Sebenta · Executar métodos sísmicos de prospeção (em perfis) na prospeção de recursos minerais (UC01861)

Introdução

Esta sebenta ensina a executar métodos sísmicos de prospeção em perfis, aplicados à pesquisa de recursos minerais. A prospeção sísmica usa ondas mecânicas geradas artificialmente para caracterizar o subsolo sem escavar tudo: localiza o topo rochoso, mede a espessura do capeamento de solo, deteta zonas de fraqueza e, nos métodos mais profundos, desenha a estrutura geológica que controla uma mineralização.

O percurso segue a lógica de um técnico no terreno: primeiro compreende-se como as ondas se propagam e como se planeia um perfil, depois como se monta, calibra e manobra o equipamento, em seguida estudam-se os métodos de superfície (refração convencional, refração tomográfica e reflexão) e os métodos em furo (down-hole, up-hole, cross-hole convencional e cross-hole tomográfico), e por fim como se escolhe o método certo e se trabalha em segurança.

Cada capítulo tem exemplos resolvidos passo a passo, com contas feitas por extenso. Os números dos exemplos são ilustrativos: servem para treinar o raciocínio e confirmar ordens de grandeza, não substituem os valores medidos em cada local.

Objetivos de aprendizagem (referencial): analisar potenciais recursos minerais a serem prospetados; calibrar o equipamento de prospeção sísmica; manobrar o equipamento de prospeção sísmica; adequar o tipo de prospeção sísmica à finalidade do trabalho; garantir a aplicação dos princípios de calibração do equipamento; executar a refração convencional e tomográfica de reflexão, a prospeção de down-hole, up-hole, cross-hole convencional e cross-hole tomográfico; utilizar os equipamentos de proteção individual; aplicar as normas de segurança e saúde no trabalho.

1. Porque se faz prospeção sísmica na pesquisa de recursos minerais

A prospeção sísmica é um método geofísico indireto: não se vê o material do subsolo, infere-se a sua natureza a partir do tempo que uma onda leva a atravessá-lo ou a refletir-se numa interface. É usada em várias fases da pesquisa porque cobre distâncias grandes com pouca intervenção no terreno e dá informação contínua ao longo de um perfil, ao passo que um furo de sondagem só informa sobre o ponto onde foi feito.

No contexto desta UC, o trabalho decorre nas duas frentes indicadas no referencial:

• Área de prospeção e pesquisa, onde se caracteriza uma zona ainda pouco conhecida.
• Minas, onde se complementa o conhecimento geológico já existente, por exemplo entre furos de sondagem ou junto a galerias.

O que a prospeção sísmica procura responder

• Onde está o topo rochoso, isto é, a interface entre o solo e a rocha alterada por cima e a rocha competente por baixo.
• Qual a espessura do capeamento de solo acima desse topo rochoso.
• Se existem zonas de fraqueza, falhas, cavidades ou variações laterais de material.
• Que velocidades sísmicas caracterizam cada camada, informação que também serve para dimensionar trabalhos posteriores (sondagem, escavação, desmonte).
• Nos métodos de reflexão, que estruturas geológicas profundas (contactos, dobras, falhas) podem controlar a posição de um corpo mineralizado.

Analisar o potencial recurso mineral

A primeira realização da UC é analisar potenciais recursos minerais a serem prospetados. A pergunta que o técnico faz é: que tipo de recurso é, a que profundidade pode estar e que contraste de propriedades físicas se espera? A resposta orienta o método.

Enquadramento: mina ou pedreira

Em Portugal a distinção entre mina e pedreira é legal, não de profundidade nem de tamanho. Os depósitos minerais (por exemplo minérios metálicos) pertencem ao domínio público do Estado e regem-se pela Lei n.º 54/2015 e pelo Decreto-Lei n.º 30/2021; as massas minerais (rochas para construção e indústria, exploradas em pedreira) são propriedade privada e regem-se pelo Decreto-Lei n.º 270/2001. A entidade licenciadora é a DGEG (Direção-Geral de Energia e Geologia); o LNEG é o laboratório do Estado para a geologia e as minas. O método sísmico é o mesmo nos dois casos; muda o enquadramento do trabalho e quem o autoriza.

Casos portugueses

A Faixa Piritosa Ibérica, que atravessa o sul de Portugal e se prolonga por Espanha, tem jazigos de sulfuretos maciços vulcanogénicos como Neves-Corvo (cobre, zinco e estanho) e Aljustrel. Em Neves-Corvo fizeram-se levantamentos de sísmica de reflexão 2D e 3D e, em 2019, um ensaio com perfis à superfície e perfis dentro das galerias da mina, a cerca de 650 m de profundidade, para testar a imagem sísmica de sulfuretos a grande profundidade. Outros recursos portugueses conhecidos, como o volfrâmio e o estanho da Panasqueira ou os pegmatitos com lítio do Barroso, servem de exemplo para discutir que alvo e que contraste se esperaria em cada caso.

A analogia do eco

Bater com os nós dos dedos numa parede e ouvir o som que volta permite perceber, sem abrir a parede, onde estão as vigas ou onde o material é diferente. A prospeção sísmica faz isto à escala do subsolo, com ondas mecânicas e com tempos medidos ao décimo de milissegundo.

2. Ondas sísmicas e propagação no subsolo

Toda a prospeção sísmica assenta em três fenómenos físicos: a propagação da onda, a sua refração ao mudar de meio e a sua reflexão numa interface.

