Métodos de investigação do subsolo – Métodos Sísmicos – DynamicCAD|POTECH

Na fase de investigação que antecede um projeto de engenharia, o mais comum é utilizar métodos diretos como sondagens à percussão, trado e rotativas, abertura de poços e até mesmo trincheiras para obter informações sobre o subsolo. O espaçamento entre estas investigações, no entanto, pode chegar facilmente a centenas de metros, por questão de custos, ou até milhares de metros, em casos de áreas com investigação restrita por questões ambientais ou dificuldade de acesso dos equipamentos de sondagem. Existem, contudo, situações de obra e pontos de maior sensibilidade para os quais este padrão de investigação não é suficiente.

Nestes casos, é necessário recorrer a técnicas indiretas de sondagem, que permitam obter maiores informações sobre o subsolo. A geofísica é uma ciência que desenvolve técnicas de investigação indireta utilizando conceitos físicos, com aplicação em geologia e geotecnia. Os métodos geofísicos são aplicados à geotecnia baseados no conceito de que, se duas camadas geotécnicas são distintas, então suas propriedades físicas também o são. Ocorre que essa premissa nem sempre é válida, e este é um dos motivos pelos quais qualquer método indireto precisa ser coordenado com métodos diretos para correta interpretação. No entanto, mesmo quando muito pouca informação direta é possível, a coordenação de mais de um método indireto pode dar bons resultados.

Isso porque, ainda que seja possível que duas camadas distintas tenham uma propriedade em comum, dificilmente isso ocorrerá com todas as propriedades físicas, e por isso a combinação das informações de diferentes métodos gera um quadro mais realista do subsolo. É o caso, por exemplo, da exploração geofísica de hidrocarbonetos em áreas marítimas, que se utiliza basicamente de métodos gravimétricos, magnetométricos e sísmicos para a detecção de possíveis campos produtores, já que a perfuração de poços para a obtenção de dados diretos tem custos impeditivos.

Potenciais versus Ativos
Os métodos geofísicos podem ser separados de forma simples entre métodos potenciais e métodos ativos. Os métodos potenciais são aqueles que medem uma propriedade sem precisar emitir qualquer sinal, enquanto os ativos são baseados na emissão de alguma forma de energia e na leitura de sua modificação pela interação com o subsolo. Essa energia pode ser mecânica, elétrica, etc. A margem de erro em medidas com métodos potenciais pode ser grande, chegando em alguns casos à ordem de metros, o que numa obra linear significa que a propriedade medida tem grandes chances de não representar a área de interesse do levantamento. Além disto, quando aplicados em superfície, não fornecem informações em profundidade, portanto sua utilidade é mais restrita. No caso dos métodos ativos, a margem de erro está intimamente ligada à fonte utilizada – fontes com maior energia tendem a cometer erros menores, pois estão menos sujeitas a interferências externas. Existem diversos métodos que fornecem informações que variam com a profundidade e vêm sendo aplicados comumente com fins de engenharia geotécnica.

Superfície versus “Downhole”
Os métodos geofísicos podem tanto ser aplicados em superfície quanto em aberturas em subsuperfície, como furos de sondagem e túneis, caso em que são nomeados tipo ‘downhole’. Alguns dos métodos downhole mais conhecidos são sísmica entre-poços, tomografia elétrica entre-poços, VSP (perfilagem sísmica vertical, da sigla em inglês) e ‘logging’ de propriedades como resistividade, radioatividade e velocidade ao longo das paredes do furo (Figura 1). A ISRM[1] inclui ainda neste grupo as metodologias de investigação à frente de escavação de túneis. No início, os métodos downhole eram maioria nas aplicações de geofísica rasa; mais recentemente, no entanto, a geofísica de superfície vem se firmando, com diversos métodos recomendados para este tipo de investigação.

Figura 1: Possibilidade de arranjos em métodos tipo ‘downhole’; Fonte: Porto Soares (2009).

Planejando uma Aquisição
Em suas recomendações, a ISRM lista os principais tópicos com que devemos nos preocupar ao planejar e realizar uma aquisição geofísica com fins em engenharia geotécnica. São eles: Aplicabilidade; Planejamento; Aquisição; Processamento; Interpretação e Resultados.

Ao se planejar uma aquisição geofísica com fins geotécnicos, deve-se ter em mente que os diferentes métodos existentes são aplicáveis em casos distintos e não darão bons resultados em todas as situações. É imprescindível, portanto, que este planejamento seja antecedido por um levantamento preliminar de dados geológicos sobre a região em estudo, de modo a permitir a correta escolha dos métodos geofísicos mais adequados. A aquisição, assim como o processamento, deve ser feita com equipamento e cuidados adequados ao caso. É característico dos métodos geofísicos que eles descrevam o subsolo através de modelos, que, por definição, não são imagens perfeitas. A experiência do intérprete responsável pelo processamento e análise dos dados obtidos é quase tão importante quanto a correta escolha do método e aquisição destes dados.

