Caracterização Hidrogeológica de um Sítio Experimental da Formação Barreiras no Recôncavo Baiano

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1 Guilherme Bravo de Oliveira Almeida Caracterização Hidrogeológica de um Sítio Experimental da Formação Barreiras no Recôncavo Baiano Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio. Orientadores: Prof. José Tavares Araruna Júnior Co-orientador: Patrício José Moreira Pires Rio de Janeiro Outubro de 2011

2 Guilherme Bravo de Oliveira Almeida Caracterização Hidrogeológica de um Sítio Experimental da Formação Barreiras no Recôncavo Baiano Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Prof. José Tavares Araruna Júnior Orientador Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio Prof. Patrício José Moreira Pires Co-orientador Departamento de Engenharia Civil - UFES Profª. Michéle Dal Tóe Cassagrande Departamento de Engenharia Civil - PUC-Rio Prof. Eduardo Antônio Gomes Marques Universidade Federal de Viçosa Prof. José Eugênio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio Rio de Janeiro, 28 de outubro de 2011

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador. Guilherme Bravo de Oliveira Almeida Graduou-se em Engenharia Civil, pela Universidade Federal de Sergipe, em Durante a graduação desenvolveu trabalhos de Monitoria em Topografia I, no ano de 2004, e atuou nas áreas de construção civil e geotecnia. Ingressou no curso de Mestrado em Engenharia Civil no ano de 2010, atuando na área de Geotecnia. Desenvolveu pesquisa sobre a caracterização hidrogeológica de um sítio experimental no Recôncavo Baiano (BA). Almeida, Guilherme Bravo de Oliveira Ficha Catalográfica Caracterização hidrogeológica de um sítio experimental da formação barreiras no Recôncavo Baiano / Guilherme Bravo de Oliveira Almeida ; orientador: José Tavares Araruna Júnior; co- orientador: Patrício José Moreira Pires f. : il. (color.) ; 30 cm Dissertação (mestrado) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, Inclui bibliografia. 1. Engenharia civil Teses. 2. Formação barreiras. 3. Hidrogeologia. 4. Investigação geotécnica de campo. 5. Ensaios de laboratório. l. Araruna Júnior, José Tavares. II. Pires, Patrício José Moreira. III. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. IV. Título. CDD: 624

4 À minha família.

5 Agradecimentos Esta dissertação foi realizada graças ao apoio de várias pessoas e instituições. Expresso meus especiais agradecimentos. A Deus pela força, serenidade, segurança durante todo este tempo. Ao prof. José Araruna pela paciência, incentivo e ensinamentos para a realização deste trabalho. Ao Patrício Pires pela co-orientação, amizade e pelas aventuras durante a viagem dos trabalhos de campo. À CAPES/Cnpq pela bolsa de pesquisa. Aos professores do Departamento de Engenharia Civil pelos conhecimentos transmitidos durante o mestrado, em especial à Michéle Casagrande pela amizade, conselhos e conversas. Aos técnicos do Laboratório Rogério, Amaury, Josué e a Engª. Mônica Moncada pelo apoio durante a realização dos ensaios de laboratório. À Rita e Marcel pela ajuda durante todo o mestrado. À Ronaldo, do Departamento de Engenharia dos Materiais, pela ajuda nos ensaios de difração de raios X e à Débora, do Departamento de Química, pela ajuda nos ensaios de fluorescência de raios X. Ao professor Franklin pelo rico conhecimento sobre argilominerais. Aos meus pais, Carlos Henrique e Ilka, e meus irmãos, Thiago e Carlos Henrique Filho, presentes em mais uma conquista da minha vida, pela força, incentivo, compreensão, que mesmo distantes, sempre estão ao meu lado. Aos meus tios, tias, primos, primas, avó e em especial a Tio Sinval e Tia Kátia pela ajuda, conselhos, apoio.

