INTRODUÇÃO
O estudo da Terra usando medições, à superfície, de parâmetros físicos é designado por Geofísica. Se bem que não seja fácil estabelecer uma distinção fácil entre geologia e geofísica, a diferença assenta sobretudo no tipo de dados que são usados.
A Geologia envolve o estudo da Terra por via de observações directas das rochas, quer à superfície, quer provenientes de amostras colhidas em furos, e a dedução da sua estrutura, composição, ou história baseada na análise dessas observações.
A Geofísica, por seu turno, aplica os principios da Física ao estudo da Terra. A investigação geofísica do interior da Terra envolve fazer medições na, ou muito próximo, da sua superficíe que são influenciadas pela distribuição interna das propriedades (parâmetros) físicas. A análise das medições pode revelar como é que as propriedades físicas do interior da Terra variam vertical e lateralmente.
Num sentido mais lato, a Geofísica providencia instrumentos e métodos para o estudo da estrutura e composição do interior da Terra. A maior parte do nosso conhecimento terrestre, abaixo das profundidades que se podem atingir por intermédio de furos, é proveniente de observações geofísicas. A existência e as propriedades da crosta, manto e núcleo terrestres foram determinadas sobretudo por observação de ondas sísmicas originadas pelos terramotos e por medições do campo magnético, gravítico e propriedades térmicas.
Trabalhando em diferentes escalas, os métodos geofísicos podem então ser aplicados a uma vasta gama de estudos, que vão desde estudos à escala global (geofísica global) até à exploração de regiões localizadas na crosta superior (levantamentos geofísicos).
Nos últimos 75 anos os métodos geofísicos foram desenvolvidos sobretudo para a prospecção de hidrocarbonetos e depósitos minerais. Durante este período foram construidos vários instrumentos e acumulada uma vasta experiência na interpretação dos dados. Para responder ao aumento do consumo de matérias primas, a exploração geofísica de recursos em energia fóssil e minérios tem-se extendido a profundidades cada vez maiores. Contudo, a tarefa de controlar o “depósito” dos grandes volumes dos resíduos resultantes do uso das matérias primas é nova para a geofísica. Agora, os até aqui eliminados efeitos superficiais (que eram considerados ruído nos estudos de maior profundidade) tornaram-se um novo assunto de investigação.
Não há necessidade de desenvolver novos métodos geofísicos para a exploração de “hazardous sites”. Os instrumentos e a experiência acumulados podem continuar a ser usados, necessitando, no entanto, de ser adaptados aos problemas ambientais. Será, por exemplo, necessário utilizar grelhas muito finas para atingir grandes definições a pequenas profundidades.
Um método alternativo para investigar a geologia sub-superficial é, claro, o uso de sondagens por perfuração, mas estas são muito mais dispendiosas e dão apenas informação sobre o local onde foram realizadas. Os levantamentos geofísicos não dispensam a utilização de sondagens mas, quando aplicados racionalmente, podem optimizar a necessidade de fazer furos.
que se usam os campos naturais da Terra e aqueles que requerem a introdução no solo de energia gerada artificialmente. Os métodos dos campos naturais utilizam os campos gravítico, magnético, eléctrico e electro-magnético para localizar perturbações locais destes campos naturais que podem ser provocadas por estruturas geológicas “escondidas”.
Os métodos das fontes artificiais envolvem a geração de campos eléctricos ou electro-magnéticos, que podem ser usados de maneira análoga aos campos naturais, a geração de ondas sísmicas cuja velocidade de propagação e percurso através do solo fornecem informação sobre a distribuição das fronteiras geológicas em profundidade. Geralmente o método das fontes naturais pode fornecer informação sobre as propriedades da Terra até profundidades significativamente grandes e são logisticamente mais fáceis de aplicar que os métodos das fontes artificiais. Os últimos, contudo, são capazes de produzir uma imagem mais detalhada e precisa da geologia sub-superficial.
Vários métodos de prospecção geofísica podem ser usados no mar ou executados pelo ar. O maior custo associado com as operações marinhas e aéreas e os problemas da localização espacial são compensados por uma maior rapidez e área coberta em relação aos métodos “pedestres”.