Tipos de onda

Num sólido comum a onda S tem cerca de 50 a 60 % da velocidade da P: para um coeficiente de Poisson de 0,25, a razão Vp/Vs é √3 ≈ 1,73. Nos métodos de refração e reflexão com ondas P, as ondas superficiais são quase sempre ruído (chegam tarde e com grande amplitude, o chamado ground roll); no método MASW são o próprio sinal, porque a dispersão das ondas de Rayleigh permite estimar o perfil de velocidade das ondas S.

Refração, reflexão e lei de Snell

Quando uma onda encontra uma interface entre dois materiais com velocidades V1 (em cima) e V2 (em baixo):

• Parte da energia reflete-se, voltando para o meio de origem com o mesmo ângulo com que chegou.
• Parte da energia refrata-se, mudando de direção ao entrar no novo meio, segundo a lei de Snell:

sen(i) / V1 = sen(r) / V2

Se V2 > V1, o raio refratado afasta-se da normal. Existe um ângulo crítico ic para o qual o raio refratado segue ao longo da interface (r = 90°):

sen(ic) = V1 / V2

A energia que viaja ao longo da interface, à velocidade V2, vai devolvendo energia à camada de cima sempre com o ângulo crítico. Essa onda, que regressa à superfície, chama-se onda de cabeça (ou onda cónica) e é a que a refração sísmica explora.

Velocidade sísmica e tipo de material

A velocidade de propagação depende da rigidez, da densidade, da porosidade, da fraturação, da alteração e do grau de saturação do material. Os intervalos seguintes são ordens de grandeza da onda P, semelhantes às que se encontram nos manuais de geofísica aplicada; variam muito de local para local e servem apenas para ajuizar se um resultado faz sentido.

Impedância acústica

A impedância acústica de uma camada é o produto da densidade pela velocidade (Z = ρ × V). A fração de energia refletida numa interface depende do contraste de impedância entre as duas camadas. Para incidência vertical, o coeficiente de reflexão é:

R = (Z2 − Z1) / (Z2 + Z1)

3. Planear um perfil de prospeção

Antes de ligar qualquer equipamento, o técnico analisa o potencial recurso mineral a prospetar e só depois desenha o perfil de trabalho. Planear bem evita a situação mais cara de todas: voltar ao terreno porque o perfil não respondeu à pergunta.

Definir a finalidade do trabalho

• Que informação se procura: profundidade do topo rochoso, espessura do capeamento, deteção de cavidades, caracterização entre furos, estrutura profunda?
• Que profundidade se quer atingir: poucos metros (capeamento), dezenas de metros (rocha alterada, aluviões espessos) ou centenas de metros (estrutura de um jazigo)?
• Que escala de trabalho é necessária: prospeção regional, com menos detalhe e maior área, ou caracterização local, com mais detalhe e menor área?
• Que acesso e recursos existem: há furos disponíveis? há ruído de tráfego ou de máquinas? é possível usar explosivos?

Elementos do perfil

Quanto tem de medir o perfil de refração

A onda refratada só passa a ser a primeira a chegar a partir da distância de cruzamento x_c (capítulo 6). Para uma interface horizontal:

x_c = 2h × √[ (V2 + V1) / (V2 − V1) ]

A raiz é sempre maior do que 1, por isso x_c é sempre maior do que 2h: a onda refratada só aparece como primeira chegada a mais do dobro da profundidade da interface. E, para medir a velocidade V2 com confiança, são precisos vários geofones (quatro ou cinco, pelo menos) para lá de x_c.

Exemplo resolvido · Decidir o método pela finalidade

Uma equipa precisa de confirmar a presença de uma cavidade suspeita entre dois furos de sondagem já existentes, separados por 15 metros.

1. O alvo está entre furos, não perto da superfície: a refração e a reflexão de superfície não são o método principal.
2. Se bastasse saber a velocidade média entre os furos a algumas profundidades, o cross-hole convencional seria suficiente.
3. Como se procura uma anomalia localizada, de posição desconhecida, é preferível o cross-hole tomográfico, que combina disparos e receções a várias profundidades e constrói uma imagem de velocidades entre os furos.
4. Decisão: cross-hole tomográfico, apesar de exigir mais tempo de campo e de processamento, porque é isso que a finalidade do trabalho exige.

Este raciocínio, feito antes do trabalho de campo, é o que torna a escolha do método um critério de desempenho e não um hábito.

4. Equipamento de prospeção sísmica e manobra no terreno

Um sistema de prospeção sísmica é composto por várias peças que têm de funcionar em conjunto e sincronizadas. Manobrar o equipamento, a terceira realização da UC, é saber montar, operar, verificar e desmontar cada uma delas.

Fontes sísmicas

Geofones

• Geofones verticais registam sobretudo a componente vertical do movimento: são os usados para ondas P em refração e reflexão.
• Geofones horizontais registam o movimento horizontal: são os usados para ondas S.
• Geofones triaxiais (três componentes) são comuns em down-hole e cross-hole.
• Cada geofone tem uma frequência natural; abaixo dela a sensibilidade cai. Para ondas de superfície (MASW) usam-se geofones de frequência baixa (4,5 Hz é comum); para reflexão de alta resolução, geofones de frequência mais alta.

Empilhamento vertical

Em fontes fracas, como a marreta, repete-se a pancada no mesmo ponto e soma-se o registo. O sinal, que é igual em todas as pancadas, soma-se; o ruído, aleatório, soma-se de forma incoerente. A relação sinal/ruído melhora aproximadamente com √N, sendo N o número de pancadas.

