( PDF ) Radioatividade nas águas

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Este livro ganha importância especial pela aten-

ção que passou a ser dirigida pelo Mercado Co-

mum do Sul (Mercosul) e pelo Fundo para o Meio

Ambiente Mundial (Global Environment Facility -

GEF) para uma das maiores reservas mundiais de

água subterrânea compartilhada, o Aqüífero Gigan-

te do Mercosul, conhecido como Aqüífero Guarani

em homenagem aos povos indígenas que ocupa-

vam a região.

O trabalho segue a tendência atual de levanta-

mento de parâmetros básicos para a compreensão

de processos relacionados com a mobilização de

radionuclídeos no ambiente, sendo enfocado espe-

cificamente o comportamento geoquímico do urâ-

nio (

238

U) e de alguns de seus descendentes sob

condições controladas no laboratório e em diferen-

tes sistemas naturais caracterizados por distintas

condições climáticas e hidrogeológicas.

Os resultados, embora não sejam oriundos de

áreas ou amostras diretamente relacionadas com a

problemática da disposição de rejeitos radioativos,

segundo o autor, podem servir de subsídio para um

melhor conhecimento dos mecanismos de transpor-

te de urânio mesmo naquelas situações, pois o ele-

mento é um importante constituinte do resíduo de

transurânicos.

Entre outros tópicos, a obra estuda a evolução

hidroquímica regional no Aqüífero Guarani e as

potencialidades e limitações do uso hidrogeoquími-

co dos isótopos de urânio nas águas subterrâneas

da Bacia Sedimentar do Paraná e do Maciço Alcali-

no de Poços de Caldas.

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RADIOATIVIDADE

NAS ÁGUAS

FUNDAÇÃO EDITORA DA UNESP

Presidente do Conselho Curador

José Carlos Souza Trindade

Diretor-Presidente

José Castilho Marques Neto

Editor Executivo

Jézio Hernani Bomfim Gutierre

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Paulo José Brando Santilli

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Editora Assistente

Denise Katchuian Dognini

DANIEL MARCOS BONOTTO

RADIOATIVIDADE

NAS ÁGUAS

DA INGLATERRA AO GUARANI

Direitos de publicação reservados à:

Fundação Editora da UNESP (FEU)

Praça da Sé, 108

01001-900-São Paulo-SP

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CIP-Brasil. Catalogação na fonte

Sindicato Nacional dos Editores de Livros, RJ.

B712r

Bonotto, Daniel Marcos, 1957-

Radioatividade nas águas : da Inglaterra ao Guarani / Daniel Marcos

Bonotto. - São Paulo: Editora UNESP, 2004

Apêndice

Inclui bibliografia

ISBN 85-7139-539-X

1, Águas subterrâneas - Substâncias radioativas. 2. Radioisótopos

em hidrologia. 3. Aqüíferos - Paraná. 4. Aqüíferos - Minas Gerais.

I. Título.

04-1790. CDD 556.3

CDU 556.49

Este livro é publicado pelo projeto Edição de Textos de Docentes e

Pós-Graduados da UNESP- Pró-Reitoria de Pós-Graduação e Pesquisa

da UNESP (PROPP) / Fundação Editora da UNESP (FEU)

Editora afiliada:

Á Dalva (Vinha) que, durante mais

de vinte anos, vem percorrendo

comigo o mesmo caminho.

"Vossa ciência já fala de vida dos elementos químicos e

define a duração destes períodos de vida. A radioatividade,

embora não a possais apreciar materialmente senão nos corpos

que a apresentam acentuadamente, é, todavia, uma proprie-

dade universal da matéria."

(Pietro Ubaldi, A grande síntese - 1932-193S)

SUMÁRIO

Apresentação 11

Introdução 15

1 A presença de

238

234

U e

222

Rn na natureza 23

2 Transferência de

238

234

U e

222

Rn de rochas e solos

sob condições controladas de laboratório 35

3 Mecanismos de enriquecimento de

234

em águas subterrâneas de aqüífero cárstico 67

4 Dissolução de urânio em granitos e solos e

mecanismos de transferência de

222

Rn para as águas 91

5 Radônio e isótopos de urânio nas águas subterrâneas

da bacia sedimentar do Paraná e no maciço

alcalino de Poços de Caldas 115

6 Evolução hidroquímica regional no aqüífero Guarani 149

7 Potencialidades e limitações do uso hidrogeoquímico

dos isótopos de urânio na bacia sedimentar

do Paraná e no maciço alcalino de Poços de Caldas 167

Conclusões 203

Referências bibliográficas 211

Apêndice 227

APRESENTAÇÃO

A descoberta do urânio ocorreu em 1789, quando o químico

analítico M. H. Klaproth estudava pechblenda, tendo o novo ele-

mento sido inicialmente designado como uranit em homenagem ao

planeta Urano e depois uranium. Contudo, foi somente após 1896,

com a descoberta da radioatividade por Becquerel, que se tornou

possível averiguar que esse elemento é progenitor de outros igual-

mente radioativos, como o uranium II identificado por McCoy e

Ross em 1907, ou a emanation, sob a forma gasosa, bastante utili-

zada por Rutherford em seus experimentos. Hoje se sabe que aque-

las designações correspondem ao

238

234

U e

222

Rn e que, quando

Agrícola em 1556 considerou que a morte de muitos mineiros na

Europa estava relacionada com o fato de que o "ar pernicioso que

eles respiram algumas vezes apodrece os seus pulmões", não é pos-

sível ignorar a responsabilidade da contribuição do gás

222

naquele episódio. Neste início de século XXI, a questão da radioati-

vidade e suas implicações assumiu outras proporções ante a pro-

blemática introduzida pela necessidade de disposição segura de

resíduos radioativos, de maneira que todo conhecimento básico

gerado para melhor compreender a mobilização dos radioelemen-

tos no ambiente é de importância atual, inserindo-se nesse con-

texto o presente trabalho envolvendo a radioatividade nas águas

devido aos nuclídeos

238

234

U e

222

Rn.

Este trabalho deve-se basicamente à tese de Livre-Docência em

Geoquímica Comportamento hidrogeoquímico do

222

Rn e isótopos de

urânio

238

U e

234

U sob condições controladas de laboratório e em siste-

mas naturais, apresentada em 1997 no Instituto de Geociências e

Ciências Exatas da UNESP, Campus de Rio Claro. Uma parte da

tese foi elaborada graças a um programa de pós-doutorado rea-

lizado na Universidade de Bath, Inglaterra, durante 1987, ocasião

em que tive a grata oportunidade de conviver com o Dr. John N.

Andrews, falecido em dezembro de 1994, cujos exemplos de respeito

humano, humildade, perseverança, honestidade e competência cien-

tífica constituem um excelente marco de referência no qual cada

uma de nossas ações diárias deveria se basear. Ao longo desse tra-

balho, reuni todas as informações levantadas por intermédio dos

inúmeros experimentos sistemáticos lá realizados, em que foi pos-

sível constatar que a experiência prévia adquirida no Brasil, sob a

orientação dos Profs. Drs. Otaviano Augusto Marcondes Helene

(Iniciação Científica) e Kenkichi Fujimori (In Memoriam, Mes-

trado e Doutorado) da Universidade de São Paulo, permitiu a reali-

zação sem grandes dificuldades de todas as atividades laboratoriais

inerentes à sua execução.

Os resultados de várias investigações conduzidas no aqüífero

Guarani (Botucatu/Pirambóia) na bacia sedimentar do Paraná por

parte do grupo de pesquisa do Prof. Dr. Aldo da Cunha Rebouças

do Instituto de Geociências da Universidade de São Paulo também

constituíram importante fonte de inspiração para a realização deste

estudo.

O trabalho assume importância atual ante a especial atenção que

passou a ser dirigida pelo Mercado Comum do Sul (Mercosul) e

pelo Fundo para o Meio Ambiente Mundial (Global Environment

Facility - GEF) para uma das maiores reservas mundiais de água

subterrânea compartilhada, isto é, o Aqüífero Gigante do Merco-

sul, ou Aqüífero Guarani, segundo denominação atribuída em

1994 por um geólogo uruguaio, em homenagem aos povos indíge-

nas que, no passado, ocupavam a região.

Este trabalho não poderia ter sido conduzido sem o apoio de

agências financiadoras de pesquisa, como o Conselho Nacional de

Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), a Fundação de

Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e a Agência

Internacional de Energia Atômica (AIEA), sediada em Viena, Áus-

tria. Um considerável número de pessoas participou de sua realiza-

ção desde as etapas de campo até a digitação do texto e confecção

das ilustrações, consistindo em familiares, colegas de trabalho e

bolsistas. A todos, indistintamente, expresso os mais sinceros agra-

decimentos pela boa vontade sempre manifestada.

INTRODUÇÃO

Durante toda a história da vida na Terra, os organismos têm

sido expostos a fontes naturais de radioatividade, estando, por isso,

geralmente aptos a tolerar certos níveis de atividade, sem conseqüên-

cias prejudiciais. Citam-se, por exemplo, os raios cósmicos, tam-

bém conhecidos como radiação galáctica, de origem extraterrestre

(Sol e Via Láctea) e consistindo principalmente de prótons de alta

energia (cerca de 85%), partículas alfa (cerca de 14%) e núcleos atô-

micos mais pesados (cerca de 1%); quando a interação com a Terra

é pequena são designados de primários, caso contrário, de secundá-

rios, consistindo, nesta situação, de partículas subatômicas como

píons, múons, elétrons etc, resultantes da interação com a atmos-

fera. Dessa interação, muitos radionuclídeos são gerados na estra-

tosfera ou troposfera como o

H e o

C, ambos extensivamente

utilizados em hidrologia, sobretudo para a datação de águas sub-

terrâneas, dos quais o primeiro (meia-vida de 12,26 anos) é utili-

zado para estabelecer se a origem é recente, e o segundo (meia-vida

de 5.730 anos) numa escala de tempo de até 40 mil anos atrás.

Além dos radionuclídeos cosmogênicos, contribuem como fonte

natural de radioatividade elementos que estão presentes na Terra

desde a sua formação há cerca de 4.500 milhões de anos, inserindo-

se nesse contexto apenas aqueles que possuem isótopos radioativos

cuja meia-vida é suficientemente longa para permitir que a ativi-

dade permaneça existindo mesmo nos dias de hoje. Os mais impor-

tantes desses elementos primordiais são o urânio, tório e potássio,

que são litófilos e se concentram preferencialmente nas rochas

ígneas ácidas e não nas básicas e ultrabásicas. A abundância crustal

média do urânio corresponde a 2,5 g/g, possuindo esse elemento

dois isótopos primários, o

238

U e o

235

U, os quais ocorrem atual-

mente na proporção de 99,3% de

238

U para 0,7% de

235

U. Embora o

235

U seja o isótopo físsil que forma a base de produção de energia

nuclear, e, por isso, extremamente importante do ponto de vista

tecnológico, verifica-se que a sua contribuição como fonte natural

de radioatividade é pequena, pois a atividade específica do

238

U é

cerca de 20 vezes maior que a do

235

U. O

238

U e o

235

U são geradores

de séries de decaimento radioativo, possuindo o

238

U um número

maior de produtos de decaimento, muitos dos quais de longa meia-

vida, conforme pode-se notar na Figura 1. O tório possui apenas

um isótopo primordial, o

232

Th, contudo ele é aproximadamente

quatro vezes mais abundante que o urânio nas rochas crustais; esse

nuclídeo também gera uma série de decaimento radioativo, a qual é

relativamente simples quando comparada com a do

238

U, conforme

também se pode notar na Figura 1. O nível médio de potássio nas

rochas crustais corresponde a cerca de 2,5%, porém, dos três isóto-

pos de ocorrência natural, isto é,

K e

K, apenas o

K é radioa-

tivo. As respectivas abundâncias isotópicas são 93,08, 0,012 e

6,9%, decaindo o

K por emissão para

Ca e por captura eletrô-

nica para

Ar.

A maioria dos nuclídeos emissores alfa pode ser agrupada em

quatro séries de decaimento geneticamente independentes. Como

a massa atômica modifica-se aproximadamente de 4 unidades no

decaimento a, permanecendo praticamente inalterada por ocasião

do decaimento , os vários números de massa encontrados nos

membros das séries diferem por múltiplos de 4. Assim, as fórmulas

gerais das séries são expressas por 4n (série do tório), 4n+l (série

do neptúnio), 4n+2 (série do urânio) e 4n+3 (série do actínio),

onde n é um inteiro que varia de 52 a 58 na série 4n, de 52 a 59 na

série 4n+l, de 51 a 59 na série 4n+2 e de 51 a 58 na série 4n+3.

Na Figura 1 estão representados os membros das séries de decai-

mento 4n, 4n+2 e 4n+3, onde a série do urânio constitui a mais

longa conhecida, na qual é gerado o

206

Pb, o mais leve dos isótopos

radiogênicos de chumbo. A série do neptúnio é gerada pelo

237

Np,

que possui meia-vida de 2,2xl0

anos, cerca de três vezes menor

que a idade do universo, e, por isso, mesmo quantidades traços

desse nuclídeo são dificilmente detectadas. Foi com a descoberta

dos elementos transurânicos (Z>92) que se tornou possível a produ-

ção artificial de toda a série 4n+l (Lederer & Shirley, 1978). Além

de ter sido sintetizado em laboratório, quantidades extremamente

pequenas de

237

Np também foram identificadas em minérios de urâ-

nio, o qual teria sido originado a partir da reação

238

U (n, 2n)

237

seguida por decaimento (

237

U —>

237

Np + + ), onde os nêu-

trons requeridos provêm dos raios cósmicos, fissão espontânea de

núcleos ou outros mecanismos (Shirokov & Yudin, 1982).

O advento da tecnologia nuclear trouxe benefícios sobretudo

para sociedades que a empregam para suprir suas necessidades

energéticas, porém, assim como outras atividades relacionadas

com a industrialização, introduziu novos problemas, como a expo-

sição dos organismos a fontes artificiais de radiação, além das natu-

rais, o que tem suscitado atenção cada vez mais crescente nas

iniciativas de proteção radiológica. Afinal aumentou a possibili-

dade de ocorrência dos danos relacionados com a suscetibilidade à

radiação como doença, morte ou mutação genética. Relacionada

com esse aspecto, cita-se a preocupação dos países que empregam a

tecnologia nuclear com a disposição segura dos rejeitos radioativos,

potencialmente perigosos, provenientes do ciclo do combustível

nuclear e dos sistemas de processamento. As meias-vidas relativa-

mente longas de alguns radionuclídeos presentes nesse material,

bem como a alta atividade e toxicidade química, fazem que a ques-

tão assuma uma importância crucial tanto para a atual quanto para

as futuras gerações.

Os locais de disposição dos rejeitos radioativos devem ser esco-

lhidos de maneira a propiciar segurança durante períodos de cerca

de 10 mil anos, sendo desejável que ocorra a recuperação dos resí-

duos nos primeiros 50 anos após a sua estocagem (Klement, 1982).

Inicialmente se realizou a queima dos rejeitos, o que não se mos-

trou viável por não ocorrer a destruição dos radionuclídeos e por

gerar uma poeira radioativa capaz de contaminar grandes áreas.

Efetuou-se também a disposição no mar, porém a prática encon-

trou muita oposição pela possibilidade de ruptura do sistema de

armazenagem do resíduo e subseqüente lixiviação pela água do

mar; com isso, a atividade biológica é capaz de reconcentrar os

radionuclídeos, que, como qualquer material disposto na biosfera,

provavelmente podem retornar ao homem. Embora não se conheça

precisamente até que profundidade a biosfera pode atuar, uma vez

que variações devem ocorrer de acordo com as formações e estrutu-

ras geológicas presentes, a tendência atual consiste em enterrar os

rejeitos a profundidades maiores que 2.000 m, até onde têm sido

encontradas atividades de bactérias (Alexandra, 1961). Nesse con-

texto, passa a assumir importância no enfoque da questão o pro-

cesso de migração da água subterrânea, pois o mecanismo pelo qual

os radionuclídeos num repositório com fendas poderiam retornar à

superfície da Terra constitui justamente o sistema de circulação das

águas subterrâneas.

Dessa forma, verifica-se que, além dos aspectos hidrológicos da

possível área de disposição de rejeitos radioativos, é necessário

conhecer como as litologias características do local podem absorver/

adsorver os radionuclídeos transportados, estabelecer a sua compo-

sição mineralógica e química, uma vez que o próprio ambiente geo-

lógico pode atuar como uma barreira química. Ainda, como a

maioria das rochas permite a passagem de água durante longos

períodos de tempo, a barreira química que elas possam apresentar

torna-se mais importante que qualquer barreira física que venham

a oferecer numa escala de tempo de curta duração. Assim, um novo

enfoque passou a ser exigido da hidrogeologia, a qual, em vez de

dirigir o interesse sobretudo para os aqüíferos, isto é, rochas com

alta porosidade e permeabilidade que as tornam potencialmente

adequadas como armazenadoras de água, foi impelida a realizar

pesquisas sistemáticas com os aqüicludes, ou seja, as rochas com

permeabilidade muito baixa, capazes de confinar os aqüíferos; por-

tanto, como a barreira física circundando qualquer repositório

necessita possuir uma alta integridade, os aqüíferos precisam ser

evitados, devendo as áreas de disposição se localizar nos aqüiclu-

des. Nesse sentido, as mais variadas alternativas litológicas têm

sido sugeridas ou testadas, como granitos, folhelhos, depósitos e

domos salinos, espessos pacotes argilosos, seqüências vulcânicas

(basaltos e rochas piroclásticas como tufos), gnaisses e xistos. Porém,

o consenso é que possivelmente nenhuma delas constitua uma bar-

reira física perfeita para isolar o repositório do seu ambiente circun-

dante, considerando-se, em vez disso, que um tipo é mais apropriado

do que outro, dependendo do contexto em que está inserido (histó-

ria tectônica da área etc.) (Durrance, 1986).

Visando determinar parâmetros básicos relacionados com as lito-

logias selecionadas, como barreiras física e química para a migração

de radionuclídeos, inúmeras investigações têm sido realizadas sob

condições controladas no laboratório, envolvendo estudos experi-

mentais de absorção/adsorção de várias espécies por rochas de

diferente mineralogia. Como uma limitação dos estudos no labora-

tório constitui a escala de tempo envolvida, diante da incerteza de

que os resultados obtidos nas medidas de curto intervalo de tempo

possam ser extrapolados para os períodos de 10

a 10

anos, pesqui-

sas também foram direcionadas na avaliação de sistemas naturais

constituindo análogos da situação ao redor de um repositório even-

tualmente fraturado. Um análogo bastante conhecido é o reator

natural de fissão localizado na mina Oklo, na África, que atuou de

maneira a enriquecer o

235

U até 3,2%, valor similar ao encontrado

no urânio utilizado nos reatores artificiais; cerca de 850 toneladas

de urânio estiveram envolvidas em reações que resultaram na for-

mação de 10 toneladas de produtos de fissão idênticos àqueles que

caracterizam os reatores artificiais (ibidem). Outro caso bastante

famoso de investigação sistemática sobre análogos naturais para a

mobilização de radionuclídeos é o do Projeto de Poços de Caldas,

realizado na mina de urânio Osamu Utsumi e no depósito de tório

e terras raras do Morro do Ferro, os dois locais situados no planalto

de Poços de Caldas, Brasil, o qual envolveu 27 laboratórios e insti-

tutos de pesquisa de quatro continentes e cujos resultados princi-

pais encontram-se sumarizados em Chapman et al. (1991).

O presente trabalho segue a tendência atual de levantamento de

parâmetros básicos para a compreensão de processos relacionados

com a mobilização de radionuclídeos no ambiente, enfocando-se

especificamente o comportamento geoquímico do urânio (

238

U) e

de alguns de seus descendentes, sob condições controladas no labo-

ratório e em diferentes sistemas naturais caracterizados por distin-

tas condições climáticas e hidrogeológicas. Embora o estudo não

tenha sido conduzido em área de disposição de rejeitos radioativos

ou com amostras diretamente relacionadas com essa problemática,

os seus resultados servem de subsídio para um melhor conheci-

mento dos mecanismos de transporte de urânio mesmo nessas situa-

ções, pois, esse elemento também é um importante constituinte do

resíduo de transurânicos (segundo Brookins (1984), a atividade

típica de

238

U no resíduo é de 2,8x10

Bq/1). O trabalho também se

reveste de importância do ponto de vista de qualidade das águas,

uma vez que a radioatividade é um parâmetro que não pode ser

descartado quando se busca uma apropriada gestão dos recursos

hídricos. Os descendentes da série de decaimento do urânio que

serão investigados no decorrer deste estudo são o

234

U e o

222

Rn, os

quais, apesar de possuírem meias-vidas muito diferentes (Figura

1), constituem ferramentas extremamente importantes em hidro-

logia isotópica.

A PRESENÇA DE

238

234

222

RN NA NATUREZA

A literatura especializada em radionuclídeos naturais é vasta,

tanto a nacional como a publicada no exterior. Neste capítulo cons-

tam alguns aspectos relacionados com a presença de

238

234

U e

222

Rn na natureza, considerados importantes para entender o com-

portamento verificado nas diferentes situações avaliadas na Ingla-

terra e no Brasil.

Distribuição de urânio em

minerais, rochas, solos e águas

O urânio é constituinte essencial em quase cem minerais, ocor-

rendo principalmente em uraninita, UO

, e sua variedade não crista-

lina pechblenda, cofinita [U(SiO

)

(OH)

], uranotorita [(Th,U)

SiO

] e uranotorianita [(Th,U)O

O urânio possui vários estados de valência, 2+, 3+, 4+, 5+ e

64+, sendo mais freqüentes na natureza as formas 4+ e 6+. Em

minerais ígneos primários, está presente no estado 4+, constituindo

o íon uranoso (U

) com potencial iônico 4 e raio iônico 1,05 A,

próximo ao do cálcio e das terras raras trivalentes (Goldschmidt,

1954). A relação oxigênio/urânio pode se alterar no dióxido (UO

modificando a composição para U

(Krauskopf & Bird, 1995).

O U (IV) forma soluções sólidas com elementos tetravalentes como

Ce, Zr e Th, por exemplo, nos minerais acessórios cerianita, zircão

e uranotorianita, os quais são altamente resistentes ao intempe-

rismo e, por isso, não se encontram alterados nos sedimentos e

depósitos aluviais. Contudo, alguns silicatos e fosfatos contendo

terras raras ou Zr juntamente com U e Th, como torita, monazita e

zircão, perdem sua cristalinidade em decorrência da radiação interna,

tornando-se metamictizados; com isso, o mineral vítreo formado

passa a ser quimicamente reativo e se altera ou hidrata.

Nos minerais mais solúveis de urânio como uraninita ou pech-

blenda e cofinita, sob condições de intemperismo, o urânio se

oxida para o estado de valência 6+, constituindo o íon uranila

(UO

), com raio iônico de 0,80 A e potencial iônico 7 (Rõsler &

Lange, 1972). A transição de U

para U

ocorre de acordo com a

reação:

+ 2 H

O <> UO

+ 4H

+ 2e

cujo potencial de óxido-redução E° corresponde a 0,273 volts

(Fuger & Oetting, 1976). O íon uranila ocorre em minerais secun-

dários como autunita [Ca(UO

)

(PO

)

.12H

O] e carnotita

(UO

)

(VO

)

.nH

O], formados principalmente nos climas

áridos onde a evapotranspiração concentra o urânio e precipita

ligantes como vanadatos e fosfatos, entre outros.

O urânio nas rochas ígneas ocorre principalmente em minerais

acessórios, embora sua presença seja verificada também nos con-

tornos dos grãos e defeitos nos retículos cristalinos. Nos sedi-

mentos arenosos, os níveis de U são geralmente menores que 1

graças à facilidade com que é lixiviado dos interstícios ou

da pechblenda e cofinita em ambiente oxidante. Porém, quando

tais sedimentos são derivados de rochas ígneas contendo resistatos

enriquecidos em U e Th, concentrações anormais desses elementos

podem ser encontradas. Nos casos extremos em que alguma forma

de segregação ocorre, altos valores de U e Th podem ser gerados,

constituindo acumulação de importância econômica; segundo Craw-

ley (1983), as jazidas de urânio são caracterizadas por teores de

que excedem em cerca de 50 vezes a concentração média das

rochas crustais, ou seja, 100

O urânio lixiviado de qualquer rocha sob condições oxidantes

sofre precipitação num ambiente redutor, conforme se verifica, por

exemplo, em arenitos ricos em matéria orgânica ou em sulfetos de

Fe; os teores de U nesses depósitos geralmente variam entre 0,05%

e 0,2% (Bowie & Plant, 1983). Em sedimentos de granulação mais

fina, como folhelhos formados em bacias anóxicas, o U concentra-

se geralmente na matéria orgânica, atingindo níveis de 30 a 60;

Os folhelhos do Cambriano Superior no sul da Suécia, depositados

sob condições altamente redutoras num mar epicontinental pouco

profundo, também apresentam altos teores de U, isto é, 350

(ibidem).

Folhelhos contendo fosfatos derivaram seu urânio da água do

mar, em razão da tendência que leva o U a formar complexos do

tipo (UO

HPO

)

em água a pH relativamente alto; a maioria

dos depósitos de fosforitos contém de 10 a 60 de U, embora

alguns apresentem teores de 2.500 ou mais. Lignitas forma-

das sob condições redutoras são também enriquecidas em U,

porém, os teores são mais variáveis que os encontrados nos folhe-

lhos e fosforitos, situando-se entre alguns e 1%; valores dessa

ordem ocorrem geralmente apenas em veios de urânio, os quais

comumente variam entre 0,07% e 2%, e em pegmatitos, cuja abun-

dância é pequena.

Os solos autóctones usualmente refletem o conteúdo de urânio

da rocha de origem, contudo, também podem ser empobrecidos ou

enriquecidos em U, dependendo das condições de óxido-redução e

pH das águas circulantes. Os teores típicos de U nos solos variam

de 1 a 5 Em algumas circunstâncias, nas quais a matéria

orgânica húmica se acumula e a migração de água através do meio

se mantém, o U pode ser enriquecido por um fator de 10 mil a par-

tir da água contendo valores não elevados desse elemento (ibidem).

Nas águas superficiais e subterrâneas oxidantes, ocorre o trans-

porte de urânio como íons uranila, sob a forma de vários complexos

solúveis com os ânions comumente dissolvidos. Em condições áci-

das, os principais complexos de uranila são formados com o fosfato

e em condições alcalinas são formados com o carbonato (Lang-

muir, 1978). Os teores de urânio nas águas subterrâneas variam

bastante, dependendo da litologia e/ou proximidade a jazidas

desse elemento, considerando-se muitas vezes como anômalos os

valores acima de 4 (Bowie & Plant, 1983). Em condições con-

tinentais áridas, teores acima de várias centenas de de U têm

sido registrados, chegando a atingir 2.000 mg/l ou mais nas proxi-

midades de jazidas de urânio (ibidem).

Desequilíbrios na razão isotópica

234

238

Juntamente com o

238

U e o

235

U, o

234

U constitui o outro isótopo

natural de urânio, cujo comportamento foi sistematicamente inves-

tigado no decorrer deste trabalho. Esse nuclídeo tem abundância

média na crosta de 2 a 3x10

-8

%, é radiogênico, sendo gerado pelo

238

U após o decaimento de dois nuclídeos de meia-vida insignifi-

cante na escala de tempo geológico, isto é, o

234

Th e o

234

Pa, con-

forme se pode notar na Figura 1. Numa mistura contendo esses

isótopos, as proporções relativas de

238

235

U e

234

U geralmente

correspondem a 99,28%, 0,72% e 0,0054%, respectivamente.

Da mesma forma que o

238

U, o

234

U é um constituinte no resí-

duo de transurânicos, correspondendo tipicamente sua atividade a

300 Bq/1 (Brookins, 1984). Embora os elementos leves hidrogênio,

carbono, nitrogênio, oxigênio e enxofre tenham se prestado à

grande maioria dos estudos isotópicos centralizados na temática

ambiental, constata-se crescente interesse na utilização do

234

como uma ferramenta adicional para esse propósito, segundo suge-

rem Fritz & Fontes (1980). Isso tem sido efetuado a partir da razão

isotópica

234

238

U, que corresponde à unidade quando a taxa de

decaimento do progenitor se iguala à taxa de decaimento do des-

cendente, situação equivalente à do equilíbrio radioativo secular.

A formulação matemática do estado de equilíbrio radioativo

numa série de decaimento baseia-se na solução de um sistema de

equações diferenciais representando o acúmulo dos produtos de

decaimento na série, onde se determina o número de nuclídeos pro-

duzidos a partir do decaimento de um progenitor e se considera a

premissa de que a meia-vida do descendente é muito menor que a

do progenitor. Nessa situação, o tempo t para que o descendente

atinja o equilíbrio com o progenitor pode ser aproximadamente

estimado a partir da equação onde a constante de

decaimento do descendente. A principal implicação desse estado

reside no fato de que o número de átomos que decaem por unidade

de tempo torna-se igual ao número de átomos formados no mesmo

intervalo de tempo, sendo, portanto, unitária a razão entre a ativi-

dade do descendente e a do progenitor. Quando se considera o

234

e o

238

U, verifica-se que são válidas as premissas apresentadas para

a determinação do tempo de estabelecimento do equilíbrio, encon-

trando-se, então, um valor de cerca de 1 milhão de anos para a ati-

vidade do

234

U se igualar à do

238

Embora sistemas fechados com idade mínima de 1 milhão de

anos apresentem razões isotópicas

234

238

U unitárias, constata-se

que a maioria dos sistemas naturais envolvendo minerais, solos,

rochas e águas apresenta valores diferentes de 1, refletindo os efei-

tos ao longo do tempo dos processos geoquímicos e hidrogeológi-

cos. Os primeiros resultados de desequilíbrio entre

234

U e

238

foram publicados por Cherdyntsev et al. (1955) que o caracteriza-

ram em minerais neoformados. Thurber (1962) confirmou a exis-

tência de desequilíbrio nas águas oceânicas e em carbonates

marinhos e propôs a utilização da variação da razão

234

238

U em

função do tempo como método de geocronologia; uma vez que a

razão

234

238

U nas águas dos oceanos Pacífico e Atlântico perma-

necia constante (

234

238

U = 1,15±0,02), o autor sugeriu a adoção

desse valor como inicial para a razão

234

238

U nos carbonatos

marinhos.

Desde então, desenvolveram-se inúmeras pesquisas descre-

vendo aplicações geocronológicas para os dados da razão

234

238

tendo alguns autores também utilizado a razão

230

Th/

234

U em seus

trabalhos. Os materiais que se prestaram às análises consistiram de

sedimentos pelágicos, carbonatos de diferentes origens, como corais,

carapaças de moluscos, travertinos e estalagmites, provenientes das

mais diversas localidades. Uma interessante revisão dos artigos

publicados e premissas inerentes à aplicação dos métodos é forne-

cida por Ku (1976) e Ivanovich & Harmon (1982), que se referiram

também a trabalhos que analisaram sedimentos, rochas ígneas,

sedimentares e metamórficas, em estado intemperizado e não alte-

rado, e nódulos de manganês, com o propósito de caracterização de

processos de sedimentação continental, taxas de acreção e intempe-

rismo e mecanismos de mobilização, retenção e redistribuição de

urânio e actinídeos.

Na maioria das análises procedidas em águas provenientes dos

diferentes oceanos e de várias profundidades, caracterizou-se um

excesso de 15% da atividade de

234

U em relação à de

238

U, conforme

determinado inicialmente por Thurber (1962), porém valores sen-

sivelmente superiores foram encontrados em águas oceânicas pró-

ximas ao Japão, a noroeste do Oceano Pacífico, no Oceano

Antártico e em água intersticial do Oceano Pacífico, respectiva-

mente, por Umemoto (1965), Miyake et al. (1966), Veeh (1968) e

Somayajulu & Church (1973). Nos rios, as razões

234

238

U mos-

traram-se mais variáveis que nos oceanos, tendo Moore (1967) e

Moreira-Nordemann (1980, 1984) determinado valores entre 1,0 e

1,62 para amostras dos rios Amazonas, São Francisco, Preto

(Bahia), Salgado e Mississippi. Osmond & Cowart (1976) repre-

sentaram os resultados obtidos por inúmeros pesquisadores na

análise de amostras de águas superficiais e subterrâneas em diagra-

mas de concentração de urânio versus razão isotópica

234

238

definindo uma variabilidade de 0,001 a 100 para o teor de U

dissolvido, de 1 a 2 para a razão de atividade

234

238

U nas águas

superficiais e de 1 a 12 para a razão isotópica

234

238

U nas águas sub-

terrâneas. Essa variabilidade permitiu que os parâmetros pudessem

ser utilizados em investigações hidrogeológicas e hidrogeoquími-

cas, possibilitando que se prestassem à avaliação do padrão geral de

circulação de águas subterrâneas, da área de recarga de águas sub-

terrâneas, do tempo de residência da água subterrânea no aqüífero,

de processos de mistura de águas subterrâneas e de prováveis

ocorrências de jazidas de urânio (Kaufman et al, 1969; Kronfeld

& Adams, 1974; Kronfeld et al., 1979; Osmond & Cowart, 1981;

Cowart & Osmond, 1977, 1980; Osmond et al., 1983; Andrews

et al., 1982; Andrews & Kay, 1982; Rosenthal & Kronfeld, 1982).

Mecanismos do fracionamento

isotópico entre

234

U e

238

Situações de desequilíbrio entre o

234

U e o

238

U foram constata-

das neste estudo, requerendo, em alguns casos, o auxílio dos meca-

nismos interpretativos apresentados por vários autores. Cherdyntsev

et al. (1961), Stariket al. (1958), Chalov(1959), Rosholtetal. (1965),

Dooley et al. (1966), entre outros pesquisadores, discutiram o

mecanismo do desequilíbrio de

234

U em relação a

238

U, com base na

natureza físico-química do recuo nos retículos cristalinos dos

minerais. Considerando uma rocha que contém os isótopos de urâ-

nio sob a forma tetravalente, a energia de recuo no momento da

emissão a do

238

U é de 70 mil e V, muito maior que a necessária para

ionizar o urânio (4 e V) ou para romper sua ligação química (10 e V).

O efeito do recuo decorrente da emissão e as afinidades químicas

diferentes do urânio e de seus descendentes

234

Th e

234

Pa facilita-

riam o rompimento das ligações químicas do núcleo recuado, que

permaneceria momentaneamente em estado químico descombinado,

como uma partícula carregada no retículo cristalino do mineral.

Então, o núcleo liberaria elétrons, e, exceto em ambientes altamente

redutores, a recombinação química do

234

U favoreceria o estado

oxidado na forma

234

, antes que os átomos de

234

U retornassem

ao estado original U

. Por ocasião da dupla emissão beta, seria

pouco provável a ocorrência de recuo decorrente da pequena ener-

gia, massa e carga das partículas . Tendo em vista esses fatores e

mais a reação de óxido-redução envolvendo a mudança de U(IV)

para U(VI), ao percolar a fase sólida, a água transportaria preferen-

cialmente o

234

U em estado oxidado em vez do

238

Contudo, experimentos de lixiviação de rochas ígneas não alte-

radas conduzidos no laboratório por Chalov & Merkulova (1969)

não forneceram valores nas soluções maiores que 1,3 para a razão

isotópica

234

238

U, permitindo que Kigoshi (1971) sugerisse a

existência de outros mecanismos além da dissolução seletiva de

234

U para interpretar um estado de desequilíbrio entre

234

U e

238

com valores observados como 3 ou 4. Esse autor observou o acrés-

cimo de

234

Th na fase líquida de um sistema consistindo de 50 g de

zircão finamente pulverizado (U = 360 ppm e Th =131 ppm) e

solução de ácido nítrico diluído ou carbonato de sódio. A quanti-

dade de urânio lixiviado dependeu da natureza da solução e do

tempo de acumulação, ao passo que as razões

234

238

U e

230

Th/

234

U permaneceram praticamente constantes (1,2 e 0,8, respectiva-

mente). O excesso do

234

Th dissolvido em solução dependeu da

densidade do silicato, do seu teor de urânio e do tempo de perma-

nência da fase líquida em contato com a superfície do silicato, inde-

pendendo da natureza da solução. Esse excesso não foi atribuído

aos efeitos físico-químicos e sim à expulsão de núcleos de

234

mediante a interface sólido-líquido, devida ao recuo a; os decai-

mentos posteriores do

234

Th enriqueceriam em

234

U as soluções em

contato com os minerais de urânio, independentemente de qual-

quer processo de lixiviação.

Evidência adicional à proposição de Kigoshi (1971) foi forne-

cida por Fleischer & Raabe (1978) ao empregarem detector de

quartzo de alta pureza, mantido no vácuo, e microesferas de PuO

de diferentes atividades distanciadas de 0,45 mm. O sistema detec-

tava núcleos de

235

U ejetados a partir do decaimento a do

239

Pu. Os

resultados mostraram que os núcleos que recuam são ejetados para

o vácuo, e, nos sistemas naturais, se os cristais nas rochas estão em

contato com líquido, o núcleo recuado se dirige para esse meio. A

analogia com os sistemas naturais é possível, pois o

239

Pu possui

parâmetros físicos semelhantes aos do

238

U, e seu filho, o

235

U, tem

o mesmo comportamento químico do

238

U e do

234

Fleischer (1980) apresentou evidências para outro modelo

interpretativo do fracionamento entre

234

U e

238

U. Empregando

película de PuO

, implantou núcleos de

235

U em alguns minerais,

isto é, quartzo, ortoclásio, muscovita e obsidiana. As amostras com

os núcleos implantados foram separadamente expostas a diferentes

soluções que podiam liberá-los, e tanto o mineral como o resíduo

seco da solução foram expostos a nêutrons térmicos para fissão dos

núcleos de

235

U e determinação dos traços induzidos. Os resultados

indicaram que ocorreu a liberação de altas taxas de átomos de

235

recuados, independendo da natureza da solução. Em condições

naturais, núcleos de

234

Th ejetados penetrariam nos grãos adjacen-

tes, produzindo traços de recuo a e decaindo para

234

U. A passagem

de soluções naturais intergranulares causaria a remoção química do

núcleo recuado de onde se posicionou. O modelo seria válido nas

situações em que estivesse seco o espaço intergranular durante o

decaimento do

238

U. Fleischer (1982) completou os estudos desse

modelo, analisando cinco diferentes sólidos: um cristal isolante,

um cristal semicondutor, um metal, um vidro e um plástico. Nas

soluções que lixiviaram esses materiais, também notou a presença

de átomos de

235

U implantados nos sólidos por recuo a.

222

Rn nas águas

Conforme pode-se notar na Figura 1, nas três séries de decai-

mento radioativo aparecem isótopos de radônio, isto é, o

222

Rn na

série do

238

U, o

219

Rn na série

235

U e o

220

Rn na série do

232

Th. Ape-

sar de serem produzidos continuamente nas rochas e minerais pelo

decaimento de

226

Ra,

224

Ra e

223

Ra, uma vez que são gases nobres

inertes, esses nuclídeos não formam compostos químicos, podendo

ser detectados pelas propriedades radioativas que possuem, tanto

por seu decaimento com emissão de partículas de energia bem

definida quanto pelos seus produtos de decaimento de curta meia-

vida. Uma fração do gás produzido escapa das rochas e minerais,

sendo interceptada pela fase fluida circundante, por exemplo, ar ou

água subterrânea. Por serem gerados por emissão alfa, os nuclídeos

de radônio estão sujeitos ao processo de recuo no instante de seu

"nascimento", de maneira que a parcela que escapa das rochas e

minerais por esse mecanismo relativamente à que é produzida

depende de inúmeros fatores, como área superficial total dos sóli-

dos, concentração e distribuição dos progenitores na fase sólida etc.

(Flügge & Zimens, 1939).

Entre os isótopos de radônio conhecidos, o

222

Rn é o que apre-

senta meia-vida mais longa (3,8 dias), que lhe permite migrar maio-

res distâncias a partir de sua origem, sendo, por isso, o mais

estudado em relação aos demais quando se considera a radioativi-

dade nas águas. Esse constitui, também, um dos principais moti-

vos pelos quais seu comportamento foi avaliado no decorrer deste

trabalho.

A migração de

222

Rn ocorre principalmente por difusão através

dos poros das rochas e dos solos, falhas e fissuras, bem como por

dissolução nas águas subterrâneas e superficiais, verificando-se sua

incorporação na fase líquida quando ela percola a fase sólida porta-

dora de

226

Ra, com ou sem a presença de

238

U, e também quando a

fase líquida localiza-se numa distância correspondente à do alcance

de difusão do gás emanado. Em algumas fontes termais associadas

com falhas profundas, o radônio dissolvido é liberado para a atmos-

fera, concomitantemente com a depressurização. È o que ocorre,

por exemplo, no balneário Badgastein na Áustria, onde as fontes

realizam a descarga de cerca de 200 mCi de

222

Rn por dia (Bowie &

Plant, 1983). Águas com elevada salinidade, que ocorrem tipica-

mente em bacias produtoras de óleo e gás, são portadoras de quan-

tidades consideráveis de rádio e radônio, em virtude da facilidade

de complexação do rádio com o ânion cloreto. Os teores de radônio

dissolvido estão geralmente relacionados com os de rádio dissol-

vido, correspondendo, usualmente, a alguns pCi/1. Porém, as águas

subterrâneas provenientes de poços tubulares e fontes freqüente-

mente contêm alguns milhares de pCi/1 de

222

Rn dissolvido, cor-

respondendo o maior valor registrado por Bowie & Plant (1983) a

152.000 pCi/1.

222

Rn atinge o equilíbrio radioativo com o seu progenitor, o

226

Ra, após cerca de 25 dias. Embora não constitua um componente

importante dos resíduos dos transurânicos, do ponto de vista radio-

lógico, muita atenção tem sido dirigida também à presença de

222

nas águas, especialmente depois que Allen-Price (1960) sugeriu

que a distribuição de câncer na população do oeste de Devon, na

Inglaterra, estava relacionada com a radioatividade da água de con-

sumo na área, atribuída, sobretudo, à atividade de

222

Rn. Uma preo-

cupação dosimétrica adicional envolvendo esse gás constitui aquela

relacionada com o fato de que, além de ser ingerido, ele é inalado

através da respiração de ar enriquecido em radônio, de maneira que

pode ocorrer nos pulmões um acúmulo dos seus descendentes

emissores alfa, aumentando, portanto, a intensidade de dose

interna de radiação. A proposição de que o radônio poderia ser res-

ponsável por câncer pulmonar surgiu na década de 1930 para

explicar 75% dos casos de mortes ocorridos de 1877 a 1899 entre os

operários que trabalharam no interior de minas sem ventilação em

Schneeberg, Alemanha, e de 50% daqueles verificados de 1929 a

1938 entre os mineiros de Jachymov, atual República Tcheca. A

problemática se acentuou mais recentemente com a descoberta de

altos níveis de

222

Rn no interior de residências, que estariam relacio-

nados com teores elevados determinados em águas subterrâneas

utilizadas para consumo (Prichard, 1987; Nazaroff et al., 1988; Hess

et al., 1990; Lawrence et al., 1992).

Além de ser preocupante para a saúde humana, o

222

Rn consti-

tui um traçador natural de investigações hidrológicas, possibili-

tando, por exemplo, que se efetue o balanço dinâmico de grandes

volumes de águas subterrâneas e a determinação do seu tempo de

residência nos aqüíferos (Hoehn et al., 1991), aspectos que servi-

ram de motivação para que se efetuasse também a abordagem

desse nuclídeo nos processos de interação água-rocha/solo investi-

gados no decorrer deste estudo.

TRANSFERÊNCIA DE

238

234

U E

222

DE ROCHAS E SOLOS SOB

CONDIÇÕES CONTROLADAS

DE LABORATÓRIO

Neste capítulo estão descritas as principais características das

áreas de Mendip Hills e do granito Cammenellis, na Inglaterra,

bem como as etapas de amostragem e análise laboratorial realizadas

para promover os experimentos de lixiviação de urânio e transfe-

rência de radônio de rochas e solos daquelas áreas para diferentes

meios líquidos, com o propósito de identificar possíveis mecanis-

mos relacionados com a mobilização desses radioelementos em

situações nas quais inúmeros parâmetros também são conhecidos.

Aspectos geológicos e hidrogeológicos

da área de Mendip Hills, Inglaterra

O planalto de Mendip Hills possui uma altitude média de 250 m

acima do nível do mar, estendendo-se desde Brean Down na costa

oeste da Inglaterra até Frome no leste (Figura 2), onde estão expos-

tas rochas representando desde o Paleozóico Superior até o Quater-

nário, abrangendo duas fases continentais de deposição e duas

marinhas, com uma época glacial mais recente (Findlay, 1965). As

exposições de lava do Siluriano (piroxênio-andesito de cor púrpura e

granulação fina) são localizadas e acompanhadas de tufos e argilitos.

