Geofísica à serviço das Hidrelétricas - UHE, PCH e CGH

A Geo􀄰fisica é uma ciência voltada à compreensão da estrutura, composição e dinâmica do Planeta Terra, sob a óp􀆟ca da 􀄰sica. Inves􀆟ga as propriedades 􀄰sicas dos materiais, através de equipamentos específicos e dos conhecimentos teóricos das leis da matemá􀆟ca e da 􀄰física.

As principais medidas que a geo􀄰sica u􀆟liza em seus estudos são os fenômenos elétricos, sísmicos, magné􀆟cos, gravitacionais, térmicos e radioa􀆟vos dos materiais.

De uma maneira geral, os métodos geo􀄰fisicos fornecem informações muito úteis para o reconhecimento geológico do substrato, sendo analisadas e interpretadas

para a iden􀆟ficação dos 􀆟pos de rocha, padrão de fraturamento, grau de alteração, entre outras propriedades.

Para o estudo geológico-geotécnico das hidrelétricas, os métodos geo􀄰fisicos mais u􀆟lizados e, que fornecem excelentes informações, são os elétricos e os sísmicos apresentados a seguir.

• Métodos Elétricos

SEV - Sondagem Elétrica Vertical

CE - Caminhamento Elétrico

• Métodos Sísmicos

SRR - Sísmica de Refração

SRF - Sísmica de Reflexão

Métodos Elétricos

Os métodos elétricos u􀆟lizam da propriedade da condu􀆟vidade ou resistência elétrica dos materiais do substrato para a sua caracterização.

Como a matriz dos solos e das rochas em geral são isolantes, a condução da corrente elétrica é eletrolí􀆟ca, no qual se dá predominantemente pela condutividade iônica na água dos poros interconectados dos sedimentos e das fraturas dos maciços rochosos. Os íons que conduzem a corrente resultam da dissociação de sais na água. A salinidade das águas de percolação é fator importante na determinação da condu􀆟vidade elétrica de uma rocha ou sedimento. As coberturas sedimentares podem comportar-se como condutoras quando saturadas em água, ou podem apresentar alta resis􀆟vidade quando o nível d'água é profundo.

Quanto maior a porosidade, maior a quan􀆟dade de água que pode percolar o meio e então maior será a condu􀆟vidade elétrica do nível inves􀆟gado. A textura da rocha ou sedimentos é também um forte condicionante da resis􀆟vidade elétrica do meio.

Um fator importante para a prospecção geoelétrica é o efeito dos minerais de argila sobre a resis􀆟vidade. As par􀆡culas de argila cons􀆟tuem um caminho adicional de condução de corrente elétrica, além do caminho normal pelo eletrólito. A resistência deste caminho

adicional é muito baixa. Este efeito dos minerais de argila é muito significa􀆟vo, devido à grande capacidade de troca iônica destes minerais.

Nas rochas isolantes como os granitos, basaltos, calcários, gnaisses, entre outras, a condu􀆟vidade elétrica se dá pela água de percolação das fraturas. Então, genericamente, quanto mais fraturada a rocha, maior é a tendência da condu􀆟vidade elétrica.

Na Formação Serra Geral, que é formada basicamente por Basaltos Maciços, Basalto Amigdalares e Brechas Basál􀆟cas, os métodos elétricos fornecem excelentes resultados, pois, além da água percolação das fraturas, as camadas de Basalto Amigdalar e Brecha

Basál􀆟ca geralmente possuem elevada porcentagem de água, destacando-se então no perfil geoelétrico.

Princípio matemático

Uma corrente elétrica (I) é injetada no solo através de dois eletrodos (A e B), e a diferença de potencial gerado (ΔV) devido à passagem desta corrente é medida através de outros dois eletrodos (M e N).

Com as informações de V e I conhecidas pela leitura do equipamento, aplica-se a Lei de Ohm para iden􀆟ficação da Resistencia Elétrica R, conforme equação abaixo.

Conhecendo-se também a geometria referente à distribuição dos eletrodos em super􀄰cie (dada pelo parâmetro K), calcula-se a Resis􀆟vidade elétrica Aparente (ρ ) conforme equação abaixo.

