DMC/FURG - Mecânica dos Solos - Prof. Cezar Bastos NOÇÕES DE GEOLOGIA APLICADA A ENGENHARIA

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1 NOÇÕES DE GEOLOGIA APLICADA A INTRODUÇÃO Importância do conhecimento básico de Geologia em Engenharia: Perfis rochosos ou compostos (rocha e solo) Os solos têm origem na decomposição das rochas e podem preservar características mineralógicas e físicas NOÇÕES DE MINERALOGIA Mineral Substância inorgânica e homogênea que ocorre naturalmente, com uma combinação química definida e com uma estrutura atômica ordenada Estrutura interna dos minerais Arranjo geométrico interno estrutura cristalina macrocristalina microcristalina Ex: Halita (NaCl) criptocristalina S/ arranjo cristalino estrutura amorfa Importância nas propriedades físicas: grafite x diamante Sistemas cristalinos: cúbico tetragonal rômbico hexagonal romboédrico monoclínico triclínico

2 NOÇÕES DE GEOLOGIA APLICADA A Sistemas cristalinos (ABGE, 1998) Departamento de Materiais e Construção FURG Mecânica dos Solos - Notas de Aula - Prof. Cezar Augusto Burkert Bastos

3 DMC/FURG - Mecânica dos Solos - Prof. Cezar Bastos

4 Classificação dos minerais silicatos não silicatos Silicatos Unidade básica tetraedro de sílica (SiO 4 ) -4 Neutralizando as valências: Cátions metálicos: Al +3, Fe +2, Fe +3, Ca +2, Mg +2, K +, Na +,... Ânions simples: OH -, Cl -, F -,...

5 Estrutura dos silicatos - agrupamento dos tetraedros de sílica Nesossilicatos - tetraedros isolados Sorossilicatos - tetraedros unidos pelo vértice Ciclossilicatos - tetraedros unidos formando anéis Inossilicatos - tetraedros em linha (cadeia) cadeia simples cadeia dupla Filossilicatos - tetraedros em estrutura planar (lâminas) Tectossilicatos - tetraedros numa estrutura tridimensional

6 Principais minerais formadores das rochas quartzo, feldspatos, anfibólios, piroxênios e micas Quadro 3.1. Principais minerais silicatados e as respectivas proporções médias na litosfera SILICATO PROPORÇÃO EM VOLUME (%) Quartzo 12 Feldspatos 51 Micas 5 Anfibólios 5 Piroxênios 11 Olivina 3 Argilominerais 5 quartzo SiO 2, arranjo estrutural compacto dos tetraedros alta resistência à alteração / dureza: 7 / densidade: 2,65 / hábito: prismático, maciço, granular / cor: incolor (puro) / sem clivagem feldspatos silicatos de Al, K, Ca e Na - substituição parcial Al +3 Si +4 deficiência de carga positiva compensada por cátions Ca +2, Na + e K + ortoclásio/microclínio - KAlSi 3 O 8, plagioclásios albita - NaAlSi 3 O 8, anortita - CaAl 2 Si 2 O 8 alteração liberação de K, Na, Ca, Al, Si e O para a formação de outros minerais / dureza: 6 a 6,5 / densidade: 2,5 a 2,7 / boa clivagem anfibólios e piroxênios silicatos de Al, Fe, Mg - substituição parcial Al +3 Si +4 compensada por Ca +2, Mg +2 e Fe +2 augita - (Ca, Na)(Mg, Fe +2, Fe +3, Al)(Si, Al) 2 O 6 hornblenda - Ca 2 (Mg, Fe, Al) 5 (OH) 2 [(Si, Al) 4 O 11 ] 2 alteração liberação de Fe, Al, Si, Mg e O para a formação de outros minerais / dureza: 5 a 6 / densidade: 3,2 a 3,4 / hábito: prismáticos, lamelares ou granulares, colunar curto / cor: verde escuro ao preto micas aspecto estratificado plano filossilicatos muscovita - KAl 2 (Si 3 Al)O 10 (OH) 2 dureza: 2 a 2,5 / densidade: 2,8 a 3,1 / cor: incolor a cinza, amarela ou verde / hábito: tabular, lamelar / clivagem extremamente perfeita biotita - K 2 (Fe +2,Mg) 3 Si 3 AlO 10 (OH) 2 dureza: 2,5 a 3 / densidade: 2,8 a 3,2 / cor: verde a preto / hábito: tabular, lamelar / clivagem extremamente perfeita não-silicatos carbonatos calcita: CaCO 3 e dolomita: CaMg(CO 3 ) 2

