Apostila prof.-marangon1

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Apostila prof.-marangon1

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE TRANSPORTES E GEOTECNIA ELEMENTOS DE GEOLOGIA Prof. Márcio Marangon Mestre (PUC-Rio) Doutor (COPPE/UFRJ)
  2. 2. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Apresentação Há anos a disciplina ELEMENTOS DE GEOLOGIA vem adotando o livro texto Geologia Aplicada à Engenharia do Prof. Nivaldo José Chiossi, o qual consideramos ser a melhor publicação no gênero. A partir da dificuldade de aquisição do livro texto, em função de sua não reedição nos últimos anos, procurou-se escrever estas notas de aula, em sua 1ª Versão no 2º Semestre de 1995, para acompanhamento dos Acadêmicos ao curso e fonte de referência ao estudo da Geologia Aplicada à Engenharia. São utilizadas as diversas bibliografias apresentadas a seguir e referidas no texto pelo número entre parênteses, tendo a obra de Chiossi como a principal contribuição à elaboração desta. Gostaríamos de contar com a compreensão e colaboração dos Srs. Acadêmicos e outros leitores na identificação e comunicação das possíveis incorreções, que serão consideradas para o aperfeiçoamento deste trabalho. Agradeço ao Engº Paulo Afonso Valverde Junior do Laboratório de Geologia da Faculdade de Engenharia e ao Téc. Marcelo Bittencourt Villela do Projeto Solos - FCT/UFJF pela colaboração e edição desta publicação. O curso está estruturado em unidades a seguir apresentadas: Unidade 1 - Introdução à Geologia Unidade 2 - Elementos sobre a Terra e a Crosta Terrestre Unidade 3 - Mineralogia Unidade 4 - Rochas Magmáticas Unidade 5 - Rochas Sedimentares Unidade 6 - Rochas Metamórficas Unidade 7 - Propriedades das Rochas Aplicadas à Engenharia Unidade 8 - Intemperismo Unidade 9 - Solos * Nota em 10/03/2005 Estas notas de aula estão sendo disponibilizadas, em sua primeira versão em PDF, para atender o curso de Elementos de Geologia, ministrado pelo Prof. Geraldo Luciano de O. Marques, em 2005/1. Qualquer erro de formato, originado pala conversão de arquivo será corrigido oportunamente. 2
  3. 3. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Bibliografia 1) Antunes, Franklin - Mineralogia e Petrografia - Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia - PUC/RJ 2) Caputo, Homero Pinto - Mecânica dos Solos e suas Aplicações Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. 3) Chiossi, Nivaldo José - Geologia Aplicada à Engenharia. Ed. Grêmio Politécnico da USP 4) Guerra, Antônio Teixeira - Dicionário Geológico-Geomorfológico. Fundação IBGE 5) Leirz, Viktor Amaral, Sérgio Estanislau do - Geologia Geral Companhia Editora Nacional 6) Maciel Filho, Carlos Leite - Introdução à Geologia de Engenharia Editora da UFSM 7) Minette, Enivaldo - Geologia de Engenharia - Glossário de termos técnicos - Imprensa Universitária da UFV. 8) Nogami, Job Shuji - Geologia Aplicada - CAP. XXXI a XLIV - Editora da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 9) Popp, José Henrique - Geologia Geral Ed. livros Técnicos e Científicos 10) Rodrigues, J.C. - Geologia para Engenheiros Civis Ed. MacGraw-Hill do Brasil Ltda. 11) Tognon, Antonio Antenor - Glossário de Termos Técnicos de Geologia de Engenharia - ABGE, 1985 12) Vargas, Milton - Introdução à Mecânica dos Solos Ed. MacGraw-Hill do Brasil Ltda. 3
  4. 4. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Unidade 1 - INTRODUÇÃO À GEOLOGIA 1.1 - Geologia : Podemos definir geologia como a ciência que estuda a Terra em todos os seus aspectos, isto é, a constituição e estrutura do globo terrestre, as diferentes forças que agem sobre as rochas, modificando assim as formas do relevo e a composição química original dos diversos elementos, a ocorrência e a evolução da vida através das diferentes etapas da história física da terra (estudo dos seres antigos). (4) Em resumo conceitua-se GEOLOGIA como: Ciência da terra que trata de sua origem, composição (estrutura), de seus processos internos e externos e de sua evolução, através do estudo das rochas. É objeto da Geologia o estudo dos agentes de formação e transformação das rochas, da composição e disposição das rochas na crosta terrestre. 1.2 - Divisão : Mineralogia Petrografia Geologia Física Sedimentologia Estrutural Teórica Geomorfologia ou Geral Geologia Histórica Paleontologia Estratigrafia Geologia Economia Mineração Petróleo Aplicada Problemas de Engenharia Civil: Engenharia FUNDAÇÕES, ESTRADAS, BARRAGENS, TÚNEIS, ÁGUA SUBTERRÂNEA, MATERIAIS, etc... Geologia Geral 4
  5. 5. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon * Parte Física Mineralogia : Estudo das propriedades cristalográficas (forma e estrutura), físicas e químicas dos minerais, bem como sua classificação. Petrografia : Se ocupa com a descrição e classificação das rochas, analisando sua origem, composição química, minerais que as compõem, estado de alteração, etc... Sedimentologia : Estudo dos sedimentos: sua origem, transporte, deposição, bem como seu modo de ocorrência na natureza. Estrutural : Investigação dos elementos estruturais presentes nas rochas e causados por esforços. Ex: fraturas, falhas, dobras, orientação de minerais , etc... Geomorfologia : Ciência que estuda a maneira como as formas da superfície da terra são criadas e destruídas. * Parte Histórica Paleontologia : Estuda os seres que viveram em épocas anteriores e que são conhecidos através de seus restos ou vestígios encontrados nas rochas. Estratigrafia : Estudo da sequência das camadas. Investiga as condições de sua formação e a correlação entre os diferentes estratos ou camadas. Geologia Aplicada Economia: Estudo dos materiais do reino mineral que o homem extrai da terra para a sua sobrevivência e evolução. Sub-orgânicas: carvão e petróleo Sub-inorgânicas: Fe, Al, Mn, Pb,Cu, Zn, Au etc. A geologia econômica é um ramo da geologia que estuda as matérias- primas do reino mineral que o homen extrai para suas necessidades e comodidades. A geologia econômica estuda os jazimentos de minerais metálicos, também, os não metálicos, sendo que o valor atual destes últimos é, em vários casos, três vezes maior que os primeiros. Além do mais, estuda a aplicação da geologia nos recursos minerais. (4) Compete à geologia econômica explicar a origem das diferentes jazidas minerais, enquanto à geografia cabe a missão de cartografar, ou melhor, de fornecer mapas em que as jazidas possam ser visualizadas no espaço terrestre. (4) Engenharia: Entende-se por Geologia Aplicada à Engenharia, ou Geologia de Engenharia, o emprego dos conhecimentos geológicos para a solução de certos problemas de Engenharia Civil, principalmente nos setores de construção de rodovias/ferrovias, implantação de barragens, abertura de túneis e canais, obtenção de água subterrânea, projeto de fundações de obras em geral , etc... A Geologia de Engenharia, além de sua raíz na Geologia, tem ligações muito fortes com a Mecânica dos Solos e Mecânica das Rochas. Estas três juntas formam a Geotecnia. 5
  6. 6. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Na prática profissional, Geólogos, Engenheiros Civis e Engenheiros de Minas desenvolvem atividades complementares uma das outras, havendo, necessariamente, uma certa superposição de conhecimentos. As atribuições de cada profissional não é ainda uma questão definida, sendo, antes, uma questão de reflexão. Pode-se dizer, de modo geral, que cabe ao Geólogo fazer os levantamentos e toda investigação necessária para apresentar ao engenheiro a natueza e situação (composição, propriedades, disposição, estruturas, etc...) dos terrenos sobre os quais serão construídas as obras. Cabe ao Engenheiro civil projetar e construir todas as obras usando os levantamentos geológicos e solicitando, quando necessário, novos dados. Na prática, essas tarefas não são bem delimitadas. O Engenheiro, não encontrando as respostas necessárias às suas dúvidas, vai frequentemente buscá-las, por si próprio, em ensaios e experimentos de campo que forneçam tais respostas. (6) 1.3 - Aplicações da Geologia em Projetos de Engenharia Civil: 1.3.1 - Atividades de Superfície : a) Obtenção de materiais para construções em geral. b) Construção de estradas, corte em geral e minas a céu aberto. c) Fundações de Edifícios. d) Obtenção de água subterrânea. e) Barragens de terra e aterros em geral. f) Túneis e escavações subterrâneas. a) Obtenção de materiais para construções em geral. A procura de ocorrências naturais (jazidas) de materiais de construção como pedras, saibros, argilas para exploração, constitue uma das fases importantes do planejamento das obras civis de vulto. Nas obras situadas nas grandes cidades e nas proximidades das mesmas, o material de construção necessário poderá ser adquirido de fornecedores (pedreiras , areais ...) já instalados. A maioria das grandes obras rodoviárias, ferroviárias, hidráulicas, habitacionais etc. utiliza jazidas próprias. A localização adequada das jazidas que forneçam materiais de boa qualidade é um dos fatores que mais influem no custo e no andamento das grandes obras civis. Identificação de jazidas naturais para exploração de material. - Pedreiras (Pedra): Utilizadas para confecção de concretos, pavimentação, revestimentos de fachadas de edifícios ,etc... - Jazidas de Cascalhos e Areia: Utilizados para revestimento de leitos de estradas, construção de aterros de terra, concretos, obras de drenagem, etc... - Jazidas de Argila: para impermeabilização de obras de terra, para cerâmica em geral (fabricação de tijolos). 6
  7. 7. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Foto 01 - Vista da construção de aterro nas proximidades do Aeroporto de Juiz de Fora A fotografia mostra um exemplo de obra - construção de aterro - em que o material utilizado na construção é basicamente um solo argiloso (Argila) extraído de jazida (assinaladas com setas) próximo ao local de construção do aterro, com pequena distância de transporte do material. A potencialidade de uma região, quanto à possibilidade de existirem ocorrências favoráveis para a exploração de jazidas (materiais minerais nobres, como o mármore, granito...) pode ser verificada facilmente pelo simples exame dos mapas geológicos. O sucesso dessa verificação dependerá muito da peculiaridade geológica da região e dos detalhes dos mapas disponíveis. b) Construção de estradas, corte em geral e minas a céu aberto. Para que sejam asseguradas as condições de conforto, segurança e economia na construção de uma rodovia, além das condicionantes geométricas de traçado, há que se proceder as investigações de natureza geológica e geotécnica da região a atravessar, as quais constituem os fundamentos dos estudos de drenagem e de estabilidade dos cortes e túneis, aterros e seus terrenos de suporte, fundações de obras de arte e dimensionamento dos pavimentos. (2) 7
