Resultados preliminares de uma campanha de prospecção geoeléctrica realizada na Ilha de Livingston junto à Base Antárctica Búlgara Preliminary results of a geoelectrical survey performed in the Island of Livingston near the Bulgarian Antarctic



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Resultados preliminares de uma campanha de prospecção geoeléctrica

realizada na Ilha de Livingston junto à Base Antárctica Búlgara

Preliminary results of a geoelectrical survey performed in the

Island of Livingston near the Bulgarian Antarctic Base

A. Correia1, G. Vieira2, M. Ramos3



1 Departamento de Física e Centro de Geofísica de Évora, Universidade de Évora, Évora. Portugal

2 Centro de Estudos Geográficos, Universidade de Lisboa, Lisboa. Portugal

3 Departamento de Física. Universidad de Alcalá. 28871, Madrid. España

E-mail: correia@uevora.pt



Resumo

No âmbito do projecto Permantar (Permafrost and Climate Change in the Maritime Antarctic), durante os meses de Janeiro e Fevereiro de 2009 foram realizados seis tomografias de resistividade eléctrica (TER) em duas áreas da Ilha de Livingston; três deles foram realizados numa vertente virada a norte a cerca de 300 metros da Base Antárctica Búlgara (BAB) de St. Kliment Ohridski, e outros três no sítio CALM também localizado perto da mesma base. O projecto Permantar integra-se na contribuição Portuguesa para os core projects do Ano Polar Internacional, ANTPAS (Antarctic and Sub-Antarctic Permafrost, Soils and Periglacial Environments) and TSP (Permafrost Observatory Project – Thermal State of Permafrost).

O principal objectivo da campanha geoeléctrica recorrendo a tomografias eléctricas foi o de tentar identificar zonas com permafrost e avaliar a sua extensão espacial. Os métodos eléctricos e, em particular, as tomografias eléctricas são muito úteis em estudos de permafrost devido ao facto de se verificar um aumento substancial da resistividade eléctrica do subsolo com o aumento da quantidade de material gelado e com a diminuição da temperatura. Nos dois locais junto à Base Antárctica Búlgara, para cada um dos perfis tomográficos foram utilizados 40 eléctrodos de aço com um espaçamento de 2 metros entre cada um deles. Modelos geoeléctricos preliminares, a duas dimensões, para as zonas onde os perfis tomográficos foram realizados, foram obtidos por inversão dos valores da resistividade eléctrica aparente medidos ao longo de cada um dos perfis. Todos os modelos geoeléctricos apresentam secções com elevada resistividade eléctrica (da ordem de 104 ohm.m). Por limitações de espaço, apenas os perfis tomográficos realizados no sítio CALM são apresentados; aí as zonas de maior resistividade eléctrica parecem indicar a existência de solo gelado, que podem corresponder a bolsas pouco espessas de permafrost ou a resíduos de gelo sazonal.

Palavras chave: Permafrost. Tomografia de Resistividade Eléctrica. Ilha de Livingston. Antárctica Marítima.
Abstract

During the months of January and February, 2009, six electrical resistivity tomographies (ERTs) were performed in two areas in the Island of Livingston under the framework of the Permantar (Permafrost and Climate Change in the Maritime Antarctic) project; three of them were performed in a NW facing slope of a small hill about 300 metres away from the Bulgarian Antarctic Base (BAB) of St. Kliment Ohridski, and the other three were performed in a CALM site, also near the BAB. The Permantar project constitutes one of the Portuguese contributions to the core projects ANTPAS (Antarctic and Sub-Antarctic Permafrost, Soils and Periglacial Environments) and TSP (Permafrost Observatory Project – Thermal State of Permafrost) of the International Polar Year.

The main objective of the performed ERTs was to try to identify permafrost zones and their extension. Geoelectrical methods and, in particular, ERTs are very useful for permafrost studies because of the significant increase in the electrical resistivity when the ground is partially or totally frozen and when temperature is low. For each ERT performed in the two areas near the BAB, 40 electrodes, spaced 2 metres each, were used, and the measurements were mathematically inverted to obtain two-dimensional geoelectrical models for each of them. All the models show high electrical resisitivity values (of the order of 104 ohm.m). Because of space limitations only the ETRs performed in the CALM site are shown; in that area the high electrical resistivities probably correspond to patches of frozen ground but it is not possible to indicate whether it is permafrost or remnants of seasonally frozen ground.

Keywords: Permafrost. Electrical Resistivity Tomography. Livingston Island. Maritime Antarctica.


