Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGSDepartamento de Engenharia de Minas - DEMIN

Mtodos Geofsicos de Prospeco

Prof. Paulo Salvadoretti (paulo.salvadoretti@ufrgs.br)Depto. Eng. de Minas UFRGSPorto Alegre Brasil

(material de divulgao interna - 2013)

Mtodos Geofsicos de Prospeco

Estrutura do tema

Introduo, importncia, aplicaes

Apresentao e classificao dos principais mtodos geofsicos

Mtodos principais PotenciaisRadiomtricosEltricos e eletromagnticosSsmicosPerfilagem

Introduo

Geofsica uma cincia que utiliza formas indiretas de investigao (mtodo indireto de prospeco) no estudo das propriedades fsicas da Terra.

Mtodos geofsicos ...

Procuram identificar as litologias em subsolo por meio das propriedades fsicas das rochas, tais como velocidade de propagao de ondas, resistividade eltrica, densidade, campo magntico, etc.

Estas propriedades fsicas esto relacionadas com caractersticas geolgicas como litologias, grau de alterao, falhamentos, fraturas, entre outras.

Importncia e aplicaesO conhecimento e as noes sobre os diferentes mtodos geofsicos iro orientar o engenheiro de minas:-Na escolha do mtodo mais adequado para prospectar cada tipo de minrio, visando um melhor conhecimento da jazida; - Embasar o planejamento e projeto de minerao, tanto na lavra quanto no beneficiamento de minrios- As caractersticas de cada tipo de jazida que iro influenciar a escolha do mtodo de beneficiamento mais adequado;- Definio das espessuras de overburden para planejamento do avano da lavra;- Definio de estruturas e descontinuidades (falhas, fraturas, intruses) para auxiliar no dimensionamento e previso de medidas de conteno da rocha;- Aplicaes ambientais, no monitoramento de contaminaes do solo e sub-solo;

Servem tambm como informaes complementares aos mtodos diretos (sondagens), com o objetivo de diminuir o nmero de sondagens testemunhadas, reduzindo o custo do projeto .

Aplicaes comuns dos mtodos geofsicos para investigao geolgico-geotcnica Caracterizao geomecnica de litologias;Cubagem de materiais para escavao;Determinao da densidade de rochas;Determinao da integridade de estruturas e zoneamento de macios;Determinao da profundidade do topo do embasamento;Determinao do nvel dgua;Determinao dos mdulos elsticos dinmicos;Deteco de cavidades;Estudos de escarificabilidade do macio; Localizao de zonas de falhas;Mapeamento de contatos geolgicos;Mapeamento de diques

Classificao dos mtodos geofsicos em funo da fonte de energia ...

Fontes naturais:metodos potenciais (campo gravitacional e magnetico da terra)metodos eletromagnticos (relmpagos e atividade solar)metodos radiomtricos (emissoes naturais de torio, potassio e uranio)energia ssmica de tremores (terremotos)

Fontes ativas (artificiais):correntes eltricas e campos eletromagneticos (ambos produzidos por baterias e geradores)energia ssmica (produzida por marretas, explosivos, vibradores, etc)

*Extrado de SME-Min.Eng.Handbook, 2011; cap.3.3.

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Prospeco Geofsica: Gravimetria

Gravimetria ...

Fundamenta-se na determinao da atrao gravitacional em pontos da superfcie da Terra empregando gravmetros.

A finalidade identificar contrastes de densidades das rochas em subsolo, que originam mudanas na acelerao da gravidade medida em superfcie.

uma aplicao adequada para estudos regionais (grandes unidades litolgicas),pois o contraste de densidade entre o embasamento e os sedimentos sobrepostos, em bacias sedimentares com espessuras superires a 50m, so suficientemente significativas para permitir a determinaa da conformao do embasamento rochoso.

Gravimetria ...

Atualmente, existem tcnicas de detalhe, voltadas para a geologia de engenharia ou para prospeco mineral.

A preciso na medio de anomalias tem possibilitado ensaios de deteco de vazios (tneis e cavernas) em situaes em que outros metodos tradicionais no fornecem bons resultados.

Terrenos planos onde ocorrem grandes cavidades (crsticas, p.ex.), proporcionam exemplos de aplicao deste mtodo em geologia de engenharia.

Correes nas medidas de campo ...

-os levantamentos so feitos com um gravmetro mvel que determina variaes de gravidade relativas entre locais de referncia.-vrias correes so necessrias para transformar as aceleraes lidas no gravmetro em informaes geolgicas teis (ver quadro abaixo).

Correes nas medidas de campo ...

