Métodos Electromagnéticos

 

Os métodos electromagnéticos são aqueles que estudam a resposta do terreno quando sujeitos a propagação de energia electromagnética.

A grande variedade de formas de geração ou detecção deste tipo de campos electromagnéticos dão lugar a um maior número de técnicas de aplicação do que qualquer outro método geofísico.

Estes métodos podem-se classificar em dois grupos:

Técnicas onde predominam as correntes de indução e técnicas onde predominam as correntes de deslocamento, como ilustra o gráfico seguinte.

Método electromagnético em domínio de frequências

Consiste na emissão de ondas electromagnéticas de uma bobine emissora até uma receptora situada na superfície do terreno. A profundidade de penetração depende da frequência da bobine emissora que pode oscilar entre 100Hz e 10kHz, bem como da distância entre as bobines emissora e receptora.

O método consiste em posicionar o emissor e receptor a uma certa distância (normalmente entre 5 a 50 metros) e indo deslocando-os em intervalos regulares ao longo de perfis. Em cada ponto de medida o resultado obtido refere-se ao ponto situado a meia distancia entre o emissor e receptor e a uma profundidade que depende da frequência usada, bem com da posição das bobines (horizontal ou vertical).

Método electromagnético em domínio de tempos

Este método consiste no registo das variações ao longo do tempo do campo magnético secundário gerado, enquanto o transmissor não emite. Isto evita ruídos e permite utilizar a bobine emissora como receptora.

Método electromagnético de fonte de indução distante (VLF – "very low frequency")

Este método diferencia-se dos anteriores devido a fonte emissora ser uma estação distante. O campo primário é gerado por antenas de radio distantes (centenas ou milhares de quilómetros) de muita baixa frequência.

A grande vantagem destes sistemas, independentemente da sua precisão é evitar o transporte para o campo de equipamentos pesados que possam gerar um campo electromagnético primário, utilizando apenas bobines que captem o campo resultante. As ondas electromagnéticas emitidas encontram-se entre 3 a 30 kHz, e cada emissora tem uma frequência específica.

 

GPR (Ground Penetrating Radar)

O GPR, ou georadar, é um método geofísico de superfície (não destrutivo) que utiliza ondas electromagnéticas de alta frequência (normalmente entre 10 e 2500 MHz) com o objectivo de mapear estruturas, diferenças litológicas subsuperfíciais, cavidades ou objectos enterrados. Este é o método electromagnético mais utilizado na área da geotecnia.

Equipamento

Os principais elementos que constituem um sistema de georadar são:

· 2 Antenas (uma emissora e outra receptora)

· Fonte de energia (bateria)

· Sistema de armazenamento digital

· Computador de monitorização em tempo real (opcional)

· Carrinho de transporte (opcional)

Figura 1 – Constituição do equipamento de GPR.

Princípio de funcionamento do GPR

O princípio físico do GPR consiste na emissão de ondas electromagnéticas que são geradas através de um curto pulso de alta frequência e que, por sua vez, são repetidamente emitidas para o terreno por uma antena transmissora.

A propagação do sinal das ondas e a profundidade de alcance destas, dependem da frequência do sinal emitido e das propriedades eléctricas dos materiais percorridos: condutividade eléctrica, permitividade dieléctrica e permeabilidade magnética. As variações nestas propriedades fazem com que parte do sinal seja reflectido e refractado.

As ondas reflectidas são assim recebidas por uma outra antena, receptora, colocada na superfície a uma determinada distância constante da antena emissora. O sinal reflectido é registado em função do tempo de percurso da onda (tempo duplo), que é amplificado, digitalizado e gravado num dispositivo, deixando os dados prontos para um posterior processamento. Hoje em dia também existe a possibilidade de ter um computador integrado que permite a monitorização do processo em tempo real.Todo este processo está esquematizado na figura 2.

Figura 2 – Esquema de funcionamento do GPR.

O sistema de GPR é especificado pela frequência central das antenas e, normalmente, estas são projectadas para actuar numa faixa situada entre 0.5 vezes a frequência central (frequência mínima) e até 1,5 vezes a frequência central (frequência máxima). A frequência utilizada em campo, pode pois ser ajustada nesses intervalos para uma melhor optimização consoante o trabalho que se quer desenvolver.

A frequência da antena tem um papel muito importante uma vez que é ela a principal responsável pela profundidade de penetração da onda electromagnética. Para maiores frequências de onda resulta uma maior resolução da subsuperficíe mas atinge-se uma menor profundidade de penetração. Por outro lado, para menores frequências, a profundidade de penetração aumenta mas obtém-se uma menor resolução.

Na tabela 1 estão listadas os valores das frequências centrais das antenas com as suas respectivas profundidades máximas de penetração.

Tabela 1 – Frequência central das antenas versus profundidade máxima de penetração (Porsani,1999).

A resolução vertical corresponde à capacidade de distinguir as reflexões provenientes do topo e da base de camadas de pequena espessura. Na tabela 2 temos alguns valores estimados de resolução vertical para diferentes frequências.

Tabela 2 – Frequência central das antenas versus resolução vertical (Annan,1992)

Procedimento/Aquisição de dados

O procedimento para aquisição de dados de GPR pode ser feito através de três modos: perfis de reflexão com afastamento constante, sondagens de velocidade e a técnica de tomografia, sendo que o método mais utilizado são os perfis de reflexão com afastamento constante.

Perfis de reflexão com afastamento constante

Nesta técnica a geometria das antenas transmissora e receptora é mantida a uma distância fixa constante.

O sistema GPR desloca-se ao longo de perfis horizontais em que, no caso de o objectivo ser um mapeamento (tridimensional), estes perfis devem ser espaçados a uma distância constante.

