gravimetria

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Geofísica MÉTODOS POTENCIAIS São métodos geofísicos que investigam variações locais nos campos potenciais de força que existem naturalmente na Terra. São classificados de acordo com a propriedade física que investigam: GRAVIMETRIA investiga variações locais no campo gravitacional da Terra. MAGNETOMETRIA estuda variações locais no campo magnético da Terra.

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Page 1: gravimetria

Geofísica

MÉTODOS POTENCIAIS

São métodos geofísicos que investigam variações locais nos

campos potenciais de força que existem naturalmente na

Terra.

São classificados de acordo com a propriedade física que

investigam:

• GRAVIMETRIA – investiga variações locais no campo

gravitacional da Terra.

• MAGNETOMETRIA – estuda variações locais no campo

magnético da Terra.

Page 2: gravimetria

Geofísica

GRAVIMETRIA

Detecta variações de densidade na subsuperfície através da

medição de variações locais na gravidade terrestre.

• Requer contraste de densidade entre o “alvo” e as rochas ou

sedimentos encaixantes.

Page 3: gravimetria

Geofísica

Levantamentos gravimétricos

Podem ser usados tanto para detecção de anomalias rasas

quanto para anomalias profundas.

• Detecta objetos enterrados (tambores, dutos, etc.);

• Localiza cavernas e espaços vazios (anomalia negativa);

• Bom método para delimitar bacias sedimentares e

determinar sua espessura de sedimentos.

Page 4: gravimetria

Geofísica

Força gravitacional, F

Lei de Newton da gravitação:

A força atrativa mútua entre duas massas pontuais é

inversamente proporcional ao quadrado da distância entre

as massas.

Page 5: gravimetria

Geofísica

Constante gravitacional, G

G é uma constante proporcional com

o valor de 6.6732 x 10-11 m3/kgs2.

• Seu valor foi determinado

experimentalmente por Cavendish

em 1798.

• A unidade de força gravitacional F é

Newton (1N = kgm/s2).

Page 6: gravimetria

Geofísica

Aceleração da gravidade, g

No método gravimétrico mede-se a aceleração da gravidade

(g) ao invés da força gravitacional (F).

• g pode ser derivada da segunda lei de Newton:

Unidades de g:

Page 7: gravimetria

Geofísica

Aceleração da gravidade, g

g é normalmente expresso em m/s2 (SI) ou cm/s2 (cgs).

• Em geofísica a unidade convencional de g é Gal (em

homenagem a Galileu).

• Outra unidade SI para g é g.u. (gravity unit).

Page 8: gravimetria

Geofísica

g na superfície da Terra

Se a Terra fosse um planeta perfeitamente esférico, sem

rotação e composto por uma massa homogênea:

Page 9: gravimetria

GeofísicaEfeito da forma

Mas a Terra não é uma esfera, ela é um elipsóide. Portanto o

valor de g varia com a latitude.

• O raio da Terra diminui do equador para os pólos em cerca

de 11Km;

• Nos pólos, o raio menor aumenta o valor de g;

• Produz um aumento de g de 6.6 Gal nos pólos.

Page 10: gravimetria

Geofísica

Efeito da massa

O raio da Terra é maior no equador, logo mais massa existe

entre o centro da Terra e a linha do equador.

• Causa uma diminuição no valor de g nos pólos de 4.8 Gal.

Page 11: gravimetria

Geofísica

Efeito da rotação

A rotação da Terra produz uma força centrífuga Fc que se

contrapõe à força da gravidade.

• Produz um aumento no valor de g nos pólos de 3.4 Gal.

Page 12: gravimetria

Geofísica

Efeito resultante de latitude

O efeito resultante da variação de latitude é um aumento na

gravidade do equador para os pólos de 5.2 Gal.

• Esta é uma variação muito grande uma vez que a maioria

dos alvos geológicos produz anomalias gravimétricas

menores que 0,1 mGal.

Page 13: gravimetria

Geofísica

Fórmula Internacional da Gravidade - IGF

Os valores “normais” da gravidade com a latitude são

calculados através da IGF.

• A IGF fornece valores “normais” de gravidade, no nível do

mar, como função da latitude (f).

onde ge é o valor da gravidade no equador ao nível do mar

(ge = 9,780318 m/s2) e A e B são constantes determinadas

em função da velocidade angular, tamanho e forma da Terra.