Principais técnicas elétricas

A concepção das técnicas de inves􀆟gação são as mesmas, no qual uma corrente é injetada no substrato entre dois eletrodos (A e B) e a voltagem é medida entre dois outros eletrodos (M e N). A razão entre a voltagem medida e a corrente transmi􀆟da cons􀆟tui a impedância da porção da terra através da qual a corrente se propaga.

As principais técnicas de inves􀆟gação u􀆟lizadas são as Sondagens Elétricas Verticais - SEV e o Caminhamento Elétrico - CE, descritas a seguir.

SEV – Sondagens Elétricas Vertical

A Sondagem Elétrica Ver􀆟cal é assim nomeada, pelo fato de ser uma técnica que inves􀆟ga o substrato ver􀆟calmente a par􀆟r de um ponto no terreno, similar a uma Sondagem Rota􀆟va. Consiste em uma série de medidas de resis􀆟vidade aparente efetuadas com um arranjo em que se promove uma separação crescente entre eletrodos de emissão (A e B) e de recepção (M e N). A Figura abaixo esquema􀆟za a execução de uma SEV com arranjo Schumberger.

Na figura 1 ilustra-se o arranjo de eletrodos chamado Schlumberger, que é o mais uti􀆟lizado na SEV. A caracterís􀆟ca principal da SEV é que o centro do arranjo permanece fixo (M e

N) enquanto a distância entre os eletrodos de corrente (A e B) é aumentada. A profundidade de inves􀆟gação cresce com o aumento da distância AB. A seção ver􀆟cal de resis􀆟vidade assim determinada é atribuída ao ponto central da SEV. Os dados são apresentados em gráficos bilogarítmicos da resis􀆟vidade aparenta pela distância AB/2 (figura ao lado). A modelagem e interpretação da curva de resis􀆟vidade aparente é feita

com base na profundidade (unidimensional) similar a um perfil individual de sondagem

conforme demonstrado na figura ao lado.

A técnica da SEV é indicada para a inves􀆟gação das variações subhorizontais dos materiais como:

• Iden􀆟ficação do Nível da Água

• Iden􀆟ficação da profundidade da rocha (topo rochoso)

• Iden􀆟ficação do contato de rochas sub-horizontais, como Basalto e Brecha; Basalto e Arenito; Arenito e Folhelho, etc.

CE – Caminhamento Elétrico

O Caminhamento Elétrico ou, também conhecido como Imageamento Geoelétrico, é a técnica u􀆟lizada para detectar variações laterais, sendo muito adequado para detectar

contatos geológicos ver􀆟cais ou inclinados, zonas de falha, diques, blocos de rochas, entre outras variações, ao longo de uma linha de caminhamento no terreno (modelagem

bidimensional – 2D).

O arranjo de eletrodos mais u􀆟lizado para esta técnica é o Dipolo-Dipolo que, consiste em colocar os eletrodos de emissão (A e B) em um ponto e os eletrodos de recepção fora, em direção do caminhamento, conforme exemplificado na figura abaixo.

Com as informações ob􀆟das pelo CE são geradas as Pseudo-Seções de Resis􀆟vidade Elétrica Aparente que apresentam os valores medidos, conforme figura.

A parti􀆟r da pseudo-seção, é realizado então a interpretação para a modelagem geológica,

subdividindo a seção em unidades litológicas, zonas de falha, entre outros materiais conforme figura abaixo.

Métodos Sísmicos

Os métodos sísmicos têm por obje􀆟vo estudar a distribuição em profundidade do parâmetro

velocidade de propagação das ondas acús􀆟cas, que está in􀆟mamente relacionado com as

caracterís􀆟cas 􀄰sicas do meio geológico, tais como densidade, constantes elás􀆟cas, porosidade, composição mineralógica e química, conteúdo de água e tensão de confinamento.

A importância destas caracterís􀆟cas, nos estudos geológico-geotécnicos de maciços,

garantem aos métodos sísmicos grande aplicabilidade na Geologia de Engenharia. Além disso, no ensaio sísmico, amostram-se volumes representa􀆟vos e nãoperturbados

do maciço, o que não ocorre com ensaios de laboratório realizados em pequenas amostras.