Parâmetros de registo no sismógrafo

Montagem e manobra no terreno

1. Implantar o perfil: marcar a linha, as estacas dos geofones e dos tiros, e levantar as coordenadas e cotas.
2. Estender o cabo ao longo do perfil, sem o arrastar sobre arestas nem o deixar atravessar caminhos sem proteção.
3. Plantar os geofones: espigão bem enterrado, geofone na vertical (os verticais), sem folgas, sem vegetação nem pedras soltas por baixo; em terreno duro usa-se uma base ou abre-se um pequeno furo.
4. Ligar cada geofone ao seu canal, pela ordem do perfil, e anotar qualquer troca na folha de campo.
5. Ligar o sistema de disparo e confirmar que a fonte marca o instante zero.
6. Calibrar e testar (capítulo 5) antes do primeiro tiro válido.
7. Registar os tiros pela ordem planeada, verificando cada registo no ecrã antes de avançar.
8. Desmontar pela ordem inversa, verificando que não fica material nem furos abertos no terreno.

Folha de campo

Cada tiro fica registado numa folha de campo (em papel ou digital) com: número do ficheiro, posição do tiro, fonte usada, número de pancadas empilhadas, canais com problemas, ruído observado (tráfego, vento, máquinas), hora e operador. Sem folha de campo, um registo sísmico é um ficheiro sem contexto.

5. Calibração do equipamento

Calibrar é garantir que o equipamento responde de forma correta e comparável, antes de confiar nos dados que regista. O referencial pede duas coisas: calibrar o equipamento (realização) e garantir a aplicação dos princípios de calibração (critério de desempenho).

Princípios da calibração

• Resposta dos geofones: todos devem reagir de forma semelhante ao mesmo estímulo, com a mesma polaridade; um geofone com resposta diferente, invertida ou sem sinal é substituído ou revisto.
• Continuidade e isolamento: cabos e ligações sem cortes nem fugas (humidade nos conectores é causa frequente de ruído).
• Sincronismo: o instante do disparo (trigger) tem de corresponder ao instante zero do registo; qualquer atraso desloca todos os tempos medidos.
• Ganho e filtros: ajustados à intensidade esperada do sinal e ao ruído do local, para não saturar nem perder o sinal.
• Registo de referência: testes guardados antes do levantamento, para comparação se surgirem dúvidas.
• Rastreabilidade: o sismógrafo e os sensores são verificados periodicamente segundo o manual do fabricante; a data da última verificação fica no processo do trabalho.

Testes no terreno

Exemplo resolvido · Rotina de calibração no terreno

1. Inspeção visual: cabos, conectores e geofones (danos, humidade, ligações soltas).
2. Alimentação e canais: ligar o sistema, confirmar a bateria e o estado de cada canal no ecrã do sismógrafo.
3. Registo de ruído: gravar sem disparar e identificar canais anormalmente ruidosos.
4. Disparo de teste: verificar que todos os geofones registam sinal, com amplitude e forma de onda semelhantes e a mesma polaridade.
5. Tempo zero: confirmar que o instante do disparo coincide com o início do registo; num tiro junto ao primeiro geofone, a primeira chegada nesse geofone tem de aparecer praticamente em t = 0.
6. Ajuste de ganho e filtros, em função do ruído medido.
7. Registar na folha de campo os resultados e só então iniciar o levantamento efetivo.

6. Refração sísmica convencional

A dromocrónica

Quando a velocidade aumenta com a profundidade, a partir de uma certa distância da fonte a onda de cabeça, que viaja pela camada rápida, ultrapassa a onda direta, que viaja pela camada lenta. Marcando o tempo da primeira chegada em cada geofone em função da distância à fonte obtém-se a dromocrónica (gráfico tempo-distância). Num modelo de duas camadas horizontais:

Onda direta:    t = x / V1
Onda refratada: t = x / V2 + t_i

• Cada reta tem declive igual ao inverso da velocidade: velocidade = 1 / declive = Δx / Δt.
• A reta da onda refratada, prolongada até x = 0, corta o eixo dos tempos no tempo de interceção t_i.
• As duas retas cruzam-se na distância de cruzamento x_c.

A profundidade da interface calcula-se por qualquer das duas fórmulas equivalentes:

h = (t_i / 2) × V1 × V2 / √(V2² − V1²)

h = (x_c / 2) × √[ (V2 − V1) / (V2 + V1) ]

As duas dão o mesmo resultado porque, no ponto de cruzamento, x_c / V1 = x_c / V2 + t_i, isto é, t_i = x_c × (1/V1 − 1/V2). Na prática a fórmula do tempo de interceção é a mais usada, porque t_i se lê com mais precisão do que x_c (que depende do sítio exato onde as duas retas se cruzam).

Ler as primeiras chegadas

A picagem (do inglês picking) é a leitura, em cada traço, do instante em que chega a primeira energia. Lê-se no primeiro desvio do traço em relação ao ruído de fundo, não no pico da onda. Os programas de interpretação ajudam, mas o técnico confirma traço a traço: um canal ruidoso, uma polaridade invertida ou um tiro fraco podem enganar a leitura automática.

Tiro direto e tiro inverso: camadas inclinadas

Se a interface for inclinada, um tiro só num extremo dá uma velocidade aparente para a camada de baixo, não a verdadeira. Por isso se dispara sempre nos dois extremos do dispositivo:

• Tiro direto e tiro inverso (em inglês, forward e reverse) medem o mesmo refrator nos dois sentidos.
• Disparando no sentido descendente da inclinação (a interface afunda-se para longe do tiro), a velocidade aparente é menor do que a verdadeira; no sentido ascendente, é maior.
• Para inclinações pequenas, a velocidade verdadeira aproxima-se pela média harmónica das duas aparentes:

V2 ≈ 2 × Vd × Vs / (Vd + Vs)

(Vd: velocidade aparente medida a disparar no sentido descendente; Vs: no sentido ascendente.)