De entre os vários métodos geofísicos usados em prospecção, os mais importantes são:
Gravíticos – Na prospecção gravimétrica medimos as variações da atracção gravítica de unidades rochosas localizadas nos primeiros km da superfície terrestre. Diferentes tipos de rochas têm diferentes densidades, e as rochas mais densas exercem uma maior atracção gravítica. A figura abaixo ilustra o facto de um mesmo corpo ter pesos diferentes em localizações distintas se as rochas do sub-solo tiverem densidades variáveis; o que é usual. Contudo, tais variações (de peso) têm amplitudes extremamente baixas e só podem ser medidas com recurso a instrumentos especiais chamados gravimetros
Magnéticos – A prospecção magnética informa-nos sobre as variações do campo magnético da Terra que sejam atribuíveis a alterações de estrutura ou da susceptibilidade magnética de certas rochas sub-superficiais. Na exploração mineira os métodos magnéticos são empregues para a identificação de minérios que contenham minerais magnéticos tais como a magnetite (um minério com muito ferro).
Eléctricos – A prospecção eléctrica recorre ao uso de uma grande variedade de técnicas, cada uma delas baseada numa diferente propriedade ou característica dos materiais do solo.
Resistividade: este método dá-nos informação sobre as camadas, ou corpos,
que tenham anomalias nas sua conductividade eléctrica. O método resistivo é usado sobretudo em estudos de águas subterrâneas.
Potencial expontâneo: é usado para detectar a presença de certos minerais
que, reajindo com electrólitos presentes no solo, dão origem a potenciais electroquímicos. Um corpo sulfuroso que esteja mais oxidado na sua superfície superior que na inferior, originará um potencial eléctrico que será detectável por galvanómetros dispostos à superfície.
Polarização induzida: este método permite diagnosticar a ocorrência de trocas
iónicas que se processam na superfície dos grãos metálicos. Ele é usado principalmente na exploração de sulfuretos.
Magnetotelúrico: usa as correntes naturais da terra (campos magnéticos
alternos) que induzem correntes (e por sua vez novos campos magnéticos) quando atravessam os materiais condutores presentes no solo.
Electromagnéticos - como o nome indica este método baseia-se na propagação de campos electromagnéticos de baixa frequência, quer acima, quer abaixo da superfície. É muito usado na exploração mineral (os detectores de metais usam este método).
artificiais geradas à superfície. Essas ondas são monitorizadas através dos seu “ecos” após terem percorrido o interior do solo e regressado à superfície depois de terem sido reflectidas e refractadas pelas descontinuidades da crosta. Distinguem-se duas variedades de métodos sísimicos.
Reflexão: com este método observa-se o comportamento das ondas sísmicas
que, após terem sido reflectidas pelas várias discontinuidades da crosta originadas por contrastes nas propriedades elásticas dos materiais, são detectadas por sensores (hidrofones e geofones). Este é o método mais utilizado na detecção de hidrocarbonetos.
Refracção: neste caso as ondas sísmicas propagam-se perto da superfície,
percorrem grandes distâncias e são detectadas por geofones. A informação que este método providencia refere-se a àreas mais extensas que o anterior e fornece assim uma imagem regional das estruturas sub-superficiais.
Radioactivos – Este método baseia-se nas propriedades radioactivas de certos minerais tais como aqueles que contêm urânio. Com recurso a detectores (contadores Geiger e contadores de cintilações) esses minarais podem ser detectados à superfície.
O tipo de propriedade física à qual um dado método responde determina assim claramente os seus limites de aplicação. Por exemplo, o método magnético é muito apropriado para a localização de minérios de ferro. Analogamente os métodos elécticos ou sísmicos são apropriados para a localização de lençóis freáticos, dado que os terrrenos saturadas de água se podem distinguir dos secos devido à sua maior velocidade sísmica e maior conductividade eléctrica.
Existe uma vasta gama de métodos de prospecção geofísica. Para cada um deles existe uma propriedade física “operativa” para a qual o método é sensitivo. Os métodos estão listados na tabela seguinte.
