Artigo completo (em português) - Faculdade Salesiana Maria

Revista de Engenharia da Faculdade Salesiana
n. 1 (2014) pp. 11-20
http://www.fsma.edu.br/RESA
Características da Radioatividade Natural do
Município de Macaé
Hans S. Santos, Mônica E. Gonçalves e Ariana P. Gomes
Abstract - Data analysis of radiometric airborne surveys
provided by CNEN - Comissão Nacional de Energia
Nuclear, CPRM - Serviço Geológico do Brasil and ON Observatório Nacional allowed assessment of natural
radioactivity in Macaé County. The results allowed
development of natural radioactivity maps of Uranium,
Thorium, Potassium and Total Count recorded in counts
per second (cps). In general, high levels of radioactive
counts occur in regions of high altitudes and rural areas
(Glicério, Frade, Sana, Bicuda Grande, Bicuda Pequena e
Cachoeiros de Macaé). There is evidence that granite and
gneiss have high levels of radioactivity. The lowest scores
were found on the margins of the Macaé River and also in
the coastal lowland and more urbanized regions. These low
radioactivity counts were associated with sandy-silty-clay
deposits, gravel and mangroves present in the margins of
the Macaé River and coastline. The set of maps obtained
provides a radiometric base that can be used in other
studies such as geological, geochemical and environmental.
Therefore, these maps contribute to the knowledge of the
soil and subsoil of Macaé County and surroundings.
Keywords: Radioactivity; Radiometry; Macaé.
processados por computadores. Todo o sistema de navegação
também foi aperfeiçoado por meio do uso de GPS [3].
O estudo da radioatividade emitida pelas rochas da
superfície, além de facilitar estudos geoquímicos e ambientais,
poderá auxiliar na compreensão da geologia da região. Na área
do estado de Rio de janeiro, o levantamento
gamaespectrométrico aéreo foi realizado em 1978 pelo CPRM
– Serviço Geológico do Brasil (Projeto Código 1038). Este
trabalho visa promover a análise dos dados extraídos deste
levantamento, referente à porção continental do município de
Macaé.
II. CARACTERÍSTICAS DO MUNICÍPIO DE MACAÉ
O município de Macaé conta com uma área total de
1.215,904 km² e está situado a 180 quilômetros da capital do
estado do Rio de Janeiro. Um dos destaques deste município é
a instalação da PETROBRAS juntamente com a Bacia de
Campos, a principal portadora de recursos petrolíferos do
Brasil [4]. O município de Macaé faz parte da região Norte
Fluminense que compreende os seguintes municípios: Campos
dos Goytacazes, Carapebus, Cardoso Moreira, Conceição de
Macabu, Macaé, Quissamã, São Fidelis, São Francisco de
Itabapoana e São João da Barra (Fig. 1) [5].
I. INTRODUÇÃO
N
o contexto da Segunda Guerra Mundial, a necessidade de
obter acesso às fontes minerais de energia nuclear, tais
como Urânio promoveu a criação da aeroradiometria onde as
ocorrências de jazidas nucleares podem ser avaliadas através
do mapeamento da radioatividade das rochas do solo e
subsolo, utilizando detectores de radiação [1]. O levantamento
radiométrico pioneiro no Brasil foi realizado na região de São
João del Rei em Minas Gerais no ano de 1953 pela empresa
PROSPEC. O levantamento gamaespectrométrico ainda era
muito rudimentar e constava de um cintilômetro com um
sistema de saída puramente analógico e eletromecânico [2]. O
desenvolvimento tecnológico proporcionou uma grande
evolução nas técnicas aeroradiométricas. Os dados agora
adquiridos de forma digital por detectores modernos são
Fig. 1. Região Norte Fluminense [5].
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fluviais e flúvio-marinhos da unidade Depósito ColúvioAluvionar conforme a carta geológica a seguir (Fig. 5) [9].
O mapa geológico da região de Macaé (Fig. 5) é descrito
pelas seguintes unidades geológicas [9]:
Fig. 2. Município de Macaé [6].
São municípios vizinhos: Rio das Ostras, Nova Friburgo,
Conceição de Macabu, Carapebus, Trajano de Moraes e
Casimiro de Abreu. Destacam-se os bairros: Sana, Bicuda
Grande, Bicuda Pequena, Cachoeiros de Macaé, Glicério,
Areia Branca, Córrego do Ouro e Barra de Macaé (Fig. 2) [6].