Pode-se obter de métodos geofísicos informações tanto qualitativas como quantitativas, dependendo das características do local em estudo bem como do método utilizado. Alguns parâmetros geomecânicos de obtenção possível são grau de fraturamento de um maciço rochoso e resistência de um solo, dentre outros, dependendo do método utilizado e das características locais.

Métodos sísmicos
Os métodos sísmicos são métodos ativos que se utilizam de ondas sísmicas. Uma onda sísmica é uma perturbação mecânica do meio “que se propaga sem deslocamento de material, apenas energia”. Como qualquer onda, suas principais características são freqüência, comprimento de onda e amplitude, sendo que as duas primeiras são inversamente relacionadas para um determinado meio de propagação.

Existem vários tipos de ondas sísmicas, mas aquelas mais comumente utilizadas para estudos geotécnicos são as ondas compressionais e as ondas cisalhantes. Elas diferem entre si pelo tipo de perturbação que geram em um meio: enquanto nas compressionais a perturbação é paralela à direção de propagação da onda, nas cisalhantes ela é perpendicular. (Figura 2)

Figura 2: Propagação da onda sísmica (a) Compressional (b) Cisalhante. Fonte: Porto Soares (2009).

Essa diferença acarreta também propriedades específicas que são aproveitadas pelos métodos sísmicos. Os métodos convencionais de sísmica utilizam apenas ondas compressionais, pois sua aquisição é mais simples e barata, mas existem métodos aplicáveis a situações específicas que também utilizam as ondas cisalhantes, devido a propriedades que veremos a seguir.

Quando uma onda sísmica se propaga em subsuperfície, ela gera deslocamentos nas partículas constituintes deste meio, que, por sua vez, geram tensões sobre o meio. A relação entre tensão e deformação, em um meio elástico, é dada pela Lei de Hooke generalizada, que para um corpo isotrópico toma a seguinte forma:

As constantes ? e ? são chamadas Constantes de Lamé e representam o meio isotrópico. ? é também chamada módulo de rigidez. No estudo sísmico, mais comum do que utilizar ? é utilizar K, o chamado ‘módulo bulk’ ou incompressibilidade do material, que é definido como:

Ao analisarmos a Lei de Hooke em conjunto com a Segunda Lei de Newton e o Teorema da Divergência de Gauss, obtemos as relações entre as propriedades elásticas do meio e a velocidade de propagação das ondas compressionais e cisalhantes. Se escritas em função dos módulos bulk e de rigidez, estas relações tomam a seguinte forma:

Nestas equações, ? representa a densidade do meio, enquanto Vp e Vs são, respectivamente, as velocidades de propagação da onda compressional e da onda cisalhante. São também chamadas ondas primárias e secundárias, respectivamente, por conta de sua ordem de chegada (da comparação entre as equações, Vp>Vs). As impedâncias compressional e cisalhante de um meio são definidas como:A variação de impedância (que depende de K, ? e ?) rege o fenômeno de reflexão e transmissão da onda elástica na interface entre dois meios. Esta é a propriedade que o método sísmico pretende identificar para individualizar as diferentes camadas que constituem o subsolo, que é tomado como um meio elástico. K, ? e ? são influenciados por:

minerais componentes do subsolo;
níveis de compactação e consolidação da camada;
fluido que preenche os poros;
estrutura da rocha;

dentre outros parâmetros. No caso de materiais inconsolidados, o fluido intersticial tem um impacto muito maior na propagação de ondas acústicas no material.

Embora as variações das propriedades mecânicas possam ser usadas para identificar a mudança entre camadas, seus valores absolutos não têm tanto significado para caracterização geológica. Isto porque, os intervalos de velocidades esperadas para cada tipo litológico são grandes e há grande sobreposição de valores, como se pode ver na Figura 3.

Figura 3: Freqüência amostral de Velocidades de Onda P para diferentes litologias. Fonte: Porto Soares (2009).

Além de servir como indicador qualitativo, a velocidade de onda P obtida em levantamentos sísmicos pode ser utilizada para estimar, a categoria de escavabilidade de um material, confome pode ser visto na Tabela 1. No caso de solos, em aquisição multicomponente, estudos indicam que a velocidade de onda S pode ser correlacionada com a resistência ao cisalhamento do solo.

