Nesta pesquisa de doutorado foi desenvolvida uma metodologia de análise e interpretação de dados GPR (Ground Penetrating Radar) empregando a tomografia de micro-ondas. Esta ferramenta foi empregada com o objetivo de detectar e estimar a geometria de alvos que simulam artefatos comumente encontrados em sítios arqueológicos brasileiros e de um alvo orgânico que simula um corpo humano em decomposição visando estudos forenses sob condições controladas. Os dados de interesse arqueológico foram adquiridos sobre o Sítio Controlado de Geofísica Rasa (SCGR) do IAG/USP. Os dados de interesse forense foram adquiridos sobre um experimento controlado conduzido no campus da USP em Pirassununga (SP), onde um porco de aproximadamente 80 kg foi enterrado e a sua decomposição foi monitorada com o método GPR ao longo de 18 meses. Os cálculos necessários para a execução da inversão dos dados GPR através da tomografia foram implementados em linguagem Matlab, juntamente com ferramentas de remoção de background que se mostraram úteis para auxiliar a interpretação dos resultados. O programa de imageamento tomográfico foi validado a partir de dados sintéticos gerados no software GprMax a partir de modelos que simulam os alvos de interesse arqueológico instalados no SCGR. A geometria dos alvos do SCGR pôde ser bem estimada, exceto pelo alvo representado pelo muro de tijolos. Feições no solo associadas às escavações para instalação dos alvos puderam ser observadas com clareza nas imagens tomográficas. A geometria do porco, bem como o processo de decomposição foram mapeados através da tomografia mesmo em condições de baixo contraste entre as suas propriedades elétricas e as do solo. Em ambos os casos estudados as imagens tomográficas de dados GPR de 270 MHz, 400 MHz e 900 MHz permitiram extrair mais informações acerca dos alvos do que pelo uso do processamento convencional. Os resultados mostram que a tomografia de micro-ondas possui um grande potencial para aplicação em sítios arqueológicos brasileiros, bem como para aplicações forenses. / In this research a methodology for analysis and interpretation of GPR (Ground Penetrating Radar) data using microwave tomography was developed. This tool was used for detection and geometry evaluation of targets which simulate artifacts usually found at Brazilian archaeological sites and also of one organic target which simulates a decomposing human body for forensic studies under controlled conditions. The data of archaeological interest were acquired on the Geophysical Test Site (SCGR) at IAG/USP. The data of forensic interest were acquired on an experiment developed at the USP campus in Pirassununga (SP) city. In this experiment a pig with about 80 kg was buried and its decomposition was monitored through GPR profiles during 18 months. The calculations required for the GPR data inversion through microwave tomography were implemented in Matlab language, with background removal tools which were helpful for the interpretation of resulting images. The tomographic imaging program was validated using synthetic data generated by the software GprMax. The models simulate targets of archaeological interest buried at the SCGR. The geometry was well estimated for all the targets, except for the brick wall. Ground features associated to excavations done for the installation of the targets were clearly observed in the tomographic images. The pig geometry and its decomposition process were mapped through microwave tomography even under conditions of low contrast between its electric properties and those from the soil. In both studied cases the tomographic images from GPR data of 270 MHz, 400 MHz and 900 MHz allowed to extract more information about the targets than just using the conventional processing. The results show that microwave tomography has a great potential to be applied at Brazilian archaeological sites, as well as for forensic applications.

