Autores

Silva, A.C. (UFRJ) ; Costa, R.V.C. (UFRJ) ; Uagoda, R.E.S. (UNB) ; Avelar, A.S. (UFRJ)

Resumo

O impacto dos fluxos de subsuperfície em rochas na deflagração de deslizamentos é extremamente complexo e dependente de inúmeras variáveis, tornando-se relevante a investigações dos controles hidrogeológicos que o leito rochoso desempenha na interação com a camada saprolítica.Considerando os recorrentes problemas geotécnicos na Região Serrana do Estado do Rio de Janeiro,torna-se relevante a caracterização geofísica do substrato a fim de contribuir na investigação de como a estrutura do leito rochoso afeta a resposta hidrológica da encosta em eventos extremos de chuvas.Pretende-se neste trabalho caracterizar o substrato rochoso através de monitoramentos com GPR,análise estrutural das fraturas e amostras de rochas objetivando inferir sua relevância na formação de fluxos preferenciais em subsuperfície.Foram registrados indícios de percolação de água em fraturas e estágios avançados de intemperismo concluindo que a estrutura do leito rochoso afeta a resposta hidrológica da encosta.

Palavras chaves

fluxo d'água em fraturas; instabilidade de encostas; GPR (Radar de Penetração no Solo)

Introdução

Os fluxos d’água de subsuperfície tem sido documentados como principal controlador na geração de escoamento e resposta hidrológica em ambientes de encostas (Hewlett e Hibbert, 1967; Dunne e Black, 1970a e 1970b, Uchida et al., 2004, 2008; Santos, 2009). Situações específicas são apontadas como iniciadores destes fluxos, tais como conduzidos por pipes no solo (Uchida et al., 1999) e em fraturas no substrato rochoso (Montgomery et al., 1997; Anderson et al., 1997; Haught and Tromp-van Meerveld, 2011; Gabrielli et al., 2012; Brönnimann et al., 2013). Apesar do foco das investigações centrarem nos solos, ao se tratarem de hidrologia em encostas, zonas de fraturas contribuem para o deslocamento de fluxos d’água de subsuperfície (Avelar e Coelho-Netto, 1992; Haught and Tromp-van Meerveld, 2011; Gabrielli et al., 2012; Brönnimann et al., 2013), criando zonas de saturação no encontro com rochas de baixa permeabilidade (Wilson e Dietrich, 1987). Eventos de chuvas extremas em vales íngremes não canalizados contribuem para a formação de lençóis freáticos transientes no contato solo-rocha influenciando diretamente nos fluxos rápidos e na instabilidade da encosta (Montgomery et al., 1997; Anderson et al., 1997; Brönnimann et al., 2013). Nesses locais as fraturas agem como condutores hidrológicos na drenagem dos sistemas e o processo de exfiltração na camada de solo sobrejacente levam a sua pré-saturação, aumentando o risco de deslizamentos rasos. No entanto, este comportamento não pode ser traçado como padrão, não existindo consenso na literatura, já que as atribuições hidráulicas de cada fratura dependerão essencialmente de sua origem e orientação em relação ao seu recente campo de esforços (Paitan, 2013; Gudmundsson, 2001). Nesse sentido, Gabrielli et al. (2012) não encontraram nenhuma evidência de que águas subterrâneas pudessem emergir pelo leito rochoso o suficiente para atingir o solo e controlar os fluxos preferenciais no contato solo-rocha, embora tenha constatado que zonas fortemente fraturadas, localizadas até 2 m abaixo da interface solo- rocha, se comportavam como condutores de fluxos laterais rápidos para o canal. O impacto dos fluxos de subsuperfície em rochas na deflagração de deslizamentos é extremamente complexo e dependente de inúmeras variáveis (Montgomery et al., 1997, 2002 e 2009), o que torna cada vez mais relevante investigações dos controles hidrogeológicos que o leito rochoso desempenha na interação com a camada saprolítica, claramente importante na análise de fluxos em encostas (Montgomery et al., 1997, 2002 e 2009; Banks et al., 2009; Kosugi et al., 2006 e 2008; Gabrielli et al., 2012; Brönnimann et al., 2013). Mesmo com a crescente informação do significado potencial das águas subterrâneas em maciços rochosos, permanece restrito o número de pesquisas que monitoram os fluxos d’água subsuperficiais em rochas fraturadas e em rochas competentes (McDonnell e Tanaka, 2001). O acesso continua sendo o fator limitante de estudos, principalmente em terrenos íngremes e instáveis. Estas características estão presentes na grande maioria das encostas no complexo Serra do Mar. Devido às condições geológicas da região, não se pode ignorar o papel da percolação da água nas rochas fraturadas, já que a alta concentração de chuva em meios fraturados podem favorecer descargas em superfície e em subsuperfície, capazes de induzirem rupturas no solo e/ou fragmentos de rochas na encosta (Coelho Netto et al., 2010). Considerando os recorrentes problemas geotécnicos na Região Serrana do Estado do Rio de Janeiro, torna-se relevante a caracterização geofísica do substrato a fim de contribuir para a investigação de como a estrutura do leito rochoso afeta a resposta hidrológica da encosta em eventos extremos de chuvas. Dessa maneira, o intuito deste trabalho é caracterizar o substrato rochoso através de técnicas geofísicas e análises em campo objetivando inferir sua relevância para formação de fluxos preferenciais em subsuperfície na encosta.

