PAULO EDUARDO LOCATELLI
AVALIAÇÃO DE MÉTODOS PARA CORRELAÇÃO ENTRE MORFOESTRUTURAS SUPERFICIAIS E ANOMALIAS MAGNÉTICAS EM PROFUNDIDADE COM BASE
EM SENSORIAMENTO REMOTO E AEROGEOFÍSICA
CAMPINAS 2014
NÚMERO: 490/2014 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS
PAULO EDUARDO LOCATELLI
AVALIAÇÃO DE MÉTODOS PARA CORRELAÇÃO ENTRE MORFOESTRUTURAS SUPERFICIAIS E ANOMALIAS MAGNÉTICAS EM PROFUNDIDADE COM BASE
EM SENSORIAMENTO REMOTO E AEROGEOFÍSICA
ORIENTADOR: PROF. DR. CARLOS ROBERTO DE SOUZA FILHO
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO APRESENTADA AO INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS DA UNICAMP PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM GEOCIÊNCIAS NA ÁREA DE GEOLOGIA E RECURSOS NATURAIS
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO PAULO EDUARDO LOCATELLI E ORIENTADA PELO PROF. DR. CARLOS ROBERTO DE SOUZA FILHO
CAMPINAS 2014
Agradecimentos
Agradeço aos meus pais pelos valores ensinados, por todo apoio e pelo incentivo ao estudo que me permitiram chegar até aqui. E a minha tia Fátima por toda ajuda ao longo destes anos.
Agradeço ao meu orientador, Carlos Roberto de Souza Filho, pelos ensinamentos, pela confiança e também pela paciência.
Aos professores Emilson Pereira Leite e Wagner da Silva Amaral do IG pelas valiosas sugestões na banca de qualificação, que ajudaram no aprimoramento deste trabalho. E aos professores Francisco José Fonseca Ferreira da UFPR e, novamente, professor Wagner Amaral, pelas contribuições para a melhoria do trabalho final.
A todos os alunos e amigos da sala 15 pela convivência, cafés, conversas e momentos de descontração, mas principalmente aos que estiveram mais presentes neste período: José, Fábio, Bruno, Matheus, Ethiane, Juliano e Rogério.
Aos amigos da pós-graduação e frequentadores assíduos dos cafés da sala 15: Danilo, Gustavo, Marco, Emanuel, Juanita, Anderson, Flávia e Camila, pelas ótimas conversas.
Aos amigos que estiveram mais próximos durantes este período: Danilo, Rogério, José, Eric, Francisco, Joaquim, Omar, Samuel, Amarildo e Renan pela convivência de vocês, pelas inúmeras ajudas, parcerias e também pelas conversas acompanhadas de uma cerveja.
À Juliana Martins pela fiel companhia, pelo apoio nos momentos mais difíceis e por sempre me incentivar.
A Unicamp e ao Instituto de Geociências, e as pessoas que dão vida a estas instituições, pela minha formação e por todas as experiências que pude vivenciar neste período. E a todos os funcionários da Secretaria de Pós-graduação pelo suporte, em especial a Valdirene e a Gorete.
“Imagination will often carry us to worlds that never were, but without it we go nowhere.” (Carl Sagan)
SÚMULA CURRICULAR
Paulo Eduardo Locatelli
É formado em geologia (2010) pela Universidade Estadual de Campinas, onde se especializou em sensoriamento remoto e processamento de imagens aplicados à área de prospecção mineral, mais especificadamente a métodos de detecção e qualificação de exsudações oceânicas de hidrocarbonetos utilizando imagens multiespectrais.
Profissionalmente, atuou como geólogo (2011) na GEOKLOCK Consultoria e Engenharia Ambiental, em diferentes projetos de investigação, remediação e monitoramento ambiental de áreas contaminadas.
Ingressou no programa de pós-graduação em Geociências, nível mestrado, na Universidade Estadual de Campinas (2012). Ainda atuando na mesma área, o projeto de mestrado englobou estudos na área de sensoriamento remoto, GIS, geofísica e processamento de imagens aplicados na identificação de estruturas geológicas. Se especializou em técnicas de realce relevo, uso de variáveis morfométricas na identificação de lineamentos, e técnicas de processamentos digitais em dados magnéticos. Trabalhou também com diversos produtos derivados de modelos digitais de elevação, imagens multiespectrais e dados de aerolevantamentos magnéticos.
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS
AVALIAÇÃO DE MÉTODOS PARA CORRELAÇÃO ENTRE MORFOESTRUTURAS SUPERFICIAIS E ANOMALIAS MAGNÉTICAS EM PROFUNDIDADE COM BASE EM SENSORIAMENTO REMOTO E AEROGEOFÍSICA
Dissertação de Mestrado Paulo Eduardo Locatelli
RESUMO
A extração automática de feições lineares a partir de técnicas de processamento digital de imagens atualmente é uma ampla possibilidade em Geociências, permitindo a interpretação de lineamentos e reconhecimento de padrões em fotos aéreas e imagens de satélite. Entretanto, o que ainda predomina é a extração dessas feições de forma manual, o que geralmente se traduz como um trabalho demorado, sujeito à experiência do usuário e critérios subjetivos. A extração e interpretação de feições lineares auxiliada por algoritmos e métodos computacionais permite acelerar o processo e reduzir a subjetividade inerente ao método manual. Nesse sentido, diferentes algoritmos têm sido propostos com a finalidade de otimizar o processo de detecção destas feições. Em Geociências, feições lineares geralmente estão associadas a elementos da estrutura geológica, como zonas de falha, famílias de fraturas, enxames de diques e cinturões de cisalhamento. A identificação dessas estruturas é essencial na exploração mineral e de hidrocarbonetos, entre outras áreas. No entanto, a identificação de lineamentos em superfície não garante a existência de correlação com estruturas geológicas em profundidade. Neste contexto, este trabalho utiliza a região de Serra Leste, Carajás (PA), como área teste para verificar a recorrência de um lineamento, em diferentes fontes de dados, no sentido de ponderar a sua relevância geológica em níveis crustais diversos. Os dados empregados no trabalho incluem: (i) modelos digitais de elevação (MDEs) extraídos de dados óticos (ASTER) e de micro-ondas na banda-C (SRTM), (ii) imagens multiespectrais orbitais, e (iii) produtos gerados a partir de dados aerogeofísicos (magnetometria). Aos MDEs foram aplicados algoritmos de extração automática de lineamentos e técnica de realce das feições morfoestruturais. Aos dados aeromagnéticos foram aplicados (i) métodos de realce das anomalias magnéticas; (ii) deconvolução de Euler e (iii) métodos de inversão para se obter o modelo de susceptibilidade magnética. Os resultados obtidos indicam que mapas de declividade, gerados a partir dos MDEs, são produtos singulares para extração otimizada de lineamentos com base em programas semiautomáticos. Os produtos aeromagnéticos indicam uma grande coerência entre anomalias magnéticas realçadas, independente de uso de métodos direto ou inverso de processamento. Entretanto, a comparação entre as anomalias magnéticas em profundidade e lineamentos superficiais marcados por feições do relevo mostra significativa decorrelação. Essa constatação tem impacto importante sobre o uso de mapas estruturais foto-interpretados ou gerados automaticamente na exploração mineral e petrolífera.