• Os tempos de interceção também diferem nos dois tiros: a interface é mais profunda do lado onde o tempo de interceção é maior.
• Tempos recíprocos: o tempo de percurso de A até B tem de ser igual ao de B até A. Comparar os tempos recíprocos é um controlo de qualidade simples; uma diferença grande indica erro de picagem ou de sincronismo.

Interfaces irregulares no método convencional

O método de duas camadas planas é a base, mas a refração convencional tem técnicas para topos rochosos com algum relevo, que usam os tiros direto e inverso para calcular a profundidade sob cada geofone: o método dos tempos de atraso (delay times), o método mais-menos (plus-minus, de Hagedoorn) e o método recíproco generalizado (GRM). Todos continuam a interpretar o subsolo como camadas separadas por interfaces; quando isso deixa de ser razoável, passa-se à refração tomográfica (capítulo 7).

Limitações da refração: camada oculta e inversão de velocidade

Três camadas

Com três camadas de velocidades crescentes (V1 < V2 < V3), a dromocrónica tem três retas. Calcula-se primeiro a espessura da primeira camada (como no caso de duas camadas) e depois a da segunda, usando o segundo tempo de interceção. O raciocínio é o mesmo, com uma fórmula mais longa, que os programas de interpretação aplicam automaticamente; o que o técnico tem de garantir é que cada reta tem pontos suficientes para ser bem definida.

7. Refração sísmica tomográfica

A refração tomográfica usa o mesmo equipamento e o mesmo tipo de registo da refração convencional, mas muitos mais tiros ao longo do perfil e uma interpretação diferente: em vez de ajustar retas e camadas, um programa de inversão procura o modelo contínuo de velocidades que melhor explica todos os tempos de primeira chegada medidos.

Como funciona a inversão

1. Divide-se a secção por baixo do perfil numa malha de células (ou nós).
2. Parte-se de um modelo inicial (por exemplo, o resultado da refração convencional ou um gradiente de velocidade).
3. O programa traça os raios entre cada tiro e cada geofone através do modelo e calcula os tempos teóricos.
4. Compara os tempos teóricos com os medidos e corrige as velocidades das células atravessadas.
5. Repete (iterações) até a diferença ser pequena, medida em regra pelo erro médio quadrático (RMS) em milissegundos.

Geometria de aquisição

Refração convencional ou tomográfica?

Limites da tomografia

• Resolução decrescente com a profundidade: no fundo do modelo passam poucos raios; os bordos e a base da secção são as zonas menos fiáveis.
• Não-unicidade: vários modelos podem explicar os mesmos tempos; o modelo inicial e os parâmetros de suavização influenciam o resultado.
• Inversões de velocidade continuam a ser um problema, porque a tomografia de primeiras chegadas também só usa a energia que chega primeiro.
• Aspeto contínuo não é garantia: uma imagem bonita com um erro RMS elevado ou com poucos raios numa zona é uma imagem pouco fiável. O técnico confirma sempre a cobertura de raios e o erro final.

8. Reflexão sísmica

Numa interface com contraste de impedância acústica, parte da energia volta à superfície. Na reflexão mede-se o tempo duplo (ida e volta, em inglês two-way time): o tempo que a onda leva a descer até à interface e a regressar.

Tempo duplo e profundidade

Com fonte e recetor no mesmo ponto (afastamento nulo) e velocidade média V acima da interface:

t0 = 2h / V      logo      h = V × t0 / 2

Com a fonte e o recetor separados por um afastamento x, o tempo segue uma hipérbole:

t(x) = √( t0² + x² / V² )

A diferença entre t(x) e t0 chama-se sobretempo normal (normal moveout, NMO). Corrigir o NMO é "endireitar" a hipérbole, para que todas as reflexões do mesmo ponto fiquem ao mesmo tempo t0.

Ponto médio comum, correção NMO e empilhamento

O processamento de reflexão assenta em três ideias:

1. Ponto médio comum (CMP, common midpoint): pares fonte-recetor diferentes, com o mesmo ponto médio, iluminam o mesmo ponto de uma interface horizontal. Agrupam-se os traços por ponto médio.
2. Correção NMO: com a velocidade certa, as hipérboles de cada grupo ficam horizontais. A escolha da velocidade que melhor as endireita chama-se análise de velocidades.
3. Empilhamento (stacking): somam-se os traços corrigidos de cada grupo. A reflexão reforça-se; o ruído aleatório atenua-se, com uma melhoria da relação sinal/ruído aproximadamente proporcional a √N, sendo N a cobertura (número de traços por ponto médio).

A cobertura de um levantamento com todos os canais de um lado da fonte calcula-se por:

cobertura = (número de canais × espaçamento dos geofones) / (2 × espaçamento dos tiros)

Tomografia de reflexão

A tomografia de reflexão é uma técnica de processamento que aplica a lógica da inversão tomográfica aos tempos das reflexões, em vez dos tempos das primeiras chegadas. O programa ajusta um modelo de velocidades até que os tempos de reflexão calculados coincidam com os medidos, e esse modelo serve depois para colocar as reflexões na posição e profundidade certas. É uma técnica sobretudo de levantamentos de reflexão maiores e de processamento especializado; para o técnico de campo, o que muda é a exigência de boa cobertura e de registos limpos, porque a inversão só é tão boa quanto os tempos que lhe são dados.

