June 04 Hédison K. Sato

GEO046Geofísica

Aula no 09MÉTODOS ELÉTRICOSPolarização induzida epotencial espontâneo

2

Cor

rent

e I

Pote

ncia

l V

Fenômeno observado

Após a interrupção de uma corrente elétrica contínua, observa-se que o potencial elétrico não decai instantaneamente para zero,

sugerindo o armazenamento de cargas, como em um capacitor.

I

V

efeitomenor

tempo

3

Polarização elétrica induzida

O fenômeno ocorre em rochas contendo:minerais metálicos disseminados ou minerais com capacidade de promover a troca iônica em contato com a solução eletrolítica preenchendo os poros.

Nos poros das rochas, devido a presença de minerais metálicos ou argilas e eletrólito, surgem regiões eletricamente mais carregadas que outras durante a passagem da corrente, sugerindo um armazenamento de cargas, como em um capacitor, ou seja, uma polarização elétrica induzida.

4

Polarização de eletrodo

Ocorre com a presença de minerais metálicos disseminados.

campo elétrico

Grão condutor Excesso de anions

Excesso de cátions

5

O processo contínuo de redução do íon positivo (Mn+) no catodo pode ser dividido em três estágios:

Transferência dos íons, por difusão, da solução para a camada adjacente ao eletrodo, seguida da transferência de elétrons do metal para o íon, reduzindo os íons (Mn+ + n e- →M) econvecção (migração) para sedimentos estáveis.

O mais lento destes processos determina o desempenho geral.

Polarização de superfície6

Polarização de membrana

Ação do campo elétrico na distribuição das cargas semi-ancoradas

--

---

-

+++++

-

----+ + + + + ++++

- -+

Grão de areia +-

campo elétrico

--

---

-

+++++

-

----+ + ++ ++

+

- -+

+ ++++

+++ + +

Grão de areia +-

argila

7

Argilas

O efeito de polarização devido às argilas não cresce continuamente com os teores, e é função do tipo da argila.

8

Polarização

O processo de IP é tipicamente superficial. Entretanto, quando medido, a medição representa o efeito do volume amostrado.O efeito da polarização induzida em rochas commineralização disseminada:

é a soma dos efeitos das polarizações superficiais de cada partícula mineralizada.

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Domínio do tempo

Esquema do fenômeno da polarização

∞∆= VoassintóticValor

( )tfVIP =∆descarga de curva

zero=oassintóticValor

IPoV∆

IPoV∆

10

Domínio do tempo

ciesubsuperfíem

argilosa Areia

campo de Medida

A5.1m10m400

===

IMNAB

11

Domínio do tempo (medidas)

( )tfVIP =∆descarga deCurva

t∆

t tempo0=t 1t 2ttIPtV∆

∞∆V

VVP

VV

VVP

IPoo

IPtIPtt

∆∆

=

∆∆

≈∆∆

=∞

lidadePolarizabiAmostragem

∫ ∆∆

= 2

121

d1,

t

t IPtT

tt tVV

M

ityChargeabilÁrea

IPoV∆

12

Domínio do freqüênciaIPoV∆~

IPoV∆

ff VVVV ∆−∆=∆−∆ =∞ 0"0=∞ ∆=∆ fVV

fVV ∆=∆ "

. lidadepolarizabi à comparável éseja ou , freqüência amaior quanto

melhor é e , queNotar

0

0

0

PfV

VV

VV IPo

f

ff

∆∆

≈∆

∆−∆

=

=

13

Domínio do freqüência

Até agora, considerou-se a resistividade elétrica das rochas, à freqüência zero.Ademais, a resistividade pode variar com o aumento da freqüência, geralmente reduzindo de valor.O fenômeno reflete-se na eletrorresistividade feita com diversas freqüências.

f

0ρρa

1 efeitomenor

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Resistividade complexa

Corrente alternada

( ) ( ) ( ) .exp

cos0

IVKi

NMBAtI

=ϕ=

ϕ

ωρωρ

πω

ω

aa

:complexa forma da porém contínua,corrente comdefinir usa se como tal alternada,

corrente em aparente aderesistivid adefinir se-Pode

.2 freqüência a com variando fase e amplitude sua a tem e eletrodos nos produzida voltagema , e eletrodos noscorrente a , doConsideran

15Efeito (Percentual) em Freqüência

s.inalteradaposições em potencial e corrente de eletrodos os

com , sendo , e sfreqüência nas medidas

aparentes adesresistivid mrepresenta e onde

freqüênciaem aparente Efeito

FfFf

EF

Ff

Ff

Ff

<

−=

ρρρρρρ

16Efeito (Percentual) em Freqüência

. e sfreqüência das valoresosr especificaimportante é ,freqüência da função é resultado o Como

