de áreas contaminadas. Tabela 2 – Valores dos coeficientes dielétricos de algumas substâncias potencialmente contaminadoras do solo e da água subterrânea Materiais Constante dielétrica (k) Condutividade elétrica (σ) mS/m LNAPL 2 0 DNAPL 2 – 3 0 Hexano 1,88 0,5 Diclorometano 8,3 1,1 Benzeno 2,24 0,11 Metanol 33,7 0,38 Mistura de óleo e outras substânciasorgânicas 2 0,5 Fonte: Adaptado de PORSANI, 1999, apud SOUZA, 2005 Primordialmente, a penetração do sinal de radar (Tabela 3) está condicionada pelas propriedades elétricas dos terrenos, representadas pela condutividade elétrica e pela permissividade elétrica (coeficiente dielétrico). Portanto, em locais onde ocorrem materiais de baixa condutividade elétrica, o sinal GPR pode atingir profundidades de até 30 metros em condições muito favoráveis (exemplo: zonas arenosas não saturadas). Por outro lado, argilas muito condutivas eletricamente e a presença de água no meio geológico podem reduzir sensivelmente a penetração do sinal a profundidades inferiores a 1m, bem como diminuir sua sensibilidade (por exemplo, zonas de manguezais). Tabela 3 – Frequência central de operação das antenas de radar e faixa aproximada de profundidade de investigação no solo Frequência da antena (MHZ) Faixa de profundidade (metros) 25 25 50 20 100 12 11 UNIDADE Métodos Físicos e Geofísicos de Identificação de Anomalias Ambientais Frequência da antena (MHZ) Faixa de profundidade (metros) 200 8 500 3,5 1000 1,5 Fonte: Adaptado de BARROS et al, 2016 Além disso, a frequência do sinal emitido pelo GPR também contribui diretamente para uma maior ou menor penetração e resolução do método (DAVIS; ANNAN, 1989). Assim, frequências de onda maiores (400 a 1.000MHz) possibilitam maior resolu- ção (maior detalhamento) em detrimento de menor penetração, sendo que maiores profundidades podem ser alcançadas pela emissão de sinal em frequências menores (25 a 100MHz). O que é radar de penetração no solo (GPR)? E como isso funciona? Disponível em: https://youtu.be/oQaRfA7yJ0g Atualmente, existem dois tipos de equipamentos GPR disponíveis no mercado: GPR detectores de estruturas rasas, ou localizadores, com antenas blindadas e maiores frequências de operação para identificação de tubulações, caixas sub- terrâneas, tanques, tambores enterrados e cavas rasas, e os aparelhos GPR con- vencionais, com antenas de frequências menores, blindadas ou não, empregados comumente para estudos geológicos, geotécnicos e ambientais em profundidades maiores. Os equipamentos GPR detectores possuem filtros especiais em suas configurações de aquisição de dados e cursores de tela que permitem ao operador a visualização in loco dos alvos durante o levantamento (tempo real), sendo que os resultados de posicionamento e profundidade das estruturas são obtidos, portanto, de forma imediata em campo. Em contrapartida, os aparelhos GPR convencionais necessitam que os dados salvos do levantamento de campo, geralmente, sejam submetidos a processamento posterior para as devidas interpretações das feições existentes em subsuperfície. Um parâmetro muito importante relacionado à detecção de contaminação por compostos inorgânicos ou metálicos disseminados no solo que apresentam alta con- dutividade elétrica está associado à relação direta com a atenuação da onda eletro- magnética em subsuperfície, expressa em decibéis por metro, e dada pela expressão (DAVIS; ANNAN, 1989): ( )1,69 / /a σ= K dB m em que K é o coeficiente dielétrico e σ é a condutividade elétrica do meio geológico, expresso em mS/m (mili siemens por metro). 