C. Gemael; S. R. C. Freitas; P. L. Faggion; J .S. Silva Jr, K. Simões
REDE GRAVIMÉTRICA CIENTÍFICA PARA O ESTADO DO PARANÁ
CAMIL GEMAELSÍLVIO ROGÉRIO CORREIA DE FREITAS PEDRO LUIS FAGGION JAIR SILVEIRA DA SILVA JUNIOR
KAUEM SIMÕES
Universidade Federal do Paraná – UFPR Curso de Pós-graduação em Ciências Geodésicas Departamento de Geomática, Centro Politécnico, Curitiba - PR
k1000@ig.com.br; sfreitas@cce.ufpr.br; faggion@geoc.ufpr.br; jrs_cart@hotmail.com; kauem@bol.com.br
RESUMO – O presente trabalho tem por objetivo destacar as principais idéias associadas à concepção
original do estabelecimento de uma rede gravimétrica científica para o Estado do Paraná, ressaltando aspectos históricos ligados à realização de redes mundiais e nacionais. Também destaca-se o pioneirismo da Universidade Federal do Paraná (UFPR) em seu curso de Pós-graduação em Ciências Geodésicas que, com a participação de outras entidades, teve grande atuação nos trabalhos gravimétricos a nível nacional, como a implantação da Rede Nacional de Estações Gravimétricas Absolutas (RENEGA). São ainda apresentadas as principais características, em termos de distribuição e localização, das estações ocupadas na campanha que objetivou o levantamento dos dados gravimétricos em todo o Estado.
ABSTRACT – This work aims to detach the main ideas associated with the original conception of the
Parana State Scientific Gravimeter Net establishment, emphasizing historical aspects linked to the accomplishment of world and national nets. It also stands out the pioneering of the Federal University of Parana (UFPR) through his Graduation Course in Geodetic Sciences that, with the participation of other entities, it had great performance in the gravimeter works in Brazil and the consequent implantation of the National Net of Absolute Gravimeter Stations (RENEGA). It’s also shown the main characteristics, of the occupied stations, in terms of distribution and location, in the campaign that aimed the gravimeter surveying all over the State.
1 INTRODUÇÃO
A gravimetria tem se constituído uma das principais áreas de interface entre a Geodésia e as outras ciências, tais como a Geologia, a Geofísica, a Oceanografia e os diversos campos de atividades aplicadas, onde seja fundamental o conhecimento do geopotencial. A observação gravimétrica nos continentes, associada a redes mundiais é a injunção mais importante para o melhor conhecimento do geopotencial. Esta melhoria é fundamental para as técnicas de posicionamento preciso a nível global, devido suas implicações diretas para a Dinâmica Orbital e correta orientação de referenciais globais, entre outros aspectos. Para tal é necessário conhecer o valor da gravidade em todo o globo terrestre. Enquanto nas regiões oceânicas este problema foi em grande parte resolvido a um nível satisfatório pelas técnicas espaciais envolvidas na altimetria satelital, nas regiões continentais o problema permanece condicionado à existência de redes gravimétricas de alta precisão. No Brasil existem vinte localidades que abrigam estações fundamentais da IGSN-71. A partir destas implantou-se a rede gravimétrica nacional. Pensando em melhorar a qualidade desta rede no Estado do Paraná, realizou-se uma campanha utilizando quatro gravímetros (3 LaCoste&Romberg e 1 Scintrex) cobrindo todo o Estado utilizando como estações os marcos da rede GPS de alta precisão tendo em
vista sua distribuição e localização em locais protegidos. Outro aspecto que deve ser considerado é a utilização das estações absolutas pertencentes à RENEGA; uma localizada no Laboratório de Instrumentação Geodésica da UFPR e a de Valinhos (SP) com a qual foi possível controlar a escala da rede implantada.
2 AS REDES MUNDIAIS
Os levantamentos gravimétricos realizados em diferentes partes do mundo só têm significado geodésico se forem coerentes, ou seja, devem estar referenciados ao mesmo datum. Com base nesta idéia, deseja-se um sistema de referência mundial para a gravidade que seja homogêneo e que padronize as medidas gravimétricas. O primeiro sistema de referência para a gravidade internacionalmente aceito foi conhecido como “Vienna Gravity System”. Este foi adotado em 1900 com uma precisão relativa estimada em torno de Κ10mGal.
