Análise da erodibilidade de saprolitos de gnaisse
https://doi.org/10.1590/S0100-06832004000600014
SEÇÃO VI- MANEJO E CONSERVAÇÃO DO SOLO E DA ÁGUA
Análise da erodibilidade de saprolitos de gnaisse1
Erodibility analysis of gneiss saprolite
F. MoraisI; L. A. P. BacellarII; F. G. SobreiraII
IGeógrafo, Pós-Graduando do Departamento de Geologia, Universidade Federal de Ouro Preto — UFOP. Bolsista de doutorado da CAPES. Campus Morro do Cruzeiro s/n, CEP 35400-000 Ouro Preto — UFOP. E-mail: morais@degeo.ufop.br
IIProfessor do Departamento de Geologia, UFOP. E-mail: bacellar@degeo.ufop.br; sobreira@degeo.ufop.br
As voçorocas são freqüentes em áreas com rochas do embasamento cristalino. A evolução destas feições é sempre fortemente condicionada pelos processos de erosão hídrica subsuperficial, embora os processos superficiais também sejam importantes. Este trabalho objetivou investigar os processos erosivos subsuperficiais atuantes nas voçorocas e compreender que fatores mineralógicos e texturais poderiam influenciar a erodibilidade dos saprolitos. Para tanto, foram realizados ensaios de caracterização e de avaliação da erodibilidade em amostras representativas, sendo o principal destes o ensaio de furo de agulha. Os resultados indicam que a erosão por carreamento não ocorre e que os saprolitos apresentam susceptibilidade variável à erosão por piping, mesmo quando derivados de uma mesma unidade litológica, mas superior à do horizonte B latossólico. Dados preliminares indicam que os saprolitos mais susceptíveis à erosão por piping são os de textura siltosa (determinados em ensaios granulométricos sem defloculante e agitação) e pobres em minerais agregadores, como os argilominerais.
Termos de indexação: solo, erosão, voçoroca, textura, horizonte B.
Gully erosion are very common in areas with gneiss basement rocks. Their development is strongly influenced by subsuperficial processes, although the surface ones are also important. This study aimed to investigate the subsuperficial erosion mechanisms of these gullies and to understand how mineralogy and texture could influence the saprolite erodibility. Some basic trials and erodibility tests were carried out in representative samples, with imphasis to especially the pin-hole test. The results showed that seepage erosion does not occur and that saprolite present variable susceptibility to piping erosion, even if they are in the same geologic unit. The data confirm that soils with Bw horizon (Oxisols) are less erodible than any of the tested saprolites. Preliminary data suggest that saprolites with a silty texture (determined without dispersant and agitation) and poor in aggregant materials, such as clay minerals, are more prone to piping erosion.
Index terms: soil, erosion, gully, texture, B horizon.
Grande parte do nordeste e sudeste do Brasil localiza-se em áreas de rochas graníticas e gnáissicas do embasamento cristalino. Na maioria destas áreas, sobretudo nas mais úmidas, o embasamento está recoberto por espessa capa de regolito, muito susceptível à erosão por voçorocas. Entende-se por voçoroca a forma de erosão em canais condicionada pela ação conjunta das águas superficiais e subsuperficiais (DAEE/IPT, 1990).
Por conta de sua grande área de ocorrência, as voçorocas constituem um dos principais riscos ambientais no Brasil (Bertoni & Lombardi Neto, 1990). Embora ocorram naturalmente no tempo geológico (Bacellar, 2000), grande parte das voçorocas ativas resulta de atividades antrópicas mal planejadas.
Segundo Resende et al. (1995), nas áreas do embasamento cristalino, os horizontes superficiais, sobretudo o B, são mais resistentes à erosão que o horizonte C (saprolito). Assim, as voçorocas tendem a se desenvolver plenamente, quando o saprolito é exposto aos processos de erosão (Parzanese, 1991). Todavia, apesar de quase sempre mais alta que a dos horizontes superficiais, a erodibilidade dos saprolitos (horizonte C) de rochas do embasamento pode variar até dentro de um mesmo tipo de rocha, dependendo de sutis variações composicionais e texturais (Bacellar, 2000).
