Características da Radioatividade Natural do Município de Macaé

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1 Revista de Engenharia da Faculdade Salesiana n. 1 (2014) pp Características da Radioatividade Natural do Município de Macaé Hans S. Santos, Mônica E. Gonçalves e Ariana P. Gomes Abstract - Data analysis of radiometric airborne surveys provided by CNEN - Comissão Nacional de Energia Nuclear, CPRM - Serviço Geológico do Brasil and ON - Observatório Nacional allowed assessment of natural radioactivity in Macaé County. The results allowed development of natural radioactivity maps of Uranium, Thorium, Potassium and Total Count recorded in counts per second (cps). In general, high levels of radioactive counts occur in regions of high altitudes and rural areas (Glicério, Frade, Sana, Bicuda Grande, Bicuda Pequena e Cachoeiros de Macaé). There is evidence that granite and gneiss have high levels of radioactivity. The lowest scores were found on the margins of the Macaé River and also in the coastal lowland and more urbanized regions. These low radioactivity counts were associated with sandy-silty-clay deposits, gravel and mangroves present in the margins of the Macaé River and coastline. The set of maps obtained provides a radiometric base that can be used in other studies such as geological, geochemical and environmental. Therefore, these maps contribute to the knowledge of the soil and subsoil of Macaé County and surroundings. Keywords: Radioactivity; Radiometry; Macaé. N I. INTRODUÇÃO o contexto da Segunda Guerra Mundial, a necessidade de obter acesso às fontes minerais de energia nuclear, tais como Urânio promoveu a criação da aeroradiometria onde as ocorrências de jazidas nucleares podem ser avaliadas através do mapeamento da radioatividade das rochas do solo e subsolo, utilizando detectores de radiação [1]. O levantamento radiométrico pioneiro no Brasil foi realizado na região de São João del Rei em Minas Gerais no ano de 1953 pela empresa PROSPEC. O levantamento gamaespectrométrico ainda era muito rudimentar e constava de um cintilômetro com um sistema de saída puramente analógico e eletromecânico [2]. O desenvolvimento tecnológico proporcionou uma grande evolução nas técnicas aeroradiométricas. Os dados agora adquiridos de forma digital por detectores modernos são processados por computadores. Todo o sistema de navegação também foi aperfeiçoado por meio do uso de GPS [3]. O estudo da radioatividade emitida pelas rochas da superfície, além de facilitar estudos geoquímicos e ambientais, poderá auxiliar na compreensão da geologia da região. Na área do estado de Rio de janeiro, o levantamento gamaespectrométrico aéreo foi realizado em 1978 pelo CPRM Serviço Geológico do Brasil (Projeto Código 1038). Este trabalho visa promover a análise dos dados extraídos deste levantamento, referente à porção continental do município de Macaé. II. CARACTERÍSTICAS DO MUNICÍPIO DE MACAÉ O município de Macaé conta com uma área total de 1.215,904 km² e está situado a 180 quilômetros da capital do estado do Rio de Janeiro. Um dos destaques deste município é a instalação da PETROBRAS juntamente com a Bacia de Campos, a principal portadora de recursos petrolíferos do Brasil [4]. O município de Macaé faz parte da região Norte Fluminense que compreende os seguintes municípios: Campos dos Goytacazes, Carapebus, Cardoso Moreira, Conceição de Macabu, Macaé, Quissamã, São Fidelis, São Francisco de Itabapoana e São João da Barra (Fig. 1) [5]. Fig. 1. Região Norte Fluminense [5]. 11

