outubro de 10 Hédison K. Sato

Métodos Eletromagnéticos

Espectro e fontes de energiaTipos de fontes, formas de mediçãoExemplos de alguns métodos

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Ondas eletromagnéticas

A teoria eletromagnética representa a extensão e o entendimento de que os fenômenos elétricos e magnéticos são interligados.Além das fontes naturais, o campo EM é gerado, controlado e usado num intervalo largo em freqüência.Da mais alta para a mais baixa, são a radiação gama, raio X, luz ultravioleta, luz visível, infravermelho (calor irradiado), microonda, telefonia celular, comunicação em UHF, televisão/FM (VHF), rádio difusão de longo e curto alcance, VLF (“Very low frequency”).

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Ondas eletromagnéticas

Conforme o objetivo, as ondas EM são irradiadas emdiversas direções (caso das TV, lâmpadas, etc).concentradas através de antenas parabólicasliteralmente canalizadas, como ocorre nas fibras óticas.

Espectro das ondas EM

10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105 107 109

Comprimento de onda (cm)

3×10

21 Freqüência(Hz)3×

1017

3×10

13

3×10

9

3×10

5

3×10

1

Raiogama

RaioX

Ultravioleta

Luzvisível

Infravermelho

Ondascurtas

OndaslongasFM

TV(2-6)

TV(7-13)Celular

VLF ELFMicroondas ULF

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Espectro EM

EHF (Extremely High Frequency: 30-300 GHz)SHF (Super High Frequency: 3-30 GHz)UHF (Ultra High Frequency : 0.3-3 GHz)VHF (Very High Frequency : 30-300 MHz)HF (High Frequency: 3-30 MHz)MF (Medium Frequency: 0.3-3 MHz)LF (Low Frequency: 30-300 kHz)VLF (Very Low Frequency : 3-30 kHz) ELF (Extra Low Frequency : 3-3000 Hz)ULF (Ultra Low Frequency : < 3 Hz)

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Espectro EM – Utilização

SHF (Super High Frequency: 3-30 GHz)Wi-Fi

UHF (Ultra High Frequency : 0.3-3 GHz)TV 14 a 69 (470 a 806 MHz), Telefonia celular, Wi-Fi, Bluetooth, Forno de microondas

VHF (Very High Frequency : 30-300 MHz)TV canais 2 a 6 (54 a 88 MHz) , FM (88 a 108 MHz), TV 7 a 13 (174 a 216 MHz)

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Espectro EM – Utilização

HF (High Frequency: 3-30 MHz)Faixa Cidadão (CB – Citizen Band): em torno de 27 MHz

MF (Medium Frequency: 0.3-3 MHz)530 kHz a 1,6 MHz – Uso comercial: ondas longas

LF (Low Frequency: 30-300 kHz)LORAN (LOng RAdio Navigation) – caindo em desuso (GPS)

VLF (Very Low Frequency : 3-30 kHz) Comunicação naval

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Espectro útil

A profundidade de exploração depende de alguns fatores e, entre eles, a freqüência é fundamental.Quanto menor a freqüência, maior a penetração da onda EM.Na geofísica, tem-se aplicado os intervalos:

UHF, VHF⌧Ground Penetrating Radar

VLF (15-25 kHz na prática), ELF, ULF.⌧Métodos geofísicos eletromagnéticos clássicos.

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Skin depth

elétrica. tividade-condu a , e magnética dadepermeabili a é onde

por dada É .fator pelo atenuada é ondada amplitude a que em distância a é depth" Skin" •

propagada. distância a com tenencialmen-expo reduzida amplitude sua a tem condutor, meio

um em , freqüência de senoidal plana, onda Uma•

σμσωμσ

δ

ω

f

e15032

1

==

9

1E+0

1E+1

1E+2

1E+3

1E+4

1E+5

1E+6

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000Freqüência (Hz)

"ski

n de

pth"

(m)

0.001 S/m

0,010 S/m

0,100 S/m

1,000 S/m

Skin depth

Condutividade

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Fontes de energia

Naturais:Para freqüências acima de 1 Hz, predominam as ondas irradiadas a partir dos relâmpagos que ocorrem durante as tempestades (concentradas na região equatorial), que se propagam a grandes distâncias.Para freqüências abaixo de 1 Hz, predominam as ondas irradiadas a partir do sistema de correntes elétricas que se desenvolvem na magnetosfera terrestre, subordinada àatividade solar.

