INTRODUÇÃO - Universidade do Algarve
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Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente 2. Levantamentos Magnéticos O objectivo dos levantamentos magnéticos é o de investigar a geologia subsuperficial com base nas anomalias do campo magnético da Terra, resultantes das propriedades magnéticas dos materiais do sub-solo. Apesar de a maioria dos minerais que formam as rochas não serem magnéticos, alguns tipos de rochas (ou materiais) contêm suficientes minerais magnéticos para produzirem anomalias magnéticas significativas. De um modo semelhante, os objectos ferrosos com origem na actividade humana também geram anomalias magnéticas. Conceitos básicos Equações de Maxwell e grandezas fundamentais O campo electromagnético é, do ponto de vista da física clássica, descrito por um conjunto de equações denominadas “equações de Maxwell” que se podem escrever da forma seguinte: B rotE t E rotB 0 J 0 t divE 0 divB 0 (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) para o vazio. O campo (campo eléctrico) exprime-se em volt/m no Sistema Internacional, E o campo B (campo magnético) exprime-se em tesla (SI), (densidade de carga eléctrica) em Coulomb/m3, J (densidade de corrente) em ampère/m2, 0 é a permitividade eléctrica do vazio (107/4 c2 farad/m) e 0 a permeabilidade magnética do vazio (4 .10-7 henries/m). A equação (2.1) exprime matematicamente a indução electromagnética de Faraday : um campo magnético variável gera num circuito eléctrico fechado uma força electromotriz. A equação (2.2) exprime a dependência do campo magnético da corrente eléctrica (de condução ou de deslocamento). A equação (2.3) exprime o facto de as cargas eléctricas constituirem as fontes (sumidouros) do campo eléctrico. Finalmente, a equação (2.4) exprime a ausência de fontes (sumidouros) do campo magnético. O mecanismo que justifica a natureza dos imans permanentes é exterior às equações de Maxwell em sentido estrito, sendo do domínio da microfísica. Contudo, podemos Universidade do Algarve 1 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente descrever o que ocorre no interior dos materiais magnéticos fazendo intervir explicitamente dois campos magnéticos, um que representamos por B -que designaremos simplemente por campo magnético - e outro que representamos por H e que designamos por excitação magnética. A relação entre estes dois campos é dada por : B 0 (H J M ) (2.5) em que J M representa a parte da excitação magnética que é gerada pela presença de matéria e é, ao mesmo tempo, a soma dos momentos magnéticos elementares por unidade de volume. Tanto JM como H têm unidades de Ampére/m. Aplicando o operador divergência à expressão (2.5) vemos que : div H div J M (2.6) O campo magnético B não possui fontes, ou seja, em todos os pontos do espaço a sua divergência é nula (2.4). O campo H possui eventualmente divergência não nula, que pode ser interpretada como “carga magnética”. Nas vizinhanças de um íman estabelece-se um campo magnético cujas linhas de força “saem” de uma extremidade e “entram” na outra. O fluxo do campo magnético pode ser mapeado através das direcções definidas por uma pequena bússula suspensa no campo do íman. Os pontos do íman onde o fluxo converge são os pólos do íman. De um modo semelhante, um íman suspenso livremente no espaço alinha-se ao longo do campo magnético da Terra. O pólo do íman que aponta para o pólo Norte magnético da Terra chama-se pólo magnético norte e o outro pólo magnético sul. O movimento de uma bússola à superficie da Terra mostra assim que o campo magnético da Terra exerce sobre um determinado tipo de materiais – materiais magnéticos – um momento, cuja magnitude é proporcional ao momento magnético total M do material. Este momento magnético pode ser considerado, do ponto de vista Figura 1 Fluxo do campo magnético em torno de um iman Universidade do Algarve macroscópico, como o valor integrado da magnetização volúmica J M , ou seja : J M dv M (2.7) 2 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente De um ponto de vista microscópico podemos descrever o momento magnético de uma substância magnetizável do seguinte modo. Quando um material é colocado num campo magnético ele pode adquirir uma magnetização na direcção do campo, a qual desaparece quando o material é retirado do desse campo. Este fenómeno é designado por magnetização induzida, e resulta do alinhamento dos dipólos magnéticos elementares do material. Como resultado deste alinhamento, o material exibe uma distribuição de pólos à superfície que corresponde às extremidades dos dipólos. A intensidade da magnetização induzida JM do