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ECV5149 – Geologia de Engenharia 1 Capítulo 1 PLANETA TERRA 1 – Introdução A explicação científica mais aceita para a origem do nosso universo é de que toda a energia e matéria estavam concentradas em um único ponto que deu origem a uma grande explosão (Big Bang) entre 13 a 14 bilhões de anos atrás. A partir do Big Bang o universo expandiu e dilui-se para formar galáxias e estrelas. Novas descobertas levaram os astrônomos a consideraram as idéias divulgadas em 1755, pelo filósofo alemão Immanuel Kant (hipótese da nebulosa), onde o sistema solar teria se formado a partir de uma nuvem de gás e poeira fina conforme a figura abaixo. Evolução do Sistema Solar (Livro Para Entender a Terra) A Terra não se manteve por muito como um agregado de planetesimais sofrendo um processo de diferenciação em camadas devido a um gigantesco impacto onde 30 a 65% de seu volume se fundiu formando uma camada externa de quilômetros de espessura denominada de “oceano de lava”. O aquecimento do seu interior permitiu o livre movimento de componentes mais pesados para o seu centro e emersão do material mais leve que carreou consigo o calor interno que permitiu o resfriamento e solidificação de grande parte de seu volume. Este processo, iniciado com um grande impacto fez com que o Planeta Terra possua três camadas: um núcleo central e uma crosta externa separada pelo manto. ECV5149 – Geologia de Engenharia 2 Ilustração de uma simulação computadorizada da origem da lua por meio de um impacto de uma corpo do tamanho de Marte. (Solid Earth Sciences and Society. National Research Council, 1993) Já no século XIX os cientistas especulavam sobre a constituição interna da terra. Darwin, ao testemunhar erupções vulcânicas e terremotos nos Andes, propôs, na primeira metade do século XIX, que a terra era composta por uma fina crosta ao redor de uma massa fundida. O furo de sondagem mais profundo atingiu a profundidade de apenas 13 km (raio da terra 6370 km), de forma que, devido às limitações tecnológicas (altas pressões e temperaturas), as regiões mais profundas da terra só pode ser estudada de maneira indireta. 2 – Estrutura interna da Terra Os terremotos foram utilizados como ferramenta para o estudo da estrutura interna da terra. O que são sismos ou terremotos? R: Com o lento movimento das placas litosféricas, da ordem de alguns centímetros por ano, tensões vão se acumulando em vários pontos, principalmente perto de suas bordas. O acúmulo de tensões distensivas ou compressivas são liberadas quando se atinge o limite de resistência das rochas. Esta energia pode ser liberada no encontro de placas tectônicas ou no interior das mesmas. O movimento repentino entre os blocos de cada lado da ruptura gera vibrações que se propagam em todas as direções. O ponto onde se inicia a ruptura e liberação das tensões acumuladas é chamada de hipocentro ou foco. Sua projeção na superfície é o epicentro, e a distância do foco a superfície é a profundidade focal. As ondas sísmicas propagam-se a partir do hipocentro carregando informações sobre o material atravessado. A velocidade de propagação destas ondas sísmicas depende das propriedades do material, sendo maior nos materiais mais rígidos. Geração de um sismo por acúmulo e liberação de esforços em uma ruptura. A crosta terrestre está sujeita a tensões (a) compressivas que se acumulam (b); quando o limite de resistência das rochas é atingido, ocorre ruptura abrupta, gerando vibrações (c). O deslocamento (ruptura) se dá em apenas uma parte de uma fratura maior pré-existente (falha geológica). ECV5149 – Geologia de Engenharia 3 Os sismos geram ondas P e ondas S. Os sismologistas utilizam estas ondas para localizar os sismos e caracterizar a estrutura interna da terra. Ondas P: As partículas do meio vibram paralelamente à direção de propagação da onda. São ondas longitudinais de compressão e dilatação das partículas do meio. Ondas S: Ondas transversais, mais lentas que a onda P. As partículas vibram transversalmente à direção de propagação das ondas. Numa interface separando dois meios diferentes, há também a conversão de ondas P em onda S e vice-versa. As velocidades de propagação das ondas P e S dependem essencialmente do meio por onde elas passam. Em geral quanto maior a densidade de uma rocha, maior a velocidade das ondas sísmicas. Numa onda sísmica há transmissão não apenas de vibrações de partículas do meio, mas também de deformação do meio. As ondas P correspondem a deformações de dilatação/compressão e as ondas S correspondem a deformações tangenciais (também chamadas de cisalhamento). As ondas S não se propagam em meios líquidos ou gasosos, apenas nos meios sólidos. Lei de Snell Como qualquer outro fenômeno ondulatório a direção de propagação das ondas sísmicas muda ao passar de um meio com velocidade V1 para outro meio com velocidade de propagação diferente. Em um meio constituído de várias camadas horizontais a lei de snell define a variação da direção do raio sísmico, da seguinte forma: Propagação de ondas sísmicas em meios diferentes: Parte da onda se reflete e parte se refrata ou se transmite para o segundo meio ; 2 2 1 1 v i v i SenSen Lei de Snell-Descartes Onde: i1- ângulo da onda incidente i2 – ângulo da onda refratada ou transmitida ECV5149 – Geologia de Engenharia 4 Refração total – Significa que, ao incidir sobre um meio diferente, o raio sísmico percorre a interface entre os dois meios com a velocidade de propagação do segundo meio. A refração total ou crítica vai ocorrer quando a onda atingir uma interface com o meio de maior velocidade cujo raio sísmico faça um ângulo de incidência tal que não consiga mais se propagar para o outro meio. Este ângulo è denominado de ângulo crítico (ic). Refração total de um raio sísmico que incidiu em uma interface com ângulo crítico Na refração total as partículas da interface vão gerar novas frentes de ondas, cujos raios vão retornar à superfície formando ângulo crítico ic. Refração total Esta implícita na lei de Snell que quando a onda passa de um meio de menor velocidade para outro de maior velocidade o raio da onda se afasta da normal à interface. Caso a onda passe para um meio com velocidade menor, ela se aproxima da normal a interface. Desta