6 À Sarah, pela união, companhia, presença em minha vida e fazer parte desta conquista. À D. Vera pelos conselhos, conversas e pela força a mim transmitida. Às minhas cunhadas e concunhados, em especial Silvia e Boy pelos momentos que passamos juntos. Às amizades que fiz na favelinha e nas aulas de pós-graduação da PUC-Rio. Ao Luís Fernando, Tania, Diego, Nilthson, Phillip, Perlita, Ingrid, Guilherme, Emmanuel,... Aos amigos e professores da UFS, em especial à Ângela Sales, Débora de Góis, Erinaldo Cavalcante, Jorge Lima, José Daltro Filho, Josafá Filho. A todos, meu muito obrigado!

7 Resumo Almeida, Guilherme Bravo de Oliveira; Araruna Jr. José Tavares (orientador); Pires, Patrício José Moreira (co-orientador). Caracterização Hidrogeológica de um Sítio Experimental da Formação Barreiras no Recôncavo Baiano. Rio de Janeiro, p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. A dissertação apresenta o levantamento hidrogeológico de um sítio experimental na Formação Barreiras. Neste sítio, localizado no município de São Sebastião do Passé (BA), foi realizado um levantamento de campo que compreendeu a execução de sondagens, construção dos poços de monitoramento, ensaios de condutividade hidráulica, coleta de amostras deformadas e pseudoindeformadas e levantamento geofísico por GPR (Ground Penetrating Radar). O programa experimental realizado em laboratório buscou caracterizar geotécnica e mineralogicamente os materiais coletados. Verificou-se que o perfil estratigráfico do sítio possui uma série de materiais dispostos em camadas pouco espessas. Embora os materiais apresentem constituição mineralógica semelhante, a sua distribuição granulométrica e os seus limites de consistência são díspares. Verificou-se a inexistência de uma relação direta entre a condutividade hidráulica e a porosidade, porém foram constatadas excelentes relações entre a condutividade hidráulica e o teor de finos, a fração argila, a fração grossa, o limite de liquidez e o índice de plasticidade. A modelagem geológica realizada através dos dados obtidos no decorrer da execução das sondagens a trado, dos poços de monitoramento e da sondagem geofísica revelou que a distribuição espacial dos distintos materiais não é uniforme, posto que a localização das camadas e a suas respectivas espessuras variam ao longo do perfil. Palavras-chaves Formação Barreiras; Hidrogeologia; Investigação Geotécnica de Campo; Ensaios de Laboratório

8 Abstract Almeida, Guilherme Bravo de Oliveira; Araruna Jr. José Tavares (advisor); Pires, Patrício José Moreira (co-advisor). Hydrogeological Characterization of an Experimental Site in the Barreiras Formation in the State of Bahia. Rio de Janeiro, p. M.Sc. Dissertation Departament of Civil Engineering, Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro. The dissertation presents a hydrogeological survey of an experimental site from Barreiras Formation. On this site, located in the municipality of São Sebastião do Passé (BA), a site investigation was carried out consisting on auger drilling, construction of monitoring wells, hydraulic conductivity tests, sample collection a and a geophysical survey by GPR (Ground Penetrating Radar). The experimental program held at the Geotechnical Laboratory sought to characterize the mineralogical and geotechnical properties of the materials collected. It was found that the profile of the site has a series of materials arranged in thin layers. Although the materials present similar mineralogical constitution, its particle size distribution and its consistency limits are considerably different. No direct relationship was found between porosity and hydraulic conductivity, however excellent relationships were found between the hydraulic conductivity and the fines contents, the clay fraction, the coarse fraction, the liquid limit and plasticity index. A geological model was obtained from data obtained from the drillings, the monitoring wells and the geophysical survey. The model revealed that the spatial distribution of the different materials is not uniform since the location of the layers and their thickness varies along the profile. Keywords Barreiras Formation; Hydrogeology; Site Investigation; Laboratory Tests

