Resumo Métodos Elétricos

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Os Métodos Elétricos são uma
ramificação da Geofísica Aplicada. Os
métodos geoelétricos são:
Métodos Geoelétricos Parâmetros Físicos
Eletrorresistividade Resistividade elétrica
Polarização Induzida Variações de
voltagem
Potencial espontâneo Potencial natural
Eletromagnético Condutividade
Radar de penetração Constante dielétrica/
permissividade
→ Classificação:
Método Parâmetro físico
medido
Resistividade,
cargabilidade,
potencial
espontâneo
Técnica Tipo de
investigação -
horizontal ou
vertical
Sondagens,
caminhamentos e
perfilagens
Arranjo Tipo de disposição
dos eletrodos no
desenvolvimento da
técnica
Schlumberger,
Wenner,
dipolo-dipolo, axial
→ Principais Áreas de Aplicações:
As principais áreas de aplicações dos
métodos de prospecção geofísicos são:
✿ Geotecnia: o método geoelétrico
utilizado é a Eletrorresistividade, usada
para cavidades, determinação de topo
rochoso e espessura de capeamentos,
aquíferos regionais e/ou suspensos,
caminhos preferenciais de água e
identificação de corpos minerais
✿ Hidrogeologia: o principal método
geofísico utilizado é o Método Elétrico,
seguido pelos Métodos Potenciais e
Sísmicos. As suas principais implicações
são: identificação e caracterização
litológica das rochas armazenadoras do
aquífero, determinação do topo
rochoso, determinação de falhas e
fraturas, diques e outros corpos
intrusivos, determinação do nível da água
e a direção do fluxo, do contato água
doce/água salgada em aquíferos
costeiros e estimativa de porosidade,
permeabilidade e transmissividade dos
aquíferos.
✿ Estudos Ambientais: os métodos mais
utilizados são: Elétricos,
Eletromagnéticos e Sísmicos. As
principais aplicações são: determinação
da pluma contaminante no solo e no
aquífero subterrâneo e de estruturas
preferenciais em subsuperfície por
onde a contaminação pode se propagar,
contribuição aos estudos de locais
propícios para a construção de
aterros sanitários, localização de
materiais enterrados e de cavidades.
✿ Geologia de Engenharia e Engenharia
Civil: os métodos geofísicos mais usados
são: Métodos Sísmicos e Elétricos. As
aplicações incluem: determinação do
topo rochoso para fundações e dos
parâmetros elásticos dinâmicos de solos
e rochas, determinação do nível da água,
caracterização litológica, estratigrafia
geológica geotécnica, detecção de zonas
de fraturamento no maciço rochoso,
inspeção de estruturas.
✿ Mineração: os métodos mais utilizados
são: Elétrico, Eletromagnético e
Potenciais. As aplicações incluem:
estudos geológicos regionais para a
definição de províncias mineralizadas,
determinar a geometria de depósitos
minerais aluviais, determinar a
orientação de fraturas e veios
mineralizados, detectar presença de
minérios disseminados (sulfetos) e
determinar a capa de material estéril.
✿ Arqueologia e Geofísica Forense: os
métodos mais utilizados são: Métodos
Eletromagnéticos e Elétricos. As
aplicações são: detecção de fundações
e construções subterrâneas, de
artefatos enterrados, de cavernas e
túneis e de covas e ossadas.
Visão Geral
O método de eletrorresistividade
caracteriza-se por medir a variação da
resistividade elétrica das rochas em
subsuperfície.
A resistividade elétrica depende
basicamente da composição,
granulometria, porosidade, grau de
saturação e salinidade da água que
preenche os vazios das rochas. Quando
o terreno não é homogêneo e isótropo,
considera-se que o valor medido para
cada posição dos eletrodos
corresponde a uma resistividade
elétrica aparente ra, que reflete a
contribuição de diferentes resistividades
elétricas das rochas em profundidade,
sob a zona central do arranjo dos
eletrodos.
→ Aquisição de Dados
Usa-se um sistema de quatro eletrodos
AMNB ligados ao terreno (figura 1). Os
eletrodos A e B constituem o
denominado Circuito de Corrente,
enquanto que os eletrodos M e N
compõem o Circuito de Potencial. O
primeiro transmite corrente elétrica I
(miliamperímetro) para o interior da
Terra, e o segundo mede a diferença
de potencial elétrico ΔV (milivoltímetro)
entre os dois eletrodos. A profundidade
alcançada aumenta, à medida que o
mesmo ocorre com a distância entre
os eletrodos de corrente AB,
→ O que é medido?
A resistividade elétrica é obtida por
meio da relação:
Os métodos elétricos utilizam corrente
contínua ou mesmo alternada, mas de
frequência muito baixa (< 10 Hz), tal que
o fenômeno de indução possa ser
desprezado. A corrente pode ser
introduzida no terreno através de
outros eletrodos enquanto a diferença
de potencial é medida por meio de
outros eletrodos, trazendo as
informações para a subsuperfície.
