Caracterização estrutural em top-down de aquíferos fraturados: exemplo em Barra Mansa, Rio de Janeiro

Published
2021-11-17
Keywords: Fractured Aquifer, Lineaments, Structural Characterization, Resistivity Profile, Conceptual Site Model. Aquífero Fraturado, Lineamentos, Caracterização Estrutural, Caminhamento Elétrico, Modelo Conceitual.

    Authors

  • Fábio Sartorio Centro de Pesquisas de Águas Subterrâneas (CEPAS/USP), São Paulo, SP.
  • Reginaldo Antonio Bertolo Centro de Pesquisas de Águas Subterrâneas (CEPAS/USP), São Paulo, SP. https://orcid.org/0000-0002-9470-4716
  • Daphne Silva Pino Centro de Pesquisas de Águas Subterrâneas (CEPAS/USP), São Paulo, SP.
  • Fernando Augusto Saraiva Centro de Pesquisas de Águas Subterrâneas (CEPAS/USP), São Paulo, SP.

Abstract

Fractured crystalline aquifers are of significant importance in Brazil for public and private water supply, especially in the most populated and economically relevant regions, which justifies the need to further advance their knowledge. In general, however, the most appropriate techniques and tools for the study and investigation of this geological environment are still little employed, both for the tasks of new wells location and for predicting the behavior of contaminants in situations of contaminated sites. In this study, it is intended to draw awareness to the joint application of conventional techniques for the development of a geological conceptual model in a contaminated area of a fractured aquifer, whose results could support the later advanced stages of investigations. The methodology integrates three traditional and non-invasive techniques, with scales of investigation developing from regional to local (top-down): (1) lineament analysis; (2) structural sampling in outcrops; and (3) geophysical survey imaging, using the 2D resistivity profile method. In the case studied, the three techniques generated progressively consistent results for a better characterization of the aquifer, enabling the identification of structural trends and the main groups of fractures in the region. Thus, the identified lineaments kept an excellent correlation with the structural trends identified in the field; similarly, low resistivity zones identified with the geophysical survey coincided with the location of the lineaments and fracture zones. The correlation between the three steps was essential for a better understanding of the flow dynamics of the aquifer, establishing, at a local scale, the geological-structural conceptual model and the structures that have the greatest potential for water flow and potentially for contaminant transport.

References

AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS – ANA. Disponibilidade e de-mandas de recursos hídricos no Brasil. 2005. Disponível em: https://arquivos.ana.gov.br/planejamento/planos/pnrh/VF%20DisponibilidadeDemanda.pdf . Acessado em: 15 jan. 2021.

ALBUQUERQUE, A. Análise dos padrões de fraturamento neotectônico e a sua possível aplicação na avaliação hidro-geológica da Bacia Sedimentar de Resende (RJ). In: SIMPÓ-SIO DE HIDROGEOLOGIA DO SUDESTE; ENCONTRO NACIO-NAL DE PERFURADORES DE POÇOS, 12., 2001. [Anais ...] Rio de Janeiro, p. 165-173, 2001.

BARBOSA, M. B. Aplicação e desenvolvimento dos métodos de caracterização de aquíferos fraturados utilizando poços tubulares. Tese (doutorado), Instituto de Geociências, Uni-versidade de São Paulo, São Paulo, 2019. 186 p.

BARTON, N.; CHOUBEY, V. The shear strength of rock joints in theory and practice. Rock Mechanics, v. 10, n. 1-2, p. 1-54, 1977. https://doi.org/10.1007/BF01261801

BERTOLO, R. Bases técnicas para a gestão de áreas conta-minadas por solventes clorados em aquíferos fraturados. Tese (livre docência), Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2017. 117p.

CASTRO, F. G. Caracterização hidrogeológica e hidrogeoquí-mica da Bacia Sedimentar de Resende – RJ. Dissertação (Mestrado), Departamento de Geoliogia, Universidade Fede-ral do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2000. 130p.

CHESNAUX, R.; ALLEN, D. M.; JENNI, S. Regional fracture network permeability using outcrop scale measurements. Engineering Geology, v. 108, n. 3-4, p. 259-271, 2009. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2009.06.024

DOMENICO, P. A.; SCHWARTZ, F. W. Physical and chemical hydrogeology. New York, Wiley, 1989.