9 Sumário 1 Introdução 23 2 Revisão Bibliográfica Formação Barreiras Levantamento hidrogeológico Ensaio de condutividade hidráulica Permeâmetro de Guelph Slug test Gradiente hidráulico e direção de fluxo Levantamento geofísico Caracterização mineralógica Difração de raios X Mineralogia das argilas Espectrometria de fluorescência de raios X Constituintes químicos 58 3 Caracterização do Sítio Experimental Localização Vegetação, condições climáticas e hidrografia Geologia do Recôncavo Baiano 63 4 Materiais e Métodos Levantamento de campo Sondagens Construção dos poços de monitoramento Amostragem de solo Ensaios de condutividade hidráulica Permeâmetro de Guelph Slug test Levantamento geofísico 86

10 4.1.6 Modelagem geológica Ensaios de laboratório Caracterização física Massa específica dos grãos Análise granulométrica Limites de Atterberg Teor de matéria orgânica Teor de umidade natural Lâminas petrográficas Caracterização mineralógica Difração de raios X Espectrometria de fluorescência de raios X 95 5 Apresentação e Discussão de Resultados Levantamento de campo Sondagens Construção dos poços de monitoramento Modelos geológicos Ensaios de condutividade hidráulica Permeâmetro de Guelph Slug test Levantamento geofísico Ensaios de laboratório Caracterização física Massa específica dos grãos Análise granulométrica Limites de Atterberg Teor de matéria orgânica Teor de umidade natural Caracterização mineralógica Difração de raios X Espectrometria de fluorescência de raios X Conclusões 128

11 Referências 130 Anexos 141

12 Lista de figuras Figura 2.1 Distribuição da Formação Barreiras pelo litoral brasileiro (SUGUIO e NOGUEIRA, 1999). 24 Figura 2.2 Ocorrência do Grupo Barreiras nos estados de Pernambuco, Paraíba e Rio Grande do Norte (MABESOONR; CAMPOS e SILVA; BEURLEN, 1972). 30 Figura 2.3 Radagramas da Formação Barreiras em a - Quissamã (RJ), b - Ubu (ES) e c - Araçatiba (ES) (SANTOS, PAULA et al., 2006). 32 Figura 2.4 Afloramentos da Formação Barreiras em Candeias, na Bahia à esquerda (ARARUNA JR.; PIRES, 2009) e plantação de cana-de-açúcar em Alagoas à direita (EMBRAPA SOLOS/UEP RECIFE, 2006). 35 Figura 2.5 Falésias ativas (aproximadamente 25 m de altitude) em depósitos da Formação Barreiras. Praia de Boa Vista, litoral sul do Espírito Santo (MORAIS, 2007). 35 Figura 2.6 Esquema do ensaio de Lefranc (PUERTOS DEL ESTADO, 1994 apud SUPO, 2008) 36 Figura 2.7 Piezocone com medição de poropressão (SUPO, 2008). 37 Figura 2.8 Bulbo de saturação de água no solo (modificado de OLIVA, 2006).38 Figura 2.9 Fator C x H/a. 40 Figura 2.10 Slug test (à esquerda) e Bail test (à direita) (modificado de PEDE, 2004). 41 Figura 2.11 Medidor de nível d água do tipo dip meter. 43 Figura 2.12 Gráfico h/ho versus t, para o método de Hvorslev (FETTER, 1994). 44 Figura 2.13 Representação das cargas no meio poroso (modificado de DAS, 2007). 46 Figura 2.14 Esquema do difratômetro, à esquerda (modificado de CULLITY; STOCK, 2001) e difratograma, à direita. 53 Figura 2.15 a) Tetraedro de sílica; b) lâmina de sílica; c) octaedro de alumina; d) lâmina octaédrica; e) lâmina elementar de sílica-octaédrica (modificado de DAS, 2007). 54

