Hidrogeologia de Aquíferos Fraturados

Hidrogeologia de Aquíferos Fraturados. Juliana Menezes. – 1ª ed. – Rio de Janeiro: RTS, 2011. p. Agradecimentos Ao grande hidrogeólogo Gerson Cardoso da Silva Jr. e toda equipe do Laboratório de Hidrogeologia da Universidade Federal do Rio de Janeiro por descortinarem o mundo da hidrogeologia e nos proporcionarem o aprofundamento neste tema tão vital a sociedade atual. Um muito obrigada especial à Ana Beatriz Sanabio pelas ilustrações. um passo à frente e você não está mais no mesmo lugar. ” Chico Science Sumário Apresentação. Composição Química das Águas que Circulam por Rochas Cristalinas. Relação entre a Composição Química das Águas e dos Materiais Graníticos. Principais Constituintes Iônicos das Rochas Cristalinas. Sódio. Potássio. Tratamento Estatístico. Referências Bibliográficas. ficaadica. APRESENTAÇÃO Este trabalho é o resultado de anos de pesquisas bibliográficas das autoras sobre o tema.

E em determinado momento surgiu a questão: Por que não repartir esse material com outros interessados em águas subterrâneas? Dessa forma nasceu este livro, que reúne uma revisão bibliográfica sobre Aquíferos Fraturados, abordando assuntos que vão desde os parâmetros hidrodinâmicos a hidrogeoquímica, oferecendo assim uma introdução ao tema permeada de autores consagrados, como Scholler, Custodio e Waldir Duarte Costa. O aprofundamento do estudo sobre esses aquíferos está longe de atingir seu termo devido à complexibilidade de prospecção, todavia a demanda justifica todo investimento nesse setor, elemento motivador ao desenvolvimento da obra apresentada. O livro apresenta uma revisão bibliográfica sobre as principais características da hidrodinâmica de aquíferos fraturados, suas características, propriedades físicas, formas de ocorrência e modelos de prospecção e é complementado por uma pesquisa detalhada sobre qualidade e hidrogeoquímica das águas subterrâneas extraídas desse tipo de fonte.

Pretende mostrar uma pesquisa consistente e sucinta que otimize o estudo de alunos e pesquisadores do setor. Não pretende trazer conceitos novos, mas sim as informações básicas consagradas no meio científico que capacitem o leitor a tratar, aprofundar e se desenvolver no assunto. Hidrodinâmica 15-71 1. Sendo dada pela expressão (1): T=K x b Onde: T = Transmissividade; K = Condutividade hidráulica e b = Espessura do aquífero. • Anisotropia – Ocorre quando a condutividade hidráulica de um aquífero é diferente para cada uma das direções dos eixos coordenados. • Porosidade – Refere-se à relação entre o volume de espaços vazios e o volume total de uma rocha, podendo ser primária, quando associada aos poros originais da rocha, ou secundária, referente a fissuras e cavidades desenvolvidas após a formação de um litotipo.

• Condutividade Hidráulica – Corresponde à velocidade aparente por gradiente hidráulico unitário. Refere-se à facilidade de um aquífero de exercer a função de um condutor hidráulico. Nesse caso somente as fraturas produzem escoamento diretamente para o poço e a matriz atua com a fonte que fornece água para dentro das fraturas (Figura 1). Figura 1: Representação do modelo de dupla porosidade (Modificado de Santos, 2008). E finalmente a terceira abordagem, considerada a mais simples, é a do meio poroso equivalente. Essa abordagem consiste em estudar o aquífero fraturado como se fosse um meio poroso não consolidado, onde as complexidades dos sistemas matriz/fratura são representadas por valores de armazenamento e por parâmetros de transporte. Este tipo de estudo é tido como o mais apropriado para estudos regionais em águas subterrâneas (SANTOS, 2008).

Nesses casos, as rochas onde predominam esses minerais em sua composição, ou mesmo aquelas de maior grau de metamorfismo, resistirão às rupturas por cisalhamento e consequente menor frequência de fraturas uma vez que a deformação acumulada que propicia o fraturamento é inversamente proporcional ao módulo. E em contraponto, as fraturas originadas por tração nessas rochas são mais abertas, uma vez que as tensões geradas pelos esforços compressivos são diretamente proporcionais ao módulo. Dessa forma, rochas como gnaisse e migmatitos apresentam menor frequência de fissuras, porém mais abertas, enquanto que filitos e 24-71 ardósias apresentam maiores frequências, porém com fraturas mais fechadas. A textura igualmente influi na abertura, uma vez que rochas de granulometria grosseira são menos resistentes que as de granulometria fina, por conta de as primeiras apresentarem maior concentração de planos de fraqueza gerados pelos planos de clivagem de minerais como feldspatos.

