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outubro de 10 Hédison K. Sato
Métodos Eletromagnéticos
Espectro e fontes de energiaTipos de fontes, formas de mediçãoExemplos de alguns métodos
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Ondas eletromagnéticas
A teoria eletromagnética representa a extensão e o entendimento de que os fenômenos elétricos e magnéticos são interligados.Além das fontes naturais, o campo EM é gerado, controlado e usado num intervalo largo em freqüência.Da mais alta para a mais baixa, são a radiação gama, raio X, luz ultravioleta, luz visível, infravermelho (calor irradiado), microonda, telefonia celular, comunicação em UHF, televisão/FM (VHF), rádio difusão de longo e curto alcance, VLF (“Very low frequency”).
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Ondas eletromagnéticas
Conforme o objetivo, as ondas EM são irradiadas emdiversas direções (caso das TV, lâmpadas, etc).concentradas através de antenas parabólicasliteralmente canalizadas, como ocorre nas fibras óticas.
Espectro das ondas EM
10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105 107 109
Comprimento de onda (cm)
3×10
21 Freqüência(Hz)3×
1017
3×10
13
3×10
9
3×10
5
3×10
1
Raiogama
RaioX
Ultravioleta
Luzvisível
Infravermelho
Ondascurtas
OndaslongasFM
TV(2-6)
TV(7-13)Celular
VLF ELFMicroondas ULF
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Espectro EM
EHF (Extremely High Frequency: 30-300 GHz)SHF (Super High Frequency: 3-30 GHz)UHF (Ultra High Frequency : 0.3-3 GHz)VHF (Very High Frequency : 30-300 MHz)HF (High Frequency: 3-30 MHz)MF (Medium Frequency: 0.3-3 MHz)LF (Low Frequency: 30-300 kHz)VLF (Very Low Frequency : 3-30 kHz) ELF (Extra Low Frequency : 3-3000 Hz)ULF (Ultra Low Frequency : < 3 Hz)
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Espectro EM – Utilização
SHF (Super High Frequency: 3-30 GHz)Wi-Fi
UHF (Ultra High Frequency : 0.3-3 GHz)TV 14 a 69 (470 a 806 MHz), Telefonia celular, Wi-Fi, Bluetooth, Forno de microondas
VHF (Very High Frequency : 30-300 MHz)TV canais 2 a 6 (54 a 88 MHz) , FM (88 a 108 MHz), TV 7 a 13 (174 a 216 MHz)
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Espectro EM – Utilização
HF (High Frequency: 3-30 MHz)Faixa Cidadão (CB – Citizen Band): em torno de 27 MHz
MF (Medium Frequency: 0.3-3 MHz)530 kHz a 1,6 MHz – Uso comercial: ondas longas
LF (Low Frequency: 30-300 kHz)LORAN (LOng RAdio Navigation) – caindo em desuso (GPS)
VLF (Very Low Frequency : 3-30 kHz) Comunicação naval
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Espectro útil
A profundidade de exploração depende de alguns fatores e, entre eles, a freqüência é fundamental.Quanto menor a freqüência, maior a penetração da onda EM.Na geofísica, tem-se aplicado os intervalos:
UHF, VHF⌧Ground Penetrating Radar
VLF (15-25 kHz na prática), ELF, ULF.⌧Métodos geofísicos eletromagnéticos clássicos.
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Skin depth
elétrica. tividade-condu a , e magnética dadepermeabili a é onde
por dada É .fator pelo atenuada é ondada amplitude a que em distância a é depth" Skin" •
propagada. distância a com tenencialmen-expo reduzida amplitude sua a tem condutor, meio
um em , freqüência de senoidal plana, onda Uma•
σμσωμσ
δ
ω
f
e15032
1
==
9
1E+0
1E+1
1E+2
1E+3
1E+4
1E+5
1E+6
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000Freqüência (Hz)
"ski
n de
pth"
(m)
0.001 S/m
0,010 S/m
0,100 S/m
1,000 S/m
Skin depth
Condutividade
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Fontes de energia
Naturais:Para freqüências acima de 1 Hz, predominam as ondas irradiadas a partir dos relâmpagos que ocorrem durante as tempestades (concentradas na região equatorial), que se propagam a grandes distâncias.Para freqüências abaixo de 1 Hz, predominam as ondas irradiadas a partir do sistema de correntes elétricas que se desenvolvem na magnetosfera terrestre, subordinada àatividade solar.