13 Figura 2.16 Estrutura atômica (à esquerda) e diagrama da estrutura (à direita) da caulinita (modificado de DAS, 2007). 55 Figura 2.17 Estrutura atômica (à esquerda) e diagrama da estrutura (à direita) da ilita (modificado de DAS, 2007). 56 Figura 2.18 Esquema do espectrofotômetro, à esquerda (modificado de VINADÉ; VINADÉ 2005) e espectro (à direita). 57 Figura 3.1 Localização do município de São Sebastião do Passé - BA (s/esc.). 60 Figura 3.2 Sítio experimental em São Sebastião do Passé (BA). 61 Figura 3.3 Mapa pluviométrico do estado da Bahia (modificado de SEI, 2003). 62 Figura 3.4 Limites da Bacia do Recôncavo Baiano (modificado de SANTOS, 1998 apud MILHOMEM ET AL., 2003). 64 Figura 3.5 Coluna estratigráfica da Bacia do Recôncavo (SILVA, O. et al., 2007). 66 Figura 4.1 GPS referenciando um ponto para instalação do poço de monitoramento. 67 Figura 4.2 Trado tipo concha (à esquerda) e procedimento para perfuração (à direita). 68 Figura 4.3 Análise tátil-visual do solo no sítio experimental. 68 Figura 4.4 Verificação do nível d água através do medidor do tipo dip meter. 69 Figura 4.5 Boletim do furo de sondagem SD Figura 4.6 Método de determinação do gradiente hidráulico e direção do fluxo do sítio experimental. 71 Figura 4.7 Boletim do poço de monitoramento PM Figura 4.8 Tubos geomecânicos (à esquerda, observa-se o tubo com ranhuras transversais). 73 Figura 4.9 Lançamento do pré-filtro (à esquerda) e da bentonita (à direita). 74 Figura 4.10 Complemento dom aterro e argamassa para selar o poço. 74 Figura 4.11 Desenvolvimento do poço através do bailer (à esquerda) e por bomba elétrica (à direita). 75 Figura 4.12 Coleta de solo deformado em sacos plásticos. 76 Figura 4.13 Coleta de amostras pseudo-indeformadas de solo através do liner (à esquerda) cravado por martelete (à direita). 76

14 Figura 4.14 Cravação do amostrador utilizando o martelo manual. 77 Figura 4.15 Amostra pseudo-deformadas coletadas no sítio experimental. 77 Figura 4.16 Determinação on site da massa de solo coleta no sítio experimental. 78 Figura 4.17 Manuseio do Permeâmetro de Guelph no sítio experimental. 80 Figura 4.17 (continuação) Manuseio do Permeâmetro de Guelph no sítio experimental. 81 Figura 4.18 Método de determinação da condutividade hidráulica saturada de campo por meio do Permeâmetro de Guelph. 82 Figura 4.19 Transdutor de pressão (à esquerda) e data logger (à direita). 83 Figura 4.20 Execução do slug test no PM1 do sítio experimental. 84 Figura 4.21 Calibração do transdutor de pressão. 84 Figura 4.22 Gráfico de calibração do transdutor de pressão. 85 Figura 4.23 Método de determinação da condutividade hidráulica pelo slug test. 85 Figura 4.24 Unidade de controle (à esquerda) e monitor (à direita). 86 Figura 4.25 Operação com GPR no sítio experimental pelo método commom offset. 87 Figura 4.26 Sequência esquemática da preparação de lâminas impregnadas de amostras integrais (modificado de PETROBRAS/CONTEC, 1985 apud modificado de CESERO, MAURO; DE ROS, 1989). 92 Figura 4.27 Microscópio óptico da marca Zeiss modelo AXIO Imager.M2m (PUC-Rio). 93 Figura 4.28 Preparação das lâminas para ensaio de difração de raios X. 94 Figura 4.29 Lâminas submetidas à solvatação por etilenoglicol. 95 Figura 4.30 Difratômetro de raios X modelo Siemens D5000 (PUC-Rio). 95 Figura 4.31 Cubetas e tubos falcon. 96 Figura 4.32 Espectrofotômetro de fluorescências de raios X modelo EDX 700 (PUC-Rio). 96 Figura 5.1 Modelo geológico das sondagens do sítio experimental. 98 Figura 5.2 Modelo geológico das sondagens do sítio experimental com o nível d água. 98 Figura 5.3 Localização dos poços de monitoramento e dos furos de sondagens.

