UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Instituto de Geociências
JÚLIO CÉSAR FERREIRA
MODELAGEM GRAVIMÉTRICA 3D DAS ESTRUTURAS DE IMPACTO DE VARGEÃO-SC E VISTA ALEGRE-PR
CAMPINAS 2017
JÚLIO CÉSAR FERREIRA
MODELAGEM GRAVIMÉTRICA 3D DAS ESTRUTURAS DE IMPACTO DE VARGEÃO-SC E VISTA ALEGRE-PR
DISSERTAÇÃO APRESENTADA AO
INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS DA
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM GEOCIÊNCIAS NA ÁREA DE GEOLOGIA E RECURSOS NATURAIS
ORIENTADOR: PROF. DR. EMILSON PEREIRA LEITE
COORIENTADOR: PROF. DR. MARCOS ALBERTO RODRIGUES VASCONCELOS
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À
VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO
DEFENDIDA PELO ALUNO JÚLIO CÉSAR FERREIRA E ORIENTADO PELO PROF. DR. EMILSON PEREIRA LEITE.
CAMPINAS 2017
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca do Instituto de Geociências
Marta dos Santos - CRB 8/5892
Ferreira, Júlio César,
F413m FerModelagem gravimétrica 3D das estruturas de impacto de Vargeão-SC e Vista Alegre-PR / Júlio César Ferreira. – Campinas, SP : [s.n.], 2017.
FerOrientador: Emilson Pereira Leite.
FerCoorientador: Marcos Alberto Rodrigues Vasconcelos.
FerDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de
Geociências.
Fer1. Cratera de Impacto. 2. Gravimetria. 3. Modelagem 3D. 4. Vargeão (SC).
5. Vista Alegre (PR). I. Leite, Emilson Pereira, 1975-. II. Vasconcelos, Marcos Alberto Rodrigues, 1982-. III. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Geociências. IV. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: 3D gravity modeling of impact structures Vargeão-SC and Vista Alegre-PR Palavras-chave em inglês: Impact crater Gravity 3d modeling Vargeão (SC) Vista Alegre (PR)
Área de concentração: Geologia e Recursos Naturais Titulação: Mestre em Geociências
Banca examinadora:
Emilson Pereira Leite [Orientador] Ticiano José Saraiva dos Santos Yara Regina Marangoni
Data de defesa: 01-09-2017
Programa de Pós-Graduação: Geociências
AUTOR: Júlio César Ferreira
MODELAGEM GRAVIMÉTRICA 3D DAS ESTRUTURAS DE IMPACTO DE VARGEÃO-SC E VISTA ALEGRE-PR
ORIENTADOR: Prof. Dr. Emilson Pereira Leite
Aprovado em: 01 / 09 / 2017
EXAMINADORES:
Prof. Dr. Emilson Pereira Leite - Presidente
Prof. Dr. Ticiano José Saraiva dos Santos
Profa. Dra. Yara Regina Marangoni
A Ata de Defesa assinada pelos membros da Comissão Examinadora, consta no processo de vida acadêmica do aluno.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à minha querida família, minha mãe Marilza Batista de Souza Ferreira, meu pai João da Silva Ferreira
AGRADECIMENTO
Ao meu orientador, Prof. Dr. Emilson Pereira Leite, por todo apoio e inestimável contribuição ao meu desenvolvimento científico e eterna disposição em ensinar e me dar os caminhos de uma nova área de conhecimento. Também por toda paciência e compreensão que teve durante todo o período de trabalho, que se estendeu além do programado. Isso foi fundamental para conclusão deste trabalho e lhe sou muito grato.
Ao co-orientador, Prof. Dr. Marcos Alberto Rodrigues Vasconcelos, pelo conhecimento geológico e total apoio e orientação. Sem sua contribuição sobre o assunto principal, através de discussões geológicas, e auxílio nos trabalhos de campo, as dificuldades seriam bem maiores. Destaco, também, sua contribuição nas rigorosas revisões dos trabalhos produzidos.
Ao professor Dr. Álvaro Penteado Crósta, pela disponibilização de todos os dados de pesquisas anteriores realizadas por ele nas regiões, e especialmente pelo compartilhamento de todo seu conhecimento na área de estruturas de impacto.
Ao Prof. Dr. Elder Yokoyama, que disponibilizou as suas amostras e conhecimentos utilizados nos laboratórios.
Aos bolsistas de graduação Bruno, Nádia e Daniel, pela contribuição nos trabalhos de campo e também por compartilhar seus conhecimentos da área de geologia e proporcionar agradáveis dias no campo.
À prefeitura de Vargeão e aos moradores locais que disponibilizaram estrutura para que o trabalho de campo fosse possível. À família Copati, que recebeu gentilmente toda equipe em Vista Alegre e se colocaram à disposição para nos auxiliar no estudo de campo.
À Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) pelo apoio institucional, em especial aos funcionários do Instituto de Geociências (IG), sempre prestativos.
Aos organismos que financiaram e apoiaram estre trabalho, tornando-o viável: FAPESP (Processo nº 2011 / 08014-5) pelo apoio financeiro; IG/UNICAMP por fornecer o equipamento geofísico; Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG/USP) por fornecer seus laboratórios.
Aos meus amigos, que sempre estivem presentes em minha trajetória de estudos, acreditando e me fazendo acreditar ser capaz de concluir mais essa etapa. Sempre me incentivando com companheirismo, alegria e compreensão nas minhas ausências de convívio social ao longo de todos esses anos de estudos.
Em especial, aos meus pais, João e Marilza, pelo amor e todo apoio que sempre me deram para seguir com meus estudos e em todos os momentos de minha vida, sempre acreditando tanto em mim. Á minha irmã, Juliana, pela grande amizade e carinho.
“A gravidade explica os movimentos dos planetas, mas não pode explicar quem colocou os planetas em movimento. Deus governa todas as coisas e sabe tudo que é ou que pode ser feito.”
SÚMULA CURRICULAR
Júlio César Ferreira
Brasileiro, nascido em 03/08/1985 na cidade de Campinas, estado de São Paulo. Formado em Física pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) em 2010. Iniciou seu mestrado em Geociências na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) em 2012, focando o seu trabalho na geração de modelos geofísicos, partindo desde a aquisição de dados gravimétricos de estruturas de impacto brasileiras, até a geração final de modelos de distribuição de massa em subsuperfície das estruturas de impacto de Vargeão-SC e Vista Alegre-PR. Durante o período de mestrado apresentou trabalhos em congressos internacionais e publicou um artigo científico em revista de abrangência internacional sobre o tema de estudo.
Com o desenvolvimento do trabalho adquiriu experiência na área de modelagem geofísica, atuando principalmente nos seguintes temas: gravimetria, modelagem gravimétrica, geofísica de estruturas de impacto.
