Intrusão salina: como mapear com eletrorresistividade

Por que a água salgada é tão condutiva

Em sedimentos sem argila, a corrente passa pela água dos poros, carregada pelos íons dissolvidos. Quanto mais sal, mais íons e menor a resistividade da água (ρw), e a resistividade do terreno cai na mesma proporção.

Os grãos de quartzo de uma areia são praticamente isolantes. Quem conduz é a solução nos poros: Na⁺ e Cl⁻ na água do mar, além de outros íons em águas continentais mineralizadas. A condutividade elétrica (CE) medida em campo com um condutivímetro é o inverso da resistividade da água. A conversão é direta:

A água do mar, com cerca de 35 g/L de sais, fica perto de 0,2 Ω·m. Águas subterrâneas doces ficam tipicamente entre 10 e 300 Ω·m. A Resolução CONAMA nº 357/2005 chama de salobras as águas com salinidade entre 0,5 ‰ e 30 ‰, e de salinas as que passam de 30 ‰. Para estimar sólidos totais dissolvidos a partir da CE, a hidrogeologia usa um fator empírico (STD em mg/L ≈ 0,55 a 0,75 × CE em µS/cm) que depende da composição da água. A temperatura também pesa: a resistividade da água cai com o aquecimento, por isso compare medidas na mesma temperatura de referência, em geral 25 °C.

A lei de Archie liga a resistividade da rocha ou do sedimento à da água que o satura. Ela vale para meios limpos, sem argila:

Aqui φ é a porosidade, Sw a saturação em água, m o expoente de cimentação (perto de 2 em areias) e n o expoente de saturação (perto de 2). Abaixo do nível d'água, Sw = 1 e a resistividade do terreno é a da água multiplicada pelo fator de formação F = a · φ⁻ᵐ.

O contraste entre a areia com água doce e a areia com água do mar passa de duas ordens de grandeza. É por isso que a interface aparece com clareza nas curvas de SEV e nas seções de tomografia. As faixas medidas, com fontes, estão na tabela de resistividade.

A interface água doce/salgada em aquíferos costeiros

Num aquífero costeiro livre, a água doce, mais leve, forma uma lente sobre a água salgada. A relação de Ghyben-Herzberg estima a profundidade da interface em cerca de 40 vezes a altura do nível d'água acima do nível do mar.

Na fórmula, ρf e ρs são as densidades da água doce e da salgada (não resistividades), h é a cota do nível d'água acima do nível médio do mar e z a profundidade da interface abaixo do nível do mar. Com o nível d'água a 0,5 m acima do mar, a interface estaria a cerca de 20 m. A consequência prática é forte: em teoria, cada metro de rebaixamento do nível d'água por bombeamento faz a interface subir cerca de 40 m sob o poço, o fenômeno conhecido como upconing.

A relação é útil para planejar, mas tem limites claros:

• supõe equilíbrio hidrostático e fluxo horizontal, o que não vale perto da linha de costa, onde a água doce sai para o mar;
• trata a interface como brusca, quando na natureza existe uma zona de mistura que pode ter metros a dezenas de metros;
• supõe aquífero homogêneo, sem camadas de argila que confinam ou separam níveis de água de salinidade diferente;
• não considera marés, variação sazonal da recarga nem o regime transitório do bombeamento.

O conceito está no verbete intrusão salina do glossário. Para a hidrogeologia dos aquíferos costeiros, Feitosa et al. (2008) é a referência em português.

Como a SEV e a tomografia elétrica mapeiam a cunha salina

A água salgada aparece como uma camada ou cunha de resistividade muito baixa, de poucos Ω·m, sob o aquífero de água doce. A SEV mede a profundidade do seu topo em cada ponto, e a tomografia mostra como essa superfície varia em direção ao continente.