O nome do município é uma referência ao Rio Macaé que
corta boa extensão do município. O clima se apresenta quente
e úmido na maior parte do ano, com temperaturas variando
entre 23ºC e 38ºC. Essa grande amplitude é ocasionada pela
troca de ventos entre o litoral e a serra que são relativamente
próximos [4].
O relevo do município é tido como ondulado com estreitos
vales. A altitude varia desde o nível do mar até pouco mais de
1 km de altitude de acordo com o mapa confeccionado através
de dados do modelo de topografia global V16.1 (Fig. 3) [7].
O setor de planície de Macaé é dominado por pastagens e
também pela monocultura da cana-de-açúcar. Nas
proximidades do mar e nas lagoas ainda podem ser
encontrados alguns arbustos e mata rasteira típicos de restinga.
Já na região serrana ao oeste do município a Mata Atlântica
pode ser encontrada em alguns setores (Fig. 4) [8].
Granitoides Pós-Tectônico
Ocorrem na área (Hornblenda)-biotita granitoides do tipo-I,
de granulação fina a média, textura equigranular a porfirítica
localmente com foliação de fluxo magmático preservado. A
maioria são corpos tabulares, diques e pequenos batólitos
cortando as rochas regionais. Ocorrem também como plútons
homogêneos, algumas vezes com evidências de magma. Fases
aplíticas tardias são abundantes. 1) Granito São Pedro; 2)
Granito São José do Ribeirão; 3) Granito Caju; 4) Granito
Anta; 5) Maciço Pedra Branca; 6) Granito Cassorotiba; 7)
Granito Teresópolis; 8) Granito Favela; 9) Granito Nova
Friburgo; 10) Granito Morro dos Frades; 11) Granito Sana;
12) Granito Suruí; 13) Granito Andorinha; 14) Granito
Ipiranga; 15) Granito Alvim Cesário; 16) Granito Utinga; 17)
Granito Silva Jardim; 18) Granito Mangaratiba; 19) Granito
Mambucaba; 20) Granito Angra; 21) Granito Carrasquinho;
22) Granito Itaoca; 23) Granito Morro do Coco.
Depósito Colúvio-Aluvionar
Depósitos fluviais e flúvio-marinhos areno-síltico-argilosos
com camadas de cascalheiras associados a depósitos de tálus, e
sedimentos lacustrinos e de manguezais retrabalhado.
Depósito Marinho e Flúvio-Marinho
Depósitos flúvio-marinhos síltico-areno-argilosos, ricos em
matéria orgânica, englobando linhas de praia atuais a antigas,
além de manguezais.
Suite Desengano
Granito tipo-S com granada, muscovita e biotita de
granulação grossa, texturas granoblástica e porfirítica com
forte foliação transcorrente. Localmente podem ser observados
domínios e "manchas" charnockíticas portadoras de granada e
ortopiroxênio.
Xenólitos
erestitos
de
paragnaisses
parcialmente fundidos (migmatitos de injeção) ocorrem com
frequência.
Plutos correlatos: Granito Santa Terezinha (N2ds); Granito
Carapebus (N2dca); Granito Serra da Concórdia (N2dsc).
Fig. 4. Vista satélite do município de Macaé [8].
As principais formações geológicas no município são o
Complexo Região dos Lagos, o Granito Sana e os depósitos
Complexo Rio Negro
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Ortognaisse bandado, TTG, de granulação grossa, texturas
porfiríticas recristalisadas e, com forte foliação tangencial.
Intercalações de metagabro e metadiorito deformados
(anfibolito) ocorrem localizadamente. Intrusões de granada
leucogranitos tipo-S e de apófises de granitoides do Batólito
Serra dos Órgãos ocorrem regionalmente.
Plútons correlatos: Gnaisse Archer (N1ra); Gnaisse Tingui
(N1rt); Complexo Trajano de Morais (N1rtm) e Complexo
Capim Angola (N1rc).
O Potássio (40K), o Urânio (238U, 235U e elementos da série
urânio de decaimento) e Tório (232Th e elementos da série
tório de decaimento) são os únicos que emitem radiação gama
de intensidade suficientemente grande para serem utilizados no
mapeamento geológico. A detecção é realizada por meio de
janelas de energia específicas (Fig. 6). As faixas de energia
típicas para a aquisição e processamento são para o potássio
de 1,37 MeV a 1,57 MeV, para o urânio de 1,66 MeV a 1,86
MeV, para o tório de 2,41 MeV a 2,81 MeV e para a
Contagem Total de 0,400 MeV a 2,810 MeV [11].
