Eletrorresistividade em geotecnia: rocha, carste e barragens

Onde a resistividade ajuda a geotecnia

A eletrorresistividade é útil em geotecnia quando o problema envolve um contraste de resistividade: rocha x solo, material seco x saturado, argila x areia, vazio x rocha. Ela é uma ferramenta de cobertura, que interpola entre furos e orienta onde furar. O quadro resume as aplicações mais comuns.

Topo rochoso e perfil de alteração

A rocha sã, com poucos poros e fraturas, costuma ser muito mais resistiva que o solo residual e o saprolito acima dela. Esse contraste torna a profundidade do topo rochoso o alvo geotécnico clássico da eletrorresistividade.

Em terrenos cristalinos tropicais, o perfil de alteração é gradual: solo residual, saprolito, rocha alterada e rocha sã. A resistividade cresce em geral com a profundidade, mas a transição pode se estender por vários metros, sem um “topo” nítido. Por isso, o que a geofísica entrega é a profundidade de uma mudança de resistividade, e quem decide qual horizonte é o topo para o projeto (impenetrável ao SPT, topo de rocha alterada, rocha sã) é a correlação com sondagens.

• Topo plano: uma SEV por ponto de interesse resolve, com custo baixo. Ela costuma dar curvas que terminam num ramo ascendente, rumo ao embasamento.
• Topo irregular: a tomografia elétrica 2D mostra a geometria ao longo da linha, com depressões, cristas e diques.
• Matacões: blocos de rocha sã dentro do solo residual são resistivos e podem ser lidos como topo rochoso raso. Em áreas com matacões, linhas 2D e sondagens rotativas evitam esse erro, que também engana a sondagem à percussão.

Carste: cavidades e dolinas

Em rochas carbonáticas, a dissolução cria cavidades, condutos e dolinas. Uma cavidade com ar aparece mais resistiva que o calcário em volta; uma cavidade com água ou com argila aparece mais condutora.

Na prática, muitas anomalias cársticas são condutoras: o solo argiloso e úmido que preenche fendas alargadas e que desce em dolinas em formação. Zonas de rocha fraturada e carstificada costumam ser mais condutoras que a rocha maciça. Cavidades com ar, resistivas, são o alvo mais difícil quando estão em rocha já resistiva, porque o contraste é pequeno.

• Levantamento: tomografia 2D em linhas paralelas, que podem ser combinadas num volume 3D. Zhou, Beck e Adams (2002), num estudo de modelagem de colapso de cobertura, obtiveram imagem mais clara da zona de colapso com o dipolo-dipolo do que com Wenner e Schlumberger.
• Tamanho x profundidade: a capacidade de detectar uma cavidade cai com a razão entre o tamanho e a profundidade. Uma cavidade pequena e profunda pode não deixar marca nos dados, por melhor que seja a inversão.
• Confirmação: anomalias são alvos para sondagem rotativa, não conclusões. Em áreas urbanas, outros métodos (como gravimetria e GPR) são combinados com a resistividade conforme a profundidade e o ruído.

Barragens de terra e diques: percolação

Em barragens de terra e diques, a eletrorresistividade é usada para localizar zonas de umidade ou de percolação anômala no maciço e na fundação. O uso mais forte é o monitoramento no tempo (time-lapse), com eletrodos fixos.

Um levantamento único mostra a resistividade num dia, e um material argiloso pode parecer uma zona úmida. Repetir as mesmas linhas, com a mesma geometria, separa o que é geologia (que não muda) do que é fluxo de água (que muda). Sjödahl, Dahlin, Johansson e Loke (2008) descrevem o monitoramento de resistividade instalado permanentemente na barragem de Hällby, na Suécia, para detectar vazamento e erosão interna. Uma dificuldade prática descrita nesse tipo de monitoramento é a variação sazonal: a resistividade da água do reservatório e a temperatura mudam ao longo do ano, e esse efeito precisa ser separado do sinal de percolação.

• Linhas: ao longo da crista e do pé de jusante, e transversais nos trechos suspeitos.
• Efeitos 3D: a forma da barragem, o reservatório e as ombreiras desviam a corrente. Uma inversão 2D ao longo da crista sofre com isso, e o modelo precisa considerar a topografia.
• Barragens de rejeito: o rejeito e a água de processo podem ser bem condutores, e a resistividade ajuda a mapear a saturação no maciço. O resultado sempre se interpreta junto com piezômetros e com a instrumentação da estrutura.

Encostas e escorregamentos

Em encostas, a tomografia elétrica mede a espessura do colúvio ou do solo sobre a rocha e mostra zonas saturadas, dois fatores ligados à instabilidade. A superfície de ruptura muitas vezes acompanha um contraste de material ou de umidade, que a resistividade pode mapear.

A revisão de Perrone, Lapenna e Piscitelli (2014) reúne aplicações da tomografia 2D, 3D e time-lapse em escorregamentos de diferentes contextos geológicos. Repetir as linhas depois de chuvas mostra como a água entra e se acumula na encosta. As linhas se dispõem ao longo da maior declividade e transversais a ela, e a topografia precisa entrar na inversão.

