Caminhamento elétrico e tomografia elétrica (ERT)

Caminhamento elétrico x tomografia elétrica

Os dois levantamentos usam a mesma física e os mesmos arranjos. A diferença está na forma de aquisição e no produto final: perfis ou pseudoseções no caminhamento clássico, um modelo 2D invertido na tomografia.

Caminhamento elétrico é o nome consagrado na literatura brasileira para o levantamento em que um arranjo de eletrodos é deslocado ao longo de uma linha, mantendo a geometria, para registrar a variação lateral da resistividade aparente. Na forma clássica, ele é medido com um resistivímetro de quatro eletrodos, em um ou poucos níveis de investigação, e o resultado é um perfil ou uma pseudoseção.

Tomografia elétrica (ERT, do inglês electrical resistivity tomography, também chamada de imageamento elétrico 2D) é o levantamento feito com sistemas multieletrodo: dezenas de eletrodos ficam cravados ao mesmo tempo, ligados a cabos com derivações, e o equipamento mede automaticamente centenas de combinações. Os dados são invertidos e viram uma seção de resistividade com profundidades reais.

Na prática, a fronteira é difusa. Um “caminhamento elétrico dipolo-dipolo” com seis níveis e inversão 2D entrega o mesmo produto que uma tomografia, e muitas empresas e relatórios brasileiros usam os dois termos como sinônimos. A distinção também varia entre autores. Neste guia, usamos caminhamento para a aquisição ao longo da linha (manual ou automática) e tomografia quando há aquisição multieletrodo e inversão.

Arranjos para caminhamento e tomografia, com o nível n

Em 2D, cada arranjo combina um espaçamento base a com um fator de separação n. Quanto maior o n, mais fundo a medida enxerga e mais fraco é o sinal. O fator geométrico K converte a resistência medida em resistividade aparente, como na SEV (ρa = K · R). Para a geometria completa de cada arranjo, veja o guia de arranjos de eletrodos.

Dipolo-dipolo

É o arranjo tradicional do caminhamento elétrico no Brasil, sobretudo em locação de poços no cristalino. O dipolo de corrente AB e o de potencial MN têm comprimento a e ficam separados por n·a. A sensibilidade concentrada sob cada dipolo dá boa resolução lateral, mas o sinal cai depressa: em meio homogêneo, ΔV é inversamente proporcional a K, e K no nível 6 é 56 vezes maior que no nível 1.

Wenner e Wenner-Schlumberger

No Wenner alfa, os quatro eletrodos ficam igualmente espaçados (a, depois 2a, 3a…), o que dá o maior sinal entre os arranjos comuns e boa definição de camadas horizontais, mas pouca cobertura lateral nos níveis profundos. O Wenner-Schlumberger mantém MN = a e afasta A e B de n·a. Ele tem cobertura melhor que o Wenner e sinal maior que o dipolo-dipolo, e por isso é uma escolha segura quando não se sabe se o alvo é horizontal ou vertical.

Polo-dipolo

Um dos eletrodos de corrente (B) vai para o “infinito”, a uma distância grande em relação à linha. Assim, a mesma linha alcança mais profundidade e o sinal é maior que no dipolo-dipolo. Em troca, a resposta é assimétrica (convém medir nos dois sentidos) e o cabo do eletrodo remoto aumenta a logística e o risco de acoplamento.

Aquisição no campo

O espaçamento a define a resolução perto da superfície, o comprimento da linha define a profundidade, e a direção da linha define se o alvo será visto como 2D.

Multicabo ou manual

• Sistema multieletrodo: cabos com derivações a cada a metros, eletrodos cravados de uma vez e uma sequência de medidas programada no equipamento. É rápido, gera centenas de leituras por linha e permite repetir medidas para estimar o ruído.
• Caminhamento manual: resistivímetro de quatro eletrodos e cabos soltos. No dipolo-dipolo, a prática comum é fixar o dipolo de corrente e mover o de potencial para n = 1, 2, 3…, depois avançar o dipolo de corrente uma posição. Funciona bem para poucos níveis e equipes pequenas, desde que cada geometria seja anotada com cuidado.

Espaçamento, comprimento e profundidade

Escolha a de modo que o alvo tenha pelo menos a largura de um espaçamento. Fraturas e cavidades estreitas pedem a pequeno; alvos largos e profundos aceitam a maior. A profundidade mediana do quadripolo mais aberto fica em torno de 17% a 22% do comprimento dele: 0,173 no Wenner, cerca de 0,19 no Wenner-Schlumberger e 0,216 no dipolo-dipolo com n = 6.