Page 14: gravimetria

GeofísicaGeóide

As medidas relativas de gravidade são feitas em relação a

uma superfície imaginária chamada Geóide.

• A superfície do geóide se aproxima do nível médio dos

mares;

• Na superfície do geóide o valor de g é constante.

Page 15: gravimetria

Geofísica

Superfície do geóide

• Superfície de mesmo potencial gravimétrico;

• Deprimida sobre os oceanos e elevada sobre os

continentes, em relação ao elipsóide.

Page 16: gravimetria

Geofísica

Anomalia gravimétrica, Dg

Devido à composição heterogênea da Terra, espera-se que

os valores locais medidos de gravidade sejam diferentes do

valores “normais” de gravidade calculados pela IGF.

• A diferença entre os valores medidos de gravidade e os

dados pela IGF é chamada de “anomalia de gravidade” (Dg).

• As anomalias são resultantes dos contrastes de densidade

que ocorrem na subsuperfície embaixo dos pontos de

medição.

Page 17: gravimetria

Geofísica

Medição da gravidade

Tanto pode ser uma medida absoluta de gravidade como,

mais comumente, uma medida relativa de gravidade

(variação de g entre duas estações de medição).

Page 18: gravimetria

GeofísicaMétodos de medição de g

Queda livre de corpos

• g pode ser medida diretamente pela queda de um objeto

com medição da sua taxa de variação de velocidade (g).

• A altura da queda de um corpo é proporcional ao quadrado

do tempo de queda.

Page 19: gravimetria

GeofísicaMétodos de medição de g

Queda livre de corpos

A massa pode ser solta dentro de uma câmara de vácuo e o

tempo de queda medido com precisão através de um

interferômetro a laser.

• mede g com precisão de 0,001 mGal

• g = 2z/t2

Gravímetro absoluto

Micro-g FG-5

Page 20: gravimetria

GeofísicaMétodos de medição de g

Pêndulos

A gravidade foi medida pela primeira vez por Pierre Bougher

em 1749 usando um pêndulo.

• O período de oscilação do pêndulo é inversamente

proporcional a g.

Page 21: gravimetria

GeofísicaMétodos de medição de g

Pêndulos

• A medição precisa da constante K de um pêndulo é difícil

de ser realizada;

• A medição absoluta de g com um pêndulo tem precisão de,

no máximo, 1 mGal;

• Um pêndulo pode ser usado para a medição relativa de g

em dois locais, uma vez que a constante K não muda. Neste

caso a precisão sobe para 0,1 mGal.

• Requer cerca de uma hora para fazer uma medição de g, o

que não o torna prático como instrumento de campo.

Page 22: gravimetria

GeofísicaGravímetros

Na prática, levantamentos gravimétricos são medições

relativas de g usando um gravímetro, que é uma sensível

balança com uma massa suspensa por uma mola.

• Uma pequena mudança em g resulta no deslocamento da

massa e na variação do comprimento da mola.

Page 23: gravimetria

Geofísica

Princípios de operação de um gravímetro

A variação de comprimento x da mola é proporcional à

massa dividida pela constante k da mola.

• Quanto mais rígida for a mola, maior a sua constante k;

• A mola é mais estirada sob maiores valores de g.

Page 24: gravimetria

Geofísica

Gravímetro Worden

Gravímetros modernos empregam molas de quartzo, o que

lhes confere grande precisão nas medições.

• Mede g com uma precisão de 0,01 mGal.

Page 25: gravimetria

Geofísica

Medição com Gravímetro Worden

1. Nivele o instrumento usando os parafusos nos pés.

2. Na estação base, zere o instrumento posicionando o feixe

visto no monóculo para a posição central. Para isto use o

disco de calibração.

3. Desloque o gravímetro para a próxima estação e nivele-o

novamente.

4. Zere o instrumento de novo. A força restauradora (em

mGal) necessária para zerar o instrumento é registrada.

Page 26: gravimetria

Geofísica

Medição relativa da gravidade

O instrumento é montado em estações ao longo de linhas e

a cada estação a variação no valor de g é medida.

Page 27: gravimetria

Geofísica

Correção de dados gravimétricos

As anomalias de gravidade que se desejam medir são

pequenas quando comparadas com as variações de

gravidade que ocorrem ao longo do tempo e com o ponto de

medição.