forma, a trajetória curva dos raios sísmicos explica-se pelo aumento de velocidade das ondas com a profundidade. Quando uma onda P ou S se reflete ou se transmite numa descontinuidade, ela pode converter-se em S ou P. Aparecem assim vários nomes com que se designa os vários tipos de onda que aparecem nos sismogramas (P, PP, PcP ,e etc.). Na Figura abaixo estão as trajetórias de alguns tipos de onda no interior da Terra. Pode-se observar que o trecho do percurso da onda P no núcleo externo é denominado K. Assim a onda PKP é aquela que atravessa o manto como onda P, depois o núcleo externo e volta pelo manto como onda P novamente. O percurso no núcleo interno é chamado “I” para onda P. Letras minúsculas designam reflexões: “c” é reflexão do núcleo externo e “i” do núcleo interno. ECV5149 – Geologia de Engenharia 5 Trajetórias de alguns tipos de onda no interior da Terra A análise de milhares de terremotos, durante muitas décadas permitiu definir o perfil das velocidades sísmicas em função da densidade no interior da terra e desta forma deduzir a sua estrutura interna e as suas propriedades. a) Perfil de velocidade sísmica (Vp e VS) e densidade no interior da terra. b) Perfil de velocidade da onda P na crosta e manto superior, numa região continental. Da Figura acimapode ser constatado que: A grande diferença entre as velocidades sísmicas da crosta e do manto indica uma mudança de composição química das rochas. Esta descontinuidade (crosta/manto) é chamada de Moho em homenagem a Mohorovicic que a descobriu em 1910. A camada da terra acima desta descontinuidade é chamada de crostra. Sabe-se hoje que o Moho não está a profundidade constante por toda a terra mas a cerca de 5 a 10 km nas áreas oceânicas e a 30 a 80 km nos continentes, variando com o relevo. Abaixo da crosta, estudos mais detalhados em muitas regiões mostram que há uma ligeira diminuição nas velocidades sísmicas do manto ao redor de 100 km de profundidade, especialmente sobre os oceanos. A composição química das rochas do manto varia relativamente pouco quando comparada com a da crosta. Esta zona de baixa velocidade, abaixo dos 100 km, é causada pelo fato de uma pequena fração das rochas estarem fundidas (fusão parcial), diminuindo bastante a rigidez do material nesta profundidade. A crosta juntamente com uma parte do manto acima da região de baixa velocidade, forma uma camada mais densa e rígida chamada litosfera. Na zona de baixa velocidade as rochas são mais maleáveis (plásticas), sendo conhecida como astenosfera. O limite litosfera/astenosfera é mais gradual e indica mudanças de propriedades físicas (aumento de temperatura, fusão parcial). ECV5149 – Geologia de Engenharia 6 “A VERDADEIRA CASCA DA TERRA É A LITOSFERA” No núcleo externo, não há propagação de ondas S, o que indica que ele deve estar em estado líquido, o que reduz também a velocidade da onda P que passa a ser bem menor quando comparada com a velocidade do manto que é sólido. Esta descontinuidade, situada a 2900 km de profundidade, é denominada Gutemberg-Wiechert e separa o núcleo externo liquido do manto sólido. Parte das ondas P, que penetram no núcleo fundido apresenta um gradativo aumento de velocidade entre 5000 e 5200 km de profundidade, indicando a passagem do manto externo líquido para o interno sólido. Modelo clássico da estrutura interna da terra obtido a partir da velocidade de ondas sísmicas Crosta continental – Espessura muito variável 30 a 40 km nas regiões sismicamente estáveis mais antigas (os crátons) até 60 a 80 km nas cadeias de montanhas (Cordilheiras dos Andes e Himalais). A crosta continental é formada por rochas graníticas caracterizadas pelos elementos Si e Al, por isto esta camada é conhecida com Sial. Apresenta densidade de 2,7 g/cm 3 e Vp=6,5 km/s. Crosta oceânica – Possui constituição basáltica com predominância de Si e Mg, sendo chamada de Sima. Apresenta densidade de 3,0 g/cm 3 , Vp=6,5 km/s. Manto superior – Situado abaixo da descontinuidade de Mohorovicic até a primeira descontinuidade mantélica abrupta, que se manifesta a uma profundidade de cerca de 400 km, o manto superior apresenta densidade que varia desde 3,2 g/cm 3 no topo até em torno de 3,6 a 3,7 g/cm 3 a 400 km. Apresenta rochas ultramáficas ricas em olivina magnesiana (Mg2SiO4) e os piroxênios (MgSiO3 e CaMgSi2O6). As rochas presentes são com maior probabilidade o peridotito (olivina+pirxênio) ou o eclogito (granada+piroxênio). No manto superior esta localizada a zona de baixa velocidade denominada de astenosfera. Núcleo – Os aumentos de densidade da velocidade Vp, ao atravessarem a descontinuidade de Gutenberg (≈2900 km) são muito grandes e não podem ser gerados por alterações do material que compõe o manto inferior. As densidades calculadas para o núcleo terrestre deixam poucas dúvidas de que seja composto predominantemente por uma liga metálica de ferro e níquel. A densidade do núcleo externo e interno são respectivamente iguais a 10 g/cm 3 e 11,5 g/cm 3 . ECV5149 – Geologia de Engenharia 7 As características físicas da Terra são dadas por: Raio médio=6371 km Raio polar=6356,8 km Raio equatorial=6378,2 km Massa=5,98 x 10 24 kg Densidade Média=5,52 g/cm 3 Aceleração da gravidade no pólo norte=93,864 m/s 2 Aceleração da gravidade no equador=97,982 m/s 2 3. – Tectônica Global “É a chave para a compreensão da história geológica da terra e de como será o futuro do planeta em que vivemos”. No início do século XX, Alfred Wegener observando o mapa-mundí verificou que as linhas da costa atlântica atuais da América do sul e áfrica se encaixavam como um quebra-cabeças gigante de de que todos os continentes poderiam se aglutinar formando um único megacontinente. Sua idéia revolucionária era a de que todos os continentes poderiam ter estado juntos e posteriormente teriam sido separados. Wegener denominou este super continente de Pangea (Pan→todo, Gea→terra), ]tendo o início de sua separação ocorrido a cerca de 220 milhões de anos. Segundo as suas idéias o Pangea teria iniciado a sua fragmentação dividindo-se em dois continentes, Laurásia e Gondwana. Pangea e sua divisão em dois continentes, Laurásia a norte e Gondwana ao sul. Outros pesquisadores em sua época também consideravam a hipótese de movimentos horizontais entre os continentes. No