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ENS - 5319 Professor: Masato Kobiyama Elaboração: Fabiane Tasca Apresentação Onde buscar no futuro a água imprescindível à sobrevivência? Onde e como obter o ar respirável? Onde plantar alimentos se os solos são rapidamente erodidos, simplesmente porque não existem árvores que possam atenuar o impacto das chuvas? A esperança de que nossa alimentação estaria nos mares vai sendo desfeita. Aos poucos, as praias se tornam impróprias ao banho. O lixo atômico, os acidentes com os petroleiros e poluentes químicos despejados todos os dias no mar não asseguram um bom futuro para aquela fonte de riquezas. É importante que todos os profissionais que atuam no campo das Engenharias- da Biologia, da Geologia, Ciências Naturais, Geografia, Sanitária, Ambiental e todas demais áreas, conheçam as leis naturais que regem o nosso planeta, a fim de trabalhar em harmonia com elas. Na disciplina de Geologia Aplicada a Engenharia Sanitária e Ambiental – ENS 5319- estudaremos desde o processo de formação dos solos e do universo até a formação dos furacões. Veremos um vasto conteúdo no intuito de entender a natureza dos fenômenos, seus porquês e para quês; ao mesmo tempo em que instigaremos o aluno a formular novas indagações e questionamentos, enriquecendo nossa disciplina. Esta disciplina é composta por aulas práticas (campo e viagens), tornando-se fundamental ao aluno o interesse por trabalhos de campo, bem como possuir uma boa capacidade de observação e interpretação. Ao final do curso o aluno deverá ser capaz de observar, calcular e analisar os componentes (minerais, rochas, solos, águas, etc.) do Geossistema e seus comportamentos, considerando o tempo geológico. O engenheiro sanitarista e ambiental atua, também, junto ao meio ambiente e talvez seja o profissional mais preparado para gerenciar essa área. Da mesma forma que descobre depósitos minerais cuja extração, eventualmente, vai prejudicar o meio ambiente, é o profissional que está preparado para propor ações mitigadoras ou corretivas. A presente apostila foi desenvolvida pela equipe do Laboratório de Hidrologia- Labhidro- da Universidade Federal de Santa Catarina com objetivo de tornar-se uma ferramenta auxiliar à disciplina de Geologia aplicada à Engenharia Sanitária e Ambiental. Esperamos que o estudo dela seja tão prazeroso a você, estudante, como foi para nós tê-la desenvolvido. Bons estudos! Atenciosamente Masato Kobiyama “Um homem precisa viajar. Por sua conta, não por meio de histórias, imagens, livros ou TV. Precisa viajar por si, com seus olhos e pés, para entender o que é seu. Para um dia plantar as suas próprias árvores e dar-lhes valor. Conhecer o frio para desfrutar o calor. E o oposto. Sentir a distância e o desabrigo para estar bem sob o próprio teto.Um homem precisa viajar para lugares que não conhece para quebrar essa arrogância que nos faz ver o mundo como o imaginamos, e não simplesmente como é ou pode ser. Que nos faz professores e doutores do que não vimos, quando deveríamos ser alunos, e simplesmente ir ver.” Amyr Klink- (Mar sem Fim, 2000) Sumário 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................... 7 1.1 O que é a Geologia .......................................................................................................................... 7 1.2 A Geologia Ambiental e a Geologia da Engenharia ...................................................................... 7 2 UNIVERSO ........................................................................................................................................... 9 2.1 Como Nasceu o Universo ............................................................................................................. 10 2.1.1 Cronologia na criação do Universo ....................................................................................... 10 2.2 Estrutura do Universo ................................................................................................................... 13 2.2.1 Via Láctea .............................................................................................................................. 13 2.2.2 Sistema Solar ......................................................................................................................... 15 2.2.3 Sol .......................................................................................................................................... 15 2.2.4 Planetas .................................................................................................................................. 17 2.2.5 Planetas anões ........................................................................................................................ 18 2.2.6 Luas ........................................................................................................................................ 18 2.2.7 Corpos menores ..................................................................................................................... 19 2.2.8 O Planeta Terra ...................................................................................................................... 20 3 MINERAIS .......................................................................................................................................... 33 3.1 Propriedades Químicas ................................................................................................................. 33 3.2 Propriedades Físicas ...................................................................................................................... 35 3.3 Minerais mais comuns .................................................................................................................. 37 4 ROCHAS ............................................................................................................................................. 44 4.1 Natureza das Rochas ..................................................................................................................... 44 4.2 Rochas Ígneas ou Magmáticas ...................................................................................................... 47 4.2.1 Principais Rochas Ígneas ....................................................................................................... 49 4.3 Rochas Sedimentares .................................................................................................................... 50 4.3.1 Rochas Sedimentares Clásticas .............................................................................................. 51 4.3.2 Rochas Sedimentares Orgânicas ............................................................................................ 53 4.3.3 Litificação (ou diagônese) ..................................................................................................... 54 4.4 rochas Metamórficas ..................................................................................................................... 54 4.4.1 Classificação de metamorfismo ............................................................................................. 55 4.4.2 Estruturas das Rochas Metamórficas ..................................................................................... 57 4.4.3 Classificação das Rochas Metamórficas ................................................................................ 58 4.4.4 Principais Rochas Metamórficas ...........................................................................................58 4.5 Onde as rochas são encontradas ? ................................................................................................. 60 5 Processos internos e seus efeitos ........................................................................................................ 64 5.1 Placas TectônicaS e Deriva Continental ....................................................................................... 64 5.1.1 Pangéia ................................................................................................................................... 67 5.2 Orogênese...................................................................................................................................... 68 5.2.1 Dobramentos .......................................................................................................................... 70 5.2.2 Falhamentos ........................................................................................................................... 72 5.2.3 Vulcanismo ............................................................................................................................ 74 5.2.4 Terremoto .............................................................................................................................. 78 5.3 Epirogênese ................................................................................................................................... 79 5.3.1 Teoria da Isostasia ................................................................................................................. 80 5.3.2 Modelo de Airy ...................................................................................................................... 