Alterabilidade e os Graus de Alteração de uma Rocha

por Márcio Leão em 31/Jul/2020
Alterabilidade e os Graus de Alteração de uma Rocha

As rochas quando expostas às condições atmosféricas (por processos erosivos, movimentos tectônicos, vulcanismo ou o equilíbrio devido às massas, a isostasia), sofrem ação de forças e agentes distintos de seus ambientes de formação. Essas mesmas forças tendem a fragmentar as rochas, reduzindo a sua resistência, por exemplo, levando à sua transformação em solo (figura 1).

Figura 1 - Frente de intemperismo em xistos. No topo, porções em solo residual e na base rocha alterada. Devido à ação do tectonismo não há gradação entre os graus de alteração (notar bloco no topo do talude acima da camada de solo residual) (Fonte: wikimedia).

O intemperismo representa a modificação sofrida pelas rochas, por agentes físicos, químicos e biológicos, em condições diferentes de seus ambientes de formação.

A grande importância do intemperismo e seus produtos justifica-se pela maior parte das obras de engenharia ser implantadas em superfície ou em regiões próximas a esta, dentro da chamada zona de intemperismo, onde os processos intempéricos atuam sobre propriedades das rochas, alterando-as consideravelmente. Fatores como a composição química e mineralógica das rochas, influenciam a ação intempérica, e em alguns casos acelera ferozmente o processo (figura 2).

Figura 2 – Arenitos exibindo esfoliação esferoidal (casca de cebola). O intemperismo químico atua de fora para dentro, gerando várias “cascas” com graus de alteração distintos. (Fonte: Ron Schott).

Os principais fatores que controlam o intemperismo

O tipo e estruturas presentes nas rochas - Cada rocha possui uma mineralogia característica, que reage de maneira distinta ao intemperismo. A presença de estruturas (falhas, fraturas, fissuras, dobras, etc.) e texturas direcionais (foliação, cliavagem, etc.) também influencia o intemperismo. Em geral, rochas com estruturas e, ou, texturas direcionais pouco espaçadas, alteram-se mais facilmente do que as consideradas maciças (figura 3).

Figura 3 – As estruturas presentes nos maciços podem acelerar processos de intemperismo ou mesmo denotar contatos bruscos entre os graus de alteração (Fonte: wikimedia).

Inclinação da encosta – Em taludes mais inclinados o material intemperizado é transportado pelas chuvas sendo depositado ao pé do talude, expondo continuamente a rocha sã ao ataque intempérico, de forma que a rocha alterada fique com pouca espessura. Em taludes menos íngremes, esses processos não ocorrem e as espessuras podem atingir dezenas de metros (figura 4).

Figura 4 – A pluviosidade associada com a gravidade atua fortemente na formação de frentes de intemperismo (Fonte: wikimedia).

Clima – A ação do intemperismo é mais intensa nas regiões de clima tropical devido à aceleração das reações químicas pela grande variação da umidade e calor. Em climas secos e frios, o intemperismo químico atua lentamente, sendo o intemperismo físico o principal responsável pelo processo nesses ambientes (figura 5). 

Figura 5 – Em climas úmidos e quentes é observado a laterização do solo, oriundo de processos de lixiviação e concentração de Fe e Al, gerando uma crosta que impede a infiltração de água para profundidades mais profundas (Fonte: wikimedia).

Tempo de ação do processo – O tempo em que uma rocha sã pode ser decomposta é muito variável, devido ao tipo de clima e composição da rocha. Assim, são necessárias dezenas de milhares de anos para o surgimento de solos residuais em regiões de clima frio e seco, enquanto em regiões de clima úmido este tempo pode ser consideravelmente menor.

Figura 6 – O obelisco egípcio conhecido como a agulha de Cleópara, em rocha granítica, sofreu alteração mais intensa em 75 anos em Nova Iorque do que em 3.500 anos no Egito, sob clima muito mais seco (Fonte: wikimedia).

 Intemperismo Físico

Processos de fragmentação ou cominuição sem mudanças químicas, devido a variação dos níveis de pressão, que levam à fadiga e ruptura do material (figura 7).