Material e métodos

Para viabilizar a proposta desta pesquisa,torna-se necessário a investigação da arquitetura estrutural das fraturas na área.Sendo assim,a caracterização física da encosta foi obtida através de métodos geofísicos tais como monitoramento por Radar de Penetração no Solo (GPR),análises de amostras de rochas de sondagens e análises do substrato para quantificar as fraturas a fim de calcular a densidade (DN) e a penetratividade (DL) das mesmas na cicatriz de deslizamento alvo deste trabalho. Análise Estrutural das fraturas: Foi utilizado um método proposto por Davis (1984) para quantificar as fraturas de modo que seja possível calcular a densidade (DN) e a penetratividade (DL) das mesmas,onde a densidade de faturamento é representada pela razão NF (Nº total de fraturas de todos os círculos)/A (somatório das áreas dos círculos em metros) e penetratividade equivale à razão L (somatório dos comprimentos de todas as fraturas de todos os círculos em metros)/A. Amostras de rochas provenientes de sondagem rotativa puderam ser analisadas em profundidade.A sondagem teve por objetivo obtenção de dois furos revestidos, com aproximadamente 6 m de profundidade, para a instalação de piezômetro e nível d’água e descrição do substrato através das amostras de rochas. GPR: O Radar de Penetração no Solo, ou GPR, é uma técnica geofísica de alta resolução eletromagnética que se destina essencialmente na investigação da subsuperfície rasa da terra. A técnica de GPR foi aplicada nesta pesquisa para a obtenção de dados referentes a características do embasamento, localização de fraturas em rocha e determinação da profundidade do topo rochoso, visando um melhor conhecimento da área em subsuperfície. Foram feitos três perfis na encosta estudada, sendo dois perfis latitudinais e um perfil longitudinal. As aquisições GPR se deram por meio do equipamento sueco RAMAC I, de propriedade do Departamento de Geofísica da UNB. Área de estudo: A área de estudo está inserida no distrito de Campo Coelho,no município de Nova Friburgo,situado na Serra dos Órgãos,no reverso da escarpa da Serra do Mar no domínio morfoestrutural do Planalto Atlântico.Sua morfologia serrana, bastante escarpada com um significativo controle estrutural, está ligada à história evolutiva geológico- geomorfológica da área (Tupinambá et al.,2012).Dessa forma, apenas os rios de maior porte são capazes de gerar depósitos fluviais. Adjacentes aos vales,escarpas com afloramentos rochosos e encostas íngremes (mais de 35 graus) são comuns,podendo apresentar depósitos de tálus ou coluvião ricos em blocos de rocha em suas bases. Por outro lado, a paisagem da Serra dos Órgãos possui também muitas áreas de colinas intermontanas com suaves declives (entre 15 e 35 graus).Nestes domínios, os regolitos são compostos por depósitos saprolíticos grosso e coluvionares. A característica marcante das escarpas serranas é a presença de solos pouco espessos e bastante lixiviados, devido a um clima bastante úmido, proporcionado pela barreira física imposta ao avanço dos sistemas frontais (Dantas et al.,2001).As escarpas serranas e, em especial a Serra da Bocaina e dos Órgãos, chegam a registrar totais pluviométricos anuais superiores a 2000 mm/ano. O deslizamento do tipo translacional raso (Avelar et al.,2011),ocorrido no evento extremo de chuva de Janeiro de 2011, gerou uma cicatriz de grandes proporções em uma encosta localizada à SO da bacia do Córrego Dantas.Esta cicatriz expôs um afloramento com aproximadamente 80 m,segundo seu eixo longitudinal e 40 m, latitudinalmente.Trata-se de um afloramento do Granito Equigranular Fino/Médio,essencialmente composto por K– feldspato,plagioclásio,quartzo e pouca biotita,com uma superfície mergulhando aproximadamente 40º para NW,sendo a mesma interpretada como uma fratura de alívio.Além das fraturas de alívio,onde em alguns pontos ocorrem saída de água,também foram reconhecidas fraturas tectônicas com atitudes mergulhando basicamente para NE e para SE,ambas com alto ângulo.

