Ministério da Ciência e Tecnologia. Observatório Nacional. Pós-Graduação - Coordenação de Geofísica. Dissertação de Mestrado

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1 Ministério da Ciência e Tecnologia Observatório Nacional Pós-Graduação - Coordenação de Geofísica Dissertação de Mestrado UTILIZAÇÃO DO MÉTODO GEOFÍSICO ELETROMAGNÉTICO TRANSIENTE (TEM) NO ATERRO SANITÁRIO DE GRAMACHO, DUQUE DE CAXIAS, ESTADO DO RIO DE JANEIRO Autor: André de Mattos Guttmann Orientador: Prof. Dr. Sergio Luiz Fontes Rio de Janeiro, Agosto de 2003

2 AGRADECIMENTOS A realização deste trabalho contou com o apoio da COMLURB por permitir o estudo na área do Aterro Sanitário de Gramacho e de seus profissionais pelo suporte técnico oferecido, em especial do Sr. Lúcio Alves. Ao Sr. Eng Marco França de Melo, Diretor Industrial da Comlurb, por permitir o estudo na área do Aterro Sanitário de Gramacho. Ao meu orientador Prof. Dr. Sergio Fontes, por ter concluído este trabalho. Aos técnicos Carlos Germano, Emanuele La Terra, Róbinson, Roberto, Alcídes, Joélson do ON - MCT que ajudaram na coleta e também na análise dos dados. Aos sempre prestativos Farias e Graça. Ao Juarez pelo auxílio na editoração da dissertação. Aos amigos de turma do ON, em especial ao Alan, ao Paulo, ao Adepelumi, a Flaviana, a Ana Lúcia, ao Alexandre Pereira e a Gleide quando as coisas estavam nebulosas e sem boas perspectivas, estiveram sempre presentes e não deixaram eu entregar os pontos. Ao amigo Alan pelo apoio para a conclusão da minha dissertação. Ao meu amigo de faculdade Vitor Novellino, pela força dada nos momentos difíceis. Ao engenheiro cartógrafo Fabio Braga, pela ajuda nas figuras da tese. Aos amigos de faculdade Tiago Pizzani e Débora Toci pelo auxílio relevante na parte de hidrogeologia. Ao meu amigos de faculdade Alexandre Maul, Ernesto Firmo e Jan Rausch pela força dada. Ao Prof. Dr. Paulo de Tarso, pelas observações interessantes. Ao Prof.Dr. Jandyr Travassos, pelo apoio dado para a prorrogação do meu prazo de apresentação. Ao Prof. Dr. Jorge Luis pelo auxílio na hora da impressão da dissertação. ii

3 Aos meus pais pelo acompanhamento e apoio dado a mim, não só ao longo dessa dissertação,, mas ao longo de minha vida. A minha namorada Érika Barbosa pelo carinho, ajuda na confecção de figuras e também pela paciência. A todos da minha família que sempre estiveram presentes. Aos meus colegas de curso e a todos aqueles, que de alguma forma contribuíram para a concretização deste trabalho. Muito Obrigado. We shall not flag nor fail. We shall go to the end. We shall never surrender (Winston Churchill 04 / 06/ 1940) iii

4 RESUMO É crescente a preocupação com a proteção do meio ambiente e a preservação de mananciais hídricos, tanto superficiais, como subterrâneos. Neste contexto, a deposição de resíduos merece especial atenção, tendo em vista representar uma grande fonte potencial de contaminação dos recursos hídricos de uma determinada região. As geociências vêm experimentando nos últimos anos um aumento de seu campo de atuação, em função das solicitações originadas do desenvolvimento tecnológico e crescimento da urbanização. As novas solicitações estão relacionadas principalmente com a busca do equilíbrio entre o crescimento urbano e industrial e a preservação do meio ambiente. O Aterro Sanitário de Gramacho, situado no município de Duque de Caxias, possui uma área de aproximadamente 120Ha., e recebe diariamente cerca de t de lixo. O principal objetivo deste trabalho consiste em usar técnica geofísica eletromagnética a fim de caracterizar o aterro. O aumento dos problemas ambientais e a conseqüente busca de novos métodos de análise do comportamento e possibilidade de preservação do meio físico é refletido na necessidade de aprimoramento das técnicas existentes e na utilização de novas ferramentas de investigação, que possibilitem análises rápidas e eficientes. Neste aspecto, os métodos geofísicos elétricos e eletromagnéticos vêm sendo utilizados com sucesso e uma extensa lista pode ser encontrada na literatura. Foram realizadas 60 sondagens com o método eletromagnético transiente (TEM) na área do aterro, empregando loops quadrados de 50m de lado. Foi construído um modelo geoelétrico para a sub-superfície do aterro sanitário, com base em resultados de inversões uni-dimensionais (Occam, Ridge-regression ). A resistividade elétrica variou entre 0,5 ohm.m e 30ohm.m, com profundidade de investigação em cerca de 80 m. O modelo permitiu caracterizar a direção de fluxo do chorume, mapear a distribuição espacial da pluma de contaminação em sub-superfície e confirmar evidências de intrusão de água salina no chorume. iv

5 ABSTRACT There has been an on growing concern with the environmental protection, and the water supply both in surface and subsurface. The disposal of Municipal waste residues require a special attention, due to the fact that it may be a major source of water contamination. Geosciences studies have been increasingly used lately for the environment, mainly because of the former requirements for technological development and urban growth. The new requirements are chiefly made to balance the industrial and urban growth in environmental protection. The Municipal Landfill of Gramacho located in the town of Duque de Caxias receives a daily average of t of waste and it covers an area of approximately 120Ha. The main purpose of this study is the use of a geophysical electromagnetic methodology to characterize this landfill. The transient electromagnetic method TEM was employed and sixty soundings were undertaken covering the entire area of the landfill site. A geoelectrical model based on the unidimensional inversion results (Occam, Ridge-regression) was obtained. The resistivity values varied from 0.5 ohm.m 30 ohm.m and the maximum depth probed was 80m. Our geoelectrical model allowed us to indicate the leachate flow direction, the spatial distribution of the contaminated plume at the subsurfaces, besides confirming evidence for saline intrusion present in the leachate. v