As rochas expostas do Devoniano são arenitos de fácies Upper Old

Red, que ocorrem nos núcleos desnudados de quatro dobras peri-

clinais no planalto de Mendip. Os arenitos são de cor cinza ou ver-

melho-escuro/púrpura graças à inclusão de hematita; seu caráter

geral é continental, ocorrendo um quartzo-conglomerado na base

sobreposto por uma seqüência de arenitos quartzíticos.

Os calcários do Carbonífera formam uma série dividida em

quatro grupos principais que refletem mudanças na fauna e fácies

sedimentar, consistindo a unidade inferior de leitos argilosos depo-

sitados sobre as rochas do Devoniano e indicativos de transição

para condições marinhas. Os principais tipos litológicos são repre-

sentados por calcários e dolomitos maciços, de origem marinha, os

quais ocupam cerca de um quarto da área total do distrito de Men-

dip, isto é, a área de afloramento é de 120 km

e a espessura média

da série de 1 km (Green & Welch, 1965). Boas exposições da série

ocorrem em gargantas profundas (Figura 3), e, embora a textura e o

conteúdo/tipo de fósseis dos calcários sejam variáveis, os resíduos

não cálcicos raramente excedem 5% em massa, consistindo de areia

fina e silte compostos predominantemente de quartzo, uma pequena

porcentagem de feldspatos e minerais pesados (densidade maior

que 2,9 g/cm

); argila dominada por mica, com menores quantida-

des de caolinita e vermiculita. Nos séculos passados, os calcários de

Mendip prestaram-se ao desenvolvimento de atividades de mine-

ração de chumbo; contudo, nas últimas décadas, têm sido extensi-

vamente utilizados para outros propósitos - por exemplo,

construção civil - pois as pedreiras chegam a extrair anualmente

cerca de 1 milhão de toneladas (Findlay, 1965).

As rochas do Triássico ocupam aproximadamente dois terços

do distrito de Mendip Hills, sendo representadas por fácies consis-

tindo de: fragmentos de calcário cimentados numa matriz arenosa

de argilito calcífero ou numa matriz calcífera de granulação fina;

argila siltosa uniformemente avermelhada; arenitos calcíferos

encontrados como um leito basal de cor vermelho-brilhante; folhe-

lho de cor cinza ou preta; argilito calcífero de cor amarelo-claro; cal-

cários pouco espessos.

Figura 2 - Localização e mapa geológico simplificado da área cárstica de Mendip Hills,

na Inglaterra (adaptado de Green & Welch, 1965).

Figura 3 - Esboço morfológico da área de Mendip Hills, na Inglaterra (adaptado de

Findlay, 1965).

O Jurássico na área é representado por estratos conglomeráti-

cos, em que a unidade inferior consiste principalmente de calcários

de coloração clara com camadas de argila como um constituinte

menor, e as unidades intermediária e superior são agrupadas juntas

de acordo com sua natureza predominantemente siltosa e arenosa,

acima das quais ocorrem calcários oolíticos. Alguns depósitos recen-

tes não consolidados e de pouca espessura também se acumularam

na área desde o Pleistoceno, consistindo de areias de origem mari-

nha depositadas quando o nível do mar estava acima do atual e de

um grupo misto de seixos e materiais argilosos formados principal-

mente em condições periglaciais.

Os solos do planalto de Mendip são em sua maioria brunos

(Figura 4), bem drenados, e geralmente dois tipos predominantes

podem ser distinguidos: nos cumes, aqueles derivados de arenito

Old Red e, nas vertentes e nos vales, aqueles derivados de calcário,

comumente pouco profundos (Findlay, 1965). Os solos derivados

do arenito são geralmente ácidos, como é o caso da Série Maesbury,

cujos perfis típicos compreendem os horizontes A e B (B/C e C

algumas vezes), os quais atingem profundidades de cerca de 70 cm.

Análises da distribuição do tamanho das partículas mostraram a

predominância de silte em todos os horizontes da Série Maesbury

(cerca de 40%), seguido de argila (cerca de 20%); na fração argila,

mica é o mineral dominante em todos os horizontes (mais que 50%),

seguida de vermiculita (26% a 50%), a qual se sugeriu resultar da alte-

ração de mica (ibidem). Os solos derivados de calcário, como a Série

Lulsgate, também apresentam os horizontes A e B em seus perfis

típicos, atingindo em geral não mais que 40 cm de profundidade, e

caracterizam-se por apresentarem valores elevados de saturação de

base nos dois horizontes (cerca de 80%). A Série Lulsgate é uma

das mais extensas do planalto de Mendip, cobrindo uma área apro-

ximada de 53 km

; silte também é a fração predominante nos hori-

zontes dessa série (cerca de 40%), porém, nesse caso, a proporção

de areia fina é relativamente similar à de argila (cerca de 20%). As

proporções de mica e de vermiculita na fração argila dos horizontes

A e B dessa série não exibem tendência consistente, talvez em razão

da composição da rocha matriz, pois abundâncias similares (de 26%

a 50%) são verificadas para mica e vermiculita no horizonte A, ao

passo que no horizonte B observa-se uma maior abundância de

vermiculita (de 26% a 50%), seguida de proporções semelhantes de

mica e caolinita (de 11% a 25%) (ibidem).

Quanto ao clima, a área de Mendip Hills apresenta inverno

mais quente e verão mais frio que a região central e sudeste da Ingla-

terra, e na costa oeste a temperatura média no inverno é de 5,5°C e

no verão, de 16,3°C. No inverno, tem-se disponível apenas cerca

de 1,9 hora por dia de luz solar, ao passo que no verão o valor

aumenta para 6,4 horas/dia. A precipitação anual é de 1.270 mm

nas partes mais altas do planalto de Mendip, diminuindo à medida

que se caminha em direção à costa oeste; as médias mensais de pre-

cipitação mostram que o período de fevereiro a junho é relativa-

mente mais seco, pois menos que um terço do total da precipitação

anual ocorre nesses cinco meses.

Os afloramentos de calcário do Carbonífera formam a área de

recarga para o mais importante aqüífero no distrito de Mendip

Hills, graças à combinação do relativamente alto índice pluviomé-

trico observado na região com a permeabilidade do calcário, que

permite que a água meteórica seja absorvida no terreno sem gran-

des perdas como água de escoamento superficial. Apesar de a poro-

sidade primária do calcário ser de apenas 0,18%- 0,92% (Drew, 1968;

Atkinson, 1977), ele possui boa porosidade secundária devida ao

intemperismo cárstico. Na maior parte do planalto de Mendip, o

nível d'água no calcário situa-se entre 100 m e 200 m abaixo da

superfície, conforme demonstrado pelas atividades envolvendo a

exploração de cavernas (Smith & Drew, 1975).

Os arenitos subjacentes do Devoniano afloram nos núcleos de

estruturas anticlinais, de maneira que a água de escoamento super-

ficial nesses afloramentos penetra nas juntas, fissuras e fendas de

folhelhos impermeáveis do Carbonífero, atravessando esses tipos

litológicos antes de infiltrar no calcário, onde se desenvolve uma

série de dolinas ao longo da linha de contato com os folhelhos. Por-

tanto, a recarga do aqüífero na área de Mendip é efetuada tanto pelas

precipitações nos afloramentos de calcário quanto pelos riachos

superficiais que drenam os afloramentos de arenito e folhelho, os

quais desaparecem em sumidouros quando atingem o calcário

(Green & Welch, 1965) (Figura 5).

Figura 5 - Modelo conceituai da circulação de águas subterrâneas na área cárstica de

Mendip Hills, na Inglaterra, segundo Andrews & Wood (1972). A - caverna arejada, B

- caverna submersa, CC - nível d'água, D - sumidouro, E - zona de percolação, Ee -

parte saturada da zona de percolação.

Dessa forma, a hidrologia do aquífero cárstico de Mendip Hills

mostra que a água meteórica percola (e é armazenada em) um sis-

tema complexo de fissuras, juntas e cavernas no calcário, ocorrendo

sua descarga através de fontes com grande vazão surgentes no con-

tato entre o calcário e o discordante (e confinante) argilito calcífero

do Triássico, conforme verificado em Rickford e em Langford, por

exemplo, na extremidade setentrional do periclínio. Essas águas e

as de outras nascentes, como em Cheddar (vazão de 660 l/s) ou

Chewton Mendip (vazão de 140 l/s), são utilizadas pelo sistema

público de abastecimento de água, uma vez que os poços perfurados

no calcário interceptam apenas em alguns casos fissuras armazena -

doras de volume substancial de água. Um sistema de cavernas digno

de registro verifica-se em Wookey Hole, onde as 25 câmaras iden-

tificadas propiciam um fluxo diário médio de 87 milhões de litros de

água, valor suficientemente alto para manter o fluxo do Rio Axe, ori-

ginado no interior de uma grande câmara (Green & Welch, 1965).

Aspectos geológicos e hidrogeológicos

do granito Carnmenellis, Cornuália, Inglaterra

O granito Carnmenellis na Cornuália, sudoeste da Inglaterra,

juntamente com outros quatro grandes stocks constituem um bató-

lito cujo afloramento ocorre desde Land's End até Dortmoor (Figura

6). Sua intrusão ocorreu nos sedimentos argilosos do Devoniano

durante a orogenia Herciniana (Carbonífero/Permiano), conforme

denotam as idades radiométricas de 290 milhões de anos registradas

por vários autores (Edmonds et al., 1969; Jackson et al., 1982). O gra-

nito Carnmenellis é predominantemente adamelítico, destacando-se

a presença de quartzo, plagioclásio (usualmente oligoclásio), orto-

clásio (geralmente pertítico), biotita e/ou muscovita (Exley & Stone,

1964); apresenta-se enriquecido em boro, flúor, lítio e cloro, graças

à freqüente ocorrência dos acessórios turmalina, apatita e zircão.

Localmente, o metassomatismo de boro e flúor resultou em turma-

linização e greisenização, e o granito produziu uma auréola térmica

de baixo grau com cordierita e andaluzita. Verifica-se acentuada

mineralização hidrotermal consistindo predominantemente de óxi-

dos e sulfetos de Sn, Cu, Pb e Zn; para a caolinização, tem sido pos-

tulada uma origem hidrotermal ou de menor temperatura (Edmunds

et al., 1984).

Os principais veios metalíferos dispõem-se ao longo das dire-

ções ENE-WSW e E-W no cinturão mineralizado ao norte de Carn-

menellis (Figura 6), os quais propiciaram o desenvolvimento das

atividades de mineração na Cornuália, sobretudo de estanho. Várias

minas são ainda ativas como South Crofty e Pendarves, situadas no

granito, e Wheal Jane e Mount Wellington, posicionadas em sua

auréola. A mina South Crofty situa-se na borda setentrional mine-

ralizada do granito Carnmenellis, possuindo um gradiente térmico

de 38°C/km, superior ao valor médio de 29,8°C/km avaliado para

todo o granito (ibidem). Tais gradientes propiciam estimativas de

129 e 120 mW/m

para o fluxo de calor na área, substancialmente

superior ao valor médio de 60 mW/m

para toda a Grã-Bretanha

(Wheildon et al., 1977). Tais aspectos favoreceram a escolha do

granito Carnmenellis para a realização do primeiro experimento

europeu de hot dry rock, patrocinado pela Comunidade Econômica

Européia e pelo Departamento de Energia da Grã-Bretanha, o qual

envolveu a extração do calor de rochas a grandes profundidades,

através da circulação de água por um sistema de fraturas criado

artificialmente entre dois furos de sondagem; foi com esse propó-

sito que se perfuraram dois poços de 2.000 m de profundidade na

Pedreira Rosemanowes, em Penryn, Cornuália (Andrews et al.,

1986) (Figura 6).

A ocorrência de águas subterrâneas termais (temperaturas de

até 52°C) é comum no granito Carnmenellis, presentes como fon-

tes profundas (entre 200 m e 700 m) nas minas de estanho e usual-

mente salinas conforme denotam os teores de sólidos totais

dissolvidos de até 19.310 mg/l nos níveis mais profundos da mina

South Crofty; correlações entre profundidade, salinidade e tempe-

ratura mostram, em geral, que as águas mais quentes nesse granito

são também as mais salinas (Edmunds et al., 1984). O fluxo de

água para as minas ocorre através de juntas ou fraturas no granito,

sendo essas águas derivadas das águas meteóricas quando intera-

gem com as biotitas e feldspatos do granito (Burgess et al., 1982)

(Figura 7); verifica-se, ainda, que elas constituem mistura de no

mínimo dois componentes, dos quais o mais significativo (cerca de

65%) é de origem recente e o termal chega a possuir tempos de resi-

dência de 5xl0

a 10

anos (Edmunds et al., 1984).

Figura 6 - Localização e mapa geológico simplificado do granito Carnmenellis na Cor-

nuália, Inglaterra (adaptado de Edmunds et al., 1984).

Figura 7 - Modelo conceituai da circulação de águas subterrâneas no granito Carnme-

nellis, na Inglaterra (segundo Edmunds et al., 1984).

Amostragem de rochas, solos

e águas subterrâneas

Para proceder aos estudos experimentais das interações água-

rocha/solo, visando obter informações no laboratório sobre a trans-

ferência para a fase líquida do

222

Rn e dos isótopos de urânio,

238

U e

234

U, realizaram-se coletas de amostras de calcário, dolomita, gra-

nito e solos nas áreas da Inglaterra anteriormente descritas. O

Quadro 1 exibe a descrição das rochas coletadas, em que se verifica

que a amostragem da maioria ocorreu em pedreiras, tendo consis-

tido principalmente de fragmentos provenientes de grandes blocos

recém-triturados. O Quadro 2 traz uma descrição dos solos coleta-

dos, cuja localização foi selecionada pela facilidade de acesso; utili-

zou-se uma escavadeira manual para a amostragem, a qual foi

facilmente realizada em razão da pequena profundidade com que

se atingiu a rocha matriz.

Quadro 1 - Descrição das amostras de rochas coletadas

em Mendip Hills e Cornuália, na Inglaterra

Quadro 2 - Descrição das amostras de solos coletadas

em Mendip Hills, na Inglaterra

A Figura 2 ilustra os locais de coleta das amostras de águas sub-

terrâneas no distrito de Mendip Hills, realizada para determinar o

teor de

222

Rn dissolvido, teor de urânio dissolvido, razão isotópica

234

238

U e outros parâmetros físicos, químicos e físico-químicos,

com o propósito de averiguar até que ponto os dados obtidos em

situações reais podem ser interpretados no contexto dos experi-

mentos conduzidos em laboratório, sob condições controladas.

Durante o desenvolvimento deste trabalho, não se procedeu a

amostragem de águas subterrâneas na área do granito Carnmene-

llis, na Cornuália, pois estudos prévios envolvendo a determinação

dos parâmetros de interesse já haviam sido efetuados por Andrews

(1983) e Edmunds et al. (1984).

Distribuição do tamanho de partículas

A área superficial de contato durante as interações água-rocha/

solo promovidas no laboratório constitui um parâmetro impor-

tante no estudo da mobilização de urânio e radônio para a fase

líquida. Para os experimentos de lixiviação das amostras de rocha,

utilizaram-se fragmentos irregulares, de diferentes tamanhos e for-

mas, os quais foram submetidos a uma análise estatística para a sua

determinação. Essa análise constou da avaliação da distribuição de

massa dos fragmentos, a partir de uma fração do total de material

triturado disponível, e consistiu na pesagem individual de cerca de

1.000 partículas para as amostras IV e V de calcário. A Tabela 1

representa as classes de massa dos fragmentos, as quais estão dispos-

tas em progressão geométrica, assim como a massa média no inter-

valo de classe considerado e a freqüência de ocorrência.

Para estimar a área superficial da distribuição de fragmentos,

supôs-se inicialmente uma geometria esférica média, para a qual a

área superficial, S, é dada pela equação:

onde: é a densidade da rocha (g/cm

), r é o raio do fragmento

(cm) e S é dado em cm

-1

. A densidade de cada amostra foi determi-

nada no laboratório, constando no Quadro 3(a) os valores obtidos.

Para um fragmento de massa m, o raio pode ser calculado a par-

tir da expressão:

A área superficial específica é obtida pela substituição dessa

equação na anterior, isto é:

A área superficial específica das amostras IV e V de calcário cor-

respondeu à soma da área superficial do grupo inserida nas últimas

colunas da Tabela 1 dividida pela massa total dos fragmentos utili-

zados para a elaboração da distribuição de classes de massa. Os

valores obtidos também estão inseridos na Tabela 1.

Um aspecto interessante relacionado com a análise estatística

efetuada diz respeito ao fato de que tanto para a amostra IV quanto

para a V de calcário ocorre um ajuste da massa dos fragmentos a uma

distribuição log-normal, conforme pode ser observado na Figura 8.

Com isso, é possível obter valores de 0,1 g e 0,14 g, respectiva-

mente, para a moda e a mediana dos fragmentos correspondentes à

amostra IV de calcário, bem como valores de 0,33 g e 0,46 g, res-

pectivamente, para a moda e a mediana dos fragmentos correspon-

dentes à amostra V de calcário.

Um procedimento relativamente menos tedioso para avaliar a

área superficial da distribuição de fragmentos consistiu na conta-

gem de um grande número de partículas (no mínimo 600 coletadas

ao acaso) e pesagem individual de cada fragmento. Então, após a

determinação da massa média dos fragmentos, utilizaram-se as

equações anteriores para cálculo do raio médio da partícula e área

superficial específica. Essa técnica foi empregada para todas as

amostras de rochas utilizadas nos experimentos de lixiviação, veri-

ficando-se que, pelo primeiro método, os valores encontrados para

as amostras IV e V de calcário foram cerca de 7% a 20% (média de

13%) menores que aqueles determinados pelo uso do segundo

método. Os dados representando a área superficial específica no

Quadro 3(a) referem-se aos valores encontrados a partir do emprego

da segunda técnica.

Tabela 1 - Avaliação da área superficial específica S de amostras

de calcário utilizadas nos experimentos de lixiviação

Figura 8 - Relação massa média dos fragmentos versus porcentagem cumulativa para

(a) amostra IV e (b) amostra V de calcário de Mendip Hills, na Inglaterra.

Para estimar a área superficial dos solos utilizados nos experi-

mentos de lixiviação, efetuou-se a passagem das amostras através de

um conjunto de peneiras de diferentes aberturas (2,36 a 0,02 mm),

determinando-se, então, a massa que ficou retida em cada peneira.

Cada diâmetro relacionado com a fração granulométrica retida foi

utilizado na avaliação da área superficial S a partir da equação

onde r representa o raio (os grãos foram supostos esféri-

cos) e p a densidade real do material, especificada no Quadro 4(a).

A área superficial específica de cada amostra foi encontrada a par-

tir do cômputo de média ponderada envolvendo a massa total da

amostra, a área superficial específica e a massa de cada fração gra-

nulométrica retida na série de peneiras. Todos os valores obtidos

no presente trabalho estão representados na Tabela 2 e na Figura 9,

e nota-se que o maior foi determinado para a amostra do horizonte

A da Série Maesbury.

Tabela 2 - Avaliação da área superficial específica S de amostras

de solo utilizadas nos experimentos de lixiviação

Diâmetro

partícula

(mm)

2,360

0.850

0,600

0,425

0,300

0.212

0,150

0,106

0,075

0,053

0,020

Total

Horizonte

Série

Massa (g) S (cm

37,493

226,230

57,240

55,200

40.849

35.920

21,191

9,313

3,160

1.477

2,366

490.439

9,82

27.25

38,61

54,51

77.22

109,27

154,44

218,55

308,88

437,09

1158,30

58,12*

Lulsgate

Horizonte B

Massa (g) S(cm

/g)

38,909

139.363

38,545

36,194

20,986

18,128

8,561

4,448

2,186

0,990

0,965

309,275

9,70

26,94

38,17

53,88

76,34

108,02

152,67

216,04

305,34

432,09

1145,04

50.38*

Horizonte

Série

Massa (g) S(cm

/g)

102.321

121.902

24,424

19,464

12,854

13,089

11,285

10,133

7.057

4,925

2.980

330,434

9,74

27,04

38,31

54,09

76,63

108,44

153,26

216,87

306,51

433,74

1149,42

61,55*

Maesbury

Horizonte

Massa (g)

102,929

123,832

25,396

19,970

13,165

12,134

9,183

7.203

4,817

2,975

2,389

323,993

3(cm

/g)

9,56

26,54

37.59

53,07

75.19

106,40

150,38

212,80

300,75

425,59

1127,82

52.12*

* Média ponderada envolvendo a massa total da amostra, a área superficial específica c a massa de

cada grupo de partículas possuindo determinado diâmetro.

Caracterização física

e química de rochas e solos

Os valores de densidade das amostras de rocha utilizadas nos

experimentos de lixiviação estão inseridos no Quadro 3(a), no qual

também constam a massa de amostra empregada em cada experi-

mento, o raio médio representativo dos fragmentos referentes à

amostra e a área superficial específica determinada de acordo cora a

técnica descrita anteriormente. O produto da massa pela área super-

ficial específica fornece a área total de contato entre as fases líquida

e sólida, conforme também representado no Quadro 3(a). Ressalta-se

que alguns experimentos de lixiviação não foram de fácil execução,

por terem sido conduzidos empregando-se uma grande quantidade

de material (15 kg de amostra); a maior área de contato entre as

fases líquida e sólida foi de cerca de 8 m

e a menor correspondeu a

um valor dez vezes inferior. Para as amostras III, IV e V de granito,

não estão especificados alguns parâmetros físicos, pois os resulta-

dos dos experimentos de lixiviação já haviam sido obtidos por

Andrews et al. (1987).

Figura 9 - Relação diâmetro da partícula versus porcentagem cumulativa para (a) hori-

zonte A da Série Lulsgate (moda = 381,8 ), (b) horizonte B da Série Lulsgate

(moda = 406,4 ), (c) horizonte A da Série Maesbury (moda = 213,6 )e (d) hori-

zonte B da Série Maesbury (moda = 240,6

Quadro 3 - Parâmetros envolvendo as rochas utilizadas

nos experimentos de lixiviação

(a) Parâmetros físicos

Dolomito

Granito

III

2,8

2,5

2.5

2,5

12,20

11,80

15,00

12,00

2,80

1,75

0,50

0,70

0,21

0,36

0,55

0,90

0,41

0,25

0,16

0,32

0.50

Área superficial

específica (cm

/g)

6,14

2,13

1.53

5,16

2,96

1,95

1,19

2,94

4,64

Área superficial

total (m

)

2,15

2,60

1,80

7,74

4,44

2,92

1.43

0,82

0,81

* Desvio padrão das medidas disponíveis.

Todas as amostras de calcário e de dolomita utilizadas nos expe-

rimentos de lixiviação foram analisadas quanto a teores de urânio,

cálcio e magnésio e razão de atividade

234

238

U, conforme especifi-

cado no Quadro 3(b). As análises referem-se, sobretudo, à fração

solúvel em HC1 6M, embora, em alguns casos, tenham sido realiza-

das também determinações na fração insolúvel em HC1 6M. A men-

suração de cálcio e de magnésio foi realizada por espectrofotometria

de absorção atômica, ao passo que a quantificação do teor de urânio e

a razão de atividade

234

238

U foram efetuadas de acordo com a

metodologia descrita no Apêndice. Para todas as amostras, verifi-

cou-se que o teor de cálcio na fração solúvel em HC1 6M excedeu

bastante o de magnésio, embora no caso do dolomito tenhamos

obtido apenas o dobro de cálcio em relação a magnésio. O menor

teor de urânio foi obtido para a amostra de dolomito (0,23 ), e a

razão de atividade

234

238

U correspondeu à unidade em quase

todos os casos. Com exceção de amostra cuja porcentagem de resí-

duo insolúvel em HC1 6M foi relativamente elevada (11%), consta-

tou-se que no mínimo 70% do urânio estava presente na fração

solúvel em HC1 6M.

Para a amostra IV de calcário procedeu-se à determinação do

equivalente-urânio (eU) para avaliar o estado do equilíbrio radioa-

tivo na série do urânio, 4n+2. Para isso, uma fração pulverizada da

amostra foi passada em peneira de 32-60 mesh (0,25-0,50 mm),

tendo sido separada uma quantidade de 200 g, a qual foi introdu-

zida em recipiente de alumínio de volume igual a 85 cm

. O recipi-

ente permaneceu vedado durante 20 dias, após o que foi submetido

à espectrometria gama com detector de Ge (Li) para determinar a

atividade do fotopico de

214

Bi de 609 KeV de energia. A atividade

específica de

238

U (0,3331 pCi/ ) foi utilizada na avaliação de eU,

de acordo com a equação:

onde corresponde à atividade de

214

Bi em pCi/g. O valor

obtido foi 1,28 ± 0,10 , o qual é bastante razoável quando

comparado com 1,34 ± 0,02 para o teor total de urânio na

rocha determinado por espectrometria alfa (Quadro 3(b)). Por-

tanto, desde que a razão eU/U corresponde a 0,96 ± 0,08 (pode ser

considerado 1 dentro dos erros experimentais), considera-se que

foi estabelecido equilíbrio radioativo entre

238

226

Ra,

222

Rn e

214

na série de decaimento do urânio para o calcário investigado.

Os dados das análises químicas das amostras de granito foram

obtidos por Andrews et al. (1987), sendo possível observar que o

teor de urânio é cerca de 15 vezes superior ao determinado nas

amostras de calcário. Por sua vez, a razão de atividade

234

238

também correspondeu à unidade, conforme constatado pratica-

mente para todas as amostras de calcário.

Os parâmetros físicos determinados para as amostras de solo

utilizadas nos experimentos de lixiviação encontram-se represen-

tados no Quadro 4(a), onde se nota que a umidade é relativamente

elevada em todos os casos. A porosidade total foi calculada pela

relação 1-Da/Dr, na qual Da é a densidade aparente e Dr é a den-

sidade real. A área superficial específica foi avaliada pela metodo-

logia descrita anteriormente, a qual, quando multiplicada pela

massa de amostra utilizada no experimento de lixiviação de urânio,

forneceu a área superficial total de contato entre as fases líquida e

sólida. Conforme se observa, nesses casos a área excedeu bastante o

maior valor determinado para as amostras de rocha utilizadas nos

experimentos de lixiviação (Quadro 4(a)).

A maioria dos parâmetros químicos das amostras de solo foi

determinada por Findlay (1965), o que não ocorreu com o teor de

urânio e a razão de atividade

234

238

U, cuja quantificação foi efe-

tuada de acordo com a metodologia descrita no Apêndice. Os

dados representados no Quadro 4(b) mostram que os solos deriva-

dos do arenito Old Red são mais ácidos que os gerados a partir do

calcário do Carbonífera, que as razões de atividade

234

238

U nos

diferentes horizontes são menores que a unidade e que o teor de

urânio nos materiais de origem, calcário e arenito, é inferior ao

determinado nos horizontes A e B.

Descrição das soluções lixiviadoras

A lixiviação de urânio das amostras de rochas e solos foi condu-

zida à temperatura ambiente no laboratório (20°C), empregando-

se as quatro diferentes soluções lixiviadoras descritas no Quadro 5.

O pH e o potencial redox Eh das soluções foram mensurados com

os mesmos equipamentos utilizados no campo para a aquisição de

dados, baseando-se na metodologia apresentada no Apêndice. De

acordo com esses parâmetros, constata-se que todas as soluções são

redutoras ácidas, sendo os mais agressivos a água destilada borbu-

lhada com gás carbônico e o ácido clorídrico 0,01 M; a pressão

parcial de CO

na água destilada equilibrada com a atmosfera cor-

responde a 10

-3,5

atm (Stumm & Morgan, 1970), porém, quando a

solução torna-se saturada de CO

numa pressão parcial de 1 atm,

seu pH diminui de 4,9 para 3,5, ficando, então, mais agressiva.

Quadro 4 - Parâmetros envolvendo os solos utilizados

nos experimentos de lixiviação

Nos experimentos envolvendo as amostras de rochas, proce-

deu-se à lavagem dos fragmentos com água destilada, para a remo-

ção de partículas finas eventualmente aderidas à superfície, porém

com as amostras de solos não se realizou essa etapa. Após secagem,

o material selecionado foi inserido em frascos de vidro pyrex de 5

ou 20 litros, dependendo da quantidade utilizada, aos quais se adi-

cionaram as soluções lixiviadoras. Cada solução foi circulada diaria-

mente através dos fragmentos de rocha ou amostras de solo por

intermédio de uma bomba elétrica Whale Supersub 88, polarizada

por bateria de 12 volts, com o propósito de assegurar que a lixivia-

ção ocorresse numa taxa uniforme e constante. As soluções lixivia-

doras foram periodicamente removidas para análise e substituídas

por outras recém-preparadas, para que o processo pudesse ter

seqüência. A duração dos experimentos foi variável, correspon-

dendo o maior tempo a cerca de 200 dias. Uma vez removidas, as

soluções foram filtradas através de membrana Millipore de 0,45

quando necessário, uma alíquota de 20 ml foi reservada para a

determinação de cálcio e magnésio por espectrofotometria de absor-

ção atômica, tendo o restante sido utilizado para a quantificação do

teor de urânio e razão de atividade

234

238

U por intermédio da

metodologia descrita no Apêndice.

Nos experimentos de liberação de radônio das rochas e dos solos,

empregou-se apenas água destilada à temperatura ambiente como

fase líquida, e o material selecionado foi inserido em frascos de

vidro de borossilicato de 1.000 ml, que se mostrou mais apropriado

que os de plástico para evitar perdas de

222

Rn em razão do tempo de

armazenagem (Zereshki, 1983). Cada frasco foi vedado com tampa

contendo dois tubos de náilon acoplados a mangueiras de neo-

prene, mantidas seladas com pinças de Hoffmann; os tubos foram

usados para fazer conexão com o sistema de desgaseificação des-

crito no Apêndice. Periodicamente, entre 1 e 28 dias após vedação,

efetuava-se a extração do

222

Rn acumulado na água destilada.

Resultados dos experimentos de lixiviação

Os dados referentes à lixiviação das amostras de calcário e dolo-

mita estão representados nos Quadros 6 a 12, sendo possível notar

que as soluções lixiviadoras mais agressivas (menores valores de

pH) promoveram dissolução mais acentuada de cálcio, magnésio e

urânio. No Quadro 9, além dos parâmetros especificados nas

demais tabelas, está representada a espessura da camada lixiviada

(em nm), calculada pela expressão M/Sfp, onde M representa a

massa de cálcio dissolvida, S corresponde à área superficial especí-

fica da amostra, f é a fração de cálcio na rocha e p é a densidade da

rocha. Conforme esperado, nota-se que as soluções mais agressivas

geraram maiores profundidades de lixiviação na superfície da

rocha. Um outro parâmetro representado no Quadro 9 é a prefe-

rência P de um elemento em relação a outro no processo de disso-

lução, a qual é definida como a razão molar de dois elementos i e j

na solução e na fração da rocha solúvel em HC1 6M. Estes parâme-

tros adicionais foram avaliados nos experimentos conduzidos com

a amostra IV de calcário, considerada adequada por apresentar uma

alta área de contato entre as fases sólida e líquida (7,7 m

), bem

como uma proporção relativamente elevada de urânio (70%) na fra-

ção da rocha solúvel em HC1 6M.

Os resultados para as amostras de granito submetidas aos pro-

cessos de lixiviação durante o desenvolvimento deste trabalho estão

representados nos Quadros 13 e 14. Conforme se observa, também

constam nesses quadros dados para sódio e potássio, além de cálcio

e magnésio, os quais foram igualmente obtidos por espectrofoto-

metria de absorção atômica, após filtragem da solução lixiviadora

através de membrana Millipore de 0,45 um. Os resultados dos

experimentos realizados com granito por Andrews et al. (1987)

estão representados no Quadro 15, onde constam valores para o

teor de silício dissolvido, além dos demais parâmetros expressos

nos Quadros 13 e 14.

O Quadro 16 exibe os teores de urânio e as razões de atividade

234

238

U determinados nos experimentos de lixiviação conduzi-

dos com as amostras de solos. Do ponto de vista operacional, esses

experimentos foram de difícil execução, principalmente a etapa de

separação e filtragem da fase líquida.

Quadro 6 - Resultados dos experimentos de lixiviação

da amostra I de calcário

Finalmente, no Quadro 17, estão representados os resultados

da transferência de radônio das rochas e dos solos para a água; a

maioria dos parâmetros expressos nas suas colunas foi definida no

Apêndice. A área superficial de contato entre a fase líquida e a

amostra IV de calcário foi estimada com base na área superficial

específica de 4,14 cm

/g, calculada conforme descrito na Tabela 1;

para a amostra VI de calcário, estimou-se reduzindo em cerca de

13% o valor da área superficial específica representado no Quadro

3. No Quadro 17(a), a atividade Ae corresponde à atividade do

Rn no equilíbrio, isto é, quando transcorreram cinco meias-

vidas do

222

Rn, sendo determinada a partir da atividade Ap, de

acordo com a equação:

onde é a constante de decaimento do

222

Rn (0,18 dias

-1

) e p é o

período de acumulação (em dias). O fluxo de

222

Rn das amostras IV

e VI de calcário foi estimado a partir do valor médio de , da área

total de contato entre as fases líquida e sólida e do fator de conver-

são envolvendo pCi e dps. No caso das amostras de solo, não se

determinou a atividade pois os períodos de acumulação sem-

pre excederam o tempo para o

222

Rn atingir o equilíbrio radioativo;

a área total de contato entre as fases líquida e sólida foi estimada a

partir da área superficial específica determinada na Tabela 2.

Quadro 8 - Resultados dos experimentos de lixiviação

da amostra III de calcário

Quadro 9 — Resultados dos experimentos de lixiviação

da amostra IV de calcário

Quadro 10- Resultados dos experimentos de lixiviação

da amostra V de calcário

Quadro 12 - Resultados dos experimentos de lixiviação

da amostra de dolomito

Quadro 11 - Resultados dos experimentos de lixiviação

da amostra VI de calcário

Quadro 13 - Resultados dos experimentos de lixiviação

da amostra I de granito

Quadro 14- Resultados dos experimentos de lixiviação

da amostra II de granito

Quadro 15- Resultados dos experimentos de lixiviação realizados

por Andrews et al. (1987) para as amostras III a V de granito

Quadro 16- Resultados dos experimentos de lixiviação

das amostras de solo

MECANISMOS DE ENRIQUECIMENTO

234

U EM ÁGUAS SUBTERRÂNEAS

DE AQÜÍFERO CÁRSTICO

Os processos de dissolução na interface água-rocha freqüente-

mente resultam em razões de atividade

234

238

U maiores que a

unidade para o urânio dissolvido. No presente capítulo, os efeitos

nesse parâmetro da lixiviação química sob diferentes condições

controladas em laboratório foram avaliados para rochas matrizes

consistindo de calcário e dolomito. Os resultados obtidos foram,

então, utilizados para interpretar a radioatividade devida aos isóto-

pos

234

U e

238

U nas águas subterrâneas do aqüífero cárstico de Men-

dip Hills, Inglaterra.

Dissolução de cálcio, magnésio e urânio

nos experimentos de curta duração

Nas Figuras 10 a 13, estão representados os dados cumulativos

da lixiviação de cálcio, magnésio e urânio em função do tempo,

para as diferentes amostras de calcário e dolomita, quando se empre-

garam as quatro distintas soluções lixiviadoras. Os experimentos

realizados com as amostras de dolomito e de calcário I e II foram con-

duzidos numa escala de tempo de pequena amplitude (no máximo

36 dias), porém, mesmo assim, algumas características podem ser

notadas. Por exemplo, conforme se observa na Figura 11, para a

amostra I de calcário, quando se encerraram as lixiviações, obteve-

se uma quantidade de cálcio dez vezes superior na solução lixivia-

dora mais agressiva (água destilada mantida à pressão parcial de

de 1 atm), condizendo com o esperado.

Figura 10- Relação cálcio versus tempo (valores cumulativos) para a amostra IV de cal-

cário de Mendip Hills, Inglaterra.

Figura 11 - Relação cálcio versus tempo (valores cumulativos) para as amostras de cal-

cário e dolomito de Mendip Hills, Inglaterra.

As espécies iônicas presentes em água pura após dissolução de

CaCO

são Ca

, H

, HCO

-, CO

, H

e OH

. Schindler

(1967) e Stumm & Morgan (1970) discutiram extensivamente as

relações de equilíbrio entre essas espécies em soluções isoladas da

atmosfera, bem como os equilíbrios resultantes da dissolução de

. O produto de solubilidade para a calcita, {Ca

} {CO

}, é

-8,,35

, a 25°C de temperatura e 1 atm de pressão total; para a dolo-

mita, nas mesmas condições, o produto de solubilidade {Mg

}

{Ca

} {CO

}

é de 10

-16,7

. Esses valores correspondem a solubi-

lidades teóricas de 6,69 e 0,40 mg/l, respectivamente, para a calcita

e a dolomita em água pura a 25°C, isolada da atmosfera. Um valor

experimental de 14,3 mg/l para a solubilidade de calcita na água

pura foi determinado por Pobeguin (1954). Quando a pressão par-

cial de CO

aumenta do valor típico de 3x10

-4

atm no ar para 3x10

-3

atm no solo, a concentração de Ca

numa solução saturada de cal-

cita a 25°C aumenta de 20 mg/l para 45 mg/l (Faure, 1991).

Figura 12 - Relação magnésio versus tempo (valores cumulativos) para as amostras de

calcário e dolomita de Mendip Hills, Inglaterra.

Figura 13- Relação urânio versus tempo (valores cumulativos) para as amostras de cal-

cário e dolomita de Mendip Hills, Inglaterra.

Assim, nos experimentos realizados, a menor área superficial

de contato entre o dolomita e a solução lixiviadora (b) em relação

àquela determinada entre as amostras de calcário I e II e as soluções

lixiviadoras (a) e (b), bem como o menor teor de cálcio no dolomito

em relação ao verificado nas amostras de calcário I e II e, ainda, a

menor solubilidade da dolomita em relação à calcita, contradizem as

curvas ilustradas na Figura 11, que mostram que o teor de cálcio lixi-

viado das amostras de calcário I e II pelas soluções menos agressivas

(a e b) foi quase cinco vezes menor que aquele obtido na lixiviação do

dolomito pela solução (b). Entretanto, a contradição desaparece

quando se leva em conta o experimento realizado com a solução

lixiviadora (c), mais agressiva, conforme ilustra a Figura 11. Uma

possível explicação para isso poderia ser que, por estarem expostas

ao intemperismo durante a coleta, as amostras I e II de calcário já

haviam sofrido alguma lixiviação de cálcio antes do início dos

experimentos no laboratório, de maneira que, quando se promoveu

uma dissolução acentuada desse elemento pelo uso de alta pressão

parcial de CO

, tornou-se desprezível aquela quantidade removida

previamente, o que não ocorreu quando se empregaram as soluções

lixiviadoras menos agressivas. Reforçando a importância do intem-

perismo na interpretação dos resultados dos experimentos de lixi-

viação com as soluções pouco agressivas, é possível notar que a

amostra III de calcário, apesar de possuir menor área superficial,

menor teor de cálcio e menor fração solúvel em HC1 6M que as

amostras de calcário I e II, exibiu maior teor de cálcio dissolvido

(Figura 11), provavelmente por tratar-se de rocha não intemperi-

zada no início do experimento.

Quanto ao magnésio, ainda na escala de tempo de 36 dias, veri-

ficou-se também que o teor lixiviado das amostras de calcário I e II

pelas soluções menos agressivas (a) e (b) foi no mínimo cinco vezes

menor que aquele obtido na lixiviação de dolomito pela solução

(b) (Figura 12). Contudo, diferentemente do que ocorreu com o

cálcio, a lixiviação com a solução mais agressiva (c) forneceu teo-

res muito mais elevados de magnésio no dolomito do que no calcá-

rio I (Figura 12). Embora alguma perda de magnésio pelas amostras

de calcário I e II possa ter ocorrido em virtude do intemperismo,

acredita-se que o principal motivo relacionado com o comporta-

mento verificado reside no elevado teor de magnésio (11%) caracte-

rístico do dolomito. Reforçando essas hipóteses, observa-se na

Figura 12 que o teor de magnésio lixiviado da amostra III de calcá-

rio é superior ao lixiviado das amostras I e II de calcário, pois o cal-

cário III, além de não ser intemperizado, possui muito mais

magnésio que os calcários I e II (Quadro 3).

No final dos experimentos de curta duração realizados com as

soluções menos agressivas (a) e (b), observou-se que teores relati-

vamente similares de urânio foram lixiviados das amostras I e III de

calcário e de dolomito, ao passo que uma maior quantidade foi dis-

solvida a partir da amostra II de calcário (Figura 13). Uma vez que

os teores de urânio nos calcários I e II não diferem muito, acredita-se

que a maior área superficial e a maior percentagem da fração solúvel

em HC1 6M do calcário II tenham contribuído para a lixiviação

mais acentuada de urânio dessa amostra. Já nos experimentos con-

duzidos com a solução saturada em CO

, não se verificou uma

diferença muito grande entre os teores de urânio lixiviados das

amostras de calcário I e dolomita (Figura 13), apesar de a concentra-

ção de urânio do dolomita ser cinco vezes menor que a do calcário I.

Dissolução de cálcio, magnésio e urânio

nos experimentos de longa duração

Nas Figuras 10 a 13, também estão representados os dados cumu-

lativos da lixiviação de cálcio, magnésio e urânio de diferentes

amostras de calcário submetidas a distintas soluções lixiviadoras,

na escala de tempo de até 200 dias.

Na Figura 10, observa-se que mais cálcio foi dissolvido da

amostra IV de calcário no final do experimento, quando se utilizou

a solução (b), de menor pH, em vez da solução (a). Comparando-se

os teores dissolvidos de cálcio e magnésio das amostras IV, V e VI

de calcário quando se empregou a solução (b), observa-se que os

valores diminuem consistentemente com a diminuição de área

superficial de contato entre as fases líquida e sólida (Quadro 3).

Porém, isto não se verifica para o urânio lixiviado das amostras IV e

V de calcário, denotando que, nesse caso, o teor superior de U na

fração solúvel em HC1 6M da rocha V em relação ao da rocha IV

parece ser mais importante do que a área superficial, quando se

promove um longo tempo de contato entre as fases líquida e sólida.

Diferenças não acentuadas ocorreram na dissolução de cálcio e

magnésio das amostras III e IV de calcário quando lixiviadas com

água destilada saturada com CO

, embora os valores da área super-

ficial e porcentagem da rocha solúvel em HC1 6M dessas amostras

sejam bastante distintos. Nota-se também que, embora o HC1

0,01M seja mais agressivo que a água destilada saturada com CO

a maior dissolução de cálcio e urânio da amostra IV de calcário

ocorreu no segundo caso; contudo, para o magnésio, a maior disso-

lução se verificou com o HCl 0,01M, de acordo com a agressi-

vidade da solução. A Figura 13 também ilustra que a menor

porcentagem da fração solúvel em HC1 6M, o menor teor de urânio

nessa fração e a menor área superficial da amostra III de calcário

em relação à amostra IV indicaram o fato de que menos urânio foi

dissolvido de III pela solução lixiviadora (c).

Em que pesem todas essas particularidades relacionadas com os

resultados obtidos nos experimentos conduzidos, ressalta-se que as

tendências observadas nas curvas de dissolução de cálcio, magné-

sio e urânio para as situações envolvendo curta duração foram con-

firmadas quando a escala de tempo se tornou ampliada. No geral,

cada curva tende a ser parabólica e/ou linear. No primeiro caso,

caracteriza-se uma reação de primeira ordem, na qual a taxa de dis-

solução diminui com o tempo, e, no segundo, descreve-se uma rea-

ção de ordem zero, na qual a taxa de lixiviação permanece constante

com o tempo. Em quase todas as situações de longa duração dos

experimentos, verificou-se uma alta taxa inicial de dissolução de cál-

cio, magnésio e urânio, a qual gradualmente sofreu uma diminuição

com o tempo, de maneira que a progressão do processo de lixivia-

ção caracterizou-se basicamente por uma mudança de uma reação

de primeira ordem para uma reação de ordem zero. Nos experi-

mentos com a amostra IV de calcário, por exemplo, o resultado ten-

deu a uma taxa constante de dissolução de cálcio de cerca de 1,9 mg/

dia, quando se utilizaram as soluções lixiviadoras menos agressivas

(a) e (b), ao passo que se aproximou de uma taxa de 25 mg/dia,

quando se empregaram as soluções mais agressivas (c) e (d).

Durante a evolução da lixiviação, a mudança gradual de uma

reação cuja taxa diminui com o tempo para uma interação que se

processa a taxa constante tornou-se esperada no experimento con-

duzido em laboratório, na medida em que partículas finas aderidas

nos fragmentos de rocha foram inicialmente dissolvidas, propici-

ando que a lixiviação uniforme da superfície passasse a ser o pro-

cesso dominante a partir da diminuição do número de pequenas

partículas de calcita. Imagens obtidas por microscopia eletrônica de

varredura revelaram que no início dos experimentos existia um

grande número de partículas menores que 5 aderentes à super-

fície do calcário IV recentemente exposta após fragmentação (Figura

14(a)), mesmo depois que se efetuou a lavagem inicial da amostra;

uma vez realizados os experimentos de lixiviação de longa duração,

constatou-se uma redução significativa do número destas partícu-

las (Figura 14(b)), de modo que a taxa de lixiviação da superfície

tornou-se controlada por um processo de ordem zero.