Dentre estes métodos elétricos,
destacam-se:
✿ Método do Potencial Espontâneo:
utiliza correntes naturais que podem
aparecer, por exemplo, nas imediações
de concentrações de minerais
condutivos
✿ Método da Eletrorresistividade: as
correntes são geradas artificialmente
✿ Método da Polarização Induzida:
correntes geradas artificialmente,
porém a diferença de potencial é
medida após cessada a corrente ou
fazendo-se variar a sua frequência, o
que permite avaliar a capacidade das
rochas de armazenar energia elétrica.
→ Justificativa de utilização:
A aplicação do método justifica-se pelo
fato de a resistividade elétrica das
rochas ser controlada normalmente
pela presença de água e pela carga
iônica nela dissolvida. Geralmente, as
anomalias de baixa resistividade
detectadas em subsuperfície são devido
à presença de águas subterrâneas e à
concentração de sais dissolvidos nelas.
→ Método da Eletrorresistividade:
Neste método, a corrente elétrica
alternada de baixa frequência (< 10 Hz)
ou contínua é injetada no subsolo
através de dois eletrodos (denominados
A e B), medindo-se em seguida a
diferença de potencial (voltagem) com
outros dois eletrodos (M e N).
→ Técnica de Campo
✿ Sondagem Elétrica Vertical (SEV):
investigações verticais das variações de
um parâmetro físico com a
profundidade, efetuadas na superfície
do terreno a partir de um ponto fixo
(investigações verticais-pontuais)
✿ Caminhamento Elétrico (CE):
investigações laterais das variações de
um parâmetro físico, a um ou várias
profundidades determinadas, efetuadas
na superfície do terreno (investigações
horizontais)
✿ Perfilagem Elétrica (PERF):
investigações laterais e verticais das
variações de um parâmetro físico,
efetuadas no interior de furos de
sondagens mecânicas
→ Fundamento Físico
✿ Lei de Ohm: relação entre corrente
fluindo através do condutor e o
potencial de voltagem requerido para
conduzir esta corrente
ΔV = RI
Se aumentarmos o L (comprimento), o
valor de R (resistência do material)
aumenta (↑L↑R). Se o diâmetro do
condutor diminui, o valor de R também
aumenta (↓d↑R). A resistividade é
indicada por ρ.
Resistividade
→ Fatores que influenciam a
resistividades dos materiais litológicos:
✿ Resistividade dos minerais que
formam a parte sólida da rocha
✿ Resistividade dos líquidos e gases que
preenchem seus poros
✿ Umidade da rocha
✿ Porosidade da rocha
✿ Textura e forma de distribuição de
seus poros
✿ Processos que ocorrem no contato
dos líquidos com a estrutura mineral
(adsorção de íons)
→ Mecanismos de propagação de
corrente
✿ Condutividade eletrônica (metais e
semicondutores): deve-se ao transporte
de elétrons na matriz da rocha, sendo a
sua resistividade governada pelo modo
de agregação dos minerais e os graus
de impurezas.
✿ Condutividade iônica (eletrólitos
sólidos, dielétricos e eletrólitos líquidos):
deve-se ao deslocamento dos íons
existentes nas águas contidas nos poros
de uma massa de solo, sedimentos
inconsolidados ou fissuras das rochas.
→ Método de Polarização Induzida:
Medição de voltagem em função do
tempo (IP- domínio do tempo) ou
frequência (IP- domínio de frequência).
Origem:
✿ Polarização Metálica ou Eletrônica: na
superfície limite de um corpo ou
partícula submetida a corrente elétrica,
tem-se uma passagem da condução
iônica para a eletrônica e vice-versa
✿ Polarização de Membrana: ocorre
em rochas carentes de substâncias
metálicas e é devido a uma diferença de
mobilidade entre ânions e cátions pela
presença de minerais de argila→ IP - domínio do tempo
Ao se aplicar uma corrente elétrica no
solo, cria-se uma diferença de potencial
V primária, consequentemente é
provocada a sua polarização. A
diferença de potencial primária Vp não
se estabelece e nem se anula
instantaneamente quando a corrente é
cortada em pulsos sucessivos. Varia
com o tempo na forma de uma curva
Vip = f(t).
Princípios e Aquisição de Métodos da
Eletrorresistividade e Polarização
Induzida
→ Método do Potencial Espontâneo
✿ SP: utiliza correntes naturais que
podem aparecer, por exemplo, nas
imediações de concentrações de
minerais condutivos.
Trata-se de um método de campo
natural e baseia-se no fato de que
mesmo na ausência de qualquer campo
elétrico artificial, é possível medir uma
diferença de potencial entre dois
eletrodos impolarizáveis introduzidos no
terreno.