Resultado e discussão

Análise estrutural das fraturas: o afloramento alvo deste trabalho (Fig. 1-a;c) é um lajedo exposto devido a um deslizamento ocorrido no início de 2011, com aproximadamente 80m de comprimento segundo o seu eixo longitudinal (Fig.1a). Tal lajedo tem uma superfície mergulhando entorno de 40º para NW, sendo a mesma interpretada como uma fratura de alívio (Fig.1b). Além das fraturas de alívio, onde em alguns pontos ocorrem saída de água (Fig.1c), também foram reconhecidas fraturas tectônicas (Fig.1b) com atitudes mergulhando basicamente para NE e para SE, ambas com alto ângulo. Apesar de megascopicamente, a rocha não mostrar um avançado estado de alteração intempérica, microscopicamente a mesma, apresenta uma larga alteração dos cristais de feldspatos, principalmente plagioclásio, para carbonato. A partir de um círculo central com 1m de diâmetro, foram traçados 22 círculos adjacentes acima, abaixo, à esquerda e direita, todos a uma distância aproximada de 0,50m um do outro. O valor de densidade obtido para esses 22 círculos é igual a 5,4 (DN), já o valor de penetratividade (DL) é igual a 3,6. Embora o Granito Equigranular Fino a Médio tenha mostrado um baixo índice tanto para DN como para DL, parece que a associação mineralógica dessa rocha, repleta de mica branca secundária produto da substituição dos feldspatos, pode ter contribuído significativamente para a fragilidade e susceptibilidade a deslizamentos. A substituição dos feldspatos por mica branca e raro carbonato, provavelmente se deu pela percolação de fluidos quentes com composição ideal para a cristalização desses minerais. Pode ser um processo deltérico, onde os fluidos são provavelmente tardios e remanescentes da cristalização da própria rocha que uma vez a percolando, já na maior parte cristalizada, provocou tal alteração mineralógica. Independentemente da natureza da formação das micas brancas secundárias nessa rocha, elas são rapidamente atacadas por água no intemperismo químico, como podemos observar nas amostras de rochas provenientes da sondagem rotativa (Fig.2). Vale a pena lembrar que em vários pontos desse afloramento ocorrem saídas de água freática (1c). As micas brancas secundárias são mecanicamente mais frágil do que os demais minerais silicáticos e óxidos, e por tanto, esse fator pode acelerar os processos de intemperismo e desagregação de material, seja na granulometria, argila, silte, areia, blocos e matacões. Indícios de percolação de água em fraturas e estágios avançados de intemperismo puderam ser visualizados nas amostras de rochas recuperadas do primeiro furo por sondagem rotativa, sendo as mesmas analisadas metro a metro. No 1º metro de profundidade, registram-se duas fraturas pouco expressivas. Entre 0,24 m e 0,56 m, a rocha encontra-se em estágio avançado de intemperização. No 2º metro é possível observar quatro fraturas de alto ângulo e uma fratura subvertical. Nas profundidades de 1,30 m à 1,77 m, a exemplo do encontrado nas fraturas do 1º metro analisado, a rocha também apresenta um estágio de intemperização mais avançado. A presença de fraturas se repete nos próximos metros, com destaque aos exatos 3,85 m de profundidade em que se registrou microfraturas (2b) e a partir do 4º metro até o fim do furo (6m) em que temos presença de família de fraturas preenchidas por cloritas subverticais (2c). O reconhecimento das diferentes famílias de fraturas permitiu observar o mecanismo de rompimento do deslizamento que se deu através da intersecção de três fraturas distintas, uma de alívio, no caso a própria superfície do lajedo, e duas tectônicas com diferentes atitudes, uma mergulhando para NE e outra para SE, ambas com alto ângulo e posicionadas próximo ao topo da encosta (1b). As amostras de rochas em profundidade evidenciam o comportamento das famílias de fraturas em condutoras de água, vide evidências de intemperização avançada. Como o produto de