MODELAGEM GEOFÍSICA PARA ÁGUA SUBTERRÂNEA NOS AQÜÍFEROS FISSURAIS DA SUB-BACIA DO BARRO BRANCO, MUNICÍPIO DE SÃO JOSÉ DE UBÁ (RJ)

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1 MODELAGEM GEOFÍSICA PARA ÁGUA SUBTERRÂNEA NOS AQÜÍFEROS FISSURAIS DA SUB-BACIA DO BARRO BRANCO, MUNICÍPIO DE SÃO JOSÉ DE UBÁ (RJ) Charles R. C. Ferreira, Emanuele F. La Terra2, Paulo T. L. Menezes3 () LAGEMAR/UFF, (2) ON/MCT, (3) DGAP/FGEL/UERJ Copyright 2007, SBGf - Sociedade Brasileira de Geofísica This paper was prepared for presentation at the 0th International Congress of The Brazilian Geophysical Society held in Rio de Janeiro, Brazil, 9-22 November Contents of this paper were reviewed by the Technical Committee of the 0 th International Congress of the Brazilian Geophysical Society and do not necessarily represent any position of the SBGf, its officers or members. Electronic reproduction, or storage of any part of this paper for commercial purposes without the written consent of the Brazilian Geophysical Society is prohibited. Abstract This paper show a successful case history on groundwater geophysical modeling of fissured aquifers in São José de Ubá (RJ). Three resistivity profiles were acquired over a faulting zone, the main idea behind the survey was to determine the depth continuity of the faults. Data were interpreted through 2D smooth inversion scheme. Two main aquifers systems were identified in the studied area. A sedimentary cover with depths varying from 2 to 2 meters; and sub-vertical fissured aquifers characterized by low resistivity zones. The occurrence of these zones in all three profiles indicate the continuity of these fractures along the studied area. Introdução O Sistema Aqüífero Cristalino (SAC) é formado pelo embasamento cristalino e está presente em diversas regiões dos estados localizados nas regiões sudeste e sul do Brasil. A maior parte da água disponível pelo SAC está alojada em aqüíferos fissurais, cuja capacidade de armazenamento de água está diretamente proporcional à quantidade de fraturas presentes nas rochas. No Estado do Rio de Janeiro, o SAC está associado a paisagens montanhosas e onduladas, apresentando acelerada degradação dos recursos naturais (solo, água e biodiversidade) devido à agricultura familiar, caracterizada por um baixo nível tecnológico de manejo do solo. Como conseqüência do uso incorreto, os solos apresentam uma baixa taxa de infiltração, prejudicando a recarga das reservas freáticas e a sua rehidratação. O quadro acima apresentado é o retrato do que ocorre atualmente no município de São José de Ubá (Figura ), localizado no noroeste do Estado do Rio de Janeiro, que desde o século XVI passou por sucessivos ciclos de monoculturas (café, cana-de-açúcar, tomate, etc.) que desencadearam processos erosivos. Estes deram origem a mudanças significativas da oferta hídrica (Alves Filho et al., 999) resultando em escassez, períodos longos de estiagem, migração de nascentes e desaparecimento de pequenos rios intermitentes em virtude da falta de capacidade de suporte da vazão de base do aqüífero. O presente trabalho é parte integrante do projeto multidisciplinar de pesquisa do Projeto PRODETAB Aqüíferos (2004), que tem como objetivo maior otimizar a oferta dos recursos hídricos no município de São José de Ubá, localizado no noroeste do estado (Figura ). Um dos aspectos mais importantes do projeto diz respeito ao mapeamento dos aqüíferos fissurais da região com vistas à perfuração de poços na região. Os métodos geofísicos constituem importantes ferramentas na prospecção de aqüíferos fissurais (Flexor et al., 998). A prospecção geofísica permite o conhecimento do comportamento das fraturas e falhas em subsuperfície, obtendo estimativas de profundidade, direção e mergulho. Dentre as técnicas mais utilizadas atualmente na prospecção em ambientes do cristalino podem ser citadas: métodos eletromagnéticos (La Terra et al., 998, Menezes et al. 2005), eletroresistividade (Elis et al., 2004) O trabalho aqui apresentado descreve os resultados do levantamento geofísico de eletroresistividade realizado na Sub-Bacia do Barro Branco, localizada no pertencente à Bacia Hidrográfica do Rio São Domingos, município de São José do Ubá (RJ). O