Artificiais magnéticasPara baixas freqüências, bobinas para a geração de campos magnéticos primários, cujas áreas podem variar de alguns cm2 a milhares de m2 (retângulo com 600m x 600m), ou mais.

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Fontes de energia

Sistema EM multifreqüênciaRetângulo com 600m x 600mFio paralelo2 x 4mm2

m600

m600

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Fontes de energia

Sistema EM multifreqüênciaTransmissorUnidade de monitoramentoda corrente dotransmissor

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Fontes de energia

Sistema EM multifreqüênciaGrupo gerador

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Fontes de energia

Artificiais elétricasPara altas freqüências (VHF-UHF), dipolos elétricos de 1m.Para baixas freqüências (VLF)

Antena Jim CreekEstação NLKPróximo a Seattle

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Campos primário e secundário

Conceitos típicos da geofísica.Campo primário é o campo EM devido à fonte geradora.Na realidade não existem ondas planas mas, na prática, elas são consideradas quando a fonte encontra-se distante.O campo EM secundário é aquele gerado por um corpo condutor quando este está sob a ação de um campo primário.

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Campos primário e secundário

De certa forma, a luz refletida por um espelho é um campo secundário.

yfonte

campoprimário campo

secundário

campoprimário

observador

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Campos primário e secundário

A imagem “fantasma” no receptor de TV é uma reflexão indesejada em obstáculos (edifícios)

yantenade TV

campoprimário

camposecundário

campoprimário

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Campos primário e secundário

Corpo condutor em um ambiente resistivo

camposecundário

verticaleixo de bobina a devidoprimário, magnético, Campo

condutor corpo

elétricas correntes

superfície

superf

ície

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Polarização elíptica

Polarização elíptica: ocorre como combinação de dois campos que apontam em diferentes direções e fases distintas.

z

x

y

energia. de fonte a devidoprimário, magnético, Campo

kHjHiHtzyxH PzPyPxP

rrrr++=),,,(

primário. campo peloinduzidascondutor

corpo num circulamque elétricas correntesas devido ,secundário

magnético, CampokHjHiHtzyxH SzSySxS

rrrr++=),,,(

condutor corpo

elétricas correntes

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Polarização elíptica

Exemplo:( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )elipse! uma seja, Ou

tempo, o Removendo

anula se nunca que tempo o com variatotal campo do amplitude a Observe

e :considere análise, afacilitar Para

e

.1

sencos

.sen2coscos

coscos

22

222222

=+

+=+

=−==

−=−=

bEaE

tbtaEE

tbtbEtaE

taEtaE

SyPx

SyPx

SyPx

SySySyPxPxPx

ωω

ωπωω

φωφω

21

-1

0

1

-1 0 1

Polarização elíptica

Mergulho do eixo maior da elipse de polarização

( )4/cos3,0 πω −= tEy

6π0=tω

π

( )6/cos6,0 πω −= tEx

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Polarização elíptica

Elipse de polarização de dois campos que apontam em diferentes direções e têm fases distintas.

z

x

y),,,( tzyxHP

r

),,,( tzyxHS

r

condutor corpoelétricas correntes

horizontal plano no elipse da projeção

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Polarização elíptica

Elipse de polarização de dois campos que apontam em diferentes direções e têm fases distintas.

z

x

y horizontal plano noelipse da projeção

)angle" dip("opolarizaçã de elipse

damaior eixo domergulho de ângulo ,θ

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Onda plana

A aproximação de ondas planas de aplica quando a fonte da energia EM encontra-se bastante afastada da zona de pesquisa.É o caso dos métodos VLF (Very Low Frequency), AFMAG (Audio Frequency MAGnetic), MT (MagnetoTelúrico).Na prática, o campo EM propaga-se verticalmente para o interior da superfície da Terra, devido ao grande contraste entre os números de onda do ar e da terra.

