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Gradiometria do L'Océan
O Gradiómetro Transversal
 
Introdução
A medição de gradientes magnéticos transversais e longitudinais existem já há algum tempo e tornaram-se gradualmente populares ao longo dos anos. De facto, este instrumento tem grandes vantagens relativamente ao magnetómetro convencionais que medem o campo magnético total. As vantagens mais importantes são: (1) a sua independência relativamente à variação diurna do campo magnético terrestre, (2) maior frequência de dados resultando na melhor identificação de anomalias locais e (3) capacidade em simplificar dados utilizando o cálculo do Sinal Analítico. Em algumas situações os dados podem ser tratados como duas linhas de campo paralelas duplicando o rácio de produção dos mesmos. No entanto, a medição por gradientes têm também algumas desvantagens, (1) em geral o gradiente é menos sensível a fontes em profundidade relativamente ao campo magnético total, (2) pode ser mais difícil colocar e arrastar na água dois magnetómetros numa estrutura rígida, (3) o risco de perda é mais alto e (4) o sistema é mais complicado de montar e transportar. Este documento descreve o teste no sítio do L'Océan aplicando a solução da Geometrics para medições com um gradiómetro magnético, as suas características físicas e hidrodinâmicas assim como os dados adquiridos com o sistema e a sua interpretação.

O Gradiómetro Transversal da Geometrics
A Geometrics concebeu um gradiómetro transversal rígido clássico apresentado na figura seguinte. Consiste em dois magnetómetros de vapor de césio G-882 de alta resolução montados em paralelo numa estrutura rígida separados um do outro por um metro e meio. Os magnetómetros montados na referida estrutura podem, também, ser utilizados de forma independente em diversas situações. No topo central da estrutura encontra-se instalado um altímetro podendo medir alturas do fundo até aos cem metros. Duas asas diedrais presas aos magnetómetros, formando um ângulo de 45 graus, permitem uma grande estabilidade hidrodinâmica. Cada magnetómetro leva uma quilha lastrada de modo a permitir maior profundidade de arrasto. Os dois magnetómetros estão equipados com transdutores de profundidade de alta precisão para registo da profundidade e cálculo do ângulo de inclinação do sistema na água. Todos os sensores, magnéticos, altímetro e profundímetros estão sincronizados a 1 ms de intervalo. A frequência de obtenção de dados é de 10Hz.



O Teste
O teste realizado demonstrou grande estabilidade da plataforma quando arrastada na coluna água independentemente da velocidade e direcção. Não se verificaram sobre voltas, posicionamentos na vertical ou outro tipo de problemas. Constatou-se, também, a possibilidade de arrastar o sistema até pouco mais de 8 nós sem colocá-lo em stress estrutural, nem alterar o seu comportamento. Factor crucial em situações de emergência frente a obstáculos repentinos em que é necessário acelerar rapidamente para levantar o sistema. Estas características permitem a realização de levantamentos de grandes áreas com muita eficiência e qualidade. No entanto, é também possível levantamentos com grande resolução tendo em consideração a estabilidade no arraste a baixa velocidade e a capacidade de recolha de 10 leituras por segundo.

Apresentamos um gráfico com os resultados de um teste de estabilidade, 'ângulos de inclinação em função da velocidade', realizado pela Geometrics com um sistema exactamente igual ao utilizado na acção aqui descrita. Os resultados do gráfico incluem voltas em 'S' a várias velocidades. Observou-se, no teste da Geometrics e no teste que realizámos, que a alta velocidade o sistema opera perto da superfície mantendo-se perfeitamente estável a uma profundidade de um metro ou mais de água.


Cálculo do Sinal Quase Analítico
O Sinal Analítico é largamente utilizado na interpretação de dados magnéticos. Pode ser definido como a raiz quadrada (A) da soma dos quadrados das componentes horizontais (Gx e Gy) e vertical (Gz) do gradiente do campo magnético total.