A geração das voçorocas pode ocorrer por processos de erosão superficial ou subsuperficial, mas, quando o lençol freático é atingido pelo aprofundamento do canal, os processos subsuperficiais passam a ser preponderantes, o que torna seu controle muito mais difícil e oneroso.
A erosão hídrica subsuperficial atuante nas voçorocas dá-se por dois mecanismos: o primeiro deles está relacionado com o carreamento das partículas menores do solo por entre as maiores, em decorrência da força do fluxo subsuperficial exfiltrante, o que provoca um desmantelamento da estrutura do solo, formando vazios no seu arcabouço. Esse mecanismo é conhecido por seepage erosion ou erosão por vazamento (Coelho Netto, 1998) ou carreamento (Rodrigues, 1984). Este mecanismo pode ocorrer em voçorocas com solos finos com textura bimodal (Rodrigues, 1984). O segundo mecanismo é provocado pelo fluxo hídrico em macroporos, que gera forças cisalhantes nas suas margens. Estas forças cisalhantes podem provocar o destacamento e o transporte das partículas, fazendo com que o macroporo se alargue até o ponto em que ocorre colapso do material do teto. Tal mecanismo, que pode surgir em vários tipos de macroporos (ex.: fissuras, cavidades biológicas e juntas de origem tectônica), é conhecido por piping ou tunnel erosion (Coelho Netto, 1998). O mecanismo de piping tem sido freqüentemente descrito em estudos sobre voçorocas.
A diferença de erodibilidade entre o horizonte B, pouco erodível, e os saprolitos de rochas do embasamento é facilmente identificável em campo, bem como em ensaios laboratoriais clássicos, como de estabilidade dos agregados e Inderbitzen, dentre outros (Parzanese, 1991; Bacellar, 2000; Santos, 2001). Em contrapartida, as pequenas diferenças de erodibilidade dos saprolitos nem sempre são identificáveis pelos métodos convencionais. A determinação destas diferenças é importante, pois contrastes sutis de erodibilidade no saprolito modificam significativamente as formas e as taxas de avanço das voçorocas e ajudam a explicar porque a concentração destas feições é diferente mesmo em áreas geologicamente homogêneas (Bacellar, 2000).
Por esse motivo, utilizando vários métodos, pretendeu-se, neste trabalho, compreender os processos subsuperficiais de erosão e determinar quais são as variáveis mineralógicas e texturais que influenciariam a erodibilidade dos saprolitos.
A área estudada situa-se na região sul do complexo de rochas do embasamento cristalino (Complexo Bação), no interior do Quadrilátero Ferrífero, entre as cidades de Ouro Preto e Belo Horizonte, no centro-sul do estado de Minas Gerais (Figura 1). Nesta região, afloram rochas gnáissicas finamente bandadas, de composição predominantemente granodiorítica (Door, 1969). O manto de intemperismo é normalmente muito espesso, alcançando localmente até 50 m de espessura. O saprolito (horizonte C), que apresenta espessuras de até 40 m, é composto essencialmente por quartzo, feldspato (variavelmente alterado para caulinita), illita e muscovita (Parzanese, 1991; Sobreira 2000).
Na região, predominam Argissolos, Latossolos Vermelho-Amarelos e Cambissolos, caracteristicamente argilosos. O horizonte A foi quase totalmente eliminado por atividades antrópicas inadequadas desde o Século XVIII (Parzanese, 1991), enquanto o horizonte B, cujas espessuras alcançam até 10 m (Bacellar, 2000), é composto predominantemente por caulinita, oxiidróxidos de Fe e Al e quartzo (Parzanese, 1991; Sobreira, 1998).
A erodibilidade dos solos da região tem sido avaliada por métodos de campo, como as parcelas de erosão, e por diversos tipos de ensaios laboratoriais, como estabilidade de agregados, penetração ao cone, desagregação, dispersão, expansão livre e pin-hole (Parzanese, 1991; Sobreira, 1998; Silva, 2000; Bacellar, 2000; Santos, 2001). Estes dados indicam que o horizonte B dos Latossolos, Argissolos e Cambissolos é pouco erodível frente aos fluxos hídricos atualmente observados, tanto superficiais como subsuperficiais (Parzanese, 1991; Bacellar, 2000; Silva, 2000; Santos; 2001). Por outro lado, estes mesmos dados confirmam que os saprolitos dos gnaisses da região são normalmente muito erodíveis, tanto nos processos de erosão superficial como subsuperficial, especialmente no processo de piping (Silva, 2000; Morais, 2003). Contudo, a erodibilidade destes saprolitos pode variar significativamente (Bacellar, 2000).