6 ÍNDICE Agradecimentos ii Resumo iv Abstract v Lista de Figuras viii Lista de Tabelas x CAPÍTULO Introdução Objetivos da Pesquisa CAPÍTULO 2. ÁREA DE ESTUDO Localização e Acessos da Área de Estudo Caracterização Física e Geográfica da Área de Estudo Caracterização Geológica da área de estudo Geologia Local Hidrogeologia CAPÍTULO 3. MÉTODOS GEOFÍSICOS EM ESTUDOS AMBIENTAIS Dispersão de Poluentes Exemplos de Estudos Geofísicos Aplicados ao Meio Ambiente CAPÍTULO 4. MÉTODO ELETROMAGNÉTICO TRANSIENTE (TEM) Descrição do Método Parâmetros relevantes nas medidas TEM Tipos de Materiais Geológicos Influenciadores na Detecção da Contaminação Aquisição DGPS Processamento Inversão 1D vi

7 CAPÍTULO 5. RESULTADOS Resultados das Sondagens TEM Integração dos Resultados TEM com Investigações Geotécnicas Composição Química e Condutividade Elétrica do Chorume CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Apêndice A Inversões 1D usando Transformações Bostick e Inversão Occam Apêndice B Lixo no Mundo e no Brasil Apêndice C Definição, Formação do Chorume e Histórico do Aterro Sanitário de Gramacho Apêndice D Latitude, Longitude e Altitude das estações geofísicas TEM no Aterro Sanitário de Gramacho vii

8 LISTA DE FIGURAS FIGURA 2.1 Carta do Estado do Rio de Janeiro FIGURA 2.2 Esboço geológico do Recôncavo da Baía de Guanabara FIGURA 2.3 Imagem de satélite com a Localização dos Poços FIGURA 3.1 Espalhamento da pluma devido à dispersão hidrodinâmica FIGURA 3.2. Evolução da pluma de contaminação a partir de resíduos urbanos; apresentada em valores de condutância elétrica e concentrações de cloretos e sulfatos FIGURA 3.3. Mapa de condutividade do terreno FIGURA 3.4 Interpretações das Resistividades FIGURA 3.5 Mapa de Isoresistividade derivado de dados de sondagem TEM com contornos de concentração de cloretos de amostras de água dos furos de poços FIGURA 3.6 Pseudo-seção de resistividade TEM FIGURA 4.1. Formas de ondas dos campos gerados no método eletromagnético domínio do tempo FIGURA 4.2. Sinal EM se difundindo no interior da Terra FIGURA 4.3 Comportamento do campo para duas condutividades diferentes FIGURA 4.4 Arranjo de Campo TEM FIGURA 4.5 Perfil Esquemático de aquisição TEM FIGURA 4.6. Planta do Aterro Sanitário de Gramacho com a Localização das Sondagens Geofísicas FIGURA 4.7 Representação em 3-D do Aterro Sanitário de Gramacho FIGURA 4.8 Seleção da parte boa da curva e a resistividade aparente associada para a estação FIGURA 4.9 Inversão 1-D usando Occam e Bostick para a estação FIGURA 4.10 Inversão 1D usando o modelo de ridge regression para a estação FIGURA 5.1. Profundidades obtidas pela inversão Occam FIGURA 5.2. Perfil de 10m de profundidade usando o modelo Occam FIGURA 5.3 Perfil de 15m de profundidade usando o modelo Occam FIGURA 5.4. Perfil de 20m de profundidade usando o modelo Occam FIGURA 5.5. Perfil de 25m de profundidade usando o modelo Occam FIGURA 5.6 Perfil de 30m de profundidade usando o modelo Occam viii

9 FIGURA 5.7 Perfil de 40m de profundidade usando o modelo Occam FIGURA 5.8. Perfil de 50m de profundidade usando o modelo Occam FIGURA 5.9. Perfil de 60m de profundidade usando o modelo Occam FIGURA 5.10 Perfil de 70m de profundidade usando o modelo Occam FIGURA 5.11 Perfil de 80m de profundidade usando o modelo Occam FIGURA 5.12 Perfil Geotécnico 04 com a litologia associada FIGURA 5.13 Perfil Geotécnico 09 com a litologia associada FIGURA 5.14 Perfil Geotécnico 14 com a litologia associada FIGURA 5.15: Perfil Geotécnico 20 com a litologia associada FIGURA 6.19 Modelo de camadas para a estação 03 com a descrição litológica obtida do perfil geomecânico FIGURA 5.17 Modelo de camadas para a estação 04 com a descrição litológica obtida do perfil geomecânico FIGURA 5.18 Modelo de camadas para a estação 11 com a descrição litológica obtida do perfil geomecânico FIGURA 5.19 Modelo de camadas para a estação 12 com a descrição litológica obtida do perfil geomecânico FIGURA 5.20 Modelo de camadas para a estação 25 com a descrição litológica obtida do perfil geomecânico FIGURA 5.21 Modelo de camadas para a estação 29 com a descrição litológica obtida do perfil geomecânico FIGURA 5.22 Modelo de camadas para a estação 34 com a descrição litológica obtida do perfil geomecânico FIGURA 5.23 Modelo de camadas para a estação 34 com a descrição litológica obtida do perfil geomecânico ix