O Sistema Potsdam, cujo datum era a estação pendular da Pendelsaal no observatório de Potsdam, foi introduzido logo depois e internacionalmente aceito em 1909 no encontro da IAG em Londres. Este datum, foi definido apenas por uma determinação absoluta para a gravidade em um ponto. Os valores da gravidade neste sistema eram determinados pelo ajuste de uma rede de diferenças absolutas medidas com pêndulos e amarradas a este ponto. A precisão relativa deste sistema foi estimada
em Κ3mGal e corrigiu o sistema de Viena em –16 mGal. Décadas depois objetivando avaliar o datum gravimétrico de Potsdam, realizou-se determinações absolutas espalhadas por todo o globo e concluiu-se que havia um erro de 12 a 16 mGal.
No fim da década de 40 foram publicados dois ajustamentos que demonstravam precisão e distribuição insuficientes, levando G. P. Woolard a empreender seu trabalho pioneiro promovendo o uso geodésico de novos instrumentos (gravímetros Worden e LaCoste-Romberg) que levaram a novas e mais precisas medidas relativas da gravidade por todo o mundo. Assim, depois da instituição de um grupo especial de estudos em 1954 para organizar as atividades de gravimetria que vinham sendo desenvolvidas, foram escolhidos 34 pontos espalhados pelo globo que formavam a FOWGN (First Order World Gravity Net). Foi então desenvolvida a interligação destes pontos, durante quase uma década de observações envolvendo medidas absolutas, pendulares e gravimétricas com a cooperação de muitos países. Após o ajustamento, chegou-se à “The International Gravity Standardization Net – 1971” (IGSN-71), aprovado na XV Assembléia Geral da IUGG em Moscou em agosto de 1971 e adotado como o padrão internacional para a gravidade substituindo o Sistema Potsdam. O problema da determinação do datum na IGSN-71 foi resolvido com a inclusão de 10 medidas absolutas no ajustamento de modo que a rede tivesse uma melhor resolução.
A escala da IGSN-71 foi determinada pelo efeito combinado de 10 medidas absolutas e aproximadamente 1200 medidas pendulares, enquanto que a rigidez relativa da rede foi provida por aproximadamente 24000 medidas gravimétricas.
Na ocasião, foi detectado um desvio sistemático da antiga rede com a nova na ordem de 14 microgal, demonstrando a necessidade do estabelecimento de controles absolutos distribuídos pelo mundo.
No Brasil existem 20 localidades que abrigam estações fundamentais da IGSN-71 onde, a partir delas foi concebida a Rede Gravimétrica Nacional.
3 AS REDES NACIONAIS
A Universidade Federal do Paraná, de forma pioneira, através de seu Curso de Pós-graduação em Ciências Geodésicas, posteriormente com a participação do Observatório Nacional (ON), da Universidade de São Paulo (IAG e POLI) e mais recentemente o IBGE, realizaram trabalhos que conduziriam à Rede Gravimétrica Nacional vinculada às estações fundamentais da IGSN-71. Em tais trabalhos que se caracterizavam por elevada precisão, a UFPR utilizou um conjunto de gravímetros LaCoste&Romberg sobre linhas medidas duplamente (em ida e volta) em intervalos não superiores a 36 horas.
Na época os equipamentos disponíveis para determinações absolutas, não permitiam alcançar precisões melhores que 50 microgal. Atualmente, com o desenvolvimento de novos equipamentos para este fim,
consegue-se chegar a valores na ordem de 10 microgal, permitindo o estabelecimento de estações gravimétricas absolutas de alta precisão, com distribuição adequada, de modo a formar um apoio às redes fundamentais, servir para o controle de estações já existentes e implantadas com as mais diversas metodologias, com diferentes propósitos e diferentes níveis de precisão, como também, servir como base para a calibração periódica de gravímetros.
Com este intuito, a Rede Nacional de Estações Gravimétricas Absolutas – RENEGA (Gemael e Rosier, 1991), foi estabelecida no Brasil pela Universidade Federal do Paraná com a colaboração do Institut für Erdmessung da Universidade de Hannover, proprietária do gravímetro absoluto JILAG-3, que permite a determinação absoluta da gravidade com precisão melhor que 10 microgal (Torgue et al., 1994). Utilizando-se este equipamento foram implantadas sete estações absolutas distribuídas em todo o território nacional (Tabela 1), de forma a permitir a calibração de uma porção da tabela de conversão dos gravímetros aplicados nos levantamentos.
