Artigo-GPR 3D-Completo

Revista Brasilieira de Geofísica
Revista Brasileira de Geofísica, RBGF.
GPR 3-D sobre depósitos sedimentares do Quaternário, na Restinga de
Marambaia, Baía de Sepetiba-Rio de Janeiro.
A 3-D GPR on Quaternary sedimentary deposits of the “Restinga de
Marambaia”, Baía de Sepetiba – Rio de Janeiro.
Maria da Conceição Pessoa
1
, Maria Silva Barbosa
2
e Jandyr de Menezes Travassos
3
.
1
PPG-ECRN-Departamento de Geologia/ Escola de Minas/ Universidade Federal de Ouro Preto, Campus Morro do Cruzeiro s/n, 35400-
000 Ouro Preto, Minas Gerais, Brasil, Tel:(21) 82850019-E-mail: mariapessoa05@yahoo.com.br
2
PPG-ECRN-Departamento de Geologia/ Escola de Minas/ Universidade Federal de Ouro Preto, Campus Morro do Cruzeiro s/n, 35400-
000 Ouro Preto, Minas Gerais, Brasil, Tel/Fax: (31) 3559-1605-E-mail: silvia@degeo.ufop.br
3
Ministério da Ciência e Tecnologia/ Observatório Nacional/ ON, Rua General José Cristino, 77 – 20921-400 São Cristóvão, Rio de Janeiro,
RJ, Brasil, Tel/Fax: (21) 2580-7081-E-mail: jandyr@on.br

GPR 3D SOBRE OS DEPÓSITOS SEDIMENTARES DA RESTINGA DE MARAMBAIA, RIO DE JANEIRO.
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Revista Brasileira de Geofísica, SBGF,
2
ABSTRACT
The geophysical method, GPR is an effective technique for electromagnetic imaging studies in
estratigráficos of the Quaternary sedimentary deposits. The Restinga da Marambaia, is an important
record of the evolution of the Quaternary in Brazil, whose training and development are still the subject
of controversy. The beginning of the process depositional sediment transgressive occurred during the
last glaciation, when sea level was 80 m below the current level. This was the main motivation for
conducting a survey GPR weakly 3-D on the deposits of Restinga of Marambaia. The strategy of
acquiring experimental GPR 3D proposed in this paper ensures that the sampling space inline and
cross-line are equal, thus preventing the interpolation of profiles, something unacceptable in a work of
acquiring 3-D and with spacing between profiles of the same order as between the lines, so that it can
faithfully reproduce the subsurface. The non-uniform sampling in both directions perpendicular defined
by the survey inevitably produces alias space toward cross-line, i.e, perpendicular to the direction of the
profiles, particularly aggravated by the interpolation of them. In addition to careful to avoid the alias
perform spatial profiles in two directions perpendicular defined by the survey, thus avoiding the
mixture of polarization. In our survey the offset is fixed, there are two directions (perpendicular) and
azimuth of two modes of polarization, resulting in a total of more than degrees of freedom 3: (x, y, z;
1,2, p1,2). The acquisition proposal presented here experimental data of high quality both in profile
and in plant, which when integrated geophysical allowed generate a three-dimensional model of the
values of amplitudes in the surveyed area.
Keywords: Acquisition GPR-3D, alias space, a mixture of polarization, interpretation GPR 3D