10 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Estratigrafia geológica da Baía de Guanabara, período Quaternário Tabela 3.1: Composição química de diversos chorumes Tabela 4.1 Faixa típica de condutividade elétrica em ms/m para materiais comuns Tabela 5.1. Parâmetros Usados na Análise Físico-Química do Chorume de Gramacho Tabela D.1. Latitude, Longitude e Altitude das Estações Geofísicas TEM x

11 CAPÍTULO INTRODUÇÃO Desde a formação de núcleos urbanos, a população sofre conseqüências advindas de uma estruturação inadequada quanto ao destino das sobras de materiais utilizados no seu cotidiano. Os destinos adotados freqüentemente pelas cidades para a deposição destes resíduos são os lixões, quase sempre localizados muito próximos a áreas urbanas interferindo negativamente no cotidiano das comunidades. Lixões são áreas destinadas a disposição de resíduos sólidos que não obedecem a nenhum critério de engenharia. O perfil da sociedade brasileira sofreu uma mudança sensível nos últimos 50 anos. Passou de rural para urbana. Com os grandes aglomerados urbanos vieram variados e complexos problemas, entre os quais o da poluição ambiental. A proliferação dos chamados lixões, por conta da disposição inadequada no solo de resíduos industriais e de origem doméstica, é uma das grandes preocupações ambientais da atualidade. A deposição do lixo a céu aberto é fator de degradação da paisagem, de contaminação do solo e dos recursos hídricos superficiais e subterrâneos, assim como de agravamento dos problemas sanitários. No Brasil, estima-se em mais de 240 mil toneladas o lixo urbano gerado diariamente ( Os aterros controlados e sanitários não recebem mais do que 25% desses resíduos, o restante vai para os lixões, conhecidos também como aterros comuns, vazadouros, descargas ou bota-foras. ( O aterro sanitário é uma maneira de deposição de resíduos sólidos que, calcada em normas de engenharia, propõe em teoria, um confinamento seguro de poluição e preventivo no que se refere aos impactos potenciais sobre o meio ambiente, a saúde e a segurança pública. Na prática, a contaminação do solo e, por conseguinte, a contaminação das águas subterrâneas é o maior risco apresentado por um aterro sanitário. Quando a implantação dos aterros sanitários não é acompanhada de um estudo criterioso do meio físico e das normas operacionais específicas pode atingir diretamente o meio ambiente, acarretando conseqüências danosas e impactando negativamente o ecossistema local. Recentemente a problemática ambiental tem sido foco de diversos estudos, dentre eles está o efeito do aterro sanitário na saúde pública. De fato, são capazes de causar poluição atmosférica, 1

12 fogos e contaminação. Podem afetar o abastecimento de água e desta forma devem ser planejados de maneira conveniente. Embora os aterros sanitários sejam projetados para minimizar os impactos ambientais, estes impactos existem. O principal impacto ambiental de um aterro é a emissão de líquidos lixiviados, também chamado de chorume, que será abordado no apêndice C. É crescente a preocupação com a proteção do meio ambiente e a preservação de mananciais hídricos, tanto superficiais, como subterrâneos. Neste contexto, a deposição de resíduos merece especial atenção, tendo em vista representar uma grande fonte potencial de contaminação dos recursos hídricos de uma determinada região. O destino final do lixo sempre foi um problema para as grandes cidades. Lixões a céu aberto, causando danos ambientais são uma constante em muitos municípios brasileiros. A Prefeitura do Rio de Janeiro, através da Comlurb, em 1995 iniciou a recuperação do Aterro de Gramacho. O aterro sanitário de Gramacho engloba uma área de 120 Ha e recebe por dia aproximadamente t de lixo. As geociências vêm experimentando nos últimos anos um aumento de seu campo de atuação, em função das solicitações originadas do desenvolvimento tecnológico e crescimento da urbanização. As novas solicitações estão relacionadas principalmente com a busca do equilíbrio entre o crescimento urbano e industrial e a preservação do meio ambiente. A crescente problemática ambiental verificada nos últimos anos, com a conseqüente busca de novos métodos de análise do comportamento e possibilidade de preservação do meio físico são refletidos na necessidade de aprimoramento das técnicas existentes e na utilização de novas ferramentas de investigação, que possibilitem análises rápidas e eficientes a baixo custo operacional. Incluída neste enfoque, a utilização integrada de técnicas geofísicas pode se constituir em uma metodologia eficiente na avaliação e caracterização de problemas ambientais. A título de exemplo, o levantamento geofísico, empregando métodos elétricos e eletromagnéticos possibilita efetuar uma caracterização geoelétrica dos materiais geológicos em sub-superfície, determinar as direções preferenciais do fluxo de água subterrânea, estratigrafia e delimitar plumas de contaminação. A eficácia do uso da geofísica em problemas ambientais depende de vários parâmetros, tais como o grau de contaminação, profundidade, características geológicas do local, 2

