Métodos Eletromagnéticos Introdução Introdução Fontes VLF

2
Introdução
Métodos Eletromagnéticos
Em 1963, na Suécia, percebeu-se que campos VLF
aplicar-se-iam na prospecção de corpos condutores.
Demonstrou-se que, na superfície na terra,
o campo magnético horizontal aumentava nos locais sobre
corpos condutores, enquanto o |Hz| atingia valores mínimos.
A direção do campo horizontal sofre grande mudança, em locais
coincidentes com aqueles em que este campo se torna máximo.
MÉTODOS ELETROMAGNÉTICOS
Métodos a fontes distantes
VLF
October 10
Estes fatos são consistentes com a percepção de que
uma corrente elétrica percorre a borda superior do
corpo condutor.
Hédison K. Sato
3
Introdução
O método VLF é tipicamente feito em terra mas foram
construídos para levantamentos aéreos.
Basicamente, medem a inclinação do campo magnético
ou a intensidade dos componentes horizontal e vertical
dos campos magnéticos.
Alguns equipamentos medem também os componentes do
campo elétrico, além dos três componentes do campo
magnético, de forma similar ao que se faz no método magnetotelúrico.
⌧Isto permite calcular a impedância da onda EM.
Transmissor VLF portátil
O transmissor usual pode ser desligado sem avisos.
4
Fontes VLF
As primeiras construções datam de 1910 a 1912 para
comunicação a grandes distâncias.
Em 1903, Guglielmo Marchese Marconi fez a 1ª transmissão
telegráfica sem, enviando do Cabo Cod (USA) para a Inglaterra,
uma mensagem do então presidente americano Theodore
Roosevelt, para o Rei da Inglaterra, Eduardo VII.
As fontes de ondas VLF são potentes transmissores para
comunicações navais.
É útil para comunicações globais devido a baixa atenuação dentro
da cavidade terra-ionosfera.
Embora pequena, possui uma penetração efetiva na água do mar,
suficiente para que submarinos captem os sinais VLF.
5
Fontes VLF
6
Fontes VLF
Com λ≈15 km, antena com 200 a 300 m de altura é
eletricamente muito pequena.
Transmissor NLK: 24.8 kHz, 125kW, aproximadamente
2,5 km2 a área coberta pela antena
Em “Ondas médias”, a frequência é de 520 kHz a 1610 kHz.
Isso exige a adição de um carga de topo, formada por um grande
conjunto de fios estendido horizontalmente (≈106 m2), para
aumentar a capacitância do conjunto, que funciona com um
indutor em série.
A potência irradiada é dada por
P ≈ 7 x 10-13 V2 C2 he2 f4
Para atingir potências de até 1MW, a voltagem precisa ser da
ordem de centenas de kilovolts (C=0,2 μF, he=150m, e f=15kHz).
Antena Jim Creek
Estação NLK
Próximo a
Seattle
7
Transmissores VLF
Transmissores VLF
Obtido do endereço
http://www.abem.se/products/wadi/vlf-freq.pdf
Freq.
(kHz)
15.1
15.3
15.5
15.6
15.7
16.0
16.2
16.3
16.4
16.6
16.8
17.0
17.1
17.4
17.6
17.8
17.9
18.0
18.1
18.2
18.3
18.5
Siglas
FUO HWU VTI
NHB NPN NPM NLK NEJ
NWC NPM NAA NSS
EWB
NPM NSS NAK NPL NPG
GBR
UGK JAP
VTX
JXN
NPM NSS NAK
FTA
VTX
UMS
NDT
JXZ
NPM NAA NSS
UBE
NBA NPL NPG NLK
UPD
VTX NSS JJH
HWU
DHO NAA
Freq.
(kHz)
18.6
18.7
18.9
19.0
19.1
19.2
19.4
19.5
19.6
19.8
19.9
20.2
20.3
20.5
20.8
21.0
21.2
21.4
21.6
21.8
21.9
Siglas
NHB NPN NPM NAA NLK NPG NEJ
JJI
UMB
GQD NPM NSS
JJI
VTX
NHB NPN NPM NEJ NLK
3SA
GBZ
NWC NPM NLK NPL NPG TBA
JJI
JJIICV
JJI
3SA 3SB
ICV
3SA
JJI
NPM NAA NSS
3SB
TBA
JJI
8
Freq.