 

Dependendo da forma como o levantamento é realizado 'A' pode ser medido ou calculado analiticamente assumindo que os campos magnéticos podem ser tratados como campos potenciais. A utilização do Sinal Analítico para mapear áreas de levantamento tem algumas vantagens significativas:

  • É independente da variação diurna do campo magnético da terra;
  • Tem uma estrutura simplificada; e
  • As anomalias são sempre positivas

Na maior parte da situações, mas não sempre, as anomalias magnéticas apresentadas em termos de Sinal Analítico constituem máximos simples com o seu pico situado mesmo em cima do objecto magnético ao contrario da estrutura complexa de dois lóbulos opostos do campo magnético total. Deste modo, em muitas situações, a posição do corpo magnético pode ser identificado pela simples leitura do mapa de Sinal Analítico.

Com o gradiómetro transversal apenas um dos gradientes pode realmente ser medido. No entanto, uma outra componente horizontal pode ser calculada utilizando os dados recolhidos ao longo do trajecto do levantamento. Trata-se, com efeito, da derivada tempo que pode em teoria ser afectada pela variação diurna do campo magnético terrestre. No entanto, dado tratarem-se de intervalos de tempo curtíssimos, da ordem dos segundos, essa influência é desprezível. Deste modo o vector do gradiente horizontal pode ser semi-medido. Como a direcção do trajecto é conhecida as componentes Gx e Gy do gradiente podem ser expressados em termos de Norte e Este verdadeiros.

A componente vertical Gz do gradiente não é conhecida e não existe forma de medição directa com a qual possa ser obtida. Desta forma, a teoria do campo potencial torna-se útil nesta situação. A mesma, declara que um campo potencial pode ser calculado em qualquer ponto livre de fontes magnéticas a partir de uma superfície onde o campo é conhecido. Este procedimento, largamente utilizado na interpretação de campos magnéticos e gravitacionais, é chamado de Prolongamento Ascendente já que é normalmente a prolongação de um plano a outro mais alto. Existem duas versões, 3-D e 2-D, do procedimento do Prolongamento Ascendente. No caso do 3-D, o campo deve ser conhecido num plano horizontal. No caso 2-D, é suficiente conhecer o campo ao longo de uma linha de medição, considerando-se uniforme nas perpendiculares. Esta assumpção não é geralmente verdadeira com anomalias produzidas por objectos finitos mas mais realista para objectos alongados como tubos e pipelines. A qualidade do Prolongamento Ascendente 2-D é também afectada pelo comprimento da linha de dados adquiridos e o número de amostras por linha. Quanto maior for a amostra melhor será o resultado.

Dado que neste caso, com o gradiómetro transversal, não existe um terceiro sensor na vertical, a aproximação 2-D para obter a componente Gz é a única possível, a qual produz resultados muito aceitáveis quando todas as componentes do gradiente têm a mesma ordem de magnitude (no pior dos casos o Sinal Analítico não será muito distorcido já que 66% da anomalia é produzida pelas outras duas componentes horizontais). Nas situações em que o campo da componente vertical é mais intenso o gradiómetro mais adequado seria o vertical. No entanto, esta solução é muito complicada de operar tendo que arrastar um sistema mantendo-o na vertical.

Desta forma, a componente vertical estimada é calculada como a diferença do campo a dois níveis dividido pela elevação de um em relação ao outro. Para diferenciar a medição do sinal analítico real obtido com três sensores desta, realizada com dois sensores, é utilizada a palavra 'Quase'.

Exemplificando, a figura seguinte mostra o registo de uma anomalia magnética típica obtida durante um levantamento feito com um gradiómetro transversal. O primeiro quadro apresenta os dados registados no campo magnético pelos dois sensores. 
 
O quadro intermédio apresenta as curvas das três componentes de gradiente Gx, Gy e Gz obtidas da forma descrita anteriormente. As componentes horizontais são obtidas directamente das medições realizadas e a componente vertical é obtida através do procedimento do Prolongamento Ascendente com uma altura igual à separação dos dois sensores horizontais.
O terceiro quadro  apresenta o Sinal Quase Analítico e a  amplitude do gradiente horizontal  para comparação.