Exemplo: 24 eletrodos com a = 5 m formam uma linha de 115 m. Em dipolo-dipolo até n = 6, são 111 quadripolos, e a pseudoprofundidade máxima fica perto de 8,7 m. Para investigar mais fundo com o mesmo número de eletrodos, aumente a e aceite perder detalhe raso.

Roll-along, direção e topografia

• Roll-along: quando a linha precisa ser mais longa que o cabo, mede-se o primeiro lance, transfere-se o início do cabo para o fim e continua-se com sobreposição. Os dados são juntados numa única seção.
• Margem nas pontas: a cobertura em profundidade diminui para as extremidades. Estenda a linha além do alvo em pelo menos metade do maior quadripolo de cada lado.
• Direção: a inversão 2D supõe que a estrutura se prolonga perpendicularmente à linha. Cruze o alvo em ângulo reto: lineamento, fratura, frente da pluma, eixo da barragem.
• Topografia: levante a cota dos eletrodos (ou ao menos as quebras de relevo) com GPS ou nível. Sem cota, a seção fica com a geometria errada em terreno inclinado.
• Contato e ruído: molhe os eletrodos em solo seco, evite cercas, tubulações e linhas de energia, e repita algumas leituras para ter uma estimativa do erro.

A pseudoseção, e por que ela não é uma seção geológica

A pseudoseção é a forma de mostrar os dados brutos: cada ρa vai para um ponto sob o centro do quadripolo, numa pseudoprofundidade que cresce com o nível n. Depois, os pontos são interpolados em contornos coloridos.

Ela é indispensável para o controle de qualidade, porque um ponto isolado, muito diferente dos vizinhos, salta aos olhos. Mas ela não é uma imagem do subsolo, por três motivos:

• ρa é uma média: cada leitura integra um volume grande, com peso maior perto dos eletrodos. Uma heterogeneidade rasa afeta todas as leituras que usam aquele eletrodo.
• A forma depende do arranjo: no dipolo-dipolo, um corpo compacto gera um padrão em “V” invertido, com duas faixas inclinadas descendo a partir dele. A anomalia parece mais larga e mais funda do que o corpo é. O mesmo subsolo gera pseudoseções diferentes em Wenner e em dipolo-dipolo.
• Pseudoprofundidade não é profundidade: ela é só uma convenção de plotagem (no Rhoa, a profundidade mediana de Edwards). A profundidade real das estruturas sai da inversão.

Inversão 2D: Occam, RMS e profundidade de investigação

A inversão procura um modelo de blocos de resistividade cuja resposta calculada reproduza a pseudoseção medida. Entre os modelos que ajustam os dados, ela escolhe o mais suave.

O subsolo é dividido em blocos (colunas com a largura de meio espaçamento e camadas que engrossam com a profundidade). Um problema direto 2,5D calcula a resposta de cada modelo: fonte pontual tridimensional sobre uma estrutura que só varia em x e z, resolvida por diferenças finitas ou elementos finitos. A cada iteração de Gauss-Newton, o programa ajusta os blocos para reduzir o desajuste, penalizando a rugosidade entre blocos vizinhos:

R mede a diferença entre blocos vizinhos e λ controla o peso da suavidade. É a ideia da inversão de Occam (deGroot-Hedlin e Constable, 1990): o modelo mais simples compatível com os dados, para não inventar estrutura que eles não exigem. Na prática:

• RMS e iterações: o erro RMS deve cair a cada iteração e estabilizar. Pare quando a melhora ficar pequena. Um RMS muito abaixo do nível de ruído indica que o modelo está ajustando ruído, o que gera artefatos.
• Suavidade: λ alto dá modelos lisos e anomalias espalhadas. λ baixo dá contrastes fortes e, com dados ruidosos, estruturas falsas. Variantes robustas (norma L1) produzem contatos mais nítidos. O Rhoa usa a forma suavizada (L2).
• Três painéis: confira sempre a pseudoseção medida, a calculada e o modelo. Onde as duas primeiras divergem, o modelo não explica os dados.
• Topografia: em relevo acidentado, a topografia deve entrar na inversão. Programas como o Res2DInv deformam a malha para acompanhar o terreno. No Rhoa, as cotas informadas posicionam a seção invertida no relevo (seção drapeada), e a modelagem usa malha plana, adequada para relevo suave.
• Profundidade de investigação (DOI): abaixo de certa profundidade, os dados quase não influenciam o modelo, que passa a refletir o modelo inicial e a regularização. Há métodos formais para estimá-la, como o índice DOI de Oldenburg e Li (1999). O Rhoa usa a maior profundidade mediana dos quadripolos medidos e acinzenta o modelo abaixo dela.