Nesta pesquisa de doutorado foi desenvolvida uma metodologia de análise e interpretação de dados GPR (Ground Penetrating Radar) empregando a tomografia de micro-ondas. Esta ferramenta foi empregada com o objetivo de detectar e estimar a geometria de alvos que simulam artefatos comumente encontrados em sítios arqueológicos brasileiros e de um alvo orgânico que simula um corpo humano em decomposição visando estudos forenses sob condições controladas. Os dados de interesse arqueológico foram adquiridos sobre o Sítio Controlado de Geofísica Rasa (SCGR) do IAG/USP. Os dados de interesse forense foram adquiridos sobre um experimento controlado conduzido no campus da USP em Pirassununga (SP), onde um porco de aproximadamente 80 kg foi enterrado e a sua decomposição foi monitorada com o método GPR ao longo de 18 meses. Os cálculos necessários para a execução da inversão dos dados GPR através da tomografia foram implementados em linguagem Matlab, juntamente com ferramentas de remoção de background que se mostraram úteis para auxiliar a interpretação dos resultados. O programa de imageamento tomográfico foi validado a partir de dados sintéticos gerados no software GprMax a partir de modelos que simulam os alvos de interesse arqueológico instalados no SCGR. A geometria dos alvos do SCGR pôde ser bem estimada, exceto pelo alvo representado pelo muro de tijolos. Feições no solo associadas às escavações para instalação dos alvos puderam ser observadas com clareza nas imagens tomográficas. A geometria do porco, bem como o processo de decomposição foram mapeados através da tomografia mesmo em condições de baixo contraste entre as suas propriedades elétricas e as do solo. Em ambos os casos estudados as imagens tomográficas de dados GPR de 270 MHz, 400 MHz e 900 MHz permitiram extrair mais informações acerca dos alvos do que pelo uso do processamento convencional. Os resultados mostram que a tomografia de micro-ondas possui um grande potencial para aplicação em sítios arqueológicos brasileiros, bem como para aplicações forenses. / In this research a methodology for analysis and interpretation of GPR (Ground Penetrating Radar) data using microwave tomography was developed. This tool was used for detection and geometry evaluation of targets which simulate artifacts usually found at Brazilian archaeological sites and also of one organic target which simulates a decomposing human body for forensic studies under controlled conditions. The data of archaeological interest were acquired on the Geophysical Test Site (SCGR) at IAG/USP. The data of forensic interest were acquired on an experiment developed at the USP campus in Pirassununga (SP) city. In this experiment a pig with about 80 kg was buried and its decomposition was monitored through GPR profiles during 18 months. The calculations required for the GPR data inversion through microwave tomography were implemented in Matlab language, with background removal tools which were helpful for the interpretation of resulting images. The tomographic imaging program was validated using synthetic data generated by the software GprMax. The models simulate targets of archaeological interest buried at the SCGR. The geometry was well estimated for all the targets, except for the brick wall. Ground features associated to excavations done for the installation of the targets were clearly observed in the tomographic images. The pig geometry and its decomposition process were mapped through microwave tomography even under conditions of low contrast between its electric properties and those from the soil. In both studied cases the tomographic images from GPR data of 270 MHz, 400 MHz and 900 MHz allowed to extract more information about the targets than just using the conventional processing. The results show that microwave tomography has a great potential to be applied at Brazilian archaeological sites, as well as for forensic applications.

Os métodos geofísicos constituem um conjunto de várias ferramentas de investigação, com características específicas e com aplicação, em especial, no estudo de áreas submersas, tendo em vista a inacessibilidade as estes ambientes pelos métodos convencionais. Entretanto, sua aplicação nem sempre traz os resultados esperados e assim, o objetivo principal deste estudo é discutir e avaliar a aplicabilidade dos métodos geofísicos, com ênfase nos métodos sísmicos, em estudos de áreas submersas rasas: plataforma continental interna, áreas costeiras, rios, lagos e reservatórios. O estabelecimento de critérios que auxiliem a escolha do método geofísico mais adequado para a melhor solução ao problema geológico ou geotécnico colocado, visa, entre outros aspectos, contribuir para a mitigação dos problemas, principalmente ambientais, causados pela atividade antrópica concentrada nestes ambientes e ampliar o conhecimento geológico básico, propiciando deste modo intervenções sustentadas nestes complexos ambientes. / Geophysical methods consist of a series of investigation tools with specific features that are critical to the study of water-covered areas, since these environments cannot be reached with conventional methods. However, sometimes these applications fail to provide the expected results. The objective of this study is to discuss and assess the applicability of geophysical methods by focusing on seismic methods in studies conducted in shallow water-covered areas: inner continental shelves, coastal areas, rivers, lakes and reservoirs. Criteria to help to select the most appropriate geophysical