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Geotécnica - UERJ GEOTÉCNICA FEN 2367 CONTEÚDO 1. A GEOTÉCNICA..........................................................................................................1 _Toc57625027 1.2. INTER-RELACIONAMENTO COM GEOLOGIA DE ENGENHARIA, MECÂNICA DOS SOLOS E MECÂNICA DAS ROCHAS ............................................................................................................1 1.3. OBJETIVOS DO CURSO DE GEOTÉCNICA....................................................................2 2. A CROSTA TERRESTRE...........................................................................................3 2.1. DEFINIÇÃO ................................................................................................................3 2.2. CONSTITUIÇÃO ..........................................................................................................4 3. OS MINERAIS....................................................................................................................5 3.1. CONCEITO .................................................................................................................5 3.2. PROPRIEDADES FÍSICAS E MORFOLÓGICAS ...............................................................6 3.2.1. PROPRIEDADES FÍSICAS .........................................................................................7 3.2.2. PROPRIEDADES MORFOLÓGICAS ............................................................................9 3.3. DESCRIÇÃO DOS MINERAIS MAIS COMUNS DAS ROCHAS .............................................9 4. ROCHAS MAGMÁTICAS ................................................................................................16 4.1. DEFINIÇÃO ..................................................................................................................16 4.2. MAGMA .......................................................................................................................16 4.3. MODO DE OCORRÊNCIA DAS ROCHAS MAGMÁTICAS ....................................................17 4.3.1. ROCHAS EXTRUSIVAS ...........................................................................................17 4.3.2. ROCHAS INTRUSIVAS ............................................................................................18 4.4. EXEMPLOS DE ROCHAS MAGMÁTICAS ..........................................................................18 4.4.1. GRANITO ..................................................................................................................18 4.4.2. BASALTO ..................................................................................................................20 4.4.3. OBSIDIANA ...............................................................................................................20 Geotécnica - UERJ 4.4.4. PEDRA POMES .........................................................................................................21 5. INTEMPERISMO E EROSÃO..........................................................................................21 5.1. DEFINIÇÃO DE INTEMPERISMO .....................................................................................21 5.2. TIPOS DE INTEMPERISMO .............................................................................................22 5.2.1. INTEMPERISMO FÍSICO..........................................................................................22 5.2.2. INTEMPERISMO QUÍMICO ......................................................................................22 5.3. FATORES QUE INFLUEM NO INTEMPERISMO ..................................................................23 5.3.1. CLIMA...................................................................................................................23 5.3.2. TOPOGRAFIA........................................................................................................24 5.3.3. TIPO DE ROCHA....................................................................................................24 5.4. CONCEITO DE EROSÃO ................................................................................................24 5.5. AGENTES DE EROSÃO .................................................................................................25 6. ROCHAS SEDIMENTARES............................................................................................26 6.1. DEFINIÇÃO ..................................................................................................................26 6.2. CONDIÇÕES NECESSÁRIAS PARA A FORMAÇÃO DE UMA ROCHA SEDIMENTAR ................27 FIGURA 9 - FENÔMENO DA DIAGÊNESE ...............................................................................27 6.3. CLASSIFICAÇÃO DAS ROCHAS SEDIMENTARES.............................................................28 6.3.1. ROCHAS CLÁSTICAS.............................................................................................28 6.3.2. ROCHAS NÃO CLÁSTICAS (ROCHAS DE ORIGEM ORGÂNICA E QUÍMICA).................29 7. ROCHAS METAMÓRFICAS ...........................................................................................31 7.1. CONCEITO DE METAMORFISMO....................................................................................31 7.2. FATORES QUE CONTROLAM O METAMORFISMO ...........................................................33 7.3. TIPOS DE METAMORFISMO ...........................................................................................34 7.4. PRINCIPAIS TIPOS DE ROCHAS METAMÓRFICAS ...........................................................35 8. CICLO DAS ROCHAS .....................................................................................................36 9. RESUMO SOBRE OS T IPOS DE ROCHAS ...................................................................37 Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 1. A Geotécnica 1.1. Definição Emprego dos conhecimentos geológicos e geotécnicos para a solução de problemas de Engenharia Civil, principalmente nos setores de construção de ferrovias e rodovias, implantação de barragens, aberturas de túneis e canais, obtenção de água subterrânea, execução de fundações, etc... 1.2. Inter-relacionamento com Geologia de Engenharia, Mecânica dos Solos e Mecânica das Rochas Segundo a ABGE (Associação Brasileira de Geologia de Engenharia), a Geologia de Engenharia é a ciência dedicada à investigação, estudo e soluções 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. A Geologia da Engenharia apresenta interfaces com dois campos da Engenharia: a Mecânica dos Solos e a Mecânica das Rochas, que são reunidas sob a denominação Geotecnia. Conhecimentos geológicos e geotécnicos Solução de problemas de Engenharia Civil Ferrovias Rodovias Túneis Canais Barragens Fundações etc. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira A experiência mostra que os projetos de Engenharia são bem sucedidos, em relação aos condicionamentos geológicos, quando há uma adequada integração entre o geólogo e o engenheiro. Ou seja, o geólogo define o quadro físico, o engenheiro concebe a obra e ambos ajustam a concepção e o projeto às condições do meio físico. A Mecânica dos Solos é a ciência da Engenharia que estuda o comportamento do solo quando este é usado, ou como material de construção (aterros rodoviários, barragens de terra, etc.) ou como material de fundação (edifícios, pontes, etc.). A solução de um problema de Mecânica dos Solos, por sua vez, envolve conhecimentos de química, física, geologia, mecânica das rochas, mineralogia e hidrologia. 