Numa planície costeira arenosa, a curva de sondagem elétrica vertical costuma começar alta (areia seca), cair no nível d'água, manter valores intermediários no aquífero doce e cair de novo, para poucos Ω·m, na água salgada. Quando as resistividades só diminuem com a profundidade, a curva é do tipo Q, como mostra o guia de tipos de curva. A transição gradual da zona de mistura tende a ser representada na inversão por uma ou duas camadas intermediárias, e o princípio da equivalência torna as espessuras dessas camadas incertas.

A tomografia elétrica (ERT) entrega uma seção x–z. Em linhas perpendiculares à costa, a cunha aparece mergulhando para o continente, e anomalias locais podem revelar o cone de ascensão sob poços muito bombeados. Uma limitação física pesa nos dois métodos: uma camada muito condutiva concentra a corrente e reduz a sensibilidade ao que está abaixo dela. A base da zona salgada e o embasamento sob ela costumam ficar mal resolvidos, então confira a profundidade de investigação antes de interpretar o fundo da seção.

Argila ou água salgada? A ambiguidade central

Uma camada de 1 a 10 Ω·m pode ser areia com água salgada ou argila, sobretudo argila marinha. A resistividade sozinha não separa as duas. Poços, condutividade da água e geologia separam.

A argila conduz pela superfície dos argilominerais, mesmo com água doce, e a argila marinha ainda carrega água salina nos poros. Ela é comum em planícies costeiras, manguezais e lagunas. Confundir argila com cunha salina leva a dois erros caros: descartar um aquífero que existe abaixo da argila ou perfurar acreditando que há água doce onde já há salinização. Para resolver:

• Poços e sondagens: perfis litológicos de poços vizinhos (o SIAGAS, do Serviço Geológico do Brasil, é a fonte pública) dizem se há argila na profundidade da anomalia.
• Condutividade da água: medir a CE em poços e piezômetros, de preferência em várias profundidades, separa as hipóteses. Com ρw medida, a lei de Archie prevê qual seria a resistividade de uma areia com essa água.
• Perfilagem de poço: perfis de raios gama (argila) e de resistividade ou indução no próprio furo calibram a seção com precisão de metro.
• Geometria: a cunha salina mergulha para o continente e se conecta ao mar. Uma camada condutiva horizontal, que não se aprofunda e termina contra o embasamento, é mais compatível com argila.
• Polarização induzida: a argila costuma ser polarizável e a areia salgada pouco. Se o equipamento mede IP, a cargabilidade ajuda a separar os dois.
• Tempo: a água salgada se move com as marés, as estações e o bombeamento. A argila fica onde está.

Planejamento: linhas perpendiculares e paralelas à costa

A direção principal das linhas de tomografia é perpendicular à costa, porque é nessa direção que a interface muda de profundidade. Linhas paralelas mostram variações ao longo do litoral, e as SEVs devem ter os cabos abertos paralelamente à costa.

• Linhas perpendiculares (transversais): começam o mais perto possível do mar e seguem continente adentro até passar do ponto em que a zona condutiva desaparece ou fica abaixo da profundidade de interesse.
• Linhas paralelas (longitudinais): cruzam as transversais e passam pelos campos de poços, onde a interface pode subir localmente. Os cruzamentos servem para checar a consistência das inversões.
• SEVs: em transectos perpendiculares, com os eletrodos alinhados paralelamente à costa, para que A e B fiquem à mesma distância do mar e o efeito lateral seja menor. Planeje o AB/2 pela profundidade esperada da interface: pela convenção do Rhoa (Z = 0,191 · AB), investigar até 40 m pede AB/2 perto de 105 m.
• Espaçamento da ERT: a linha precisa ter cerca de 4 a 6 vezes a profundidade-alvo, a depender do arranjo. O dipolo-dipolo resolve melhor a geometria lateral da cunha; o Wenner-Schlumberger dá mais sinal em áreas ruidosas.
• Calibração: planeje ao menos um ponto de controle (poço com perfil e CE medida) em cada linha principal.

Em dunas e areias secas, a resistência de contato dos eletrodos é alta. Molhe os eletrodos de corrente com água salgada ou use bentonita, e confira a corrente injetada em cada leitura. O guia de caminhamento elétrico e tomografia detalha o dimensionamento das linhas.