Figura 7 – Lasca de rocha gnáissica, em encosta na Urca (RJ), produto do intemperismo físico (Fonte: wikimedia).

Dentre os agentes podemos citar o alívio de tensões no maciço rochoso (surgimento de descontinuidades aproximadamente paralelas ao relevo); o aquecimento e resfriamento, oriundo de variações térmicas, diuturnas e sazonais (expansão e retração dos maciços rochosos, podendo induzir a criação de fraturas no maciço rochoso); os ciclos de umidecimento e secagem (podem ocasionar variação de pressões, principalmente relacionados à expansão de alguns minerais ou ao desenvolvimento de poropressões, que podem colapsar a rocha); a ação erosiva da água e ventos, muito comum em regiões como o Rio de Janeiro (os maciços rochosos expostos comumente apresentam desplacamentos resultantes da percolação de água pelas juntas); a ação de escavações mecânicas (podem afetar o estado de tensões, expor superfícies, facilitar percolação, etc.).

Intemperismo Químico

Processos que por meio de reações químicas decompõem a estrutura dos minerais, sendo muito atuantes em regiões de clima tropical úmido (figura 8).

Figura 8 – Alteração em rochas basálticas fruto do intemperismo químico (Fonte: wikimedia).

Nesse âmbito citamos os processos de dissolução, oxidação, redução, oxirredução, hidratação, lixiviação e troca de íons, que atuam nos minerais constituintes da rocha. Esses processos dependem da facilidade de acesso da água e ar no material rochoso, reatividade do maciço rochoso em relação a água, tempo de atuação e grau de agressividade da água.

Intemperismo Biológico

Processo de transformação das rochas a partir da ação de seres vivos (figura 9).

Figura 9 – As raízes penetram em fraturas da rocha e facilitam a ação de agentes químicos e físicos (Fonte: wikimedia).

Incluem-se nesse processo as raízes das árvores, as ações de bactérias, a decomposição de organismos ou excrementos, entre outros.

Alterabilidade

Minerais que constituem rochas ígneas e metamórficas, formados a elevadas temperaturas e, ou, elevadas pressões, tornam-se instáveis quando expostos a superfície, sendo alterados mais rapidamente. Minerais como quartzo, ouro, platina e diamante são mais estáveis e podem ser transportados e sedimentados, formando depósitos de valor comercial (figura 10).

Figura 10 – Diamante encontrado em conglomerados (Minas Gerais). Conglomerados são rochas sedimentares formadas por clastos de variadas rochas e cimentadas por carbonato, óxido de ferro, sílica, ou argila, por exemplo (Fonte: wikimedia).

Rochas ígneas e metamórficas com alto teor de quartzo são mais resistentes ao intemperismo, do que aquelas ricas em olivinas, piroxênios e anfibólios. Rochas sedimentares sofrem intemperismo principalmente nos materiais cimentantes, podendo reproduzir novamente, dependendo da condição, o material original sedimentar (areia ou argila).

No Brasil, marcado pela grande espessura de solos residuais jovens e maduros, os processos de intemperismo são iniciados pela entrada de água nas fissuras do maciço rochoso e os minerais menos resistentes são atacados, formando sais solúveis, que lixiviados, concentram quartzo e argila.

Para fins de engenharia o grau de intemperismo de um maciço rochoso é determinado e caracterizado pelo exame visual, da porcentagem de alteração mineral, porosidade e da resistência.

Os processos intempéricos podem causar a deterioração das características (propriedades) geotécnicas de maciços rochosos (figura 11). As rochas desenvolvem perfis de intemperismo típicos, os quais dependem de fatores intrínsecos à rocha (litologia, textura, estruturas, mineralogia, etc.) e de fatores extrínsecos (clima, drenagem, etc.), onde é muito comum ao longo desses perfis, as rochas apresentarem variações em suas propriedades geomecânicas (redução da resistência, aumento da deformabilidade, conteúdo de água e elevação do intemperismo) (Marques, 1992).

Figura 11 – Passagem de solo residual de xisto entre passagens de rocha alterada, em um furo de sondagem (Fonte: Leão, 2011).