Com base nesses estudos, foram selecionadas áreas representativas dos solos da região, sendo nove amostras de saprolito (horizonte C) e uma amostra no horizonte B latossólico, esta para balizar os resultados anteriores. As amostras 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8 e 9 foram coletadas no interior de uma mesma voçoroca nas proximidades da localidade de Gouveia, enquanto as amostras 5 e 10 em outras duas voçorocas situadas mais a norte. Uma das amostras de saprolito (amostra 1) apresentou, por critérios de campo, maior resistência à erosão, tal como a amostra do horizonte B latossólico (amostra 8).
Estas amostras foram submetidas aos seguintes ensaios de caracterização básica e a outros ensaios indicadores, direta ou indiretamente, de susceptibilidade à erosão:
- Análise granulométrica (ABNT, NBR 7181/1984).
- Análise granulométrica sem defloculante (ABNT, NBR 13602/1996), que se diferencia do anterior pela não-utilização de agente dispersor (hexametafosfato de Na, com concentração de 45,7 g L-1) e de agitador mecânico.
- Limite de liquidez (ABNT, NBR 6459/1984).
- Estabilidade dos agregados (Embrapa, 1997).
- Ensaio de furo de agulha (pin-hole) (ABNT, NBR 14114/1998).
- Ensaio de penetração ao cone (Head, 1992).
- Ensaio de expansão livre (Head, 1992).
- Ensaio de desagregação (Silva, 2000).
O ensaio de furo de agulha (pin-hole), conforme o método proposto por Sherard et al. (1976), foi o principal método utilizado para a diferenciação de erodibilidade desses solos. Este é o ensaio mais comumente utilizado para identificar, quantificar a dispersão (coloidal) e classificar os solos argilosos quanto à sua dispersibilidade em água. No entanto, Camapum et al. (1998) e Silva (2000) demonstraram também sua eficácia para avaliar a erodibilidade de solos tropicais. Este ensaio consistiu basicamente em escoar água sob diferentes cargas hidráulicas através de um corpo de prova indeformado, cilíndrico, com 2,8 cm de diâmetro, no qual tenha sido feito um pequeno furo (Æ = 1 mm) com uma agulha. As leituras de vazão às cargas maiores (380 e 1.020 mm), a observação da coloração do efluente e o diâmetro final do orifício no corpo de prova permitiram definir a susceptibilidade dos solos investigados à erosão por piping. Para avaliar a erosão por carreamento (seepage erosion), foram realizados ensaios com tempo prolongado e sem o furo de agulha nos corpos de prova.
Alcântara (1997) propôs a utilização do ensaio de penetração ao cone para determinar a erodibilidade de solos. Segundo esse autor, a diferença de penetração em amostras saturadas e não saturadas apresentaria boa correlação com a erodibilidade. Este ensaio, normalmente aplicado para determinação do limite de liquidez (Head et al., 1992), consistiu em submeter uma amostra indeformada (de 40 mm de altura e 73 mm de diâmetro) ao impacto de um cone (com 300 g, 30 ° de ângulo de abertura e 35 mm de altura), deixado cair de uma altura de 10 mm. Mediu-se em cada teste a profundidade de penetração alcançada pela sua ponta em nove pontos diferentes na superfície de cada amostra, tanto na umidade atual (umidade de campo), quanto no estado saturado. A partir dos valores de penetração nessas condições: natural (Pnat) e saturada (Psat), definiu-se a diferença de penetração (DP), conforme a equação:
Bacellar (2000) demonstrou que a penetração na condição saturada (Psat) mostrou-se mais eficaz que DP para distinguir solos mais erodíveis.