  8. 8. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Os problemas de fundações de aterros para estradas surgem, em geral, na construção de aterros sobre argilas moles ou terrenos pantanosos, quando então é de se prever o aparecimento de grandes recalques ou, até mesmo, a ruptura da fundação (2). A geologia local pode ser fator determinante para a inviabilização (econômica) de determinados traçados inicialmente idealizados. A figura acima ilustra (à esquerda) um escorregamento superficial de solo sobre a ocorrência de uma rocha e a outra a diferença de estabilidade num mesmo vale. c) Fundações de Edifícios. (6) A escolha do tipo de fundação é responsabilidade do engenheiro projetista e é feita baseada nas informações geológicas, as quais devem fornecer dados sobre o terreno de fundação. O método mais comum para investigação geológica da fundação de edifícios é o de sondagem à percussão com circulação de água, acompanhado pelo ensaio normalizado de penetração (SPT) ou sondagem de simples reconhecimento do solo (Normas ABNT). Este método fornece um perfil com a descrição das camadas do solo e a resistência oferecida por elas à penetração de um amostrador normalizado. Pode fornecer, ainda, a profundidade do nível de água estático. Quando a fundação é rochosa, ou parcialmente rochosa, usa-se outro método de sondagem, a sondagem rotativa com broca de diamante e extração de testemunho de sondagem. A rocha amostrada é descrita e avaliada quanto à resistência. Em casas ou construções que aplicam baixa tensão sobre o solo, muitas vezes não são realizadas sondagens. Vale, neste caso, a experiência do Engenheiro responsável, ou mesmo construtor, para estabelecer até onde deve ir a escavação para ser colocada a fundação classificada como “superficial”. A experiência é reforçada pelo conhecimento dos solos da região. Para fundações de barragens ou outras obras que exijam estudos especiais usam-se todos os métodos de investigação geológica. Neste caso, os mapas geotécnicos podem fornecer valiosas informações. 8
  9. 9. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Condições geológicas desfavorável para fundações superficiais (sapatas). d) Obtenção de água subterrânea. (3) O interior da Terra, composto de diferentes rochas, funciona como um vasto reservatório subterrâneo para a acumulação e circulação das águas que nele se infiltram. As rochas que formam o subsolo da Terra, raras vezes, são totalmente sólidas e maciças. Elas contêm numerosos vazios chamados também de interstícios, que variam dentro de uma larga faixa de dimensões e formas. Apesar desses interstícios poderem atingir dimensões de uma caverna em algumas rochas, deve-se notar que a maioria tem dimensões muito pequenas. São geralmente, interligados, permitindo o deslocamento das águas infiltradas. Em consequência da infiltração, a água precipitada sobre a superfície da terra penetra no subsolo e através da ação da gravidade sofre um movimento descendente até atingir uma zona onde os vazios, poros e fraturas se encontram totalmente preenchidos d’água. Esta zona é chamada zona saturada. Essa zona é separada por uma linha conhecida como nível freático ou lençol freático. A utilização da água existente no subsolo é feita através de poços caseiros e profundos, conforme a profundidade alcançada. 9
  10. 10. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Ciclo Hidrológico da Água - Infiltração e formação de lençol freático (L.F.) Grande número das obras de Engenharia encontram problemas relativos às águas subterrâneas. A ação e a influência dessas águas têm causado numerosos imprevistos e acidentes. Os casos mais comuns desse tipo de problema são verificados em cortes de estradas, escavações de valas e canais, fundações para barragens, pontes, edifícios, etc. De acordo com o tipo de obra, executa-se um tipo de drenagem ou rebaixamento do lençol freático. A construção de edifícios, barragens, túneis, etc., normalmente requer escavações abaixo do lençol freático. Tais escavações podem exigir tanto uma drenagem, como um rebaixamento do lençol freático. São vários os métodos para eliminar a água existente no subsolo. e) Barragens de terra e aterros em geral. (2) As barragens são estruturas construídas em vales e destinadas a fechá-los transversalmente, proporcionando assim um represamento de água. A água acumulada por uma barragem é utilizada para as três seguintes finalidades principais: abastecimento de cidades, suprimento à irrigação e produção de energia elétrica. Estas são portanto barragens de acumulação. As que se destinam ao desvio dos cursos d’água denominan-se barragens de derivação. A escolha do local para implantação de uma barragem é feita segundo um planejamento geral em que interferem as condições geológicas e geotécnica da região e ainda fatores hidráulicos, hidrelétricos e político-econômicos. O estudo de uma barragem e, em particular, da sua fundação, requer preliminarmente as seguintes investigações: Topográficas: Cumpre, previamente, um levantamento topográfico da região onde deverá ser construída a barragem, delineando-se assim a sua bacia de acumulação. Hidrológicas: Tais investigações, de grande importância, visam a conhecer o regime de águas da região. Geológicas: O conhecimento das condições geológicas da região é de importância fundamental. Basta observar que das causas de acidentes de barragens nos Estados Unidos, pelo menos 40% são, direta ou indiretamente, de ordem geológica. O trabalho do engenheiro deve, portanto, ser secundado pelo de um experiente geólogo de barragens. A prospecção geológica refere-se em particular ao estudo das rochas, com especial atenção quanto aos seus eventuais fendilhamentos. 10
  11. 11. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon f) Túneis e escavações subterrâneas. (6) O objetivo dos túneis é permitir uma passagem direta através de certos obstáculos, que podem ser elevações, rios, canais, áreas densamente povoadas, etc... São elementos de transporte, com exceção daqueles usados em mineração. São exemplos os túneis ferroviários, rodoviários, de metrôs, de transporte de fluídos (água). No transporte de água, a finalidade pode ser tanto para obtenção de energia, como de abastecimento de populações. 11
  12. 12. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon 12
  13. 13. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Os túneis são também frequentemente usados em barragens como obras auxiliares, através dos quais as águas do rio são desviadas a fim de permitirem a construção das estruturas da barragem no leito do rio. Os túneis de desvio são, em certos casos, aproveitados posteriormente como túneis de adução, isto é, transporte das águas do reservatório até a casa das máquinas. Na maioria dos casos, o traçado, tamanho e forma da seção do túnel são estabelecidos anteriormente ao reconhecimento geológico, escolha esta governada primeiramente pelos interesses de tráfego e transporte. Este deve ser o caso dos túneis urbanos, rodoviários e ferroviários e, também, nos túneis de condução de água, nos quais as condições hidráulicas determinam seu tamanho e forma. A tendência para o traçado de um túnel é mantê-lo o mais reto possível, não só por seu percurso menor, mas também pela simplificação da construção e da sua locação topográfica. O encontro de algumas condições geológicas particularmente ruins, durante o reconhecimento prévio, pode dar lugar a um novo traçado do túnel. 1.3.2 - Atividades de Profundidade: a) Abertura (escavações) túneis para uso civil. Obras civis envolvendo escavações subterrâneas em rochas e solos exigem estudos geológicos geotécnicos detalhados e específicos, para seu sucesso. Geologia - Fatos determinantes, definição de projeto adaptado as paticularidades local. Engenharia Civil - Conhecimentos técnicos científicos para a execução da obra de engenharia. b) Escavações de Minas em profundidade c) Cavernas para hidroelétricas. 1.3.3 - Atividades Especiais: a) Engenharia de Petróleo b) Engenharia Geotécnica em Geral c) Engenharia do Meio Ambiente (armazenamento de produtos radioativos) 13
  14. 14. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Unidade 2 - ELEMENTOS SOBRE A TERRA E A CROSTA TERRESTRE 2.1 - Terra: • Esferóide achatado nos Pólos e dilatado no Equador. • Diâmetro Polar: 12.712 Km. • Diâmetro Equatorial: 12.756 Km. • Maior elevação: Everest 8.840m (HIMALAIA). • Maior depressão: Fossas Filipinas 11.516m. • Massa (calculada mediante a lei da gravitação de Newton): 6 sextilhões de toneladas. • Densidade: 5,52 (5,52 vezes o peso da água). Rochas de ocorrência na superfície: d = 2,7-3,0 ; interior da terra: > Densidade. Conclusão: Materias de ocorrência em maiores profundidades apresentam maior densidade. 2.2 - Composição da terra: • Raio Médio: 6300 Km. • Perfuração Atingida: 7Km (0,1%). • Informações sobre o interior da terra: Meios Indiretos. Estudos de Propagação de ondas sísmicas originadas por terremotos; cujas vibrações são medidas por sismógrafos. Velocidade f (densidade, estado físico, ...). Sismologia: Ciência dos terremotos (abalos sísmicos). Um abalo sísmico produz ondas de várias espécies. (1) Dentre elas devemos considerar, por ora, as ondas de compressão ou longitudinais, e as ondas de distorsão ou transversais. As ondas longitudinais apresentam maior velocidade de transmissão e por isso são ditas principais ou ondas P. A vibração se dá na direção da propagação, de modo análogo às ondas sonoras. As onda transversais são mais lentas e são também denominadas ondas secundárias ou ondas S. A vibração se faz em direção perpendicular à direção de propagação do modo análogo às ondas luminosas. Não se propagam num meio fluido. 14
  15. 15. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon A velocidade das ondas P e S dependem da densidade do meio em que se propagam. Ao atingirem a superfície de separação de dois meios fisicamente diferentes elas ficam sujeitas aos fenômenos da refração e da reflexão, dando lugar a uma descontinuidade na curva da velocidade, em função da profundidade. Existem duas descontinuidades mais importantes chamadas de 1ª ordem, por corresponderem a uma alteração muito sensível na curva velocidade-profundidade. a) Descontinuidade Mohorovicic - observada numa profundidade de 30 à 50 km nas regiões continentais e muito menos nas regiões oceânicas. b) Descontinuidade de Weichert-Gutenberg - mais notável do que a primeira, a uma profundidade de 2.900 km. Ambas as descontinuidades descritas verificam-se para as ondas P e S. Convém observar que as ondas S (transversais) não são propagadas em profundidades superior a 2.900 km; logo, o material no interior correspondente à descontinuidade Weichert-Gutenberg se comporta como um líquido relativamente à propagação das ondas elásticas. Limites da crosta, manto e núcleo: As descontinuidades de Mohorovicic de Weichert-Gutenberg são adotadas para delimitar as partes do globo. Assim temos: a) Crosta - que vai desde a superfície até a descontinuidade abaixo dos oceanos e de 30 à 50 km nas regiões continentais. A crosta terrestre será estudada no ítem seguinte. b) Manto - Compreendido entre as descontinuidades de Mohorovicic e do Weichert- Gutenberg, com uma espessura de 2.900 km. De acordo com a velocidade de transmissão das ondas sísmicas identificou ser formado de material de silicatos, alguns sulfetos e óxidos de ferro. d = 3,3 - 4,7 c) Núcleo - compreendido entre a descontinuidade de Weichert-Gutenberg e o centro da terra. É formado de um material que se comporta na parte exterior como um líquido e na parte mais interna possivelmente sólida - Ligas de ferro e níquel. d =: 12,2 2.3 - Crosta (Litosfera): 15