entanto, Wegener se dedicou mais intensamente na busca de evidências científicas para a comprovação de suas idéias, apresentando algumas evidências na tentativa de comprovar as suas idéias: Cadeia de montanha da Serra do Cabo (áfrica do Sul) será a continuação da Serra da Ventana que ocorre com mesma direção na Argentina. Planalto na Costa do Marfim (África) que teria continuidade no Brasil. Presença da semelhança de fósseis em regiões da África e do Brasil Evidências de glaciação, a aproximadamente 300 Ma na região sudeste do Brasil, Sul da África, Índia, oeste da Austrália e Antártica. Em 1915, Wegener reuniu as evidências que encontrou para justificar a teoria da deriva continental no livro “ A origem dos continentes e oceanos”. Este livro não foi considerado sério pela grande maioria do mundo científico por não explicar como e quais forças seriam capazes de mover os inúmeros blocos continentais. Como uma crosta rígida continental se deslizaria sobre uma crosta rígida oceânica sem que fosse quebrada pelo atrito? Com a morte de Wegener em 1930, a teoria da deriva continental começou a ficar esquecida. “ A chave para explicar a deriva continental não estava nas rochas continentais, mas no fundo do oceano”. ECV5149 – Geologia de Engenharia 8 Em 1940 ( Segunda guerra mundial) as necessidades militares da localização de submarinos no fundo dos mares promoveu o desenvolvimento de sonares, que permitiram traçar mapas detalhados do relevo do fundo oceânico. O fundo do oceano atlântico foi mapeado no final dos anos 40, utilizando-se novos equipamentos e coletando-se amostras de rochas. Estes estudos permitiram cartografar uma enorme cadeia de montanha submarina denominada de dorsal meso- oceânica. Dorsal ou cadeia meso-oceânica apresenta as seguintes características: Sistema contínuo ao longo de toda a terra estendendo-se por 84000 km e apresentando largura da ordem de 1000 km. No eixo destas montanhas constatou-se a presença de vales de 1 a 3 km associados a um sistema de riftes. Zona de forte atividade sísmica e vulcânica Divide a crosta submarina em duas partes, podendo apresentar a ruptura ou a cicatriz produzida durante a separação dos continentes. No final dos anos 50 surgiu geocronologia que permitiu a obtenção de importantes informações sobre a idade das rochas dos fundo oceânico. Ao contrário do que se pensava, as rochas da crosta oceânica apresentava idade bastante jovem e inferiores a 200 milhões de anos. Faixas de rochas de mesma idade se situavam simultaneamente dos dois lados da dorsal meso–oceânica com asmais jovens próximas da dorsal e as mais velhas próximas do continente. Distribuição das idades geocronológicas do fundo oceânico do Atlântico Norte, onde se observam as idades (em Ma) mais jovens próximas à dorsal meso-oceânica. Todas estas novas evidências fizeram com que se passasse novamente a ser novamente considerada a deriva dos continentes. 3.1 – Deriva continental e principais eventos associados Como foi visto o planeta terra está reologicamente dividido em domínios concêntricos sendo o superior a litosfera. Litosfera = Crosta (5 a 10 km no oceano e 30 a 80 km no continente)+ porção rígida do manto superior. A litosfera tem espessura variada com uma média próxima a 100 km sendo compartimentada por falhas e fraturas profundas formando as placas tectônicas. O limite inferior da litosfera é chamado de astenosfera que conforme visto anteriormente trata-se de uma zona de baixa velocidade de propagação de ondas sísmicas. O estado mais plástico desta zona permite que a litosfera deslize sobre a astenosfera tornando possível o deslocamento lateral das placas tectônicas. ECV5149 – Geologia de Engenharia 9 Distribuição geográfica das placas tectônicas da terra. os números representam as velocidades em cm/ano entre as placas, e as setas, os sentidos do movimento. As placas tectônicas podem ser oceânicas ou mais comumente compostas de porções de crosta continental e oceânica. Estas crostas continental e oceânica são muito distintas no que diz respeito à composição litológica e química, morfológica, estruturais, idade, espessura e dinâmica. Crosta continental Composição litológica muito variada formada por rochas de caráter ácido até ultramáfico. Composição média análoga às das rochas granodiorítica a diorítca. Pode ser dividida em superior e inferior. A crosta superior é composta por rochas sedimentares, ígneas e metamórficas de baixo e médio grau. A crosta inferior é formada por rochas metamórficas de alto grau e de natureza básica a intermediária. Apresenta uma estrutura complexa produzida por diversos eventos geológicos que afetaram a rocha após a sua formação. Espessura de 30 a 80 km, adelgaçando-se à medida que se aproxima das dorsais meso-oceânica. Crosta oceânica Composição litológica muito mais homogênea constituída de rochas ígneas básicas (basaltos) coberta tem várias partes por uma camada de material sedimentar Em geral apresentam espessura da ordem de 5 a 10 km, adelgaçando-se à medida que se aproxima das dorsais meso-oceânica. Mais densa e mais jovem que a crosta continental. O conceito de expansão do assoalho oceânico Um dos principais objeções da teoria da deriva continental era que Wegener não conseguia explicar as forças que moveriam os continentes. Sabe-se hoje que a litosfera possui uma energia cinética cuja fonte é o fluxo térmico interno da terra, e que este calor chega à superfície através das correntes de conveção do manto superior. Em 1960 o pesquisador Harry Hess (Universidade de Princeton – EUA) postulou o conceito de expansão do assoalho oceânico utilizando como ferramenta dados geológicos e geofísicos que permitiram o levantamento das seguintes hipóteses: A estrutura do fundo oceânico esta relacionada ao processo de convecção no interior da terra. O fluxo de calor emanado na dorsal meso-oceânica provocaria a ascensão do material do manto que fica menos denso. Ao atingir a superfície se movimenta lateralmente e o fundo oceânico se afastaria da dorsal. O material que sai pela fenda existente na crista da dorsal forma a nova crosta oceânica. ECV5149 – Geologia de Engenharia 10 Esquema de correntes de convecção atuantes na dorsal meso-oceânica A deriva continental e a expansão do fundo dos oceanos seriam assim