• Essas variações indesejáveis de gravidade são removidas

do dado registrado através da aplicação de várias correções:

1. Correção de instrumento (drift); 2. Correção de marés;

3. Correção de latitude; 4. Correção ar-livre (free air);

5. Correção Bougher; 6. Correção de terreno.

Page 28: gravimetria

GeofísicaEfeito de instrumento

As variações de temperatura durante o levantamento

provocam variação nas propriedades da mola do gravímetro,

causando uma variação gradual nas medidas de gravidade.

• Em geral, g varia menos de 1 mGal (10 g.u.);

• Essa variação é monitorada por repetidas medições na

mesma estação (1 medição a cada 1 ou 2 horas).

Page 29: gravimetria

GeofísicaEfeito de maré

A atração gravitacional do Sol e da Lua deforma a Terra e a

superfície dos oceanos.

• A deformação da Terra é pequena (alguns centímetros)

mas suficiente para afetar as medidas de gravidade;

• As variações de maré têm período de 12 horas.

Page 30: gravimetria

Geofísica

Estações-base

Para a medição dos efeitos de instrumento e de maré, várias

estações-base são repetidamente re-ocupadas durante um

levantamento gravimétrico.

• Leituras de gravidade são efetuadas nas estações-base a

aproximadamente cada hora.

Page 31: gravimetria

GeofísicaCorreção de instrumento e de maré

Se um gravímetro faz várias medidas em uma mesma estação, a razão

para a obtenção de valores diferentes de gravidade em cada leitura é o

drift e as marés.

• A correção de instrumento (drift) e de maré é dada pela diferença entre

as sucessivas medições de gravidade nas estações-base.

• O drift instrumental e as marés têm uma correção única.

Page 32: gravimetria

Geofísica

Correção de instrumento e de maré

O drift entre as estações é assumido como suave e é

estimado da linha de ajuste linear entre os valores de

gravidade lidos nas estações-base.

Page 33: gravimetria

GeofísicaCorreção de Latitude

A gravidade em uma estação é dada pela diferença entre o

valor medido e o valor teórico de gravidade para aquela

estação. O valor teórico de gravidade é dado pela fórmula

IGF:

• Uma aproximação pode ser aplicada para levantamentos

de pequena escala (< 100 Km):

• Só é importante quando o levantamento ocorre numa linha

onde a latitude muda por várias centenas de metros.

) Km/mGal2sen81,0CL f

Page 34: gravimetria

GeofísicaCorreção Ar-livre

Corrige a variação da gravidade causada pela diferença de

elevação entre as várias estações de medição, em relação

ao nível médio dos mares.

• A correção ar-livre é positiva quando a estação se encontra

acima do nível do mar e negativa quando a estação está

abaixo do nível do mar.

Page 35: gravimetria

Geofísica

Topografia

A medição das elevações das

estações gravimétricas precisa

ser executada com elevada

precisão.

• Precisão topográfica de ± 5 cm

para uma precisão de 0,1 mGal.

Page 36: gravimetria

Geofísica

Anomalia Ar-livre (gFA)

Valor de gravidade obtido após a subtração do valor normal

de gravidade (IGF), da correção de instrumento e de maré, e

da correção ar-livre.

• Mapas de anomalia ar-livre são usados diretamente na

interpretação em áreas oceânicas.

Page 37: gravimetria

GeofísicaCorreção Bougher

A correção ar-livre não corrige o efeito das massas

existentes entre a estação de medição e o nível médio dos

mares (nível de referência para a correção ar-livre).

• A correção Bougher calcula a atração gravitacional extra

exercida por uma camada de rocha lateralmente infinita, com

densidade média r e espessura z.

• Sempre negativa.

Page 38: gravimetria

Geofísica

Anomalia Bougher (DgB)

A anomalia Bougher é o resultado da aplicação das

correções ar-livre (que supõe as correções de instrumento,

marés e de latitude) e Bougher.

• A anomalia Bougher é dada por:

Page 39: gravimetria

GeofísicaCorreção de terreno

A camada lateralmente infinita considerada na correção

Bougher descreve as variações gravitacionais causadas por

variações topográficas de grande escala.

• Mas não serve para representar os extremos locais de

variações topográficas próximos das estações de medição;

• Como o efeito de vales e montanhas próximos a uma

estação de medição.