Dissolução de urânio relativa

à de cálcio e de magnésio

O urânio nos minerais primários formadores de rochas ocorre

no estado de oxidação 4+, sendo geralmente oxidado para o estado

de valência 6+ no ambiente supérgeno. Essa oxidação pode ser

representada pela equação:

O íon uranila mantém-se complexado em solução por íons

bicarbonato e carbonato em circunstâncias que dependem das con-

dições de intensidade iônica e pH. Na típica pressão parcial de CO

nas águas subterrâneas correspondente a cerca de 10

-2

atm a 25°C

para pH>5, verifica-se que os complexos de carbonato de uranila

constituem as principais espécies em solução (Langmuir, 1978).

Nas Figuras 15 a 18, estão representadas as relações entre os

valores cumulativos dos teores de urânio e os de cálcio e magnésio

nas várias soluções lixiviadoras de calcário e dolomito. Conforme

se observa, a quantidade de urânio dissolvida correlaciona-se for-

temente com as de cálcio e magnésio dissolvidas, tornando-se linear-

mente relacionadas naqueles processos verdadeiramente dominados

por reação de ordem zero. No caso da amostra IV de calcário, as

correlações lineares são equivalentes a uma razão molar U/Ca pró-

xima a 5 x 10

-6

nas soluções menos agressivas (Figura 15), a qual é

cerca de 11,5 vezes maior que a razão observada de 0,46 x 10

-6

para

a fração da rocha solúvel em HC1 6M (Quadro 3); já para as solu-

ções mais agressivas (Figura 15), a razão molar U/Ca varia de 1,3 a

1,6 x 10

-6

, valor que é mais próximo daquele encontrado para a fra-

ção da rocha solúvel em ácido, implicando uma significativa dimi-

nuição da lixiviação preferencial de urânio. Para um processo de

lixiviação superficial de ordem zero, todas as espécies químicas

presentes devem ser liberadas na mesma razão em que ocorrem na

matriz sólida, na medida em que tem seqüência a erosão da superfí-

cie. Os dados obtidos para a amostra IV de calcário mostram que

essa situação é aproximada nas intensas lixiviações promovidas com

água destilada saturada com CO

e com HC1 0,01M. No caso dos

processos mais brandos de lixiviação conduzidos com água destilada

saturada de N

ou equilibrada com a atmosfera, verifica-se uma

significativa dissolução preferencial de urânio relativa a cálcio.

Figura 14- Imagens de superfícies da amostra IV de calcário do Carbonífero de Men-

dip Hills, Inglaterra, obtidas por microscópio eletrônico de varredura: (a) superfície

recentemente fragmentada submetida a lavagem inicial com água destilada; (b)

mesma superfície após ter sido submetida a prolongada lixiviação (nota-se que mui-

tas partículas finas foram removidas). A escala da barra corresponde a 10

Ainda considerando os experimentos realizados com a amostra

IV de calcário, nota-se que a razão molar U/Mg nas soluções

menos agressivas e HC1 0.01M é cerca de 17 x 10

-6

(Figura 17),

mesmo a taxa de lixiviação com HC1 tendo sido significativamente

maior que as das outras soluções. Esse valor é próximo de 14,3x10

-6

correspondente à razão observada na fração da rocha solúvel em

ácido (Quadro 3). Porém, uma razão U/Mg maior que essa (27 x

-6

) foi encontrada na água destilada saturada com CO

, refle-

tindo a possibilidade de complexação de urânio como espécies de

carbonato de uranila.

Figura 15 - Relação urânio versus cálcio (valores cumulativos) nas soluções lixiviadoras

da amostra IV de calcário de Mendip Hills, Inglaterra.

Figura 16- Relação urânio versus cálcio (valores cumulativos) nas soluções lixiviadoras

das amostras de calcário e dolomito de Mendip Hills, Inglaterra.

A razão molar Mg/Ca nas soluções lixiviadoras (a) e (b) da

amostra IV de calcário (Quadro 5) é também cerca de 11,5 vezes

maior que a razão na fração de calcita da rocha, implicando o fato

de que tanto o urânio quanto o magnésio são preferencialmente dis-

solvidos em relação ao cálcio. O teor de Mg

na calcita, determinado

por difratometria de raios X, correspondeu a menos que 1 mol per-

centual. O urânio pode estar acomodado no retículo da calcita, pró-

ximo a distorções causadas na calcita magnesiana pelos menores

íons Mg

, embora tanto o urânio quanto o magnésio possam ser

derivados da fração micácea da rocha, não carbonática. Esta última

possibilidade constitui a mais provável explicação do mecanismo

pelo qual o urânio e o magnésio podem ser preferencialmente lixi-

viados da superfície da calcita durante um processo de ordem zero.

O Quadro 9 apresenta a definição da preferência P de dissolu-

ção de um elemento em relação a outro, bem como os valores obti-

dos para o urânio em relação a cálcio, urânio em relação a magnésio

e magnésio em relação a cálcio, referentes à amostra IV de calcário.

Conforme se verifica, as mais altas razões de preferência de urânio

e magnésio em relação a cálcio foram calculadas para a lixiviação

com água destilada saturada com N

ou equilibrada com a atmos-

fera; a dissolução preferencial de urânio e magnésio em relação a

cálcio diminui bastante quando se consideram as soluções lixivia-

doras mais agressivas (c) e (d) (Quadro 5). Contudo, a preferência

de urânio relativa a cálcio é geralmente similar à preferência de

magnésio relativa a cálcio, sugerindo uma acentuada correlação

entre a dissolução de urânio e de magnésio, especialmente para as

soluções lixiviadoras mais brandas.

Figura 17 - Relação urânio versus magnésio (valores cumulativos) nas soluções lixivia-

doras da amostra IV de calcário de Mendip Hills, Inglaterra.

Figura 18- Relação urânio versus magnésio (valores cumulativos) nas soluções lixivia-

doras das amostras de calcário e dolomito de Mendip Hills, Inglaterra.

Comportamento da razão isotópica

234

238

U em relação à dissolução de cálcio

A razão de atividade

234

238

U do urânio dissolvido nas solu-

ções lixiviadoras da amostra IV de calcário aumenta na medida em

que progride o processo de dissolução, conforme ilustra a Figura 19.

Nessa figura, para cada solução lixiviadora estão representados os

resultados de quatro sucessivas reações de dissolução, juntamente

com os valores calculados para a quantidade cumulativa de Ca

dis-

solvido e correspondente espessura da camada lixiviada.

Figura 20 - Relação entre a razão de atividade

234

238

U e o cálcio (valores cumulativos

nos círculos vazios) nas diferentes soluções lixiviadoras das amostras de calcário e

dolomito de Mendip Hills, Inglaterra.

A razão de atividade

234

238

U para o urânio numa rocha matriz

mais antiga que 1,25 milhão de anos corresponde ao valor do equi-

líbrio radioativo, isto é, a unidade. Conforme se verifica, a razão de

atividade

234

238

U no processo cumulativo de lixiviação se apro-

xima de um valor de cerca de 1,3, na medida em que o teor de Ca

ou a espessura da camada lixiviada aumentam (Figura 19). Nos

processos seqüenciais de lixiviação, nota-se que a razão de ativi-

dade

234

238

U de cada solução aumenta de acordo com cada suces-

siva etapa de dissolução. Esse acréscimo pode ser interpretado

como uma conseqüência da dissolução gradual das finas partículas

aderidas às superfícies expostas após fragmentação, na medida em

que o processo progride para a lixiviação de superfícies de calcita já

bastante erodidas (Figura 14b). A dissolução total de partículas

finas de calcita, as quais contêm urânio com uma razão de ativi-

dade

234

238

U correspondente à unidade (valor do equilíbrio radi-

oativo), ocasiona uma diminuição no valor esperado maior que 1

para a razão isotópica

234

238

U (em virtude da lixiviação preferen-

cial de

234

U da superfície de calcita).

A razão de atividade

234

238

U observada na primeira lixiviação

correspondeu a cerca de 1,1 para a água destilada saturada com N

ou equilibrada com a atmosfera, sendo um pouco maior quando se

utilizaram as soluções mais agressivas. Na quarta lixiviação suces-

siva, foram gerados valores de razão isotópica

234

238

U de cerca

de 1,4. O valor limitante aproximado pelo processo cumulativo de

dissolução provavelmente depende da facilidade com que os cristais

de calcita podem se tornar livres da superfície da rocha (e subse-

qüentemente totalmente dissolvidos) e também da disponibilidade

de amplas superfícies de calcita; esse valor praticamente se mos-

trou independente da natureza da solução lixiviadora da amostra

IV de calcário.

Variação da razão de atividade

234

238

U com a rocha matriz

Embora as razões cumulativas de atividade

234

238

U nas solu-

ções lixiviadoras da amostra IV de calcário tendam a um valor de

cerca de 1,3 na escala de tempo dos experimentos realizados, valo-

res distintos compreendidos entre 0,85 e 1,85 foram determinados

nos ensaios conduzidos com as demais amostras, conforme ilustra

a Figura 20. Para as amostras V e VI, aproximaram-se, respectiva-

mente, de razões isotópicas de cerca de 1,15 e 1,45 no final dos

experimentos, as quais, ao serem comparadas com as da amostra IV

de calcário, denotaram não se relacionar com a área superficial de

contato entre as fases líquida e sólida ou com a espessura da camada

lixiviada pela água destilada equilibrada com a atmosfera, que pra-

ticamente foi a mesma para as três amostras (variou entre 84 e 118

nm). Esses dados também sugerem que características distintas das

superfícies lixiviadas contribuem para a obtenção de diferentes

razões de atividade

234

238

Quando se considera a escala de tempo de curta duração dos

experimentos com o dolomita e o calcário II, verifica-se que as

razões de atividade

234

238

U situam-se no intervalo daquelas obti-

das para as amostras IV, V e VI de calcário. Razões isotópicas não

usuais, menores que 1, foram obtidas nas soluções que lixiviaram o

calcário I, o qual havia sido submetido ao intemperismo antes do

início dos experimentos no laboratório. Uma interpretação plausí-

vel para esses valores é que as finas partículas de calcita aderidas

nas superfícies expostas após fragmentação não possuíam urânio

com uma razão de atividade

234

238

U correspondente à do equilí-

brio, porém menor que a unidade, pois, em decorrência do intem-

perismo, o

234

U já teria sofrido lixiviação preferencial em relação ao

238

U; no laboratório, a dissolução total das partículas de calcita

empobrecidas em

234

U teria resultado nos valores menores que a uni-

dade obtidos nas três soluções lixiviadoras para as razões

234

238

(Figura 20).

Os maiores valores encontrados para a razão de atividade

234

238

U correspondem aos das soluções que lixiviaram a amostra III de

calcário (Figura 20), a qual possui uma proporção significativa de

material insolúvel em HC1 6M (11%), consistindo de areia fina e

silte compostos predominantemente de quartzo, uma pequena por-

centagem de feldspatos e minerais pesados, e, também, de argila

dominada por mica, com menores quantidades de caolinita e ver-

miculita. Conforme já sugerido, esse material poderia ter dificul-

tado ainda mais a liberação das finas partículas de calcita contendo

urânio com razão de atividade

234

238

U unitária, cuja dissolução

implicaria diminuição do valor maior que 1 esperado para a razão

isotópica

234

238

U; nas demais amostras, as dificuldades pode-

riam ter sido menores, propiciando a geração de menores razões de

atividade

234

238

U na fase líquida.

Razões de atividade

234

238

U nas

águas subterrâneas de Mendip Hills

Os resultados das análises de amostras de águas subterrâneas

coletadas na área cárstica de Mendip Hills, Inglaterra, (Figura 2)

estão representados no Quadro 18, em que as técnicas descritas no

Apêndice foram utilizadas para a determinação no campo de tem-

peratura, pH, Eh e teor de oxigênio dissolvido. A mensuração da

condutividade também foi efetuada no campo por intermédio de

equipamento portátil, enquanto os demais parâmetros foram avalia-

dos por técnicas convencionais, por exemplo, espectrofotometria

de absorção atômica (Na, K, Ca e Mg), titulometria (HCO3) e

secagem + pesagem (resíduo seco a 105°C). O teor de urânio dis-

solvido e a razão de atividade

234

238

U foram determinados por

espectrometria alfa, conforme descrito no Apêndice.

Todas as águas subterrâneas da área cárstica de Mendip Hills

são sistemas de baixa temperatura, onde o valor típico medido no

verão é de 10°C Os dados de pH e Eh obtidos no campo para

algumas amostras indicaram que as águas são redutoras em caráter,

da mesma forma que as soluções lixiviadoras empregadas nos

experimentos conduzidos em laboratório. A boa aeração obtida

para a amostra coletada em Wookey Hole pode ser atribuída ao fato

de que uma grande proporção do volume desse sistema de cavernas

está preenchida com ar. O resíduo seco a 105°C variou de 300 a

597 mg/l, concordando com dados prévios de Green & Welch

(1965); as medidas de condutividade correlacionaram-se bem com

esse parâmetro, desde que o menor valor de resíduo seco corres-

pondeu ao menor valor de condutividade. Cálculos envolvendo o

balanço de carga para os resultados das análises químicas dessas

águas indicaram um máximo de apenas 26% como a contribuição

dos outros ânions não analisados; assim, certamente essas águas

são bicarbonatadas cálcicas. Portanto, apesar de a maioria das nas-

centes na área cárstica de Mendip Hills surgirem em rochas do Triás-

sico ou mesmo mais jovens, as exposições relativamente limitadas

dessas rochas e a composição química das águas mostram que elas

são derivadas do calcário do Carbonífera.

Valores maiores que a unidade foram encontrados para as razões

de atividade

234

238

U nas águas subterrâneas da área cárstica de

Mendip Hills (Quadro 18). Uma proporção significativa do total de

urânio na rocha matriz não é solúvel em HC1 6M (Quadro 3); junta-

mente com a correlação entre a dissolução de U e Mg, isto sugere

que os minerais ferromagnesianos (que dominam os resíduos inso-

lúveis) podem estar constituindo a principal fonte de U e Mg.

A lixiviação da fase dominante, calcita, liberaria gradualmente

partículas discretas de minerais micáceos, as quais estariam sujei-

tas à dissolução por um processo de primeira ordem pela solução

presente; a lixiviação preferencial de

234

U deixaria os particulados

micáceos empobrecidos em

234

U. Contudo, durante a lixiviação de

calcário pela água subterrânea, poderiam ocorrer o transporte e a

eventual sedimentação das pequenas partículas, em razão de sua alta

densidade em relação à da água (a biotita e a clorita possuem densi-

dades entre 2,6 e 3,3 g/cm

). Porém, mesmo que os filossilicatos

não fossem removidos do contato com a água subterrânea, ocorre-

ria neles a lixiviação preferencial de

234

U, pois toda a produção

desse nuclídeo se deveu ao decaimento do

238

U, desde a formação

diagenética dos minerais. A subseqüente lixiviação da superfície de

calcário liberaria uma quantidade adicional de minerais micáceos,

com uma razão de atividade

234

238

U unitária, cuja dissolução

seria capaz de manter uma enriquecida razão de atividade

234

238

U na água subterrânea. Esse mecanismo em dois estágios, lixivia-

ção seguida por dissolução de U e Mg dos minerais ferromagne-

sianos liberados, pode explicar como é possível manter uma razão

de atividade

234

238

U enriquecida em solução quando a água sub-

terrânea interage com a rocha matriz, na qual o

238

U e o

234

U estão

em equilíbrio radioativo.

As razões de atividade

234

238

U encontradas nas águas subter-

râneas de Mendip Hills variaram de 1,02 a 2,05 (Quadro 18). O

monitoramento temporal de uma fonte (Quadro 18(a)) mostra que

a razão isotópica

234

238

U é sempre constante, não exibindo varia-

ção sazonal. As razões de atividade

234

238

U determinadas nas

demais localidades possivelmente dependem da quantidade de

resíduo insolúvel presente localmente no calcário ou da quantidade

de sedimentos depositados ao longo da trajetória de fluxo da água

subterrânea. O valor médio da razão de atividade

234

238

U para o

urânio dissolvido nas águas subterrâneas de Mendip Hills é de 1,52

± 0,28, o qual praticamente corresponde ao valor médio de 1,46

obtido no final dos experimentos de lixiviação de calcário e dolo-

mito conduzidos em laboratório (esse valor médio foi estimado sem

levar em conta os resultados obtidos com a amostra I de calcário).

As águas subterrâneas de Mendip Hills possuem curtos tempos

de residência, conforme evidenciam os altos teores de

H (30-52

Unidades de Trítio, segundo Burgess et al., 1980) e os testes de

tempo de trânsito realizados com traçadores artificiais (vários dias,

segundo Atkinson, 1977). Esses resultados, conjuntamente com

aqueles obtidos nos experimentos de lixiviação conduzidos em

laboratório durante o desenvolvimento do presente trabalho, per-

mitem afirmar que o processo de recuo alfa não pode contribuir

para a geração de razões de atividade

234

238

U enriquecidas na

água subterrânea, pois este processo atua quando os tempos de

residência são longos, de centenas a milhares de anos. Além disso,

o processo de recuo alfa também requer grandes concentrações de

urânio na interface água-rocha, porém não existem evidências de

acumulações significativas de urânio no calcário, nem de que esteja

ocorrendo deposição de urânio num contexto redox, a qual poderia

propiciar um acréscimo na razão de atividade

234

238

U do urânio

dissolvido, numa escala de tempo de curta duração (de alguns anos

a algumas dezenas de anos).

Portanto, as razões de atividade

234

238

U maiores que a uni-

dade nas águas subterrâneas estudadas são explicadas por um pro-

cesso químico de lixiviação de estado estacionário, o qual pode

manter a constância observada através do tempo na razão isotópica

234

238

U Essa

constância

não pode provir da lixiviação superficial

contínua de uma rocha matriz com composição uniforme, pois tal

situação faria a razão isotópica

234

238

U aproximar-se da unidade

numa situação de lixiviação intensa, bem como causaria um empo-

brecimento de

234

U na superfície em virtude da lixiviação preferen-

cial de

234

U, de maneira que seria impossível manter ao longo do

tempo uma razão de atividade

234

238

U enriquecida.

Quadro 18 - Parâmetros físicos e químicos das águas subterrâneas

da área cárstica de Mendip Hills, na Inglaterra

DISSOLUÇÃO DE URÂNIO EM

GRANITOS E SOLOS E MECANISMOS

DE TRANSFERÊNCIA DE

222

PARA AS ÁGUAS

A razão de atividade

234

238

U difere de acordo com o tipo de

matriz sólida com a qual a fase líquida interage, sobretudo quando

se trata de rochas ou solos. Os processos relacionados com a mobili-

zação dos isótopos

234

U e

238

U em decorrência da interação da água

com o granito Carnmenellis da Cornuália e com solos da área de

Mendip Hills na Inglaterra são discutidos neste capítulo. Também

são apresentados modelos teóricos de previsão da atividade de

222

na fase líquida a partir de uma rocha matriz produtora desse gás, os

quais foram utilizados na avaliação da radioatividade nas águas sub-

terrâneas do aqüífero cárstico em Mendip Hills, Inglaterra.

Curvas de dissolução do urânio

e outros elementos do granito Carnmenellis

As curvas de dissolução em função do tempo para os elementos

lixiviados do granito Carnmenellis por água destilada equilibrada

com a atmosfera são ilustradas nas Figuras 21 e 22, onde, além dos

dados obtidos durante o desenvolvimento deste trabalho nos expe-

rimentos de longa duração, estão representados aqueles adquiridos

por Andrews et al. (1987) nos ensaios realizados em menor escala

de tempo. Conforme se observa, as curvas apresentam o mesmo

aspecto que várias das ilustradas no Capítulo 3, consistindo, em

geral, de uma porção parabólica e outra linear, mesmo quando se

referem a elementos distintos como silício, sódio e potássio. Apesar

de essas rochas matrizes serem mineralogicamente bastante dife-

rentes em relação às anteriores, novamente parece que o processo

de dissolução é caracterizado por reações de primeira ordem e de

ordem zero.

No que concerne a reações de primeira ordem, Faure (1991)

avaliou matematicamente a taxa de mudança de concentração numa

reação química, determinando, por exemplo, expressão represen-

tativa do acréscimo numa solução de qualquer produto de reação.

A equação gerada mostrou-se similar à do crescimento de um

nuclídeo filho estável radiogênico, onde, em vez de aparecer a cons-

tante de decaimento X no termo exponencial, apresentou a constante

específica de taxa de reação, K, cuja unidade é s

-1

quando o tempo

de reação é dado em s e a concentração da solução é expressa em

mol/l. Dessa forma, esta modelagem tende a ser adequada para

representar as porções das curvas obtidas nas Figuras 21 e 22,

caracterizadas por diminuição da taxa de reação com o tempo (rea-

ção de primeira ordem), evidentemente desde que diferentes valo-

res da constante K sejam atribuídos a cada situação específica

definida pelo elemento que está sendo lixiviado e pelo tempo de

lixiviação utilizado no experimento.

Outros pesquisadores também obtiveram curvas de dissolução

de aspecto similar ao encontrado neste trabalho. Por exemplo,

Wollast (1967) realizou experimentos na temperatura ambiente

com amostras pulverizadas de ortoclásio contendo 5% de quartzo

como impureza, tendo apresentado várias curvas de dissolução de

sílica em soluções de pH entre 4 e 10, compostas de ftalato ácido de

potássio 0,1M, hidróxido de sódio 0,1M e ácido bórico 0,1M; as

curvas indicaram que as reações são também de primeira ordem (a

taxa de lixiviação diminui com o tempo) e de ordem zero (a taxa de

lixiviação permanece constante com o tempo). Da mesma forma,

Luce et al. (1972) avaliaram a dissolução na temperatura ambiente

dos silicatos magnesianos serpentina, forsterita e enstatita, utili-

zando amostras pulverizadas entre 100 e 200 mesh e soluções lixi-

viadoras consistindo de água destilada com baixa condutividade

cujo pH foi ajustado na faixa de 1,6 a 9,6 com HNO

ou KOH. Curvas de dissolução de primeira ordem e de ordem zero

foram obtidas por Luce et al. (1972) para o silício e o magnésio, e

muitos resultados foram representados em diagramas nos quais a

ordenada corresponde a 10

moles extraídos por cm

e a abscissa

corresponde à raiz quadrada do tempo de lixiviação, parâmetro que

modificou o aspecto visual das curvas relativamente àquele apre-

sentado neste trabalho. Eyal & Olander (1990) conduziram expe-

rimentos de lixiviação de amostras pulverizadas de monazita

(diâmetro médio das partículas correspondente a cerca de 1 )

empregando NaHCO

0,1M e Na

0,1M na temperatura

ambiente (pH=9,5) como soluções lixiviadoras dos isótopos naturais

de urânio e tório (

234

238

228

232

Th), uma vez que os comple-

xos estáveis de carbonato acelerariam a dissolução desses radioele-

mentos; com exceção do

232

Th, os dados obtidos mostraram que as

taxas de lixiviação decrescem com o tempo (reação de primeira

ordem), ao passo que para o

232

Th tenderam à linearidade (reação

de ordem zero), apesar de terem sido representados em diagramas

nos quais a ordenada correspondeu à fração cumulativa lixiviada.

As curvas de dissolução ilustradas na Figura 21 para os experi-

mentos de longa duração mostram que o sódio é lixiviado mais

rapidamente que os demais elementos; porém, à medida que

aumenta o tempo de contato entre a água destilada equilibrada com

a atmosfera e a rocha matriz, observa-se que a quantidade de cálcio

dissolvida torna-se maior que a de sódio. Para o urânio, as curvas

de dissolução ilustradas na Figura 22 mostram nitidamente que as

reações se processam em duas etapas, sendo de primeira ordem e

ordem zero. As áreas superficiais de contato, similares entre a fase

líquida e as amostras I e II de granito, não justificam a quantidade

significativamente maior de sódio, cálcio e urânio dissolvida da

amostra II; por ser o granito uma rocha matriz mineralogicamente

bastante complexa, as superfícies irregulares dos fragmentos de

rocha expostos à água diferiram muito da amostra I para a II, de

maneira que isso certamente interferiu na acessibilidade desses ele-

mentos à solução lixiviadora nos experimentos realizados. Infeliz-

mente, a falta de dados para o silício nos ensaios de longa duração

não permite avaliar melhor o seu comportamento, contudo os pou-

cos resultados disponíveis para as amostras III e IV de granito suge-

rem que a sua dissolução é comparável à do sódio e de cálcio.

Um aspecto interessante refere-se ao fato de o teor de potássio

nos granitos estudados ser bastante superior em relação ao de sódio

e cálcio (Quadro 3), porém a Figura 21 mostra que a dissolução de

potássio é menos acentuada que a destes cátions, excedendo ape-

nas a do magnésio, cujo teor na rocha é menor que o de Na, K e

Ca. Estes resultados condizem com algumas das observações de

Goldich (1938) sobre a suscetibilidade de minerais ao intempe-

rismo, determinada a partir das abundâncias de minerais primários

em saprólitos derivados de gnaisse granítico do sul de Minnesota,

Estados Unidos. Segundo o autor, a suscetibilidade ao intempe-

rismo dos silicatos formadores de rochas relaciona-se com a série

de reações de Bowen envolvendo a temperatura de cristalização

dos silicatos, ou seja, num magma, os minerais que primeiro se

cristalizam a altas temperaturas são mais suscetíveis ao intempe-

rismo do que aqueles que se cristalizam a menores temperaturas,

no final da seqüência de cristalização. Assim, de acordo com o

proposto por Goldich (1938), a olivina e o plagioclásio cálcico são

os minerais mais suscetíveis ao intemperismo, seguidos de piroxê-

nio, hornblenda, biotita e plagioclásio sódico; o feldspato potás-

sico é mais resistente ao intemperismo que os minerais precedentes

na seqüência de cristalização, apenas alterando-se mais facilmente

que a muscovita e o quartzo. O que serviu de base para a propo-

sição de Goldich (1938) foram as observações de que os processos

intempéricos provocam rápidas perdas dos óxidos de Na e Ca, ao

passo que as concentrações dos óxidos de K e Mg declinam mais

lentamente com o tempo e são compatíveis com os dados obti-

dos nas soluções que lixiviaram as amostras I e II de granito

(Figura 21).

Dissolução do urânio em relação aos outros

elementos no granito Carnmenellis

O urânio nas rochas ígneas apresenta-se distribuído de acordo

com seis modos principais de ocorrência, segundo Neuerburg

(1956): em minerais uraníferos, em posições cristalográficas ou

defeitos estruturais dos minerais acessórios e principais minerais

formadores de rochas, em posições de troca de cátions, adsorvido

nas superfícies cristalinas e descontinuidades cristalográficas, dis-

solvido em inclusões fluidas contidas nos minerais das rochas e

dissolvido em fluidos intergranulares. Esse autor utilizou a expres-

são "urânio móvel" para designar a fração do teor de urânio na

rocha que é facilmente dissolvida, qualquer que seja seu modo de

ocorrência na rocha. A maior parte do urânio nas rochas graníticas

está presente nos minerais refratários (por exemplo, apatita, zircão

e esfênio), os quais são resistentes ao intemperismo e raramente dis-

poníveis aos processos de mineralização secundária (Gabelman,

1977). Investigações de Tiet (1975), por exemplo, indicaram que

entre os vários minerais de granitos, isto é, quartzo, plagioclásio,

ortoclásio, biotita, anfibólio e resistatos, constituem a biotita e os

resistatos aqueles que retêm de 70% a 80% do teor total de urânio da

rocha. Uma outra estimativa de Adams et al. (1959) mostrou que

os resistatos contêm de 60% a 85% do urânio disponível nas rochas

ígneas. Dessa forma, o urânio presente nos principais minerais for-

madores de rochas constitui o que é mais suscetível à lixiviação,

principalmente quando a rocha desagrega durante o intemperismo.

As curvas representando a dissolução do urânio e demais ele-

mentos considerados neste trabalho estão ilustradas na Figura 23,

onde se nota pelos dados referentes à amostra II que o urânio conti-

nuou sendo mobilizado significativamente para a fase líquida mesmo

quando a lixiviação de sódio, potássio e magnésio praticamente

deixou de ocorrer no final do experimento. Uma confirmação disso

está no parâmetro representando a preferência de dissolução de urâ-

nio em relação a esses elementos, o qual correspondeu a 0,3, 5,5 e

1,2, respectivamente, para sódio, potássio e magnésio no início dos

experimentos, aumentando, então, para 2,3, 25,7 e 2,7 no seu final;

no caso do sódio, a dissolução diminuiu a tal ponto que permitiu ao

urânio tornar-se preferencialmente lixiviado. Para a amostra I, ten-

dência similar ocorreu apenas com o sódio, cuja razão de preferên-

cia U/Na variou de 0,5 no início do experimento para 1,2 ao seu

final; o urânio manteve-se sempre preferencialmente dissolvido

em relação ao potássio (razão de preferência U/K aproximada-

mente constante correspondente a 4,5), porém, contrariamente ao

que ocorreu com a amostra I, o magnésio manteve-se preferencial-

mente dissolvido em relação ao urânio (razão de preferência U/

Mg constante, correspondente a 0,3). O cálcio, por sua vez, sem-

pre se manteve preferencialmente lixiviado em relação ao urânio,

conforme indica a razão de preferência U/Ca correspondente a

cerca de 0,4 para as amostras I e II, tanto no início quanto ao final

dos experimentos. Os dados para silício dissolvido das amostras III

e V (Figura 23) indicam que, apesar do alto teor desse elemento na

rocha matriz (Quadro 3), não ocorreu sua dissolução preferencial-

mente à do urânio (a razão de preferência U/Si corresponde a 24

para a amostra III e 14 para a amostra V).

A composição modal para os principais minerais das amostras

de granito utilizadas nos experimentos de lixiviação corresponde a

quartzo (31%-36%), feldspato potássico (28%-33%), plagioclásio

(24%), biotita (3%-6%) e muscovita (5%-7%) (Edmunds et al., 1984).

Os íons Na

e Ca

nas soluções em contato com este granito deri-

vam principalmente dos feldspatos, a partir de reação de hidrólise

do oligoclásio, a qual pode ser escrita como:

As reações ocorrendo com biotita possivelmente constituem a

principal fonte para o potássio dissolvido, ao passo que a menor

proporção de magnésio dissolvido em relação ao cálcio deve-se ao

fato de que o Mg

permanece retido nos silicatos durante a altera-

ção, concomitantemente com a liberação de Na

e Ca

, conforme

constatado por Goldich (1938). Embora uraninita secundária tenha

sido identificada em South Crofty e pechblenda formada a baixa

temperatura tenha sido encontrada em veios na auréola do granito

Carnmenellis (Edmunds et al., 1984), esses minerais uraníferos não

foram identificados nas rochas utilizadas nos experimentos labora-

toriais, de maneira que os demais modos de ocorrência de urânio

apontados por Neuerburg (1956) poderiam justificar a sua pre-

sença nas amostras empregadas.

Figura 23 - Relação entre o urânio e os principais elementos dissolvidos (valores cumu-

lativos) das amostras do granito Carnmenellis, Cornuália, Inglaterra, empregando-se

a solução lixiviadora (b).

Razão de atividade

234

238

U nas águas

em contato com o granito Carnmenellis

Na Figura 24 estão representadas as razões de atividade

234

238

U determinadas na lixiviação das amostras do granito Carnme-

nellis com água destilada equilibrada com a atmosfera, tanto nos

experimentos de longa duração conduzidos neste trabalho quanto

naqueles de curta duração realizados por Andrews et al. (1987).

Para as amostras II e V de granito, as razões isotópicas

234

238

tenderam a se manter constantes durante a escala de tempo dos

experimentos, apresentando as curvas o mesmo aspecto daquelas

obtidas a partir dos ensaios realizados com as amostras de calcário,

em que os valores maiores que a unidade caracterizam a lixiviação

preferencial de

234

U em relação a

238

U. Contudo, as curvas geradas

para as amostras I, III e IV denotaram que a razão de atividade

234

238

diminui

com o tempo de lixiviação, tendendo para um

valor constante ao final do experimento, situação que não havia

sido constatada em nenhum caso estudado anteriormente. Uma

possível interpretação da tendência observada reside no fato de que,

com a progressão do processo intempérico, superfícies não altera-

das tornaram-se expostas para a lixiviação em decorrência da frag-

mentação dos pedaços de rocha, fazendo-se acompanhar de finas

partículas caracterizadas por razão de atividade

234

238

U unitária,

cuja dissolução total teria resultado em diminuição do valor espe-

rado na solução lixiviadora. A abundância de microfraturas des-

contínuas no granito Carnmenellis com aberturas de cerca de 10 um

foi constatada por Andrews et al. (1986), e, dependendo de sua

quantidade, a amostra submetida ao experimento de lixiviação

seria mais ou menos suscetível de fragmentação; no primeiro caso,

propiciaria a produção de um grande número de partículas finas

responsáveis pela diminuição da razão isotópica

234

238

U na solu-

ção lixiviadora, conforme observado para as amostras I, III e IV de

granito. A não-observância desta tendência com o calcário do Car-

bonífera de Mendip Hills deveu-se ao fato de que essa rocha matriz

Figura 24 - Relação entre a razão de atividade

234

238

U e o tempo (valores cumulati-

vos) na solução lixiviadora (b) das amostras do granito Carnmenelllis, Cornuália,

Inglaterra.

é mineralogicamente homogênea em relação ao granito Carnmenellis,

sendo também muito maciça e menos suscetível de fragmentação em

relação ao granito.

Os experimentos de lixiviação de granito conduzidos em labo-

ratório com água destilada equilibrada com a atmosfera fornece-

ram valores entre 1,2 e 2,2 para a razão de atividade

234

238

U do

urânio dissolvido, os quais praticamente correspondem àqueles

determinados por Andrews (1983) nas águas subterrâneas do gra-

nito Carnmenellis. Nas águas subterrâneas pouco profundas (menos

que 57 m), cujas temperaturas variaram entre 5,5 e 12,4°C, o teor

médio de urânio dissolvido correspondeu a 1,4 mantendo-

se as razões de atividade

234

238

U próximas da unidade. Para as

águas subterrâneas ocorrendo como fontes profundas nas minas de

estanho (profundidade entre 210 e 690 m), a temperatura variou de

16,4 a 43°C, o teor médio de urânio para a maioria das amostras

correspondeu a 0,5 e as razões de atividade

234

238

U exce-

deram significativamente o valor unitário (variaram entre 1,26 e

2,79). Essas águas diferiram das pouco profundas pela mudança

verificada na geoquímica do urânio, em que os potenciais redox

nas mais profundas excederam +30 mV e o pH variou de 5,5 a 7,2,

condições que favorecem a mobilidade de urânio (Langmuir, 1978;

Andrews & Kay, 1983); os menores teores de urânio nessas águas

foram atribuídos por Andrews (1983) à deposição do urânio pre-

sente nas águas pouco profundas, à medida que migram para maio-

res profundidades. A maior razão de atividade

234

238

U (2,79) foi

encontrada para a amostra de 250 m de profundidade, sendo consi-

derada uma conseqüência do acréscimo de

234

Th por recuo alfa a

partir do urânio depositado nas superfícies das fraturas no granito.

Nas zonas mais profundas que aquela dominada pelo recuo alfa do

234

Th, as águas subterrâneas apresentam menores razões de ativi-

dade

234

238

U, decréscimo que foi associado por Andrews (1983)

à troca de urânio na solução por urânio em equilíbrio na superfície

da rocha ou, então, à mistura com águas subterrâneas mais antigas,

caracterizadas por razão de atividade

234

238

U próxima do equilí-

brio (valor unitário). Contudo, os resultados obtidos nos experi-

mentos de lixiviação sugerem que o decréscimo na razão de atividade

234

238

poderia

estar relacionado com a dissolução de finas partí-

culas portadoras de razões isotópicas

234

238

U unitárias, uma vez

que a temperatura aumenta de 21 para 43°C com o aumento da

profundidade, o que certamente favorece os processos de intempe-

rismo e dissolução.

Interação água-solos de Mendip Hills

e implicações na mobilização de

234

U e

238

Os teores de urânio obtidos no Quadro 4 para as amostras de

solos de Mendip Hills indicaram que uma proporção significativa

desse elemento foi removida durante os processos de intemperismo

químico, acumulando-se nos horizontes superficiais A e B produ-

zidos; na Série Lulsgate, o fator de enriquecimento de urânio nos

horizontes A e B em relação à matriz calcária correspondeu a cerca

de dez vezes, ao passo que na Série Maesbury foi menor, quase o

dobro nos horizontes A e B, relativamente à matriz arenítica. Estes

dados são compatíveis com o comportamento do urânio na zona

oxidada próxima da superfície: ela passa da valência 4+ para 6+,

que é mais estável, e forma íons complexos solúveis de uranila

(UO

); no caso da Série Lulsgate, a rocha matriz calcária favorece

bastante a complexação do íon uranila em solução com íons carbo-

nato, motivo pelo qual se obteve o alto fator de enriquecimento de

urânio nos horizontes A e B.

Durante a infiltração das águas meteóricas, ocorrem interações

entre a fase líquida e os horizontes superficiais de solo, as quais fre-

qüentemente resultam em razões de atividade

234

238

U para o urâ-

nio dissolvido maiores que a unidade, em decorrência da lixiviação

preferencial de

234

U em relação a

238

U; conseqüentemente, a fase

sólida torna-se empobrecida em

234

U, resultando em razões isotópi-

cas

234

238

U menores que a unidade. Os resultados apresentados

no Quadro 4 comprovam a eficácia destes processos, pois, enquanto

as rochas matrizes das Séries Lulsgate e Maesbury apresentam valo-

res correspondentes ao equilíbrio para a razão de atividade

234

238

U, os horizontes A e B são empobrecidos em

234

U relativamente

238

U. Além disso, os resultados dos experimentos de lixiviação

dessas amostras representados no Quadro 16 reforçam essas pro-

posições, pois, em praticamente todos os casos, foi possível obter

razão isotópica

234

238

U maior que a unidade na fase líquida.

Um parâmetro útil para avaliar a solubilidade do urânio nos

experimentos realizados constitui o "coeficiente de mobilidade"

definido como a razão entre a concentração de urânio na solução e o

seu teor na fase sólida, o qual enfoca principalmente a fase líquida

em vez da sólida. Esse parâmetro corresponde ao inverso daquele

definido previamente como fator de enriquecimento geoquímico

(Szalay, 1964), fator de enriquecimento (Langmuir, 1978), coefi-

ciente de distribuição (Borovec, 1981) e coeficiente de adsorção

(AAEC, 1983). Alguns valores típicos de coeficiente de adsorção

para materiais naturais relativamente ao íon uranila UO

são:

1,1-2,7xl0

para oxi-hidróxidos amorfos de Fe (III), 10

-10

para

turfa, 4x10

para goethita de granulação fina, 10

para montmorilo-

nita e 50 para caolinita.

Para os solos mais ácidos da Série Maesbury, esse coeficiente

permanece praticamente constante (varia entre 1,4 e 2,7xl0

-4

g/cm

tanto para o horizonte A quanto para o horizonte B, independente-

mente da solução lixiviadora utilizada. Os solos da Série Lulsgate

são quase neutros porque possuem uma maior proporção de íons

trocáveis, verificando-se um valor quase constante do coefi-

ciente (0,6-lxl0

-4

g/cm

) nos experimentos conduzidos com água

destilada equilibrada com a atmosfera, tanto no horizonte A quanto

no horizonte B, o qual aumentou de três a dez vezes nos ensaios

realizados com a água destilada saturada em CO

. Esses resultados

sugerem que a solubilidade do urânio aumenta nos solos derivados

do calcário, mais suscetíveis à formação dos íons complexos de

carbonato de uranila quando ocorre elevação na pressão parcial

de CO

Emanação e difusão de

222

Os resultados expressos no Quadro 17(a) para o

222

Rn liberado

na fase líquida em contato com os fragmentos de calcário corres-

pondentes às amostras IV e VI (atividade Ap) são ilustrados na

Figura 25 em função do fator de crescimento é a cons-

tante de decaimento do

222

Rn e p é o período de acumulação). Con-

forme se observa, a equação relacionando a atividade do

222

Rn num

determinado instante com a atividade do

222

Rn esperada no

equilíbrio radioativo isto é, obedecida

para as duas amostras de calcário utilizadas nos experimentos.

Pode-se notar também que a atividade no equilíbrio correspon-

dente à da amostra de maior área superficial é superior à da amos-

tra de menor área superficial. A correlação, contudo, não é perfeita,

pois, enquanto a área superficial cresceu 2,4 vezes, a atividade no

equilíbrio aumentou quatro vezes.

Os mecanismos que podem causar a liberação de

222

Rn dos

fragmentos de rocha e, conseqüentemente, contribuir para o teor

de radônio observado nas águas subterrâneas são:

(1) recuo do

222

Rn após o decaimento alfa dos átomos de

226

próximos da superfície da rocha, sendo a distância de recuo do

222

Rn correspondente a 0,036 um;

(2) difusão do Rn através do retículo cristalino, a partir dos

locais de produção não localizados na superfície da rocha;

(3) difusão do

222

Rn ao longo de defeitos cristalinos, contornos de

grãos ou microfraturas, a partir de posições distantes da super-

fície da rocha.

O gradiente de concentração resultante da difusão de

222

num meio isotrópico infinito pode ser avaliado a partir da equação:

onde C

e C

são as concentrações de

222

Rn numa distância x a par-

tir de uma referência 0 na direção considerada e L é o alcance de

difusão para o

222

Rn (expresso em cm), definido pela expressão:

onde D é o coeficiente de difusão do

222

Rn (expresso em cm

/s) e

é a constante de decaimento do

222

Rn. Portanto, a concentração de

222

Rn sofre uma redução de um fator de 0,37 numa distância igual à

unidade para o alcance de difusão, e apenas 5% do

222

Rn pode atin-

gir por processos difusivos uma distância de 5L a partir do local de

sua origem. Os valores típicos para D e L envolvendo o

222

Rn na

água são, respectivamente, 10

-5

-1

e 2,18 cm (Tanner, 1964).

O mecanismo de difusão no retículo não pode contribuir signi-

ficativamente para a liberação de

222

Rn das rochas matrizes, pois a

constante difusão no retículo cristalino é extremamente pequena,

ou seja, 10

-20

-1

, segundo Jost (1960); além disso, o alcance de

difusão é 7x10

-8

cm, valor também pequeno, menor que a distância

de recuo de

222

Rn nos silicatos. Somente o processo de recuo não

justifica o teor de

222

Rn na água em contato com calcário do Carbo-

nífero, uma vez que um valor de 10

-7

/s para o coeficiente de

difusão do

222

Rn foi experimentalmente determinado por Zereshki

(1983) para a mesma rocha, fornecendo um valor de 0,22 cm para o

alcance de difusão, atribuído principalmente à difusão intergranu-

lar que ocorre nessa rocha.

Figura 25 — Atividade de

222

Rn na fase líquida versus fator de crescimento para os frag-

mentos de calcário de Mendip Hills, Inglaterra, correspondentes a (a) amostra IV (área

superficial total de 2.070 cm

) e (b) amostra VI (área superficial total de 845 cm

O valor médio do fluxo de

222

Rn desde a superfície dos frag-

mentos de calcário até a fase líquida corresponde a 7x10

-4

átomos/

s, estimado a partir dos valores expressos no Quadro 17(a).

Esse valor corresponde a 20% daquele encontrado por Andrews et al.

(1986) para superfícies planas do granito Carnmenellis, possuido-

ras de praticamente a mesma área superficial e também circundadas

por água destilada. Entre os fatores responsáveis pela diferença,

citam-se o maior teor de urânio na matriz granítica e as microfraturas

abundantes na rocha cristalina, causadas por mudanças termais e

isostáticas associadas com o processo de cristalização, resfriamento

e erosão.

Modelos de geração de

222

Rn nas rochas

e transferência para a água subterrânea

Ao rever os modelos na literatura para a geração de radônio nas

rochas e a transferência para a água subterrânea, é conveniente

seguir a aproximação mais macroscópica utilizada por Wanty et al.

(1992) para avaliar sistemas mais representativos das condições natu-

rais. Dessa forma, embora vários modelos possibilitem razoáveis

ajustes aos dados experimentais, eles incluem muitos parâmetros

de difícil avaliação prática, que envolvem propriedades microscó-

picas como rugosidade superficial ou distribuição não homogênea

226

Ra no sólido.