13 heterogeneidades, variações laterais do terreno, entre outros Matias et al.(1994), além de um parâmetro principal que é a diferença de propriedade física da contaminação em relação ao meio (rocha hospedeira). Os métodos geofísicos, de uma forma geral, são técnicas não-invasivas, capazes de fornecer informações precisas sobre as condições geológicas e hidrogeológicas da sub-superfície, de forma indireta, a baixo custo. Com elas, é possível delimitar zonas de risco em obras de captação de recursos hídricos subterrâneos, assim como realizar uma avaliação efetiva de eventuais contaminações do subsolo para posterior remediação. Apresentam algumas vantagens em relação aos métodos diretos (furos de sondagens para análise de testemunhos e caracterização física do solo), entre as quais convém destacar o baixo custo operacional, dados contínuos sobre o local e de não afetar as camadas. Suas limitações, no entanto estão associadas principalmente com a presença de redes elétricas, estruturas que causam ruído. Não obstante métodos elétricos e eletromagnéticos vêm sendo utilizados com sucesso e uma extensa lista pode ser encontrada na literatura. Cavalcanti et al. (1999) estudou a hidrologia subterrânea da área de um aterro sanitário utilizando geofísica elétrica; Nascimento et al. (1999) empregou a resistividade elétrica para monitorar a contaminação do subsolo; Ellis e Zuquette (1997) determinaram a estrutura do Aterro sanitário de Ribeirão Preto - SP através de métodos geoelétricos; Meju (2000) apresenta uma investigação geoelétrica para aterros sanitários. Os métodos elétricos e eletromagnéticos se constituem em excelente ferramenta no estudo de aterros sanitários porque o parâmetro estimado, a condutividade elétrica, experimenta variações apreciáveis nestes ambientes. Em especial, o chorume é geralmente altamente condutivo e fortes contrastes de condutividade elétricos são observados. O método eletromagnético transiente no domínio do tempo (TEM) se inclui entre os novos métodos geofísicos que começam a ser bastante empregados nos estudos ambientais, conforme exposto em Reynolds (1998) e Meju et al. (2000). Já com vasta aplicação nos estudos de recursos minerais, ambientais e hidrogeológicos, o método TEM apresenta algumas vantagens sobre os métodos elétricos: TEM não necessita contato direto com o solo e não sofre de ruído oriundo das variações no contato entre eletrodo e solo Em meios condutivos, o sinal da corrente contínua (DC) dos métodos elétricos é pequeno enquanto os sinais TEM são mais fortes nesses meios. 3

14 Simplicidade, eficiência e maiores profundidades de investigação. As medidas são feitas variando o tempo de medida e sem a necessidade de mudar a geometria do arranjo de medidas. A sondagem TEM é mais rápida. Dados de sondagem mais diagnósticos, sem a presença de efeitos laterais (arranjo de eletrodos atravessando zonas de resistividades distintas). Entre as desvantagens, tem-se que o ruído cultural afeta os dados TEM mais fortemente que os dados DC e que o método TEM tem problemas em áreas altamente resistivas. A eficácia da utilização das técnicas elétricas em localizar plumas de contaminação em subsuperfície depende do tamanho e formato da pluma e do contraste de resistividade entre a água subterrânea nativa e o fluido invasor, entre outros fatores. (De Lima el al., 1995). As medidas elétricas são um componente importante e integrado de investigações geofísicas relacionadas com problemas ambientais. Em especial o caso de qualquer mudança ou movimentação na água subterrânea dentro e ao redor de locais de deposição de lixo e fornecem medidas, além de uma grande quantidade de informação a baixo custo. A geofísica aplicada pode ser definida como a utilização de parâmetros físicos dos materiais terrestres para a procura de feições geológicas de interesse em sub-superfície, tais como minérios, petróleo e água, por exemplo. O emprego da geofísica é possível devido ao fato de propriedades físicas dos materiais como densidade, velocidade de propagação da onda e condutividade elétrica, entre outras, variarem amplamente em função da mineralogia, grau de alteração, teor de umidade, fraturamento, porosidade e outros fatores. Dessa forma, pode-se procurar por determinado material indiretamente, através do conhecimento da resposta de um desses parâmetros físicos para este material OBJETIVOS DA PESQUISA Esta pesquisa tem por objetivo o estudo do comportamento da pluma de contaminação em subsuperfície no Aterro Metropolitano de Gramacho -RJ, a partir do emprego de técnicas geofísicas. Foi utilizado o método eletromagnético transiente (TEM) para se estimar a variação da condutividade elétrica em sub-superfície. Esta informação é útil para mapear os limites laterais e em profundidade da pluma de contaminação (chorume) em sub superfície e sua possível migração. Ao nosso conhecimento, este é o primeiro estudo de aterros sanitários empregando o método TEM no país. 4

15 Considerando-se as pequenas profundidades envolvidas e o acentuado relevo gerado por acúmulo de lixo, faz-se necessário também a utilização de medidas GPS diferenciais, de forma a se obter a altimetria da área de estudo. O Aterro Sanitário de Gramacho, situado no município de Duque de Caxias, no Estado do Rio de Janeiro, possui uma área de aproximadamente 120Ha, foi implantado em novembro de 1976, com o objetivo de receber resíduos domiciliares dos municípios do Rio de Janeiro, Duque de Caxias, Niterói, São Gonçalo, São João de Meriti e Nilópolis. ( O Aterro Sanitário de Gramacho encontra-se mais precisamente no estuário do Rio Iguaçu, às margens da Baía de Guanabara, no município de Duque de Caxias, Rio de Janeiro. Foi implantado diretamente sobre um depósito argiloso de mangue, que se desenvolveu a partir de sedimentos finos flúvio-marinhos depositados no estuário do Rio Iguaçu. Geologicamente é caracterizado pela presença do Complexo São Fidélis - Pão de Açúcar, que possui uma distribuição litológica bastante irregular, variando de augen-gnaisses, biotitagnaisses e variações destes litotipos. Localmente existem sedimentos fluviais e fluvio-marinhos caracterizados por siltes não consolidados e areia. Esta dissertação é composta de 5 capítulos e 4 apêndices. No capítulo 2, apresenta-se a localização da área de estudo com imagem de satélite, descrevendo sua localização e acessos. Também aborda-se, a caracterização quanto a vegetação predominante, tipo de clima e hidrografia. A geologia local e regional, assim como a hidrogeologia da área de estudo também são apresentadas no mesmo capítulo. O capítulo 3 apresenta os principais métodos geofísicos em estudos ambientais, incluindo-se um estudo da dispersão de poluentes e exemplos de estudos geofísicos aplicados ao meio ambiente, com ênfase para os métodos eletromagnéticos. O capítulo 4 trata do método eletromagnético transiente (TEM), apresentando-se sua descrição, conceitos como efeito pelicular, profundidade de investigação, condutividade elétrica, resistividade, além de tipos de materiais geológicos capazes de influenciar na detecção da contaminação, aquisição, processamento e inversão. O capitulo 5 mostra os resultados obtidos, inicialmente através das sondagens geofísicas TEM, em seguida uma interação entre os dados TEM com investigações geotécnicas. Depois se aborda a composição química e condutividade do chorume no aterro e as conclusões. Os apêndices são divididos em 4 partes. As inversões 1D usando a transformação Bostick e a Inversão Occam de todas as sondagens feitas no aterro estão no apêndice A. A situação do lixo 5