Artificiais magnéticasPara baixas freqüências, bobinas para a geração de campos magnéticos primários, cujas áreas podem variar de alguns cm2 a milhares de m2 (retângulo com 600m x 600m), ou mais.
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Fontes de energia
Sistema EM multifreqüênciaRetângulo com 600m x 600mFio paralelo2 x 4mm2
m600
m600
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Fontes de energia
Sistema EM multifreqüênciaTransmissorUnidade de monitoramentoda corrente dotransmissor
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Fontes de energia
Sistema EM multifreqüênciaGrupo gerador
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Fontes de energia
Artificiais elétricasPara altas freqüências (VHF-UHF), dipolos elétricos de 1m.Para baixas freqüências (VLF)
Antena Jim CreekEstação NLKPróximo a Seattle
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Campos primário e secundário
Conceitos típicos da geofísica.Campo primário é o campo EM devido à fonte geradora.Na realidade não existem ondas planas mas, na prática, elas são consideradas quando a fonte encontra-se distante.O campo EM secundário é aquele gerado por um corpo condutor quando este está sob a ação de um campo primário.
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Campos primário e secundário
De certa forma, a luz refletida por um espelho é um campo secundário.
yfonte
campoprimário campo
secundário
campoprimário
observador
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Campos primário e secundário
A imagem “fantasma” no receptor de TV é uma reflexão indesejada em obstáculos (edifícios)
yantenade TV
campoprimário
camposecundário
campoprimário
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Campos primário e secundário
Corpo condutor em um ambiente resistivo
camposecundário
verticaleixo de bobina a devidoprimário, magnético, Campo
condutor corpo
elétricas correntes
superfície
superf
ície
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Polarização elíptica
Polarização elíptica: ocorre como combinação de dois campos que apontam em diferentes direções e fases distintas.
z
x
y
energia. de fonte a devidoprimário, magnético, Campo
kHjHiHtzyxH PzPyPxP
rrrr++=),,,(
primário. campo peloinduzidascondutor
corpo num circulamque elétricas correntesas devido ,secundário
magnético, CampokHjHiHtzyxH SzSySxS
rrrr++=),,,(
condutor corpo
elétricas correntes
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Polarização elíptica
Exemplo:( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )elipse! uma seja, Ou
tempo, o Removendo
anula se nunca que tempo o com variatotal campo do amplitude a Observe
e :considere análise, afacilitar Para
e
.1
sencos
.sen2coscos
coscos
22
222222
=+
+=+
=−==
−=−=
bEaE
tbtaEE
tbtbEtaE
taEtaE
SyPx
SyPx
SyPx
SySySyPxPxPx
ωω
ωπωω
φωφω
21
-1
0
1
-1 0 1
Polarização elíptica
Mergulho do eixo maior da elipse de polarização
( )4/cos3,0 πω −= tEy
6π0=tω
π
( )6/cos6,0 πω −= tEx
22
Polarização elíptica
Elipse de polarização de dois campos que apontam em diferentes direções e têm fases distintas.
z
x
y),,,( tzyxHP
r
),,,( tzyxHS
r
condutor corpoelétricas correntes
horizontal plano no elipse da projeção
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Polarização elíptica
Elipse de polarização de dois campos que apontam em diferentes direções e têm fases distintas.
z
x
y horizontal plano noelipse da projeção
)angle" dip("opolarizaçã de elipse
damaior eixo domergulho de ângulo ,θ
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Onda plana
A aproximação de ondas planas de aplica quando a fonte da energia EM encontra-se bastante afastada da zona de pesquisa.É o caso dos métodos VLF (Very Low Frequency), AFMAG (Audio Frequency MAGnetic), MT (MagnetoTelúrico).Na prática, o campo EM propaga-se verticalmente para o interior da superfície da Terra, devido ao grande contraste entre os números de onda do ar e da terra.
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Método VLF
As fontes de ondas VLF são potentes transmissores cuja função básica é a comunicação com submarinos submersos.Atingem potências de até 1MW.A estrutura das antenas transmissoras desses sinais estendem-se por áreas de até 2,5 km2.