Complexo Região dos Lagos
Hornblenda-biotita ortognaisse cálci-alcalino, granodiorítico
a tonalítico com textura granoblástica a porfirítica
recristalizada (porfiroclástica) e forte foliação tangencial.
Frequentes veios anatéticos, sintangenciais, de leucossomas
graníticos (fusão in situ, bem como paleodiques máficos
(anfibolitos) dobrados.
Complexo Paraíba do Sul
Granada-biotita-sillimanita e gnaisse quartzo-feldspático
(metagrauvaca) com bolsões e veios anatéticos ou injetados de
composição granítica. Intercalações de gnaisse calcissilicático
e quartzito frequentes. Variedades com cordierita e sillimanita
(kinzigito) com contatos transicionais com o granada biotita
gnaisse. Horizontes de xistos grafitosos são comuns. Também
ocorrem rocha calcissilicática, metacarbonática (ca) e quartzito
(qz). Em raros domínios com baixas taxa de strain estruturas
turbidíticas são preservadas.
Complexo Búzios
Cianita-sillimanita-granada-biotita xisto e gnaisse quartzofeldspático intercalado com granada anfibolito e gnaisse
calcissilicático. Fusão parcial com formação de leucogranito
granadífero ocorre regionalmente. Nos domínios com baixa
taxa de estruturas turbidíticas são preservadas.
III. O MÉTODO RADIOMÉTRICO
O método radiométrico consiste na detecção das emissões de
radiações nucleares das rochas que contêm minerais
radioativos. No caso, detecta-se a radiação gama (onda
eletromagnética) através de um cintilômetro ou contador
Geiger. O método é muito usado para mapeamento geológico,
geoquímico e ambiental, podendo ser útil para identificar as
litologias do solo e subsolo através do conteúdo radioativo
[10].
A. Fontes de Radiação Gama
A radiação gama é um fóton possuindo energia discreta que
é característica do material emissor. Através da medida da
energia dos fótons, pode-se determinar a fonte da radiação [1].
Fig. 6. Janelas de energia características de Potássio, Urânio e Tório [11].
B. Geoquímica dos Radioelementos
O Potássio (K), o Urânio (U) e o Tório (Th) são os
elementos que mais contribuem para a radioatividade natural
das rochas. Todos eles são muito concentrados em materiais
geológicos ígneos ácidos. O Potássio natural (contendo o 40K)
é o mais abundante dos três radioelementos naturais. As
principais fontes são os feldspatos potássicos, muscovitas e
biotitas. O Urânio (238U) e o Tório (232Th) podem ser
encontrados em quantidades pequenas em minerais como
quartzo e feldspatos e em concentrações maiores em minerais
como o zircão, o epidoto, a monazita e a apatita. Em rochas
ígneas, a radioatividade pode variar muito devido às
características químicas, mineralógicas, petrográficas e
estruturais [12].
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Tab. 1. Radioatividade de algumas rochas [13].
C Aquisição e Correções de Dados Radiométricos Aéreos
Levantamentos radiométricos têm por objetivo a localização
de corpos radioativos e a determinação da natureza e
concentração dos radioisótopos que dão origem a anomalias
radiométricas. A técnica consiste no uso de sensores
cintilômetros para medição de radiações nucleares com
aquisição de dados ao longo de uma malha regular, ao longo
de perfis ou também por meio de observações aleatórias.
Geralmente, os resultados dos levantamentos são
disponibilizados em unidades de contagem por segundo (cps).
As conversões desses valores, com base em dados de
calibração do sistema de aquisição, resultarão em medidas
quantitativas das concentrações de K, U e Th, presentes no
meio geológico [14].
Os levantamentos radiométricos podem ser terrestres ou
aéreos. Nos levantamentos terrestres, o sensor de radiação é
posicionado no chão, ou na superfície na qual se deseja
realizar a medição. Nos aerolevantamentos, o equipamento
fica no interior de uma aeronave. A altura de voo e o
espaçamento entre as linhas de voo determinam a resolução do
levantamento. O espaçamento das linhas de voo costuma ser
em torno de 1 a 2 km com uma densidade de medidas em cada
linha em torno de 70 a 100 m [15].