Método Parâmetro medido Propriedade física ‘operativa’ Sísmico Tempo de percurso das ondas
sísmicas reflectidas/refractadas
Densidade e módulos elásticos, que determinam a velocidade de propagação
das ondas sísmicas Gravimétrico Variações espaciais na intensidade
do campo gravítico da Terra
Densidade Magnético Variações espaciais na intensidade
do campo geomagnético
Susceptibilidade magnética e remanescência Eléctrico
Resistividade Resistividade do solo Conductividade eléctrica Polarização
induzida
Polarização de voltagem Capacitância eléctrica Potencial
expontâneo
Potenciais eléctricos Conductividade eléctrica Electromagnético Reposta à radiação
electromagnética
Conductividade eléctrica e inductância Radar Tempo de percurso dos impulsos
de radar reflectidos
Constante dieléctrica
Nos vários métodos de prospecção é a variação local do valor de um dado parâmetro, relativamente a um valor regional, que tem importância primordial. Tal variação é atribuida a uma zona localizada com proprieadades físicas distintas. Uma variação local desta natureza é designada por anomalia geofísica.
Por exemplo, o campo gravitacional, após aplicação de certas correcções, deveria ser constante em todo o lado se a sub-superfície tivesse uma densidade uniforme. Qualquer variação lateral da densidade, associada a uma variação da geologia sub-superficial, resulta num desvio local do campo gravítico. Esta variação local designa-se anomalia gravítica.
Se a estrutura interna e as propriedades físicas da Terra fossem conhecidas precisamente, a intensidade de uma medição particular, efectuada à superfície, poderia ser prevista precisamente e de um forma única. Assim, por exemplo, seria possivel prever o tempo de percurso de uma onda sísmica reflectida por uma dada camada, ou determinar o valor da gravidade ou campo magnético em qualquer localização superficial. Na prospecção geofísica o problema é o inverso deste, ou seja, o de deduzir alguns aspectos de estrutura interna da Terra a partir de medições feitas à superfície. O primeiro dos problemas é conhecido por problema directo e o segundo problema inverso. Enquanto que os problemas directos têm soluções teóricas únicas, os problemas inversos sofrem de uma ambiguidade inerente, ou não unicidade.
Por exemplo, se um impulso de sonar demorar 0,1 s para fazer o percurso desde a superfície da água até ao fundo do mar e voltar, então, usando o valor de 1500 m/s para a velocidade do som na água, ficamos a saber que a profundidade é de 0,1*1500/2 = 75 m .
Usando o mesmo princípio, uma onda sísmica pode ser usada para determinar a profundidade de uma dada interface geológica (e.g. o topo de uma camada de calcáreo). Para isso media-se o tempo de ida e volta da onda sísmica desde a superfície ao topo da camada e de volta à superfície. Contudo, a conversão do tempo do percurso em termos de profundidade requer o conhecimento da velocidade de propagação da onda no meio e, contrariamente ao caso da velocidade do som na água, esta informação não é geralmente conhecida. Se admitirmos uma dada velocidade obtemos uma estimativa da profundidade, mas ela representa apenas uma de muitas possiveis soluções. Como o tipo de rochas varia significativamente a conversão da velocidade em termos de profundidade não é uma tarefa fácil.
A questão da não unicidade dos métodos potenciais
O problema geral é que diferenças significativas em relação a uma dada situação geológica podem traduzir-se em diferenças insignificantes nas quantidades medidas num levantamento. Esta ambiguidade tem origem no facto de que configurações geológicas diferentes poderem reproduzir as mesmas observações. Esta limitação básica resulta do facto inegável de que os levantamentos geofísicos se propõem resolver um difícil problema inverso.
Deve notar-se também que as quantidades obtidas experimentalmente não são nunca quantidades exactas (vêm afectadas por erros de medição), o que introduz um factor adicional de indeterminação.
Dado que uma solução única não pode, em geral, ser obtida, a interpretação geofísica preocupa-se com a determinação das propriedades sub-superficiais que todas as soluções possiveis partilham (ou em introduzir constrangimentos realistas que restrinjam o número de soluções possiveis).
Apesar de todos estes problemas a investigação geofísica tem dado muito bons resultados.