Considerando essas premissas, apresentam-se no Quadro 19

algumas equações selecionadas, concebidas supondo que os radio-

nuclídeos na série do

238

U estão em equilíbrio radioativo no sistema

água-rocha. Assim, o passo inicial na derivação das equações

assume que a atividade do radônio na água é igual à atividade do

urânio na rocha matriz. Portanto,

onde X' e X representam, respectivamente, a constante de decai-

mento radioativo do

238

U e do

222

Rn, e N' e N representam, respec-

tivamente, o número de átomos de

238

U e

222

Rn presentes no

sistema água-rocha.

O fator E (= A = F) descreve a eficiência de emanação da rocha

relativamente à liberação de radônio para a água subterrânea, tendo

sido explicitamente definido por Wanty et al. (1992) como:

Esse parâmetro não foi incluído na equação (2) do Quadro 19

em decorrência de uma falha de revisão por parte dos autores, o

mesmo ocorrendo com o parâmetro V

impropriamente inserido

na equação (4) do Quadro 19. Portanto, as equações (2) e (3) são

exatamente as mesmas, diferindo da equação (1) nas unidades uti-

lizadas e no termo exponencial o qual se aproxima da uni-

dade quando o tempo de residência é maior que 25 dias. A equação

(4) difere da equação (1) em razão das unidades utilizadas e do

termo o qual se aproxima da unidade quando a porosidade é

pequena. Assim, todas as equações (adequadamente corrigidas)

apresentadas no Quadro 19 são equivalentes para prever a ativi-

dade de radônio nas águas subterrâneas.

Quadro 19 - Equações de previsão do teor de

222

Rn nas águas

a partir do teor de urânio nas rochas

Utilização na área cárstica de Mendip Hills

dos modelos de geração de

222

Rn nas águas

Corn o propósito de produção de dados de

222

Rn nas águas com

base nas equações apresentadas no Quadro 19, considera-se que:

(1) A água de percolação é a principal responsável pelo fluxo pro-

veniente das fontes no calcário de Mendip Hills, variando de

0,7 a 3 km a distância entre as áreas de recarga e de descarga

(Drew, 1967). A velocidade de fluxo através da zona de perco-

lação varia de 0,009 a 1,4 m/dia, correspondendo o maior

valor a situações observadas após períodos de elevados índices

pluviométricos (Andrews & Wood, 1972). Portanto, o menor

tempo de residência esperado para a água de percolação cor-

responde a 500 dias, o qual permite aproximar para a unidade

o termo exponencial da equação (1) no Quadro 19.

(2) A porosidade primária do calcário do Carbonífero é de apenas

0,18%, mas a porosidade secundária, incluindo interstícios

entre planos de fratura e vazios, relacionada à dissolução cor-

responde a 1,5% (Andrews & Wood, 1972), valor considera-

velmente maior utilizado nas equações.

(3) Uma vez que a composição química das águas estudadas deve-

se principalmente ao calcário de Mendip Hills e como a maioria

do urânio na rocha matriz está presente na fração solúvel, valo-

res de 0,99 e 1,12 representam o parâmetro [U] nas equa-

ções, respectivamente, para as amostras IV e VI de calcário.

(4) As medidas no laboratório do

222

Rn liberado das superfícies de

calcário correspondentes a 50,61 e 12,7 pCi, respectivamente,

para as amostras IV e VI permitem avaliar o parâmetro A = F

= E presente nas equações do Quadro 19. Para isso, converte-

se [U] para um valor representativo da quantidade de urânio

presente na massa de rocha empregada no experimento de

emanação (500 g). Os valores obtidos são 167,2 e 189,2 pCi,

respectivamente, para as amostras IV e VI, os quais equivalem

à atividade do radônio presente na rocha matriz, pois a condi-

ção de equilíbrio radioativo foi confirmada na série do

238

para o calcário de Mendip Hills. Dessa forma, o uso da equa-

ção definida para E permite estimar valores de 0,23 e 0,06,

respectivamente, para as amostras IV e VI, os quais são bas-

tante razoáveis quando comparados com aqueles referidos por

Wanty et al. (1992), que consideraram que E quase sempre é

menor que 0,5, usualmente menor que 0,3.

Com relação aos experimentos de transferência de radônio para

a água a partir das amostras de solo, obteve-se um valor médio cor-

respondente a 80 pCi, estimado daqueles resultados de Ap apre-

sentados no Quadro 17(b). Quando se leva em conta que o teor de

urânio, a porosidade e a área superficial total das amostras de solo

são superiores aos das amostras de calcário e quando se comparam

as diferenças verificadas na atividade do radônio na água em con-

tato com o solo e o calcário, nota-se que valores muito maiores

seriam esperados para o

222

Rn transferido dos solos. Uma possível

explicação para os valores inferiores encontrados reside no fato de

que uma proporção significativa do

222

Rn dos solos deve ter sido

liberada para a água intersticial, a qual não se conseguiu remover

pela técnica de extração utilizada, descrita no Apêndice. Contudo,

mesmo assim, os valores estimados para o parâmetro E situam-se

na faixa daqueles referidos por Wanty et al. (1992), pois correspon-

dem a 0,20 e 0,13, respectivamente, para as amostras do horizonte

A e B da Série Lulsgate, sendo 0,10 e 0,12, respectivamente, para

as amostras do horizonte A e B da Série Maesbury. Do ponto de

vista de contribuição do

222

Rn dos solos para a radioatividade das

águas subterrâneas da área cárstica de Mendip Hills, verifica-se

que a transferência deve ser eficaz durante a recarga, quando, por

ocasião da infiltração das águas meteóricas, ocorre a sua interação

com as camadas de solo pertencentes ao manto de intemperismo.

Contudo, como o tempo mínimo de percolação da água até a sur-

gência é de 500 dias, todo o

222

Rn liberado pelos solos já teria desa-

parecido, restando apenas aquele derivado das interações com o

calcário - a composição química das águas do aqüífero cárstico de

Mendip Hills reflete a ocorrência de interações com o calcário.

Assim, levando em conta estas considerações e lembrando que a

densidade do calcário de Mendip Hills é 2,8 g/cm

, quando os

dados relativos às amostras IV e VI são inseridos nas equações do

Quadro 19, consegue-se gerar valores para o

222

Rn na água corres-

pondentes a 14.426 e 4.167 pCi/1, respectivamente.

222

Rn nas águas subterrâneas

de Mendip Hills e sua relação com

os dados gerados pelos modelos

Os resultados das análises de radônio dissolvido nas águas sub-

terrâneas da área de Mendip Hills estão apresentados no Quadro

20 e foram obtidos pelo emprego da metodologia descrita no Apên-

dice. Os valores para as amostras coletadas em Gurney Slade,

Shepton Mallet e Mells devem ser considerados como mínimos

porque nesses locais provavelmente ocorreram perdas de

222

antes da amostragem, conforme sugerido por Burgess et al. (1980).

A amostra de água de Wookey Hole possui um teor de

222

Rn menor

que os demais, possivelmente porque cerca de 39% do volume

desse sistema de cavernas contém ar, o que reduz a transferência de

222

Rn a partir das superfícies de calcário. Portanto, o intervalo de

variação típico para o

222

Rn dissolvido nas águas subterrâneas da

área pode ser considerado como de 125 a 495 pCi/1, correspon-

dendo sua média ao valor de 283 pCi/1.

Quadro 20 - Resultados obtidos na determinação do teor

de Rn dissolvido em águas subterrâneas da área

de Mendip, Inglaterra

*Dados de Burgess et al. (1980).

Conforme se pode observar, os valores obtidos para o teor de

222

nas amostras de águas subterrâneas de Mendip Hills são muito

menores que os gerados pelos modelos considerados. Os dados

relativos às amostras IV e VI de calcário forneceram, respectiva-

mente, valores 51 e 15 vezes superiores, e a melhor aproximação

obtida para a amostra VI deve-se ao fato de que foi obtido um coe-

ficiente de emanação mais apropriado quando os experimentos

foram conduzidos em materiais possuindo menor área superficial

específica, no caso, 1,69 cm

/g. Esses resultados também estão rela-

cionados com os testes realizados por Thompkins (1982) em

pequenos fragmentos ou amostras pulverizadas de minério de urâ-

nio, os quais lhe serviram de base para sugerir que as medidas rea-

lizadas com amostras menos fragmentadas são mais apropriadas

para fornecer a melhor determinação do coeficiente de emanação.

Com o objetivo de propiciar aos modelos uma condição de pre-

visão das atividades de radônio nas águas subterrâneas de Mendip

Hills, é necessário inserir um outro parâmetro nas equações do

Quadro 19, referido como K, e definido como a razão entre a área

superficial de um bloco de rocha antes da britagem e a área superfi-

cial total obtida após britagem. Tal parâmetro é adimensional e seu

máximo valor é 1, e o mínimo ocorre quando a amostra é pulveri-

zada. O conveniente é que esse parâmetro envolva aspectos realís-

ticos observados no campo, por exemplo, a espessura de 1 km do

calcário na área de Mendip Hills e a sua área de afloramento de 120

. A mais simples forma geométrica relacionada com esses

dados é um prisma retangular de 24 km de comprimento por 5,4

km de largura e 1 km de altura. A área superficial e o volume desse

prisma podem ser expressos, respectivamente, como 10,9 w

0,822 w

, onde w é a largura.

Quando um grande bloco de rocha possuindo qualquer forma

geométrica é subdividido em pedaços menores, as novas superfí-

cies produzidas ocasionam um aumento na área superficial em

relação àquela do material não dividido. Esse acréscimo na área

exposta é maior quando aumenta o número de partículas geradas,

de maneira que o aumento na área superficial de uma forma geo-

métrica original em decorrência de britagem implica uma diminuição

do valor de K. Contudo, como não há maneira única de idealizar

uma forma geométrica que poderia originar uma distribuição de

tamanho de partículas, propõe-se como material original neste

estudo um prisma cujo tamanho é proporcional àquele representa-

tivo da área de Mendip Hills: comprimento = 4,444 vezes a largura

e altura = 0,185 vez a largura.

A massa de 500 g da amostra VI de calcário (área superficial

específica = 1,69 cm

/g) utilizada no experimento de transferência

222

Rn para a fase líquida forneceu uma área superficial total de

845 cm". Se esta distribuição de partículas é usada na modelagem,

então o volume, a largura e a área superficial do prisma original

são, respectivamente, 178,57 cm

, 6 cm e 393,9 cm

. Assim, um

valor de K igual a 0,47 é estimado, o qual fornece um teor menor

para o

222

Rn previsto na água (1.958 pCi/1), mas ainda incompatí-

vel com os dados medidos nas águas subterrâneas de Mendip Hills.

Porém, se o experimento com a mesma amostra tivesse sido reali-

zado utilizando uma massa de uma tonelada, um valor de K igual a

0,037 seria obtido, o qual permite gerar 154 pCi/1 como o teor de

222

Rn previsto na água, exatamente no contexto dos dados medidos

para as águas subterrâneas de Mendip Hills.

Esses cálculos mostram que o coeficiente de emanação E depende

da área superficial específica da distribuição dos fragmentos de cal-

cário utilizados nos experimentos de transferência de

222

Rn condu-

zidos no laboratório, em que o melhor valor de E foi obtido para a

menor área superficial. Também indicam que para um determi-

nado valor de área superficial específica, o parâmetro K torna-se

dependente da quantidade de material considerada na avaliação,

sendo os melhores valores de K obtidos para maiores massas.

Obviamente existem dificuldades práticas para a realização de

experimentos no laboratório com grande quantidade de rocha;

assim, a modelagem torna-se útil para auxiliar na escolha de tama-

nhos adequados de materiais. Por exemplo, é possível definir um

prisma retangular ideal de calcário tendo as características da

amostra VI (teor de urânio =1,12 ), cujos fragmentos possui-

riam uma área superficial específica de 1,69 cm

/g e cujo experi-

mento de transferência forneceria um valor de 283 pCi/1 para o

222

Rn na fase líquida, exatamente igual àquele encontrado nas

águas subterrâneas de Mendip Hills. Quando esses parâmetros são

introduzidos nas equações do Quadro 19, um valor de cerca de

0,068 é gerado para K, permitindo encontrar 41, 181 e 7,6 cm, res-

pectivamente, como a largura, o comprimento e a altura do prisma,

bem como 161 kg sua massa. E evidente que se desejar reduzir o

tamanho do prisma, o experimento deve ser planejado de maneira a

utilizar fragmentos de diferente área superficial.

RADÔNIO E ISÓTOPOS DE URÂNIO

NAS ÁGUAS SUBTERRÂNEAS DA BACIA

SEDIMENTAR DO PARANÁ E NO MACIÇO

ALCALINO DE POÇOS DE CALDAS

Os experimentos realizados sob condições controladas em labo-

ratório serviram de subsídio para estudo dos mecanismos relacio-

nados com a mobilização dos isótopos de urânio

234

U e

238

U, em

decorrência dos processos de interação envolvendo águas subterrâ-

neas, solos e rochas pertencentes a diferentes áreas na Inglaterra,

caracterizadas por distintos contextos hidrogeológicos. Com o pro-

pósito de avaliar as implicações dos resultados obtidos em situações

climáticas e hidrogeológicas bastante diversas daquelas descritas

nos capítulos anteriores, conduziu-se um extenso programa de

amostragem de águas subterrâneas na bacia sedimentar do Paraná

e no maciço alcalino de Poços de Caldas, no Brasil, cujas etapas

envolvidas e resultados obtidos são apresentados neste capítulo.

Aspectos geológicos da bacia

sedimentar do Paraná e do maciço

alcalino de Poços de Caldas

A vasta bacia sedimentar do Paraná constitui uma unidade geo-

tectônica estabelecida sobre a Plataforma Sul-Americana a partir

do Devoniano Inferior ou mesmo do Siluriano (Almeida & Melo,

1981), localizando-se no centro-leste da América do Sul, onde

abrange uma área de 1.600.000 km

distribuída pelos territórios de

quatro países (Figura 26). A parte brasileira compreende cerca de

1.000.000 km

, estando situada entre os paralelos 16° e 32° de lati-

tude sul e os meridianos 47° e 56° de longitude oeste; a área restante

pertence à Argentina (400.000 km

), ao Paraguai (100.000 km

) e

ao Uruguai (100.000 km

). A persistente subsidência dessa bacia,

embora com caráter oscilatório, permitiu a acumulação de grande

espessura de sedimentos, lavas basálticas e sills de diabásio, e na

região mais profunda da bacia a espessura total desses depósitos

pode ultrapassar 5 mil metros (Figura 27).

Figura 26 - Localização da bacia sedimentar do Paraná no continente sul-americano.

Figura 27 — Secção esquemática da bacia sedimentar do Paraná (adaptado de Gilboa et

al, 1976).

No Devoniano Inferior, a área onde se desenvolveria a bacia do

Paraná encontrava-se bastante erodida, tendo sido sobre essa

superfície que possivelmente ocorreu uma transgressão marinha,

provavelmente proveniente do domínio andino. Embora se desco-

nheça a extensão originalmente ocupada por essa transgressão,

tem-se assumido que os sedimentos do Grupo Paraná constituem

remanescentes da erosão que teria afetado as camadas devonianas

(Almeida & Melo, 1981). No Estado de São Paulo, esse grupo é

caracterizado principalmente por arenitos esbranquiçados de gra-

nulação média a muito grossa, pouco rolados e com matriz caoliní-

tica; localmente se intercalam camadas de material argiloso a síltico,

micáceo, ou de arenito fino. Na base ocorrem conglomerados com

até pouco mais de um metro de espessura, cujos seixos centimétri-

cos, de quartzo e quartzito, são mal rolados e dispersos em matriz

arenosa grossa. Verifica-se, também, a presença de generalizada

estratificação cruzada, em bancos com até poucos metros de espes-

sura, originada por fluxo aquoso que também formou marcas

onduladas, localmente observáveis.

O Grupo Tubarão na bacia do Paraná contém os testemunhos

da glaciação permocarbonífera, de ingressões marinhas, restos de

flora e camadas de carvão, tendo variado bastante tanto vertical

quanto horizontalmente os paleoambientes correspondentes a esses

depósitos, o que torna a subdivisão do grupo muito difícil, quando

se procura aplicá-la a áreas extensas. Almeida & Melo (1981) con-

sideram que no Estado de São Paulo não há elementos que justifi-

quem a subdivisão do Grupo Tubarão, senão nas Formações Itararé,

Aquidauana e Tatuí. Os sedimentos da Formação Itararé consti-

tuem-se, predominantemente, de arenitos finos a grosseiros, lamitos

e diamictitos de cores amarela, vermelha e cinza-claro nas partes

superiores e inferiores; a parte média é representada por arenitos

finos, siltitos e lamitos, de cores cinza-escuro e amarela. Os areni-

tos, freqüentemente fedspáticos ou mesmo arcosianos, formam

corpos psamíticos, exibindo estruturas sedimentares singenéticas

como marcas ondulares, marcas de sola, estratificações cruzadas e

gradacionais, e também estruturas associadas a deformações plásti-

cas penecontemporâneas à deposição (DAEE, 1981). A Formação

Aquidauana constitui-se principalmente de arenitos e siltitos de

tonalidades avermelhadas, ocorrendo também folhelhos vermelhos

ou esverdeados, conglomerados, diamictitos e ritmitos. Os arenitos

finos e siltitos constituem corpos tabulares ou alongados com inter -

calações de lentes de arenito grosso, feldspático, às vezes seixosos,

ou ainda de lentes de conglomerados com matriz arenosa e seixos

centimétricos de rochas de embasamento cristalino. Os arenitos,

quando não maciços, mostram estratificação plano-paralela ou cru-

zada, acamadada ou tangencial. A Formação Tatuí é predominan-

temente constituída de siltitos, ocorrendo também camadas de

arenitos, calcários, folhelhos e sílex. No conjunto, representa sedi-

mentação uniforme que contrasta com a heterogeneidade caracterís-

tica da Formação Itararé (Almeida & Melo, 1981).

Os sedimentos do Grupo Passa-Dois foram depositados no

Permiano Superior, sendo representados, segundo Almeida & Melo

(1981), por: siltitos, argilitos e folhelhos sílticos de cor cinza-claro a

cinza-escuro, folhelhos pirobetuminosos, localmente em alternância

rítmica com calcários creme silicificados e restritos níveis conglome-

ráticos; depósitos essencialmente marinhos incluindo siltitos, folhe-

lhos e argilitos cinza-escuros a pretos, com laminação plano-paralela;

depósitos possivelmente marinhos compreendendo folhelhos e

argilitos cinza-escuros a esverdeados ou avermelhados finamente

laminados, em alternância com siltitos e arenitos muito finos, pre-

sença de lentes restritas de calcários oolíticos e sílex; depósitos de

planícies costeiras compreendendo arenitos muito finos a médios,

esverdeados a avermelhados e subordinadamente argilitos e siltitos

avermelhados; depósitos possivelmente marinhos de planícies de

maré, incluindo argilitos, folhelhos e siltitos cinza, arroxeados ou

avermelhados com intercalações de bancos carbonáticos e camadas

de arenitos finos.

A Formação Pirambóia é uma das unidades sedimentares de

maior ocorrência no centro-leste de São Paulo, sendo as feições

morfológicas mais características constituídas por encostas escalo-

nadas e extensos areais existentes sobre as colinas tabuliformes

(Soares, 1975). O membro inferior apresenta fácies mais argilosa,

onde predomina a estratificação plano-paralela e cruzada acana-

lada de pequeno porte; as camadas de argila, folhelhos arenosos e

sílticos também são freqüentes. O membro superior é caracteri-

zado pela disposição dos bancos de arenitos, pouco a muito argilo-

sos, com estratificação cruzada plano-tangencial de médio a

pequeno porte, sucedidos por bancos de arenitos muito argilosos,

com estratificação plano-paralela, lamitos e argilitos arenosos,

numa clara repetição cíclica. O teor em lama (silte + argila) é bas-

tante variável, com uma média em torno de 20%; a granulação é

homogênea, variando entre muito fina a média, dominando as areias

finas e uma seleção pobre. A espessura da Formação Pirambóia

tem seu máximo em torno de 300 m na bacia do Tietê; reduz-se

para sul e nordeste do Estado de São Paulo, atingindo 150 m em

Analândia e 60 m em Franca (ibidem). Considerando os fósseis dis-

poníveis com valor cronológico, Soares (1975) situou a época de

deposição da Formação Pirambóia entre o Triássico Inferior e o

Jurássico Superior.

A Formação Botucatu constitui-se quase inteiramente de areni-

tos de granulação fina a média, uniforme, com boa seleção de grãos

foscos com alta esfericidade; são avermelhados, apresentam estrati-

ficação cruzada de grande a médio porte, são muito friáveis ou sili-

ciflcados e exibem na parte basal corpos de arenitos conglomeráticos

e conglomerado. O pacote sedimentar dessa formação constitui

uma unidade genética depositada em ambiente desértico, sendo

caracterizada fundamentalmente por uma monótona sucessão de

corpos cuneiformes de arenitos com seleção regular a boa, com teor

de lama (silte + argila) em média inferior a 10%. A espessura da

Formação Botucatu é bastante variável, porém não ultrapassa 150

m em sua faixa de afloramentos no Estado de São Paulo; a espes-

sura média é em torno de 50-70 m. Seu conteúdo de fóssil no

Estado de São Paulo é muito reduzido, restringindo-se a alguns

crustáceos, pistas de vermes e pegadas de vertebrados (Almeida &

Melo, 1981). Soares (1975) considerou o limite Jurássico-Cretáceo

como o superior para a idade da Formação Botucatu e sugeriu que

o limite inferior deve estar situado no Jurássico.

A Formação Serra Geral constitui uma designação proposta por

White (1908) para o conjunto de basaltos formados por derrames

em extenso vulcanismo de fissura, estimado em 650.000 km

, aos

quais estão associados corpos intrusivos de mesma composição,

constituindo, sobretudo, diques e sills (Almeida & Melo, 1981);

uma área onde muitos diques de diabásio se apresentam situa-se no

nordeste do Estado de São Paulo, próximo à borda da bacia, em

sítio onde ocorrem numerosos sills. Os derrames são formados por

rochas de cor cinza-escuro a preto, afaníticas, com espessura indi-

vidual variável, no geral, de poucos metros a 50 ou 100 m; a extensão

horizontal pode ultrapassar 10 km. Nos derrames mais espessos, a

zona central é maciça, microcristalina, fraturada por juntas subver-

ticais de contração, dividindo a rocha em colunas. Na parte supe-

rior do derrame, aparecem vesículas e amígdalas, freqüentemente

alongadas horizontalmente, estando aí a maior porcentagem de

matéria vítrea na rocha; as amígdalas são parcial ou inteiramente

preenchidas por calcedônia, quartzo, calcita, zeólitas e nontronita,

mineral que lhes imprime cor verde. A zona basal dos derrames

apresenta aspectos semelhantes, porém em espessura e abundância

sensivelmente mais reduzidas. Tanto nas porções basais como no

topo dos grandes derrames, apresentam-se juntas horizontais, repre-

sentativas de escoamento laminar da lava no interior dos derrames

(Bagolini, 1971). Petrograficamente, os basaltos da Formação Serra

Geral são constituídos principalmente de labradorita zonada asso-

ciada a clinopiroxênios (augita e às vezes pigeonita), mostrando-se

acessoriamente titano-magnetita, apatita, quartzo e raramente oli-

vina e seus produtos de alteração. A inexistência de arenito Botu-

catu na Formação Serra Geral tem sido sugerida pela dificuldade

de se efetuar a distinção entre derrames e sills, porém Almeida &

Melo (1981) apontaram várias evidências de contemporaneidade

da sedimentação e do vulcanismo, sugerindo que a Formação

Botucatu representa os diversos subambientes de um grande

deserto climático de aridez crescente, cuja existência se prolongou

até a ocasião do vulcanismo basáltico. A fase principal da manifes-

tação magmática ocorreu entre 115 e 130 milhões de anos atrás,

conforme denotaram os resultados obtidos para amostras datadas

pelo método potássio-argônio, quase sempre em rocha total (Ama-

ral et al., 1966; Melfi, 1967). Estimativas recentes da idade do vulca-

nismo pelo método

Ar-

Ar efetuadas por Renne et al. (1992) e

Turner et al. (1994) forneceram valores entre 127 e 137 Ma, não

muito diferentes daqueles referidos anteriormente; Turner et al.

(1994) também sugeriram que a duração do vulcanismo foi de 10

milhões de anos, tendo ocorrido numa baixa taxa de 0,1 km

/ano.

Embora o volume total do material que resultou da atividade

ígnea alcalina seja muito inferior ao das rochas basálticas, o número

de centros de intrusões conhecidos na bacia do Paraná e regiões peri-

féricas chega a ultrapassar 60 (Almeida & Melo, 1981). De impor-

tância para o presente estudo, cita-se a suíte alcalina presente no

maciço de Poços de Caldas, que se situa geologicamente nos limites

da bacia do Paraná, quase inteiramente no Estado de Minas

Gerais, embora sua borda ocidental penetre em São Paulo, na

região vizinha a Águas da Prata. É uma suíte de rochas de natureza

agpaítica, com uma prolongada evolução que teria perdurado entre

80 e 63 milhões de anos (Bushee, 1971). O complexo é de forma

circular, com um diâmetro médio de 33 km, área de aproximada-

mente 800 km

, altitude entre 1.300 e 1.600 m e topografia caracte-

rizada por vales, montanhas e colinas revestidas por gramíneas

(Figura 28). O planalto é uma estrutura anelar que abrange uma

suíte de rochas alcalinas vulcânicas e plutônicas, principalmente

fonólitos e nefelina sienitos. A história evolutiva começa com um

vulcanismo principal envolvendo ankaratritos, lavas fonolíticas e

rochas vulcanoclásticas, seguido por uma subsidência da caldeira

e intrusão de nefelina sienitos formando diques anelares menores e

estruturas circulares e, finalmente, a intrusão de nefelina sienitos

portadores de eudialita (Ellert, 1959).

Cessados os derrames de lavas da Formação Serra Geral, obser-

vou-se uma tendência de soerguimento epirogênico na Plataforma

Sul-Americana em território brasileiro, onde a porção norte da

bacia do Paraná caracterizou-se por embaciamentos localizados em

relação à área da bacia como um todo, tendo o Grupo Bauru se acu-

mulado nessa área deprimida, no Cretáceo Superior (Almeida &

Melo, 1981). A sedimentação do Grupo Bauru caracterizou-se

principalmente por: arenitos finos a médios, com grãos bem arre-

dondados, coloração arroxeada, estratificações cruzadas de grande

a médio porte e ocorrência local de cimento e nódulos carbonáticos;

arenitos muito finos a médios, mal selecionados, de caráter arco-

siano, geralmente maciços, apresentando localmente cimento e

nódulos carbonáticos; arenitos finos e muito finos, podendo apre-

sentar cimentação e nódulos carbonáticos com lentes de siltitos

arenosos e argilitos ocorrendo em bancos maciços, estratificação

plano-paralela e cruzada de pequeno a médio porte; arenitos de

granulação fina a grossa, compreendendo bancos maciços com

tênues estratificações cruzadas de médio porte, presença comum

de nódulos carbonáticos; arenitos com cimento argiloso e lentes

alongadas de folhelhos; arenitos conglomeráticos limonitizados,

siltitos e conglomerados oligomíticos.

Aspectos fisiográficos, climáticos e

hidrogeológicos da bacia sedimentar do

Paraná e do maciço alcalino de Poços de Caldas

A bacia sedimentar do Paraná, pela sua grande extensão, apre-

senta diferentes tipos de clima, em virtude das variações de latitude

que abrange (cerca de 20°), das condições de relevo (altitudes de

100 até aproximadamente 1.800 m) e de fatores meteorológicos

diversos (Rebouças, 1980). O traço característico evidenciado pelo

quadro morfológico é seu delineamento em altiplanos escalonados,

pois, partindo-se de leste para oeste, transpõem-se sucessivas linhas

de escarpas representadas pelos seguintes altiplanos: Serra do Mar,

Planalto Central e Planalto Ocidental da Serra Geral.

Rebouças (1980) salienta que, em termos de hipsometria, podem

ser identificadas quatro superfícies principais: 0-200 m, 200-500 m,

500-800 m e 800-1.200 m. Esculpidas em terrenos sedimentares

sub-horizontais e de diversificada litologia, essas superfícies apre-

sentam feições típicas de seus substratos (plataformas estruturais,

perfis escalonados, testemunhos tabulares, mesas e formas afins),

permanecendo a característica de planaltos dissecados e termi-

nando em cuestas marcantes ou suavizadas. O domínio hipsomé-

trico de 500 a 800 m, na sua forma tabular elevada, condiciona a

formação da expressiva cuesta Serra Geral, correspondente aos

extensos derrames basálticos. Pertence também a essa superfície a

Depressão Periférica (Almeida, 1964), cujo relevo comporta mui-

tas variações de altitude e diversificada litologia, correspondendo à

zona de afloramento das diversas formações sedimentares que

constituem os sistemas aqüíferos confinados da bacia. No extremo

norte da área, destaca-se ainda o planalto arenítico (Grupo Bauru),

dissecado pela erosão regressiva dos rios.

No amplo domínio da bacia sedimentar do Paraná, há uma

grande variação da cobertura vegetal, que vai desde extensas áreas

de campos, intensamente utilizados para agricultura e pecuária, a

áreas cobertas por densas matas virgens ou zonas de cerrado (Rebou-

ças, 1980). Os solos da bacia são, em grande parte, férteis, bem

regados e drenados por sistema hidrológico favorável. Sob clima

predominantemente favorável, as atividades agrícolas e pastoris

atingem considerável extensão e intensidade. Com relação aos solos,

a uniformidade é marcante, pois predominam, na quase totalidade

da bacia, solos lateríticos.

A chuva constitui a forma principal das precipitações na bacia do

Paraná. Pode-se dizer que a neve, praticamente, não desempenha

papel importante na área. O granizo é observado com mais freqüên-

cia, mas é de importância local; é um fenômeno que se verifica em

pequenas partes da frente de aguaceiros, escapando, por isso, à obser-

vação nas estações meteorológicas e pluviométricas (ibidem).

Figura 28 - Mapa geológico simplificado do maciço alcalino de Poços de Caldas,

(adaptado de Schorscher & Shea, 1991).

O mapa de isoietas apresentado por Rebouças (1980) mostra

que a pluviometria média anual (1931-1960) varia de 2.400 mm a

1.000 mm. O intervalo 1.200-1.400 mm abrange, virtualmente,

todo o domínio intertropical da bacia sedimentar. Os valores supe-

riores a 1.400 mm formam figuras concêntricas, atingindo o máximo

de 2.400 mm no domínio montanhoso do Paraná e do norte de

Santa Catarina.

O sistema aqüífero mais importante da região, representando

cerca de 80% do potencial hidrogeológico da bacia do Paraná, é o

aqüífero Guarani (Botucatu-Pirambóia). Um sistema aqüífero é

definido como um conjunto formado por uma ou mais unidades

litoestratigráficas que apresentam continuidade hidráulica, carac-

terísticas hidrodinâmicas, condições de recarga, circulação e des-

carga, e de qualidade de águas relativamente semelhantes. Sob essa

ótica, Rebouças (1976) denominou de sistema aqüífero Botucatu

ao conjunto litoestratigráfico formado pelas Formações Pirambóia

e Botucatu, porém Rebouças (1994) opinou pela necessidade de

revisão do conceito, considerando-as como formando dois sistemas

aqüíferos distintos em razão de conhecimentos mais recentes sobre

os respectivos modelos deposicionais, características faciológicas,

de permeabilidade e, sobretudo, de qualidade das águas, em que se

destacam os teores de fluoreto associados aos fácies lacustres da

Formação Pirambóia (Fraga, 1992).

O Guarani é um aqüífero confinado na maior parte da sua exten-

são, sendo livre apenas nas bordas da bacia. Sua espessura aumenta

no sentido do centro da bacia, onde a superfície potenciométrica da

água apresenta características de artesianismo (os níveis d'água são

de 400 m ao norte, podendo atingir 1.000 m no sul, conforme salienta

Rebouças, 1988). As direções de fluxo das águas subterrâneas con-

vergem das bordas da bacia para o seu eixo central, por onde passa a

resultante geral do fluxo de direção sudoeste (Figura 29).

A influência do relevo é importante na caracterização das con-

dições de exploração dos aqüíferos da bacia do Paraná através de

poços. Efetivamente, os níveis d'água dos aqüíferos livres tornam-

se profundos a muito profundos no domínio dos altiplanos e serras,

enquanto podem chegar a ser subaflorantes nas zonas deprimidas

do relevo. Os aqüíferos confinados, principalmente o Guarani,

apresentam condições de artesianismo nos domínios hipsométricos

situados abaixo de 500 m, em média (Rebouças, 1976). De menor

importância, do ponto de vista de potencial de exploração, apare-

cem as zonas aqüíferas da Formação Serra Geral e Grupo Bauru

(Rebouças, 1980). Outros aqüíferos inseridos nos Grupos Paraná,

Tubarão e Passa-Dois encontram-se restritos principalmente a algu-

mas zonas no domínio dos afloramentos, tornando-se rapidamente

proibitivas as possibilidades de exploração em virtude das grandes

profundidades a que são projetadas, na medida em que se caminha

para o centro da bacia (ibidem).

Figura 29 - Representação do mapa da superfície potenciométrica do aqüífero Guarani

no Estado de São Paulo (segundo Silva 1983).

As características granulométricas dominantes da Formação

Botucatu são de arenitos bem selecionados e muito finos, o que

confere ao aqüífero Guarani propriedades hidrodinâmicas de poro-

sidade/permeabilidade intergranular, relativamente homogêneas e

isotrópicas. Os sedimentos da Formação Pirambóia, ao contrário,

foram formados em ambiente lacustre/fluvial, resultando numa

grande variedade granulométrica, predominando as misturas, em

proporções variadas, de siltitos, areias e argilas (Rebouças, 1994).

Os coeficientes de condutividade hidráulica do aqüífero Gua-

rani, determinados pelos testes de formação nos poços de prospec-

ção de petróleo, têm valores que variam entre K = 10

-3

cm/s (0,864

m/dia) e 10

-4

cm/s (0,086 m/dia) e porosidade entre 16% e 24%

(Rebouças, 1976).

Uma meia centena de testes de bombeamento de poços para

água, interpretados pelo método de Theis/Jacob, indica valores de

condutividade hidráulica K = 10

-2

cm/s (8,64 m/dia) para a For-

mação Botucatu propriamente dita, e de K = 10

-3

cm/s (0,864 m/

dia) para os sedimentos fluviais da Formação Pirambóia e correla-

tas. Os coeficientes de porosidade efetiva variam entre Sy = 10 e

20% nos seus domínios em condições de aqüífero livre, enquanto

os coeficientes de armazenamento variam entre S = 10

-3

e 10

-6

, à

medida que cresce o nível de confinamento (Rebouças, 1994).

No planalto de Poços de Caldas, a temperatura média anual cor-

responde a 19°C, refletindo a altitude, cujo valor médio é de cerca

de 1.300 m acima do nível do mar. A temperatura máxima situa-se

em torno de 36°C e a mínima ao redor de 1 °C, indicando a possi-

bilidade de que teria ocorrido geada na região durante fases climá-

ticas mais frias no passado (Amaral et al., 1985).

A meteorologia da região é caracterizada pela ocorrência de

períodos de seca e de alto índice pluviométrico. Mais de 80% da

precipitação ocorre entre outubro e março, verificando-se a pluvio-

metria máxima nos meses de dezembro e janeiro, cada um acumu-

lando cerca de 30 cm de chuva, e, durante a estiagem, a pluviometria

atinge valores de até 3 cm num mês (Lei, 1984). A precipitação

média no período de 30 anos é de 1.700 mm, embora variabilidades

anuais ocorram, como os 2.710 mm verificados no ano de 1983

(Bonotto, 1989). Amaral et al. (1985) apontaram a ocorrência de

mais de 120 dias de chuva por ano.

Em geral, os solos tendem a ser uniformes no planalto de Poços

de Caldas, graças ao intemperismo profundo; a superfície do terreno

tende a ser homogênea em caráter, sendo a vegetação típica o campo

cerrado, sobretudo, na porção sul do planalto. Também ocorrem

outras unidades de vegetação como mata, savana e agreste, porém a

prática anual de queimadas em algumas áreas deixa pouco húmus

no terreno. Os solos são predominantemente siltosos e argilosos; o

intenso intemperismo do clima tropical contribuiu para que os

solos superficiais tendam a ser uma mistura de fina textura de cao-

linita, gibbsita e limonita. A escavação do solo por insetos também

é uma atividade marcante na área, destacando-se as térmitas, cujas

colônias abandonadas são utilizadas por bioturbadores de maior

porte, que fazem uso de túneis com aproximadamente 15 cm de

diâmetro (Holmes et al., 1992).

Uma característica marcante do planalto de Poços de Caldas é a

presença de grandes falhamentos, com várias orientações, que cor-

tam indistintamente o embasamento cristalino, os sedimentos da

bacia do Paraná e o maciço alcalino. A presença de falhas e fraturas

profundas e abertas criou condições para a infiltração de águas meteó-

ricas e para a formação de águas termais em meio fissurado, cuja

composição não está relacionada a nenhuma manifestação tardia de

processos vulcânicos ou magmáticos profundos, porém é determi-

nada exclusivamente por processos de lixiviação das rochas (Cruz &

Peixoto, 1989). Assim, não se verificam aqüíferos granulares super-

ficiais de importância, ocorrendo na área do planalto de Poços de

Caldas os aqüíferos em meio fraturado. As águas subterrâneas ocor-

rem em nascentes difusas e fontes pontuais frias ou termais, estas

últimas localizadas sobretudo na depressão da cidade de Poços de

Caldas, podendo ser identificadas: uma zona aqüífera rasa, de

pequena profundidade; uma zona aqüífera intermediária e uma

zona aqüífera de circulação profunda (ibidem). Às duas primeiras

zonas, está relacionada a maior parte das fontes e águas exploradas

em poços tubulares (até 200 m de profundidade), e à última zona

estão associadas as fontes termais.

A origem das águas termais está relacionada a um extenso e

profundo sistema de fraturas abertas, do qual foram identificadas

em fotos aéreas pelo menos três direções principais: N14°E,

N50°E e E-W (ibidem). As emergências das águas termais mais

conhecidas na cidade de Poços de Caldas localizaram-se no ponto

de cruzamento ou interconexão dessas três fraturas principais. A

profundidade aparente de circulação das águas termais, estimada

com base na condutividade térmica das rochas, geotemperatura da

sílica, densidade de fluxo térmico e temperatura média anual da

superfície, é da ordem de 1.800 a 2.700 m (ibidem).

Etchebehere (1990) apresentou um modelo de sistema geoter-

mal para o planalto de Poços de Caldas, cuja configuração básica

Figura 30 - Modelo conceituai de circulação de águas subterrâneas no planalto de

Poços de Caldas (segundo Etchebehere, 1990).

Locais de coleta das amostras

Para avaliar a transferência de radônio da fase sólida para a

líquida no aqüífero Guarani, foram realizados experimentos em

laboratório envolvendo seis amostras de rochas das Formações

Botucatu e Pirambóia, coletadas na bacia do Rio Corumbataí, no

Estado de São Paulo. Uma fração pulverizada de cada amostra foi

passada em peneira de 32-60 mesh (0,25-0,50 mm), tendo sido

separada uma quantidade de 500 g, a qual foi inserida em frasco de

vidro de borossilicato de 1.000 ml, posteriormente preenchido com

água destilada à temperatura e pressão ambientes. Cada frasco foi

vedado com tampa contendo dois tubos de náilon acoplados a man-

gueiras de neoprene, mantidas seladas com pinças de Hoffmann; os

tubos foram usados para fazer conexão com o sistema de desgasei-

ficação descrito no Apêndice. Os recipientes permaneceram veda-

dos durante cerca de 40 dias, após o que se efetuou a extração do

222

Rn acumulado na água destilada pelo emprego da metodologia

utilizada na Inglaterra para as amostras de rochas e solos, conforme

descrito no Apêndice.

Para investigar o comportamento dos isótopos de urânio

234

U e

238

U, visando discutir o seu uso como traçadores naturais em con-

dições climáticas e hidrogeológicas distintas daquelas existentes

nas situações estudadas na Inglaterra, foram selecionados, para

amostragem, aqüíferos situados na bacia sedimentar do Paraná e

no maciço alcalino de Poços de Caldas. Um extenso programa de

coleta de amostras de águas subterrâneas foi realizado durante

vários anos, envolvendo, sobretudo, o aqüífero Guarani na bacia

do Paraná e fontes termais e atermais na cidade de Poços de Cal-

das. Tendo em vista a grande extensão do aqüífero Guarani e a

escassez de recursos para conduzir uma investigação abrangendo

toda a bacia sedimentar do Paraná, sua amostragem restringiu-se,

principalmente, a poços tubulares profundos perfurados em muni-

cípios localizados no Estado de São Paulo; porém, apesar disso,

graças à sua distribuição espacial, ela é representativa da tendência

geral de convergência das direções de fluxo das águas subterrâneas

para o eixo central da bacia.

A seleção dos poços perfurados no aqüífero Guarani ocorreu

por meio de visitas periódicas aos escritórios do Departamento de

Águas e Energia Elétrica do Estado de São Paulo (DAEE), em São

Paulo e Araraquara, baseando-se, sobretudo, na disponibilidade

de dados de análises químicas das águas e de dados descritivos dos

poços como altitude, profundidade, cota do topo do aqüífero, cota

do nível potenciométrico e perfil litológico. Sob esse aspecto, res-

salta-se a importância do trabalho de Silva (1983), que contribuiu

de maneira decisiva para a escolha dos locais de amostragem,

suprindo também inúmeros dados de interesse. No Quadro 21

constam os parâmetros descritivos de 61 pontos de coleta de águas

subterrâneas do aqüífero Guarani (amostras 1 a 61), onde se nota

que alguns perfis litológicos indicam que as perfurações intercep-

taram apenas a Formação Pirambóia (amostras 9, 27 e 33) e que 22

descrições não diferenciaram as Formações Botucatu e Pirambóia.

Os perfis descritivos dos poços correspondentes às amostras 36, 37

e 38 foram obtidos no escritório regional do Departamento de

Água e Esgotos de Ribeirão Preto (Daerp), em Ribeirão Preto,

enquanto para as amostras 39 e 48 foram conseguidos perante o

Serviço de Abastecimento de Água e Esgotos, respectivamente,

da Prefeitura Municipal de Sertãozinho e da Prefeitura Munici-

pal de Descalvado. A descrição do perfil do poço correspondente

à amostra 5 foi elaborada a partir de parâmetros fornecidos pelo

Sr. Edson Jacomossi, presidente do Sistema Integrado Thermas,

e a partir da secção geológica esquemática inserida em DAEE

(1979). Uma outra secção geológica publicada pelo DAEE (1976)

serviu de base para a elaboração do perfil do poço do qual se cole-

tou a amostra 16, ao passo que o perfil litológico apresentado por

Fraga (1992) descreveu o ponto de coleta da amostra 3. Em alguns

casos, optou-se pela não discriminação de Formações descritas,

apresentando-se apenas o Grupo do qual fazem parte, com o pro-

pósito de tornar o Quadro 21 mais compreensível. Algumas perfu-

rações penetraram formações geológicas subjacentes ao aqüífero

Guarani, como é o caso daquelas referentes às amostras 4, 5, 6, 13,

18, 25, 26, 27, 50 e 60.

A maioria dos poços perfurados destina-se ao abastecimento

das populações urbanas dos municípios onde se localizam, sendo a

água utilizada principalmente para consumo doméstico e indus-

trial. Em alguns casos, as características termais apresentadas pelas

águas de poços profundos permitem o seu uso em balneários, para

finalidades de recreação. Antigos poços profundos perfurados pela

Petrobras para a prospecção de petróleo são agora utilizados no for-

necimento de água, como é o caso, por exemplo, daqueles situados

em Presidente Epitácio, Três Lagoas e Lins, dos quais se coleta-

ram, respectivamente, as amostras 5, 16 e 25.

Um parâmetro extremamente útil para este estudo é a pressão

geostática (litostática) exercida por uma coluna de terreno compre-

endida desde o topo do aqüífero até a superfície do solo, conforme

definida por Castany (1982). Essa pressão, representada por P,

pode ser calculada a partir da expressão:

onde Pa corresponde à pressão atmosférica, refere-se à densidade

média do terreno, g é a aceleração da gravidade e h representa a

profundidade do topo do aqüífero.