12 13 Assim, em seções de GPR obtidas em áreas contaminadas, o fenômeno da atenu- ação é detectado como zona de ausência ou diminuição da amplitude (intensidade) do sinal denominada “zona de sombra” e, consequentemente, pode ser correlacionada à presença de maiores concentrações de substâncias eletricamente mais condutivas disseminadas no meio, como pode ser visto no exemplo da Figura 2, executada em área contaminada por infiltração de resíduos industriais (AQUINO, 2000). Referente aos objetivos ambientais específicos voltados à detecção de tanques sub- terrâneos de armazenamento ou tambores enterrados, esses corpos, quando seccio- nados transversalmente por um perfil GPR, geram, na seção obtida, configurações geométricas denominadas hipérboles de difração (Figura 3). Assim, segundo Annan (1992), uma hipérbole de difração originada por um cor- po de subsuperfície é um evento gerado no subsolo, resposta de um objeto enterrado de bordas limitadas, sendo que o fenômeno da difração ocorre quando uma onda se depara com um corpo cujo raio de curvatura seja menor que seu comprimento de onda (λ). Figura 3 – Registro GPR com hipérbole de difração de tanque Fonte: Adaptado de ANNAN, 1992 Como exemplo de identificação de hipérboles de difração relacionadas a tanques subterrâneos, é apresentada, na sequência, uma seção GPR de levantamento executado em posto de combustível no Município de Descalvado, Estado de São Paulo (Figura 4). Figura 4 – Seção de GPR com localização de tanques subterrâneos Fonte: Adaptado de ANNAN, 1992 13 UNIDADE Métodos Físicos e Geofísicos de Identificação de Anomalias Ambientais Nessa seção da Figura 4, observa-se a localização de um Sistema de Armazena- mento Subterrâneo de Combustível (SASC), composto por quatro tanques enter- rados, sendo que seus posicionamentos, de forma mais precisa, são definidos pelo ponto de inflexão de suas hipérboles de difração (ápice) que, nesse caso, indicam as profundidades entre 1,5 e 1,6 metros. Método Eletromagnético Indutivo (Em) Os Métodos Eletromagnéticos Indutivos no domínio da frequência (FDEM) estão baseados em medições de campos eletromagnéticos associados às correntes alterna- das induzidas em subsuperfície a partir de um campo primário. Na maioria dos métodos eletromagnéticos indutivos, o campo magnético primário ou indutor (Hp), é produzido pela passagem de uma corrente alternada através de uma bobina transmissora colocada sobre o terreno (Figura 5) e se propaga abaixo da superfície, induzindo correntes nos corpos subterrâneos condutores de acordo com as Leis da indução eletromagnética, gerando, por sua vez um campo secundário (Hs). Em geral, o campo resultante secundário, que é captado na bobina receptora, diferirá do campo primário em intensidade, fase e direção (REYNOLDS, 2011). A propriedade física envolvida é a condutividade elétrica do meio e esta é pro- porcional à relação entre o campo primário emitido e o campo secundário captado (MCNEILL, 1980), sendo dada por: 2 0 4 2a Hs f s Hp σ π µ = em que f é a frequência fornecida pelo equipamento (Hz), μ0 é a permeabilidade magnética do vácuo (4π x 10–7 H/m), e s é a distância (m) entre as bobinas trans- missora e receptora, sendo que a unidade de medida é mho (siemens) por metro ou mais, convenientemente, milisiemens por metro (mS/m). O mho (siemens) é o inverso do ohm (Ω). Figura 5 – Princípio do Método Eletromagnético Indutivo Fonte: Adaptado de MCNEILL, 1980 14 15 A maioria dos instrumentos eletromagnéticos de medição não vai abaixo dos 100Hz e as frequências na banda de 800 a 7000Hz são as mais utilizadas, sendo que o valor obtido de condutividade elétrica nas leituras é uma medida integrada da condutividade de cada parcela do solo, a partir da superfície até a profundidade de investigação atin- gida pelo método, daí ser representada como condutividade elétrica aparente (σa) e nos equipamentos comumente mais utilizados, que são os condutivímetros de solo, pode ser lida diretamente em unidades de mS/m (milisiemens/metro). Quanto às medições, os condutivímetros de solo permitem a leitura da condutivi- dade elétrica das duas componentes do campo magnético secundário resultante, isto é, a componente em fase, que é empregada para a detecção de objetos ou resíduos metálicos enterrados, e a componente em quadratura (fora de fase), que é utilizada para se obter a condutividade aparente de subsuperfície. De modo geral, a profundidade de investigação no Método Eletromagnético Indutivo depende da frequência de operação do equipamento e da distância de separação entre as bobinas indutora e receptora. Porém, outro fator determinante na profundidade atingida pelos condutivímetros de solo é o posicionamento das bobinas transmissora ereceptora e que se refere à disposição de seus eixos de indução magnética. Assim, considerando-se a mesma frequência de operação e separação fixa (s) entre o transmissor e o receptor (Figura 6), quando o eixo do dipolo magnético das bobinas é horizontal (posição A) se tem uma determinada profundidade de investigação (0,75s), e quando o eixo do dipolo magnético é vertical (posição B), a profundidade teórica de exploração é o dobro da anterior (1,5s), permitindo, portanto, a aquisição de pelo menos duas medidas em profundidades distintas (MCNEILL, 1980). Por meio desse método, é possível investigar a presença dos contaminantes inor- gânicos ou metálicos, muitas vezes, oriundos de resíduos sólidos ou efluentes indus- triais, vez que esses compostos em contato com o solo ou com a água subterrânea produzem um aumento na concentração de íons livres, aumentando, assim, a condu- tividade elétrica do meio, permitindo suas detecções (GREENHOUSE, 1996). Figura 6 – Disposição das bobinas e posição dos eixos dipolos magnéticos Fonte: MCNEILL, 1980 Portanto, as principais aplicações do Método Eletromagnético Indutivo em levan- tamentos de áreas contaminadas é a localização de cavas com resíduos inorgânicos ou metálicos, tambores e tanques metálicos enterrados, detecção de dutos metálicos 15 UNIDADE Métodos Físicos e Geofísicos de Identificação de Anomalias Ambientais subterrâneos e mapeamento de pluma de contaminação inorgânica em locais de descarte inadequado de resíduos, em aterros mal operados ou em lixões. Frequentemente, na investigação de contaminação subterrânea, é necessário definir os limites do corpo condutor em subsuperfície, tais como cavas de disposição de aterros, abrangência de plumas inorgânicas etc., sendo que, nesse caso, a técnica de campo mais indicada é o Caminhamento Eletromagnético (Figura 7), pois permite avaliar a variação lateral dos valores de condutividade elétrica para uma mesma profundidade de investigação ao longo dos perfis de levantamento. Figura 7 – Esquema de execução da técnica de Caminhamento Eletromagnético (CEM) Fonte: Adaptado de MCNEILL, 1980 Assim, a técnica do Caminhamento Eletromagnético (CEM) constitui-se no deslo- camento conjunto da bobina emissora e receptora sobre o terreno (Figura 7), man- tendo-se fixa a separação delas e a posição dos eixos dos dipolos, executando-se medições sucessivas ao longo de perfis estabelecidos, em intervalos constantes de distância (AQUINO, 2000). Alterando as configurações do condutivímetro de solo relacionadas às distâncias entre as bobinas, a posição delas em relação ao terreno (alteração do eixo de dipolo indutor), a frequência de operação, ou até mesmo pelo uso de dois instrumentos distintos, é possível adquirir dados num mesmo perfil em profundidades diferentes, como pode ser visto no exemplo da Figura 8. Nessa figura, é observado o comportamento da condutividade elétrica em níveis distintos de investigação de 6,0, 7,5 e 15,0m de profundidade em área comprova- damente contaminada, com aumento máximo de condutividade elétrica na parte