Reflexão na prospeção mineral

• É o método sísmico com maior profundidade de investigação, usado para mapear contactos, dobras e falhas que controlam jazigos a centenas de metros.
• Em rochas cristalinas e metamórficas, típicas de muitos jazigos metálicos, as camadas não são tão contínuas como numa bacia sedimentar: o sinal é mais difícil de interpretar e exige processamento cuidado.
• Na Faixa Piritosa Ibérica a reflexão tem sido usada para cartografar a estrutura em profundidade; em Neves-Corvo fizeram-se levantamentos 2D e 3D e ensaios com recetores dentro da mina (capítulo 1). É um exemplo de como a sísmica de reflexão se usa em conjunto com gravimetria, métodos eletromagnéticos e sondagens.
• Existe também a reflexão de alta resolução a pequena profundidade (dezenas de metros), com fontes ligeiras e geofones de frequência mais alta, usada em geotecnia e na caracterização de aluviões.

9. Topo rochoso e espessura do capeamento

O referencial destaca dois conhecimentos que são, na prática, os resultados mais pedidos a um perfil sísmico: o topo rochoso e a espessura do capeamento de solo.

O que é o topo rochoso "sísmico"

Na geologia, a passagem do solo à rocha sã raramente é uma superfície nítida: há solo, rocha muito alterada, rocha alterada e fraturada e, por fim, rocha sã. A sísmica define o topo rochoso como a interface onde a velocidade aumenta de forma marcada. Isso significa que:

• O topo rochoso sísmico pode coincidir com o topo da rocha alterada ou com o topo da rocha sã, conforme o contraste de velocidades.
• O resultado deve ser sempre calibrado com sondagens (ou com um down-hole) para dizer a que material geológico corresponde a interface sísmica.
• Na refração tomográfica, onde a passagem é gradual, define-se o topo rochoso por uma isolinha de velocidade escolhida e justificada (por exemplo, a velocidade medida no topo da rocha num furo próximo).

Espessura do capeamento e volumes

A espessura do capeamento é a profundidade do topo rochoso medida a partir da superfície do terreno. Num perfil com topografia, as profundidades calculam-se em relação a cada ponto do perfil e depois convertem-se em cotas do topo rochoso (cota do terreno menos espessura).

Velocidade e facilidade de escavação

A velocidade sísmica da rocha é usada como indicador da facilidade de escavação: rocha lenta (alterada, fraturada) tende a poder ser escavada ou ripada com meios mecânicos; rocha rápida e maciça tende a exigir desmonte com explosivos. Os limites exatos dependem do tipo de rocha e do equipamento, e constam das tabelas dos fabricantes de máquinas; o técnico usa-os como orientação, nunca como garantia.

10. Down-hole

Quando existem furos de sondagem, é possível medir velocidades sísmicas com muito mais precisão vertical do que à superfície. No down-hole a fonte fica à superfície, a uma pequena distância da boca do furo (o afastamento), e um recetor (em regra um geofone triaxial, ou um hidrofone num furo com água) desce dentro do furo a profundidades sucessivas. Em cada profundidade dispara-se a fonte e regista-se o tempo de chegada. Obtém-se um perfil de velocidade em função da profundidade naquele ponto. Para ondas S usa-se uma prancha batida lateralmente e um geofone com componentes horizontais.

O ensaio está normalizado, por exemplo na norma ASTM D7400 (ensaios sísmicos down-hole), muito usada em geotecnia; os princípios aplicam-se igualmente à prospeção mineral.

Procedimento

1. Preparar o furo: confirmar a profundidade livre, a presença de água e o revestimento (tubo bem acoplado ao terreno, em regra com a folga cimentada, para a onda passar do terreno para o recetor).
2. Fixar a fonte a um afastamento constante da boca do furo (poucos metros), medido e anotado.
3. Descer o recetor até à primeira profundidade prevista e fixá-lo contra a parede (os recetores de furo têm um sistema de fixação).
4. Disparar e registar; repetir o disparo para confirmar o tempo (e, nas ondas S, disparar nos dois sentidos para inverter a polaridade).
5. Descer ao incremento seguinte (por exemplo 1 m) e repetir.
6. Continuar até à profundidade máxima de interesse.
7. Verificar a coerência do perfil de tempos ainda no terreno: um tempo que diminui com a profundidade é sinal de erro.

Correção do afastamento

Como a fonte não está exatamente sobre o furo, o raio percorre uma distância inclinada r = √(z² + a²), sendo z a profundidade do recetor e a o afastamento. Para obter o tempo vertical equivalente (admitindo trajeto retilíneo):

t_vertical = t_medido × z / r

A velocidade de intervalo entre duas profundidades é Δz / Δt_vertical.

O down-hole é o método de referência para calibrar a interpretação dos perfis de refração que passam perto do furo: dá, no mesmo ponto, a profundidade do topo rochoso e as velocidades reais das camadas.

11. Up-hole

O up-hole é a geometria inversa do down-hole: a fonte está dentro do furo, a profundidades sucessivas, e os geofones ficam à superfície, junto à boca do furo. Em prospeção sísmica é o método clássico para caracterizar a zona meteorizada (a camada superficial alterada e lenta): a sua espessura e velocidade servem para calcular as correções estáticas dos levantamentos de reflexão e de refração feitos na mesma zona. Quando se usa a mesma fonte em furo que o levantamento de reflexão (por exemplo, pequenas cargas), o up-hole aproveita os próprios furos de tiro.