UNIVERSITY OF CAMPINAS INSTITUTE OF GEOSCIENCE
EVALUATION OF METHODS FOR CORRELATION ANALYSIS BETWEEN MORPHOSTRUCTURES AND MAGNETIC ANOMALIES BASED ON REMOTE
SENSING AND AIRBORNE GEOPHYSICS Master’s Degree Thesis
Paulo Eduardo Locatelli
ABSTRACT
The automatic extraction of linear features by digital image processing techniques has been showing a wide range of possibility in Geosciences allowing the interpretation of lineaments and pattern recognition in aerial photos and satellite images. However, there is still a predominance of manual extraction of these features, which usually is a time consuming job and subject to expertise and subjective criteria. The extraction and interpretation of linear features when aided by computational methods and algorithms can speed up the process and reduce the subjectivity inherent to the manual process. In this sense, several algorithms have been proposed in order to optimize the detection process of these features. In geosciences, linear features are commonly related with geological structure elements, such as fault or shear zones, fractures families and dyke swarms. The identification of these structures is essential to mineral and hydrocarbons exploration, among other areas. However, the identification of surface lineaments does not ensure correlation with in-depth geological structures. In this context, this work uses Serra Leste region, in Carajás Province, Pará State, Brazil, as a testing area to check the recurrence of lineaments in different data sources in order to assess its geological significance in several crustal levels. The data used in this study include: (i) digital elevation models (DEMs) extracted from the optical data (ASTER) and in the microwave C-band (SRTM), (ii) orbital multispectral images, and (iii) products generated from airborne geophysics (magnetometry). Algorithms for automatic extraction of lineaments and technical enhancement of morphostructural features were applied to the DEMs. With regard to the magnetic data, the flowing techniques: (i) methods for enhancement of magnetic anomalies, (ii) Euler deconvolution and (iii) inversion methods to recover susceptibility model. The results indicate that slope maps, generated from the DEMs, are unique products for an optimized lineament extraction using semi-automated methods. The magnetic products display a wide coherence between enhanced magnetic anomalies, independent of the use of direct or inverse processing methods. Nonetheless, the comparison between the magnetic anomalies at depth and surface lineament, marked by relief features, shows no significant correlation. This finding has important impact on the use of photo-interpreted structural maps or automatically generated in mineral and oil exploration.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1 Apresentação ... 1
1.2 Objetivos ... 3
1.3 Localização da área de estudo ... 3
2. CONTEXTO GEOLÓGICO ... 5
2.1 Contexto geológico regional ... 5
2.2 Geologia da área de Serra Leste ... 8
2.2.1 Evolução tectono-estrutural ... 9 2.2.2 Metalogênese ... 10 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 11 3.1 Interpretação de lineamentos ... 11 3.2 Extração de lineamentos ... 12 3.3 Drenagem ... 13 3.4 Geomorfometria ... 15 3.5 Magnetometria ... 17 3.6 Inversão magnética ... 21 4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 23 4.1 Base de dados ... 23 4.1.1 MDE - Topodata ... 23 4.1.2 ASTER ... 23 4.1.3 Landsat 8 ... 23 4.1.4 Dados aeromagnéticos ... 24
4.1.5 Pré-processamento dos dados magnéticos ... 25
4.2 Métodos e Processamentos ... 26
4.2.1 Relevo sombreado... 26
4.2.2 Extração de drenagens ... 27
4.2.3 Extração de lineamentos ... 28
4.2.4 Segmentação das principais anomalias magnéticas. ... 29
4.2.5 Extração automatizada de lineamentos magnéticos ... 29
4.2.6 Deconvolução de Euler e parâmetros utilizados ... 30
4.2.7 Interpolação das soluções de Euler ... 31
4.2.8 Inversão 3D a partir de dados magnéticos ... 32
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 34
5.1 Realce de relevo e lineamentos morfológicos ... 34
5.2 Padrões de drenagem ... 41
5.2.1 Mapas de anomalias magnéticas ... 44
5.3.1 Extração de lineamentos automatizada ... 46
5.3.2 Lineamentos magnéticos identificados por método de realce ... 48
5.4 Mapas de profundidades das anomalias magnéticas ... 50
5.5 Mapa das soluções de Euler ... 52
5.6 Correlações das anomalias magnéticas com anomalias morfoestruturais .. 54
5.7 Inversão 3D a partir de dados magnéticos ... 60
6. CONCLUSÕES ... 62
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Localização da área de estudo em relação aos limites municipais da região. ... 4
Figura 2. Mapa da Província Mineral de Carajás, o retângulo em destaque indica a área de estudo, localizada na porção leste do Domínio Carajás ... 6
Figura 3. Mapa geológico da região de Serra Leste ... 8
Figura 4. Propriedades e níveis de classificação da rede de drenagens (Soares & Fiori, 1976) ... 14
Figura 5. Blocos esquemáticos ilustrando os tipos de curvatura vertical e horizontal. ... 15
Figura 6. Aspecto das variáveis geomorfométricas extraídas do MDE-Topodata, exemplificado utilizando uma região da área de estudo: (a) relevo sombreado; (b) declividade do terreno, onde pixels claros representam alta declividade; (c) curvatura vertical; (d) curvatura horizontal. Nas imagens de curvatura, tanto vertical quanto horizontal, pixels claros representam superfícies convexas e os escuros superfícies côncavas. ... 16
Figura 7. Principais métodos de realce de anomalias magnéticas e gravimétricas (Ferreira et al., 2010). ... 20
Figura 8. Distribuição das 9 bandas do sensor OLI, Landsat 8 dentro do espectro eletromagnético. ... 24
Figura 9. Mapa do campo magnético anômalo micronivelado ... 26
Figura 10. Relevo sombreado do MDE-Topodata, iluminação: 315º e inclinação 45. ... 34
Figura 11. Fluxograma indicando a variáveis geomofométricas utilizadas para realçar o relevo e respectivos valores de transparência aplicados a estas camadas. ... 36
Figura 12. Realce das feições estruturais a partir da fusão de relevo sombreado de iluminação difusa (315º, 0º e 45º), com a declividade e curvatura vertical. ... 37
Figura 13. Lineamentos extraídos pelo algoritmo LINE a partir de mapas de relevo sombreado (RS) com iluminação em 3 azimutes diferentes: 315º, 0º e 45º. Na linha superior da figura são apresentados os lineamentos sobrepostos ao RS; na central, os lineamentos isolados e na linha inferior os histogramas de frequência das direções dos lineamentos. ... 39
Figura 14. Comparação entre lineamentos extraídos pelo mapa de declividade e pelo hillshade: (A) mapa de declividade com lineamentos extraídos destacados, (B) lineamentos extraídos da declividade e (C) total de lineamentos extraídos do relevo sombreado em 3 diferentes direções, representadas pelas cores: verde (315º), vermelho(0º) e azul (45º). Os histogramas de frequência da direção dos lineamentos dos quadros (B) e (C) estão representados nos quadros(D) e (E), respectivamente. ... 40
Figura 15. Rede drenagem extraídas a partir do MDE ASTER-GDEM ... 41
Figura 16. Rede de drenagem extraída sobreposta a imagem Landsat 8 RGB ... 42
Figura 17. Mapa geológico da área sobre relevo sombreado do terreno, com rede de drenagem extraída indicada em azul. ... 43
Figura 18. Mapas de realce dos dados aeromagnéticos após aplicação de filtro de continuação para cima de 100 metros: (A) campo anômalo micronivelado, (B) ASA, (C) GHT, (D) ISA, (E) GHT-ISA e (F) ISA-GHT ... 45
Figura 19. Lineamentos magnéticos extraídos representados por traços em preto sobre mapa falsa cor do campo magnético anômalo filtrado desvio padrão (janela de 5x5 células) ... 47 Figura 20. Lineamentos magnéticos interpretados sobre mapa falsa cor do gradiente horizontal total do campo anômalo magnético. ... 48 Figura 21. Correlação de lineamentos magnéticos interpretados com anomalias de relevo. Interpretação pelo ISA-GHT do campo anômalo após continuação para cima de (A) 100 m e (D) 500m, lineamentos magnéticos respectivos isolados na figuras (B) e (E) e sobrepostos ao relevo sombreado (azimute Norte, elevação de 45º) nas figuras (C) e (F). ... 49 Figura 22. Mapas da ISA-GHT do campo magnético anômalo a partir de diferentes valores de continuação para cima: (A) dado original - sem continuação para cima, (B) 100 metros, (C) 200 metros e (D) 500 metros. ... 51 Figura 23. Mapa dos lineamentos extraídos das anomalias de maior magnitude do realce ISA-GHT em diferentes valores de continuação para cima: (A) 100 metros, (B) 200 metros, (C) 500 metros ... 52 Figura 24. Soluções de Euler considerando IE(1), tolerância (5%) e Janela (20x20) sobre mapa do ISA-GHT de continuação ascendente de 100m ... 53 Figura 25. Soluções de Euler representadas em 3 dimensões. ... 53 Figura 26. Realce da ISA-GHT (continuação para cima de 200m) sobre revelo sombreado MDE-Topodata. ... 54 Figura 27. Principais correspondências entre os lineamentos magnéticos, indicados em azul, extraídos dos valores máximos da ISA-GHT (continuação para cima de 100m) e morfoestruturas do relevo (iluminante de direção norte e a elevação de 45º) ... 55 Figura 28. Em destaque no retângulo preto, área teste escolhida para interpolação das soluções de Euler utilizando curvatura mínima. No mapa são exibidas Soluções de Euler (IE= 1, tolerância de 5% e Janela de 20x20) sobre mapa do ISA-GHT de continuação ascendente de 100m. ... 57 Figura 29. Superfícies de curvatura mínima geradas a partir das soluções de Euler obtidas para diferentes valores de continuação para cima: (A) dado original sem continuação para cima; (b) continuação ascendente (CA) de 200 m; (C) CA de 300m; (D) soma das soluções obtidas dos dados originais com os dados das CAs de 100, 200 e 300 metros. As figuras inferiores correspondem à representações em perspectiva tridimensional dos quadros (A) e (D.) ... 58 Figura 30. Superfície da curvatura mínima disposta sobre o relevo sombreado em 3 vistas distintas: no topo esquerdo em Nadir, (P1) perspectiva para NE (P2) perspectiva para NW. As superfícies apresentam exagero vertical de 2x. No canto direito superior somente relevo sombreado para efeito de comparação. ... 59 Figura 31. Modelo 3D de susceptibilidade magnética produzido por inversão dos dados magnéticos: (A) localização da área teste no retângulo em preto, (B) No topo MDE com projeções das soluções de Euler em preto, no meio campo anômalo magnético utilizado na inversão e em baixo voxels de susceptibilidade obtidos, (C) exibição apenas dos maiores valores de susceptibilidade, (D) com corte plano horizontal na profundidade de -50 metros e projeção das soluções de Euler em preto, (E) corte na profundidade de -500 metros e (F) em corte plano vertical N-S ... 61
1. INTRODUÇÃO
1.1 Apresentação
No mapeamento geológico tradicional, estruturas identificadas e cartografadas in situ são utilizadas como evidências para interpretação do acervo estrutural local e regional.