RESUMO
Este trabalho aborda o desenvolvimento de modelos de subsuperfície 3D para duas estruturas de impacto brasileiras localizadas na Bacia do Paraná: Vargeão e Vista Alegre. Ambas as estruturas estão em derrames basálticos da Formação Serra Geral e são exemplares quase únicos na Terra neste tipo de rocha.
Partindo de dados gravimétricos de alta resolução que foram obtidos em levantamentos gravimétricos durante os estudos e informações de medidas petrofísicas e mapeamentos geológicos prévios, foi produzido um modelo de subsuperfície para cada estrutura de impacto. Os dados gravimétricos constituíram-se de um total de 763 estações de medidas gravimétricas (419 de Vargeão e 344 de Vista Alegre), que representam uma inovação dos dados geofísicos da região e permitiram aperfeiçoar o conhecimento em subsuperfície das duas estruturas de impacto.
O modelo proposto para a estrutura de Vargeão apresenta um grande bloco sedimentar na forma de um cone vertical truncado com aproximadamente 650 metros de espessura no centro da estrutura. Este bloco corresponde às Formações Pirambóia/Botucatu e corta as camadas superiores de basalto. O modelo é consistente com os afloramentos mapeados de arenitos dessas formações, localizados na região do núcleo soerguido de Vargeão, mostrando que o processo de formação da cratera foi responsável por posicionar essas rochas em níveis superiores àqueles dos basaltos adjacentes. O modelo também apresenta a profundidade até a qual as rochas são alteradas pelo impacto, sendo cerca de 2 km. No modelo de Vista Alegre, nota-se tratar-se de uma estrutura de impacto complexa de tamanho médio (9,5 km de diâmetro), com um soerguimento central de 650 metros e extensão radial de 3,5 km. A região central que comporta as brechas polimíticas e rochas alvo fraturadas tem cerca de 100 metros de espessura. As rochas da região do impacto são perturbadas a profundidades de ~1 km, que representa o contato entre camadas Pré-Triássicas e os arenitos das Formações Pirambóia/Botucatu.
Ambos os modelos em subsuperfície se mostraram consistentes com uma formação por impacto meteorítico, confirmando os valores teóricos conhecidos de soerguimento estrutural, dimensão do núcleo central e profundidade de escavação. Finalmente, os estudos desenvolvidos em Vargeão e Vista Alegre, combinados com trabalhos anteriores, fornecem novos conhecimentos sobre a formação de estruturas de impacto sobre alvos basálticos na Terra, e podem contribuir para o estudo de crateras de outros corpos planetários sólidos como a Lua, Marte e Vênus, entre outros.
Palavras-chave: estrutura de impacto; gravimetria; modelagem gravimétrica; núcleo soerguido.
ABSTRACT
This thesis presents 3D subsurface models built for two Brazilian impact structures located in the Paraná Basin: Vargeão and Vista Alegre Structures. Both structures are located over basaltic flows of Serra Geral Formation and are rare examples on Earth.
Through high resolution terrestrial gravimetric surveys, during the studies, petrophysical data with previous geological mapping, a 3D subsurface model has been built for both impact structures. The gravity data consists of a total of 763 stations (419 in Vargeão and 344 in Vista Alegre) newly collected in the region and allows the improvement of the subsurface knowledge of both impact structures. The model proposed to Vargeão structure shows a large sedimentary block with the shape of a vertical truncated cone and a center ~650 meters thick. This block corresponds to the Pirambóia/Botucatu formations and it windows the upper basalt layers. The model is consistent with sandstones outcrops located in the central uplift area of Vargeão, suggesting that the cratering process was responsible for positioning these rocks in a higher level than the surrounding basalts. The model also displays that rocks of the impact region were modified until about 2 km of depth. Vista Alegre model shows a medium-sized complex impact structure (9.5 km diameter), with a central elevation of 650 meters and a radial extension of 3.5 km. The main region contains the fractured polymictic breccias and target rocks is about 100 meters thick. The rocks of the impact region are disturbed at depths of ~1 km, which represents the contact between Pre-Triassic layers and the sandstones of the Pirambóia/Botucatu Formations.
Both models are consistent with a meteoritic impact formation and confirm the theoretical values of structural uplift, central core dimension and depth of excavation. Lastly, the integration of the studies developed in Vargeão and Vista Alegre with previous studies of the region provides new insights about formation of impact structures on basaltic targets on Earth, and may contribute to analogous studies craters of other planetary bodies such as the Moon, Mars, Venus, and others.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1: Pontos brancos indicam a localização das 190 estruturas de impacto identificadas na Terra. Fonte: Earth Impact Database, 2017. ... 26
Figura 1.2: Localização das estruturas com origem por impacto e possível origem por impacto no Brasil. Destaque para as estruturas de Vargeão e Vista Alegre, foco deste estudo. Fonte: modificado de Vieira (2009). ... 27
Figura 1.3: Imagens de crateras do tipo (a) cratera simples – Meteor Crater, Deserto do Arizona. Fonte: NASA Planetary Science Division, 2004; (b) cratera complexa – Tycho, na Lua. Fonte: Arizona State University,2010a. ... 29
Figura 1.4: Imagens de alta resolução de bacias multianelares: (a) Orientale Basin, na Lua. Fonte: Arizona State University, 2010b; (b) Bullseye Crater, em Marte. Fonte: Lunar and Planetary Laboratory, 2010. ... 30
Figura 1.5: Estágios de formação de crateras simples e crateras complexas: (a) etapa de contato e compressão; (b) etapa de ejeção e escavação da cratera transitória; (c) etapa de colapso e modificação da cratera; (d) forma final das crateras de impacto do tipo simples e complexa. Fonte: modificado de French (1998). ... 31
Figura 1.6: Localização e principais vias de acesso da Estrutura de Vargeão. O polígono de cor cinza foi área de estudo geofísico. ... 35
