Espacialização da anomalia do índice de Hack como suporte a estudos morfoestruturais

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1 Espacialização da anomalia do índice de Hack como suporte a estudos morfoestruturais Édipo Henrique Cremon Trabalho de monografia da disciplina SER- 300 Introdução ao Geoprocessamento do Programa de Pós-graduação em Sensoriamento Remoto. São José dos Campos 2013

2 Resumo Em geomorfologia, o perfil longitudinal dos cursos fluviais são bastante estudados para o estabelecimento de processos evolutivos, de geometria hidráulica e morfoestruturais. Pelas teorias clássicas de evolução de relevo, espera-se que relevos evoluídos apresentem rios com perfis longitudinais com caimento logarítmico. Baseado nessa premissa, Hack (1957) estabeleceu um índice relacionando a declividade e extensão dos cursos fluviais que desde então vem sendo utilizado pela comunidade científica. Uma derivada desse índice é a verificação de anomalias que são relacionadas a diferenças litológicas e deformações neotectônicas na paisagem. Esse índice de anomalia morfoestrutural embora seja derivado de uma geometria linear (rede de drenagem) com expressão pontual, alguns trabalhos tentaram espacializá-lo por técnicas de interpolação para criar superfícies contínuas que ajudassem na interpretação de áreas com maiores anomalias que podem ser relacionadas a diferenças litológicas e deformações neotectônicas. Tal recurso é interessante, pois auxilia no estudo geomorfológico e de geologia morfoestrutural. O objetivo desse trabalho foi de avaliar técnicas de espacialização do índice de Hack que melhor auxiliem no estudo morfoestrutural. A área de estudo foi o interflúvio dos rios Negro e Branco, no norte da Amazônia, em uma região conhecida como Pantanal Setentrional. Esse trabalho contou com recursos de geoprocessamento de extração automática da rede de drenagem de modelos digitais de elevação para posterior aplicação do índice de Hack e sua anomalia. Em seguida, métodos de interpolação e de densidade kernel, junto com representação por proporção pontual foram aplicados e comparados com uma base cartográfica de lineamentos morfoestruturais e pontos. Dos métodos testados, o melhor resultado foi para espacialização da anamolia morfoestrutural por densidade kernel, sendo bastante correspondente aos lineamentos e pontos sísmicos. Palavras chave: índice de Hack, anomalia morfoestrutural, espacialização. 2

3 1. INTRODUÇÃO Em geomorfologia, o perfil longitudinal é um dos elementos morfométricos mais estudados. Este consiste na representação bivariada entre a cota altimétrica e o comprimento de um determinado curso fluvial de montante para jusante. Diversas interpretações são feitas a partir de perfis longitudinais de cursos fluviais. Espera-se que o perfil longitudinal tenha declividades maiores em direção à nascente e com valores menores para jusante (Christofoletti, 1981). Dada a importância dos rios no modelado da paisagem, a análise de perfis longitudinais é uma antiga temática dentro da geomorfologia (Christofoletti, 1981). Os estudos baseados nesse tipo de perfil têm se pautado no estabelecimento de processos evolutivos, de geometria hidráulica e análises morfoestruturais. Embora seja uma representação bivariada de cota pelo comprimento, implicitamente um perfil longitudinal também possui coordenadas geográficas, logo, abordagens de análises de modo espacializados em ambiente de Sistemas de Informação Geográfica (SIG) também é possível. Dentro das inúmeras abordagens de análise de perfis longitudinais, uma das mais utilizadas foi desenvolvida por Hack (1957). Pelas teorias clássicas de evolução de relevo, espera-se que relevos evoluídos apresentem rios com perfis longitudinais com geometria que decrescem logaritmicamente. Baseado nessa premissa, Hack (1957) estabeleceu um índice relacionando a declividade e extensão dos cursos fluviais que desde então vem sendo utilizado pela comunidade científica. Uma derivada desse índice é a verificação de anomalias que são relacionadas a diferenças litológicas e deformações neotectônicas na paisagem. Na maioria dos trabalhos desenvolvidos, a análise do índice e sua anomalia são feitas de forma gráfica de duas dimensões. Embora seja produto de uma geometria linear (rede de drenagem) com expressão pontual, alguns trabalhos tentaram espacializá-lo para que pudessem ser utilizados na interpretação de áreas com maiores valores de anomalia relacionadas a diferenças litológicas e/ou deformações neotectônicas (p.e. Seeber; Gornitz, 1988; Etchebehere et al., 2004; Troiani; Della Seta, 2008). Tal recurso é interessante, pois auxilia no 3