Com a disponibilidade de imagens de Sensoriamento Remoto com cobertura sistemática foi possível obter-se uma visão sinóptica e abrangente da superfície terrestre. Uma diversidade de feições geológicas contidas nessas imagens passaram a ser interpretadas como análogas às estruturas observadas no campo.
Muitas dessas feições têm sido utilizadas para interpretação estrutural regional, sem no entanto serem verificadas in situ no campo ou a partir de algum outro tipo de dado. Desta forma, ocorrem lapsos importantes na análise estrutural regional de terrenos deformados. Na medida em que uma estrutura é traçada num mapa exclusivamente com base em interpretação foto-geológica, é praticamente impossível determinar se um acervo estrutural cartografado na camada mais superficial da crosta, exposta, tem correlação, equivalência ou continuidade com estruturas em profundidade. Desse modo, a qualificação das estruturas e a análise de seu arranjo em diferentes níveis crustais ficam comprometidos.
O uso de Sistemas de Informações Geográficas (SIG) permite a sobreposição de diferentes tipos de dados em um mesmo mapa, sejam eles topográficos, geológicos, multiespectrais, geofísicos e geoquímicos. O empilhamento e fusão destes dados possibilita uma análise integrada das informações disponíveis numa determinada área de estudo.
Uma vez verificada a existência de correlação espacial entre os diferentes tipos de dados, sendo esta causal, pode-se utilizar os dados mais acessíveis para fazer inferências sobre dados mais restritos. Em prospecção mineral, por exemplo, ferramentas de SIG correlacionam dados e servem de suporte quantitativo (estatístico) para a tomada de decisões.
Além da localização superficial, as bases de dados utilizadas podem estar atreladas a uma determinada profundidade, ou seja, com localizações tridimensionalmente estabelecidas, como no caso de perfis de sondagens e linhas sísmicas. Na medida em que diferentes camadas de dados representam diferentes profundidades da superfície investigada, a compilação destes dados permitirá verificar se existe correlação entre as estruturas observadas.
Nas situações onde ocorre essa correlação, ainda não há um consenso sobre a possibilidade de uso de dados aerogeofísicos (magnetometria) visando qualificar o tipo de estrutura que ocorre em superfície, distinguindo, por exemplo, zonas de cisalhamento e fraturas e outras estruturas frágeis simples.
No Brasil, as primeiras e mais bem sucedidas tentativas de se estabelecer uma lógica de interpretação em fotogeologia foram divulgadas em cursos apresentados na década de 1970 por Max Guy e Jean Claude Rivereau (Rivereau, 1972). A partir destes conceitos, anos mais tarde, Soares & Fiori (1976) sistematizaram uma lógica para análise e interpretação de fotos aéreas, voltada para interpretação morfoestrutural, baseada principalmente na observação de padrões texturais e de drenagem. Os métodos estabelecidos por Soares & Fiori (1976) foram utilizados, por muito tempo, como um dos principais meios de inferência de estruturas geológicas a partir de análise morfométrica de relevo.
No entanto, o avanço de ferramentas computacionais, software mais sofisticado e de fácil manuseio e hardware a preços mais acessíveis, aliados a maior disponibilidade de imagens de sensoriamento remoto e de dados geofísicos, facilitaram a realização de análises qualitativas e estatísticas. Estes avanços tornaram limitados, senão obsoletos, os métodos de análise puramente manuais e visuais. Nesse contexto, numerosas alternativas para definição de arranjos estruturais em profundidade, que contemplem essa maior disponibilidade de dados e ferramentas computacionais, têm sido propostas.
Atualmente, entre as ferramentas mais robustas para análise estrutural em profundidade, está a sísmica 3D e 4D, utilizada principalmente na indústria petrolífera. Embora seja uma técnica consolidada, sua aquisição terrestre é lenta, onerosa e requer acesso direto ao local de estudo, que pode ser limitado. Outra ferramenta hoje bastante utilizada e difundida, função do aumento do poder computacional, é a modelagem tridimensional de corpos geológicos, que utiliza técnicas de inversão geofísica. Esse tipo de processamento pode demandar clusters computacionais para sua execução em tempo reduzido. Os serviços de computação em nuvem podem permitir que tal processamento de alto desempenho fique acessível a um maior número de usuários, sem necessidade de aquisição e instalação de uma grande infraestrutura computacional particularizada, como ainda acontece muito no Brasil quando é necessário realizar este tipo de tarefa.
1.2 Objetivos
A região de Serra Leste, situada na porção oeste da Província Mineral de Carajás, apresenta trama estrutural e arcabouço geológico complexos, além de expressão morfoestrutural pronunciada, onde se destacam desde zonas de cisalhamento dúctil a falhas de natureza rúptil. Estas feições superficiais de grande evidência são utilizadas para amparar hipóteses sobre a evolução tectono-estrutural da região, muitas vezes partindo-se da premissa da continuidade vertical entre feições superficiais e sua equivalência em profundidade.
Neste contexto, este trabalho objetiva avaliar métodos indiretos para verificar a existência de correlação entre expressões morfoestruturais de superfície e estruturas inferidas em profundidade. Para tanto, a pesquisa aborda a análise integrada de dados de sensoriamento remoto e aeromagnetométricos. Entre os objetivos específicos destacam-se os seguintes:
1. Identificação e extração de lineamentos superficiais;
2. Analise de anomalias morfoestruturais, interpretadas em rede hidrográfica ou em lineamentos morfoestruturias;
3. Detecção da geometria e posição das estruturas magnéticas por diferentes métodos de realce de anomalias;
4. Identificação dos lineamentos magnéticos, suas estimativas de profundidade e das principais direções;
5. Verificação da posição das fontes magnéticas e suas profundidades através de deconvolução de Euler;
6. Avaliação de correlação de estruturas magnéticas inferidas com lineamentos superficiais.
1.3 Localização da área de estudo
A área de estudo, com aproximadamente 700 km², está situada a sul do município de Marabá, a leste de Parauapebas, a oeste de Eldorado dos Carajás e predominantemente dentro dos limites do município de Curionópolis. O acesso rodoviário à área pode ser feito através da PA-275, a partir dos munícipios de Parauapebas ou de Eldorado dos Carajás (Figura 1a). A área de estudo apresenta feições morfoestruturais de destaque na porção leste da região de Carajás (Figura 1b).
Figura 1a. Localização da área de estudo em relação aos limites municipais da região.
Figura 1b. Mapas de relevo sombreado da região de Carajás produzidos a partir de dados SRTM com área de estudo indicada no retângulo em destaque; (A) Relevo sombreado com azimute de iluminação em 45º, (B) realce do relevo utilizando dados de declividade e curvatura vertical.