intemperismo dessa rocha compõe um solo arenoso repleto de blocos arredondados, o desprendimento desse material no topo da encosta provocou um escorregamento de material por sobre uma das fraturas de alívio ao longo de aproximadamente 80 m encosta a baixo. GPR:A localização cada perfil e da sondagem rotativa podem ser observados nas figuras 3. O detalhamento e plotagem dos radargramas estão representados na figura 4. As imagens brutas dos três radargramas resultantes dos perfis executados na cicatriz (Fig.4a;c) foram geradas pela versão Demo do software REFLEXW. Como etapas futuras e através do tratamento das imagens será possível eliminar ruídos e plotar os radargramas junto ao mapa topográfico da área (em fase de execução). Perfil 1: Orientação: latitudinal; Sentido de mapeamento: W – E; distância percorrida pelo mapeamento: 11 m. Foram identificadas várias feições hiperbólicas bem definidas, apresentando como refletores e interpretadas como fraturas. É possível observar uma descontinuidade na imagem após percorrer 4 metros de mapeamento e melhor definido a 3,5 metros de profundidade, aproximadamente. Esta descontinuidade pode ser interpretada como dique, já que a localização coincide com as observações in loco e anotações em campo (Figura 4a). Perfil 2: Orientação: latitudinal; Sentido de mapeamento: W – E; distância percorrida pelo mapeamento: 13 m. Foram identificadas várias feições hiperbólicas bem definidas ao longo da imagem e principalmente nos primeiros 6 metros monitorados, em que as seções hiperbólicas se apresentam de forma mais nítidas e acentuadas, podendo ser interpretadas como conjunto e encontro de fraturas. É possível observar uma descontinuidade na imagem após percorrer 11 metros de mapeamento e melhor definido a partir de 2,5 metros de profundidade, aproximadamente. Esta descontinuidade pode ser interpretada como dique já que a localização coincide com as observações in loco e anotações em campo (Figura 4b). Perfil 3: Orientação: longitudinal; Sentido de mapeamento: N – S; distância percorrida pelo mapeamento: 21 m. Foram identificadas várias feições hiperbólicas ao longo da imagem, principalmente nos primeiros 5 metros; entre 9 metros e 13 metros; e novamente nos últimos 5 metros do perfil monitorado. Nestes trechos as seções hiperbólicas se apresentam de forma mais nítidas e acentuadas, podendo ser interpretadas como conjunto e encontro de fraturas. A feição que se estende entre o marco de 10 metros e 15 metros do perfil, melhor identificada a 1,5 metros de profundidade e seguida por uma descontinuidade vertical ao longo do perfil, foi interpretada como fratura vertical, já que a localização coincide com as observações in loco e anotações em campo. Posteriormente, pode ser visualizada uma grande fratura com incidência de dique. Pelo menos dois diques foram visualizados em campo, correspondendo a descontinuidades na imagem após percorrer, aproximadamente 10 metros e 16 metros de mapeamento, melhor definidos a partir de 2,5 metros de profundidade, aproximadamente. No primeiro dique, nota-se que ele está associado a uma grande fratura, o segundo dique foi identificado como contendo aproximadamente 10 cm de diâmetro (observado em campo). Outras descontinuidades que se assemelham com as identificadas como diques aparecem na imagem, seguidos das áreas caracterizadas como conjunto de fraturas. No entanto, para precisar a caracterização de cada feição é necessário o tratamento da imagem para eliminação de ruídos e posterior validação em campo (Figura 4c). Embora preliminares, as imagens representam zonas fortemente fraturadas, principalmente abaixo de 2 m da superfície da cicatriz. O cruzamento dos dados com a base hipsométrica de detalhe permitirá identificar o padrão das fraturas em subsuperfície, assim como através da instalação de piezômetros e medidores de nível d’água será possível monitorar a variação do lençol por carga piezométrica.