81 5.3.3 Anomalias Isostáticas (Anomalias gravimétricas) ................................................................. 81 5.3.4 Glacio-isostasia ...................................................................................................................... 82 5.4 Origens das montanhas ................................................................................................................. 83 5.4.1 Montanhas de domo ............................................................................................................... 84 5.4.2 Montanhas de blocos de falhamento ...................................................................................... 84 5.4.3 Montanhas de Dobras ............................................................................................................ 84 5.4.4 Montanhas vulcânicas ............................................................................................................ 85 5.4.5 Montanhas Brasileiras ........................................................................................................... 86 6 Intemperismo ...................................................................................................................................... 89 6.1 Intemperismo físico....................................................................................................................... 90 6.2 Intemperismo químico .................................................................................................................. 90 6.3 Intemperismo e sedimentação ....................................................................................................... 92 6.4 Importância dos sedimentos em ecologia e na engenharia hidráulica: ......................................... 93 7 Solos ..................................................................................................................................................... 94 7.1 Perfil e horizontes ......................................................................................................................... 95 7.2 Os Diferentes Tipos de Solos ........................................................................................................ 96 7.3 Mapas Pedológicos ....................................................................................................................... 97 7.3.1 Elaboração dos mapas pedológicos ....................................................................................... 97 7.3.2 Utilização dos levantamentos de solos em Geologia de Engenharia ..................................... 98 8 As paisagens: Interação da Tectônica e do Clima ......................................................................... 100 8.1 Topografia, elevação e relevo ..................................................................................................... 100 8.2 Geração de Curvas de Nível ........................................................................................................ 102 8.2.1 Características das Curvas de Nível .................................................................................... 103 8.2.2 Normas para o Desenho das Curvas de Nível ..................................................................... 105 8.2.3 Principais Acidentes Geográficos Naturais: ........................................................................ 108 9 Processos externos e seus efeitos ..................................................................................................... 111 9.1 Água ............................................................................................................................................ 111 9.1.1 Distribuição das Águas ........................................................................................................ 111 9.1.2 Ação Geológica das Águas .................................................................................................. 115 9.2 Vento ........................................................................................................................................... 120 9.2.1 Principais ventos .................................................................................................................. 123 9.2.2 Transporte Eólico ................................................................................................................. 125 9.2.3 Erosão Eólica ....................................................................................................................... 131 9.3 Gelo ............................................................................................................................................. 133 9.3.1 Ação Erosiva das Geleiras ................................................................................................... 133 9.3.2 Glaciações ............................................................................................................................ 135 9.3.3 Erosão Glacial ...................................................................................................................... 136 9.4 Gravidade .................................................................................................................................... 137 9.4.1 Causas do Movimento de Massa ......................................................................................... 138 9.4.2 Classificação dos Movimentos de Massa ............................................................................ 138 9.4.3 Leitura Complementar: Tirando o natural do desastre natural ............................................ 145 9.4.4 Deslizamentos que matam: veja se você e a sua família correm perigo [16] ........................ 145 10 Geologia do Brasil ............................................................................................................................ 152 10.1 Geologia de Santa Catarina ......................................................................................................... 15510.1.1 Complexo Granulítico de Santa Catarina ............................................................................ 155 10.1.2 Complexo Tabuleiro ............................................................................................................ 156 10.1.3 Complexo Metamórfico Brusque ........................................................................................ 156 10.1.4 Grupo Itajaí .......................................................................................................................... 156 10.1.5 Suítes Intrusivas Graníticas ................................................................................................. 156 10.1.6 Supergrupo Tubarão ............................................................................................................ 157 10.1.7 Grupo Passa Dois ................................................................................................................. 158 10.1.8 Grupo São Bento .................................................................................................................. 159 10.1.9 Sedimentos Cenozóicos ....................................................................................................... 159 1 INTRODUÇÃO “A terra ensina-nos mais acerca de nós próprios do que todos os livros. Porque ela nos resiste.” (Antoine de Saint-Exupéry) 1.1 O QUE É A GEOLOGIA Geologia, do grego γη- (ge-, "a terra") e λογος (logos, "palavra", "razão"), é a ciência que tem como objeto o estudo do planeta Terra- sua composição, estrutura, seus processos internos e externos, propriedades físicas, história e os processos que lhe dão forma. É uma das ciências da Terra. Dedica-se, principalmente, ao entendimento do que ocorre ou ocorreu abaixo da superfície da Terra, mesmo que, para isso, tenha que buscar elementos nos fenômenos que estão ocorrendo sobre a superfície. O campo de atividade da Geologia é, por conseguinte, a porção da Terra constituída de rochas que, por sua vez, são as fontes de informações. Entretanto, a formação das rochas decorre de um conjunto de fatores físicos, químicos e biológico, de onde os interesses se entrecruzam repetidamente. É objeto da Geologia Geral o estudo dos agentes de formação e transformação das rochas, da composição e disposição das rochas na crosta terrestre. 