4 estudo geomorfológico e de análise morfoestrutural. Ainda que alguns trabalhos tenham se engajado na espacialização do índice (p.e. Etchebehere et al., 2004; Vágó, 2010; Fonseca; Augustin, 2011), ainda não há um estudo específico sobre as vantagens e desvantagens de diferentes métodos de espacialização. Esse trabalho tem por objetivo avaliar técnicas de espacialização do índice de Hack com base nas ferramentas de geoprocessamento que melhor auxiliem no estudo morfoestrutural. 4

5 2. O ÍNDICE DE HACK Hack (1973) desenvolveu um método para analisar perfis longitudinais com o qual denominou de stream-gradient index. No Brasil o índice tem sido chamado de relação declividade-extensão (RDE) ou simplesmente índice de Hack (Etchebehere et al., 2004). O índice de Hack é um parâmetro quantitativamente significante, pois está relacionado à potência do canal (stream power) para transportar material de dada granulometria e às características do canal com a resistência de fluxos. O índice pode ser calculado para todo o canal (Eq. 1), para comparações de diferentes cursos fluviais ou por trechos (Eq. 2), este último sendo mais voltado para análise detalhada das variações dos índices. L ΔH L 1.. ΔL Figura 1 Representação dos parâmetros necessários para o cálculo do índice de Hack em perfil longitudinal.. L 2 Eq. 1 ( ) Eq. 2 Mais voltado para estudos morfoestruturais, Seeber e Gornitz (1988) estabeleceram uma formulação para anomalias do índice de Hack, onde o valor do índice por trecho é divido pelo índice total. Eq. 3 5

6 Valores maiores do índice de Hack ou de sua anomalia têm sido interpretados em estudos morfoestruturais por diferença litológica do substrato ou por movimentações tectônicas que deslocam o relevo, por isso a anomalia do índice também pode ser denominada de anomalia morfoestrutural. 6

7 3. ÁREA DE ESTUDO A área de estudo compreende a região amazônica localizada no interflúvio dos rios Negro e Branco, que vem sendo sistematicamente estudada nos últimos anos. Especificamente, o estudo se concentrará numa área denominada de Pantanal Setentrional (Santos et al., 1993). É uma região com km² e pouco habitada. Possui a cidade de Barcelos como o único centro urbano e algumas vilas e tribos ao longo dos maiores rios (Figura 2). Em relação à geologia, a área de estudo está localizada no norte da porção ocidental da Bacia Sedimentar do Solimões (Figura 3), sendo sobreposta às rochas pré-cambrianas dos escudos das Guianas ao norte, e do Brasil Central, ao sul. A oeste e a leste, os limites da Bacia do Solimões são dados pelos arcos de Iquitos e Purus, respectivamente. A região do interflúvio do médio rio Negro com o rio Branco foi considerada uma extensão da Bacia do Solimões, com cerca de km², denominada de Pantanal Setentrional (Santos et al., 1993). De acordo com esses autores, essa área corresponde a uma bacia sedimentar continental notavelmente recente, originada provavelmente no Plioceno, cujo preenchimento se deu essencialmente por deposição de sedimentos fluviais originados por intensa migração lateral dos rios. 7

8 Figura 2 A linha tracejada em preto delimita os limites do Pantanal Setentrional. Figura 3 - Arcabouço geológico da área de estudo, localizada ao norte da porção ocidental da Bacia do Solimões, onde se localiza a sub-bacia do Pantanal Setentrional. 1-3= arcos estruturais de Iquitos (1), Purus (2) e Monte Alegre (3). 8

9 A proposição da sub-bacia do Pantanal Setentrional ainda é informal, não tendo sido adota em mapeamentos geológicos recentes (Schobbenhaus et al., 2004; IBGE, 2005, 2010). 9