Algumas correções e testes precisam ser aplicados após a
aquisição de dados aeroradiométricos antes de se proceder à
interpretação dos resultados. O teste denominado de "Low
Level" ou "Altitude Baixa" é realizado através de uma rampa
de medida na própria pista do aeroporto em que a aeronave faz
voos em alturas típicas de prospecção que são em torno de 100
m. Realizando então coletas a cada 2 minutos. Como o teste é
realizado sempre na mesma rampa, isso gera um padrão de
medidas radiométricas para a correção da variação diurna. No
teste denominado de "High Level" ou "Altitude Elevada",
também chamado de teste de calibração, é mantida uma
direção de voo para coleta de medidas em cerca de 3 minutos a
uma altura de aproximadamente 800 m. No teste chamado
"Background" ou "Medidas de Fundo" são realizadas medidas
radiométricas do ambiente. Além dessas correções, pode ser
citada a correção do Efeito Compton em que a radiação gama
sofre um espalhamento aumentando seu comprimento de onda
e reduzindo a energia do fóton [16].
IV. PROCESSAMENTO E INTERPRETAÇÃO DOS
DADOS
Todo o município de Macaé se encontra coberto por
levantamento aeroradiométrico, o qual foi realizado com uso
de aeronave Bandeirante com intervalo de amostragem de 100
m, perfis espaçados de 1 km e linhas de medida na direção NS. O gama-espectrômetro utilizado no levantamento foi o
Geometrics GR-800A com cristais de iodeto de sódio ativado
por tálio e volume de 3072 polegadas cúbicas [17].
No processamento dos dados foram utilizados um grande
banco de dados disponibilizados pela CNEN - Comissão
Nacional de Energia Nuclear, CPRM - Serviço Geológico do
Brasil e ON - Observatório Nacional nos formatos descritos
como "xyz" e "gdb" da Geosoft. Os levantamentos constam de
medidas aéreas da radiação natural gama emitida pelo solo e
formações geológicas próximas à superfície. As medições
gama espectrométricas incluíram radiações emitidas pelos
elementos potássio (K), Urânio (U) e Tório (Th). Os
resultados foram registrados como contagem por segundo
(cps) dos canais referentes a esses elementos e também a
contagem total (CT).
Foram processados dados de uma área abrangendo todo o
município de Macaé que proporcionaram um estudo regional.
Os dados brutos receberam as correções de rotina do método
radiométrico como as correções de altura, Efeito Compton,
Background e também aplicação de micronivelamento.
São apresentados nos mapas a seguir os resultados dos
mapas de contagens de Potássio (Fig. 7), Tório (Fig. 8) e
Urânio (Fig. 9) após incorporar as correções e gridagem
através da técnica de mínima curvatura com células de 250 m.
Os resultados ilustrados nos mapas da Fig. 7, Fig. 8 e Fig. 9
indicam que as maiores contagens de Potássio, Tório e Urânio
ocorrem na região oeste que corresponde às áreas rurais:
Glicério, Frade, Sana, Bicuda Grande, Bicuda Pequena e
Cachoeiros de Macaé. A região litorânea e mais urbanizada,
onde existem corpos aquáticos extensos, apresenta valores de
contagens relativamente menores. Esse comportamento foi já
esperado, pois os teores de urânio, tório e potássio é
significantemente menor na água. Elementos de urbanização
como estradas e prédios também dificultam a detecção de
radiação nuclear.
As variações regionais de contagens por segundo ilustradas
nas figuras 7, 8 e 9 indicam que as maiores concentrações de
Potássio, Tório e Urânio ocorrem em regiões mais altas com
altitudes variando entre 300 m até 1.000 m. As regiões
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litorâneas com menores altitudes e adjacentes ao Rio Macaé
cobertas por depósitos fluviais e manguezais apresentam em
geral baixos valores de CPS.
A comparação da Fig. 7, Fig. 8 e Fig. 9 com o mapa
geológico (Fig. 5) mostra que os valores elevados de
contagens de Potássio e Tório estão associados com os
granitos da unidade Granitoides Pós-Tectônicos - Granito Sana
(eg5) e aos gnaisses quartzo-feldspáticos do Complexo Paraíba
do Sul (MNps). As contagens de Urânio na região de Macaé
são muito mais baixas que as de Potássio e Tório. Essas
contagens de Urânio na região oeste são associadas com os
granitos da unidade Granitoides Pós-Tectônicos - Granito Sana
(eg5) e na região leste ao Granito Carapebus (N2dca). Já as
contagens mais baixas de Potássio, Tório e Urânio estão
associadas aos depósitos fluviais e flúvio-marinhos das
unidades Qha e Qphm que englobam cascalheiras, depósitos
ricos em matéria orgânica e linhas de praia atuais e antigas,
além de manguezais.
Também foi confeccionado o mapa de contagem total de
radioatividade da região do Município de Macaé (Fig. 10).