O resultado obtido é um perfil onde no eixo horizontal estão as distâncias percorridas pelo deslocamento das antenas, mostrando as variações das reflexões em função do tempo duplo (tempo de ida e volta do sinal) de percurso do sinal reflectido no eixo vertical (Figura 3).

Figura 3 – Esquema de aquisição de dados pelo perfil de reflexão.

Na aquisição deste tipo de perfis os parâmetros que devem ser analisados são:

• Frequência da antena

• Abertura da janela temporal

• Amostragem espacial

• Localização e orientação do perfil

• Número de amostras por traço

Frequência da antena

Como já foi referido, existe uma relação entre a profundidade de penetração e a resolução quando seleccionada uma frequência de operação. Este ponto deve ser escolhido/ajustado dependendo do trabalho que se pretende realizar.

Abertura da janela temporal

A abertura da janela temporal significa o tempo que se deve deixar a janela de tempo aberta para que o sinal seja transmitido, reflectido e recebido pelo receptor. Isto depende da profundidade que se deseja atingir, da velocidade da onda electromagnética no meio e da frequência da antena utilizada. Para penetrações mais profundas, deve-se ter uma maior abertura da janela temporal, que significa uma maior quantidade de dados a serem registados.

Amostragem espacial

O intervalo de amostragem espacial ou intervalo entre emissões do sinal electromagnético é de extrema importância durante a aquisição de dados. Para se obter uma resposta sem "aliasing" ou seja, sem falsa amostragem não se deve exceder o intervalo de amostragem de Nyquist (intervalo que varia de ¼ até ½ do comprimento de onda emitida). Na prática, o volume de dados adquiridos e o tempo do levantamento são reduzidos pelo aumento no espaçamento entre as emissões.

Localização e orientação do perfil

A localização dos perfis de GPR é importante para se saber a origem dos dados. Os perfis são orientados perpendicularmente à direcção da estrutura da subsuperfície, pois as reflexões serão inclinadas, distintas de ruídos (horizontais) tornando a sua identificação mais fácil.

Número de amostras por traço

O número de amostras por traço significa a quantidade de pontos que devem ser amostrados num traço do registo. Este parâmetro deve ser cuidadosamente escolhido para evitar o efeito de "aliasing" (falsa amostragem), e é utilizado para transformar o dado analógico em digital.

Processamento e Interpretação dos dados

O processamento dos dados GPR posterior ao levantamento de campo é realizado através de software, podendo remover ou realçar certas feições de interesse e envolve etapas como: edição dos dados, processamento de sinal e apresentação da imagem processada (radargrama).

A etapa de processamento básico inclui a filtragem dos dados em que o seu uso apropriado permite melhorar a razão sinal/ruído (causado por outras emissões EM no campo durante a campanha), e também a aplicação de processos que permitem equalizar todas as amplitudes de cada traço, a fim de compensar a atenuação sofrida pelo sinal à medida que se propaga para o interior da subsuperfície em estudo.

No final do processamento, obtemos o resultado em formato de imagem a que chamamos de radargrama (Figura 4).

Figura 4 – Perfil de GPR após o seu processamento (radargrama).

Antes de interpretar os dados, existem alguns aspectos que devem ser considerados.

As duas ondas directas, no ar e na terra, observadas frequentemente no topo dos perfis são sempre os sinais mais fortes (Figura 3b). A onda directa no ar é sempre a primeira a chegar pois propaga-se no ar com a velocidade da luz. A onda directa na terra, "ground wave" é normalmente a segunda a chegar. As reflexões visualizadas nos perfis, vão depender da forma dos objectos/camadas/vazios presentes no meio em estudo.

O primeiro passo na análise dos perfis é identificar a origem das reflexões e se as interfaces indicadas pelas reflexões representam mudanças na subsuperfície ou interferências. As anomalias identificadas num perfil enquadram-se dentro de três classes principais: reflectores horizontais contínuos, reflectores de objectos de duas ou três dimensões e descontinuidades laterais, hipérboles de difracção.

As reflexões provenientes de objectos enterrados, tais como dutos, galerias, entre outros, são identificadas pelas suas características hiperbólicas apertadas no perfil. Já as reflexões provenientes da presença de objectos na superfície tais como arvores, edifícios, torres de alta tensão, etc. são caracterizadas por feições hiperbólicas abertas. Estes dois tipos de reflexões hiperbólicas distinguem-se bem devido à diferença de velocidade de propagação das ondas EM.

A interpretação dos perfis de GPR é bastante subjectiva e depende muito do intérprete. É portanto fundamental que o intérprete esteja ciente dos objectivos do levantamento em campo e tenha conhecimento sobre as propriedades eléctricas tanto do objecto em estudo como do meio encaixante. É recomendável o uso de outras informações geológicas e geofísicas para complementar os dados de GPR de maneira a obter uma maior fiabilidade dos resultados.

Vantagens/Desvantagens do método

Vantagens:

• Medições relativamente fáceis de fazer e não intrusivas;

• A mobilização do veículo contendo o GPR permite uma boa aquisição de dados num curto espaço de tempo;

• Os dados adquiridos podem ser visualizados no campo em tempo real e permitir uma primeira interpretação no local;

• Método relativamente rápido e económico comparado com outros métodos de prospecção.

Desvantagens:

• Profundidade de penetração do sinal e qualidade de resolução estão dependentes um do outro;

• Método sensível ao ruido exterior causado por factores geológicos e culturais que interferem no registo de dados;

• Objectos que emitem radiação electromagnética como telemóveis e outros dispositivos, podem também interferir nos resultados obtidos.