(kHz)
22.2
22.3
22.6
22.8
22.9
23.3
23.4
24.0
24.8
25.3
25.5
25.8
26.1
27.0
27.5
27.7
28.0
28.5
28.6
29.0
30.0
Siglas
JJI
NWC NAA NLK NPC NSS NPM
GBR
NWC
JJI
JJI
NPM
NPM NBA NSS NLK
NLK
NAA
3SB
NSS NAA
NPM NLK NPG NEJ
RCV NAU
NAU
3SB
DHO, 3SB
NAU NPL
RAM
3SA
UNW
Obtido do endereço
http://www.abem.se/products/wadi/vlf-freq.pdf
Estação
Localização
País
3SA
3SB
DHO
EWB
FTA
FUO
GBR
GBZ
GQD
HWU
ICV
JAP
JJH
JJI
JXN
JXZ
NAA
NAK
NAU
NBA
NDT
Changde
Datong
Burlage
Odessa
Assise
Croix
Rugby
Rugby
Rugby
Le Blanc
Tavolara
Yosami
Kure
Ebino
Helgeland
Helgeland
Cutler ME
Annapolis
Aguada
Balboa
Yokosukaichi
China
China
Germany
Ukraine
France
France
UK
UK
UK
France
Italy
Japan
Japan
Japan
Norway
Norway
USA
USA
Puerto Rico
Panama
Japan
Estação
Localização
Coordenadas
29N04
111 E43
NEJ
Seattle
39N56
113 E15
NHB
Kodiak
53N05
007 E37
NLK
Oso Wash
46N29
030 E44
NPC
Seattle
48N32
002 E34
NPG
S Francisco
44N45
000 W48
NPL
S Diego
52N22
001 W11
NPM
Pearl Harbor
52N22
001 W11
NPN
Guam
52N22
001 W11
NSS
Washington
46N37
001 E05
NWC
North West Cape
40N55
009 E45
RAM
Moscow
34N58
137 E01
RCV
Rostov
34N14
132 E34
TBA
Antalya
32N05
131 E51
UBE
Petrolovsk
66N25
013 E01
UGK
Kaliningrad
66N25
013 E01
UMB
Rostov
44N39
067 W17
UMS
Moscow
38N59
076 W28
UNW
Kaliningrad
18N23
067 W11
UPD
Murmansk
09N04
079 W39
VTI
Bombay
34N58
137 E01
VTX
Vijayanarayanam
País
USA
Alaska
USA
USA
USA
USA
Hawai
Guatamala
USA
Australia
Russia
Russia
Turkey
Russia
Russia
Russia
Russia
Russia
Russia
India
Índia
Coordenadas
47N41
122 W15
57N45
152 W30
48N12
121 W00
47N35
122 W32
38N06
122 W16
32N44
117 W05
21N25
158 W09
13N34
144 E50
38N59
076 W27
21S47
114 E09
55N49
037 E18
47N18
039 E48
36N53
030 E43
52N59
158 E39
54N42
020 E30
57N14
039 E48
55N49
037 E18
54N45
020 E30
68N58
033 E05
19N00
073 E00
08N26
077 E44
9
Transmissores VLF
Do endereço
http://www.smeter.net
25.0 kHz, PWB, potência
desconhecida, em Belém (PA),
da Marinha do Brasil.
30.00 kHz, PWI, , potência
desconhecida, em Recife (PE),
da Marinha do Brasil.
24.0 kHz, NAA, 1000 kW, U.S.
Navy communication station
at Cutler, Maine. This station
is part of the NATO
Interoperable Submarine
Broadcast System.
10
Estações VLF testadas
FUX 18300 - França
NAA 24000 - EUA
GBR 22600 - Inglaterra
19.8 kHz, NWC, 1000 kW,
U.S. Navy communication
station Harold E. Holt at
Exmouth, Australia, that is
operated by the Royal
Australian Navy.