1.3. Objetivos do Curso de Geotécnica - Definição das condições da geomorfologia,estrutura, estratigrafia e litologia das formações geológicas; - Caracterização das propriedades mineralógicas, físicas, geomecânicas, químicas e hidráulicas dos materiais terrestres envolvidos em construção (solos e rochas); - Avaliação dos comportamento mecânico e hidrológico dos solos e maciços rochosos; - Previsão das alterações, ao longo do tempo, das propriedades mecânicas e hidrológicas dos solos e rochas. Mecânica dos Solos Química Física Geologia Mecânica das Rochas Mineralogia Hidrologia Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 2. A Crosta Terrestre 2.1. Definição A Terra é um planeta aproximadamente esférico, com 6370km de raio no Equador. De sua superfície ao centro, a Terra A estrutura interna da Terra pode ser representada por 3 camadas distintas: a crosta ou litosfera, o manto e o núcleo. A Crosta possui uma espessura de até 120km. É a parte mais externa da Terra, parcial ou totalmente consolidada. O Manto é constituído por material rico em ferro e possui uma espessura em torno de 2900km. E, finalmente, o núcleo, é constituído por níquel e ferro e possui uma espessura de aproximadamente 3300km. O globo terrestre é formado por camadas sucessivas cuja densidade decresce a partir do centro, como indica a Figura 1. (δ = 2,7 – 3,0) (δ = 3,3 – 6,7) (δ = 9 – 12) Figura 1 – Estrutura Interna da Terra Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 2.2. Constituição A crosta é constituída fundamentalmente de 2 partes distintas: o Sial, que é a parte mais externa, composta principalmente de silício e alumínio, representado por rochas de constituição granítica, e pelo Sima, que é a camada subjacente ao Sial e cuja composição é silício e magnésio, representada por rochas basálticas. A espessura do Sial é variável, podendo atingir 50km nas áreas continentais, e praticamente zero sob os mares e oceanos (Figura 2). Figura 2 – A Crosta da Terra A parte mais superficial da Crosta está representada por rochas, que são agregados naturais de um ou mais minerais. As rochas são divididas em três tipos principais, de acordo com sua gênese: magmáticas, sedimentares ou metamórficas. A composição da crosta da Terra é aproximadamente a mesma das rochas magmáticas. Em volume, as rochas magmáticas ocupam aproximadamente 95% do volume total da Crosta, sendo o restante coberto por rochas sedimentares. A Crosta da Terra compõe-se quase que inteiramente de compostos oxigenados, principalmente silicatos de alumínio, cálcio, magnésio, sódio, potássio e ferro, como pode-se observar na Tabela 1. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira Tabela 1 – Composição da Crosta Terrestre Composto Porcentagem (%) SiO2 60,18 Al2O3 15,61 Fe2O3 3,14 FeO 3,88 MgO 3,56 CaO 5,17 Na2O 3,91 K2O 3,19 TIO2 1,08 P2O5 0,30 3. Os Minerais 3.1. Conceito Mineral é uma substância sólida natural, inorgânica e homogênea, que possui composição química definida e estrutura atômica característica. Os minerais são os elementos constituintes das rochas, logo, o conhecimento dos minerais implica o conhecimento das rochas. Os minerais se formam por cristalização, a partir de líquidos magmáticos ou soluções termais, pela recristalização em estado sólido ou, ainda, como produto de reações químicas entre sólidos e líquidos. A cristalização ocorre quando os átomos, íons ou grupos iônicos, em proporções definidas, são atraídos por forças eletrostáticas e distribuídos ordenadamente no espaço. A menor unidade desta rede tridimensional, determinada pela disposição dos átomos na estrutura do mineral, é conhecida como cela unitária (retículo cristalino) e pode condicionar, além da forma externa do cristal, outras propriedades físicas como a dureza, a clivagem, etc. A Figura 3 mestra a estrutura interna e a forma cúbica derivada deste arranjo, para o mineral halita (NaCl). Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira Figura 3 – Estrutura Interna e Forma da Halita Alguns minerais são amorfos, não têm forma própria, por não apresentarem estrutura interna definida. Minerais não amorfos ocorrem como cristais, que são corpos com forma geométrica, limitados por faces, arranjadas de maneira regular e relacionadas com a orientação da estrutura atômica. 3.2. Propriedades Físicas e Morfológicas As propriedades que mais interessam no estudo de um mineral são as seguintes: Propriedades Físicas: dureza traço brilho cor clivagem fratura tenacidade flexibilidade peso específico Propriedades Morfológicas: Hábito Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 3.2.1. Propriedades Físicas 3.2.1.1. Dureza: é a resistência do mineral ao risco ou abrasão. É medida pela resistência que a superfície do mineral oferece ao risco por outro mineral ou por outra substância qualquer. A determinação desta propriedade é referida a uma escala padrão de 10 minerais, conhecida como escala de Mohs (Tabela 2). Tabela 2 – Escala de dureza de Mohs 3.2.1.2. Traço: é a cor do pó mineral que se observa quando este risca uma superfície áspera de porcelana branca e dura. Nos minerais opacos de brilho metálico (óxidos e sulfetos), esta é uma das propriedades diagnósticas para a identificação da espécie. 3.2.1.3. Briho: aspecto apresentado pela superfície de fratura recente do mineral, ao refletir a luz incidente. O brilho pode ser: - metálico: semelhante ao brilho dos metais polidos; - vítreo: produz reflexões como o vidro; - resinoso: possui aspecto de resina; - graxo: o mineral parece coberto por uma camada de óleo; - sedoso: possui aspecto de seda; - perláceo: mostra aspecto de pérolas; - adamantino: possui reflexos fortes e brilhantes como o diamante. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 3.2.1.4. Clivagem: é a propriedade dos minerais partirem em determinados planos, ou já apresentarem estes planos, de acordo com suas direções de fraqueza. A clivagem pode ser: a) proeminente: quando o mineral apresenta um plano muito evidente e quase perfeito, como acontece com a mica que se cliva em folhas paralelas; b) perfeita: quando o plano apresenta certo caráter de aspereza, como ocorre com os feldspatos; c) distinta: quando os planos de clivagem apresentam pequeno grau de escalonamento, como por exemplo, a fluorita; 3.2.1.5. Fratura: superfície de quebra do mineral, independente do plano de clivagem. Os minerais não se partem em planos, mas segundo uma superfície irregular. As mais comuns são: a) conchoidal: em concavidades mais ou menos profundas. Exemplo: quartzo; b) igual ou plana: quando a superfície, embora apresentando pequenas elevações e depressões, aproxima-se de um plano; c) desigual ou irregular: com superfície irregular. 3.2.1.6. Tenacidade: é a resistência que os minerais oferecem à flexão, ao esmagamento, ao corte, etc. Os minerais podem ser: a) quebradiços ou friáveis: reduzem-se à pó quando submetidos à pressão; b) sécteis: podem ser cortados por uma lâmina; c) maleáveis: redutíveis a lâminas pelo martelo. 3.2.1.7. Flexibilidade: é uma deformação que pode ser: a) elástica: cessa quando o esforço é retirado; b) plástica: permanece após a retirada do esforço. 3.2.1.8. Peso específico: corresponde ao peso do mineral em relação ao peso de igual volume de água, sendo calculado pela expressão: peso específico (p.e.)