16 no mundo e no Brasil está sendo abordada no apêndice B. Definição, formação, composição e tratamento do chorume, assim como um breve histórico sobre o aterro sanitário de Gramacho são tratados no apêndice C. A localização das estações geofísicas TEM no aterro de Gramacho, incluindo-se sua latitude, longitude e altitude estão na Tabela D1 mostrada no apêndice D. 6

17 CAPÍTULO 2 ÁREA DE ESTUDO 2.1. LOCALIZAÇÃO E ACESSOS DA ÁREA DE ESTUDO A área estudada compreende o aterro metropolitano de Gramacho, situado no Município de Duque de Caxias, Estado do Rio de Janeiro, estando ela contida na carta topográfica do Rio de Janeiro (SF 23 -Z- B) na escala 1: publicada pelo I.B.G.E. Os acessos são feitos a partir da Linha Vermelha em direção à Teresópolis, em seguida para a Rodovia Washington Luís, onde antes do viaduto de retorno à cidade do Rio de Janeiro vira-se à direita e mantendo-se sempre no fluxo principal de veículos chega-se até a Avenida Monte Castelo e nela permanece até o seu final. O aterro metropolitano de Gramacho está situado no bairro de Jardim Gramacho em Duque de Caxias no endereço Avenida Monte Castelo nº A seguir são imagens de satélites onde é possível visualizar a área referente ao aterro de Gramacho. FIGURA 2.1. Cartas do Estado do Rio de Janeiro Fonte: Embrapa Monitoramento por Satélite Imagem de Satélite Landsat TM recortada nos limites de folhas topográficas de diversas escalas. 7

18 FIGURA 2.1.: Cartas do Estado do Rio de Janeiro 8

19 2.2. CARACTERIZAÇÃO FÍSICA E GEOGRÁFICA DA ÁREA DE ESTUDO O município de Duque de Caxias está situado na Baixada Fluminense, apresenta uma população de habitantes (IBGE / Censo 2000) e ocupa uma área de aproximadamente 442 Km 2. ( A Baixada Fluminense é uma planície que se estende paralelamente à costa, entre a Serra do Mar e o Oceano. Os limites da Cidade estendem-se aos Municípios de Miguel Pereira, Petrópolis, Magé, Rio de Janeiro, São João de Meriti e Nova Iguaçu. Do ponto de vista hidrográfico, o município localiza-se na região das bacias dos rios Estrela, Iguaçu e São João de Meriti, que compreende as bacias dos rios que nascem nas encostas da Serra do Mar, nas Colinas e nos maciços costeiros e deságuam na Baía de Guanabara. A Baía de Guanabara e sua bacia hidrográfica formam um ecossistema importantíssimo para a cidade do Rio de Janeiro e adjacências. Em decorrência da concentração populacional, do crescimento urbano desordenado e dos processos industriais, esse ecossistema vem sofrendo uma ostensiva poluição ao longo dos anos. O clima é tropical úmido, com uma temperatura média anual de 25ºC, uma estação seca no inverno (especialmente entre os meses de julho e agosto) e uma estação chuvosa no verão. A precipitação média anual é de aproximadamente 1300mm, dos quais cerca de 50% ocorre de dezembro a fevereiro. Nas baixadas, as temperaturas são mais elevadas, chegando a ultrapassar 40ºC no verão, ao passo que nas partes altas podem alcançar 6ºC no inverno. Esta região encontra-se inserida no bioma da Mata Atlântica. Em Caxias, há poucos remanescentes de Mata Atlântica nas porções mais elevadas e áreas de várzea e manguezal nas porções mais baixas. Encontra-se na parte ocidental do Recôncavo da Baía de Guanabara, abarcando um conjunto de ambientes característicos da paisagem do Recôncavo, isto é, a Baixada Fluminense e a Serra do Mar, mescladas por um relevo de colinas e morros. Alcançando mais de metros de altitude, as Escarpas do Mar apresentam as maiores declividades e grau de instabilidade de encostas da paisagem. (Amador, 1997). 9