20.0 kHz, VLF, 6 kW, VLF
beacon station located near
the South Pole in Antarctica.
Operated by Stanford
University. The transmitting
antenna is a 7 km horizontal
wire dipole 4 to 5 feet above
the ice. It transmits oneminute duration beacon
signals at 15-minute intervals.
11
Intensidade do sinal VLF
• Uma antena curta, de altura h, sobre uma terra plana e
perfeitame nte condutora :
η I h ⎛ iβ 1
i ⎞
E z = 0 0 ⎜ + 2 − 3 ⎟ e −iβr eiωt (V/m )
2π ⎝ r r β r ⎠
I h iβ 1
H φ = 0 ⎛⎜ + 2 ⎞⎟ e −iβr eiωt (A/m )
2π ⎝ r r ⎠
12
onde I 0 eiωt é a corrente na base da antena, η 0 = (μ 0 ε 0 )
≈ 120π Ω, β , const. propag. de fase (β = 2πλ−1 ).
Termos eletrostático (r −3 ), indução (r − 2 ) e propagação (r −1 ).
12
Intensidade do sinal VLF
• Em função da potência em lugar da corrente elétrica :
P
(V/m )
E z = 9.5
r
E
(A/m )
Hφ = z
η0
onde P é dados em W.
• Em db
⎛ E (mV/m ) ⎞
E z [db, 1mV/m ] = 20 log⎜ z
⎟
⎝ 1 mV/m ⎠
13
Intensidade do sinal VLF
14
Transmissores VLF
Em condições reais, a modelagem teórica tem que
considerar diversos fatores:
Curvatura da Terra.
A presença da ionosfera e sua altitude, que varia ao longo do
dia.
O fenômeno passa a ter modos de propagação.
A Terra e a ionosfera não são condutores perfeitos.
Eficiência do transmissor em excitar o modo de mais baixa
ordem.
Estação NAA Cutler, Maine
24 kHz, 1000 kW
15
Transmissores VLF
Estação NSS Anapolis, Maryland
21.4 kHz, 400 kW
16
Transmissores VLF
Estação NAU Porto Rico
28.5 kHz, 100 kW
17
Transmissores VLF
18
Ruído atmosférico
Relâmpagos
América Central e parte central da América do Sul
África Central
Arquipélagos do sudeste asiático.
Como a corrente é substancialmente vertical,
O comportamento do campo é similar ao do VLF.
A radiação de relâmpago próximos tendem a ser curtos em
duração (“spike”), associados a cada uma das descargas.
Em situações distantes, a radiação inclui as contribuições de
diversas tempestades e tendem a ter uma distribuição
Gaussiana de amplitude, se medida com um receptor de banda
estreita.
Estação GBR Rugby, England
16 kHz, 750 kW
19
Ruído atmosférico
20
Ruído atmosférico
Julho, 08 : 00 UT
db > 1μV/m,
largura da banda 1kHz
Julho, 16 : 00 UT
db > 1μV/m,
largura da banda 1kHz
21
Ruído atmosférico
22
Ruído atmosférico
Julho, 20 : 00 UT
db > 1μV/m,
largura da banda 1kHz
Janeiro, 08 : 00 UT
db > 1μV/m,
largura da banda 1kHz
23
Ruído atmosférico
24
Ruído atmosférico
Janeiro, 16 : 00 UT
db > 1μV/m,
largura da banda 1kHz
Janeiro, 20 : 00 UT
db > 1μV/m,
largura da banda 1kHz
25
26
Comportamento do campo VLF
Comportamento do campo VLF
Terreno com variação
de resistividade, lenta
e suave entre as
regiões.
Decaimento exponencial
dos campos magnético
e elétrico longitudin al
27
Comportamento do campo VLF
28
Método VLF (receptor)
Marca: Iris Instruments.
O sensor, levado às costas, interliga-se
a um controle das medições,
visualização e armazenamento de
dados.
Mede
(i) inclinação do eixo maior da elipse de
polarização do campo magnético e
(ii) resistividade aparente, com a medição
do campo elétrico.
