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MODELA~Ao GEOFtSICA DO SUBSTRATO GEOLOGICODA CAPELA DE S. JORGE

(CAMPO MILITAR DE ALJUBARROTA)GEOPHYSICAL MODEL OF THE GEOLOGICAL BEDROCK OF

S. JORGE CHAPEL (BATTLE FIELD OF ALJUBARROTA)

Fernando Figueiredo (I), Lidia Catarino (I), Eduardo Julio (2), Paulo Maranha Tiago (2) e DanielCosta (2). -

I

(I)Centro de Geociencias, V.C, Largo Marques de Pombal, 3000-272 Coimbra,[email protected]; [email protected]

(2Jpepartamento de Engenharia Civil, V.C., R. Luis Reis Santos - P61o II, 3030-788 Coimbra,[email protected]; [email protected]; [email protected]

SUMMARYThe aim of this geophysical prospecting survey, was to locate geological structures that could be related withthe humidity problem in the walls and ceiling of the St. Jorge Chapel, in the battle's field of A/jubarrota. In thiswork was used the electromagnetic (Geonics condutivimeter EM31) and electric resistivity methods (Dipole-Dipole array). -From the geophysical results we concluded that exist a clay layer which could be responsible for the high valuesof humidity into the chapel. This problem could be induced by the impermeable properties of the clay and theporosity of limestone used as building material, giving rise to ascension humidity in the chapel's walls.

Resumoas trabalhos de pros~Ao geoflsica efectuados naarea envolvente da Capela de S. Jorge deAljubarrota, tiveram como principal objectivolocalizar estruturas geol6gicas que possam contribuirpara os problemas de humidade que se verificam naalvenaria e rebocos do monumento.as metodos de prospec~o geoflsica utilizadosforam 0 metodo electromagnetico, com 0equipamento Geonics EM31, e 0 metodo electricode resistividade, com a utilizaciio do dispositivo demedida Oipolo-Oipolo para construciio das seccOesde resistividade.Nos trabalhos de prospe~o geoflsica foramefectuados quatro perfis localizados na envolventeda capela, defmindo urn rectAngulo.Com os resultados obtidos da prospecciioelectromagnetica foram construfdos do is mapas decondutividade com profundidades de investigaciioaparentes de 2,20 e 4,6Om. Oa analise dos mapasverifica-se que a capela estA localizada sobre umazona, com uma condutividade de media de 38 mS/m,que podera corresponder a uma zona argilosa comagua. Esta zona condutora aumenta emprofundidade, 0 que justifica os valores decondutividade mais elevados observados no mapacorrespondente a 4,60m.Oa analise das quatro seccOes de resistividadeverifica-se que existe uma estrutura com val ores deresistividade elevada, seguida de uma zonaintermedia com valores muito baixos e subjacenteoutra com valores elevados. Com os modelos a 20

obtidos com 0 suporte infonnatico Res2Dinv, foiconstruido urn modelo tridimensional. Oa suaanalise podemos observar que a estrutura poucoresistiva (8 ohm.m) correspondente a camadaargilosa ja referida, esta localizadapreferencialmente na zona sui da area estudada,situando-se parte da Capela sobre esta estrutura. Noentanto, devido a espessura de cerca de 2m dacamada superior resistiva (200 ohm.m), e possivelque as funda~Oes da Capela nAo alcancem estaprofundidade e nllo contactem directamente comesta estrutura geol6gica.Oa analise dos dados recolhidos com a prospec~lIoelectromagnetica e electrica de resistividadepodemos conc1uir que a camada argilosa funcionacomo uma zona impenneavel, facilitando aacumula~lIo da agua na camada superficialconstituida por gres argilosos com calhaus rolados.Atraves das sec~oos de resistividade pode observar-se que as camadas geol6gicas neste localapresentam-se uma atitude semi-horizontal, 0 quedificulta 0 escoamento da agua subterrinea e facilitaa acurnula~ao de agua nesta zona, facto este .quepodera provocar fen6menos de humidadeascensional no monumento, associado a utiliza~ode materiais com porosidade elevada utilizados nasua constru~ao.