2 SANTOS H.S. ; GONÇALVES M.E.; GOMES A.P. / Revista de Engenharia da Faculdade Salesiana n.1 (2014) pp fluviais e flúvio-marinhos da unidade Depósito Colúvio- Aluvionar conforme a carta geológica a seguir (Fig. 5) [9]. O mapa geológico da região de Macaé (Fig. 5) é descrito pelas seguintes unidades geológicas [9]: Fig. 2. Município de Macaé [6]. São municípios vizinhos: Rio das Ostras, Nova Friburgo, Conceição de Macabu, Carapebus, Trajano de Moraes e Casimiro de Abreu. Destacam-se os bairros: Sana, Bicuda Grande, Bicuda Pequena, Cachoeiros de Macaé, Glicério, Areia Branca, Córrego do Ouro e Barra de Macaé (Fig. 2) [6]. O nome do município é uma referência ao Rio Macaé que corta boa extensão do município. O clima se apresenta quente e úmido na maior parte do ano, com temperaturas variando entre 23ºC e 38ºC. Essa grande amplitude é ocasionada pela troca de ventos entre o litoral e a serra que são relativamente próximos [4]. O relevo do município é tido como ondulado com estreitos vales. A altitude varia desde o nível do mar até pouco mais de 1 km de altitude de acordo com o mapa confeccionado através de dados do modelo de topografia global V16.1 (Fig. 3) [7]. O setor de planície de Macaé é dominado por pastagens e também pela monocultura da cana-de-açúcar. Nas proximidades do mar e nas lagoas ainda podem ser encontrados alguns arbustos e mata rasteira típicos de restinga. Já na região serrana ao oeste do município a Mata Atlântica pode ser encontrada em alguns setores (Fig. 4) [8]. Granitoides Pós-Tectônico Ocorrem na área (Hornblenda)-biotita granitoides do tipo-i, de granulação fina a média, textura equigranular a porfirítica localmente com foliação de fluxo magmático preservado. A maioria são corpos tabulares, diques e pequenos batólitos cortando as rochas regionais. Ocorrem também como plútons homogêneos, algumas vezes com evidências de magma. Fases aplíticas tardias são abundantes. 1) Granito São Pedro; 2) Granito São José do Ribeirão; 3) Granito Caju; 4) Granito Anta; 5) Maciço Pedra Branca; 6) Granito Cassorotiba; 7) Granito Teresópolis; 8) Granito Favela; 9) Granito Nova Friburgo; 10) Granito Morro dos Frades; 11) Granito Sana; 12) Granito Suruí; 13) Granito Andorinha; 14) Granito Ipiranga; 15) Granito Alvim Cesário; 16) Granito Utinga; 17) Granito Silva Jardim; 18) Granito Mangaratiba; 19) Granito Mambucaba; 20) Granito Angra; 21) Granito Carrasquinho; 22) Granito Itaoca; 23) Granito Morro do Coco. Depósito Colúvio-Aluvionar Depósitos fluviais e flúvio-marinhos areno-síltico-argilosos com camadas de cascalheiras associados a depósitos de tálus, e sedimentos lacustrinos e de manguezais retrabalhado. Depósito Marinho e Flúvio-Marinho Depósitos flúvio-marinhos síltico-areno-argilosos, ricos em matéria orgânica, englobando linhas de praia atuais a antigas, além de manguezais. Suite Desengano Granito tipo-s com granada, muscovita e biotita de granulação grossa, texturas granoblástica e porfirítica com forte foliação transcorrente. Localmente podem ser observados domínios e "manchas" charnockíticas portadoras de granada e ortopiroxênio. Xenólitos erestitos de paragnaisses parcialmente fundidos (migmatitos de injeção) ocorrem com frequência. Plutos correlatos: Granito Santa Terezinha (N2ds); Granito Carapebus (N2dca); Granito Serra da Concórdia (N2dsc). Fig. 4. Vista satélite do município de Macaé [8]. As principais formações geológicas no município são o Complexo Região dos Lagos, o Granito Sana e os depósitos Complexo Rio Negro 12