Procedimento

1. Colocar os geofones à superfície, a pequena distância da boca do furo, e anotar a distância.
2. Posicionar a fonte à profundidade máxima prevista.
3. Disparar e registar.
4. Passar a fonte ao nível seguinte e repetir, até perto da superfície. O tempo de percurso da fonte até à superfície chama-se, em inglês, uphole time.
5. Aplicar aos tempos a mesma correção de trajeto inclinado do down-hole, se o afastamento dos geofones não for desprezável.

12. Cross-hole convencional

O cross-hole mede a velocidade sísmica entre furos. A fonte desce num furo e o recetor (ou os recetores) descem no(s) furo(s) vizinho(s), à mesma cota. Mede-se o tempo de percurso horizontal entre furos e, repetindo a várias profundidades, obtém-se um perfil vertical de velocidades da faixa de terreno entre os furos. Serve para detetar zonas de fraqueza, variações laterais e camadas finas que a refração não resolve.

A norma ASTM D4428 (ensaios sísmicos cross-hole) recomenda em regra três furos alinhados: um para a fonte e dois para recetores. Com dois recetores a distâncias diferentes, a velocidade calcula-se pela diferença de tempos entre os dois recetores, o que elimina qualquer atraso comum do sistema de disparo.

Verticalidade e distância real

Nenhum furo é perfeitamente vertical. Antes (ou depois) do ensaio, mede-se o desvio de cada furo com uma sonda de inclinação, em intervalos regulares de profundidade, e calcula-se a distância real entre furos a cada cota. Usar a distância medida à superfície introduz um erro que cresce com a profundidade.

Procedimento

1. Confirmar que os furos estão revestidos e acoplados ao terreno (e, se usarem hidrofones, cheios de água).
2. Medir as coordenadas das bocas dos furos e o desvio de cada furo em profundidade.
3. Descer a fonte e os recetores à mesma cota e fixá-los.
4. Disparar, registar e repetir para confirmar o tempo (para ondas S, com inversão de polaridade).
5. Passar à cota seguinte, com o mesmo incremento nos furos todos.
6. Calcular as velocidades com as distâncias reais a cada cota.

13. Cross-hole tomográfico

O cross-hole tomográfico alarga o princípio do cross-hole convencional: dispara-se a fonte a várias profundidades num furo e, para cada disparo, regista-se em várias profundidades no furo vizinho. Em vez de raios horizontais, obtém-se um leque de raios cruzados que atravessam o plano entre os furos em muitas direções. A inversão tomográfica desses tempos (a mesma lógica do capítulo 7) produz uma imagem contínua de velocidades no plano entre os furos.

Geometria e número de raios

Que anomalia se consegue ver

Limites

• A cobertura angular é limitada: não há raios verticais (só se mede de furo para furo), pelo que as anomalias tendem a aparecer alongadas na horizontal.
• A resolução depende do comprimento de onda e do espaçamento das posições: anomalias muito menores do que estas grandezas não aparecem.
• Quanto maior for a altura investigada em relação à distância entre furos, maior a variedade de inclinações dos raios e melhor a cobertura; com furos muito afastados face à altura, quase todos os raios são próximos da horizontal.
• A verticalidade e a posição exata das sondas continuam a ser críticas: um erro de posição transforma-se diretamente numa falsa anomalia.

14. Escolher o método certo

Visão de conjunto dos métodos sísmicos

A escolha depende sempre de três perguntas:

1. Onde está o alvo? Perto da superfície, em profundidade, ou entre furos já existentes?
2. Que profundidade e detalhe são precisos? Grande área com menos detalhe, ou zona pequena com muito detalhe?
3. Que recursos, acessos e tempo há? Há furos? É possível usar explosivos? Há ruído no local?

15. Segurança e saúde no trabalho: EPI e normas

O referencial exige utilizar os equipamentos de proteção individual e aplicar as normas de segurança e saúde no trabalho. Na prospeção sísmica os riscos são concretos e repetem-se em todos os levantamentos.

Riscos e medidas

Equipamentos de proteção individual

• Capacete de proteção, junto a fontes de impacto, taludes, frentes de pedreira e em mina.
• Óculos de proteção, sobretudo para quem manobra a marreta ou está junto à placa.
• Proteção auditiva, junto a fontes de impacto e explosivos.
• Luvas adequadas à manipulação de cabos, geofones, marreta e equipamento de furo.
• Calçado de proteção com biqueira e sola resistente, em terreno irregular.
• Vestuário de alta visibilidade, junto a vias, máquinas e em pedreiras.

Enquadramento legal em Portugal

• Lei n.º 102/2009: regime jurídico da promoção da segurança e saúde no trabalho; obriga o empregador a avaliar os riscos e a organizar a prevenção, e o trabalhador a cumprir as instruções e a usar corretamente o EPI.
• Decreto-Lei n.º 348/93 e Portaria n.º 988/93: prescrições mínimas para a utilização de equipamentos de proteção individual.
• Decreto-Lei n.º 182/2006: exposição dos trabalhadores ao ruído; a partir de 80 dB(A) de exposição diária o empregador tem de disponibilizar proteção auditiva e, a partir de 85 dB(A), a sua utilização é obrigatória.
• Decreto-Lei n.º 324/95: prescrições mínimas de segurança e saúde nas indústrias extrativas (minas e pedreiras), aplicáveis quando o levantamento decorre numa exploração.
• Explosivos: o operador tem de ter cédula de operador de substâncias explosivas, explosivos ou pólvoras, emitida pela PSP (Departamento de Armas e Explosivos), e a aquisição e o emprego de produtos explosivos precisam de autorização da PSP. Em minas e pedreiras aplicam-se ainda as regras próprias da exploração.