1.2 A GEOLOGIA AMBIENTAL E A GEOLOGIA DA ENGENHARIA O Homo sapiens é do Quaternário. Os vestígios de sua civilização, representados por fósseis, utensílios e pinturas rupestres são encontrados em todos os continentes, evidentemente a partir dos períodos em que os mesmos foram ocupados. O homem foi evoluindo em forma, constituição e habitat, deixando de ser nômade para se tornar sedentário, trocando a posição de coletor de alimentos para virar produtor, com as atividades de pastoreio e agricultura. Tornou-se assim o mais novo e intenso agente modificador do ambiente, o que permitiu seu enorme crescimento populacional, que nos últimos 100 anos, principalmente, exerceu forte pressão sobre o meio ambiente, interferindo, acelerada e intensamente, nos processos naturais. Desta forma, o homem contribuiu para modificar o regime de escoamento, infiltração e evapotranspiração das águas das chuvas, provocando a aceleração dos processos erosivos dos solos, a desertificação, salinização e a diminuição da infiltração d´água na recarga dos aqüíferos, dentre outros impactos que estabelecem relações negativas. Por outro lado, também recupera áreas degradadas ou as ocupa com critérios adequados. Essas relações do homem com seu habitat são estudados por dois ramos: Geologia Ambiental: ramo da Ecologia que trata das relações entre o homem e seu habitat geológico; ela se ocupa dos problemas do homem com o uso da terra - e a reação da terra a este uso. A Geologia Ambiental inclui os ramos tradicionais da Geologia de Engenharia e da Geologia Econômica, ou uma pequena parte desta última, referente aos recursos minerais. (FLAWN, P.T.; 1970. Environmental Geology. New York: Harper & Row Pub. Prefácio). Geologia de Engenharia (antiga Geologia Aplicada): Ciência dedicada à investigação, estudo e solução de problemas de engenharia e meio ambiente, decorrentes da interação entre a Geologia e os trabalhos e atividades do homem, bem como à previsão e desenvolvimento de medidas preventivas ou reparadoras de acidentes geológicos (Associação Brasileira de Geologia de Engenharia – ABGE). Os conhecimentos de geologia de engenharia terão uma função diferente conforme sejam usados por um engenheiro ou por um geólogo (Figura 1). Aquele deverá ter consciência dos problemas que poderão advir do terreno sobre o qual constrói sua obra (condicionamentos geológicos), dos problemas que a obra poderá criar, saber solicitar os levantamentos geológicos necessários e interpretá-los. O geólogo deverá ter consciência dos problemas que as condições geológicas podem trazer para a construção, para adaptar essa investigação a essas necessidades. Assim, vivendo as contradições de sua evolução, o homem impõe ao Planeta as conseqüências de suas escolhas. A Geologia de Engenharia é uma das ferramentas técnico- científicas úteis ao discernimento das escolhas mais acertadas a uma transformação adequada do meio ambiente. Referências: MACIEL FILHO, C. L. Introdução à geologia de engenharia. Brasilia: CPRM; Santa Maria, RS: Ed. da UFSM, 1994. 283p. TEIXEIRA, W. Decifrando a terra. São Paulo: Companhia Ed. Nacional, 2008, 558p OLIVEIRA, A. & BRITO, S. Geologia de engenharia. São Paulo: ABGE, 1998. (impressão 1999) 587p. Figura 1: O Geólogo, Pintura do séc. XIX por Carl Spitzweg. 2 UNIVERSO “Quero saber como Deus criou este mundo. Não estou interessado neste ou naquele fenômeno, ou no espectro deste ou daquele elemento. Quero conhecer seus pensamentos, o resto são detalhes.” (Albert Einstein) Muitos foram os seres humanos que dedicaram as suas vidas ao estudo das ciências e da descoberta da origem do Universo (do latim universus, "todo inteiro", composto de unus e versus). Dentre as principais descobertas e teorias desenvolvidas para elucidar a origem do Universo, podemos citar: 1914 – Albert Einstein enuncia a Teoria da Relatividade, mostrando a equivalência entre matéria e energia. E = m.c² 1917 – O astrônomo holandês Willen de Sitter demonstra de forma teórica que o Universo está em expansão. 1927 – O astrônomo belga Georges Lemaitre sugere que, inicialmente, toda a matéria do Universo estava concentrada em um único lugar: o ovo cósmico ou átomo primordial. 1929 – Edwin Hubble, baseado em suas observações, enuncia sua famosa lei segundo a qual a velocidade com que uma galáxia se afasta de nós está relacionada com a sua distância até nós, e, portanto, com o tempo. Esta foi a primeira evidência da expansão do Universo. 1950 – Herman, Gamow e Alpher propõem a Teoria do Big-Bang (nome sugerido por Hoyle para o evento que dá início ao Universo). 1965 – Os físicos americanos Arno Penzias e Robert Wilson detectam a radiação cósmica de fundo, equivalente à radiação emitida por um corpo negro a uma temperatura de 2,7K. Essa descoberta da radiação cósmica de fundo parece evidenciar duas coisas: a existência do big-bang, sendo esta radiação de fundo proveniente da transformação de massa em energia radiante, um resíduo do big-bang que deu origem ao Universo, e ainda que 2,7K seria a temperatura atual do Universo considerado como um todo (uma espécie de temperatura média do Universo), o que já tinha sido previsto por George Gamow (1904-1968) em 1948. 2.1 COMO NASCEU O UNIVERSO Por meio do conhecimento existente sobre a matéria e energia, radiações, partículas elementares e fazendo uso dos recursos da Física teórica, incluindo modelagens e simulações, os cientistas reconstituíram com grande precisão as etapas sucessivas ao Bing Bang, que é a teoria mais aceita no que se refere à origem do universo. A Teoria do Big-Bang (Figura 2.0) admite que o Universo tem uma idade limite, da ordem de 15 ou 20 bilhões de anos e, portanto, existe um instante inicial em que o Universo foi criado. Segundo essa teoria, há 15 ou 20 bilhões de anos uma fabulosa quantidade de energia estava localizada em uma esfera de diâmetro inferior a 1 cm, denominada ovo cósmico ou singularidade. Num dado instante (t = 0), toda essa energia, em rápida expansão, criou o Universo que se dilatou e se resfriou uniformemente. A redução rápida de temperatura determinou as sucessivas transformações da energia liberada que se materializou na forma de partículas (quarks) e antipartículas (antiquarks). A matéria e a antimatéria se aniquilam, gerando uma quantidade enorme de energia na forma de fótons e obedecendo à equação de Einstein: E = m.c². O excesso de matéria em relação à antimatéria deu origem ao Universo em que hoje vivemos. 2.1.1 CRONOLOGIA NA CRIAÇÃO DO UNIVERSO a) Instante t = 0: instante inicial em que ocorreu o Big-Bang; a escala de distâncias vale zero, a densidade do universo é infinitamente elevada e não há ferramentas na Matemática ou na Física, que hoje conhecemos, para estudar este momento. O evento instante zero é tratado como uma singularidade no estudo da evolução do Universo. b) Intervalo de tempo entre t = 0 e t = 10 – 43s: o que ocorreu neste intervalo é pura especulação teórica sem nenhuma possibilidade de comprovação através de observações físicas. c) Intervalo de tempo entre t = 10 – 43s e t = 10 – 35s: neste curto intervalo de tempo os quarks e os antiquarks aniquilaram-se dando origem à radiação, na forma de fótons. A quantidade de quarks é maior que a de antiquarks, de modo a restar matéria na forma de quarks que deu origem ao Universo em que hoje vivemos. O universo está-se resfriando, passando de uma temperatura de 1032 K em t = 10 – 43s para a temperatura de 1027K em t = 10 – 35s. d) No instante t = 10 – 30s: os quarks remanescentes do processo de aniquilamento começam a se fundir, dando origem aos prótons e nêutrons. e) No instante t = 10 – 6s: a fusão dos quarks, originando prótons e nêutrons, é concluída e os quarks desaparecem. Os prótons e nêutrons podem-se transmutar entre si e vão coexistir com elétrons e fótons. f) Após o instante t = 1s: com a queda da temperatura, os prótons não podem mais se transmutar, o que não ocorre em relação aos nêutrons. É por isso que existem, até hoje, quatro vezes mais prótons do que nêutrons. g) No intervalo de t = 10s - 500s: ocorrem as reações de fusão dos núcleos: 25% dos núcleos de hidrogênio transformam-se em hélio; um milésimo por cento é transformado em deutério e menos de um milionésimo por cento é transformado em lítio. Ao fim de 3 minutos as transformações fundamentais já haviam ocorrido. h) Quando o Universo possui uma idade entre 300 000 anos e 1 milhão de anos, a temperatura já é suficientemente baixa para que os elétrons comecem a se associar aos prótons para formar os átomos de hidrogênio. i) Antes de atingir a idade de 1 bilhão de anos, a força gravitacional começou a agir e as primeiras galáxias apareceram. Figura 2.0: Simulação do Big Bang [1]. 2.2 ESTRUTURA DO UNIVERSO A Astronomia nos ensina que existem incontáveis estrelas no céu. Ao mesmo tempo, observamos que elas se dispõem de uma maneira ordenada, segundo hierarquias. As estrelas agrupam-se primeiramente em galáxias, cujas dimensões são da ordem de 100.000 anos- luz. As galáxias podem conter enormes espaços interestelares de baixa densidade, mas também regiões de densidade extrema. Os assim chamados buracos negros podem sugar qualquer matéria das proximidades, em virtude da sua gigantesca energia gravitacional. Nem mesmo a luz consegue escapar dos buracos negros e o seu estudo é um dos temas de fronteira da Astronomia. A Via Láctea é uma galáxia do tipo espiral, que faz parte de um grupo de galáxias, o Grupo Local (Figura 2.1), que é um aglomerado pequeno, com cerca de 50 membros, que ocupa um volume de 3 milhões de anos-luz na sua dimensão maior. A Via Láctea e Andrômeda (M31) são de longe os dois membros mais massivos, estando um em cada borda do aglomerado. A terceira galáxia mais luminosa do grupo é outra espiral, M33, que tem 20% da luminosidade da Via Láctea e 13% da luminosidade de Andrômeda. Entre os demais membros existem duas elípticas, M32, satélite de M31, e M110, e várias irregulares e galáxias anãs. As Nuvens de Magalhães (Grande Nuvem de Magalhães e Pequena Nuvem de Magalhães), galáxias irregulares e satélites da nossa Galáxia, também fazem parte desse grupo. A Grande Nuvem de Magalhães, localizada a 150 mil anos-luz da Via Láctea, era até 1994 considerada a galáxia mais próxima. Desde 2003 foram descobertas várias galáxias anãs na região do Grupo Local, entre as quais uma anã localizada a apenas 25 mil anos-luz de distância, na direção do centro galáctico. Essa é atualmente a galáxia mais próxima, e só não foi detectado antes devido estar numa região de grande extinção e ter brilho superficial muito baixo. No total, o grupo local contém pelo menos 3 galáxias espirais, 2 elípticas, 15 galáxias irregulares de diferentes tamanhos, e 17 anãs elípticas. A maioria das galáxias se encontra orbitando a Via Láctea ou Andrômeda, dando uma aparência binária ao Grupo Local. 