Figura 1.7: Localização e principais vias de acesso da Estrutura de Vista Alegre. O polígono de cor cinza foi área de estudo geofísico. ... 37
Figura 2.1: Mapa geológico generalizado da Bacia do Paraná com representação das supersequências e localização das estruturas de impacto de Vargeão e Vista Alegre, nos estados de Santa Catarina e Paraná, respectivamente. Fonte: modificado de Milani et al. (1998). ... 39
Figura 2.2: Estratigrafia compreendendo as unidades litoestratigráficas da supersequência Gondwana III, recorte da Carta Estratigráfica completa da Bacia do Paraná disposta no Anexo A. Fonte: Milani et al. (1994). ... 40
Figura 2.3: Coluna estratigráfica da Fm. Serra Geral, Fm. Botucatu e Fm. Pirambóia em região próxima da estudada. É baseada em dados de perfuração da ANP (1981) e dados do poço 1-RCH-001-SC da PETROBRAS. A sequência vulcânica superior não ocorre em Vargeão e as sequências superior e intermediária não ocorrem em Vista Alegre. Fonte: modificado de Nédélec et al. (2013). ... 41
Figura 2.4: Mapa geológico regional da área da estrutura de impacto de Vargeão, SC. Fonte: Vieira (2009). ... 45
Figura 2.5: Mapa geológico simplificado da região de Vista Alegre, PR. Fonte: Furuie (2006). ... 46
Figura 3.1: Gráfico do desvio padrão das medidas do AUTOGRAV CG5 durante aquisição. A maioria das leituras apresentam desvio padrão inferior a 0,1 mGal. .... 52
Figura 3.2: Equipamentos utilizados no levantamento gravimétrico. (a) AUTOGRAV Scintrex CG5; (b) Tela de Comandos AUTOGRAV CG5; (c) Trimble Pathfinder ProXT Receiver e dispositivo de coleta Trimble Recon (estação cliente). ... 53
Figura 3.3: Gráfico representando a quantidade de medidas rejeitas nas leituras do AUTOGRAV CG5. A taxa se concentra em valores menores que 20 medidas... 54
Figura 3.4: Gráfico representando a precisão da medida de GPS obtida nos levantamentos de Vargeão e Vista Alegre, onde mais de 90% das leituras apresentam precisão inferior a 1 metro. ... 55
Figura 3.5: Levantamento gravimétrico em Vargeão mostrando a distribuição das estações gravimétricas sobre toda a região da estrutura. ... 57
Figura 3.6: Levantamento gravimétrico em Vista Alegre mostrando a distribuição das estações gravimétricas sobre toda a região da estrutura. ... 58
Figura 4.1: Correções que são fornecidas pelo sistema inerente ao CG5 e foram aplicadas na aquisição. ... 60
Figura 4.3: Mapas de anomalias gravimétricas de Vargeão: (A) total; (B) regional; (C) Bouguer residual. ... 66
Figura 4.4: Mapas de anomalias gravimétricas de Vista Alegre: (A) total; (B) regional; (C) Bouguer residual. ... 67
Figura 5.1: Fluxo de modelagem direta, modificado de Blakely (1996). ... 69
Figura 5.2: Exemplo de estrutura de um modelo 3D utilizado no pacote GMSYS-3D do software Oasis Montaj® modificado de Geosoft Incorporated (2009). ... 70
Figura 5.3: Modelo gravimétrico 3D de Vargeão: (A) camadas posicionadas em subsuperfície; (B) camadas com separação espacial para melhor visualização. ... 74
Figura 5.4: Resposta do modelo gravimétrico 3D de Vargeão: (A) mapa da anomalia Bouguer residual observada pelas medidas em campo; (B) mapa da resposta gravimétrica do modelo; (C) mapa de erro do modelo, diferença entre os mapas A e B. Os histogramas de cada grid estão representados com medidas em mGal. Linha sólida preta indica a borda da estrutura de impacto. As linhas brancas indicam as direções dos perfis ao longo das quais os modelos foram analisados. ... 75
Figura 5.5: Seções verticais extraídas do modelo gravimétrico 3D de subsuperfície da estrutura de impacto de Vargeão. Exagero vertical de 2x. a) Perfil A-A’ representado na Figura 5.4. b) Perfil B-B’ representado na Figura 5.4. ... 77 Figura 5.6: Seções verticais extraídas do modelo gravimétrico 3D de subsuperfície da estrutura de impacto de Vargeão. Exagero vertical de 2x. a) Perfil C-C’ representado na Figura 5.4. b) Perfil D-D’ representado na Figura 5.4. ... 78 Figura 5.7: Camada de brechas de impacto (em laranja) e basalto fraturado (em verde) isoladas do modelo 3D da estrutura de impacto de Vargeão (Figura 5.3). Exagero vertical de 3x. ... 80
Figura 5.8: Camada da Unidade Ácidas Chapecó isolada do modelo 3D da estrutura de impacto de Vargeão (Figura 5.3). Exagero vertical de 3x... 81
Figura 5.9: Perfis da média topográfica do modelo SRTM da estrutura de impacto de Vargeão. A média é baseada em valores de topografia de 10 perfis radiais como representado no canto superior direito. O zero está de acordo com o centro da estrutura de impacto. ... 82
Figura 5.10: Perfis de anomalia Bouguer residual, definidos na Figura 5.4. O quilometro zero corresponde ao centro do soerguimento central. ... 82
Figura 5.11: Mapa da camada modelada de arenito de Vargeão representando suas profundidades em relação à superfície topográfica. Uma visão ampliada do soerguimento é apresentada com a indicação dos afloramentos de arenitos definida em estudos anteriores. ... 84
Figura 5.12: Modelo gravimétrico 3D de Vista Alegre: (A) Camadas posicionadas em subsuperfície; (B) Camadas com separação espacial para melhor visualização. ... 87
Figura 5.13: Mapas comparativos de anomalia Bouguer residual: (A) Observado; (B) Calculado do modelo de subsuperfície 3D; (C) Erro, correspondendo à diferença entre os dois mapas. Os histogramas de cada grid estão representados com medidas em mGal. Linhas brancas que cortam a estrutura representam os perfis verticais que foram extraídos para interpretação do modelo 3D. Linha sólida preta indica a borda da estrutura de impacto. ... 88
Figura 5.14: Seções verticais em subsuperfície extraídas do modelo gravimétrico 3D da estrutura de impacto de Vista Alegre. Exagero vertical de 2x. (A) Perfil A-A’; (B) Perfil B-B’ – ambos representados na Figura 5.13. ... 89 Figura 5.15: Seções verticais em subsuperfície extraídas do modelo gravimétrico 3D da estrutura de impacto de Vista Alegre. Exagero vertical de 2x. (A) Perfil A-A’; (B) Perfil B-B’ – ambos representados na Figura 5.13. ... 90 Figura 5.16: Camada de brecha polimítica e basalto fraturado isoladas do modelo 3D da estrutura de impacto de Vista Alegre. Exagero vertical de 3x. ... 92
Figura 5.17: Camada de basalto Serra Geral isolada do modelo 3D da estrutura de impacto de Vista Alegre. Exagero vertical de 3x. ... 93