3 Ortognaisse bandado, TTG, de granulação grossa, texturas porfiríticas recristalisadas e, com forte foliação tangencial. Intercalações de metagabro e metadiorito deformados (anfibolito) ocorrem localizadamente. Intrusões de granada leucogranitos tipo-s e de apófises de granitoides do Batólito Serra dos Órgãos ocorrem regionalmente. Plútons correlatos: Gnaisse Archer (N1ra); Gnaisse Tingui (N1rt); Complexo Trajano de Morais (N1rtm) e Complexo Capim Angola (N1rc). O Potássio ( 40 K), o Urânio ( 238 U, 235 U e elementos da série urânio de decaimento) e Tório ( 232 Th e elementos da série tório de decaimento) são os únicos que emitem radiação gama de intensidade suficientemente grande para serem utilizados no mapeamento geológico. A detecção é realizada por meio de janelas de energia específicas (Fig. 6). As faixas de energia típicas para a aquisição e processamento são para o potássio de 1,37 MeV a 1,57 MeV, para o urânio de 1,66 MeV a 1,86 MeV, para o tório de 2,41 MeV a 2,81 MeV e para a Contagem Total de 0,400 MeV a 2,810 MeV [11]. Complexo Região dos Lagos Hornblenda-biotita ortognaisse cálci-alcalino, granodiorítico a tonalítico com textura granoblástica a porfirítica recristalizada (porfiroclástica) e forte foliação tangencial. Frequentes veios anatéticos, sintangenciais, de leucossomas graníticos (fusão in situ, bem como paleodiques máficos (anfibolitos) dobrados. Complexo Paraíba do Sul Granada-biotita-sillimanita e gnaisse quartzo-feldspático (metagrauvaca) com bolsões e veios anatéticos ou injetados de composição granítica. Intercalações de gnaisse calcissilicático e quartzito frequentes. Variedades com cordierita e sillimanita (kinzigito) com contatos transicionais com o granada biotita gnaisse. Horizontes de xistos grafitosos são comuns. Também ocorrem rocha calcissilicática, metacarbonática (ca) e quartzito (qz). Em raros domínios com baixas taxa de strain estruturas turbidíticas são preservadas. Complexo Búzios Cianita-sillimanita-granada-biotita xisto e gnaisse quartzofeldspático intercalado com granada anfibolito e gnaisse calcissilicático. Fusão parcial com formação de leucogranito granadífero ocorre regionalmente. Nos domínios com baixa taxa de estruturas turbidíticas são preservadas. III. O MÉTODO RADIOMÉTRICO O método radiométrico consiste na detecção das emissões de radiações nucleares das rochas que contêm minerais radioativos. No caso, detecta-se a radiação gama (onda eletromagnética) através de um cintilômetro ou contador Geiger. O método é muito usado para mapeamento geológico, geoquímico e ambiental, podendo ser útil para identificar as litologias do solo e subsolo através do conteúdo radioativo [10]. A. Fontes de Radiação Gama A radiação gama é um fóton possuindo energia discreta que é característica do material emissor. Através da medida da energia dos fótons, pode-se determinar a fonte da radiação [1]. Fig. 6. Janelas de energia características de Potássio, Urânio e Tório [11]. B. Geoquímica dos Radioelementos O Potássio (K), o Urânio (U) e o Tório (Th) são os elementos que mais contribuem para a radioatividade natural das rochas. Todos eles são muito concentrados em materiais geológicos ígneos ácidos. O Potássio natural (contendo o 40 K) é o mais abundante dos três radioelementos naturais. As principais fontes são os feldspatos potássicos, muscovitas e biotitas. O Urânio ( 238 U) e o Tório ( 232 Th) podem ser encontrados em quantidades pequenas em minerais como quartzo e feldspatos e em concentrações maiores em minerais como o zircão, o epidoto, a monazita e a apatita. Em rochas ígneas, a radioatividade pode variar muito devido às características químicas, mineralógicas, petrográficas e estruturais [12]. 13