central do perfil quando se cruza o foco principal da pluma de contaminação por infiltração de resíduos industriais a partir de poços de injeção (AQUINO, 2000). Figura 8 – Perfis de Condutividade Elétrica de diferentes profundidades Fonte: AQUINO, 2000 16 17 Decorrente também da necessidade de visualizar em planta a abrangência de contaminação inorgânica ou metálica disseminada (plumas condutivas), estimar a tendência de propagação dos contaminantes (fluxo subterrâneo), inferir os focos principais de infiltração de efluentes ou deposição de resíduos, além da avaliação do posicionamento de poços de monitoramento existentes ou proposição de nova loca- ção, são elaborados mapas de isovalores a partir da plotagem dos pontos de leitura e interpolação dos valores medidos. Neste tipo de mapa (veja exemplo na Figura 9), é possível observar a distribuição espacial das variações dos valores de condutividade elétrica na área rastreada, cujos maiores valores podem estar associados aos limites de eventual pluma condutiva de contaminação subterrânea, além da identificação de pontos com anomalias de maior intensidade e que podem estar associados aos locais com maiores concentrações de contaminantes inorgânicos ou metálicos e que devem, consequentemente, ser submetidos a uma investigação confirmatória por meio de amostragens de solo e/ou água subterrânea. Figura 9 – Mapa de Anomalias de Condutividade Elétrica Aparente Fonte: AQUINO, 2000 No mapa de anomalias de condutividade elétrica da Figura 9, observam-se os contornos de pluma inorgânica inferida, indicada pelos valores acima de 8,0mS/m, e oriunda a partir da injeção de efluentes industriais em dois pontos (focos principais) dentro dos limites da indústria indicados como I1 e I2 (AQUINO, 2000). Além disso, é possível constatar a distorção da zona anômala para sudoeste da área, que seria o sentido de fluxo estimado da propagação da contaminação sub- terrânea no local, apontando, portanto, a inexistência de poços de monitoramento nessa direção e corroborando a importância de um levantamento geofísico prévio para a locação de poços em situações semelhantes a ela. Método de Eletrorresistividade (ER) O método geofísico de Eletrorresistividade procura avaliar de forma indireta as resistividades elétricas dos materiais geológicos, baseando-se no fato de que solos 17 UNIDADE Métodos Físicos e Geofísicos de Identificação de Anomalias Ambientais e rochas possuem poros e/ou fissuras em proporção maior ou menor, que podem estar ocupados total ou parcialmente por eletrólitos, do que resulta se comportarem como condutores iônicos, de resistividade elétrica (ou sua inversa, a condutividade) muito variável conforme o caso (Tabela 2), refletindo os diferentes graus de saturação existentes em função de suas porosidades e/ou permeabilidades (LOKE, 1999). Dessa forma, por meio do emprego da Eletrorresistividade, é possível obter os valores de resistividade elétrica das estruturas geológicas de subsuperfície (em unidades de ohm.m), bem como estimar a litologia, a profundidade e a espessura das camadas, além de definir as conformações dos corpos geológicos ou das feições ambientais. Para tal, a aplicação do método de Eletrorresistividade baseia-se na injeção de corrente elétrica no solo, nas variações medidas de voltagem (ddp) e nas resistivi- dades elétricas calculadas nesse processo, com intuito de estimar a tipologia dos materiais presentes em subsuperfície. Tabela 4 – Condutividades Elétricas dos Materiais Material Resistividade Elétrica (Ohm.m) Condutividade Elétrica (Siemen/m) Rochas ígneas e metamórficas Granito 5,0x103 – 106 10-6 – 2,0x10-4 Basalto 103 – 106 10-6 – 10-3 Ardósia 6,0x102 – 4,0x107 2,5x10-8 – 1,7x10-3 Mármore 102 – 2,5x108 4,0x10-9 – 10-2 Quartizito 102 – 2,0x108 