Introdução

Os métodos geofísicos têm por objectivo estudar as variações de propriedades físicas no subsolo. São métodos indirectos, não invasivos, e são eficazes na detecção e delimitação de anomalias da propriedade que se está a estudar que, normalmente, correspondem à existência de materiais com propriedades diferentes das rochas onde estão encaixados. Alguns métodos geofísicos têm sido utilizados para estudar a criosfera com mais ou menos sucesso. As variantes dos métodos geoeléctricos, conhecidos por sondagens eléctricas verticais e tomografia de resistividade eléctrica, têm sido utilizadas com elevado grau de sucesso em estudos da distribuição espacial do permafrost em várias regiões do globo. Os bons resultados que geralmente se obtém com os métodos eléctricos resultam do facto de a resistividade eléctrica aumentar com a diminuição da temperatura e sofrer um elevado aumento quando a água passa ao estado sólido. Este comportamento faz com que os métodos geoeléctricos sejam aplicados a estudos para detectar e delimitar zonas do subsolo onde possa existir permafrost. Dependendo da distribuição do permafrost e da sua extensão, a resistividade eléctrica medida à superfície do solo pode apresentar valores da ordem de 104 ohm.m ou mais (Hauck et al., 2007).

Por limitação de espaço apenas os perfis tomográficos realizados no sítio CALM serão apresentados e discutidos. Na Fig. 1 é apresentada a localização do sítio CALM onde foram realizadas três das seis tomografias de resistividade eléctrica, enquanto que na Fig. 2 é mostrado, a título de exemplo, um aspecto da realização do perfil de tomografia eléctrica número 8.


Figura 1. Localização do sítio CALM junto à Base Antárctica Búlgara (BAS) na Ilha de Livingston..


Figura 2. Orientação e distribuição dos eléctrodos ao longo do Perfil 8 no sítio CALM. Os Perfis 7 e 9 estão também representados.

Resultados obtidos

Com o objectivo de detectar e delimitar zonas com permafrost no sítio CALM junto da Base Antárctica Búlgara (BAS), realizaram-se três tomografias de resistividade eléctrica. Para esse efeito utilizou-se um resistivímetro ABEM e 40 eléctrodos de injecção de corrente e de potencial. Os perfis tomográficos tiveram um comprimento total de 78 metros cada um e foram realizados a uma configuração tipo Wenner; nesta configuração, a distância entre eléctrodos adjacentes é mantida constante durante a realização do perfil que, neste caso, foi de 2 metros. A inversão resistividades eléctricas aparentes medidas foi realizada com o software RES2DINV (Loke and Barker, 1995 e 1996). Nas Figs. 3 a 5 mostram-se os resultados obtidos para os três perfis tomográficos realizados. Para cada figura, a primeira imagem corresponde ao perfil de resistividade eléctrica aparente medida (pseudo-secção de resistividade eléctrica aparente medida), a segunda à resistividade eléctrica aparente calculada (pseudo-secção de resistividade eléctrica aparente calculada) a partir do modelo de perfil de resistividades eléctricas reais calculadas por inversão e a terceira ao modelo de resistividades reais.

É de notar que o processo de inversão foi realizado de maneira relativamente rápida, i. e., o número de iterações foi pequeno, e o erro médio quadrático variou entre 1,57 % e 2,8 %, o que é muito bom em comparação com dados de resistividade eléctrica aparente obtidos noutras regiões do globo; por outro lado, os valores de resistividade eléctrica aparente eram muito estáveis (as leituras de resistência eléctrica mantinham-se constantes depois da segunda leitura). Deve ainda referir-se que durante a realização dos vários perfis de tomografia eléctrica se teve o cuidado de diminuir a resistência de contacto entre os eléctrodos e o solo, não se tendo verificado qualquer problema desse tipo durante a realização dos perfis. Assim, pode dizer-se que a qualidade das medidas da resistividade eléctrica aparente realizadas é boa. Por outro lado, a qualidade dos modelos obtidos por inversão (Loke and Barker, 1995 e 1996) pode ser aferida por comparação das pseudo-secções de resistividade eléctrica medida com as pseudo-secções de resistividade eléctrica calculadas. Como se pode observar nas Figs. 3 a 5, a coincidência entre essas duas pseudo-secções é muito boa o que permite dizer que os modelos de resistividade real obtidos para os três perfis de tomografia eléctrica reflectem bem a distribuição de resistividade eléctrica ao longo dos perfis realizados.



Figura 3. Perfil de resistividade eléctrica aparente medida, perfil de resistividade eléctrica aparente calculada e modelo de resistividade eléctrica real calculada por inversão ao longo do perfil 7 realizado no sítio CALM.

Figura 4. Perfil de resistividade eléctrica aparente medida, perfil de resistividade eléctrica aparente calculada e modelo de resistividade eléctrica real calculada por inversão ao longo do perfil 8 realizado no sítio CALM.



