Unidade 4 GA Processos Naturais

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GEOLOGIA APLICADA
UNIDADE 4
DESCRIÇÃO DOS PROCESSOS NATURAIS
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Descrição dos processos naturais
A Porosidade e a permeabilidade das rochas siliciclásticas são controladas principalmente por processos diagenéticos. 
A compreensão destes processos auxilia na avaliação do potencial para armazenamento de fluidos nessas rochas.
 Porém, os controles da heterogeneidade dos reservatórios são pouco conhecidos. 
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Descrição dos processos naturais
Bases conceituais sobre Diagênese (Tomado de Fátima Freitas Brazil, F. ESTRATIGRAFIA DE SEQÜÊNCIAS E PROCESSO DIAGENÉTICO: EXEMPLO DOS ARENITOS MARINHO-RASOS DA FORMAÇÃO PONTA Grossa, Noroeste da Bacia do Paraná. Dissertação de Mestrado. Fac. Geologia, UFRJ, 2004)
Sedimentos recém-depositados possuem relativamente alta densidade e alta permeabilidade. Entretanto, com o aumento da profundidade de soterramento, os sedimentos tornam-se litificados. Todos os processos envolvidos nesta mudança dos sedimentos inconsolidados são englobados no termo diagênese (Einsele, 2000).
A diagênese compreende tanto processos físicos como químicos. Esta é a definição de diagênese mais difundida na literatura. Todavia, não é ampla, pois não cita as modificações que a rocha sofre na superfície, ou próxima a mesma, devido ao soerguimento (De Ros, 2001).
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Descrição dos processos naturais
A diagênese afeta, com os mesmos processos e fases, tanto sedimentos inconsolidados quanto rochas sedimentares antigas e outros tipos de rochas. Como por exemplo, a substituição de feldspatos por caulinita é igual tanto em um granito de ambiente superficial quanto em um arenito. 
Sendo assim, se define diagênese, englobando também o intemperismo, como “um campo de condições físicas e químicas que controla os processos geológicos atuantes sobre sedimentos depositados, depósitos residuais e sobre todos os tipos de rochas na superfície da crosta terrestre e nos primeiros milhares de metros de profundidade”. Esta definição é mais ampla e menos ambígua(De Ros, 2001).
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Descrição dos processos naturais
Os principais processos físicos e químicos da diagênese são: 
compactação química e física (redução do espaço poroso);
dissolução (destruição de grãos e constituintes diagenéticos);
autigênese (precipitação de novos minerais, que pode ocorrer pela cimentação, no espaço poroso, e pela substituição, dissolução e precipitação simultâneas);
hidratação / desidratação (entrada ou saída de água da estrutura cristalina dos minerais);
Oxidação;
redução;
recristalização (crescimento ou diminuição do tamanho cristalino, mantendo-se a composição do mineral); e 
Neomorfismo, (substituição por uma fase mineralógica de composição similar, devido a maior estabilidade nas condições diagenéticas).
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Descrição dos processos naturais
A água é o principal agente da diagênese, visto que atua como veículo das reações e por vezes faz parte da composição mineralógica. 
A diagênese, por sua vez, é fortemente influenciada pelo tipo de água que atua no sistema de poros. 
Existem quatro tipos de água (Morad, 2000), quais sejam: meteórica, marinha, de mistura marinha/meteórica e salmoura (brines). 
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Descrição dos processos naturais
A água meteórica predomina em ambientes continentais, sendo caracterizada por baixa salinidade. A água marinha, tal como o nome diz, preenche o sistema de poros e fraturas em ambiente marinho. A água misturada marinha/meteórica ocorre em sedimentos de ambientes costeiros e de plataforma rasa. E a salmoura é caracterizada por salinidade superior a da água do mar (Fig. Sl. 11 )
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Descrição dos processos naturais
A água tem três principais fluxos de fluidos dentro da bacia: meteórico, compactacional e termobárico. 
Água em regime meteórico é função da comunicação com a superfície, do gradiente hidráulico e do clima.
 Água em regime compactacional é originada pela expulsão da mesma das camadas, devido à compactação, principalmente de folhelhos, que perderam o vínculo com as condições de superfície.