Os fundamentos dos métodos sísmicos, esquema􀆟camente ilustrados na figura ao lado, estão baseados no princípio de propagação das ondas acús􀆟cas num meio sólido. Sinais acús􀆟cos são emi􀆟dos na super􀄰cie e se propagam através das camadas geológicas, retornando à super􀄰cie ao sofrerem reflexão ou refração total nas interfaces, sendo

captados por sensores denominados geofones. Um equipamento de registro, o

sismógrafo, capta os sinais recebidos pelos sensores, gravando-os em forma digital.

As principais técnicas sísmicas u􀆟lizadas para projetos de

hidrelétricas são:

• Sísmica de Reflexão

• Sísmica de Refração

SÍSMICA DE REFRAÇÃO - SRR

A Sísmica de Refração tem sido aplicada largamente nos projetos de hidrelétricas, principalmente para a determinação da profundidade do topo do embasamento rochoso e das espessuras das camadas sotopostas ao embasamento, além de fornecer informações quanto a escarificabilidade dos maciços rochosos.

Esta técnica consiste de medições de tempo de propragação das ondas acús􀆟cas que viajam através dos meios subjacentes e refratam ao longo das interfaces com meios de maior velocidade de propagação, retornando à super􀄰cie onde são captadas pelos geofones, adequadamente distribuidos, conforme ilustrado na figura a baixo. Os dados ob􀆟dos são plotados em gráficos (Tempo X Distância) que, devidamente interpretados, fornecem os parâmetros de interesse ao projeto.

O método Sísmico de Refração u􀆟liza fontes de energia de natureza impulsiva que produzem deformações elás􀆟cas no meio, gerando ondas acús􀆟cas que se propagam através das diferentes interfaces geológicas. Para a geração das ondas, atualmente u􀆟liza-se de marretadas no substrato.

SÍSMICA DE REFLEXÃO - SRL

A técnica Sísmica de Reflexão cons􀆟tui uma importante ferramenta de inves􀆟gação profunda há algumas décadas. Porém, somente a par􀆟r de 1980, com avanço da microeletrônica e dos microcomputadores, este método passou a ter também aplicações na inves􀆟gação rasa (profundidades inferiores a 30 m), fornecendo subsídios fundamentais à inves􀆟gação geológico-geotécnica.

O princípio do método baseia-se na propagação, através das camadas geológicas subjacentes, do sinal acús􀆟co emi􀆟do na super􀄰cie. Um conjunto de geofones é fixado na super􀄰cie ao longo de uma linha com obje􀆟vo de registrar o sinal de retorno. A energia emi􀆟da se irradia esfericamente a par􀆟r do ponto de origem, penetrando nas camadas subjacentes. Parte desta energia retorna à super􀄰cie, ao a􀆟ngir setores com contraste de impedância acús􀆟ca, produto da densidade e da velocidade de propagação de ondas acús􀆟cas num meio. Quanto maior este contraste, maior será a energia de retorno do sinal. Sedimentos inconsolidados, depositados diretamente sobre o embasamento rochoso, proporcionam contrastes de impedância ni􀆟damente definidos nos registros da sísmica de refração.

Normalmente, o substrato geológico é composto por várias camadas, o que proporciona a geração de uma série de reflexões, conforme ilustrado na Figura.

ENSAIOS CROSS-HOLE

O ensaio Cross-Hole consiste na geração de ondas sísmicas em um furo de sondagem e seu registro em um ou mais furos adjacentes. O obje􀆟vo deste procedimento é captar

as ondas longitudinais e transversais que se propagam em subsuper􀄰cie sem que elas sofram os fenômenos de refração e reflexão, pois os mesmos podem mascarar os

sinais de interesse. Os resultados ob􀆟dos permitem calcular os módulos de elas􀆟cidade das rochas, para serem u􀆟lizados no planejamento de fundações em projetos de engenharia.

ENSAIOS DOWN-HOLE

O ensaio Down-Hole é u􀆟lizado para determinação da variação da velocidade da onda cisalhante in situ com a profundidade. Neste método é medido o tempo de trajetória das ondas entre a super􀄰cie e pontos no interior da massa de solo.

Neste estudo se faz necessário apenas um furo de sondagem ou o uso de uma ferramenta de penetração para a instalação do sensor no interior do solo. Do mesmo modo que o Cross-Hole, os resultados ob􀆟dos no ensaio Down-Hole permitem calcular os módulos de elas􀆟cidade das rochas, para serem u􀆟lizados no planejamento de fundações em projetos de engenharia.