5,0x10-9 – 10-2 Rochas sedimentares Arenito 8 – 4,0x103 2,5x10-4 – 0,125 Folhelho 20 – 2,0x103 5,0x10-4 – 0,05 Calcário 50 – 4,0x102 2,5x10-3 – 0,02 Solos e águas Argila 1 – 100 0,01 – 1 Aluvião 10 – 800 1,25 x10-3 – 0,1 Água subterrânea (fresca) 10 – 100 0,01 – 0,1 Água do mar 0,2 5,0 Químicos Ferro 9,074x10-8 1,102x107 Cloreto de Potássio (0,01 M) 0,708 1,413 Cloreto de Sódio (0,01 M) 0,843 1,185 Ácido Acético (0,01 M) 6,13 0,163 Xileno 6,998x1016 1,429x10-17 Fonte: LOKE, 1999 O equipamento utilizado para a obtenção dos dados de campo é denominado resis- tivímetro (ou tomógrafo elétrico), cujo sistema completo é constituído de um transmis- sor de corrente elétrica (fonte), voltímetro (receptor), algumas vezes acoplados à caixa comutadora para multieletrodos, bateria externa, carretilhas, eletrodos, fios e cabos. 18 19 Na execução do método, quando uma corrente elétrica é injetada no solo por meio de um par de eletrodos, os padrões de fluxo subsuperficial de corrente refletem a resistividade dos materiais em profundidade (Figura 10). Assim, esses padrões de corrente podemser mapeados na superfície por outro par de eletrodos que mede as variações de voltagem, cujas oscilações representam a energia que deve ser despendida para a passagem da corrente pelo meio geológico, associadas, portanto, à resistividade elétrica dos diferentes materiais constituintes do terreno (GREENHOUSE, 1996). Figura 10 – Corrente elétrica em materiais de resistividades elétricas diferentes Fonte: GREENHOUSE, 1996 Dessa maneira, observa-se, na Figura 10, que, quando a corrente elétrica atra- vessa um corpo de baixa resistividade elétrica (A) ou de alta resistividade (B), res- pectivamente, o potencial elétrico diminui ou aumenta (linhas pontilhadas per- pendiculares), sendo que o comportamento dos menores valores de resistividade elétrica (A) permite, em estudos ambientais, por exemplo, a detecção da presença de contaminação inorgânica subterrânea. Na investigação, feições ambientais em áreas contaminadas, as duas técnicas prin- cipais de Eletrorresistividade, dentre outras, são a Sondagem Elétrica Vertical (SEV) e o Caminhamento Elétrico (CE), sendo empregadas na caracterização geológica e hidrogeológica dos locais, na localização de cavas contendo resíduos inorgânicos ou tambores enterrados, na delimitação de plumas de contaminantes inorgânicos e na determinação dos limites laterais e profundidade de aterros ou lixões. Sondagem Elétrica Vertical (SEV) Na técnica de Sondagens Elétricas Verticais (SEVs) obtêm-se, para um ponto central do arranjo de campo, os valores de resistividade aparente das camadas de diferentes profundidades. Posteriormente, por meio do modelamento geofísico, é possível determinar as resistividades verdadeiras e as espessuras das camadas geoe- létricas investigadas. De acordo com Braga (2006), a execução dessa técnica em campo se dá por meio da injeção de corrente elétrica (I) no solo e da leitura da diferença de potencial obtida (V). Assim, a corrente elétrica é transmitida por meio de dois eletrodos cravados no solo, designados por AB ou eletrodos de corrente, sendo que a diferença de poten- cial (ddp) que se estabelece no local é medida por um milivoltímetro ligado a outro par de eletrodos, também colocados no solo, designados por MN ou eletrodos de potencial (Figura 11). 