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Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Centro de Ciências Exatas e da Terra
Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Imageamento Digital de Paleocavernas Colapsadas com
Georadar
Autor:
THALES EDUARDO SILVA DE JESUS
Orientador:
Prof. Dr. FRANCISCO PINHEIRO LIMA FILHO
Dissertação n. 111/PPGG
Natal-RN, abril de 2012
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEODINÂMICA E GEOFÍSIC A
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Imageamento Digital de Paleocavernas Colapsadas com
Georadar
Autor:
THALES EDUARDO SILVA DE JESUS
Dissertação apresentada ao
Programa de Pós-Graduação em
Geodinâmica e Geofísica –
PPGG, da Universidade Federal
do Rio Grande do Norte como
requisito à obtenção do grau de
MESTRE em Geodinâmica.
Comissão Examinadora:
Prof. Dr. Francisco Pinheiro Lima Filho (Orientador – PPGG/UFRN)
Prof. Dr. David Lopes de Castro (PPGG/UFRN)
Dr. Cláudio Pires Florencio (PETROBRAS /UO-RNCE)
Natal-RN, abril de 2012
i
AGRADECIMENTOS
Ao Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica (PPGG) pela oportunidade
de cursar este mestrado.
Ao Prof. Dr. Francisco Pinheiro Lima Filho pela dedicação e orientação para que esse
trabalho fosse realizado.
À Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) e PRH-22 pelo
fornecimento da bolsa de pesquisa.
Ao Laboratório de Análises Estratigráficas (LAE) pela indispensável infraestrutura
concedida.
À PETROBRAS pelo financiamento do projeto “Imageamento digital de afloramentos
carbonáticos em paleocavernas colapsadas para elaboração de modelos estáticos 3D”, o qual
viabilizou a produção dessa dissertação.
A dGB Earth Sciences pelo fornecimento da licença educacional do software Opendtect.
À todos os integrantes e ex-integrantes do Grupo de Estudos de Análogos a Reservatórios
Petrolíferos (GEA) que participaram de forma direta e indireta na confecção dessa dissertação:
Alexandre, Anderson, Bruno, Prof. David, Feitosa, Henrique, Jadeilson, João, Lucila, Mek,
Tatiana, Victor e Washington.
À Nilda Araújo pelas conversas, conselhos e chocolates.
Aos meus amigos que de departamento de geologia e do PPGG que mesmo com a
distância continuaram companheiros: Arthur Victor, Ana Catarina, Dalton Rosenberg, Felipe
Barbalho, Gustavo Rocha, Mayara Aquino, Poliana Linhares, Thiago Aquino, Vanessa Sousa e
Williame Cocentino.
À Patrícia pela compreensão, carinho e amor em todos os momentos difíceis e alegres.
Aos meus pais, Carlinhos e Socorro, e irmãs, Érika e Larissa, pelo apoio, paciência,
compreensão e exemplo não só nesse período, mas em toda a minha vida.
ii
RESUMO
Nesse trabalho são apresentados os procedimentos metodológicos envolvidos no
imageamento digital de paleocavernas colapsadas em tufas carbonáticas que ocorrem na borda
oeste da Bacia Potiguar com GPR. Foi mapeada uma área em Quixeré (CE) e selecionado um
afloramento em um corte de estrada, denominado de Afloramento Quixeré. Foi escolhida uma
porção deste afloramento para confecção de um fotomosaico e levantamento de uma seção-teste
com o GPR para a comparação e parametrização das geometrias cársticas aflorantes e imageadas
na linha geofísica. Os resultados foram satisfatórios e permitiram a adoção de critérios para a
interpretação das paleocavernas colapsadas em outras seções GPR, levantadas na região do
afloramento. Foram adquiridas duas malhas de linhas GPR, a primeira mais ampla e espaçada
norteou a locação da segunda, mais adensada, na porção sul do Afloramento Quixeré. Nos
radargramas foram interpretadas e parametrizadas as geometrias das principais paleocavernas
colapsadas. Para cada malha foi elaborado um modelo de sólido digital do Afloramento Quixeré,
sendo que o primeiro modelo permitiu o reconhecimento da distribuição geral das tufas e a
localização das paleocavernas colapsadas, enquanto o segundo modelo digital, por ser mais
detalhado, possibilitou não apenas a individualização 3D das principais paleocavernas, mas
também o cálculo dos seus respectivos volumes. Os modelos de sólidos digitais são aqui
apresentados como uma nova fronteira no estudo de afloramentos análogos a reservatórios
(hídricos ou petrolíferos), na qual a parametrização e a caracterização volumétrica dos corpos
geológicos passam a ser fundamental para compor bancos de dados, que conjuntamente com
informações de propriedades petrofísicas são utilizados em simulações computacionais mais
realísticas de reservatórios.
PALAVRAS-CHAVE
Paleocaverna Colapsada, GPR, Afloramento Análogo, Modelo de Sólido Digital
iii
ABSTRACT
In this study, the methodological procedures involved in digital imaging of collapsed
paleocaves in tufa using GPR are presented. These carbonate deposits occur in the Quixeré
region, Ceará State (NE Brazil), on the western border of the Potiguar Basin. Collapsed
paleocaves are exposed along a state road, which were selected to this study. We chose a portion
of the called Quixeré outcrop for making a photomosaic and caring out a GPR test section to
compare and parameterize the karst geometries on the geophysical line. The results were
satisfactory and led to the adoption of criteria for the interpretation of others GPR sections
acquired in the region of the Quixeré outcrop. Two grids of GPR lines were acquired; the first
one was wider and more spaced and guided the location of the second grid, denser and located in
the southern part of the outcrop. The radargrams of the second grid reveal satisfactorily the
collapsed paleocaves geometries. For each grid has been developed a digital solid model of the
Quixeré outcrop. The first model allows the recognition of the general distribution and location
of collapsed paleocaves in tufa deposits, while the second more detailed digital model provides
not only the 3D individualization of the major paleocaves, but also the estimation of their
respective volumes. The digital solid models are presented here as a new frontier in the study of
analog outcrops to reservoirs (for groundwater and hydrocarbon), in which the volumetric
parameterization and characterization of geological bodies become essential for composing the
databases, which together with petrophysical properties information, are used in more realistic
computer simulations for sedimentary reservoirs.
KEY WORDS
Collapsed Paleocave, GPR, Analog Outcrop, Digital Solid Model
ÍNDICE
Agradecimentos............................................................................................ i
Resumo ........................................................................................................ii
Abstract........................................................................................................ iii
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................. 01
1.1 Apresentação .............................................................................. 01
1.2 Objetivos ..................................................................................... 01
1.3 Justificativa do Tema................................................................... 02
1.4 Localização da Área Estudada.................................................... 02
2. METODOLOGIA .......................................................................................... 04
2.1 Etapas do trabalho / estratégia metodológica ............................. 04
2.2 Tecnologias e equipamentos utilizados....................................... 06
2.2.1 Ground Penetrating Radar........................................... 06
2.2.2 Atributos utilizados no realce das Paleocavernas
Colapsadas .................................................................. 11
2.2.3 GPS Geodésico ........................................................... 13
3. ARTIGO - Imageamento Digital de Paleocavernas Colapsadas com Georadar ... 16
4. CONCLUSÕES ............................................................................................ 41
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................. 42
Jesus, T. E. S. 2012 Dissertação de Mestrado
1
1. INTRODUÇÃO
1.1 Apresentação
Esta dissertação é um dos pré-requisitos necessário para a obtenção do título de Mestre
em Geodinâmica e Geofísica no Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica
(PPGG) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
O trabalho foi realizado com o uso da infraestrutura e recursos humanos do
Laboratório de Análises Estratigráficas (Grupo de Estudos de Análogos a Reservatórios
Petrolíferos LAE/GEA) e contou com o apoio financeiro do projeto “Imageamento digital de
afloramentos carbonáticos em paleocavernas colapsadas para elaboração de modelos
estáticos 3D” (PETROBRAS/ANP).
O estudo mostra o desenvolvimento metodológico para imagear e modelar
paleocavernas colapsadas, com o uso de Georadar (Ground Penetrating Radar - GPR) e do
software Opendtect, tendo como área piloto um afloramento de rochas carbonáticas, na borda
oeste da Bacia Potiguar, no Município de Quixeré (CE).