15 100 Figura 5.4 Modelo geológico dos poços de monitoramento do sítio experimental. 100 Figura 5.5 Modelo geológico dos poços de monitoramento do sítio experimental com o nível d água. 101 Figura 5.6 Modelo geológico das camadas de solo do sítio experimental. 102 Figura 5.7 Planta da pista experimental com indicação das seções de corte. 103 Figura 5.8 Seção A A. 103 Figura 5.9 a) Seção B B ; b) Seção C C. 104 Figura 5.10 a) Seção D D ; b) Seção E E. 105 Figura 5.11 Localização do ensaio por permeâmetro de Guelph. 106 Figura 5.12 a) Gráfico entre limite de liquidez x condutividade hidráulica; b) Gráfico entre índice de plasticidade x condutividade hidráulica. 108 Figura 5.13 a) Gráfico entre % de finos x condutividade hidráulica. 108 Figura 5.13 (continuação) b) Gráfico entre % de argila x condutividade hidráulica. 109 Figura 5.14 Gráfico entre % grosso x condutividade hidráulica. 109 Figura 5.15 Imagens do fluido percolando os poros do solo do G4 (à esquerda) e G3 (à direita). 110 Figura 5.16 Ensaio slug test realizado nos poços de monitoramento. 111 Figura 5.17 Radagrama sem tratamento do trecho analisado. 113 Figura 5.18 Radagrama interpretado do trecho analisado. 113 Figura 5.19 Linha de transmissão elétrica (à esquerda) e medição da voltagem (à direita). 114 Figura 5.20 Óxido de ferro x Gs dos solos coletado. 116 Figura 5.21 União das curvas granulométricas do solo coletado. 116 Figura 5.22 Gráfico de plasticidade (DAS, 2007). 119 Figura 5.23 União dos difratogramas a partir de lâminas naturais das amostras de solo coletas. 123 Figura 5.24 União dos difratogramas a partir de lâminas glicoladas das amostras de solo coletas. 124 Figura 5.25 União dos difratogramas a partir de lâminas glicoladas das amostras de solo coletas. 124

16 Figura 5.26 Limites de Atterberg (%) x Concentrações químicas (%) dos solos coletados. 127 Figura 5.27 Variação das cores das amostras coletadas. 127 Anexo 1 Boletim do furo de sondagem SD Anexo 2 Boletim do furo de sondagem SD Anexo 3 Boletim do furo de sondagem SD Anexo 4 Boletim do furo de sondagem SD Anexo 5 Boletim do furo de sondagem SD Anexo 6 Boletim do poço de monitoramento PM Anexo 7 Boletim do poço de monitoramento PM Anexo 8 Boletim do poço de monitoramento PM Anexo 9 Boletim do poço de monitoramento PM4. 149