100%. , ,

:usados são prática Na

Ff

EPFEFEFF

Ff

f

Ff

F

Ff ×−

=−

=−

=ρρρ

ρρρ

ρρρ

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Fator Metálico

( )

. a igual vezesalgumas constante, uma sendo 5

,

10

11

A

AAAFM fFfFFf

FfFf σσ

ρρρρρρ

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−=

ade.resistivid da funçãouma como IP do correção uma mas on),Polarizati(Induced IP de medida uma tepropriamen é não FM O

.,, 21 FfT

ttta EFMPIPIPFM ou , seria onde ,:aparente aderesistivid pela dividida IP de quantidade a

como definidaser pode geral, forma De tempo. dodomínio nomedidas as com também aplica se FM O

ρ=

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Aquisição dos dados

Sistemas aterrados e não aterrados (EM).Equipamentos específicos para medidas no domínio do tempo e no domínio da freqüência. Sistemas aterrados (AMNB):

Domínio do tempo: mede-se o potencial nos eletrodos MN, após a interrupção da corrente em AB, para se obter a condutividade, a “chargeability” ou a polarizabilidade.Domínio da freqüência: para diversas freqüências, mede-se a condutividade complexa na forma de amplitude e fase.Uso de eletrodos não polarizável é imprescindível.

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SYSCAL R2

Unidade transmissor e receptor: controla e mede a intensidade da corrente elétrica e do potencial.Realiza medidas simultâneas de eletrorresistividade, polarização elétrica induzida e potencial espontâneo.

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Receptor SIP

Faz medidas da resistividade complexa, para diversas freqüências:0,25, 0,5, 1,0,..., 512 Hz

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Eletrodo não polarizável

Fundamentais para as medições de potencial espontâneo e polarização elétrica induzida.Pote porosoSolução saturada de sulfato de cobreFio de cobre mergulhado na solução.

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BA M N

100

131

146

150

200

M NBA

131

146

150

100

141

M N

131

BA

Exemplo com o arranjo dipolo-dipolo

PosiçaoTX

PosiçãoRX

Resist.apar.

1-2 3-4 1314-5 1465-6 1506-7 100

2-3 4-5 1415-6 200

21 3 4 65 7 8 109

146

M N

131

BA

150

M N

131

146

BA

141

M NBA

131

146

150

100

23Exemplo com o arranjo dipolo-dipolo

PosiçaoTX

PosiçãoRX

Resist.apar.

1-2 3-4 1314-5 1465-6 1506-7 100

2-3 4-5 1415-6 200

21 3 4 65 7 8 109

131

146

150

100

141

200

160

140

140

isovalores de curvas de Lançamento

24Posição do locus no arranjo dipolo-dipolo

21 3 4BA M N

65 7 8 109

25Posição do locus no arranjopolo-dipolo

21 3 4A M N

65 7 8 109

26Pseudo-seção para dipolo-dipolo

27

Exemplo de SIP

pirita - BA) Curaçá, do (Vale Funda Baixa de Área

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Potencial espontâneo: Origem

Potenciais elétricos naturais e espontâneos (SP) ocorrem naturalmente no interior das rochas e devem-se a:

atividade bioelétrica da vegetação,variação de concentração dos eletrólitos,fluxo de fluidos e íons,fluxo de calor.

Portanto, a investigação com SP tem sido usada na localização e delineação das fontes associadas com tais fluxos.

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Aplicação do SP

Inicialmente aplicado extensivamente na exploração mineral, hoje, o método tem sido usado no estudo geotérmicos, de problemas de engenharia e meio ambiente.Por oferecer rapidez e baixo custo, o método é adequado no reconhecimento preliminar, precedendo os estudos mais intensivos usando outras técnicas geofísicas e geotécnicas.É uma medida usual em perfilagem de poços. Embora natural, ela é conseqüência do processo de perfuração e permite a investigação em poços.

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Aplicação do SP

Mapeamento de vazamentos associados com barragens, diques, reservatórios subterrâneos e outras estruturas para armazenamento.Estudos de fluxo de água subterrânea e delineamento dos seus padrões nas vizinhanças de encostas, poços, falhas, estruturas de drenagem, poços, túneis e sumidouros.Estudos geotérmicos para o mapeamento das frentes de fluxo de vapor e incêndio em minas de carvão.Gradientes de concentração química associados a contaminação em subsuperfície.