Por esse motivo pegmatitos e granitos porfiroblásticos são mais quebradiços do que os granitos de granulação fina. Os fatores exógenos correspondem aos condicionantes relacionados aos agentes atuantes na superfície da Terra, tais como o clima, o relevo, a hidrografia, a vegetação, a infiltração das soluções e o intemperismo. Já os fatores endógenos correspondem aos agentes que atuam no interior do globo terrestre, caracterizado essencialmente pelos elementos estruturais e mineralógicos das 27-71 rochas. Estes fatores condicionam e têm suas parcelas de contribuição tanto na quantidade quanto na qualidade das águas subterrâneas em aquíferos fraturados, e já são bem conhecidos na comunidade hidrogeológica (CORIOLANO, 2008). Modelos de Ocorrência de Água Subterrânea em Terrenos Cristalinos Sá et al.

apresentam uma revisão de três modelos para ocorrência de água subterrânea em rochas cristalinas na literatura. A drenagem flui sobre uma calha de aluviões antigos e paleo-regolitos, utilizando-os para recarregar as descontinuidades no substrato capeado (Figura 6). Figura 6: Modelo Calha-Elúvio- Aluvionar, em que trechos retílíneos estão associados à foliação do cristalino (Modificado de Coriolano, 2002). Dessa forma, os aspectos diagnósticos do modelo incluem: seção espessa de aluviões e regolito ao longo das drenagens retilíneas ou curvilíneas; a ausência de relação direta com zonas fraturadas, e sua ocorrência em zonas topograficamente rebaixadas. Condições favoráveis de topografia, drenagem e clima são requeridas para desenvolver uma cobertura mais espessa. A estratégia porspectiva inclui (CORIOLANO, 2002): • Fotografias aéreas - drenagem controlada pela foliação ou contatos geológicos, associados; pequenos vales com aluviões 31-71 • Imagens de Satélites - para a caracterização de aluviões e coberturas; • Levantamentos de Campo – estudo estrutural dos afloramentos; reconhecimento da cobertura sedimentar e • Geofísica - definição da geometria da calha e a natureza do material de preenchimento.

As águas subterrâneas sofrem poucas variações sazonais das propriedades químicas e físicas e por isso são excelentes para diversos usos. O conhecimento dessas propriedades é muito importante para o estudo de suas funções na natureza e também para o seu aproveitamento pelo homem. Há várias décadas, reconhece-se que a qualidade das águas subterrâneas é tão importante quanto a sua quantidade (Santos, 2000). A seguir será realizada uma revisão dos principais conceitos hidrogeoquímicos. Água Subterrânea em Rochas Cristalinas As rochas cristalinas, tanto as de origem ígnea como metamórfica, possuem uma quantidade apreciável de quartzo, minerais alumino-silicatos, tais como a mica e o feldspato (Freeze & Cherry, 1979), sendo a sílica o constituinte dominante. Nesse processo, ocorre um movimento iônico no qual transita o potássio para o interior do cristal e ocorre liberação do sódio e do cálcio.

Davis (1964 apud Freeze & Cherry, 1979), compilou 1000 análises de águas subterrâneas de várias áreas do EUA e encontrou SiO2 dissolvido na faixa de 10 a 30mg/L, com média de 17mg/L. Estudos feitos posteriormente indicaram que esses volumes são razoavelmente representativos na escala global, pelo fato do quartzo ser abundante na maioria dos sistemas de águas subterrâneas. Pensava-se que o SiO2 ocorresse numa concentração bem maior em grande parte das águas subterrâneas, porém, na realidade não é isso que acontece. Devido, principalmente, à sua alta estabilidade química na maioria dos minerais, além da baixa solubilidade dos compostos que se forma no intemperismo das rochas, os minerais de argila e os feldspatos constituem as principais fontes de sílica para as águas subterrâneas (Santos, 2000).