Introdu~AoOs trabalhos de prospec~ao geoflsica efectuados naarea envolvente da Capels de S. Jorge deAljubarrota, tiveram como principal objectivo

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localizar possiveis estruturas geol6gicas que possamcontribuir para os problemas de humidade que severificam na alvenaria e rebocos do monumento.Este estudo foi enquadrado num trabalho maisamplo destinado a identificar as possiveis causas dadegrada~!o registada principalmente na ab6bada,avaliar a sua estabilidade estrutural, preyer aevolu~!o da actual situa~o e apresentar umaproposta de interven~!o.

A Capela de S. JorgeA Capela de S. Jorge consiste no volume da nave, de plantarectangular, can cobettum de cJuac; 8gu$ em madeira,articulado can 0 corpo qwdangular, mais elevado eabobadado da capela-mor.Desde a sua ~, a capela sofi'eu algum~irmven~ e ~ morfoJQgicas, encontrando-seestas devidamente registadas a patir de 1872.Em 2003, devido ao ~ esIado de degradaI;Io dacapela, 0 lPPAR procedeu a uma ~ e diagn6sticoda situafrao e, na sequencia desIa, a obra<; de ~ e

benefici~.Durante esta in~, verificou..se que a ab6bada dacapeJa:.mor estava sevenmente deterionda. OJ:mu-se,entiIo, pol' nao intetvir neste eJemento e efectuar wn estudono sentido de identificar as pas5iveis C8lIS$ das anomaliasregistOOas, avaliar a estabilidade estruturaI da ab6bada,prever a evo~ da s~ e ap-esentar wna JrOPOSta de

irmven~ (JUlio et oJ. , 2005).Na sequencia da sitlJarrao desaita antcrimnente, decidiu-serealizar estudos para detemUnar a ca& da patologia,caracteI izar 0 esIado de ~ da ab6bada, e avaliar aestabilidade estruturaI da mesma. Os dados fanecjdos pelolPPAR e wna visita ao local, oode se oOOervaram manchasde h\Jl1Udade e ef1orescincias nas paredes, tomaram canocausa mais provavel a infiItratrao de 8gua pela coberturadanificada (.e 2003), olio sendo igualmente de excluir apossibilidade da exisrencia de humidade ascencional.A estabilidade estruturaI da ab6bada foi anaIisada afraves dewn programa comelCiai de elementos finitos (Figura 1),tendo-se estudado a estrutura sujeita a actuaI;:lIo esI3tica doseu peso Jr6pio e tanbem quando sujeita Ii actuaI;:lIo<tinamica da ~ sfsmX:a actualmente determinada pelaregulamentafi:Ao pcxtuguesa (JUlio et oJ. , 2006).

Figura) - Malha de elementos finitos do modelo da capela de S.

Jorge.

Considerando 0 teor de humidade como urn factordeterminante na presen~a de eflorescencias edegrada~iio da rocha, foram realizados algunsensaios in situ de temperatura e humidadeatmosferica. Os equipamentos utilizados foram urntermohigr6metro RS TH200 e urn term6metro decontacto.Aquando da realiza~ao das medidas, dia 8 de Junhode 2005, a temperatura media exterior foi de 28"Ccom temperatura minima de 15,6"C as 3h e maxima35,2"C as 15h. Durante 0 perfodo de ensaios nacapela as temperaturas exteriores foram sempresuperiores a 30"C. No entanto, a temperaturaambiente dentro da capela variou entre 22 e 24°C eas paredes apresentaram uma temperaturarelativamente proxima. com valores entre 21 e 22"C.Particular relevancia tern os valores de humidaderelativa do ar exterior, que apresentou urn mfnimo de50010 no preciso dia em que se realizou 0 trabalhosendo a media dos primeiros 15 dias do mes de 68%.Porem, dentro da capela a humidade relativa do arvariou entre 70 e 82%, atingindo 0 valor maximodurante 0 perfodo de almo~o em que a porta deentrada esteve fechada.Foram ainda efectuados ensaios de difrac~Ao deraios X as eflorescencias das paredes da capela,sendo essencialmente constituidas por calcite(carbonato de cAlcio), quartzo, dolomite (carbonatode cAlcio e magnesio), termonatrite (carbonato des6dio hidratado) e trona (Na)H(CO)2.2H2O). Noentanto, apesar de recolhidas na mesma parede, aseflorescencias apresentam algum caracter distinto,no aspecto e na composi~Ao sendo issopossivelmente uma consequencia das diferentesquantidades de Agua. pois a trona apresenta umacomposi~ao quimica mais hidratada que atermonatrite.