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Método VLF
Transmissor NLK: 24.8 kHz, 125kW, aproximadamente 2,5 km2 a área coberta pela antena
Antena Jim CreekEstação NLKPróximo a Seattle
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Método VLF (transmissores)
Estação NAA Cutler, Maine24 kHz, 1000 kW
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Método VLF (receptor)
Marca: Iris Instruments.
O sensor, levado às costas, interliga-se a um controle das medições, visualização e armazenamento de dados.
Mede (i) inclinação do eixo maior da elipse de polarização do campo magnético e
(ii) resistividade aparente, com a medição do campo elétrico.
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VLF: dique vertical enterrado
( )
encaixante da depth" skin"
indução de número encaixante da adecondutivid :
espessura. pela adecondutivid da produto dique do ltransversa acondutânci :
:Parâmetros
2
1
21
22
11
212
1
1
2
2
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
•
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
••
•
μωσ
σσμω
σ
σ
δ
tL
t
1t1
diqueσ 2σ
30
VLF: dique vertical enterrado
diversas. adesresistivid de sencaixante com S, ltransversa aCondutânci
%. em --)-(- elipsidade e graus em mergulho de Ângulo111 =tσ
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Magneto-telúrico (MT)
Ondas EM de baixa freqüência penetram intensamente no interior da Terra (ordem de km).Conceito de resistividade aparente
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y
xxy H
Eμω
ρ =
obtido a partir dos campos elétrico e magnético, normais entre si, medidos na superfície da Terra.O campo elétrico é medido com dois eletrodos aplicados no solo, enquanto o campo magnético é medido por meio de uma bobina.
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Magneto-telúrico (MT)
Aplicações na investigação profunda, por exemplo, de bacias sedimentares.Atualmente, aplica-se também em ambientes marinhos para a exploração de petróleo.
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MT sobre 2 camadas
ρ1= 1 ohm.mh1= 1000 m
ρ2= ∞
100
50
20
10
5
2
0.5
0.20.1
0.05
0.02
0.01 0
Valores diversos de ρ2
(Hz)f freqüência da função em (ohm.m) aparenteρ
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MT sobre 2 camadas
ρ1= 1 ohm.mh1= 5000 m
ρ2= ∞100502010
5
2
0.5
0.20.1
0.050.02
0.01 0
Valores diversos de ρ2
(Hz) f freqüência da função em (ohm.m) aparenteρ
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Configurações típicasT R
54,74O
HCP (Horizontal Coplanar)
PERP (Perpendicular)
VCP (Vertical Coplanar)
VCA (Vertical Coaxial)
NULL
PAR (Parallel)
H WAVETILT
V WAVETILT
Configurações usuais em aplicações no domínio da freqüência.Máximo acoplamento: HCP,VCP, VCA.Mínimo acoplamento: PERP, NULL, PAR a 54,74o
36Domínio da freqüênciaMedições típicas
Fase de um ou mais componentes espaciais em relação a corrente na bobina transmissora.Dois componentes espaciais são, simultaneamente, captados e os resultados expressos como a razão entre as magnitudes dos componentes e a diferença de fase, ou os parâmetros da elipse de polarização.O mergulho e, algumas vezes, a direção horizontal do campo são medidos através da rotação da bobina receptora à procura do sinal mínimo.As diferenças entre os mesmos componentes para duas ou mais freqüências.
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Fonte fixa e móvel s/ esfera
Fonte fixa: a medida éassociada àposição do receptor.Fonte móvel: a medida éassociada ao ponto médio entre as posições do transmissor e do receptor.
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Forma da anomalia
T e R podem ser trocados nos arranjos simétricos e a anomalia é simétrica quando o corpo é simétrico em relação ao arranjo.Geralmente, arranjos assimétricos produzem anomalias espelhadas ao se permutar T por R sobre um corpo simétrico.
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HCP s/ semi-plano condutor40
Domínio do tempo
Mede-se o campo magnético durante o intervalo de tempo em que a corrente no transmissor está cortada.
A voltagem detectada, proporcional ao campo magnético, corresponde apenas ao campo secundário, mesmo com o uso das configurações de acoplamento máximo.
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“Loop-loop” s/ condutor plano
Resposta TEM sistema HCP. Observar a simetria
42
“Loop-loop” s/ condutor plano
Resposta TEM sistema HCP. Mergulho p/ direitaObservar a assimetria.