Para estimar esse parâmetro nos poços perfurados no aqüífero

Guarani, utilizou-se o valor típico de 2,7 g/cm

da densidade dos

basaltos da Formação Serra Geral como o valor da densidade média

do terreno, por ser o aqüífero Guarani subjacente à Formação Serra

Geral, e também pelo fato de a Formação Serra Geral quase sempre

apresentar espessura muito maior que a das demais formações

superpostas. Os principais problemas que poderiam ser identifica-

dos com o emprego dessa premissa referem-se àquelas situações

nas quais a Formação Serra Geral não está sobreposta ao aqüífero

Guarani, superpondo-se, em vez dela, o Grupo Bauru ou o manto

de intemperismo, conforme indicam, por exemplo, os perfis litoló-

gicos dos poços referentes às amostras 26, 27, 30, 34, 52 e 58. Con-

tudo, como a densidade real típica dos solos é próxima de 2,7 g/

e uma vez que para arenitos um valor usual de densidade é 2,2

g/cm

(Carmichael, 1990), observa-se não ser significativa a utili-

zação nos cálculos de densidades diferentes daquela do basalto,

pois as correções pouco refletiriam nos objetivos do presente traba-

lho. Quando se utilizam unidades apropriadas, consegue-se expres-

sar o termo de pressão para o aqüífero Guarani como 0,2646h

(em bar.m

-1

); tendo em vista a diferença de altitude entre as locali-

dades onde se fez a amostragem, utilizou-se o critério descrito no

Apêndice para corrigir a pressão atmosférica Pa, a partir do seu

valor no nível do mar (1,013 bar). Assim, os valores obtidos para a

pressão geostática (em bar) nos 61 pontos de coleta de amostras de

águas subterrâneas no aqüífero Botucatu/Pirambóia estão também

representados no Quadro 21, em que se nota que a maior pressão,

correspondente a 430,4 bar, foi encontrada na perfuração da Petro-

bras em Presidente Epitácio para a prospecção de petróleo (local de

coleta da amostra 5), relacionando-se com a maior espessura da

Formação Serra Geral sobreposta (1.533 m).

Procedeu-se também à amostragem de águas subterrâneas de

poços que penetraram no Grupo Tubarão (amostras 62 a 65), três

deles localizados na cidade de Águas de São Pedro, conhecida

estância hidromineral cuja principal atividade econômica reside no

turismo relacionado com a utilização dessas águas pelo balneário

municipal. Conforme esclarecem Kimmelmann e Silva et al.

(1987), os poços denominados Gioconda, Juventude e Almeida

Salles há muito tempo têm sido erroneamente designados de "fon-

tes", quando, na realidade, trata-se de perfurações realizadas em

1936 pelo Departamento Nacional de Produção Mineral (DNPM)

num programa de prospecção de petróleo; o poço DNPM n° 55

("fonte" Juventude) é o único não-jorrante, apesar de ter ocorrido

no ano de perfuração o artesianismo de um aqüífero contido em

camada de arenito (entre 288,28 e 318,84 m de profundidade) (ibi-

dem). A amostra 65 diz respeito a um estudo sistemático de águas

utilizadas para finalidades de recreação, as quais foram coletadas

de poço tubular cujo perfil litológico está descrito no trabalho de

Bonotto & Mancini (1992).

O mapa de distribuição dos pontos de amostragem de águas

subterrâneas das Formações Botucatu/Pirambóia e Grupo Tuba-

rão está ilustrado na Figura 31, na qual se nota que, com exceção de

Três Lagoas, no Estado do Mato Grosso do Sul, Cornélio Procópio

e Londrina, no Estado do Paraná, todas as demais localidades

situam-se no Estado de São Paulo.

No maciço alcalino de Poços de Caldas, a amostragem de águas

subterrâneas foi conduzida em fontes termais e atermais bastante

conhecidas no município de Poços de Caldas, que também possui

no turismo uma importante atividade econômica. Coletaram-se

amostras das fontes termais conhecidas como Pedro Botelho,

Macacos e Quisisana Sulfurosa e atermais chamadas de Frayha,

Sinhazinha e Quisisana Ferruginosa. Na realidade, Pedro Botelho

representa um grupo hidrológico consistindo de três surgências

que foram reunidas em uma única captação assentada em conglo-

merado, a cerca de 5 m abaixo do nível atual do terreno; suas águas

abastecem o balneário Termas Antônio Carlos, inaugurado em

1931 (Etchebehere, 1990). A Fonte Macacos foi captada a uma

profundidade de 6 m abaixo do nível do balneário, localizando

tanto a sua surgência quanto a de Pedro Botelho no ponto de cruza-

mento ou interconexão do sistema de fraturas com direções N14°E,

N50°E e E-W (Cruz & Peixoto, 1989). A Fonte Quisisana Sulfu-

rosa na realidade é classificada como hipotermal, contudo, como

sua temperatura é superior à das fontes atermais, para fins de sim-

plificação no tratamento, ela será referida apenas como termal. Na

Figura 32 está ilustrada a localização das fontes amostradas no

município de Poços de Caldas.

Figura 31 - Localização dos pontos de amostragem de águas subterrâneas do aqüífero

Guarani e do Grupo Tubarão (adaptado de Silva, 1983).

Resultados das análises

As amostras de águas subterrâneas do aqüífero Guarani, do

Grupo Tubarão e do maciço alcalino de Poços de Caldas foram

submetidas à metodologia descrita no Apêndice para a mensuração

da atividade de

222

Rn, teor de urânio dissolvido e razão de atividade

(RA)

234

238

U, constando nos Quadros 22 e 23 os resultados obti-

dos. Além disso, determinaram-se no próprio local de coleta a tem-

peratura, o pH, o potencial redox e o teor de oxigênio dissolvido, de

acordo com os procedimentos apresentados no Apêndice, estando

representados nos mesmos quadros os valores medidos, bem como

os resultados das análises químicas envolvendo os principais cátions

e ânions dissolvidos. Conforme referido nos próprios quadros, a

maioria dos dados foi compilada de trabalhos ou relatórios, porém,

quando não disponíveis, sua aquisição fez-se pelo emprego de téc-

nicas convencionais como potenciometria (condutividade), titula-

ção (bicarbonato, carbonato), espectrofotometria com reagentes

específicos (cálcio, magnésio, potássio, sulfato, nitrato, sílica),

potenciometria com eletrodo seletivo a íons (cloreto, fluoreto),

espectrofotometria de absorção atômica (sódio), secagem e pesa-

gem (resíduo seco a 105°C). O Quadro 24 exibe os resultados da

transferência de

222

Rn dos arenitos das Formações Pirambóia e

Botucatu para as águas.

Quadro 24 - Resultados da transferência de

222

Rn das amostras

pulverizadas de arenito das Formações Pirambóia e Botucatu

para a água destilada equilibrada com a atmosfera

EVOLUÇÃO HIDROQUÍMICA REGIONAL

NO AQÜÍFERO GUARANI

A vasta extensão do aqüífero Guarani na bacia sedimentar do

Paraná introduz variáveis que afetam a evolução hidroquímica ao

longo das direções do fluxo subterrâneo. Ocorrem inúmeros pro-

cessos que determinam um comportamento diferenciado para os

íons maiores, implicando, por isso, mudanças nos fácies hidrogeo-

químicos. Uma vez que tais modificações afetam os mecanismos

de mobilização do radônio e dos isótopos de urânio,

234

U e

238

U e suas aplicações, será realizada, neste capítulo, uma avaliação das

principais tendências identificadas.

Relação entre a temperatura, o teor

de oxigênio dissolvido e a pressão geostática

Estudos geotérmicos realizados no aqüífero Guarani no Estado

de São Paulo indicaram uma tendência de aumento da temperatura

da água com a profundidade de confinamento do aqüífero, em razão

do grau geotérmico natural (l°C/35m). Teissedre & Barner (1981)

propuseram uma relação linear entre a temperatura (T, em °C) e a

profundidade (P, em metros) do topo do aqüífero, expressa pela

equação T = 0,0282 P + 22, tendo Silva (1983) encontrado a

mesma tendência linear a partir dos dados referentes a quase todas

as amostras analisadas neste trabalho, conforme indica sua equação

T = 0,027 P + 22,77.

Os resultados obtidos neste trabalho para a temperatura (Qua-

dro 22) foram representados em função da pressão geostática defi-

nida no capítulo anterior, estando ilustrada na Figura 33 a curva

obtida. Segundo se observa, a mesma tendência linear é novamente

encontrada (coeficiente de correlação de Pearson r igual a 0,94),

uma vez que a pressão geostática está diretamente relacionada com

a profundidade do topo do aqüífero.

Figura 33 - Relação temperatura versus pressão geostática para as amostras de águas

subterrâneas do aqüífero Guarani.

A solubilidade do oxigênio nas águas naturais depende da tem-

peratura e da quantidade de sais dissolvidos. Por exemplo, quando

se toma por base o teor de cloreto, se uma amostra a 25°C está isenta

desse ânion, a solubilidade do O

diminui de 5,77 ml/l para 4,77 ml/l

quando a temperatura aumenta para 36°C (Wedepohl, 1969);

porém, se o teor de cloreto corresponde a 2 g/l, a solubilidade dimi-

nui de 5,65 ml/l a 25°C para 4,68 ml/l a 36°C (ibidem). Uma vez

que a temperatura está diretamente relacionada com a pressão

geostática no aqüífero Guarani, como a solubilidade do oxigênio

diminui à medida que a temperatura aumenta, seria de esperar uma

correlação inversa entre o teor de oxigênio dissolvido e a pressão

geostática, o que efetivamente se verificou para os dados obtidos

neste trabalho, conforme ilustra a Figura 34(b). Embora algumas

amostras possam ter sofrido aeração durante a coleta, no geral, a

tendência de correlação inversa foi observada, tendo sido a signifi-

cância do valor obtido para r avaliada a partir da aplicação do teste t

unicaudal, isto é,

com n-2 graus de liberdade,

onde n é o número de pares de valores. Nesse teste, rejeita-se a

hipótese nula de não-correlação quando o valor calculado para t é

igual ou maior que o valor encontrado na tabela de valores

críticos de Student ) de significância, fixado em 0,05),

situação verificada para r = -0,69, correspondente à relação entre o

teor de oxigênio dissolvido e a pressão geostática em escala logarít-

mica (Figura 34(b)).

Figura 34 - Relação (a) intensidade iônica versus pressão geostática e (b) oxigênio dissolvido

versus pressão geostática para as amostras de águas subterrâneas do aqüífero Guarani.

Relação entre o pH, o potencial

redox Eh e a pressão geostática

A utilização de diagramas Eh-pH no estudo de problemas

geológicos tornou-se crescente a partir dos trabalhos de Garreis

(1959), Baas Becking et al. (1960) e Garreis & Christ (1965). Dados

termodinâmicos apropriados para muitas reações devem ser utili-

zados em condições diferentes da temperatura e pressão do estado

padrão (25°C e 1 bar), embora mudanças na pressão não introdu-

zam erros significativos nos contornos de Eh-pH calculados para 1

bar (Brookins, 1988). Considerando os resultados das análises de

amostras não usuais de águas, Krauskopf (1979) sugeriu valores de

4 e 9, respectivamente, como limite inferior e superior para o pH

das águas naturais, lembrando que nesse intervalo do diagrama

ocorrem as mais importantes reações de interesse em geoquímica.

Alguns dados de pH obtidos para as amostras de águas subterrâ-

neas do aqüífero Guarani (amostras 1, 2, 3, 4, 7, 8, 12, 13, 18, 19,

20, 22 e 25) excederam o limite superior sugerido por Krauskopf

(1979), conforme ilustra a Figura 35, porém a grande maioria real-

mente situa-se no intervalo de 4 a 9.

Os parâmetros pH e Eh refletem, respectivamente, as ativida-

des de prótons e elétrons no ambiente, contudo, como os prótons

neutralizam os elétrons, e vice-versa, ocorre que a predominância

de um tipo de carga implicará deficiência do outro. Quatro tipos de

reações químicas ocorrem nos ambientes naturais, envolvendo o

processo de neutralização, ou seja, sem a participação de prótons

ou elétrons, apenas com a participação de prótons, apenas com a

participação de elétrons e com a participação de prótons e elétrons,

este último sendo o mais comum, e, por isso, afetando tanto o pH

quanto o Eh (Baas Becking et al., 1960). Assim, segundo salientam

esses autores, uma tendência observada é que dados que possuem

baixos valores de Eh são os mais comuns em pH alto do que em pH

baixo, ao passo que altos valores de Eh são obtidos principalmente

em pH baixo; as características mais acentuadas seriam, então, de

sistemas oxidantes ácidos e redutores básicos.

Figura 35 - Diagrama Eh-pH para as amostras de águas subterrâneas da bacia sedi-

mentar do Paraná e do maciço alcalino de Poços de Caldas analisadas neste trabalho.

para as águas subterrâneas, considerando-as próximas da saturação

relativamente a CaCO

, possuindo, por isso, um pH aproximado

de 8,4; já a condição redutora ácida foi considerada típica para

águas de pântano, o que é incompatível com as amostras analisadas

neste trabalho. A condição oxidante quase neutra tornou-se evi-

denciada em praticamente quatro casos, porém os dados dos perfis

litológicos e das análises químicas (Quadros 21 e 22) não subsi-

diam a sua interpretação; Brookins (1988) atribuiu essa caracterís-

tica a águas superficiais, contudo a hipótese de que o meio basáltico

fraturado poderia possibilitar a infiltração e mistura dessas águas

também não pode ser mais bem avaliada com os dados disponíveis.

Convém ressaltar que, em decorrência do grande intervalo de varia-

ção da temperatura das águas do aqüífero Guarani, todos os valores

do potencial redox Eh foram adequadamente corrigidos de acordo

com a metodologia descrita no Apêndice, possuindo, por isso, sig-

nificado a representação dos pontos na Figura 35.

Segundo sugeriu inicialmente Silva (1983) e posteriormente

outros investigadores, vários parâmetros das águas subterrâneas do

aqüífero Guarani sofrem modificações na medida em que aumen-

tam as condições de confinamento do aqüífero durante a evolução

regional do fluxo subterrâneo. É o que ocorre com o pH, por exem-

plo, que se torna cada vez mais alcalino, de acordo com o aumento

do confinamento do aqüífero, conforme indica a representação dos

dados obtidos em função da pressão geostática, na Figura 36(b). A

crescente alcalinidade, por sua vez, pode se justificar pelo progres-

sivo aumento na concentração de sódio nas águas, na medida em

que o fluxo se dirige para a região central da bacia, conforme tam-

bém sugere a Figura 37, que ilustra os dados obtidos em função da

pressão geostática. Quanto ao potencial redox Eh, notam-se nova-

mente modificações de acordo com o grau de confinamento do

aqüífero, pois os valores da condição predominantemente redutora

tornam-se cada vez mais negativos na medida em que aumenta a

pressão geostática, isto é, existe uma correlação inversa significa-

tiva entre esses parâmetros, segundo indica a Figura 36(a). Nos três

casos, a pressão geostática foi representada em escala logarítmica.

Figura 36 - Relação (a) Eh versus pressão geostática e (b) pH versus pressão geostática

para as amostras de águas subterrâneas do aqüífero Guarani.

Relação entre os teores dos ânions dissolvidos,

a intensidade iônica e a pressão geostática

As mesmas tendências encontradas para o pH e o sódio foram

observadas para a maioria dos ânions referidos no Quadro 22, isto

é, bicarbonato + carbonato, cloreto, sulfato e fluoreto, estando

representados nas Figuras 37 e 38 os dados obtidos, novamente em

função da pressão geostática. O comportamento verificado para o

fluoreto confirma as considerações de Hem (1959) de que teores

desse ânion superiores a 1 mg/l estão em geral associados a águas

sódicas. Embora utilizando diferentes correlações, Silva (1983)

também sugeriu que o enriquecimento em sódio das águas subter-

râneas estudadas faz-se acompanhar do aumento da concentração

dos referidos ânions.

Uma outra maneira de expressar as tendências identificadas

para os referidos íons consiste em utilizar a intensidade iônica, defi-

nida como onde m; são as concentrações expressas

em moles e z

são as cargas dos íons (Faure, 1991). Os valores obti-

dos para as amostras de águas subterrâneas do aqüífero Guarani

estão representados no Quadro 25 e ilustrados em escala logarít-

mica na Figura 34(a), em função da pressão geostática. O efeito de

alguns íons inseridos no Quadro 22 não se correlacionarem com a

pressão geostática torna-se anulado pelas correlações significativas

ilustradas nas Figuras 37 e 38, resultando no valor estimado de 0,75

para o coeficiente r entre a intensidade iônica e a pressão geostática.

Figura 37 ~ Relação sódio versus pressão geostática, sulfato versus pressão geostática,

cloreto versus pressão geostática e fluoreto versus pressão geostática para as amostras

de águas subterrâneas do aqüífero Guarani.

A solubilidade da grande maioria dos minerais aumenta com a

temperatura, de maneira que as águas termais normalmente con-

têm maiores concentrações de sólidos totais dissolvidos lixiviados

das rochas do que as águas atermais, conforme também observa-

ram Leonard & Wood (1988). Os resultados obtidos para resíduo

seco e condutividade expressos no Quadro 22 também indicam

essas tendências, uma vez que o logaritmo desses parâmetros foi

correlacionado com o logaritmo da pressão geostática, fornecendo

valores significativos de r = 0,74 e r = 0,78, respectivamente, para a

correlação com o resíduo seco e com a condutividade; diagramas

ilustrativos desses dados não constam no presente estudo, uma vez

que não acrescentam mais informações do que aquele envolvendo a

intensidade iônica, representado na Figura 34(a).

Figura 38 - Relação bicarbonato + carbonato versus pressão geostática para as amostras

de águas subterrâneas do aqüífero Guarani.

Uma interpretação plausível dos processos responsáveis pelo

aumento de salinização no aqüífero Guarani em decorrência do

aumento da profundidade de confinamento da seqüência pré-vul-

cânica, Mesozóica, reside no modelo da evolução dos mecanismos

de concentração de flúor no sistema água-rocha proposto por

Fraga (1992), o qual inclui uma etapa de formação de precipitados

químicos ("crostas salinizadas") gerados a partir do processo de res-

secamento intenso que sofreu a sedimentação predominantemente

arenosa que cobriu a bacia do Paraná no Mesozóico. Segundo o

autor, duas fases caracterizaram a ocorrência desses precipitados, a

primeira correlacionável à formação do fácies de transbordamento

de canal da Formação Pirambóia, que se intensifica gradualmente

com a sedimentação lacustre, e a segunda, correspondente ao período

de transição Pirambóia/Botucatu, onde o clímax da sedimentação

eólica interrompeu ou estagnou o fluxo superficial, propiciando a

formação de corpos isolados; a atuação da temperatura como uma

variável catalisadora no processo de dissolução dos precipitados

químicos teria favorecido a presença mais acentuada de sulfato,

cloreto, fluoreto e sódio nas águas mais confinadas, conforme sali-

entou Fraga (1992).

Quadro 25 - Intensidade iônica e pressão parcial de CO

nas águas subterrâneas do aqüífero Guarani

Amostra

N°

Intensidade

iônica

(x10

-3

)

5,37

4.72

7,43

9,02

10,99

5,16

5,37

3,31

0,20

0,21

5.12

6,46

0,49

0,56

7,89

4,33

4,17

4,75

4,85

3,90

5,03

2.40

5,08

7,23

1,44

3,11

1,16

0,25

0,27

Pressão parcial

de CO

(x10

-3

atm)

0,0376

0,0195

0,0566

0,8410

0,4990

0,0660

0,0763

0,1490

93,4000

198,000

0,0901

0,0393

69,8000

63,1000

0,2350

0,4650

0,1770

0,1310

0,1440

0,3460

0,1580

34,3000

0,5390

0,0250

0,1970

0.1190

16,2000

23,7000

9,0500

Amostra

N°

Intensidade

iônica

(x10

-3

)

0,60

0,58

0,89

0,81

0,34

0,37

0,44

0,47

2.47

2,22

2,38

3,88

0,44

1,20

0,42

0,69

0,37

3,14

4,39

3,45

2,60

1,21

2,76

2,34

1,11

1,90

0,32

1,82

2.42

1.89

Pressão parcial

de CO

(xl0-³ atm)

159,0000

145,0000

73,6000

6,2300

64.2000

36.7000

55,6000

0,6750

0,2880

3,5700

3,4600

21,6000

12,8000

21.9000

30,2000

7.3900

24,3000

66,7000

20,0000

35,7000

72,0000

0,3330

27,0000

24,9000

16,8000

2,0600

10,9000

79,9000

14,0000

20,8000

Uma versão atualizada para microcomputador do programa

WATEQ originalmente proposto por Truesdell et al. (1974) (WATEQ

4F) foi utilizada para calcular o equilíbrio químico das espécies

inorgânicas relacionadas com os elementos maiores e menores dis-

solvidos nas águas do aqüífero Guarani, baseando-se nos resul-

tados analíticos apresentados no Quadro 22. O programa permite

avaliar a química das interações água-rocha, através de reações

possíveis de ocorrer em virtude da composição da água, as quais

definem se a fase líquida é subsaturada ou supersaturada em rela-

ção à fase sólida ou gás numa determinada pressão. O parâmetro

fornecido para esse propósito é o índice de saturação mineral (SI),

definido como o logaritmo da razão entre o produto da atividade do

íon considerado, IAP (constante de solubilidade utilizando as con-

centrações analíticas), e a constante de solubilidade K da reação de

dissolução de determinado mineral portador daquele íon, isto é, SI

= log (IAP/K). Se SI > 0, a solução é supersaturada, podendo ocor-

rer a precipitação do mineral considerado; contrariamente, se

SI < 0, a solução é subsaturada, podendo dissolver a fase mineral

até que a saturação seja atingida. Das 60 amostras para as quais se

utilizou o programa WATEQ 4F, obteve SI < 0 em mais de 56

casos referentes aos minerais fluorita, halita e carbonatos magne-

sita, hidromagnesita, trona, nacolita, natron, termonatrita, artinita,

huntita e nesqueonita; para os sulfatos anidrita, gipso, thenardita,

mirabilita e epsomita obteve SI < 0 nas 40 amostras para as quais se

dispõe de análises químicas (Quadro 22). Os resultados sugerem

que esses minerais solúveis poderiam estar presentes na compo-

sição dos precipitados químicos ("crostas salinizadas") propos-

tos por Fraga (1992), cuja dissolução contribuiria para justificar

muitos fácies hidrogeoquímicos observados nas águas do aqüífero

Guarani.

Sob esse aspecto, quando os resultados das análises químicas

das águas são inseridos no diagrama de Piper (1944) modificado

de maneira a incluir a presença de fluoreto, conforme ilustra a

Figura 39, constatam-se dois fácies hidrogeoquímicos principais: o

de águas bicarbonatadas cálcicas e o de águas bicarbonatadas sódi-

cas. As variações nesses tipos predominantes se verificam em razão

de peculiaridades relacionadas com a proximidade do local de

coleta em relação à área de recarga, reações químicas ocorrendo

durante as interações água-rocha ao longo das direções de fluxo

subterrâneo etc. Assim, por exemplo, nota-se que para três amos-

tras na zona de maior confinamento do aqüífero, isto é, 6, 13 e 16, o

aumento no teor de cloreto e sulfato dissolvidos alterou o caráter de

predominantemente bicarbonatado para misto. Além disso, águas

com baixo resíduo seco e condutividade, refletindo principalmente

a composição da água de chuva por denotar pouca interação com a

fase sólida, apresentam caráter misto para os cátions e ânions dis-

solvidos (amostra 11), ou caráter misto para os cátions dissolvidos

(amostras 10, 32, 46 etc). De qualquer maneira, a predominância

de bicarbonato é notória em praticamente todas as amostras selecio-

nadas, mesmo naquelas provenientes da zona mais confinada do

aqüífero.

Figura 39 - Classificação das águas subterrâneas do aqüífero Guarani segundo o dia-

grama de Piper. Teores em percentagem de mEq/1.

A pressão parcial de CO

e a

solubilidade dos carbonatos de cálcio

Uma notável exceção ao comportamento da maioria dos mine-

rais relativamente ao aumento de temperatura constitui o carbo-

nato de cálcio, cuja solubilidade diminui quando a temperatura

aumenta. Uma diminuição brusca no teor de cálcio dissolvido nas

águas subterrâneas do aqüífero Guarani em virtude do aumento da

temperatura da água foi constatada por Silva (1983). Reforçando

suas observações, cita-se neste trabalho a inexistência de correlação

entre o teor de cálcio dissolvido e a pressão geostática, denotando

que esse elemento não está sujeito à dissolução crescente acompa-

nhando o aumento da temperatura, conforme verificado para o

sódio e demais ânions referidos anteriormente. Além disso, para 16

amostras, a maioria com temperatura superior a 41 °C, obteve SI >

0 para a calcita, indicando a possibilidade de ocorrência de sua pre-

cipitação, novamente reforçando as considerações prévias; para

outros carbonatos, como a aragonita e a dolomita, o número de

amostras para as quais se obteve SI > 0 foi um pouco menor, res-

pectivamente 13 e 11.

A mudança na solubilidade dos carbonatos devida ao aumento

da temperatura ocorre principalmente em razão de o CO

tornar-

se menos solúvel quando a temperatura da água aumenta; por

exemplo, na pressão de 1 atmosfera, a solubilidade desse gás na

água passa de 88 ml/100 ml H

O a 20°C para 36 ml/100 ml H

a 60°C, ou seja, ocorre uma redução de cerca de 60% do valor a

20°C quando a temperatura sofre um incremento de 40°C (Merck,

1960). A redução na solubilidade de CO

implica uma diminuição

da pressão parcial desse gás, fator que favorece a precipitação dos

carbonatos de cálcio. O programa WATEQ 4F também efetua o

cômputo desse parâmetro, estando representados no Quadro 25

os valores obtidos; a sua representação em função da pressão

geostática (ambos em escala logarítmica) é ilustrada na Figura 40,

onde se observa nitidamente a tendência de diminuição da pressão

parcial de CO

à medida que aumenta a pressão geostática (e, con-

seqüentemente, a temperatura), confirmando, assim, a possibili-

dade de precipitação dos carbonatos de cálcio. Um aspecto

importante decorrente desse processo é a mudança do caráter cál-

cico do fácies hidrogeoquímico observado na Figura 39, passando

para sódico, naquelas situações em que o aumento progressivo do

teor de sódio dissolvido em decorrência da elevação de temperatura

não é acompanhado por um correspondente acréscimo no teor de

cálcio dissolvido.

Convém ressaltar ainda que a estimativa do índice de saturação

mineral e de pressão parcial de CO

pelo programa WATEQ 4F

requer que os dados termodinâmicos tenham sido apropriadamente

selecionados, prevendo mudanças nas constantes de equilíbrio em

decorrência de variações na temperatura. No caso específico do

aqüífero Guarani, essa previsão é fundamental, em razão das gran-

des diferenças de temperatura constatadas. Silva (1983), por exem-

plo, utilizou uma equação para avaliar a pressão parcial de CO

cuja constante de equilíbrio envolvendo a dissolução de CO

água estava definida para 25°C, a qual, ao ser utilizada para amos-

tra a 45°C, forneceu um valor igual à metade daquele obtido pelo

programa WATEQ 4F; porém, para amostra a 25°C, os resultados

obtidos foram semelhantes, indicando que o programa WATEQ 4F

realmente prevê as condições de mudança de temperatura. Quanto

a mudanças de pressão, Truesdell et al. (1974) salientam que os

seus efeitos nas constantes de equilíbrio da maioria das reações são

pequenos para valores de pressão menores que algumas centenas

de atmosferas, confirmando as sugestões de Helgeson et al. (1969)

de que abaixo de 300°C as constantes de equilíbrio das reações

sofrem poucas modificações devidas à pressão, quando o valor não

excede 500 bars. O Quadro 21 mostra que a maior pressão obtida

no aqüífero Guarani é inferior a essa, confirmando assim a aplica-

bilidade do programa WATEQ 4F para as amostras analisadas.

Radioatividade devida ao radônio dissolvido

Além dos resultados expressos no Quadro 22 para a atividade

222

Rn nas águas subterrâneas do aqüífero Guarani, mais três

amostras foram analisadas: uma proveniente de balneário situado

na cidade de Maringá (PR) (valor obtido = 3.303 pCi/1) e duas pro-

cedentes de poços tubulares profundos perfurados na cidade de

Lins (SP) (valores obtidos = 58 e 483 pCi/1). Assim, a atividade de

Rn nas amostras analisadas da porção estudada do aqüífero Gua-

rani situa-se entre 3 e 3.303 pCi/1. Na Tabela 3 consta a análise

estatística efetuada para os dados obtidos, onde se nota um ajuste

dos valores a uma distribuição log-normal, conforme pode ser

visualizado na Figura 41. Com isso, é possível obter valores de 330

pCi/1 e 1.315 pCi/1, respectivamente, para a mediana e a moda da

atividade de

222

Rn dissolvido. A CNEN (1988) estabeleceu, entre

outros parâmetros, os limites de ingestão anual para um grande

número de radionuclídeos, porém nenhum valor de referência foi

proposto para o

222

Rn, de maneira que essa legislação não pode ser

empregada na avaliação da qualidade das águas analisadas. Se os

resultados obtidos são comparados com o limite de 300 pCi/1 pro-

posto pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos

(Usepa, 1991) para águas destinadas ao consumo humano, é possí-

vel constatar que esse limite é ultrapassado para muitas amostras,

acarretando especial atenção quanto à utilização da água.

Os dados expressos nos Quadros 21 e 22 para as amostras de

águas subterrâneas do aqüífero Guarani foram correlacionados

com a atividade de radônio, e a significância do valor encontrado

para r foi avaliada a partir da aplicação do teste t unicaudal. A tem-

peratura está diretamente relacionada com a profundidade do topo

do aqüífero estudado, em virtude do grau geotérmico natural (1°C/

35 m), e, conseqüentemente, com a pressão geostática no aqüífero.

Uma vez que a solubilidade do oxigênio e do gás carbônico diminui

à medida que a temperatura aumenta, seriam esperadas correlações

inversas entre os teores desses gases e a pressão geostática, o que

efetivamente foi constatado (Figuras 34(b) e 40). Por ser um gás, a

mesma tendência de correlação inversa envolvendo o radônio seria

esperada, o que, contudo, não sugeriu o coeficiente de correlação

obtido.

Figura 40 - Relação pressão parcial de CO

versus pressão geostática para as amostras

de águas subterrâneas do aqüífero Guarani.

Tabela 3 - Avaliação estatística dos ciados obtidos para

a atividade de

222

Rn dissolvido nas amostras de águas

subterrâneas do aqüífero Guarani

Intervalo de variação

(pCi/1)

1,86-5,14

5.14-14.18

14.18-39,06

39,06-107,61

107,61-296,50

296,50-816,90

816,90-2.250,75

2.250,75-6.201,33

Atividade

média

(pCi/1)

2.74

7,55

20,80

57,31

157.90

435,05

1.198,65

3.302,56

Freqüência

percentual

(%)

1,64

6,56

16,39

26,23

40,98

8,20

Porcentagem

cumulativa

(%)

1,64

8,20

24,59

50.82

91,80

100,00

Uma interessante relação inversa entre o teor de radônio dissol-

vido e a transmissividade foi encontrada por Lawrence et al. (1991)

que verificaram que altas concentrações de radônio não estão pre-

sentes em zonas de alta transmissividade. Apesar dos poucos dados

disponíveis para a transmissividade em poços tubulares no aqüi-

fero Guarani, obteve-se um valor não significativo para o coefi-

ciente de correlação envolvendo esses parâmetros. Contudo, há

que se levar em conta nessa comparação o fato de que os fluxos são

diferentes nas duas áreas de investigação, ocorrendo em meio fra-

turado (rochas cristalinas) na área de Lawrence et al. (1991) e mos-

trando-se intergranular no aqüífero Guarani.

Coeficientes de correlação significativos ocorreram entre o teor

de radônio dissolvido e os seguintes parâmetros: sulfato, conduti-

vidade e resíduo seco. Embora vários parâmetros das águas subter-

râneas do aqüífero Guarani sofram modificações à medida que

aumentam as condições de confinamento do aqüífero durante a

evolução regional do fluxo subterrâneo, tal tendência não foi veri-

ficada para o radônio, de maneira que as correlações significativas

encontradas podem estar refletindo uma dissolução de rádio na

interface água/rocha, posterior complexação com sulfato e conse-

qüente enriquecimento de radônio na fase líquida.

Figura 41 - Atividade média de

222

Rn dissolvido versus porcentagem cumulativa para

as amostras de águas subterrâneas do aqüífero Guarani.

Com base nas equações apresentadas no Quadro 19 e assu-

mindo que os radionuclídeos na série do

238

U estão em equilíbrio

radioativo no sistema água-rocha, é possível escrever a seguinte

expressão para a produção de dados de

222

Rn nas águas:

onde: [Rn] = teor de Rn na água; [U] = teor de U na rocha

matriz; = densidade da rocha matriz; = porosidade da rocha

matriz; E = eficiência da liberação de

222

Rn.

Analogamente às estimativas efetuadas para os solos e rochas da

Inglaterra (área de Mendip Hills), é possível gerar dados de

222

nas águas do aqüífero Guarani a partir das seguintes premissas:

(1) porosidade da rocha igual a 15%, representando a média dos

valores entre 10% e 20% referidos por Rebouças (1976);

(2) densidade da rocha igual a 1,65 g/cm

, valor típico encon-

trado para amostras pouco consolidadas;

(3) [U] igual a 0,7 /g, representando a média dos valores

obtidos por Kimmelmann et al. (1995) para amostras das

Formações Botucatu e Pirambóia;

(4) as medidas em laboratório do

222

Rn liberado das rochas

variaram entre 66,6 e 598,5 pCi (Quadro 24), de maneira

que o uso da equação definida para E permite estimar valo-

res entre 0,36 e 0,84 (média de 0,63) para esse parâmetro.

Assim, quando esses dados são levados em conta, consegue-se

gerar um valor para o

222

Rn na água correspondente a 1.390 pCi/1.

Conforme se pode notar, o valor modal obtido para o teor

222

Rn nas

amostras de águas subterrâneas analisadas corresponde a 1.315 pCi/

1, muito similar ao gerado a partir dos resultados obtidos nos expe-

rimentos de transferência conduzidos em laboratório. Com isso,

constata-se que o modelo utilizado para a previsão da atividade de

radônio nas águas a partir de parâmetros determinados em laborató-

rio é adequado para interpretar a transferência desse gás no sistema

água-rocha correspondente à porção estudada do aqüífero Guarani.

POTENCIALIDADES E LIMITAÇÕES DO USO

HIDROGEOQUÍMICO DOS ISÓTOPOS

DE URÂNIO NA BACIA SEDIMENTAR

DO PARANÁ E NO MACIÇO ALCALINO

DE POÇOS DE CALDAS

O urânio no ambiente hidrológico tem sido identificado como

solúvel principalmente na forma de complexos entre o íon uranila e

os ânions comumente dissolvidos na maioria das águas oxidantes,

comportando-se de maneira relativamente insolúvel em condições

redutoras. Esse comportamento tem implicações quando se efetua

a avaliação da qualidade das águas, do ponto de vista radiológico,

bem como tem suscitado aplicações dirigidas à cronologia, à carac-

terização de proporções de águas que contribuem numa mistura,

ou à prospecção hidrogeoquímica de jazidas de urânio. Neste capí-

tulo, procede-se a uma abordagem relacionada com esses aspectos,

por meio dos resultados obtidos na análise das amostras de águas

subterrâneas da bacia sedimentar do Paraná e do maciço alcalino

de Poços de Caldas.

Mobilização de urânio nas águas

subterrâneas do aqüífero Guarani

A dissolução de urânio nas águas subterrâneas depende do

potencial redox Eh, além de outros parâmetros, sendo uma carac-

terística típica a sua mobilização pelas águas oxidantes, quando é

solúvel na valência 6+; mas, se prevalecem condições mais reduto-

ras, a solubilidade do

238

U torna-se menor, podendo esse nuclídeo

sofrer precipitação a partir da solução. Conforme se verifica na

Figura 36, as condições redutoras são dominantes no aqüífero

Guarani, aumentando progressivamente ao longo das direções de

fluxo subterrâneo, contudo, em vez de diminuir, o teor de urânio

dissolvido apresenta tendência de elevação segundo se nota na

Figura 42, a qual ilustra a correlação significativa obtida quando os

resultados do Quadro 22 são representados em função da pressão

geostática.

Figura 42 - Relação urânio versus pressão geostática para as amostras de águas subter-

râneas do aqüífero Guarani.

Uma interpretação plausível para o comportamento "anômalo"

do urânio reside na extrema facilidade com que o íon uranila forma

complexos com o carbonato, conforme constatado nos experimen-

tos de lixiviação de calcário realizados neste trabalho. Os complexos

de carbonato de uranila, por sua vez, aumentam bastante a mobi-

lidade do urânio e a solubilidade da uraninita, pois, quando a pres-

são parcial do CO

aumenta do valor típico de 10

-3,5

atm na

atmosfera para 10

-2

atm nas águas subterrâneas, a solubilidade da

uraninita sofre um acréscimo de mais de mil vezes para potenciais

redox Eh acima de -0,05 volts (Langmuir, 1978); embora a pressão

parcial do CO

no aqüífero Guarani diminua à medida que

aumenta o seu grau de confinamento (Figura 40); opostamente a

essa tendência, constata-se uma dissolução acentuada do bicarbo-

nato e do carbonato, segundo ilustra a Figura 38. Assim, espera-se

uma correlação significativa entre o teor de urânio dissolvido e o

desses ânions, caso a complexação esteja sendo favorecida, o que

efetivamente se verifica na Figura 43, ilustrativa da representação

desses parâmetros em escala logarítmica.

Figura 43 - Relação bicarbonato + carbonato versus urânio para as amostras de águas

subterrâneas do aqüífero Guarani.

Uma questão que merece ser bem discutida refere-se à possibi-

lidade de formação de complexos de carbonato de uranila nas

altas temperaturas das águas subterrâneas do aqüífero Guarani,

uma vez que nas águas naturais contendo CO

as temperaturas

acima de 25°C diminuem a estabilidade dos complexos de carbo-

nato de uranila, favorecendo a precipitação de uraninita (ibidem).

Para averiguar isso, recorreu-se ao diagrama Eh-pH para o sis-

tema U-O

-CO

-H

O, muito utilizado no estudo do transporte e

deposição de urânio em bacias sedimentares. O campo de estabili-

dade da uraninita bem cristalizada [UO

2(c)

] e uraninita amorfa

[UO

2(am)

] para a temperatura de 25°C e pressão parcial de CO, de

-2

atm típica das águas subterrâneas (pressão total de cerca de 1

bar) está ilustrado no diagrama proposto por Langmuir (1978),

representado na Figura 44(a), o qual também mostra a importância

relativa dos complexos de carbonato de uranila no pH típico das

águas subterrâneas. No mesmo diagrama, estão representados os

dados de pH e Eh que constam no Quadro 22, notando-se que a

grande maioria insere-se nos contornos estabelecidos para os com-

plexos de carbonato, dicarbonato e tricarbonato de uranila, suge-

rindo o transporte de urânio predominantemente sob esta forma.

Os casos indicando a inserção no campo de estabilidade da urani-

nita bem cristalizada não devem estar refletindo a sua precipitação,

pois, além de se opor à tendência verificada de dissolução de urâ-

nio, espera-se que ocorra inicialmente a precipitação de U(IV)

como oxi-hidróxidos relativamente amorfos em vez de uraninita

bem cristalizada (ibidem); sob essa ótica, não se constatou a inser-

ção de nenhum ponto no campo de estabilidade da UO

2(am)

, e, com a

ampliação dos contornos referentes aos complexos de carbonato,

dicarbonato e tricarbonato de uranila, sugere-se que a mobilização

do urânio predominantemente sob esta forma poderia estar ocor-

rendo em praticamente todos os casos.

O efeito da variação de temperatura pode ser avaliado num caso

extremo, para o qual se dispõe de diagrama Eh-pH para o sistema

U-O

-CO

-H

O à temperatura de 100°C e pressão total de 1 bar,

conforme elaborado por Brookins (1984). O diagrama está ilus-

trado na Figura 44(b), em que não consta o campo de estabilidade

da uraninita amorfa, por se formar a menores temperaturas,

segundo salienta Langmuir (1978); também se observa que os con-

tornos do dicarbonato de uranila se alargam, eliminando o campo

do carbonato de uranila. A inserção dos dados de pH e Eh do Qua-

dro 22 na Figura 44(b) mostra, agora, que praticamente todos estão

presentes nos contornos estabelecidos para o dicarbonato de ura-

nila, denotando, então, que a variação de temperatura afetaria ape-

nas as proporções relativas do urânio transportado como carbonato,

dicarbonato ou tricarbonato de uranila. Quanto a variações de

pressão, poucos efeitos apresentam nos contornos dos diagramas

Eh-pH para valor até 500 bar (Helgeson et al., 1969), não afetando

as amostras de águas subterrâneas do aqüífero Guarani.

Figura 44 - Inserção dos dados das amostras de águas subterrâneas do aqüífero Gua-

rani nos diagramas Eh-pH de Langmuir (1978) e Brookins (1984) para o sistema U-

-CO

-H

O (a) a 2 5°C de temperatura e 1 bar de pressão total e (b) a 100°C de tem-

peratura e 1 bar de pressão total. UO

2(c)

representa uraninita bem cristalizada e

2(am)

uraninita amorfa.

Modificações das razões isotópicas

234

238

nas águas subterrâneas do aqüífero Guarani

A razão de atividade

234

238

U nas águas subterrâneas do aqüí-

fero Guarani apresentou uma grande variabilidade, de 1 a 28, con-

forme se pode notar no Quadro 22. Correlações efetuadas entre

esse parâmetro e os demais resultados das análises químicas indica-

ram um valor significativo apenas no caso do cálcio, constando na

Figura 45 a representação dos dados obtidos. Um coeficiente de

correlação um pouco melhor seria obtido (r = 0,43) se, em vez de

utilizar todos os dados, o cálculo tivesse considerado apenas aque-

les que não indicaram a possibilidade de precipitação de carbona-

tes de cálcio (SI > 0). Assim, verifica-se uma tendência geral de

enriquecimento de

234

U nas águas à medida que aumenta a dissolu-

ção de cálcio, tendência que encontra suporte nos resultados dos

experimentos de lixiviação conduzidos em laboratório e discutidos

no Capítulo 3, embora, naquela situação, tenham sido menores os

valores obtidos para a razão isotópica

234

238

Figura 45 - Relação razão de atividade

234

238

U versus cálcio para as amostras de

águas subterrâneas do aqüífero Guarani.

Contudo, a extensão da área investigada, a possibilidade de

ocorrência de reações químicas ao longo das direções de fluxo sub-

terrâneo e a grande suscetibilidade do urânio a variações das condi-

ções redox são alguns fatores que introduzem dificuldades na

avaliação detalhada do comportamento da razão isotópica

234

238

U, visando a seu emprego no aqüífero considerado. Para exem-

plificar isso, podem ser utilizados os dois perfis esquemáticos ela-

borados por Silva (1983) e ilustrados na Figura 46.

Constata-se, inicialmente, a tendência identificada de aumento

da razão de atividade

234

238

U com o acréscimo no teor de cálcio

dissolvido para as seguintes situações:

1) Na Figura 46(a), a razão isotópica

234

238

U muda de 1,2-

1,6 nas amostras 7 e 8 para 4,6 na amostra 16, acompa-

nhando a elevação do teor de cálcio de 0,9-1,3 mg/l para

4,5 mg/l, ao longo da direção do fluxo subterrâneo.

2 ) Na Figura 46(b), a razão isotópica

234

238

U igual a 3 e o

teor de cálcio dissolvido igual a 1 mg/l na amostra 58 são

menores que os valores encontrados na mesma localidade

para a amostra 59, respectivamente, 6,3 e 14,5 mg/l.

3) Na Figura 46(b), a razão isotópica

234

238

U igual a 1,9 e o

teor de cálcio dissolvido igual a 5 mg/l na amostra 53 são

menores que os valores encontrados para a amostra 57, res-

pectivamente, 2,2 e 19,8 mg/l, os quais, por sua vez, são

menores que aqueles obtidos para a amostra 54, respecti-

vamente, 5,3 e 26 mg/l; o aumento progressivo do teor de

cálcio e o enriquecimento de

234

U não acompanham, nesse

caso, a direção do fluxo subterrâneo, afetada por falhamen-

tos, não se distanciando muito entre si os locais de coleta.

As características de potencial redox e de pH das amostras 5 e 6,

cujos locais de coleta estão ilustrados na Figura 46(b), são relativa-

mente similares. A razão isotópica

234

238

U muda de 1,6 na amos-

tra 6 para 4,3 na amostra 5, sendo acompanhada por um pequeno

acréscimo no teor de cálcio dissolvido, passando de 4,4 a 4,9 mg/l

ao longo da direção do fluxo subterrâneo, o que se poderia justifi-

car pelo fato de que a amostra 5 deve estar apresentando uma preci-

pitação mais acentuada de carbonatos de cálcio, reduzindo assim a

presença de cálcio dissolvido (o índice de saturação SI para a cal-

cita, por exemplo, confirma isso, pois para a amostra 5 ele é +0,63,

mais positivo que o da amostra 6, igual a +0,53).