29
Levantamento
30
VLF: dique vertical enterrado
Para um bom resultado, observar
Parâmetros :
• σ 1t1 : condutânci a transversa l do dique
produto da condutividade pela espessura.
• σ 2 : condutividade da encaixante
• número de indução
O transmissor VLF escolhido (frequência) deve estar alinhado
com as direções das estruturas geológicas de interesse.
As medições devem
antena de rádio
ser feitas em linhas
resposta
perpendiculares às
VLF
estruturas geológicas.
⎛ μω σ 2 ⎞
L1 = ⎜
⎟ (σ 1t1 )
⎝ 2 ⎠
• " skin depth" da encaixante
12
tra
ço
ângulo de
inclinação
linha de medição
dique
12
dique condutivo
⎛ 2 ⎞
δ2 = ⎜
⎟
⎝ μωσ 2 ⎠
campo
magnético
primário
31
VLF: dique vertical enterrado
Ângulo de mergulho em graus e elipsidade (- - --) em %.
Condutância transversa l σ 1t1 = 1 S, com encaixante s
de resistividades diversas.
σ1
σ2
t1
32
VLF: dique recoberto
Diques recobertos vertical e inclinado. Valores (em %) da
tangente do ângulo de mergulho e da elipsidade.
Ábaco p/ análise de dados de
VLF: dique vertical enterrado
33
34
Efeito topográfico
h é a prof. do topo do dique condutor, δ 2 é o " skin depth"
da encaixante , e L1 = (μωρ 2 2 )
12
(σ 1t1 )
35
Efeito topográfico
É função da variação topográfica em relação ao “skin
depth”, portanto qualquer ação depende do
conhecimento da resistividade do terreno.
Direção do relevo paralelo à direção de propagação
Quando o “skin depth” muito menor que a elevação, o campo
magnético tende a ficar paralelo com o terreno, e, portanto,
afeta o “dip-angle” em valores similares à inclinação do terreno.
Quando o “skin depth” muito maior que a elevação, a anomalia
tende a ser pequena.
Direção do relevo normal à direção de propagação:
Não há anomalia magnética.
36
Filtragem
Pela forma adotada para as medições (razão Hz/Hh), um
cruzamento por zero ocorre sobre os corpos, e.g.,
diques verticais. Tais medidas são inadequadas para
contorno.
Filtro de Fraser (Fraser, 1969)
Desloca o dado de dip-angle de 90º convertendo cruzamento e
inflexões em picos.
Atenua longos comprimentos de onda espaciais.
Não aumenta o ruído do dado.
v2,5 = (v1 + v2 − v3 − v4 ) 4 . Alguns não dividem por 4.
37
Filtragem
38
Filtragem
Diversos
condutores .
Como um
todo, a
estrutura
permanece
um pouco
obscura.
O dado
filtrado
melhorou
a informação .
39
Filtragem
40
Filtragem
41
Aplicações
Bibliografia:
Zonas fraturadas
Ocorrência de argilas
Cavidades com ar ou água
Sítios com lixo enterrado
Tubulações metálicas em geral
Diques mineralizados
Variações da profundidade do embasamento
Variações laterais da resistividade elétrica
El-Arabi H. S., Ismail, A. M., Tamer, E. A., 2008, On the
use of gravity and magnetic anomalies for locating
probable areas of metallic mineralization in Sout Sinai,
Egypt. Arab J geosci, 1:137-147.
Fraser, D. C., 1969, Contouring of VLF-EM data.
Geophysics, 34, 958-967.
Keller, G. V. e Frischknecht, F. C., 1966, Electrical
methods in geophysics, Pergamon Press, New York.
43
Bibliografia:
McNeill, J. D. e Labson, V. F., 1991, Geological mapping
using VLF radio fields. In: Nabighian, M. N.,
Electromagnetic methods in applied geophysics, V.2,
Theory, p. 521-640.
Telford, W. M., Geldart, L. P., Sheriff, R. E. e Keys, D.
A., 1978, Applied geophysics. Cambridge Univ. Press.
42