material é definida como JM = M/V = M/LA e suas unidades de são o Ampére/metro. Sempre que discutirmos o campo magnético da Terra temos que ter presentes os dois campos B e H . O primeiro vai ser considerado sempre que considerarmos as observações experimentais do CMT, a acção sobre corpos magnetizados, etc...; o segundo será essencialmente considerado sempre que estudarmos a interacção com os materiais, ou seja, quando respondermos à questão : de que maneira é que a magnetização volúmica de uma formação é influenciada pelo campo geomagnético? Esta questão será central na interpretação das anomalias magnéticas. Não existindo “monopólos magnéticos” na acepção indicada anteriormente, o modelo mais simples que podemos elaborar de magnete é formado por um dipólo. Um pequeno iman permanente é uma boa aproximação física de um dipólo, e em primeira aproximação, a própria Terra pode ser considerada como um dipólo magnético. Figura 2 Representação esquemática de um elemento cujos dipólos elementares estão alinhados na direcção do campo externo B, produzindo assim uma magnetização induzida. Como vimos anteriormente, o relaciona-se B M com o H e com o J através da relação (2.5) e, por sua vez, o J M e o H estão relacionadosatravés da expressão J M H (2.8) onde χ é a susceptibilidade magnética, que é uma grandeza adimensional, e representa a “facilidade” com que uma substância pode ser magnetizada e produzir, por consequência, o seu próprio campo magnético. Muitas vezes a relação entre J M e H não é linear porque χ depende da intensidade da excitação magnética (ou seja do módulo de H ). Como todas as substâncias são magnéticas à escala atómica, podemos interpretar o tipo de comportamento de χ em termos da estrutura magnética do material. Deste ponto de vista, é possível classificar os vários tipos de magnetismo do seguinte modo: Universidade do Algarve 3 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Diamagnetismo Paramagnetismo Ferromagnetismo Antiferromagnetismo Ferrimagnetismo Existem duas origens atómicas possíveis para o magnetismo à escala atómica – o movimento orbital dos electrões em torno do núcleo e o spin dos electrões. Um átomo que tem um momento magnético provocado pelo spin ou pelo movimento orbital, ou por ambos, designa-se por átomo magnético. O diamagnetismo é um magnetismo fraco no qual a magnetização induzida pelo campo H é oposta à direcção desse campo. A susceptibilidade é então negativa e normalmente da ordem de 10-6. A origem deste magnetismo reside na alteração do movimento orbital dos electrões que tendem a produzir um outro campo que se opõe ao campo inductor. Nestas substâncias o campo exterior não tem efeito sobre o spin dos electrões. Isto sucede porque os átomos destes materiais têm um número par de electrões e os campos magnéticos devidos ao spin compensam-se dois a dois. O diamagnetismo é um fenómeno comum a todas as substâncias, embora não possa ser normalmente observado devido a outras formas de magnetismo mais intensas que a ele se sobrepõem. No paramagnetismo a susceptibilidade é positiva, mas fraca. A ordem de grandeza de χ varia entre 10-4 e 10-6. Nos materiais paramagnéticos as orbitais estão incompletas e os momentos dos spins resultantes podem ser alinhados ligeiramente de modo a produzir uma magnetização induzida paralela ao campo aplicado. Devido à agitação térmica, o alinhamento dos momentos magnéticos é função da temperatura, razão porque o paramagnetismo depende (inversamente) da temperatura a que a substância se encontra. No caso do ferromagnetismo, que ocorre em algumas substâncias com organização cristalina, os spins desemparelhados (nas orbitais de cada átomo) estão alinhados paralelamente uns aos outros, em resultado de uma forte interacção positiva que actua entre os átomos vizinhos. A susceptibilidade destes materiais é cerca de 106 vezes maior que a dos diamagnéticos e paramagnéticos. Devido à agitação térmica, o ferromagnetismo também decresce com a temperatura, desaparecendo à chamada temperatura de Curie. As substâncias ferromagnéticas incluem o ferro, o cobalto e o niquel, que raramente ocorrem sob forma natural. O antiferromagnetismo é um magnetismo fraco semelhante ao paramagnetismo no sentido de exibir uma pequena susceptibilidade positiva. Nestes minerais estabelece-se um arranjo antiparalelo no qual os spins “positivos” e “negativos” se anulam mutuamente. Nas substâncias ferrimagnéticas os iões magnéticos ocupam dois tipos de posições na rede cristalina, A e B. Os spins dos electrões da camada A apontam na direcção “mais”, enquanto que os da camada B estão dirigidos segundo a direcção “menos”. Isto sucede devido à