como representado no canto superior esquerdo. O zero está de acordo com o centro da estrutura de impacto. ... 94
Figura 5.19: Perfis de anomalia Bouguer residual, definidos na Figura 5.13. O quilometro zero corresponde ao centro do soerguimento central. ... 95
Figura 5.20: Mapa da camada modelada de arenito de Vista Alegre representando suas profundidades em relação à superfície topográfica. Uma visão ampliada do soerguimento indica dois perfis extraídos da região. ... 96
Figura 5.21: Detalhes do soerguimento central do modelo representado pelos perfis da Figura 5.20: (A) Perfil E-E’; (B) Perfil F-F’. Exagero vertical de 2x. ... 97 Figura 5.22: Perfil de anomalia Bouguer residual, direção W-E, das estruturas de Vargeão e Vista Alegre, respectivamente. A linha sólida vermelha indica os limites da anomalia. Os perfis estão representados na Figura 5.4 e Figura 5.13. ... 99
Figura 5.23: Relação entre o diâmetro e o valor máximo das anomalias gravimétricas, em mGal, de 49 estruturas de impacto com diâmetro de 1 a 30 km. Pontos vermelhos representam as duas estruturas estudas. A linha tracejada representa o ajuste linear para todas as outras estruturas de impacto. Modificado de Pilkington e Grieve (1992). ... 100
Figura 5.24: Modelos de subsuperfície 3D somente da camada de arenito Pirambóia/Botucatu modelada com os dados gravimétricos. (A) Estrutura de impacto de Vargeão, extraído do modelo geral da Figura 5.3. (B) Estrutura de impacto de Vista Alegre, extraído do modelo geral da Figura 5.12. Exagero vertical de 4x. ... 102
Figura 5.25: Relação entre o diâmetro e o soerguimento estrutural SU. A linha tracejada representa a tendência linear para as 49 estruturas. Os pontos vermelhos indicam os valores teóricos para SU das estruturas de Vargeão e Vista Alegre. A cruz preta representa o valor extraído do modelo 3D para as mesmas estruturas de estudo. ... 103
Figura 5.26: Camada de basalto da Formação Serra Geral modelada em 3D. (A) Estrutura de impacto de Vargeão. (B) Estrutura de impacto de Vista Alegre. Exagero vertical de 3x. ... 104
Figura 5.27: Camadas de brecha representada na parte superior, juntamente com os Basaltos Fraturados. (A) Estrutura de impacto de Vargeão. (B) Estrutura de impacto de Vista Alegre. Exagero vertical de 3x. ... 105
Figura 5.28: Registro de estruturas de impacto duplo na Terra, no deserto da Líbia. (a) As estruturas de impacto BP e Oasis, com seus respectivos possíveis pares indicados (Koeberl e Henkel, 2005). (b) Imagem de duplo impacto comprovado com separação de apenas 10 km (Paillou et al., 2003). ... 107
Tabela 3.1: Dados das medidas de densidades de rochas de amostras da região da estrutura de impacto de Vargeão. Dados cedidos pela pesquisa de Yokoyama (2013). ... 51
Tabela 3.2: Estações gravimétricas absolutas com seus respectivos códigos, localizações e valores de gravidade, de acordo com Gemael et al., (2002). ... 56
Tabela 3.3: Estações base utilizadas no levantamento gravimétrico de Vargeão. .... 56
Tabela 3.4: Estações base utilizadas no levantamento gravimétrico de Vista Alegre. ... 58
Tabela 4.1: Valores dos coeficientes do ajuste da anomalia regional, conforme equação 4, para as estruturas de impacto de Vargeão e Vista Alegre. ... 62
SUMÁRIO ... 19
CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO ... 21
1.1. APRESENTAÇÃO E OBJETIVOS ... 21
1.2. ESTRUTURAS DE IMPACTO ... 23
1.2.1. Morfologia das estruturas ... 24
1.2.2. Processo de formação de crateras ... 27
1.2.3. Geofísica de crateras ... 31
1.2.4. A estrutura do Domo de Vargeão ... 34
1.2.5. A estrutura de Vista Alegre ... 36
CAPÍTULO 2: CONTEXTO GEOLÓGICO ... 38
2.1. GEOLOGIA REGIONAL ... 38
2.2. GEOLOGIA LOCAL ... 42
2.2.1. Geologia de Vargeão... 42
2.2.2. Geologia de Vista Alegre ... 43
CAPÍTULO 3: LEVANTAMENTO E REDUÇÃO DE DADOS GRAVIMÉTRICOS ... 47
3.1. CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE GRAVIMETRIA ... 47
3.2. CORREÇÕES GRAVIMÉTRICAS ... 48
3.2.1. Latitude ... 48
3.2.2. Correção ar-livre ... 48
3.2.3. Correção Bouguer ... 49
3.2.4. Correção de maré ... 49
3.2.5. Correção da variação instrumental ... 49
3.3. A ANOMALIA BOUGUER ... 50
3.4. DETERMINAÇÃO DE DENSIDADES ... 50
3.5. LEVANTAMENTO GRAVIMÉTRICO ... 51
3.5.1. Equipamentos utilizados... 52
3.5.2. Estação absoluta ... 55
3.5.3. Levantamento terrestre de Vargeão ... 56
3.5.4. Levantamento terrestre de Vista Alegre ... 57
CAPÍTULO 4: TRATAMENTO E INTERPRETAÇÃO DOS DADOS GRAVIMÉTRICOS 59 4.1. PROCESSAMENTO DOS DADOS ... 59
4.1.1. Correções ... 59
4.1.2. Gerações das malhas... 60
4.1.3. Separação regional-residual ... 61
4.2. MAPAS E ASSINATURAS GRAVIMÉTRICAS ... 63
4.2.1. Assinatura Gravimétrica de Vargeão ... 64
4.2.2. Assinatura gravimétrica de Vista Alegre ... 65
CAPÍTULO 5: MODELAGEM 3D DE DADOS GRAVIMÉTRICOS ... 68
5.1. TEORIA BÁSICA DE MODELAGEM DIRETA ... 68
5.2. PACOTE GMSYS-3D ... 69
5.3. OS VÍNCULOS ... 71
5.4. PROCEDIMENTOS REALIZADOS NA MODELAGEM DIRETA ... 71
5.6. MODELO DE SUBSUPERFÍCIE DE VISTA ALEGRE ... 85
5.6.1. Discussão e interpretação do modelo ... 89
5.6.2. O núcleo central soerguido ... 93
5.7. SEMELHANÇAS E PARTICULARIDADES ENTRE AS ESTRUTURAS DE IMPACTO DE VARGEÃO E VISTA ALEGRE ... 98
5.7.1. As anomalias gravimétricas ... 98
5.7.2. Os núcleos soerguidos ... 100
5.7.3. As camadas de basalto e brechas ... 104
5.7.4. Hipótese de duplo impacto ... 105
CAPÍTULO 6: CONCLUSÕES ... 108 REFERÊNCIAS ... 111 APÊNDICE A... 118 APÊNDICE B... 125 APÊNDICE C... 140 ANEXO A ... 166 ANEXO B ... 168 ANEXO C ... 170
Capítulo 1: Introdução
1.1. Apresentação e objetivos
Desde a sua formação, a Terra vem passando por contínuas e intensas transformações que afetam seu formato, tamanho e distribuição de materiais processos geológicos que tornam o planeta complexo e dinâmico. Para entender a evolução das estruturas geológicas e suas alterações, normalmente se utiliza o princípio do uniformitarismo, i.e., admite-se que os processos geológicos que ocorrem atualmente ocorreram no passado sob a mesma taxa de variação temporal. Porém, processos locais e catastróficos de curta duração, como os impactos meteoríticos, também moldam a superfície terrestre e de outros planetas sólidos do sistema solar (French e Koeberl, 2010).