  16. 16. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Baseado na velocidade de propagação das ondas P, a crosta terrestra pode ser dividida em duas camadas, SIAL, ou camada “granítica” e SIMA, ou camada “basaltica”. Regiões Continentais: Zonas superiores (placas), predominância de rochas de constituição granítica, ricas em sílica e alumínio. SIAL Regiões Marinhas e inferiores aos continentes: predominância de rochas de constituição basáltica, ricas em silicatos de magnésio e ferro. SIMA O SIAL propaga as ondas elásticas com uma velocidade de 6,0 a 6,5 km /seg. compatível com o valor observado em laboratório para o granito em condições de temperatura e pressão correspondente a profundidade relativamente pequenas. O SIAL é a camada superior da crosta e em geral está coberta pelas formações sedimentares. O termo SIAL vem de Si e Al que são elementos predominantes no granitos. O SIMA (Si e Mg) é a camada inferior da crosta e propaga as ondas elásticas, com maior velocidade (de 6,5 a 7,0 km/seg. segundo Gutenberg - 1955), cuja ordem de grandeza é verificada em laboratório para as rochas basálticas. Estima-se que nas regiões continentais a espessura do SIAL é da ordem de 15 km e a espessura do SIMA é da ordem de 30 km. Já nas regiões oceânicas, o SIAL está praticamente ausente e o SIMA tem de 5 à 10 km de espessura. Constituição: Rochas (Agregados naturais de uma ou mais espécies de minerais. Constituindo assim unidades mais ou menos definidas da crosta terrestre) Classificação quanto a gênese (Formação): – Magmáticas: São aquelas formadas a partir do resfriamento e consolidação do magma, que é um material em estado de fusão no interior da terra. – Sedimentares: Formadas por consolidação de materiais derivados da decomposição e desintegração de qualquer rocha. – Metamórficas: Aquelas originadas pela ação da pressão, temperatura e de soluções químicas de outra rocha qualquer. Composição: 16
  17. 17. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon 5% 95% Rochas Sedimentares Rochas Magmáticas (e Metamórficas) 25%75% Rochas Magmáticas (e Metamórficas) Rochas Sedimentáres RELAÇÃO SEGUNDO RELAÇÃO SEGUNDO VOLUME DA CROSTA ÁREA • Composição média, em óxidos, para a crosta nas áreas continentais: SiO2................. 60,2 % Na2O................ 3,9 % Al2O3............... 15,6 % MgO................. 3,6 % Fe2O3.............. 7,0 % K2O.................. 3,2 % FeO................. 7,0 % CaO.................. 5,2 % • Elementos químicos mais comuns na Crosta da Terra: PESO (%) VOLUME (%) O 46,6 92,0 Si 27,7 0,8 Al 8,1 0,8 Fe 5,0 0,7 Mg 2,1 0,6 Ca 3,6 1,5 Na 2,8 1,6 K 2,6 2,1 2.4 - Escala geológica do tempo: • Idade da Terra?? - Dados Bíblicos - Extrapolação sobre a velocidade de fenômenos Geológicos atuais, transferindo-se seus resultados para o passado. - Estudos modernos: Radioatividade. Possibilidade de determinação do tempo de transmutação de um elemento em outro (mudança do nº atômico com o tempo). MEIA VIDA DE UM ELEMENTO Tempo T no qual METADE da massa inicial estará transformada em outro elemento. Após 2T a metade desta nova massa se desintegra, restando a quarta parte. • Função exponencial com o tempo 1g Urânio 4,6 bilhões 0,5g U 25% 1
  18. 18. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon de anos 0,43 g Pb 65% 0,07g He 10% MÉTODO ATUAL: POTÁSSIO - ARGÔNIO T= 1,3 Bilhões de anos MÉTODO RUBÍDIO - ESTRÔNCIO: Para rochas mais antigas T= 50 Bilhões de anos ESCALA GEOLÓGICA DO TEMPO ERAS PERÍODOS TEMPO EM MILHÕES DE ANOS CARACTERÍSTICAS CENOZÓICA QUATERNÁRIO TERCEÁRIO 0-1 12 - 70 HOMEM MAMÍFEROS MESOZÓICA CRETÁCEO JURÁSSICO TRIÁSSICO 135 180 220 RÉPTEIS GIGANTESCOS PALEOZÓICA PERMIANO CARBONÍFERO DEVONIANO SILURIANO ORDOVICIANO CAMBRIANO 270 350 400 430 490 600 ANFÍBIOS PEIXES INVERTEBRADOS PRÉ - CAMBRIANO SUPERIOR MÉDIO INFERIOR + 2 Bilhões RESTOS RAROS DE ESPONJAS, BACTÉRIAS, FUNGOS INÍCIO DA TERRA + 4,5 Bilhões 2
  19. 19. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Unidade 3 - MINERALOGIA Mineral: elemento constituinte das rochas. 3.1 - Conceito: Mineral: Compostos químicos formados por processos inorgânicos da natureza, de composição química definida. Os minerais em geral são sólidos. Somente a água e o mercúrio se apresentam no estado líquido, em condições normais de pressão e temperatura. São formados a partir de determinados arranjos entre átomos de diferentes elementos químicos em proporções adequadas. Petróleo e Âmbar: são considerados minerais, apesar de não terem composição química definida e serem matéria orgânica. Cristal: Formados quando há um ambiente favorável (lento aquecimento). Os grupos de átomos (moléculas) se juntam em forma ordenada. É definido numa geometria em que as faces são planas. "Toda formação em Cristal é identificado como matéria mineral, mas nem todo mineral se apresenta em forma de cristais". A figura ao lado mostra um mineral: Composição: Sio2 (Sílica) Classificação Química: Silicato (será estudado a seguir) Variedade: “Ametista” - Quartzo Roxo - em forma de cristais (extremidades) prismáticos hexagonais. 3.2 - Propriedades dos Minerais: 3.2.1- Propriedades Morfológicas: Hábito: Maneira mais freqüente com que um mineral ou cristal se apresenta. Todos minerais estão enquadrados em um dos tipos de sistema cristalino. Ex. Quartzo: Prismático, terminando por faces de romboedro. Feldspatos: Prismas monoclínicos ou triclínicos. Micas: Placas tabulares. Simetria: Não será Associação de Minerais: estudado no Curso 19
  20. 20. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon A figura acima mostra a proporção dos comprimentos de eixos, ângulos formados, figuras geométricas correspondentes e a forma mais comum de um mineral se cristalizar. (9) 3.2.2 - Propriedades Físicas Dureza: É a resistência ao risco. É dada pela escala empírica de MOHS. Dureza Mineral Dureza Mineral 1 Talco 2 Gesso 3 Calcita 4 Fluorita 5 Apatita 6 Ortoctlásio 7 Quartzo 8 Topázio 9 Coríndon 10 Diamante Obs.: • A variação da dureza dessa escala não é gradativa ou proporcional • Dureza função de: - composição química - estrutura cristalina Ex.: Diamante e grafita - carbono 10 1 a 2 Traço: É a propriedade de o mineral deixar um risco de pó, quando friccionado contra uma superfície não polida de porcelana branca. • Dureza superior ao da porcelana (7) - incolor (provoca um sulco na porcelana). • O traço nem sempre apresenta a cor do mineral. Ex.: Hematita (preto - cinzento) Traço Vermelho - Sangue 20
  21. 21. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Clivagem: É a propriedade de os minerais se partirem em determinados planos ou já apresentarem esses planos, de acordo com suas direções de fraqueza. Proeminente Mica/calcita Perfeita (aspereza) Feldspatos Distinta (escalonamento) Fluorita Indistinta Apatita Direções de Clivagem: (A) segundo uma única direção, (B) se faz em dois planos, (C) segundo três direções, (D) três direções em ângulos não reto e (E) em octaedro.(9) Fratura: Quando os minerais não se partem em planos, mas segundo uma superfície irregular. Conchoidal (Concavidades ± profunda) Plana Irregular Tenacidade: É a resistência ao choque de um martelo, ou ao corte de uma lâmina de aço. Quebradiços ou friáveis - reduzem-se a pó quando submetidos à pressão. Ex: calcita Sécteis - podem ser cortados por uma lâmina. Ex: gipsita Maleáveis - redutíveis a lâminas pelo martelo. Ex: ouro Flexibilidade: Propriedade que os minerais possuem de sofrerem deformações Def. Elástica: Deixa de existir quando retirado o esforço Ex: mica Def. Plástica: Permanece após a retirada do esforço. Ex: talco Peso Específico: (Densidade) 21
  22. 22. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon peso volume "y" do mineral G = peso volume "y" de água destilada a 4°C Fatores que influenciam no peso específico: a) natureza dos átomos Peso Atômico > → G > b) estrutura atômica diamante → compacto (3,5) grafita → menor no. de átomos (2,2) Volume Brilho: É o aspecto da reflexão da luz na superfície do mineral. Metálico: Semelhante ao brilho dos metais polidos. Não metálico: Outro aspecto. (vítreo, sedoso, acetinado, graxo, resinoso, adamantino) Cor: Observação em superfície de fratura recente. A superfície exposta ao ar se transforma, formando películas de alteração. 3.2.3 - Propriedades Químicas: De acordo com a sua composição química, os minerais podem ser classificados em: ÓXIDOS, SILICATOS, SULFATOS, CARBONATOS, SULFETOS Óxidos: Anídricos: Ex. Gelo H2O Hematita Fe2O3 Magnetita Fe3O4 Corindon Al2O3 Hidratados: Ex. Geotita FeO(OH) Bauxita Hidratados de Alumínio Carbonatos: Ex: Calcita CaCO3 Dolomita CaMg(CO3) Magnesita MgCO3 Siderita FeCO3 Silicatos: Principal classe de minerais - Será estudada na sub-unidade 3.4 Ex: Grupo do Quartzo Grupo dos Feldspatos Grupo das Micas Grupo dos Piroxênios e Anfibólios Sulfetos: 22
  23. 23. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Ex: Galena PbS Pirita FeS2 Blenda ZnS Calcopirita CuFeS2 Sulfatos: Ex: Barita BaSO4 Gipsita CaSO4.2H2O Rocha: Minerais Máficos + Félsicos Minerais Máficos: Contém Fe e Mg em sua composição química. Minerais escuros. Minerais Félsicos: Não contém Fe e Mg. São minerais de cor clara. 3.3 - Minerias de uma Rocha: A fotografia ao lado apresenta uma “amostra” de uma rocha, no caso GRANITO, em que os minerais essenciais são: - Quartzo - Feldspato e - Mica Apresenta os seguintes minerais acessórios: - Anfibólio - Piroxênio - Zircão - Apatita Minerais que formam as rochas mais comuns da Crosta Minerais essenciais (Aparecem com a maior percentagem) Grupo dos Feldspatos 60% Grupo do Quartzo 12% Grupo dos Piroxênios e Anfibólios 17% ROCHA Grupo das Micas 4% Minerais acessórios Que não predominan na constituição das rochas. Não são considerados na classificação de uma rocha. Minerais acessórios 7% 3.4 - Características dos Silicatos: 23
  24. 24. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Silicatos: Compostos químicos mais presentes na constituição das rochas. Grupo dos Feldspatos: KAlSi3O8 - Ortoclásio   Feldspatos alcalinos ou ortoclásios NaAlSi3O8 - Albita   Feldspatos alcali-cálcicos ou plagioclásios CaAl2Si2O8 - Anortita  Clivagem: 2 direções Cor: Ortoclásios: Creme, tijolo, róseo ou vermelho (impurezas da hematita) Plagioclásios: Cinza, branco, pardo, esverdeado. Brilho: Vítreo em fratura recente Ocorrência: Rochas Magmáticas e Rochas Metamórficas, mais raros nas Rochas Sedimentares porque se decompõe em argila e caulim. Grupo do Quartzo: SiO2 (sílica) - Cristalizado macroscopicamente - Quartzo (branco) Ametista (roxa) - Amorfa (não apresenta estrutura cristalina) - Opala - Microcristalina - Calcedônia Clivagem: Ausente Cor: Branco (incolor-cinza-roxa) Brilho: Vítreo Ocorrência: Deve ser suspeitada em quase todo tipo de rocha. Amostra de Quartzo em Cristais Amostra de Calcedônia - “Ágata Polida” Grupo dos Piroxênios e Anfibólios: 24