 A água em regime termobárico é originada pelas reações de desidratação dos minerais nas porções mais profundas da bacia (Galloway, 1984) (Fig.Sl. 11 )
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Descrição dos processos naturais
Por sua vez, o campo diagenético também pode ser relacionado com o tipo de água e o regime de fluxo atuante. 
Choquette & Pray (1970) propuseram três subdivisões para os processos atuantes na diagênese:
eodiagênese, 
mesodiagênese e,
 telodiagênese.
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Descrição dos processos naturais
A eodiagênese envolve os processos diagenéticos atuantes desde a superfície deposicional até a profundidade onde não mais ocorre influência dos agentes superficiais nos sedimentos.
Nesta zona a química da água intersticial é dominantemente controlada pelo ambiente sedimentar, como, por exemplo, água meteórica em ambiente continental e água de mistura marinha/meteórica em ambiente costeiro.
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Descrição dos processos naturais
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Tipos de água que ocorrem em uma bacia em subsidência e os regimes hidrológicos das
mesmas. Observa-se também a subdivisão do campo diagenético (Choquette & Pray, 1970). (Modificado de Galloway, 1984).
Descrição dos processos naturais
A mesodiagênese envolve todos os processos atuantes em subsuperfície durante o soterramento efetivo, desde a profundidade capaz de isolar as rochas da influência superficial até a passagem gradual ao metamorfismo, a cerca de 200°C. Nesta zona circulam águas em regime compactacional e termobárico.
A telodiagênese engloba os processos atuantes próximos à superfície de erosão de rochas previamente submetidas ao soterramento efetivo (mesodiagênese), e associados, portanto, com o soerguimento e formação de discordâncias. Em essência, estes processos são semelhantes a eodiagenênese meteórica, ou seja, o quimismo da água do ambiente sedimentar (somado ao clima) tem fundamental influência nos processos diagenéticos atuantes.
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Descrição dos processos naturais
A diagênese compreende os processos físicos, bioquímicos e químicos atuantes sobre os sedimentos após a deposição, em geral promovendo sua litificação, excluindo-se processos de metamorfismo. 
O campo da diagênese, subdividido em eodiagênese, mesodiagênese e telodiagênese, estende-se desde a superfície até 5 – 7 km de profundidade, em geral abrangendo variações de 21 a 200°C de temperatura e 1 a 2000atm de pressão.
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A integração dos aspectos diagenéticos com o contexto deposicional se refere ao estudo das alterações que ocorrem próximas à superfície, durante o estágio eodiagenético. 
No estágio mesodiagenético a diagênese é influenciada pela história de soterramento da bacia.
 Os controles que interferem na porosidade e permeabilidade das rochas siliciclásticas dependem, da interação de vários fatores atuantes durante a evolução da bacia, principalmente em unidades mais antigas. 19/05/2011
Descrição dos processos naturais
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Descrição dos processos naturais
Alterações eodiagenéticas em ambiente transicional e marinho (Morad et al., 2000):
 Precipitação de silicatos de ferro (bertierina e glauconita). Minerais intimamente associados com a diagênese de fosfato que ocorre como concreções em folhelhos e, menos comumente, como cimento em arenitos.
 Cimentação por sulfetos, cimentos comuns em sedimentos marinhos e transicionais com água de poro anóxica. A quantidade de sulfeto é grande em sedimentos proximais ricos em matéria orgânica e em plataforma influenciada por águas marinhas ricas em nutrientes. Estes sulfetos ocorrem principalmente como pirita, apresentando-se disseminada em cimentos eodiagenéticos, matriz argilosa e substituindo micas, fragmentos de rocha e bioclastos.
 Precipitação de opala pela dissolução de organismos silicosos.
 Precipitação eodiagenética de calcita - magnesiana (zona óxica); calcita e dolomita pobre ou livre de ferro (zona de redução de sulfato); Fe - calcita, Fe - dolomita, anquerita e siderita (zona de metanogênese); rodocrosita e magnesita.
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Descrição dos processos naturais
A eodiagênese relacionada aos ambientes continentais também apresenta diversas características. 