Sustentabilidade

O perfil sísmico é um método de baixo impacto, mas deixa marcas se for mal executado: repor o terreno nos pontos de tiro, fechar e selar furos que já não sejam precisos, recolher todo o material (espigões, fita, restos de cargas), respeitar culturas, muros e vedações, e preferir a fonte menos agressiva que responda à finalidade do trabalho.

Erros comuns

• Escolher o método sem definir primeiro a finalidade do trabalho, gastando tempo de campo sem responder à pergunta certa.
• Dimensionar o perfil "a olho", esquecendo que a onda refratada só é primeira chegada para lá de x_c, que é sempre maior do que 2h.
• Confundir geofones com intervalos: 24 geofones têm 23 intervalos.
• Fazer só o tiro direto num refrator que pode estar inclinado, e usar a velocidade aparente como verdadeira.
• Picar o pico da onda em vez do primeiro desvio do traço.
• Esquecer o tempo duplo na reflexão, e calcular o dobro da profundidade.
• Confundir o nível freático com o topo rochoso numa refração com ondas P.
• Ignorar a camada oculta e a inversão de velocidade, que a refração não vê.
• Confundir down-hole com up-hole, trocando a posição da fonte com a dos recetores.
• Não corrigir o afastamento da fonte no down-hole, sobretudo perto da superfície.
• Não verificar a verticalidade dos furos no cross-hole, introduzindo erro na distância e na velocidade.
• Saltar o disparo de teste e a verificação do tempo zero para poupar tempo.
• Trocar a ordem dos geofones no cabo sem atualizar a folha de campo.
• Retirar o EPI por incómodo depois de algum tempo de trabalho, quando o risco não diminui com a rotina.
• Confiar numa imagem tomográfica sem olhar para a cobertura de raios e para o erro final.

Glossário

• Prospeção sísmica: método geofísico que usa ondas mecânicas geradas artificialmente para caracterizar o subsolo.
• Perfil: linha de trabalho ao longo da qual se dispõem a fonte e os geofones.
• Dispositivo (spread): conjunto de geofones ligados ao sismógrafo num perfil.
• Topo rochoso: interface entre o solo e a rocha alterada (capeamento) e a rocha competente por baixo, definida na sísmica por um aumento marcado de velocidade.
• Capeamento de solo: camada de solo e material alterado acima do topo rochoso.
• Onda P: onda de compressão, a mais rápida; propaga-se em sólidos, líquidos e gases.
• Onda S: onda de corte (cisalhamento), mais lenta que a P; não se propaga em fluidos.
• Ondas de Rayleigh e de Love: ondas superficiais; as de Rayleigh são a base do MASW.
• Lei de Snell: relação entre os ângulos de incidência e de refração e as velocidades dos dois meios.
• Ângulo crítico: ângulo de incidência a partir do qual o raio refratado segue ao longo da interface; sen(ic) = V1/V2.
• Onda de cabeça: onda que viaja ao longo da interface à velocidade da camada inferior e regressa à superfície; é a explorada na refração.
• Dromocrónica: gráfico do tempo de primeira chegada em função da distância à fonte.
• Tempo de interceção: tempo em que a reta da onda refratada, prolongada, corta o eixo dos tempos.
• Distância de cruzamento: distância à fonte onde a onda direta e a refratada chegam ao mesmo tempo.
• Picagem: leitura do instante da primeira chegada em cada traço.
• Tiro direto e tiro inverso: disparos nos dois extremos do dispositivo, para medir o refrator nos dois sentidos.
• Camada oculta: camada que existe mas não produz primeiras chegadas.
• Inversão de velocidade: camada mais lenta por baixo de uma mais rápida; não produz onda de cabeça.
• Impedância acústica: produto da densidade pela velocidade; o seu contraste controla a reflexão.
• Tempo duplo: tempo de ida e volta de uma onda refletida.
• CMP (ponto médio comum): conjunto de traços com o mesmo ponto médio entre fonte e recetor.
• Correção NMO: correção do sobretempo que endireita as hipérboles de reflexão.
• Empilhamento: soma de registos (pancadas repetidas ou traços de um CMP) para melhorar a relação sinal/ruído.
• Cobertura: número de traços somados em cada ponto médio.
• Tomografia sísmica: inversão que constrói um modelo contínuo de velocidades a partir de muitos raios cruzados.
• Down-hole: fonte à superfície, recetor dentro do furo.
• Up-hole: fonte dentro do furo, recetor à superfície.
• Cross-hole: fonte e recetores em furos diferentes, à mesma cota (convencional) ou a várias cotas (tomográfico).
• Zona meteorizada: camada superficial alterada e lenta.
• Correção estática: correção de tempo que compensa o efeito da zona meteorizada e da topografia.
• Geofone: sensor que converte a velocidade de vibração do solo num sinal elétrico.
• Hidrofone: sensor de pressão usado em furos cheios de água.
• Sismógrafo: equipamento que amplifica, filtra, digitaliza e regista os sinais dos canais.
• Trigger (sistema de disparo): dispositivo que marca o instante zero do registo.
• EPI: equipamento de proteção individual.