  25. 25. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon São minerais de aparência muito similar. São prismáticos, de cor escura (quantidade de Fe e Mg), com clivagem em 2 planos. PIROXÊNIOS ANFIBÓLIOS Clivagem: Quase perpendicular Oblíquos Cor: Verde escuro a preto, verde claro,cinza, claro, branco azulado Brilho: Vítreo Vítreo sedoso Ocorrência: Principalmente Rochas Principalmente Magmáticas e também Metamórficas e Metamórficas também em Magmáticas. * São muito susceptíveis à alteração em clima úmido, com formação de minerais argilosos e liberação de hidróxidos de Ferro e Manganês, conferindo uma coloração avermelhada ao mineral da rocha em alteração ou aos solos deles derivados. Grupo das Micas: Minerais caracterizados por uma ótima clivagem laminar e boa elasticidade. Distiguem 2 variedades principais: Mica branca → Muscovita Mica Preta → Biotita Clivagem: Perfeita em 1 direção Brilho: Acetinado Ocorrência: Magmática e Metamórfica ∗ A Biotita se altera facilmente por hidratação, enquanto a muscovita não tão facilmente. Amostra de Anfibólio - “Amianto” Amostra de Rocha com Cristais (Lâminas) de Mica Preta - Biotita 25
  26. 26. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Unidade 4 - ROCHAS MAGMÁTICAS (ou Ígneas) Formadas a partir do resfriamento e posterior consolidação do magma no interior ou na superfície da crosta terreste. 4.1 - Magma: Material em estado de fusão no interior da terra. Mistura complexa de silicatos, óxidos, fosfatos e compostos voláteis, sendo a água o mais importante. O Magma seria a rocha em estado de fusão. As temperaturas medidas em corridas de lava são da ordem de 900° a 1150°C. Quanto à acidez os magnos podem ser classificados como: Ácido - teor de SiO2 (sílica) > 65% Básico - " " entre 45 a 65% Ultra básico - " " < 45% Lava: Magma que atinge a superfície da terra, através dos vulcões, vindo de certas profundidades (regiões superaquecidas). É expulsa de maneira calma ou acompanhada de explosões (quando a emissão de gases aquecidos ocupam considerável volume das lavas - formação de partículas finísssimas denominadas “Cinzas vulcânicas”). A figura ilustrra uma região de vulcanismo, observe a câmara magmática e o orifício de extravazamento 26
  27. 27. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon 4.2 - Rochas Magmáticas Vulcânicas, Extrusivas ou Efusivas: Quando o magma atinge a superfície da terra, esparramando-se. Rochas formadas na superfície (derrames). O resfriamento é rápido, não passando por estágios de resfriamentos. Os cristais da rocha são muito pequenos, microscópicos (granulação AFANÍTICA). DERRAME = f (fluidez) FLUIDEZ = f (composição química) Formações: Derrames → Magmas básicos (pobre em sílica e rico em Fe e Mg - de coloração mais escura). São mais móveis e menos viscosos. Alcançam grandes distâncias do ponto de estravasamento. Estruturas Vulcânicas → Magmas ácidos. Há um acúmulo de material próximo do orifício de estravasamento não se derramando. Ex. de Rocha de origem vulcânica (formação extrusiva): 27
  28. 28. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Basalto: Rocha básica, constituída essencialmente de plagioclásios cálcicos e piroxênios. A coloração é bem escura, chegando a ser preta. O Basalto é a rocha efusiva correspondente do GABRO(rocha intrusiva correspondente). Recobre extensas áreas da região sul do Brasil: Formação de solos “escuros” → Terra roxa. Tipos (conforme sua estrutura): Denso ou maciço: Estrutura compacta Vesicular: Apresenta cavidades Vesicular Amigdaloidal: Cavidades prenchidas com minerais claros como Exemplo de um basalto vesicular amigdaloidal 4.3 - Rochas Magmáticas Plutônicas ou Intrusivas: Quando o magma não consegue romper as camadas superiores da crosta. O resfriamento é gradual, passando por estágios de resfriamentos dando origem a rochas cristalinas, de constituição macroscópica (granulação FANERÍTICA). As rochas consolidadas no interior da crosta dependem da estrutura geológica e da natureza das rochas que elas penetram. As formas intrusivas mais comuns: a) Sills: Camadas de rocha de forma tabular, relativamente pouco espessas. Magma que penetrou nas camadas de rocha, em posição aproximadamente horizontal. b) Diques: São formações normalmente verticais, mais ou menos tabulares, que cortam angularmente as camadas de rochas invadidas. ⇒ Saliências espassadas (rocha) em superfície de terreno: Quando a rocha encaixante é mais resistente à erosão que a rocha encaixada. c) Batólitos: São grandes massas magmáticas consolidadas internamente e de constituição granítica. Sendo o granito o exemplo mais representativo desta formação. Quando expostas pela erosão, abrangem grandes áreas. 28
  29. 29. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Figura publicada por Chiossi (3) Ex: de Rocha de origem plutônica (formação intrusiva): Granito: Rocha ácida, constituída de quartzo e feldspatos alcalinos e acessoriamente por biotita, muscovita ... A coloração pode ser branca, cinza, rósea ou vermelha, dependendo da cor dos feldspatos. Se apresenta em batólitos. Muito utilizado na construção civil para revestimento de fachadas de edifícios, ou como brita para concretos e para pavimentação de ruas (em pedras). 4.4 - Classificação das Rochas Magmáticas: Percentagem de sílica: Ácidas - sílica > 65% Intermediárias - " 65 - 52% Neutras ou básicas - " < 52% Cor dos minerais: Leucocráticas - < 30% minerais máficos Mesocráticas - 30 - 60% " Melanocráticas - > 60% " Granulação: Granulação grossa ∅ médio > 5 mm (rochas de grande profundidades) Granulação média ∅ 1 a 5 mm Granulação fina ∅ médio < 1 mm (rochas formadas na superfície) 29
  30. 30. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon 30
  31. 31. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Unidade 5 - ROCHAS SEDIMENTARES 5.1 - Definição: Rochas que resultam da desintegração e decomposição de rochas preexistentes (magmáticas, metamórficas ou sedimentares), graças a ação de intemperismo -conjunto de processos mecânicos, químicos e biológicos que ocasionam a transformação das rochas em sedimentos. Ciclo de transformações através do qual se formam as rochas sedimentares. Rocha Preexistente (Magmática, Sedimentar ou Metamórfica) Desintegração (ação física) Decomposição (ação química) Intemperismo Fragmento de todos os tamanhos Soluções de Ca, Mg, K, SiO2 coloidal, argilas e óxidos de Ferro Detritos Soluções Transporte e Distribuição (Por gravidade, galerias, vento, água, organismos, rios etc ...) Rocha Sedimentares Sedimentos clásticos ou mecânicos Precipitados químicos e orgânicos (arenitos conglomerados, folhelhos (calcário dolomitos, saL, carvão etc ...) etc ...) Sedimentos de Origem Mecânica A fotografia acima mostra a transformação de pedregulhos (em formas de seixos rolados) em um sedimento arenoso. 30
  32. 32. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Na classificação e identificação dos solos ou sedimentos e comum utilizar-se a nomeclatura apresentada, e oficializada pela ABNT, abaixo: 5.2 - Condições para formação das Rochas Sedimentares (3) - Presença de rochas (fonte de materiais). - Presença de agentes que desagregem ou desintegrem as rochas (ação de intemperismo). - Presença de um agente transportador dos sedimentos recém-formados (água, vento, etc). -Acúmulo de material (sedimentos) em local favorável ao processo de sedimentação (bacias de acumulação). - Consolidação desses sedimentos através do peso das próprias camadas superiores e/ou por meio de soluções cimentantes (carbonatos, óxidos ...) Diagênese: Fenômemo que compreende as modificações sofridas pelos sedimentos até a formação da rocha definitiva. 5.3 - Exemplos de Formação: Folhetos - formado a partir de sedimentos muito finos (argilas, ∅ < 0.002 min), densamente compactados e/ou cimentados. É finamente estratificado (apresenta planos de deposição de material), fragmentando-se de modo lamelar, em plaquetas. Indica sempre a decomposição de sedimentos em ambiente calmo, em lagos ou regiões de água estagnada. 31
  33. 33. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Argilitos - Semelhantes aos folhetos sendo a estratificação não facilmente notada. Formação Sedimentar - Estratificação plano-paralela de camadas entre siltitos e argilitos (9) Arenitos - Rocha detrítica, compostos predominantemente de grãos de quartzo (areias). O sedimento é atravessado por uma solução que pode ser de sílica, carbonato de cálcio, óxido de ferro, etc. que pode agir como um verdadeiro cimento. O tipo de cimento é que dá as propriedades de resistência da rocha assim formada. Arenito: areia + calcário areia + óxido de ferro ... 32
  34. 34. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Arenito eólico com estratificação - deposição dos sedimentos - cruzada (9) 5.3 - Classificação das Rochas Sedimentares Sua classificação se baseia no tipo de agente que transportam os sedimentos para a bacia de deposição e nas características de sua sedimentação. - Rochas de origem mecânica (clásticas ou detríticas). Se formam a partir do transporte de detritos inconsolidados. Grosseiros: Ex.: conglomerados, brechas Arenosos: Ex.: arenitos, siltitos Argilosos: Ex.: folhelhos, argilitos - Rochas de origem química Se formam através da precipitação de soluções químicas em bacias sedimentares. Ex.: cloreto, sal-gema, silex - Rochas de origem orgânica Devem sua origem ao acúmulo de matéria orgânica de natureza diversa. Ex.: calcários, carbonosas Foto de um Peixe fóssio em uma rocha sedimentar de origem mecânica do Cretácio (9) 33
  35. 35. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Unidade 6 - ROCHAS METAMÓRFICAS 6.1 - Conceitos Rocha Metamórfica: Rocha proveniente de transformações sofridas por qualquer tipo de rochas preexistentes que foram submetidas a processos termodinâmicos, (efeitos de variação de temperatura e pressão) os quais produziram novas texturas e novos minerais que geralmente se expressam orientados segundo diferentes traçados (fenômeno de metamorfismo). Metamorfismo: Mudanças Mineralógicas e Estruturais que sofrem as rochas (sem que sofram fusão) quando submetidas a condições físicas e químicas diferentes daquelas que originalmente as formaram. Alterações Básicas: Deformação dos Minerais Mudança de estrutura e textura (leva ao (ação da pressão) alinhamento e orientação dos grãos) Recristalização dos Minerais Desenvolvimento de novos minerais (leva os (ação maior da temperatura) grãos a uma nova formação, com surgimento de grandes grãos) Mudanças nas condições (P e T) de sua estabilidade. O mineral passa a uma nova forma estável. 34 A foto ao lado mostra um corte em rocha na execução de um traçado de uma estrada. Estrutura típica de rocha metamórfica em que se observa a presença de diversas fraturas e planos de alinhamento de minerais. O exemplo mostra um xisto com minerais dispostos em planos inclinados em relação a horizontal (Pista de Rolamento da Estrada), com veios de quartzo que se destacam.