Há algumas décadas, estruturas de impacto eram consideradas um processo geológico sem grande importância na formação da Terra. Sabe-se, atualmente, que o processo de choque entre corpos sólidos no sistema solar dá forma a estes corpos, além de possuir similar importância na história geológica e biológica da Terra (French, 1998; French e Koeberl, 2010). O registro de crateras de impacto na Terra ainda é pequeno se comparado com o número encontrado em outros corpos sólidos do sistema solar (French e Koeberl, 2010), apontando-se como principal razão o fato de que a evolução do planeta até sua forma atual contou com diversos processos de erosão, sedimentação e movimento das placas tectônicas. Com isso, muitas das estruturas de impacto existentes na Terra foram totalmente modificadas e obliteradas, o que dificulta o reconhecimento de feições morfológicas de impacto na superfície terrestre (Crósta, 2012). O conhecimento da forma, o mapeamento detalhado da superfície e subsuperfície, bem como o conhecimento de sua formação e evolução são de especial relevância para serem comparadas a outras possíveis estruturas de impacto terrestres e de outros planetas sólidos e seus satélites (French, 1998).
Particularmente, crateras de impacto formadas em basaltos são comumente encontradas em planetas sólidos e seus satélites, exceto na Terra, onde poucos exemplos são conhecidos (Kumar, 2005), havendo apenas quatro destas estruturas de impacto confirmadas: (1) Lonar Crater, na Índia (Rajasekhar e Mishra, 2005); (2) Logancha Crater, nos basaltos siberianos na Rússia (Feldman et al., 1983); (3) estrutura de impacto de Vargeão; e (4) estrutura de impacto de Vista Alegre, que se encontram na grande província
basáltica no sul do Brasil (Crósta et al., 2010a). Existe, ainda, Cerro do Jaraú, possivelmente indicada como estrutura de impacto, também no Brasil (Giacomini, 2015; Philipp et al., 2010). Como as duas primeiras estruturas de impacto não são bem estudadas devido à pouca exposição de suas rochas e à dificuldade de acesso, Vista Alegre e Vargeão, focos deste trabalho, são duas das estruturas de impacto em alvo basáltico que, até o momento, podem fornecer um detalhamento de superfície e subsuperfície, bem como o conhecimento de formação e evolução das estruturas de impacto em rochas basálticas. Esse fato é de grande importância, pois elementos do sistema solar, como Lua e Marte, são predominantemente constituídos de basalto; assim, os estudos poderiam ser aplicados de forma análoga a estes outros corpos sólidos do sistema solar (French, 1998; Pike, 1980).
O objetivo principal do presente trabalho é construir modelos 3D de distribuição de massa em subsuperfície para as estruturas de impacto de Vargeão e Vista Alegre através de dados gravimétricos, de forma a detalhar essas estruturas. Para isso, o estudo envolveu: (i) levantamento gravimétrico terrestre de alta resolução, apresentando inovação na qualidade dos dados geofísicos das regiões das estruturas; (ii) determinação de uma assinatura gravimétrica para cada estrutura de impacto; (iii) modelagem direta dos dados gravimétricos para geração de modelos de distribuição de massa em subsuperfície; (iv) extração de seções verticais que contribuirão para definir os principais aspectos estruturais em subsuperfície, como determinação da profundidade do embasamento, espessura do preenchimento da cratera, forma e posição do núcleo central soerguido e a modificação da estratigrafia regional.
Especificamente para o modelo de Vista Alegre, busca-se entender se a estrutura apresenta ou não rochas soerguidas em sua porção central, já que não é observada elevação topográfica relevante nesta área, típica de crateras complexas.
A interpretação conjunta dos modelos gerados visa fornecer informações valiosas que permitam responder algumas questões importantes, tais como: (i) mesmo que as duas estruturas estejam relativamente próximas uma da outra, elas são semelhantes em termos de geologia em subsuperfície?; (ii) um dos dois impactos afetou a subsuperfície, em termos de profundidade, mais do que o outro?; (iii) o volume e a forma dos possíveis soerguimentos de arenito são semelhantes? Procura-se, ainda, levantar uma importante discussão: as duas estruturas podem ser resultado de um duplo impacto meteorítico?
Assim, este trabalho contribui com duas novas modelagens gravimétricas de estruturas de impacto brasileiras, sendo que somente outras duas apresentam semelhantes estudos, Araguainha (Vasconcelos, 2007) e Serra da Cangalha (Vasconcelos et al., 2012).
1.2. Estruturas de impacto
Uma estrutura de impacto é formada quando um projétil extraterrestre penetra na atmosfera da Terra com baixa desaceleração, atingindo a superfície com altas velocidades e liberando elevada energia. O choque do meteorito com a rocha alvo gera as ondas de choque, responsáveis por exercer pressões da ordem de dezenas de GPa sobre as rochas. Desta maneira, as ondas de choque se propagam no substrato, causando deformações permanentes que formam as crateras de impacto (French, 1998). As altas pressões e temperaturas acarretam uma série de mudanças, conhecidas como metamorfismos de choque, nos minerais e rochas alvo (Grieve, 1987).
A característica mais destacada nas estruturas de impacto é o seu formato circular, porém apenas a existência deste caráter morfológico não é suficiente para determinar se a estrutura foi gerada por impacto meteorítico. Para a confirmação da origem por impacto, devem-se identificar feições diagnósticas de choque, tais como: fragmentos preservados do meteorito com anomalias geoquímicas de elementos siderófilos, cones de estilhaçamento (shatter cones), fraturas planares (planar fractures – PFs) e feições planares de deformação (planar deformation features – PDFs) (French e Koeberl, 2010). Essas feições, causadas pelas ondas de choque, são distintas de qualquer outro processo geológico, e atualmente nenhum outro critério é capaz de separar as estruturas de impacto de outras formações geológicas com característica morfológica circular (Vieira, 2009).