4 Tab. 1. Radioatividade de algumas rochas [13]. também chamado de teste de calibração, é mantida uma direção de voo para coleta de medidas em cerca de 3 minutos a uma altura de aproximadamente 800 m. No teste chamado "Background" ou "Medidas de Fundo" são realizadas medidas radiométricas do ambiente. Além dessas correções, pode ser citada a correção do Efeito Compton em que a radiação gama sofre um espalhamento aumentando seu comprimento de onda e reduzindo a energia do fóton [16]. C Aquisição e Correções de Dados Radiométricos Aéreos Levantamentos radiométricos têm por objetivo a localização de corpos radioativos e a determinação da natureza e concentração dos radioisótopos que dão origem a anomalias radiométricas. A técnica consiste no uso de sensores cintilômetros para medição de radiações nucleares com aquisição de dados ao longo de uma malha regular, ao longo de perfis ou também por meio de observações aleatórias. Geralmente, os resultados dos levantamentos são disponibilizados em unidades de contagem por segundo (cps). As conversões desses valores, com base em dados de calibração do sistema de aquisição, resultarão em medidas quantitativas das concentrações de K, U e Th, presentes no meio geológico [14]. Os levantamentos radiométricos podem ser terrestres ou aéreos. Nos levantamentos terrestres, o sensor de radiação é posicionado no chão, ou na superfície na qual se deseja realizar a medição. Nos aerolevantamentos, o equipamento fica no interior de uma aeronave. A altura de voo e o espaçamento entre as linhas de voo determinam a resolução do levantamento. O espaçamento das linhas de voo costuma ser em torno de 1 a 2 km com uma densidade de medidas em cada linha em torno de 70 a 100 m [15]. Algumas correções e testes precisam ser aplicados após a aquisição de dados aeroradiométricos antes de se proceder à interpretação dos resultados. O teste denominado de "Low Level" ou "Altitude Baixa" é realizado através de uma rampa de medida na própria pista do aeroporto em que a aeronave faz voos em alturas típicas de prospecção que são em torno de 100 m. Realizando então coletas a cada 2 minutos. Como o teste é realizado sempre na mesma rampa, isso gera um padrão de medidas radiométricas para a correção da variação diurna. No teste denominado de "High Level" ou "Altitude Elevada", IV. PROCESSAMENTO E INTERPRETAÇÃO DOS DADOS Todo o município de Macaé se encontra coberto por levantamento aeroradiométrico, o qual foi realizado com uso de aeronave Bandeirante com intervalo de amostragem de 100 m, perfis espaçados de 1 km e linhas de medida na direção N- S. O gama-espectrômetro utilizado no levantamento foi o Geometrics GR-800A com cristais de iodeto de sódio ativado por tálio e volume de 3072 polegadas cúbicas [17]. No processamento dos dados foram utilizados um grande banco de dados disponibilizados pela CNEN - Comissão Nacional de Energia Nuclear, CPRM - Serviço Geológico do Brasil e ON - Observatório Nacional nos formatos descritos como "xyz" e "gdb" da Geosoft. Os levantamentos constam de medidas aéreas da radiação natural gama emitida pelo solo e formações geológicas próximas à superfície. As medições gama espectrométricas incluíram radiações emitidas pelos elementos potássio (K), Urânio (U) e Tório (Th). Os resultados foram registrados como contagem por segundo (cps) dos canais referentes a esses elementos e também a contagem total (CT). Foram processados dados de uma área abrangendo todo o município de Macaé que proporcionaram um estudo regional. Os dados brutos receberam as correções de rotina do método radiométrico como as correções de altura, Efeito Compton, Background e também aplicação de micronivelamento. São apresentados nos mapas a seguir os resultados dos mapas de contagens de Potássio (Fig. 7), Tório (Fig. 8) e Urânio (Fig. 9) após incorporar as correções e gridagem através da técnica de mínima curvatura com células de 250 m. Os resultados ilustrados nos mapas da Fig. 7, Fig. 8 e Fig. 9 indicam que as maiores contagens de Potássio, Tório e Urânio ocorrem na região oeste que corresponde às áreas rurais: Glicério, Frade, Sana, Bicuda Grande, Bicuda Pequena e Cachoeiros de Macaé. A região litorânea e mais urbanizada, onde existem corpos aquáticos extensos, apresenta valores de contagens relativamente menores. Esse comportamento foi já esperado, pois os teores de urânio, tório e potássio é significantemente menor na água. Elementos de urbanização como estradas e prédios também dificultam a detecção de radiação nuclear. As variações regionais de contagens por segundo ilustradas nas figuras 7, 8 e 9 indicam que as maiores concentrações de Potássio, Tório e Urânio ocorrem em regiões mais altas com altitudes variando entre 300 m até m. As regiões 14