Figura 46 - Secção geológica de (a) Ribeirão Preto a Três Lagoas (AA') e (b) Avaré a

Presidente Epitácio (BB') mostrando as direções de fluxo d'água no aqüífero Guarani

(adaptado de Silva, 1983).

Uma outra situação que poderia ser explicada por meio de argu-

mentos similares refere-se às amostras 40 e 41, cujos locais de coleta

estão ilustrados na Figura 46(a). Conforme se constata, a razão iso-

tópica

234

238

U aumenta de 1,2 na amostra 41 para 2,3 na amostra

40, porém o teor de cálcio dissolvido diminui de 19 mg/l na amos-

tra 41 para 16,8 mg/l na amostra 40, decréscimo que poderia ser

justificado pela ocorrência de precipitação de carbonatos de cálcio,

segundo sugerem os valores positivos de SI relativamente à calcita

e aragonita encontrados para a amostra 40 (para a amostra 41 o

valor de SI é negativo para esses carbonatos, indicando que não

está ocorrendo sua precipitação).

Para as amostras 21 e 4, cujos locais de coleta estão ilustrados,

respectivamente, nas Figuras 46(a) e 46(b), não se constatam as

tendências descritas anteriormente envolvendo a razão isotópica

234

238

U e o teor de cálcio, verificando-se, em vez disso, um com-

portamento para o urânio dissolvido relacionado com sua susceti-

bilidade a variações no potencial redox. No primeiro caso, o teor de

urânio dissolvido diminui ao longo da direção de fluxo subterrâ-

neo, passando de 1,2 g/l na amostra 41 para 0,6 g/l na amostra

21, decréscimo que é acompanhado de redução no potencial redox,

passando de +149 mV para -51 mV, porém também seguido de

elevação no valor da razão isotópica

234

238

U, a qual passa de 1,2

para 2,9. Na segunda circunstância, o teor de urânio dissolvido outra

vez diminui ao longo da direção de fluxo subterrâneo, mudando de

1,1 na amostra 53 para 0,4na amostra 4, decréscimo

novamente acompanhado de redução no potencial redox (passa de

+457 mV para -66 mV) e de aumento na razão de atividade

234

238

U (muda de 1,9 para 2,7). Esse comportamento de diminuição do

teor do urânio dissolvido e aumento da razão de atividade

234

238

U à medida que se atingem condições mais redutoras no aqüífero

tem sido muito destacado em literatura, ressaltando aplicações hidro-

geológicas para os isótopos de urânio,

234

U e

238

U, sobretudo em terre-

nos sedimentares (Cowart & Osmond, 1974, 1977; Kronfeld &

Adams, 1974; Osmond et al., 1983; Cowart, 1980).

Outra situação que exemplifica alterações no teor de urânio dis-

solvido decorrentes de variações no potencial redox constitui

aquela envolvendo as amostras 36, 37 e 38, procedentes da mesma

localidade, conforme ilustra a Figura 46(a). Os pontos de coleta

situam-se na área de recarga do aqüífero e a composição química

das amostras reflete principalmente a ocorrência de poucos proces-

sos de interação água-solo/rocha. Segundo se observa, o teor de

urânio dissolvido diminui de 0,60 na amostra 36, para 0,24

na amostra 38 e daí para 0,13 na amostra 37, decréscimo

que é também acompanhado de redução no potencial redox, o qual

passa, respectivamente, de +168 mV para +92 mV e para +31 mV,

bem como mais uma vez é seguido de elevação na razão isotópica

234

238

U (aumenta de 1,7 para 2,7 e daí para 7,5). Neste caso, as

variações do potencial de óxido-redução possivelmente relacio-

nam-se com processos envolvendo o ânion nitrato, pois o seu teor

nas amostras 36 e 38 é bastante diferente quando comparado com o

da amostra 37.

Ao se considerarem as transformações envolvendo a migração de

nitrogênio no manto de intemperismo, verifica-se que, quando o

íon amônio atinge as águas subterrâneas, pode ocorrer o processo de

nitrificação se existir quantidade suficiente dos microrganismos

Nitrosomonas (para a oxidação de amônio para nitrito) e Nitrobacter

(para a oxidação de nitrito para nitrato) (Haan & Zwerman, 1976).

Ainda, segundo os autores, a temperatura ideal para a atuação

microbiológica é de 25 a 30°C, sendo o processo favorecido se existir

oxigênio livre disponível e condições ácidas (pH entre 5 e 5,5). Ape-

sar de não constarem no Quadro 22 valores para o teor de NH

dis-

solvido, análises realizadas pelo Departamento de Água e Esgotos

de Ribeirão Preto (Daerp) forneceram valores de 0,010, 0,027 e

0,019 mg/l, respectivamente, para as amostras 36, 37 e 38, coletadas

em março de 1995. Os menores teores obtidos para as amostras 36 e

38 sugerem que poderia estar ocorrendo nitrificação a partir do íon

amônio, pois, além de existirem as condições apropriadas, o processo

diminui o pH e o teor de oxigênio dissolvido, conforme verificado

para essas amostras relativamente à 37, ainda não afetada significati-

vamente por ele; as reações de nitrificação identificadas por Szikszay

et al. (1990) foram em parte justificadas pelos argumentos apresen-

tados. Ainda, o diagrama Eh-pH para o sistema N-O-H (Brookins,

1988) mostra que o gás nitrogênio ocupa praticamente todo o campo

de estabilidade, ocorrendo o íon nitrato em condições oxidantes e

o íon amônio em condições redutoras. Assim, conforme também

salientam Edmunds et al. (1987), a formação de NH

a partir de

2(g)

somente pode ocorrer em condições altamente redutoras, isto

é, para Eh menor que -200 mV, e, uma vez que não foram constata-

dos valores dessa ordem para as amostras 36 e 38, descarta-se uma

possível proveniência de NH

a partir do gás nitrogênio dissol-

vido, sendo sua fonte provavelmente antropogênica. Embora a

questão seja de interesse do ponto de vista da qualidade das águas,

para os propósitos desta investigação as reações de nitrificação

estariam afetando as condições redox das águas e, conseqüente-

mente, o teor de urânio dissolvido e a razão isotópica

234

238

Razão isotópica

234

238

U e idade das

águas subterrâneas do aqüífero Guarani

A idade de uma massa de água subterrânea é um parâmetro

difícil de avaliar, pois a técnica analítica utilizada pode fornecer um

valor que não esteja relacionado com as mudanças geoquímicas

que ocorrem durante a sua evolução, sendo necessário, além disso,

que a amostra seja representativa da formação da qual foi coletada.

Assim, qualquer que seja a metodologia utilizada, premissas apro-

priadas devem ser obedecidas de maneira a fornecer uma interpre-

tação plausível ao valor obtido. O emprego das variações da razão

isotópica

234

238

U do urânio dissolvido para a datação de águas

subterrâneas é complicado pelo fato de que o urânio em solução

não forma um sistema quimicamente fechado, pois a dissolução ou

deposição de urânio e o crescimento de

234

U em decorrência do

recuo alfa do

234

Th na interface água/rocha podem ocorrer à

medida que a água subterrânea migra no aqüífero.

Os inúmeros experimentos de lixiviação descritos neste estudo

mostraram que o

234

U é dissolvido preferencialmente em relação ao

238

U em rochas e solos, confirmando os resultados de outras inves-

tigações, de maneira que a taxa de dissolução do

234

U é diferente

daquela do

238

U. Kigoshi (1971) também sugeriu que o recuo alfa

234

Th da superfície da rocha para a fase líquida constitui outro

importante mecanismo que enriquece as águas em

234

U. Andrews

& Kay (1978) propuseram a seguinte equação para prever a geração

de uma razão de atividade

234

238

U (RA) para o urânio dissolvido,

pela combinação dos processos de lixiviação e recuo, ocorrendo

desde t anos atrás:

onde R corresponde à distância de recuo do

234

Th na rocha matriz

(cerca de 3xl0"

cm), 0,235 é a fração de átomos de

234

Th nessa dis-

tância que pode deixar a superfície do mineral por recuo alfa e atin-

gir a solução, é a constante de decaimento do

234

U e K

e K

são as

constantes de taxa de lixiviação (cm a'

) para a dissolução de

234

U e

238

U, respectivamente.

A dissolução mais ativa de urânio ocorre em condições oxidan-

tes, as quais geralmente se verificam na zona de recarga do aqüí-

fero. Uma água subterrânea que dissolveu urânio próximo à recarga

pode sofrer mudança no teor desse elemento em razão de uma lixi-

viação adicional, ou, se o potencial de óxido-redução muda para

condições redutoras, em razão de deposição de urânio e posterior

enriquecimento em

234

por processos de recuo alfa do

234

Th.

Andrews et al. (1982) estabeleceram um modelo de evolução da

razão de atividade

234

238

U, depois que a água subterrânea pene-

tra a zona redutora caracterizada pela dominância dos processos de

recuo alfa do

234

Th, definido a partir da equação:

onde RA

e RA

são as razões de atividade

234

238

U da água sub-

terrânea, respectivamente, antes e depois de penetrar a zona redu-

tora; t é o tempo em anos transcorrido até a água atingir a zona

redutora (idade da água); p é a densidade da rocha (g/cm

); [U]

[U]

são os teores de urânio na rocha e na água subterrânea em

e respectivamente; S é a área superficial de rocha em contato

com determinado volume de água subterrânea (cm

/cm

) e os demais

parâmetros são os mesmos referidos anteriormente. O segundo

termo nessa equação representa o decaimento do excesso de

234

adquirido por lixiviação seletiva antes que a água subterrânea atin-

gisse as condições redutoras, ao passo que o terceiro termo avalia o

enriquecimento da razão de atividade

234

238

U na água subterrâ-

nea devido ao recuo alfa, depois que atingiu a zona redutora. O

valor de S relaciona-se com a área superficial específica s (cm

/g) e

com porosidade total do aqüífero pela equação sendo

sua magnitude dependente da natureza da porosidade do aqüífero,

de maneira que os valores nos aqüíferos cujo fluxo é intergranular

são maiores que aqueles nos quais o fluxo se dá predominante-

mente através das grandes fraturas.

O modelo foi aplicado com sucesso na avaliação de aqüíferos

em terrenos sedimentares e cristalinos por Andrews et al. (1982) e

Andrews & Kay (1982, 1983). As condições envolvendo o poten-

cial redox, o teor de urânio dissolvido e a razão isotópica

234

238

favorecem a sua utilização nos pontos de coleta correspondentes às

amostras 21 e 4 do aqüífero Guarani (Figura 46). Para tanto, consi-

dera-se:

(1) porosidade da rocha igual a 20%, representando valor refe-

rido por Rebouças (1976);

(2) diâmetro médio dos grãos no arenito igual a 0,164 mm,

referido por Azevedo et al. (1981), o qual possibilita estimar

a área superficial específica da rocha pela equação

onde r é o raio do grão e p é a densidade da rocha;

(3) densidade média da rocha igual a 2 g/cm

, representando a

média de amostras silicificadas e pouco

consolidadas

(4) S igual a 1.829 cm

-1

, estimado a partir dos parâmetros (1),

(2)e(3);

(5) do

234

U igual a 2,79xl0-

ano

-1

;

(6) [U]

igual a 1,58 representando a média de três valo-

res obtidos neste trabalho pela aplicação da metodologia

descrita no Apêndice e de um valor apresentado por Kim-

melmann et al. (1995);

(7) [U]

igual a 0,4 para a amostra 4 e 0,6 para a

amostra 21;

(8) RA

igual a 1,9 para a amostra 4 e 1,2 para a amostra 21;

(9) RA

igual a 2,7 para a amostra 4 e 2,9 para a amostra 21.

Quando todos esses valores são substituídos na equação pre-

vista pelo modelo isotópico de urânio, verifica-se que idades de

32.276 anos e 106.750 anos são obtidas, respectivamente, para as

amostras 4 e 21. Estudos isotópicos conduzidos no aqüífero Gua-

rani por Silva (1983) e confirmados por Kimmelmann e Silva et al.

(1989) e Kimmelmann et al. (1995) indicaram que suas águas são

originárias principalmente das infiltrações pluviométricas que

ocorrem nas áreas de afloramento do aqüífero; os resultados das

análises de obtidos por Silva (1983) dispuseram-se ao

longo da reta meteórica regional traçada a

partir de dados obtidos para amostras coletadas no ano hidrológico

1981-1982 (a relação é muito próxima da reta de águas meteóricas

mundiais apresentada por Craig (1961)). Do ponto de vista de

idade, os mesmos autores apresentaram dados relativos ao C,

alguns deles superiores ao máximo de 30 mil a 40 mil anos previsto

pela técnica, porém sem definição de valor; sob esse aspecto, cons-

tata-se que o modelo isotópico de urânio possibilitou atingir para a

amostra 21 uma datação bem mais antiga que as previstas pelo

método do

C. Os valores obtidos por Silva (1983) para as amos-

tras 4 e 21 foram, respectivamente, 18.900 anos e 8.300 anos,

menores que os determinados pela razão isotópica

234

238

Uma análise comparativa das idades encontradas pelos dois

métodos é difícil quando se levam em conta as premissas relaciona-

das com cada um deles. Por exemplo, a datação de águas através de

C prevê a realização de correções para a dissolução de carbonatos

isentos de

C e troca de

C entre o bicarbonato dissolvido e os car-

bonatos do aqüífero (Thilo & Munnich, 1970). Essas correções ou

outras sugeridas em literatura não foram realizadas por Silva

(1983), que considerou seus dados baseados na análise de

C como

idades "aparentes" no aqüífero Guarani. Já o método dos isótopos

de urânio é bastante sensível a processos de mistura mesmo em

aqüíferos onde o fluxo é predominantemente intergranular, podem

ocorrer entre a água intersticial e a procedente de sistemas cujo

fluxo se processa através de fissuras, situação que não se pode des-

cartar na área investigada.

Algumas idades elevadas foram observadas por Silva (1983) em

poços próximos à zona de afloramento do aqüífero, tendo sido atri-

buídas à compartimentação da área ou ao posicionamento nas pro-

ximidades de alinhamentos estruturais, fatores que restringiriam a

circulação das águas, tornando-a lenta. Embora idades mais anti-

gas que 0,1 M.a. tenham sido determinadas em águas subterrâneas

de formações sedimentares, somente pesquisas mais detalhadas

poderão esclarecer se o valor encontrado para a amostra 21 possui

algum significado. Os resultados obtidos pelo emprego da meto-

dologia de datação descrita expressam a primeira tentativa reali-

zada no Brasil de demonstrar a aplicabilidade da técnica, uma vez

que os dados obtidos por Gomes (1978) para idades de águas sub-

terrâneas a partir dos isótopos de urânio basearam-se na utilização

de premissas diferentes.

Mistura de águas subterrâneas

do aqüífero Guarani

A estimativa de proporções de águas subterrâneas de diferentes

procedências que contribuem numa mistura constitui uma outra

aplicação em hidrogeologia dos isótopos de urânio,

234

U e

238

U. A

modelagem foi elaborada por Osmond et al. (1968, 1974) que con-

sideraram as águas naturais como um sistema de diluição isotópica

no qual as variações da razão

234

238

U ocorreriam apenas com a adi-

ção de urânio, pela lixiviação das rochas circundantes ou da mistura

com outras águas contendo urânio; estando o urânio em solução,

sua razão de atividade não seria afetada por diluição ou precipita-

ção. Ao se misturar uma água 1 com uma água 2 para produzir uma

água T, cada uma com uma concentração C de urânio (em g/l) e

razão

234

238

U, poderiam ser escritas as seguintes relações:

onde V é o volume de água (em litros), M é a quantidade de urânio

(em microgramas), S é o inverso da concentração de urânio e A é a

razão de atividade

234

238

O rearranjo dessas expressões possibilita calcular os volumes

relativos das duas águas na mistura, ou seja:

A água resultante T possui valores de razão de atividade

234

238

U e inverso de concentração de urânio pertencentes à reta que

une os dados relativos às águas 1 e 2, conforme ilustra a Figura 47.

Quando se têm águas de diferentes procedências, caracterizadas

por distintos valores de concentração de U e razão isotópica

234

238

U, da sua mistura poderá resultar uma água cujos valores de A e

S inserem-se dentro de um triângulo formado pelos dados relativos

aos três componentes, o que também é ilustrado na Figura 47. Se

um sistema desse tipo é reconhecido, então existe uma solução

única para os volumes relativos das águas na mistura, por exemplo,

as proporções volumétricas entre a água 1 e a resultante da mistura

e entre a água 2 e a resultante da mistura são equacionadas pelas

expressões:

Um sistema com dois componentes foi investigado por Bonotto

(1994) no Morro do Ferro, Poços de Caldas (MG), e, no contexto

dos resultados obtidos neste trabalho, o modelo é aplicado para

avaliar as mudanças ocorridas no teor de urânio dissolvido em

Ribeirão Preto, onde se coletaram as amostras 36, 37 e 38. Tais

mudanças estão associadas com variações no potencial redox, pos-

sivelmente decorrentes do processo de nitrificação. Os parâmetros

necessários para isto estão representados no Quadro 26 e foram

inseridos no diagrama da Figura 48, no qual a ordenada representa

a razão isotópica

234

238

U e a abscissa o inverso da concentração

de urânio. Segundo se observa, a reta ajustada aos dados experi-

mentais possui um razoável coeficiente de correlação (r = 0,96),

permitindo considerar a água 38 como mistura das águas 36 e 37. A

proporção em volume da água 36 na mistura é de 23%, ao passo que

a da água 37 é de 77%, sugerindo que a água não afetada significati-

vamente pela nitrificação ainda é predominante no sistema de cap-

tação envolvendo os três poços.

Figura 47 - Diagrama da razão de atividade

234

238

U em função do inverso da concen-

tração de urânio, mostrando como proporções de mistura de águas subterrâneas

podem ser deduzidas (Osmond et al., 1974).

Figura 48 - Razão isotópica

234

238

U em função do inverso da concentração de urânio

para amostras de águas subterrâneas do aqüífero Guarani.

Mistura de águas subterrâneas

de aqüíferos de Poços de Caldas

A hidroquímica dos aqüíferos no maciço alcalino de Poços de

Caldas foi investigada por Cruz & Peixoto (1989) que, a partir dos

resultados representados no Quadro 23, consideraram que as águas

das fontes frias são ácidas, possuem valores de resíduo seco um

pouco maiores que os das águas superficiais, baixos teores de clo-

reto e sulfato, com predomínio de bicarbonato, e quantidades equi-

valentes de sódio e de potássio. Os autores diferenciaram as águas

procedentes dos poços tubulares com profundidades de 150 a 200 m

daquelas de circulação mais superficial, com base na elevação do

valor de resíduo seco, do pH, e dos teores de bicarbonato e sódio;

identificaram também que as águas termais, além da temperatura,

apresentaram valores ainda mais elevados de resíduo seco, pH, car-

bonatos, sódio, sulfato, sulfetos e fluoretos.

Para melhor avaliar a composição química das águas subterrâ-

neas na área, Cruz & Peixoto (1989) também realizaram experi-

mentos de lixiviação de rochas típicas do planalto de Poços de

Caldas, utilizando como soluções lixiviadoras água destilada à

temperatura ambiente, água destilada a 80°C e água carbonatada

alcalina (pH=9) a 40°C; entre as conclusões apresentadas, os auto-

res ressaltam que existe grande correspondência entre a composição

das águas subterrâneas e a das soluções utilizadas no laboratório.

Os resultados obtidos para sódio, bicarbonato, sulfato, cloreto e

fluoreto dissolvido foram representados em função do tempo de

lixiviação (em escala logarítmica), porém, se valores cumulativos

tivessem sido expressos relativamente ao tempo em escala linear,

provavelmente os aspectos das curvas seriam semelhantes aos

apresentados neste trabalho.

Os resultados das análises das águas das fontes termais e ater-

mais de Poços de Caldas representados no Quadro 23 indicam que

elas são redutoras; as amostras 1A e 3A tendem a ser redutoras áci-

das enquanto as demais são redutoras básicas. Etchebehere (1990)

lançou os dados de pH e Eh das águas redutoras básicas obtidos

por Cruz (1987) num diagrama Eh-pH para o sistema S-O-H a

25°C de temperatura e 1 atm de pressão total, inserindo todos eles

no campo de estabilidade do SO

, que é a espécie estável de enxo-

fre dominante nas águas superficiais sujeitas a boa aeração, embora

se constate a tendência de a amostra 2T enquadrar-se nos contor-

nos definidos para o HS

dissolvido, que se torna predominante em

condições bastante redutoras.

Os teores típicos de sulfeto e ferro dissolvidos nas águas termais

de Poços de Caldas variam, respectivamente, de 1,6 a 2,7 mg/l e de

0,07 a 0,1 mg/l (Cruz & Peixoto, 1989); mesmo assumindo que os

teores de Fe total correspondam a Fe

, quando os valores obtidos

são inseridos nos diagramas de atividade elaborados por Helgeson

et al. (1969) envolvendo o equilíbrio químico entre o sistema FeS —

S - H

, e a água, a 1 atm de pressão e temperaturas de 25°C e

100°C, verifica-se que as variações de temperatura dessa ordem

não alteram significativamente o posicionamento dos dados, isto é,

eles se inserem no mesmo campo de estabilidade. Assim, é possível

também representar os dados de pH e Eh obtidos para as águas de

Poços de Caldas no diagrama Eh-pH a 25°C de temperatura e 1

atm de pressão, mesmo nos casos em que a temperatura atingiu

45°C, o que está ilustrado na Figura 49. Segundo se observa, a

pirita e a hematita coexistem com o sulfato dissolvido, e, como a

amostra 2T posicionou-se dentro do contorno definido para a

pirita, uma questão importante é a possibilidade de geração do sul-

fato a partir da oxidação de pirita, pela seguinte reação (Krauskopf

& Bird, 1995):

Figura 49 - Inserção dos dados das amostras de águas subterrâneas de Poços de Caldas

(MG) no diagrama Eh-pH de Faure (1991) para óxidos e sulfetos de Fe na presença

de água, a 25°C de temperatura e S = 0,1 M. As linhas tracejadas indicam as condi-

ções nas quais as diferentes espécies de S se tornam dominantes.

Uma vez que os maiores teores de sulfato são encontrados jus-

tamente para as águas bastante alcalinas e que a reação de oxidação

de pirita caracteriza-se principalmente pela redução do pH nas

soluções em contato com o mineral, é pouco provável que seja esse

o mecanismo responsável pela produção desse ânion. Os índices de

saturação mineral SI avaliados para essas amostras por meio do

programa WATEQ 4F reforçam isso, pois, em todos os casos, obti-

veram-se valores negativos relativamente aos sulfatos anidrita, gipso,

thenardita, mirabilita e epsomita, que sugerem a possibilidade de sua

dissolução.

Os fácies hidrogeoquímicos das águas estudadas não são iguais,

conforme se pode notar na Figura 50: Quisisana Ferruginosa é clo-

retada sódica, Frayha é bicarbonatada cálcica e as demais são bicar-

bonatadas sódicas. Em nenhum caso, porém, os teores dos cátions

e ânions enquadraram-se nos contornos estabelecidos para águas

mistas. Quando os resultados das análises químicas do Quadro 23

são representados em função do teor de urânio dissolvido, conforme

ilustram as Figuras 51 e 52, a seguinte tendência é verificada: as fon-

tes atermais Frayha e Quisisana Ferruginosa apresentam teores de

urânio, fluoreto, sódio, sulfato e bicarbonato + carbonato, bem

como valores de pH, potencial redox Eh, intensidade iônica (dados

no Quadro 25) e pressão parcial de CO

(dados no Quadro 25), que

permitem que sejam reunidas num grupo distinto em relação ao

das demais águas. Quando se considera a temperatura (Figura 52(b)),

verifica-se que a fonte Sinhazinha deveria ser enquadrada no grupo

das fontes atermais Frayha e Quisisana Ferruginosa, ao passo que

os demais parâmetros denotam o seu posicionamento no outro

grupo. Esse aspecto implica a possibilidade de essa água estar se

misturando com outras em seu trajeto até a surgência, o que tam-

bém é sugerido pela razão isotópica

234

238

U e pelo teor de urânio

dissolvido, conforme ilustra a Figura 52(b).

Dessa forma, novamente o modelo isotópico do urânio dissol-

vido pode ser utilizado na avaliação de um possível processo de

mistura envolvendo a fonte Sinhazinha. Para isso, os resultados

representados no Quadro 26 foram inseridos no diagrama ilustrado

na Figura 53, onde a ordenada representa a razão isotópica

234

238

U e a abscissa o inverso da concentração de urânio. Segundo se

observa, como a concentração de urânio é praticamente a mesma

para as amostras 1A e 3A, estimou-se uma razão isotópica

234

238

U de 1,4 para representá-las e um valor de 2,5 para representar a

razão isotópica

234

238

U média das amostras 1T e 2T. Por estes

dois valores médios e também pelos dados correspondentes à

amostra 3T, traçou-se o triângulo ilustrado na Figura 53, onde se

nota que a fonte Sinhazinha insere-se no interior do triângulo. Assim,

é possível calcular em que proporções as outras águas estariam

contribuindo na mistura que forma a água dessa fonte. De acordo

com o modelo, a fonte Sinhazinha, que é atermal, estaria recebendo

as seguintes contribuições: 23% das águas das fontes frias, de cir-

culação mais superficial; 68% das águas hipertermais, de circulação

profunda, e 9% da água hipotermal (Quisisana Sulfurosa), pro-

vavelmente circulando a profundidades intermediárias. Portanto, a

modelagem é promissora para interpretar as principais característi-

cas observadas nas águas subterrâneas de Poços de Caldas analisa-

das neste trabalho.

Figura 50 - Resultados das análises químicas das amostras de águas subterrâneas de

Poços de Caldas (MG) inseridos em diagrama parcial de Piper.

Figura 51 — Relação sódio, intensidade iônica, pressão parcial de CO

, bicarbonato +

carbonato, sulfato e fluoreto versus urânio para as amostras de águas subterrâneas de

Poços de Caldas (MG).

Figura 52 - Relação (a) pH e Eh versus urânio e (b) razão de atividade

234

238

U e tem-

peratura versus urânio para as amostras de águas subterrâneas de Poços de Caldas

(MG).

Figura 53 - Razão isotópica

23,4

238

U em função do inverso da concentração de urânio

para amostras de águas subterrâneas de Poços de Caldas (MG).

Enriquecimento de

234

U nas águas

subterrâneas do aqüífero Guarani

Um aspecto que chama a atenção relativamente às razões de ati-

vidade

234

238

U determinadas nas águas subterrâneas do aqüífero

Guarani e representadas no Quadro 22 constitui o elevado valor de

27,9 encontrado para a amostra 50, o maior registrado até o

momento em estudos envolvendo aqüíferos do Brasil. Razões iso-

tópicas dessa magnitude haviam sido obtidas por Gilkeson &

Cowart (1982) ao investigarem sistema aqüífero cambriano/ordo-

viciano no nordeste de Illinois, Estados Unidos, porém Siegel

(1989) referiu-se a um valor extraordinariamente alto de 100 numa

amostra de água proveniente de um poço de 800 m de profundi-

dade perfurado no extremo leste de Iowa. O aqüífero interceptado

foi o arenito Mount Simon, que é conglomerático, apresenta origem

marinha e possui granulação fina a grossa; essa unidade geológica

repousa sobre um embasamento pré-cambriano complexo consis-

tindo de rochas ígneas cristalinas e metamórficas, dispondo-se

sobre ela a Formação Eau Claire, representada por folhelho, are-

nito dolomítico, siltito e dolomita, que atuam como uma unidade

confinante regional. Embora especificamente para essa amostra

Siegel (1989) não tenha apresentado dados de análises químicas, as

águas de outros poços perfurados no mesmo aqüífero e localizados

na sua proximidade apresentaram valores típicos para os ânions

predominantes correspondentes a 245 mg/l, 52 mg/l e 45 mg/l,

respectivamente, para bicarbonato, sulfato e cloreto, caracteri-

zando o fácies hidrogeoquímico HCO

— Na

Visando encontrar razões isotópicas

234

238

U maiores que a

determinada para a amostra 50, uma vez que essa água é essencial-

mente bicarbonatada cálcica, que os fácies hidrogeoquímicos

HCO

- Na

no aqüífero Guarani não apresentaram valores tão

elevados para a razão de atividade

234

238

U quanto 27,9 e que nas

suas áreas de grande confinamento foram identificadas águas do

tipo Cl-SO

-Na

, conforme referido por Fraga (1992), efetua-

ram-se análises de amostras de águas subterrâneas do Grupo

Tubarão no município de Águas de São Pedro (SP). Os estudos

prévios de Bonotto & Mancini (1992) para a amostra 65 nessa lito-

logia haviam estabelecido o fácies hidrogeoquímico HCO

" - Na

além de ela exibir teor de sódio dissolvido similar ao da água no

arenito Mount Simon, cuja razão isotópica

234

238

U medida por

Siegel (1989) é 100; contudo, conforme mostra o Quadro 22, o

valor encontrado de 3,7 para essa razão é semelhante a outros

determinados no aqüífero Guarani, muito abaixo daquele corres-

pondente ao da amostra 50. Dessa forma, além da proximidade e

das facilidades existentes em Águas de São Pedro para a coleta das

amostras 62, 63 e 64, os trabalhos de Szikszay & Teissedre (1981) e

Kimmelmann e Silva et al. (1987) mostraram que essas águas são

cloretadas sódicas e meteóricas, quanto à origem, o que pode forne-

cer alguma analogia com águas de áreas muito confinadas do aqüí-

fero Guarani.

Os resultados das análises das amostras 62, 63, 64 e 65 repre-

sentados no Quadro 22 indicam que essas águas são redutoras

(Figura 54); o fácies hidrogeoquímico CI- Na

foi confirmado

neste estudo (Figura 55), verificando-se, também, que os elevados

teores de fluoreto (maiores que os das águas do aqüífero Guarani)

acompanham os altos valores de sódio dissolvido (igualmente

superiores aos das águas do aqüífero Guarani). Apesar destas

características, também denotadas pelos elevados valores de resí-

duo seco, em nenhum caso ocorre razão isotópica

234

238

U supe-

rior a 4,8, bem abaixo do valor encontrado para a amostra 50 do

aqüífero Guarani.

Siegel (1989) sugeriu que os extremos desequilíbrios encontra-

dos para o

234

U relativamente ao

238

U poderiam estar relacionados

com a afluência de urânio enriquecido em

234

U, proveniente de

materiais de fina granulação, o que teria ocorrido durante o empla-

cement de fluidos glaciais no Pleistoceno; a água subterrânea já

enriquecida em

234

U poderia se tornar ainda mais enriquecida gra-

ças à precipitação de urânio na zona redutora, depois de ter deixado

a zona de recarga. O próprio autor aponta a necessidade de investi-

gações adicionais para avaliar melhor sua hipótese, sendo imprová-

vel que um mecanismo similar possa justificar o valor de 27,9 para

a razão de atividade

234

238

U na amostra 50 do aqüífero Guarani.

A interpretação mais plausível reside na relação entre essa razão e o

teor de cálcio dissolvido, uma vez que, coincidentemente, o teor

deste cátion na amostra 50 também é elevado, constituindo o maior

valor registrado no Quadro 22.

Mistura de águas subterrâneas

do aqüífero Tubarão

O teor de urânio dissolvido nas amostras de águas subterrâneas

do Grupo Tubarão referidas nos Quadros 21 e 22 variou de 0,01 a

0,34 g/l, ao passo que o de radônio dissolvido variou de 202 a

1.712 pCi/1. Os maiores valores para urânio e radônio dissolvidos

foram obtidos para as águas de Gioconda (amostra 62) e Juventude

(amostra 63). Assumindo um diâmetro de cada poço correspon-

dente a 25 cm e levando em conta a espessura do Grupo Tubarão

em Gioconda (350 m), Juventude (229 m), Almeida Salles (122 m)

e Rio Claro (119 m), é possível estimar, respectivamente, 279 m

183 m

, 97 m

e 95 m

como a área das rochas do Grupo Tubarão

interceptadas pelas perfurações. Portanto, as maiores áreas deno-

tam mais acentuada distribuição superficial de radioelementos nas

rochas, o que favoreceria sua liberação para a fase líquida durante

as interações água-rocha que ocorrem no aqüífero.

Figura 54 - Representação em diagrama Eh-pH dos dados obtidos para as amostras de

águas subterrâneas do Grupo Tubarão.

Figura 55 - Representação em diagrama parcial de Piper (1944) dos dados obtidos para

as amostras de águas subterrâneas do Grupo Tubarão.

Relativamente ao radônio dissolvido nas águas, a Resolução n° 25

do Ministério da Saúde (Portaria n° 1.003, publicada em 13 de

agosto de 1976) para águas minerais estabeleceu que águas fraca-

mente radioativas possuem valores entre 5 e 10 UM (UM = Uni-

dade Mache, isto é, 1.000 pCi/1 = 2,75 UM). Quando se efetua a

apropriada conversão dos dados para as amostras 62 a 65 de águas

subterrâneas do Grupo Tubarão (Quadro 22), obtém-se valores

entre 0,56 e 4,71 UM para o radônio dissolvido, os quais sugerem

que as águas analisadas sejam classificadas como não-radioativas.

As águas subterrâneas do Grupo Tubarão coletadas em Águas

de São Pedro que exibem o fácies hidrogeoquímico Cl- Na

(Figura 55) podem ser separadas em três tipos, de acordo com os

baixos, intermediários e elevados teores de Na e Cl. Se os valores

intermediários são atribuídos à mistura de águas possuindo baixos

e elevados valores, as equações de balanço de massa envolvendo

esses elementos como indicadores químicos permitem determinar

que na mistura um valor fracionário de 0,6-0,7 corresponde à con-

tribuição das águas caracterizadas pelos elevados teores. Uma vez

que a fácies hidrogeoquímica HCO

- Na

também ocorre para

águas subterrâneas do Grupo Tubarão (Figura 55), é conveniente

incluir todos os dados obtidos na modelagem. Nessa circunstância,

obtém-se um triângulo definindo a possibilidade de mistura de três

águas, inserindo-se a água resultante no interior desse triângulo.

Assim, processos de mistura envolvendo águas de composição

similar à das amostras 62, 63 e 65 produziriam uma água de com-

posição equivalente à da amostra 64, com os volumes relativos às

amostras 62 e 63 correspondendo, respectivamente, a 20% e 80%,

ao passo que seria desprezível (0%) a contribuição da amostra 65

(fácies hidrogeoquímico HCO

- Na

) na composição da mistura

(amostra 64). Esse balanço de massa empregando Na e Cl como

indicadores químicos é compatível com a hidroquímica verificada

para as amostras 62 a 65 (Figura 55).

Os valores distintos de concentração de U e razão isotópica

234

238

U obtidos para águas subterrâneas do Grupo Tubarão

também permitem construir um triângulo com os dados relativos a

três componentes, inserindo-se em seu interior a água resultante,

conforme ilustrado na Figura 56. De acordo com o modelo isotó-

pico do urânio dissolvido, águas de composição similar à das amos-

tras 62, 63 e 65 produziriam água de composição equivalente à da

amostra 64, com os volumes relativos às amostras 62, 63 e 65 corres-

pondendo, respectivamente, a 1,4%, 4% e 94,6%. Esse balanço de

massa indica uma contribuição significante da amostra 65 (fácies

hidrogeoquímico HCO

- Na

) na composição da mistura (amos-

tra 64). Isto se deve à similaridade/pouca diferença nos valores da

razão de atividade

234

238

U e do teor de urânio dissolvido deter-

minados nas amostras analisadas. Uma vez que o caráter aniônico

dominante na amostra 64 difere grandemente daquele na amostra

65, na situação investigada não pode ser considerada aplicável a

modelagem relativa aos isótopos de urânio

234

U e

238

U. Embora um

outro triângulo envolvendo os dados de pH e Eh também possa ser

construído para as mesmas amostras (Figura 54), o seu significado

na avaliação dos processos de mistura não está totalmente esclare-

cido, pois é necessário levar em conta a presença de outros elemen-

tos sensíveis a reações de óxido-redução, os quais são transferidos

para a fase líquida durante as interações água-rocha ocorrendo no

aqüífero Tubarão.

Figura 56 - Representação dos dados obtidos para as amostras de águas subterrâneas

do Grupo Tubarão em diagrama da razão de atividade

234

23S

U versus inverso da

concentração de U.

Qualidade das águas e prospecção

hidrogeoquímica de jazidas de urânio

A despeito de o urânio ser um elemento importante do ponto de

vista econômico, sua presença no ambiente hídrico tem implica-

ções radiológicas, em razão de sua mobilidade nas águas e de

alguns de seus nuclídeos filhos, por exemplo, o

226

Ra, que apre-

senta um alto grau de radiotoxicidade, grande tendência de fixar-se

nos ossos, longa meia-vida de 1.622 anos e grande potencial de pro-

duzir dano biológico por ser emissor alfa. Existem vários padrões

nacionais para limitar a exposição ao

226

Ra nas águas potáveis. A

máxima concentração permitida nas águas, sugerida pela Organi-

zação Mundial de Saúde, é de 10 pCi/1 (WHO, 1972). O critério

empregado no Brasil baseia-se na Portaria n° 36, de 19 de janeiro

de 1990, do Ministério da Saúde, a qual estabelece o valor de refe-

rência de 0,1 Bq/1 (cerca de 2,7 pCi/1) para a radioatividade alfa

total e de 1 Bq/1 para a atividade beta total. A identificação dos

radionuclídeos presentes e a medida de suas concentrações são pre-

vistas quando os valores encontrados excedem os de referência,

situação na qual devem ser aplicados os critérios estabelecidos pelo

CNEN (1988) para se concluir sobre a potabilidade da água. Para o

238

U e o

234

U, os limites de ingestão anual envolvendo os compostos

inorgânicos de urânio solúveis em água correspondem, respectiva-

mente, a 5x10

e 4xl0

Bq.

Muitas águas analisadas neste trabalho e referidas nos Quadros

22 e 23 são utilizadas para fins de consumo, de maneira que esse

padrão pode ser empregado para avaliar sua potabilidade relativa-

mente aos isótopos de urânio

238

U e

234

U. O maior teor de urânio

dissolvido corresponde a 4,82 g/l, determinado para a amostra 57

de água subterrânea do aqüífero Guarani; assumindo uma ingestão

diária média de dois litros de água por indivíduo e efetuando-se a

apropriada conversão de unidade, obtém-se para essa amostra uma

ingestão anual de

238

U igual a 44 Bq e de

234

U igual a 96 Bq.

Quando a estimativa é efetuada para a amostra 50 de água subter-

rânea do aqüífero Guarani, para a qual se mensurou a maior razão

isotópica

234

238

U, os valores correspondem a 1,4 Bq e 38 Bq, res-

pectivamente, para o

238

U e o

234

U. Dessa forma, constatou-se que

as atividades obtidas para as águas estudadas são consideravel-

mente inferiores às máximas permitidas, denotando sua potabili-

dade relativamente aos isótopos de urânio.

O teor de urânio dissolvido e a razão isotópica

234

348

U tam-

bém foram empregados na elaboração de modelos direcionados à

prospecção hidrogeoquímica de depósitos de urânio. Cowart &

Osmond (1980) classificaram bidimensionalmente os sistemas de

águas subterrâneas de acordo com esses parâmetros, para os quais

estabeleceram os contornos ilustrados na Figura 57. A terminolo-

gia acumulação refere-se a um teor de urânio na rocha do aqüífero

superior ao valor normal. Entre 1 e 10 ppb, situam-se os teores de

urânio dissolvido característicos de aqüíferos oxidantes, nos quais

as águas lixiviam estratos portadores de concentrações médias de

minerais uraníferos. Acima de 10 ppb, situam-se os altos teores de

urânio dissolvido, relacionados à presença de elevado conteúdo

desse elemento nos estratos do aqüífero. Abaixo de 1 ppb, situam-

se os baixos teores de urânio dissolvido, indicativos de condições

redutoras ou de estratos contendo baixas concentrações do ele-

mento. A razão

234

238

U = 0 denota a ocorrência de

234

U abaixo

dos limites de detecção. Entre 1 e 2, situam-se as razões

234

238

normais, obtidas pela maioria dos pesquisadores. Abaixo de 1,

situam-se as baixas razões

234

238

U, anormais nas águas subterrâ-

neas, devidas ao efeito do recuo alfa e explicáveis a partir da remo-

bilização da acumulação na escala de tempo de 10

anos (acumulação

em dispersão). Acima de 2, situam-se as altas razões

234

238

U ori-

ginadas pela introdução de átomos de

234

U em solução graças ao pro-

cesso de recuo alfa, ocorrendo provavelmente onde o teor de urânio

dissolvido na água diminui concomitantemente com o aumento de

sua concentração no estrato hospedeiro (acumulação em formação).

No caso da ocorrência de deposição de urânio nos estratos situados

em zona redutora, em virtude do baixo teor de urânio dissolvido

nas águas, há um aumento de probabilidade de obtenção de altas

razões

234

238

U por tornar-se significativa a adição de

234

U à água

pelo recuo alfa, mesmo sendo normais as concentrações dos mine-

rais uraníferos nos estratos. A situação é designada de "subjacente

à acumulação em formação" e a diagonal representada no diagrama

visa aproximar esse fator.

A utilização do modelo no Brasil foi efetuada por Bonotto (1989),

que sugeriu que a classificação "normal oxidante" seria mais apro-

priada para representar o sistema aqüífero no Morro do Ferro,

Poços de Caldas (MG), em vez da classificação "normal redutora",

indicada pelo modelo de Cowart & Osmond (1980). Numa outra

situação, Bonotto & Silveira (1993) apontaram que o modelo

encontrou aplicabilidade na avaliação de aqüíferos em Águas de

Lindóia (SP), onde a classificação "normal redutor" foi atribuída

ao sistema hídrico estudado.

Os teores de urânio dissolvido e as razões isotópicas

234

238

representados nos Quadros 22 e 23, foram inseridos no diagrama

da Figura 57 para caracterizar a potencialidade de utilização do

modelo nos aqüíferos estudados neste trabalho. O primeiro aspecto

que chama a atenção é o de que as águas não teriam circulado através

de litologias portadoras de elevado conteúdo de urânio, que denota-

riam acumulações desse elemento, pois, em nenhum caso, obteve-se

teor de urânio dissolvido superior a 10 g/l. Os teores típicos de urâ-

nio entre 0,88 e 2,94 g/g determinados neste trabalho para amos-

tras do arenito Botucatu confirmam isto. No caso do maciço

alcalino de Poços de Caldas, apesar da conhecida acumulação de

urânio na mina Osamu Utsumi, as principais rochas alcalinas que

afloram na área apresentam teores de U menores que 12 g/g

(Schorscher & Shea, 1991), que não são típicos da mineralização

desse elemento. Um outro aspecto verificado é que não se encontrou

nenhuma razão isotópica

234

238

U anormal, isto é, menor que 1.

As águas subterrâneas das fontes termais e atermais de Poços de

Caldas inserem-se no campo "normal redutor", sendo o caráter

redutor também evidenciado pelos dados de Eh e pH. As águas

subterrâneas procedentes de poços perfurados no Grupo Tubarão

apresentam caráter redutor de acordo com o diagrama Eh-pH,

porém o seu enquadramento na Figura 57 indica isso apenas para

as amostras 63, 64 e 65, não existindo evidências de ocorrência de

deposição de urânio em condições oxidantes, conforme sugerido

pelo modelo para a amostra 62. Águas subterrâneas do aqüífero

Guarani com características tipicamente oxidantes como as amos-

tras 35,51,53e55 tendem a se enquadrar nos campos que definem

os processos oxidantes, contudo, como muitas amostras possuem

características redox intermediárias, verifica-se que a disposição

dos pontos não se concentra num campo específico, ocorrendo, em

vez disso, um posicionamento bastante disperso dentro de todos os

contornos estabelecidos. Além desse fator, outros podem ser apon-

tados como responsáveis pela disposição observada para os dados

das águas do aqüífero Guarani, por exemplo, o enriquecimento de

234

U na fase líquida por aumento na dissolução de cálcio e não por

processo de recuo alfa ou por mudanças nos potenciais redox

decorrentes de reações químicas provavelmente causadas por pro-

cessos antropogênicos. Um caso relacionado com essa última situa-

ção refere-se àquele envolvendo a amostra 37, pois o modelo sugere

que estaria ocorrendo deposição de urânio em zona redutora,

porém as considerações efetuadas são favoráveis à existência de

processos de mistura.