2.2.1 VIA LÁCTEA Em noites límpidas e sem lua, longe das luzes artificiais das áreas urbanas, pode-se ver claramente no céu uma faixa nebulosa atravessando o hemisfério celeste de um horizonte a outro. Chamamos a essa faixa Via Láctea (Figura 2.2), devido à sua aparência, que lembrava aos povos antigos um caminho esbranquiçado como leite. Sua parte mais brilhante fica na direção da constelação de Sagitário, sendo melhor observável no Hemisfério Sul durante as noites de inverno. Na Via Láctea está localizado o Sistema Solar da Terra. A Via Láctea é uma estrutura constituída por cerca de duzentos bilhões de estrelas (algumas estimativas colocam esse número no dobro, em torno de quatrocentos bilhões) e tem uma massa de cerca de um trilhão e 750 bilhões de massas solares. Sua idade está calculada entre treze e treze bilhões e 800 milhões de anos, embora alguns autores afirmem estar na faixa de quatorze bilhões de anos. Figura 2.2: Nossa localização na Via Láctea [3] . Figura 2.1: Via Láctea [2] . 2.2.2 SISTEMA SOLAR Nosso sol é uma estrela de média grandeza, formando hélio pela queima de hidrogênio há cerca de 4,6 bilhões de anos. Possivelmente permanecerá nesta fase por outros tantos bilhões de anos, antes de evoluir para a fase de gigante vermelha, anã branca, e finalmente tornar-se uma anã- negra. Os demais corpos que pertencem ao Sistema Solar (planetas, satélites, asteróides, cometas, além de poeira e gás) formaram-se ao mesmo tempo em que sua estrela central. Isto confere ao sistema uma organização harmônica no tocante à distribuição de sua massa e às trajetórias orbitais de seus corpos maiores, os planetas e satélites. A massa do sistema (99,8%) concentra-se no sol, com os planetas girando ao seu redor, em ordens elípticas de pequena excentricidade, virtualmente coplanares, segundo um plano básico denominado eclíptico. Neste planoestão assentadas, com pequenas inclinações, as órbitas de todos os planetas, orbitam também numerosos asteróides. Por sua vez, a grande maioria dos cometas parece seguir órbitas próximas do plano eclíptico. O movimento de todos estes corpos ao redor do sol concentra praticamente todo o momento angular do sistema. 2.2.3 SOL O Sol é o objeto mais proeminente em nosso sistema solar (Figura 2.3). É o maior objeto e contém aproximadamente 98% da massa total do sistema solar. Cento e nove Terras seriam necessárias cobrir o Figura 2.3: Sistema Solar [4] . disco do Sol, e em seu interior caberia 1,3 milhão de Terras. A camada externa visível do Sol é chamada fotosfera e tem uma temperatura de 6.000°C. Esta camada tem uma aparência turbulenta devido às erupções energéticas que lá ocorrem. O Sol começou a brilhar quando o núcleo atingiu 10 milhões de graus Celsius, temperatura suficiente para iniciar reações de fusão nuclear. A radiação acabou por gerar um vento solar muito forte, conhecido como ―onda de choque‖, que espalhou o gás e poeira restantes das redondezas da estrela recém-nascida para os planetas que se acabaram de formar a partir de colisões entre os protoplanetas. A energia solar é gerada no núcleo do Sol. Lá, a temperatura (15.000.000° C) e a pressão (340 bilhões de vezes a pressão atmosférica da Terra ao nível do mar) são tão intensas que ocorrem reações nucleares. Estas reações transformam quatro prótons ou núcleos de átomos de hidrogênio em uma partícula alfa, que é o núcleo de um átomo de hélio. A partícula alfa é aproximadamente 0,7 % menos massiva do que quatro prótons. A diferença em massa é expelida como energia e carregada até a superfície do Sol, através de um processo conhecido como convecção, e é liberada em forma de luz e calor. A energia gerada no interior do Sol leva um milhão de anos para chegar à superfície. A cada segundo 700 milhões de toneladas de hidrogênio são convertidos em cinza de hélio. Durante este processo 5 milhões de toneladas de energia pura são liberados; portanto, com o passar do tempo, o Sol está se tornando mais leve. O Sol aparentemente está ativo por 4,6 bilhões de anos e tem combustível suficiente para continuar por aproximadamente mais cinco bilhões de anos. No fim de sua vida, o Sol começará a fundir o hélio em elementos mais pesados e se expandirá, finalmente crescendo tão grande que engolirá a Terra. Após um bilhão de anos como um gigante vermelha, ele rapidamente colapsará em uma anã branca - o produto final de uma estrela como a nossa. Pode levar um trilhão de anos para ele se esfriar completamente. Estatísticas do Sol Massa (kg)..............................1,989 x 10 30 Raio Equatorial (km)................695.000 Densidade média (gm/cm 3 ).......1,410 Distância da Terra (km)............150 milhões Período de Rotação (dias)..........25-36 Temperatura média da fotosfera.... 6.000°C Idade (bilhões de anos)..................4,5 Composição Química Principal: Hidrogênio...... 92,1% Hélio................7,8% Oxigênio..........0,061% Demais Gases..0,039% 2.2.4 PLANETAS Tabela 2.0: Algumas características dos planetas. 2.2.4.1 A DIMENSÃO ASTRONÔMICA DAS DISTÂNCIAS NO ESPAÇO Para se ter a noção da dimensão astronômica das distâncias no espaço é interessante fazer uns cálculos e arranjar um modelo que nos permita ter uma percepção mais clara do que está em jogo. Imaginemos, por exemplo, um modelo reduzido em que o Sol estaria representado por uma bola de futebol (de 22 cm de diâmetro). A essa escala, a Terra ficaria a 23,6 metros de distância e seria uma esfera com apenas 2 mm de diâmetro (a Lua ficaria a uns 5 cm da Terra, e teria um diâmetro de uns 0,5 mm). Júpiter e Saturno seriam berlindes com cerca de 2 cm de diâmetro, respectivamente a 123 e a 226 metros do Sol. Plutão ficaria a 931 metros do Sol, com cerca de 0.36 mm de diâmetro. Quanto à estrela mais próxima, a Proxima Centauro, essa estaria a 6332 km do Sol! E a estrela Sírio a 13150 km. Se demorasse 1 hora e um quarto a ir da Terra à Lua (a uns 257000 km/hora), demoraria umas 3 semanas (terrestres) a ir da Terra ao Sol, uns 3 meses a ir a Júpiter, 7 meses a Saturno e uns 2 anos e meio a chegar a Plutão e deixar o nosso sistema solar. A partir daí, a essa velocidade, teríamos de esperar uns 17600 anos até chegar à estrela mais próxima! E 35 000 anos até chegarmos a Sírio! Na Figura 2.4 pode-se observar a proporção entre os planetas do sistema solar. Figura 2.4.: Proporção entre planetas e Sol [5]. 2.2.5 PLANETAS ANÕES Planeta anão é um corpo celeste muito semelhante a um planeta, dado que orbita em volta do Sol e possui gravidade suficiente para assumir uma forma com equilíbrio hidrostático (aproximadamente esférica), porém não possui uma órbita desimpedida, orbitando com milhares de outros pequenos corpos celestes. 2.2.6 LUAS Satélites naturais ou luas são objetos de dimensões consideráveis que orbitam os planetas. Compreendem pequenos astros capturados da cintura de asteróides, como as luas de Marte e dos planetas gasosos, até astros capturados da cintura de Kuiper como o caso de Tritão, no caso de Netuno ou até mesmo astros formados a partir do próprio planeta através do impacto de um protoplaneta, como o caso da Lua da Terra. Os planetas gasosos têm pequenas partículas de pó e gelo que os orbitam em enormes quantidades, são os chamados anéis planetários, os mais famosos são os anéis de Saturno. b) a) c) 2.2.7 CORPOS MENORES A classe de astros chamados ―corpos menores do sistema solar‖ inclui vários objetos diferenciados como são os asteróides, os transnetunianos, os cometas e outros pequenos corpos. Asteróides: são astros menores do que os planetas, normalmente em forma de batata, encontrando- se na maioria na órbita entre Marte e Júpiter e são compostos por partes significativas de minerais não- voláteis. Estes são subdivididos em grupos e famílias de asteróides baseados em características orbitais específicas. Nota-se que existem luas de asteróides, que são asteróides que orbitam asteróides maiores, que, por vezes, são quase do mesmo tamanho do asteróide que orbitam. As sementes das quais os planetas se originaram são chamadas de planetésimos: são corpos subplanetários que existiram durante os primeiros anos do sistema solar e que não existem no sistema solar recente. O nome é também usado por vezes para referir os asteróides e os cometas em geral ou para asteróides com menos de 10 km de diâmetro. Centauros: Os centauros são astros gelados semelhantes a cometas que têm órbitas menos excêntricas e que permanecem na região entre Júpiter e Netuno, mas são muito maiores