MARIA PESSOA, MARIA BARBOSA, JANDYR TRAVASSOS
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RESUMO
O método geofísico GPR é considerado uma técnica de imageamento eletromagnético efetiva em
estudos estratigráficos de depósitos sedimentares do quaternário. A Restinga da Marambaia, RJ, é um
registro importante da evolução do Quaternário no Brasil, cuja formação e evolução ainda são objeto de
controvérsias. O início do processo deposicional sedimentar transgressivo ocorreu durante a última
glaciação, quando o nível do mar estava 80m abaixo do nível atual. Esta foi a principal motivação para
realizar um levantamento GPR fracamente 3-D sobre os depósitos da Restinga de Marambaia.
A estratégia de aquisição experimental GPR 3D proposta neste trabalho assegura que as
amostragens espaciais in-line e cross-line sejam iguais, evitando deste modo a interpolação
de perfis, algo inaceitável em um trabalho de aquisição 3-D e com espaçamento entre perfis da mesma
ordem que entre os traços, de modo que se possa reproduzir fielmente a subsuperfície. A amostragem
não-uniforme nas duas direções perpendiculares definidas pelo levantamento produz inevitavelmente
alias espacial na direção cross-line, i.e., perpendicular à direção dos perfis, agravado sobremaneira pela
interpolação dos mesmos. Além do cuidado de evitar o alias espacial realizaram-se perfis nas duas
direções perpendiculares definidas pelo levantamento, evitando-se assim a mistura de polarizações.
Nesse levantamento o offset é fixo, havendo duas direções (perpendiculares) de azimute e dois modos
de polarização, resultando em um total de graus de liberdade maior que 3: (x, y, z; 1,2, p1,2) . The
additional work of this survey has generated a geophysicist three-dimensional model of the values of
amplitudes in the surveyed area.
Palavras-Chave: Aquisição GPR-3D, alias espacial, mistura de polarizações, amplitudes

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INTRODUÇÃO
O método GPR é considerado uma técnica de imageamento efetiva na avaliação da estratigrafia da
subsuperfície (Davis & Annan, 1989; Gawthorpe et al., 1993, McMechan et al., 1997; Van
Overmeeren, 1998; Vandenberghe & Van Overmereen, 1999; Van Dam & Schlager, 2000) que,
respeitado o seu alcance em profundidade, pode ser comparada favoravelmente à sísmica (Jol, 1995;
Mitchum et al., 1977a, b). De fato a resolução que é possível atingir com o GPR é possível obter na
sísmica rasa.
O estudo dos depósitos que ocorrem ao longo do litoral brasileiro é de fundamental importância para a
caracterização dos eventos geológicos que marcaram o período Neógeno na escala mundial, uma vez
que eles não se constituem em eventos isolados, mas documenta uma história de flutuação do nível do
mar, consistente com muitas outras áreas da América do Sul e do mundo (Rossetti et al. 2001). A
porção sedimentar referida como Restinga da Marambaia, é um registro importante da evolução do
Quaternário no Brasil, cuja formação e evolução ainda são objeto de controvérsias. Sua coluna
estratigráfica está caracterizada por uma seqüência flúvio-marinha transgressiva sobre material de
origem francamente continental (Borges, 1990). O início do processo deposicional sedimentar
transgressivo ocorreu durante a última glaciação, quando o nível do mar estava 80 m abaixo do nível
atual. Esta foi à principal motivação para realizar um levantamento GPR 3-D na Restinga de
Marambaia.
No presente estudo fomos particularmente cuidadosos ao desenhar a estratégia de campo, de modo a
assegurar que as amostragens espaciais in-line e cross-line sejam iguais, evitando deste modo a
interpolação de perfis, algo inaceitável em um trabalho de aquisição 3-D. Já está estabelecido que
aquisições 3-D requerem amostragens densas, com espaçamento entre perfis da mesma ordem que