Síntese

A prospeção sísmica em perfis segue sempre a mesma lógica: analisar o recurso mineral e a finalidade do trabalho → planear o perfil (comprimento a partir da profundidade e do contraste esperados, espaçamento, tiros, orientação) → montar e calibrar o equipamento (continuidade, polaridade, ruído, tempo zero, ganho e filtros) → escolher e executar o método de acordo com o alvo (refração convencional ou tomográfica e reflexão à superfície; down-hole, up-hole, cross-hole convencional ou tomográfico em furo) → interpretar com controlo (dromocrónica, tiros recíprocos, correção de afastamento, distâncias reais entre furos, calibração com sondagens) → executar em segurança, com EPI e normas de segurança e saúde no trabalho sempre presentes → documentar tudo na folha de campo. As contas são simples; o que distingue um bom técnico é saber quando cada fórmula se aplica e que erro a deita abaixo.

Exercícios resolvidos

1. Uma equipa quer saber a profundidade do topo rochoso ao longo de uma grande área, com terreno regular. Que método escolher e porquê?

Resolução: refração convencional. O terreno é regular (a hipótese de camadas aproximadamente planas é razoável), a área é grande e não há indicação de necessidade de grande detalhe, pelo que o método mais rápido e simples de interpretar responde à finalidade. Dispara-se nos dois extremos (tiro direto e inverso) para controlar uma eventual inclinação, e calibra-se com uma sondagem se existir.

2. Um perfil de refração convencional mede V1 = 400 m/s, V2 = 1800 m/s e uma distância de cruzamento de 16 m. Calcula a profundidade do topo rochoso e o tempo de interceção.

Resolução: h = (x_c / 2) × √[(V2 − V1) / (V2 + V1)] = (16 / 2) × √(1400 / 2200) = 8 × √0,636 ≈ 8 × 0,798 ≈ 6,4 m. Tempo de interceção: t_i = x_c × (1/V1 − 1/V2) = 16 × (0,002500 − 0,000556) = 16 × 0,001944 ≈ 0,0311 s = 31,1 ms. Verificação: h = (t_i / 2) × V1 × V2 / √(V2² − V1²) = 0,01555 × 720 000 / √3 080 000 ≈ 11 196 / 1755 ≈ 6,4 m. As duas fórmulas coincidem.

3. Numa dromocrónica, a reta da onda refratada passa pelos pontos (30 m; 45 ms) e (60 m; 60 ms). Calcula V2 e o tempo de interceção.

Resolução: V2 = Δx / Δt = (60 − 30) / (0,060 − 0,045) = 30 / 0,015 = 2000 m/s. Tempo de interceção: t_i = 60 ms − 60 / 2000 s = 60 − 30 = 30 ms.

4. Um tiro direto dá uma velocidade aparente de 1800 m/s para o refrator e o tiro inverso dá 2250 m/s. Qual a velocidade verdadeira aproximada e em que sentido afunda a interface?

Resolução: V2 ≈ 2 × 1800 × 2250 / (1800 + 2250) = 8 100 000 / 4050 = 2000 m/s. A velocidade aparente mais baixa corresponde a disparar no sentido em que a interface afunda: a interface afunda no sentido do tiro direto, isto é, afasta-se da superfície à medida que se avança a partir do ponto desse tiro.

5. Uma reflexão chega com tempo duplo de 80 ms, com velocidade média de 2500 m/s. A que profundidade está a interface?

Resolução: h = V × t0 / 2 = 2500 × 0,080 / 2 = 100 m. Quem se esquecer de dividir por 2 obtém 200 m, o dobro.

6. Num down-hole com a fonte a 2 m da boca do furo, o tempo medido com o geofone a 3 m é 8,65 ms. Qual o tempo vertical corrigido?

Resolução: r = √(3² + 2²) = √13 ≈ 3,61 m. t vertical = 8,65 × 3 / 3,606 ≈ 7,20 ms. Sem a correção, a velocidade média até aos 3 m seria 3 / 0,00865 ≈ 347 m/s; com a correção, 3 / 0,00720 ≈ 417 m/s.

7. Porque é que o up-hole é o método clássico para corrigir os levantamentos de superfície na zona meteorizada?

Resolução: porque mede diretamente, com a fonte a várias profundidades e o recetor à superfície, o tempo vertical através da zona meteorizada, dando a sua espessura e velocidade. Com esses dois valores calcula-se a correção estática que retira aos tempos dos levantamentos de superfície o atraso introduzido por essa camada lenta.

8. Numa medição de cross-hole convencional, o técnico não verificou a verticalidade dos furos. Que consequência pode ter?

Resolução: a distância real entre furos à profundidade medida pode ser diferente da medida à superfície. Como a velocidade é distância a dividir pelo tempo, o erro relativo na distância passa, igual, para a velocidade: um desvio de 0,40 m em 5,40 m dá cerca de 7 % de erro, e pode levar a interpretar como "zona de fraqueza" o que é só um furo desviado.

9. Que método escolherias para localizar uma cavidade suspeita, de posição incerta, entre dois furos existentes? E quantos raios terias com posições de 0,5 m entre os 10 m e os 20 m em ambos os furos?

Resolução: cross-hole tomográfico, que combina disparos e receções a várias profundidades e permite localizar uma anomalia de posição incerta. De 10 a 20 m, com passo de 0,5 m, há 10 / 0,5 = 20 intervalos, logo 21 posições por furo e 21 × 21 = 441 raios.

10. Antes de iniciar um levantamento, a equipa salta o disparo de teste "para poupar tempo". Que risco corre?

Resolução: o disparo de teste confirma que todos os geofones respondem de forma semelhante e com a mesma polaridade, e que o tempo zero está certo. Sem ele, um erro (por exemplo um atraso de 2 ms no disparo, que num capeamento lento desloca a profundidade cerca de 0,5 m) repete-se em todo o perfil sem ser detetado e só se percebe em escritório, quando já não é possível corrigir sem voltar ao local.