Polarização induzida (IP): o que é, cargabilidade e usos

Resposta curta

Polarização induzida é o efeito de capacitor do subsolo: com corrente, cargas se acumulam em argilominerais e em grãos metálicos; sem corrente, elas se dissipam e a voltagem decai aos poucos em vez de cair a zero. No domínio do tempo, essa resposta se mede como cargabilidade; no domínio da frequência, como efeito de frequência ou fase. O valor principal da IP é separar zonas que a resistividade mostra iguais: argila de água salgada, sulfeto disseminado de rocha comum. O verbete polarização induzida traz a definição curta; aqui vamos ao detalhe.

O fenômeno: polarização de membrana e de eletrodo

Na eletrorresistividade, supõe-se que o terreno é um resistor: liga-se a corrente, a voltagem aparece; desliga-se, ela some. Na prática, quase todo material natural tem também um pouco de comportamento de capacitor. Dois mecanismos explicam a maior parte do efeito.

Polarização de membrana

As superfícies dos argilominerais têm carga negativa e atraem íons positivos da água dos poros, formando uma nuvem de cargas em volta dos grãos. Onde os poros se estreitam ou passam entre partículas de argila, esses íons se movem com mais facilidade que os negativos e criam zonas de acúmulo e de falta de íons. Quando a corrente é cortada, os íons voltam aos poucos ao equilíbrio, e é esse retorno que se mede. O efeito cresce com a quantidade e o tipo de argila e com a área de superfície dos grãos, e é a origem da IP em sedimentos e solos sem metal.

Polarização de eletrodo

Quando a corrente encontra um grão que conduz por elétrons, como sulfetos metálicos (pirita, calcopirita) e grafita, ela precisa passar da água (condução por íons) para o grão (condução por elétrons). Na interface, as cargas se acumulam como num eletrodo dentro de um eletrólito. É um efeito em geral mais forte que o de membrana, e o motivo de a IP ter nascido na mineração.

Domínio do tempo: curva de decaimento e cargabilidade

O transmissor injeta corrente por alguns segundos, corta, espera, injeta com a polaridade invertida e corta de novo. Com a corrente ligada, a voltagem entre M e N chega a um valor estável, a voltagem primária (Vp), que dá a resistividade aparente como de costume. No corte, a voltagem cai de repente para um resíduo, a voltagem secundária (Vs), e decai aos poucos.

Há duas formas de transformar o decaimento num número:

Na prática, quase todos os equipamentos usam a forma integral, porque o valor exato logo após o corte é difícil de medir: o decaimento é rápido e se mistura a efeitos do próprio circuito. O receptor espera um atraso, abre uma ou várias janelas de integração e calcula a área em cada uma. Muitos aparelhos dividem a área pela largura da janela e informam a média em mV/V, e vários registram a curva inteira em várias janelas, o que permite olhar a forma do decaimento e não só o total.

A consequência importante é que a cargabilidade não é uma propriedade com valor único. Ela depende do tempo de injeção, do atraso, das janelas e da unidade escolhida. É por isso que tabelas de "cargabilidade típica" de rochas e minerais só valem para os parâmetros em que foram medidas, e que dois levantamentos só se comparam diretamente quando usam a mesma configuração.

Domínio da frequência, fase e IP espectral

O mesmo fenômeno aparece quando se usa corrente alternada: como o terreno se comporta em parte como capacitor, a resistividade aparente diminui quando a frequência aumenta. A forma mais antiga de medir isso compara duas frequências baixas:

Outra forma é medir a defasagem entre a corrente injetada e a voltagem recebida, em miliradianos (mrad). Um terreno sem polarização responde sem atraso; um terreno polarizável faz a voltagem atrasar em relação à corrente.

IP espectral e o modelo de Cole-Cole

Na IP espectral (SIP), mede-se a fase e a amplitude numa faixa larga de frequências. A curva resultante costuma ser descrita pelo modelo de Cole-Cole, usado por Pelton e colaboradores (1978) para discriminar minerais e separar o efeito do acoplamento eletromagnético:

Aqui ρ₀ é a resistividade em corrente contínua, m a cargabilidade, τ uma constante de tempo ligada ao tamanho dos grãos ou poros que polarizam, e c um expoente que descreve quão espalhada é essa distribuição. A ideia é que materiais diferentes, com cargabilidade parecida, podem ter constantes de tempo diferentes. A SIP de campo é mais exigente (sinal fraco, acoplamento, tempo de medida) e aparece mais em mineração, laboratório e pesquisa do que no levantamento de rotina.

Como se mede no campo

A IP usa os mesmos arranjos de eletrodos da resistividade, e nos resistivímetros modernos as duas medidas saem juntas: Vp dá a resistividade e o decaimento dá a cargabilidade. O que muda é o cuidado exigido.