que os cometas. O primeiro a ser descoberto foi Quíron, que tem propriedades parecidas com as de um cometa e de um asteróide. Transnetunianos: Os transnetunianos são corpos celestes gelados cuja distância média ao Sol encontra-se para além da órbita de Netuno, com órbitas superiores a 200 anos e são semelhantes ao centauros. Pensa-se que os cometas de curto período sejam originários desta região. Os planetas anões Plutão e Éris encontram-se, também, nesta região. O primeiro transnetuniano foi descoberto em 1992. No entanto, Plutão, que já era conhecido há quase um século, orbita nesta região do sistema solar. Cometas: A maioria dos cometas tem três partes: 1. Um núcleo sólido ou centro; 2. Uma cabeleira- ou cabeça redonda- que envolve o núcleo e consiste em partículas de poeira misturadas com água, metano e amoníaco congelados; e 3. Uma longa cauda de poeira e gasesque escapam da cabeleira. Os cometas são compostos largamente por gelos voláteis e com órbitas bastante excêntricas, geralmente com um periélio dentro das órbitas dos planetas interior e com afélio para além de Plutão. Cometas com pequenos períodos também existem; contudo, os cometas mais velhos que perderam todo o seu material volátil são categorizados como asteróides. Alguns cometas com órbitas hiperbólicas podem ter sido originados de fora do sistema solar. Meteoróides: Os meteoróides são astros com dimensão entre 50 metros até partículas tão pequenas como pó. Astros maiores que 50 metros são conhecidos como asteróides. Um meteoróide que atravesse a atmosfera da Terra passa a se denominar meteoro; caso chegue ao solo, chama-se meteorito. 2.2.8 O PLANETA TERRA O terceiro planeta do Sistema Solar apresenta uma atmosfera secundária, formada por emanações gasosas durante toda a história do planeta e constituída principalmente por nitrogênio, oxigênio e argônio. A temperatura de sua superfície é suficientemente baixa para permitir a existência de água líquida, bem como vapor d´água na atmosfera, responsável pelo efeito estufa regulador da temperatura, que permite a existência da biosfera. Por causa dos envoltórios fluídos que a recobrem, a atmosfera e hidrosfera, a Terra quando vista do espaço assume a coloração azulada. A característica principal do planeta Terra é seu conjunto de condições únicas e extraordinárias que favorecem a existência e a estabilidade de muitas formas de vida, sendo que evidências de vida bacteriana abundante foram já encontradas em rochas com idade de 3500 milhões de anos. Entre os planetas do sistema a Terra tem condições únicas: mantém grandes quantidades de água em estado líquido, tem placas tectônicas e um forte campo magnético. A atmosfera interage com os sistemas vivos. A ciência moderna coloca a Terra como único corpo planetário conhecido que possui vida da forma a qual conhecemos. Alguns cientistas como James Lovelock consideram que a Terra é um sistema vivo chamado Gaia. Tabela 2.1: Parâmetros Terrestres A superfície terrestre é constituída por complexos relevos. O Geóide é a superfície equipotencial da gravidade que coincide com a superfície oceanográfica média no oceano (Figura 2.5). Figura 2.5: Superfície equipotencial. 2.2.8.1 FORMA E TAMANHO O planeta Terra tem aproximadamente uma forma esférica, mas a sua rotação causa uma pequena deformação para a forma elipsoidal (achatada aos pólos). A forma real da Terra é chamada de Geóide, apresenta forma muito irregular, ondulada, matematicamente complexa. Figura 2.6: Elipsóide Terrestre. Figura 2.7: Aproximação Terciária 2.2.8.2 ORIGEM O planeta teria se formado pela agregação de poeira cósmica em rotação, aquecendo-se depois, por meio de violentas reações químicas. O aumento da massa agregada e da gravidade catalisou impactos de corpos maiores. Essa mesma força gravitacional possibilitou a retenção de gases constituindo uma atmosfera primitiva. Os processos de formação do planeta Terra são a acreção, diferenciação e desintegração radioativa. O envoltório atmosférico primordial atuou como isolante térmico, criando o ambiente na qual se processou a fusão dos materiais terrestres. Os elementos mais densos e pesados, como o ferro e o níquel, migraram para o interior; os mais leves localizaram-se nas proximidades da superfície. Dessa forma, constituiu-se a estrutura interna do planeta, com a distinção entre o núcleo, manto e crosta (litosfera). O conhecimento dessa estrutura deve-se à propagação de ondas sísmicas geradas pelos terremotos. Tais ondas, medidas por sismógrafos, variam de velocidade ao longo do seu percurso até a superfície, o que prova que o planeta possui estrutura interna heterogênea, ou seja, as camadas internas possuem densidade e temperatura distintas. A partir do resfriamento superficial do magma, consolidaram-se as primeiras rochas, chamadas magmáticas ou ígneas, dando origem a estrutura geológica denominado escudos cristalinos ou maciços antigos. Formou-se, assim, a litosfera ou crosta terrestre. A liberação de gases decorrente da volatização da matéria sólida devido a altas temperaturas e também, posteriormente, devido ao resfriamento, originou a atmosfera, responsável pela ocorrência das primeiras chuvas e pela formação de lagos e mares nas áreas rebaixadas. Assim, iniciou-se o processo de intemperismo (decomposição das rochas) responsável pela formação dos solos e conseqüente início da erosão e da sedimentação. As partículas minerais que compõem os solos, transportados pela água, dirigiram-se, ao longo do tempo, para as depressões que foram preenchidas com esses sedimentos, constituindo as primeiras bacias sedimentares (bacias sedimentares são depressões da crosta, de origem diversa, preenchidas ou em fase de preenchimento por material de natureza sedimentar) e, com a sedimentação (compactação); as rochas sedimentares. No decorrer desse processo, as elevações primitivas (pré-cambrianas) sofreram enorme desgaste pela ação dos agentes externos, sendo gradativamente rebaixadas. Hoje, apresentam altitudes modestas e formas arredondadas pela intensa erosão, constituindo as serras conhecidas no Brasil como serras do Mar, da Mantiqueira, do Espinhaço e, em outros países, os Montes Apalaches (EUA), os Alpes Escandinavos (Suécia e Noruega), os Montes Urais (Rússia), etc. Os escudos cristalinos ou maciços antigos apresentam disponibilidade de minerais metálicos (ferro, manganês, cobre), sendo por isso, bastante explorados economicamente. Nos dobramentos terciários pode haver qualquer tipo de minério. O carvão mineral e o petróleo são comumente encontrados nas bacias sedimentares. Já os dobramentos modernos são os grandes alinhamentos montanhosos que se formaram no contato entre as placas tectônicas em virtude do seu deslocamento a partir do período Terciário da era Cenozóica, como os Alpes, os Andes (a oeste da América do Sul), o Himalaia (norte do subcontinente indiano), e as Montanhas Rochosas. 2.2.8.3 HISTÓRIA DA TERRA A história da Terra é muito longa. Uma história que se desenrola há cerca de 4.600 milhões de anos e que o homem vem a escrever há cerca de 5 mil anos. Na Geologia os caminhos da história raramente são direitos. É próprio de uma falsa ciência nunca descobrir o que é falso, nunca reconhecer a necessidade de renunciar seja ao que for, nunca mudar de linguagem. Não esquecendo que a história da verdade, e só da verdade, é uma noção contraditória. Aquilo que hoje é impossível amanhã é do censo comum. Pitágoras (580-500 a.C.) teve a verdadeira intuição acerca da natureza das referidas impressões (fósseis). Contudo, ainda no século XVII, Plot admitia que as marcas (impressões - fósseis) observadas nas rochas seriam o resultado de propriedade inerente à Terra a qual originaria as marcas como ornamento das regiões ocultas do Globo, da mesma maneira que as flores são o ornamento da superfície. Mesmo no século XIX, um decreto teológico de Oxford afirmava que o Diabo tinha colocado aquelas impressões (fósseis) nas rochas para enganar e embaraçar a humanidade. Foi Leonardo da Vinci (1452-1519), que realizou estudos importantes nos domínios da Geometria, Biologia, Geologia, Astronomia e Anatomia, quem esclareceu o problema das impressões (fósseis). O método utilizado por Leonardo da Vinci nas suas observações e deduções foi de importância fundamental para o estudo da história da Terra, tendo, deste modo, resolvido o problema do significado dos fósseis. Nicolau Steno (1638-1686) foi um dos primeiros investigadores aredescobrir a verdadeira natureza dos fósseis. Georges Cuvier (1769-1832) prestou muitas e importantes contribuições à História Natural, no que se refere a espécies extintas e à reconstituição de alguns fósseis dando-lhe o aspecto que teriam quando eram vivos. Foi defensor de uma versão da história da Terra, segundo a qual uma sucessão de catástrofes teria exterminado as primitivas formas de vida, sendo a última destas catástrofes o Dilúvio descrito na Bíblia. Johann Gottlob Lehman e Christian Fuchsel, dois naturalistas do século XVIII, mostraram que a história geológica da região foi condicionada por dois episódios distintos. Lehmann evidenciou a seqüência de fenômenos da história da Terra gravados nas sucessivas camadas rochosas. James Hutton (1726-1797), considerado o fundador da geologia moderna, fazendo