No ensaio de expansão livre, a amostra de solo seco foi passada na peneira de malha de 2 mm e colocada em uma proveta graduada até atingir o volume de 10 mL. Em seguida, adicionaram-se 50 mL de água destilada e, após 30 min de repouso, fez-se a leitura do volume final (V). O índice de expansão livre foi expresso pela seguinte relação:
O ensaio de desagregação, freqüentemente utilizado na engenharia para avaliar a erodibilidade, seguiu os procedimentos descritos por Silva (2000), que consistem na modelagem de um corpo de prova cúbico com 6 cm de aresta e submetê-lo a diferentes níveis de submersão, observando-se a desagregação da amostra em cada estádio. A submersão das amostras deu-se em quatro estádios: no primeiro, colocou-se a amostra sobre uma placa porosa submersa em água destilada para saturação por capilaridade por 30 min. Nos dois estádios subseqüentes, elevou-se o nível d'água a 1/3 e 2/3 da amostra durante 15 min. No último estádio, a amostra foi totalmente submersa por 24 h.
Com o intuito de compreender a influência da mineralogia na erodibilidade, procedeu-se à análise mineralógica sob lupa binocular e por difração de raios X. Os resultados dos ensaios, em conjunto com as características mineralógicas, texturais e estruturais das amostras, foram então analisados, buscando-se o entendimento do comportamento dos saprolitos à erosão subsuperficial.
Os resultados dos ensaios granulométricos com e sem defloculante (Figuras 2 e 3) mostraram grande variação textural entre os saprolitos (horizonte C) e entre estes e o horizonte B latossólico (amostra 8). Tais diferenças também foram ser observadas nos demais resultados de caracterização básica (Quadro 1).
Conforme Bacellar (2000), a penetração saturada no ensaio penetrométrico constituiu um bom índice para caracterizar sutis diferenças na erodibilidade de solos de mesma natureza. Assim, foi possível separar as amostras em três grupos quanto à resistência à penetração, sendo as amostras 1 e 8 mais resistentes, as 7, 2, 3, 5 e 9, de resistência média, e 6, 10 e 4, de menor resistência (Quadro 2).
Os ensaios de desagregação classificaram as amostras como desagregáveis por abatimento e dispersão, corroborando os dados obtidos por Silva (2000). Estes ensaios permitiram separar as amostras em três graus quanto à desagregabilidade (Quadro 3).
Embora tenha ocorrido alguma dispersão dos resultados, decorrentes das heterogeneidades naturais dos solos, os ensaios de pin-hole definiram dois grupos de saprolitos quanto à susceptibilidade à erosão por piping e confirmaram a maior resistência do horizonte B (Figuras 4 e 5 e Quadro 4). Os resultados destes ensaios não comprovaram a influência da estrutura dos saprolitos na erodibilidade, que não variou significativamente em ensaios executados paralelamente ou perpendicularmente ao bandamento das amostras.
Também foram feitos ensaios com o aparelho de pin-hole , mas sem o furo de agulha (de 1 mm), para analisar a susceptibilidade das amostras à erosão por carreamento (seepage erosion). Não se observou aumento da vazão nem coloração do efluente, o que demonstra que nenhuma das amostras mostrou-se susceptível a este mecanismo de erosão, mesmo com aplicação de carga hidráulica máxima (1.020 mm) e com o prolongamento do tempo de ensaio.
Os resultados de análise mineralógica por lupa binocular mostraram que os solos estudados são basicamente compostos por quartzo, feldspato e fragmentos de rocha. As frações submetidas à análise mineralógica por difração de raios X confirmaram o predomínio do quartzo em todas as amostras, seguido da caulinita e da muscovita. As amostra 2, 1 e 8 foram as mais ricas em caulinita, enquanto, na amostra 2, além desses três minerais, observou-se também a presença de gibbsita.
Os resultados das análises granulométricas com e sem uso de agente defloculante foram muito diferentes (Figuras 2 e 3). Sem defloculante, houve predomínio ora da fração silte, ora da fração areia nos saprolitos, tendo as amostras 10, 6, 5 e 9 apresentado maior percentual de silte. No tocante ao horizonte B latossólico, percebeu-se o predomínio de argila seguida por silte. Notou-se que a grande diferença dos ensaios com defloculante deveu-se à presença da fração argila, que, por encontrar-se agregada, não apareceu nos resultados dos ensaios sem o agente dispersor, sobretudo no horizonte B. Estes dados e a análise sob lupa binocular indicaram que os agregados do solo puderam atingir até à dimensão de areia e confirmaram a explícita diferença entre o horizonte B e os saprolitos da área (Parzanese, 1991; Sobreira 1998; Bacellar, 2000; Silva 2000; Santos 2001).