7 Cristais de alguns minerais formadores das rochas: Quartzo: Feldspato alcalino (ortoclásio): Mica muscovita: Olivina: Calcita: Epidoto: (mineral secundário)

8 Departamento de Materiais e Construção FURG Mecânica dos Solos - Notas de Aula - Prof. Cezar Augusto Burkert Bastos

9 Departamento de Materiais e Construção FURG Mecânica dos Solos - Notas de Aula - Prof. Cezar Augusto Burkert Bastos

10 Departamento de Materiais e Construção FURG Mecânica dos Solos - Notas de Aula - Prof. Cezar Augusto Burkert Bastos

11 Departamento de Materiais e Construção FURG Mecânica dos Solos - Notas de Aula - Prof. Cezar Augusto Burkert Bastos

12 Composição química e principais propriedades físicas dos silicatos (ABGE,1998): Composição química e principais propriedades físicas dos não silicatos (ABGE,1998):

13 Minerais secundários: argilominerais, clorita, epidoto, pirita, zeolitas Identificação dos minerais Métodos: macroscópicos microscopia ótica químicos Reconhecimento macroscópico dos minerais: forma cristalográfica cor / traço brilho dureza - escala de dureza de Mohs (ABGE, 1998) tenacidade clivagem fratura reação com ácidos outras: densidade, fusibilidade, condutividade térmica e elétrica, piezoeletricidade, piroeletricidade, magnetismo,...

14 Hábitos (ABGE, 1998): Clivagem: Cor e traço:

15 NOÇÕES DE PETROLOGIA Origem e composição da Terra 1000 km 120 km 2000 km CROSTA 3300 km NÚCLEO MANTO Crosta : SiAl (Si + Al) - rochas ácidas (graníticas) SiMa (Si + Mg) - rochas básicas e ultrabásicas até 2 km - 75% rochas sedimentares e metamórficas de baixo grau 25% rochas ígneas 2 a 15 km - 95% rochas ígneas 5% rochas sedimentares e metamórficas de alto grau ROCHA - Agregados de uma ou mais espécies de minerais que constituem unidades mais ou menos definidas da crosta terrestre CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS ROCHAS: rochas ígneas rochas sedimentares rochas metamórficas

16 Rochas Ígneas Formadas do resfriamento e consolidação do MAGMA Formação das rochas ígneas: Fusão e ascensão do magma rochas intrusivas rochas extrusivas Magma de fusão do manto MAGMA BÁSICO (SiO 2 < 55%) Magma de fusão da crosta ou de diferenciação MAGMA ÁCIDO ( SiO 2 > 65%) COMPOSIÇÃO MÉDIA DOS MAGMAS: SiO 2-59%, Al 2 O 3-15%, Fe 2 O 3 e FeO - 7%, MgO - 3.5%, CaO - 5%, Na 2 O - 4%, K 2 O - 3% Modo de ocorrência das rochas ígneas: INTRUSIVAS: Abissais ou plutônicas batólitos stocks Hipoabissais dique sill lacólito chaminé EXTRUSIVAS Derrame - magma básico, T, % gases Depósito piroclástico - magma ácido, T, % gases