Essa dissertação foi formatada com a apresentação de uma introdução sobre o assunto,
a qual engloba os objetivos, justificativas e a localização da área estudada; a metodologia
desenvolvida e os procedimentos utilizados. E, finalmente, é apresentado um artigo,
submetida à Revista Geologia USP - Série Científica, que foi elaborado com os seguintes
tópicos: Resumo, Abstract, palavras chave, Introdução, Contexto Geológico, Feições
Cársticas, Metodologia, Resultados e Interpretações e Conclusões.
1.2 Objetivos
O objetivo principal desta dissertação é apresentar os procedimentos metodológicos
desenvolvidos para realizar o imageamento e visualização 3D das geometrias de
paleocavernas colapsadas. Consistiu ainda como parte dos objetivos desta dissertação realizar
o mapeamento em uma área localizada no Município de Quixeré (CE), borda oeste da Bacia
Potiguar, para a localização de paleocavernas colapsadas; desenvolver uma metodologia para
o imageamento digital (2D) das paleocavernas colapsadas com o uso do GPR; desenvolver
uma metodologia para interpretação dos radargramas e interpolação das geometrias
indicativas de paleocavernas colapsadas; e, desenvolver uma metodologia para elaborar
modelos de sólidos digitais.
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1.3 Justificativa do Tema
O reconhecimento da geometria e do preenchimento sedimentar de reservatórios de
hidrocarbonetos do tipo paleocavernas colapsadas é fundamental para a exploração de
petróleo, uma vez que estes normalmente apresentam uma história de formação complexa,
com uma pronunciada variação lateral, exibindo um grau acentuado de heterogeneidade. O
estudo de afloramentos análogos a reservatório do tipo paleocaverna colapsada (analogs of
collapsed paleocave hydrocarbon reservoir) parece oferecer a melhor aproximação para o
entendimento de sua evolução, com base em modelos virtuais 3D. Isto é possível a partir da
aplicação de métodos geofísicos não invasivos como o Ground Penetrating Radar (GPR) que
permite a identificação dos parâmetros geométricos necessários para o imageamento das
paleocavernas colapsadas. O GPR tem como característica a capacidade de imagear a
subsuperfície rasa (near-surface) com resolução submétrica, distinguindo as fácies
carbonáticas e permitindo ainda a aquisição de dados 2D. Estas informações obtidas segundo
malhas pré-definidas permitem a elaboração de modelos de sólidos digitais 3D que podem ser
visualizados em softwares específicos. Permitem ainda que sejam extraídos parâmetros
geométricos para a realização de modelagem estocástica.
Embora alguns estudos sobre esse tema já tenham sido realizados (e.g. McMechan et
al., 1998; Loucks et al., 2004; Guidry et al., 2007), ainda se fazem necessários muitos avanços
para o desenvolvimento metodológico do imageamento digital deste tipo de rocha sedimentar
para que assim se obtenha um conhecimento mais elevado sobre as geometrias internas, em
diferentes escalas, dos reservatórios petrolíferos do tipo paleocavernas colapsadas.
1.4 Localização da Área Estudada
A área em estudo se encontra na borda oeste da Bacia Potiguar, no Município de
Quixeré (CE), cujo acesso, a partir de Natal, pode ser feito pela BR-304 até Mossoró,
seguindo depois pela RN-015, passando pelo Município de Baraúna e, por último, pela CE-
377 até Quixeré (Figura 1.1).
O levantamento dos dados foi realizado seguindo uma malha composta por 9 perfis,
denominados por Longitudinais (sentido NE-SW), e 4 Transversais (sentido NW-SE), os
quais totalizam 872,42 m de linhas de GPR (Figura 1.2).
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Figura 1.1 – Localização da área de estudo.
Figura 1.2 - Distribuição das linhas GPR no Afloramento Quixeré. Em vermelho a malha 1, em azul a malha 2 e em amarelo a seção-teste.
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2. METODOLOGIA
2.1 Etapas do trabalho / estratégia metodológica
Para a elaboração deste trabalho, o desenvolvimento foi divido em três etapas, pré-
campo, campo e pós-campo.
Etapa de pré-campo
Essa etapa teve como o enfoque o conhecimento geológico e tecnológico para a
identificação e imageamento das paleocavernas colapsadas, consistindo em:
• Levantamento bibliográfico de vários artigos que tratam do assunto paleocavernas
colapsadas;
• Seleção dos equipamentos e tecnologias que mais se adéquam para o imageamento digital
das paleocavernas colapsadas no afloramento.
Etapa de campo
Nesse momento, todos os dados geológicos e aquisições geofísicas foram levantados:
• Mapeamento Geológico: realizado com o auxílio de imagens de satélite da região do
Município de Quixeré (CE), as quais serviram para a localização em campo dos
prováveis lugares onde poderiam ser encontradas paleocavernas colapsadas, no caso a
escarpa, que em planta delimita as formações Açu e Jandaíra. Nessa escarpa ao longo de
sete dias foram visitados alguns afloramentos;
• Seleção do afloramento: o que propiciou melhores condições para a aquisição dos dados
geofísicos foi o Afloramento Quixeré, pois é cortado por uma estrada de tal maneira que
permite a visualização em perfil das suas litofácies, fator que se tornará muito importante
na fase de interpretação e correlação dos dados geofísicos;
• Produção de fotomosaico: a sua confecção foi necessária para que na etapa de pós-campo
as litofácies encontradas no local, no caso, no corte de estrada fossem correlacionadas
com os dados adquiridos pelo georadar. Essa correlação credibilizou a eficácia desta
metodologia, pois mostrou a coerência entre as radarfácies e litofácies encontradas;
• Utilização da tecnologia de GPR para o imageamento digital das superfícies internas do
afloramento: essa tecnologia foi fundamental para o desenvolvimento dessa dissertação,
pois a partir dela, foi possível a aquisição dos dados geofísicos que levaram à criação de
modelos de sólidos digitais das paleocavernas colapsadas do Afloramento Quixeré;
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• Utilização de GPS: essa tecnologia permitiu a localização da área mapeada, dos perfis
levantados, além da determinação das irregularidades do terreno. Todas essas
informações foram inseridas nos modelos de sólidos digitais de tal maneira que o deixou
com feições bem próximas a da realidade.
Etapa de pós-campo
Essa etapa consistiu na organização, análise, processamento, interpretação e correlação de
todas as informações adquiridas nas etapas anteriores, além da criação de modelos de sólidos
digitais do afloramento selecionado, e por conseqüência, a elaboração de um artigo científico
e confecção desta dissertação.
• Levantamento bibliográfico: mesmo após as aquisições, ainda foram realizados outros
estudos sobre o tema de maneira a aprimorar o conhecimento sobre o imageamento de
paleocavernas colapsadas;
• Processamento, interpretação e correlação dos dados adquiridos em campo: em todos os
dados geofísicos foram retirados os ruídos, inseridos ganhos e atributos para realçar-los,
determinadas as regiões onde se encontram as paleocavernas colapsadas e realizadas as
correlações entre as feições características destas paleocavernas colapsadas nos
radargramas com as do fotomosaico, de tal forma que credibilizou a metodologia
utilizada neste trabalho;
• Criação de modelos de sólidos digitais de um afloramento do tipo paleocaverna
colapsada: após o tratamento dos dados, tanto do GPR quanto do GPS, todos eles foram
importados no software opendtect que permitiu a visualização em três dimensões do
Afloramento Quixeré;
• Elaboração de um artigo científico: artigo que foi submetido à Revista Geologia USP –
Série Científica no dia 19/04/2012;
• Confecção e Defesa da dissertação de mestrado: registro oficial do estudo onde é
mostrado todo o desenvolvimento de uma metodologia para o imageamento digital de
paleocavernas colapsadas com o georadar em um afloramento na porção oeste da Bacia
Potiguar.
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2.2 Tecnologias e equipamentos utilizados
Para o desenvolvimento deste trabalho foram utilizadas as tecnologias Ground Penetrating Radar (GPR) e Global Positioning System.
2.2.1 Ground Penetrating Radar
O Georadar é uma tecnologia geofísica não invasiva que pode detectar feições rasas
em subsuperfície e que mesmo envolvendo ondas eletromagnéticas possui muitas
semelhanças com a sísmica (Fisher et al., 1992).