O CO3-2 é baixo no valor absoluto, mas predominante sobre o Cl- e SO4-2. O SO4-2 terá, sobretudo, sua fonte na oxidação das piritas (S2Fe) (Custodio & Llamas, 1983). O cloreto surgirá em particular da biotita, da muscovita, da hornblenda e pode conter 200 a 600 mg/kg, enquanto os feldspatos contêm 50 mg/kg (Benhe, 1953 apud Schoeller, 1962). A apatita, com 3g/kg, pode igualmente fornecer cloreto. Os íons de cloreto são geralmente bem menos numerosos que os ânions de sódio e potássio reunidos, e, na maioria das vezes, a relação rCl-/rNa+ é baixa. Nas águas bicarbonatadas-sódicas, os teores de sílica podem chegar a 100 mg/L. Sua presença nas águas não prejudica a saúde nem a agricultura e sim as águas utilizadas para fins industriais, porque a sílica forma incrustações resistentes, principalmente em caldeiras (Santos, 2000).

Em relação às águas que circulam pelas rochas metamórficas, segundo Schoeller (1962), podem ser citadas as que passam pelo gnaisse, por terem a mesma composição mineral do granito e apresentarem uma composição química nas suas águas muito parecida. As águas que circulam pelo micaxisto, em razão de grande abundância de mica, devem ser mais concentradas em álcalis e ferro. Já as que circulam pelo anfibolito são mais concentradas em alcalinos terrosos e em consequência menos ácidas; e as que circulam pelas rochas xistosas e filitos apresentam, geralmente, um resíduo seco muito grande, devido à lenta circulação pelas rochas, que não possuem uma cristalinidade bem desenvolvida e uma grande superfície de contato com as águas. O granito liberará então águas com certa quantidade de silício coloidal, carbonatos alcalinos e de bicarbonatos de cálcio.

A proporção de carbonato alcalino/carbonato de cálcio dependerá da quantidade de cálcio dos plagioclásios e ortoclásios. Nos granitos, a razão K2O/CO é de três ou maior que três. As águas serão, então, muito alcalinas em geral (Schoeller, 1962). Como em todas as rochas ígneas, o resíduo seco é baixo por consequência da lentidão dos fenômenos de ataque. O processo de redução dos sulfatos provoca um 43-71 crescimento da razão rMg+2/rCa+2, mas a presença simultânea de ↔ troca iônica Mg+2 Ca+2 pode provocar a precipitação de CaCO3, às custas do Mg+2 (Santos, 2000). Algumas águas que circulam pelo granito possuem uma relação rCa+2/Mg+2, que se desvia, muitas vezes, da relação rCa+2/Mg+2 do próprio granito, com valores ora muito baixos, ora muito fortes.

O primeiro caso poderia estar relacionado a uma retenção de sódio no solo ou a produtos da alteração do granito e no segundo caso a uma relação externa ou a uma concentração por evaporação (Schoeller, 1955). A relação rCa+2/rNa+ das águas está próxima da relação Mg+2/rCa+2, mas não possui a mesma quantidade da proporção contida nos granitos (Schoeller, 1962). O interessante dessa razão é a de indicação de possíveis processos de troca de bases. O sentido da troca é em direção a um equilíbrio das bases presentes na água e nos materiais mais finos do aquífero. Em geral essa troca também modifica as relações entre cátions tais como: rK+/rNa+2, rNa+/rCa+2, rNa+2/rMg+2, rMg+2/rCa+2, rNa+/r(Ca+2+Mg+2), rCa+2/Cl-, rMg+2/rCl-, rNa+/Cl-, entre outras (Santos, 2000).

Por definição, o Índice de Troca de Base (itb) ou Índice de Desequilíbrio entre Cloretos e Alcalinos (Equação 2) é dado por (Schoeller, 1962): 45-71 itb = ( rCl − − Na + + K + rCl − ) (2) Nas águas subterrâneas o itb pode assumir valor positivo ou negativo, mas, em geral, +2 abrandamento (troca de Ca é próximo +2 e Mg a zero. Quando há + por Na ), seu valor tende a diminuir, se existir endurecimento, porém, seu valor cresce (Custodio & Llamas, 1983). O valor do itb tende a elevar-se lentamente com o aumento da salinidade da água (Schoeller, 1955). Este elemento ocorre também sob a forma de cloretos nas águas subterrâneas e, seus minerais fontes em rochas ígneas, são essencialmente os feldspatos plagioclásios, feldspatóides (nefelina e sodalita), anfibólios e piroxênios. A troca iônica é o único mecanismo simples capaz de retirar grandes quantidades de sódio das águas naturais, se o íon existir em abundância (Davis & De Wiest, 1966).