• Arranjo. O dipolo-dipolo e o polo-dipolo são os mais tradicionais em IP, sobretudo em mineração, porque mantêm os cabos de corrente e de potencial separados. Em tomografia multieletrodo, o Wenner-Schlumberger e o gradiente também são usados.
• Eletrodos de potencial. O ideal são eletrodos não polarizáveis, como cobre em solução de sulfato de cobre em pote poroso. Em levantamentos multieletrodo com hastes de aço, a sequência deve evitar medir potencial num eletrodo que acabou de injetar corrente, porque ele ainda carrega a polarização da injeção.
• Contato. A voltagem secundária é uma fração pequena da primária, então qualquer ruído pesa mais. Uma resistência de contato baixa permite injetar mais corrente e melhora a relação sinal-ruído.
• Ciclos mais longos. Cada leitura precisa de tempo de injeção e de tempo de escuta do decaimento, repetidos e empilhados para reduzir o ruído. Um levantamento com IP leva mais tempo que o de resistividade pura com o mesmo arranjo.
• Acoplamento eletromagnético. A variação da corrente nos cabos induz voltagens nos cabos de potencial, que se somam à resposta do terreno e podem imitar ou mascarar a IP. O problema cresce com aberturas grandes, terreno condutivo e cabos paralelos e próximos, e afeta mais as janelas iniciais e as frequências altas. As defesas são separar e cruzar os cabos o mínimo possível, esperar um atraso antes da primeira janela e preferir arranjos com dipolos separados.
• Ruído cultural. Redes elétricas, cercas, tubulações e cabos enterrados afetam mais a IP que a resistividade. Anote no campo tudo o que é metálico perto da linha.

O equipamento, os eletrodos e o fluxo de qualidade estão no guia do resistivímetro.

O que a IP acrescenta à resistividade

A resistividade responde principalmente à água dos poros (quanta há e quão salina é) e, em segundo plano, à argila. A IP responde principalmente às superfícies que polarizam: argila e grãos metálicos. Medir as duas separa causas que a resistividade sozinha mistura.

Argila ou água salgada

É o uso mais comum em hidrogeologia. Uma camada de baixa resistividade pode ser argila ou sedimento com água salobra, e as duas hipóteses levam a decisões opostas sobre um poço. A argila costuma polarizar; a areia com água salgada, pouco. Uma zona condutiva com cargabilidade alta sugere argila; condutiva e com cargabilidade baixa sugere água salina. O guia de intrusão salina combina esse critério com geometria, poços e monitoramento.

Sulfetos disseminados (mineração)

É o uso clássico, descrito em detalhe por Sumner (1976). Grãos de sulfeto espalhados na rocha, sem se tocar, quase não mudam a resistividade, porque a corrente continua passando pela água entre eles. Mas cada grão polariza, e juntos dão uma anomalia de IP clara. Foi assim que a IP se firmou na exploração de depósitos de cobre disseminado. A grafita também polariza muito e é a fonte mais comum de anomalia que não é minério.

Contaminação e aterros

Áreas de disposição de resíduos costumam mostrar resposta de IP, pela mistura de materiais metálicos, orgânicos e argilosos, o que ajuda a delimitar o corpo do aterro. Para hidrocarbonetos, a literatura é mista: a resposta parece depender da idade do derramamento, da biodegradação e do tipo de sedimento, e já foi descrita tanto como aumento quanto como redução da cargabilidade. Trate a IP como mais uma linha de evidência, a confirmar com poços de monitoramento e análises. O contexto do método elétrico nesses casos está em plumas de contaminação e chorume.

Água subterrânea

Além de separar argila de água salgada, a IP ajuda a ver o teor de argila dentro de um pacote arenoso, o que afeta a qualidade do aquífero. Há também uma linha de pesquisa que relaciona parâmetros de IP à área de superfície dos grãos e, por ela, à permeabilidade (Slater e Lesmes, 2002; Binley e Kemna, 2005). Essas relações são empíricas e locais: servem como hipótese a calibrar com ensaios, não como fórmula pronta.

Cargabilidade normalizada

A cargabilidade medida mistura duas coisas: a polarização das superfícies e a condução pelo volume da água. Quando a água dos poros é muito condutiva, a corrente passa por ela com facilidade, e a mesma argila aparece com cargabilidade menor. Para separar esses efeitos, a literatura de IP aplicada à hidrogeologia usa a cargabilidade normalizada:

Dividir pela resistividade (ou seja, multiplicar pela condutividade) faz o número acompanhar melhor a condução pela superfície dos grãos, que depende da argila e da área de superfície, e menos a salinidade da água. É um indicador útil para mapear argila em áreas onde a salinidade varia, desde que M e ρ venham do mesmo levantamento e da mesma inversão. Como M, ela também depende dos parâmetros de medida.