17 Aspectos classificatórios das rochas ígneas Constituintes essenciais primários Essenciais (+ 50%) : granitos: quartzo, feldspato Varietais (5 a 15%): biotita e anfibólios Acessórios (< 5%): vários Coloração Máficas Félsicas % minerais máficos: < 30% leucocrática (félsica) 30 a 60% mesocrática (félsica) 60 a 90% melanocrática (máfica) > 90% hipermelânica (ultramáfica) basaltos: plagioclásios, piroxênio,... % SiO 2 > 66% - ácidas granito (> 0,06mm) e riolito (< 0,06mm) 52 a 66% - intermediárias diorito (> 0,06mm) e andesito (< 0,06mm) 45 a 52% - básicas gabro (> 2mm), diabásio (2-0,06mm) e basalto (< 0,06mm) Textura < 45% - ultrabásicas peridotito e piroxenito fanerítica - muito grosseira (> 60mm) / grosseira (2-60mm) / média (0,06-2mm) / fina (0,002-0,06mm) afanítica (< 0,002mm) - microcristalina / criptocristalina / vítrea Quanto a uniformidade dos grãos: equigranular inegranular (porfirítica / pórfira / seriada) Quanto a forma do mineral: euédrico subédrico anédrico Estrutura maciça fendilhada ou diaclasada porosa (vesicular ou amigdalóide) Classificação petrográfica IUGS diagrama QAP

18 Grau de compactação, forma, cristalinidade e textura das rochas ígneas (ABGE, 1998): Exemplos de estruturas de rochas ígneas (ABGE, 1998)

19 Classificação e nomenclatura das rochas ígneas recomendada pela IUGS (International Union of Geological Sciences) Q - quartzo FA - feldspato alcalino P - plagioclásio

20 Características das principais rochas ígneas (ABGE, 1998): Classificação das rochas de depósitos piroclásticos (ABGE, 1998):

21 Exemplos de rochas ígneas Rochas ígneas extrusivas Rochas ígneas intrusivas

22 Camadas estruturais de um derrame vulcânico rocha vesicular ou amigdalóide rocha tabular (disjunção horizontal) rocha colunar (disjunção vertical) rocha tabular rocha vítrea

23 Propriedades de engenharia e aplicações Alta resistência ao desgaste Adesividade ao asfalto: basalto > granito Bons agregados para fins diversos alta resistência a compressão porosidade e permeabilidade - f (diaclasamento) Aplicações industriais pedra britada pedra ornamental (polimento)

24 Rochas Sedimentares Formadas pelo material de intemperismo de outras rochas, sujeito a processos de transporte, deposição e consolidação. Formação das rochas sedimentares : INTEMPERISMO ROCHA FONTE TRANSPORTE DIAGÊNESE SEDIMENTO ROCHA SEDIMENTAR Agentes do intemperismo: Físico variações de temperatura pressões por congelamento e cristalizações ações mecânicas de organismos Químico dissolução oxidação e redução hidrólise Biológico organismos húmus Agentes de transporte: Gravidade Água Vento BACIA DE SEDIMENTAÇÃO

25 Ambientes de deposição Diagênese: cimentação compactação outros Classificação das rochas sedimentares qto a origem Mecânica fragmentos de outras rochas Química precipitação química Orgânica sedimentação de material orgânico

26 Principais rochas sedimentares: Origem Sedimento Diagênese Rocha Mecânica matacões/pedreg. cimentação Rudito* (ou detrítica) areia cimentação Arenito silte ciment.+compact. Siltito** argila compactação Argilito** Orgânica celulose turfa hulheificação Carvão min. Corais e conchas cimentação Calcário Carapaças diatom. cimentação Diatomito Química precip. CaCO 3 cristalização Calcário precip. CaMg(CO 3 ) 2 cristalização Dolomito precip. NaCl cristalização Sal gema * conglomerado ou brecha ** pelitos, lamitos, folhelhos, lutitos Ruditos - partículas φ > 2 mm seixos angulosos brecha seixos arredondados conglomerados Classificação do sedimento: % matacão ou pedregulho 50 a 100% cascalho % matacão ou pedregulho 25 a 50% cascalho arenoso Classificação quanto a origem epiclástico piroclástico cataclástico