Perfis de Intemperismo

A atuação de processos intempéricos origina os chamados perfis de intemperismo, que geralmente mostram gradação progressiva em direção a superfície, ou seja, da rocha sã,  passando a rocha pouco alterada, rocha muito alterada e por fim solo residual (figura 12). A presença de estruturas pode condicionar essa progressão, deixando o contato entre os níveis de forma brusca.

Figura 12 – Visão geral de um perfil de intemperismo em rochas xistosas intercaladas a mármore. Passagens acinzentadas indicam rochas pouco a muito alteradas e passagens avermelhadas indicam solos residuais. O contexto geotectônico condicionou a ação dos agentes intempéricos para o desenvolvimento do perfil (Fonte: Leão, 2015).

Devido a grande anisotropia das propriedades geotécnicas das rochas alteradas, esses maciços muitas vezes são desprezados (escavados) e as fundações das obras de engenharia são assentadas sobre rocha sã, pouco alterada ou nas porções de solos residuais. Dependendo do contexto isso acarreta custos, modificações no projeto ou adoção de critérios construtivos mais conservadores, perdendo-se a chance de pesquisar e ampliar o conhecimento acerca desses materiais.

Para a interpretação das propriedades de rochas alteradas geralmente são adotados conceitos mistos provenientes da Mecânica dos solos e das Rochas, gerando caminhos empíricos e muitas vezes pouco realistas.

O conhecimento acerca das rochas alteradas ainda necessita ser mais desenvolvido. Essas rochas são brandas por alteração e mesmos as técnicas de amostragem têm evoluído pouco nos últimos anos. Ferramentas de amostragem como os barriletes duplos e triplos são conhecidas há muitas décadas e, no entanto, não tornaram as recuperações muito mais eficientes.

Concluo o artigo com uma questão para refletir...Apesar da experiência brasileira, há quanto tempo não se produz nada novo para a compreensão do comportamento desses materiais, tendo em vista a sua grande ocorrência em obras de engenharia civil?

Bibliografia:

Goodman, R. E. Introduction to rock mechanics. 2 ed. New York: John Wiley & Sons, 1989. 562 p.

Leão, M. F. Modelagem geológico-geomecânica da Barragem San Juan, República Dominicana. In: Dissertação de Mestrado. UFRJ. Rio de Janeiro - RJ. 2011.

Leão, M. F. Análise tensão-deformação de uma barragem de concreto gravidade em solo residual preponderantemente anisotrópico. In: Dissertação de Mestrado. UERJ. Rio de Janeiro - RJ. 2015.

Marques, E. A. G.  Estudo da Alteração e Alterabilidade de Alguns Folhelhos e Siltitos da Bacia Sedimentar do Recôncavo - In: Dissertação de Mestrado. UFRJ. Rio de Janeiro - RJ. 1992.

Marques, E. A. G.; Azevedo, I. C. D. Introdução à Mecânica das Rochas. 2a.. ed. Viçosa: Editora UFV, 2006. v. 1. 361p.

https://commons.wikimedia.org 

Márcio Leão

É Pós-Doutor em Geotecnia pela UFV, Doutor em Geologia de Engenharia pela UFRJ, Doutorando em Geotecnia pela UERJ, Mestre em Geotecnia pela UERJ, Mestre em Geologia de Engenharia pela UFRJ, possui MBA em Gestão de Projetos pela USP e Bacharel em Geologia pela UFRJ. Geólogo com 13 anos de experiência em planejamento de obras de arte de engenharia civil, nacionais e internacionais. Atualmente é Geólogo Sênior da empresa DF+ Engenharia Geotécnica. É Docente de Graduação e Pós-graduação. É Pesquisador e Consultor nas áreas de Geologia de Engenharia e Geotecnia, com ênfase em mecânica das rochas, mecânica dos solos, barragens, túneis, taludes e meio ambiente, investigações de campo e ensaios de laboratório e in situ, bem com instrumentação geotécnica. É Membro de Comissões Técnicas, de Corpo Editorial e Revisor Ad hoc de Periódicos nacionais e internacionais.

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