Tabela 1-Estações da RENEGA Estações Valor de “g” ( mGal)
Teresina ( PI ) 978.016,343 φ =5º03’36” S λ =42º48’00” W h=70 m Brasília ( DF ) 978.048,798 φ =15º39’36” S λ =47º54’00” W h=1100 m Viçosa ( RJ ) 978.460,230 φ =20º45’36” S λ =42º49’48” W h=653 m Vassouras (MG) 978.637,581 φ =22º24’00” S λ =43º39’00” W h=400 m Valinhos ( SP ) 978.563,778 φ =23º00’15” S λ =46º57’50” W h=850 m Curitiba ( PR ) 978.760,387 φ =25º27’15” S λ =49º14’16” W h=910 m Sta. Maria (RS ) 979.261,636 φ =29º43’12” S λ =53º43’12” W h=85 m Cabe salientar que a UFPR realizou o primeiro vínculo gravimétrico das estações IGSN-71 na América do Sul com a Antártica, na operação Antártica IV, em 1984/85. Posteriormente, em 1986, 87 esta ligação foi repetida pela UFPR e ON. Também a UFPR realizou extensa rede gravimétrica na Antártica, de 1987 a 1990, produzindo a primeira carta de iso-anômalas da ilha Rei George
4 A REDE GRAVIMÉTRICA CIENTÍFICA DO PARANÁ
Com base nestes aspectos e dada a necessidade de se gerar uma rede gravimétrica precisa, é que foi proposta e idealizada a realização da Rede Gravimétrica Científica do Estado do Paraná, sendo seu maior objetivo constituir uma rede de referência gravimétrica com precisão superior às de todas as demais redes relativas brasileiras. O trabalho de levantamento de dados foi
C. Gemael; S. R. C. Freitas; P. L. Faggion; J .S. Silva Jr, K. Simões desenvolvido pela Universidade Federal do Paraná ao longo de três semanas percorrendo todo o Estado do Paraná, totalizando mais de 12000 quilômetros. Nesta campanha foram utilizados quatro gravímetros, sendo três LaCoste&Romberg modelos G-114 e G-143 cedidos por empréstimo pelo IBGE e um modelo G-372 de propriedade da UFPR e um gravímetro digital Scintrex modelo CG-3M, cedido também por empréstimo pelo
Laboratório de Pesquisas em Geofísica Aplicada da UFPR. Com isso obteve-se um volume consistente de observações, que permite comparar os resultados dos diversos gravímetros, como também determinar os valores médios para todos os pontos da rede a partir de um processo de ajustamento.
Figura 1 – Configuração e distribuição das estações ocupadas na campanha 4.1 Características da rede
Os pontos ocupados na implantação da rede gravimétrica científica foram as estações da Rede GPS de Alta Precisão do Estado do Paraná, que é constituída por vinte estações bem distribuídas no estado, conforme mostrado na figura 1. Todos os marcos desta rede estão implantados em locais protegidos, o que diminui o risco de perda do ponto. A exceção foi a não ocupação da estação localizada nas instalações da Companhia Paranaense de Energia Elétrica - COPEL – Curitiba, pois nesta cidade encontra-se a estação de gravidade absoluta implantada na UFPR que também abriga o ponto GPS PARA, parte da Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo e da rede SIRGAS. Esta estação possui também observação gravimétrica diretamente vinculada com a estação absoluta.
A metodologia de levantamento utilizada foi por caminhamento. Este tema é abordado com propriedade em artigo intitulado “Concepção dos levantamentos gravimétricos para o estabelecimento de rede gravimétrica de alta precisão no Estado do Paraná” (Freitas et al, 2002) neste evento.