5 litorâneas com menores altitudes e adjacentes ao Rio Macaé cobertas por depósitos fluviais e manguezais apresentam em geral baixos valores de CPS. A comparação da Fig. 7, Fig. 8 e Fig. 9 com o mapa geológico (Fig. 5) mostra que os valores elevados de contagens de Potássio e Tório estão associados com os granitos da unidade Granitoides Pós-Tectônicos - Granito Sana (eg5) e aos gnaisses quartzo-feldspáticos do Complexo Paraíba do Sul (MNps). As contagens de Urânio na região de Macaé são muito mais baixas que as de Potássio e Tório. Essas contagens de Urânio na região oeste são associadas com os granitos da unidade Granitoides Pós-Tectônicos - Granito Sana (eg5) e na região leste ao Granito Carapebus (N2dca). Já as contagens mais baixas de Potássio, Tório e Urânio estão associadas aos depósitos fluviais e flúvio-marinhos das unidades Qha e Qphm que englobam cascalheiras, depósitos ricos em matéria orgânica e linhas de praia atuais e antigas, além de manguezais. Também foi confeccionado o mapa de contagem total de radioatividade da região do Município de Macaé (Fig. 10). O Mapa de Contagem Total da região de Macaé também mostra uma predominância de contagens radioativas nas regiões mais altas e mais rurais associadas principalmente com os granitos da unidade Granitoides Pós-Tectônicos - Granito Sana (eg5), aos ortognaisses do Complexo Região dos Lagos (Pγ1rl) e aos gnaisses quartzo-feldspáticos do Complexo Paraíba do Sul (MNps). Já as contagens mais baixas estão associadas às regiões que beiram o Rio Macaé e o Mar através dos depósitos fluviais e flúvio-marinhos das unidades Depósito Colúvio-Aluvionar (Qha) e Depósito Marinho e Flúvio- Marinho (Qphm). V. CONCLUSÕES Após o processamento dos dados de radioatividade fornecidos pela CNEN, CPRM e ON, a aplicação do método radiométrico de Urânio, Tório e Potássio no município de Macaé permitiu a elaboração de mapas de radioatividade registrados em contagem por segundo (cps) e permitiu também a obtenção do mapa de contagem total de radioatividade. Os mapas obtidos foram comparados com mapas topográficos, mapa geológico, mapa de vegetação e com a própria divisão de bairros do município. Em geral, as grandes contagens radioativas foram encontradas nas regiões de maiores altitudes e mais rurais como nos bairros: Glicério, Frade, Sana, Bicuda Grande, Bicuda Pequena e Cachoeiros de Macaé. Essa radioatividade encontrada é oriunda principalmente dos granitos e gnaisses encontrados em abundância nessas regiões. As menores contagens foram encontradas nas margens do rio Macaé e também na região costeira de baixa altitude e mais urbanizada. Essas baixas contagens de radioatividade foram associadas com depósitos areno-síltico-argilosos, cascalheiras, e manguezais presentes nas margens do rio Macaé e litoral. O conjunto de mapas obtido fornece uma base radiométrica que poderá ser utilizada em outros estudos como geológico, geoquímico e ambiental, contribuindo para o conhecimento do solo e subsolo do município de Macaé e arredores. Para estudos futuros, sugere-se o reprocessamento desses dados de forma a se obter as concentrações K%, eth e eu que poderão prover mais informações geológicas úteis. REFERÊNCIAS [1] J.R.S. Silva, "Estudo do Levantamento Aerogeofísico do Estado do Rio de Janeiro na Região dos Lagos." Ph.D. Thesis, Observatório Nacional, Rio de Janeiro [2] J.D. Hildenbrand, "Aerogeofísica no Brasil e a evolução das tecnologias nos últimos 50 anos." I Símpósio de Geofísica da Sociedade Brasileira de Geofísica [3] IAEA. "Radioactive waste management glossary." 2003 ed. Vienna : International Atomic Energy Agency [4] C.F. Lucchesi, "Estudos Avançados. Petróleo." 12 (33), [5] IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. "O Brasil Município por Município." [6] C.S. Diniz, "Ecosentido Guia de Turismo: Ecologia, Esporte e Lazer na Costa do Sol." [7] D.T. Sandwell, E. Garcia, K. Soofi, P. Wessel, W.H.F. Smith, "Towards 1 mgal Global Marine Gravity from CRYOSAT-2, ENVISAT and JASON-1." The Leading Edge, 32(8), [8] LANDSAT. "Earth Science Division and ECF Information. (ESDECFI)." Disponível em: <http://www.espo.nasa.gov/project/satellite.html>. Acesso em: setembro, [9] L.C. Silva, H.C.S. Cunha, "Geologia do Estado do Rio de Janeiro: texto explicativo do mapa geológico do Estado do Rio de Janeiro." Brasília: CPRM. 2ª edição [10] M. Ernesto, N. Ussami, "Introdução à Geofísica." Apostila da disciplina Introdução à Geofísica - USP. Departamento de Geofísica IAG/USP [11] P. Kearey, M. Brooks, I. Hill, "An Introduction to Geophysical Exploration." Blackwell Science Ltd. 3 ed, 281 p [12] R.M. Vasconcellos, M.J. Metello, A.C. Motta, R.D. Gomes, "Geofísica em Levantamentos Geológicos." Rio de Janeiro: CPRM. p