Enquadramento geogrifico e geolOgicoA area que constitui 0 Campo Militar de S. Jorgelocaliza-se a SuI da vila da Batalha e e uma zonaaplanada com uma altitude compreendida entre 150e 160m, limitada a Este pela ribeira do Vale da Matae a Oeste pela ribeira do Vale de Madeiros(Figura 2).A geologia da regiilo em estudo encontr.a-se descritana Carta Geol6gica de Portugal na escala 1:50000,folha 27-A, Vila Nova de Ourem. Segundo esta

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fonte, a Capela de S. Jorge de Aljubarrota encontra-se localizada sobre urn dep6sito de i~de Pliocenica,constitufdo essencialmente por areias e gresargilosos com caIhaus rolados, geralmente bemarredondados (Zbyszewski et aJ., 1974). Estacamada e sub-horizontal e apresenta urna espessuraestimada em cerca de Sm, dos quais os O,8Omsuperiores s!o considerados solo aravel. Por baixodeste dep6sito encontra-se urna fonna~!o constituidapor arenitos argilosos mais ou menos consolidadoscom intercala~Oes de argila, pertencente ao Jurassico

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Superior. Estas camadas apresentam direc~ao N18°Einc1inando cerca de 100 para Oeste.

Figura 2 - LocaI~ geogrUica da Capela de S. Jorge (extractoda Carta Militar de Portugal nO 308 - Batalha, na escala 1125000).

Sob 0 ponto de vSa hidrogeolOgico 0 elevado nUmero de~ ex~tes no local pennite tambem concluir daexistencia de 8gua abundante nos aqufferos superficiais.

Metodos de prospec~Ao geofisica utilizadosA designal;!o de metodos electromagneticos eaplicada as tecnicas geoelectricas que utilizam comobase do seu funcionamento urn campoelectromagnetico, que e variAvel no tempo, sendoesse campo gerado por uma corrente altema quecircula numa bobine. Essa corrente altema e umafunlY!o sinusoidal, que e caracterizada por umafrequencia, logo e funlYllo do tempo.Independentemente dos metodos e tecnicasutilizadas nos metodos electromagneticos deprospec~o, 0 princfpio ffsico te6rico em que estesse baseiam e comum. Na presenlYa de urn campoelectromagnetico geram-se correntes induzidas, quesilo muito intensas nos metais, em virtude destesterem uma elevada capacidade de conduzir electrOes.Este fen6meno, conhecido por indulY!oelectromagnetica, n!o e exclusivo dos metais mastambem ocorre noutros materiais atraves decorrentes i6nicas.Os campos eledromagneticos utilrnvins oeste metodo depI~ silo gerados na superficie do tmeno por antenasou peIa circuIaIyao de tm1a carente electrica em cabos ouern bobines. Quando se gee a superlicie do tmeno urncampo eleclromagnCtico primario, silo induzidas COITeI1teSelectricas ern quaIquer capo condutor que se encontrenesse tmeno, provocando esIe urn campo electromagneticosecwtdario que se opOe ao campo eleclrOO1agr1eticoprimario. A relal;:ao entre os valores de ambos os campospennite evidenciar anomalias que podem reflectir asestruturas geol6gicas.Sabendo que a magnitude e a distnbui~ da intensidade decarente geradora do campo e\ectromagnetico secundariosilo primetros dependentes <!as propriedades eledricas doterreno, e posslvel ~ inf~ importantes 8cerca dasestrub.IIas geoI6gicas elou antr6picas desses terrenos.