Tendo em vista a sensibilidade dos equipamentos utilizados na definição da rede, percebeu-se que os marcos de São Mateus do Sul, localizado nas dependências da refinaria de xisto da Petrobrás, Clevelândia, no Colégio Estadual Agrícola Assis Brasil, Francisco Beltrão, nas dependências do aeroporto municipal Abdala, Guaíra, nas dependências da Guarda Municipal e Londrina, na Universidade Estadual próximo à rodovia PR-445 apresentaram alguma instabilidade, dificultando desta forma a obtenção das leituras nos gravímetros analógicos LaCoste&Romberg e no gravímetro digital percebeu-se um alto desvio padrão das observações. No entanto, a metodologia de observação garantiu resultados satisfatórios para todas as estações.
As estações de Foz do Iguaçu, localizada na barragem da Usina Hidrelétrica de Itaipu, estação considerada mais estável e Querência do Norte, no Centro de Produção Municipal ficaram excêntricas à rede. A primeira, devido a dificuldade de ocupação do ponto em função das restrições impostas pela equipe de segurança da Usina, tal que sal reocupação em múltiplos trajetos seria difícil. A segunda, pelas dificuldades de acesso em QUERENCIA DO NORTE PARANAVAÍ MARINGÁ LONDRINA JOAQUIM ORTIGUEIRA JAGUARIAÍVA IRETAMA GOIO-ERÊ GUAÍRA TOLEDO FOZ DO FRANCISCO LARANJEIRAS CLEVELÂNDIA BITURUNA GUARAPUAVA SÃO MATEUS PONTA GROSSA CURITIBA TÁVORA IGUAÇU BELTRÃO DO SUL DO SUL PONTAL DO PARANÁ
virtude das péssimas condições de tráfego das rodovias e também por localizar-se no noroeste do Estado.
Em função da configuração dos marcos, na maioria dos casos não foi possível realizar as leituras na parte superior, onde está colocado o sistema de centragem forçada, objetivo desse trabalho. Nestes casos, as observações foram realizadas sobre a sapata triangular, base de sustentação do pilar, impondo a necessidade da determinação da altura do pilar para as devidas reduções como mostra a Figura 2.
Figura 2 – Leitura efetuada na base inferior.
Somente nas observações realizadas em Ponta Grossa, nas dependências da Universidade Estadual, Maringá, na Universidade Estadual e Laranjeiras do Sul, no Centro Agropecuário Municipal foi possível ocupar a parte superior do marco como pode ser visto na Figura 3.
Na segunda fase da campanha realizou-se a ligação do ponto da RENEGA com o Centro de Estudos do Mar, localizado no município de Pontal do Paraná, litoral do Estado tendo em vista a existência de uma estação GPS de alta precisão, porém não vinculada à rede estadual.
Com o objetivo de impor uma escala à rede foi ocupada a estação de Valinhos, Estado de São Paulo pertencente a RENEGA objetivando também a calibração dos gravímetros utilizados no levantamento.
4.2 Resultados preliminares
Nos processamentos preliminares, as campanhas com os quatro gravímetros foram processadas e ajustadas separadamente. Os valores de g apresentados na tabela foram obtidos por média simples das observações e são acompanhados os desvios padrão como avaliação preliminar da coerência dos instrumentos.
Figura 3 – Leitura efetuada na base superior do marco. No cálculo do desvio padrão médio de toda a rede, foram suprimidas as estações excêntricas. Quatro formas preliminares de ajustamento foram empregadas, duas relativas à variação do critério de ponderação (tempo ou variância média de observações múltiplas); duas outras injuncionando ou não as estações absolutas.
Os resultados apresentados na Tabela 2 foram os melhores obtidos, usando as estações absolutas, desvinculadas da rede, para determinar fator de escala dos gravímetros. A ponderação foi pelo inverso da variância de cada linha. Em fase subseqüente está planejado o processamento global da campanha com dados obtidos com os quatro gravímetros simultaneamente.