O sódio é o principal responsável pelo aumento constante da salinidade das águas naturais do ponto de vista catiônico. Há, em geral, um aumento gradativo dos teores de sódio das águas subterrâneas a partir da zona de recarga do aquífero em direção às suas porções mais confinadas ou dos seus exutórios. A concentração do sódio varia, em geral, entre 0,1 e 100 mg/L nas águas subterrâneas e entre 1 e 150 mg/L em águas naturais doces. Os teores altos de sulfato e baixos de bicarbonato fazem com que a solubilidade do sulfato de cálcio controle a quantidade do íon cálcio dissolvido (Monsores et al. Se o CO2 for retirado da água, o cálcio se precipitará, formando bicarbonatos/carbonatos. Porém, a abundância de CO2 na água gera ácido carbônico, que dissocia em bicarbonato e H+, facilitando a solubilização de CaCO3H+, que provocaria a precipitação de CaCO3 (Davis & De Wiest, 1966).

Nas rochas ígneas as fontes de cálcio podem ser minerais secundários carbonáticos ou plagioclásios cálcicos (anortita) e hornblenda (Santos, 2000). O cálcio é muito importante no desenvolvimento das plantas, sua abundância na irrigação, por exemplo, reduz os “perigos do sódio” (Falcão, 1980). No estado ferroso, é instável na presença do oxigênio do ar, mudando para o estado férrico (Fe³+). Quando a água que o contém é exposta ao oxigênio do ar, os íons ferrosos oxidam-se se tornando férrico (Santos, 2000). Segundo Custodio & Llamas (1983), a estabilidade dos íons Fe+2, Fe+3, Fe(OH)+2 e Fe(OH)+ em relação ao Fe(OH)3 e Fe(OH)2, precipitados ou colóides, depende do pH e Eh (potencial redox) e da composição rochosa. As concentrações de ferro variam entre 0 e 10 ppm, não ultrapassando 0,5 ppm em águas aeradas.

Em águas com o pH entre 5 e 8, raras vezes chega a 50 ppm, já em águas muito ácidas pode chegar a 100 ppm, ocorrendo o oposto nas águas alcalinas. Em meio redutor, com muita matéria orgânica, pode sofrer uma redução bacteriana a S ou S-2, porém, em geral é estável (Santos, 2000). Os íons sulfato nas águas que percolam rochas cristalinas têm sua origem ligada à lixiviação de terrenos formados em ambientes com índices de aridez elevados; à oxidação de enxofre presente nas 52-71 rochas ígneas e metamórficas; e ainda às atividades urbanas, industriais e agrícolas (Custodio & Llamas, 1983). As águas subterrâneas apresentam, geralmente, teores de sulfatos inferiores a 100 mg/L, principalmente, na forma de SO4-2 e HSO4-. Segundo Hem (1985), esse último predomina nas águas muito ácidas, com pH < 2, devido à dissociação incompleta do ácido sulfúrico.

Os sulfatos devem estar presentes nas águas de irrigação, pois são importantes para a nutrição das plantas, entretanto, podem aumentar a salinidade do solo (Falcão, 1980). Análise da Água Os resultados das análises, tanto as realizadas in situ como as realizadas em laboratório, são a única fonte para que a caracterização hidrogeoquímica ocorra. Para tal, existem uma série de análises, elaboração de gráficos, diagramas, dentre outros, que precisam ser feitos. Tais métodos serão descritos a seguir, começando pelo primeiro passo que é o balanço iônico, em que se verifica o erro analítico admissível para cada amostra. Cálculo do Erro da Análise A soma dos cátions deve ser igual a dos ânions para uma mesma amostra, mas na prática existe uma diferença nesses valores, devido aos erros acumulados em cada uma das 54-71 determinações individuais e também por não levar em conta os íons menores.

A acurácia das análises para os íons maiores pode ser estimada a partir da Eletroneutralidade (E. O diagrama é um método que trabalha com 6 variáveis em meq/L, três catiônicas (Na++K+, Mg+2 e Ca+2) e outras três aniônicas (HCO3-2+CO3-2, SO4-2 e Cl-) e foi proposto por Piper em 1944 (Barison, 2003). Os triângulos menores (figura 8), divididos em 100 partes iguais, servem para a representação referente aos constituintes dissolvidos na água e assim é possível classificá-la segundo o par iônico predominante. A terceira representação (intersecção das plotagens dos cátions e dos ânions) é realizada no triângulo maior (figura 9), sendo possível verificar as características químicas da água, descritas na tabela 3. Figura 9: Subdivisões do triângulo maior do diagrama de Piper (Piper, 1953 apud Walton, 1970).