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entre os traços, que se possa reproduzir fielmente a subsuperfície (Grasmueck et al., 2003; Pessoa &
Travassos, 2007). A amostragem não-uniforme nas duas direções perpendiculares definidas pelo
levantamento produz inevitavelmente alias espacial na direção cross-line, i.e., perpendicular à direção
dos perfis, agravado sobremaneira pela interpolação dos perfis. Há na literatura exemplos de
levantamentos 3-D com amostragem espacial correta nas direções in-line e cross-line (Grasmueck,
1996; Szerbiak et al., 2001; Birken et al., 2002; Grasmueck & Weger, 2003).
Além do cuidado de evitar o alias espacial realizamos perfis nas duas direções perpendiculares
definidas pelo levantamento, terminando assim com dois conjuntos independentes de dados in-line e
cross-line, evitando-se assim a mistura de polarizações (Pessoa & Travassos, 2007), outro erro
encontrado com freqüência na literatura sobre levantamentos alegadamente 3-D. A mistura de
polarizações é inevitável em levantamentos GPR onde os perfis são realizados apenas em uma direção.
Devido à nossa estratégia de campo, terminamos de fato e automaticamente com dois levantamentos 3-
D, porem com polarizações distintas, fornecendo invariavelmente imagens diferentes da mesma
subsuperfície (Travassos et al., 2008; Travassos & André, 2005; Kruk et al., 2003).
Não obstante os cuidados descritos acima, os resultados descritos neste trabalho devem ser
considerados como um levantamento 3-D com um pouco mais de 3 graus de liberdade, na medida em
que os dados foram obtidos com as antenas mantidas na mesma configuração fixed-offset, paralelas
entre si e perpendiculares à direção dos perfis, ao longo das duas direções perpendiculares de medida.
Esta é uma diferença fundamental entre levantamentos 3-D GPR e sísmicos terrestres; nestes além das
duas direções horizontais e a profundidade, ainda há dois graus de liberdade adicionais: o offset e o
azimute, totalizando 5 variáveis (x, y, z, d, ) (Yilmaz, 2001; Cordsen et al., 2000). No nosso
levantamento o offset é fixo, havendo apenas duas direções (perpendiculares) de azimute e dois modos
de polarização, resultando em um total de graus de liberdade ligeiramente maior que 3: (x, y, z; 1,2,

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p1,2). Note que a maioria absoluta dos levantamentos 3D descritos na literatura podem ser apenas
considerados como 2.5D por serem realizados com perfis em uma só direção, offset fixo e com
amostragem espacial cross-line múltipla da in-line, permitindo apenas uma renderização gráfica 3-D. O
trabalho adicional do presente levantamento possibilitou gerar um modelo geofísico tridimensional dos
valores de amplitudes para a área de estudo.
ÁREA DE ESTUDO
A Restinga de Marambaia, de 40km de extensão, está formada por dois cordões arenosos paralelos,
que estão bem diferenciados no setor oeste e menos definidos nos setores centrais e leste. São
encontradas em toda a sua extensão diversas feições sedimentares atuais e pretéritas. As várias feições
geomorfológicas são as praias atuais, feixes de cristas de praia, campo de dunas, dois cordões
litorâneos, lagoas colmatadas, uma área perenemente alagada com uma série de ilhas de formato
circular que podem estar relacionadas a sambaquis, esporões e marcas de ondulação em zonas
submersas, Borges (1990).
A área de estudo encontra-se sobre dunas, classificadas de parabólicas por Ponçano (1976) e barcanas
por Roncati & Barrocas (1978). Estas dunas estão fixadas por vegetação e sofrem retrabalhamento pelo
vento sudoeste, comprovado pela orientação SW-NE dos lobos de ruptura de deflação (blowouts). O
processo de sedimentação Quaternária das dunas litorâneas iniciou-se no Pleistoceno, durante o período
glacial (Borges 1990).
A coluna sedimentar do campo de dunas é constituída por sedimentos fluviais de canais de maré,
mangue e marinhos. Estes sedimentos compõem uma seqüência transgressiva, cuja base está
caracterizada por sedimentos de ambiente continental, sobrepostos por sedimentos de ambiente misto,