method to solve geological or geotechnical issues must be established to minimize problems, particularly environmental problems caused by concentrated anthropic activity, and to expand basic geological knowledge to allow for sustained interventions in these complex environments. This study is based on extensive bibliographic research and on several projects developed by IPT (Institute for Technological Research of São Paulo State) and by IOUSP (Oceanography Institute of the University of São Paulo), in addition to partnerships with private companies and other institutes in Brazil that address this field of knowledge. The focus on shallow waters was driven by the lack of systematic data and the demand for geological and geotechnical knowledge in these areas, due to the concentration, in these sectors, of the main economic activities of our current society: projects to build or reassess port dimensions, installation of moles, ducts, marinas, bridges, tunnels, fishing activities, beach regeneration, mineral prospecting, waterways, dredging, installation of reservoirs for water storage or flood containment, and reservoir silting. In any of these topics, basic geological knowledge of the bottom and subbottom of water-covered areas is essential to ensure the venture’s success. Considering this, geophysical methods, particularly seismic ones, are investigation tools that effectively contribute to generate new information, and are the only set of tools available to quickly and objectively provide enough data to improve the geological understanding of the area under investigation. The result of this study includes a discussion on the feasibility of the methodologies recommended, based on an extensive survey conducted in 2005/2006 on the availability of geophysical equipment in research institutes and private companies in Brazil.

Nesta pesquisa, o método geofísico GPR Ground Penetrating Radar foi utilizado para caracterizar tambores metálicos e plásticos enterrados numa área de testes controlados, denominada de Sítio Controlado de Geofísica Rasa SCGR do IAG instalado no campus da Universidade de São Paulo, em São Paulo. Os alvos foram escolhidos visando simular estudos de contaminação ambiental e obras de engenharia dentro do contexto urbano. Os tambores metálicos (vazios) foram dispostos na vertical e horizontal e os tambores plásticos (vazios, preenchidos com água salgada e com água doce) foram dispostos na vertical. Foram realizadas simulações numéricas GPR 2D para auxiliar na escolha dos parâmetros ótimos referentes à aquisição dos dados e verificar se os contrastes existentes entre os alvos (tambores metálicos e plásticos) e o background poderiam produzir reflexões significativas. As aquisições foram realizadas antes e depois da instalação dos alvos no SCGR-IAG utilizando as antenas de 100 MHz, 200 MHz e 500 MHz. Após as aquisições, os dados GPR foram processados e em seguida analisados visando estabelecer respostas típicas para cada alvo, considerando o tipo de material, a sua composição e/ou preenchimento. Os resultados foram comparados com as informações das profundidades reais dos alvos enterrados e as simulações numéricas, os quais apresentaram uma excelente concordância. Além disso, permitiram identificar com clareza todos os alvos e diferenciá-los quanto ao padrão de reflexão. Nos tambores plásticos foi possível distinguir os que estavam vazios e os preenchidos com água doce ou com água salgada. Essas respostas obtidas em uma área de testes controlados podem ser consideradas como típicas para os alvos, podendo ser extrapoladas para áreas onde não se tem nenhuma informação da subsuperfície. / In this research, geophysical method GPR - Ground Penetrating Radar was used to characterize metallic and plastic drums buried in an area of controlled tests, called \"Controlled Site of Shallow Geophysics (SCGR-IAG Sítio Controlado de Geofísica Rasa) installed in the campus of the University of São Paulo, in São Paulo. The targets were chosen aiming to simulate studies of environmental contamination and works of engineering inside the urban context. The metallic drums (empty) were disposed in the vertical and the horizontal position, and the plastic tubes (empty, filled with salty water and cool water) were disposed in the vertical position. 2D GPR numerical simulations were carried through to assist in the choice of the excellent parameters referring to the acquisition of the data, and to verify if the contrasts between the targets (metallic and plastic tubes) and the background could produce significant reflections. The acquisitions were carried through \"before\" and \"after\" the installation of the targets at the SCGR-IAG using 100 MHz, 200 MHz and 500 MHz antennas. After the acquisitions, GPR data were processed and then analyzed to establish typical answers to each target, considering the type of material, its composition and/or fulfilling. The results were compared with the information of the real depths of the buried targets and the numerical simulations, which matched in an excellent agreement. Moreover, the results allowed to identify with clarity all the targets and differentiate them according to the reflection standard. In the plastic drums it was possible to distinguish the ones that were empty and the filled ones with cool water or salty water. These answers gotten in an area of controlled tests can be considered as typical for the targets, being able to be surpassed for areas where no information of the subsurface is had.