10 4. MATERIAIS E MÉTODOS Para o desenvolvimento desse trabalho, recursos de geoprocessamento para a extração automática da rede de drenagem a partir de modelos digitais de elevação foram utilizados. Como insumo topográfico, será utilizado o MDE- SRTM o qual foi trabalhado dentro da plataforma TerraHidro que possui ferramentas para extração automática da rede de drenagem. O modelo digital original passa por preenchimento de sumidouros para torná-lo hidrologicamente consistente, em seguida é convertido para fluxo acumulado e após esta operação, para área de contribuição. Com um fatiamento da área de contribuição é possível extrair a rede de drenagem. No caso, foi usado um limiar de pixels, extraindo a rede de drenagem, que foi convertida para linha. Esta por sua vez foi recortada dos limites do polígono do Pantanal Setentrional baseado em Rossetti et al. (no prelo). Com o dado vetorial da rede de drenagem em linha, combinado com MDE- SRTM, no aplicativo Global Mapper, é possível extrair o perfil (longitudinal) dos segmentos e exportá-los em planilha (*.csv) com dados de x,y,z e comprimento para da vértice da rede de drenagem. Em posse dos dados em planilha foi calculado o índice de Hack e sua respectiva anomalia no aplicativo Excel. Como a planilha continha a coordenada geográfica de cada vértice da rede de drenagem extraída, os mesmos foram espacializados por dado vetorial do tipo ponto. A partir da informação das anomalias do índice de Hack, três modos de representação foram elaborados: a) por proporção pontual, onde maiores valores eram representados por circunferência maiores; b) por interpolações, onde os dados de anomalia foram divididos em dois conjuntos com 70% e 30% para a criação por interpolação de geocampos com superfícies de anomalias morfoestruturais e validação dos resultados obtidos quantitativamente das interpolações, com o cálculo da raiz quadrada do erro quadrático médio. Os métodos de interpolação que foram testados são o inverso do quadrado da distância, vizinho mais próximo, vizinho natural, TIN e topogrid. 10

11 c) Superfícies contínuas também foram avaliadas por densidade Kernel. A principal avaliação para a espacialização dos dados se deu de modo qualitiativo, com interpretação de intérprete com experiência no assunto, embora também foi realizado uma avaliação quantitativa dos métodos de interpolação. A avaliação qualitativa contou com o uso do mapa de lineamentos morfoestruturais da CPRM (Schobbenhaus et al., 2004) e base de dados dos registros de pontos sísmicos do Brasil. A metodologia empregada está expressa no fluxograma da figura 2. Figura 4 Fluxograma metodológico. 11

12 5. RESULTADOS A partir do MDE-SRTM foi extraída para a região do Pantanal Setentrional uma rede de drenagem com km de extensão. Figura 5 Rede de drenagem extraída do MDE-SRTM para a região do Pantanal Setentrional (Drenagem do rio Negro e Branco do MMA sobreposta). O contorno da rede de drenagem apresentou-se consistente para a maior parte da área de estudo. As principais drenagens estão concordantes com a drenagem real. Em posse dessa rede, e posterior cálculo da anomalia morfoestrutural, estes foram espacializados. No primeiro caso, foi usado apenas dados pontuais proporcionais dos vértices da rede de drenagem para a informação da anomalia, conforme Figura 6. 12

13 Figura 6 Representação proporcional pontual da anomalia morfoestrutural. A partir da informação pontual da anomalia morfoestrutural, interpolações foram processadas para a criação de superfícies de anomalias morfoestruturais. Em seguida são apresentados os resultados das interpolações utilizadas. Na interpolação TIN (Triangular Irregular Network) é possível observar que várias arestas são formadas com predomínio de anomalias maiores na borda norte do Pantanal Setentrional e ao longo dos rios Negro e Branco (Figura 7). 13

14 Figura 7 Superfície de anomalia morfoestrutural da interpolação TIN. Com o interpolador inverso do quadrado da distância (IQD), vários reticulados radiais foram criados, com difícil definição de áreas de maior predomínio de anomalias (Figura 8). 14

15 Figura 8 - Superfície de anomalia morfoestrutural da interpolação inverso do quadrado da distância. Com o interpolador vizinho mais próximo, as regiões de maiores anomalias diminuíram bastante em relação aos interpoladores TIN e IQD. Pequenas arestas também foram criadas ao longo dos interflúvios (Figura 9). 15