Os cones de estilhaçamento são feições macroscópicas que aparecem nas rochas como fraturas em forma de múltiplos cones. As estrias que formam esses cones são provenientes do deslocamento das ondas de choque e relacionam-se com regimes de pressão que variam de 2 a 10 GPa. Associadas a maiores pressões provenientes do impacto estão as deformações em nível microscópico. As fraturas planares (PFs) são conjuntos paralelos de fraturas que ocorrem nos minerais sob pressões entre 5 e 8 GPa. As feições planares de deformação (PDFs) são caracterizadas por conjuntos planos paralelos de deformação nos grãos minerais, ocorrendo sob pressões de 8 a 30 GPa (French, 1998; French e Koeberl, 2010).
As estruturas de impacto também apresentam características indicativas de impacto que, em grande parte, são as primeiras observações que levam uma região a ser relacionada com um evento de impacto. São elas: (i) morfologia circular, normalmente interpretadas de imagens de satélite; (ii) anomalias geofísicas circulares; e (iii) ocorrência de brechas de impacto (melt-fragment breccias e melt-matrix breccias). Esse tipo de rocha de impacto pode ser encontrado, geralmente, como preenchimento da cavidade da cratera, sendo constituída de fragmentos angulosos e tamanhos variados, imersos numa matriz mais fina, geralmente da rocha alvo (Vieira, 2009).
O registro de crateras terrestres conta atualmente com 190 estruturas confirmadas (Earth Impact Database, 2017). A Figura 1.1 mostra que esses registros estão amplamente concentrados (acima de 90%) na América do Norte, Europa e Austrália. Os motivos apontados pela concentração de crateras nessas regiões são a maior quantidade de pesquisa e recursos empregados na identificação das estruturas e, especificamente no território brasileiro, por sua composição de antigos terrenos cristalinos e bacias sedimentares que passaram por longos e intensos processos erosivos que contribuíram para a obliteração das crateras (Crósta, 2012).
O Brasil conta com apenas seis estruturas de impacto comprovadas (Figura 1.2), sendo elas: Araguainha, Domo de Vargeão, Serra da Cangalha, Vista Alegre, Riachão e Santa Marta (Crósta e Vasconcelos, 2013). Além dessas, outras estruturas têm similaridades com impacto meteorítico e ainda necessitam de comprovação: Colônia, Praia Grande, Piratininga, São Miguel do Tapuio, Tefé e Cerro do Jaraú (Crósta, 2012).
1.2.1. Morfologia das estruturas
As crateras de impacto podem ser classificadas, quanto à sua morfologia, em três principais tipos: crateras simples, crateras complexas e bacias multianelares. Essas distintas morfologias dependem dos diferentes processos de formação que estão relacionados ao tamanho do meteorito, tipo da rocha alvo, velocidade do impacto e força gravitacional do local (French, 1998).
Crateras simples possuem pequenos diâmetros de até 4 km e um formato de bacia ou tigela. Uma relação básica encontrada para crateras simples é que sua cavidade aparente apresenta aproximadamente 1/3 do seu diâmetro (French, 1998). A Figura 1.3a
mostra a Meteor Crater, uma jovem cratera de impacto terrestre localizada no Deserto do Arizona. É o exemplo mais bem preservado na Terra de uma cratera simples, possui um diâmetro de 1,1 km e 200 metros de profundidade de sua cavidade.
Crateras complexas têm tamanhos, em geral, superiores a 2 km para alvos sedimentares e a 4 km para alvos em rochas ígneas e metamórficas (Grieve, 2005a). Apresentam maiores alterações estruturais como uma parte central mais elevada (núcleo soerguido), escarpas anelares e terraços de borda, estes relacionadas à ação da força gravitacional no estágio de modificação das crateras (French, 1998; Melosh, 1989). Exemplos mais preservados somente são encontrados em outros corpos do sistema solar, como a cratera Tycho, na Lua (Figura 1.3b), que tem cerca de 110 milhões de anos e um diâmetro de 86 km. Por se tratar de uma estrutura jovem e com quase nenhuma ação erosiva na Lua, o seu núcleo central soerguido e terraços nas regiões de borda podem ser claramente observados.
As bacias multianelares (ou crateras do tipo bacias multianelares) representam os eventos de impacto de maior energia do sistema solar (French, 1998). A rocha alvo é fortemente modificada gerando registros de impacto da ordem de até alguns milhares de quilômetros. Os estudos relacionados à sua formação e modificação são ainda mais incertos do que das crateras complexas (French, 1998; Grieve et al., 1981). Um dos registros mais conhecidos é a grande Orientale Basin (1100 km de diâmetro), localizada no hemisfério ocidental da Lua (Figura 1.4a). Uma recente descoberta da câmera High Resolution Imaging
Science Experiment (HiRISE), que orbita Marte, a Bullseye Crater (Figura 1.4b) apresenta o
formato de bacia multianelar, porém é uma pequena cratera de poucos quilômetros, que levanta dúvidas sobre ser resultado de um segundo impacto no interior de uma cratera mais antiga (Hayward et al., 2014; Keszthelyi et al., 2008).
Figura 1.1: Pontos brancos indicam a localização das 190 estruturas de impacto identificadas na Terra. Fonte: Earth Impact Database, 2017.
Figura 1.2: Localização das estruturas com origem por impacto e possível origem por impacto no Brasil. Destaque para as estruturas de Vargeão e Vista Alegre, foco deste estudo. Fonte: modificado de Vieira (2009).
1.2.2. Processo de formação de crateras
O processo de formação de crateras não pode ser reproduzido em laboratório, pois envolve quantidades altíssimas de energia; assim, estudos indiretos são utilizados para determinar como ocorre a formação de uma estrutura de impacto (Grieve, 2005a). O processo de formação de uma cratera de impacto pode ser dividido em três etapas básicas e distintas: (a) contato e compressão; (b) ejeção e escavação; (c) colapso e modificação.
Conforme mostra a Figura 1.5, esses estágios aplicam-se tanto a crateras simples como complexas (French, 1998; Melosh, 1989).
A primeira etapa é quando o projétil entra em contato com a rocha alvo, transferindo para esta grande quantidade de energia e gerando as chamadas ondas de choque (Figura 1.5a). No momento do impacto, pela desaceleração completa do projétil, acontece a transformação de sua enorme energia cinética em outras duas principais formas de energia: temperatura e pressão (French, 1998). Nesse ponto, então, é gerada uma zona de altíssima pressão e temperatura, sendo estimadas para alguns impactos pressões da ordem de centenas de GPa (Vieira, 2009).