43“Coincident loop” sobrecondutor plano
Observar os valores do campo secundário continuam mais destacados sobre o corpo condutor que mergulha para a direita.Entretanto, o pico àesquerda está mais elevado relativamente.
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Levantamento aéreo
Princípios de funcionamento.Campo primário artificial.Bobina transmissora instalada na asa.
45
Levantamento aéreo
Princípios de funcionamento.Campo primário artificial.Bobinas transmissora e receptora a reboque.
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Levantamento aéreo
Método com o transmissor fixo.
A bobina fica montada diretamente sobre o terreno e são feitos sobrevôos com o receptor.
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Método INPUT
Método com o transmissor móvel.Método no domínio do tempo: as medidas são feitas durante os intervalos de tempo em que a corrente no transmissor inexiste, ou seja, sem a presença do campo primário.
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Método INPUT
Dois perfis de INPUT sobre locais provavelmente contendo sulfetos maciços.
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CSEM
CSEM (Controlled Source ElectroMagnetics)O nome é bastante genérico mas tem-se destacado na exploração de petróleo, com levantamentos no fundo do mar, com o nome SBL.SBL (Sea Bed Logging) method
ReceptoresEspalhados no fundo do mar, medindo os campos elétricos em direções ortogonais (Ex, Ey) e magnético(Hz).
Transmissor:“Dipolo” elétrico rebocado
Freqüências no intervalo de 0,0625 a 1,725 Hz.
50
CSEM
Na investigação para petróleoResistividade da água do mar da ordem de 1 ohm.mResistividade do reservatório com óleo e gás, da ordem de 55 ohm.m
51GPR Ground Penetrating Radar
Unidade de controle, armazenamento, processamento e apresentação.Antenas transmissora e receptora (dipolos elétricos).
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GPR
É usado na geofísica, geologia, hidrogeologia, mineração, engenharia civil e arqueologia.A condutividade elétrica dos materiais investigados e a freqüência de operação determinam a profundidade de penetração dos sinais de radar no material.Enquanto nos demais métodos EM a permissividade elétrica édesprezada, é ela quem desempenha o papel importante na partição da energia nas interfaces no GPR, devido as altas freqüências usadas.A resolução do método aumenta com a freqüência do sinal, enquanto a penetração diminui. A profundidade de penetração típica varia de 1 a 40 metros. Além das antenas dipolar, usam-se antenas-corneta (1,0 a 2,5 GHz) para investigações do pavimento em estradas de rodagem.
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GPR
Perfil às margens da Lagoa de Abaeté
54
GPR
Dois canos sob uma laje de concreto
55
GPR
Contaminação em um posto de gasolina.
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Bibliografia:
Castro, D. L., Castelo Branco, R. M. G., Cunha, L. S., Souza R. C. V. P. e Augusto, V. A., 2001, Mapeamentode pluma contaminante de hidrocarbonetos a partir de seções GPR em um posto de abastecimento em Fortaleza-Ceará, in: Anais do 7o. Congr. Inter. da SBGf, Salvador, 336-339.Frischknecht, F. C., Labson, V. F., Spies, B. R. e Anderson, W. L., 1991, Profiling methods using small sources. In: Nabighian, M. N., Electromagnetic methods in applied geophysics, V.2, Applications, p. 105-270.
57
Bibliografia:
McNeill, J. D. e Labson, V. F., 1991, Geological mapping using VLF radio fields. In: Nabighian, M. N., Electromagnetic methods in applied geophysics, V.2, Theory, p. 521-640.Nabighian, M. N. e Macnae, J. C., 1991, Time domain electromagnetic prospecting methods. In: Nabighian, M. N., Electromagnetic methods in applied geophysics, V.2, Applications, p. 427-520.Palacky, G. J. e West, G. F., 1991, Airboneelectromagnetic methods. In: Nabighian, M. N., Electromagnetic methods in applied geophysics, V.2, Applications, p. 811-879.
58
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Telford, W. M., Geldart, L. P., Sheriff, R. E. e Keys, D. A., 1978, Applied geophysics. Cambridge University Press. Vozoff, K., 1991, The magnetotelluric method. In: Nabighian, M. N., Electromagnetic methods in applied geophysics, V.2, Applications, p. 641-711.
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