forte interacção negativa actuante entre os dois sistemas de spins A e B. Dado que o número de iões magnéticos, e também a intensidade dos spins dos iões individuais, é diferente nas camadas A e B da rede cristalina, este arranjo Universidade do Algarve 4 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente ordenado dá origem a uma magnetização resultante. Virtualmente todos os minerais responsáveis pelas propriedades magnéticas das rochas, caem nesta categoria. O alinhamento dos spins dos átomos segundo uma mesma direcção (seja ela paralela ou antiparalela) em substâncias ferri e ferromagnéticas apresenta problemas do ponto de vista da conservação de energia. Só para dar uma pequena ideia do problema podemos dizer que o alinhamentos dos spins individuais vai dar origem ao aparecimento de uma energia magnetostática resultante do facto de as extremidades do corpo terem duas polaridades magnéticas opostas (situação muito idêntica à representada na figura 2). Por outro lado, esse alinhamento dos spins é mantido à custa de uma força de interacção que actua entre os momentos magéticos de spin dos átomos próximos. Esta última força é muito mais intensa, mas de alcance muito mais reduzido, que a força magnetostática. Assim, uma situação de eqilíbrio resulta do balanço da acção destas duas forças que não “puxam para o mesmo lado”. Enquanto que a segunda tende a manter um alinhamento paralelo dos spins (a energia de interacção é mínima para situações paralelas), da primeira resulta um aumento da energia magnetostática. Pelo princípio da energia mínima, que rege todos os fenómenos físicos e não só, a situação de compromisso que se atinge consiste em minimizar a soma destas duas energias. Desta minimização resulta que os minerais magnéticos apresentam configuração separada em sub-zonas ou domínios magnéticos. No interior destes domínios existe um alinhamento perfeito paralelo dos spins, que estão separados por regiões relativamente estreitas através das quais ocorre uma rotação gradual da direcção dos momentos magnéticos individuais. Figura 3 Esquema do alinhamento dos momentos magnéticos nas substâncias ferri, ferro e antiferromagnéticas ++++++++++ (a) B (b) (c) Figura 4 (a) Mineral com um só domínio magnético. (b) Mesmo mineral dividido em quatro domínios. (c) Efeito da aplicação de um campo exterior. O domínio com o sentido do campo externo aumenta e o de sentido contrário diminui. Universidade do Algarve 5 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Na ausência de constrangimentos exteriores, as magnetizações dos domínios dispõem-se de modo a formar ciclos fechados do fluxo do seu campo magnético, tal como mostra o exemplo simples da figura 3b. Neste estado, o corpo encontra-se desmagnetizado, quer dizer, não tem um momento magnético exterior, apesar de poder vir a tê-lo se for exposto a um campo magnético exterior que altere a porporção relativa do volume dos domínios alinhados preferencialmente na direcção desse campo. Um factor adicional a ter em conta na movimentação das paredes dos domínios (que têm dimensões finitas) é que as redes cristalinas não são normalmente isentas de imperfeições. Essas imperfeições têm um papel importante como barreiras ao deslocamento das paredes dos domínios. Como acabámos de ver, quando se aplica um campo as paredes dos domínios magnéticos deslocam-se fazendo aumentar o volume daqueles que têm a direcção do campo. Se o campo for mais forte as paredes podem ficar presas nas imperfeições cristalinas e não voltarem às posições individuais quando se remove o campo. Ficamos assim com uma magnetização remanescente ou permanente. Dizer o que é TRM, DRM e CRM Qualquer rocha que contenha minerais magnéticos possui magnetização induzida Ji e remanescente Jr (não usamos a notação anterior de J M para ser coerente com a figura). A intensidade relativa delas as duas é medida pela razão de Königsberger Q = Jr/Ji. Estas magnetizações podem ter direcções e intensidades diferentes. Então a magnetização total será dada pela soma vectorial das duas O mineral magnético mais importante é o do grupo das titanomagnetites (Fe2TiO4), que quando não tem titâneo dá magnetite (Fe3O4). Para os problemas ambientais, são os materiais ferrosos que têm mais importância. Figura 5 Relação entre as magnetizações induzida Ji, remanescente Jr e total J. O Campo geomagnético As anomalias magnéticas são efeitos localizados sobrepostos ao campo magnético da Terra. Por isso é preciso conhecer bem o campo geomagnético para se poderem fazer as reduções a um datum e poder interpretar as anomalias. O campo geomagnético é geometricamente mais complicado que o campo gravítico