Nos ambientes continentaissob clima seco ocorrem principalmente argilas mecanicamente infiltradas, oxidação de minerais ferro - magnesianos, precipitação de calcretes e silcretes. Naqueles sob condições evaporiticas ocorre principalmente precipitação de sulfatos. E por fim, nos ambientes continentais sob clima úmido ocorrem intensa lixiviação, oxidação de minerais e precipitação de caulinita (Morad et al., 000; De Ros, 2001).
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Descrição dos processos naturais
As alterações eodiagenéticas são fortemente influenciadas pela química da água de formação, que é função do ambiente de deposição. 
De acordo com este ambiente, importantes zonas geoquímicas são encontradas na água de poro durante a deposição e o processo de soterramento abaixo da interface água/sedimento. 
Estas zonas se relacionam à disponibilidade de matéria orgânica metabolizável e à progressiva redução de oxigênio livre. Cada uma é caracterizada por específica composição química e isotópica, gerando minerais diagenéticos característicos (Morad, 1991, 1998 e 2000).
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Descrição dos processos naturais
Dentro das alterações eodiagenéticas se Identificam 4 zonas geoquímicas sucessivas: óxica ou de oxidação (Ox), subóxica (Sub), de redução bacteriana de sulfato (RS) e a de metanogênese (Me).
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Descrição dos processos naturais
1. A zona óxica (ou de oxidação) apresenta as seguintes características: 
Contém oxigênio dissolvido (0,5-8 ml O2/l de água) e assim ocorre oxidação da matéria orgânica e dos metais.
Espessura controlada pela quantidade de matéria orgânica nos sedimentos e pela concentração de oxigênio na água de fundo. Espessura zero quando os sedimentos são ricos em matéria orgânica. 
Principais minerais diagenéticos: óxidos e hidróxidos de ferro e de manganês. A pirita é instável nesta zona, sendo transformada em óxido de ferro e ácido sulfúrico.
 É mais comum em ambientes continentais.
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Descrição dos processos naturais
Zona Subóxica.
Contém oxigênio dissolvido na água de poro em concentração menor que 0,5 ml O2/L. As bactérias desaeróbicas, que vivem em níveis de oxigênio entre 1,0 e 0,1 mol/L, são típicas desta zona. Em ambiente deposicional caracterizado por lenta taxa de acomodação e relativamente pequena quantidade de matéria-orgânica, os sedimentos apresentarão três sucessivas subzonas durante o soterramento na zona subóxica:
Redução de Nitrato – Em alguns sedimentos ricos em matéria orgânica, pode ocorrer a precipitação de feldspato-amônico e fosfato de cálcio.
 Redução de Manganês – Se houver aumento na alcalinidade de carbonato, ocorre a precipitação de rodocrosita (MnCO3) em sedimentos marinhos e lacustres.
Redução de Ferro – há elevação da alcalinidade do carbonato, resulta na precipitação de siderita (FeCO3), principalmente como concreções. Outros minerais diagenéticos que se formam nesta subzona são a bertierina, odinita e glauconita.
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Descrição dos processos naturais
Zona de redução bacteriana de sulfato: primeira zona realmente anóxica, com concentração zero de oxigênio dissolvido. Suas características são:
Os íons sulfato são reduzidos, com o auxílio de bactérias anaeróbicas, em íons de sulfeto (S2-). 
Os óxidos e hidróxidos de ferro são dissolvidos (Fe+3 sólido > Fe+3 aquoso). O sulfeto reage com o Fe+2, resultando em sulfetos de ferro, posteriormente transformados em pirita. 
A alteração bacteriana da matéria orgânica causa um aumento na alcalinidade de carbonato na água de poro. Devido a forte afinidade entre o Fe+2 com os íons sulfeto, o carbonato resultante (calcita e/ou dolomita) será pobre em ferro. A formação de dolomita é aumentada se a água de poro tiver baixa concentração de sulfato. 
 Esta zona é insignificante em sedimentos continentais. Sua atuação em sedimentos marinhos depende da quantidade de matéria orgânica no ambiente (quanto mais matéria orgânica, mais significativa será esta zona).