Uma situação típica envolvendo diminuição do teor de urânio

dissolvido e aumento na razão de atividade

234

238

U relacionados

com mudança no potencial redox foi discutida para as amostras 4 e

21, inserindo-se os seus dados no campo IV do modelo de Cowart

& Osmond (1980), justamente onde seria esperado. Porém, a

Figura 44 sugere que não estaria ocorrendo deposição de urânio

como uraninita amorfa, estando tal processo, no caso da amostra 4,

provavelmente relacionado com a precipitação de carbonato de cál-

cio (o índice de saturação mineral SI determinado para a calcita

nessa amostra é positivo). Para a amostra 21, entretanto, não exis-

tem evidências adicionais à do comportamento hidrogeoquímico

dos isótopos de urânio para justificar a sua deposição, indicando,

talvez, que poderiam estar ocorrendo processos de mistura, de lixi-

viação de urânio dos sedimentos transportados pela água, ou,

então, de reações químicas de troca entre a solução e a rocha matriz

do aqüífero; nesse caso, a obtenção da elevada idade obtida para

essa amostra se explicaria com base no uso do método isotópico do

urânio dissolvido. De qualquer forma, constata-se que algumas situa-

ções são previstas pelo modelo e outras não, de maneira que é conve-

niente utilizá-lo com cautela nos programas de exploração de urânio,

em decorrência da grande complexidade dos sistemas naturais.

Figura 57 - Relação urânio versus razão de atividade

234

238

U para as amostras de

águas subterrâneas analisadas neste trabalho.

CONCLUSÕES

Este estudo permitiu avaliar o comportamento geoquímico dos

isótopos de urânio

238

U e

234

U sob condições controladas no labora-

tório e em sistemas naturais representando situações variadas do

ponto de vista climático e hidrogeológico, isto é, na área cárstica de

Mendip Hills e do granito Carnmenellis, na Inglaterra, e na bacia

sedimentar do Paraná e no maciço alcalino de Poços de Caldas, no

Brasil.

Os experimentos de lixiviação com diferentes soluções de amos-

tras de calcário, dolomita e granito de Mendip Hills e da Cornuália,

na Inglaterra, indicaram que as curvas cumulativas de dissolução

de cálcio, magnésio, sódio, potássio e urânio apresentam o aspecto

parabólico e/ou linear, caracterizando, no primeiro caso, uma rea-

ção de primeira ordem, na qual a taxa de dissolução diminui com o

tempo, e, no segundo, uma reação de ordem zero, na qual a taxa de

lixiviação permanece constante com o tempo, confirmando uma

tendência encontrada por outros investigadores em situações envol-

vendo diferentes rochas e soluções. Os resultados encontrados na

lixiviação de calcário e dolomito na escala de tempo de cerca de 200

dias mostraram que a quantidade de urânio dissolvida correla-

ciona-se diretamente com a de cálcio e magnésio dissolvidas, tor-

nando-se linearmente relacionadas naqueles processos verdadeira-

mente dominados por reação de ordem zero; nessas rochas, o

urânio e o magnésio foram preferencialmente dissolvidos em rela-

ção ao cálcio quando a solução era pouco agressiva, diminuindo a

preferência de lixiviação nos casos em que as soluções se tornaram

menos brandas. Isso implica que, para um processo de lixiviação

superficial de ordem zero, todas as espécies químicas presentes são

liberadas na mesma proporção em que ocorrem na matriz sólida,

na medida em que se acentua a erosão da superfície. O urânio tam-

bém é preferencialmente lixiviado em relação ao magnésio presente

no calcário, e o experimento realizado com água destilada saturada

com CO, demonstrou a possibilidade de sua complexação como

espécies de carbonato de uranila, em decorrência do elevado valor

encontrado para a razão molar U/Mg. A alta suscetibilidade do

sódio aos processos de intemperismo foi identificada durante a lixi-

viação das amostras de granito graças à rapidez com que esse ele-

mento foi dissolvido em relação aos demais; nessa rocha, verificou-

se que o urânio continuou sendo mobilizado significativamente

para a fase líquida, mesmo quando a lixiviação de sódio, potássio e

magnésio praticamente deixou de ocorrer após cerca de 200 dias.

Diferentemente das rochas sedimentares, a alteração das rochas

cristalinas em condições controladas no laboratório mostrou que o

cálcio sempre se manteve preferencialmente dissolvido em relação

ao urânio. Os solos de Mendip Hills, derivados de arenito e calcá-

rio, apresentaram-se enriquecidos em urânio nos horizontes super-

ficiais A e B, sendo maior o fator de enriquecimento naqueles ori-

ginados a partir do calcário, proporcionado pelo favorecimento da

complexação do íon uranila em solução com os íons carbonato; o

coeficiente de mobilidade definido neste trabalho permaneceu

praticamente constante para os solos mais ácidos, porém, naque-

les que são quase neutros, aumentou de três a dez vezes nos

ensaios realizados com água destilada saturada em CO

, sugerindo

a possibilidade de formação dos íons complexos de carbonato de

uranila em decorrência da elevação na pressão parcial de CO

Os experimentos de lixiviação das amostras de calcário de

Mendip Hills mostraram que a razão isotópica

234

238

U do urânio

dissolvido nas soluções lixiviadoras aumenta à medida que pro-

gride o processo de dissolução, o qual é acompanhado de elevação

no teor de cálcio dissolvido e na espessura da camada lixiviada. O

acréscimo mostrou-se relacionado com a dissolução gradual de

finas partículas aderidas nas superfícies expostas após britagem, à

medida que o processo progride para a lixiviação de superfícies de

calcita já bastante erodidas, tendendo a atingir, em alguns casos,

um valor cumulativo de cerca de 1,3 para a razão isotópica

234

238

U. Valores diferentes deste foram encontrados em outras solu-

ções lixiviadoras de calcário, porém a média mostrou-se similar

àquela determinada nas águas subterrâneas da área cárstica de pro-

veniência das amostras de rocha utilizadas no laboratório, deno-

tando a direta aplicabilidade dos resultados obtidos sob condições

controladas para a interpretação de processos ocorrendo em siste-

mas naturais. Verificou-se também variabilidade nos valores da

razão isotópica

234

238

U determinados nas soluções lixiviadoras

do granito Carnmenellis, indicando que cada superfície de rocha

exposta ao intemperismo contribui diferentemente para a presença

234

U na fase líquida. Isto é, embora o

234

U seja mais facilmente

transferido para a fase líquida do que o

238

U, não é possível prever o

valor exato da razão isotópica

234

238

U a ser obtido na fase líquida

quando esta interage com a rocha. As amostras de solos de Mendip

Hills apresentaram razão de atividade

234

238

U inferior à unidade,

indicando a ocorrência de lixiviação preferencial de

234

U em relação

238

U, o que foi comprovado por meio dos valores maiores que 1

para esta razão obtidos nas soluções lixiviadoras empregadas nos

experimentos realizados em laboratório.

A geração das razões isotópicas

234

238

U superiores à unidade

para o urânio dissolvido, na escala de tempo dos ensaios conduzi-

dos em laboratório, demonstrou a eficácia do processo de lixiviação

preferencial de

234

U relativamente ao do recuo de

234

Th. Esse

mecanismo possibilitou interpretar os valores encontrados para as

águas subterrâneas da área cárstica de Mendip Hills, a partir de um

processo em dois estágios: uma lixiviação de ordem zero contínua

da superfície da rocha pelas águas da zona de recarga equilibradas

com a atmosfera, seguida pela lixiviação preferencial de

234

U dos

minerais de argila ou micáceos liberados durante a interação água-

rocha. Tal processo é de estado estacionário: nele as finas partículas

são continuamente liberadas, podendo explicar a constância obser-

vada no teor de U e na razão isotópica

234

238

U em águas subter-

râneas de determinadas localidades da área cárstica estudada;

variações na quantidade de silicato na fração insolúvel em HC1 6M

do calcário explicariam a dependência da localidade relativamente

ao teor de urânio e à razão isotópica

234

238

U na água subterrânea.

Confirmaram-se algumas tendências verificadas por outros

investigadores relativamente ao comportamento de parâmetros no

aqüífero Guarani, na porção investigada da bacia sedimentar do

Paraná, Estado de São Paulo, à medida que aumenta a profundidade

do seu confinamento, ou seja, progressiva elevação da temperatura,

pH, condutividade, resíduo seco e teores de sódio, bicarbonato, clo-

reto, sulfato e fluoreto. Essas tendências foram descritas com base

na pressão geostática (litostática), tendo sido identificadas outras

como aumento da intensidade iônica e diminuição do teor de oxi-

gênio dissolvido, potencial redox Eh e pressão parcial de CO,, as

quais acompanharam a evolução regional do fluxo subterrâneo.

Com o emprego do programa para microcomputador WATEQ 4F,

foi possível calcular o índice de saturação mineral relativamente a

várias fases, o qual indicou que a composição química da maioria

das amostras de água subterrânea do aqüífero Botucatu/Pirambóia

estaria refletindo principalmente a dissolução de carbonates e sul-

fatos, apesar de em alguns casos ter sido possível caracterizar a pos-

sibilidade de precipitação de carbonatos de cálcio, entre outras

fases minerais.

As águas subterrâneas do aqüífero Guarani são predominante-

mente redutoras, tanto ácidas quanto básicas, tendo sido também

constatada a tendência de elevação no teor de urânio dissolvido

durante o aumento progressivo das condições redutoras ao longo

das direções de fluxo subterrâneo. A formação de íons complexos

de carbonato de uranila, mesmo nas altas temperaturas verificadas

para algumas amostras, foi responsável pela migração de urânio

nesse aqüífero.

Uma redução na quantidade de urânio dissolvido e um acrés-

cimo na razão isotópica

234

238

U do urânio residual dissolvido

têm sido comumente observados para águas subterrâneas próximas

de barreiras de óxido-redução, modificações que têm sido atribuí-

das a um aumento na taxa de recuo alfa ocasionado pela deposição

de urânio no início da zona redutora. Apesar de não terem sido

identificadas as interfaces de oxidação e redução, o processo foi

caracterizado em duas situações no aqüífero Guarani, possibili-

tando que se efetuasse a datação do sistema de águas subterrâneas

investigado a partir do modelo isotópico de urânio desenvolvido

para esses casos. Se as idades disponíveis baseadas no método do

C possuem significado, os valores determinados pela técnica do

urânio são elevados, implicando a possibilidade de ocorrência de

mistura de águas subterrâneas, de lixiviação de urânio dos sedi-

mentos transportados pela água que está sendo datada, ou, então,

de reações químicas de troca entre a solução e a rocha matriz do

aqüífero. Nas águas subterrâneas do aqüífero Guarani, também se

encontrou uma tendência de relação direta entre o aumento no teor

de cálcio dissolvido e a elevação na razão isotópica

234

238

U, con-

forme igualmente verificado nos experimentos realizados em labo-

ratório com as amostras de calcário.

Mudanças no potencial redox possivelmente relacionadas com

o processo de nitrificação foram observadas em Ribeirão Preto,

localidade de amostragem de três poços no aqüífero Guarani, as

quais afetaram o teor de urânio dissolvido e a razão isotópica

234

238

U. Pelo do modelo isotópico de urânio dissolvido, conseguiu-se

avaliar as proporções relativas das águas que estariam se mistu-

rando no sistema de captação envolvendo os três poços. O modelo

também foi utilizado na avaliação de fontes termais e atermais do

maciço alcalino de Poços de Caldas (MG), definindo melhor que

outros parâmetros físicos, químicos e físico-químicos das águas

subterrâneas investigadas estariam se misturando e em que pro-

porção isso estaria ocorrendo. O modelo, contudo, não se mostrou

aplicável na porção estudada do aqüífero Tubarão.

O trabalho permitiu caracterizar o maior valor na razão isotó-

pica

234

238

U (correspondente a 27,9) registrado até o momento

no Brasil para o urânio dissolvido, o qual foi determinado em

amostra de água subterrânea do aqüífero Guarani e provavelmente

se relaciona com o elevado teor de cálcio dissolvido; nem mesmo as

águas subterrâneas do Grupo Tubarão analisadas no decorrer desta

investigação, com altos valores de salinidade, apresentaram enri-

quecimento em

234

U responsável por um acréscimo tão significa-

tivo na razão de atividade

234

238

O estudo permitiu avaliar o modelo isotópico do urânio dissol-

vido proposto para uso na prospecção hidrogeoquímica de jazidas

de urânio, e os resultados obtidos não se concentraram num campo

específico do diagrama de concentração de urânio versus razão iso-

tópica

234

238

U; ocorreu, em vez disso, um posicionamento bas-

tante disperso dentro dos contornos estabelecidos, mediante o qual

algumas situações concordaram com o previsto e outras não, tor-

nando possível recomendar a sua utilização com cautela nos pro-

gramas de exploração de urânio, em decorrência da complexidade

dos sistemas naturais. Do ponto de vista da qualidade, todas as águas

subterrâneas da bacia sedimentar do Paraná e do maciço alcalino de

Poços de Caldas analisadas no decorrer deste trabalho são potáveis

quanto à presença de

238

U e

234

U, uma vez que a maior atividade

obtida para a ingestão anual correspondeu a 96 Bq, consideravel-

mente inferior à máxima permitida. Restrições ocorrem, contudo,

quando se considera a atividade do radônio dissolvido e se efetua a

sua comparação com a do limite de ingestão estabelecido pela legis-

lação norte-americana.

O desenvolvimento deste estudo permitiu, finalmente, que se

avaliassem os mecanismos de transferência de

222

Rn de amostras de

calcário e solos de Mendip Hills e de arenitos das Formações

Pirambóia e Botucatu para a água, sob condições controladas em

laboratório. Os resultados mostraram que uma estimativa mais

apropriada do coeficiente de emanação para o calcário foi obtida

em situações envolvendo menor área superficial específica, de

maneira que, se a rocha é pulverizada antes de se medir a taxa de

liberação de radônio, ocorre destruição da estrutura de poros, oca-

sionando uma emanação maior que a verdadeira. No caso dos

solos, uma proporção significativa do

222

Rn provavelmente foi

transferida para a água intersticial, a qual não se conseguiu remo-

ver pela técnica de extração utilizada. A avaliação dos modelos dis-

poníveis em literatura para calcular a atividade de radônio esperada

na água quando são conhecidos o teor de urânio na rocha, a porosi-

dade, a densidade e a eficiência de emanação da rocha mostrou que

eles não possibilitam interpretar a radioatividade associada a esse

gás nas águas subterrâneas do aqüífero cárstico em Mendip Hills,

uma vez que se obteve um valor cerca de 15 vezes superior ao espe-

rado, na melhor estimativa realizada. Buscando o ajuste dos mode-

los, propôs-se a introdução nas equações de um parâmetro definido

como a razão entre a área superficial da forma geométrica de um

bloco de rocha antes da britagem e a área superficial total gerada

após britagem, o qual, apesar de seu caráter relativamente empí-

rico, possibilitou que se efetuasse a modelagem do volume de

material necessário para fornecer os melhores resultados nos expe-

rimentos de transferência de

222

Rn. Já no caso do aqüífero Guarani,

o modelo utilizado mostrou-se adequado para interpretar os resul-

tados obtidos para a atividade do radônio dissolvido na água.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AAEC (Australian Atomic Energy Commission Research Establish-

ment). Radionuclide migration around uranium ore bodies; analogue

of radioactive waste repositories. U. S. Nuclear Regulatory Com-

mission, 1983. 36p. (Annual Report).

ADAMS, J. A. S., OSMOND, J. K., ROGERS, J. J. W. The geoche-

mistry of thorium and uranium. London: Pergamon Press, 1959.

(Physics and Chemistry of the Earth Series, v.3).

ALEXANDRA, A. Introduction to soil microbiology. New York: John

Wiley&Sons, 1961.

ALLEN-PRICE, E. D. Uneven distribution of cancer in west Devon

with particular reference to the diverse water supplies. Lancet, v.1,

p.1235, 1960.

ALMEIDA, F. F. M. de. Fundamentos geológicos do relevo paulista.

Bol. Inst. Geogr. Geol, v.41, p.l69-263, 1964.

ALMEIDA, F. F. M. de, MELO, M. S. A bacia do Paraná e o vulca-

nismo mesozóico. In: PROMOCET. Mapa geológico do Estado de

São Paulo. v.1. São Paulo: Programa de Desenvolvimento de

Recursos Minerais-Pró Minério, 1981. p.46-81.

AMARAL, E. C. S., AZEVEDO, H. L. P, MENDONÇA, A. H.

Pre-operational environmental survey at the uranium mine and

mill site, Poços de Caldas, Minas Gerais, Brazil. Sci. Total Envi-

ron.,v.42,p.257-66, 1985.

AMARAL, G. et al. Potassium-argon dates of basaltic rocks from

southern Brazil. Geochim. Cosmochim. Acta, v.30, p.l59-89, 1966.

ANDREWS, J. N. Dissolved radioelements and inert gases in geo-

thermal investigations. Geothermics, v.12, p.67-82, 1983.

ANDREWS, J. N., RAY, R. L. E The evolution of enhanced

234

238

U activity ratios for dissolved uranium and groundwater dating.

In: INT. CONF. GEOCHRONOLOGY, COSMOCHRONO-

LOGY AND ISOTOPE GEOLOGY Proceedings... USGS Open-

File Rep. 78-101, 1978. p.11-3.

234

238

U activity ratios of dissolved uranium in groundwa-

ters from a Jurassic limestone aquifer in England. Earth Planet.

Sci. Lett.,v.57, p.139-51, 1982.

. The U contents and

234

238

U activity ratios of dissolved ura-

nium in groundwater from some Triassic sandstones in England.

Isotope Geoscience, v.1, p.101-17, 1983.

ANDREWS, J. N., LEE, D. J. Inert gases in groundwater from the

Bunter sandstone of England as indicators of age and paleoclimatic

trends. J. Hydrol, v.41, p.233-52, 1979.

ANDREWS, J. N., WOOD, D. F. Mechanism of radon release in

rock matrices and entry into groundwaters. Trans. Inst. Min.

Metall, B81, p.198-209, 1972.

ANDREWS, J. N. et al. Radioelements, radiogenic helium and age

relationships for groundwaters from granites at Stripa, Sweden.

Geochim. Cosmochim. Acta, v.46, p.l533-43, 1982.

222

Rn solution by the circulating fluids in a "hot dry rock"

geothermal reservoir. Appl. Geochem., v.1, p.647-57, 1986.

. The geochemistry of radioelements and noble gases in the Rose-

manowes HDR reservoir. Bath: University of Bath, 1987. (Techni-

cal Report).

APHA (American Public Health Association). Standard methods for

the examination of water and wastewater. 16.ed. Washington: APHA,

1985.

ATKINSON, T C. Diffuse flow and conduit flow in limestone ter-

rain in the Mendip Hills, Somerset, Great Britain. J. Hydrol., v.35,

p.93-110, 1977.

AZEVEDO, A. B. de, PRESSINOTTI, M. N. N., MASSOLI, M.

Estudos sedimentológicos das formações Botucatu e Pirambóia na

região de Santa Rita do Passa Quatro, SP. Revista do instituto Geo-

lógico, v.2, n.l, p.31-8, 1981.

BAAS BECKING, L. G. M., KAPLAN, I. R., MOORE, D. Limits

of the natural environment in terms of pH and oxidation-reduc-

tionpotential.J. Geol, v.68, p.243-84, 1960.

BAGOLINI, B. Osservazioni geologiche e geomorfologich sugli

espandimenti basaltici del bacino dell'alto Paraná nel Brasile

Meridionali. Mem. Mus. Tudentino di Sá. Nat. Ireuts, v.19, p.71-

122,1971.

BONOTTO, D. M. Aplicação dos dados do fracionamento isotópico

234

238

U nos problemas geoquímicos dos aqüíferos de Águas da Prata

(SP). São Paulo, 1982. 161p. Dissertação (Mestrado) - IAG, Uni-

versidade de São Paulo.

. Aplicações hidrogeoquímicas dos isótopos naturais das séries do

U(4n+2) e Th(4n) no Morro do Ferro, Poços de Caldas (MG). São

Paulo, 1986. 378p. Tese (Doutorado) - IAG, Universidade de São

Paulo.

. U-isotopic model as a prospecting technique in the Morro do

Ferro thorium deposit, Brazil. Rev. Bras. Geof., v.7, n.2, p.141-7,

1989.

. The behaviour of dissolved uranium in groundwaters of the

Morro do Ferro thorium deposit, Brazil. J. Hydrol., v.107, p.155-

68,

1989.

. Utilização de modelo isotópico de urânio no estudo de aqüífe-

ros do Morro do Ferro, Poços de Caldas (MG). Rev. Bras. Geoc,

v.24, n.l,p.52-9, 1994.

BONOTTO, D. M., MANCINI, L. H. Estudo hidroquímico e iso-

tópico dos aqüíferos de Rio Claro (SP). Geochim. Brasil., v.6,

p.153-67, 1992.

BONOTTO, D. M., SILVEIRA, E. G. Hidrogeoquímica isotópica

do urânio em Águas de Lindóia (SP), Brasil. In: CONGRESSO

DE GEOQUÍMICA DOS PAÍSES DE LÍNGUA PORTU-

GUESA, 2, 1993, Porto. Memórias N°3. Porto: Universidade do

Porto, 1993.p.357-60.

BOROVEC, Z. The adsorption of uranyl species by fine clay. Chem.

Geol, v.32, p.45-58, 1981.

BOWIE, S. H. U., PLANT, J. A. Natural radioactivity in the envi-

ronment. In: THORNTON, I. (Ed.) Applied environmental geo-

chemistry. London: Academic Press, 1983. 501p.

BROOKINS, D. G. Geochemical aspects of radioactive waste disposal.

New York: Springer-Verlag, 1984. 347p.

. Eh-pH diagrams for geochemistry. Berlin: Springer-Verlag,

1988. 176p.

BURGESS, W. G. et al. The hydrogeology and hydrochemistry of the ther-

mal water in the Bath-Bristol basin. London: Inst. Geol. Sci. - NERC

(Nat. Environ. Res. Counc), 1980. 114p. (Technical Report).

. The origin and circulation of groundwater in the Carnmenellis

granite: the hydrogeochemical evidence. London: Inst. Geol. Sci.,

1982. (Technical Report).

BUSHEE, J. A geochronological study of the alkaline massif of Poços de

Caídas, Brazil. Berkeley, 1971. Ph.D. Thesis - University of Cali-

fórnia.

CARMICHAEL, R. S. Practical handbook of physical properties of

rocks and minerais. 2.ed. Boston: CRC Press, 1990. 741p.

CASTANY, G. Príncipes et méthodes de l'hydrogéologie. Paris: Dunod,

1982. 238p.

CHALOV, P. I. Isotopic ratio of

234

238

U in some secondary mine-

rais. Geochemistry, v.2, p.203-10,1959.

CHALOV, P. I., MERKULOVA, K. I. Geokhimiya, v.2, p.225, 1969.

CHAPMAN, N. A. et al. The Poços de Caldas project: summary and

implications for radioactive waste management. NAGRA NTB

90-19, SKBTR 90-10. UKDOEWR 90-041. 1991. 147p. (Poços

de Caldas Project, Rep. n.l5).

CHERDYNTSEV, V. V, KAZACHEVSKII, I. V., KUZ'MINA, E.

A. Dating of Pleistocene carbonate formation by thorium and ura-

nium isotopes. Geochem. Int., v.3, p.794-801, 1955.

CHERDYNTSEV, V. V. et al. Uranium isotopes in nature: II. Isoto-

pic composition of uranium minerais. Geochem. Int., v.10, p.927-

36,1961.

CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear). Diretrizes básicas de

radioproteção. Rio de Janeiro, 1988. 129p. (Resolução 12/88).

COWART, J. B. The relationship of uranium isotopes to oxidation/

reduction in the Edwards carbonate aquifer of Texas. Earth Pla-

net. Sci. Lett., v.48, p.277-83, 1980.

COWART, J. B., OSMOND, J. K.

234

U and

238

U in the Carrizo san-

dstone aquifer of south Texas. In: SYMPOSIUM ON ISOTOPE

TECHNIQUES IN GROUNDWATER HYDROLOGY, 1974,

Vienna. Proceedings... Vienna: IAEA (International Atomic

Energy Agency), 1974. v.2, p.131-49.

COWART, J. B., OSMOND, J. K. Uranium isotopes in groundwa-

ter: their use in prospecting for sandstone-type uranium deposits.

J, Geochem. Explor., v.8, p.365-79, 1977.

. Uranium isotopes in groundwater as a prospecting technique.

Colorado: U. S. Dept. of Energy, 1980. 112p. (Technical Report).

CRAIG, H. Isotopic variations in meteoric waters. Science, v.133,

p.1702-3, 1961.

CRAWLEY, R. A. Sandstone uranium deposits in the United States: a

review of the history, distribution, genesis, mining areas, and

outlook. Colorado: U. S. Department of Energy, 1983. 57p. (Tech-

nical Report).

CRUZ, W. B. Avaliação hidrogeológica e hidroquímica dos arredores de

Poços de Caldas. Belo Horizonte: Fundação Centro Tecnológico de

Minas Gerais, 1987. 152p. (Relatório).

CRUZ, W. B„ PEIXOTO, C. A. M. As águas termais de Poços de

Caldas, MG - estudo experimental das interações água-rocha.

Rev. Bras. Geoc, v.19, p.76-86, 1989.

DAEE (Departamento de Águas e Energia Elétrica). Estudo de águas

subterrâneas: região administrativa 7,8,9 - Bauru, S. J. do Rio Preto

e Araçatuba. São Paulo: Secretaria de Obras e do Meio Ambiente,

1976. v.3.

. Estudo de águas subterrâneas: regiões administrativas 10 e 11.

Presidente Prudente e Marília. São Paulo: Secretaria de Obras e do

Meio Ambiente, 1979. v.2.

. Estudo de águas subterrâneas: Região Administrativa 5 -

Campinas. São Paulo: Secretaria de Obras e Meio Ambiente, 1981.

639p.

DODSON, R. W., FORNEY, G. J., SWIFT, E. H„ /. Am. Chem.

Soc.,v.58,p.2537, 1936.

DOOLEY, J. R., GRANGER, H. C, ROSHOLT, J. N. Uranium-

234 fractionation in the sandstone-type uranium deposits of the

Ambrosia Lake District, New Mexico. Econ. Geol., v.61, p.1362-

82, 1966.

DREW, D. P. Aspects of the limestone hydrology of the Mendip Hills,

Somerset. Bristol, 1967. Ph.D. Thesis-University of Bristol.

DREW, D. P. A study of the limestone hydrology of the St. Dunstan's

well and Ashwick drainage basins, eastern Mendip, Somerset.

Proc. Univ. Bristol Speleol. Soc, v.ll, p.257-76, 1968.

DURRANCE, E. M. Radioactivity in geology - principies and appli-

cations. London: Institution of Mining and Metallurgy, 1986.

EDMONDS, E. A., Mc KEOWN, M. C, WILLIAMS, M. Bristish

regional geology: south west England. London: HMSO, 1969.

130p.

EDMUNDS, W. M. et al. The evolution of saline and thermal groun-

dwaters in the Carnmenellis granite. Mineral. Mag., v.48, p.407-

24, 1984.

. Baseline geochemical conditions in the Chalk aquifer, Berk-

shire, U. K.: a basis for groundwater quality management. Appl.

Geochem.,v.2,p.251-74, 1987.

ELLERT, R. Contribuição à geologia do maciço alcalino de Poços de

Caldas. Bol. Geol. FFCL USP, v.237, p.5-64,1959.

ETCHEBEHERE, M. L. C. Modelo de exploração mineral aplicado à

pesquisa de fontes termais no planalto de Poços de Caldas, MG-SP.

Rio Claro, 1990. 158p. Dissertação (Mestrado) - IGCE, UNESP.

EXLEY, C. S., STONE, M. Present views of some aspects of the geo-

logy of Cornwall an Devon. Trans. R. Geol. Soc. Cornwall, 150

Anniversary vol., p.131-84, 1964.

EYAL, Y„ OLANDER, D. R. Leaching of uranium and thorium

from monazite: I. Initial leaching. Geochim. Cosmochim. Acta,

v.54, p.1867-77, 1990.

FAURE, G. Principies and applications of inorganic geochemistry. New

York: MacMillan Publishing Company, 1991. 626p.

FINDLAY, D. C. The soils of the Mendip distict of Somerset; Soil

Surv. Sheets 279 and 280. Harpenden, 1965. 204 p. (Mem. Soil

Surv. G. B. Series).

FLEISCHER, R. L. Isotopic disequilibrium of uranium: alpha-recoil

damage and preferential solution effects. Science, v.207, p.979-81,

1980.

. Nature of alpha-recoil damage: evidence from preferential

solution effects. Nucl. Tracks, v.6, n.l, p.35-42, 1982.

FLEISCHER, R. L., RAABE, O. G. Recoiling alpha-emitting nuclei.

Mechanisms for uranium series disequilibrium. Geochim. Cosmo-

chim. Acta, v.42, p.973-8, 1978.

FLÜGGE, S., ZIMENS, K. E. Die bestimmung von korngrossen

und diffusionkonstanten aus dem emaniervermogen (Die Theorie

der emanier-methode). Z. Phys. Chem. (Leipzig), B42, p.179-220,

1939.

FRAGA, C. G. Origem de fluoreto em águas subterrâneas dos sistemas

aqüíferos Botucatu e Serra Geral da Bacia do Paraná. São Paulo,

1992. 178p. Tese (Doutorado) - IG, Universidade de São Paulo.

FRITZ, P., FONTES, J. Ch. (Ed.) Handbook of environmental isotope

geochemistry. v.1. Amsterdam: Elsevier, 1980. 545p.

FUGER, J., OETTING, F. L. The chemical thermodynamics of acti-

nide elements and Compounds; Part 2 - The actinide aqueous ions.

Vienna: IAEA, 1976. p.l6-60.

GABELMAN, J. W. Migration ofuranium and thorium - exploration

significance. Tulsa: Amer. Assoc. Petro. Geol., 1977. 168p. (Stu-

dies in Geology, n.3).

GARRELS, R. M. Mineral equilibria. Mass.: Addison-Wesley Rea-

ding, 1959. 349p.

GARRELS, R. M., CHRIST, C. L. Minerais, solutions and equilibria.

New York: Harper and Rowley, 1965. 453p.

GILBOA, Y., MERO, F, MARIANO, I. B. The Botucatu aquifer of

South America, model of an untapped continental aquifer. /.

Hydrol.,v.29,p.l65-79,1976.

GILKESON, R. H., COWART, J. B. A preliminary report on 238-

uranium series disequilibrium in groundwater of the Cambrian-

Ordovician aquifer system of northeastern Illinois. In: PERRY

JUNIOR, E. C, MONTGOMERY, C. W. (Ed.) Isotope studies of

hydrologic processes. De'kalb: Northern Illinois University Press,

1982.p.l09-18.

GOLDICH, S. S. A study in rock weathering. J. Geol, v.46, p.17-58,

1938.

GOLDSCHMIDT, V. M. Geochemistry. Oxford: Clarendon Press,

1954.

GOMES, F. V. M. Aplicação dos isótopos do urânio como traçadores de

água subterrânea do Bambui-Bahia. Salvador, 1978. 69p. Disserta-

ção (Mestrado) - Universidade Federal da Bahia.

GREEN, G. W., WELCH, F B. A. Geology of the country around

Wells and Cheddar. London: The British Geological Survey, 1965.

225p. (Mem. Geol. Surv. G. B. Series).

HAAN, F. A. M., ZWERMAN, P. J. Pollution of soil. In: BOLT, G.

B., BRUGGENWERT, M. G. M. (Ed.) Soil Chemistry - A. Basic

elements. Amsterdam: Elsevier, 1976. p.192-263. (Developments

in soil science 5A).

HELGESON, H. C, BROWN, T. H., LEEPER, R. H. Handbook of

theoretical activity diagrams depicting chemical equilibria in geologic

systems involving an aqueous phase at one atm and 0

to 300°C. San

Francisco: Cooper & Company, 1969. 253p.

HEM, J. D. Study and interpretation of the chemical characteristics of

natural water. Washington: U. S. Government Printing Office,

1959. 269p. (Geological Survey Water - Supply Paper 1473).

HESS, C. T. et al. Radon transferred from drinking water into house

air. In: COTHERN, C. R., REBERS, R. A. (Ed.) Radon, radium

and uranium in drinking water. Chelsea, Michigan: Lewis Publi-

shers, 1990. p.51-68.

HOEHN, E. et al. Application of the

222

Rn technique for estimating

the residence times of artificially recharged groundwater. In: IAEA

(INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY). Isotope

techniques in water resources development. Vienna: IAEA, 1991.

p.712-4.

HOLMES, D. C, PITTY, A. E., NOY, D. J. Geomorphological and

hydrogeological features of the Poços de Caldas caldera analogue

study sites. J. Geochem. Explor., v.45, p.215-47, 1992.

IRLWECK, K., SOPANTIN, H. Electrolytic fabrication of calibrating

sources in alpha spectrometry. Seibersdorf Research Center, Insti-

tute for Radiation Protection, 1974. 24p. (Report SGAE 2368).

IVANOVICH, M., HARMON, R. S. (Ed.) Uranium series disequili-

brium - Applications to environmental problems. Oxford: Claren-

don Press, 1982.

JACKSON, N. J. et al. Metallization associated with acid magmatism.

New York: John Wiley & Sons, 1982. p.137-9.

JOST, W. Diffusion in solids, liquids, gases. New York: Academic

Press, 1960.

KAMELI, M.

230

Th/

238

U dating of speleothems. Bath, 1980. M.Sc.

Dissertation - University of Bath.

KAUFMAN, A., RYDELL, H. S., OSMOND, J. H.

234

238

U dise-

quilibrium as an aid to hydrologic study of the Floridan aquifer. J.

HydTol.,v.9,p.374-86, 1969.

KIGOSHI, K. Alpha-recoil

234

Th: dissolution into water and the

234

238

U disequilibrium in nature. Science, v.173, p.47-8, 1971.

KIMMELMANN, A. A. et al. Hidrologia isotópica e química do

aqüífero Botucatu, Bacia do Paraná, Brasil. In: CONGRESSO

BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 4, 1986, Brasí-

lia. Anais... Brasília: ABAS, 1986. p.l-25.

KIMMELMANN, A. A., FORSTER, M., COELHO, R. Environ-

mental isotope and hydrogeochemical investigations of Bauru and

Botucatu aquifers, Paraná basin, Brazil. In: ISOTOPE HYDRO-

LOGY INVESTIGATIONS IN LATIN AMERICA. Vienna,

1994. IAEA-TECDOC-835. Vienna: IAEA (International Atomic

Energy Agency), 1995. p.57-74. (Report RLA/8/014 - ARCAL

XIII; Application of isotope techniques in hydrology).

KIMMELMANN E SILVA, A. A., REBOUÇAS, A. C, SAN-

TIAGO, M. M. F.

C analysis of groundwater from the Botucatu

aquifer system in Brazil. Radiocarbon, v.31, n.3, p.926-33, 1989.

KIMMELMANN E SILVA, A. A. et al. Novos aspectos hidrogeoló-

gicos, hidroquímicos e isotópicos das águas termominerais de

Águas de São Pedro, no Estado de São Paulo. In: SIMPÓSIO

BRASILEIRO DE HIDROLOGIA E RECURSOS HÍDRI-

COS, 7, 1987, Salvador. Anais... Salvador, 1987. v.4, p.26-40.

KLEMENT, A. W. (Ed.) CRC handbook of environmental radiation.

Boca Raton, Florida: CRC, 1982.

KRAUSKOPF, K. B. Introduction to geochemistry. 2.ed. New York:

McGraw-Hill, 1979. 617p.

KRAUSKOPF, K. B., BIRD, D. K. Introduction to geochemistry. 3.ed.

New York: McGraw-Hill, 1995. 647p.

KRONFELD, J., ADAMS, J. A. S. Hydrologic investigations of the

groundwaters of central Texas using U-234/U-238 disequili-

brium.J. Hydrol, v.ll, p.77-88, 1974.

KRONFELD, J., GRADSZTAJN, E., YANIV, A. A flow pattern

deduced from uranium disequilibrium studies for the Cenoma-

niam carbonate aquifer of the Beersheva region, Israel. /. Hydrol.,

v.44, n.3-4, p.305-10, 1979.

KU, T. L. The uranium-series methods of age determination. An.

Rev. Earth Plan. Sci., v.4, p.347-79, 1976.

LANGMUIR, D. Uranium solution - mineral equilibria at low tem-

peratures with applications to sedimentary ore deposits. Geochim.

Cosmochim. Acta, v.42, p.547-69, 1978.

LAUL, J. C, RAMANIAH, M. V., RAO, C. L. Preparation of thin

uniform targets of actinide elements: uranium and americium. Int.

J. Appl. Radiat. Isotopes, v.17, p.306-8, 1966.

LAWRENCE, E. R, POETER, E., WANTY, R. B. Geohydrologic,

geochemical, and geologic controls on the occurrence of radon in

ground water near Conifer, Colorado, USA. ]. Hydrol, v.127,

p.367-86, 1991.

LAWRENCE, E. R, WANTY, R. B., NYBERG, P. A. Contribution

of Rn in domestic water supllies to

222

Rn in indoor air in homes

in Colorado. Health Phys.,v.62,p.\7\ -7, 1992.

LEDERER, C. M., SHIRLEY, V. S. Table of isotopes. 7.ed. New

York: John Wiley & Sons, 1978.

LEI, W. Thorium mobilization in a terrestrial environment. New York,

1984. 414p. Ph.D. Thesis - New York University Medicai Center.

LEONARD, R. B„ WOOD, W. A. Evaluation of hydrothermal ano-

maly near Ennis, Montana. Washington: U. S. Government Prin-

ting Office, 1988. 35p. (U. S. Geological Survey Professional

Paper 1044-K).

LIMA, J. L. N. Implementação de metodologia para a mensuração de

Rn e sua aplicação no estudo da radioatividade das águas de Águas

da Prata (SP). Rio Claro, 1993. 155p. Dissertação (Mestrado) -

IGCE, UNESP.

LUCAS, H. F. Improved low-level alpha-scintillation counter for

radon. Rev. Scient. Instrum., v.28, n.9, p.680-3, 1957.

LUCE, R. W., BARTLETT, R., PARKS, G. A. Dissolution kinetics

of magnesium silicates. Geochim. Cosmochim. Acta, v.36, p.35-50,

1972.

MELFI, A. J. Potassium-argon ages for core samples of basaltic rocks

from southern Brazil. Geochim. Cosmochim. Acta, v.31, p.1079-89,

1967.

MERCK. The Merck index of chemicals and drugs. 7.ed. New Jersey,

1960.1643p.

MIYAKE, Y, SUGIMURA, Y, UCHIDA, T Ratio

234

238

U and

the uranium concentration in seawater in the western North Paci-

fic./. Geophys. Res., v.71, p.3083-7, 1966.

MOORE, W. S. Amazon and Mississippi river concentrations of ura-

nium, thorium and radium isotopes. Earth Planet. Sci. Lett,, v.2,

p.231-4, 1967.

MOREIRA-NORDEMANN, L. M. Use of

234

238

U disequili-

brium in measuring chemical weathering rate of rocks. Geochim.

Cosmochim. Acta, v.44, p.103-8, 1980.

. Salinity and weathering trate of rocks in a semi-arid region. J.

Hydrol.,v.71,p.l31-47, 1984.

NAZAROFF, W. W. et al. Radon entry via potable water. In: NAZA-

ROFF, W. M., NERO JUNIOR., A. V. (Ed.) Radon and its decay

products in indoor air. New York: John Wiley & Sons, 1988.

NEUERBURG, G. J. Uranium in igneous rocks of the United States.

U. S. Geol. Surv. Prof. Pap., v.300, p.55-64, 1956.

NORDSTROM, D. K. Thermochemical redox equilibria of Zobell's

solution. Geochim. Cosmochim. Acta, v.41, p.1835-41, 1977.

NUSSENZVEIG, H. M. Curso de física básica: fluidos, oscilações e

ondas, calor. v.2. São Paulo: Edgard Blücher. 1983. 500p.

OSMOND, J. K., COWART, J. B. The theory and uses of natural

uranium isotopic variations in hydrology. At. Energy Rev., v.14,

p.621-79, 1976.

. Uranium-series disequilibrium in groundwater and core compo-

site samples from the San Juan Basin and Copper Mountain research

sites. Colorado: U. S. Department of Energy, 1981. 126p. (Techni-

cal Report).

OSMOND, J. K„ COWART, J. B., IVANOVICH, M. Uranium

isotopic disequilibrium in groundwater as an indicator of anoma-

lies. Int. J. Appl Radiat. Isot., v.34, p.283-308, 1983.

OSMOND, J. K., KAUFMAN, M. I., COWART, J. B. Mixing

volume calculations, sources and aging trends of Floridan aquifer

water by uranium isotopic methods. Geochim. Cosmochim. Acta,

v.38, p.1083-100, 1974.

OSMOND, J. K., RYDELL, H. S., KAUFMAN, M. I. Uranium

disequilibruim in groundwater: an isotope dilution approach in

hydrologic investigations. Science, v.162, p.997-9, 1968.

PARKER, W., BILDSTEIN, H., GETOFF, N. Molecular plating I,

a rapid and quantitative method for the electrodeposition of tho-

rium and uranium. Nucl. Instr. and Meth., v.26, p.55-60, 1964.

PIPER, A. M. A graphic procedure in the geochemical interpretation

of water-analyses. Trans. Amer. Geophysical Union, v.25, p.914-28,

1944.

POBEGUIN, T. Contribution à 1'étude des carbonates de calcium

précipitation du catcaire par les végétaux, comparaison avec le

monde animal. Ann. Sci. Nat. Bot. Biol. Vég., v.15, p.29-109,

1954.

PRICHARD, H. M. The transfer of radon from domestic water to

indoorair.J. Am. Water Works Assoc, v.79, p.l59-61, 1987.

RAMANIAH, M. V. et al. Studies on electrodeposition of actinide

elements from non-aqueous medium. Int. J. Appl. Radiat. Isoto-

pes, v.26, p.648-50, 1975.

REBOUÇAS, A. C. Recursos hídricos subterrâneos da Bacia do Paraná

- Análise de pré-viabilidade. São Paulo, 1976. 143p. Tese (Livre-

Docência) - IG, Universidade de São Paulo.

. Potencial hidrogeológico da Bacia do Paraná - Brasil. In:

CONGRESSO BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂ-

NEAS, 1, 1980, Recife. Anais... Recife: ABAS, 1980. p.35-47.

. Groundwater in Brazil. Episodes, v.11, p.209-14, 1988.

. Sistema aqüífero Botucatu no Brasil. In: CONGRESSO

BRASILEIRO DE ÁGUAS SUBTERRÂNEAS, 8,1994, Recife.

Anais... Recife: ABAS, 1994. p.500-9.

RENNE, P. R., et al. The age of Paraná flood volcanism, rifting of

Gondwanaland, and the Jurassic-Cretaceous boundary. Science,

v.258,p.975-9, 1992.

ROSENTHAL, A„ KRONFELD, J.

234

238

U disequilibrium as an

aid to the hydrological study of the Judea Group aquifer in eastern

Judea and Samaria, Israel. J. Hydrol, v.58, n.12, p.149-58, 1982.

ROSHOLT, J. N. et al. Isotopic fractionation of uranium in sands-

tone, Powder river basin, Wyoming, and Slick Rock district, Colo-

rado. Econ. Geol, v.60, p.199, 1965.

RÕSLER, H. J., LANGE, H. Geochemical tables. Amsterdam: Else-

vier, 1972.

SCHINDLER, P. Heterogeneous equilibria involving oxides, hydro-

xides, carbonates and hydroxide carbonates. In: AMERICAN

CHEMICAL SOCIETY. Equilibrium concepts in natural water

systems. Washington, 1967. p.196-222 (Adv. Chem. Series 67).

SCHORSCHER, H. D., SHEA, M. E. The regional geology, mineralogy,

and geochemistry of the Poços de Caldas alkaline caldera complex,

Minas Gerais, Brazil. NAGRA NTB 90-19, SKB 90-10, UKDOE

WR 90-041. 1991, 36p. (Poços de Caldas Project, Rep. n. 1).

SHIROKOV, Y. M., YUDIN, N. P. Nuclear physics. v.1. Moscow:

Mir, 1982. 445p.

SIEGEL, D. I. Geochemistry of the Cambrian - Ordovician aquifer

system in the northern midwest, United States. Washington: U.S.

Government Printing Office, 1989. 76p, (U. S. Geological Survey

Professional Paper 1405 - D).

SILVA, R. B. G. Estudo hidroquímico e isotópico das águas subterrâneas

do aqüífero Botucatu no Estado de São Paulo. São Paulo, 1983.

133p. Tese (Doutorado) - Universidade de São Paulo.

SMITH, D. I., DREW, D. P. Limestones and caves of the Mendip

Hills. London: David & Charles, 1975.

SOARES, P. C. Divisão estratigráfica do mesozóico no estado de São

Paulo. Rev. Bras. Geoc, v.5, p.229-51, 1975.

SOMAYAJULU, B. L. K., CHURCH, T M. Radium, thorium and

uranium isotopes in the interstitial water from the Pacific ocean

sediment J. Geophys. Res., v.78, p.4529-31, 1973.

SPECKER, H., DOLL, W. Z. Anal. Chem., v.152, p.l78, 1956.