Interpolação e Mapeamento de Resultados
Os dados do levantamento são extrapolados na área de busca sendo possível, com recurso ao software MAGPICK da Geometrics, a sua projecção num mapa codificado por cores retratando os diferentes níveis de intensidade. Quanto mais próximas forem as linhas de levantamento mais rigorosos serão os dados levantados. Os mapas que se apresentam de seguida, como exemplo, documentam os resultados de um trabalho realizado pela Geometrics com um gradiómetro transversal cobrindo uma área aproximada de 700 por 500 metros levantada com linhas de 10 metros de intervalo.

O primeiro mapa apresenta os diferentes níveis do campo magnético total interpolados a partir das linhas de recolha de dados da área objecto do levantamento. O segundo mapa apresenta a interpolação do Sinal Quase Analítico, calculado da forma descrita anteriormente, o qual, muito mais legível, coloca claramente em destaque as anomalias registadas.
   
A Intervenção

Durante a última semana de Março realizou-se nas instalações da Subnauta um curso intensivo sobre operação de um gradiómetro transversal, incluindo montagem, preparação, teste, lançamento, arraste e recolha. O curso incluiu ainda formação sobre a utilização dos diversos softwares da Geometrics, a saber:

  • MAGLOG para planeamento, execução e registo de dados;
  • MAGMAP2000 para preparação e interpolação dos dados recolhidos; e
  • MACKPICK para mapeamento e interpretação dos dados recolhidos.

O curso contou com a presença do formador da Geometrics Mikhail Tchernychev , Senior Software Engineer, operacional experiente na utilização do gradiómetro e autor dos softwares referidos anteriormente, tendo obedecido à seguinte agenda:

  • Apresentação do gradiómetro, montagem e preparação.
  • Funcionalidades do MAGLOG, planeamento do levantamento no sítio do L'Océan, teste do gradiómetro, DGPS e sonda.
  • Preparação do sistema, transporte e montagem na embarcação, levantamento de dados no sítio do L'Océan, lavagem e desmontagem.
  • Funcionalidade do MAPMAP2000 e MAGPICK.
  • Tratamento e interpretação de dados.
  • Montagem e preparação do sistema como magnetómetro simples, revisão e esclarecimento de dúvidas.

Apresentamos seguidamente uma descrição do trabalho realizado no sítio do L'Océan assim como os resultados obtidos.
 
Metodologia
Dado tratar-se de uma acção de formação e teste do gradiómetro transversal da Geometrics definiu-se como área de levantamento um rectângulo centrado aproximadamente no Ponto 3 do sítio do L'Océan, com largura aproximada de 160 metros (80 metros para Norte e a Sul do ponto de referência) e comprimento aproximado de 300 metros (150 metros para Este e Oeste do mesmo ponto).

Definiu-se um esquema de levantamento de dados, arrastamento do gradiómetro, nos sentidos Este-Oeste e Oeste-Este em intervalos de 10 metros a Norte e a Sul do ponto de referencia.


 
 
Os dados medidos pelo gradiómetros assim como a posição geográfica da leitura e a sonda registada pela embarcação foram recolhidos pelo programa MAGLOG conectado às sondas através de um computador portátil GETAC. O trajecto da linhas definidas para o levantamento registados no programa MAGLOG serviram de guia ao skipper da embarcação para o arraste do gradiómetro dentro das linhas planeadas.

Decidiu-se, também, arrastar o gradiómetro a uma profundidade máxima de 2 metros tendo em conta a variação batimétrica do local, que na altura estava na baixa-mar, variando entre os 6 metros a sudeste e os 2,5 metros a noroeste. Estimou-se, deste modo, uma velocidade média de arraste de 4 nós com 25 a 35 metros de cabo atrás da popa da embarcação.