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Descrição dos processos naturais
Metanogênese: ou metano – não - sulfídica é o processo microbial mais importante abaixo da zona de redução de sulfato, que pode continuar até 2 km profundidade. A geração do metano (CH4) biogênico ocorre principalmente no intervalo de temperatura de 0 a 75°C. Suas características são:
a) Acontece sob condições anóxicas e em águas de poro livres de sulfato e oxigênio (concentração zero).
b) Como conseqüência, ocorre principalmente em sedimentos continentais e em sedimentos marinhos, em que a concentração de sulfato da água de poro foi completamente reduzida pela formação de íons sulfeto.Por isso, a zona metanogênica é identificada como anóxica - sem enxofre. 
c) A formação de metano da matéria orgânica é um processo complexo e em dois estágios. O primeiro envolve micro-organismos que quebram as cadeias orgânicas tornando-as pequenas. Estes componentes são anaerobicamente oxidados formando CO2. No segundo estágio a metanogênese produz CH4 dos componentes gerados no primeiro estágio. Este processo pode ser utilizado como fonte de energia pelas bactérias.
d) As condições metanogênicas causam uma forte dissolução de óxidos de ferro e de manganês. Sendo assim, os sedimentos ricos nestes elementos favorecem a precipitação de siderita, anquerita (dolomita rica em ferro) e rodocrosita, todos com específicas composições isotópicas.
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Descrição dos processos naturais
Alterações mesodiagenéticas
O limite de profundidade entre a eodiagênese e a mesodiagênese não é preciso em termos de profundidade de soterramento e temperatura. De maneira geral, as modificações mesodiagenéticas são consideradas como ocorridas com profundidade ≥ 2 km e temperatura ≥ 70°C, (Morad et al., 2000). Estes limites, coincidem com o início da compactação química, com as reações de transformação de argilo - minerais e substancial alteração de matéria orgânica.
A distribuição das alterações mesodiagenéticas é influenciada pela salinidade da água de poro (que evolui química e isotopicamente com o soterramento), pela extensão e distribuição das alterações eodiagenéticas, pelo tempo de residência em certas condições de pressão e temperatura e pelas alterações sofridas pelos folhelhos.
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Descrição dos processos naturais
Principais alterações mesodiagenéticas, ocorrem de 2-3 km de profundidade e 70-100 °C (Morad et al., 2000), são:
a) Precipitação de cimento carbonático (calcita, anquerita, siderita magnesiana e magnesita). 
b) Transformação progressiva de esmectita detrítica e eodiagenética em interestratificados com illita e clorita, e de bertierina em chamosita. 
c) Albitização de plagioclásio detrítico.
Principais modificações mesodiagenéticas (mesodiagênese profunda) que geralmente ocorrem em profundidade > 3 km e T > 100 °C são:
Compactação química e cimentação de quartzo, que são os principais redutores de porosidade em arenitos soterrados profundamente. 
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Descrição dos processos naturais
Alterações mesodiagenéticas (continuação)
b) Precipitação de quartzo microcristalino, quartzo discreto e cimento carbonático maciço (dolomita ferrosa, anquerita e calcita nos poros restantes após a cimentação de quartzo).
c) Ilitização de interestratificado de ilita/esmectita e caulinita.
d) Precipitação de pequena quantidade de diquita e a ‘diquitização’ de caulinita, por meio do re-ordenamento de sua estrutura cristalina.
e) Formação de franja de clorita ferrosa por meio da precipitação da água de poro, por substituição e por progressiva transformação de bertierina eodiagenética ou cutícula de clorita/esmectita.
d) Albitização de feldspato potássico detrítico.
e) Precipitação de pirita, e menos comumente, de sulfeto de cobre, chumbo e zinco durante. Considerável quantidade de barita e anquerita tem sido associada a estes sulfetos.
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Alterações telodiagenéticas. 
O principal agente da telodiagênese é a água meteórica. Os fatores que controlam a distribuição espacial e temporal das modificações telodiagenéticas abaixo de uma discordância, segundo Morad et al. (2000), são: gradiente hidráulico, que depende do grau de soerguimento em relação ao nível do mar; clima; grau de perda de porosidade e permeabilidade durante a eodiagênesee mesodiagênese; presença ou ausência de espessas camadas de folhelhos impermeáveis, que bloqueiam a infiltração de água meteórica; presença de falhas que se estendam até ou próxima à superfície, servindo como condutores de água meteórica; duração da exposição; e composição mineralógica do arenito.