Com os avanços tecnológicos, o GPR tornou-se uma das aplicações mais eficazes para
aquisições em pequenas profundidades (geofísica rasa), devido aos baixos custos e à
praticidade na realização dos trabalhos de campo. O GPR pode ser aplicado em várias áreas:
militar, engenharia civil, estudos de solos, exploração mineral, geologia básica e ambiental,
geotecnia, hidrogeologia, pesquisa arqueológica, planejamento urbano, dentre outras (Porsani,
2008).
O que é visualizado em um radargrama (produto das aquisições do equipamento de
GPR) corresponde a alterações no ordenamento das propriedades eletromagnéticas dentro do
meio geológico de uma superfície. Essas alterações nas propriedades elétricas podem ser
correlacionadas às mudanças nas estruturas geológicas, fácies, e propriedades petrofísicas
como porosidade e presença de fluidos (Robinson e Michaud, 1999) (Figura 2.1).
O funcionamento do GPR pode ser explicado resumidamente da seguinte forma. O
equipamento emite pulsos eletromagnéticos que ao atingirem uma interface geológica que
separa propriedades eletromagnéticas diferentes, faz com que uma parcela das ondas
eletromagnéticas sofra reflexão e difração, e outra parcela continua se propagando até ser
completamente absorvida pelo meio. Parte das ondas que foram refletidas e difratadas, em
direção à superfície, são captadas pela antena receptora. A antena receptora detecta os sinais
eletromagnéticos e os envia para uma unidade de controle, onde eles são amplificados e
armazenados em uma unidade de processamento de dados, gerando uma sequência de traços
ou “scans” mostrados em registro como função do tempo de propagação.
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Figura 2.1 - Ilustração esquemática mostrando a aquisição e resposta em um perfil de reflexão do GPR.
Modificada de Robinson e Michaud (1999).
As propriedades elétricas dos materiais que influenciam na propagação do sinal
eletromagnético são a permissividade dielétrica (ε), condutividade elétrica (σ) e
permeabilidade magnética (µ). A velocidade de propagação da onda (v) depende
principalmente da permissividade ou constante dielétrica dos materiais (k). A determinação de
“v” é necessária para converter o tempo duplo de viagem do sinal (distância percorrida pelo
sinal entre a transmissão e o retorno até a antena receptora) em profundidades estimadas
(Robinson e Michaud, 1999).
Esses fatores também estão relacionados à profundidade máxima de investigação que
pode variar desde centímetros, em terrenos muito argilosos, a até quilômetros no gelo polar
(Pinto, 2010). Outro fator que influência na profundidade de investigação é a frequência do
sinal eletromagnético utilizada no levantamento geofísico. Segundo Robinson e Michaud
(1999), quanto menor a frequência do sinal gerado na antena transmissora maior será a
profundidade de investigação.
A resolução obtida no levantamento GPR pode ser definida como a capacidade que o
sinal tem de distinguir dois refletores muito próximos em relação ao tempo de chegada da
onda. Quanto maior a frequência da antena, maior a resolução, mas com menor profundidade
de penetração. Ou seja, a profundidade de investigação é inversamente proporcional a
resolução espacial do radargrama e vice-versa.
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A principal limitação deste método está associada à atenuação do sinal, que, segundo
Annan (2001), ocorre devido aos materiais eletricamente condutivos. Tais como argilas ou
íons dissolvidos na água subterrânea (Robinson e Michaud, 1999).
A maior parte das aplicações geológicas do GPR é em rochas siliciclásticas (e.g., Jol e
Smith, 1991; Gawthorpe et al., 1993; McMechan et al., 1998) ou em rochas cristalinas (e.g.,
Grasmueck, 1996). Porém, existem também casos de sucesso do uso de GPR para
imageamento de geometria interna de carbonatos, como por exemplo, Reyes Perez et al.,
(2003a e 2003b).
Outra vantagem do uso de GPR é que ele pode adicionar a terceira dimensão do
afloramento e, assim, prover interpretações da geometria das paleocavernas e suas
arquiteturas internas.
Para aquisição dos dados GPR no afloramento Quixeré utilizou-se o equipamento SIR
3000, fabricado pela Geophysical Survey Systems, Inc (GSSI) (Figura 2.2).
Figura 2.2 - GPR SIR 3000, fabricado pela Geophysical Survey Systems, utilizado neste trabalho. O equipamento
é formado por uma antena de 200 MHz, uma unidade de controle e odômetro.
A aquisição dos dados GPR foi realizada no “modo contínuo por distância” (Figura
2.3) no qual um odômetro é acoplado à antena (Figura 2.2). Na unidade de controle, os traços
GPR adquiridos são mostrados em tempo real, bem como a distância aproximada percorrida
pela antena.
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Figura 2.3 - Picada aberta para a passagem do GPR.
Na etapa de campo, foram realizados vários testes para a calibração do GPR, com o
objetivo de se obter os parâmetros mais adequados às condições locais (frequência da antena,
sample, range, constante dielétrica e scans/metro).
Os melhores parâmetros encontrados e utilizados nesta aquisição foram:
• Antena: 200 MHz
• Samples: 512
• Range: 185 ns
• Constante dielétrica: 8
• Scans/metro: 50
Para o processamento dos dados foi utilizado o programa Reflexw 5.0, no qual foram
usadas as seguintes ferramentas para uma melhor visualização dos radargramas:
• Correção do tempo zero – offset
O objetivo principal é ajustar o tempo inicial de registro da primeira onda a chegar à
antena receptora, denominada de onda aérea ou direta do ar.
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• Dewow
Tem por finalidade remover os ruídos de baixa frequência gerados pela indução
eletromagnética que ocorre entre a antena transmissora e receptora. Isso faz com que ocorram
reverberações nos tempos mais altos.
• Background removal
Seu objetivo é remover refletores contínuos também gerados pela indução
eletromagnética entre a antena transmissora e receptora.
• Ganho
É utilizado para realçar os refletores.
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2.2.2 Atributos utilizados no realce das Paleocavernas Colapsadas
Um dos aplicativos do software OpendTect é o atributo de energia (Energy) que tem a
função de realçar, no radargrama, sequências de refletores com importantes constrastes de
impedância. Ele calcula a soma dos quadrados dos valores dos traços do radargrama em um
tempo específico dividido pelo número total de traços. A energia é uma medida da
refletividade do sinal em uma janela temporal específica. Quanto maior a energia, maior a
amplitude. Este atributo exagera variações laterais dentro de eventos eletromagnéticos e é,
portanto, útil para a detecção de objetos com características eletromagnéticas diferentes,
podendo ser visto em um exemplo retirado do manual do próprio software Opendtect
representado pelas Figuras 2.4 e 2.5 (dGB Earth Sciences, 2011)
Podem-se citar como exemplo para o seu uso, as paleocavernas colapsadas, que
possuem porosidade elevada. O preenchimento dos espaços vazios por ar ou água, cujas
propriedades eletromagnéticas são bastante distintas das rochas calcárias encaixantes, gera
reflexões com altas amplitudes (Figura 2.4). Após a aplicação do atributo de energia, as
paleocavernas colapsadas são realçadas por zonas de alta energia (Figura 2.5).
Figura 2.4 - Radargrama mostrando anomalias de altos valores de amplitude representados pelos refletores mais
fortes (compilado dGB Earth Sciences, 2011).
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Figura 2.5 - Atributo de energia realçando anomalias de altos valores de amplitude mostrados pela coloração
amarela (compilado dGB Earth Sciences, 2011).
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2.2.3 GPS Geodésico
O Global Positioning System (GPS) é um sistema de rádio-navegação que permite ao
usuário saber a sua localização, velocidade e tempo em qualquer ponto do globo terrestre. Seu
uso consiste na transmissão de sinais eletrônicos gerados por satélites situados a cerca de 20
km de altura por meio de ondas eletromagnéticas. O sinal transmitido é recebido pelo receptor
em terra que mede o tempo em que as ondas demoraram a chegar até ele (Rosa, 2004).