Como os resultados são apresentados

• Pseudoseções lado a lado. A pseudoseção de resistividade aparente e a de cargabilidade aparente, com o mesmo eixo, para comparar os padrões.
• Seções invertidas de ρ e de M. Programas de inversão 2D, como o descrito no tutorial de Loke, invertem a resistividade e a cargabilidade e entregam duas seções do mesmo modelo. A leitura conjunta é o ponto: condutivo e polarizável, condutivo e não polarizável, resistivo e polarizável.
• SEV com IP (VES-IP). A curva de cargabilidade aparente contra AB/2, ao lado da curva de resistividade, e um modelo de camadas com resistividade e cargabilidade por camada.
• Curvas de decaimento. Quando o aparelho grava várias janelas, mostrar algumas curvas de decaimento ajuda a provar que o sinal é do terreno, e não ruído ou acoplamento.

Valores negativos de cargabilidade aparente podem surgir pela geometria de camadas e corpos polarizáveis, e não só por erro. Não descarte sem pensar, mas confira se não são ruído ou acoplamento antes de interpretar.

Quando a IP vale o esforço

Vale a pena medir IP quando:

• a pergunta envolve uma zona condutiva cuja causa importa (argila, água salobra, contaminação);
• o alvo é mineral metálico disseminado;
• o resistivímetro já mede IP e o custo extra é só tempo de campo;
• há poços ou furos para calibrar o que a cargabilidade significa naquele lugar.

Costuma não compensar quando:

• a pergunta é só a profundidade do nível d'água ou do topo rochoso, que a resistividade já responde;
• o ruído cultural é alto e não há como afastar a linha;
• não há tempo para os ciclos mais longos e para o cuidado com eletrodos e cabos.

Limitações

• Ambiguidade. Argila, sulfetos e grafita podem dar cargabilidade alta. A IP reduz a ambiguidade da resistividade, mas não a elimina.
• Sem faixas universais. Os valores dependem do equipamento, das janelas e da unidade. Interprete contrastes dentro do mesmo levantamento e calibre com poços.
• Sinal fraco. A voltagem secundária é pequena, então a IP sofre mais com ruído, contato ruim e eletrodos polarizados do que a resistividade.
• Acoplamento eletromagnético. Em aberturas grandes e terreno condutivo, pode contaminar a medida a ponto de inutilizá-la sem correção.
• Inversão não única. Como na resistividade, modelos diferentes podem explicar os mesmos dados. A seção de cargabilidade herda as incertezas da seção de resistividade, porque depende dela.

IP no Rhoa

O que acontece quando um arquivo traz dados de IP:

• IPI2Win em modo VES-IP: a curva de resistividade é importada para a SEV e a cargabilidade é ignorada, com o aviso "a cargabilidade foi ignorada".
• RES2DINV no formato de índice (arranjos 1, 3 e 7) com o indicador de IP ligado: o app pula o cabeçalho de IP, importa só a resistividade aparente e avisa que apenas ela foi importada.
• RES2DINV no formato geral (tipo 11): o app lê a resistividade aparente de cada linha de dados; a coluna de cargabilidade, quando existe, não é lida, e o app avisa que apenas a resistividade foi importada.
• Exportação para RES2DINV: a linha 2D sai sempre sem IP, com o indicador de IP igual a zero. Para conferir ou converter um arquivo sem criar conta, há o conversor RES2DINV.

Se o seu levantamento tem IP, use o Rhoa para a parte de resistividade e um programa que inverta os dois parâmetros para a cargabilidade. O guia de inversão 2D explica o que muda entre pseudoseção e seção invertida.

Referências

• BINLEY, A.; KEMNA, A. DC resistivity and induced polarization methods. In: RUBIN, Y.; HUBBARD, S. S. (ed.). Hydrogeophysics. Dordrecht: Springer, 2005.
• BRAGA, A. C. O. Geofísica aplicada: métodos geoelétricos em hidrogeologia. São Paulo: Oficina de Textos, 2016.
• LOKE, M. H. Tutorial: 2-D and 3-D electrical imaging surveys. Notas de curso (várias revisões).
• PELTON, W. H. et al. Mineral discrimination and removal of inductive coupling with multifrequency IP. Geophysics, v. 43, n. 3, p. 588-609, 1978.
• SEIGEL, H. O. Mathematical formulation and type curves for induced polarization. Geophysics, v. 24, n. 3, 1959.
• SLATER, L.; LESMES, D. P. Electrical-hydraulic relationships observed for unconsolidated sediments. Water Resources Research, v. 38, n. 10, 2002.
• SUMNER, J. S. Principles of induced polarization for geophysical exploration. Amsterdam: Elsevier, 1976. (Developments in Economic Geology, 5).
• TELFORD, W. M.; GELDART, L. P.; SHERIFF, R. E. Applied geophysics. 2. ed. Cambridge: Cambridge University Press, 1990.