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Método VLF

As fontes de ondas VLF são potentes transmissores cuja função básica é a comunicação com submarinos submersos.Atingem potências de até 1MW.A estrutura das antenas transmissoras desses sinais estendem-se por áreas de até 2,5 km2.

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Método VLF

Transmissor NLK: 24.8 kHz, 125kW, aproximadamente 2,5 km2 a área coberta pela antena

Antena Jim CreekEstação NLKPróximo a Seattle

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Método VLF (transmissores)

Estação NAA Cutler, Maine24 kHz, 1000 kW

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Método VLF (receptor)

Marca: Iris Instruments.

O sensor, levado às costas, interliga-se a um controle das medições, visualização e armazenamento de dados.

Mede (i) inclinação do eixo maior da elipse de polarização do campo magnético e

(ii) resistividade aparente, com a medição do campo elétrico.

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VLF: dique vertical enterrado

( )

encaixante da depth" skin"

indução de número encaixante da adecondutivid :

espessura. pela adecondutivid da produto dique do ltransversa acondutânci :

:Parâmetros

2

1

21

22

11

212

1

1

2

2

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=

•

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

••

•

μωσ

σσμω

σ

σ

δ

tL

t

1t1

diqueσ 2σ

30

VLF: dique vertical enterrado

diversas. adesresistivid de sencaixante com S, ltransversa aCondutânci

%. em --)-(- elipsidade e graus em mergulho de Ângulo111 =tσ

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Magneto-telúrico (MT)

Ondas EM de baixa freqüência penetram intensamente no interior da Terra (ordem de km).Conceito de resistividade aparente

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y

xxy H

Eμω

ρ =

obtido a partir dos campos elétrico e magnético, normais entre si, medidos na superfície da Terra.O campo elétrico é medido com dois eletrodos aplicados no solo, enquanto o campo magnético é medido por meio de uma bobina.

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Magneto-telúrico (MT)

Aplicações na investigação profunda, por exemplo, de bacias sedimentares.Atualmente, aplica-se também em ambientes marinhos para a exploração de petróleo.

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MT sobre 2 camadas

ρ1= 1 ohm.mh1= 1000 m

ρ2= ∞

100

50

20

10

5

2

0.5

0.20.1

0.05

0.02

0.01 0

Valores diversos de ρ2

(Hz)f freqüência da função em (ohm.m) aparenteρ

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MT sobre 2 camadas

ρ1= 1 ohm.mh1= 5000 m

ρ2= ∞100502010

5

2

0.5

0.20.1

0.050.02

0.01 0

Valores diversos de ρ2

(Hz) f freqüência da função em (ohm.m) aparenteρ

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Configurações típicasT R

54,74O

HCP (Horizontal Coplanar)

PERP (Perpendicular)

VCP (Vertical Coplanar)

VCA (Vertical Coaxial)

NULL

PAR (Parallel)

H WAVETILT

V WAVETILT

Configurações usuais em aplicações no domínio da freqüência.Máximo acoplamento: HCP,VCP, VCA.Mínimo acoplamento: PERP, NULL, PAR a 54,74o

36Domínio da freqüênciaMedições típicas

Fase de um ou mais componentes espaciais em relação a corrente na bobina transmissora.Dois componentes espaciais são, simultaneamente, captados e os resultados expressos como a razão entre as magnitudes dos componentes e a diferença de fase, ou os parâmetros da elipse de polarização.O mergulho e, algumas vezes, a direção horizontal do campo são medidos através da rotação da bobina receptora à procura do sinal mínimo.As diferenças entre os mesmos componentes para duas ou mais freqüências.

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Fonte fixa e móvel s/ esfera

Fonte fixa: a medida éassociada àposição do receptor.Fonte móvel: a medida éassociada ao ponto médio entre as posições do transmissor e do receptor.

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Forma da anomalia

T e R podem ser trocados nos arranjos simétricos e a anomalia é simétrica quando o corpo é simétrico em relação ao arranjo.Geralmente, arranjos assimétricos produzem anomalias espelhadas ao se permutar T por R sobre um corpo simétrico.