Os ensaios de pin-hole sem furo de agulha e com tempo prolongado mostraram que estes solos não foram susceptíveis à erosão por carreamento (seepage erosion), mesmo com aplicação de grandes gradientes hidráulicos por 24 h, o que pode ser atribuído ao fato de apresentarem bimodalidade textural, condição essencial ao desenvolvimento deste mecanismo (Rodrigues, 1984). Em contrapartida, os ensaios de pin-hole convencionais demonstraram que a erosão por piping foi possível nos saprolitos, tendo sido os mais erodíveis (amostras 5, 6 e 10) aqueles que apresentaram vazões médias superiores a 10 mL s-1 sob carga de 1.020 mm.
A susceptibilidade à erosão por piping apresentou boa correlação com a percentagem de silte obtida em ensaios sem defloculante e agitação (Morais, 2003). A única exceção foi a da amostra 9, que, embora siltosa, mostrou baixa taxa de erodibilidade no ensaio de pin-hole (Figura 4). A possível explicação para isto reside no fato de esta amostra apresentar maior teor de partículas de caulinita que as outras amostras ricas em silte (amostras 5, 6 e 10). Assim, a caulinita pode ter agido como agente agregador, dificultando a erosão por piping, como já sugerira Silva (2000). Em contrapartida, não se observou boa correlação entre os resultados do ensaio de pin-hole e a textura determinada em ensaios granulométricos com defloculante e agitação, o que vem a comprovar que a erodibilidade foi mais bem avaliada em ensaios que reproduzem a textura sob condições próximas às de campo (Bacellar 2000; Silva, 2000; Santos, 2001).
O ensaio de estabilidade de agregados (DMP) permitiu separar o horizonte B, menos erodível, dos saprolitos, mais erodíveis, confirmando estudos prévios (Parzanese, 1991). Estes ensaios, porém, não detectaram as sutis diferenças de erodibilidade entre os saprolitos, provavelmente por ser a menor peneira utilizada neste ensaio (0,25 mm) muito maior que a dimensão do silte, que parece ser a fração mais significativa.
Os resultados dos ensaios de penetração ao cone, de expansibilidade e de desagregação não apresentaram correlação satisfatória com os dados de erodibilidade por piping (Morais, 2003), porém indicaram haver uma tendência de os solos mais erodíveis serem mais expansíveis e menos resistentes à penetração saturada, confirmando trabalhos anteriores (Bacellar, 2000). Por fim, as propriedades básicas dos solos (Quadro 1) não exibiram qualquer correlação com a susceptibilidade ao piping.
Portanto, o conjunto de dados permitiram separar três classes de solo quanto à erodibilidade:
Classe 1 (amostras 1 e 8): baixa erodibilidade no ensaio pin-hole; baixa percentagem de silte em ensaios sem defloculante; alta resistência à penetração ao cone; baixa expansibilidade e desagregabilidade nula (amostra 8, horizonte B) a baixa (amostra 1).
Classe 2 (amostras 2, 3, 4, 7 e 9): erodibilidade baixa a média no ensaio pin-hole; percentagem média de silte em ensaios sem defloculante (com exceção da amostra 9); resistência à penetração e expansibilidade médias, e desagregabilidade média (amostra 9) a alta.
Classe 3 (amostras 5, 6 e 10): alta erodibilidade no ensaio pin-hole; alto teor de silte em ensaios sem defloculante; resistência à penetração ao cone baixa (amostras 6 e 10) a média (amostra 5); expansibilidade alta a média (amostra 5), e alta desagregabilidade.
1. Os ensaios de pin-hole demonstraram que a erosão por piping mostrou-se possível nos saprolitos derivados de rochas do embasamento da região.
2. Os ensaios pin-hole realizados sem furo de agulha e com tempo prolongado evidenciaram a ausência da erosão por carreamento (seepage erosion) nestes solos.
3. O horizonte B dos solos da região mostrou-se mais resistente à erosão, tanto nos processos superficiais como subsuperficiais.
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Recebido para publicação em janeiro de 2003 e aprovado em outubro de 2004.
1 Trabalho extraído da Tese de Mestrado do autor principal, financiada pela Fundação de Assistência a Pesquisa do Estado de Minas Gerais — FAPEMIG.