Grande parte dos solos e rochas S!O isoladores outem UJna resistividade muito elevada. Contudo,quando existe a presen~a de minerais, tais como amagnetite, pirrotite, pirite e grafite, em quantidadeselevadas, a condutividade desses solos e rochasaumenta consideravelmente. De urn modo geral acondutividade e electrolftica e faz-se atraves doelectr6lito (Agua e sais dissolvidos) contido nosporos dos solos e das rochas. Os factores queinfluenciam as propriedades electricas do terrenosAo: a porosidade, a quantidade de electr6lito quepreenche os poros, a quantidade de sais dissolvidosno electr6lito, a composi~ao dos sais dissolvidos e atemperatura (McNeill, 1980).A profundidade de penetra~o de um campoelectromagnetico gerado na superflcie do terrenodepende da frequencia desse campo e dacondutividade do meio atraves do qual 0 campo sepropaga. A amplitude do campo electromagneticovai-se atenuando durante a sua passagem pelo meioatravessado, diminuindo exponencialmente com aprofundidade. A profundidade de penetra~aoefectiva de urn campo electromagnetico, estAdirectamente relacionada com a profundidade deinvestiga~ao e e dada pela equa~Ao seguinte:

I 100

h=-nonde h e profundidade de penetra~lIo efectiva, emmetros, (J e a condutividade do meio, em S/m, e f e afrequencia do campo electromagnetico, em Hz(Keary e Brooks, 1984).0 uso dos metodos electromagneticos e cada vezmais corrente, tendendo estes a substituir, sempreque possivel, os metodos electricos, devido a rapidezna recolha das medidas de campo, bem como afacilidade de opera~lIo com os aparelhos de medida,reflectindo-se estas duas vantagens nos aspectosecon6micos. Estes metodos tern grande aplica~o emzonas onde as camadas superficiais sejam muitoresistivas, isto e, onde os metodos electricos deresistividade silo de dificil execu~lIo.Como os metodos de prospec~lIo electromagneticasilo metodos inductivos, isto e, nllo precisa de havercontacto das bobines com 0 solo, a rapidez com quese efectua 0 trabalho de campo depende apenas damalha de amostragem, das dificuldades encontradasno terreno, tais como a topografia e a vegeta~lIo, eda rapidez do operador do equipamento.0 equipamento usado no trabalho de campo foi urncondutivimetio Geonics EM 31, estando na figura 3exemplificado 0 procedimento de recolha de dadosde campo e a posi~lIo das bobines para obter osdipolos verticais (VO) e horizontais (HO).Na tabela I silo apresentados os parfunetrosoperacionais do condutivimetro EM 31, bem como aprofundidade efectiva.

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Tabela I - ParAmetros operaeionais do eondutivimetro

Geonies EM31 e profundidade de penetra~1o efcctiva paraeada eonfjgu~Ao, assumindo a eota zero ao nlvel doterreno (adaptado de OgilOl., 1991).

HD - Dipolo Horizontal (Bobines na posi~ vertical)YO - Dipolo Vertical (Bobines na posi~ horizontal)

A res~vidade eJectrica dos temnos depende da

cc:mpos~ litol6gica das suas form~ geol6gicas, cia

quantidade de 8gua contida na sua estrutura, ban como dos

sais minerais dissoIvidos nessa iIgua. A resistividade do

conjunto vai aumentar au dinUnuir oonscante a quantidadede sais mineJais dissolvidos na 8gua e mena- au maior,

respectivamente.A arullise cia resist:ividade eJectrica e da sua distnOOi~ Ii

superficie do temno pennite IocaIizar e identfficar

esttuturas geoI~ ou arqueo16gicas em profundidade. 0

modo de efectuar esIa analise e, rewa geraJ. simples e

baseia-se no estudo de urn campo elc!clrico aiado

artificiaImente pela passagem de WDa cmente eJectrica no

terreno. Atraves cia m~ dos ~ elCdricos

induzidos, Ii super6cie do tmeno, pelo tJuxo dessa carenteeJectrica e com base nos princfpios estabelecidos pela Lei deOhm, detmnina-se a resistividade eJectrica do volmne deterreno influenciado peIa passagem cia carente electrica.

