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Geofísica
MÉTODOS ELETROMAGNÉTICOS (EM)
Registram a variação de condutividade elétrica da subsuperfície pela indução de correntes elétricas no terreno através do uso de bobinas eletromagnéticas.
Geofísica
Levantamentos eletromagnéticos
Usam ondas eletromagnéticas no intervalo de freqüências de 300 a 20.000 Hz.
 Comprimentos de onda (l) de 10 a 1.000 Km;
 A propagação das ondas de maior l é controlada pela condutividade elétrica da subsuperfície;
 A propriedade física estudada é a condutividade elétrica.
Geofísica
Desenvolvimento dos métodos EM
Usado pela primeira vez na década de 1920 com o objetivo de detectar depósitos metálicos condutivos.
 Levantamentos EM terrestres e aerotransportados são muito usados em trabalhos de exploração mineral.
Geofísica
Aplicações geoambientais
Na década de 1970 os métodos EM começaram a ser usados em estudos geoambientais.
 Localiza objetos metálicos enterrados (tanques, dutos, ...);
 Mapeia plumas de chorume ou água subterrânea contaminada;
 Mapeia a salinidade do solo e a intrusão de água salgada;
 Delineia aterros sanitários e delimita cavas;
 Localiza explosivos enterrados (minas terrestres, explosivos não-detonados);
 Mede espessura de camada de gelo;
 Batimetria costeira.
Geofísica
Indução eletromagnética
Os métodos EM usam o princípio da indução eletromagnética de Faraday.
 Uma corrente elétrica passando através de uma bobina produz um campo magnético e vice-versa;
 O campo eletromagnético age como uma fonte dipolar, como uma barra imantada.
Geofísica
A Lei de Faraday
A corrente elétrica ou força eletromagnética (fem) gerada na subsuperfície condutora é dada pela lei de Faraday.
 A fem ou voltagem induzida é proporcional à taxa de variação do fluxo magnético no circuito:
Geofísica
O momento de dipolo
A potência do campo magnético produzido pela bobina transmissora é dada pelo momento de dipolo (m):
m = n A I
onde:
n = número de voltas da bobina;
A = área da seção reta da bobina = p r2 (m2);
I = corrente elétrica (Amperes);
Por exemplo, se 5A passa através de bobina com 1m2 e 40 voltas, o momento de dipolo da bobina é de 200 Am2.
Geofísica
Princípio do levantamento EM
Um campo eletromagnético primário HP, gerado pela passagem de uma corrente na bobina transmissora, induz correntes elétricas na subsuperfície que por sua vez, gera um campo eletromagnético secundário HS.
 O campo HS é medido pela bobina receptora, colocada a uma distância fixa do transmissor.
Geofísica
Condutividade aparente
A potência do campo secundário produzido é proporcional à condutividade elétrica da subsuperfície.
 A relação entre o campo secundário e o campo primário permite estimar a condutividade aparente da subsuperfície:
onde:
sa = condutividade aparente;
w = freqüência;
m0 = permeabilidade magnética no vácuo;
s = espaçamento entre bobinas transmissora e receptora;
HP = campo primário;
HS = campo secundário.
Geofísica
Unidades de condutividade
Condutividade é a medida da habilidade de um material para conduzir corrente elétrica.
 É o inverso da resistividade: s = 1 / r
 A unidade de condutividade é o miliSiemens/m (mS/m);
 A resistividade é medida em Ohm-metros (.m).
Geofísica
Valores típicos de condutividade
A maioria dos materiais de subsuperfície são mal condutores (isolantes), s < 10 mS/m.
	Ar ............................................. 0 mS/m
	Água doce ............................... 0,5
	Água salgada .................... 3.000
	Areia seca ................................ 0,01
	Areia molhada .......................... 0,01
	Argila ........................... 1 a 1.000
	Silte ................................ 1 a 100
	Calcário ........................... 0,5 a 2 (fraturado)
	Granito ............................. 0,1 a 1 (fraturado)
Geofísica
Profundidade de investigação EM
A profundidade de investigação de um campo EM depende da freqüência do sinal e da condutividade do meio.