Segundo Beraldo e Soares (1996), ao saber o tempo de percurso e a velocidade de propagação
das ondas eletromagnéticas (aproximadamente igual à velocidade da luz) as distâncias entre
os satélites e os receptores que os rastreiam podem ser calculadas, o que permite determinar,
com alta precisão, as coordenadas referentes aos eixos (X;Y;Z) da posição onde foi
estacionado o receptor.
O sistema GPS pode utilizar três métodos de posicionamento: absoluto, diferencial e
relativo (Beraldo e Soares, 1996). Para atender a precisão exigida no presente trabalho, que é
de centimétrica a milimétrica, foi realizado o método do posicionamento relativo com
levantamento dinâmico, utilizando a técnica RTK (Real Time Kinematic). O Posicionamento
Relativo é a técnica mais importante nos levantamentos com GPS, proporcionando a
minimização dos erros sistemáticos que ocorrem no Método Absoluto. Este tipo de
posicionamento também fornece indiretamente a medida da distância receptor-satélite, a partir
da observação de pelo menos duas estações simultaneamente. O levantamento Dinâmico é
exclusivo dos receptores de dupla frequência. Neste tipo de aquisição, adotam-se técnicas de
RTK (Real Time Kinematic), nas quais os receptores fixos e móveis comunicam-se através do
link via rádio, sendo resolvidas as ambiguidades, em tempo real, mesmo com o rover em
movimento.
Para a aquisição dos dados de GPS geodésico deste trabalho, foi utilizado o
equipamento da TOPCON, modelo Hiper Lite +, o qual consiste em dois receptores de dupla
frequência (Base e Rover) e um coletor de dados, modelo FC-100 (Figura 2.6).
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Figura 2.6 - GPS geodésico TOPCON modelo Hiper Lite + composto por um receptor base, um receptor rover e
um coletor de dados FC-100.
Para se obter as coordenadas plani-altimétricas precisas do local onde foram
levantadas as linhas GPR, a seguinte metodologia foi empregada: inicialmente foi realizado o
transporte de coordenadas de um ponto conhecido para o ponto definido como base. Em
campo, este ponto (localizado próximo a L01) foi obtido com o rastreamento durante um
intervalo de tempo de aproximadamente 3 horas, com uma taxa de gravação de 5 segundos.
Esse tempo de aquisição foi necessário devido à distância entre o receptor-base e as estações
de referência utilizadas para o ajustamento e transporte de coordenadas estarem a algumas
centenas de quilômetros, localizadas em Mossoró (RN) e Crato (CE).
Simultaneamente, foi realizada a aquisição no “modo dinâmico” (técnica RTK) de
diversos pontos da linha com o receptor móvel (rover) de forma que fosse obtido todos os
comprimentos das linhas, assim como as irregularidades do terreno (diferenças de cotas e
inclinações).
Na etapa de aquisição, foi utilizado o software TopSurv versão 4.11, instalado no
coletor de dados, para fazer as configurações do levantamento. No programa, foram
configurados os dois receptores (base e rover) especificando dentre outras informações: o tipo
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e a altura das antenas dos receptores, a taxa de gravação e a sintonia dos rádios para
comunicação entre os dois receptores.
Na etapa de processamento, o software Topcon Tools versão 6.11 foi utilizado, sendo
um ponto materializado com coordenadas conhecidas. Os pontos adquiridos com o receptor
móvel possuíam precisão milimétrica em relação ao ponto base utilizado no afloramento (erro
relativo), porém o erro na coordenada deste último poderia chegar a vários metros (erro
absoluto). Desta forma, as coordenadas do ponto base foram definidas a partir do ajustamento
e transporte de coordenadas de estações pertencentes à RBMC (Rede Brasileira de
Monitoramento Contínuo) do IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística) que como
já foi dito, se localizam em Mossoró (RN) e Crato (CE).
Calculada, ao final, a diferença entre a coordenada de navegação (obtida no momento
da aquisição, sem correção) e a coordenada processada do ponto base, atribuiu-se essa
diferença a todos os pontos adquiridos com o receptor rover utilizando planilhas eletrônicas.
Só então estes pontos assumiriam as precisões propostas no trabalho, e seriam utilizados,
dentre outras coisas, para o georreferenciamento e correções topográficas dos perfis GPR
levantados.
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ARTIGO SUBMETIDO À REVISTA GEOLOGIA USP
SÉRIE CIENTÍFICA
3. Imageamento Digital de Paleocavernas Colapsadas com Georadar
Ground Penetrating Radar Digital Imaging of a Collapsed Paleocaves
Thales Eduardo Silva de Jesus1,2 ([email protected])
João Andrade dos Reis Júnior1,3 ([email protected])
David Lopes de Castro1,4 ([email protected])
Francisco Pinheiro Lima-Filho1,4 ([email protected]) 1 Programa de Pós-graduação em Geodinâmica e Geofísica - CCET - UFRN
Caixa Postal 1596 - Campus Universitário, Lagoa Nova, CEP: 59078-970, Natal, RN, BR 2 Bolsista (Mestrando) Agência Nacional do Petróleo
3 Bolsista (Doutorando) CAPES 4 Departamento de Geologia - CCET – UFRN
Autores para correspondência:
Thales Eduardo Silva de Jesus ([email protected])
Francisco Pinheiro Lima Filho ([email protected])
Caixa Postal 1596 - Campus Universitário, Lagoa Nova, CEP: 59078-970, Natal, RN, BR
Palavras: 5.586
Figuras: 10
Tabelas: 01
17
Imageamento Digital de Paleocavernas Colapsadas com Georadar
Ground Penetrating Radar Digital Imaging of a Collapsed Paleocaves
Thales Eduardo Silva de Jesus1,2 ([email protected])
João Andrade dos Reis Júnior1,3 ([email protected])
David Lopes de Castro1,4 ([email protected])
Francisco Pinheiro Lima-Filho1,4 ([email protected]) 1 Programa de Pós-graduação em Geodinâmica e Geofísica - CCET - UFRN
Caixa Postal 1596 - Campus Universitário, Lagoa Nova, CEP: 59078-970, Natal, RN, BR 2 Bolsista (Mestrando) Agência Nacional do Petróleo
3 Bolsista (Doutorando) CAPES 4 Departamento de Geologia - CCET - UFRN
Autores para correspondência:
Thales Eduardo Silva de Jesus ([email protected])
Francisco Pinheiro Lima Filho ([email protected])
Caixa Postal 1596 - Campus Universitário, Lagoa Nova, CEP: 59078-970, Natal, RN, BR
RESUMO
Nesse trabalho são apresentados os procedimentos metodológicos envolvidos no
imageamento digital de paleocavernas colapsadas, que ocorrem em tufas carbonáticas,
situadas na borda oeste da Bacia Potiguar. Foi mapeada uma área em Quixeré (CE) e
selecionado um afloramento na rodovia CE-377, denominado de Afloramento Quixeré. Em
uma porção desta área foi confeccionado um fotomosaico e levantada uma seção-teste, com o
GPR, para a comparação e parametrização das geometrias cársticas (aflorantes e as imageadas
na linha geofísica). Os resultados foram satisfatórios e permitiram a adoção de critérios para
a interpretação das paleocavernas colapsadas nas outras seções GPR, levantadas na região do
afloramento. Foram adquiridas duas malhas de linhas GPR, a primeira mais ampla e espaçada
norteou a locação da segunda, mais adensada, na porção sul do Afloramento Quixeré. Nos
radargramas foram interpretadas e parametrizadas as geometrias das principais paleocavernas
colapsadas. Para cada malha foi elaborado um modelo de sólido digital do Afloramento
Quixeré, sendo que o primeiro modelo permitiu o reconhecimento distribuição geral das tufas
e a localização das paleocavernas colapsadas, enquanto o segundo modelo digital, por ser
mais detalhado, possibilitou não apenas a individualização 3D das principais paleocavernas
mas também o cálculo dos seus respectivos volumes. Os modelos de sólidos digitais são aqui
apresentados como uma nova fronteira no estudo de afloramentos análogos a reservatórios
(hídricos ou petrolíferos), na qual a parametrização e a caracterização volumétrica dos corpos
geológicos passam a ser fundamental para compor bancos de dados, que conjuntamente com
18
informações de propriedades petrofísicas serão utilizados em simulações computacionais mais
realísticas de reservatórios.