20 2.3. CARACTERIZAÇÃO GEOLÓGICA DA ÁREA DE ESTUDO GEOLOGIA LOCAL E REGIONAL O Aterro Sanitário de Gramacho, Rio de Janeiro, está localizado no estuário do Rio Iguaçu, às margens da Baía de Guanabara, no município de Duque de Caxias, Rio de Janeiro. Foi implantado diretamente sobre um depósito argiloso de mangue, que se desenvolveu a partir de sedimentos finos flúvio-marinhos depositados no estuário do Rio Iguaçu. A geologia regional é caracterizada pela presença do Complexo São-Fidélis - Pão-de Açúcar, que possui uma distribuição litológica bastante irregular, variando de augen-gnaisses, biotitagnaisses e variações destes litotipos. Este Complexo é representado no mapa geológico da Figura 2.2 pelo pré-cambriano. Localmente existem sedimentos fluviais e fluvio-marinhos caracterizados por siltes não consolidados e areia. Apenas as feições geológicas do quaternário são relevantes para o estudo. A estratigrafia geológica da Baía de Guanabara correspondente a este período (Amador, 1980) encontra-se mais adiante na Tabela 2.1. A baía é cercada por elevações de gnaisses, granito e migmatito que constituem o embasamento cristalino do período Pré-Cambriano e são responsáveis pela paisagem característica da Baía de Guanabara. Sobre este embasamento e sobre os depósitos posteriores do Terciário também chamados depósitos Pré-Macacu, por Meis e Amador (1977) e em discordância com estes, foi depositada a seqüência de sedimentos que constitui a Formação Macacu do Pleistoceno Médio e Inferior (Meis e Amador, 1977; Amador e Meis, 1972; Amador, 1980). A composição mineralógica dos depósitos da Formação Macacu é predominantemente quartzo, seguido de feldspato e pouca muscovita. A fração argila é composta basicamente pela caulinita, com a presença eventual de esmectita, mas na fração argila dos sedimentos Pré-Macacu, o grupo das esmectitas pode se tornar dominante. Os depósitos aluvionares e coluvionares do Pleistoceno Superior que constituem a Formação Caceribu estão presentes em quatro facies principais, as quais encontram-se listadas na Tabela 2.1, que contém a estratigrafia da Baía de Guanabara. Estes sedimentos estão usualmente sobrepostos ao embasamento cristalino ou sedimentos da Formação Macacu e encontram-se cobertos por sedimentos holocênicos. A textura é predominantemente granular grossa. Os depósitos coluvio-aluvionares são compostos por grãos de quartzos e raros felsdspatos em uma matriz caulinítica secundária. 10

21 Os depósitos aluvionares antigos são compostos de areias feldspáticas e os depósitos de cones aluvionares são compostos por blocos de petrografia variada em uma matriz arenosa ou arenoargilosa. Os sedimentos do Pleistoceno Inferior e Superior apresentam características estruturais e litológicas que indicam transporte sob condições torrenciais controladas por um padrão climático seco (Amador e Meis, 1972; Amador et al., 1978; Amador,1980). Os sedimentos holocênicos existentes no Recôncavo da Baía de Guanabara são diversificados e incluem sítios arqueológicos, depósitos aluvionares, coluvionares, marinhos e flúvio-marinhos, manguezais e depósitos arenosos de praia modernos. Estes sedimentos estão relacionados à seqüência de transgressões e regressões marinhas ocorridas nos últimos anos. Os depósitos flúvio-marinhos holocênicos do Recôncavo da Baía de Guanabara são constituídos por sedimentos silto-argilosos ricos em matéria orgânica (Amador e Ponzi, 1974). Segundo Antunes (1978), estes sedimentos originaram grande parte dos chamados "depósitos de argila mole" que ocorreram extensivamente na área conhecida como Baixada Fluminense A Figura 2.2 a seguir foi adaptada de um esboço geológico apresentado por Amador (1980) para o Recôncavo da Baía de Guanabara. 11

22 FIGURA 2.2.: Esboço geológico do Recôncavo da Baía de Guanabara, mostrando os afloramentos das unidades sedimentares cenozóicas Fonte: Modificado de Amador (1980) (in Barbosa, 1994). Com relação à área do aterro, as bacias de drenagem dos rios Iguaçu e Sarapuí podem ser identificadas pelo contorno dos sedimentos aluvionares holocênicos correspondentes que se estendem para oeste a partir do aterro. Os sedimentos flúvio-marinhos são resultados da interdigitação de depósitos fluviais e marinhos regressivos em ambiente de estuário. O aterro encontra-se sob solo tiomórfico salino (Antunes, 1978), cercado pelos rios Iguaçu e Sarapuí e pelas águas da baía. Este tipo de solo é caracterizado por ser de ambiente redutor, localizado em manguezal, com alta concentração de tiosulfato, e verifica-se uma periódica invasão de cheia sujeita a influência de maré. Os solos tiomórficos na Bacia de Guanabara estão intimamente associados aos sedimentos flúvio-marinhos, que receberam a denominação de Formação Magé (Amador, 1980) e que sustentam o ecossistema de manguezais. (Amador, 1997). 12

23 CRONO-ESTRATIGRAFIA DENOMINAÇÃO INFORMAL DESCRIÇÃO LITOLÓGICA HOLOCENO Depósitos de praia atuais Areias grosseiras e grânulos quartzosos Manguezais Sedimentos argilo-sílticos orgânicos Dep. de várzea (TVO) Sedimentos argilo-sílticos de planície de inundação Sedimentos eólicos Sedimentos arenosos finos selecionados Sítios arqueológicos Sedimentos orgânicos e artefatos indígenas (aldeias e acampamento) Depósitos de Várzea (TV1) Sedimentos argilo-sílticos orgânicos Colúvio amarelo-alaranjado material areno-argiloso, mal selecionado Sedimentos fluvio marinhos Sedimentos argilo-sílticos orgânicos Depósitos de várzea (TV2) Areias finas, feldspáticas, estratificadas colúvio avermelhado Depósitos marinhos (TM1) Areias quartzosas grosseiras Sítios arqueológicos Material orgânico, concheiro e artefatos indígenas (Sambaquis) PLEISTOCENO SUPERIOR Aluvião antigo Areias grosseiras feldspáticas estratificadas Sedimentos colúvio- aluvionares Arenito grosseiro com matriz argilosa (caulinítica) Depósitos de cones aluvionares de talus Seixos e blocos com matriz areno-argilosa Depósitos de cascalheira Conglomerado ortoquartzítico (Formação CACERIBU) PLEISTOCENO INFERIOR A MÉDIO Sedimentos da Formação MACACU (Meis & Amador, 1972, 1977) Sequência de lentes e camadas irregulares de sedimentos arenosos, areno-argilosos, de coloração variada TABELA 2.1.: Estratigrafia da Baía de Guanabara, período Quaternário (adaptado de Amador, 1980 in Barbosa, 1994). 13