uma conseqüência das correntes de convecção. Mapa Geomorfológico do Atlântico Sul, ilustrando principais feições tectônicas Evidentemente em um outro local deve haver consumo ou destruição destas crostas senão a terra se expandiria. A destruição da crosta mais antiga ocorreria nas chamadas zonas de subducção. Zonas de subducção – Locais onde a crosta oceânica mais densa mergulharia para o interior da terra até sofrerem fusão e serem incorporadas novamente ao manto. Muitos cientistas acreditam que as correntes de convecção não seriam suficientes para movimentar as placas litosféricas, mas constituiria um dentre muitos fatores. Estes outros fatores passariam a atuar a partir do momento em que se inicia o processo de subducção. São eles: Pressão sobre a placa provocada pela criação de nova litosfera das zonas dorsais meso-oceânicas, empurrando as placas tectônicas para os lados. Mergulho da placa mais antiga e mais densa puxaria parte da placa litosférica para baixo. ECV5149 – Geologia de Engenharia 11 A placa litosférica torna-se mais fria e mais espessa à medida em que se afasta da dorsal meso-oceânica. Sendo assim o seu limite com a atenosfera é uma superfície inclinada. O próprio peso da placa poderá provocar o movimento de alguns centímetros por ano. Movimentação das placas tectônicas Velocidade de deslocamento das placas tectônicas Velocidade média de 2 a 3 cm/ano. As diferenças de velocidade estão relacionadas à proporção de crosta continental presente na placa. Quanto maior for esta proporção menor será a velocidade. Embora todas as placas litosféricas possam se mover, não são todas que atualmente estão em movimento. Limite entre as placas Os limites entre as placas podem ser de três tipos: Limites divergentes – Marcado pela a dorsla meso-oceânica onde as placas tectônicas se afastam uma da outra. Limites convergentes – As placas tectônicas colidem, com a mais densa mergulhando sob a outra, gerando uma zona de intenso magmatismo a partir de processos de fusão parcial da crosta que mergulhou. Nestes limites ocorrem fossas e províncias vulcânicas (ex.: placa do pacífico). Limites conservativos –Placas tectônicas deslizam lateralmente uma em relação a outra, sem destruição ou geração de crosta (falhas transcorrente). Exemp´los deste tipo é a falha de San Andréas na América do Norte. Como conseqüência dos deslocamentos das placas tectônicas ocorre a formação das margens oceânicas, relacionadas ao afastamento entre as placas tectônicas, e formação das grandes cordilheiras e arquipélagos, relacionadas às colisões entre as placas tectônicas. Formação das margens oceânicas As placas tectônicas divergentes originam as margens continentais passivas que se caracterizam por apresentarem rifteamento. Os rifteamentos são movimentos distensivos na crosta, que produz falhas subverticais e abatimento de blocos. ECV5149 – Geologia de Engenharia 12 Fragmentação de uma massa continental e desenvolvimento de margens continentais passivas. Evolução de um rift O esquema evolutivo de um rifit inicia-se com o aumento pontual do fluxo térmico no manto, que irá causar o soerguimento e abaulamento da crosta continental. Este soerguimento provoca o fraturamento e extrusão de rochas máficas com instalação de correntes de convecção no manto sujacente a esta região. Inicia-se um processso distensivo que gera falhamentos normais e o desenvolvimento de estruturas do tipo rift valley. Com a continuidade do movimento distensivo, ocorre o adelgamento da crosta continental até que finalmente ocorra a ruptura e o desenvolvimento de uma crosta basáltica incipiente. Ao longo das margens adelgaçadas dos continentes ocorre a movimentação tectônica de blocos, caracterizadas principalmente por um sistema de falhas subverticais. Ex.: Costa leste da América do Sul e oeste da África. ECV5149– Geologia de Engenharia 13 Um limite de placa divergente, aflora acima do nível do mar na Islândia (Gdmundur E. Sigvaldason, Nordic Volcanological Institute – Livro: Para Entender a Terra). O fotógrafo e outros mergulhadores desceram cerca de 24 metros na fenda entre as placas, para fotografar vales, vulcões e fontes termais criadas pela falha geológica. Mas alguns cânions, como o Silfra (foto) chegam a ter 60 metros de profundidade O fotógrafo britânico Alexander Mustard registrou um mergulho que ele e outros colegas fizeram na região entre as placas tectônicas da América do Norte e da Eurásia. Na imagem, o Nes Canyon, um dos cânions formados entre as duas placas Formação de cordilheiras e arquipélagos Os choques entre as placas litosféricas podem envolver crosta oceânica com crosta oceânica, crosta continental com crosta oceânica e crosta continental com crosta continental.. Crosta oceânica com crosta oceânica – A placa mais densa, mais antiga, mais fria e mais espessa mergulha sob a outra placa, em direção ao manto carregando consigo parte dos sedimentos acumulados sobre ela. Formam-se os arquipélagos atrás de zona de subducção. Ex.: Ilhas do Japão. ECV5149 – Geologia de Engenharia 14 Crosta continental com crosta oceânica – Ocorre a subducção da crosta oceânica sob a placa continental formando as grandes cordilheiras de montanhas continentais. Ex.: Andes na América do Sul. Colisão entre placas continentais – Não gera vulcanismo expressivo como nos outros dois processos, mas produz intenso metamorfismo de rochas continentais pré-existentes e leva a fusão parcial de porções da crosta continental gerando magmatismo granítico. Ex.: Cordilheiras dos Alpes e Himalaias, esta última gerada a partir da colisão entre as placas da índia e a Asiática, processo iniciado a 70 milhões de anos atrás. “A colisão entre placas tectônicas formam as margens continentais ativas onde se desenvolvem atividades tectônicas importantes” 3.2. - Atividades sísmicas A atividade sísmica mundial, através da concentração de epicentros, delimita a superfície terrestre como se fosse formada de peças de um quebra-cabeça. Em torno de 75% da energia liberada com terremotos ocorre ao longo de estruturas marginais do oceano pacífico, conhecido como cinturão de fogo. ECV5149 – Geologia de Engenharia 15 Sismicidade mundial. Mapa de epicentros do período 1964 a 1995 de sismos com magnitude superior a 5. As projeções dos epicentros na