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correspondendo à subida do nível do mar durante o estágio interglacial Riss-Wurm. Estes sedimentos
foram entalhados durante o último período glacial Wurm, quando o nível do mar estava a 80,0m abaixo
do seu nível atual, tendo então ocorrido à formação de vales atualmente submersos (Ponçano, 1979).
O levantamento 3-D foi realizado em uma área de 20 x 20 m2
, localizada na porção leste da Restinga de
Marambaia, entre a Baía de Sepetiba e o Oceano Atlântico (Figura 1). A Restinga de Marambaia é
considerada patrimônio histórico e ambiental do estado do Rio de Janeiro. O acesso a área investigada
é controlado pelo exército, onde se encontra na porção leste da Restinga e ao centro, Aeronáutica e a
oeste, a Marinha.
Fig. 1
TRABALHO DE CAMPO E PROCESSAMENTO DOS DADOS
O levantamento topográfico e o posicionamento dos perfis GPR no interior da área de 20 x 20 m2
, foi
realizado com equipamento DGPS Leica e um nível óptico numa malha regular de 5 x 5 m, totalizando
31 pontos de medida. Os dados DGPS foram referenciados a um marco do IBGE, distante cerca de 500
metros da área de estudo. Cada posição de traço GPR foi obtida através de interpolação da malha
regular de 31 pontos. A área escolhida para o levantamento apresenta uma topografia suave com
pequenas variações na altitude, conforme mostrado na Figura 2.
Fig.2
Foi utilizado um equipamento Sensor & Software PE100, com antenas de 100 MHz, janela de tempo de
850ns e transmissora de 1000V. Essa janela de tempo permitiu uma penetração do sinal até a
profundidade de 50m aproximadamente. A distância entre as antenas receptora e transmissora foi
mantida fixa a 1m. O disparo do GPR foi realizado de modo contínuo no tempo, permitindo uma
amostragem espacial in-line 0.05 a 0.25 m, posteriormente uniformizada, através de decimação a 0.25
m. A distância e o comprimento dos perfis foi mantido uniforme, igual a 0.25m e 20m,

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respectivamente. Adotamos a seguinte convenção: perfis in-line na direção NE-SW e os perfis cross-
line na direção NW-SE, conforme mostrado esquematicamente na Figura 3.
Fig. 3
O processamento compreendeu extensa etapa de edição dos dados, compreendendo as etapas de
correção dos erros de aquisição, posicionamento dos traços segundo uma malha DGPS adensada com
um nível óptico, unifomização do tempo zero, reamostragem espacial nas duas direções para 0.25m,
com posterior filtragem espacial anti-alias e restrição da janela de tempo para 600ns, onde a razão
sinal-ruído era máxima. Seguiu-se uma etapa de processamento e imageamento que incluiu dewow,
ganho sec baseado no envelope do traço médio, filtragem temporal passa-banda e migração.
A análise da velocidade forneceu um modelo de duas velocidades: V1 = 0.14 m/ns para o intervalo de
tempo (0 - 225 ns) e V2 = 0.09 m/ns que corresponde ao intervalo de tempo (225 - 400 ns), Figura 4.
Este modelo de velocidade implica que a profundidade de investigação de uma seção de 600 ns é de
27m, o limite exterior das seções analisadas neste trabalho. Isto define a nossa geometria 3-D como um
cubo de 20 x 20 x 27 m³. O limite no alcance em profundidade, no entanto, não é o único limite a ser
considerado nas seções; há os limites internos à seção, ou o limite em resolução. A resolução vertical
de uma determinada camada pode ser 1/4 do comprimento de onda (Widess, 1973), no nosso caso
situando-se entre 0.7m - 0.15m. A resolução horizontal poderá ser, no máximo, da mesma ordem de
grandeza (Grasmueck et al., 2003). O maior dip que pode ser recuperado terá a diferença de tempo de
trânsito entre duas reflexões subseqüentes menores que 1/2 período, permitindo recuperar ângulos de
até de 60º (Grasmueck et al., 2003).
As tentativas de migração dos nossos dados indicaram a necessidade da adoção de mais de uma
velocidade de migração, no entanto no presente trabalho, preferimos adotar um modelo de uma