Nesta pesquisa, o método geofísico GPR Ground Penetrating Radar foi utilizado para caracterizar tambores metálicos e plásticos enterrados numa área de testes controlados, denominada de Sítio Controlado de Geofísica Rasa SCGR do IAG instalado no campus da Universidade de São Paulo, em São Paulo. Os alvos foram escolhidos visando simular estudos de contaminação ambiental e obras de engenharia dentro do contexto urbano. Os tambores metálicos (vazios) foram dispostos na vertical e horizontal e os tambores plásticos (vazios, preenchidos com água salgada e com água doce) foram dispostos na vertical. Foram realizadas simulações numéricas GPR 2D para auxiliar na escolha dos parâmetros ótimos referentes à aquisição dos dados e verificar se os contrastes existentes entre os alvos (tambores metálicos e plásticos) e o background poderiam produzir reflexões significativas. As aquisições foram realizadas antes e depois da instalação dos alvos no SCGR-IAG utilizando as antenas de 100 MHz, 200 MHz e 500 MHz. Após as aquisições, os dados GPR foram processados e em seguida analisados visando estabelecer respostas típicas para cada alvo, considerando o tipo de material, a sua composição e/ou preenchimento. Os resultados foram comparados com as informações das profundidades reais dos alvos enterrados e as simulações numéricas, os quais apresentaram uma excelente concordância. Além disso, permitiram identificar com clareza todos os alvos e diferenciá-los quanto ao padrão de reflexão. Nos tambores plásticos foi possível distinguir os que estavam vazios e os preenchidos com água doce ou com água salgada. Essas respostas obtidas em uma área de testes controlados podem ser consideradas como típicas para os alvos, podendo ser extrapoladas para áreas onde não se tem nenhuma informação da subsuperfície. / In this research, geophysical method GPR - Ground Penetrating Radar was used to characterize metallic and plastic drums buried in an area of controlled tests, called \"Controlled Site of Shallow Geophysics (SCGR-IAG Sítio Controlado de Geofísica Rasa) installed in the campus of the University of São Paulo, in São Paulo. The targets were chosen aiming to simulate studies of environmental contamination and works of engineering inside the urban context. The metallic drums (empty) were disposed in the vertical and the horizontal position, and the plastic tubes (empty, filled with salty water and cool water) were disposed in the vertical position. 2D GPR numerical simulations were carried through to assist in the choice of the excellent parameters referring to the acquisition of the data, and to verify if the contrasts between the targets (metallic and plastic tubes) and the background could produce significant reflections. The acquisitions were carried through \"before\" and \"after\" the installation of the targets at the SCGR-IAG using 100 MHz, 200 MHz and 500 MHz antennas. After the acquisitions, GPR data were processed and then analyzed to establish typical answers to each target, considering the type of material, its composition and/or fulfilling. The results were compared with the information of the real depths of the buried targets and the numerical simulations, which matched in an excellent agreement. Moreover, the results allowed to identify with clarity all the targets and differentiate them according to the reflection standard. In the plastic drums it was possible to distinguish the ones that were empty and the filled ones with cool water or salty water. These answers gotten in an area of controlled tests can be considered as typical for the targets, being able to be surpassed for areas where no information of the subsurface is had.