superfície da terra definem linhas ou faixas. Padrão em linha – è característico das dorsais oceânicas, que dão origem às margens continentais passivas. EX.: oceano atlântico e índico. Este padrão se relaciona aos limites das placas oceânicas com regime de esforço tracionais. Os sismos são rasos, com profundidade de poucos quilômetros. Padrão em faixas – Caracteriza o cinturão Circum-Pacífico, assim como a atividade sísmica na Europa e Ásia. Este padrão sísmico se associa a regimes compressionais, em especial a limites convergentes de placas. Nesta faixa os sismos são principalmente rasos (profundidade focal menor que 50 km), mas podem atingir profundiades de até 670 km. As profundidades dos sismos aumentam em diração ao continente. Em perfil se observa que os sismos se alinham em uma zona inclinada, geralmente com 30 a 60 o de inclinação. Estas faixas sísmicas mais largas, incluindo sismos profundos, marcam regiões da terra de convergência de placas litosféricas. Os grandes terremotos ocorrem nestas regiões. ECV5149 – Geologia de Engenharia 16 Sismicidade da América do Sul (1964 a 1995), mag.>4,7). Circulo vermelho, quadrado amarelo e triângulo branco indicam epicentros de sismos rasos (menor que 60 km), intermediários e profundos (maior que 350 km). Nos perfis AA’ e BB’, mostram-se a topografia (linha grossa) e a projeção dos hipocentros ( pontos) dos sismos até 300 km de cada lado do perfil. Na região do Peru (perfil AA’), os hipocentros se alinham horizontalmente, antes de mergulhar sob o Acre. 3.3 - A dança dos continentes As informações geológicas disponíveis demonstram que a aglutinação e fragmentação de massas continentais ocorreram diversas vezes no passado geológico e que o Pangea foi apenas a última aglutinação importante dos continentes. A abertura e o fechamento das bacias oceânicas é conhecida como “ciclo de Wilson”. Este ciclo, conforme visto anteriormente, inicia-se com a ruptura de uma massa continental, através do desenvolvimento de fraturas e de sistemas de rifts. Posteriormente o ciclo se inverte, iniciando-se uma subducção de crosta oceânica em uma ou em ambas as margens continentais que passam de passivas para ativas podendo ocorrer o fechamento total ou parcial das bacias oceânicas. O ciclo de Wilson ocorreu várias vezes na história da terra, o que produziu uma movimentação contínua dos continentes em diferentes direções, ora se aglutinando ora se fragmentando. Na Figura abaixo está a reconstituição da aglutinação de blocos continentais para os últimos 2 bilhões de anos da história geológica da terra. Observa-se que no início as massas continentais estavam reunidas em três micro- continentes, Ártica, Atlântica e Ur com parte do que seria a América do Sul na Atlântica. Entre 2 e 1 bilhão de anos atrás, estes micro-continentes se fragmentaram, através de processos de rifteamentos, com os fragmentos colidindo entre si para gerar novas configurações continentais maiores. Entre 1,3 a 1 bilhão de anos atrás, os principais blocos de crosta continental se juntaram originando o primeiro super-continente denominado de Rodínia (significa mãe-pátria) rodeado pelo oceano Miróvia (significa paz). A América do sul faria parte dos blocos Amazônia, Rio da Prata e São Francisco. Entre 1000 e 800 milhões de anos atrás, o continente de Rodínia teria se fragmentado e entre 800 Ma e 500 Ma os fragmentos de crosta continental teriam tornado a colidir entre si formando um novo super continente a Gondwana, que inclui a América do Sul, Laurentia-Báltica e Sibéria. A 550 Ma, estes três supercontinentes estiveram juntos por um pequeno intervalo de tempo geológico, formando a Panótia (significa tudo no sul). A aproximadamente 340 Ma todas as massas continentais começaram novamente a se juntar formando a 230 Ma a Pangea. Há 200 Ma a Pangea vem se fragmentando, e a América do Sul iniciou a sua separação da África há 180 Ma. Nesta mesma época a Austrália e a Antártica também se separaram do Pangea, e a Índia iniciou a sua viagem até o hemisfério norte, colidindo com a Ásia, formando a Cordilheira do Himalaia. ECV5149 – Geologia de Engenharia 17 Reconstituição da posição dos continentes de 2 bilhões de anos até 100 milhões de anos atrás 4 - Tensões Horizontais induzidas pelos movimentos das Placas tectônicas A rocha em profundidade está submetida a tensões resultantes do peso da rocha sobrejacente e de tensões tectônicas induzidas. O conhecimento deste estado de tensões é importante para se avaliar o comportamento do maciço rochoso durante a abertura de escavações. As escavações em rochas alteram o campo de tensões no entorno das escavações e estas tensões induzidas podem ser maior que a resistência apresentada pela rocha. As tensões verticais relacionadas ao peso da rocha sobrejacente é obtida pela seguinte relação: zv Onde: v – Tensão vertical; - Densidade da rocha sobrejacente; z – Profundidade abaixo da superfície Medidas das tensões verticais em várias obras de engenharia civil feitas em vários países confirma, apesar da dispersão das medidas, a validade da seguinte relação: zv 7,2 Obs.: Foi admitido um valor médio paraa densidade das rochas de 2,7 t/m 3 ECV5149 – Geologia de Engenharia 18 Dados das tensões verticais in situ obtidos em várias partes do mundo (Brown, 1980) A tensão horizontal que atua em um elemento de rocha localizado a uma profundidade z abaixo da superfície é muito difícil de ser estimada. Normalmente a razão entre a tensão horizontal e a tensão vertical é representada pela letra k; zkk vh Medidas das tensões horizontais em obras de engenharia civil em vários países indicam que o valor de k tende a ser alto próximo da superfície e decresce com a profunidade (Brown e hoek, 1978; Herget, 1988). As medidas das variações da tensão horizontal com a profundidade apresentam uma dispersão bem maior quando comparada com as variações das tensões verticais. Os valores experimentais de k ficaram dentro do seguinte intervalo: 5,0 1500 3,0 100 z k z Dentro do domínio das obras de engenharia, entre 0 e 500m, tem-se que em 92% dos casos estudados a magnitude das tensões horizontais excede o componente das tensões verticais. ECV5149 – Geologia de Engenharia 19 Variação do valor de k em função da profunidade (Hoek e Brown, 1980) Nos locais onde estudos preliminares indicarem que as tensões in situ podem ter uma significante influência no comportamento de escavações subterrâneas é recomendado que as mesmas sejam medidas. 