O termo ggeo denominado Anomalia completa Bouguer de gravidade e representa a diferena entre gobs e gteorico, onde gteorico a gravidade esperada no ponto de observao.

Deste modo, mapas de ggeo em reas de levantamentos gravimtricos so usados para propsitos de interpretao geolgica.

Exemplo: mapa de anomalias mostrando efeito de um corpomais denso na parte central da rea.

Equipamentos (gravmetros) ...

Medem a componente vertical do campo gravitacional

O valor mdio do campo gravitacional (g) na superfcie terrestre 9,8m/s2(obs.: Gal a unidade de medida de acelerao no C.G.S., e 1 Gal = 1cm/s2;9,8m/s2 = 980 Gal.)

-Anomalias de gravidade so da ordem de mGal.

-Levantamentos podem ser aerotransportados ou terrestres ...os aerotransportados so muito usados em explorao de petrleo (acuracidade de 2 mGal);os terrestres so usados em eng. e estudos geotcnicos, ou para verificar anomalias em terra, antes da etapa de sondagem (acuracidade de 5 a 15 mGal).

-Gradimetros : so gravimetros especiais (medem gradiente de variao de g) usados na explorao mineral (p.ex. Minrio de ferro) para detectar corpos compactos pequenos (acuracidade = 0,1 mGal).

Equipamentos (gravmetros) ...

Worden Master land gravity meter

Gradimetro de gravidade aerotransportadoAGG (airborne gravity gradiometer),desenvolvido por BHP Billiton

Intensidade das anomalias gravimtricas ...

Todos os materiais do globo terrestre influenciam o valor da gravidade. A maior contribuio vem do manto e do ncleo, e a menor contribuio a dos materiais da crosta (0,3% do valor de g).

Os primeiros 5 km (zona de interesse da prospeco) contribuio de 0,05%. As variaes de densidade das rochas nesta faixa produzem flutuaes inferiores a0,01% no valor de g (100 mGal).

As estruturas e corpos geolgicos, objetivo da prospeco gravimtrica, produzem oscilaes em g da ordem de 0,001%.

Na prospeco de petrleo, as anomalias so da ordem de 10 mGal.Na pesquisa mineral so < 5 mGal, em geral.

Exemplos de mapas de anomalias Bouguer de gravidade: Seo Planta

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Prospeco Geofsica: Magnetometria

Magnetometria ...

um dos mtodos mais versteis, tanto pela facilidade e rapidez na execua como no baixo custo de levantamento de campo.

Entretanto, a interpretaa pode ser complexa, pelas ambigidades inerentes deste mtodo.

A tcnica detecta anomalias no campo magntico terrrestre, conseqente da magnetizao diferenciasda em subsolo; por este motivo tem grande aplicao na prospeco mineral.

Na geologia de engenharia, levantamento de detalhe tem importantes aplicaoes.

Magnetometria ...

A prospeco magnetomtrica baseia-se nas variaes locais do campo magntico terrestre originadas pela presena, no subsolo, de rochas contendo minerais com diferentes susceptilidades magnticas, tais como magnetita, ilmenita e pirrotita.

A magnetometria baseia-se no poder de magnetizao do campo magntico terrestre e na susceptibilidade diferenciada dos materiais da Terra, o que serve para auxiliar os mapeamentos geolgico-estruturais e a prospeco mineral.

A unidade de medida, no sistema SI, da intensidade magntica utilizada em geofsica o tesla (T).

O campo magntico terrestre varia de 25.0 a 70.0 nT.

A sensibilidade dos magnetmetros usuais em trabalhos de campo de 0,1 a 1nT.

Magnetometria ...

Em prospeco, as anomalias magnticas geralmente tm amplitudes muito menores que os valores nomais do campo terrestre.

Por isso, esta unidade substituda pelo submltiplo nanotesla (nT) ou gama, equivalentes a 10-5 oersted (Oe a unidade do C.G.S.).

Exemplos de intensidades magnticas:

Campo magntico terrestre = 25.0 70.0 nT Formaes ferrferas macias = centenas a milhares de nT Rochas magnticas cristalinas = dezenas a centenas de nT Camadas magnticas em rochas sedimentares = 0.2 10 nT Rudo geolgico em ambientes no magnticos = Menor que 0.2 nT Sensibilidade magnetmetro de prtons 1 nT

Magnetometria ...

reas de aplicao:

PetrleoProfundidade do embasamento espessura de baciasRelevo do embasamento estrutura dos sedimentos sobrepostos Prospeco MineralProspeco direta de minerais magnticosProspeco de minerais no-magnticos associados a minerais ou estruturas que provocam efeitos magnticos detectveis gua SubterrneaAqferos em fraturasEspessura de sedimentos Obras de EngenhariaPresena de intrusesFraturamentos/falhamentos

Magnetometria ...