 A amplitude de uma onda EM decai exponencialmente com a profundidade.
onde:
A = amplitude;
Z = profundidade;
d = profundidade skin (função da freqüência e da condutividade do meio)
Geofísica
Profundidade skin
É a profundidade na qual a amplitude do sinal EM decai 37% em relação à amplitude do sinal emitido pela bobina transmissora.
onde:
w = freqüência angular (w = 2pf rad/s);
s = condutividade (mS/m);
 = permeabilidade magnética no vácuo (H/m);
f = freqüência (Hz).
Geofísica
Profundidade skin
A profundidade de investigação para antenas de 1000 Hz em argila (s = 100 mS/m) é aproximadamente 1,6 m.
 Já em areia (s = 0,01 mS/m), a penetração é aprox. 160 m.
Geofísica
Dois tipos de levantamento EM:
Ativo (fonte controlada): Possui bobina transmissora para a geração do campo EM primário, medindo o campo EM induzido na subsuperfície através de uma bobina receptora.
Passivo: Usa correntes EM que ocorrem naturalmente na subsuperfície devido a ação de correntes na ionosfera.
Conhecido como “método magneto-telúrico”;
Usado em exploração mineral, possui grande profundidade de investigação, baixa freqüência e pequena resolução.
Geofísica
Métodos EM ativos:
Os métodos EM ativos podem ser classificados conforme o modo de operação da fonte:
Domínio da freqüência ou de campo contínuo: mede a amplitude relativa e a fase dos campos EM primário e secundário;
Domínio do tempo ou de campo transiente: mede a taxa de decaimento do campo secundário com o tempo, depois que o campo primário é retirado.
Também chamados, respectivamente, de FDEM e TDEM.
Geofísica
Métodos EM ativos:
Os levantamentos EM ativos são feitos usando um sistema de “duas bobinas”:
 Bobina transmissora;
 Bobina receptora com amplificador de sinal acoplado;
 Equipamento eletrônico de controle e armazenamento de dados.
Geofísica
Sistemas EM ativos
Transmissor e receptor são bobinas de fios enrolados, formando anéis de diversos tamanhos (tipicamente 1 m2).
 Corrente alternada (AC) passando através da bobina transmissora, produz um campo magnético dipolar;
 Pode formar dipolos horizontais ou verticais.
Geofísica
Detecção do campo EM no receptor
A amplitude do campo EM secundário pela bobina receptora é proporcional ao componente do campo perpendicular ao plano da bobina.
 A máxima voltagem é induzida quando o plano da bobina está perpendicular ao campo EM secundário;
 A bobina receptora não registra nenhum sinal quando o plano da bobina está paralelo ao campo EM secundário.
Geofísica
Orientação da bobina receptora
 O modo dipolo horizontal é indicado para detectar estruturas com forte mergulho.
 O modo dipolo vertical é mais indicado para a investigação em terrenos compostos por camadas plano-paralelas ou alvos rasos, mesmo com mergulho.
Geofísica
Direção do campo induzido
O campo magnético induzido em um condutor (ou bobina receptora) está no sentido oposto ao do campo magnético primário.
 O campo magnético secundário está em oposição de fase em relação ao campo primário.
Geofísica
Exemplo de seção de condutividade
Geofísica
Condutivímetros
Condutivímetros são aparelhos EM portáteis que medem diretamente a condutividade aparente da subsuperfície.
 Medem a razão entre o campo secundário e o campo primário, HP/HS, que é proporcional à condutividade aparente sa.
Geofísica
Número de indução
A relação abaixo é válida apenas se o número de indução for pequeno (<<1):
Número de indução é, por definição, a razão entre o espaçamento entre bobinas e a profundidade skin:
NB = s / d
 A freqüência deve ser ajustada de tal modo que a profundidade skin seja significativamente maior que o espaçamento entre bobinas. 
Geofísica
Condutivímetro Geonics EM-34
É um sistema de duas bobinas com 3 intervalos opcionais
de freqüências (6.4 KHz, 1.6 KHz e 400 Hz).
Geofísica
Condutivímetro Geonics EM-31
É um sistema de duas bobinas com uma única freqüência (9.8 KHz) e espaçamento fixo de 4 metros entre bobinas.