PALAVRAS-CHAVE
Paleocaverna Colapsada, GPR, Afloramento Análogo, Modelo de Sólido Digital
ABSTRACT
In this paper, the methodological procedures involved in digital imaging of collapsed
paleocaves in tufa using GPR are presented. These carbonate deposits occur in the Quixeré
region, Ceará State (NE Brazil), on the western border of the Potiguar Basin. Collapsed
paleocaves are exposed along a state road, which were selected to this study. We chose a
portion of the called Quixeré outcrop for making a photomosaic and caring out a GPR test
section to compare and parameterize the karst geometries on the geophysical line. The results
were satisfactory and led to the adoption of criteria for the interpretation of others GPR
sections acquired in the region of the Quixeré outcrop. Two grids of GPR lines were
acquired; the first one was wider and more spaced and guided the location of the second grid,
denser and located in the southern part of the outcrop. The radargrams of the second grid
reveal satisfactorily the collapsed paleocaves geometries. For each grid has been developed a
digital solid model of the Quixeré outcrop. The first model allows the recognition of the
general distribution and location of collapsed paleocaves in tufa deposits, while the second
more detailed digital model provides not only the 3D individualization of the major
paleocaves, but also the estimation of their respective volumes. The digital solid models are
presented here as a new frontier in the study of analog outcrops to reservoirs (for
groundwater and hydrocarbon), in which the volumetric parameterization and
characterization of geological bodies become essential for composing the databases, which
together with petrophysical properties information, are used in more realistic computer
simulations for sedimentary reservoirs.
KEY WORDS
Collapsed Paleocave, GPR, Analog Outcrop, Digital Solid Model
19
INTRODUÇÃO
A evolução dos procedimentos de aquisição/processamento dos métodos geofísicos
(GPR, sísmica rasa, tomografia elétrica) de imageamento raso (<30 m) e a necessidade de
parametrização de feições geológicas (deposicionais e deformacionais), em afloramentos
análogos a reservatórios petrolíferos, têm motivado muitos grupos de pesquisa a direcionar
suas forças para o imageamento de alvos geológicos específicos. Nosso grupo (LAE-GEA)
tem concentrado os esforços no desenvolvimento de metodologias para imagear geometrias
com GPR e na elaboração de modelos de sólidos digitais de paleocavernas colapsadas. Neste
trabalho são apresentados os procedimentos metodológicos utilizados para o imageamento,
parametrização e modelagem, além dos primeiros resultados obtidos na caracterização
geométrica de tufas carbonáticas da Bacia Potiguar, onde ocorrem paleocavernas colapsadas,
inclusive com a elaboração de modelos de sólidos digitais do afloramento estudado.
O Radar de Penetração no Solo ou Georadar (Ground Penetrating Radar - GPR) é
uma metodologia de investigação não invasiva que pode ser utilizada para a detecção e
locação de objetos soterrados em até poucas dezenas de metros de profundidade e/ou para o
mapeamento e imageamento de feições geológicas em subsuperfície. Este método geofísico é
considerado ainda de grande potencial para a caracterização e mapeamento de
heterogeneidades deposicionais ou deformacionais, em diferentes contextos geológicos (Jorry
e Biévre, 2010), como demonstrado nos artigos de Pratt e Miall, (1993), Jol et al. (2003),
Reyes-Pérez et al. (2003a), Asprion et al. (2009), entre muitos outros a despeito das quase
duas décadas de sua aplicação.
As publicações que descrevem o imageamento de cavernas colapsadas remontam da
década de 90 (Loucks e Mescher, 1996; Casas et al., 1996; McMechan et al., 1998).
Entretanto, desde a década de 80 se conhece a importância dos reservatórios petrolíferos que
se desenvolvem em paleocavernas colapsadas (Loucks e Anderson, 1985; Kerans, 1988;
Candelária e Reed, 1992; Stoudt, 1996). Enquanto as feições (deformacionais e deposicionais)
de sistemas cársticos, com paleocavernas colapsadas, já são conhecidas desde a década de 70
(Lucia, 1971; Kerans, 1988; Wilson et al., 1992; Combs et al., 2003). Alguns trabalhos são
referências quando se tratam de imageamento 3D com GPR como as contribuições de Guidry
et al. (2007), que mostram o imageamento de dolinas, e de Loucks et al. (2004), que
apresentam o imageamento de cavernas colapsadas coalescentes. No Brasil Reyes-Pérez et al.
(2003b) e Reyes-Pérez et al. (2004) foram pioneiros no uso do GPR para imagear
paleocavernas colapsadas em tufa, que ocorrem na borda oeste da Bacia Potiguar.
20
O estudo de afloramentos análogos a reservatório do tipo paleocaverna colapsada
(analogs of collapsed paleocave hidrocarbon reservoir) oferece a melhor aproximação para o
entendimento de sua evolução e permite o imageamento de suas geometrias em 3D. Isto é
possível graças à utilização de métodos geofísicos não invasivos como o GPR, que tem como
característica principal a capacidade de imagear a subsuperfície rasa, com resolução
submétrica e em virtude de seu processamento ser mais simples em relação à sísmica, não
requerendo uma complexa infraestrutura computacional. As informações obtidas com o
levantamento GPR, segundo malhas pré-definidas, permitem a elaboração de modelos de
sólidos digitais (Digital Solid Model), que podem expressar uma boa aproximação das
geometrias das paleocavernas colapsadas.
Neste trabalho são apresentados os procedimentos metodológicos utilizados para o
imageamento da geometria (2D) de paleocavernas colapsadas, com o uso do GPR; para o
processamento digital dos dados geofísicos; e, para a elaboração de modelos de sólido digital.
Figura 1 – Mapa de localização e acesso da área estudada, próxima à fronteira do Ceará com o Rio Grande do
Norte, na borda oeste da Bacia Potiguar.
21
CONTEXTO GEOLÓGICO
De acordo com Matos (1992), a Bacia Potiguar é uma típica bacia rifte em uma
margem continental passiva. A fase rifte começou em resposta ao rompimento do Pangea
durante a abertura do Atlântico Sul, no Neocomiano Inferior. Seu preenchimento sedimentar
(Formação Pendência) foi depositado em ambiente continental típico (Araripe e Feijó, 1994).
Durante o Aptiano, os esforços extensionais saltaram para o leste, deixando um sistema de
riftes continentais abortados no extremo Nordeste do Brasil. Uma subsequente subsidência
térmica ocorreu, permitindo a deposição de uma unidade de transição (Formação Alagamar),
que foi recoberta com sequências drifte de siliciclásticas (Formação Açu) e carbonáticas
(Formação Jandaíra) (Tibana e Terra, 1981; Viviers e Regali, 1987; Bertani et al., 1990). O
limite entre tais sequências está bem gravado na topografia local na forma de uma expressiva
escarpa.
Na borda oeste da Bacia Potiguar afloram rochas siliciclásticas, principalmente
arenitos médios a muito finos, argilitos, folhelhos, siltitos e, subordinadamente, calcilutitos e
margas dolomitizadas da Formação Açu, unidade litoestratigráfica definida por Kreidler e
Andery (1949) e formalizada por Sampaio e Schaller (1968). Na região de Quixeré, essas
rochas foram depositadas em um contexto transgressivo, em ambiente transicional, e
correspondem à unidade Açu IV, informalmente proposta por Vasconcelos et al. (1990), que
corresponde à porção superior da Formação Açu. Para a deposição da unidade Açu IV, foi
interpretado um sistema litorâneo estuarino do tipo Ilha Barreiras, cortado por canais de maré,
que represavam lagunas na retaguarda (Vasconcelos et al., 1990; Córdoba, 2001). O Membro
Mossoró, também equivalente ao Açu IV, foi estudado por Castro (1993) que interpretou
quatro sistemas deposicionais: fluvial meandrante, planície deltaica, planície de maré e
marinho raso. Bagnoli (1993), que estudando os arenitos do mesmo membro no Campo de
Canto do Amaro, identificou canais de maré, lagunas e pântanos.