Origens do magnetismo terrestre:

A teoria mais moderna para explicar a parte principal do campo baseia-se no funcionamento de um dnamo.

O campo produzido por correntes eltricas que circulam no ncleo lquido da Terra, constitudo principalmente por ferro.

As correntes, segundo a Teoria do Dnamo, so mantidas pelo movimento de partculas no ncleo lquido.

Superpe-se ao campo principal contribuies de campos externos Terra, que variam com o tempo, causados pelas correntes que fluem na ionosfera (camada gasosa parcialmente ionizada entre 60 e 1000 km) e atividades magnticas na magnetosfera (camada gasosa ionizada entre 1000 e 64000 km) e vento solar (plasma contendo hidrognio ionizado emitido pelo Sol).

Magnetometria ...

Origens do magnetismo terrestre:

O campo recebe ainda contribuies locais, das concentraes de minerais magnticos que ocorrem nos primeiros 5 km da crosta. Estas contribuies constituem as anomalias do campo magntico, objetivo da prospeco geofsica.

Devido ao carter dipolar e direo espacialmente varivel do campo magntico, a magnetometria mais complexa do que a gravimetria, baseada em um campo monopolar e de direo vertical invarivel.

Um mapa gravimtrico caracteriza-se por um relevo suave com domnio de respostas regionais, enquanto um mapa magnetomtrico exibe um relevo perturbado, evidenciando grande quantidade de anomalias locais. A intensidade e direo da magnetizao precisam ser consideradas na interpretao das anomalias.

Magnetmetros ...

Na tcnica de magnetometria, o que se mede alguma componente do campo magntico total, que composto por:- campo magntico terrestre, de origem interna Terra;um campo externo, produzido por correntes induzidas na ionosferae atividades magnticas originadas na magnetosfera; - vento solar;- um campo local, gerado pelos minerais e rochas magnetizadas.

Existem vrios tipos de magnetometros, os mais comuns so:

Proton precession magnetometroCaesium vapor magnetometerFluxgate magnetometer

Proton precession magnetometer:

Conhecidos como prton magnetometros (PPMs), medem a freqncia de ressonncia (ressonncia nuclear magntica - NMR) de prtons (ncleo do hidrognio) em um campo magntico a ser medido.

Como a freqncia de precesso depende apenas de constantes atmicas e da amplitude do campo magntico ambiente, a acuracidade de equipamento grande.

Apresentam baixo custo (< $US 8,000) e so bastante usados em explorao mineral.

Levantamentos ...

Os levantamentos de reconhecimento so realizados ao longo de estradas ou margens de rios, com medidas a cada 500m ou alguns km. Em levantamentos de detalhe, as medidas so feitas em malhas fechadas, com medidas espaadas de 10 a 100 m.

Mede-se o campo total (magnetmetro de precesso nuclear) ou a componente vertical do campo (magnetmetros fluxgate).

So realizados com avies ou helicpteros. No caso de helicpteros, possvel manter uma altitude constante e menor. Importante no caso de alvos de pequenas dimenses !

Quando so usados avies, a altitude de vo mdia de 150m, podendo variar de 50 a 450 m. Os levantamentos so feitos em linhas de vo paralelas espaadas de 200 a 2000 m. So feitas linhas de controle, tranversais ao levantamento.

Se alvos so mais profundos que 100m, levantmentos aereos so mais efetivos.Alvos rasos (

Correes...

TRATAMENTO DOS DADOS - Correes para eliminar as variaes devidas a causas no geolgicas (como a variao diurna e o desnvel entre pontos de amostragem) e filtragens para eliminar efeitos geolgicos indesejveis (como os produzidos prximos superfcie ou interferncia de fontes rasas e profundas).

CORREO DA VARIAO DIURNA ...

1) Levantamento terrestre- repetio de pontos de medidas a cada 2 ou 3 horas.estao-base (para remover variao diurna do campo mag.).

2)Aerolevantamentos-estao de base;-REMOO DO IGRF (Internacional Geomagnetic Reference Field). O IGRF a representao terica, para um dado intervalo de tempo, do campo magntico normal da Terra (ou principal), excetuando-se os campos causados por materiais magnticos da crosta e correntes eltricas induzidas por campos magnticos externos crosta. Pode ser necessria a remoo se a rea for muito grande e ou se busca grande preciso. Em reas pequenas, um nico IGRF serve para a rea toda. Cada IGRF prev uma variao secular do campo, permitindo extrapolaes para os 5 anos seguintes.