Mesmo quando as Iinhas de cmente passarn p<X' baixo cia

estrutura eIas sofi'ern sempre a influencia das estrut1nspresentes no teIrenO. 0 resuItado ideal sem quando as Iinhasde cmente atJ'avessam as estruturas, obtendo-se assim

anoma1ia<; de resistividade bem definidas e com urna boa

amplitude. Quando as Iinhas de corrente passam p<X' baixoou p<X' cima das estruturas, tmnbem se obt&n as ananalias,

emOOra esIaS sejam de mena- amplitude.As principais tecnicas utilizadas em pros~ao

geoelectrica s1o as sondagens electricas, perfis de

resistividade, mapeamento e secC;;Oes de resistividade

aparente. Estas tecnicas tem desde ha muitos anos um

vasto campo de aplic~Ao, especialmente nas areas da

hidrogeologia, pro~o mineira de recursos

metAlicos e nAo metAlicos, pros~ao geotecnica,

mapeamento de anomalias geotermicas, mapeamento

geol6gico, localiza~ de falhas, detec~ e

mapeamento de zonas contaminadas, pro~ao

arqueol6gica e outros (Orellana, 1972).

Nas tecnicas referidas utilizam-se dispositivos de medida

gemlmente constitufdos por quatro eledrodos, A, M, NeB,

que silo colocados na superficie do terreno, f8m1do.se~

passar uma intensidade de corrente em dois deles,elt\ctrodos de corrente A e B e medindo a ~ depotencial nos 0Utr0s ckHS el~ de potencial. MeN.Coot base nos vaJores da intensidade de cooente, dadiferen~ de potencial e do ~ento entre elc!.drodosca1cuJa..se a resistividade aparente em cada ponto demedida.Os procedimentos de interpretatr!o de perfis deresistividade e sondagens electricas assumem que osval ores obtidos no campo s!o devidos a urn meiofonnado por camadas paralelas e homogeneas.Contudo, nonnalmente encontramos variatrOes locaisde resistividades no solo devido a fAciessedimentares, corpos intrusivos, variatrOes de pendordas camadas e outras, que tendem a produzirirregularidades na CUTVa da resistividade aparente,dificultando a sua interpreta~o.

Trabalhos de prospec~io geofisica efectuadosNos trabalhos de prospec~ao geofisica foramdefinidos quatro perfis, estando a sua localiza~aorepresentada na figura 4.

Nestes quatro perfis foram efectuadas medidas deprospec~!o electromagnetica e prospec~!o elcktricade resistividade.Na ~ electromagnetica e ~ electrica deresistividade os parametr05 fisicos medidos sa£> acondutividade que vem expressa em mS'm e a resistividadeque vem expressa em oIun.m, respectivamente. 0conjunto dos perfis efectuados define dois

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alinhamentos perpendiculares entre si, sendo que PIe n 5110 paralelos entre si e espa~ados de 17,8m,enquanto P3 e P4, tambem paralelos entre si estAoespa~ados 30m (Figura 4).Sabre os quaIro perfis ~inaIadOS na figura 4, e com urncornprimento toIaI de 200m, fmm rnedidas os vaJores decondutividade em 104 pontoo, com uma maIha deamostragen1 de 2 em 2 metros. No totaI foram medidos 208vaIores can os dipolos verticais (YO) e horizootais (lID).Com estes. valores foram construldos 2 mapas que mostrama distribui~ dos vaIores de conck.ttividade as.'profundidades aparentes de 2,20 e 4,6Om, figura 5.Da I!I18lise dos mapas verifica-se ~ a capela estAlocalizada sobre uma zona oondutora, com uma~vidade de media de 38 mSlm, que podenlcorre5pooder a uma zona argiIosa can 8gua. Esta zonacoodutora aumenta em profimdidade, como pode serobservado na ps1e inferioc cia figum 5, que corresponde 80S