= peso do mineral no ar (P) peso do mineral no ar (P) – peso do mineral imerso em água (P’) Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira Ou seja: p.e. = P P – P’ 3.2.2. Propriedades Morfológicas A propriedade morfológica dos minerais é o hábito, que representa a forma externa do mineral. Os principais hábitos estão apresentadosna Tabela 3. Tabela 3 – Principais hábitos dos minerais formadores de rochas Hábito Características Acicular Mineral em cristais delgados, semelhantes a agulhas Colunar Mineral em indivíduos grossos, semelhantes a colunas Tabular ou lamelar Mineral achatado, em lamelas sobrepostas Laminado Mineral em finas lâminas achatadas Foliáceo Mineral que se separa facilmente em lâminas ou folhas Fibroso Agregado subparalelo de cristais finos e fibrosos Granular Mineral em forma de agregado de grãos Maciço Mineral compacto de forma irregular Terroso Mineral cm aspecto de massa de barro seco Botrioidal Agregado com proeminências arredondadas, tipo cacho de uva 3.3. Descrição dos minerais mais comuns das rochas 3.3.1. Propriedades físicas gerais dos minerais de rochas 1. Forma e hábito – os minerais de rochas geralmente não se apresentam como cristais, isto é, não possuem forma geométrica. As rochas magmáticas são as que têm maior probabilidade de formar cristais com forma própria, pois seu ambiente de formação é fluido, isto é, é o magma. Os primeiros minerais formados podem impor sua forma ao meio, mas à medida que aumenta o número de Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira cristais, o espaço diminui. Os últimos minerais formados têm que se adaptar ao espaço restante, ficando com contornos irregulares. As rochas metamórficas não apresentam cristais bem formados, porque se originam de transformações verificadas no estado sólido. Quando existirem cristais significa que a sua força de cristalização é muito grande, chegando a deformar outros minerais para impor a sua forma. As rochas sedimentares, formadas por erosão, transporte e deposição de sedimentos, apresentam seus minerais desgastados. Soluções saturadas podem, porém, se precipitar em fendas, cavidades ou aberturas existentes nas rochas, dando origem a cristais bem formados. 2. Cor – os minerais, quando puros, possuem uma cor inerente, que pode variar de acordo com as impurezas, de maneira que um mesmo tipo de rocha pode apresentar cores diversas, conforme as cores de seus minerais. 3. Cor do traço – não é critério para determinação dos minerais de uma rocha, porque o pó deixado na porcelana poderá ser de vários minerais, especialmente se a granulação for milimétrica. 4. Clivagem – pode ser evidente nos minerais de rochas de granulação grossa, especialmente em superfícies recentemente quebradas. Os minerais com uma só direção de clivagem tendem a formar placas, como as micas, talco e clorita. Duas clivagens aparecem em anfibólios e piroxênios. Três direções de clivagem podem formar cubo como na galena ou romboedro, como na calcita, de modo que na rocha o mineral fraturado pode apresentar o contorno de um quadrado ou de um losango. 5. Fratura – para determinação de minerais de uma rocha, consideraremos apenas um tipo de fratura: a concóide de quartzo. 6. Reações Químicas – deve-se fazer uso do HCl em solução 1:1, para se obter efervescência em carbonatos (calcários e dolomitos). 7. Peso Específico – não é usual determinar o peso específico para a classificação dos minerais de uma rocha. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 3.3.2. Minerais mais comuns das rochas Na Tabela 4, estão relacionados os dezenove minerais, que são os mais comumente encontrados em rochas. Tabela 4 – Minerais mais comuns em rochas 1. Quartzo 6. Zircão 11. Topázio 16. Amianto 2. Feldspato 7. Magnetita 12. Calcita 17. Talco 3. Mica 8. Hematita 13. Dolomita 18. Zeólita 4. Anfibólios 9. Pirita 14. Caolim 19. Fluorita 5. Piroxênios 10. Turmalina 15. Clorita 1. Quartzo (SiO2): é sílica cristalizada macroscopicamente. Forma: nas rochas, o quartzo não tem forma definida. Quando formado em cavidades, apresenta forma de prisma hexagonal. Clivagem: ausente. Fratura: concóide. Cor: nas rochas, o quartzo se apresenta desde incolor até cinza-escuro. Geralmente é branco. Brilho: vítreo. Traço: incolor. Dureza: 7. Peso específico: 2,65 Ocorrência: nas rochas ígneas, em granitos e pegmatitos; nas rochas metamórficas, em quartzitos, micaxisto, gnaisses; nas rochas sedimentares, em arenitos, siltitos, conglomerados. Características distintivas: falta de clivagem, brilho e cor distinguem os quartzos dos feldspatos, que usualmente se associam a ele. 2. Feldspatos: o grupo dos feldspatos é formado por: ortoclásio (KAlSi3O8), albita (NaAlSi2O8) Forma: nas rochas, os feldspatos são informes, mas podem apresentar contornos retangulares ou hexagonais. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira Clivagem: têm boa clivagem em 2 direções. Fratura: irregular em fragmentos quebradiços. Cor: os ortoclásios geralmente são: creme, tijolo, róseo e vermelho, devido às impurezas de hematita. Os plagioclásios geralmente são: cinza, branco, pardo, esverdeado e até preto. Brilho: vítreo. Traço: Branco. Peso específico: 2,54 (ortoclásio), 2,62 (albita) e 2,76 (anortita) Ocorrência: os feldspatos ocorrem em quase todos os tipos de rochas ígneas intrusivas ou extrusivas e nas metamórficas. São mais raros nas rochas sedimentares, porque se decompõem em argila e caolim. 3. Micas Mica branca – H2KAl3(SiO4)3. – muscovita Mica preta – (H, K)2(Mg, Fe)2(Al, Fe)2(SiO4)3 – biotita Mica verde – sericita Mica roxa - lepidolita Forma: quando bem cristalizadas, mostram-se em placas hexagonais. Clivagem: 1 direção Cor: muscovita é incolor, branca, cinza, parda ou esverdeada. Em lâminas finas é sempre incolor. A biotita é preta ou parda. Brilho: acetinado. Ocorrência: em granitos, pegmatitos, gnaisses, mica-xistos, filitos. 4. Anfibólios Formam um grupo de silicatos que são sais de ácido metasilícico (H2SiO3). Forma: apresentam-se comumente sob a forma de lâminas longas com terminações irregulares. Clivagem: 2 direções Cor: depende da quantidade de ferro. Branco ou cinza na tremolita, verde vivo na actinolita e verde escuro a preto na hornblenda Brilho: vítreo, sedoso no amianto. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 5. Piroxênios Formam um grupo de silicatos que são sais do ácido metasilício (H2SiO3) Forma: prismático, curto e grosso, mais ou menos equidimensional. Clivagem: 2 direções. Ocorrência: em rochas ígneas melanocráticas e intermediárias. São comuns em rochas metamórficas, como gnaisses, anfibolitos e mármores. 6. Zircão (ZrSiO4) Hábito: prismático. Cor: incolor, azulado, arroxeado e pardo. Dureza: 7,5. Ocorrência: em rochas ígneas, metamórficas ou sedimentares. 7. Magnetita (Fe3O4) Hábito: octaédrico. Cor: cinza a preto. Clivagem: inexistente Traço: preto Brilho: metálico. Ocorrência: em rochas ígneas e metamórficas. 8. Hematita (Fe3O3) Hábito: placas hexagonais. Cor: preta metálica. Clivagem: inexistente Traço: vermelho Ocorrência: em gnaisses e xistos cristalinos. 9. Pirita (FeS2) Hábito: cúbico, octaédrico. Cor: amarela, com brilho metálico. Clivagem: inexistente Traço: esverdeado a preto Ocorrência: em rochas ígneas, metamórficas e sedimentares. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 10. Turmalina Hábito: prismas de seção aproximadamente triangular e estriados verticalmente. Cor: preta, verde, vermelha, vinho, rósea. Clivagem: inexistente Ocorrência: em pegmatitos ocorrem na forma de cristais grandes. A variedade rósea geralmente se associa à mica roxa. A parda é encontrada em calcários. 