2. CONTEXTO GEOLÓGICO
2.1 Contexto geológico regional
A Província Mineral de Carajás (PMC), formada no Mesoarqueano e tectonicamente estabilizada no Neoarqueano, localiza-se na porção sul do Cráton Amazônico, compreendendo seu núcleo crustal mais antigo (Figura 2). A PMC é uma das províncias minerais mais relevantes do mundo, hospedando importantes depósitos de classe mundial que incluem depósitos de ferro, manganês, ouro, níquel, cobre e platinóides. Essa província é dividida em dois blocos tectônicos: o Domínio Rio Maria, a sul e o Domínio Carajás, a norte (Santos, 2003; Vasquez et al., 2008a), separados por uma descontinuidade E-W denominada de Subdomínio de Transição (Dall’Agnol et al., 1997 e 2005; Feio, 2011).
O Domínio Carajás, onde se localiza Serra Leste, apresenta embasamento Meso-Arqueano composto pelos gnaisses tonalíticos a trondhjemíticos e migmatitos do Complexo Xingú (2.974±15 Ma, U-Pb em zircão, Machado et al. 1991) e granulitos do Complexo Pium, com idades de cristalização de 3.002±15 Ma (U-Pb em zircão, Pidgeon et al., 2000). Dados geocronológicos mostram que o processo de migmatização do Complexo Xingu (2.859±2 Ma e 2.860±2 Ma; U-Pb em zircão, Machado et al., 1991) e de granulitização do Complexo Pium (2.859±9 Ma; U–Pb SHRIMP em zircão, Pidgeon et al., 2000) são contemporâneos. Estudos recentes caracterizaram granitóides mesoarqueanos variavelmente deformados relacionados a três eventos tectono-magmáticos anteriormente atribuídos ao Complexo Xingu (Moreto et al. 2011; Feio et al. 2013).
As rochas do embasamento são sobrepostas pelas sequências metavulcano-sedimentares do Grupo Rio Novo (Hirata et al., 1982) e do Supergrupo Itacaiúnas (Wirth et al., 1986; Docegeo, 1988; Machado et al., 1991). O Grupo Rio Novo compreende metavulcânicas, metagabros e metagrauvacas (Hirata et al. 1982). O Supergrupo Itacaiúnas é divido em unidades aproximadamente cronocorrelatas que incluem os grupos Igarapé Salobo na porção basal, Igarapé Pojuca, Grão Pará e Igarapé Bahia, os quais são compostos por rochas metavulcânicas máficas e félsicas, metapiroclásticas, metabasaltos, formações ferríferas bandadas e metapsamitos (Docegeo, 1988).
Figura 2. Mapa da Província Mineral de Carajás, o retângulo em destaque indica a área de estudo, localizada na porção leste do Domínio Carajás (modificado de Vasquez et al., 2008b)
O Grupo Rio Novo e o Supergrupo Itacaiúnas são recobertos pela Formação Águas Claras (Araújo et al. 1988; Nogueira, 1995), definida como uma sequência sedimentar de baixo grau metamórfico de idade ainda muito controversa (2.681±5 Ma, Trendall et al., 1998; 2.708±37 Ma, Mougeot et al., 1996). Esta formação é composta por uma cobertura siliciclástica arqueana depositada em ambiente fluvial a marinho raso, representada por conglomerados, meta-arenitos, mármore dolomítico, filito carbonoso e sericita quartzitos (Nogueira et al., 1995).
Intrusões máficas-ultramáficas acamadadas cortam as rochas do embasamento e da sequência supracrustal. São representadas pelo Complexo Luanga (ca. 2,76 Ga; Machado et al., 1991) e pela Suíte Intrusiva Cateté (2.766 ± 6 Ma, U-Pb em zircão, Lafon et al. 2000). O magmatismo granítico neoarqueano no Domínio Carajás é formado pelos granitos alcalinos sintectônicos de ca. 2,76 a 2,73 Ga, representados pelas suítes Plaquê, Planalto, Estrela, Igarapé Gelado e Serra do Rabo (Huhn et al., 1999; Dall’Agnol et al., 1997; Avelar et al., 1999; Barros et al., 2001, 2004; Sardinha et al. 2006; Feio et al., 2012). Essas suítes intrudem a sequência metavulcano-sedimentar Itacaiúnas e Rio Novo e encontram-se distribuídas por todo o Domínio Carajás. De forma mais restrita na província, ocorre ainda um magmatismo de caráter peralcalino a metaluminoso de ca. 2,57 Ga, representado por dois pequenos corpos, fortemente deformados ao longo da Zona de Cisalhamento do Cinzento, que incluem os granitos Old Salobo (2.573±2 Ma; Machado et al., 1991) e Itacaiúnas (2.560±37 Ma; Souza et al., 1996). Magmatismo anorogênico alcalino a subalcalino de ca. 1,88 Ga é amplamente reconhecido em toda a província e inclui os granitos Central de Carajás, Young Salobo, Cigano, Pojuca e Breves (Machado et al. 1991; Lindenmayer & Teixeira 1999; Tallarico 2003).
A complexa evolução estrutural do Domínio Carajás é sintetizada por Pinheiro e Holdsworth (1997) e Holdsworth e Pinheiro (2000) nos seguintes eventos: (i) 2,85-2,76 Ga – transpressão sinistral; (ii) 2,76 Ga – formação da bacia pull-apart com deposição do Grupo Grão Pará; (iii) 2,7-2,6 Ga – transtensão dextral e instalação das zonas de cisalhamento transcorrentes do Cinzento (ZCTC) e de Carajás; (iv) inversão tectônica a partir da reativação dos sistemas Cinzento e Carajás; (v) regime de transtensão, favorecendo o magmatismo anorogênico registrado nesse período. No entanto, trabalhos recentes dividem o Domínio Carajás em três domínios estruturais em relação as principais zonas de transcorrência com idades de ca. 2,7 – 2,5 Ga: (i) Carajás e (ii) Cinzento, referentes a grandes zonas transcorrentes NW-SE, e (iii) Canaã, caracterizada por transpressão sinistral de direção E-W (Pinheiro et al., 2013).
2.2 Geologia da área de Serra Leste
A área de estudo localiza-se na porção nordeste do Domínio Carajás e está inserida no contexto geológico da Serra Leste (Figura 3). A Serra Leste possui embasamento Mesoarqueano e coberturas vulcano-sedimentares Neoarqueanas, além de intrusões ácidas e máficas de idade Neoarqueana a Paleopraterozóica (Orosiniano). Nesse contexto, a estratigrafia da área de estudo (Figura 3) é definida por: (i) Complexo Xingu, (ii) Grupo Rio Novo, (iii) Complexos máfico-ultramáficos, (iv) Granito Estrela, (v) Formação Águas Claras e (vi) Intrusivas Paleoproterozóicas. Segundo Veneziani & Okida (2001), este pacote foi submetido a três importantes eventos deformacionais neoarqueanos relacionados à reativações da Zona de Cisalhamento Cinzento inserida no Cinturão de Cisalhamento Itacaiúnas, notadamente na região localizada no chamado Horse Tail Splay.
As unidades geológicas na área de estudo podem ser sumarizadas em:
(i) Complexo Xingu: embasamento gnaissico-migmatítico metamorfisado em fácies granulito com granitóides associados. Pidgeon et al. (2000) definiram a idade para o magmatismo em 3.002 ± 14 Ma e metamorfismo em 2.861 ± 12 Ma (zircões analisados em SHIRIMP). Tais litotipos ocorrem principalmente ao sul da área de estudo (Villas & Santos, 2001).
(ii) Grupo Rio Novo: composto por rochas metamorfisadas em fácie xisto verde. Compreende rochas máficas e ultramáficas, piroclásticas associadas a vulcânicas ácidas e básicas, sedimentos e formações ferríferas (Hirata et al. 1982; Machado et al. 1991). Docegeo (1988) define o intervalo entre 2,76 a 2,65 Ga como de formação e deposição para as unidades desta sequência vulcano-sedimentar.
(iii) Complexos Máficos e Ultramáficos (Complexo Luanga): compostos por dunitos, harzbugitos, ortopiroxênitos e noritos (Suita, 1988). Essas intrusões tem idade de 2.763±6 Ma (Machado et al., 1991).