19 UNIDADE Métodos Físicos e Geofísicos de Identificação de Anomalias Ambientais Figura 11 – Parâmetros físicos e geométricos das SEVs Fonte: Adaptado de BRAGA, 2006 O ponto de investigação é estabelecido entre os eletrodos e fixo no centro do arranjo, sendo que a profundidade atingida depende do meio que a corrente elétrica atravessa em subsuperfície e da distância entre os eletrodos de corrente (AB). Dessa forma, à medida que se afastam os eletrodos de corrente durante a execução dos trabalhos de campo, poderão ser alcançadas maiores profundidades de investigação. Como a corrente elétrica atravessa camadas mais superficiais até atingir a profun- didade de interesse, o valor de resistividade elétrica obtido é denominado resistivida- de aparente (ρa), sendo seu valor, em unidades de ohm.m, é calculado pela fórmula: a VK I ρ ∆= ⋅ em que I é o valor da corrente injetada, ∆V é a tensão (ddp) obtida no milivoltímetro e K é o fator geométrico de distância entre os eletrodos de corrente e potencial. Existem outros arranjos de campo, mas o arranjo dos eletrodos mais utilizado na realização das SEVs é denominado Schlumberger, vez que fornece maior qualidade das curvas de campo, facilidade e rapidez na execução, além da menor sensibilidade às variações laterais de resistividade e ruídos provocados, por exemplo, por correntes naturais do solo. Nesse arranjo, a condição geométrica de comprimentos é AB ≥ 5MN, onde a distância MN, teoricamente, tende a zero em relação à distância AB, o que facilita tanto a execução dos levantamentos de campo, quanto a interpretação dos dados obtidos (BRAGA, 2006). Sendo que o fator geométrico de distâncias entre eletrodos K é dado por: AM ANK MN π ⋅= ⋅ sendo AM a distância entre o eletrodo de corrente A e o eletrodo de potencial N; AN a distância entre os eletrodos A e N; e MN a distância entre os eletrodos de potencial M e N. 20 21 Após a conclusão das SEVs, os dados adquiridos e calculados são lançados em gráficos, sendo obtidas curvas de campo (Figura 12), que representam os valores de resistividade aparente em função da abertura dos eletrodos de corrente (AB/2), plotados em escala logarítmica (dilog), as quais, finalmente, são modeladas e interpretadas em programas específicos conforme as feições geológicas ou ambientais presentes. Figura 12 – Exemplo curva de campo de SEV e seu modelo geoelétrico com interpretação Fonte: BRAGA, 2006 Caminhamento Elétrico (CE) A técnica de Caminhamento Elétrico (CE), também denominada mais recente- mente de Tomografia de Resistividade Elétrica (ERT), ou Tomografia Elétrica (TE), é um imageamento de subsuperfície que se baseia na modificação da disposição espacial dos eletrodos de corrente e potencial, proporcionando uma investigação das variações laterais da resistividade elétrica em diferentes níveis de profundidade (REYNOLDS, 2011). A execução do Caminhamento Elétrico consiste em efetuar uma série de medidas de resistividade aparente na superfície do terreno ao longo de um perfil, com um arranjo fixo de eletrodos de corrente e de potencial (AB = MN), constituindo uma varredura lateral da área de interesse, com intuito de se investigar a continuidade das feições ou estruturas em subsuperfície (BRAGA, 2006). No arranjo de campo dipolo-dipolo (Figura 13), usualmente o mais utilizado nas investigações ambientais, os eletrodos de corrente A e B possuem o mesmo espaça- mento dos eletrodos de potencial M e N (X = AB = MN), sendo que a profundidade de investigação cresce com a separação entre os eletrodos de corrente e potencial (R) e teoricamente corresponde a ½R. Figura 13 – Parâmetros do Caminhamento Elétrico no arranjo dipolo-dipolo Fonte: BRAGA, 2006 21 UNIDADE Métodos Físicos e Geofísicos de Identificação de Anomalias Ambientais No arranjo dipolo-dipolo, o fator geométrico de distâncias entre eletrodos K é ex- presso por: K = 2π G.x, em que x é a abertura entre os eletrodos e G é uma grandeza associada ao nível de investigação (n) correspondente. Durante a aquisição de dados nesse arranjo, as medidas são realizadas em várias profundidades de investigação, sendo atribuídas na intersecção das linhas que partem a 45o dos centros AB e MN. Sucessivamente, a cada estação, de forma automática