e exibe uma variação irregular em orientação e intensidade com a latitude, longitude e o tempo. Figura 6 Elementos geomagnéticos Universidade do Algarve 6 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Sendo o campo geomagnético um vector, para o descrevermos temos de conhecer as suas três componentes num dado referencial. Para isso usam-se os chamados elementos geomagnéticos. O vector total B tem uma componente vertical Z e uma horizontal H que aponta na direcção do Norte magnético. I é a inclinação em relação à horizontal do vector B e D é a declinação, ou seja, o ângulo entre os nortes geográfico e magnético. A intensidade de B varia entre 25000 nT no equador até cerca de 75000 no pólos. No hemisfério Norte a inclinação é positiva, valendo 90o no pólo magnético, e no Sul é negativa. No equador magnético, por definição, I = 0. Cerca de 90% do campo geomagnético pode ser representado por um dipólo centrado e inclinado cerca de 11,5º e relação ao eixo de rotação. Por esta razão, o equador magnético não coincide com o equador geográfico e, como tal, os pólos magnéticos estão deslocados em relação aos pólos geográficos. O momento magnético deste dipólo geocêntrico fitício pode ser calculado a partir do campo observado. Se este campo do dipólo for subtraido aos dados observados (a nível plenetário) o campo residual pode ser aproximado pelo efeito de um segundo dipólo mais pequeno. O processo continua por ai além e chama-se a isso o desenvolvimento em harmónicas esféricas. Este método tem sido utilizado para calcular uma Figura 7 Variação da inclinação do campo representação matemática do campo de origem magnético total em função da latitude. profunda, que se designa por IGRF (Intenational Geomagnetic Reference Field). A partir desta representação matemática do campo podemos, sabendo as coordenadas geográficas de um ponto, calcular a intensidade e direcção desse campo teórico (figura 8). O campo geomagnético não pode resultar de um magnetismo permanente dos materiais constituintes do interior da Terra. Entre outros factores, as altas temperaturas que prevalecem a grandes profndidades são muito mais elevadas que a temperatura de Curie dos minerais magnéticos conhecidos. O único modelo que explica a existência de um campo magnético permanente a nível planetário é o do “Modelo do Dínamo”. Este modelo explica a geração do campo geomagnético através da existência de um complexo padrão de movimentos no núcleo líquido da Terra (constituido sobretudo de ferro e níquel). As observações contínuas do campo geomagnético efectuadas ao longo de muitos anos em observatórios mostram que as médias anuais das componentes do campo apresentam uma variação lenta, mas muito significativa, que espelha a escala temporal dos fenómenos físicos que ocorrem no núcleo liquido da Terra. Este fenómeno, que é conhecido pela designação de “variação secular”, tem como uma das suas consequências a variação da Universidade do Algarve 7 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Title: GMT v3.0 Document from grdcontour Creator: Joaquim Luis Prev iew : This EPS picture w as not s av ed w ith a preview inc luded in it. Comment: This EPS picture w ill print to a Pos tSc ript printer, but not to other ty pes of printers. Figura 8 Campo geomagnético calculado com o IGRF90 Universidade do Algarve 8 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente declinação magnética ao longo dos anos e da própria intensidade do campo. A variação secular é prevísivel a curto prazo tendo, no entanto, de ser recalculada para cada quinquénio que é o período de validade de cada IGRF. Um exemplo conhecido da variação secular é a precessão do pólo magnético em torno do pólo geográfico. Nos levantamentos magnéticos o IGRF é usado para remover o campo teórico do campo total (o valor lido no magnetómetro). Na zona da atmosfera designada por ionosfera (entre os 50 km e os 600 km de altitude) existem camadas conductoras de electricidade resultantes sobretudo da ionização dos átomos de oxigéneo e azoto. Como o mecanismo forçador desta ionização é a radiação solar, estabelece-se uma diferença de potencial entre o hemisfério iluminado e o hemisfério nocturno. Em consequência geram-se fortes correntes eléctricas entre os dois hemisférios, que produzem campos magnéticos variáveis ao longo do dia conhecidos por variação diurna. Em condições normais (dias calmos) a variação diurna é suave e regular e tem uma amplitude de aproximadamente de 20-80 nT, tendo o seu máximo nas regiões polares. Em alguns dias (dias perturbados) as variações são muito rápidas e de grande amplitude (aproximadamente 1000 nT) - tempestades