(iv) Granito Estrela: trata-se de um granitóide alcalino alongado na direção E-W, que gerou metamorfismo de contato de fácies hornblenda piroxênio hornfels nas rochas vulcano-sedimentares (2.763 ± 7 Ma; Barros et al., 2001).
(v) Formação Águas Claras (Nogueira, 1985 e Araujo et al., 1988) ou Rio Fresco (Docegeo, 1988): trata-se de uma sequência supracrustal metamorfisada em baixo grau, constituída por conglomerado com clastos de quartzitos e siltitos em matriz quartzo-sericítica foliada, arenitos com enriquecimento local de manganês, mármore dolomítico, siltitos carbonosos e sericita quartzito.
(vi) Granito Cigano: constituído por plugs graníticos (1.883 ± 2 Ma; Machado et al., 1991) de composição diorítica a granodiorítica, cortados por diques gabróicos.
2.2.1 Evolução tectono-estrutural
De maneira geral, a região está inserida no contexto do Cinturão de Cisalhamento Itacaiúnas, de orientação WNW-ESE. Veneziani & Okida (2001) sugerem que a Serra Leste localiza-se no Horse Tail Splay (HTS), caracterizado por movimentações verticais associadas a transcorrências e sistemas subordinados classificados como subsplays. Neste contexto, foram identificadas 3 fases deformacionais: D1; D2 e D3;
(i) D1 – fase marcada pela geração de zonas de cisalhamento dúctil de direção principal E-W e cinemática sinistral. Essa deformação afetou principalmente as rochas do embasamento (Complexo Xingu) e algumas unidades do Grupo Rio Novo. Ademais, fazem parte dos registros desta primeira fase uma série de cavalgamentos relacionados à imbricação de terrenos.
(ii) D2 – fase marcada por movimentação destral com geração de uma série de bacias, a partir de um esforço transtensivo ao longo do Cinturão de Cisalhamento Itacaiúnas. Esta fase está bem registrada nas rochas do Grupo Rio Novo e nas Intrusivas do Complexo Luanga.
(iii) D3 – fase definida por uma série de eventos predominantemente distensivos a partir do Paleoproterozóico (1,9 a 1,8 Ga), responsáveis pelo encaixe de granitos anorogênicos e de intrusões máficas (Pinheiro & Holdsworth 2000).
2.2.2 Metalogênese
Importantes depósitos minerais ocorrem na região de Serra Leste, destacando-se os depósitos de: (a) Serra Pelada, com ocorrência de Au-Pd-Pt, condicionado por dobras e falhas, com rochas hospedeiras metassedimentares da Formação Águas Claras (Tallarico et al., 2000); (b) Luanga, com ocorrência de EGP-Cr-Ni em rochas hospedeiras máficas e utltramáficas (Dardenne & Schobbenhaus, 2001); (c) Serra Verde (Au-Mo-Cu), relacionado a rochas máficas do Grupo Rio Novo; (d) Serra Leste, depósito ferrífero supergênico.
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 Interpretação de lineamentos
O termo lineamento (lineament) foi inicialmente introduzido por Hobbs (1904) para caracterizar relações espaciais da paisagem com feições expressas por: (i) cristas de cordilheiras ou limites de áreas elevadas, (ii) linhas de drenagem, (iii) linhas costeiras e (iv) linhas representativas de contatos litológicos. A utilização deste e outros termos para designar feições observadas na paisagem passou a ser amplamente difundida com o avanço das técnicas de sensoriamento remoto, além da maior disponibilidade de imagens que permitem a observação da superfície terrestre.
O’Leary et al. (1976) apresentaram uma revisão histórica dos termos utilizados para definir feições geológicas e propuseram que o termo lineamento deve ser usado para se referir a uma feição linear simples ou composta, mapeável na superfície terrestre. Suas partes alinham-se numa configuração entre retilínea a levemente curvilínea, que diferem dos padrões morfológicos adjacentes, e refletem, presumivelmente, a ocorrência de um fenômeno geológico em subsuperfície.
Soares & Fiori (1976) denominam por lineações de drenagem os elementos retilíneos, fortemente estruturados, enquanto que alinhamento de drenagem é definido como a disposição em linha reta destas lineações. Em trabalho posterior, Soares et al. (1982) utilizam os seguintes termos: lineação: “feição linear retilínea ou arqueada, traçável na foto”; alinhamento: termo genérico para qualquer arranjo alinhado de elementos, sem conotação genética ou estrutural.
A identificação, extração e análise de feições lineares a partir de produtos analógicos ou digitais é uma atividade comum em Geociências, sendo amplamente utilizada para diversas aplicações. Envolve desde o reconhecimento de padrões até a interpretação de lineamentos em fotos aéreas e imagens de satélite. Em muitos casos, a extração dessas feições é feita de forma manual, o que geralmente se traduz como um trabalho demorado, além de estar sujeito à experiência do usuário e critérios subjetivos.
A identificação dessas estruturas é também de grande importância na exploração mineral, de hidrocarbonetos e mapeamento de áreas de risco (Soares et al., 1982; O’Driscoll, 1986; Boucher, 1995).
O’Leary et al. (1976) argumentam que a maioria dos lineamentos estão associados a planos de deslocamento, devido a sua origem relacionada a padrões de cisalhamento ou fraturas. Desta forma, os lineamentos também estariam interconectados às estruturas em profundidade. Embora não possam necessariamente representar armadilhas estruturais, os caminhos criados nestas feições são importantes para o desenvolvimento de sistemas petrolíferos. Nesse sentido, diversos trabalhos utilizam lineamentos na prospecção petrolífera e mineral (e.g. Miranda, 1984; O’Driscoll, 1986).
Nos métodos automáticos de extração de lineamentos, há uma tendência de se extrair todas feições lineares sem avaliar seu contexto genético. Neste caso, um tratamento estatístico pode indicar as direções mais relevantes. As direções de feições sem correlação estrutural, por sua vez, perdem relevância estatística, pois tendem a apresentar direção aleatória. Assim, é possível optar-se por um mapeamento de alta densidade de lineamentos curtos (em inglês conhecidos por: High Frequency Photo Lineaments; e.g. Boucher, 1995; O’Driscoll, 1985), de forma que os principais padrões estruturais se destacarão pelo seu peso estatístico.
A identificação de padrões possibilita a descoberta de anomalias morfoestruturais. Soares et al. (1982) denominam Morfoestrutura como uma “estrutura presumida, identificada a partir de análise e interpretação de informações, basicamente de drenagens e de relevo, que se caracteriza por uma zona anômala dentro de um padrão de relevo”. Miranda (1984) adaptou os trabalhos anteriores (Soares & Fiori 1976; Soares et al., 1982) para identificar padrões anômalos na rede hidrográfica que fossem controlados por estruturas em subsuperfície, utilizando um modelo no qual estruturas dômicas ou depressões controlam/produzem padrões anelares de redes de drenagem.
Miranda (1984) utilizou uma sistemática semi-quantitativa baseada no princípio da convergência de evidências, no qual quanto mais dados geológicos independentes indicarem a presença de uma estrutura, maior será a confiança na sua interpretação.
3.2 Extração de lineamentos
A análise de lineamentos morfoestruturais se tornou significativamente mais importante com a maior divulgação do sensoriamento remoto orbital. O acesso a quantidades exponencialmente maiores de imagens trouxe consigo um aumento significativo do volumes de dados a serem interpretados e tarefas a serem realizadas manualmente.
Neste contexto, além do desenvolvimento de métodos fotointerpretativos manuais (e.g. Rivereau, 1972; Soares & Fiori, 1976) surgem, também, diversas tentativas de reproduzir essa extração de lineamentos por métodos automatizados (Wang & Howarth, 1990; Raghavan et al., 1995; Fitton & Cox, 1998; Cooper, 2003).
A interpretação de lineamentos auxiliada por métodos computacionais permite lidar com um volume maior de dados, eliminando muitas vezes a subjetividade inerente ao método manual. Muitos métodos de extração automática são aplicados à imagens de satélite e modelos digitais de elevação, sendo a maior parte deles baseados em filtros de detecção de bordas (e.g. Wang & Howarth, 1990; Raghavan et al., 1995; Koike et al., 1995; Yun & Moon, 2001; Lee & Moon, 2002; Karnielli et al., 1996; Tripathi et al., 2000; Masoud & Koike, 2011).