27 Arenitos - partículas 0,0625 < φ < 2 mm Composição: quartzo, feldspato, fragmentos de rocha, micas,... Modo de transporte: rolamento, saltação e suspensão Ambientes de deposição: litorâneo, marinho profundo, varvas, fluviais Classificação dos arenitos Rochas argilosas e sílticas - partículas φ < 0,0625 mm Técnicas de estudo: análise química, difração de raio X, microscopia eletrônica Classificação: Tamanho dos grãos inconsolidado consolidado consolidado da fração fina s/ fissilidade c/ fissilidade > 2/3 silte SILTE SILTITO FOLHELHO SÍLTICO silte argila LAMA LAMITO FOLHELHO LAMÍTICO > 2/3 argila ARGILA ARGILITO FOLHELHO ARGILOSO Mineralogia: componentes produzidos pelo intemperismo componentes resistentes ao intemperismo componentes autigênicos componentes orgânicos Composição química: sílica: 55 a 85% lutitos a lutitos silicosos alumina: 15 a 25% lutitos a lutitos aluminosos carbonato: 5 a 65% lutitos a margas matéria orgânica: 1 a 15% Ambientes de deposição: lutitos continentais lutitos marinhos

28 Classificação dos arenitos (matriz < 15%): Q - quartzo F - feldspato FR - fragmento de rocha

29 Sedimentos detríticos e rochas sedimentares mecânicas (ABGE, 1998): Exemplos de rochas sedimentares de origem mecânica:

30 Calcários - rochas carbonatadas Classificação quanto à origem: detrítico bioquímico químico Composição química: minerais carbonatados calcita calcário dolomita dolomito sílica feldspatos argila Classificação quanto ao teor de dolomita (ABGE, 1998): Classificação granulométrica (ABGE, 1998):

31 Rochas carbonosas Turfa C: 55-65%, H 2 O: 65-90%, P.C.: cal/g Linhito C: 65-75%, H 2 O: 10-30%, P.C.: cal/g Carvão C: 75-90%, H 2 O: 2-7%, P.C.: cal/g Antracito C: 90-93%, P.C. > 8000 cal/g diagênese Processos envolvidos: humificação celulose turfa - formação da turfa hulheificação perda de O e H - formação do carvão Condições a formação do carvão: vegetação desenvolvida acúmulo sub-aquoso soterramento contínuo e prolongado instabilidade da crosta

32 Estágios na formação do carvão:

33 Estrutura das rochas sedimentares maciça estratificada Estratificação: plano - paralela ondulada plano - subparalela cruzada cruzada acanelada outras: flaser, lenticular, cruzadas por ondas,... Propriedades de engenharia e emprego das rochas sedimentares porosidade e permeabilidade f (compactação/cimentação) resistência mecânica f(tipo de cimento, grau ciment./comp.) friabilidade cimentação solubilidade Ex: sal gema (água), calcário (ácidos) estratificação planos de fraqueza lixiviação remoção do cimento e finos por percolação d água presença de argilominerais expansivos fácil degradação fissilidade propriedade da rocha partir-se naturalmente na direção paralela ao acamadamento Aplicação industrial: arenitos e rochas argilosas e sílticas elementos decorativos e lajes calcário fabricação do cal (construção civil e agricultura) carvão fonte energética

34 Rochas Metamórficas Originadas do metamorfismo de rochas pré-existentes. Agentes do intemperismo calor pressões: orientadas e litostáticas fluídos Caracteres metamórficos Deformação dos minerais Achatamento dos minerais Orientação dos minerais Dobramento das bandas com orientação dos minerais Recristalização de minerais Tipos de metamorfismo Metamorfismo regional calor+pressão+movimentos da crosta Metamorfismo térmico calor Metamorfismo de contato Pirometamorfismo Metamorfismo cataclástico movimento de falhas

35 Zonas do metamorfismo Epizona metamorfismo de baixo grau ardósia Mesozona metamorfismo de médio grau muscovita-xisto Catazona metamorfismo de alto grau gnaisse e migmatito Rochas metamórficas e respectivas origens Rochas metamórficas pelíticas sedimentos argilosos e siltosos Rochas metamórficas quartzo-feldspáticas sedimentos quartzosos e rochas ígneas félsicas Rochas metamórficas carbonatadas calcários e dolomitos Rochas metamórficas básicas rochas básicas Rochas metamórficas ultrabásicas rochas ultrabásicas Principais rochas metamórficas ROCHA PRIMITIVA ROCHA METAMÓRFICA arenito silicoso quartzito branco arenito impuro quartzito colorido arenito alt. ferruginoso itabirito argilitos e folhelhos seqüência: ardósia filito micaxisto gnaisse(paragnaisse) granito calcário mármore puro calcário impuro mármore colorido dolomito mármore dolomítico carvão mineral antracito granito e riolito gnaisse (ortognaisse) basalto e gabro xistos verdes anfibolito