24 2.3.2 HIDROGEOLOGIA O Aterro Sanitário de Gramacho está situado sobre uma área de mangue desenvolvido em sedimentos finos flúvio-marinhos recentes, depositados no estuário do rio Iguaçu, às margens da Baía de Guanabara. O solo que constitui o estrato de fundação do aterro é classificado pedologicamente como solo tiomórfico salino, caracterizado por más condições de drenagem, ambiente redutor, presença de compostos de enxofre e matéria e influência direta das águas salgadas da baía. As propriedades geotécnicas e físico-químicas da argila orgânica de Gramacho são determinadas essencialmente pela presença de uma grande porcentagem de esmectita na fração argila do solo. A influência da matéria orgânica nas propriedades é maior nos trechos mais arenosos e de menor teor de matéria orgânica. (Barbosa, 1994). De acordo com estudos de monitoramento geotécnicos realizados na área do aterro, constatou-se que o nível de água está a uma profundidade de aproximadamente 1m. (Barbosa, 1994). O fluxo hídrico tem direção SE para a Baía de Guanabara e é limitado pelo Canal de Sarapuí (Figura 2.3). O chorume percola sedimentos com contribuição marinha, que pode estar lixiviando o material previamente depositado. (Tabelas 3.1; 5.1). Ele apresenta ph alcalino variando entre 8.5 até

25 FIGURA 2.3: Imagem de satélite com localização dos poços, Aterro Sanitário de Gramacho, indicações dos rios nas proximidades ao aterro e da baía de Guanabara. Fonte dos dados de poços: (http//: Infelizmente o cadastramento de poços existentes no município de Duque de Caxias não inclui poços próximos ao aterro (FIGURA 2.3) de forma que as informações existentes são de pouca aplicação para o conhecimento da hidrogeologia observada exatamente na área do aterro. 15

26 CAPÍTULO 3 MÉTODOS GEOFÍSICOS EM ESTUDOS AMBIENTAIS 3.1. DISPERSÃO DE POLUENTES Toda a forma de disposição de resíduos, além de outras atividades, tais como, agricultura, mineração, geração de energia, podem eventualmente comprometer a qualidade das águas subterrâneas. Isto porém, não implica em que todo empreendimento será causador de poluição de águas subterrâneas. A princípio imaginava-se que o solo era capaz de receber e proteger das águas subterrâneas todos os resíduos gerados pela atividade humana. No entanto, com o crescimento urbano e industrial e geração de quantidade de resíduos sempre cada vez maiores, começaram a surgir problemas de degradação de recursos hídricos superficiais e subterrâneos. A condição química dos solos contaminantes é geralmente aeróbica e alcalina, o que gera um potencial para ação dos processos atenuantes, como: Interceptação, adsorsão, eliminação de bactérias e vírus patogênicos; Atenuação de metais pesados e alguns compostos orgânicos, mediante precipitação, ou troca iônica; Biodegradação de compostos hidrocarbonetos e orgânicos sintéticos; Dispersão hidrodinâmica e decaimento. A intensidade de atuação dos processos atenuadores varia em função de condições naturais própria de cada ambiente. A dispersão hidrodinâmica, que acompanha o fluxo de águas subterrâneas, é o principal processo de diluição dos agentes contaminantes persistentes e móveis na zona saturada do sistema. A dispersão se relaciona aos mecanismos de transporte de poluentes, que são responsáveis pela diluição de agentes contaminantes dentro do ambiente hidrogeológico. O espalhamento dispersivo, longitudinalmente e transversalmente à direção do fluxo causa uma diluição gradual da pluma de poluição. Em algumas situações, quando as concentrações estão abaixo dos valores considerados prejudiciais ao homem, a dispersão pode ser considerada um benefício. No entanto, mais ocasionalmente a dispersão é um efeito indesejável devido ao espalhamento rápido dos contaminantes, o que aumenta o volume da água poluída. 16

27 A Figura 3.1 ilustra o espalhamento da pluma devido à dispersão hidrodinâmica, mostrando que a pluma de contaminação varia tanto transversalmente, como longitudinalmente em relação ao fluxo conforme a pluma vai variando. A dispersão é sobreposta a velocidade média de transporte, e também transporta os contaminantes para zonas que não participam diretamente da evolução da pluma advectiva. Espalhamento dispersivo conduzirá a um aumento na uniformidade da pluma com a distância. FIGURA 3.1: Espalhamento da pluma devido à dispersão hidrodinâmica Fonte: Modificado de Ellis (1999b). A forma de se detectar a pluma de contaminação é através de amostragem e análise físicoquímica das águas subterrâneas. O mapeamento se dá através da variação dos valores da condutividade e da concentração de cloretos e sulfatos. As plumas de contaminação oriundas de contaminantes inorgânicos e metálicos possuem altas concentrações de sais, como cloretos e sulfatos. Esta característica torna os métodos elétrico e eletromagnético adequados para a detecção e mapeamento da pluma de contaminação. A Figura 3.2. demonstra a evolução da pluma de contaminação a partir de resíduos urbanos, sendo apresentada em valores de condutância elétrica e concentrações de cloretos e sulfatos. 17