Os filtros de detecção de bordas são geralmente utilizados apenas para realçar feições lineares, para posterior interpretação visual. Outros métodos envolvem extração automática de vetores. Nestes casos pode haver variáveis que definem a sensibilidade da detecção.
O maior limitante desses métodos computacionais é a falta de análise contextual das imagens no momento da identificação de feições lineares. A variação de contraste é a principal característica para a análise textural de uma imagem. Normalmente são mudanças bruscas de contraste que marcam a existência de lineamentos. Um especialista usa essa informação junto com a análise contextual para decidir se existe realmente um lineamento. Os principais algoritmos existentes, por sua vez, ignoram o contexto, gerando uma grande quantidade de lineamentos falsos.
Lineamentos extraídos das imagens fornecem importantes informações sobre a geologia. Em muitos casos, lineamentos correspondem a vales entalhados em estruturas de subsuperfície, formados por processos geomorfológicos. Amparados pela premissa de que existe uma correlação positiva entre lineamentos mapeáveis e a rede drenagem, Yun & Moon (2001) utilizaram a transformada de Hough para extrair lineamentos a partir da rede de drenagens e conseguiram identificar falhas reais.
3.3 Drenagem
A análise da rede hidrográfica é um dos mais antigos meios de avaliação de anomalias morfológicas do terreno. O desenvolvimento e dinâmica da rede de drenagens está relacionado a fatores locais como solo, relevo, geologia, biota e clima.
A disponibilidade global de modelos digitais de elevação (MDE), como da Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM), aliada à difusão de ferramentas para extração automática de drenagens, facilitou a obtenção deste tipo de dado para praticamente todo o planeta e sob diferentes escalas.
Diversos autores tratam da análise qualitativa e quantitativa de rede drenagens (Soares & Fiori, 1976; Veneziani & Anjos, 1982; Miranda, 1894) por ser um método útil para indicar ocorrência de anomalias morfoestruturais. As redes de drenagem podem fornecer informações importantes para interpretação fotogeológica. Um método utilizado para isto é a análise das propriedades texturais da rede, que permite uma descrição qualitativa de suas características (Figura 4) (Soares & Fiori, 1976)
Figura 4. Propriedades e níveis de classificação da rede de drenagens (Soares & Fiori, 1976)
Entre estas propriedades, a tropia e a angularidade fornecem informações sobre aspectos e orientação estrutural que controlam a drenagem. Já a assimetria pode indicar movimentação de blocos.
3.4 Geomorfometria
O Modelo Digital de Elevação (MDE) fornece dados importantes sobre as características do terreno e pode servir como indicador indireto para avaliar a variação espacial de diversos processos ligados as características topográficas de uma determinada região. Tem aplicações importantes em geologia, hidrologia, biologia e geomorfologia (Moore, et al., 1991). A elevação pode dar informações sobre o microclima local, a declividade (slope) pode fornecer informações sobre a velocidade de fluxo; a curvatura vertical (profile curvature) pode indicar aceleração do fluxo e a razão erosão/deposição; e por fim, a curvatura horizontal (plan curvature) indica a convergência ou divergência do fluxo superficial. (Figura 5).
Figura 5. Blocos esquemáticos ilustrando os tipos de curvatura vertical e horizontal (baseado nas classificações propostas por Dikau, 1989).
Estas variáveis geomorfométricas são obtidas do MDE pela análise da vizinhança do ponto a ser caracterizado, em uma janela móvel que utiliza apenas as cotas altimétricas destes pontos. Estas derivações já estão implementadas em diversos programas computacionais (e.g. ENVI, ArcGIS, Surfer, GRASS etc). Nestes programas, a intensidade da curvatura é digitalmente representada em valores positivos, nulos ou negativos; o sinal adotado para concavidade pode
variar dependendo do software utilizado, e a declividade pode ser expressa em valores angulares ou percentuais.
Dentre os produtos para análise geomorfométrica, o relevo sombreado (RS) é provavelmente o mais utilizado. Mapas de relevo sombreado constituem uma forma efetiva de criar uma aparência, ou percepção, tridimensional em mapas bidimensionais. Na Figura 6 podem ser observados os aspectos de algumas variáveis geomorfométricas comparadas ao mapa de relevo sombreado.
No relevo sombreado, a direção da iluminação influencia diretamente na interpretação de lineamentos, realçando mais as feições que são ortogonais à iluminação. Para evitar forte atenuação de feições paralelas à direção de iluminação, pode-se utilizar mais fontes de iluminação. Esse efeito pode ser simulado ao se mesclar imagens com diferentes ângulos de iluminação, ou seja, por iluminação dita difusa.
Figura 6. Aspecto das variáveis geomorfométricas extraídas do MDE-Topodata, exemplificado utilizando uma região da área de estudo: (a) relevo sombreado; (b) declividade do terreno, onde pixels claros representam alta declividade; (c) curvatura vertical; (d) curvatura horizontal. Nas imagens de curvatura, tanto vertical quanto horizontal, pixels claros representam superfícies convexas e os escuros superfícies côncavas.
3.5 Magnetometria
Métodos potenciais utilizam os campos magnético e gravimétrico como fonte de sinal para revelar variações nas propriedades físicas dos materiais em subsuperfície. Diferenças nessas propriedades físicas de corpos em profundidade causam anomalias nestes campos potenciais, identificáveis pelo contraste entre corpo e seus arredores (Lowrie, 2004).
A magnetização de um corpo (M) é a soma dos momentos magnéticos (m) por unidade de volume (V). O fator (ou constante) de proporcionalidade entre o campo magnético indutor (H) e a magnetização (M) é chamado de susceptibilidade magnética (Sm), ou seja, Sm =M/H. A
susceptibilidade magnética é uma medida da capacidade do material adquirir magnetização. Quanto maior a susceptibilidade, maior será a magnetização do material (Lowrie, 2004)
Os materiais, de acordo com sua susceptibilidade magnética, podem ser divididos em diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos, ferrimagnéticos e antiferromagnéticos.
Materiais diamagnéticos têm suscetibilidade baixa e negativa. Isso significa que sob influência de um campo magnético os materiais diamagnéticos adquirem uma magnetização de baixa intensidade e de orientação oposta ao campo ambiente. O quartzo e a calcita são exemplos de minerais diamagnéticos. Materiais paramagnéticos funcionam de forma oposta aos diamagnéticos. Possuem suscetibilidade baixa e positiva, por isso adquirem magnetização fraca e com o mesmo sentido do campo magnético externo (Lowrie, 2004).
Os materiais ferromagnéticos possuem spins dos elétrons orientados na mesma direção e apresentam magnetização espontânea. Ao serem expostos a um campo externo, têm seus momentos alinhados com o campo, o que produz uma forte magnetização induzida, que pode se manter mesmo após a retirada do campo externo. O ferro, o níquel e o cobalto são exemplos de metais que apresentam ferromagnetismo.
Os materiais antiferromagnéticos apresentam dipolos antiparalelos, ou seja, têm dipolos alinhados na mesma direção, mas com sentido oposto, sendo a quantidade de dipolos em cada sentido equilibrada. O resultado é que o campo produzido por estes dipolos se anulam. Um exemplo deste tipo de material é a hematita.
Os materiais ferrimagnéticos possuem dipolos em agrupamentos antiparalelos, mas a quantidade em cada sentido não é equilibrada, por isso podem apresentar alta magnetização espontânea e alta susceptibilidade. Um exemplo deste tipo de material é a magnetita.
Os comportamentos ferromagnético e antiferromagnético só ocorrem até certos valores de temperatura, conhecidas como temperatura de Curie e temperatura de Neel, respectivamente. O efeito da alta temperatura nos materiais altera essa interação magnética e a partir destes valores de temperatura os materiais passam a se comportar como paramagnéticos.
Embora a maioria dos minerais formadores de rochas não sejam magnéticos, algumas rochas possuem minerais magnéticos em quantidades suficientes para produzir anomalias magnéticas (Kearey et al., 2002).
Os métodos magnéticos tiveram grande difusão quando do surgimento de levantamento aerotransportado após a Segunda Guerra Mundial. Sua principal aplicação foi na exploração mineral. No entanto, a gama de aplicações deste método se expandiu para identificação de falhas, definição de contatos geológicos pouco evidentes e delimitação de alvos através de inversão geofísica 3D (Nabighian et al., 2005).