Figura 5. Perfil de resistividade eléctrica aparente medida, perfil de resistividade eléctrica aparente calculada e modelo de resistividade eléctrica real calculada por inversão ao longo do perfil 9 realizado no sítio CALM.

Análise dos resultados obtidos e interpretação

A obtenção dos modelos de distribuição de resistividade real ao longo dos três perfis apresentados na terceira imagem das Figs. 3 a 5, foram obtidos através do software de inversão desenvolvido por Loke e Barker (1995, 1996). Os métodos de inversão devem, contudo, ser utilizados com algum cuidado e, por outro lado, devem conhecer-se as suas limitações e possíveis erros associados à sua utilização. Assim, um erro médio quadrático pequeno pode não corresponder a uma inversão realista dos dados de resistividade eléctrica aparente medidos. Na verdade, quanto maior for o número de iterações mais pequeno deverá ser o erro médio quadrático; contudo, erros nos valores da resistividade eléctrica aparente aparecerão como artefactos do cálculo de inversão, o que é frequente para valores elevados da resistividade eléctrica. Esta situação parece não se aplicar aos dados e resultados aqui apresentados já que os dados de resistividade eléctrica aparentam ser de elevada qualidade e o número de iterações aquando da sua inversão ser relativamente pequeno.

Um outro aspecto a considerar aquando da inversão de dados de resistividade eléctrica com o objectivo de calcular perfis de resistividade real é a existência ou não de topografia. Na verdade, o cálculo da distribuição da densidade de corrente à superfície do solo depende da topografia e a sua não inclusão pode dar origem a possíveis interpretações erradas dos modelos geoeléctricos gerados por inversão. No caso dos três perfis descritos neste trabalho e mostrados nas Figs. 3 a 5, as variações de altitude não são importantes e, por isso, a topografia não foi incluída nos perfis.

Apesar de as tomografias de resistividade eléctrica serem muito úteis em ambientes com gelo ou com permafrost, devido à dependência da resistividade eléctrica com a quantidade de água e de gelo nas formações rochosas, a sua interpretação não é fácil em muitos casos, já que as variações de resistividade eléctrica podem resultar de diferentes fenómenos e situações. Na verdade, enquanto que o contraste de resistividade eléctrica entre o gelo e a água é muito grande, ela é pequena entre o gelo, o ar e certo tipo de rochas. Isto leva à conclusão que, sempre que possível outros métodos geofísicos devem ser utilizados para definir o que é gelo ou rocha.


Conclusões

Os dados de resistividade eléctrica obtidos ao longo de três perfis de tomografia eléctrica no sítio CALM, junto à Base Antárctica Búlgara da Ilha de Livingston, são de boa qualidade para permitirem verificar da existência ou não de solo gelado ao longo dos três perfis.

No sítio CALM as elevadas resistividades eléctricas à superfície devem estar associadas a solo gelado; contudo, não é possível distinguir se se trata de bolsas de permafrost descontínuo, pouco espessas, ou de solo gelado sazonal. As elevadas resistividades eléctricas observadas a maior profundidade em alguns dos perfis de tomografia de resistividade eléctrica parece estarem associadas à geologia local, i.e., a rocha pouco alterada e com baixo grau de fracturação.

Seria interessante monitorizar a evolução da resistividade eléctrica no sítio CALM por períodos de vários meses para se poder avaliar a evolução dos fenómenos de congelação e fusão e, assim, melhor interpretar as variações de temperatura à superfície do solo.


Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio da Fundação para a Ciência e a Tecnologia a través do Projecto PERMANTAR (PTDC/CLI/70020/2006) e subsídios de viagem através do Fundo de Apoio à Comunidade Científica, e aos elementos da campanha Búlgara estacionados na Base Antárctica Búlgara da Ilha de Livingston. Os autores agradecem ainda o apoio dado pela Universidade de Alcalá, assim como a ajuda ao financiamento do congresso através dos projectos CGL2008-00826-E/BTE e da Universidade de Alcalá AUH ORG2009004. Um agradecimento é também devido à logística Antárctica Espanhola, sem a qual o acesso à Ilha de Livingston não teria sido possível.


Referências

Hauck C, Vieira G, Gruber S, Blanco J, Ramos M., 2007. Geophysical identification of permafrost in Livingston Island, maritime Antarctica. Journal of Geophysical Research 112: F02S19. doi:10.1029/2006JF000544.

Loke, M.H. and Barker, R.D., 1995. Least-squares deconvolution of apparent resistivity. Geophysics, 60, 1682-1690.

Loke, M.H. and Barker, R.D., 1996. Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections using a quasi-Newton method. Geophysical Prospecting, 44, 131-152.





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