As rochas carbonáticas mapeadas na região são consideradas como pertencentes à
Formação Jandaíra, definida por Sampaio e Schaller (1968). Esta formação é composta por
mudstones a grainstones, com eventuais intercalações de arenitos siliciclásticos, folhelhos,
margas e evaporitos. Essas rochas são típicas de águas límpidas e clima tropical (Soares et al.,
2003). De acordo com Pessoa Neto et al. (2007), essas rochas foram depositadas do
Turoniano ao Campaniano, em um evento transgressivo de afogamento dos sistemas fluviais e
estuarinos (Formação Açu), na porção emersa da Bacia, de tal forma que se estabeleceu uma
plataforma/rampa carbonática.
Uma característica marcante das rochas que compõem a Formação Jandaíra é a
presença de uma rica e diversificada associação fossilífera, onde predominam gastrópodes,
22
foraminíferos, biválvios, equinóides, conchostráceos, amonóides e icnofósseis. Os fósseis
encontrados também refletem a deposição em regiões correspondentes aos sistemas de
planície de maré e lagunar. Em geral, os depósitos são autóctones, com os indivíduos
preservados em posição de vida (Soares et al., 2003). Córdoba (2001) reconhece vinte fácies
deposicionais, inseridas em três grupos: fácies carbonáticas, fácies mistas e fácies
siliciclásticas. Sendo as fácies carbonáticas, de maior representatividade, subdivididas em
três: 1) fácies de águas rasas e semi-restritas, 2) fácies de águas intermediárias, e 3) fácies de
águas profundas.
Na porção central da área pesquisada ocorre uma estreita faixa de tufas, com direção
NE-SW, paralela a escarpa da Bacia Potiguar, que limita, em superfície, as rochas das
formações Açu e Jandaíra. A faixa apresenta uma largura variável (285 m a 780 m) e
comprimento de 17 km, distribuída segundo uma área de aproximadamente 5,5 km2. As tufas
encontradas possuem alta porosidade e permeabilidade, em relação às rochas carbonáticas da
Formação Jandaíra e se apresentam com intenso fraturamento, gerado por esforços
gravitacionais (Reyes-Pérez et al., 2003c). As paleocavernas colapsadas ocorrem
preferencialmente nas tufas.
O afloramento escolhido para o imageamento da subsuperfície com o GPR localiza-se
próximo à escarpa, em um corte da Rodovia CE-377 (Figura 1), denominado de Afloramento
Quixeré. Neste afloramento são encontradas tufas, originadas da dissolução e reprecipitação
de rochas carbonáticas da Formação Jandaíra. Com enquadramento estratigráfico ainda não
definido, apresentam paleocavernas colapsadas, moldes de folhas e fragmentos de estalactite e
estalagmite (Figura 2).
23
Figura 2 – Feições encontradas nas paleocavernas colapsadas de Quixeré (A e B), moldes de folhas (C e
D) e fragmentos de estalactite e estalagmite (E e F).
FEIÇÕES CÁRSTICAS
O termo tufa é aqui utilizado como proposto por Ford e Pedley (1996), que
consideram como sendo um produto resultante da precipitação de carbonatos em águas não
termais, contendo restos de vegetais, invertebrados e bactérias. Sallun Filho et al. (2009),
estudando depósitos de tufas quaternárias no Estado de Mato Grosso do Sul, também usam o
termo tufa com esta conotação. As tufas do Brasil são conhecidas desde a década de 60 em
24
Mato Grosso (Almeida, 1964); a década de 70 nos estados da Ceará, Paraíba e Pernambuco
(Muniz e Ramirez, 1971); a década de 90 na Bahia (Auler, 1999); e, no Rio Grande do Norte,
Rio de Janeiro e Sergipe, desde o início deste século (Reyes-Pérez, 2003; Reyes-Péres et al.,
2003a; Ramos et al., 2005; Souza-Lima e Farias, 2007, respectivamente).
Os sistemas de paleocavernas colapsadas constituem-se em uma importante categoria
de reservatório carbonático, com a vantagem que podem apresentar excepcional
porosidade/permeabilidade e por existirem abundantes afloramentos análogos situados
próximos da superfície, portanto ao alcance do método GPR. Entretanto, tendem a apresentar
uma complexa história de formação e um grau acentuado de heterogeneidade (lateral e
vertical), especialmente quando envolvem múltiplas fases de carstificação e soterramento.
Tornando, muitas vezes, complexa a interpretação da sua evolução e dificultando o
imageamento digital 3D de suas heterogeneidades (deposicionais e deformacionais) laterais e
verticais.
O material que rodeia e/ou preenche uma caverna colapsada pode ser fruto de: a)
fragmentos de rochas que colapsaram do seu teto e da parede; b) material precipitado em
cachoeiras ou represas; c) calcário pulverulento ou também, o que é mais comum; ou d) uma
mistura destes tipos de carbonatos. Loucks (1999) propôs uma classificação que englobasse
os tipos mais frequentes de preenchimento de caverna, a partir de um diagrama triangular
(Figura 3).
Figura 3 – Classificação de brechas e sedimentos de preenchimento de cavernas. A área sombreada na porção
inferior direita indica que nenhuma característica de caverna é encontrada. Modificado de Loucks (1999).
25
As brechas e fraturas formadas durante o desabamento do teto possuem formas
radiadas podendo se intersectar com outras brechas e fraturas provenientes de outra caverna
colapsada. O resultado é que, além da interligação ou coalescência das passagens das cavernas
com brechas caóticas, brechas de quebramento, brecha em mosaico e fraturas, verifica-se a
formação de contatos abruptos, encurvamento das camadas inferiores e aumento da
compactação das rochas (Loucks, 1999). Os poros entre as brechas associados às brechas
caóticas diminuem com o aumento da compactação mecânica.
A coalescência em um sistema de caverna, conectado a zonas de porosidade elevada,
resulta em um reservatório heterogêneo de centenas a milhares de metros, formando um alvo
de exploração muito maior do que teria sido se fosse resultado do colapso de uma única
caverna (McMechan et al., 1998). A coalescência em um sistema de caverna também foi
observada por Loucks (1999). Ele mostra que os sistemas de paleocavernas que formam
grandes reservatórios de hidrocarbonetos não são produtos do colapso de cavernas formadas
isoladamente a alguns metros de profundidade e de dezenas a centenas de metros de
comprimento, mas sim, de vários sistemas de cavernas integrados, que formaram uma
estrutura de milhares de metros de comprimento.
É fundamental que o intérprete dos radargramas tenha consciência dos tipos de
depósitos sedimentares encontrados nas cavernas colapsadas e de suas complexas relações
geométricas, responsáveis pelas heterogeneidades deposicionais ou deformacionais
desenvolvidas, para que seja realizada uma interpretação mais realística dos dados GPR.
METODOLOGIA
Mapeamento e seleção de afloramento para aquisição de linhas GPR
Um mapeamento geológico foi realizado, na escala de 1:70.000 (Figura 4), com o
propósito de delimitar áreas de ocorrência das tufas no entorno do Afloramento Quixeré, além
de identificar outros possíveis afloramentos do tipo paleocavernas colapsadas na região. A
área mapeada possui cerca de 70 km2 e está situada na borda oeste da Bacia Potiguar. Foram
mapeadas rochas siliciclásticas da Formação Açu e carbonáticas da Formação Jandaíra, além
de tufas, cujo posicionamento crono-estratigráfico ainda não foi conclusivamente definido.
Dentre os afloramentos mapeados, o que proporcionou as melhores condições para a
realização das pesquisas geofísicas com o uso do GPR foi o próprio Afloramento Quixeré,
localizado na porção sudoeste da área (Figura 4). Ele foi selecionado por apresentar um
extenso corte de estrada (Figura 5), o que facilita correlações diretas entre os dados GPR e a
estratigrafia mais superficial das unidades geológicas aflorantes.
26
Figura 4 – Mapa geológico da região de Quixeré (CE). A área delimitada pelo retângulo verde destaca a região
de ocorrência das tufas, na borda da escarpa da Chapa do Apodi.
Aquisição dos dados de GPR
Foi realizado um levantamento teste com o GPR, segundo uma linha paralela ao corte
de estrada, na porção superior da escarpa (Figura 5), com uma distância máxima de 2 m da
borda e com comprimento de cerca de 85 m. Com esta seção-teste, foi possível fazer
correções entre os tempos de chegada dos refletores, observados nas seções GPR, e as
profundidades dos contatos de topo e base das camadas sedimentares e feições cársticas. Com
base nestas correções, foram estimados valores mais precisos para as velocidades de
propagação das ondas eletromagnéticas neste meio e parametrizadas as profundidades dos
refletores nas demais seções GPR, nas quais a correlação direta não é possível.