valoces cia condu1ividade medidos a profimdidade aparentede 4,6Om.Sabre os mesmos perfis fmm efectwdas quaIro ~ deresistividade el~ com a lltil~ do dispositivoDipolo-Dipolo. 0 resistivfmetro utiIi7Jdo na recoJha dedacbs foi urn ABEM SAS 3008 e urn Booster SAS 2000,que pennitiu utilizar vaJores de COITeI1te mais eIevados,diminuindo deste modo os erros de leitura que poderimnooorrer para os espat;:amentos maiores.Estes perfis, PI-n e P3-P4 foram efectuados com oscomprimentos de 52m e 48m, respectivamente,tendo sido efectuadas 132 e 110 medidas deresistividade, com n maxima de II e 10 para assec~Oes PI-n e P3-P4, respectivamente. Ambas ass~Oes foram feitas com urn valor de a=4m.A modela~ilo dos dados da resistividade foiefectuada com 0 suporte informatico Res2Dinv(Loke, 1996, 1999) que permite localizar asestruturas geol6gicas em profundidade.Na figura 6 apresentam-se os resultados dainterpreta~ilo das sec~es de resistividade elcktrica.Oa analise das quatro sec~Oes de resistividadeverifica-se que existe uma camada superficial comurn valor de resistividade aproximada de 200 ohm.me urna espessura media de 2m. Esta camadaapresenta uma espessura homogenea nas sec~Oes PI,n e P4. Na sec~o P3 esta camada superficial ebastante irregular, facto este atribuido as diversasestruturas de saneamento que podem ser observadaslocalmente e que atravessam a area estudada.

Sob 0 ponto de vista geol6gico esta camada poderacorresponder a camada de idade Pliocenica,constituida essencialmente por areias e gresargilosos com calhaus rolados, geralmente bemarredondados (Zbyszewski et aJ. 1974), como jatinha sido referido no enquadrarnento geol6gico.Sob esta camada encontra-se uma estrutura poucoresistiva (8 ohm.m) que corresponde a uma camadaargilosa com uma espessura media de 8m.Com os modelos a 2D obtidos com 0 suporteinformatico Res2Dinv, foi construido urn modelotridimensional (Figura 6). Da sua analise podemosobservar que a estrutura pouco resistiva (8 ohm.m)esta mais localizada na zona suI da area estudada,estando parte da Capela localizada sobre estaestrutura. Esta camada tambem foi identificada emtrabalhos anteriores efectuados na envolvente dacapela (Figueiredo e Catarino, 200 I). No entanto,devido a camada superior resistiva (200 ohm.m) teruma espessura media de 2m e possivel que asfunda~Oes da Capela n!o alcancem estaprofundidade e n!o contactem directamente comesta estrutura geol6gica.

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Figura 6 - ModeJo tridimensional da 6rea estudada pclo metodo

el~ctrico de resistividade, (a) modelo sOlido e (b) modeJo com

sec,.oes.

Conclus6esDa analise dos dados recolhidos com a prospec~Aoelectromagnetica e electrica de resistividadepodemos concluir que a camada argilosa funcionacomo uma zona impermeavel, facilitando aacumula~Ao da 3gua na camada superficialconstitulda por gres argilosos com calhaus rolados.Atraves das sec~Oes de resistividade pode observar-se que as camadas geol6gicas neste localapresentam-se uma atitude semi-horizontais, 0 quedificulta 0 escoamento da agua subteninea e facilitaa acumula~lio de agua nesta zona, facto este quepodera provocar fen6menos de humidadeascensional no monumento, associado a utiliza~Aode materiais com porosidade elevada.

AgradecimentosAgradecemos ao IPP ARPatrimonio Arquitectonico toda a infonna~!o cedidasobre estrutura.remodela~!o efectuadas.Ao Departamento de Geociencias da Universidadede A veiro a cedencia do Booster SAS 2000 e aoProf. Doutor Fernando Almeidasuporte infonnatico Res2Dinv.

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Instituto Portugu~s de

e asda capela obras de

utiliza~o doc8

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