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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.
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Polarização de eletrodo
Ocorre com a presença de minerais metálicos disseminados.
campo elétrico
Grão condutor Excesso de anions
Excesso de cátions
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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
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Argilas
O efeito de polarização devido às argilas não cresce continuamente com os teores, e é função do tipo da argila.
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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
∆∆
≈∆
∆−∆
=
=
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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.
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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
−−−=
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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.