28 FIGURA 3.2.: Evolução da pluma de contaminação a partir de resíduos urbanos; apresentada em valores de condutância elétrica e concentrações de cloretos e sulfatos. Fonte: Modificado de (MacFarlaine, et al., 1983 in Ellis, 1999b). Nas áreas utilizadas para a deposição de resíduos urbanos e industriais, a contaminação das águas subterrâneas ocorre através da percolação de águas pluviais e outros líquidos gerados pela própria degradação dos resíduos, que por infiltração no solo sob o aterro atingem o nível d`água. Para os resíduos urbanos, o líquido derivado desse processo de percolação através dos resíduos denomina-se chorume. Conforme descrito na Tabela 3.1, este contém normalmente concentrações elevadas de amônia, sólidos totais dissolvidos, carbono orgânico, cloreto, sulfato, ferro, além de outros contaminantes orgânicos e inorgânicos. 18

29 ANÁLISES Wigh * Genetelli e Ham * Brunner e Brunner GRAMACHO QUÍMICAS (1979) Cirello *(1976) (1975) Carnes * (1974) e Carnes Comlurb (2002) ** Fresco (1974) * Velho ph Condutividade Elétrica (µmho/cm) Sólidos Dissolvidos Totais Alcalinidade total como CaCO Cloretos (Cl - ) Sulfatos (SO 4 ) Cádmio (Cd) Cobre (Cu) < Manganês (Mn) Zinco (Zn) < Tabela 3.1: Composição química de diversos chorumes Fonte: * Modificado de Barbosa (1994) ** Dados da Comlurb (2002) 19

30 MacFarlaine et al. (1983) mostra exemplos de mapeamento de poluição gerada a partir de aterro de resíduos urbanos pela variação de concentração de sais e variação de condutância elétrica. A variação destes parâmetros possibilitou o mapeamento da pluma, mostrando a infiltração dos poluentes no aqüífero 1 e a dispersão no sentido do fluxo. A extensão da contaminação foi avaliada através da determinação da distribuição de cloreto, sulfato e condutância elétrica no aqüífero arenoso, onde todos os parâmetros mencionados apresentam valores para o chorume acima daqueles em água não contaminada. Em levantamentos geofísicos, rochas com água pura e rochas contendo baixo percentual de água podem ter condutividades baixas. Relaciona-se a resistividade medida com a porosidade, permeabilidade, ou contaminação de água subterrânea. A condutividade eletrolítica em solos e rochas é afetada principalmente por quatro fatores: Quantidade e natureza dos sais dissolvidos; Composição mineralógica; Porosidade; Teor em água. A existência de sal afeta diretamente a condutividade eletrolítica das rochas e solos. Em função disto se utiliza os métodos elétricos e eletromagnéticos no mapeamento e monitoramento de plumas de contaminação geradas por poluentes dentro da zona saturada e seu transporte se dá principalmente pela dispersão hidrodinâmica. Dentre esses fatores, os mais importantes são a quantidade de água contida e a salinidade dessa água. O aumento do valor desses fatores, teor de umidade e quantidade de sais dissolvidos, leva a um aumento da condutividade elétrica. Em função desse comportamento da condutividade elétrica é que se observa um grande desenvolvimento de aplicação dos métodos geofísicos elétricos e eletromagnéticos no mapeamento e monitoramento de plumas de contaminação, gerados pela entrada de poluentes dentro da zona saturada e seu transporte principalmente através de dispersão hidrodinâmica. (Ellis, 1999b). 1. Aqüífero é uma unidade geológica permeável capaz de transmitir quantidades significativas de água sob gradientes hidráulicos ordinários, i.e., Areias, arenitos, conglomerados, calcáreos, e rochas cristatinas fraturadas. 20

31 3.2. EXEMPLOS DE ESTUDOS GEOFÍSICOS APLICADOS AO MEIO AMBIENTE Uma das principais vantagens da aplicação das técnicas geofísicas em relação aos métodos tradicionais de investigação de sub-superfície, como, por exemplo, furos de sondagens, é a rapidez na avaliação de grandes áreas com custo relativamente menor. Além disso, os levantamentos geofísicos propiciam a execução de perfis contínuos, possibilitando a identificação com a maior precisão das variações laterais decorrentes das mudanças litológicas ou originadas pela presença da contaminação subterrânea. Existe uma variedade de métodos geofísicos que podem ser utilizados nos estudos ambientais, porém, os principais e mais adequados métodos, que comumente são aplicados à investigação da contaminação do solo e da água subterrânea, são o geo-radar (GPR), o eletromagnético transiente no domínio do tempo ou da freqüência, a eletrorresistividade (ER) e a magnetometria. A vantagem desses métodos em relação a outros métodos geofísicos consiste basicamente na capacidade de detecção com bom grau de confiabilidade da contaminação subterrânea e não apenas na identificação das feições geológicas das áreas em estudo. Para a seleção de um método geofísico a ser empregado, o ideal é ter conhecimento da geologia local, das características físico-quimicas das águas subterrâneas e do contaminante, além das profundidades de interesse envolvidas. As características do meio geológico, além da natureza da contaminação, podem determinar o comportamento dos contaminantes em sub-superfície. Nesse contexto, a interpretação dos dados pode contribuir para a obtenção de informações sobre a litologia, estratigrafia, profundidade do nível d`água, profundidade do embasamento, presença de falhas ou fraturas, existência de aqüíferos importantes, caminhos preferenciais de propagação subterrânea e outras feições geológicas de interesse. Os desvios significativos do padrão normal das medidas geofísicas, que são as anomalias, podem, do ponto de vista ambiental, apontar a presença de contaminantes em sub-superfície. A interpretação das anomalias é fundamental, uma vez que pode indicar a intensidade da contaminação presente, proporcionando, assim, dados importantes para as atividades de diagnóstico, monitoramento da propagação dos contaminantes e acompanhamento da recuperação da área contaminada. 21