11. Topázio (Al, F)2SiO4 Hábito: prismático com seção losangular. Cor: incolor, azul, laranja e verde. Ocorrência: em pegmatitos. 12. Calcita (CaCO3) Hábito: romboedros Cor: incolor, branca, cinza a preta, amarela, vermelha. Clivagem: 3 direções Brilho: vítreo a sedoso. Ocorrência: em cavidades, fraturas, estalactites, estalagmites, crostas. É o mineral formadorde calcáreos e mármores. 13. Dolomita (CaMg(CO3)2) É semelhante à calcita. 14. Caolim (H4Al2Si2O9) Hábito: placóide hexagonal microscópico. Cor: branca ou colorida, dependendo da quantidade de óxido de ferro. Ocorrência: rochas sedimentares e ígneas decompostas 15. Clorita (Si4O10)Mg3(OH)2.Mg3(OH)6 Hábito: placóide como as micas Cor: verde. Ocorrência: em qualquer tipo de rocha que tenha minerais ferromagnesianos. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 16. Amianto (H4Mg3Si2O9) Hábito: massas compactas ou granulares finas 17. Talco (H4Mg3(Si2O9)4 Hábito: lâminas microscópicas. Cor: branca, esverdeada, parda. Ocorrência: rochas metamórficas 18. Zeólitas Constituem um grupo de silicatos hidratados de alumínio. São formadas a partir de feldspatos, por influência de vapores e soluções quentes. Hábito: cúbico, feixes de cristais achatados, losangulares. Cor: branca, incolor e amarela. Ocorrência: encontradas em aberturas ou amígdalas de rochas ígneas efusivas. Ex: basalto. 19. Fluorita (CaF) Hábito: cúbico, octaédrico. Cor: branca, amarela, verde, rósea, vermelha, azul, violeta, parda. Ocorrência: encontradas em pegmatitos, calcáreos e dolomitos. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira CROSTA REVESTIMENTO SUPERIOR REVESTIMENTO INFERIOR NÚCLEO EXTERIOR NÚCLEO INTERIOR MAGMA 4. Rochas Magmáticas 4.1. Definição A formação de uma rocha, qualquer que seja o seu tipo genético, envolve uma multiplicidade de fatores e uma interação de processos decorrentes da própria evolução da Terra.. As rochas magmáticas (ou ígneas) são resultantes da consolidação por resfriamento de material em estado de fusão (magma) formado no interior da Terra. Essas rochas podem apresentar características bem diversas, decorrentes principalmente da composição do magma e da velocidade de solidificação. As rochas ígneas ou magmáticas constituem aproximadamente 80% da crosta da Terra. O estudo da origem das rochas ígneas está intimamente ligado ao conhecimento do magma e suas diferentes formas de ocorrência. 4.2. Magma O magma é um material em fusão, existente no interior da Terra. Origina-se a grandes profundidades, na parte inferior da crosta ou na parte superior do manto (Figura 4). Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira O magma apresenta-se sempre com densidade menor que a dos materiais que o circundam. Desta forma, ele tende a subir para as partes mais superficiais da crosta, podendo atingir, ou não, a superfície. O magma mantém as propriedades de um líquido, das quais a fluidez é a mais importante. Dessa forma, mesmo contendo gases e partículas sólidas em suspensão, tais como cristais ou fragmentos de rochas, sua fluidez ou mobilidade não é significativamente afetada. A faixa de temperatura dos magmas, da ordem de 600oC a 1400oC, é determinada através de simulação em laboratório ou, eventualmente, por medição direta em crateras de vulcões. Os fatores que controlam a temperatura são: composição, profundidade (pressão) e presença de água. 4.3. Modo de Ocorrência das Rochas Magmáticas 4.3.1. Rochas Extrusivas Uma das manifestações mais impressionantes da natureza é representada pelo magmatismo extrusivo na forma de erupções vulcânicas. Esses extravasamentos do magma se processam através de orifícios de forma mais ou menos circular, isolados ou em grupo, com acúmulo de material solidificado em suas proximidades, dando origem a um vulcão. A forma tipicamente cônica de um vulcão está relacionada ao extravasamento concentrado a partir de um orifício e à acumulação em sua vizinhança. Quando o magma se extravasa por grandes fissuras da crosta, na forma de fluxo de lava, originam-se os corpos rochosos tabulares denominados derrames de lavas. A parte superior do derrame de lava, exposta ao ar, sofre resfriamento rápido, consolidando-se em primeiro lugar formando uma película. Os gases contidos na massa de lava, em razão de sua baixa densidade, deslocam-se para a parte superior do derrame e ali ficam retidos, formando horizontes de vesículas. Esses horizontes poderão se constituir em rochas inadequadas, quando sobre eles se assentam obras civis de grande porte, exigindo estudos e tratamentos adequados. Em razão do rápido resfriamento da lava na parte externa e do resfriamento mais lento do seu interior, surgem dois tipos de fraturamento (juntas ou diaclases) nas massas basálticas. Na parte superior o fraturamento é do tipo horizontal, na mesma zona onde há o acúmulo de bolhas de gás (zona vesicular). Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira Na parte central do derrame, ocorre um sistema de juntas isolando blocos prismáticos dispostos geralmente na vertical. Nesta zona, o basalto não possui vesículas e é denominado basalto denso. Na base, ocorre novamente uma zona de diaclasamento horizontal de menor espessura. O fraturamento natural do basalto é produzido pela contração causada pelo resfriamento da lava. 4.3.2. Rochas Intrusivas Quando o magma não consegue romper as camadas superiores da Crosta, sua consolidação ocorre internamente, formando as rochas intrusivas. De uma maneira geral, as rochas ígneas intrusivas apresentam características que estão associadas à velocidade de resfriamento do magma, que por sua vez, depende da profundidade em que o fenômeno ocorre. À medida que a profundidade aumenta, o resfriamento é mais lento e, como conseqüência, surgem rochas formadas por minerais de maior granulação. As rochas intrusivas, consolidadas no interior da crosta, possuem formas que dependem da estrutura geológica e da natureza das rochas que elas penetram. Se o magma, ao penetrar uma rocha pré-existente, se orienta segundo os seus planos de xistosidade, produzirá uma forma dita concordante. Por outro lado, se o magma atravessar determinada rocha, seguindo direções ou planos que não correspondem aos de xistosidade, produzirá uma forma denominada discordante. Formas concordantes ou discordantes só podem ser distinguidas umas das outras, quando as intrusões se deram em rochas de estrutura estratificada, mais ou menos horizontais. 4.4. Exemplos de Rochas Magmáticas São exemplos de rochas magmáticas o granito, o basalto, a obsidiana e a pedra-pomes. 4.4.1. Granito É uma rocha muito dura de coloração variada. Mesmo a olho nu, pode-se distinguir os principais minerais que a formam: quartzo, feldspato e mica. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira O granito é usado na pavimentação de ruas, na forma de paralelepípedos. Quando polido, ele se torna uma bela pedra ornamental, utilizada no revestimento de prédios e na confecção de pias, pisos, túmulos e estátuas (Figura 5). No Brasil, existem cadeias de montanhas constituídas em grande parte de granito. É o caso da serra da Mantiqueira e da Mantiqueira. Figura 5 – Granito O quartzo é um dos minerais mais abundantes na crosta terrestre. Apresenta muitas variedades, tais como o cristal de rocha ou quartzo hialino, que é incolor e transparente; o quartzo de ametista, de cor roxa; o quartzo citrino, de cor amarela, também conhecido como falso topázio. O quartzo hialino é usado na fabricação de lentes. O quartzo pulverizado é matéria prima para fabricação do vidro. A mica é o mineral que aparece no granito como pequenas lâminas brilhantes. Dentro das variedades de mica, a mais conhecida é a mica branca (muscovita). É empregada como isolante elétrico e térmico. O feldspato é o mineral predominante no granito. Existem feldspatos brancos, leitosos, róseos, amarelados ou cinzentos. Sua decomposição pela água das chuvas e pelo gás carbônico do ar forma a argila (barro), um dos componentes do solo. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 4.4.2.Basalto É uma rocha magmática pesada e escura , com muito ferro em sua composição. As pedras pretas da famosa calçada de Copacabana, na cidade do Rio de Janeiro, são de basalto. No Brasil, há 200 milhões de anos, o magma extravasou por uma grande fenda, provavelmente onde corre hoje o Rio Paraná. As lavas se espalharam de São Paulo ao Rio Grande do Sul, cobrindo uma superfície de 1 milhão de quilômetros quadrados. À medida que elas se solidificaram, formaram uma imensa camada de basalto. A decomposição dessa rocha originou a terra roxa, solo muito fértil, existente nos Estados de São Paulo e Paraná, e próprio para o plantio de café. Figura 6 – Basalto 4.4.3. Obsidiana É uma rocha muito escura e brilhante, também conhecida como vidro vulcânico ou natural (Figura 7). Origina-se do resfriamento rápido da lava vulcânica. Figura 7 – Obsidiana Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 4.4.4. Pedra Pomes É uma rocha que tem a mesma origem e composição da obsidiana. Entretanto, devido à grande quantidade de poros, assemelha-se a uma espuma endurecida, sendo extremamente leve. Pode ser cinzenta, esbranquiçada ou amarelada. Figura 8 – Pedra Pomes 5. Intemperismo e Erosão 5.1. Definição de Intemperismo O intemperismo é a “resposta” dos materiais que estavam em equilíbrio no interior da litosfera às solicitações da atmosfera, hidrosfera e biosfera. O intemperismo pode ser definido como o conjunto de processos que ocasiona a desintegração e a decomposição das rochas e dos minerais, por ação de agentes atmosféricos e biológicos. A maior importância do intemperismo está na destruição das rochas, com conseqüente produção de outros materiais, que irão formar os solos, os sedimentos e as rochas sedimentares. O intemperismo difere da erosão por ser um fenômeno de alteração das rochas , executado por agentes essencialmente imóveis, enquanto a erosão é a remoção e transporte dos materiais por meio de agentes móveis (água, vento, ...). Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 5.2. Tipos de Intemperismo 5.2.1. Intemperismo Físico O intemperismo físico pode ser definido como o conjunto dos processos que levam à desagragação da rocha in situ e desorganização da estrutura dos constituintes minerais (sem alterações químicas). Os principais processos de intemperismo físico são: 1. Expansão por alívio de tensões; 2. Expansão devido ao crescimento de cristais estranhos à rocha, ocasionando o enfraquecimento da estrutura; 3. Expansão devido à cristalização de sais: a penetração de soluções salinas nos poros seguida de evaporação da água, gera um acúmulo de sais nos poros. A cristalização e o crescimento destes sais podem provocar a desintegração da estrutura; 4. Expansão e contração térmica: a variação do coeficiente de dilatação dos diferentes minerais que compõem uma rocha, faz com que estes recebam esforços intermitentes durante séculos, com ciclos de aquecimento e resfriamento. Ocorre então a fadiga desses minerais, que serão facilmente desagregados e reduzidos a pequenos fragmentos. Este processo é denominado de esfoliação térmica; 5. Ação biológica: decorrente da ação das raízes de plantas ao longo de fendas e fraturas e da atividade orgânica de animais como formigas, minhocas, cupins e vários roedores; 6. Ação do homem; 7. Ciclos de secagem e umedecimento.). 5.2.2. Intemperismo Químico O intemperismo químico é caracterizado pela reação química entre a rocha e soluções aquosas diversas. Tal processo é mais rápido se a rocha for previamente preparada pelo intemperismo físico, que a reduz a fragmentos menores, facilitando e aumentando o contato com os agentes aquosos ativos na degradação da rocha. A atuação do intemperismo químico no desencadeamento de escorregamentos está diretamente relacionada aos seguintes fatores: • diminuição dos valores dos parâmetros de resistência do material provocada pela alteração dos minerais constituintes das rochas (intemperismo causado pela ação da água percolando em juntas, microfissuras, etc.); Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira • diminuição do ângulo de atrito das descontinuidades (no caso de rochas), facilitando a ocorrência de escorregamentos. Em síntese: INTEMPERISMO → ENFRAQUECIMENTO GRADUAL DO MEIO ROCHOSO → DESENVOLVIMENTO DE MICROFISSURAS → REMOÇÃO DOS ELEMENTOS SOLÚVEIS DE CIMENTAÇÃO → DIMINUIÇÃO DOS PARÂMETROS DE RESISTÊNCIA A variação da resistência devida ao intemperismo se dá de um modo extremamente lento, cumulativo. Assim, o intemperismo tem um efeito muito menor, a curto prazo, que outros fatores, como a flutuação do N.A., erosão superficial, etc. Exceções ocorrem no caso de taludes de rochas altamente susceptíveis à alteração química, quando expostos à superfície. O perfil de intemperismo é a sequência de níveis ou horizontes de materiais com diferentes propriedades físicas e que se desenvolveram “in situ” sobre a rocha de origem (rocha matriz). Os perfis de intemperismo são o reflexo do modo de atuação do intemperismo, condicionando, na verdade, a maior ou menor susceptibilidade da encosta a escorregamentos e ainda, a extensão, tipo e profundidade destes. Tais perfis determinam descontinuidades e gradações no que concerne a aspectos mecânicos e hidrogeológicos dos materiais. Em alguns casos, sobrepostos às formações rochosas, desenvolve-se uma zona irregular de rocha decomposta, caracterizada por um sistema de juntas paralelas à superfície. Capeando este horizonte (rocha alterada) ocorrem os depósitos superficiais, mais espessos na base das encostas, onde concentram-se os problemas de estabilidade (Jones, 1973). O elevado grau de intemperismo das rochas, facilitando o aparecimento de fendas de tração, gera fraturamento intenso de blocos. 5.3. Fatores que Influem no Intemperismo Os agentes do intemperismo trabalham simultaneamente e a ação maior ou menor de um ou de outro, depende de diversos fatores, tais como: 5.3.1. Clima O clima influi de diversas maneiras, sendo que em regiões áridas há uma predominância da ação dos agentes físicos em relação aos químicos, acontecendo o inverso em regiões Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira úmidas. Em resume, podemos dizer que o intemperismo químico é dominante nas regiões quentes e úmidas, e que o intemperismo físico domina, por sua vez, nas regiões geladas e nos desertos. Dessa maneira, no Nordeste do Brasil, predomina o intemperismo físico e na região Centro-Sul, o intemperismo químico. 5.3.2. Topografia A topografia influi da seguinte maneira: o solo inicialmente formado constitui uma camada que protege a rocha contra uma posterior alteração e decomposição. Porém, nas regiões de declives acentuados, o solo é constantemente removido pelas enxurradas ou por efeito direto da gravidade. Neste caso, o ataque às rochas aumenta. 5.3.3. Tipo de Rocha O tipo de rocha influi na ação de intemperismo, segundo as diferentes resistências oferecidas ao ataque físico e químico. A resistência oferecida ao intemperismo depende da estrutura das rochas e da presença de fraturas ou falhamentos. 