Page 40: gravimetria

GeofísicaEfeitos de construções

Em medições micro-gravimétricas, efeitos locais de prédios

ou outras construções podem ser sentidos.

• Uma parede de tijolos com 50 cm de espessura pode

induzir uma anomalia de cerca de 0,01 a 0,03 mGal a uma

distância de até 5 metros.

Page 41: gravimetria

GeofísicaCarta para correção de terreno

A correção de terreno é realizada através das cartas de

Hammer.

• Calcula a atração gravitacional de cada setor de uma série

de cilindros em torno da estação gravimétrica;

• A contribuição ponderada de cada setor (como função do

seu volume e da distância à estação) é somada, resultando

no valor da correção de terreno.

Page 42: gravimetria

Geofísica

Métodos de estimativa de densidade

Para aplicar as correções Bougher e de terreno precisamos

conhecer a densidade da subsuperfície. Alguns métodos são

usados para a estimativa de densidade:

• Estimativa “grosseira” baseada na estratigrafia;

• Perfis geofísicos de poços ou medição laboratorial de

densidade de testemunhos de poços;

• Método de Nettleton para a geração de um “perfil de

densidade”.

Page 43: gravimetria

Geofísica

Método de Nettleton

• Aplica um intervalo de

valores tentativos de

densidade nas correções de

Bougher e de terreno de uma

linha de dados;

• Escolhe-se a curva que

fornece a melhor estimativa

de densidade pela correlação

com a topografia.

Page 44: gravimetria

Geofísica

Densidade das rochas (r)

A variação de densidade das rochas é pequena em

comparação com outras propriedades físicas.

• Deve haver um contraste significante para que se detecte

uma anomalia gravimétrica;

• Densidade (ou a rigor, massa específica) é uma medida de

massa por unidade de volume e suas unidades são g/cm3 ou

Kg/m3.

Page 45: gravimetria

Geofísica

Densidades típicas de minerais e rochas

Page 46: gravimetria

Geofísica

Exemplo de dados corrigidos (ou reduzidos)

Page 47: gravimetria

GeofísicaMapa de anomalia Bougher

• Todas as correções foram aplicadas.

• Variações de gravidade são devidas a contrastes de

densidade na subsuperfície.

Page 48: gravimetria

GeofísicaAnomalias de gravidade

A magnitude e a forma de uma anomalia de gravidade

depende de:

• Contraste de densidade;

• Profundidade da fonte;

• Geometria (fatores de forma).

Page 49: gravimetria

GeofísicaGravidade de uma esfera

• O objeto mais simples de modelar é uma esfera uniforme

de densidade r;

• x é a distância horizontal entre o ponto de medição e o

centro da esfera;

• r é a distância inclinada entre o ponto de medição e o

centro da esfera;

• z é a profundidade do centro da esfera.

Page 50: gravimetria

Geofísica

Gravidade de uma esfera

• A atração gravitacional vertical é g = GM/r2;

• A massa é dada pelo volume V = (4/3)pR3 vezes o

contraste de densidade rC = r1 – r2;

• M = m3 x Kg/m3 = Kg.

Page 51: gravimetria

Geofísica

Exemplo: esferas enterradas

• Esferas de ferro com raio de 1 metro;

• Densidade das esferas: r = 5 g/cm3;

• Densidade do solo: r = 2,6 g/cm3;

• Enterradas a profundidades de 5m e 10m;

• Contraste de densidade de 2,4 g/cm3.

Page 52: gravimetria

Geofísica

Exemplo: esferas enterradas

• Anomalias centradas sobre o centro da esfera;

• A anomalia torna-se mais larga (maior comprimento de

onda) com o aumento da profundidade da fonte;

Page 53: gravimetria

Geofísica

Estimativa de profundidade da fonte

• A profundidade do topo de uma fonte gravimétrica pode ser

estimada como sendo aproximadamente igual à meia largura

x1/2 do pico de anomalia na metade da altura do pico;

• Para objetos cilíndricos z = 1,305 x1/2.