No segundo estágio, as ondas de choque propagam-se pela rocha alvo causando uma escavação do terreno, formando uma estrutura denominada cratera transiente (Figura 1.5b). As ondas de impacto, sob os efeitos de reflexão e refração, causam na rocha alvo intenso fraturamento, estilhaçamento e até vaporização. Toda a movimentação de material (para cima e para fora) na região do impacto proporciona uma forma de bacia para a cratera transiente chegando até 30 vezes o diâmetro do projétil (Vieira, 2009).
Por fim, após a cratera transiente atingir seu maior diâmetro, acontece a etapa de colapso e modificação. Nesta, em poucos minutos, ocorrem alterações devidas principalmente a ação da força gravitacional (French, 1998). A morfologia e estrutura da cratera altera-se por processos de colapsos de borda, soerguimento do núcleo central e falhas gravitacionais, fazendo com que a cratera transitória evolua para a cratera final (Figura 1.5c-d). Esse processo de modificação persiste ao longo do tempo geológico, causando maiores alterações principalmente pelos processos de erosão e sedimentação da região (French, 1998; Vieira, 2009).
Figura 1.3: Imagens de crateras do tipo (a) cratera simples – Meteor Crater, Deserto do Arizona. Fonte: NASA Planetary Science Division, 2004; (b) cratera complexa – Tycho, na Lua. Fonte: Arizona State University,2010a.
Figura 1.4: Imagens de alta resolução de bacias multianelares: (a) Orientale Basin, na Lua. Fonte: Arizona State University, 2010b; (b) Bullseye Crater, em Marte. Fonte: Lunar and Planetary Laboratory, 2010.
Figura 1.5: Estágios de formação de crateras simples e crateras complexas: (a) etapa de contato e compressão; (b) etapa de ejeção e escavação da cratera transitória; (c) etapa de colapso e modificação da cratera; (d) forma final das crateras de impacto do tipo simples e complexa. Fonte: modificado de French (1998).
1.2.3. Geofísica de crateras
Os métodos geofísicos tornaram-se importantes ferramentas de pesquisa e são comumente usados para reconhecer estruturas de impacto parcial ou completamente erodidas, ou mesmo aquelas que foram alteradas por outros processos geológicos. Uma das principais razões é que eles permitem a construção de modelos de subsuperfície detalhados, que podem revelar as mudanças na distribuição de propriedades físicas das rochas causadas por impactos meteoríticos (Pilkington e Grieve, 1992).
Nos impactos meteoríticos, a pressão pode atingir centenas de GPa e produzir permanentes deformações nas rochas terrestres (Melosh, 1989). Em geral, a distribuição de densidades e de magnetização das rochas alvo do impacto e das rochas adjacentes alteram-se consideravelmente, tornando os métodos gravimétrico e magnetométrico apropriados na identificação prévia e na exploração de subsuperfície das estruturas de impacto (Mallick et al., 2012). Estes dois métodos têm sido cada vez mais utilizados para determinar a
geometria da cratera, as variações de densidade/magnetização das rochas na região da estrutura de impacto e também para estimar a elevação da base em alvos sedimentares (Vasconcelos, 2012; Vasconcelos et al., 2012).
Comumente, crateras de impacto produzem uma anomalia geofísica circular; quando se observa uma assinatura gravimétrica, esta apresenta um baixo gravimétrico com padrão circular. Tal anomalia pode ser identificada até as regiões de bordas da cratera ou um pouco além dos seus limites (Pilkington e Grieve, 1992). Os estudos de Henkel (1992) e Pilkington e Grieve (1992) concentram diversas crateras que possuem anomalia Bouguer negativa, devido a presença de rochas brechadas e fraturadas (menor densidade) em seu interior.
São apresentados adiante diversos estudos de gravimetria e modelagem gravimétrica de estruturas de impacto que deram suporte para analisar as anomalias gravimétricas das estruturas de impacto de Vargeão e Vista Alegre e gerar seus modelos 3D de subsuperfície.
No Brasil, três são as estruturas com maior concentração de estudos geofísicos: Araguainha, Serra da Cangalha e Vargeão. Vasconcelos (2007) construiu diversos modelos 2D de subsuperfície da cratera de Araguainha a partir de dados gravimétricos e magnetométricos terrestres. Esses modelos permitiram identificar padrões circulares concêntricos e simétricos para a estrutura. O núcleo central soerguido foi modelado com uma espessura total de 1,4 km de rochas movimentadas em direção a superfície. A estrutura de Araguainha teve seu diâmetro determinado em 40 km com ~25 km para a cavidade transiente e uma bacia anelar de 10 km (Vasconcelos, 2007). A estrutura de Serra da Cangalha, com 13 km de diâmetro, encontra-se em rochas sedimentares na Bacia do Parnaíba. Com dados gravimétricos e magnéticos de alta resolução, Vasconcelos et al. (2012) produziram modelos 2,5D que permitiram dimensionar o núcleo central soerguido com espessura entre 500 e 800 metros. A assinatura gravimétrica de Serra da Cangalha apresenta -2 mGal no seu interior, porém, com a região do núcleo positiva de 1 mGal, a hipótese considera que estruturas mais densas do embasamento foram elevadas na região do soerguimento central (Vasconcelos et al., 2012).
A cratera com maior presença de estudos geofísicos mundialmente é a de Chicxulub, no México, consequência das intensas pesquisas para prospecção de hidrocarbonetos no Golfo do México (Grieve, 2005b). Com um diâmetro de 180 km, é
considerada a mais jovem e bem preservada das três maiores crateras da Terra (Pilkington e Hildebrand, 2000). Campos Enriquez et al. (1996) definiram assinaturas magnéticas e gravimétricas para Chicxulub. A anomalia magnética associada com a estrutura de impacto é um exemplar único produzindo cinco anéis circulares representando uma bacia multianelar. A anomalia gravimétrica segue um padrão típico para estruturas de impacto na forma de uma anomalia radial com valor máximo negativo de -30 mGal e um alto central gravimétrico de ~18 mGal. Ebbing et al. (2001) produziram uma modelagem 3D com dados gravimétricos e o modelo resultante apresentou um soerguimento central de 20 km de raio, contornado por um anel de Megabreccia com um raio externo de 35 km.
A gigante estrutura de Vredefort, com seus aproximados 250 km de diâmetro, possui modelagem de dados potenciais em nível regional que define suas grandes estruturas (Henkel e Reimold, 1998; 2002). O modelo mostra uma significante ação erosiva da estrutura, exceto em sua parte central, onde corpos estão bem preservados, como o soerguimento central com extensão de 12 km. Ao redor do núcleo central, região sudeste e noroeste, ocorre um soerguimento em forma de colar. Martinez e Li (2011) produziram, para a estrutura de Vredefort, modelos a partir da inversão de dados gravimétricos para maior detalhamento de sua estrutura em subsuperfície. O modelo estrutural resultante é apresentado por contraste de densidades e foi utilizado para discretizar e detalhar corpos em escala mais local.