Fundações, túneis e rodovias

• Fundações: o mapa do topo rochoso entre furos ajuda a prever o comprimento de estacas e a posição de blocos sobre rocha, e indica onde concentrar as sondagens.
• Túneis: zonas de falha e de fraturamento com água tendem a ser condutoras. Linhas ao longo do traçado, sobretudo nos emboques, apontam trechos para investigação direta.
• Rodovias e ferrovias: linhas longas ao longo do traçado ajudam a separar solo de rocha nos cortes, a achar solos moles nos aterros e a avaliar áreas de empréstimo.
• Corrosividade e aterramento: a resistividade do solo é um dos indicadores usados para avaliar corrosão de estruturas metálicas enterradas, e é o dado de entrada do projeto de aterramento. Veja resistividade do solo para aterramento.

Como escolher: SEV ou ERT, arranjo e espaçamento

Use a SEV quando o alvo é uma sequência de camadas aproximadamente horizontais (topo rochoso plano, espessura de solo mole); use a tomografia 2D ou 3D quando o alvo varia lateralmente (cavidades, matacões, topo irregular, percolação localizada). As diferenças entre os levantamentos estão no guia de caminhamento elétrico e tomografia, e as dos arranjos no de arranjos de eletrodos.

• Arranjo: Wenner e Wenner-Schlumberger para estruturas horizontais e áreas ruidosas; dipolo-dipolo para alvos laterais e verticais, desde que o sinal permita.
• Espaçamento x tamanho do alvo: o espaçamento entre eletrodos (a) define a resolução perto da superfície. Um alvo menor que o espaçamento dificilmente aparece. Escolha a pequeno o bastante para o alvo, e linha longa o bastante para a profundidade.
• Espaçamento x profundidade: no dipolo-dipolo, a profundidade mediana do nível n = 6 é cerca de 1,73 · a (Edwards, 1977). A tabela mostra o compromisso: espaçamento pequeno resolve detalhe, mas investiga raso.

Limites e calibração

A resolução da eletrorresistividade diminui com a profundidade, o resultado tem ambiguidade e ele nunca dispensa sondagens diretas para calibrar.

• Resolução: camadas e corpos ficam mais borrados quanto mais fundos. Um contato nítido a 2 m vira uma transição suave a 20 m no modelo invertido.
• Ambiguidade: argila, água salobra, rocha fraturada com água e contaminação podem ter resistividades parecidas. Pelo princípio da equivalência, modelos diferentes explicam os mesmos dados.
• Profundidade de investigação: abaixo dela, o modelo reflete a regularização, não os dados. Veja profundidade de investigação.
• Ruído e interferências: em obras urbanas e rodovias, redes elétricas, tubulações, armaduras e cercas limitam a qualidade dos dados.
• Calibração com sondagem: resistividade não é resistência mecânica, e não há correlação universal com o índice SPT. O caminho é furar nos pontos que a geofísica indica (anomalias e áreas representativas), correlacionar e só então interpolar com a geofísica entre os furos.

Contextos no Brasil

• Carste em Minas Gerais e na Bahia: as rochas carbonáticas do Grupo Bambuí e de unidades correlatas ocupam grandes áreas nesses estados, com cavidades e dolinas que afetam obras, rodovias e expansão urbana.
• Barragens de terra e de rejeito: barragens de terra para abastecimento e irrigação são comuns em todo o país, e as de rejeito se concentram nas regiões de mineração, como o Quadrilátero Ferrífero, em Minas Gerais.
• Rodovias em terreno cristalino: nos planaltos do Sul e do Sudeste, os cortes atravessam perfis de alteração espessos, com matacões, onde o topo rochoso irregular é a regra.
• Planícies costeiras: argilas moles e água salobra produzem resistividades muito baixas, o que exige separar argila de salinidade. Veja o guia de intrusão salina.

No Rhoa, as SEVs, as linhas 2D e o cubo 3D ficam no mesmo projeto, e o laudo reúne dados, modelos e incertezas. Veja como funciona.

Referências

• EDWARDS, L. S. A modified pseudosection for resistivity and IP. Geophysics, v. 42, 1977.
• LOKE, M. H. Tutorial: 2-D and 3-D electrical imaging surveys. Notas de curso (várias revisões).
• PERRONE, A.; LAPENNA, V.; PISCITELLI, S. Electrical resistivity tomography technique for landslide investigation: a review. Earth-Science Reviews, v. 135, p. 65-82, 2014.
• REYNOLDS, J. M. An introduction to applied and environmental geophysics. 2. ed. Chichester: Wiley-Blackwell, 2011.
• SJÖDAHL, P.; DAHLIN, T.; JOHANSSON, S.; LOKE, M. H. Resistivity monitoring for leakage and internal erosion detection at Hällby embankment dam. Journal of Applied Geophysics, v. 65, p. 155-164, 2008.
• TELFORD, W. M.; GELDART, L. P.; SHERIFF, R. E. Applied geophysics. 2. ed. Cambridge: Cambridge University Press, 1990.
• ZHOU, W.; BECK, B. F.; ADAMS, A. L. Effective electrode array in mapping karst hazards in electrical resistivity tomography. Environmental Geology, v. 42, p. 922-928, 2002.