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Modelagem num?rica da influ?ncia do eletrojato equatorial em dados magnetotel?ricos produzidos por estruturas tridimensionais

Thesis published in 2014 by Antonio Abel Gonz?Lez Carrasquilla
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Abstract

A Am?rica do Sul apresenta v?rias peculiaridades geomagn?ticas, uma delas, ? a presen?a do Eletrojato Equatorial, o qual se estende de leste para oeste no Brasil ao longo de aproximadamente 3500 km. Considerando-se o fato de que a influ?ncia do Eletrojato Equatorial pode ser detectada a grandes dist?ncias do seu centro, isto suscita o interesse em se estudar os seus efeitos na explora??o magnetotel?rica no Brasil. A influ?ncia do eletrojato equatorial na prospec??o magnetotel?rica tem sido modelada para meios geol?gicos uni e bidimensionais valendo-se para isto de solu??es anal?ticas fechadas e de t?cnicas num?ricas tais como elementos finitos e diferen?as finitas. Em rela??o aos meios geol?gicos tridimensionais, eles tem sido modelados na forma de "camadas finas", usando o algoritmo "thin sheet". As fontes indutoras utilizadas para simular o eletrojato equatorial nestes trabalhos, tem sido linhas de corrente, eletrojatos gaussianos e eletrojatos ondulantes. Por outro lado, o objetivo principal da nossa tese foi o modelamento dos efeitos que o eletrojato equatorial provoca em estruturas tridimensionais pr?prias da geof?sica da prospec??o. Com tal finalidade, utilizamos o esquema num?rico da equa??o integral, com as fontes indutoras antes mencionadas. De maneira similar aos trabalhos anteriores, os nossos resultados mostram que a influ?ncia do eletrojato equatorial somente acontece em frequ?ncias menores que 10 -1 Hz. Este efeito decresce com a dist?ncia, mantendo-se at? uns 3000 km do centro do eletrojato. Assim sendo, a presen?a de grandes picos nos perfis da resistividade aparente de um semi-espa?o homog?neo, indica que a influ?ncia do eletrojato ? not?vel neste tipo de meio. Estes picos se mostram com diferente magnitude para cada eletrojato simulado, sendo que a sua localiza??o tamb?m muda de um eletrojato para outro. Entretanto, quando se utilizam modelos geo-el?tricos unidimensionais mais de acordo com a realidade, tais como os meios estratificados, percebe-se que a resposta dos eletrojatos se amortece significativamente e n?o mostra muitas diferen?as entre os diferentes tipos de eletrojato. Isto acontece por causa da dissipa??o da energia eletromagn?tica devido ? presen?a da estratifica??o e de camadas condutivas. Dentro do intervalo de 3000 km, a resposta eletromagn?tica tridimensional pode ser deslocada para cima ou para baixo da resposta da onda plana, dependendo da localiza??o do corpo, da frequ?ncia, do tipo de eletrojato e do meio geol?gico. Quando a resposta aparece deslocada para cima, existe um afastamento entre as sondagens uni e tridimensionais devidas ao eletrojato, assim como um alargamento da anomalia dos perfis que registra a presen?a da heterogeneidade tridimensional. Quando a resposta aparece deslocada para baixo, no entanto, h? uma aproxima??o entre estes dois tipos de sondagens e um estreitamento da anomalia dos perfis. Por outro lado, a fase se mostra geralmente, de uma forma invertida em rela??o ? resistividade aparente. Isto significa que quando uma sobe a outra desce, e vice-versa. Da mesma forma, comumente nas altas frequ?ncias as respostas uni e tridimensionais aparecem deslocadas, enquanto que nas baixas frequ?ncias se mostram com os mesmos valores, com exce??o dos eletrojatos ondulantes com par?metros de ondula??o ? = ?2 e ?3. Nossos resultados tamb?m mostram que caracter?sticas geom?tricas pr?prias das estruturas tridimensionais, tais como sua orienta??o em rela??o ? dire??o do eletrojato e a dimens?o da sua dire??o principal, afetam a resposta devido ao eletrojato em compara??o com os resultados da onda plana. Desta forma, quando a estrutura tridimensional ? rotacionada de 90?, em rela??o ? dire??o do eletrojato e em torno do eixo z, existe uma troca de polariza??es nas resistividades dos resultados, mas n?o existem mudan?as nos valores da resistividade aparente no centro da estrutura. Ao redor da mesma, por?m, se percebe facilmente altera??es nos contornos dos mapas de resistividade aparente, ao serem comparadas com os mapas da estrutura na sua posi??o original. Isto se deve ? persist?ncia dos efeitos galv?nicos no centro da estrutura e ? presen?a de efeitos indutivos ao redor do corpo tridimensional. Ao alongar a dire??o principal da estrutura tridimensional, as sondagens magnetotel?ricas v?o se aproximando das sondagens das estruturas bidimensionais, principalmente na polariza??o XY. Mesmo assim, as respostas dos modelos testados est?o muito longe de se considerar pr?ximas das respostas de estruturas quase-bidimensionais. Por?m, os efeitos do eletrojato em estruturas com dire??o principal alongada, s?o muito parecidos com aqueles presentes nas estruturas menores, considerando-se as diferen?as entre as sondagens de ambos tipos de estruturas. Por outro lado, os mapas de resistividade aparente deste tipo de estrutura alongada, revelam um grande aumento nos extremos da estrutura, tanto para a onda plana como para o eletrojato. Este efeito ? causado pelo acanalamento das correntes ao longo da dire??o principal da estrutura. O modelamento de estruturas geol?gicas da Bacia de Maraj? confirma que os efeitos do eletrojato podem ser detetados em estruturas pequenas do tipo "horst" ou "graben", a grandes dist?ncias do centro do mesmo. Assim, os efeitos do eletrojato podem ser percebidos tanto nos meios estratificados como tridimensionais, em duas faixas de freq??ncia (nas proximidades de 10 -1 Hz e para freq??ncias menores que 10 -3 Hz), possivelmente influenciados pela presen?a do embasamento cristalino e a crosta inferior, respectivamente. Desta maneira, os resultados utilizando o eletrojato como fonte indutora, mostram que nas baixas freq??ncias as sondagens magnetotel?ricas podem ser fortemente distorcidas, tanto pelos efeitos galv?nicos da estrutura tridimensional como pela presen?a da influ?ncia do eletrojato. Conseq??ntemente, interpreta??es err?neas dos dados de campo podem ser cometidas, se n?o se corrigirem os efeitos do eletrojato