uso da observação de campo dos fenômenos atuais; deduziu que as mesmas leis físicas atuais que os condicionam terão sido as mesmas que atuaram no passado. Formulou, deste modo, o princípio do Uniformitarismo. Mais tarde, Charles Lyell (1797-1875), ampliou este princípio aplicando-o a novas situações geológicas, traduzindo-se em novos progressos das ciências geológicas. De fato, as rochas formam-se na natureza atual, obedecendo às mesmas leis que presidiram à sua formação há centenas de milhões de anos. Para finalizar William Smith (1769-1839), enunciou dois princípios fundamentais da estratigrafia, a lei "da sobreposição dos estratos" e a "das camadas identificadas pelos fósseis". Durante quase cinqüenta anos, percorreu a Inglaterra elaborando o primeiro mapa geológico daquele país. 2.2.8.3.1 GEOLOGIA HISTÓRICA – ESTRATIGRAFIA Lei de superposição (Law of superposition): O estrato superior é mais novo do que o inferior. Este Princípio da Sobreposição é fundamental para a interpretação da história da terra, porque em qualquer parte do planeta Terra indica as idades relativas das camadas das rochas sedimentares e dos fósseis nelas contidos (Figura 2.8). Lei de identificação: Se dois estratos contêm o mesmo fóssil, pode-se confirmar que estes foram formados na mesma época (Figura 2.9). Apesar das observações e estudos de Steno, só no fim do século XVIII e início do século XIX, James Hutton (1726-1797) como estudioso dos processos sedimentares confirmou o princípio da Figura 2.8: Barreira constituída por uma formação calcária do Ordovícico de Lexington, Kentucky (USA), rica em conteúdo fossilífero. Estas camadas encontram- se na posição horizontal original. Assim sendo, podemos afirmar que A é mais antigo que B e B mais antigo que C. A é a parte mais antiga da formação e C a parte mais recente. Figura 2.9: Camadas quase verticais, de uma formação calcária nas montanhas de Arbuckle, perto de Ardmore, Oklahoma (USA), que foram perturbadas da sua posição horizontal original pelas forças tectônicas que ergueram a montanha. Neste caso, sem prévios estudos cartográficos, tectônicos e paleontológicos, não se pode dizer se A é mais antiga ou mais recente do que B e C. sobreposição e estabeleceu o Princípio do Uniformitarismo, também conhecido pelo Princípio das Causas Atuais, o qual se pode expressar das seguintes formas: 1) os fenômenos geológicos existentes na atualidade são idênticos aos que ocorreram no passado, 2) os acontecimentos geológicos do passado, explicam-se através dos mesmos processos naturais que se observam na atualidade, 3) "o presente é a chave do passado". As camadas de rochas são como as páginas do nosso livro de história. As maiorias das rochas expostas à superfície da terra são sedimentares - formadas a partir das partículas de rochas mais velhas que foram erodidas pela água ou pelo vento. O cascalho, a areia, o silte e a lama (argilas) existem nos rios, lagos e oceanos. Estas partículas sedimentares ao depositarem-se podem enterrar animais e plantas, mortos ou vivos, no fundo dos lagos, dos rios ou dos mares. Com a passagem do tempo e a acumulação por deposição de mais partículas, freqüentemente com mudanças químicas, os sedimentos desagregados transformam-se em rocha cimentada. O cascalho transforma-se numa rocha chamada conglomerado, a areia transforma-se em arenito, a lama transforma-se em calcários ou argilitos, consoante o tipo de lama; e os esqueletos e outras partes animais, bem como as diferentes partes constituintes das plantas podem transformar-se em fósseis. Para determinar a idade da maioria das rochas sedimentares, o estudo científico dos fósseis contidos nelas é fundamental. Os fósseis fornecem importantes evidências (Figura 2.10) que ajudam a determinar o que aconteceu ao longo da história da Terra e quando aconteceu. Por exemplo, fosseis de coral indicam que a época da deposição dos mesmos teve um clima bem quente. Pela estratigrafia com fosseis, foi estabelecido o tempo depois do nascimento da Terra até hoje. Este tempo é denominado tempo geológico (biocronológico- Tabela 2.2 e 2.3). Figura 2.10 : Esquema simplificado de uma paisagem atual e de algumas plantas e animais (potenciais fósseis) que poderão ser preservados como fósseis [6] . Tabela 2.2: Hierarquia do tempo e sua correspondente camada. Tempo Era Período Época Camada (rocha) Grupo Sistema Série Tabela 2.3: Escala do Tempo Geológico Eon Era Período Época Limite inferior de tempo(#) Fanerozóico Cenozóica Neogeno (*) Holoceno (**) 11,5 ± 0 ka Pleistoceno(**) 1.806 ± 0 ka Plioceno 5.332 ± 0 ka Mioceno 23,03 ± 0 Ma Paleogeno(*) Oligoceno 33,9 ± 0,1 Ma Eoceno 55,8 ± 0,2 Ma Paleoceno 65,5 ± 0,3 Ma Mesozóica Cretáceo . 145,5 ± 4,0 Ma Jurássico . 199,6 ± 0,6 Ma Triássico . 251,0 ± 0,4 Ma Paleozóica Permiano . 299,0 ± 0,8 Ma Carbonífero . 359,2 ± 2,5 Ma Devoniano . 416,0 ± 2,8 Ma Siluriano . 443,7 ± 1,5 Ma Ordoviciano . 488,3 ± 1,7 Ma Cambriano . 542,0 ± 1,0 Ma Proterozóico (***) Neoproterozóico . . 1,0 Ga Mesoproterozóico . . 1,6 Ga Paleoproterozóico . . 2,5 Ga Arqueano (***) Neoarqueano . . 2,8 Ga Mesoarqueano . . 3,2 Ga Paleoarqueano . . 3,6 Ga Eoarqueano . . ~3,85 Ga Hadeano (***) . . . 4,6(?) ~ 3,85 Ga (*) Terciário: termo informal para período do Cenozóico correspondente ao Paleogeno e Neogeno juntos excluindo o Pleistoceno e Holoceno. (**) Quaternário: termo informal para período do Cenozóico mais recente, correspondente ao Pleistoceno e Holoceno, hoje incorporados ao Período Neogeno. (***) Precambriano: 88 % do tempo geológico e que corresponde ao Hadeano, Arqueano e Proterozóico juntos. O princípio do uniformitarismo não significa que todo fenômeno geológico ocorre de forma lenta. Alguns dos mais importantes processos ocorrem como eventos súbitos, como um meteoróide grande que impacta a Terra - um bólido - que pode escavar uma vasta cratera em questão de segundos; como um vulcão- que pode explodir seu cume ou como, ainda, uma falha- que pode rachar o solo num terremoto muito rapidamente. Outros processos ocorrem de maneira mais lenta. Milhões de anos são necessários para que continentes migrem, montanhas sejam soerguidas e erodidas, e sistemas fluviais depositem espessas camadas de sedimentos. Os processos geológicos ocorrem numa extraordinária gama de escalas tanto no espaço como no tempo (Figura 2.11). A história geológica da Terra é atualmente descrita por uma espiral temporal (Figura 2.12) indicando que processos atuais ocorreram no passado (Uniformitarismo), mas não da mesma forma, com mesma intensidade e não necessariamente todos os processos do passado ocorrem no presente e vice-versa. Figura 2.11: Os fenômenos geológicos podem estender-se durante milhares de séculos ou ocorrer com velocidades estupendas. (Esquerda) O Grand Canyon, no Arizona (EUA). [John Wang/PhotoDisc/Getly Images]. Direita: Cratera do Meteorito, Arizona (EUA). [John Sanford/Photo Researchers]. [7] Figura 2.12 – Espiral temporal [8]. 2.2.8.3.2 IDADE ABSOLUTA (TEMPO ABSOLUTO) O descobrimento da radioatividade em 1896 por Becquerel tornou-se o principal instrumento na comprovação do tempo geológico longo. Os métodos de datação radiométrica, entretanto, só foram completamente desenvolvidos e amplamente aplicados a partir dos anos 50, quando a radioatividade se tornou mais completamente entendida e os equipamentos necessários para a sua aplicação na datação fossem desenvolvidos. As datações radiométricas são usadas para medir a idade da cristalização da rocha, ou mesmo, da última vez em que ela foi fundida ou quando sofreu metamorfismo e passou por perturbações tectônicas capazes de re-homogeneizar os elementos radioativos presentes. A Lua é um corpo mais primitivo do que a Terra porque não foi perturbada por processos de tectônica de placas. Suas rochas foram datadas a partir de amostras coletadas em várias missões espaciais. As rochas lunares que apresentaram idades mais antigas foram datadas entre 4.4 e 4.6 bilhões de anos (= 4.4 a 4.6 Ga). Também, os meteoritos têm sido usados para calcular a idade da Terra. A idade mais provável assumida para a Terra é de 4.56 bilhões de anos (= 4.56 Ga), baseada na quase totalidade dos valores de datação obtidos diretamente em meteoritos. Os métodos de datação radiométrica baseiam-se no fato de que o decaimento de cada tipo de átomo ocorre em proporções constantes, segundo taxas exponenciais, que não são afetadas por agentes físicos ou químicos externos. A velocidade de decaimento depende apenas da estabilidade dos núcleos radioativos e é constante para cada tipo de isótopo radioativo. O número atômico é o número de prótons do núcleo. Esse número determina o elemento. O número de massa é a soma dos prótons e nêutrons do núcleo. Por exemplo, H 1 1 , He 2 4 , C 6 12 , N 7 14 , e O 8 16 . Os franceses Pierre Curie e Marie Curie descobriram Ra 88 226 , Po 84 210 . Desintegração radioativa: Quando um átomo radioativo ―pai‖ se desintegra, ele se transforma em um outro tipo de átomo denominado ―filho‖. (i) Desintegração alfa: O número do átomo ―pai‖ perde 2 prótons e 2 nêutrons. (Então, O número de massa decresce de 4 e o número atômico decresce de 2.) (ii) Desintegração beta: O núcleo emite um elétron de alta velocidade, um dos seus nêutrons se transforma em um próton, e o