Tabela 1: Correlação entre velocidade sísmica e escavabilidade. Fonte: Porto Soares (2009).

Os métodos sísmicos têm sua resolução e penetração diretamente influenciadas pela freqüência da onda utilizada. As freqüências mais altas, que correspondem a comprimentos de onda menores, permitem identificação de camadas menos espessas, mas sofrem maior efeito de atenuação pelos meios geológicos e por isso não alcançam grandes profundidades.

No caso de investigações rasas, essa característica tem grande implicação. As camadas mais superficiais, se comparadas com as mais profundas, costumam ser menos espessas e para identificá-las é necessário utilizar comprimentos de onda menores (que correspondem a freqüências mais altas). Ao mesmo tempo, as camadas menos consolidadas tendem a gerar maior atenuação de altas freqüências (por oferecerem maior resistência à passagem da onda), dificultando a penetração da onda.

Um sistema de aquisição sísmica é constituído, basicamente, de quatro partes: fontes, receptores, equipamentos de controle e de gravação de dados. A fonte é o dispositivo responsável por gerar a perturbação que dá origem à onda sísmica. A fonte que consegue liberar toda a sua energia em um único instante, chamada ‘spike’, é considerada a fonte sísmica ideal, pois o processamento necessário neste caso é bem menos custoso e a interpretação, mais simples. No entanto, ela é irrealizável e na prática são utilizados diferentes tipos de fontes. A
forma básica de seu sinal é chamada wavelet, que é aproximada por uma função matemática, um dos parâmetros para o processamento dos sismogramas (Figura 4).

Figura 4: Exemplos de Wavelets (a) Morlet (b) Chapéu Mexicano. Fonte: Porto Soares (2009)

O receptor é o sensor que identifica as deformações sofridas pelo meio na passagem da onda mecânica. Existem sensores que funcionam acoplados ao solo (geofones) e aqueles desenvolvidos especialmente para operar sobre lâmina d’água (hidrofones). São propriedades importantes de um receptor sua sensibilidade (qual o deslocamento mínimo perceptível para o aparelho) e sua interação com o solo (eles devem ser solidários para correta captação da perturbação). A garantia da boa instalação do geofone é uma das características
que causa uma demora maior nas aquisições terrestres, não sendo, no entanto, impactante em água. Mais recentemente, o uso (ainda restrito) de acelerômetros como sensores tem melhorado os resultados do método sísmico por representar melhor condição de ambas as propriedades. O resultado obtido por cada sensor, em uma aquisição, é chamado traço.

O traço é um conjunto de dados discretos adquiridos a intervalos de tempo regulares. A propagação da onda em subsuperfície, no entanto, é um fenômeno contínuo. O teorema da amostragem de Nyquist estabelece que, para que uma função contínua possa ser reconstruída a partir de dados não contínuos, é necessário que se obtenha pelo menos duas amostras por período desta função. Portanto, o intervalo entre as leituras do receptor (amostragem, ?t) pode ser relacionado à maior freqüência que se pretender adquirir (frequência de Nyquist, fN) por:Quando a amostragem é inferior ao determinado pela equação acima, ocorre o efeito de faseamento (aliasing), que gera uma distorção do dado adquirido (Figura 5). Se a amostragem utilizada é muito maior, gera-se um excesso de dados a serem processados, aumentando com isto o custo, sem um correspondente aumento de qualidade. Efeito semelhante, chamado faseamento espacial, pode ocorrer se o espaçamento entre receptores for muito grande, mas sua antecipação é mais difícil por depender de características do subsolo que normalmente não se conhece antes da aquisição.

Figura 5: O fenômeno de Faseamento. Fonte: Porto Soares (2009)

A correta gravação dos dados é imprescindível para o sucesso do método sísmico. O equipamento deve ser confiável, ter grande capacidade (memória) e velocidade de acesso, já que o volume de dados de um sismograma pode ser significativo. O equipamento de controle, chamado sismógrafo, é utilizado para controlar os parâmetros da aquisição, como o intervalo de amostragem e seu tempo total. Ele conversa com os outros componentes, fazendo a interface do sistema com o usuário.

Referências:
[1] ISRM-International Society for Rock Mechanics – Sociedade Internacional de Mecânica das Rochas.
Caldeira, Catarina Ferreira. TESTES SÍSMICOS DE TRÊS COMPONENTES PARA CARACTERIZAÇÃO DE SÍTIO. Universidade do Porto – Porto/Portugal. 2016.
Porto Soares, Ana Cecília Campello Pereira. MODELOS GEOFÍSICOS EM OBRAS LINEARES. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro – PUC/RJ. 2009.