16 Figura 9 - Superfície de anomalia morfoestrutural da interpolação vizinho mais próximo. Já com o interpolador vizinho natural, não foram criadas arestas como nos interpoladores anteriores. Grandes feições circulares foram criadas extrapolando os limites da rede de drenagem (Figura 10). 16

17 Figura 10 - Superfície de anomalia morfoestrutural da interpolação vizinho natural. Por fim, o último interpolador utilizado foi o topogrid, onde feições circulares também foram criadas assim como no interpolador vizinho natural, entretanto a proporção e distribuição dessas feições foram diferentes (Figura 11). 17

18 Figura 11 - Superfície de anomalia morfoestrutural da interpolação Topogrid. Como explicado anteriormente, um conjunto independente de amostras foi utilizados para validação das interpolações geradas com base no cálculo da raiz quadrada do erro quadrático médio (RMSE). Os valores mais discrepantes foram para o TIN, com RMSE de 583,44. Os demais interpoladores tiveram valores próximos, com menor erro para o IQD, conforme tabela 1. Tabela 1 RMSE das interpolações para as superfícies de anomalia morfoestrutural. Interpolador RMSE TIN 583,44 Topogrid 37,06 Vizinho mais próximo 36,63 Vizinho natural 36,62 Inverso do quadrado da distância 34,63 A última representação testada foi pelo método de densidade kernel, no qual os valores são apresentados em fatiamento de cores qualitativamente. Nesse caso, as anomalias também apresentam feições mais arredondadas e mais restritas à rede de drenagem, conforme Figura

19 Figura 12 Densidade Kernel das anomalias morfoestruturais. 19

20 6. Discussão Na representação de proporção pontual, a alta densidade de pontos dado por trechos pequenos dos vértices da rede de drenagem fez com que o mapa final ficasse com difícil interpretação de áreas realmente mais anômalas. No caso, não foi uma boa escolha de representação, mas pode ser em casos onde o espaçamento dos trechos da rede de drenagem são maiores, como apresentado no trabalho de Martinez et al. (2011). No caso das superfícies geradas por interpolação, os interpoladores TIN e vizinho mais próximo criaram arestas nas regiões de interflúvio, cuja interpretação em análise morfoestrutural torna-se prejudicada. Por sua vez, na interpolação pelo método do inverso do quadrado da distância feições de arestas radiais criadas pela natureza do método pode induzir interpretações de cunho geológico sobre feições anômalas e lineares que não existem. Os métodos de vizinho natural e topogrid criaram superfícies mais suaves e melhor perceptíveis para um intérprete, mas como os demais métodos extrapolam bastante os limites além da rede de drenagem, isto pode ser prejudicial dependendo da análise. A representação que visualmente apresentou melhor definição foi por densidade kernel, onde os contornos foram mais suaves e se restringiram mais às áreas próximas a rede de drenagem. A sobreposição dos lineamentos morfoestruturais mapeados pela CPRM com mapa de densidade kernel das anomalias é possível notar uma concordância das anomalias frente às principais feições estruturais da área de estudo. 20

21 Figura 13 - Mapa de densidade kernel das anomalias sobreposto aos lineamentos morfoestruturais. Dada a falta de uma rede sismográfica mais refinada, os dados de pontos sísmicos possuem escala bastante generalizada, mas conforme pode ser observado na Figura 14 é coincidente ou muito próximo das principais zonas de anomalias morfoestruturais identificadas. 21

22 Figura 14 - Mapa de densidade kernel das anomalias sobreposto aos pontos sísmicos. Essa região é carente de estudos morfoestruturais e estudos mais sistemáticos começaram a ser desenvolvidos há pouco tempo. Algumas pesquisas foram desenvolvidas ao longo do rio Negro e é possível observar que áreas anômalas do mapa kernel são concordantes com estruturas já mapeadas em trabalhos anteriores (Bezerra, 2003; Latrubesse; Franzinelli, 2005). É possível notar que a transição de padrões de canal no rio Negro é demarcada por áreas onde há altos valores de anomalias. De montante para jusante, antes de formar o arquipélago Mariuá no rio Negro, uma anomalia alta é detectada, outra próximo a foz do rio Demini e em seguida na foz do rio Branco (Figura 15). 22