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HCP s/ semi-plano condutor40

Domínio do tempo

Mede-se o campo magnético durante o intervalo de tempo em que a corrente no transmissor está cortada.

A voltagem detectada, proporcional ao campo magnético, corresponde apenas ao campo secundário, mesmo com o uso das configurações de acoplamento máximo.

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“Loop-loop” s/ condutor plano

Resposta TEM sistema HCP. Observar a simetria

42

“Loop-loop” s/ condutor plano

Resposta TEM sistema HCP. Mergulho p/ direitaObservar a assimetria.

43“Coincident loop” sobrecondutor plano

Observar os valores do campo secundário continuam mais destacados sobre o corpo condutor que mergulha para a direita.Entretanto, o pico àesquerda está mais elevado relativamente.

44

Levantamento aéreo

Princípios de funcionamento.Campo primário artificial.Bobina transmissora instalada na asa.

45

Levantamento aéreo

Princípios de funcionamento.Campo primário artificial.Bobinas transmissora e receptora a reboque.

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Levantamento aéreo

Método com o transmissor fixo.

A bobina fica montada diretamente sobre o terreno e são feitos sobrevôos com o receptor.

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Método INPUT

Método com o transmissor móvel.Método no domínio do tempo: as medidas são feitas durante os intervalos de tempo em que a corrente no transmissor inexiste, ou seja, sem a presença do campo primário.

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Método INPUT

Dois perfis de INPUT sobre locais provavelmente contendo sulfetos maciços.

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CSEM

CSEM (Controlled Source ElectroMagnetics)O nome é bastante genérico mas tem-se destacado na exploração de petróleo, com levantamentos no fundo do mar, com o nome SBL.SBL (Sea Bed Logging) method

ReceptoresEspalhados no fundo do mar, medindo os campos elétricos em direções ortogonais (Ex, Ey) e magnético(Hz).

Transmissor:“Dipolo” elétrico rebocado

Freqüências no intervalo de 0,0625 a 1,725 Hz.

50

CSEM

Na investigação para petróleoResistividade da água do mar da ordem de 1 ohm.mResistividade do reservatório com óleo e gás, da ordem de 55 ohm.m

51GPR Ground Penetrating Radar

Unidade de controle, armazenamento, processamento e apresentação.Antenas transmissora e receptora (dipolos elétricos).

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GPR

É usado na geofísica, geologia, hidrogeologia, mineração, engenharia civil e arqueologia.A condutividade elétrica dos materiais investigados e a freqüência de operação determinam a profundidade de penetração dos sinais de radar no material.Enquanto nos demais métodos EM a permissividade elétrica édesprezada, é ela quem desempenha o papel importante na partição da energia nas interfaces no GPR, devido as altas freqüências usadas.A resolução do método aumenta com a freqüência do sinal, enquanto a penetração diminui. A profundidade de penetração típica varia de 1 a 40 metros. Além das antenas dipolar, usam-se antenas-corneta (1,0 a 2,5 GHz) para investigações do pavimento em estradas de rodagem.

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GPR

Perfil às margens da Lagoa de Abaeté

54

GPR

Dois canos sob uma laje de concreto

55

GPR

Contaminação em um posto de gasolina.

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Bibliografia:

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McNeill, J. D. e Labson, V. F., 1991, Geological mapping using VLF radio fields. In: Nabighian, M. N., Electromagnetic methods in applied geophysics, V.2, Theory, p. 521-640.Nabighian, M. N. e Macnae, J. C., 1991, Time domain electromagnetic prospecting methods. In: Nabighian, M. N., Electromagnetic methods in applied geophysics, V.2, Applications, p. 427-520.Palacky, G. J. e West, G. F., 1991, Airboneelectromagnetic methods. In: Nabighian, M. N., Electromagnetic methods in applied geophysics, V.2, Applications, p. 811-879.

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Telford, W. M., Geldart, L. P., Sheriff, R. E. e Keys, D. A., 1978, Applied geophysics. Cambridge University Press. Vozoff, K., 1991, The magnetotelluric method. In: Nabighian, M. N., Electromagnetic methods in applied geophysics, V.2, Applications, p. 641-711.