Tratando-se de prospecção mineral, as
anomalias Sp, geralmente negativas, são
relacionadas à presença de condutores,
sulfetos maciços, no caso. O fenômeno
é explicado por reações eletroquímicas
na interface corpo/rocha encaixante
nos níveis acima e abaixo do lençol
freático.
Este método consiste na produção de
um campo elétrico pelo movimento de
eletrólitos no solo.
→ Origem do Potencial Espontâneo
Potenciais elétricos naturais e
espontâneos (SP) ocorrem naturalmente
no interior das rochas devido à atividade
bioelétrica da vegetação, à variação de
concentração dos eletrólitos, ao fluxo
de fluidos, de íons e de calor.
→ Aplicação do SP
Oferece rapidez e baixo custo, o
método é adequado no reconhecimento
preliminar, como mapeamento de
vazamentos associados a barragens,
diques, reservatórios, estudos de fluxo
de água subterrânea e delineamento dos
seus padrões, estudos geotérmicos,
gradientes de concentração química.
→ Potencial de Mineralização
Origem do potencial em mineralizações
de sulfeto. Há duas semi-células com
reações eletroquímicas de sinais
opostos:
✿ Catódica: acima do nível freático,
redução química das substâncias em
solução
✿ Anódica: em profundidade, oxidação
do corpo metálico
Método do Potencial Espontâneo:
Caminhamento Elétrico
→ Arranjo Wenner: o espaçamento
entre eletrodos é constante
→ Arranjo Schlumberger: consiste em
manter o espaçamento entre os
eletrodos MN constante, aumentando a
distância AB.
Schlumberger Wenner
Mais prático no
campo, necessário o
deslocamento de
apenas dois
eletrodos
Menos prático no
campo, necessário
deslocamento dos
quatro eletrodos
Leituras menos
sujeitas às
interferências
produzidas por
ruídos
Leituras mais sujeitas
às interferências
produzidas por ruídos
indesejáveis
Menos suscetível a
erros
interpretativos em
terrenos não
homogêneos
Mais suscetível a
erros interpretativos
devido a
heterogeneidades
laterais
Ideal para medidas de
resistividade e/ou
resistência do solo
para fins de
aterramento
Sondagem Elétrica Vertical: Arranjo
Schlumberger
A Sondagem Elétrica Vertical (SEV) é
utilizada quando as camadas a serem
mapeadas são essencialmente
horizontais. Recomenda-se que a
distância máxima de separação entre os
locais de investigação seja igual a duas
vezes a profundidade do objetivo.
→ Profundidade de Investigação
A profundidade de investigação é
controlada pela distância entre os
eletrodos de corrente AB.
A profundidade de investigação do SEV
é de 10 a 30% de AB ou AB/4. Exemplo:
Se AB for 1 km, a profundidade será de
100 a 300 metros.
Já a profundidade do Multi-eletrodo
(Wenner, Schlumberger, Dipolo-Dipolo)
corresponde a 20% do comprimento do
cabo. Exemplo: Um cabo com 48
eletrodos espaçados de 5 metros =
240 metros, a profundidade de
investigação será de aproximadamente
48 metros.
✿ Dipolo-Dipolo: um dos eletrodos de
corrente e potencial são separados por
uma distância constante entre si. Neste
caso na>>a.
✿ Polo-Dipolo: um dos eletrodos de
corrente é posicionado longe dos
outros três. A distância "a" é muito
menor que a distância "na".
→ Arranjo e Configurações de
eletrodos:
→ Fatores para a seleção de arranjos
de eletrodos
✿ Relação sinal/ruído: é maior quando
os eletrodos de potencial estão
inseridos dentro dos eletrodos de
corrente. Além disso, o ruído é menor
quando a distância MN é pouco menor
do que a distância AB.
✿ Acoplamento eletromagnético:
ocorre entre os cabos dos eletrodos
de corrente e de potencial quando a
injeção de corrente é interrompida ou
alterada. O acoplamento aumenta com a
frequência e diminui com a distância
entre os eletrodos.
✿ Resolução lateral: é a capacidade de
delimitar os limites do corpo geológico
lateralmente.
✿ Resolução de estruturas com
mergulho acentuado: é a capacidade de
identificar e individualizar duas
estruturas com mergulho acentuado
✿ Resolução de camadas horizontais: é
a capacidade de identificar e
individualizar duas camadas diferentes. A
diferença entre os métodos é pequena.
✿ Sensibilidade e profundidade: é a
capacidade de identificar e individualizar
corpos causadores de anomalias em
diferentes profundidades
✿ Sensibilidade a mergulho: é a
capacidade de mapear o grau de
inclinação das estruturas. Wenner,
apesar de diferenciar corpos
horizontais e verticais, é pouco sensível
a mergulhos superiores a 30°.