equatorial ou, da mesma forma, n?o se utilisarem algoritmos tridimensionais para interpretar os dados, no lugar do usual modelo unidimensional de Tikhonov - Cagniard. ; ABSTRACT: South America presents several unique geomagnetic features, one of which is the Equatorial Electrojet, a current system which extends east - west in Northern Brazil, for almost 3500 km. Considering the fact that the influence of the Equatorial Electrojet can be detected at great distances from its central axis, it is important to understand its effects on magnetotelluric exploration in Brazil. In magnetotelluric prospecting, the influence of the equatorial electrojet has been modelled for both one and two - dimensional geological media, employing both analytical and numerical techniques solutions such as finite element and finite difference. Three-dimensional geological media have been modeled by "thin ? layers "using a "thin sheet" algorithm. Lines of current, gaussian electrojets and undulatory electrojets have been used as induction sources to simulate the equatorial electrojet in these algorithms. In this thesis the principal objective is to model the effects of the equatorial electrojet on three - dimensional structures commonly found in geophysical prospecting. To accomplish this, we have computed numerical solutions of the integral equation for three - dimensional media using the inductive sources mentioned before. As previous works have indicated, our results also show that the influence of the equatorial electrojet is prominant only for frequencies lower than 10 -1 Hz. This influence decreases with distance but is detectable up to as far as 3000 km from the center of the electrojet. Thus, the presence of peaks in the apparent resistivity profiles over a homogeneous half - space indicates that the influence of the electrojet is more noticeable for this kind of medium. These peaks display different amplitudes for each type of simulated electrojet, and the peak locations also change from one electrojet to the other. However, when we use more geologically realistic one - dimensional models such as a stratified media, the effect of the electrojet source diminishes considerably and the results do not vary greatly for the different kinds of electrojet employed in the model. This effect is caused by the electromagnetic energy dissipation due to the presence of stratified conductive layers within the media. Within the 3000 km region, the three - dimensional electromagnetic response can be larger or smaller than the plane wave response, depending on location body, frequency, kind of the electrojet and geology. When the apparent resistivity is larger than the plane wave response, there is a spread between the one and the three-dimensional sounding curves caused by the electrojet, as well as a widening of the profile anomaly caused by the three - dimensional inhomogeneities relative to the one due to a plane wave. When the apparent resistivity is less the two kinds of sources yield anomalies approximately equal as well as a shortening of the profile anomaly. On the other hand, the phase usually shows an inverted way related to the apparent resistivity. This means that when one phase goes up the apparent resistivity goes down, and vice - versa. Similarily at high frequencies, the one and three - dimensional phases are offset, while at low frequencies they are the same, except for the undulating electrojet with undulation factor ? = -2 and -3. Our results also show that the geometric characteristics of three-dimensional structures, such as their orientation relative to the direction of the electrojet and the dimensions of their principal direction, change the response due to the electrojet source as compared to a plane wave source. For example, when the three - dimensional structure is rotated 90 degrees, relative to the direction of the electrojet, there is a change in polarization (of the electric and magnetic fields) but there are no changes in the values of apparent resistivity at the center of symmetry of the structure. When the measurements are taken away from the center of symmetry changes in the apparent resistivity are shown when compared with the unrotated structure. This is due to the persistente of the galvanic effects at the center of the structure and the presence of inductive effects at the periphery of the three - dimensional body. When we elongate the principal direction of the three - dimensional structure, the magnetotelluric soundings start to approach those of two-dimensional structures. This is more noticiable in the XY polarization. Even so, the responses of the models tested are still quite different from the responses of the quasi two - dimensional structures. Nevertheless, the effects of the electrojet in structures with elongated principal direction are very similar to those present in smaller structures, considering the differences between the soundings of both kinds of structures. On the other hand, the apparent resistivities of this kind of elongated structures show a great increase at the edges of these structures, both for the plane wave or electrojet sources. This effect is caused by the chanelling of the current along the main direction of the structure. The modelling of gelogical structures in the Maraj? Basin, confirms that the effects of the electrojet can be detected even in small horst and graben structures located at great distances from electrojet center. Electrojet effects are noticeable in both one and three - dimensional media for two frequency bands, one near 10 -1 Hz and another band, between 10 -3 Hz to DC. This possibly reflects the influence of a resistive geological basement and a resistive lower crust, respectively. The results of the analysis, using the electrojet as an inductive source show that at low frequencies the computed responses from the magnetotelluric soundings can be strongly distorted, both by galvanic effects in the three - dimensional structure as well as the presence of the electrojet. Therefore, if the equatorial electrojet effects are not accounted for, a misleading interpretation magnetotelluric data will result. Similarily, a three - dimensional model should be used to interpret the data, instead of one-dimensional Tikhonov-Cagniard model.