Monitoramento ao longo do tempo

Repetir a mesma linha em datas diferentes mostra se a cunha avança, recua ou oscila. O que importa é a diferença entre as seções, e isso só funciona se a aquisição for idêntica.

• marque as posições dos eletrodos com piquetes permanentes ou instale eletrodos fixos;
• use o mesmo arranjo, a mesma sequência de medidas e os mesmos parâmetros de inversão;
• registre o nível d'água, a maré, a chuva recente e o regime de bombeamento de cada campanha;
• compare épocas equivalentes (fim da estação seca com fim da estação seca) ou modele a variação sazonal;
• inverta as campanhas de forma conjunta ou calcule a razão entre os modelos, e mostre a variação em porcentagem, não apenas as seções lado a lado;
• mantenha poços de monitoramento com medidas periódicas de CE, que confirmam o que a geofísica sugere.

A temperatura do terreno também muda a resistividade ao longo do ano, sobretudo perto da superfície. Em levantamentos rasos, essa correção pode ser necessária antes de atribuir uma variação à salinidade.

Contextos costeiros no Brasil

O litoral brasileiro tem aquíferos rasos em planícies costeiras, cordões litorâneos, dunas e sedimentos da Formação Barreiras, quase sempre sob forte pressão de uso nas cidades e nos balneários.

A salinização por superexploração aparece onde muitos poços bombeiam o mesmo aquífero raso perto do mar: condomínios, hotéis, indústrias e abastecimento em balneários. Na estação de veraneio, a demanda sobe justamente quando a recarga costuma ser menor. A salinidade também pode vir de cima, por rios e canais com maré, aterros de manguezal ou água de antigas lagunas presa nos sedimentos. Separar essas origens exige química da água e geologia, não só geofísica.

Para ver os passos aplicados a um caso, com dados sintéticos e o modelo invertido, leia o exemplo de aquífero costeiro e intrusão salina.

Erros comuns

1. Chamar toda camada condutiva de cunha salina. Sem poço ou medida de CE, ela pode ser argila.
2. Usar Ghyben-Herzberg como resultado. A fórmula é uma estimativa para planejar, não substitui a medida.
3. Abrir a SEV perpendicular à costa. Os eletrodos de corrente ficam a distâncias diferentes do mar, e o efeito lateral distorce a curva.
4. Interpretar abaixo da zona salgada. A camada condutiva reduz a sensibilidade em profundidade; a base dela costuma ser mal resolvida.
5. Ler espessuras da zona de mistura como exatas. A equivalência permite vários modelos com o mesmo ajuste.
6. Comparar campanhas com geometrias diferentes. Diferenças de aquisição viram falsas variações de salinidade.
7. Ignorar a maré e o bombeamento. Uma campanha medida na maré alta, ou com os poços ligados, não é comparável a outra medida em condição diferente.
8. Ignorar interferências. Tubulações, cercas e redes elétricas criam anomalias condutivas que não têm relação com a água.

Referências

• ARCHIE, G. E. The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics. Transactions of the AIME, v. 146, p. 54–62, 1942.
• BRASIL. Conselho Nacional do Meio Ambiente. Resolução CONAMA nº 357, de 17 de março de 2005 (classificação das águas doces, salobras e salinas).
• FEITOSA, F. A. C. et al. (org.). Hidrogeologia: conceitos e aplicações. 3. ed. Rio de Janeiro: CPRM/LABHID, 2008.
• HEM, J. D. Study and interpretation of the chemical characteristics of natural water. 3. ed. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 2254, 1985.
• LOKE, M. H. Tutorial: 2-D and 3-D electrical imaging surveys. Notas de curso (várias revisões).
• REYNOLDS, J. M. An introduction to applied and environmental geophysics. 2. ed. Chichester: Wiley-Blackwell, 2011.
• TELFORD, W. M.; GELDART, L. P.; SHERIFF, R. E. Applied geophysics. 2. ed. Cambridge: Cambridge University Press, 1990.