✿ Sensibilidade a heterogeneidades
superficiais: arranjos simétricos são
mais sensíveis a este tipo de
heterogeneidade. À medida que se
aumenta a distância entre eletrodos, a
sensibilidade diminui.
✿ Sensibilidade a topografia: arranjos
simétricos são mais sensíveis a este tipo
de heterogeneidade. À medida que se
aumenta a distância entre os eletrodos,
a sensibilidade diminui.
Arranjo Gradiente
Consiste de uma linha de transmissão de
corrente AB fixa, com medidas
efetuadas entre os eletrodos MN, que
são deslocados sobre perfis paralelos à
linha AB.
✿ Interferências: encanamentos,
tubulações, formigueiros, caixas de alta
tensão. Interferências entre MN podem
provocar distorção do campo elétrico
e próximas a AB apresentam distorção
pontual.
✿ Estruturas geológicas: falhas,
fraturas. A linha AMNB deve ser
paralela a estruturas geológicas e de
modo que a superfície topográfica
apresente a mínima variação possível.
→ Cravação dos eletrodos de corrente
e recepção
Resistências de contato elevadas podem
inviabilizar o trabalho. Em locais de alta
resistência deve-se aprofundar os
eletrodos no solo, saturar o local com
água ou ainda conectar mais os
eletrodos formando uma rede
triangular.
Equipamentos
→ Equipamentos que utilizam corrente
alternada são mais recomendáveis, pois
evitam problemas de polarização
→ Frequência deve ser baixa (10 Hz) a
fim de evitar problemas de
interferência na parte mais superficial
do solo, reduzindo profundidade de
investigação
→ Corrente deve ser baixa para evitar
eletrólise, especialmente se material
tiver água
→ Movimentação de eletrodos no
campo pode ser difícil reduzindo a taxa
de aquisição dos dados
→ Levantamentos ambientais e de
engenharia exigem alta densidade de
dados
→ Levantamentos de exploração exigem
maior profundidade e menor densidade
de dados.
→ Exemplos de Equipamentos:
✿ Ohm Mapper-Geometrics: é um
sistema dipolo-dipolo com detecção de 3
a 100.000 Ohm/m, armazenagem de 2MB
de dados. A corrente de saída é de
0.125 a 16 mA e a precisão <3% da
medida, com uma profundidade de
investigação de 0 a 30 metros. O seu
custo é por volta dos US$ 50 mil.
✿ Syscal Pro-Iris Instruments: é um
sistema de IP e Resistividade com uma
detecção de <1 a 100.000 Ohm/m. A sua
armazenagem é de 2700 leituras com
uma corrente de saída de 1 a 16 mA. Sua
precisão é de <0,5% da medida e um
custo de cerca de US$96 mil.
✿ SuperSting R8 - Advanced Geosc:
aceita vários arranjos de eletrodos e
medidas de IP. Armazenamento de
79000 leituras, corrente de saída 1 mA
a 2 A. Precisão 1% da medida e
profundidade de investigação variável. O
seu custo é de US$50 mil.
✿ Resecs-DMT Gmbh: aceita vários
arranjos de eletrodos, armazenagem de
20GB, precisão de 1 microvolt.
Profundidade de investigação de 0 a 30
metros e o custo cerca de €36 mil.
✿ Mc OHM EL-Oyo: para perfilagem de
poços, espaçamento de eletrodos: 25,
50 e 100cm. Corrente de saída de 2120mA e precisão de 1 microVolt.
✿ 2000 XA-Veris Technology:
específico para uso em agricultura, usa
arranjo Wenner, armazenamento de 26
horas de dados e profundidade de
investigação de 90 cm.
Interpretação
A partir da aquisição dos dados em
campo, são obtidos valores de
resistividade aparente. A inversão destes
dados permite a obtenção de uma
seção (modelo) de resistividade
verdadeiras que correspondem à
geologia da seção, permitindo a definição
e a visualização em profundidade das
orientações reais das rochas e
estruturas.
Nos processos interpretativos de uma
SEV, os parâmetros de resistividade e
cargabilidade e espessura determinam
uma coluna geoelétrica.
Na figura 1, temos várias SEV ao longo
do perfil, caracterizando uma seção
geoelétrica. Na figura 2, tem-se cada
camada constituindo um nível geoelétrico.
A associação destes estratos com a
geologia da área resulta em estratos
geoelétricos. Um estrato geoelétrico
formado por um ou mais níveis
associados pode corresponder a um
tipo litológico específico.
→ Forma de representação
Dados de eletrorresistividade podem ser
apresentados de seguintes maneiras:
✿ Perfil 2D (xz)
✿ Mapa 2D (xy)
✿ Bloco 3D