Logística
Os meios utilizados para a operação foram os seguintes:

  • Embarcação Xe-Guedive de 12 metros com dois motores diesel de 270 cavalos equipada com sistemas electrónicos de navegação dos quais destacamos a sonda Raymarine e o DGPS da JRC. A embarcação conta, também, com uma estrutura de aço inox na popa facilitando a colocação e extracção do Gradiómetro da água.
  • Gradiómetro Transversal da Geometrics com dois sensores de césio G-882, cada um equipado com profundímetros, integrados numa estrutura rígida com altímetro.
  • Carretel DONCO de lançamento e recolha do cabo com motor eléctrico.
  • Computador portátil GETAC equipado com o programa MAGLOG para registo on-line das leituras realizadas pelos vários sensores do sistema.
  • Dois equipamentos de mergulho completo para recuperação do sistema em eventuais situações de emaranhamento.
  • Câmara fotográfica FUJI e de filmar SONY para documentação da operação.

Equipa
A equipa participante na operação foi a seguinte:

  • Mikhail Tchernychev, técnico da Geometrics e coordenador da operação.
  • Pedro Caleja (arqueólogo, mergulhador e operador MAGLOG e Gradiómetro).
  • Luís Sá Couto (mergulhador e operador MAGLOG e Gradiómetro).
  • Rui Mariano (skipper e mergulhador).

Descrição do Trabalho Realizado
A operação pode ser resumida de acordo com a realização das seguintes grandes etapas:

  • Preparação, montagem, verificação e colocação do gradiómetro na embarcação.
  • Preparação do computador portátil, arranque do MAGLOG, ligação das cablagens dos sensores e verificação.
  • Viagem para o local do levantamento.
  • Ligações de cabos, arranque do MAGLOG, activação da sonda e do DGPS, preparação do gradiómetro e verificações finais.
  • Passagem da embarcação pela área de levantamento de modo a verificar as batimétricas e confirmar a estratégia de arraste (profundidade do sistema, comprimento do cabo e velocidade de arraste).
  • Colocação do gradiómetro na água e levantamento da leitura dos sensores de acordo com o planeamento controlando a posição do gradiómetro, a sua inclinação e profundidade.
  • Recolha do gradiómetro, volta ao porto, lavagem e desmontagem.
  • Tratamento dos dados obtidos com as aplicações MAGMAP2000 e MAGPICK, interpretação, obtenção de resultados e preparação do relatório.

O levantamento foi realizado seguindo o que se tinha desenhado e projectado no MAGLOG dentro do possível tendo em conta a capacidade de manobra da embarcação, a limitada experiência da tripulação nesse tipo de operações e as condições de mar (ondulação de um metro com vento norte moderado a fraco). O gradiómetro foi arrastado a uma velocidade aproximada de 4 nós, com 25 metros de cabo, tendo-se conseguido que se mantivesse estável a uma profundidade variando entre 1 e 2 metros.

Tendo em conta as condições de trabalho referidas anteriormente considera-se que a operação de levantamento foi muito positiva. Foram feitas 16 passagens paralelas nos sentidos Este-Oeste e contrários. O tempo total, desde o momento em que o sistema foi lançado à água até à sua recolha foi de uma hora e dez minutos. O quadro abaixo apresenta as 16 linhas de passagem do gradiómetro na área em análise (a vermelho a primeira passagem), o sentido de cada passagem e a sua posição em coordenados UTM (cada quadrícula corresponde a 50 metros).
 
Resultados

Feito o interpolação dos dados nas aplicações MAGMAP2000 e MAGPICK obteve-se o primeiro mapa retratando o campo magnético total da área em análise. As variações registadas oscilaram entre os 42.721 nT (azul escuro) aos 43.211 nT (vermelho escuro) sendo o ponto isento de anomalias locais da ordem dos 43.042 nT a 43.047 nT (azul claro, verde e laranja) correspondente ao campo magnético total do local no momento da operação.