FANTI, A.; BERTOLO, R.; VOGADO, F.; CAGNON, F.; QUEIROZ, A. P. Application of geophysical logging and straddle packers for the investigation of a fractured aquifer in a contaminated area by chlorinated solvents in Sao Paulo State, Brazil. Jour-nal of Water Resource and Protection, v. 10, p. 1145-1168, 2017. https://doi.org/10.4236/jwarp.2017.910075

FERNANDES, A. J. Tectônica cenozóica na porção média da bacia do rio Piracicaba e sua aplicação a hidrogeologia de meios fraturados. Tese (doutorado), Instituto de Geociên-cias, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1997. 244p.

FERNANDES, A. J. Aquíferos fraturados: uma revisão dos condicionantes geológicos e dos métodos de investigação. Revista do Instituto Geológico, v. 29, n. 1-2, p. 49-72, 2008. https://doi.org/10.5935/0100-929X.20080005

FERNANDES, A. J.; ROULEAU, A. Simulação de deslocamen-tos em fraturas em basaltos da Formação Serra Geral (Ribei-rão Preto, SP) e implicações para a sua transmissividade. Águas Subterrâneas, 15, suplemento, 2008.

FERNANDES, A.; RUDOLPH, D. L. The influence of Cenozoic tectonics on the groundwater-production capacity of frac-tured zones: a case study in Sao Paulo, Brazil. Hydrogeology Journal, v. 9, n. 2, p. 151-167, 2001. https://doi.org/10.1007/s100400000103

FERNANDES, A. J.; MALDANER, C.; WAHNFRIED, I.; FERREIRA, L. M. R.; PRESSINOTTI, M. M. N.; VARNIER, C.; IRITANI, M. A.; HIRATA, R. Modelo conceitual preliminar de circulação de água subterrânea do aquífero Serra Geral, Ribeirão Preto, SP. In: ABAS, CONGRESSO BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂ-NEAS, 16., 2006. [Anais...]. Curitiba, 2006.

FERNANDES, A. J.; MALDANER, C. H.; ROULEAU, A. Análise das fraturas nos basaltos de Ribeirão Preto, SP: aplicação à elaboração de modelo hidrogeológico conceitual. Geologia USP. Série Científica, v. 11, n. 3, p. 43-64, 2011. https://doi.org/10.5327/Z1519-874X2011000300003

FERNANDES, A. J.; FIUME, B.; BERTOLO, R.; HIRATA, R. C. A. Modelo geométrico de fraturas e análise da tectônica rúptil aplicados ao estudo do fluxo do aquífero cristalino, São Paulo (SP). Geologia USP. Série Científica, v. 16, n. 3, p. 71-88, 2016. https://doi.org/10.11606/issn.2316-9095.v16i3p71-88

FIUME, B.; FERNANDES, A. J.; BARBOSA, M.; BERTOLO, R. A.; HIRATA, R. Caracterização dos grupos de fraturas e identifi-cação dos mais transmissivos em aquífero cristalino, em São Paulo (SP). In: CONGRESSO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 20., 2018. [Anais....]. Campinas, Brasil, 2018.

FIUME, B.; FERNANDES, A. J.; BARBOSA, M. B.; HIRATA, R.; BERTOLO, R. A. Integrated application of geophysical log-gings and fracture survey on rock exposures for identifying transmissive fractures in crystalline aquifer: case study in the city of São Paulo. Brazilian Journal of Geology, v. 50, n. 01, 2020. https://doi.org/10.1590/2317-4889202020190034

HEILBRON, M.; MOHRIAK, W. U.; VALERIANO, C. M.; MILANI, E. J., ALMEIDA, J.; TUPINAMBÁ, M. From collision to exten-sion: the roots of the southeastern continental margin of Brazil. Atlantic rifts and continental margins, 1-32, 2000. https://doi.org/10.1029/GM115p0001

HEILBRON. M.; PEDROSA-SOARES, A. C.; CAMPOS NETO, M. C.; SILVA, L. C.; TROUW, R. A. J.; JANASI, V. A. Província Manti-queira. In: MANTESSO-NETO, V.; BARTORELLI, A. DAL RÉ CARNEIRO, C.; BRITO NEVES, B.B. (orgs.) Geologia do conti-nente sul-americano: evolução da Obra de Fernando Flávio Marques de Almeida. Beca, p. 203-235, 2004.

HIRATA, R.; SUHOGUSOFF, A. V.; MARCELLINI, S. S.; VILLAR, P. C.; MARCELLINI, L. A revolução silenciosa das águas subter-râneas no Brasil: uma análise da importância do recurso e os riscos pela falta de saneamento. São Paulo, Instituto Trata Brasil, 2019. 35p.

INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA - IBGE / Diretoria de Geociências - DGC / Coordenação de Cartogra-fia - CCAR. Projeto Rio de Janeiro 1:25.000 (RJ-25). Disponí-vel em: https://www.ibge.gov.br/geociencias-novoportal/modelos-digitais-de-superficie/modelos-digitais-de-superficie/10856-mde-modelo-digital-de-elevacao.html?&t=downloads. Acesso em: 15 ago. 2017.

KELLER, G. V.; FRISCHKNECHT, F. C. Electrical methods in geo-

physical prospecting. 1st ed. Pergamon Press, Oxford. 1966.

p.

LACHASSAGNE, P.; WYNS, R.; DEWANDEL, B. The fracture permeability of hard rock aquifers is due neither to tecton-ics, nor to unloading, but to weathering processes. Terra Nova, v. 23, n. 3, p. 145-161, 2011. https://doi.org/10.1111/j.1365-3121.2011.00998.x

LOJKASEK-LIMA, P. Caracterização de detalhe do perfil verti-cal de contaminação em um aquífero cristalino fraturado e intemperizado - Jurubatuba – São Paulo – SP. Tese (douto-rado), Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. 160p.

MABEE, S. B.; HARDCASTLE, K. C.; WISE, D. U. A method of collecting and analyzing lineaments for regional scale frac-tured bedrock aquifer studies. Groundwater, v. 32, n. 6, p. 884-894, 1994. https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.1994.tb00928.x

MADRUCCI, V., TAIOLI, F., ARAÚJO, C.C.D. Análise integrada de dados de sensoriamento remoto, geologia e geofísica no estudo de aquífero fraturado, Lindóia SP. Revista Brasileira de Geofísica, v. 23, n. 4, p. 437-451, 2005. https://doi.org/10.1590/S0102-261X2005000400007

MATTILA, J.; TAMMISTO, E. Stress-controlled fluid flow in fractures at the site of a potential nuclear waste repository, Finland. Geology, v. 40, p. 299-302, 2012. https://doi.org/10.1130/G32832.1

MONTEIRO, M. D. Contribuição à caracterização hidrogeoló-gica de maciços fraturados e solos residuais em projetos de obras subterrâneas na Região Metropolitana de São Paulo. Dissertação (Mestrado), Instituto de Geociências, Universi-dade de São Paulo, São Paulo, 2016. 148p.

MORTIMER, L; AYDIN, A.; SIMMONS, C. T.; LOVE, A. J. Is in situ stress important to groundwater flow in shallow frac-tured rock aquifers? Journal of Hydrology, v. 399, n. 3, p. 185-200, 2011. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2010.12.034

NEGRÃO, A. P. Evolução tectonossedimentar e deformação rúptil cenozoica da região da bacia sedimentar de Volta Re-donda (Segmento Central do Rifte Continental do Sudeste do Brasil, RJ). Tese (doutorado). Instituto de Geociências, Uni-versidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2014. 248p.

ODLING, N. E. Scaling and connectivity of joint systems in sandstones from western Norway. Journal of Structural Geology, v. 19, n. 10, p. 1257-1271, 1997. https://doi.org/10.1016/S0191-8141(97)00041-2

PARKER, B. L. Investigating contaminated sites on fractured rock using the DFN approach. In: NATIONAL GROUND WATER ASSOCIATION/US EPA FRACTURED ROCK CONFERENCE: STATE OF THE SCIENCE AND MEASURING SUCCESS IN RE-MEDIATION [Proceedings…]. 24-6, 2007.

PINO, S. Structural hydrogeology in the Kenogami uplands, Quebec, Canada. Dissertação (Mestrado), Université du Québec à Chicoutimi, Canadá, 2012.

PINO, D. S.; ROULEAU, A.; ROY, D. W. Analysis of the joint system in the Kenogami uplands bedrock aquifer: method-ology and preliminary results. GeoHydro, Abstracts, 2011.