*Exemplos de mapas de anomalias magnticas e gravimtricas ...

**Exemplos de mapas de anomalias magnticas e gravimtricas ...

***Exemplo de integrao de dados MAG e GRAV ...

Objetivo: fazer o reconhecimento por MAG e GRAV dos limites 3D de um corpo de grande dimenso (batlito vrios quilometros de extenso).

Aerolevantamentos para MAG (altura vo=150m e espaamento entre linhas = 300m), leitura de campo magntico total.

GRAV = levantamento terrestre (mais esparso que MAG).

Comparar limites do corpo (figura do prx. slide) conforme mapeamento geolgico e anomalia MAG.

MAG e GRAV ...Levantamento MAG de grande extenso.

MAG e GRAV ...

Levantamento GRAV.

Integrao de dados MAG e GRAV ...

A profundidade para o batlito (= 20 a 25km), e contatos laterais foram estimados por modelamento GRAV-MAG.

Modelamento: compara-se a anomalia obtida em levantamento de ampo com a anomalia produzida por formas hipotticas simuladas em computador.

Prospeco Geofsica: Radiometria

Radiometria ...

O estudo da distribuio de elementos qumicos radioativos na subsuperfcie terrestre realizado pela radiometria.

A radiometria utiliza leituras de radiao gama proveniente das rochas.

A leitura de radiao gama pode ser:total (ou contagem gama total) = para identificar indiscriminadamente a presena de elementos radioativos como o potssio-K, urnio-U e trio-Th;espectral = para estimar, por meio de espectrmetros de vrios canais, as quantidades individuais destes elementos ( chamada espectrometria gama).

Radiometria ...

Embora existam muitos outros elementos radioativos, nos levantamentos geofsicos areos ou terrestres, apenas U, Th e K so considerados. Em dataes de rochas em laboratrio, so analisados outros elementos.

A unidade de medida da atividade radioativa em geofsica a contagem por segundo (CPS).

Os sensores dos espectrmetros gama utilizam cristais de substncias que produzem cintilaes ao receberem a incidncia de radiao gama [p. ex. cristais de iodeto de sdio ativados com tlio NaI(Tl)].

Radiometria ...

Usos da radiometria ... Aplicao Direta Prospeco de urnioAplicao Indireta Prospeco de carvo, Minerais pesados, FosfatosOutras Aplicaes ...Diferenciaes litolgicas entre tipos de rochas gneas/metamrficas, entre rochas sedimentares, entre sedimentares X gneas metamricasIdentificao de halos de elementos radioativos, principalmente K, no entorno de minrios hidrotermais.

A radiometria pode ser aerotransportada (a radiao gama pode propargar-se por centenas de metros, no ar) ou terrestre, contagem total ou espectromtrica, para os elementos K, U e Th.

Radiometria ... principais minerais de K, U e Th

Minerais de potssio 1-feldspatos potssicos = Constituintes de rochas gneas cidas e pegmatitos; 2-Muscovita (H2KAlSiO4) = Idem3-Alunita (K2Al6(OH)12SO4) = Alterao de rochas vulcnicas cidas;4-Silvita, carnalita (KCl,MgCl2.6H2O) = Depsitos salinos em sedimentos

Minerais de trio1-Monazita (ThO2+fosfato de terras raras) = Granitos, pegmatitos, gnaisses2-Torianita [(Th,U)O2] = Granitos, pegmatitos, placers;

Minerais de urnio1-Uraninita ( xido de U, Pb, Ra + Th, terras raras) = Granitos, pegmatitos e em depsitos de veios de Ag, Pb, Cu, etc;2-Carnotita (K20,2UO3,V2O5,2H2O) = arenitos;3-Gumita (alterao de Uraninita) = associao com Uraninita.

Radiometria ...

Levantamentos de contagem gama total so recomendados para propsitos regionais rpidos, avaliando potencialidades de mapeamento geolgico preliminar.

A espectrometria (maior sensibilidade) permite avaliao e mapeamento de variaes litolgicas usando razes anmalas dos radioelementos.

O aerolevantamento pode ser gamaespectromtrico, com o propsito de avaliar a favorabilidade de grandes reas e para mapeamento geolgico preliminar. Gamaespectrmetros e cintilmetros portteis so usados para o detalhamento de anomalias na superfcie.

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Referncias bibliogrficas gerais (todos os mtodos geofsicos)

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Slide final !