ou manual, os dois dipolos são deslocados de uma distância igual a x e, ao término do comprimento do perfil, os dados de resistividade obtidos são plotados nos níveis n = 1,2,3,4... e interpolados (BRAGA, 2006). Como resultado desse rastreamento lateral em diferentes profundidades, são geradas seções de corte de subsuperfície, denominadas pseudo-seções de resistividade aparente, nas quais são apresentados os valores plotados e interpolados das resistividades elétricas medidas, tanto na sua magnitude quanto na sua posição espacial (horizontal e em pro- fundidade), possibilitando, a partir delas, a elaboração de modelos geofísicos (Figura 14). Figura 14 – Pseudo-seção de Caminhamento Elétrico executado sobre cava de resíduos Fonte: BRAGA, 2006 As variações obtidas de resistividade elétrica numa determinada pseudo-seção são representadas por meio de uma escala cromática, individual para cada seção, e podem apresentar valores próximos de zero até milhares de ohm.m (Figura 15). Desse modo, o comportamento das resistividades pode ser acompanhado ao longo da seção de Caminhamento Elétrico, inferindo-se na interpretação os prováveis tipos de materiais ou compostos existentes na subsuperfície. 0.373 1.07 3.09 8.89 25.6 73.7 212 661 FAIXA DE BAIXA RESISTIVIDADE RESÍDUOS INORGÂNICOS SOLO ARGILOSO Resistividade em ohm.m ALTERAÇÃO DE ROCHA (SILTE) ROCHA SÃ Figura 15 – Exemplo de escala cromática de resistividades elétricas e feições interpretadasFonte: Adaptado de BRAGA, 2006 22 23 Assim, são observadas, na escala cromática da Figura 15, as faixas previstas de resistividade elétrica específicas do perfil executado, relacionadas às presenças de contaminantes inorgânicos (resíduos), solo argiloso, alteração de rocha (silte) e rocha sã, que se referem à interpretação final do levantamento de Eletrorresistividade para localização de cava com resíduos apresentado anteriormente na Figura 14. Magnetometria ou Método Magnético A Magnetometria, ou Método Magnético, é mais frequentemente utilizada na pros- pecção mineral e quando aplicada nas investigações de áreas contaminadas tem por objetivo principal a localização de objetos magnéticos presentes em subsuperfície. Dessa forma, segundo Reynolds (2011), numa investigação ambiental, o objetivo do levantamento magnetométrico é medir altos e baixos anômalos (anomalias induzidas) que tambores, tanques ou resíduos metálicos ferrosos enterrados possam gerar no campo geomagnético natural (Figura 16), cuja unidade de medida é nanotesla (nT). superfície SOLO CAMPO MAGNÉTICO INDUZIDO CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA + CAMPO DO CORPO MAGNÉTICON S PRINCÍPIO DA MAGNETOMETRIA AMBIENTAL SOMENTE CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA Corpo Ferroso Figura 16 – Campo Magnético Induzido por Corpo Ferro-magnético Fonte: Adaptado de Getty Images e CETESB, 2001 A propriedade física envolvida no Método Magnético é a suscetibilidade magné- tica, que é uma medida da capacidade de um material ser magnetizado, sendo que em áreas de disposição de rejeitos, o ferro e o aço são as principais fontes de anoma- lias magnéticas por possuírem alta suscetibilidade magnética, portanto, classificados como materiais ferromagnéticos, os quais contrastam fortemente com os materiais geológicos encaixantes, por exemplo, os solos ou sedimentos não consolidados e que são não magnéticos (GREENHOUSE, 1996). Nesse contexto, o Método Magnético é classificado como sendo um método geo- físico passivo, pois não necessita de uma fonte artificial de sinal, diferentemente dos métodos apresentados anteriormente, vez que a alta suscetibilidade magnética dos materiais ferromagnéticos, por ser uma propriedade intrínseca, gera por si só um magnetismo anômalo no local onde se encontram. As medições das variações do campo geomagnético num determinado local são realizadas por instrumentos denominados magnetômetros, que são de vários tipos e podem executar diferentes leituras, sendo que para medir a intensidade do campo total (parâmetro ambiental de interesse) são utilizados os modelos de precessão de prótons e o Overhauser. 