magnéticas. Estas devem-se a intensa actividade solar. Nestes dias não se podem fazer levantamentos magnéticos. Universidade do Algarve 9 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Figura 9 Exemplo de uma variação diurna, de uma micropulsação, e de uma tempestade magnética Anomalias magnéticas As anomalias magnéticas provocadas pelas rochas (ou lixos ferrosos) estão sobrepostas ao campo geomagnético, no entanto o caso magnético é mais complicado porque o campo geomagnético varia não só em amplitude, mas também em direcção, enquanto que o gravítico, por definição, é sempre vertical. Figura 10 Representação vectorial do campo geomagnético com e sem a sobreposição de uma anomalia magnética. O campo geomagnético pode ser representado através dos seus elementos como está feito no diagrama a) onde B 2 H 2 Z 2 Agora vamos sobrepor uma anomalia magnética que provoca uma anomalia B do campo geomagnético. Admita-se que essa anomalia produz uma anomalia vertical Z e uma horizontal H a um ângulo com H (fig b). Só a parte de H na direcção de H (H’) contribui para a anomalia H H cos então (fig. b) B B 2 H H 2 Z Z 2 Se expandirmos esta expressão e ignorarmos os termos em 2 B 2 B 2 2BB H 2 H 2 2HH Z 2 2ZZ Z 2 Universidade do Algarve 10 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente B 2 2BB B 2 2HH 2ZZ BB HH ZZ ou Z H B Z H B B substituindo pela expressão de H’(= H cos) e levando em conta a definição dos elementos geomagnéticos (Z/B = senI e H/B = cosI) vem B ZsenI H cos I cos Esta aproximação pode ser usada para calcular a anomalia magnética provocada por um pequeno pólo magnético isolado de intensidade m, definida como o efeito deste pólo num pólo positivo unitário situado no ponto de observação. O pólo está à profundidade z, à distância horizontal x e à distância radial r. A força de repulsão de Br é então dada por m Br 0 2 4 r Se admitirmos que o perfil assenta na direcção Norte – Sul ( = 0) e H H ' então m mx H 0 2 cos 0 3 4 r 4 r e m mz Z 0 2 sen 0 3 4 r 4 r (a anomalia vertical é negativa porque se convensiona que z é Figura 11 Anomalia horizontal (ΔH), verical (ΔZ) e do positivo para baixo) campo total (ΔB) produzidas por um monopólo positivo. As componentes da anomalia estão também representadas na figura 11. A componente horizontal é positiva/negativa e a vertical é sempre negativa. A anomalia total B obtem-se a partir da sua definição. Se o perfil não fosse ao longo da direcção Sul-Norte magnética, o ângulo representaria o ângulo entre o norte magnético e a direcção do perfil. Se agora considerarmos a anomalia de um dipólo induzido situado no hemisfério norte, o que se obtém está representado na figura 12. O escalar do campo resultante é o que é medido pela maioria dos magnetómetros e, quando retiramos o campo normal (escalar), obtemos a anomalia . A anomalia mostra que uma fonte de magnetização positiva, que produz um dipólo com um pólo negativo mais perto da superfície (no hemisfério Norte), produz uma anomalia negativa a norte e uma positiva a sul (do corpo). Também mostra que o máximo da anomalia positiva está deslocado para sul da fonte magnética. Universidade do Algarve 11 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Figura 12 Ilustração esquemática da soma do campo geomagnético e um campo anómalo que produzem a anomalia (intensidade) representada no topo da figura Levantamentos pedestres São feitos em áreas pequenas com um espaçamento das estações de 10 a 100 m. É preciso ter cuidado com a presença de materiais metálicos tanto do observador como da região (redes metálicas, cabos de alta tensão, carros, caminhos de ferro, etc…). Repetições numa estação base não são necessárias por causa da deriva dos magnetómetros (que não têm deriva), mas são-no por causa da variação diurna (o melhor é ter um outro magnetómetro fixo para corrigir a variação diurna). Levantamentos aéreos e marinhos Nos levantamentos aéreos o sensor ou vai num “pássaro” para afastar do efeito do avião ou então vai dentro do avião, mas o efeito deste tem de ser compensado por bobines. Nos levantamentos marinhos os sensores vão num peixe a uma distância de 2,5 Universidade do Algarve 12 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente o comprimento do navio. Os levantamentos aéreos são mais rentáveis que os pedestres . O seu maior problema é o de posicionamento (que actualmente já quase não é importante). Correcções das medições magnéticas Antes da interpretação das medidas relativas às anomalias magnéticas, deve proceder-se a uma série de correcções. Em primeiro lugar, as medidas devem reduzir-se a um determinado instante, t0, por correcção das variações temporais devidas