Um fotomosaico do corte de estrada foi montado a partir de fotografias obtidas com
uma câmera fotográfica digital, com a resolução de 8 Megapixels (Figura 5). Foram mantidos
durante a aquisição o afastamento regular entre a câmera e o afloramento; o ângulo de 900
entre a câmera e o plano geral do corte da parede; e, o recobrimento mínimo de 45% entre
cada fotografia. O fotomosaico foi gerado com o um software de processamento de imagens,
utilizando-se o maior número de pontos de controle possível.
27
Os dados GPR foram adquiridos com um equipamento SIR-3000, fabricado pela
empresa Geophysical Survey Systems, Inc. (GSSI), com antena de 200 MHz. Diferentes
configurações de aquisições foram testadas. Os parâmetros de aquisição que ofereceram os
melhores resultados foram obtidos com: a janela temporal de 150 ns; 512 amostras por traço;
e, espaçamento de 2 cm entre cada traço.
Figura 5 – Fotomosaico e seção-teste GPR do corte de estrada do Afloramento Quixeré, onde foram delimitadas
as geometrias das paleocavernas colapsadas e o limite inferior das tufas. Percebe-se a boa coincidência entre as
paleocavernas delineadas no fotomosaico e interpretadas no radargrama.
As aquisições geofísicas foram realizadas segundo duas malhas irregulares, com
diferentes densidades (Figura 6). A primeira foi levantada com 7 linhas GPR mais extensas e
espaçadas. As 3 linhas paralelas (longitudinais) à escarpa do afloramento apresentam
comprimento de 195, 173 e 94 m. São separadas entre si por uma distância que variou de 7,5 a
45 m. Por sua vez, as 4 linhas perpendiculares (transversais) variam de 25 a 50 m de
comprimento e são separadas entre 35 a 55 m. A segunda malha, mais densa, foi projetada
para ser um detalhamento da porção sul do primeiro arranjo (Figura 6). Esta malha foi
posicionada entre as linhas longitudinais L01 e L02 e as linhas transversais T01 e T02, e é
formada por 6 linhas longitudinais, com comprimento de 38 m e afastamento de 3 m entre si.
Para o georreferenciamento das linhas GPR, procedimento necessário para a geração
do modelo de sólido digital, foram adquiridas as coordenadas geográficas com um GPS
geodésico. Para tanto foi utilizado um par de receptores (base e intinerante/rover) GPS da
marca Topcon Hiper Lite+, com RTK. Os dados após processados forneceram precisão
milimétrica e acurácia centimétrica. Com as informações espaciais disponíveis as seções GPR
foram inseridas em um ambiente virtual 3D no software Opendtect.
28
Figura 6 – Distribuição das malhas onde foram levantadas as seções GPR no Afloramento Quixeré. Em
vermelho a malha 1, em azul a malha 2 e em amarelo a seção-teste.
Processamentos dos dados GPR
O processamento dos dados GPR teve como objetivos principais a retirada de ruídos, a
correção topográfica e o realce dos refletores característicos das paleocavernas colapsadas. O
processamento foi realizado segundo as seguintes etapas: 1) correção do tempo zero – offset
que ajusta o tempo inicial de registro da primeira onda a chegar à antena receptora,
denominada de onda aérea; 2) filtro Dewow para remoção dos ruídos de baixa frequência,
gerados pela indução eletromagnética que ocorre entre as antenas transmissora e receptora; 3)
filtro Background removal cuja função é remover refletores contínuos, que também podem
ser gerados pela indução eletromagnética entre as antenas transmissora e receptora; 4) ganho
para realçar os refletores mais profundos e; 5) correção topográfica utilizada para
contemplar as variações topográficas do terreno. Foi também aplicada a conversão tempo-
profundidade, através do cálculo o valor da constante dielétrica média do afloramento. Para
tanto, na seção-teste (Figura 5), foi medida a altura ( ) da base de uma paleocaverna
colapsada até o topo do afloramento. Como o equipamento GPR mede o tempo de chegada
29
dos refletores, em nano-segundos (), foi observado o tempo de chegada do refletor
correspondente a base da referida paleocaverna colapsada e, então, calculado o valor da
velocidade média de propagação das ondas eletromagnéticas no meio ( , que é 0,106 m/ns.
Com o valor de obtido e usando a fórmula , onde c é igual a m/s
(velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no vácuo), foi calculada a constante
dielétrica ( ) para este porção do afloramento, que é 8. Este valor é aproximado ao
encontrado na literatura para rochas carbonáticas (Annan, 2001). A Figura 7 mostra um
radargrama antes e depois de aplicadas as etapas do processamento dos dados GPR.
Figura 7 – Comparação entre os radargramas com dados brutos (A) e processados (B) em um trecho da
Linha L01. Ressalta-se a boa qualidade dos dados brutos.
RESULTADOS E INTERPRETAÇÕES
Os radargramas obtidos permitem a identificação das regiões onde ocorrem as
paleocavernas colapsadas, marcados por refletores fortes e descontínuos (Figura 5),
principalmente quando suas amplitudes são realçadas com o uso do atributo de “Energia”
(Figura 7). Este atributo é definido como a medida da refletividade do sinal ou razão entre a
soma das amplitudes ao quadrado pelo número de amostras em uma janela temporal
específica, com o comprimento próximo ao período da frequência dominante do sinal. Com
este procedimento podem ser ressaltados refletores com amplitudes baixas e/ou irregulares,
além de individualizar sequências com diferentes contrastes de impedância EM, como é o
caso das paleocavernas colapsadas da região de Quixeré. A variação no valor da constante
dielétrica da região onde ocorrem as cavernas colapsadas e das rochas encaixantes é devido ao
30
aumento da porosidade e a proporcional presença de ar ocupando os espaços vazios nestas
estruturas cársticas, como sugerido por McBride et al. (2011).
Para demonstrar o resultado obtido no processamento e interpretação das seções GPR,
onde foi possível delinear, com relativa precisão, as geometrias das paleocavernas colapsadas
e sua continuidade lateral, foram selecionadas 3 seções, L07, L08 e L09, (Figura 6). Nestes
radargramas foi possível ainda parametrizar as geometrias correspondentes aos cortes 2D das
paleocavernas colapsadas imageadas, materializadas pelas espessuras e larguras, além de
determinar as profundidades máximas onde elas ocorrem.
As três principais paleocavernas colapsadas interpretadas, denominadas de A, B e C,
(Figuras 8 e 10), ocorrem com espessura variando de 1,6 a 4,4 m; largura variando de 2,7 a
9,4 m e comprimento variando de 6 a 18 m. De um modo geral, pode-se afirmar que as
feições cársticas nas seções L07, L08 e L09 apresentam geometria irregular e ocorrem até a
profundidade de 5,2 m, condicionadas a espessura das tufas. A parametrização das geometrias
das paleocavernas colapsadas está apresentada na tabela 1.
Tabela 1 – Valores de espessura, largura e profundidade das paleocavernas colapsadas parametrizadas nas seções
GPR L07, L08 e L09.
Seção GPR L07
PALEOCAVERNAS
COLAPSADAS
ESPESSURA
(m)
LARGURA
(m)
PROFUNDIDADE
(m)
A 3,5 7,6 3,9
B 1,8 7,5 2,6
C 4,4 6,6 4,4
Seção GPR L08
PALEOCAVERNAS
COLAPSADAS
ESPESSURA
(m)
LARGURA
(m)
PROFUNDIDADE
(m)
A 3,2 8,2 3,2
B 3 8,9 3
C 4 8,1 4
Seção GPR L09
PALEOCAVERNAS
COLAPSADAS
ESPESSURA
(m)
LARGURA
(m)
PROFUNDIDADE
(m)
A 3,1 8, 6 3,1
B 1,6 9,4 2,4
C 4 2,7 5,2
31
Figura 8 – Radargramas das linhas longitudinais L07, L08 e L09, processados com o atributo “Energia”. São
apresentadas as interpretações e parametrizações das paleocavernas colapsadas (A, B e C), com indicação dos
locais onde foram medidas as espessuras e larguras.