23 UNIDADE Métodos Físicos e Geofísicos de Identificação de Anomalias Ambientais Quanto à forma da anomalia magnética de um objeto metálico enterrado, esta quase sempre será dipolar, ou seja, possuirá uma parte positiva e uma negativa do sinal, porém dependerá também do local na Terra onde está sendo executado o levantamento, isso porque o campo geomagnético varia em intensidade, direção e sentido e influencia, portanto, a configuração final da anomalia observada (Figura 17). Figura 17 – Diferentes formatos de anomalias magnéticas de um mesmo corpo em locais distintos na Terra Fonte: GREENHOUSE, 1996 Na execução dos levantamentos magnetométricos, são realizados perfis com leituras do campo magnético em intervalos de distâncias fixas (estações de medidas) ou de forma contínua. Posteriormente, os dados armazenados na memória do magnetômetro são corrigidos e tratados e podem ser apresentados sob a forma de gráficos individuais das linhas executadas ou interpolados para serem apresentados como mapas de anomalias magnéticas (exemplo apresentado na Figura 18) para avaliação dos resultados. Alambrado Mapa de Gradiente do Campo Magnético Total 0m 10m 20m 30m 40m 50m 0m 10m 20m 30m 40m 50m 60m 70m 0m 10m 20m 30m 40m 50m 60m 70m 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Valores de Gradiente (em módulo) Anomalia A Anomalia B Anomalia C EDIFICAÇÃOEDIFICAÇÃO Figura 18 – Mapa de Anomalia Magnética do Gradiente do Campo Magnético Total Fonte: GREENHOUSE, 1996 24 25 No exemplo anterior da Figura 18, o levantamento magnetométrico foi aplicado para a detecção de objetos metálicos enterrados em área industrial localizada na região de Campinas (SP). Os resultados desse levantamento apontaram a presença de três anomalias mag- néticas (A, B e C) no local investigado e onde, através de escavações posteriores, foi confirmada a existência de peças de veículos de grande porte enterradas. 25 UNIDADE Métodos Físicos e Geofísicos de Identificação de Anomalias Ambientais Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Vídeos O que é radar de penetração no solo (GPR)? E como isso funciona? https://youtu.be/oQaRfA7yJ0g Leitura A Geofísica em investigações ambientais https://bit.ly/35CeNs5 Poluição das águas subterrâneas https://bit.ly/2Lbh6J7 Análise geofísica por meio de GPR: do espalhamento de efluente de fossa séptica no subsolo https://bit.ly/2W9Nzpz 26 27 Referências ANNAN, A. P. Ground Penetrating Radar Workshop Notes, Sensors & Software, Incorporated, Missassauga/ON/Canada, 1992. p. 130. AQUINO W. F. Métodos Geofísicos Eletromagnéticos aplicados ao diagnóstico da contaminação de Solo e das Águas Subterrâneas em área de Infiltração de Resíduos Industriais. 2000. 121p. (Dissertação Mestrado em Geociências) – Instituto de Geociências. Universidade de São Paulo. São Paulo, 2000. BARROS, E. et al. 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”. II CONEPETRO, Natal, Rio Grande do Norte, Brasil, 2016. 9p. BRAGA, A. C. O. Métodos da eletrorresistividade e polarização induzida aplicados nos estudos da captação e contaminação de águas subterrâneas: uma abordagem metodológica e prática. 2006. Tese (Livre docência) – Universidade Estadual Paulista – UNESP. Rio Claro, 2006. DAVIS, J. L.; ANNAN, A. P. Ground-penetrating radar for high-resolution mapping of soil and rock stratigraphy, Geophys. Prospect., v. 37, p. 531-551, 1989. GREENHOUSE, J. P. 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