à acção do campo externo. Esta correcção é feita recorrendo ao registo contínuo efectuado numa estação base ou num observatório próximo; no caso de não ser possível efectuar um registo contínuo, é possível fazer a correcção por meio de medições discretas numa estação base, que terão de ser efectuadas em intervalos muito curtos (por exemplo, de 20 em 20 minutos). Podemos exemplificar a primeira situação da forma seguinte : Estação Fixa 43325 43329 43334 43338 Estação Móvel 43210 43230 43325 43124 Variação Diurna 25 21 16 12 Valor Corrigido 43235 43251 43341 43136 em que se admite que à Estação Fixa corresponde um valor médio do campo magnético de 43350 nT. Quando nos referimos a valor médio queremo-nos habitualmente referir a um valor médio anual centrado, considerado livre de efeitos transitórios de curto período. Como muitas vezes não é possível dispor desse valor médio calculado a partir de dados de um observatório magnético deverá usar-se, pelo menos, o valor médio do campo calculado durante o período de uma noite. As variações do campo magnético com a altitude e a latitude não são muito importantes, quando as medidas são efectuadas em pequenas extensões, como no caso da prospecção. Por exemplo, em relação à altitude, a intensidade do campo magnético principal varia apenas de cerca de 0.03 nT/m nos pólos, e metade deste valor no equador; em relação à latitude, para uma região localizada próximo de 40oN, a correcção a aplicar é de 0.007 nT/m. Contudo, se a topografia for muito acentuada, ou se as medidas forem efectuadas numa grande extensão, como no caso de campanhas aeromagnéticas, estas correcções podem já revelar-se importantes, pelo que é necessário ter em conta o seu valor. Note-se contudo que o gradiente vertical do campo geomagnético é muito diferente do gradiente vertical do campo magnético principal (de origem puramente no núcleo), o que implica o use de técnicas mais complexas de tratamento. Erros nos cruzamentos Universidade do Algarve 13 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Se as correcções todas tiverem sido bem feitas, os erros dos cruzamentos deveriam ser zero . Na verdade nunca são e os seus valores dão-nos a medida da precisão das medidas. Interpretação das anomalias magnéticas. A interpretação da anomalias magnéticas é semelhante, no procedimento e limitação, ao caso gravimétrico, já que ambas as técnicas são baseadas em campos potenciais que decaem com o inverso do quadrado da distância. No entanto o caso magnético é mais complicado. Enquanto que uma anomalia gravimétrica é toda positiva ou Figura 13 Plano de voo típico num levantamentoda negativa, uma anomalia magnética to aeromagnético. contém quase sempre uma parte positiva e uma parte negativa devido ao caractere dipolar do magnetismo. Além disso, as anomalias gravimétricas são escalares e as magnéticas são vectores, onde a direcção de magnetização do corpo controla fortemente a forma da sua anomalia magnética. Por estas razões as anomalias magnéticas estão frequentemente muito menos relacionadas com a forma do corpo, do que estão as anomalias gravimétricas. A intensidade de magnetização de uma rocha depende largamente do seu conteúdo em minerais magnéticos e pode variar por um factor de 106 entre diferentes tipos de rochas. O problema da ambiguidade na interpretação gravimética é o mesmo do caso gravítico. Ou seja, a mesma anomalia pode ser provocada por diferentes configurações. Interpretação directa (profundidade limite) A profundidade limite é o parâmetro mais importante deduzido a partir das interpretações directas, usando o facto da sua intensidade decair muito rapidamente com a distância à fonte. As anomalias causadas por fontes superficiais são mais dominadas por componentes com números de onda elevados que aquelas que resultam de fontes mais profundas. Este efeito pode ser quantificado calculando o espectro de potência da anomalia, já que (demonstra-se) o seu gradiente, numa representação é linear e o seu valor (do gradiente) depende da profundidade da fonte. Neste caso não é preciso fazer correcções geomagnéticas ou diurnas, já que elas aparecem como variações de grande c.d.o, que não entram para a estimativa da profundidade que é só controlada pelos pequemos c.d.o. Universidade do Algarve 14 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Para formas regulares, tal como no caso gravimétrico, também podemos usar relações aproximadas para estimar a profundidade limite (no entanto estas relações pressupõem que as anomalias foram reduzidas ao pólo). Dipólo Z <= 2,05 x1/2 Linha de dipólos (cilindro horizontal) Z <= 2.0 x1/2 Pólo ( cilindro vertical) Z <= 1.3 x1/2 