Levantamentos magnetométricos permitem localizar materiais ferrimagnéticos. Os levantamentos magnetométricos permitem a identificação de rochas ricas em minerais como magnetita e ilmenita, ou condições de altos contrastes de susceptibilidade magnética. Esses dados são frequentemente utilizados para definir contatos geológicos e delinear de estruturas impressas na crosta terrestre em diferentes profundidades. Contudo, a variação na amplitude do sinal, função das diversas fontes situadas em diferentes profundidades, com diferentes geometrias e contrastes de suscetibilidade magnética, dificulta a interpretação dos dados brutos. Por isso, técnicas de realce desses dados têm sido propostas e aperfeiçoadas desde meados do século passado. Técnicas de realce, baseadas no cálculo de derivadas direcionais do campo magnético, podem ser aplicadas a fim de facilitar a interpretação das fontes magnéticas em subsuperfície e delinear os limites das anomalias.
As técnicas de redução ao polo (RTP) permitem que anomalias da magnetização induzida sejam posicionadas diretamente sobre as fontes, minimizando os efeitos da inclinação magnética (Baranov, 1957). Inicialmente, este processo se mostrou instável em baixas latitudes, especialmente em valores entre -10º e 10º. No entanto, diferentes autores propuseram soluções para minimizar esta limitação (Li & Oldenburg, 2001; Luo et al., 2010).
Outra técnica comumente utilizada em dados magnéticos é a continuação ascendente. Este método simula a resposta do campo anômalo observado num plano acima daquele no qual os
dados foram registrados. A continuação ascendente elimina ou atenua anomalias de altas frequências, o que na prática representa a remoção das anomalias de fontes mais superficiais.
As principais técnicas de realce (Figura 7) aplicáveis a dados magnéticos são: Amplitude do Sinal Analítico (ASA) (Nabighian, 1972, 1974; Roest et al., 1992), Gradiente Horizontal Total (GHT) (Cordel & Grauch, 1985), Inclinação do Sinal Analítico (ISA) (Miller & Singh, 1994), Gradiente Horizontal Total da Inclinação do Sinal Analítico (GHT-ISA) (Verduzco et al., 2004) e Inclinação do Sinal Analítico do Gradiente Horizontal Total (ISA-GHT) (Ferreira et al., 2010).
O conceito da ASA foi expandido por Roest et al. (1992) para 3 dimensões com o objetivo de estimar a profundidade das fontes magnéticas. Posteriormente, Li (2006) mostrou que a ASA sofre influência da inclinação magnética. Cordell & Grauch (1985) demonstraram que o GHT tem a propriedade de realçar as bordas e os centros das fontes magnéticas, todavia as amplitudes são gradativamente atenuadas com a profundidade.
Miller & Singh (1994) introduziram a ISA. Nesse processamento, as amplitudes são equalizadas e os máximos posicionados sobre os centros das fontes, independente da profundidade. Cooper & Cowan (2008), no entanto destacam que este não é um método voltado principalmente para a detecção de bordas. A técnica da ISA é influenciada pela inclinação magnética (Verduzco et al., 2004) sendo indicada para dados reduzidos ao polo.
Da mesma forma como a ISA, o Theta map (Wijns et al., 2005) e o IGHT (Cooper & Cowan, 2006) também são métodos de normalização de derivadas. Estes dois últimos produzem resultados equivalentes, mas de sinais opostos (Ferreira et al., 2010).
O método GHT-ISA (Verduzco et al. 2004) opera independente da inclinação e da intensidade da anomalia magnética, e apresenta bons resultados para a interpretação qualitativa de estruturas magnéticas. O método também realça e centraliza as amplitudes máximas sobre os limites das fontes. O aspecto negativo deste método é que sofre muita influência da profundidade das fontes.
O método ISA-GHT, proposto por Ferreira et al. (2010), é semelhante ao método GHT-ISA. O ISA-GHT equaliza as amplitudes do sinal, mas é menos sensível a ruídos e não sofre tanta influência da profundidade dos corpos. Assim, produz resultados mais adequados para uma avaliação qualitativa da forma das fontes magnéticas. Neste método as bordas aparecem realçadas por máximas amplitudes do sinal.
Figura 7. Principais métodos de realce de anomalias magnéticas e gravimétricas (Ferreira et al., 2010).
A partir de meados do século passado, o grande volume de dados aerogeofísicos adquiridos, principalmente pelas agências americana e canadense, criou a necessidade de métodos de interpretação mais rápidos e eficazes. Esse cenário impulsionou, sobretudo na década de 1970, o desenvolvimento de método rápidos de interpretação de dados aeromagnéticos, a exemplo da deconvolução de Werner (Hartman et al., 1971), o método de Naudy (Naudy, 1971), o método CompuDepth (O’Brien, 1972) e deconvolução de Euler (Thompson, 1982; Reid et al., 1990).
Dentre esses métodos, a deconvolução de Euler tornou-se a mais popular, e assim como a de Werner, relaciona a eliminação da ambiguidade da interpretação magnética à estimação simultânea da magnetização e do volume das fontes causadoras. A ambiguidade é eliminada pela adoção de modelos interpretativos formados por fontes equivalentes simples como dipolos isolados, e linhas e superfícies de dipolos (ou monopolos) (Barbosa & Silva, 2005). É comumente utilizada por não requerer informação sobre o vetor de magnetização. O método emprega a equação homogênea de Euler, relacionando o campo potencial e seus gradientes para localizar a
fonte. Depende do grau de homogeneidade que, para esta aplicação, é interpretado como índice estrutural.
A formulação clássica da deconvolução de Euler apresenta problemas fundamentais como a geração de uma nuvem de soluções e a subjetividade na determinação do tipo de fonte geológica, uma vez que está baseada em critérios empíricos. Além desses fatores limitantes, outras deficiências prejudicam a interpretação como a impossibilidade de determinação de outros parâmetros (e.g. susceptibilidade magnética e mergulho das fontes) e ineficácia em ambientes complexos com diversas fontes. No entanto, apesar dessas deficiências, ainda é o principal método matemático de interpretação de fontes magnéticas, que associado a outros tipos de dados (e.g. imagens de satélite, modelos digitais de terreno), mostra-se eficiente na determinação de corpos e estruturas geológicas.
3.6 Inversão magnética
Para avaliar a continuidade vertical de estruturas em profundidade o ideal é produzir um modelo capaz de refletir sua disposição tridimensional. A ferramenta que mais se aproxima deste objetivo, utilizando dados de aerolevantamentos aeromagnéticos, é a inversão 3D.
Em ciências, normalmente tenta-se estabelecer um modelo que explique e reproduza de maneira simplificada o comportamento do sistema objeto de estudo. Assim, quando se utiliza um modelo para calcular os valores preditos, tem-se o que é conhecido por “problema direto” ou “modelagem”.
A inversão, por sua vez, utiliza observações medidas para se deduzir os valores dos parâmetros (Snieder & Trampert, 1999). Neste trabalho, as informações de interesse são sobre as propriedades físicas dos corpos rochosos em profundidade. Aqui os dados observáveis são variações espaciais do campo magnético; as propriedades físicas que os determinam são susceptibilidade magnética e magnetização remanescente (Kearey et al., 2002).
Li & Oldenburg (1996) apresentaram um método de inversão magnética para produzir modelos 3D de susceptibilidade magnética. No entanto, o algoritmo admite que os dados magnéticos são produzidos apenas por magnetização induzida, assumindo assim que a magnetização remanescente é nula. Outros autores, do mesmo modo, utilizam a inversão magnética apenas com valores de magnetização induzida (e.g. Pilkington, 1997; Portiniaguine & Zhdanov, 2002).
Recentemente, Ellis et al. (2012) propuseram a técnica de Magnetization Vector Inversion (MVI), que incorpora tanto a magnetização induzida quando a remanescente, sem que seja necessário conhecimento prévio de valores de magnetização remanescente. O resultado da inversão recupera conjuntos de vetores com direção e sentido dos domínios magnéticos.
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Base de dados
4.1.1 MDE - Topodata
Os MDEs do Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) possuem resolução espacial aproximada de 90m. Neste trabalho foram utilizados dados do projeto TOPODATA do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), que consistem em imagens SRTM interpoladas por krigagem. Esses dados são fornecidos com resolução espacial de 30m e produtos acessórios tais como como declividade, orientação de vertentes e curvaturas horizontal e vertical, entre outros indicadores geomorfométricos.