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velocidade apenas. A migração foi realizada com uma velocidade de 0.06 m/ns, inferior aos valores
encontradas na análise de velocidades. Velocidades de migração maiores que 0.06m/ns aplicadas aos
dados originaram smiles em alguns segmentos das seções. A topografia foi inserida às seções
subseqüentemente à migração.
Fig.4
RESULTADOS
Os resultados desse trabalho foram intrepretados tendo como base uma adaptação dos termos e
conceitos herdados da sismoestratigrafia, em conjunto com uma metodologia de hierarquização de
superfícies limitantes (bounding surfaces), conforme metodologia proposta por Miall (1988). Deste
modo garantimos que as interpretações atribuídas aos padrões de terminação extraídas da
sismoestratigrafia convencional representem o registro geológico de acordo com a escala de operação
do GPR. Aqui seguimos o procedimento interpretativo que possibilitou identificar 4 radarfacies para a
Restinga de Marambaia (Pessoa & Travassos, 2007), Figura 5.
Fig.5
A seção radarestratigráfica da Figura 6 adquirida na direção NE-SW, mostra um refletor contínuo e
bem definido no intervalo 225 – 250 ns, que interpretamos como uma superfície de inundação máxima.
O time-slice correspondente a tal intervalo de tempo, Figura 7, possibilita a individualização de
sedimentos de granulometria fina, silte e/ou argila durante uma eventual inundação máxima, onde tais
sedimentos foram transportados de mangues e depositados após a diminuição do fluxo de corrente. A
presença de silte/argilas causou a diminuição dos valores das amplitudes. Sobre a superfície de
inundação. Sedimentos arenosos bem selecionados transportados pelo vento sudoeste encontram-se
depositados sobre esta superfície, confirmado pelas sondagens e pela configuração sigmóide desta
radarfácies.

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Fig.6
Fig. 7
A interpretação de todos os time-slices individualizados a cada 30 ns de espessura aponta para um
modelo geofísico de variações de amplitudes para área de estudo a partir de um bloco de 20 x 20 x
27m3 Figura 8. A análise deste modelo aponta para um leve aumento da presença de silte / argila ou
matéria orgânica em função da profundidade. A modelagem das interpretações realizadas no time-slice
foi confeccionada após analisar individualmente todos os 20 time-slices, com auxílio dos programas
Auto-Cad e Corel Draw, sendo, portanto, gerado o modelo geofísico tridimensional para os valores de
amplitudes em função do tempo duplo.
Os demais intervalos não anômalos foram interpretados a cada 30ns, sendo que os primeiros intervalos
foram balizados pelas informações das sondagens realizadas e os demais foram feitos através de
correlação com os padrões dos refletores das seções radar-estratigráficas.
O objetivo desse modelo é delimitar os depósitos sedimentares eólicos holocênicos daqueles de origem
fluvio-marinho. Como na base das sondagens foi encontrado lama arenosa, fragmentos de conchas,
cascalhos e matéria orgânica, esta composição variada diminui os valores de amplitudes, quando
comparado com depósitos de dunas, areias secas desagregadas e bem selecionadas no topo,sendo,
portanto registrada por amplitudes mais elevadas da onda eletromagnética.
Posto isto, há um suposto limite entre os depósitos do Pleistoceno com Holoceno a aproximadamente
150ns. Apartir desse intervalo as amplitudes altas diminuem gradativamente.
Fig. 8

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CONCLUSÕES
A aquisição dos dados com uma estratégia francamente 3-D permitiu a obtenção de dados de excelente
qualidade tanto em perfil como em planta, que quando integrados possibilitou gerar um modelo
geofísico para a área de estudo tridimensional baseado nos valores de amplitudes do sinal GPR. A
estratégia adotada para aquisição dos dados utilizou amostragens espaciais in-line e cross-line iguais,
evitando a necessidade da interpolação cross-line e a mistura de polarizações. Deste modo obtivemos
um levantamento 3-D com um pouco mais de 3 graus de liberdade, possuindo duas direções
(perpendiculares) de azimute e dois modos de polarização.
Foi possível identificar 5 radarfácies para a Restinga de Marambaia até a profundidade de 27m de
penetração, atingindo a camada intervalar da coluna estratigráfica proposta por Borges (1990), que
corresponde aos sedimentos mistos, flúvio-marinhos com presença de silte/argilas e cascalhos,
sobreposto por sedimentos eólicos que alteraram os valores de amplitude em profundidade. O pacote
do topo representado por valores elevados de amplitudes corresponde às areias transportadas pelo
vento. A feição mais proeminente das nossas seções é um refletor contínuo e bem definido no intervalo
225 – 250ns, interpretado como uma superfície de inundação máxima.