Nesta pesquisa foram realizados levantamentos geofísicos utilizando os métodos eletromagnético indutivo - EMI (equipamento EM38) e GPR - Ground Penetrating Radar, visando localizar redes de interferências, tais como, tubulações metálicas, cabos elétricos e conduítes de plástico instalados nas linhas 6 e 7 do Sítio Controlado de Geofísica Rasa do IAG/USP. Os dados EMI foram afetados pelo drift instrumental devido à variação de temperatura. A sua correção foi efetiva por meio do uso de uma função quadrática, realçando os alvos mais profundos. A aquisição em distância permitiu detectar alvos metálicos no subsolo com boa precisão e a aquisição em tempo permitiu fazer um mapeamento regional de alvos metálicos no subsolo. Os melhores resultados foram obtidos com a aquisição em distância, com os sensores posicionados a 10 cm de altura, devido às anomalias ficarem mais nítidas, onde a influência da condutividade do background foi reduzida. Os perfis GPR 2D obtidos com a antena de 400 MHz permitiram detectar os alvos até 1 m de profundidade e com a antena de 200 MHz foi possível detectar quase todos os alvos metálicos e não-metálicos instalados nas linhas estudas do SCGR. Para o GPR quase-3D, na forma de depth slices, foram importantes para estimar as dimensões dos alvos e melhorar a visualização dos resultados. Os resultados obtidos com os métodos EMI e GPR são complementares, sendo ambos recomendados no mapeamento de interferências no subsolo, tendo aplicações diretas nas áreas de planejamento urbano e infra-estrutura nos grandes centros urbanos. / This research was conducted geophysical surveys using inductive electromagnetic - IEM (EM38 equipment) and GPR - Ground Penetrating Radar methods, to locate network interference, such as metal pipes, electric cables and plastic conduit installed in lines 6 and 7 of test site of the IAG/USP (SCGR). IEM data were affected by instrumental drift due to temperature variation. The correction was effective through the use of a quadratic function, highlighting the deeper targets. The acquisition targets identified in the distance underground metal with good accuracy and acquisition time allowed to make a survey of regional targets metal underground. The best results were obtained with the acquisition in distance with the sensors placed at 10 cm in height, due to deficiencies become more clear, where the influence of the background conductivity was reduced. The 2D GPR profiles obtained with the antenna of 400 MHz to detect the target by 1 m depth and the antenna of 200 MHz was possible to detect almost all metal targets and non-metallic lines installed in the study SCGR. GPR to the quasi-3D in the form of depth slices, were important for estimating the size of the targets and improve the visualization of results. The results obtained with the IEM and GPR methods are complementary, and both are recommended in mapping interference underground, with direct applications in the areas of urban planning and infrastructure in urban centers.

Nesta pesquisa foram realizados levantamentos geofísicos utilizando os métodos eletromagnético indutivo - EMI (equipamento EM38) e GPR - Ground Penetrating Radar, visando localizar redes de interferências, tais como, tubulações metálicas, cabos elétricos e conduítes de plástico instalados nas linhas 6 e 7 do Sítio Controlado de Geofísica Rasa do IAG/USP. Os dados EMI foram afetados pelo drift instrumental devido à variação de temperatura. A sua correção foi efetiva por meio do uso de uma função quadrática, realçando os alvos mais profundos. A aquisição em distância permitiu detectar alvos metálicos no subsolo com boa precisão e a aquisição em tempo permitiu fazer um mapeamento regional de alvos metálicos no subsolo. Os melhores resultados foram obtidos com a aquisição em distância, com os sensores posicionados a 10 cm de altura, devido às anomalias ficarem mais nítidas, onde a influência da condutividade do background foi reduzida. Os perfis GPR 2D obtidos com a antena de 400 MHz permitiram detectar os alvos até 1 m de profundidade e com a antena de 200 MHz foi possível detectar quase todos os alvos metálicos e não-metálicos instalados nas linhas estudas do SCGR. Para o GPR quase-3D, na forma de depth slices, foram importantes para estimar as dimensões dos alvos e melhorar a visualização dos resultados. Os resultados obtidos com os métodos EMI e GPR são complementares, sendo ambos recomendados no mapeamento de interferências no subsolo, tendo aplicações diretas nas áreas de planejamento urbano e infra-estrutura nos grandes centros urbanos. / This research was conducted geophysical surveys using inductive electromagnetic - IEM (EM38 equipment) and GPR - Ground Penetrating Radar methods, to locate network