objetivo principal do levantamento e da respectiva interpretação desses dados é a obtenção de um modelo geofísico-geológico para os aqüíferos superficial (associados a sedimentos aluviais quaternários) e fissural (associados à zonas de cisalhamento). Geologia da Bacia do Rio São Domingos O curso principal do Rio São Domingos ao longo de quase toda a bacia está instalado ao longo do contato tectônico entre os terrenos ocidental e oriental, representados, respectivamente, pelos domínios tectônicos Juiz de Fora e Cambuci (Figura 2). A vertente norte e as cabeceiras da bacia são ocupadas pelo Dominio tectônico Juiz de Fora, caracterizado por lentes limitadas por falhas de empurrão, cada lente contendo rochas miloníticas do Complexo Juiz de Fora ou granada biotita gnaisses (paragnaisses). A vertente sul é ocupada pelo Dominio tectônico Cambuci, onde predomina um leucocharnockito e ocorrem, subordinadamente, anfibolitos, mármores e gnaisse migmatítico (Tubinambá et al., 2006). Tenth International Congress of the Brazilian Geophysical Society

2 MODELAGEM GEOFÍSICA PARA ÁGUA SUBTERRÂNEA O sistema hídrico da Bacia hidrográfica do Rio São Domingos é fortemente condicionado pelo intenso falhamento de direção nordeste, associado à implantação do Gráben do Paraíba (DRM, 980). As rochas estão recobertas por solos provenientes de sua alteração, geralmente pouco espessos, podendo, entretanto, apresentar espessuras consideráveis. Afloramentos rochosos são comuns nas vertentes dos morros e nos leitos dos rios. Os principais depósitos aluvionares estão presentes nas planícies de inundação dos rios Paraíba do Sul, Muriaé e Pomba. Em geral, são condicionados pelos falhamentos, sendo irregulares quanto a espessura (CPRM, 200). Do ponto de vista hidrogeológico, ocorrem dois tipos principais de aqüíferos na região: (a) poroso nos depósitos aluvionares e solos de alteração das rochas; e (b) fissural nas fraturas das rochas cristalinas. Devido a pequena espessura dos solos e a heterogeneidade dos aluviões, o aqüífero fissural torna-se o mais importante, favorecido pela presença de intenso falhamento e fraturamento nas rochas, tornando-as propícias ao armazenamento de águas subterrâneas. Metodologia A Técnica da Sondagem Elétrica Vertical (SEV) é aplicada quando é desejada uma informação pontual com a observação da variação vertical de resistividade (Elis, 2004). Estes ensaios são caracterizados por uma série de determinações de resistividade aparente, efetuadas com o mesmo tipo de arranjo eletródico e uma separação crescente entre os eletrodos de emissão A e B e recepção M e N. A resistividade aparente é determinada por meio da equação: = K V I Onde ρ é a resistividade elétrica dada em ohm.m., K é o fator geométrico (m) que depende das posições dos eletrodos no terreno, V (mv) é a diferença de potencial entre os eletrodos M e N e I (ma) é a intensidade da corrente que passa entre os eletrodos A e B. O fator K é calculado pela equação: K= 2 [ AM BM AN BN ] Onde AM, AN, BM e BN são as distâncias entre eletrodos. A resistividade elétrica relaciona-se aos mecanismos de propagação de corrente elétrica nos materiais. Em geral, a propagação de corrente elétrica em solos e rochas é 2 uma propriedade que depende de vários fatores, tais como a porosidade, a permeabilidade, o fraturamento e a quantidade de sais dissolvidos. A Técnica do Caminhamento Elétrico (CE) consiste em obter a variação lateral de resistividade a profundidades aproximadamente constantes. Isso é obtido por meio de duas ou mais SEVs realizadas ao longo de um mesmo perfil realizando as medidas de resistividade aparente. Aquisição e processamento dos dados geofísicos O levantamento resistivimétrico realizado na sub-bacia de Barro Branco constou de três perfis de caminhamento elétrico. Os perfis foram projetados na direção noroestesudeste de modo a interceptar o principal trend de falhamentos na região (nordeste). Os perfis foram executados com estações em intervalo médio de 25 m de espaçamento. Em cada ponto amostrado foi utilizado o arranjo Schlumberger com AB/2 variando de a 00 m. As coordenadas planialtimétricas (latitude, longitude e altitude) das estações foram obtidas a partir de posicionamento GPS (Global