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Fenômenos básicos

solução. a e sólido o entre líquido)-(sólidocamada dupla da potencial o é quantidadeA

solução. da dielétrica constante e pressão,de diferença adsorção, de potencial onde

,

por dada é passagem da esextremidad as entre potencial de diferençaA capilar. ou poroso meio um de

através forçada é de viscosidae aderesistivid desolução uma quando ocorre :ticoeletrociné Potencial

φε

φπηερφ

ηρ

==∆=

∆−=

P

PEk 4

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Potencial de difusão

+

+

> Na do mobilidadeCl do mobilidade a

,Na e Cl sejam íons os que Supondo-

-

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Potencial de difusão

( )( )

( )

( )( )

( ) . a ),( Assim,. , de soluções Nas soluções. das

concentr. e cátions, e anions dos mobilid. e

valência, absoluta, temp. ,Faraday

de const. ,/ gases dos const. onde

,

:íons dos mobilidade as entre diferença da Resulta

:líquida) (junçãodifusão de Potencial

C25mVlog6,11491NaCl

molC10659CJ318

ln

2110

21

4

21

°−==

==

==×

=°=+−

−=

CCE,II

CCIInT,

F ,R

CCIIII

FnRTE

d

ca

ca

ca

cad

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Potencial de membrana

.- - Cl ao limpermeáve é folhelho o ,Na e Cl íons Supondo +

folhelhoarenito

35

Potencial de membrana

( )

( ) )( fica

potencial o , e NaCl), do (caso Quando

.

anions. dos penetração a inibem argilas as nte,negativame carregarem sePor

:Nernst) ou folhelho de (potencial membrana de Potencial

mVlog1,59

251

ln

2110

21

CCE

CTn

CCFnRTE

s

s

=

°==

=

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SP em poços para petróleo

Geralmente têm origem nas interfaces dos folhelhos, particularmente entre folhelho-areia.Potencial de Nernst e de difusão.Follhelhos são permeáveis aos cátions Na+ e particamenteimpermeáveis ao anions Cl-.Assim, um potencial é estabelecido quando Na+ sai do eletrólito das areias para dentro dos folhelhos, seguido da entrada na água da lama.

37

SP em poços para petróleo

Também, um potencial de difusão desenvolve-se na interface entre o filtrado na zona invadida e a água salgada da formação, como resultado da grande mobilidade do Cl-em relação ao Na+, produzindo um balanço líquido em favor doCl- para dentro da zona invadida.

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SP em poços para petróleo

Formação de células de SP.Observar que o potencial medido do interior da areia para o poço através dofolhelho tem o sinal contrário quando através da zona invadida.

( ) ( )( ) )(

difusão de o com combinado membrana de Potencial

mVlog7,70log6,11log1,59

2110

21102110

CCCCCCEc

−−−=

39

Combinação dos potenciais

1 10 1000

40

80

120

160Ed+Es

C1 / C2

( ) )( difusão de o com combinado membrana de Potencial

mVlog7,70 2110 CCEc −=

40

SP em poços para petróleo

Entretanto, em poços, é mais conveniente a seguinte formulação que considera, também, a temperatura.

( )

formação. na original água da aderesistivid , e lama da filtrado do aderesistivid a é onde

)(

w

mf

wmf10 mVlog273

2987,70

ρρ

ρρ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+−=

TEc

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Potencial de mineralização

Origem do potencial em mineralizações de sulfeto (Sato e Mooney, 1960).Duas semi-células com reações eletroquímicas de sinais opostos:a) catódica (acima do nível freático)b) anódica (em profundidade)Catódica: redução química das substâncias em solução.Anódica: oxidação do corpo metálico.

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Potencial de mineralização

Apesar do avanço em relação a outros modelos, esta teoria ainda falha (Telford et all, 1978):Sato e Mooney estimam potenciais máximos para a grafita (0,78 V), pirita (0,73 V) e galena (0,33 V) mas potenciais da ordem de 1,5 V, no campo, têm sido observados sobre zonas grafitosas.Resultados anômalos tão expressivos assim são atribuídos à combinação das anomalias de zonasmineralizadas adjacentes, ou ao destaque provocado pela coincidência com potenciais elétricos regionais.

43SP sobresulfetos

O máximo negativo ocorre sobre o corpo.Quando a topografia não for plana, o centro se desloca.Usando os conceitos de eletrostática, pode-se estimar modelos com cargas elétricas localizadas.

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Bibliografia e referências

Keller, G. V. e Frischknecht, F. C. (1966) Electrical methods ingeophysical prospecting, Pergamon Press.Luo, Y. e Zhang, G. (1998) Theory and application of spectral induced polarization. Geophysical monograph series: no. 8, Societyof Exploration Geophysicists, Tulsa, OK. Telford, W. M., Geldart, L. P., Sheriff, R. E. e Keys, D. A., 1978, Applied geophysics. Cambridge University Press. Ward, S. H. (1990) Resistivity and polarization methods, In: Ward, S. H., Geotechnical and environmental geophysics, Vol. 1, 147-189, Society of Exploration Geophysicists.