6 [13] W.M. Telford, L.P., Geldart, R.E. Sheriff, "An Introduction to Applied and Environmental Geophysics", 2nd. Cambridge University Press [14] M.J.S. Gomes, "Utilização de métodos geofísicos em sambaquis fluviais, região do Vale do Ribeira de Iguape SP/PR." Universidade de São Paulo USP faculdade de filosofia letras e ciências humanas FFLCH. Museu de arqueologia e etnologia MAE programa de pós-graduação em arqueologia. Dissertação de Mestrado [15] L.S. Nascimento, "Análise de Dados de Espectrometria- Gama Aérea e de Sensoriamento Remoto do Estado do Rio de Janeiro por Redes Neurais Artificiais. Aplicação ao Mapeamento Geológico Digital." Rio de Janeiro [16] S.N.P. Guimarães, "Avanços recentes na determinação das estruturas geológicas em subsuperfície da Província Uranifera Lagoa Real (BA) a partir de dados aerogeofísicos." Observatório Nacional. Rio de Janeiro [17] CPRM. "Projeto São Paulo - Rio de Janeiro (Área Rio de Janeiro), código 1038." Convênio DNPM/CPRM, Relatório Final, texto e anexos, Volumes VI a X, Rio de Janeiro, Mônica E. Gonçalves e Ariana P. Gomes são graduandas em Engenharia Química na Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora. Hans S. Santos é doutor em Geofísica pelo Observatório Nacional (2013). Atualmente é professor nos cursos de Engenharia Química e Engenharia de Produção com Ênfase em Instalações no Mar da Faculdade Salesiana Maria Auxiliadora. 16

7 SANTOS H.S. ; GONÇALVES M.E.; GOMES A.P. / Revista de Engenharias da Faculdade Salesiana n.1 (2014) pp Fig. 3. Mapa Topográfico de Macaé confeccionado a partir de dados do modelo TOPEX V16.1 [7]. Fig. 5. Mapa geológico do município de Macaé e áreas vizinhas [9]. 17

8 Fig. 7. Mapa de distribuição geográfica de potássio da região de Macaé. Fig. 8. Mapa de distribuição geográfica de tório da região de Macaé. 18

9 Fig. 9. Mapa de distribuição geográfica de urânio da região de Macaé. 19

10 Fig. 10: Mapa de distribuição geográfica da contagem total da região de Macaé. 20

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