Com base nos radargramas georreferenciados foram elaborados dois modelos de
sólidos digitais para o Afloramento Quixeré. No primeiro foram utilizadas todas as linhas
GPR adquiridas e no segundo, um detalhamento da porção sul do afloramento, foram
adensadas as seções GPR.
No primeiro modelo (Figura 9) é oferecida uma visão geral da distribuição da tufa e,
especificamente, da distribuição espacial das cavernas colapsadas, marcadas pelos tons
avermelhados ao longo de todo afloramento. Para a elaboração do modelo de sólido digital da
parte sul do Afloramento Quixeré, onde são encontradas as menores espessuras da tufa
carbonática, foram utilizadas as seções GPR L04, L05, L06, L07, L08 e L09. Com este
modelo foi possível identificar a distribuição espacial das paleocavernas colapsadas da porção
sul do afloramento (Figura 9) evidenciando que estas feições estão concentradas nas porções
centro e norte do afloramento, principalmente nas linhas longitudinais L02 e L03 e nas
transversais T03 e T04.
32
Figura 9 – Modelo digital do Afloramento Quixeré elaborado com base em todas as seções GPR
levantadas neste trabalho. Os fortes refletores, avermelhados e descontínuos representam a assinatura
padrão das paleocavernas colapsadas.
Com o segundo modelo de sólido digital, da porção sul do Afloramento Quixeré, foi
possível interpolar as geometrias das paleocavernas colapsadas, denominadas de A, B e C.
Delimitadas as geometrias 2D e identificadas as suas figuras correspondentes nos
radargramas, foram então gerados sólidos que representassem as paleocavernas colapsadas A,
B, e C e estimados os seus respectivos volumes aproximados, ao longo do trecho
compreendido pelo levantamento. Para a paleocaverna colapsada A foi calculado o volume
aproximado de 381 m3; a paleocaverna B, o volume foi de 431 m3, enquanto o volume da
paleocaverna C foi estimado em 123 m3 (Figura 10).
33
Figura 10- Modelo de sólido digital da porção sul do Afloramento Quixeré, elaborado com base nas seções GPR
L07, L08 e L09, onde podem ser visualizadas as três paleocavernas colapsadas (A, B e C).
CONCLUSÕES
Os procedimentos metodológicos aqui utilizados para o imageamento da geometria
(2D) de paleocavernas colapsadas, em um corte da estrada CE-377, na borda oeste da Bacia
Potiguar (Afloramento Quixeré) e os resultados obtidos mostram que é possível imagear, com
o GPR, estas feições cársticas e gerar modelos de sólidos digitais que exibam boa
aproximação de suas geometrias tridimensionais. A alta resolução obtida com o GPR,
principalmente com a antena de 200 MHz, permite diferenciar as tufas carbonáticas dos
calcários da Formação Jandaíra e discriminar as paleocavernas colapsadas. A comparação
entre as geometrias que delimitam as paleocavernas colapsadas, nos fotomosaicos e nos
radargramas (2D), se mostrou bastante consistente, dando subsídio para que fossem
levantadas seções GPR, paralelas e perpendicular ao corte da estrada CE-377, e, por analogia,
interpretadas e delimitadas as citadas feições cársticas. O nível de detalhe aqui observado
também permitiu a parametrização 2D das geometrias (largura, espessura e profundidades)
das paleocavernas colapsadas nos radargramas.
34
Os radargramas interpretados serviram de base para a elaboração de dois modelos de
sólidos digitais do Afloramento Quixeré. Um modelo elaborado com todos os radargramas
disponíveis, que oferece uma visão 3D do afloramento e a visualização das paleocavernas
colapsadas. O segundo modelo, um detalhamento da porção sul do Afloramento Quixeré,
elaborado a partir de uma malha adensada permitiu a identificação mais precisa das
geometrias 3D destas feições cársticas, inclusive com o cálculo aproximado dos seus
volumes.
Como os modelos de sólidos digitais permitem o cálculo do volume aproximado das
paleocavernas colapsadas (volume do reservatório) e, com base nas informações de campo, é
possível quantificar o volume de vazios destes corpos (porosidade), pode-se então estimar a
capacidade de armazenamento do reservatório. É importante também que seja determinada a
existência de conectividade entre as paleocavernas e a presença de heterogeneidades,
deposicionais ou deformacionais, que podem funcionar como dutos ou barreiras de fluxo.
Esta certamente é uma nova fronteira no estudo de afloramentos análogos a
reservatórios (hídricos ou petrolíferos), onde a parametrização e a caracterização volumétrica
dos corpos geológicos passam a ser fundamentais para alimentar os bancos de dados e
distribuir as propriedades petrofísicas, com dados reais de reservatórios, para simulação de
fluxo. Os resultados aqui obtidos mostram que o GPR pode fornecer a solução necessária para
a elaboração dos modelos de sólidos digitais em afloramentos análogos a reservatórios, do
tipo cavernas colapsadas.
AGRADECIMENTOS
A PETROBRAS através da Rede de Caracterização e Modelagem Geológica de
Reservatórios (CARMOD), pelo financiamento desta pesquisa e a ANP PRH-22, pela bolsa
de estudos do primeiro autor. Os autores agradecem à empresa dGB Earth Sciences pela
concessão de uma licença educacional do software Opendtect v 4.2.
35
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Jesus, T. E. S. 2012 Dissertação de Mestrado
41
4. CONCLUSÕES
Nessa dissertação, toda a metodologia e o desenvolvimento se mostraram bastante
eficazes, pois através deles foi possível chegar aos objetivos almejados.
Foi realizado o mapeamento geológico, como escala 1:70.000, de uma região no
Município de Quixeré (CE), no qual foram delimitadas as rochas das formações Açu e
Jandaíra, além de uma litologia denominada tufa, onde estão localizadas as paleocavernas
colapsadas, feições alvo do nosso estudo. Após o mapeamento da área, o Afloramento
Quixeré foi selecionado e nele foram levantadas várias seções GPR com diversas antenas e
configurações, sendo a antena que mais se adequou foi a de 200 MHz. Com as aquisições foi
possível realizar o imageamento das geometrias (2D) das paleocavernas colapsadas, e os
resultados obtidos mostraram que é possível imagear, com o GPR e com qualidade estas
feições cársticas.
Com o levantamento de 13 seções GPR pelo afloramento e com a alta resolução obtida
nos radargramas foi possível diferenciar as tufas carbonáticas dos calcários da Formação
Jandaíra e discriminar as paleocavernas colapsadas. Tal resultado permitiu confeccionar dois
modelos de sólidos digitais, nos quais foram parametrizadas as geometrias das paleocavernas
colapsadas, determinando suas larguras, espessuras e profundidades. O primeiro modelo
serviu para a visualização geral do afloramento e indicou onde as paleocavernas colapsadas
são mais concentradas. Já o segundo, mostrou em detalhe uma porção do afloramento (sul),
onde a malha foi mais adensada, o que permitiu a identificação mais precisa das geometrias
3D das feições cársticas, de maneira que foi possível calcular de forma aproximada os
volumes de algumas paleocavernas colapsadas. Tais valores volumétricos das paleocavernas
colapadas são considerados com os do reservatório e, com base nas informações de campo, é
possível quantificar o volume de vazios destes corpos (porosidade), pode-se então estimar a
capacidade de armazenamento do reservatório. É importante também que seja determinada a
existência de conectividade entre as paleocavernas e a presença de heterogeneidades,
deposicionais ou deformacionais, que podem funcionar como dutos ou barreiras de fluxo.
Esta certamente é uma nova fronteira no estudo de afloramentos análogos a
reservatórios (hídricos ou petrolíferos), onde a parametrização e a caracterização volumétrica
dos corpos geológicos passam a ser fundamentais para alimentar os bancos de dados e
distribuir as propriedades petrofísicas, com dados reais de reservatórios, para simulação de
fluxo. Os resultados aqui obtidos mostram que o GPR pode fornecer a solução necessária para
a elaboração dos modelos de sólidos digitais em afloramentos análogos a reservatórios, do
tipo cavernas colapsadas.
42
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