número atômico aumenta de um. Nota-se que a desintegração radioativa é independente de todas as condições físicas e químicas (pressão, temperatura, forças químicas tampões, etc.) Assume-se que uma constante de desintegração (λ) seja a probabilidade de desintegração por meio, ou a proporção de átomos radioativos existentes que se desintegrarão em uma unidade de tempo. Então, esta probabilidade pode ser expressa como: ttPttP 1 ttPtPttP )( )( tP t tPttP )( tP dt tdP dt tP tdP )( CttP )(ln CtetP )( Como 1)0( P , 1Ce . Portanto, tetP )( Nota-se que 1 t seja definido como a vida média. Aqui, assuma-se que N(t) é o número total de átomos radioativos ―pai‖, presentes no sistema no tempo t, e que )0(0 NN é o número inicial. Então, pela definição, te N tN 0 teNtN 0)( (1) O tempo necessário de desintegração da metade dos átomos radioativos ―pai‖ em um sistema se chama meia-vida (T). Então, pela definição, Te N TN 2 1 0 693,02ln T T 2ln (2) Substituindo a eq. (2) para a eq. (1), obtém-se: T t T t T t NNN T t NtN 2 1 22lnexp 2ln exp 0000 (3) Os métodos de datação radiométrica são baseados na acumulação de filhos atômicos produzidos por um pai radioativo. Modificando a equação (3), obtém-se: T t NtN 2ln exp0 T t N N 2ln exp0 T t N N 2ln ln 0 N N T N N e T N N Tt 000 log323,3log log 2ln 1 ln 2ln 1 1log323,3 N N Tt d onde N é o número de átomos pais e Nd é o número de átomos filhos. E esta idade t se chama idade absoluta. Neste caso, precisam-se ter duas proposições: (i) Quando t = 0, não houve átomos filhos. (ii) Durante o tempo t, nenhum os átomos filhos e pais saíram nem entraram no sistema. Tabela 2.4: Métodos de datação radiométrica. Isótopo - Pai Isótopo - Filho Meia-vida do isótopo-pai (anos) Intervalo de datação efetiva (anos) Minerais e materiais que podem ser datados Urânio- 238 Chumbo- 206 4,47 bilhões 10 milhões - 4,6 bilhões Zircão, Apatita Urânio- 235 Chumbo- 207 0,704 bilhão 10 milhões - 4,6 bilhões Zircão, Apatita Potássio- 40 Argônio-40 1,3 bilhão 50 mil - 4,6 bilhões Muscovita, Biotita, Hornblenda Rubídio- 87 Estrôncio- 87 47 bilhões 10 milhões - 4,6 bilhões Muscovita, Biotita, Feldspato potássico Carbono- 14 Nitrogênio- 14 5730 100 – 70 mil Madeira, carvão vegetal, turfa, ossos e tecidos, carbonato de cálcio de conchas, água subterrânea e gelo de geleira contando dióxido de carbono dissolvido Fonte: Modificado de Press et al. (2006). As rochas não são todas da mesma idade - ou têm idades próximas - mas, como páginas de uma longa e complicada história, elas registram os eventos que moldaram a Terra e a vida no passado. Esse registro, entretanto, está incompleto. Muitas páginas, especialmente do capítulo inicial, foram apagadas ou estão faltando, ou são difíceis de decifrar. Apesar disso, existem páginas suficientemente preservadas para dar ao estudante a certeza de que a Terra possui bilhões de anos. Referencias Bibliográficas: Benjamin, R. A. (2008). "The Spiral Structure of the Galaxy: Something Old, Something New...". Beuther, H.; Linz, H.; Henning, T. (ed.) Massive Star Formation: Observations Confront Theory 387: 375, Astronomical Society of the Pacific Conference Series. Croswell, Ken; The Alchemy of the Heavens - Anchor Books, New York, 1995. MACIEL FILHO, C. L. Introdução à geologia de engenharia. Brasilia: CPRM; Santa Maria, RS: Ed. da UFSM, 1994. 283p. TEIXEIRA, W. Decifrando a terra. São Paulo: Companhia Ed. Nacional, 2008, 558p OLIVEIRA, A.; BRITO, S. Geologia de engenharia. São Paulo: ABGE, 1998. (impressão 1999) 587p. Referências Eletrônicas: International Commission on Stratigraphy (ICS). Disponível em: < http://www.stratigraphy.org/>. Acesso em: 25 jul.2009. International Union of Geological Sciences. Disponível em: < http://www.iugs.org/>. Acesso em: 25 jul.2009. Terra Planeta “Vivo”. Disponível em: < http://domingos.home.sapo.pt/index.html>. Acesso em: 25 jul.2009. Fontes das Figuras: [1]: http://br.geocities.com/lumini_astronomia/LUMINI_ASTRONOMIA_ARTIGOS/Big_Bang.html[2]: UFRG [3]: UFRG [4]: http://www.vitorresende.com/mundo_astronomia/sistema_solar/sistema_solar.htm [5]: http://direitosfundamentais.net/2008/05/ [6]: www.colegiosaofrancisco.com.br [7]: TEIXEIRA, W. Decifrando a terra. São Paulo: Companhia Ed. Nacional, 2008, Cap.1, p.27. [8]: Graham, Joseph, Newman, William, and Stacy, John, 2008, The geologic time spiral—A path to the past (ver. 1.1): U.S. Geological Survey General Information Product 58, poster, 1 sheet. Available online at http://pubs.usgs.gov/gip/2008/58/ 3 MINERAIS "Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma." (Antoine Lavoisier) Minerais são elementos ou compostos encontrados naturalmente na crosta terrestre. São inorgânicos e em sua maioria possuem composição química definida. Para estudarmos o planeta Terra é necessário, inicialmente, conhecer as características dos materiais que o constituem, especialmente os mais superficiais e com os quais temos maior contato. Na superfície terrestre, podem ser observados materiais inconsolidados (por exemplo, os solos dos nossos jardins, as areias dos rios e das praias) e rochas consolidadas, ambos constituídos por associações mais ou menos características dos minerais. Embora existam mais de 2000 tipos de minerais, usualmente encontram-se apenas 50 a 60 tipos. Nota-se que somente a água e o mercúrio se apresentam no estado líquido, em condições naturais de pressão e temperatura. 3.1 PROPRIEDADES QUÍMICAS Os minerais podem constituir de apenas um elemento químico (por exemplo, ouro, diamante, grafita, etc.) ou de vários. Tabela 3.0: Tabela periódica dos elementos químicos De acordo com a relação entre a forma cristalina e a composição química, existem duas classificações: (1) Polimorfismo: Os diferentes minerais possuem a mesma composição química, mas a formas cristalinas diferentes. Ex.) Diamantes e grafita (Figura 3.0). Carbonato de cálcio, CaCO3, que ao cristalizar sob condições diferentes pode originar a calcite ou a aragonite (Figura 3.1). Figura 3.0: Estruturas cristalinas do Diamante e Grafite, respectivamente. Figura 3.1: Cristais de calcite e aragonite, respectivamente. (2) Isomorfismo: As diferentes minerais possuem composições químicas diferentes, mas análoga, cristalizando na mesma forma. Ex.) os feldspatos plagioclásios, como a fayalita e forsterita (Figura 3.2). Figura 3.2: Fayalita e Forsterita, respectivamente. 3.2 PROPRIEDADES FÍSICAS Forma: refere-se ao poliedro definido pelas faces naturais do corpo mineral que guardam entre si ângulos bem definidos e característicos da espécie. Quando cristalizados em formas bem identificáveis, os minerais podem ser reconhecidos por esta propriedade. Nas rochas, geralmente os grãos minerais não podem desenvolver suas formas próprias, devido ao confinamento. Dureza: Expressa a resistência de um mineral à abrasão ou ao risco (Figura 3.3 e 3.4). Em regra, os minerais de brilho metálico possuem risco escuro. Os minerais de brilho não metálico possuem risco branco ou levemente corado. Mohs estabeleceu uma escala comparativa de minerais com durezas classificadas em ordem crescente (Tabela 3.1). Figura 3.3: Hematite Figura 3.4: Limonite Tabela 3.1: Escala de Dureza de Mohs. Esta escala mostra somente relação, mas não quantitativamente. Por exemplo, o diamante é 140 vezes mais duro do que o coríndon. Clivagem: propriedade que uma substancia cristalina tem de dividir-se segundo planos paralelos. É uma direção natural de fraqueza segundo a qual o mineral tende a quebrar. Nem todos os minerais possuem clivagem e há minerais com mais de uma direção de clivagem (Figura 3.5). Fratura é a superfície obtida pela ruptura de um mineral em uma direção diferente daquela de clivagem (Figura 3.6). Figura 3.5: Esquema interpretativo da clivagem. Figura 3.6: Fratura de um mineral. Tenacidade: Refere-se à resistência dos minerais a esforços. Segundo ela o mineral pode ser maleável, flexível, elástico, frágil, etc. Cor: É um caráter muito importante do mineral, que pode identificá-lo. Em alguns casos a superfície do mineral pode estar alterada e não mostrar sua verdadeira cor. Brilho: É a capacidade de reflexão da luz incidente. 