4.1 – Mapa de tensões tectônicas O World Stress Map (WSM) é um repositório global para os dados de tensões tectônicas da crosta terreste. Foi originalmente compilado por um grupo de pesquisa liderado por Zoback como parte do International Lithosphere Programm (ILP). Hoje faz parte de um projeto de pesquisa da Heidelberg Academy of Sciences and humanities. No WSM estão indicadas as orientações das tensões tectônicas. www.world-stress-map.org/ ECV5149 – Geologia de Engenharia 20 5 - Isostasia Entre 1735 e 1745 foi realizada uma expedição francesa para o Peru, liderada por P. Bouguer, com o objetivo de determinar o formato da terra. Nesta viagem Bouguer notou que as montanhas da cordilheira dos Andes exerciam uma força de atração gravitacional menor do que a esperada para o respectivo volume. Um século mais tarde G. Everest fez a mesma observação nos Himalaiais, sendo sugerido na época que as montanhas teriam menor massa do que as áreas adjacentes. A explicação viria em 1855, quando J.H.Prett e G. Airy propuseram, independentemente, hipóteses para explicar essas observações, e em 1889 o termo isostasia foi utilizado para denominar o mecanismo que explica o que foi observado por P. Bouguer e G. Everest. De acordo com o conceito de isostasia, há uma deficiência de massa abaixo das rochas da cordilheira aproximadamente igual à massa das pequenas montanhas. A isostasia baseia-se no princípio hidrostático de Arquimedes, na qual um corpo ao flutuar desloca uma massa de água equivalente à sua própria. A camada superficial da terra relativamente rígida flutua sobre um substrato mais denso. Sabe-se hoje que esta camada corresponde à crosta e parte do manto superior formando a litosfera. O substrato denso é a astenosfera, que comporta-se como um fluido viscoso, na qual ocorrem deformações plásticas na escala do tempo geológico. “Portanto isostasia vem a ser o estado de equilíbrio dos blocos continentais siálicos que flutuam no substrato mais denso do manto, obedecendo ao principio de Arquimedes” Na hipótese de G. Airy e J. H. Pratt, a superfície terrestre é considerada rígida, preservando as feições topográficas, e menos densa em relação ao substrato plástico. Modelo de G. Airy – As montanhas são mais altas por possuírem raízes profundas, da mesma forma que um imenso bloco de gelo flutuando no mar. Considerou a crosta constituída de blocos de mesma densidade e quanto mais alto for o bloco de Sial, maior será a sua raiz mergulhada np substrato constituído pelo Sima. Modelo da compensação isostática de Airy. Modelo de J. H. Pratt – As montanhas são elevadas por serem compostas por rochas de menor densidade de que as existentes nas regiões vizinhas, havendo neste caso diferenças laterais de densidade. Modelo da compensação isostática de Pratt. ECV5149 – Geologia de Engenharia 21 Sabe-se hoje que os dois modos de compensação isostática ocorrem na natureza. As montanhas são mais altas, pois se projetam para as partes mais profundas do manto, conforme informações obtidas da sismologia. Por outro lado os continentes situam-se acima do nível do mar devido à diferença de composição e densidade entre a crosta continental e oceânica. Os dois modelos de compensação isostática operam simultaneamente. As montanhas possuem raízes profundas, compostas por rochas com densidades relativamente baixas, fazendo com que a crosta e a litosfera sejam mais espessas nessas regiões, conforme previsto no modelo de Airy. A crosta oceânica situa-se em níveis topográficos mais baixos do que a crosta continental, devido à sua maior densidade, conforme previsto no modelo de Pratt. Mesmo após ter sofrido intemperismo e erosão intensa no decorrer do tempo geológico, a crosta continental situa-se acima do nível do mar devido a isostasia, pois a medida que a erosão remove as camadas superficiais, ocorre lento soerguimento. Portanto, rochas originadas em profundidade maiores acabam atingindo níveis superficiais. O desaparecimento das camadas de gelo no Canadá e Península Escandinávia há cerca de 6000 anos atrás, forçam ainda hoje deslocamentos verticais do continente e, desta forma, o nível relativo do mar (que neste caso esta descendo). Em locais onde as geleiras se estabeleceram, a litosfera sofreu um soerguimento (a taxas de até 1 cm/ano) e o nível marinho relativo do local desceu mais de 300 m mesmo perante uma elevação eustática. Desta forma, é comum encontrar no Mar Báltico e na Baía de Hudson praias fósseis a centenas de metros de altura (terraços escalonados na figura abaixo), e portos antigos dezenas de metros acima do nível marinho atual e a milhares de metros para dentro do continente. Aspecto da zona costeira na Baía de Hudson, com uma série de plataformas elevadas (associadas a antigas posições da linha de costa) indicando a queda do nível relativo do mar. Datações radiométricas indicam que estas feições tem menos que 14.000 anos de idade (Tom Rothhamel Universidade de Montana). O que vem a ser grau geotérmico? R: Até a profundidade de 10 a 20 metros a temperatura da rocha é influenciada pelas variações externas. A profundidades maiores, há um aumento mais ou menos constante da temperatura. O grau geotérmico corresponde ao número de metros em profundidade na crosta terrestre necessário para que ocorra o aumento de 1 o C. O valor médio é de 33 m, no entanto, existem grandes variações. No Brasil foi obtido o valor de 25 m na Ilha do Marajó/PA e de 54 m na Mina do Morro Velho/MG. Nas áreas afetadas por vulcanismo o grau geotérmico é menor. Na região nordeste da Alemanha foi determinado o valor de 11 metros. O máximo valor conhecido localiza- se no sul da África que é de 125 metros. ECV5149 – Geologia de Engenharia 22 6 – Tempo geológico Os principais métodos de estudo da moderna geologia são a estratigrafia, os paleontológicos e os geocronológicos. Todos estes métodos estão fundamentados em princípios de investigação para se determinar as idades das rochas e das seqüências das quais elas fazem parte. Estratigrafia È a ciência que estuda os estratos sedimentares, incluindo minerais e fósseis presentes, sua coordenação