As principais alterações telodiagenéticas em rochas siliclásticas são (Morad et al., 2000):
Dissolução de grãos instáveis do arcabouço, tais como feldspato, mica, fragmentos de rochas, intraclastos argilosos e minerais pesados.
Alteração de cimentos eo - e mesodiagenéticos. Como, por exemplo, a dissolução de calcita, dolomita, sulfato e oxidação de cimentos carbonáticos ferrosos, clorita e pirita.
 Formação de calcrete (conglomerado de cascalho e areia cimentados por cálcio)
 e silcrete (conglomerado de cascalho e areia cimentado por sílica) em regiões com clima seco.
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Compactação mecânica
A pressão exercida pela coluna sedimentar atua em toda a história de soterramento dos sedimentos. O rearranjo textural físico dos grãos, que ocorre desde a deposição, representa o processo de maior redução de porosidade (Füchtbauer, 1967 apud De Ros, 1985). A compactação mecânica, ocorre desde o início do soterramento dos sedimentos (eodiagênese), atinge um máximo (em profundidades rasas) e diminui logo após (durante a mesodiagênese). Segundo Füchtbauer (1967 apud De Ros, 1985), a atuação da compactação mecânica se concentra nos primeiros 1.000m de soterramento.
Os principais processos de compactação responsáveis pela redução de porosidade incluem: rotação e deslizamento de grãos (principalmente relacionado a quartzo e feldspato), deformação de grãos dúcteis, deformação de grãos flexíveis (e.g. micas), fratura de grãos resistentes e compactação química (dissolução por pressão ao longo dos contatos intergranulares)
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Processos Diagenéticos
Definição de Compactação.
Redução volumétrica, causada principalmente pelo peso das camadas superpostas, é relacionada com a diminuição dos vazios, expulsão de líquidos, aumento do contato entre as partículas, esmagamento da matriz e aumento da densidade da rocha. É o fenômeno típico dos sedimentos finos, argilosos. O contato entre os grãos passa de tangencial para côncavo-convexo e finalmente suturado (estes últimos em condições de máxima profundidade).
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Compactação
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Tipos de contato entre clastos causados pela compactação. Há índices que podem calcular a grão de compactação (P) mediante a contagem dos contatos.
P=100 X q/n onde q= número de contatos grão – grão e n = número de contatos grão – grão + grão – não grão.
P>55% indica empacotamento fechado; 55% < P < 40% empacotamento normal e P < 40 % empacotamento frouxo ou que a rocha praticamente não sofreu eventos de compactação.
Infiltração de argilas
Foi observado que depósitos do Pleistoceno e do Terciário exibem altos teores de argila intersticial. Crone (1975) determinou que tal argila foi introduzida, após a deposição dos sedimentos, pela água de enxurradas episódicas, quando o lençol freático e rebaixado a níveis profundos, muito abaixo do leito dos canais, conduzindo por gravidade a argila pela garganta dos poros, através da zona vadosa (Zona de aeração, ou zona vadosa é a zona superficial do solo, em que os poros se encontram cheios de ar), decantando nas superfícies dos grãos. Este processo foi denominado de infiltração mecânica de argilas.
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Infiltração de argilas
Walker (1976) descreve três origens para as argilas mecanicamente infiltradas:
Concentrações de argilas em zonas vadosas;
Concentrações de argilas no nível freático, e
Concentrações de argilas sob barreiras impermeáveis
Segundo Crone (1975) e outros autores, essas argilas apresentam texturas peculiares:
Cristas ou pontes lamelares perpendiculares aos grãos
Agregados floculados, formados sob condições estagnantes
Fábricas geopetais*, com a parte superior forrada por argilas
Cutículas contínuas (coatings), compostas por lamelas orientadas paralelamente aos grãos
Níveis argilosos obstruindo os poros e cortando as estruturas deposicionais
As figuras do próximo slide ilustram estas características das argilas infiltradas mecanicamente.
* Geopetal: feição geológica que permite identificar posicionamento estratigráfica de topo e base de camadas e corpos rochosos
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