5.4. Conceito de Erosão Erosão é o processo de desprendimento e arraste acelerado das partículas do solo causado pela água e pelo vento, cuja origem está ligada principalmente à ocupação das terras pelo homem (ação antrópica). A erosão do solo constitui a principal causa do empobrecimento precoce das terras produtivas. As enxurradas, provenientes das águas que não foram retidas ou infiltradas no solo, transportam partículas de solo em suspensão e nutrientes necessários às plantas. Esse transporte de partículas também pode ocorrer através do vento e geleiras. A erosão implica na remoção de partículas sólidas. Reações químicas de hidratação, oxidação e dissolução produzidas pela água ocorrem sobre as rochas expostasà superfície, complementadas por processos físicos e biológicos, provocando a completa desagregação e alteração das rochas, fenômenos que em conjunto constituem o intemperismo. Os materiais soltos tendem naturalmente a se mover, descendo as encostas por efeito da gravidade. Assim, os detritos de materiais rochosos intemperizados se deslocam das montanhas até o fundo dos vales e fundo dos oceanos. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira Esse transporte é grandemente acelerado pela ação da água corrente e mais localmente pelo vento e gelo. O intemperismo e o transporte levam ao processo de seleção mecânica e química. Partículas finas, tais como argilas, podem caminhar mais rapidamente a pontos mais afastados que partículas e fragmentos maiores. A erosão tem o efeito de rebaixar a superfície do terreno. O grau de rebaixamento poderá ser da ordem de alguns centímetros por centenas de anos, variando muito conforme o clima e a topografia do terreno considerado. A superfície topográfica, representada pela forma das montanhas e vales, bem como pelo traçado dos rios e por outras características da forma do terreno, em qualquer momento da história da Terra, expressa o equilíbrio existente entre o processo erosivo externo e o processo interno (como por exemplo, vulcanismo e tectonismo) gerador dos continentes. O resultado dessas transformações é o solo, que posteriormente, pode ser novamente transformado em rocha através de um processo denominado diagênese. A diagênese compreende as modificações sofridas pelos sedimentos, iniciado no momento em que se efetua a deposição e continuado por certo tempo. É a transformação do sedimento em rocha definitiva. 5.5. Agentes de Erosão O vento, a chuva, a enxurrada, as geleiras, as águas dos rios e dos mares são agentes da Natureza que sempre causaram, e continuam a causar, erosão do solo e das rochas. O vento possui alta capacidade de transporte. As partículas de areia transportadas provocam a erosão das rochas por impacto. A diminuição da velocidade do vento e a presença de obstáculos ocasionam a deposição das partículas. A erosão pluvial é exercida pela água da chuva que escorre sobre o solo. É mais intensa em solos sem vegetação. A erosão fluvial se realiza através dos processos de corrosão e transporte. A corrosão consiste no processo químico de ataque às rochas do leito do rio pelas águas. Os detritos são transportados por: - suspensão: por fluxo turbulento (partículas finas como siltes e argilas); - rolamento: pelo fundo dos rios (seixos e areias); - saltação: por correntes ascendentes. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira A esses agentes de erosão, cada vez mais, vem sendo somado a ação do homem, que já pode ser considerado um importante agente. As pedreiras que o homem dinamita, para a obtenção de matéria-prima, para abertura de estradas; a intensa movimentação de terra, necessária a várias construções; os desmatamentos que deixam o solo exposto à ação dos agentes naturais; os deslizamentos nas margens dos rios, escavadas em busca de ouro e de outros metais e pedras preciosas são exemplos da ação do homem como agente de erosão. Paralelamente a essa verdadeira erosão que provoca, ainda com freqüência contamina o ambiente, como acontece com a escavação dos rios em busca de metais. No Brasil, são numerosos os rios que vêm sofrendo a ação nociva do homem. Um outro fator de agressão à Natureza é a construção das usinas hidrelétricas. Elas representam uma boa solução para o país no tocante à obtenção de energia elétrica. No entanto, trazem uma indesejável conseqüência: a água represada inunda a região onde se localiza, alterando profundamente o equilíbrio ecológico dessa região. De todos os problemas apontados, talvez o mais amplo e mais antigo seja o desmatamento, que afeta o Brasil inteiro há muito tempo. 6. Rochas Sedimentares 6.1. Definição São rochas formadas pelos sedimentos oriundos da ação física e química dos agentes do intemperismo sobre rochas pré - existentes. São chamados sedimentos as partículas sólidas que são carreadas pelos agentes geológicos. Os agentes geológicos são os modificadores da superfície da Terra: água corrente, as geleiras, os ventos e os fluxos gravitacionais. Os sedimentos incluem: • Fragmentos de minerais e rochas; • Fragmentos de vegetais e animais; • Precipitados químicos de soluções aquosas, com ou sem a interferência dos seres vivos. Os sedimentos são produzidos por uma grande variedade de processos atuantes na superfície da Terra, envolvendo o intemperismo e a ação dos organismos vivos. O Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira intemperismo é um conjunto de processos que tendem a fragmentar e alterar quimicamente as rochas na superfície. 6.2. Condições necessárias para a formação de uma rocha sedimentar 1) Presença de rochas que deverão ser a fonte dos materiais; 2) Presença de agentes móveis ou imóveis que desintegrem as rochas; 3) Presença de um agente transportador dos sedimentos recém-formados; 4) Deposição deste material em uma bacia de acumulação; 5) Consolidação desses sedimentos através do peso próprio das camadas superiores ou por meio de soluções cimentantes. As rochas sedimentares são formadas pela acumulação de materiais provenientes de outras rochas pré-existentes, ou de restos e resíduos de plantas e animais. A sua formação segue a seguinte seqüência (Figura 9): 1) Intemperismo – desintegração e decomposição dos minerais da rocha; 2) Erosão – transporte; 3) Deposição – acumulação; 4) Diagênese – compactação e cimentação. Figura 9 - Fenômeno da Diagênese Rochas pré-existentes Deposição + Compactação transporte Agentes de Intemperismo Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 6.3. Classificação das Rochas Sedimentares 6.3.1. Rochas Clásticas As rochas clásticas são originadas pelo transporte através da ação separada ou conjunta da gravidade, vento, água e gelo, com conseqüente deposição. O caráter predominante do material é inicialmente o estado inconsolidado. O tamanho das partículas varia desde dimensões microscópicas até grãos centimétricos e blocos maiores. Esses materiais ainda não cimentados constituem o sedimento. Depois da compactação pelo peso próprio das camadas superiores sobre as inferiores e/ou cimentação, os sedimentos passarão a constituir a rocha sedimentar. As rochas de origem clástica podem ser subdivididas em 3 grupos, de acordo com o diâmetro médio das partículas predominantes: 1. Rochas grosseiras; 2. Rochas arenosas; 3. Rochas argilosas. As rochas grosseiras são formadas por partículas com diâmetro superior a 2,0mm. Depósitos de tálus e aluvião dão origem a essa categoria de rochas, nas quais pode-se distinguir 2 tipos característicos: conglomerados e brechas. Os conglomerados são rochas sedimentares formadas de fragmentos arredondados, com diâmetro superior a 2,0mm, originados de rochas pré-existentes e posterior transporte e deposição. O tamanho dos fragmentos varia de seixos até matacões. As brechas são rochas sedimentares formadas por fragmentos de diâmetro superior a 2,0mm, mas não arredondados e sim, angulosos. A angulosidade dos grãos demonstra que o transporte do material não foi muito grande. As rochas arenosas são as mais representativas e comuns entre as rochas sedimentares, e os fragmentos predominantes possuem diâmetro situado entre 0,01mm e 2,0mm. Nessas rochas, distinguimos 2 tipos principais: arenitos e siltitos. Os arenitos são rochas constituídas substancialmente por partículas ou grãos de quartzo detrítico, subangulares ou arredondados, com diâmetro variando de 0,01 a 2,0mm. Os siltitos são rochas arenosas de granulação finíssima (grãos em torno de 0,01mm) e são formados principalmente por produtos de erosão fluvial, lacustre ou glacial.Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira As rochas argilosas compreendem todos os sedimentos mais finos formados mecanicamente, representados essencialmente pelas argilas. As partículas constituintes variam de dimensões microscópicas (inferiores a 0,01mm) até dimensões de partículas coloidais. Esses sedimentos são os mais difíceis de serem analisados do ponto de vista petrográfico, tanto pelo aspecto finamente granular das partículas, como pela dificuldade de reconhecimento dos seus constituintes pelos métodos usuais. Os minerais das argilas podem ser subdivididos em três grupos: a) grupo do caulim; b) grupo da montmorilonita; c) grupo das ilitas. As rochas sedimentares argilosas mais comuns são o argilito e o folhelho. A diferença entre eles é que o folhelho apresenta camadas horizontais bem destacadas em planos. 6.3.2. Rochas Não Clásticas (Rochas de origem orgânica e química) As rochas não clásticas são derivadas indiretamente da decomposição, solução e redeposição de outras rochas. São provenientes da precipitação em que intervém agentes químicos ou seres vivos. As rochas de origem orgânica são formadas pelo acúmulo de matéria orgânica de origem diversa. São sedimentos difíceis de serem classificados pois diferem muito em textura, composição e condições de deposição. Os principais tipos são: 1. Rochas Calcárias: formadas pelo acúmulo de conchas ou carapaças de composição carbonatada. 2. Rochas Carbonosas: este grupo compreende as turfas (acúmulo de matéria vegetal em pântanos ou lagoas) e carvão (termo que indica depósitos carbonosos, formados por acumulação de matéria vegetal carbonizada e consolidada). O carvão é formado em regiões alagadiças, em clima geralmente quente. As camadas de carvão podem atingir mais de uma dezena de metros de espessura. Sua origem está ligada aos seguintes fatores: a) por acumulação e decomposição parcial de vegetais em regiões alagadiças; b) soterramento por outros sedimentos; c) conversão de turfa a carvão por calor e pressão. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira A turfa se acumula em alagadiços e vai se desenvolvendo rapidamente em clima quente e úmido. A temperatura muita elevada de clima tropical destrói a turfa, em razão do desenvolvimento exagerado das bactérias. Em geral, os carvões se formam à beira mar, pois os depósitos de carvão contém, como impurezas, restos orgânicos marinhos e estão intercalados com outros sedimentos. Geralmente, após a formação de espessa camada de turfa, ela é soterrada por sedimentos que produzem o recalque das camadas turfosas, submetendo-as a elevadas pressões. À medida que se aprofundam também se aquecem, perdendo os materiais voláteis e aumentando o teor em carbono. As rochas de origem química são formadas através da precipitação de soluções químicas em bacias sedimentares. Existem 4 grupos principais de rochas de origem química: 1. Rochas Calcárias: esta divisão compreende os depósitos calcários, tais como mármore travertino, crescimentos de estalactites e estalagmites, dolomitos, etc., precipitados em bacias, através de mudanças físico-químicas do meio. 2. Rochas Ferruginosas 3. Rochas Silicosas: rochas formadas a partir da precipitação de soluções, nas quais a sílica é o constituinte dominante. 4. Rochas Salinas: compreendem os cloretos, os sulfatos, os boratos, os nitratos, ocorrendo na forma de produtos de precipitação química em bacias. Calcarios. - São talvez as rochas sedimentares mais abundantes e mais utilizadas pelo homem. Sua origem pode ser de precipitação, detrítica ou orgânica, ou ainda de caráter misto. São essencialmente formadas por carbonato de cálcio, ou ainda por carbonato de cálcio e magnésio, caso em que são denominados de calcários dolomíticos. As margas são variedades de calcário ricas em argila. Certos calcários são formados por acumulação de Foraminíferos (Figura 10) Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira Figura 10 – Rocha Calcária 7. Rochas Metamórficas 7.1. Conceito de Metamorfismo Metamorfismo é o processo pelo qual rochas ígneas, sedimentares ou mesmo metamórficas sofrem transformação na composição mineralógica, na estrutura e na textura, em resposta às novas condições físico-químicas que diferem das que prevaleciam durante sua formação (Figura 11). Uma grande variedade de processos geológicos pode causar metamorfismo, incluindo-se aí o soterramento progressivo e conseqüente aquecimento de espessas seqüências sedimentares, a atividade ígnea e até os raros impactos de grandes meteoritos sobre a superfície da Terra. Entretanto, a maior parte do metamorfismo provavelmente ocorre nas vizinhanças de margens ativas de placas litosféricas. O metamorfismo é deste modo limitado nas baixas temperaturas pela diagênese (temperaturas menores que 200ºC) e nas altas Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira temperaturas (temperatura acima de 600ºC) pela fusão dos constituintes de composição apropriada. As principais mudanças observadas nas rochas são: substituição dos minerais originais por minerais metamórficos novos, devido a reações químicas (mudança de fase), e recristalização de minerais, produzindo novas texturas, tais como a orientação dos minerais lamelares em ardósias ou progressivo aumento de granulometria de calcário para mármore (mudanças texturais). Esses tipos de mudanças podem ocorrer simultaneamente ou mais ou menos independentemente, conforme a causa do metamorfismo ou tipo de rocha envolvida. Figura 11 – Processo de Formação de Rochas Metamórficas Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 7.2. Fatores Que Controlam o Metamorfismo O metamorfismo ocorre quando uma rocha é submetida a um novo ambiente químico ou físico, no qual a sua associação mineralógica não é mais estável. Um "ambiente químico novo" pode significar a infiltração de fluidos que reagem com a rocha. Mudanças no "ambiente físico" podem significar variações na temperatura ou na pressão em que a rocha é submetida, ou ampliação de tensões desiguais que conduzem à deformação e recristalização da rocha, produzindo novas texturas. Três parâmetros são importantes na definição do metamorfismo: pressão, temperatura e fluidos metamórficos. - Temperatura (T): As rochas são bons isolantes, porque são lentas na condução do calor. Grandes volumes de rochas necessitam usualmente dezenas de milhares de anos para sofrer grandes mudanças de temperatura. A temperatura cresce, quase invariavelmente, com a profundidade na