  36. 36. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Observa-se na fotografia, tomada em close, o alinhamento dos minerais - xistosidade (presença de pressão no processo de sua formação) que se contrasta com um veio de quartzo intrusivo. Tipos mais importantes: Ardósias: (xistosidade perfeita e planar, minerais não visíveis a olho nú). Gnaisses: (minerais granulados quartzo + feldspato + mica em faixas alternadas de tons claros e escuros) Xistos: (fortemente xistosas, cristais bens visíveis e de granulação grosseira) Filitos: (rochas xistosas, de granulação fina e brilho lustroso dado pela mica) Mármores: (metamorfismo de calcários) Outras: Quartizitos, Itabiritos, Micaxistos, Migmatitos 6.2 - Formação das Rochas Metamórficas: (3) Metamorfismo Normal - Minerais de mesma natureza química dos minerais da rocha que sofrem os efeitos metamórficos. 35
  37. 37. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon - Transformações sem qualquer adição ou perda de novo material. Ex. Arenito Quartzito Rocha mole com Elevada dureza e estrutura maciça ou camadas camadas horizontais inclinadas / dobradas Calcário Mármore Metamorfismo Metassomático - Mudança de composição química da rocha, evidenciada pela formação de novos minerais não existentes anteriormente. Ex.: Gnaisse (Ortognaisse: proveniente do granito e paragnaisse: de argilito) Elevado grau de metamorfismo, com composição mineralógica variável. Argilito → Ardósia → Filtro → Micaxisto → Xisto → “Paragnaisse” Vista Geral de uma Jazida de Mármore sendo explorada - Cachoeira de Itapemirim - ES Vista da área de corte dos blocos Pátio de estocagem para carregamento 6.3 - Tipos de Metamorfismo 36
  38. 38. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Agentes do Metamorfismo: - Aumento de temperatura Met. Termal Áreas restritas e - Aumento de pressão Met. Cataclástico (dinâmico) localizadas - Aumento de pressão Met. Dinamotermal (Regional) Áreas extensas e temperatura 6.3.1 - Metamorfismo Termal Denomina-se Metamorfismo Termal a todos os tipos de mudanças que passam as rochas, sendo o fator dominante o calor. * Metamorfismo de Contacto Desenvolve-se ao redor de corpos ígneos intrusivos (como batólitos) que cedem parte de sua energia térmica a rochas vizinhas. Rochas Metamorfoseadas apresentam-se em auréolas. 37
  39. 39. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon * Pirometamorfismo: ( não é considerado como Metamorfismo Termal) Mudanças que ocorrem pelo contato imediato com o magma. Ex.: lava esparramada pelas vizinhanças de um vulcão (modificando a natureza física e química da superfície das rochas por onde passa). 6.3.2 - Metamorfismo cataclástico (dinâmico) Rochas que sofrem esforços dirigidos e tornam-se fraturadas, adquirindo estruturas e texturas próprias ou trituradas. Exemplos: Cataclasitos - Rochas formadas por esmigalhamento sem reconstituição química. Milomitos - Formada por moagem e cisalhamento dos grãos Regiões de elevada permeabilidade. 6.3.3 - Metamorfismo dinamotermal (Regional) - Ação conjunta da pressão e temperatura - Ocorre em regiões de dobramentos da crosta terrestre (processo de tectonismo - movimentação contínua ou descontínua da crosta) com a consequente formação de grandes cadeias montanhosas. 38
  40. 40. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon - Os fenômenos dinamotermais são responsáveis pelo aparecimento de rochas muito comuns como xistos e gnaisses (importância em se identificar estes materiais para melhor prever cortes em estradas e escavações...). - Metamorfismo plutônico: Influência de temperatura elevada em grande pressão uniforme (não existindo pressão dirigida), ocorridas em grande profundidade. 6.4 - Identificação Macroscópica das Rochas: (3) Metamórficas a) Presença de xistosidade Estrutura orientada em paralelismo dos minerais b) Dureza média elevada (Exceção das micáceas e carbonatadas) c) Cor variável d) Presença comum de fraturas Magmáticas a) Estrutura maciça, compacta b) Dureza média a elevada c) Cor homogênea Sedimentares a) Estrutura em camadas b) Dureza baixa c) Cor variável no sentido horizontal e vertical 39
  41. 41. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Ciclo de Trasnformação das Rochas Observe os fenômenos geológicos destacados e estudados até então: Metomorfismo : Transformação de rocha ígnea ( magmática ) a sedimentar para rocha metamórfica. Litificação (Sedimentação) : Transformação de sedimentos em rocha sedimentar a partir da cimentação e compressão de partículas minerais em geral. Resfriamento e Consolidação: Transformação de lava e magma em rocha magmática. Intemperismo : Transformação de qualquer rocha preexistente em sedimentos. Este fenômeno geológico será estudado na Unidade 08. 40
  42. 42. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Unidade 7 - PROPRIEDADE DAS ROCHAS APLICADAS À ENGENHARIA Os materiais naturais são os mais antigos materiais de construção utilizados pelo homem. Muitas civilizações empregaram a pedra de maneira intensa. Hoje em dia, em decorrência de suas altas qualidades de durabilidade, resistência e baixo custo, a “pedra” continua ocupando importante papel nas construções, principalmente em enrocamentos, fundações pouco profundas, lastro de vias férreas, pavimentos, agregados para concreto, filtros, cantaria e muitas mais. Como ocupa grandes volumes, a pedra deve ser buscada próximo ao local da obra, com o objetivo de não encarecer demasiadamente o transporte. Com isso, o Engenheiro terá a sua disposição não exatamente o material de que gostaria, e sim aquele disponível. Os estudos realizados sobre rochas são, portanto, justificados, pois o seu conhecimento possibilita a utilização daquelas que se tem à disposição, da melhor maneira possível, diminuindo o custo da obra e não conduzindo a erros que possam comprometê-la. (6) O comportamento da rocha pode ser avaliado diretamente, observando-se a pedra aplicada em obras construídas anteriormente ou, então, indiretamente, submetendo-se a rocha a experiências ou ensaios. São as seguintes as propriedades que serão estudadas e que visam sua caracterização e classificação: • Físicas (7.1) • Químicas (7.2) • Mecânicas (7.3) • Geotécnicas (7.4) Vista de um laboratório de Mecânica das Rochas. Vê-se sobre a bancada, a direita, vários corpos de prova a serem ensaiados no equipamento sendo operado pelo laboratorista, e a esquerda, reagentes para determinação de propriedades químicas das amostras. Os diversos ensaios de laboratórios mais interessam para a sua caracterização. Destas propriedades, a serem estudadas, algumas terão valor como classificação, enquanto que outras determinarão a possibilidade de emprego da rocha. 7.1 - Propriedades Físicas: (3) 40
  43. 43. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon - Cor • Tendo em vista a sua grande variabilidade, a cor é um fator bastante fraco para sua classificação, uma vez que pode apresentar cores diversas em uma mesma jazida. • Classificação das Rochas em geral tendo por base a cor : Monócromas - Única coloração, uniformemente distribuída. Polícromas - Formada de mais cores. - Peso Específico • Função do peso específico dos elementos constituintes e de sua porosidade. Aparente: Não é descontado os vazios (poros) na sua determinação. Real: Considera somente o volume de rocha. Peso Rocha (igual volume) A fotografia mostra uma serra diamantada, com a amostra (testemunho) posicionada para corte e extração de um Corpo de Prova (CP). Laboratório da CESP OBS: Densidade = Peso Água à 4o C 41
  44. 44. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Amostras de sondagem rotativa (testemunhos) armazenadas em caixas de madeira apropriadas, onde se identificam a profundidade da coleta. - Porosidade • Propriedade das Rochas em conter espaços vazios. Volume de Vazios (%) Volume Total da Rocha Classe Índice de vazios Porosidade (%) Termo 1 maior que 0,43 maior que 30 muito alta 2 0,43 - 0,18 30 - 15 alta 3 0,18 - 0,05 15 - 5 média 4 0,05 - 0,01 5 - 1 baixa 5 menor que 0,01 menor que 1 muito baixa Obs.: Para solos existe outra classificação. • A maior ou menor porosidade de uma rocha será em função: a) Tipo de Rocha Sedimentares - maior porosidade Magmáticas Intrusivas baixa porosidade Extrusivas > que intrusivas Metamórficas - baixa porosidade (de acordo com o grau de metamorfismo) η = b) Grau de Alteração Alteração da Rocha = f (dissolução e remoção de materiais das rochas) • Relação Porosidade x Permeabilidade > Porosidade - > Permeabilidade (se os poros forem interligados) OBS: Importância na elaboração de projetos de Fundações de Barragens • Relação com Resistência > Porosidade - < Resistência à compreessão 42
  45. 45. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon - Permeabilidade • É a propriedade da Rocha que está relacionada com a maior ou menor resistência que ela oferece à percolação da água. • Permeabilidade Primária - Existe desde a sua formação Permeabilidade Secundária - Devido a lixiviação, dissolução de componentes mineralógicos, etc. Rochas Metamórficas e Magmática. < Permeabilidade Rochas Sedimentares > Permeabilidade - Absorção • É a propriedade pela qual certa quantidade de líquido é capaz de ocupar os vazios de uma rocha ou parte deste vazios (ação física). Peso Após Longa Imersão Pa - Ps . 100 Ps Ca = Peso Seco Vista interna de uma estufa de laboratório com temperatura controlada em torno de 105º. São mostrados 08 (oito) corpos de prova de rocha sendo secos - retirada do teor de umidade natural da amostra de rocha. - Dureza • De difícil determinação, uma vez que as rochas são formadas por vários minerais que apresentam diferentes durezas. • Na prática são considerados três estágios de dureza: Moles - Riscável pela unha / fácil pelo canivete Médias - Riscável pelo canivete Duras - Difícil pelo canivete ou não riscável - Deformabilidade 43
  46. 46. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon É a propriedade do material se deformar quando submetido a um carregamento. • Corpo elástico: Quando descarregado, volta a posição original. • Corpo plástico: Não volta a posição original. • Rocha Propriedades Elásticas e Plásticas (deformação elástica e plástica) • Parâmetros ∆ TensãoE = ∆ Deformação Longitudinal Módulo de Elasticidade ∆ Deformação Transversal ∆ Deformação Longitudinal ν = Coeficiente de Poisson O gráfico apresentado ao lado mostra as tensões aplicadas no CP e as correspondentes deformações. Para este ensaio, a variação de tensão (obtida no trecho linear: Reta de Hooke) é igual a 3060 KPa, e a variação de deformação longitudinal é igual a 0,32%. É fácil obter no gráfico a máxima tensão aplicada no CP (no momento da ruptura), que é igual a 4500 KPa. • Determinação em Laboratório Corpo de prova deitado sobre uma mesa, sendo verificado a sua altura média com um paquímetro - Rochas Xistosas ou Estratificadas 44
  47. 47. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon F F Carga paralela a Xistosidade Carga perpendicular a Xistosidade > E < E < Deformação > Deformação • Conclusões: - As propriedades elásticas de um maciço rochoso são afetadas pela anisotropia (direção a qual se considera para a medição de uma determinada propriedade). - São também fatores de influência: • A condição de saturação (umidade) • A presença de fraturas • O módulo de elasticidade e o coeficiente de poison tem importância em problemas relacionados com a construção de túneis, galerias e fundações de barragens, entre outras. 7.2 - Propriedades Químicas - Composição Química A determinação da composição química de uma rocha, por si só, não constitui elemento suficiente para definí-la. A composição química de uma mesma rocha pode variar muito, de amostra para amostra. - Reatividade Uma determinada rocha contém elementos reativos ou não inerte, quando esses elementos químicos são capazes de reagir ao entrar em contato com outros compostos. Ex.: Sílica Mineral reage com álcalis do cimento Portland. Água fluindo para dentro de um túnel e contendo sulfato de cálcio pode atacar o concreto de revestimento. - Durabilidade É a resitência da rocha à ação do intemperismo. A durabilidade de uma rocha interessa no que diz respeito ao seu emprego como material de construção, uma vez que espera-se deste material uma permanência de suas diversas propriedades. 7.3 - Propriedades Mecânicas - Resistência à Compressão 45