Tabela 3: Características principais de cada área do diagrama de Piper Área no diagrama Características Principais 1 Alcalinos terrosos excedem os alcalinos 2 Alcalinos excedem os alcalinos terrosos 3 Ácidos fracos excedem ácidos fortes 4 Ácidos fortes excedem ácidos fracos 5 Dureza de carbonatos excede 50% 6 Dureza não-carbonatada excede 50% 7 Alcalinidade não-carbonatada excede 50%. A análise de cluster busca agrupar elementos de dados baseando-se na similaridade entre eles. Os grupos são determinados de forma a obter-se homogeneidade dentro dos grupos e heterogeneidade entre eles. O método hierárquico de cluster consiste em uma série de sucessivos agrupamentos ou sucessivas divisões de elementos, em que eles são agregados ou desagregados. Essas divisões ocorrem a partir das características dos elementos. No caso da hidrogeoquímica, as características são os parâmetros químicos da água.

A figura 11 apresenta um exemplo de dendograma cortado duas vezes, ou seja, duas formações diferentes de grupos. Corte 2 Corte 1 Figura 11: Exemplo em que o dendograma é cortado em dois níveis distintos. No corte 1, (figura 11), verifica-se a existência de três grupos: grupo I (2N, 52N, 7N, 43N); grupo II (1N, 35N, 33N, 34N, 25N) e o grupo III (38N). No corte 2 o número de grupos diminui para dois: grupo I (1N, 35N, 33N, 34N, 25N, 2N, 52N, 7N, 43N); grupo II (38N). Outra possibilidade de análise é a construção de dendogramas a partir de elementos químicos. p. CORIOLANO, A. C. F. Reavaliação de Critérios Estruturais na Hidrogeologia de Terrenos Cristalinos, com Ênfase na Neotectônica e Sensoriamento Remoto. M. Hidrogeologia: Conceitos e Aplicações.

Fortaleza: CPRM, ii, pp. COSTA, W. D. vol. p. Subterránea. DAVIS, S. N. FALCÃO, T. C. C. Estudo Hidroquímico da Bacia Hidrográfica do Riacho do Navio (PE). f. Paraná: UFPA, 1988, i, 179p. FREEZE, R. A. CHERRY, J. A. Contribuição da Geologia Estrutural à Pesquisa de Águas Subterrâneas em Rochas Cristalinas. Revista Brasileira de Águas Subterrâneas, n. p. LEITE, C. E. Eletro – Resistividade Aplicada à Hidrogeologia do Cristalino: Um problema de modelamento bidimensional. f. Dissertação (Mestrado em CiênciasGeofísica) – Câmara de Pesquisa e Ensino Pós- Graduado, Universidade Federal da Bahia, Bahia. MENEZES, J. M. R. RESENDE, A. C. M. V. REBOUÇAS, A. C; AMORE, L. O Sistema Aquifero Guarani - SAG. Revista Águas Subterraneas. n. F. J. et al. Reavaliação da abordagem estrutural e modelos de ocorrência de água subterrânea em terrenos cristalinos.

In: Feitosa, F. Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil. Universidade Federal do Ceará. Fortaleza. SANTOS. NOÇÕES DE HIDROQUÍMICA IN FEITOSA, F. p. Hydrogéologie. Inst. Français du pétrole. França: 1955, vol. Revista Brasileira de Geociências, v. n. p. jun. FICAADICA Programa gratuito para análise da água! > Qualigraf. imamu. edu. sa/Scientific_selections/abstracts/Chemistry Quer aprofundar? Leia as teses: CORIOLANO, A. C. F. Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1986. AS AUTORAS Juliana Menezes, geógrafa, doutora em geociências, professora adjunta do departamento de geografia da Universidade Federal Fluminense (UFF/PUCG) vem tecendo em sua vida acadêmica desde a graduação ao pós-doutorado uma linha de trabalho na temática ambiental com ênfase em monitoramento dos recursos hídricos e geotecnologias.

Luana Lima, geóloga, mestre em geociências, professora da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ/FEBF), doutoranda do Programa de Pós Graduação em Análise de Bacias e Faixas Móveis da UERJ, dedica-se a hidrogeologia, geotecnologias e popularização da ciência geológica. Em caso dúvidas, críticas ou sugestões contate a editora: rtsproducaoeditorial@gmail. com O livro Destinado aos alunos de graduação da área de Geociências.