cronológica, distribuição geográfica e ambientes de sedimentação. Os estudos estratigráficos tomam como base os seguintes princípios: Horizontalidade original – As formaçõessedimentares são depositadas originalmente na posição horizontal. Qualquer mergulho que apresentem é resultado de subseqüente dobramento. Lei da superposição – Cada camada é mais jovem que aquelas localizadas abaixo dela e mais antiga que aquelas situadas acima. Continuidade lateral original – Seqüências estratigráficas idênticas expostas em lados opostos de um vale devem ser interpretadas como resto de camada que já foram contínuas na área na qual o vale foi aberto. Princípio das relações de interseção – Qualquer rocha que foi cortada por um corpo intrusivo ígneo ou por uma falha é mais antigo que o corpo ígneo ou falha. Aplicação prática dos Princípios de estratigrafia. a) Princípios da continuidade lateral e superposição, testemunhos de erosão da paisagem rochosa do deserto do Arizona. As camadas foram depositadas em estágios sucessivos, da base para o topo, uma sobre as outras; b) Princípios da superposição e das relações de intersecção: uma seqüência de camadas sofreu a intrusão de magma que levou à formação do conduto que originou o vulcão 1 e a lava A. O conduto foi posteriormente cortado por uma falha inversa. Mais tarde, novo conduto corta o anterior, tendo originado o vulcão 2 e a lava B. Uma falha normal é a última estrutura observada, pois corta as demais. Paleontologia É o estudo dos fósseis, ou seja, restos mineralizados de seres vivos ou vestígios de vida de organismos que existiram durante a história da vida da terra e que se encontram preservadas no registro geológico das rochas. A partir dos fósseis as rochas podem ser datadas e a evolução dos seres vivos fossilizados até aos atuais pode ser mais bem compreendida. A partir dos fósseis pode-se fazer a datação das rochas sedimentares e ECV5149 – Geologia de Engenharia 23 correlações entre rochas de locais distantes, com o objetivo de correlacionar as camadas ou rochas com as subdivisões da escala do tempo geológico. A evolução é uma transformação contínua e irreversível dos organismos. Por isso, as espécies não se repetiram através do tempo geológico. Ai esta razão da utilidade dos fosseis na datação das camadas fossilíferas. Alei da sucessão faunística é uma simples decorrência deste fato. De acordo com ela, cada unidade estratigráfica baseada em fósseis apresenta um conteúdo paelontológico diverso. “Formações muito afastadas de outras poderiam ser consideradas como praticamente contemporâneas desde que contivessem grupos semelhantes de fósseis”. Geocronologia Estuda o tempo geológico, através de datações absolutas e relativas de diversos eventos geológicos (e.g. cristalização e re-cristalização de rochas e minerais, deposição de sedimentos, formação de depósitos minerais, etc). A descoberta da radioatividade permitiu o nascimento da geocronologia pela datação radiométrica, que é a medida da quantidade de tempo passado por meio de análises de minerais e rochas. A desintegração radioativa é o único processo que ocorre a uma taxa estatisticamente previsível e estável. Os isótopos instáveis que resultam dos processos de desintegração radioativa são particularmente interessantes para a datação do tempo geológico, pois podem ser aprisionados nos minerais. Sendo assim, pode- se fazer datações radiométricas de rochas que contenham elementos radioativos e conseqüentemente isótopos instáveis. Os átomos podem se desintegrar de diferentes modos, transformando-se em formas de menor energia. Os elementos radioativos se desintegram espontaneamente formando átomos de outros elementos pela emissão de partículas que ocorre no núcleo dos átomos instáveis (átomos-pai). A taxa de desintegração não se altera quaisquer que sejam as condições físicas e químicas como pressão e temperatura. Os três tipos de decaimento radioativo. Na desintegração alfa (a) ocorre a perda, pelo núcleo do átomo-pai, de dois prótons e dois nêutrons; o número de massa decresce de quatro e o número atômico de dois. A desintegração beta consiste na emissão, pelo núcleo, de um elétron de alta velocidade, um de seus nêutrons se transforma em um próton e o número atômico aumenta de um. Na captura de elétrons, um próton do núcleo captura um elétron orbital e se transforma em um nêutron: o número atômico decresce de um. A desintegração beta e a captura de elétrons não mudam o número de massa. Conhecendo-se a constante desintegração do pai radioativo necessita-se apenas medir no sistema a proporção de isótopos-filho e isótopo-pai de modo a calcular o tempo em que o sistema se originou. A desintegração progressiva de átomos-pais radiativos produz átomos-filhos que ficam aprisionados em suas respectivas posições no retículo cristalino. A datação radiométrica de diferentes minerais e rochas é obtida com o uso dos isótopos-pai e filho específicos para casa caso, dependendo do material que se quer datar (rocha ou mineral), das características geológicas da região.Existem os métodos k/Ar, Rb/Sr, U/Pb, entre outros. Escala do tempo geológico A escala do tempo geológico foi estabelecida com base na sucessão biológica. As ocasiões de evolução explosiva de grupos de organismos de sua extinção em massa assinalaram momentos importantes na evolução da vida. Essas descontinuidades permitem estabelecer divisões na escala do tempo geológico. Nem sempre os cientistas concordam com os intervalos sugeridos, existindo divergências tanto de nomenclatura quantos de limites cronológicos. Como resultado destas divergências existem várias propostas de subdivisão para o tempo geológico,tais como: ECV5149 – Geologia de Engenharia 24 Cowie e Bassett (1989) Gradstein e Ogg (1996) Harland et al (1990) Hoffman (1990) Tarbuck e Lutgens (1996) Gradzteins et al (2004) Os limites cronológicos seguem a seguinte hierarquia: ÉON → ERA → PERÍODO → ÉPOCA → ANDAR A subdivisão mais aceitável caracteriza três Éons: ← PRÉ-CAMBRIANO → ÉON ARQUEANO →ÉON PROTEROZOICO→ÉON FANEROZOICO Éon Arqueano Do grego archaîos = antigo. Por vezes chamado Arqueozóico = vida antiga. Durou desde o início da Terra (4.560 milhões de anos) até 2.500 milhões de anos. A origem do Sistema Solar ainda é alvo de discussões, mas