O Mapa de Contagem Total da região de Macaé também
mostra uma predominância de contagens radioativas nas
regiões mais altas e mais rurais associadas principalmente com
os granitos da unidade Granitoides Pós-Tectônicos - Granito
Sana (eg5), aos ortognaisses do Complexo Região dos Lagos
(Pγ1rl) e aos gnaisses quartzo-feldspáticos do Complexo
Paraíba do Sul (MNps). Já as contagens mais baixas estão
associadas às regiões que beiram o Rio Macaé e o Mar através
dos depósitos fluviais e flúvio-marinhos das unidades Depósito
Colúvio-Aluvionar (Qha) e Depósito Marinho e FlúvioMarinho (Qphm).
V. CONCLUSÕES
Após o processamento dos dados de radioatividade
fornecidos pela CNEN, CPRM e ON, a aplicação do método
radiométrico de Urânio, Tório e Potássio no município de
Macaé permitiu a elaboração de mapas de radioatividade
registrados em contagem por segundo (cps) e permitiu também
a obtenção do mapa de contagem total de radioatividade. Os
mapas obtidos foram comparados com mapas topográficos,
mapa geológico, mapa de vegetação e com a própria divisão
de bairros do município. Em geral, as grandes contagens
radioativas foram encontradas nas regiões de maiores altitudes
e mais rurais como nos bairros: Glicério, Frade, Sana, Bicuda
Grande, Bicuda Pequena e Cachoeiros de Macaé. Essa
radioatividade encontrada é oriunda principalmente dos
granitos e gnaisses encontrados em abundância nessas regiões.
As menores contagens foram encontradas nas margens do rio
Macaé e também na região costeira de baixa altitude e mais
urbanizada. Essas baixas contagens de radioatividade foram
associadas com depósitos areno-síltico-argilosos, cascalheiras,
e manguezais presentes nas margens do rio Macaé e litoral. O
conjunto de mapas obtido fornece uma base radiométrica que
poderá ser utilizada em outros estudos como geológico,
geoquímico e ambiental, contribuindo para o conhecimento do
solo e subsolo do município de Macaé e arredores. Para
estudos futuros, sugere-se o reprocessamento desses dados de
forma a se obter as concentrações K%, eTh e eU que poderão
prover mais informações geológicas úteis.
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SP/PR." Universidade de São Paulo – USP faculdade de
filosofia letras e ciências humanas – FFLCH. Museu de
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[15] L.S. Nascimento, "Análise de Dados de EspectrometriaGama Aérea e de Sensoriamento Remoto do Estado do Rio de
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Observatório Nacional. Rio de Janeiro. 2009.
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Janeiro), código 1038." Convênio DNPM/CPRM, Relatório
Final, texto e anexos, Volumes VI a X, Rio de Janeiro,
1988.
Mônica E. Gonçalves e Ariana P. Gomes são graduandas
em Engenharia Química na Faculdade Salesiana Maria
Auxiliadora.
[email protected],
[email protected]
Hans S. Santos é doutor em Geofísica pelo Observatório
Nacional (2013). Atualmente é professor nos cursos de
Engenharia Química e Engenharia de Produção com
Ênfase em Instalações no Mar da Faculdade Salesiana
Maria Auxiliadora.
[email protected]
16
SANTOS H.S. ; GONÇALVES M.E.; GOMES A.P. / Revista de Engenharias da Faculdade Salesiana n.1 (2014) pp. 11-19
Fig. 3. Mapa Topográfico de Macaé confeccionado a partir de dados do modelo TOPEX V16.1 [7].
Fig. 5. Mapa geológico do município de Macaé e áreas vizinhas [9].
17
SANTOS H.S. ; GONÇALVES M.E.; GOMES A.P. / Revista de Engenharias da Faculdade Salesiana n.1 (2014) pp. 11-20
Fig. 7. Mapa de distribuição geográfica de potássio da região de Macaé.
Fig. 8. Mapa de distribuição geográfica de tório da região de Macaé.
18
SANTOS H.S. ; GONÇALVES M.E.; GOMES A.P. / Revista de Engenharias da Faculdade Salesiana n.1 (2014) pp. 11-20
Fig. 9. Mapa de distribuição geográfica de urânio da região de Macaé.
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SANTOS H.S. ; GONÇALVES M.E.; GOMES A.P. / Revista de Engenharias da Faculdade Salesiana n.1 (2014) pp. 11-20
Fig. 10: Mapa de distribuição geográfica da contagem total da região de Macaé.
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