C. Gemael; S. R. C. Freitas; P. L. Faggion; J .S. Silva Jr, K. Simões
Tabela 2 – Valores médios de g com o respectivo desvio
padrão
Estações/Pos.(φφφφ; λλλλ) g (miligal) σσσσ (microgal)
São Mateus do Sul 25º51’35”S; 50º23’49”W 978777,436 ≈0 Bituruna 26º09’42” S; 51º32’13”W 978779,389 15 Clevelândia 26º24’58” S; 52º20’56”W 978785,892 31 Francisco Beltrão 26º03’32” S;53º03’53” W 978807,829 51 Toledo 24º46’46” S 53º43’27” W 978798,263 56 Guaíra 24º04’50” S; 54º15’41” W 978800,494 34 Goio-erê 24º09’51” S 53º01’57” W 978744,588 22 Laranjeiras do Sul 25º25’27” S; 52º24’41” W 978704,727 ≈0 Guarapuava 25º21’15” S; 51º29’57” W 978679,203 15 Ponta Grossa 25º05’42” S; 50º06’17” W 978718,581 31 Jaguariaíva 24º14’29” S; 49º42’16” W 978652,128 22 Joaquim Távora 23º30’17” S; 49º56’45” W 978670,246 34 Ortigueira 24º12’04” S; 50º55’55” W 978678,806 0 Londrina 23º19’20” S; 51º12’06” W 978636,839 27 Maringá 23º24’19” S; 51º55’59” W 978666,860 15 Iretama 24º25’13” S; 2º07’19” W 978715,276 15 Paranavaí2 3º05’32” S; 52º26’27” W 978677,898 27 Pontal do Paraná 25º34’24” S; 48º20’59” W 978971,217 46 Foz do Iguaçu 25º25’10” S; 54º34’05” W 978886,504 60 Querência do Norte 23º04’07” S; 53º28’47” W 978699,186 15 5 CONCLUSÕES
Existem 20 estações IGSN-71 no Brasil, transportadas de outro continente, com uma precisão na ordem de 50 microgal, enquanto que na concepção atual desta rede serão 22 estações só no Estado do Paraná, vinculadas a uma rede absoluta confiável e mais próxima, alcançando precisões na ordem de 10 microgal. Constata-se já nos resultados preliminares que que o desvio padrão médio obtido é de 23 microgal. Este resultado já é melhor que o atingido pela IGSN-71 no Brasil. Acredita-se que no processamento global final os resultados serão ainda melhores.
Implantada, esta rede servirá de apoio à trabalhos gravimétricos em outros estados e países. Assim, prevê-se sua densificação com a participação de outras universidades e institutos do Estado e também seu uso
para a análise qualitativa das demais estações gravimétricas existentes na região. Desta forma, a intercomparação de valores derivados desta rede com aqueles oriundos das redes existentes possibilitará a qualificação de mais de 4000 determinações gravimétricas no Estado, grande parte das quais sem controle da precisão. Em um futuro próximo, esta estrutura gravimétrica e os demais pontos gravimétricos devidamente qualificados, poderão ser aplicados para a geração da carta geoidal do Estado com precisão possivelmente na ordem de 10 cm, contra os mais de 3 metros das cartas geoidais atualmente disponíveis.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq/Fundação Araucária Processo 520885/99-6 pelo apoio financeiro e bolsas concedidas, ao IBGE pelo empréstimo de dois gravímetros LaCoste & Romberg (G114 e G143), ao Prof. Francisco Ferreira responsável pelo LPGA (Laboratório de Pesquisas e Geofísica Aplicada) pelo empréstimo do gravímetro Scintrex modelo CG3M e à Secretaria Estadual do Meio Ambiente e Instituto Ambiental do Paraná pelo apoio aos trabalhos de campo.
REFERÊNCIAS
GEMAEL,C.,1999. Introdução à Geodésia Física. Editora da UFPR, Curitiba, 302 pp.
TORGE, W. & TIMMEN, L. & RÖDER, R. H. & SCHNÜLL, M., 1994. The IFE Absolute Gravity
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GEMAEL, C. & ROSIER, F., 1991. Calibração de
gravímetros usando a RENEGA. 2º Congresso
Internacional da Sociedade Brasileira de Geofísica. Salvador, Anais, pp. 120-124.
I.A.G. The International Gravity Standardization Net
1971 (IGSN-71). Bureau Central de l`Association
Internationale de Géodésie, Publication Speciale n. 4, Paris, 1971.
FREITAS, S. R. C.; SANTOS JR., G.; FAGGION, P. L., GEMAEL, C.; SILVA JR., J. S. SIMÕES, K. 2002.
Concepção dos levantamentos gravimétricos para o estabelecimento da rede gravimétrica de alta precisão no Estado do Paraná. Submetido: 25 Anos do Curso de