Terra, e a taxa com a qual muda com a profundidade é conhecida como gradiente geotermal. Como o calor flui ao longo de gradientes de temperatura, o gradiente geotermal é estreitamente relacionado com o fluxo de calor através da crosta. - Pressão (P): A pressão total exercida em um ponto da crosta em conseqüência do peso das rochas sobrejacentes é conhecida como pressão litostática. Por si só, a pressão litostática não causa deformação. Uma rocha que experimenta diferentes pressões em diferentes direções está sujeita a tensão deviatória. A deformação resultante desempenha um importante papel na determinação das características texturais das rochas, mas não influi na associação mineral desenvolvida, exceto no sentido de que a deformação pode catalisar reações ou permitir movimento de fluidos. Uma variável de pressão muito importante é a pressão de fluido, que é a pressão exercida pelo fluido presente nos poros e ao longo dos limites dos grãos. Quando a rocha é seca, a pressão de fluido é efetivamente zero, a pressão litostática atua através dos limites dos grãos, mantendo-os unidos e tornando o colapso muito difícil. Entretanto, se houver fluido presente nos poros, a pressão de fluido tende a atuar em sentido oposto, reduzindo a pressão efetiva que atua através dos limites dos grãos,tornando, assim, o fraturamento mais provável. - Fluidos Metamórficos: Os fluidos contidos nos poros desempenham um papel importante em alguns tipos de metamorfismo. Uma quantidade significativa de água pode permanecer no espaço dos poros das rochas, mesmo sob temperaturas muito altas. A presença Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira dessa água pode promover a recristalização ou influenciar o estilo de deformação sofrido pela rocha. A ação de fluidos irá provocar a reação com os minerais já existentes, resultando em novos minerais nas condições de temperatura e pressão prevalecentes. 7.3. Tipos de Metamorfismo O metamorfismo pode se dar em diversos ambientes da crosta, sendo conveniente adotar uma classificação genética. - Metamorfismo Regional: Resultado do aumento de temperatura e pressão, ou ambos, em escala regional (áreas que vão desde algumas centenas até vários milhares de quilômetros quadrados), em resposta ao soerguimento de montanhas ou soterramento profundo das rochas. Existem dois tipos de metamorfismo regional: Metamorfismo Dinamotermal: Relacionado geográfica e geneticamente a grandes faixas orogênicas e, do mesmo modo que o metamorfismo de contato, é afetado por suprimento de energia termal, formando zonas metamórficas muito extensas. Metamorfismo de confinamento ou soterrramento: Sedimentos e rochas vulcânicas em geossinclinais podem tornar-se gradualmente confinadas, preservando a textura original, enquanto a composição mineralógica muda, indicando consideráveis diferenças de pressão. - Metamorfismo de Contato ou Termal: Ocorre ao redor de grandes massas magmáticas internas. O calor cedido pela rocha magmática intrusiva aumenta a mobilidade da rocha encaixante, favorecendo o aparecimento de novos minerais e de fenômenos de recristalização. - Metamorfismo Dinâmico ou Cataclástico: Ocorre nas adjacências de grandes planos de falhas ou zonas de cisalhamento. Freqüentemente, a ação mecânica é acompanhada por recristalização ou por aparecimento de minerais hidratados devido ao movimento de fluídos na zona de deformação. Os produtos típicos são conhecidos como milonitos. Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 7.4. Principais Tipos de Rochas Metamórficas - Ardósias – Rochas de granulação muito fina de minerais praticamente imperceptíveis a olho nu e que se caracterizam por uma clivagem tabular perfeita (se quebram em grandes placas). São produzidas em áreas onde sedimentos argilosos sofreram grande pressão. As cores mais comuns são: cinza-azulado ou preto, existindo verde, amarelo e vermelho. - Filitos - São rochas xistosas, de granulação fina. Apresentam brilho sedoso típico e cores variadas. Sua divisibilidade é excelente. - Quartzito - É uma rocha derivada do metamorfismo do arenito. Forma-se uma textura granular imbricada. O eventual cimento argiloso do arenito transforma-se em muscovita. Sua cor é branca, rósea ou vermelha. A fratura nos quartzitos é também mais áspera. Os quartzitos apresentam grande variedade de cor e aspecto, pois, nem sempre, a rocha original era arenito puro. - Mármore - Provém do calcário ou dolomito. A cor é bastante variável, podendo ser branca, rósea, esverdeada, cinza (Figura 12) ou preta. - Gnaisses - São rochas de granulação mais grosseira e mais dura que as anteriores. Apresentam uma orientação muito nítida dos minerais presentes, os quais por vezes se agrupam formando bandas ou faixas alternadas e tons claros e escuros. A estrutura é designada bandeada ou gnáissica. Figura 12 – Mármore cinzento Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 8. Ciclo das Rochas As rochas terrestres não constituem massas estáticas. Elas fazem parte de um planeta cheio de dinâmica (variações de temperatura e pressão, abalos sísmicos e movimentos tectônicos). Da mesma forma, as atividades de intemperismo causam constantes alterações sobre as rochas. As rochas ígneas superficiais da Terra (A) sofrem constante intemperismo, e lentamente reduzem-se em fragmentos (B), incluindo tanto os detritos sólidos da rocha original como os novos minerais formados durante o intemperismo. Os agentes de transporte redistribuem o material fragmentado sobre a superfície, depositando-o como sedimentos, que se transformam em rochas sedimentares (C). Estas, por aumento de pressão e temperatura, geram as rochas metamórficas (D). Aumentando a pressão e a temperatura até determinado ponto, ocorrerá fusão parcial e novamente a possibilidade de formação de uma nova rocha ígnea (E), dando-se início a um novo ciclo (Figura 12). Figura 12 – O Ciclo das Rochas Geotécnica - UERJ Ana Cristina Castro F. Sieira 9. Resumo sobre os tipos de Rochas As rochas são classificadas tradicionalmente em três categorias por sua gênese: ígneas; sedimentares e metamórficas (Figura 13). As rochas ígneas são definidas como as que são formadas por meio do resfriamento de magmas, sendo consideradas como rochas primárias, ou seja, origem líquida. A energia formadora das rochas ígneas de magmas é o calor interno da Terra. O resfriamento dos magmas pode ocorrer tanto na superfície quanto no interior da Terra. As rochas sedimentares são definidas como as que são formadas por meio da sedimentação ou decantação de materiais na superfície da Terra. Normalmente existem rochas originais que foram desagregadas, decompostas e transportadas, e esses materiais foram levados até o local de sedimentação. Neste sentido, as rochas sedimentares são consideradas secundárias, origem sólida. A energia formadora das rochas sedimentares é fundamentalmente solar e química. O local de formação é especificamente a superfície da Terra. As rochas metamórficas são definidas como as que se formam por meio da transformação de rochas originais sob altas temperaturas e pressões do interior da Terra. As rochas originais podem ser tanto ígneas, sedimentares quanto metamórficas. Neste sentido, as rochas metamórficas são classificadas como as secundárias, também de origem sólida. A energia formadora das rochas metamórficas é térmica e mecânica da parte interna da Terra, e o local de formação é especificamente o interior do planeta. Figura 13 – Tipos de Rochas
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