PINO, D. S.; ROY, D. W.; ROULEAU, A.; FERNANDES, A. J.; BERTOLO, R. A. Linhas de levantamento estrutural: correção do viés de orientação a partir de planilhas eletrônicas. Revis-ta do Instituto Geológico, v. 40, n. 3, p. 49-74, 2019. https://doi.org/10.33958/revig.v40i3.675

PINO, D. S.; BERTOLO, R.; LOJKASEK-LIMA, P.; FERNANDES, A. J.; PARKER, B.; HIRATA, R. Discrete fracture network char-acterization using multiple, high-resolution borehole meth-ods in a crystalline rock aquifer in tropical Sao Paulo city, Brazil. Journal of South American Earth Sciences, v. 105, 102911, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jsames.2020.102911

PRIEST, S. D. Discontinuity analysis for rock engineering. London: Chapman & Hall, 1993. 473p. https://doi.org/10.1007/978-94-011-1498-1

RATNAKUMARI, Y.; RAI, S. N.; THIAGARAJAN, S.; KUMAR, D. 2D electrical resistivity imaging for delineation of deeper aqui-fers in a part of the Chandrabhaga river basin, Nagpur Dis-trict, Maharashtra, India. Current Science, p. 61-69, 2012.

RAYNER, S. F.; BENTLEY, L. R.; ALLEN, D. M. Constraining aquifer architecture with electrical resistivity imaging in a fractured hydrogeological setting. Journal of Environmental & Engineering Geophysics, v. 12, n. 4, p. 323-335, 2007. https://doi.org/10.2113/JEEG12.4.323

RICCOMINI, C. Rift Continental do Sudeste do Brasil. São Paulo. Tese (doutorado), Instituto de Geociências, Universi-dade de São Paulo, São Paulo, 1989. 256 p.

RICCOMINI, C.; SANT’ANNA, L. G.; FERRARI, A. L. Evolução geológica do rift continental do sudeste do Brasil. In: Geolo-gia do continente Sul-Americano: evolução da obra de Fer-nando Flávio Marques de Almeida, 383-405, 2004.

ROBINSON, D. A.; BINLEY, A.; CROOK, N.; DAY-LEWIS, F. D.; FERRÉ, T. P. A.; GRAUCH, V. J. S.; KNIGHT, R.; KNOLL, M.; LAKSHMI, V.; MILLER, R.; NYQUIST, J.; PELLERIN, L.; SINGHA, K.; SLATER, L. Advancing process-based watershed hydrolog-ical research using near-surface geophysics: a vision for, and review of, electrical and magnetic geophysical methods. Hydrological Processes, v. 22, n. 18, p. 3604–3635, 2008. https://doi.org/10.1002/hyp.6963

ROULEAU, A.; GALE, J. E. Statistical characterization of the fracture system in the Stripa granite, Sweden. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geome-chanics Abstracts, v. 22, n. 6, p. 353-367, 1985. https://doi.org/10.1016/0148-9062(85)90001-4

SANDER, P. Lineaments in groundwater exploration: a review of applications and limitations. Hydrogeology Journal, v. 15, n. 1, p. 71-74, 2007. https://doi.org/10.1007/s10040-006-0138-9

SANSON, M. S. R. Sistemas deposicionais aluviais e tectôni-ca cenozóica na região de Volta Redonda (RJ)–Rift Continen-tal do Sudeste do Brasil. Dissertação (Mestrado), Instituto de Geociências, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2006. 151p. https://doi.org/10.11137/2006_2_276-278

TELFORD, W. M.; GELDART, L. P.; SHERIFF, R. E. Resistivity methods. In: Applied geophysics. 2nd ed. Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK, 353-358, 1990.

https://doi.org/10.1017/CBO9781139167932

TERZAGHI, R. D. Sources of error in joint surveys. Geotechnique, v. 15, n. 3, p. 287-304, 1965. https://doi.org/10.1680/geot.1965.15.3.287

TOMASI, L. C.; ROISENBERG, A. Contexto Hidrogeológico e sua Relação com a Tectônica do Sistema Aquífero Serra Geral na Bacia Hidrográfica do Rio Ijuí, RS. Anuário do Insti-tuto de Geociências, v. 42, n. 2, p. 40-49, 2019. https://doi.org/10.11137/2019_2_40_49

VAZ, L. F.; GURGUEIRA, M. D. Solos em Geologia de Engenha-ria. In: Geologia de Engenharia e Ambiental, ABGE, 2018. 912 p.

WAHNFRIED, I. D. Modelo conceitual de fluxo do Aquitarde Serra Geral e do Sistema Aquífero Guarani na região de Ri-beirão Preto, SP. Tese (doutorado), Instituto de Geociências, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2010. 124p.

How to Cite
Sartorio, F., Bertolo, R. A., Pino, D. S., & Saraiva, F. A. (2021). Caracterização estrutural em top-down de aquíferos fraturados: exemplo em Barra Mansa, Rio de Janeiro. Águas Subterrâneas, 35(2), e–30063. https://doi.org/10.14295/ras.v35i2.30063