Page 54: gravimetria

Geofísica

Outros objetos

Page 55: gravimetria

Geofísica

Método Gradiente-Amplitude

• Pode-se estimar a profundidade da fonte com base no

gradiente dos lados do pico de anomalia;

• A profundidade é calculada a partir da razão entre a

amplitude máxima de gravidade Dgmax e o gradiente Dg’:

Page 56: gravimetria

Geofísica

Ambigüidade em interpretação gravimétrica

As interpretações gravimétricas não são únicas.

• Um número infinito de combinações de geometria da fonte,

profundidade da fonte e contraste de densidade pode gerar

a mesma anomalia.

Page 57: gravimetria

GeofísicaGeologia complexa ?

As anomalias Bougher resultam da superposição de efeitos

de diferentes distribuições de massa a diferentes

profundidades.

• Fontes mais profundas, comprimentos de onda maiores;

fontes mais rasas, comprimentos de onda menores.

Page 58: gravimetria

Geofísica

Modelagem gravimétrica

Consiste em produzir matematicamente a resposta

gravimétrica de vários modelos geológicos, auxiliando na

interpretação dos dados observados no campo.

• Modelagem direta: trabalha com modelos com camadas de

espessura e densidades conhecidas, comparando a

resposta calculada com os dados obtidos no campo;

• Modelagem inversa: Estima as densidades e espessuras

das camadas a partir dos dados registrados no campo.

Page 59: gravimetria

Geofísica

Modelagem direta

Constrói modelos de subsuperfície, definindo as espessuras

e as densidades das rochas.

• Calcula g e compara os valores calculados com os valores

de gravidade registrados no campo.

Page 60: gravimetria

GeofísicaAplicações Ambientais

• Detecção de cavernas, tanques enterrados;

• Delineamento de área de ação de aterros sanitários;

• Mapeamento de falhas e zonas de fraturas em rochas;

• Estimativa de profundidade do embasamento.

Page 61: gravimetria

Geofísica

Scintrex CG-3 Autograv

• Nível automático;

• Resolução de 0,01 mGal.

Page 62: gravimetria

Geofísica

Gravimetria aerotransportada

• Gravímetro montado em plataforma

estabilizadora;

• 3 acelerômetros compensados para

movimentos do avião;

• Acelerações > 20.000 mGal.

Page 63: gravimetria

Geofísica

Gravímetro absoluto Micro-g F-5

• Gravímetro de queda-livre;

• Resolução de 0,001 mGal.

Page 64: gravimetria

GeofísicaDetecção de cavernas

Sondagem para detecção de cavernas preenchidas com

água do mar e ar em rocha calcária.

• Identificação de cavernas como medida de prevenção

anterior à construção de edifícios em zona portuária.

Page 65: gravimetria

Geofísica

Detecção de cavernas

• Anomalias típicas de -60 mGal.

Page 66: gravimetria

Geofísica

Galerias de minas subterrâneas abandonadas

Page 67: gravimetria

Geofísica

Mapeamento do lago subglacial Vostok

• Gravimetria aerotransportada;

• Lago Vostok sob 4 Km de gelo.

Page 68: gravimetria

Geofísica

Topografia de fundo do lago Vostok

Page 69: gravimetria

Geofísica

Canais rochosos subglaciais

Page 70: gravimetria

GeofísicaMonitoramento de vulcões

• Monitora as condições do magma em vulcões ativos;

• A gravidade diminue quando o magma ascende na câmara

magmática;

• A erupção pode ser prevista pelo aumento no conteúdo de

gás.

Page 71: gravimetria

GeofísicaVulcão Masaya, Nicarágua

• A diminuição de 90 mGal na gravidade em 1997-1999 foi

associada com a liberação de gás;

• Redução de gravidade causada pelo armazenamento de 4

milhões de toneladas de gás (H2O+CO2+SO2) em uma

camada de magma vesicular.

Page 72: gravimetria

GeofísicaVulcão Guntur, Indonésia

• Levantamento de microgravidade conduzido em torno do

vulcão para localização de câmaras magmáticas;

• Gravidade baixa indica a presença de câmara magmática.

Page 73: gravimetria

Geofísica

Mapeamento de aterro sanitário

• Aterros sanitários apresentam uma densidade de 0,6 a 1,5

g/cm3, em função da sua composição, e são facilmente

mapeados por levantamentos gravimétricos.

Page 74: gravimetria

Geofísica

Canal preenchido por sedimentos quaternários

• Medição de micro-gravidade em 400 estações;

• Dundas Valley, Austrália