 Profundidade de exploração de 5 a 6 m;
 Utilizado no mapeamento de plumas de contaminantes e detecção de objetos metálicos enterrados.
Geofísica
Condutivímetro GEM-300
Possui 16 freqüências opcionais, de 325 Hz a 20 KHz.
 Profundidade de exploração até 300 metros;
 Gera seção pela interpolação das sondagens adquiridas com várias freqüências.
Geofísica
Condutivímetro GEM-300
Pode ser configurado para trabalhar com dipolo horizontal ou dipolo vertical.
Geofísica
Exemplos de aplicação
 Mapeamento de chorume em aterro sanitário - Oklahoma;
 Mapeamento de água subterrânea - Pernambuco;
 Mapeamento de intrusão salina – Flórida;
 Detecção de cavernas e objetos enterrados;
 Detecção de UXO (unexploded ordenance) – minas terrestres e explosivos enterrados.
Geofísica
Chorume em aterro sanitário de Norman, Oklahoma
 Recebeu lixo municipal até ser fechado em 1985;
 Situado em silte aluvial ao lado de um rio;
 Pluma de chorume de dimensões desconhecidas afetando o rio.
Geofísica
Chorume em aterro sanitário de Norman, Oklahoma
O fluxo de água subterrânea se dá de NE para SW.
 Concentrações de cloretos junto ao aterro da ordem de 1500 a 2000 mg/L.
Geofísica
Aterro sanitário de Norman
Dados adquiridos com Geonics EM-34.
Pluma de chorume aparece como zona de alta condutividade.
Geofísica
Mapeamento de pluma - fábrica de munição
GEM-300 foi usado para mapear salmouras (sulfatos, NaCl) que emanam do terreno de uma fábrica de munições.
Geofísica
Mapeamento de pluma - fábrica de munição
 Uma pluma de sulfato foi detectada na forma de uma região com altos valores de condutividade (s > 150 mS/m).
 Essa pluma contamina o aqüífero aluvionar local.
Geofísica
Mapeamento de pluma não-condutiva
 Hidrocarbonetos são mal condutores.
 Pluma de derivados de petróleo aparecem como zonas de baixa condutividade.
Geofísica
Água subterrânea em fraturas
 Levantamento para encontrar fontes subterrâneas de água no semi-árido nordestino do Brasil.
Geofísica
Estrutura do embasamento
 Água subterrânea obtida de aqüíferos no embasamento fraturado.
 Mapeia zonas de fraturas em busca da água.
Geofísica
Levantamento terrestre
 Efetuado com condutivímetro EM-34, nos modos de dipolo horizontal e de dipolo vertical.
Geofísica
Resultados do levantamento terrestre
Geofísica
Conclusões do levantamento
 O levantamento terrestre de condutividade é um método viável para a locação de poços produtores de água;
 Zonas fraturadas identificadas em dados adquiridos com dipolo horizontal;
 Levantamento aerotransportado válido para mapeamento regional de aqüíferos em embasamento fraturado;
 Água subterrânea geralmente condutiva.
Geofísica
Levantamento aerotransportado
Levantamento de condutividade realizado por helicóptero.
 Equipamento de registro multi-freqüências;
 Altura de vôo 60 m.
Geofísica
Levantamento aerotransportado
Geofísica
Resultados de EM aerotransportado - Ceará
 Fraturas indicadas por lineamentos condutivos;
 Freqüência de 4500 Hz.
Geofísica
Comparação EM versus Geologia – Ceará
 O mapa de condutividade aparente é muito mais detalhado que o mapa geológico existente para a área estudada.
Geofísica
Resultados de EM aerotransportado - Pernambuco
 Freq. 4500 Hz.
Geofísica
Comparação EM versus Geologia – Pernambuco
Geofísica
Mapeamento de intrusão salina - Flórida
Intrusão salina em aqüíferos costeiros da Flórida é um problema crescente.
Geofísica
Mapeamento de intrusão salina - Flórida
Geofísica
Mapeamento de intrusão salina - Flórida
Geofísica
Salinidade versus condutividade
A salinidade pode ser estimada a partir da condutividade.
 Água do mar > 70 mS/m