Position System) em modo diferencial (DGPS). Os dados de cada estação ao longo dos perfis de caminhamento elétrico foram processados segundo procedimento descrito em Menezes et al. (2005) envolvendo basicamente, cálculo de resistividade aparente (ρa), edição de dados, geração de curvas de ρa para cada estação e construção de pseudoseções para cada perfil. As interpretações aqui apresentadas estão baseadas em inversões unidimensionais em cada estação (Zohdy, 989). A Figura 3 apresenta a seção de resistividade para o perfil P. Uma característica comum a todas as seções é a presença de um condutor superficial com profundidades variando entre 0 e 20 metros. Este condutor está associado ao aqüífero poroso superficial, associado aos por sedimentos aluviais quaternários da sub-bacia de Barro Branco. Nos três perfis, também é notada a existência de zonas verticalizadas de baixas resistividades em grandes profundidades, as quais podem ser associadas a um possível fraturamento de grande extensão. Embora a interpretação D tenha apresentado bons resultados a região estudada apresenta claramente características de dimensionalidade maiores do que a simples premissa feita de uma terra em camadas horizontais. Desta maneira, para se obter uma melhor estimativa das feições geológicas da Sub-Bacia do Barro Branco, aplicou-se uma inversão 2D aos dados resistivimétricos dos três perfis estudados. Uma curta descrição detalhada da seção de inversão pode ser pesquisado em principais livros e publicações (Menke, 984 e Meju, 994) para resolução em mínimos quadrados de equações não-lineares é dado como: p = ( AT A + β I ) AT G

3 FERREIRA, LA TERRA & MENEZES 3 Onde, A é a matriz da derivada parcial, J= ρ aj ρ i ea suavização das matrizes. I contém um tipo de derivada Occan. β é o fator de amortecimento calculado usando máximos e mínimos de valores singulares da matriz A. ΔG é o vetor de discrepância. Δp é um vetor de atualização logarítmico para o parâmetro do modelo inicial logarítmico. k+ ρ i = 0 log(k ρ i ) + pi Onde, k e i são, o número de interações e o índice para os parâmetros do modelo. Todo o programa roda em MATLAB com dezessete subrotinas que calcula a matriz de células para o modelo inicial, cálculo Jacobiano, fator de amortecimento, cálculo dos valores das resistividades aparente, cálculo da resistividade verdadeira, etc. Alguns parâmetros foram inicialmente definidos para a inversão como o fator de amortecimento, misfit como critério para final de cálculo da inversão. O programa ao ser executado delineia as curvas ao longo do perfil usando as quatro primeiras medidas de cada sondagem, gráficos de cada sondagem, duas pseudoseções do perfil usando os valores observados e calculados, dois modelos geoelétricos representados por blocos de resistividades, isolinhas de contorno e seção de porosidade. Como pode ser visto nas figuras 4 e 5, através da inversão 2D foi possível ter uma melhor definição dos aqüíferos superficial (condutor em superfície) e fissural (condutor verticalizado), quando comparado com as estimativas D (Figura 3). O aqüífero sedimentar (sedimentos aluviais quaternários) é caracterizado por uma camada subhorizontalizada com espessura variável ao longo dos perfis (espessuras de 2 a 2 metros). O aqüífero fissural fica particularmente bem definido nas inversões 2D possuindo larguras na faixa de 30 a 50 metros e profundidade superior a 30 metros. De modo a investigar a continuidade das estruturas em subsuperfície plotou-se nas Figura 9 e 0 a correlação dos três perfis estudados. Verifica-se na Figura 7 que as zonas de fratura que foram interpretadas através da inversão 2D apresentam uma direção SW-NE. O poço bh, em produção para abastecimento de água da população local, encontra-se localizado sobre uma das zonas identificadas no presente trabalho. Conclusões Por meio das inversões unidimensionais e bidimensionais foi possível a identificação de dois típos de aqüíferos na Sub-Bacia do Barro Branco: o superficial e o fissural. O aqüífero fissural é composto por sedimentos aluviais quaternários e é caracterizado por uma camada subhorizontalizada com espessura variável ao longo dos perfis (espessuras de 2 a 2 metros). O aqüífero fissural é caracterizado por