  48. 48. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon • É obtida em laboratório por meio de ensaios de compressão simples em corpos de prova cilíndricos (relação entre altura/diâmetro > 2) ou cúbicos. A fotografia mostra um ensaio de Compressão Simples em um corpo de prova cilíndrico, observe: • O posicionamento do CP no equipamento (foto acima). • Equipamento eletrônico ao fundo para as medidas de deformações longitudinais (no sentido da altura do CP). • A linha de ruptura da amostra já visível, logo após a obtenção da máxima tensão no material (resistência à compressão). • Os resultados de resistência à compressão de rochas apresentam variações em função dos: - Constituintes mineralógicos - Fissuramento - Leitos de estratificação e xistosidade. - Umidade, entre outros fatores • Os corpos de prova a serem ensaiados deverão conter as várias situações que a rocha pode apresentar para que os resultados exprimam uma média da propriedade da rocha. Ex.: argilito (rocha acamada) 3 CP Compressão paralela a estratificação, seco 3 CP Compressão paralela a estratificação, saturado 3 CP Compressão perpendicular a estratificação, seco 3 CP Compressão perpendicular a estratificação, saturado São apresentados os resultados isolados e médios para cada uma das condições. Verifica-se: - Em uma mesma espécie de rocha, amostra de grãos finos possui maior resistência que amostra de grãos grossos. - Quanto mais forte for o ligamento entre os cristais, maior a resitência à compressão. - Os corpos de prova com compressão perpendicular aos planos de estratificação apresentam maior resistência à compressão. Exercício numérico de aplicação: 46
  49. 49. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon - Resistência ao Choque É a resistência que uma rocha oferece ao impacto de um peso que cai de uma certa altura. A resitência ao choque tem importância quando a rocha for usada para pavimentação de estradas e aeroportos. - Resistência ao desgaste * Resistência ao desgaste por atrito mútuo. É a resistência que a rocha apresenta, sob a forma de agregado (Pedra Britada), quando submetida a atrito mútuo de seus fragmentos. Conforme o tipo de máquina empregada para sua determinação, a resistência ao desgaste recebe o nome de: resistência ao desgaste Los Angeles, Deval, etc. * Resistência ao desgaste por abrasão (desgaste das superfícies das rochas). Tem importância especial quando a rocha for empregada sob forma de pavimento (paralelepípedos). Se a resistência à abrasão for baixa, em pouco tempo terá suas superficies lisas, o que a torna inconveniente (escorregadia, perigosa ao tráfego). → Resistência à abrasão Los Angeles 47
  50. 50. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon - Certa quantidade de rocha, de granulometria determinada, é submetida a um carga abrasiva a 500 revoluções à velocidade de 30 a 33 rpm, num cilíndro de aço. - Carga abrasiva: esferas de aço de diâmetros e pesos conhecidos. - Por fim o material é lavado secado e pesado. Peso incial - Peso final Ra = x 100 Peso Inicial Máquina Los Angeles para ensaio de desgaste por abrasão. Este equipamento é encontrado no Laboratório de Pavimentação da Faculdade de Engenharia da UFJF. - Resistência ao Corte É a resistência apresentada por uma rocha para se deixar cortar em superfícies lisas. Dependendo da disposição dos minerais em uma determinada rocha, ela pode apresentar menor ou maior dificuldade ao corte. - Comportamento ante a Britagem Resistência à britagem é a propriedade da rocha em apresentar maior dificuldade de se fragmentar, quando submetida à britagem. Vem medida pela percentagem de material fragmentado abaixo de uma certa dimensão, quando submetida à compressão em máquinas padronizadas. Exemplo dos valores obtidos em uma rocha A título de exemplo, são citados alguns valores de ensaios realizados em diorito (rocha magmática extrusiva correspondente ao granito) da Tijuca (RJ), muito utilizado como pedra de cantaria ou revestimento. Peso Específico ϒ = 2,89 g/cm3 Porosidade η = 0,82 % Absorção Ca = 0,28 % Módulo de Elasticidade E = 667.000 kg/cm2 m Coeficiente de Poisson ν = 0,15 Resistência à Compresão Simples σr = 1.065 kg/cm2 Abrasão Los Angeles (aproximado) = 32 % 7.4 - Propriedades Geotécnicas: 48
  51. 51. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon O exposto foi preparado e publicado pela A.B.G.E. Os parâmetros para a caracterização geotécnica das rochas podem ser em número de quatro: 1 - grau de alteração 2 - grau de resistência à compressão simples 3 - grau de consistência 4 - grau de fraturamento Os três primeiros parâmetros se aplicam tanto a amostra de rochas como a maciços rochosos, enquanto o grau de fraturamento só se aplica a maciços rochosos, sendo as medidas efetuadas em furos de sondagem ou em levantamentos de paredes e cortes, ao longo de uma determinada direção. Cada parâmetro, individualmente, tem expressão limitada e só adquire real valor quando associado aos outros. - Grau de alteração Podemos considerar três graus de alteração: rocha praticamente sã, alterada e muito alterada. Tal número de graus prende-se ao fato de que o estabelecimento de limites é muito subjetivo e o emprego de maior número de graus é pouco prático. É conveniente lembrar que nos três graus acima não se inclui rocha extremamente alterada, que deve ser considerada material de transição ou solo de alteração de rocha. - Grau de Resistência à Compressão Simples Representa um parâmetro que tem tido grande aceitação no meio geotécnico. É relativamente fácil de se obter, com reduzido número de corpos de prova. No quadro a seguir, as rochas são subdivididas em cinco níveis de resistência à compressão. Grau de resistência à compressão simples Rocha Resistência (Kg/cm2 ) muito resistente > 1200 resistente 1200 - 600 pouco resistente 600 - 300 branda 300 - 100 muito branda < 100 - Grau de Consistência O parâmetro a seguir baseia-se em características físicas facilmente determináveis: resistência ao impacto (tenacidade), resistência ao risco (dureza) e friabilidade. As rochas são assim divididas em quatro níveis de consistência: Rocha Características muito consistente - quebra com dificuldade ao golpe do martelo 49
  52. 52. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon - o fragmento possui bordas cortantes que resistem ao corte por lâmina de aço. consistente - quebra com relativa facilidade ao golpe do martelo - o fragmento possui bordas cortantes que podem ser abatidas pelo corte com lâmina de aço - superfície riscável por lâmina de aço quebradiça - quebra facilmente ao golpe do martelo - as bordas do fragmento podem ser quebradas pela pressão dos dedos - a lâmina de aço provoca um sulco acentuado na superfície do fragmento friável - esfarela ao golpe do martelo - desagrega sob pressão dos dedos - Grau de Fraturamento É normalmente apresentado em número de fraturas por metro linear, em sondagens ou em paredes de escavação, ao longo de uma dada direção. Consideram-se, logicamente, apenas as fraturas originais e não as provocadas pela própria perfuração ou escavação. Grau de fraturamento Rocha Número de fraturas por metro ocasionalmente fraturada < 1 pouco fraturada 1 - 5 medianamente fraturada 6 - 10 muito fraturada 11 - 20 extremamente fraturada > 20 em fragmentos torrões ou pedaços de diversos tamanhos, caoticamente dispostos - Caracterização Geotécnica da Rocha A reunião dos parâmetros anteriormente apresentados (a saber: 1 - grau de alteração; 2 - grau de resistência à compressão simples; 3 - grau de consistência; 4 - grau de fraturamento) expressa a caracterização geotécnica da rocha. O quadro exemplifica o emprego de tais parâmetros. Para efeito da exemplificação, atribuímos determinados valores ao grau de alteração das rochas. Classificação petrográfica Caracterização geotécnica da rocha Grau de alteração Grau de resistência Grau de consistência Grau de fraturamento granito (muito alterado) (brando) (quebradiço ) (medianamente fraturado) xisto (praticamente são) (resistente) (consistente ) (muito fraturado) arenito (alterado) (pouco resistente) (consistente ) (ocasionamente fraturado) 50
  53. 53. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Unidade 8 - INTEMPERISMO 8.1 - Definição: Conjunto de processos que ocasionam a desintegração (ação física) e a decomposição (ação química) das rochas e dos minerais, por ação de agentes atmosféricos e biológicos. Fenômeno também conhecido como “Meteorização”. “Não existe rocha alguma que possa escapar à sua ação. Até mesmo uma rocha tão resistente como o granito, quando sujeita por muito tempo à ação intensa do intemperismo, chega a desfazer-se entre os dedos”. (3) Intemperismo → Destruição das rochas ⇓ Produção de materiais desintegrados que formarão: * Sedimentos (arenoso, argiloso... - Granulometria e composição uniforme) * Solos (mistura ou não de sedimentos) * Rochas sedimentares (sedimentos cimentados) A fotografia mostra um corte profundo (escavação a céu aberto) em um terreno com aproximadamente 5,00 m de solo (manto de decomposição) sobre uma rocha alterada e em profundidade maior fraturada a sã. Observe tratar de um típico perfil de intemperismo em que a rocha se desintegrou facilitando posteriormente a decomposição química de seus minerais transformando-os em sedimentos (solo). 51
  54. 54. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon * Regolito ou manto de decomposição: Produto final do intemperismo. Recobre a rocha inalterada, com sua espessura variando de alguns centímetros até dezenas de metros. 8.2 - Processo de Intemperismo: 2 fases * Física ( desintegração das rochas) Entende-se por integração como a ruptura das rochas inicialmente em fendas (fraturas), progredindo para partículas de tamanhos menores sem, no entanto, haver mudança na composição, constituindo apenas em fraturamento da rocha. Agentes: variação de temperatura, congelamento de água etc... * Química (decomposição das rochas) A presença de trincas (fendas) permite a circulação da água e de agentes químicos, que em contato direto com os diversos minerais existentes contribui para a sua decomposição (alteração da composição). Agentes: hidrólise, oxidação, carbonatação, etc O perfil acima (9) mostra em uma profundidade maior a ação de agentes físicos que resultou no fraturamento da rocha e em profundidades menores a ação dos agentes químicos que resultou na transformação de fragmentos em solo. Ressalta-se que quanto mais profundo menor a ação do intemperismo. 52 8.3 - Fatores que influem no Intemperismo:
  55. 55. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon A ação maior ou menor de um determinado agente no processo de intemperismo depende de diversos fatores, tais como: Clima: Regiões áridas e ou geladas - ação mais intensa dos agentes físicos (NE do Brasil). Regiões úmidas e quentes - ação mais intensa dos agentes químicos (Centro Sul Brasil). Topografia: Regiões de aclive (elevada) - A ação da gravidade favorece a remoção da camada de solo que protege a rocha da ação das intempéries Regiões com cadeias montanhosas - barragem de correntes de ar, influenciando na ação de precipitações (chuvas). O que interfirá no clima. Tipo de Rocha: Diferentes são as resistências oferecidas ao ataque físico e químico. Um tipo ou outro de rocha apresentará maior ou menor facilidade de sofrer a ação do intemperismo. Vegetação: A fixação do solo, com suas raízes, contribui para que esta camada superficial não seja removida protegendo a rocha da ação de intempéries. 8.4 - Intemperismo Físico: b) Congelamento da água Fendas (trincas) preenchidas com água, em regiões que alcançam baixas temperaturas, tem um acréscimo de pressão quando do seu congelamento (aumento de seu volume em 10%), o que contribui para o seu fraturamento. No Brasil (clima tropical) não ocorre muito. a) Ação da variação de temperatura As variações de temperatura repentinas (durante o dia a temperatura nas rochas chegando a 60 a 70o C e a noite podendo cair próximo a 0o C) fazem com que os minerais das rochas estejam ora em estado de expansão, ora em contração. Como os coeficientes de dilatação técnica são diferentes causam nas rochas pequenas trincas que vão se alongando com o tempo, fraturando todo o maciço o que contribui para a sua desintegração em blocos. c) Cristalização de Sais 53
  56. 56. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Certas águas que circulam no interior de fendas existentes contendo soluções com sais dissolvidos se infiltram nas rochas e com sua posterior evaporação precipitam (sais), cristalizando-se e exercendo uma certa pressão, que contribui para a desintegração das rochas (comum em regiões costeiras - água do mar rica em sais). d) Ação física dos vegetais O processo de desintegração física de uma rocha pode ser incrementado quando da ação do crescimento de raízes ao longo de sua fraturas. 8.5 - Intemperismo Químico Água Pura ⇒ é relativamente inerte, não reagindo, com os minerais (maioria) Água + substâncias dissolvidas - ácidos, sais, nitratos, óxidos, produtos orgânicos ⇒ ataque aos minerais a) Hidrólise O mais importante agente do intemperismo químico Íons da água combinam-se com os íons dos minerais formando novas substâncias. Os feldapatos são relativamente pouco estáveis e sofrem facilmente a ação desse ataque. K AL Si3 O8 + H2 O → H AlSi3 O8 + KOH (feldspato) argila solução (ortoclásio) (mineral) dissolvida de K b) Hidratação Certos minerais adicionam moléculas de água à sua composição, formando novos compostos. Os minerais tem seus volumes aumentados, o que contribuiu para uma aumentados o que contribui para um aumento de pressão interna e consequente desintegração (tensão maior nos vértices arredondamento dos blocos). c) Oxidação Alguns minerais se decompõe facilmente pela ação oxidante do O2 e do CO2 dissolvidos na água. Minerais que possuem íons como o Fe++ na sua composição são mais susceptíveis devido ao Fe++ ter grande afinidade com o oxigênio. d) Carbonatação 54
  57. 57. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon O CO2 contido na água forma pequena quantidade de ácido carbônico, contribuindo para a decomposição de uma rocha. CaCO3 + H2 CO3 → Ca (HCO3)2 (calcita) (ac. carb.) (bicabornato de cálcio) e) Decomposição químico-biológica. Húmus: produto da decomposição de microorganismos e de detritos orgânicos que se transformam dando origem ao ácido húmico, que como outros ácidos, contribui e acelera a decomposição das rochas e dos solos. Analise de intemperização de uma rocha como por exemplo o granito (3) Do que foi exposto, verifica-se que da decomposição de um granito resultam substâncias diversas, que podem ser agrupadas em: a) Minerais inalteráveis - quartzo, zircão e muscovita. b) Resíduos insolúveis - argilas, substâncias corantes. c) Substâncias solúveis - sais de potássio, sódio, cálcio, ferro, magnésio e sílica. No Brasil, a importância do fenômeno da decomposição é muito grande. Em São Paulo, por exemplo, foram observados os seguintes valores. Tipo de rocha Intemperizada até uma profundidade máxima de: Arenito Basalto Granito Gnaisse 15 m 25 m 40 m 60 m 55
  58. 58. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Unidade 9 - SOLOS 9.1 - Conceitos: O solo deve ser considerado sob o aspecto de ente natural e, como tal é tratado pelas ciências que estudam a natureza, como a geologia, a pedologia e a geomorfologia. Uma boa introdução sobre o assunto voltada para a área de Engenharia Civil, é apresentada pelo Prof. Milton Vargas (12), sendo utilizada como referência bibliográfica na redação desta e da seguinte unidade. Vista aérea (1994) de uma “obra de terra” - Construção de um grande aterro nas proximidades de uma cabeçeira do Aeroporto (J. Fora), que utilizou apenas solo como material de construção. Observe a coloração diferenciada do solo cortado, mostrando o contorno da antiga rocha ali existente, que se intemperizou, transformando-se. A palavra solo não tem um significado intuitivo imediato. Em português clássico, o termo solo significa tão somente a superfície do chão, sendo o significado original da palavra herdada do latim “solum”. Agricultura Diferentes conceitos. Geologia Adquire significados específicos de acordo com a finalidade. Enga Civil No campo específico da agricultura, solo é a camada de terra tratável, geralmente de poucos metros de espessura, que suporta as raízes das plantas. Na geologia o termo adquire um significado já abordado no capítulo anterior, qual seja: Produto do intemperismo físico e químico das rochas, situado na parte superficial do manto de intemperismo. Constitui-se de material rochoso decomposto. Com a finalidade específica da Engenharia Civil, portanto, os termos solo e rocha poderiam ser definidos, considerando-se o solo como todo o material da crosta terrestre que não oferecesse resistência intransponível à escavação mecânica e que perdesse totalmente toda resistência, quando em contato prolongado com a água; e rocha, aquele cuja resistência ao desmonte, além de ser permanente, a não ser quando em processo geológico de decomposição, só fosse vencida por meio de explosivos. 56
  59. 59. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Portanto, sob um ponto de vista puramente técnico, aplica-se o termo solo a materiais da crosta terrestre que servem de suporte, são arrimados, escavados ou perfurados e utilizados nas obras da Engenharia Civil. Tais materiais, por sua vez, reagem sob as fundações e atuam sobre os arrimos e coberturas, deformam-se e resistem a esforços nos aterros e taludes, influenciando as obras segundo suas propriedades e comportamentos. O estudo teórico e a verificação prática dessas propriedades e atuação é que constituem a Mecânica dos Solos. É essa última, portanto, um ramo da Mecânica, aplicada a um material preexistente na natureza. 9.2 - Origem e Constituição: Mecanismo de formação dos solos (processo físico-químico de fragmentação e decomposição das rochas, transporte e evolução pedogênica). 1o Estágio: Expansão e con- tração térmica, alternadas das rochas sãs. • Fraturamento mecânico. • Percolação de água e crescimento de raízes de plantas nas fissuras das rochas. • Surgem grandes blocos a pequenos fragmentos. 2o Estágio: Alteração química das espécies minerais. • Ataque pela água acidulada, ácidos orgânicos, oxidação .... • Decomposição química, transformando os fragmentos em argilas/areia. 3o Estágio: Transporte por agente qualquer, para local diferente ao da transformação. (Pode ou não ocorrer) • Formação dos “solos transportados” ou “sedimentares”. 4o Estágio: Evolução pedogênica • Processos físico-químico e biológicos • Lixiviação do horizonte superficial com concentração de partículas coloidais (menores) no horizonte profundo. Impregnação com húmus (matéria orgânica) do horizonte superficial. Exs.: Processo de formação. No caso da rocha madre ser por exemplo, um basalto em clima tropical (Brasil), de invernos secos e verões úmidos, a decomposição se faz, principalmente, pelo ataque químico das águas aciduladas aos plagioclásios e outros elementos melanocráticos, dando como resultado predominantemente argilas. Não apareceria neste solo a fração areia, pois o basalto não contém quartzo, mas aparecem, em pequenas porcentagens, grãos de óxidos de ferro, muitas vezes sob a forma de magnetita. É o caso da terra roxa, do interior Centro-Sul do Brasil, que é predominantemente uma argila vermelha. 57
  60. 60. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Os arenitos, das formações sedimentares brasileiras do paleozóico ao cretáceo, dão origem a um solo essencialmente arenoso, pois não existem feldspatos ou micas em sua composição. O elemento que altera é o cimento que aglutina os grãos de quartzo. Quando esse cimento é silicoso - forma-se um solo residual extremamente arenoso. Quando o cimento é argiloso aparece no solo residual de arenito uma pequena porcentagem de argila. 9.3 - Classificação dos Solos: Registros Fotográficos de serviços de campo: Coletas de amostras de solo a) Coleta em uma jazida a ser ensaiada para ser utilizada como material de construção. b) Coleta em um leito de futura Avenida em São Pedro, próximo a UFJF. c) Coleta de amostra em uma das camadas de um pavimento em construção. 9.3.1 - Quanto a Granulometria: Sabe-se que o comportamento dos solos está de certo modo ligado ao tamanho das partículas que os compõem. De acordo com a granulometria, os solos são classificados nos seguintes tipos, de acordo com o tamanho decrescente dos grãos: a) Pedregulhos ou cascalho b) Areias - Grossas, Médias e Finas c) Siltes d) Argilas Na natureza, raramente um solo é do tipo “puro”, isto é, constituído na sua totalidade de uma única granulometria - diâmetro fixado em escalas como as apresentadas a seguir. Dessa maneira, o comum é o solo apresentar certa porcentagem de areia, de silte, de argila, de cascalho, etc. 58
  61. 61. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon • Características das Frações: Areia: A espécie mineralógica é, comumente, o quartzo. Mineral inerte, não se decompondo na presença da água. Argila: As pesquisas em argilas revelam, que elas são constituídas de pequeníssimos minerais cristalinos, chamados minerais argílicos, dentre os quais destinguem-se três grupos principais: caolinitas, montmorilonitas e ilitas. As estruturas dos minerais argílicos compõem-se do agrupamento de duas unidades cristalográficas fundamentais, indicadas na figura com a respectiva representação simbólica de cada unidade. (2) Caolinitas - São formadas por unidades de silício e alumínio, que se unem alternadamente, conferindo-lhes uma estrutura rígida. Em consequência, as argilas caoliníticas são relativamente estáveis em presença da água. Montmorilonitas - São estruturalmente formadas por uma unidade de alumínio entre duas unidades de silício. A ligação entre essas unidades, não sendo suficientemente firme para impedir a passagem de moléculas de água, torna as argilas montmoriloníticas muito expansivas e, portanto, instáveis em presença da água. Assim, tais argilas, com presença de água, experimentam expansões, fonte de inúmeros problemas para a engenharia de solos. Ilitas (hidrômicas) - São estruturalmente análogas às montmorilonitas, sendo porém menos expansivas. 59