17 Lista de tabelas Tabela 2.1 Formação Serra do Martins; Seção tipo Serra do Martins, Martins RN (MABESOONE; CAMPOS e SILVA; BEURLEN, 1972). 27 Tabela 2.2 Formação Guararapes; Seção tipo Montes Guararapes, Recife PE (MABESOONE; CAMPOS e SILVA; BEURLEN, 1972). 28 Tabela 2.3 Formação Macaíba (MABESOONE; CAMPOS e SILVA; BEURLEN, 1972). 29 Tabela 2.4 Fator de forma (ZHANG; GROENEVELT; PARKIN, 1998). 39 Tabela 2.5 Parâmetro *α (ELRICK; REYNOLDS; TAN, 1989). 40 Tabela 2.6 Coeficiente de reflexão de alguns contatos geológicos (NUNES, 2002). 49 Tabela 2.7 Correlações da frequência central com a profundidade e resolução (NUNES, 2002). 49 Tabela 2.8 Constantes dielétricas (k) e condutividades elétricas (σ) comuns para as frequências utilizadas no GPR (NUNES, 2002). 51 Tabela 3.1 Precipitação média mensal (mm) de alguns municípios da Bahia. 62 Tabela 3.2 Temperatura mensal de alguns municípios da Bahia. 63 Tabela 5.1 Localização geográfica e nível d água dos furos de sondagens. 97 Tabela 5.2 Localização geográfica dos poços de monitoramento. 99 Tabela 5.3 Dados característicos dos poços de monitoramento. 99 Tabela 5.4 Condutividade hidráulica por meio do permeâmetro de Guelph. 106 Tabela 5.5 Condutividade hidráulica por meio do slug test. 111 Tabela 5.6 Massa específica e densidade relativa dos grãos dos solos coletados. 114 Tabela 5.7 Densidade dos grãos de alguns minerais (adaptado de DEER; HOWIE; ZUSSMAN, 2000). 115 Tabela 5.8 Resumo da distribuição granulométrica dos solos coletados. 117 Tabela 5.9 Limites de Atterberg dos solos coletados. 117 Tabela 5.10 Atividade das argilas dos solos analisados. 118 Tabela 5.11 Classificação dos solos coletados (ASTM D ). 119 Tabela 5.12 Teor de matéria orgânica dos solos coletados. 120

18 Tabela 5.13 Porcentagem de matéria orgânica em relação aos horizontes (Costa, 2004). 121 Tabela 5.14 Índices físicos das amostras indeformadas de alguns dos solos coletados. 122 Tabela 5.15 Identificação mineralógica dos solos coletados. 122 Tabela 5.16 Constituintes químicos presentes nas amostras dos solos coletados. 126

19 Lista de abreviaturas e siglas A ABNT ASTM CL CH DNPM EPA G GPR GPS IP LGMA LL LP MO PM RTA SAD SD ST UTM Atividade das argilas Associação Brasileira de Normas Técnicas American Society for Testing and Materials Argila de baixa plasticidade Argila de alta plasticidade Departamento Nacional de Produção Mineral Environmental Protection Agency Guelph Ground Penetrating Radar Global Positioning System Índice de Plasticidade Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente Limite de Liquides Limite de Plasticidade Matéria Orgânica Poço de Monitoramento Rough Terrain Antennas South American Datum Sondagem Slug Test Universal Transversa de Mercator

20 Lista de símbolos K G Q X Y R H i a C i α* q t F r To V Le R h u v g γ w Z h i L c k i λ Condutividade hidráulica Parâmetro G Vazão d água Área da seção do reservatório combinado Área da seção do reservatório interno Média das 3 últimas taxas de fluxo d água Carga aplicada Raio do poço Fator de forma Parâmetro alfa Taxa de infiltração Tempo t Fator que depende da geometria do poço Raio do tubo Tempo referente a 37% do rebaixamento ou recuperação Volume de água adicionado ou retirado Comprimento do filtro Raio do poço Carga total Pressão Velocidade Aceleração da gravidade Peso específico da água Carga altimétrica Diferença de carga Gradiente hidráulica Comprimento do fluxo onde ocorre a perda de carga Velocidade da luz Permissividade dielétrica ou constante dielétrica dos materiais Comprimento de onda

21 f r GPR σ n d θ γ n W V n ω γ d G s e S Frequência central Coeficiente de reflexão Condutividade elétrica Número inteiro (ordem de difração) Distância interplanar para o conjunto de planos da estrutura cristalina Ângulo de incidência dos raios X (medido entre o feixe incidente e os planos cristalinos) Peso específico natural Peso da amostra Volume da amostra de solo Porosidade Teor de umidade Peso específico seco Densidade dos grãos Índice de vazios Grau de saturação