a hipótese mais aceita é que ele tenha surgido a partir da explosão de uma estrela, a aproximadamente 4.500 milhões de anos. Essa idade é corroborada por datações radiométricas das rochas da lua e de alguns meteoritos. Na Terra, o registro mais antigo de rocha é de um gnaisse encontrado no Canadá, com 3.960 milhões de anos (Bowring et al., 1989), e o mineral mais antigo, um zircão detrítico encontrado em Mount Narryer na Austrália, forneceu uma idade de 4.100 milhões de anos (Froude et al., 1983). Infelizmente, as rochas formadas nos primórdios da Terra foram recicladas por processos similares à Tectônica de Placas, dessa forma, aparentemente, não sobraram registros dos primeiros 500 milhões de anos do nosso planeta. Litologicamente, os continentes do Arqueano eram constituídos de granitos e gnaisses quartzofeldspáticos, rochas pouco densas, que "boiavam" no oceano de magma que estava se resfriando, formando uma fina crosta. Mesmo com essa atmosfera desfavorável, foi no Arqueano que se iniciou a vida na Terra. Os primeiros registros de microfósseis foram encontrados no "Apex chert", oeste da Austrália, e datam de 3.465 milhões de anos (Schopf, 1993). Esses indivíduos eram bactérias filamentosas, parecidas com as bactérias modernas. Outros registros de vida no Arqueano são os estromatólitos. Nesse caso não são fósseis, e sim estruturas formadas por colônias de algas, com registros no sul da África e oeste da Austrália. Impressão fóssil de alguns organismos de idade arqueana. (Schopf, 1993) O limite superior doArqueano foi arbitrado em 2.500 milhões de anos. Esse limite marca o final da estabilização das áreas cratônicas arqueanas, e o consequente início da evolução de vastas plataformas continentais em torno desses núcleos estáveis. No Brasil temos algumas ocorrências de rochas arqueanas, quase sempre retrabalhadas por eventos tectonotermais posteriores. Na América do Sul, Venezuela, Guiana, Guiana Francesa e Suriname também encontramos exposições de rochas arqueanas. ECV5149 – Geologia de Engenharia 25 Mapa do Brasil com a distribuição das unidades atribuídas ao Arqueano (marrom) e ao Precambriano indiferenciado (vermelho). Modificado de Schobbenhaus, 1984. Várias concentrações minerais importantes ocorrem nos terrenos arqueanos. Alguns exemplos brasileiros são as minas de ferro, cobre e ouro da Serra dos Carajás no Pará, as minas de manganês da Serra do Navio no Amapá, e a mina de ouro de Morro Velho em Minas Gerais. Na Bacia Carajás ocorrem também os registros fósseis mais antigos descritos na América do Sul. São microorganismos, presentes em siltitos depositados entre 2.759 +/- 2 milhões de anos (Lindenmayer et al., 1993). Éon proterozóico Do grego próteros = antes + zóico = vida = antes da vida Definida pela Subcommission on Precambrian Stratigraphy, órgão da International Union of Geological Sciences (IUGS), em 1977, a Era Proterozóica durou de 2.500 a 545 milhões de anos. Muitos dos principais eventos da história da Terra e da vida ocorreram durante o Proterozóico, tais como a estabilização dos continentes, as primeiras orogêneses (processos geradores de montanhas), o aparecimento de oxigênio na atmosfera e o desenvolvimento de indivíduos eucariontes. O Éon Proterozóico se caracterizou pela evolução de vastas plataformas continentais em torno dos núcleos arqueanos estáveis. Litologicamente os granitos e gnaisses ainda são as rochas mais frequentes. Mas, uma vez que temos várias áreas continentais se estabelecendo, cada uma delas com uma plataforma continental associada, tem início uma vasta sedimentação plataformal, representada por arenitos, calcários, arcóseos e folhelhos. Também é bastante frequente a ocorrência de formações ferríferas que concentram os maiores depósitos de ferro do mundo. O aumento constante do oxigênio possibilitou o aparecimento dos metazoários, organismos complexos que realizam respiração, há aproximadamente 650 milhões de anos. Esses primeiros metazoários tinham configuração simples, e corpos macios e seus registros foram encontrados perto de Adelaide, Austrália (Glaessner & Wade, 1996). Exemplos de organismos presentes na fauna do éon proterozóico ECV5149 – Geologia de Engenharia 26 Éon fanerozócio Do grego faneros = aparente + zóico = vida = vida aparente O Éon Fanerozóico se extende de 545 milhões de anos até os dias de hoje, e é caracterizado por abrigar a vida. O Fanerozóico é subdividido em três eras: Paleozóico, Mesozóico, Cenozóico. A Era Paleozóica (do grego: palaeo = antiga + zoe = vida) é limitada por dois importantes eventos na história da vida na Terra: o seu início há 545 milhões de anos, marca o primeiro registro seguro de animais com partes mineralizadas (conchas, carapaças), e seu final, há 248,2 milhões de anos, marca a maior extinção em massa que já ocorreu no nosso planeta. A Era Mesozóica (do grego: meso = meio + zoe = vida) durou de 248,2 a 65 milhões de anos. Os limites do Mesozóico também são marcados por grandes extinções em massa. A extinção no limite Paleozóico/Mesozóico tem causas desconhecidas, mas a extinção no limite Mesozóico/ Cenozóico aparentemente foi causada pelo impacto de um grande meteoro, que gerou uma cratera com mais de 170 km de diâmetro, na península de Yucatan, México. A Era Cenozóica (do grego: kainos = recente + zoe = vida) dura de 65 milhões de anos até os dias de hoje. Acredita-se que o meteoro de Chicxulub, no México tenha sido o responsável indireto pela extinção de várias formas de vida na transição entre as eras Mesozóica e Cenozóica. O impacto causado por esse corpo celeste teria gerado uma espessa nuvem de poeira, impedindo a fotossíntese e alterando o clima terrestre. O Cenozóico é dividido em dois períodos, o terciário e quaternário. O homem apareceu na Terra no Período Quaternário, há apenas 1.8 milhões de anos. Escala do Tempo Geológico, com indicação de alguns eventos importantes na evolução da vida (modif. de Tarbuck & Lutgens 1996 e Gradstein et al. 2004) ECV5149 – Geologia de Engenharia 27 A fita do tempo geológico desde a formação do sistema solar até o presente, medida em bilhões de anos e marcadas por alguns dos princiapsis eventos e transições da história da Terra. (Livro: Para Entender a Terra)
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