Intrepretação indirecta A interpretação indirecta das anomalias magnéticas baseia-se também na tentativa de, por meio da resolução do problema directo, ajustar as anomalias calculadas às medidas. Figura 14 Anomalia do campo total devida a um corpo alongado simulado por um dipólo. As anomalias simples podem ser simuladas por um único dipólo. Tal aproximação à magnetização de um corpo geológico real é normalmente válida para veios de minérios (ou contentores metálicos de lixo) cuja direcção de magnetização tende a alinhar-se ao longo da sua maior dimensão. Em tais casos a anomalia é calculada somando os efeitos dos dois pólos nos pontos de observação. Para os corpos mais complicados a aproximação tem que ser outra. Um caso especial de um corpo magnetizado que não causa anomalia é o de uma placa horizontal infinita com uma magnetização uniforme. Universidade do Algarve 15 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Figura 15 Anomalia do campo total de uma placa horizontal semi-infinita. Isto acontece porque há uma igual distribuição de pólos positivos e negativos nas duas superfícies da placa, cujo efeito se cancela. Contudo, na fronteira da placa ocorre uma anomalia. Transformações do campo potencial Reduções ao pólo (admite que a magnetização é toda induzida) Prolongamentos para cima e para baixo Derivadas horizontais e verticais -> põem em evidência a existência de fortes gradientes que estão relacionadas com fontes pouco profundas e permitem localizar as fronteiras dos corpos causais. Aplicações dos métodos magnéticos Os levantamentos magnéticos são um método rápido e rentável de fazer prospecção e são dos mais utilizados, pelo menos nas fases de desbravamento. Têm muita utilidade para fins científicos e de prospecção de minérios, sobretudo de ferro. Em investigações arqueológicas podem ser usados para localizar artefactos de origem humana, desde que possuam propriedades magnéticas. Mapeamento de objectos metálicos e enterrados Existe uma crescente necessidade de cartografar as ocorrências de contentores metálicos enterrados que possam conter resíduos perigosos e de detectar tubos metálicos de furos abandonados. Ambos serão intensamente magnéticos, se não se tiverem oxidado em óxidos de ferro não magnéticos, e são por isso facilmente detectados por levantamento pedestres de alta resolução e, sob condições favoráveis, por levantamentos aeromagnéticos de alta precisão. Universidade do Algarve 16 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Figura 16 Estimativa das anomalias magnéticas (válidas dentro da ordem de grandeza) provocadas por corpos típicos (admitindo um momento do dipólo de 5x10 cgs/ton) em função da distância à fonte. Figura 17 Perfil da anomalia magnética E-O localizado por cima de um tambor enterrado a 2 m. Universidade do Algarve 17 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente A figura 17 mostra um perfil magnético E-O que detectou um contentor a dois metros de profundidade e a figura 18, um perfil sobre dois contentores metálicos de 55 galões. O contentor localizado a algumas dezenas de centímetros provocou uma anomalia de 70 nT e o outro (a 2 m) uma anomalia de 20 nT. Figura 18 Anomalia medida com um magnetómetro "marinho" rebocado junto ao fundo. O expectável nas vizinhanças de um condutor está representada na figura 19. Figura 19 Diagrama esquemático das anomalias sob e nas vizinhanças de um contentor metélico. Na figura 20 estão representadas as anomalias magnéticas de um local onde provavelmente estarão enterrados muitos contentores metálicos. Universidade do Algarve 18 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Figura 20 Mapa do campo total sobre uma zona que se crê conter muitos contentores enterrados. As figuras 21 e 22 representam, respectivamente, o mapa de anomalias e o gradiente vertical destas medido sobre dois furos entubados. A figura 23 representa o resultado de uma modelação, assumindo que os tubos estendem de 1-90 m de profundidade. Dada a intensidade das anomalias é muito natural que estas pudessem também ter sido detectadas a partir dum avião (a voar a não mais de 100 m de altura). Universidade do Algarve 19 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Figura 21 Mapa do campo total sobre uma zona com dois furos entubados. Universidade do Algarve 20 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Figura 22 Gradiente vertical do mapa da intensidade total representado na fig anterior. Universidade do Algarve 21 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Figura 23 Resultado de uma modelação da intensidade do campo total dos dois furos entubados. A figura 24 mostra as