interference, such as metal pipes, electric cables and plastic conduit installed in lines 6 and 7 of test site of the IAG/USP (SCGR). IEM data were affected by instrumental drift due to temperature variation. The correction was effective through the use of a quadratic function, highlighting the deeper targets. The acquisition targets identified in the distance underground metal with good accuracy and acquisition time allowed to make a survey of regional targets metal underground. The best results were obtained with the acquisition in distance with the sensors placed at 10 cm in height, due to deficiencies become more clear, where the influence of the background conductivity was reduced. The 2D GPR profiles obtained with the antenna of 400 MHz to detect the target by 1 m depth and the antenna of 200 MHz was possible to detect almost all metal targets and non-metallic lines installed in the study SCGR. GPR to the quasi-3D in the form of depth slices, were important for estimating the size of the targets and improve the visualization of results. The results obtained with the IEM and GPR methods are complementary, and both are recommended in mapping interference underground, with direct applications in the areas of urban planning and infrastructure in urban centers.

Os métodos geofísicos constituem um conjunto de várias ferramentas de investigação, com características específicas e com aplicação, em especial, no estudo de áreas submersas, tendo em vista a inacessibilidade as estes ambientes pelos métodos convencionais. Entretanto, sua aplicação nem sempre traz os resultados esperados e assim, o objetivo principal deste estudo é discutir e avaliar a aplicabilidade dos métodos geofísicos, com ênfase nos métodos sísmicos, em estudos de áreas submersas rasas: plataforma continental interna, áreas costeiras, rios, lagos e reservatórios. O estabelecimento de critérios que auxiliem a escolha do método geofísico mais adequado para a melhor solução ao problema geológico ou geotécnico colocado, visa, entre outros aspectos, contribuir para a mitigação dos problemas, principalmente ambientais, causados pela atividade antrópica concentrada nestes ambientes e ampliar o conhecimento geológico básico, propiciando deste modo intervenções sustentadas nestes complexos ambientes. / Geophysical methods consist of a series of investigation tools with specific features that are critical to the study of water-covered areas, since these environments cannot be reached with conventional methods. However, sometimes these applications fail to provide the expected results. The objective of this study is to discuss and assess the applicability of geophysical methods by focusing on seismic methods in studies conducted in shallow water-covered areas: inner continental shelves, coastal areas, rivers, lakes and reservoirs. Criteria to help to select the most appropriate geophysical method to solve geological or geotechnical issues must be established to minimize problems, particularly environmental problems caused by concentrated anthropic activity, and to expand basic geological knowledge to allow for sustained interventions in these complex environments. This study is based on extensive bibliographic research and on several projects developed by IPT (Institute for Technological Research of São Paulo State) and by IOUSP (Oceanography Institute of the University of São Paulo), in addition to partnerships with private companies and other institutes in Brazil that address this field of knowledge. The focus on shallow waters was driven by the lack of systematic data and the demand for geological and geotechnical knowledge in these areas, due to the concentration, in these sectors, of the main economic activities of our current society: projects to build or reassess port dimensions, installation of moles, ducts, marinas, bridges, tunnels, fishing activities, beach regeneration, mineral prospecting, waterways, dredging, installation of reservoirs for water storage or flood containment, and reservoir silting. In any of these topics, basic geological knowledge of the bottom and subbottom of water-covered areas is essential to ensure the venture’s success. Considering this, geophysical methods, particularly seismic ones, are investigation tools that effectively contribute to generate new information, and are the only set of tools available to quickly and objectively provide enough data to improve the geological understanding of the area under investigation. The result of this study includes a discussion on the feasibility of the methodologies recommended, based on an extensive survey conducted in 2005/2006 on the availability of geophysical equipment in research institutes and private companies in Brazil.