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FIGURAS
Fig. 1: Localização da área de trabalho, assinalada com circulo vermelho, sobreposta no Mapa
Geológico do Istmo da Marambaia (modificado de Heilbron et al., 1993).
Fig. 2: Mapa topográfico da área de estudo com elevações.
Fig. 3: Estratégia de aquisição GPR 3-D com antenas perpendiculares à direção dos perfis nas duas
direções, e espaçamento entre os traços igual à distância entre os perfis.
Fig. 4: Perfil CMP e sua análise de velocidades, fornecendo o modelo: V1 = 0.14 m/ns (0 - 225 ns) e V2
= 0.09 m/ns (225 - 400 ns).
Fig. 5: Interpretação radar estratigráfica das estruturas internas da Restinga de Marambaia (Pessoa &
Travassos, 2007).
Fig.6: Seção GPR adquirida na direção in-line mostrando uma superfície de inundação máxima,
representada por um refletor plano paralelo no intervalo 225 - 255ns, destacado pela cor azul.
Fig. 7: Time-slice correspondente ao intervalo de 225 - 255ns.
Fig. 8: Modelagem tridimensional de todos os time-slices com espessura de 30 ns.

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Fig. 2: Localização da área de trabalho, assinalada com circulo preto, sobreposta no Mapa Geológico da Restinga de
Marambaia (modificado de Heilbron et al., 1993).
Fig.2: Mapa topográfico da área de estudo com suaves elevações.

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Fig. 3: Estratégia de aquisição GPR 3-D com antenas perpendiculares à direção dos perfis nas duas direções, e espaçamento entre
os traços igual à distância entre os perfis.
Fig.4: Perfil CMP à direita e análise de velocidades à esquerda com dois valores : V1 = 0.14 m/ns (0 - 225 ns) e V2 = 0.09 m/ns
(225 - 400 ns).

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Fig. 5: Interpretação radar estratigráfica das estruturas internas da Restinga de Marambaia (modificado de Pessoa & Travassos,
2007).

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Fig.6: Seção radar-estratigráfica mostrando uma superfície de inundação máxima, representada por um refletor
plano paralelo no intervalo 225-255ns, destacado pela cor azul.
Fig. 7: Representa interpretação em time-slice adquirido na área de estudo correspondente ao intervalo entre 225-250ns. Nesta
imagem observa-se a variação da amplitude do sinal eletromagnético em planta.

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Fig. 8: Modelagem geofísica das amplitudes mais elevadas e suas variações em tempo a cada 30ns.
AGRADECIMENTOS
O trabalho de campo foi realizado com recursos da Petrobras e do Observatório Nacional.
Agradecemos ao Exército Brasileiro a permissão para realizar os levantamentos na Restinga de
Marambaia.

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NOTAS SOBRE OS AUTORES
Maria da Conceição Pessoa. Engenheira Geóloga (2003) graduada pela Universidade Federal de Ouro
Preto. Trabalha como Geóloga Interprete de dados Geofísicos aplicados aos segmentos downstream e
upstream. Concluiu mestrado (2009) em Evolução Crustal e Conservação dos Recursos Naturais, pela
Universidade Federal de Ouro Preto. Sua área de interesse é interpretação e modelagem de dados
geofísicos.
Maria Silva Barbosa. Engenheira Geóloga pela UFOP (1987), Mestre Geologia Estrutural
(DEGEO/UFOP –1990), Doutora em Geofísica (IAG/USP – 2000). Atua na área de Geociências, com
ênfase em Métodos Potenciais, Sísmica, Prospecção Geofísica, Tectonofísica e Perfilagem. Atualmente
é professora Associada do DEGEO/EM/UFOP e consultora do Núcleo de Geologia do Petróleo
(NUPETRO), Fundação Gorceix. Membro da Sociedade Brasileira de Geologia e da Sociedade
Brasileira de Geociências.
Jandyr de Menezes Travassos. Bacharel em Física e Mestrado em Geofísica pela UFRJ, PhD em
Geofísica pela University of Edinburgh e British Geological Survey (1987) e Pós-doutorado no
Lamont-Doherty Observatory (1999). Pesquisador Sênior UIII do Observatório Nacional, tendo atuado
em diversas áreas da Geofísica, com ênfase na utilização dos métodos eletromagnéticos.

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