anomalias, numa malha de 2x2 m, sobre uma lixeira conhecida por conter resíduos industriais domésticos. Vemos anomalias muito intensas (> 1000 nT) e anomalias fracas de 20 a 150 nT. Os valores elevados estão relacionados com corpos ferrimagnéticos situados a aproximadamente 1 m de profundidade. Os mais reduzidos serão originados, ou por corpos pequenos (até 3 m de fundo), ou por corpos mais volumosos mas menos magnéticos. Tal acumulação de pequenas anomalias pontuais é característica de lixos domésticos. Sob o mesmo depósito, o gradiente vertical foi calculado a partir de medições a 0,65 m e 1,65 m do solo. O valor do gradiente, representado na figura 25, é menos afectado por pequenas anomalias (ruído magnético). As fronteiras das lixeiras podem ser determinadas na representação de 3D das anomalias e gradientes traçados, traçando contorno das anomalias marginais. Universidade do Algarve 22 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Figura 24 Mapa 3D do campo total sob um depósito de lixos domésticos e industriais. Figura 25 Gradiente vertical do mapa anterior. Universidade do Algarve 23 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Figura 26 Mapa campo total sobre um abrigo antiaéreo subterrâneo Engenharia do Ambiente Figura 27 Perspectiva 3D do mapa do lado. As figuras 26 e 27, referem-se a um caso de um abrigo anti-aéreo subterrâneo, cuja a localização não era bem conhecida e que se suspeitava poder conter contentores metálicos com lixos tóxicos. O abrigo situa-se entre as anomalias positivas e negativas e estas devem-se ao carácter dipolar (B a 55º) da construção de cimento armado. Não se encontraram sinais dos contentores. A localização deste abrigo é no interior de um bosque, onde tiveram de se abrir passagens para fazer medições de 2*2 m. Figura 28 Carta de isopacas do aterro de Indiana. Figura 29 Anomalia do aterro de Indiana. Universidade do Algarve 24 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Figura 30 Continuação para cima de 1 m. Figura 32 Continuação para cima de 6 m. Universidade do Algarve Engenharia do Ambiente Figura 31 Continuação para cima de 3 m. Figura 33 Campo total observado e prolongamentos a 1, 3 e 6 m ao longo de um perfil. 25 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Figura 34 Gradiente verical observado. Engenharia do Ambiente Figura 35 Gradiente vertical observado. A figura 29, representa o mapa de anomalias magnéticas do aterro de Indiana. As anomalias são por vezes bastante intensas e serão devidas a objectos ferrosos pouco profundos.. Nas figuras 30, 31 e 32, o campo magnético foi prolongado para cima de 1, 3 e 6 m. Este aumento do nível de observação permite a atenução do campo magnético perturbante devido aos pequenos objectos. O aterro pode agora ser visto como uma única fonte magnética (o máximo da anomalia está mais ou menos localizado sobre a parte mais espessa do aterro). As figuras 34 e 35, representam o gradiente vertical medido (a 1 e 2 m de altura) e o cálculado. Vemos agora bastante bem os limites horizontais do aterro. A figura 36, mostra uma carta de anomalias de uma lixeira doméstica feita a partir de um levantamento de helicóptero realizado a 30 m de altura. As anomalias positivas atingem mais de 750 nT e as negativas menos de 560 nT. Vêm-se algumas anomalias a sul da lixeira que devem ser devidas a lixos ferrosos que foram despejados fora da lixeira. Apesar de baixa altitude de levantamento, só algumas anomalias individuais se conseguem destinguir. A partir deste facto podemos concluir que os levantamentos aéreos não têm precisão suficiente para identificar anomalias individuais no interior das lixeiras. Universidade do Algarve 26 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Figura 36 Anomalia magnética obtida por um levantamento de hilicóptero realizado a 30 m de altura sob uma lixeira na Alemanha. A figura 38 mostra o resultado de um levantamento aeromagnético numa região de um campo petrolífero. Os poços tinham sido entubados provavelmente em ferro. Depois do abandono dos referidos poços é necessário garantir que eles não sejam usados para neles despejar materiais que poçam contaminar os lençóis freáticos. As cruzes brancas da figura representam a localização dos poços feita a partir de fotografias aéreas. Existe um acordo bastante bom entre essas localizações e os máximos das anomalias (que foram reduzidas ao pólo). Universidade do Algarve 27 Geofísica Ambiental – Métodos Magnéticos Engenharia do Ambiente Figura 37 Mapa aeromagnético de um campo petrolífero abandonado. As cruzes indicam a localização dos poços feita a partir de fotografias aéreas. Universidade do Algarve 28