Figura 1

Afloramento alvo da pesquisa;1a-lajedo exposto com aproximadamente 80m de comprimento;1b-fraturas de alivio e tectônicas;1c-saída de água na fratura.

Figura 2

Amostras de rochas.2a-estágio de intemperização mais avançado;2b-microfraturas;2c-presença de família de fraturas preenchidas por cloritas.

Figura 3

Localização dos perfis de GPR e sondagem rotativa.

Figura 4

Radargramas obtidos pelo uso da técnica de GPR; 4a -Perfil 1; 4b -perfil 2; 4c -perfil 3.

Considerações Finais

Embora o Granito Equigranular Fino a Médio não apresente tantas estruturas penetrativas e ser uma das rochas mais jovens na área mapeada, uma possível explicação para produção de solos e blocos, de forma tão acelerada, poderia estar em sua composição mineralógica. Apesar de ser uma rocha granítica, sua petrografia mostrou uma larga alteração dos cristais primários (magmáticos) de feldspatos, principalmente plagioclásio, para mica branca secundária, o que provavelmente contribuiu para o deslizamento ocorrido naquele ponto. Os radargramas dispostos na alta e meia encosta da cicatriz de deslizamento confirmam uma série de fraturas registradas na região que a princípio podem ser classificadas como relacionadas à descompressão dos corpos por desconfinamento, isto é, fraturas de alívio e outro conjunto relacionado a tectonismo. As imagens evidenciaram zonas fortemente fraturadas, principalmente abaixo de 2 m da superfície da cicatriz. Indícios de percolação de água em fraturas e estágios avançados de intemperismo puderam ser visualizados nas amostras de rochas recuperadas do primeiro furo por sondagem rotativa. Espera-se que com o monitoramento por piezometria seja registrado à variação de níveis do lençol freático, principalmente em eventos extremos de chuvas, evidenciando a conectividade das famílias de fraturas e sua influência em fluxos preferenciais em subsuperfície, influenciando na instabilidade de encostas ao formarem pontos de exfiltração no contato solo-rocha.

Agradecimentos

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