Aplicações típicas no Brasil

O caminhamento e a tomografia resolvem os problemas em que a variação lateral importa tanto quanto a vertical.

• Fraturas no cristalino para poço tubular: em granitos, gnaisses e migmatitos, a água circula em fraturas. Zonas fraturadas, com água e argila de alteração, aparecem como faixas subverticais de baixa resistividade cortando a rocha resistiva. O dipolo-dipolo cruzando lineamentos é a técnica clássica. Veja o guia de locação de poço tubular.
• Plumas de contaminação e chorume: o chorume de aterros e lixões e muitos efluentes industriais têm alta condutividade elétrica, e a pluma aparece como zona de baixa resistividade. Linhas paralelas mapeiam a extensão, e medidas repetidas no tempo (monitoramento) mostram a evolução.
• Intrusão salina: em planícies costeiras, a água salobra ou salgada produz resistividades muito baixas. Linhas perpendiculares à costa mostram a geometria da cunha, e SEVs calibram a profundidade da interface.
• Cavidades e geotecnia: cavidades com ar são resistivas e cavidades preenchidas por argila ou água são condutivas. Em solos residuais de granito, matacões aparecem como corpos resistivos isolados, uma causa comum de “falso topo rochoso” em sondagens. O topo rochoso irregular também aparece bem em ERT.
• Barragens e diques: zonas úmidas ou com fluxo preferencial no maciço ou na fundação tendem a ser menos resistivas. Linhas ao longo da crista e levantamentos repetidos ajudam a investigar percolação.

SEV ou caminhamento: quando usar cada um, ou os dois

Use a SEV quando o subsolo se aproxima de camadas horizontais e a pergunta é “a que profundidade?”. Use o caminhamento ou a tomografia quando a pergunta é “onde, ao longo da linha?”. Em muitos projetos, a melhor resposta combina os dois.

Uma sequência comum no cristalino: caminhamento dipolo-dipolo para achar a zona fraturada e, sobre a anomalia, uma SEV para estimar a espessura do manto de alteração e a profundidade da rocha sã. Em áreas sedimentares, várias SEVs costumam bastar, e uma linha 2D entra para confirmar a continuidade das camadas. Para o método 1D, veja o guia de sondagem elétrica vertical.

Erros comuns

1. Interpretar a pseudoseção como geologia. O “V” invertido do dipolo-dipolo não é uma estrutura inclinada.
2. Linha curta demais. O alvo fica na borda, onde quase não há leituras profundas.
3. Linha paralela ao alvo. Uma fratura cruzada em ângulo raso aparece larga e difusa, ou não aparece.
4. Espaçamento inadequado. Com a grande demais, fraturas estreitas somem. Com a pequeno demais, a linha não chega à profundidade do alvo.
5. Confiar no modelo abaixo da DOI. Blocos profundos podem refletir o modelo inicial, não os dados.
6. Perseguir o RMS mais baixo possível. Ajustar ruído cria anomalias falsas. Prefira um RMS compatível com a qualidade dos dados.
7. Ignorar efeitos 3D e culturais. Cercas, tubulações, redes elétricas e corpos fora da linha geram anomalias que a inversão 2D coloca sob a linha.
8. Comparar seções com escalas de cores diferentes. Use a mesma escala logarítmica em todas as linhas do projeto.
9. Concluir sem geologia. Baixa resistividade pode ser fratura com água, argila, água salobra ou contaminação. Só a geologia e as sondagens diretas desfazem a ambiguidade.

Referências

• BRAGA, A. C. O. Geofísica aplicada: métodos geoelétricos em hidrogeologia. São Paulo: Oficina de Textos, 2016.
• DEGROOT-HEDLIN, C.; CONSTABLE, S. Occam's inversion to generate smooth, two-dimensional models from magnetotelluric data. Geophysics, v. 55, 1990.
• EDWARDS, L. S. A modified pseudosection for resistivity and IP. Geophysics, v. 42, 1977.
• FEITOSA, F. A. C. et al. (org.). Hidrogeologia: conceitos e aplicações. 3. ed. Rio de Janeiro: CPRM/LABHID, 2008.
• LOKE, M. H. Tutorial: 2-D and 3-D electrical imaging surveys. Notas de curso (várias revisões).
• OLDENBURG, D. W.; LI, Y. Estimating depth of investigation in DC resistivity and IP surveys. Geophysics, v. 64, 1999.
• TELFORD, W. M.; GELDART, L. P.; SHERIFF, R. E. Applied geophysics. 2. ed. Cambridge: Cambridge University Press, 1990.