duas zonas verticalizadas de baixa resistividade possuindo larguras na faixa de 30 a 50 metros e profundidade superior a 30 metros. Por meio deste trabalho, busca-se uma integração entre os dados geofísicos e geológicos para uma futura interpretação de hidrogeologia desta região. Agradecimentos Ao projeto PRODETAB pelo financiamento da campanha de Campo; Aos técnicos do Observatório Nacional (ON) pelo apoio fornecido ao trabalho; À equipe do DRM-RJ pelo suporte na aquisição de dados DGPS; À Ampla, pelo fornecimento das fotografias aéreas do Município de São José de Ubá na escala de :0.000; Ao Diretor de Geologia do DRM-RJ / Serviço Geológico do Estado do Rio de Janeiro, Msc Francisco de Assis Dourado, pelo georeferenciamento das fotos aéreas cedidas pela Ampla; À Msc Ana Beatriz da Cunha Barreto pela disponibilização do mapa de favorabilidade hidrogeológica do município de São José de Ubá; CRCF agradece bolsa de estudos da CAPES Referências Alves Filho, N.T., et al Programa Estadual de Desenvolvimento Rural Sustentável em Microbacias Hidrográficas do Rio de Janeiro - "Rio Rural". Rio de Janeiro: SEAAPI, 36 p. CPRM 200. Texto explicativo do mapa geológico do Estado do Rio de Janeiro. Organizado por Luiz Carlos Silva e Hélio Canejo da Silva Cunha. Programa Levantamentos Geológicos Básicos do Brasil. Executado pela CPRM- Serviço Geológico do Brasil /Departamento de Recursos Minerais - DRM - RJ. DRM-RJ 980. Projeto Carta Geológica do Estado do Rio de Janeiro na Escala : Folhas: Miracema e São João do Paraíso. DRM-RJ. Elis, Vagner Roberto; Barroso, Carlos Maurício Rocha e Kiang, Chang Hung Aplicação de Ensaios de Resistividade na Caracterização do Sistema Aqüífero Barreira/Marituba em Maceió AL. Revista Brasileira de Geofísica: 22 (2), pág Flexor, J.M., Fontes, S.L., La Terra, E.F., Germano, C.R., Drehmer, L.H., Matos, R.S., Pinheiro, M.G.F Estudo geofísico de parâmetros hidrogeológicos de terrenos de encosta da região serrana de Petrópolis (RJ). Anais 40 Congresso Bras. Geologia, Belo Horizonte, MG, Brasil,, 38.

4 MODELAGEM GEOFÍSICA PARA ÁGUA SUBTERRÂNEA La Terra, E.F.; Menezes, P.T.L., Fontes, S.L.; Germano, C.R Aplicações de métodos eletromagnéticos para estudos de água subterrânea em prospectos não condutivos: estudo de caso em diques de diabásio. Anais 40 Congresso Bras. Geologia, Belo Horizonte, MG, Brasil,, 38. Meju, M. A., 994, Geophysical Data Analysis: Unsderstanding Inverse Problem Theory and Practice, Society of Exploration Geophysicists, Course Notes, Vol. 6. Menezes, P.T.L., Oliveira, A., Pereira, R.M., Figueiredo, I Estudo geofísico de fonte de água mineral: estudo de caso em Santo Antônio de Pádua (RJ). Revista de Geologia da UFC. 8, Menke, 984. Intruduction of Geophysical Data Analysis: Discrete inverse theory, Academic Press Inc., Orlando, Florida Projeto Prodetab Aqüíferos, VERSÃO ATUALIZADA EM MARÇO DE 2004, Projeto formulado pela equipe de pesquisadores da Embrapa Solos, em conjunto com a Universidade Federal do Rio de Janeiro, a Pontifícia Universidade Católica (PUC Rio), o Departamento de Recursos Minerais (DRM-RJ) e a Superintendência de Microbacias Hidrográficas (SMH/SEEAPI). Zohdy, A.A.R A new method for the automatic interpretation of Schlumberger and Wenner sounding curves. Geophysics, 54, FIGURAS Figura : Localização do Município de São José de Ubá (em vermelho) no Estado do Rio de Janeiro (DRM-RJ, 2004) Figura 2: Mapa Geológico da Bacia do Rio São Domingos da escala de : (Projeto PRODETAB Aqüíferos, 2004)

5 FERREIRA, LA TERRA & MENEZES 5 Figura 3: Seção de resistividade composta pela correlação das inversões D realizadas em cada ponto do Perfil P. Figura 4: Modelo inverso final 2D do Perfil 02 com a identificação do condutor superficial e de uma zona verticalizada de baixa resistividade no extremo e interior do perfil.

6 MODELAGEM GEOFÍSICA PARA ÁGUA SUBTERRÂNEA 6 P2 S P N P3 NW SE Figura 5: Correlação das inversões 2D com o traçamento da continuidade dos aqüíferos fissurais. P3 P P2 bh Figura 6: Zonas de fraturas interpretadas a partir da correlação das inversões 2D. O poço bh está situado sobre a zona de fraturamento com a indicação dos perfis de caminhamento elétrico realizado (Foto aérea na escala :0.000 DRM-RJ, 2004).