Os dados do projeto TOPODATA estão disponíveis em folhas com 1° de latitude por 1,5° de longitude, em quadrículas compatíveis com a articulação 1:250.000. Os arquivos estão nomeados seguindo os prefixos da articulação das folhas, os quais, para a área de estudo, são identificadas por 06S51 e 05S51.
4.1.2 ASTER
O sensor ASTER possui 14 bandas espectrais distribuídas na faixa do espectro reflexivo e emissivo: três bandas no visível e infravermelho próximo (VNIR - 0,52-0,86 µm), com resolução espacial de 15m; seis bandas no infravermelho de ondas curtas (SWIR - 1,60–2,43 µm) com 30m de resolução espacial e; cinco bandas no infravermelho termal (TIR - 8,125-11,65 µm), com 90m de resolução espacial. O ASTER adquire pares estereoscópicos nas bandas NIR 3 e 3B (retrovisada), o que permite a elaboração de MDE com resolução espacial de até 15 m, sem interpolação. Neste trabalho utilizou-se o MDE extraído de dados ASTER adquiridos em 08/03/2010.
4.1.3 Landsat 8
O Landsat 8 foi lançado em orbita em fevereiro de 2013 pela National Aeronautics and Space Administration (NASA) em parceria com o United States Geological Survey (USGS). A plataforma transporta dois instrumentos de aquisição de imagens no espectro ótico: (i) o Operational Land Imager (OLI) que possui 9 bandas multiespectrais distribuidas entre o visível e
o infravermelho de ondas curtas (0,433 a 2,300 µm); e o Thermal InfraRed Sensor (TIRS), que apresenta duas bandas no infravermelho termal (centradas em 10,30 µm e 12,50 µm) (Figura 8). O Landsat 8 produz imagens com resoluções espaciais de 15, 30 e 100 metros, referentes às bandas pancromática, multiespectrais refletidas e multiespectrais termais, respectivamente.
Figura 8. Distribuição das 9 bandas do sensor OLI, Landsat 8 dentro do espectro eletromagnético.
Para análise da área de estudo foram utilizadas duas imagens Landsat 8 com órbita/ponto 223/064 e 224/064 (sistema WRS-2), adquiridas em 11/julho e 03/agosto de 2013, respectivamente. As duas cenas foram fundidas em um mosaico para se obter a cobertura total da área de estudo. Como produto final para interpretação, foi gerada uma composição colorida falsa cor, combinando-se as bandas 543 no sistema RGB. Essa imagem foi re-amostrada para 15 metros de resolução espacial a partir da sua fusão com a imagem da banda pancromática.
4.1.4 Dados aeromagnéticos
O levantamento aeromagnético foi executado em março de 1999 pela empresa GEOTERREX-DIGHEM em contrato com a antiga Companhia Vale do Rio Doce (CVRD). As linhas de voo, de direção N-S, são espaçadas de 250 m. As linhas de controle, de direção E-W, são espaçadas de 6000 m. Na data do levantamento a declinação magnética local era -19,09°, e a inclinação magnética -2,14° (Nunes, 2002).
O levantamento foi conduzido em avião CASA C-212, transportando um aeromagnetômetro e um sistema eletromagnético GEOTEM III (GEOterrex Transient ElectroMagnetic system) da GEOTERREX. O aeromagnetômetro utilizado foi um CS-2 de vapor de césio, de sensibilidade de 0,01 nT e frequência amostral de 10 Hz em ciclo contínuo.
O levantamento foi realizado a 75 metros acima do terreno com compensador de efeitos de voo acoplado à cauda do avião. Na horizontal, a separação entre o transmissor e o receptor foi
de 125 metros e na vertical de 50 metros. A altura de voo da aeronave foi fixada em 120 metros com auxílio de altímetro.
O sistema eletromagnético GEOTEM III (GEOterrex Transient ElectroMagnetic system) da GEOTERREX possui um receptor com três bobinas em eixos ortogonais, duas horizontais e uma vertical com ciclos de 90 H; janela de pulso de 2 milissegundos, intervalo de amostragem de 4 Hz e momento de dipolo de 693.000 Am². A bobina transmissora possui eixo vertical com 3 voltas e área de 232 m (Nunes, 2002)
4.1.5 Pré-processamento dos dados magnéticos
O campo magnético anômalo foi calculado através da redução do campo magnético principal, neste caso considerado o modelo IGRF de 1995 (International Geomagnetic Reference Field, Barton et al., 1996). Em seguida, foi efetuada a interpolação dos dados em malha regular pelo método da curvatura mínima (Briggs, 1974). A grade de dados teve espaçamento de 62,5 m, que consiste em 1/4 do espaçamento entre as linhas de voo.
Na etapa final do pré-processamento foi aplicado o micronivelamento através do método descrito por Leite & Souza Filho (2009), com o objetivo de corrigir imperfeições perceptíveis restantes do nivelamento convencional dos dados ao longo das linhas de voo. O campo anômalo micronivelado obtido é exibido na Figura 9.
O pré-processamento dos dados aeromagnéticos foi realizado por Nunes (2002) e constituiu de avaliação e remoção de ruídos causados por erros de amostragem, posicionamento e problemas instrumentais e ambientais. A análise foi baseada em mapas e perfis das linhas de voos seguindo os testes de diferença quarta e parâmetro P (Blum 1999).
Figura 9. Mapa do campo magnético anômalo micronivelado
4.2 Métodos e Processamentos
4.2.1 Relevo sombreado
Dentre os produtos para análise geomorfométrica derivados do MDE, o relevo sombreado (RS) é, provavelmente, o mais utilizado. Mapas de relevo sombreado constituem uma forma efetiva de criar uma percepção tridimensional em mapas bidimensionais.
Os mapas de relevo sombreado foram produzidos com iluminação em 3 azimutes diferentes: 315º, 0 e 45º, todos com elevação de 45º e exagero vertical de 3 vezes. A ferramenta utilizada foi o hillshade do software ArcGIS versão 9.3. Estes mapas foram utilizados em etapas seguintes para análise do relevo e extração de lineamentos.
Também foram produzidos mapas de outras duas variáveis geomorfométricas: declividade e curvatura vertical. Estas variáveis foram obtidas no ArcGIS utilizando as ferramentas slope e curvature, respectivamente.
Com o objetivo de destacar morfoestruturas, produziu-se um mapa utilizando-se estas três variáveis geomorfométricas: relevo sombreado, curvatura vertical e horizontal. Isto foi realizado mesclando-se tais variáveis com o efeito de transparência de camadas (layers) do ArcGIS. As camadas foram dispostas na seguinte ordem e com os respectivos valores de transparências: curvatura vertical = 70%; declividade = 50% (com escala de cor invertida); relevo sombreado com 3 direções de iluminação = 30%. Quanto maior o valor de transparência menor será a influência desta variável no produto final. O fluxograma desse processo e o resultado obtido estão detalhados no item 5.1.
4.2.2 Extração de drenagens
Há diversas abordagens e algoritmos para extração automática da rede de drenagens com base em MDE. A ampla disponibilidade do MDEs derivado da missão SRTM fez deste sistema uma importante base de dados para extração automática de drenagens. Esta extração pode ser realizada com diferentes SIGs, entre comerciais e open source (e.g. ArcGIS, Rivertools, Terraview).
Neste estudo, a extração das drenagens foi feita com o ArcGIS. O algoritmo de extração, de maneira simplificada, determina a direção de fluxo e fluxo acumulado, para em seguida gerar os vetores por onde possivelmente passariam as linhas de drenagem. O procedimento é realizado com as ferramentas Spatial Analyst Tools do módulo Hydrology. As seguintes etapas são necessárias: (i) o comando fill adiciona valores a áreas com ausência de informação, que podem causar inconsistência na rede drenagem, (ii) as direções do fluxo são determinadas com o comando flow direction, (iii) o cálculo das redes de acumulação de fluxo é feito através do comando flow accumulation, (iv) seleciona-se o nível de detalhamento da rede desejado e, por fim, (v) realiza-se a vetorização da rede drenagens com o comando stream to feature.
Os MDEs Topodada (derivado do SRTM) e GDEM (derivado do ASTER) foram utilizados com resolução de 30m. Os resultados foram muito semelhantes. No entanto, por serem produtos de métodos automáticos, devem ser analisados para averiguação de eventuais erros.