Feito o cálculo do Sinal Quase Analítico, tal como descrito na primeira parte deste relatório, apresenta-se de seguida o resultado expresso em nT/m. O mapa põe em relevo as anomalias detectadas as quais atingem em determinado ponto 111 nT/m.

A análise do mapa mostra claramente o local do L'Océan constituído pelos nove pontos do roteiro arqueológico e que se pretendia levantar durante este teste. No entanto, uma análise mais detalhada permite verificar que os sensores detectaram uma anomalia fora do circuito referido anteriormente a Noroeste do mesmo.

A título de exercício levantou-se o ponto do topo da anomalia da carta e realizou-se um mergulho no local para verificar o que lá se encontrava. De facto, no local indicado pela anomalia encontra-se uma estrutura ferrosa que deverá ter pertencido ao navio L'Océan naufragado. A fotografia seguinte documenta a estrutura encontrada no local da anomalia.

Conclusões

O resultado do teste foi francamente positivo tendo corrido da melhor maneira possível. Apenas foi detectado um problema no funcionamento do altímetro o qual foi explicado à posteriori (a frequência da sonda da embarcação interferia com a frequência do altímetro, problema que deixa de acontecer com um comprimento de cabo superior aos 30 metros). Deste modo, verificou-se que o Gradiómetro Transversal da Geometrics:

  1. Permite realizar num só levantamento a leitura de dados livre de variações diurnas e possibilita a obtenção do Sinal Quase Analítico pondo em destaque as anomalias da área em análise de forma clara e concisa.
  2. A informação obtida permite análises mais detalhadas das anomalias detectadas possibilitando a determinação aproximada da sua posição e massa.
  3. O software colocado à disposição é funcional e relativamente fácil de entender e aplicar especialmente os mais úteis e importantes, o MAGLOG para a recolha de dados e o MAGPICK para o seu mapeamento e interpretação.
  4. O sistema é muito estável e relativamente fácil de operar a grandes velocidades (3 a 10 nós)  conseguindo-se uma produtividade muito alta com resultados mais efectivos comparativamente a outras soluções.
  5. O sistema é robusto, fácil de manter e relativamente transportável.

Documento Fotográfico da Operação

Apresentamos de seguida um breve registo fotográfico de alguns momentos da operação de teste do Gradiómetro com alguns comentários associados às mesmas.

Montagem, Preparação e Teste do Gradiómetro
Fotografia do gradiómetros após a sua montagem que consistiu basicamente nos seguintes passos

  • Montagens das duas peças do topo do trapézio;
  • Montagem do magnetómetro de bombordo e da sua asa;
  • Montagem do magnetómetro de estibordo e da sua asa;
  • Montagem da barra lateral da base do trapézio;
  • Montagem das varetas cruzadas;
  • Montagem do altímetro;
  • Ligação das cablagens;
  • Teste.
Transporte e Montagem na Embarcação
O magnetómetro transporta-se facilmente no carro de carga eléctrico do Centro de Mergulho até à Marina. Os passos consistiram basicamente no seguinte:

  • Desmontagem do gradiómetro em duas partes para ser transportado no carro de carga;
  • Montagem do gradiómetro no cais da Marina (cinco minutos de trabalho);
  • Instalação do gradiómetro na embarcação para transporte até ao local do levantamento.


Lançamento, Operação e Controlo do Gradiómetro
Chegados ao local do levantamento o Gradiómetro é colocado na água e é iniciada a operação de recolha de dados dos sensores. As tarefas realizadas são as seguintes:

  • Ligação dos cabos gradiómetro carretel, carretel computador, GPS computador, sonar computador;
  • Lançamento do Gradiómetro à agua;
  • Operação de arraste de acordo com as linhas planeadas;
  • Seguimento e controlo da operação no computador e instrumentos de navegação da embarcação em coordenação com o skipper e operador do carretel do gradiómetro.