36 ARDÓSIA granulometria fina, estrutura paralela, originada de folhelhos, epizona, mineralogia: sericita, clorita, argilominerais (50%) e quartzo (silte) FILITO textura microcristalina, estrutura paralela, epizona, originado de folhelhos, arenitos argilosos e margas, mineralogia: sericita MICAXISTO granulometria média a grossa, estrutura xistosa, mesozona, mineralogia: micas e quartzo (areia) GNAISSE estrutura bandeada, catazona, mineralogia: quartzo, feldspato, biotita, hornblenda, piroxênio, tipos: granulitos, anfibolitos, eclogitos Textura das rochas metamórficas Granoblástica minerais equidimensionais. Ex: mármore Lepidoblástica minerais micáceos. Ex: xistos Nematoblástica minerais prismáticos. Ex: anfibolito Porfiroblástica fenoblasto + matriz Estrutura das rochas metamórficas Maciça Xistosa (plana, ondulada, linear) Gnaíssica e migmatítica Milonítica Propriedades de engenharia das rochas metamórficas Xistosidade, bandeamento e dobras Porosidade e permeabilidade fraturas Solubilidade rochas metamórficas carbonatadas Resistência mecânica > rochas sedimentares < rochas ígneas Resistência ao desgaste grande variação

37 Características das principais rochas metamórficas (ABGE, 1998): Exemplos de estruturas de rochas metamórficas (ABGE, 1998):

38 Exemplos de rochas metamórficas

39 Ciclo das rochas Fusão rochas ígneas Fusão (anatexia) C + P + F I + E + T + D I + E + + T + D sedimentos diagênese I + E + T + D rochas metamórficas C + P + F C + P + F rochas sedimentares I - intemperismo E - erosão T - transporte D - deposição C - calor P - pressões F - fluídos

40 GEOLOGIA FÍSICA Falha fratura numa rocha ao longo da qual ocorre deslocamento de um lado em relação ao outro. Tipos de falhas Falha de tração Falha de compressão Falha horizontal Elementos Geométricos de uma falha plano de falha rejeito mergulho direção da falha

41 Zonas de falhas falhas de tração rochas adjacentes não afetadas falhas de compressão fraturamento / trituração / cimentação / decomposição Reconhecimento de falhas alinhamento de espécies vegetais mudanças lineares de vegetação e tonalidade em fotografias aéreas alinhamento de cursos d água Importância em engenharia falhas de grande rejeito colocam lado a lado rochas diferentes zonas de falhas de compressão fraturamento e trituração redução na resistência aumento na permeabilidade cimentação aumento na resistência decomposição formação localizada de grande profundidade de solos

42 Dobra Curvatura de uma camada rochosa causada por compressão. As dobras ocorrem em rochas com certa elasticidade e variam de tamanho, de uns poucos milímetros a centenas de quilômetros. Tipos de dobras dobras anticlinais flancos convergem para cima dobras sinclinais flancos convergem para baixo Elementos de uma dobra Departamento de Materiais e Construção FURG Mecânica dos Solos - Notas de Aula - Prof. Cezar Augusto Burkert Bastos

43 Geologia do RS Planície costeira cobertura de sedimentos recentes areia fina + lentes de argila e siltes sedimentos antigos argilitos, arenitos, calcários e diatomitos Escudo Cristalino rochas ígneas félsicas granitos a sienitos rochas metamórficas ardósia, filitos, micaxistos, gnaisses, migmatitos, mármores, quartzitos sedimentos antigos arenitos, arenitos conglomeráticos e conglomerados derrames riolitos, dacitos e andesitos Depressão Periférica sedimentos antigos lamitos, arenitos e conglomerados sedimentos recentes predominantemente fluviais intrusões ígneas sills, lacólitos, diques e chaminés de diabásio Planalto derrames basaltos e riolitos a dacitos arenitos base dos derrames, entre derrames (intertrap) e cobrindo os basaltos (mais recentes)

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