STARIK, I. E. et al. On the deviations of isotope ratios in natural for-

mations. Geokhimia, v.5, 1958.

STUMM, W., MORGAN, J. J. Aquatic Chemistry: an introduction

emphasizing chemical equilibria in natural waters. New York:

John Wiley & Sons, 1970. 583p.

SZALAY, A. Cation exchange properties of humic acids and their

importance in the geochemical enrichment of UO

and other

cations. Geochim. Cosmochim. Acta, v.28, p.1605-14, 1964.

SZIKSZAY, M., TEISSEDRE, J. M. Águas minerais no estado de

São Paulo. Bol. IG-USP, v.l2,p.ll-22, 1981.

SZIKSZAY, M. et al. Evolution of the chemical composition of water

passing through the unsaturated zone to groundwater at an experi-

mental site at the University of São Paulo, Brazil. J. Hydrol., v.118,

p.175-90, 1990.

TANNER, A. B. Radon migration in the ground: a review. In:

ADAMS, J. A. S., LOWDER, W. M. (Ed.) The natural radiation

environment. Chicago: Chicago University Press, 1964.

TEISSEDRE, J. M., BARNER, U. Comportamento geotérmico e

geoquímico das águas do aqüífero Botucatu na bacia do Paraná.

Revista Águas Subterrâneas, v.4, p.85-95, 1981.

TIET, LE VAN. Géochimie de l'uranium et du thorium dam les granitoi-

des etformations associées de Ia montagne Bourbonnaise (Massif Cen-

tral Français). Liaison possible avec les minéralisations uranifères

des Bois Noirs. Lorraine, 1975. Thèse - Inst. Nat. Polytechnique.

THILO, L„ MUNNICH, K. O. Reliability of carbon-14 dating of

groundwater. Vienna: IAEA (International Atomic Energy

Agency), 1970. (Isotope Hydrology Ser. 259).

THOMPKINS, R. W. Radiation in uranium mines. CIM Bulletin,

v.75, p.149-56, 1982.

THURBER, D. L. Anomalous

234

238

U in nature J. Geophys. Res.,

v.67, p.4518-20, 1962.

TRUESDELL, A. H., JONES, B. F. WATEQ, a computer program

for calculating chemical equilibria of natural waters. Jour. Research

U. S. Geol. Survey, v.2, p.233-48, 1974.

TURNER, S. et al. Magmatism and continental break-up in the South

Atlantic: high precision

Ar -

Ar geochronology. Earth Planet.

Sci. Lett, v.l21,p.333-48, 1994.

UMEMOTO, S.

234

238

U in sea water from the Kuroshio region. /.

Geophys. Res., v.70, p.5326, 1965.

USEPA (United States Environmental Protection Agency). National

primary drinking water regulations - radionuclides: proposed rule.

Washington: Federal Register, v.56, p.33050-127, 1991.

VEEH, H. H.

234

238

U in the East pacific sector of the Antarctic

ocean and in the Red Sea. Geochim. Cosmochim. Acta, v.32, p.117-

9, 1968.

WANTY, R. B., LAWRENCE, E. P, GUNDERSEN, L. C. S. A

theoretical model for the flux of radon from rock to groundwater.

In: GATES, A. E., GUNDERSEN, L. C. S. (Ed.) Geologic con-

trols on radon. Boulder, Colorado: Geological Society of America,

1992.

WEDEPOHL, K. H. Handbook of geochemistry. Berlin: Springer-

Verlag, 1969. v.II-1.

WHEILDON, J., FRANCIS, M. F., THOMAS-BETTS, A. Semi-

narongeothermalenergy. EUR 5920, v.1, p.l75-88, 1977.

WHITE, I. D. Relatório final da Comissão de Estudos das Minas de

Carvão de Pedra do Brasil. Rio de Janeiro: Imprensa Nacional,

1908.

WHO (World Health Organization) Protection against ionizing radia-

tions: a survey of current world legislation. Geneva, 1972. 328p.

WOLLAST, R. Kinetics of the alteration of K-feldspar in buffered

solutions at low temperature. Geochim. Cosmochim. Acta, v.31,

p.635-48, 1967.

ZERESHKI, A. The solution of

222

Rn by groundwaters. Bath, 1983.

244p. Ph.D. Thesis - University of Bath.

ZOBELL, C. E. Studies on redox potential of marine sediments. Bull.

Am. Assoc. Petrol. Geologists, v.30, p.477-509, 1946.

APÊNDICE

Metodologia de análise isotópica de urânio

A espectrometria alfa foi a técnica utilizada para a caracteriza-

ção dos isótopos de urânio

238

U e

234

U nas amostras analisadas, uma

vez que o

238

U é um emissor a cuja energia predominante corres-

ponde a 4,2 MeV e o

234

U emite partículas principalmente com

energia de 4,8 MeV (Quadro 1A). Como fontes delgadas são

necessárias para a realização da espectrometria nuclear visando evi-

tar a absorção de partículas a pela camada depositada, as amostras

foram submetidas a várias etapas de separação de elementos inter -

ferentes até a preparação de discos de aço inoxidável contendo o

urânio extraído. Na Figura 1A estão ilustradas de forma simplifi-

cada as etapas envolvidas.

Cada amostra de água subterrânea ou solução lixiviadora foi

recolhida em vasilhame de polietileno inicialmente enxaguado com

solução 1:1 de ácido clorídrico e água destilada, lavado com água

destilada e seco. Antes da campanha de coleta de amostras, cada

vasilhame foi numerado e pesado, sendo enxaguado com a água a

ser coletada durante a amostragem.

As soluções lixiviadoras e as amostras de águas subterrâneas

foram filtradas em membrana Millipore de 0,45 um, sendo defi-

nido o urânio "solúvel" como o presente na fase líquida após passar

por esse filtro. Acidificou-se o filtrado até um pH 2,0 a fim de

evitar a precipitação de Fe

no recipiente, empregando-se, para

isso, HC1 concentrado (para 25 litros de amostra, utilizaram-se 20

ml de HC1 + 5 ml desse ácido para cada 100 ppm de HCO

). Em

seguida, adicionoram-se cloreto férrico e o traçador radioativo arti-

ficial às amostras acidificadas:

236

U naquelas processadas no Labora-

tório de Geoquímica Isotópica da Universidade de Bath, Inglaterra,

232

U naquelas processadas no Labidro - Laboratório de Isótopos e

Hidroquímica do Departamento de Petrologia e Metalogenia do

Instituto de Geociências e Ciências Exatas da UNESP, em Rio Claro.

Para a obtenção dos dados isotópicos de urânio nas amostras de

rochas e solos, efetuou-se ataque químico sobre quantidade de

material compreendida entre 1 e 2 g.

As determinações nas amostras de calcário do Carbonífera envol-

veram tanto a fração solúvel em ácido clorídrico 6M quanto a fração

insolúvel, esta submetida à dissolução total pelo emprego de suces-

sivas misturas de HF, HC1O

e HNO

para solubilização de silicatos

e oxidação da matéria orgânica. As demais amostras de rochas e solos

processadas na Inglaterra foram dissolvidas pelo emprego de HF,

HC1O e HNO

, em todos os casos empregando-se o

236

U como

traçador para a quantificação de urânio por diluição isotópica.

Para a solubilização das amostras de arenito Botucatu condu-

zida em Rio Claro, utilizou-se sistema tipo Parr 4745 consistindo

de cilindro de teflon inserido em cilindro de latão; depois de ume-

decer cada amostra com água deionizada, adicionaram-se 5 ml de

HF e 4 ml de HNO

para ataque dos silicatos, e, após vedação, o

sistema foi mantido em estufa entre 100 e 120°C, durante 12 horas

(nessas condições, a pressão interna chega a atingir valores de até

1.200 psig). Depois, transferiu-se a solução para béquer de teflon,

adicionaram-se 3 ml de HC1O

para oxidação da matéria orgânica e

evaporou-se até secagem, repetindo-se o processo quando consta-

tada a presença de resíduo não dissolvido. Para essas amostras,

empregou-se o

232

U como traçador radioativo, porém, em todos os

casos, encerrou-se o ataque com dissolução do resíduo seco por

HC1 6M (amostras processadas na Inglaterra) ou HC1 8M (amos-

tras processadas em Rio Claro), num volume de 50 a 100 ml, acres-

centando-se também água deionizada até completar 1.000 ml.

Figura IA- Diagrama geral do procedimento de extração de urânio.

A etapa seguinte consistiu na eliminação do gás carbônico dis-

solvido, processo importante, uma vez que pode ocorrer a forma-

ção de carbonato de amônio na fase posterior do processo de

extração, composto que forma complexos uraníferos altamente solú-

veis, passíveis de permanecerem em solução e impedirem a co-pre-

cipitação de urânio. Para isso, borbulhou-se ar isento de CO

através de cada amostra durante cerca de três horas.

A co-precipitação de urânio com hidróxido férrico foi efetuada

com base nos resultados experimentais de Kameli (1980), que ava-

liou o efeito no processo das seguintes variáveis: pH, tempo de

repouso, volume da solução e temperatura. O autor analisou 29

amostras de espeleotemas, às quais adicionou

232

U de atividade

aproximadamente igual à do

238

U natural na amostra. Verificou-se

que o melhor rendimento para a recuperação de urânio ocorreu no

intervalo de pH de 6,8 a 8 e para um volume de solução de 5 litros e

não de 15 a 20 litros, pois a exposição do precipitado de Fe(OH)

da solução ao ar favorece a dissolução de CO

e a subseqüente for-

mação de complexos solúveis de carbonato de uranila. Os experi-

mentos permitiram tempos de repouso para a co-precipitação de 1 a

80 horas, sendo considerados mais adequados para o urânio aqueles

variando de 1 a 4 horas. A realização da co-precipitação à tempera-

tura de 70°C auxiliou na coagulação do precipitado gelatinoso de

Fe(OH)

e melhorou o rendimento químico de extração de urânio.

Dessa forma, a cada amostra acidificada e isenta de CO

adicio-

nou-se hidróxido de amônio de maneira a elevar o pH da solução

até 7 ou 8. Nesse pH, o hidróxido férrico precipita de acordo com

esta reação:

O hidróxido férrico flocula rapidamente de uma solução super -

saturada, "arrastando" o urânio em sua precipitação. Kameli (1980)

considerou que os oxi-hidróxidos férricos possuem uma carga

superficial líquida positiva e, assim, uma capacidade catiônica de

absorção. A ligação química do UO

e UO

(OH)

ocorreria, por-

tanto, através do oxigênio e dos grupos hidroxila. Como as amos-

trás de águas subterrâneas envolveram a análise de um volume de

cerca de 20 litros, aguardou-se nesses casos um período de 48-72

horas para o precipitado assentar, retirando-se, então, o sobrena-

dante. Após recuperação do precipitado por centrifugação, efe-

tuou-se sua dissolução em HC1 6M (amostras processadas na

Inglaterra) ou HC1 8M (amostras processadas em Rio Claro), con-

dição que propicia a formação de cloreto de uranila.

O Fe

adicionado à amostra foi separado do urânio através de

extração com solvente orgânico, adicionado em quantidade igual à

do volume de solução existente. A extração foi efetuada em funil de

separação, onde o solvente entra em contato com a fase inorgânica e

o ferro transfere-se para a fase orgânica após vigorosa agitação.

Os métodos empregados para essa separação envolveram a

extração do ferro diluído em HC1 8M com éter (di)isopropílico

(DIPE) e a extração do ferro diluído em HC16M com metil isobutil

cetona(MIBK).

A eficiência de extração do ferro a partir de soluções de HC1

8M por meio de DIPE aumenta com o acréscimo da concentração

de HC1. Embora tenha sido registrada uma eficiência de extração

de 0,99 quando se utilizou HC1 8M (Dodson et al., 1936), experi-

mentos empregando

Fe como traçador mostraram que uma efici-

ência ainda maior foi obtida quando se utilizou HCl 10M (Specker

& Doll, 1956). Nesses experimentos, verificou-se ser suficiente um

tempo de 30 segundos para o equilíbrio entre as fases. A extração

de Fe

a partir de soluções de HC1 6M por meio de MIBK mos-

trou-se ainda mais rápida e efetiva (ibidem), tendo sido considera-

dos adequados tempos de equilíbrio entre 15 e 30 segundos para 15

ml de HC1 contendo até 1 g de ferro.

A camada ácida contendo urânio foi evaporada até secagem e

dissolvida em HC1 9M (amostras processadas na Inglaterra) ou

HC1 8M (amostras processadas em Rio Claro), permanecendo o

urânio na forma dos íons complexos (UO

)

" e (UO

)" e o

ferro residual na forma de íons FeCl

". Para separar o urânio do

ferro residual, do tório e de outros elementos, efetuou-se a passa-

gem da solução ácida em resina de troca iônica.

A reação de troca iônica ocorre em virtude da propriedade que

leva alguns materiais sólidos (trocadores iônicos) a permutarem

íons de mesma carga presentes na fase líquida. Geralmente, os tro-

cadores iônicos empregados são resinas obtidas pela introdução de

grupos ionizáveis numa matriz polímera. Os polímeros, por sua

vez, são substâncias formadas de macromoléculas que apresentam

unidades estruturais que se repetem sucessivamente (monômeros);

aqueles formados a partir de mais de um monômero são chamados

copolímeros. A maioria das resinas de troca iônica é constituída de

um copolímero que emprega os monômeros líquidos estireno e

divinilbenzeno, insolúveis em água. Num reator de copolímero,

uma mistura dessas substâncias é levada ao aquecimento, e os

monômeros se polimerizam em pequenas esferas plásticas sólidas.

A natureza esférica da partícula e a sua distribuição de tamanho são

fixadas nesta etapa do processo de produção. As cadeias poliestirê-

nicas mantêm-se unidas, e origina-se um material com estrutura

reticular tridimensional.

O grau de ligações cruzadas pode ser controlado por meio do

teor de divinilbenzeno, e as resinas em geral contêm de 8% a 12%

de divinilbenzeno (costuma-se dizer 8%-12% de ligações cruzadas).

Neste estágio, o produto é uma esfera plástica sólida insolúvel e,

para obter uma resina trocadora de ânions (resina aniônica), devem

ser introduzidos grupos funcionais de caráter básico na matriz

polímera. A primeira etapa adicional consiste em efetuar uma rea-

ção do copolímero de estireno-divinilbenzeno com éter clorometí-

lico para a formação de um produto intermediário. Realiza-se uma

reação entre esse produto e aminas (bases orgânicas derivadas da

molécula de NH

pela substituição parcial ou total dos átomos de

H por radicais monovalentes derivados de hidrocarbonetos).

A escolha da amina apropriada na etapa final determina o

quanto básica é a resina aniônica - se dimetil amina é usada, o toca-

dor aniônico é "fracamente básico"; e, se trimetil amina é empregada,

o tocador aniônico é "fortemente básico". As resinas aniônicas for-

temente básicas podem ser usadas em situações de baixo e alto pH,

ao passo que as resinas fracamente básicas são restritas a operações

em que o pH é baixo. Os grupos funcionais nas resinas trocadoras

de íons localizam-se no interior e na superfície da matriz de partí-

culas, estando geralmente presente o grupo funcional -N(CH

)

nas aniônicas fortemente básicas. Por ser a forma OH" menos está-

vel acima de 50°C, muitas vezes as resinas aniônicas fortemente

básicas são comercializadas sob a forma de Cl', que se converte facil-

mente em OH" quando se efetua lavagem com solução diluída de

NaOH. Nesse caso, o grupo ativo é representado por -N(CH

)

Cl.

A utilização comercial de resinas de troca iônica na recuperação

de urânio teve um desenvolvimento acentuado logo após 1950,

quando esse elemento foi considerado de importância econômica

vital, e esforços significativos foram realizados para extraí-lo eficien-

temente de minérios de baixo teor. Descobriu-se que tanto em siste-

mas ácidos quanto nos alcalinos se verifica a ocorrência de urânio

sob a forma de complexos aniônicos. Esse fato possibilitou a aplica-

ção das resinas de troca aniônica para concentrar e purificar o urânio.

Na indústria, os principais complexos aniônicos de urânio são

encontrados em soluções ácidas e alcalinas, nas quais os íons ura-

nila (UO

) estão associados com várias espécies como bicar-

bonato [UO

(CO

)

]

, tricarbonato [UO

(CO

)

]

", bissulfato

[UO

(SO

)

]

-2

trissuifato [UO

(SO

)

]

cloreto [UO

(Cl)

]

2-n

etc.

Esses íons negativos são retidos na resina trocadora e subseqüente-

mente eluídos durante o processo de troca.

A taxa pela qual os complexos aniônicos de urânio interagem

com a matriz polímera acrescida de água e efetuam a troca com os

grupos funcionais é importante na cinética de recuperação do urâ-

nio. A proporção de divinilbenzeno em relação a estireno no copo-

límero inicial também afeta a adsorção dos complexos aniônicos de

urânio presentes na solução e sua subseqüente eluição. Idealmente,

a resina deve adsorver seletivamente os complexos de uranila a par-

tir de solução contendo outras espécies aniônicas, necessitando

fazer isso rápida e reversivelmente, de maneira que o urânio possa

ser recuperado por eluição. A capacidade e a cinética de troca de uma

resina são importantes, pois apresentam efeito direto no volume de

resina necessário para se obter determinada quantidade de urânio.

Tradicionalmente, a operação de troca iônica conduzida em

laboratório emprega colunas de vidro contendo placa de vidro sin-

terizado ou torneira de controle da velocidade de fluxo; seu posi-

cionamento é vertical, de maneira que a resina forma um "leito".

Depois que a solução de interesse flui através desse leito, efetua-se

a passagem de um eluente para remover o urânio adsorvido. A

velocidade de fluxo é determinada pelo comprimento da camada

de resina, pela altura do líquido na coluna, pelo tamanho e forma

das partículas da resina e, ainda, pela viscosidade do líquido. Por

exemplo, para uma alta velocidade de fluxo, é preciso utilizar par-

tículas de maior granulação, porém, como isso reduz a capacidade

efetiva de troca da coluna, uma grande quantidade de resina é

requerida para assegurar a troca completa.

Duas resinas aniônicas fortemente básicas foram empregadas

na etapa de troca iônica realizada no decorrer deste trabalho: a

resina Bio Rad AG1-X8 da Bio-Rad Laboratories, para as amos-

tras processadas na Inglaterra, e a resina Rexyn 201 da Fisher Scien-

tific Company, para as amostras processadas em Rio Claro. A

primeira apresenta-se sob a forma de CI', possui porosidade variando

de 100 a 200 mesh e capacidade total de troca de 1,4 mEq/ml. A

segunda apresenta a mesma capacidade de troca, porém sua poro-

sidade varia de 50 a 100 mesh, estando sob a forma iônica OH" [o

grupo ativo é representado pelo radical -N(CH

)

]. Na etapa

de passagem em resina de troca iônica, o urânio está na forma dos

íons complexos (UO

)

e (UO

)

numa solução de HC1 9M

(amostras processadas na Inglaterra) ou HC1 8M (amostras proces-

sadas em Rio Claro). Neste último caso, quando se passa a solução

através da coluna contendo resina previamente acidificada com

HC1 8M, a seguinte reação de troca aniônica ocorre com os íons

complexos de cloreto de uranila:

A resina acidificada com HC1 8M ou HC1 9M retém também o

que está na forma dos íons complexos FeCl

, mas deixa passar

os elementos alcalino-terrosos e o tório. O Fe

pode ser eluído com

HNO

7M, o qual permite que o urânio permaneça retido na

resina. A separação do tório em relação ao urânio nesta fase do pro-

cesso é importante e necessária, pois as energias das partículas alfa

emitidas pelo

234

U e

230

Th são muito próximas, favorecendo a pos-

sibilidade de interferência no pico do

234

U no espectrograma alfa,

caso não ocorra a separação.

Os íons de cloreto de uranila não são estáveis em soluções muito

diluídas de ácido clorídrico, sendo eluídos da coluna com HC1

0,1M, solução que é evaporada até a secagem. As colunas utiliza-

das possuem diâmetro ao redor de 12 mm, e para um volume de 20

ml de resina, empregou-se uma velocidade de escoamento da solu-

ção da ordem de 0,1 cm/min (20 gotas/minuto).

A determinação dos isótopos de urânio por espectrometria alfa

requer a utilização de fontes delgadas contendo o material extraído,

preparadas a partir da deposição uniforme desse elemento. Embora

essas fontes possam ser preparadas pelo emprego de Tenoil Tri-

Fluoraceton (TTA) (Bonotto, 1982, 1986), em muitos casos a ele-

trodeposição é preferível por resultar em fontes homogêneas de

grandes áreas, que permitem a utilização de maiores quantidades

de urânio. No método de evaporação, o urânio pode ser extraído

em igual volume de solução 0.25M de TTA diluído em benzeno e

solução de HNO

0,1M ajustada a pH 3. Esta técnica produz

espectrogramas alfa comparáveis em resolução aos obtidos para as

fontes preparadas por eletrodeposição, se a massa de urânio não for

maior que 38 (Kameli, 1980).

Vários sistemas têm sido descritos para realizar a eletrodeposição

de urânio, em que quantidades pequenas (da ordem de nanogramas)

foram eletrodepositadas, por exemplo, a partir de álcool isopropí-

lico (Ramaniah et al, 1975). Procedimentos para efetuar rápida

deposição molecular de maiores quantidades de urânio também

foram descritos (Parker et al., 1964); neles, o elemento se acumula

em depósitos geralmente espessos e semi-aderentes. A deposição

eletrolítica do urânio em cátodos de alumínio, aço inoxidável ou

platina em meio de oxalato de amônio foi empregada em experi-

mentos que resultaram em rendimentos químicos de extração de

100% a temperaturas entre 80 e 85°C (Laul et al., 1966). Já se des-

creveu também a deposição catódica de urânio em discos polidos

de aço inoxidável a partir de um eletrólito de cloreto de amônio,

empregando-se um fio de Pt como ânodo e submetendo-se a solu-

ção a uma densidade de corrente de 1,2 A/cm

(Irlweck & Sopan-

tin, 1974).

O sistema de eletrodeposição utilizado para processar as amos-

tras na Inglaterra foi Originariamente implantado por Kameli

(1980) e serviu de modelo para a instalação de unidade similar em

Rio Claro, que também se prestou às análises das amostras referen-

tes a este trabalho. A célula de eletrodeposição consiste de um

cilindro de teflon (PTFE - Poli Tetra Flúor Etileno) com uma

flange, o qual é mantido fixo a um disco de aço inoxidável (cátodo)

por dois parafusos e um anel de latão. Quando os parafusos são

apertados, não há saída de líquido entre o cilindro de teflon e o

disco. O ânodo consiste de um fio de platina de 1 mm de diâmetro,

disposto no formato de um núcleo quase helicoidal com um diâme-

tro de 15 mm (área superficial de 565 mm

). O cátodo é um disco

de aço inoxidável de 22,6 mm de diâmetro e 0,27 mm de espessura.

Antes de serem utilizados, os discos devem ser limpos com NaOH

1M quente e, então, com dicloroetileno. Para remover qualquer

óxido presente nos discos, efetua-se tratamento com HC1 3M e,

então, lavagem com água destilada, mantendo-se os discos armaze-

nados em acetona. Durante a eletrólise ocorre a evolução do hidro-

gênio, que é efetiva para misturar a solução, e, portanto, nenhuma

agitação mecânica é necessária.

Os resultados experimentais de Kameli (1980) permitiram ava-

liar o efeito das principais variáveis relacionadas com o processo de

eletrodeposição, definindo os parâmetros utilizados na análise das

amostras. O melhor pH situa-se na faixa de 2,4 a 2,9, e valores

maiores que 3 favorecem a hidrólise do íon uranila para (UO

)

(OH)

, o qual não deposita completamente no cátodo. Como

valores menores que 2,4 efetuam a dissolução do metal eletrodepo-

sitado, optou-se por utilizar esse valor para a realização do pro-

cesso, tanto na Inglaterra quanto em Rio Claro. A concentração do

eletrólito (NH

)

não afeta significativamente o rendimento da

eletrodeposição, de maneira que valores entre 0,5 e 2M podem ser

utilizados, tendo recaído a escolha sobre este último. Quanto à

densidade de corrente, realizaram-se testes para valores entre 120 e

298 mA/cm

, obtendo-se fonte bastante aderente para o maior

valor, ao passo que o menor valor evitou perdas associadas ao

escape do eletrólito; por isso, decidiu-se pela utilização de valor

não muito elevado (cerca de 60-70 mA/cm

), atingido através do

emprego de polarização variando entre 250 e 300 mA. O volume

do eletrólito não é crítico, tendo sido utilizado o valor de 10 ml,

consistentemente empregado nos testes realizados. Fontes de boa

qualidade foram obtidas no intervalo de temperatura de 20 a 80°C,

optando-se por realizar a eletrodeposição na temperatura ambi-

ente, em virtude das facilidades operacionais. O rendimento da

eletrodeposição não se mostrou afetado pela distância entre o

ânodo e o cátodo, variada entre 0,6 e 1,5 cm; assim, para todas as

amostras, fixou-se em 1 cm essa distância, mantendo-se o ânodo

completamente paralelo ao cátodo. Quanto ao tempo de eletrode-

posição, ensaios realizados com 110 de urânio natural mostra-

ram que a maior parte se depositou nos primeiros 30 minutos de

eletrólise, requerendo a deposição restante cerca de 2 a 5 horas.

Para a eletrodeposição das amostras, adicionaram 2,5 ml de

2M ao resíduo seco obtido após a troca iônica e evaporou-se

quase até a secagem, adicionando-se, então, 10 ml do eletrólito

(NH

)

2M. Depois de se transferir a solução para a célula de

eletrodeposição, ajustou-se o pH para 2,4 através de H

OH e a distância ânodo-cátodo para 1 cm. Conduziu-se a ele-

trólise numa corrente constante de 300 mA, aplicada por uma fonte

DC. Nessa circunstância, a tensão na célula de eletrodeposição é de

cerca de 5 V, sendo o tempo de eletrodeposição correspondente a 3

horas. Imediatamente antes de se desligar o circuito, adicionam-se

algumas gotas de NH

OH; em seguida, remove-se o ânodo, lava-se

o disco com água destilada e efetua-se sua secagem sob lâmpada

infravermelha. Convém ressaltar que várias reações ocorrem durante

a realização do processo. Inicialmente, no meio eletrolítico ácido,

verifica-se a evolução do gás hidrogênio no cátodo de ácido inoxi-

dável de acordo com esta reação:

A reação se processa usualmente em dois estágios, envolvendo

uma etapa intermediária em que íons H

são descarregados e áto-

mos de hidrogênio ficam adsorvidos na superfície do cátodo:

Essa etapa prossegue da seguinte maneira:

Na ausência de outras substâncias facilmente oxidaveis, a oxi-

dação da água ocorre no ânodo produzindo tantos íons hidrogênio

quantos são perdidos no cátodo, isto é:

Portanto, se íons facilmente oxidáveis estão ausentes, não ocorre

mudança no pH do eletrólito. Nas proximidades do cátodo, o pH

aumenta em virtude da rápida evolução do hidrogênio e um filme

de hidroxila se forma na interface cátodo/eletrólito pela redução de

átomos ou moléculas de hidrogênio em meio básico ou neutro:

Simultaneamente a essas reações catódicas e anódicas, os íons

uranila (UO

)

são atraídos para o cátodo. Eles são hidrolisados na

região básica próxima ao cátodo, conforme ilustram estas reações:

Esses íons complexos são subseqüentemente depositados no

cátodo, e vários compostos podem ser formados quando são des-

carregados. Por exemplo, um depósito de U

de cor verde-oliva

metálica pode ser formado pela reação:

Fontes de cores que variam de amarelo a laranja ou de marrom a

cinza também podem ser obtidas, estando possivelmente associa-

das à formação de diferentes óxidos. Não é possível ocorrer eletro-

deposição de urânio metálico a partir de um eletrólito aquoso em

razão de seu grande potencial negativo de descarga. Na presença de

outras espécies, a mais provável reação no cátodo é aquela na qual o

potencial de oxidação tem o menor valor negativo.

A espectrometria alfa dos discos preparados foi realizada empre-

gando-se detector semicondutor constituído por um cristal de silí-

cio do tipo N e criando-se, nas vizinhanças da superfície do cristal,

uma junção abrupta, a barreira de superfície. Para tanto, utiliza-

ram-se detectores de Si (Au) da ORTEC Mod. BA-026-450-300

(apresenta 450 mm

de área ativa, 300 de profundidade de

depleção, 26 KeV de resolução no pico de 5,48 MeV do

241

Am,

operando sob polarização reversa de 130 V) e Mod. A-025-200-

100 (possui 200 mm

de área ativa, 100 de profundidade de

depleção, 25 KeV de resolução no pico de 5,48 MeV do

241

Am,

sendo polarizado reversamente por 50 V). Um sistema contendo

seis detectores foi empregado nas medidas conduzidas na Ingla-

terra, ao passo que dois detectores foram utilizados na espectrome-

tria realizada em Rio Claro.

Os aspectos fundamentais envolvendo a descrição da eletrônica

associada e das etapas de calibração, a aquisição e o tratamento dos

dados foram extensivamente apresentados por Bonotto (1982,

1986). A principal diferença verificada na avaliação dos espectros

obtidos pode ser visualizada na Figura 2A, onde se nota que o pico

do traçador

236

U posiciona-se entre os picos do

238

U e do

234

U, ao

passo que o pico do traçador

232

U situa-se após o pico do

234

U. Tam-

bém se observa a sobreposição dos picos do

235

U e do

236

U, porém,

tendo em vista a baixa abundância de

23S

U em relação a

238

U (1/

137,8), correções são necessárias para as amostras de elevada con-

centração de urânio, situação não constatada em nenhum caso

neste estudo.

A técnica de mensuração de

222

A metodologia empregada para a quantificação do

222

Rn nas

soluções lixiviadoras e nas amostras de água foi implantada na

Inglaterra por Zereshki (1983), baseando-se na técnica de emanação

desenvolvida por Lucas (1957). As três etapas básicas do processo

envolvem a remoção do radônio da amostra, a sua transferência

para câmara de cintilação e a detecção do gás pela contagem das

cintilações.

Na primeira etapa, a amostra foi degaseificada pela passagem

de ar como gás de arraste, numa taxa equivalente a 1 litro por

minuto e num volume correspondente a dez vezes o volume da

amostra, conforme apontaram os testes realizados por Zereshki

(1983) e outros usuários do método. A umidade do fluxo de ar con-

tendo radônio foi gradativamente reduzida pelo emprego de

estágios de "secagem", consistindo de um tubo em U imerso em

recipiente com gelo, duas ampolas de 20 cm de comprimento por 3

cm de diâmetro preenchidas com CaCl

de 3 a 8 mesh e dois frascos

Dreschel contendo 300 ml de H

concentrado cada um. O

222

foi absorvido em tubo pyrex em U com 20 cm de comprimento e

5 mm de diâmetro interno, que se encontrava preenchido até mais

da metade com carvão ativado de 18 mesh; o conjunto permane-

cia à temperatura de -76°C, mantida por mistura de CO

sólido e

acetona.

Figura 2A - Espectrogramas alfa típicos de amostras processadas com adição do traça-

dor(a)

236

U ou (b)

232

Na segunda etapa, ocorreu a transferência do radônio absorvido

para câmara de cintilação consistindo de frasco cônico do tipo

Erlenmeyer com capacidade de 50 cm

, vedado com adaptador

pyrex B19 e revestido internamente com ZnS(Ag). Antes da trans-

ferência, a câmara foi evacuada a 0,05 Torr ou menos durante duas

a três horas e, então, conectada ao tubo em U com carvão ativado a

-76°C; manteve-se a outra extremidade do tubo acoplada a um sis-

tema de vácuo, que conduziu o conjunto até uma pressão menor que

0,1 Torr. Uma vez atingida essa pressão, inseriu-se o tubo em U em

forno tipo "poço", mantido a 200°C; depois de 15 minutos, permi-

tiu-se a admissão de um fluxo lento de ar para o sistema através de

uma válvula, até que se atingisse o valor da pressão atmosférica.

A terceira etapa caracterizou-se pela colocação da câmara cinti-

ladora em contato com válvula fotomultiplicadora de 3" de diâme-

tro (EMI modelo 9758 K/B) mantida no interior de ambiente

escuro, isto após o

222

Rn atingir o equilíbrio radioativo com os seus

descendentes de curta meia-vida (3 horas). As partículas alfa emi-

tidas na câmara colidem com a substância cintiladora ZnS(Ag)

ocasionando a emissão de fótons na região do visível e UV (cerca de

4.500 À), os quais são detectados pelo tubo fotomultiplicador, por

sua vez conectado a um sistema eletrônico de contagem (pré-

amplificador, amplificador linear, analisador monocanal e conta-

dor/temporizador). Antes e depois da realização da medida para

cada amostra, procedeu-se à contagem de padrão de

239

Pu de ativi-

dade de 10

dpm, com o propósito de identificar qualquer modifi-

cação na resposta da instrumentação.

Um aspecto que merece destaque refere-se à necessidade de

calibração das câmaras de cintilação, conduzida por intermédio de

soluções padrões de

226

Ra, cada uma com atividade SA correspon-

dente a cerca de 1.000 pCi. Após a solução ter sido armazenada

durante pelo menos 25 dias, procedeu-se à extração e transferência

do radônio para a câmara de cintilação, de acordo com as etapas

descritas. Obtiveram-se a taxa de contagem (Tc) e o desvio padrão

a partir das expressões:

onde N é o número de contagens devido

222

Rn e to é o tempo de contagem da medida.

O número de contagens associado ruído de fundo (N

) das

câmaras também foi determinado, sendo o seu desvio padrão

expresso por:

A atividade real normalizada (An) foi obtida efetuando-se a dife-

rença entre a taxa de contagem Tc e a taxa de contagem do ruído de

fundo Tc

; o desvio padrão foi determinado pela expressão:

A atividade corrigida (Ad) associada ao decaimento do

222

durante o tempo t compreendido entre o início do processo de

extração e o final de realização da medida foi calculada a partir da

equação: Ad = An e , onde é a constante de decaimento do

222

Rn.

O desvio padrão é calculado pela expressão:

, onde se assume que não há erro em e em t.

Finalmente, o parâmetro que representa a calibração da câmara

cintiladora é obtido pela equação:

Assumindo não haver erro na atividade SA do padrão, o desvio

padrão desse parâmetro é fornecido por:

No Quadro 2A constam os resultados experimentais relaciona-

dos com a obtenção desses parâmetros para oito câmaras de cintila-

ção disponíveis para a realização das medidas.

Quadro 2A - Calibração das câmaras de cintilação para avaliação

do teor de

222

Rn nas águas subterrâneas da área cárstica de Mendip

Hills, Inglaterra, e nas soluções lixiviadoras de rochas e solos

utilizadas nos experimentos conduzidos em laboratório

Convém ressaltar que a definição do parâmetro t aplica-se nos

experimentos conduzidos em laboratório, porém, para as amostras

de águas subterrâneas, t corresponde ao intervalo de tempo entre a

coleta da amostra e o final da realização da medida. Além disso, Ap

corresponde à atividade calculada a partir da atividade corrigida

Ad e da calibração do frasco F

, de acordo com a seguinte equação:

O desvio padrão dessa atividade é computado a partir da

seguinte expressão:

Todas estas etapas e os procedimentos utilizados na Inglaterra

foram implantados no Labidro, em Rio Claro, por Lima (1993),

cujo trabalho apresenta de maneira bastante pormenorizada cada

passo analítico envolvido na quantificação do gás nobre ""Rn.

Aquisição dos dados no campo

O monitoramento de temperatura, pH, potencial redox e teor

de oxigênio dissolvido para as águas subterrâneas analisadas nesse

trabalho foi conduzido no próprio local de coleta, uma vez que

esses parâmetros se modificam durante o transporte da amostra ao

laboratório. Os equipamentos utilizados na Inglaterra e em Rio

Claro diferiram quanto aos fabricantes, sendo, contudo, similares

quanto ao princípio de funcionamento. Assim, as descrições a

seguir se baseiam na instrumentação utilizada no Brasil, mesmo

porque foi empregada na análise de um número muito maior de

amostras.

Para a determinação da atividade protônica e eletrônica (pH e

Eh), recorreu-se ao modelo portátil da Digimed DMPH-PV, que

pode ser chaveado para as duas funções e possui conector BNC de

entrada para eletrodos combinados. A medição do pH foi efetuada

potenciometricamente por um eletrodo combinado, portador de

um eletrodo indicador e de um eletrodo de referência, cada um

constituído de uma meia-célula. A meia-célula que corresponde ao

eletrodo de referência gera uma voltagem constante, não depen-

dente do pH, e a que corresponde ao eletrodo indicador é constitu-

ída por um eletrodo de vidro, cuja membrana tem geralmente a

forma de um bulbo e é fabricada a partir de um vidro de composi-

ção controlada, com a propriedade de sofrer modificação superfi-

cial da estrutura pelo contato com uma solução aquosa; tudo se passa

como se a água da solução transformasse a camada externa do vidro,

inicialmente dura e compacta, numa película hidratada do tipo gel

extremamente fina, a qual permite a penetração dos íons H

e, con-

seqüentemente, o aparecimento de uma voltagem que é função

linear do pH. Soluções tampões de pH 4,7 ou 10 foram utilizadas

para calibração do medidor, ou seja, ajuste da inclinação da reta

mV versus pH.

A mensuração do potencial redox foi realizada pelo emprego de

eletrodo metálico de platina, combinado. Por intercâmbio de elé-

trons com o sistema redox a medir, o eletrodo recebe tensão igual

ao potencial eletroquímico do sistema. Como o intercâmbio de elé-

trons entre o sistema e o eletrodo só ocorre livremente nos sistemas

redox reversíveis, aqueles caracterizados por reação química em

solução que resultam, por exemplo, na evolução de um gás ou na

formação de precipitado, são inadequados para uma medição

redox. Assim, o valor do potencial redox transmitido pelo eletrodo

informa apenas sobre o estado do equilíbrio do sistema, ou seja,

sobre as proporções relativas das formas oxidadas e reduzidas. Para

a leitura efetuada na amostra possuir algum significado, é necessá-

rio corrigi-la com a medida do potencial de solução contendo um

par redox estável e conhecido, prestando-se a esse propósito aquela

sugerida por Zobell (1946), que consiste de KC1 0,1M e quantida-

des equimolares de K

Fe(CN)

e K

Fe(CN)

. Nordstrom (1977)

avaliou a relação entre o potencial redox dessa solução e a tempera-

tura, encontrando uma forte dependência linear entre esses parâ-

metros até cerca de 60°C, porém, para temperaturas maiores que

esta, constatou que uma equação de segunda ordem se ajusta

melhor aos dados. No Quadro 3A estão expressos os valores pre-

vistos pelas equações propostas por Nordstrom (1977) para o

potencial redox Eh da solução de Zobell e para o potencial de meia-

célula (fern) do eletrodo de referência de Ag/AgCl em solução

saturada de KC1. O procedimento utilizado no campo para as

determinações de Eh consistiu em selecionar a escala mV no medi-

dor portátil, introduzir o eletrodo combinado de Pt em solução de

Zobell preparada no laboratório, adicionar o potencial medido ao

potencial do eletrodo de referência de Ag/AgCl na temperatura da

leitura e anotar a diferença entre o Eh medido e o valor esperado,

registrado no Quadro 3A; essa diferença foi adicionada (se o Eh

medido foi menor que o esperado) ou subtraída (se o Eh medido foi

maior que o esperado) do valor determinado para cada amostra de

água, e correções também foram realizadas para levar em conta a

diferença entre a temperatura da amostra de água e a temperatura

da solução de Zobell.

Quadro 3A - Variação com a temperatura dos valores da fem e de Eh

continuação

T(ºC)

fern (mV)

257

254

251

248

245

242

239

236

233

232

230

227

224

221

218

215

211

208

205

202

199

195

(mV)

472

467

462

457

453

448

443

438

433

430

428

423

418

416

407

402

397

393

386

381

376

370

T(°C)

100

fern (mV)

179

176

172

169

165

162

159

155

152

148

145

141

138

134

130

127

122

120

116

112

109

105

(mV)

343

338

332

326

321

315

309

304

298

292

286

280

275

269

263

257

251

245

239

233

226

220

A determinação de oxigênio dissolvido foi efetuada com equi-

pamento portátil da Analion, consistindo de sensor e indicador

analógico, respectivamente, Modelos 5920 e 0X900. O sensor

apresenta um corpo cilíndrico cujo eixo central é um cátodo de

ouro, o qual é circundado por um ânodo de prata; uma solução ele-

trolítica de AgCl preenche a cavidade entre os dois eletrodos,

sendo retida por uma membrana transparente de teflon, a qual é

mantida fixa na extremidade do sensor por meio de um anel de

vedação. O sensor está equipado com um termistor, que possibilita

a mensuração da temperatura da água; sua operação baseia-se no

princípio polarográfico, pelo qual a resposta ao oxigênio se dá pro-

porcionalmente à pressão parcial do gás dissolvido na água. Dois

pontos são necessários para a sua calibração: o primeiro, o ponto

"zero", é obtido mergulhando-se o sensor em solução recém-pre-

parada de Na

1%, enquanto o segundo é obtido mergu-

lhando-se o sensor em frasco contendo água destilada, mantida sob

agitação para ocorrer aeração. Para a fixação do segundo ponto, é

necessário determinar a temperatura da água destilada e recorrer à

tabela que consta em APHA (1985) para a dependência com a tem-

peratura do teor de oxigênio dissolvido (em mg/l) em água desti-

lada no nível do mar. Como na situação mais freqüente a medida

da amostra não é realizada no nível do mar, um fator de correção

adicional é utilizado para levar em conta a pressão atmosférica (ou

a altitude) do local. O Quadro 4A exibe os fatores de correção

empregados; em que se nota que eles diminuem à medida que a

altitude aumenta. Essa diminuição é prevista pela Lei de Halley,

que estabelece que a pressão, numa atmosfera isotérmica, decresce

exponencionalmente com a altitude, caindo a 37% de seu valor ini-

cial no nível do mar em uma altitude correspondente a 8,4 km, con-

forme determinado pela equação (Nussenzveig, 1983):

onde h é a altitude, Pa é a pressão atmosférica no nível do mar, é

a densidade do ar a 15°C e no nível do mar e g é a aceleração da

gravidade.

Quadro 4A - Fator de correção da pressão

atmosférica de acordo com a altitude

Altitude

(m)

165

333

514

693

873

1.036

1.244

1.450

1.647

1.849

2.056

2.268

2.501

2.725

2.955

3.192

3.436

Pressão

(mmHg)

760

745

730

714

699

684

669

654

638

623

608

593

578

562

547

532

517

502

Fator de

correção

1.00

0.98

0,96

0,94

0,92

0,90

0,88

0,86

0,84

0,82

0,80

0,78

0,76

0.74

0,72

0,70

0,68

0,66

SOBRE O LIVRO

Formato: 14 x 21 cm

Mancha: 23,7 x 42,5 paicas

Tipologia: Horley Old Style 10,5/14

Papel: Offset 75 g/m

(miolo)

Cartão Supremo 250 g/m

(capa)

V edição: 2004

EQUIPE DE REALIZAÇÃO

Coordenação Geral

Sidnei Simonelli

Produção Gráfica

Anderson Nobara

Edição de Texto

Nelson Luís Barbosa (Assistente Editorial)

Armando Olivetti (Preparação de Original)

Ada Santos Seles e

Carlos Villarruel (Revisão)

Editoração Eletrônica

Lourdes Guacira da Silva Simonelli (Supervisão)

Edmilson Gonçalves (Diagramação)

Impressão e Acabamento

na Gráfica Imprensa da Fé

Daniel Marcos Bonotto é físico, especializado em abordagens hidro-

geoquímicas envolvendo os radioelementos naturais. É doutor

pela Universidade de São Paulo, pós-doutorado pela Universida-

de de Bath, Inglaterra e livre-docente pelo Instituto de Geociências

e Ciências Exatas - IGCE-UNESP, de Rio Claro-SP onde leciona

Geoquímica e outras disciplinas para graduandos em Geologia

e pós-graduandos em Geociências.

Este livro é de grande importância do ponto de vista do

estudo da qualidade das águas, já que a radioatividade é um

parâmetro que não pode ser descartado quando se busca uma

apropriada gestão dos recursos hídricos. Os descendentes da série

de decaimento do urânio investigados são o

234

U e o

222

Rn que,

apesar de possuírem meias-vidas muito diferentes, constituem

ferramentas extremamente importantes em hidrologia isotópica.

O autor estuda a presença de

238

234

U e

222

Rn na natureza

e a sua transferência de rochas e solos sob condições controla-

das de laboratório. Enfoca ainda os mecanismos de enriquecimen-

to de

234

U em águas subterrâneas de Aqüífero Cárstico, a disso-

lução de urânio em granitos e solos e mecanismos de transferência

222

Rn para as águas.

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