  62. 62. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon A fotografia mostra uma ampliação em 32.000 vezes de uma lâmina de um Folhelho (Rocha Argilosa), rico em ilita-montmorilonita; as setas indicam partículas de ilita; argila expansível usada para fabricar agregados leves. Jazida Santa Isabel, Jarinu (SP). • Nomeclatura: Pedregulhoso, arenoso, siltoso, argiloso ou argilo-arenoso > % argila < % areia Ex.: Formação GRANITO → Rocha M.E. (Feldspatos, Muscovita, Biotita e Quartzo) Silicato de Silicato Hidratado de Silica Al e K Al e K Al,K,Fe e Mg Intemperismo ↓ ↓ ↓ ↓ Minerais Grãos Minerais Material Argílicos (Palhetas) Argílicos Granular (areia) SOLO Tamanhos de Grãos diferentes ARENO-ARGILOSO Minerais Acessórios (Zircão e Apatita) • Características dos Solos: (Granulometria) Solo argiloso : • Presença de coesão (atração das partículas - interação físico química), propriedade responsável pela resistência à ruptura destes solos. • Comportamento plástico (se deixam moldar em diferentes formas) Solo siltoso: • São solos de granulação fina que apresentam pouca ou nenhuma plasticidade. Um torrão de silte seco ao ar pode ser desfeito com bastante facilidade Solo arenoso: • Comportamento depende apenas da sua granulometria, não importando sua constituição mineralógica. • Não apresenta coesão, sua resistência à ruptura se dá apenas por atrito entre suas partículas. 60
  63. 63. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Como exemplo de um solo predominantemente arenoso, e que apresenta uma porcentagem de argila variável é o conhecido saibro, solo largamente utilizado na construção civil para confecção de massa de reboco e emboço de alvenaria, construção de pavimento de estradas... Pátio de estocagem de vários “montes” a serem utilizados em uma obra próxima ao depósito. Abaixo são mostrados exemplos de composição (granulometria) de dois saibros de jazidas de Juiz de Fora, em %. Jazida Pedregulho Areia Silte Argila Linhares 0.2 90.7 2.8 6.3 Milho Branco 0.3 70.1 17.3 12.3 Registros Fotográficos de serviços de laboratório: Ensaios para determinação das características e propriedades de amostras de solo. a) Diversas amostras em pátio (UFJF) de secagem ao ar, a serem ensaiadas. b) Tigelas esmaltadas com solo lavado, submetido ao ensaio de granulometria. c) Laboratoristas operando diversos equipamentos, realizando anotações e cálculos. 9.3.2 - Quanto a Origem de Seus Constituintes: (Formação Geológica) 61
  64. 64. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Quando o solo, produto do processo de decomposição permanece no próprio local em que se deu o fenômeno, ele se chama “residual”. Quando em seguida é carregado pela água das enxurradas ou rios, pelo vento ou pela gravidade - ou por vários desses agentes simultaneamente - ele é dito “transportado” ou “sedimentar”. Mas existem outros tipos de solos, nos quais aparecem elementos de decomposição orgânica que se misturam ao solo transportado. Há ainda as terras diatomáceas, constituídas por carapaças de algas ou infusórios. Finalmente, existem os solos provenientes de uma evolução pedogênica, tais como os solos superficiais que suportam as raízes das plantas ou os solos “porosos” dos países tropicais. As características de formação geológica de cada um dos solos citados serão estudos em separados na unidade seguinte. 62
  65. 65. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Unidade 10 - FORMAÇÃO GEOLÓGICA DOS SOLOS Tipos de solos segundo a origem dos seus constituintes. Residual Transportado aluvial - água ou coluvial - gravidade Sedimentar eólico - vento Orgânicos Pedogênicos (lateríticos) 10.1 - Solo Residual: São aqueles provenientes da decomposição e alteração das rochas “in situ”. Os produtos de alteração permanecem ainda no local em que se deu a transformação. Subdivididos, conforme a zona de intensidade de intemperismo, em horizontes que, geralmente, se organizam da superfície para o mais profundo, mas que, eventualmente, podem estar ausentes, num perfil de solo residual. Por outro lado a transição entre um horizonte e outro é gradativa, de forma que a separação entre dois deles pode ser arbitrária. Perfil de Intemperismo (3) O perfil à direita (dados reais obtidos em uma boletim de sondagem) evidencia a ocorrência de solo do tipo residual. A ocorrência de grãos de quartzo não “rolados” - formados quando há transporte, ocorrência de placas ocasionais de mica e após 10.00 m solo micáceo, rocha alterada, fraturada até sã. 63
  66. 66. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon Fenômeno de erosão contribuindo para o desmoronamento de grandes volumes de solo permitindo-nos visualizar um horizonte (mais superficial) de solo residual maduro - mais escuro e abaixo de saprolito. Observe as “manchas” claras evidenciando a decomposição das concetra-ções de determinados minerais contidos na rocha de origem. Solo residual maduro - superficial ou inferior a um horizonte “poroso” ou “húmico”. É a situação em que o solo perdeu toda a estrutura original da rocha-madre e tornou-se relativamente homogêneo. Solo Residual Jovem ou Saprolito - Situação em que o solo mantém a estrutura original da rocha-madre, inclusive veios intrusivos, fissuras, xistosidade e camadas, mas perdeu totalmente sua consistência. À vista pode confundir-se com uma rocha alterada, porém, pela pressão dos dedos, esboroa-se completamente. Solo de alteração de rocha / Blocos em material alterado - é o horizonte em que a alteração progrediu ao longo de fraturas ou zonas de menor resistência, deixando relativamente intactos grandes blocos da rocha original envolvidos por solo de alteração de rocha. 10.2 - Solos Transportados (Sedimentares): Quando os produtos da alteração foram transportados por um agente qualquer, para local diferente ao da transformação. Classificam-se segundo o agente de transporte: Coluvial: gravidade Solo Aluvial: água Eólico: vento 10.2.1 - Solos Coluviais: Transporte e sedimentação por um agente transportador : desde a simples gravidade, que faz cair as massas de solo e rocha ao longo dos taludes, até um enxurrada, por exemplo, que carreia o material constituinte dos solos residuais. Nas escarpas abruptas, como as da Serra do Mar, os mantos de solo residual com blocos de rocha podem escorregar, sob a ação de seu próprio peso, durante chuvas violentas, indo acumular-se ao pé do talude em depósito de material detrítico, geralmente fofo, formando os “talus”. Tais depósitos (talus) são formados por grãos de tamanho muito variável, inclusive blocos de rocha. Em geral, os grãos de argila são levados pela enxurrada e 64
  67. 67. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon carreados pelas ribeiras que descem a serra. Tais “talus” são sujeitos a movimento de rastejo (expansões e contrações periódicas, pelo efeito de temperatura, que resultam num lento movimento talude abaixo). Esse é o transporte por gravidade ou coluvial. Mas, nem todo transporte coluvial é tão violento, muitas vezes uma topografia suavemente ondulada é o resultado de erosão no topo dos morros de solo residual profundamente alterado e deposição coluvial nos vales. Esse é o caso do planalto brasileiro, onde ocorrem camadas recentes de solo coluvial fino sobre solo residual de material semelhante. OBS: a gravidade não forma o solo, ela já estava formado, sendo apenas transportado. O perfil acima, na extremidade sul do túnel da “Lagoinha”, em Belo Horizonte, exemplifica uma situação de ocorrência de solo columionar acima de um solo residual. 10.2.2 - Solos Aluviais Quando o transporte é feito por grandes volumes de água, aparecem os solos aluviais que, quando recentes, formam os terraços aluvionais das margens e as planícies recentes dos deltas dos grandes rios. A princípio as grandes torrentes carregam consigo todo o detrito das erosões, mas logo depositam os grandes blocos e depois os pedregulhos. Ao perder sua velocidade, e portanto sua capacidade de carrear os sedimentos, os grandes rios passam a depositar as camadas de areia e, em seguida, os grãos de menor diâmetro, formando os leitos de areia fina e silte. Finalmente, somente os microcristais de argila permanecem em suspensão nas grandes massas de água dos lagos ou das lagunas próximas ao mar. A sedimentação da argila dá-se, então, ou por floculação das partículas em suspensão, devido à neutralização de suas cargas elétricas de mesmo sinal, pelo contato com água salgada do mar, ou por efeito da radiação solar nas águas doces dos lagos interiores. 65 Assim, a enxurrada e as águas dos rios em seu caminho para o mar transportarão os detritos de erosão e os sedimentos em camadas, na ordem decrescente de seus diâmetros. Inicialmente sedimentam-se as camadas de pedregulhos, depois as de areias e siltes e, por fim, a camada de argila. Essas camadas constituem os solos
  68. 68. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon transportados aluvionares, formando o seu conjunto, “ciclos de sedimentação”. Em cada camada predominam ordenadamente os tamanhos de grãos correspondentes aos pedregulhos, areias, silte e argila. Embora os aluviões sejam, via de regra, fonte de materiais de construções, são, por outro lado, péssimos materiais de fundações. Ocorrência de aluvião no traçado do “Acesso Norte” em Juiz de Fora, próximo ao Cimento Tupi, próximo à Benfica. Observa-se o fato de estar próximo do rio paraibuna. 10.2.3 - Solos Eólicos: Dépositos de material granular, proveniente do transporte, pelo vento, das areias das praias ou desertos. Apresenta uma grande uniformidade dos grãos (seleção dos ventos). loess = depósitos eólicos formados a grandes distâncias. Partículas muito finas. 10.3 - Solos Orgânicos: Dá-se pela impregnação da matéria orgânica em sedimentos pré-existentes ou pela transformação carbonífera de materiais, geralmente de origem vegetal, contidos no material sedimentar. 66
  69. 69. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon São os solos de cor escura encontrados nas baixadas litorâneas ou nas várzeas dos rios interioranos. Decomposição da matéria orgância: - Produto escuro: húmus - Facilmente carregado pela água O húmus impregna permanentemente as argilas e siltes, que são solos finos, e em menor extensão as areias e os pedregulhos (solos permeáveis). Quando a matéria orgânica provém da decomposição sobre o solo de grande quantidade de folhas, caules e troncos de árvores há um processo incipiente de carbonificação, então forma-se um solo fibroso, essencialmente de carbono, que se chama turfa. A diferença entre as argilas, siltes orgânicos e a turfa está na densidade. As primeiras são mais pesadas, pois a turfa é constituida de grandes teores de carbono que tem pequena densidade. 10.4 - Solos Pedogênicos (Lateríticos): 67 Evolução Pedogênica - por esse nome se agrupa uma complexa série de processos físico-químicos e biológicos que governam a formação dos solos da agricultura. Em essência esses processos compreendem a lixiviação do horizonte superficial e concentração de partículas coloidais no horizonte profundo, e, além disso,
  70. 70. Elementos de Geologia - 1995 Prof. M. Marangon a impregnação com húmus do horizonte superficial. A camada de solo que sofre esse processo, recebe na Engenharia o nome de “solo superficial”, o qual tem escasso interesse técnico nos casos em que é de pequena espessura. Entretanto, de grande valor técnico, para nós, são as camadas de “solos porosos”, cuja formação se deve a uma evolução pedogênica em clima tropical de alternâncias secas, no inverno, e extremamente úmidas, no verão, resultando dessa evolução, na maioria dos casos, os solos lateríticos. Tais solos têm espessuras que podem atingir mais de 10 m e recobrem extensas zonas do Brasil Centro-Sul. São solos de granulometria arenosa, porém, não raro, são argilosos - como é o caso das argilas vermelhas porosas dos espigões da Cidade de São Paulo. Um tipo de solo de natureza pedogênica são os pedregulhos latéricos - ou, simplesmente, as lateritas - cuja importância técnica é cada vez maior, em enormes zonas do país, para a construção de bases rodoviárias. São concreções formadas em clima de profunda alternância de estações secas e úmidas. 68

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