23 Figura 15 Anomalias morfoestruturais identificadas ao longo do médio curso do rio Negro. Todas essas áreas correspondem a áreas com falhas tectônicas já identificadas por Latrubesse e Franzinelli (2005) e Bezerra (2003), onde se formam diferentes blocos estruturais, os quais possibilitaram a criação de espaços de acomodação para o desenvolvimento do padrão de canal anabranching na região do arquipélago Mariuá. 23

24 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS Após os testes para representação da anomalia morfoestrutural obtida pelo índice de Hack é possível concluir que: A superfície obtida por densidade kernel consistiu na melhor representação de espacialização da anomalia morfoestrutural e se mostrou concordante com os lineamentos morfoestruturais e os pontos sísmicos registrados no Brasil para essa área de estudo; Representações por proporção pontual devem ser evitadas em áreas densamente amostradas, podendo ter melhor aplicação para trechos maiores de drenagem; Visualmente, os métodos de interpolação o topogrid e o vizinho natural foram os que tiveram contornos mais suaves e arredondados, possíveis de ser interpretados, entretanto muitas feições diferem de bases de dados estruturais, como os lineamentos; Interpolações pelos métodos TIN, vizinho mais próximo e inverso do quadrado da distância devem ser evitadas na espacialização das anomalias. 24

25 8. REFERÊNCIAS Bezerra, P. E. L. Compartimentação morfotectônica do interflúvio Solimões-Negro p. Tese (Doutorado em Geologia e Geoquímica) - Universidade Federal do Pará, Centro de Geociências, Curso de Pós Graduação em Geologia e Geoquímica, Belém:UFPA, Christofoletti, A. Geomorfologia fluvial: o canal fluvial. 2 ed. São Paulo: Edgard Blücher, Etchebehere, M. L.; Saad, A. R.; Fulfaro, V. J.; Perinotto, J. A. J. Aplicação do Índice Relação Declividade-Extensão - RDE na Bacia do Rio do Peixe (SP) para Detecção de Deformações Neotectônicas. Geol. USP Sér. Cient., v. 4, n. 2, p , Fonseca, B. M.; Augustin, C. H. R. R. Use of GIS to calculate Hack Index as a basis for comparative geomorphologic analysis between two drainage basins: a case study from SE-Brazil. In: International Geographic Union Regional Geographic Conference - UGI 2011, Santiago: Military Geographic Institute of Chile(IGM), v. 1, p. 1-12, Hack, J.T. Stream-profile analysis and stream-gradient index. U.S. Geol. Survey, Jour. Research, v. 1, n. 4, p , IBGE. Geologia de Roraima. Belém: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, IBGE. Geologia do Amazonas. Belém: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, Latrubesse, E. M.; Franzinelli, E. The late Quaternary evolution of the Negro River, Amazon, Brazil: Implications for island and floodplain formation in large anabranching tropical systems. Geomorphology, v. 70, n. 3-4, p , Martinez, M.; Hayakawa, E. H.; Stevaux, J. C.; Profeta, J.D. Índice RDE como indicador de anomalias no perfil longitudinal do rio Pirapó. Geociênc. (São Paulo), vol. 30, n.1, p , Rossetti, D.D.; Zani, H.; Cremon, É. H. Fossil megafans evidenced by remote sensing in the Amazonian wetlands. Zeitschrift fur Geomorphologie, no prelo. Santos, J. O. S.; Nelson, B. W.; Giovannini, C. A. Corpos de areia sob leitos abandonados de grandes rios. Ciência Hoje, v. 16, n. 93, p , Schobbenhaus, C.; Gonçalves, J. H.; Santos, J. O. S. et al. Carta Geológica do Brasil ao Milionésimo, Sistemas de Informações Geográficas SIG - Programa Geologia do Brasil. CD-ROM ed., p Brasília: CPRM, Seeber, L; Gornitz, V., River profile along the Himalayan arc as indicators of active tectonics. Tectonophysics, v. 92, p ,

26 Troiani F.; Della Seta, M. The use of the Stream Length Gradient index in morphotectonic analysis of small catchments: A case study from Central Italy. Geomorphology, v. 102, p , Vágó, J. Stream gradient investigation in the Bükkalja using interpolated surfaces. AGD Landscape & Environment, v. 4, n. 1, p ,