3.3 MINERAIS MAIS COMUNS Tabela 3.2: Porções de minerais na crosta. Felspatos 59,5% Micas 3,8% Piroxonios e anfibólicos 16,8% Outros 7,9 % Quartzo 12% Quartzo SiO2 Cor branca ou incolor, mas também em inúmeras outras variedades (roxo, amarelo, vermelho, preto, etc.). Dureza = 7, densidade = 2,65 g/cm 3 . Sem clivagem, apresentando fratura concoidal. Nas rochas o quartzo geralmente não apresenta forma própria, ocupando os espaços deixados por outros minerais. Como é transparente, mostra aparentemente a cor dos outros minerais. Os grãos de areia dos solos ou sedimentos são compostos, em sua maioria, por quartzo. Tipos de Ocorrências: Ocorre geralmente em pegmatitas graníticas e veios hidrotermais. Cristais bem desenvolvidos podem atingir vários metros de extensão e pesar centenas de quilogramas. A erosão de pegmatitas pode revelar bolsas expansivas de cristais, conhecidas como "catedrais". Pode também ter origem metamórfica ou sedimentar. Geralmente associado aos feldspatos e micas. Faz parte da constituição de granito, arenito, calcários por exemplo. Adicionalmente, pode ocorrer em camada, particularmente em variedades como a ametista; neste caso, os cristais desenvolvem-se a partir de uma matriz e deste modo apenas é visível uma pirâmide terminal. Um geode de quartzo consiste de uma pedra oca (geralmente de forma aproximadamente esférica), cujo interior é revestido por uma camada de cristais. Aplicações e utilizações: Areia para moldes de fundição, fabricação de vidro, esmalte, saponáceos, dentifrícos, abrasivos, lixas, fibras ópticas, refratários, cerâmica, produtos eletrônicos, relógios, indústria de ornamentos; fabricação de instrumentos ópticos, de vasilhas químicas etc. É muito utilizado também na construção civil como agregado fino e na confecção de jóias baratas, em objetos ornamentais e enfeites, na confecção de cinzeiros, colares, pulseiras, pequenas esculturas, etc. Algumas estruturas de cristal de quartzo são piezoelétricas e usadas como osciladores em aparelhos eletrônicos tais como relógios e rádios. Variedades de quartzo: Sendo um dos minerais mais comuns do mundo, existe um número impressionante de designações diferentes. A distinção mais importante entre tipos de quartzo é entre as variedades macrocristalinas (com cristais individuais visíveis a olho nu- Figuras 3.7 – 3.14) e microcristalinas também chamadas criptocristalinas (neste caso trata-se de agregados de cristais apenas visíveis sob grande ampliação). Calcedônia é um termo genérico para quartzo criptocristalino. As variedades criptocristalinas (Figuras 3.15- 3.18) são opacas ou translúcidas, enquanto que as variedades transparentes são geralmente macrocristalinas. Variedades Cristalinas (Figuras 3.7 a 3.14) Figura 15: Quartzo hialino Figura3.7: Cristais de quartzo Figura 3.8: Ametista Bruta Figura 3.10: Citrino Figura 3.9: Quartzo fumado Figura 3.11: Quartzo morion Figura 3.12: Quartzo rosa Figura 3.13: Aventurina Figura 3.14: Quartzo olho-de-falcão Variedades criptocristalinas fibrosas (calcedônias- Figuras 3.15- 3.18).Feldspatos Feldspato (do alemão feld, campo; e spat, uma rocha que não contém minério) é o nome de uma importante família de minerais, do grupo dos tectossilicatos, constituintes de rochas que formam cerca de 60% da crosta terrestre. Cristalizam nos sistemas triclínico ou monoclínico. Eles cristalizam do magma tanto em rochas intrusivas quanto extrusivas; os feldspatos ocorrem como minerais compactos, como filões, em pegmatitas e se desenvolvem em muitos tipos de rochas metamórficas. Também podem ser encontrados em alguns tipos de rochas sedimentares. A dureza é 6. As cores são claras, rosa, branca ou cinza. Em todos os países produtores as reservas de feldspato são expressivas. No Brasil, as reservas oficialmente conhecidas são da ordem de 79,3 milhões de toneladas, destacando-se o Estado de Minas Gerais (53,1%) e o Estado de São Paulo (37,4%). Outros Estados como Bahia, Ceará, Paraíba, Paraná, Figura 3.18: Ônix Figura 3.15: Ágata Figura 3.16: Ágata carneliana Figura 3.17: Crisoprásio bruto Pernambuco, Rio de Janeiro, Rio Grande do Norte e Santa Catarina são também detentores de reservas de feldspato. Minerais de feldspato: Nesta família, os principais grupos são o ortoclásio e plagioclásio: a) Feldspatos alcalinos (f. ortoclásios Figura 3.19): K2O.Al2O3.6SiO2 . Densidade = 2,56 g/cm 3 b) Feldspatos plagioclásios (Figura 3.20): ISOMORFISMO- Trata-se de um mineral de composição química variável pelo fato de formar cristais mistos de albita (Na2O.Al2O3.6SiO2) e anorita (CaO.Al2O3.2SiO2)-. Densidade = 2,6 a 2,75 g/cm 3 . Usos e aplicações: Os feldspatos possuem numerosas aplicações na indústria, devido ao seu teor em álcalis e alumina. As aplicações mais importantes são: Fabricação de vidro (sobretudo feldspatos potássicos; reduzem a temperatura de fusão do quartzo, ajudando a controlar a viscosidade do vidro). Fabricação de cerâmicas (é o segundo ingrediente mais importante depois das argilas; aumentam a resistência e durabilidade das cerâmicas). Usados como materiais de incorporação em tintas, plásticos e borrachas devido à sua boa dispersibilidade, por serem quimicamente inertes, apresentarem pH estável, alta resistência à abrasão e congelamento e pelo seu índice de refração (nestas aplicações usam-se feldspatos finamente moídos). Produtos vidrados, como louça sanitária, louça de cozinha, porcelanas para aplicações elétricas. FILOSSOLICATOS São minerais com uma estrutura em folhas constituídas por tetraedros de sílica e octaedros de outros elementos. Os principais filossilicatos são as micas, as cloritas, os argilo-minerais, o talco, a serpentina. Figura 3.19: Ortoclásio Figura 3.20: Plagioclásio MICAS As micas (Figura 3.21) mais comuns são a muscovita branca, prateada (Figura 3.22) ou transparente e a biotita, preta. As micas são facilmente reconhecíveis pela excelente clivagem em uma direção que permite separá-las em folhas, as quais apresentam um brilho intenso. A dureza é baixa, 2 a 3. A muscovita possui potássio e a biotita, ferro e magnésio. Nas rochas, geralmente aparecem como placas brilhantes. Os filitos e mica- xistos possuem mica finamente granulada que lhes confere o brilho característico. A palavra "mica" pensa-se ser derivada do latim, da palavra "micare", significando brilho, em referência à aparência brilhante deste mineral (especial quando em escalas pequenas). Na classificação das cores possui cor alocromática devido a sua variedade de cores (branca, preta, marrom, roxo, verde). Figura 3.21: Mica natural Figura 3.22: Muscovita Usos e aplicações: A mica tem uma alta resistência dielétrica e excelente estabilidade química, tornando-se por isto o material preferido para a confecção de capacitores para aplicações de rádio freqüência. Ela também é usada como isolante em equipamentos para alta-voltagem. Ela é também um birrefringente sendo comumente usado para fazer um polarizador de onda de 180 e 90 graus. - Devido à resistência ao calor da mica ela é usada no lugar do vidro em janelas para fogões e aquecedores a querosene. Ela é usada também para separar condutores elétricos em cabos que são projetados para possuírem uma resistência ao fogo de forma a garantira a integridade do circuito. A idéia é prevenir que os condutores metálicos se fundam, prevenindo o curto circuito, permitindo que o s cabos permaneçam operacionais na presença do fogo. Isto pode ser importante em aplicações como luzes de emergência. - Aventurina é uma variedade de quartzo com inclusões de mica. - Lâminas de mica prensadas são freqüentemente usadas no lugar do vidro em estufas. - Mica Moscovita é o substrato mais comum usado na preparação de substrato para amostras em microscópio de força atômica - Alguns tipos de pasta de dente incluem mica branca beneficiada. Ela atua como um abrasivo suave para ajudar no polimento da superfície do dente e também para adicionar uma cintilação brilhante cosmeticamente agradável a pasta. CLORITAS As cloritas (Figura 3.23) são minerais verdes, finamente granulados que ocorrem em xistos (xistos verdes) principalmente. Os minerais de argila são a caolinita (Figura 3.24), a esmecita e a ilita. A caolinita é do tipo 1:1, isto é, possui uma camada tetraédrica de sílica e uma octaédrica de alumina. A superfície das partículas não tem em geral dimensões inferiores a 0,3 ou 0,4 micrômetros e sua espessura varia de 0,05 a 2 micrômetros. As esmecitas são do tipo 2:1, isto é, com duas camadas tetraédricas e uma octaédrica de alumina. Algumas partículas tem espessura da ordem de 0,002 micrômetros, sendo o comprimento e a largura da ordem de 10 a 100 vezes a espessura. O grupo das ilitas é um tanto mal definido e constituído por vários minerais. As ilitas são semelhantes à muscovita da qual diferem essencialmente, por terem menos potássio e maior teor em água. As lamelas de ilita têm diâmetro de 0,1 a 0,3 micrômetros e espessura muito menor. TALCO O talco (Figura 3.25) é um silicato de magnésio hidratado que ocorre em talco- xisto, esteatita e pedra sabão. É reconhecível pela folhação, baixa dureza e maciez ao tato. SERPENTINA A serpentina (Figura 3.26) é um silicato de magnésio, tem cor verde e ocorre principalmente nos serpentinitos. Alguns têm hábito fibroso, sendo um dos minerais dos quais se podem extrair fibras para amianto. Figura 3.24: Caolinita Figura 3.23: Clorita Referências Bibliográficas BORGES, F. S. Catálogo descritivo do Museu de Mineralogia Prof. Montenegro de Andrade, FCUP, 1994. MACIEL FILHO, C. L. Introdução à geologia de engenharia. Brasilia: CPRM; Santa Maria, RS: Ed. da UFSM, 1994. 283p. TEIXEIRA, W. Decifrando a terra. São Paulo: Companhia Ed. Nacional, 2008, 558p OLIVEIRA, Antonio Manoel dos Santos; BRITO, Sérgio Nertan Alves de. Geologia de engenharia. São Paulo: ABGE, 1998. (impressão 1999) 587p. Referências Eletrônicas: Laboratório de Geologia e Mineralogia da ULBRA. Disponível em: http://www.ulbra.br/mineralogia/colecionador.htm. Acesso em: 31 jul.2009. Figura 3.25: Talco Figura 3.26: Serpentina 4 ROCHAS “ Um homem deveria examinar por si mesmo a grande pilha de estratos superpostos e ver os riachos carregando argila e as ondas desgastando as falésias marinhas para poder compreender algo sobre a duração do tempo passado, cujos monumentos vemos em todo o nosso redor." (Charles Darwin) Rochas são agregados naturais
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