A estrutura de Lake Lappajarvi, na Finlândia, apresenta completos estudos gravimétricos e é a mais estudada do país. Com diâmetro aproximado de 17 km, tem associada uma anomalia Bouguer circular de aproximadamente -10 mGal. Os modelos 2D gerados dos dados gravimétricos revelaram uma depressão anelar entre o centro e a borda da cratera, e uma pequena razão espessura/diâmetro que relacionou a estrutura Lappajarvi à categoria de crateras complexas (Elo et al., 1992).
Morokweng, na África do Sul, é uma estrutura de impacto que possui modelagem de dados magnéticos e gravimétricos. No resultado do modelo, o diâmetro atual da cratera é estimado em 65 a 70 km com um soerguimento central de aproximadamente 4 km. Os dados gravimétricos mostram grandes anomalias relacionadas com a presença de litologias pré-impacto (Henkel et al., 2002). O modelo produzido por Henkel et al. (2002) explica características geológicas tais como diques, unidades ígneas e sedimentares observadas na estrutura.
A estrutura de impacto de Manson, Iowa, com diâmetro de 36 km, também apresenta uma modelagem gravimétrica 2,5D. Os dados de anomalia gravimétrica Bouguer mostram que a estrutura de impacto de Manson exibe bem delimitada anomalia positiva de ~4 mGal associada ao soerguimento central, e um contorno anelar do alto central de baixo gravimétrico com amplitudes de -2 a -4 mGal. O modelo definiu um soerguimento central do embasamento cristalino entre 3 e 4 km, sendo este localmente coberto com brechas de impacto (Plescia, 1996).
A única cratera de impacto em rochas basálticas do mundo com estudos de modelagem gravimétrica é Lonar Lake. Ela possui uma anomalia Bouguer quase circular de -2,25 mGal (Rajasekhar e Mishra, 2005). Os autores descrevem que o impacto atingiu profundidades de aproximadamente 0,3-0,35 vezes o diâmetro da cratera. Para outras duas crateras em alvo de rochas basálticas, este estudo irá contemplar a modelagem gravimétrica 3D da subsuperfície.
1.2.4. A estrutura do Domo de Vargeão
O Domo de Vargeão foi assim denominado em 1978, a partir da identificação de uma estrutura circular anômala nos platôs de basalto no oeste de Santa Catarina, através de análises de imagens de radar do Projeto Radambrasil (Paiva Filho et al., 1978). Crósta (1982) considerou a hipótese de um impacto meteorítico para formação dessa estrutura, baseando-se na similaridade da estrutura com outras comprovadas estruturas de impacto, como Domo de Araguainha, até então a única estrutura de impacto no Brasil. As evidências de impacto meteorítico (shatter cones, PDF's, PF's e brechas de impacto), que comprovaram a origem por impacto do Domo de Vargeão, foram apresentadas por Crósta et al. (2005).
A estrutura de impacto de Vargeão está localizada na região oeste do estado de Santa Catarina, tendo a cidade de Vargeão localizada no seu interior (Figura 1.6). Está centrada nas coordenada 26º49’S e 52º10’W e apresenta um diâmetro total de aproximadamente 12,4 km. É uma estrutura de impacto do tipo complexa, que, no seu núcleo central soerguido, apresenta brechas de impacto e arenitos das Formações Pirambóia/Botucatu (Crósta et al., 2005). Esses arenitos, com presença anômala no interior da estrutura, tem uma posição estratigráfica nessa porção da Bacia do Paraná com profundidades superiores a 800 metros. Tais afloramentos são limitados por falhas ao longo do contato com as rochas vulcânicas da Formação Serra Geral (Barbour Jr. e Corrêa, 1981).
A região da estrutura do Domo de Vargeão, por ter sido alvo de pesquisas relativas à exploração de hidrocarbonetos, tem uma maior gama de dados geofísicos disponíveis: dados magnéticos, provenientes de levantamento aéreo Projeto Rio Iguaçu (PAULIPETRO); uma linha sísmica de reflexão 00236-0078 que corta a estrutura de Vargeão, disponibilizados pela ANP (Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis); dados de sensoriamento remoto, tais como modelos digitais de elevação SRTM e imagens RADARSAT-1 e TERRA/ASTER. Esses dados foram utilizados para uma caracterização geofísica preliminar e geração de um modelo geológico de superfície para a estrutura de Vargeão (Kazzuo-Vieira et al., 2009).
Essa estrutura foi datada, primeiramente, através de métodos cronoestrátigráficos, determinando uma idade máxima para a estrutura de 125 Ma relacionada à idade do alvo do impacto, os derrames basálticos (Turner et al., 1994). Estudos recentes, aplicando datação por meio de zircões encontrados nas brechas de impacto, atribuíram uma idade de 123 ± 1,4 Ma para o Domo de Vargeão (Nédélec et al., 2013).
Figura 1.6: Localização e principais vias de acesso da Estrutura de Vargeão. O polígono de cor cinza foi área de estudo geofísico.
1.2.5. A estrutura de Vista Alegre
A estrutura de Vista Alegre está localizada no estado do Paraná, no município de Coronel Vivida. No seu interior, próximo ao seu centro (25º57’S e 52º41’W), está a vila de Vista Alegre, que deu origem ao nome da estrutura de impacto estudada (Figura 1.7).
Foi primeiramente descrita em 2004, com o auxílio de imagens de satélite, como sendo uma depressão circular e apresentando morfologia, estruturas e deformações relacionadas a impacto extraterreste, similares à estrutura de impacto de Vargeão (Crósta et al., 2004). Estudos posteriores detalharam os aspectos morfológicos, encontraram e descreveram as evidências de impacto necessárias para a comprovação da estrutura como sendo de origem de impacto (Crósta et al., 2010b). Com um diâmetro aproximado de 9,5 km, também foi descrita como sendo uma estrutura de impacto do tipo complexa, apresentando sutis colinas que podem estar relacionadas ao soerguimento central (Crósta et al., 2010b). Além disso, a presença anômala de arenitos na porção central das Formações Pirambóia/Botucatu pode ser outro provável indicador de um núcleo central soerguido, porém essa característica morfológica precisa ser mais detalhada para comprovação deste soerguimento central (Crósta, 2012).
Uma referência em relação à idade da estrutura de impacto de Vista Alegre foi relacionada com a idade da rocha alvo de impacto. Como a estrutura foi formada sobre os derrames basálticos de idade cretácea entre 139 e 125 Ma (Turner et al., 1994), foi atribuída para ela uma idade máxima em 125 Ma (Crósta et al., 2011).
Para a estrutura de impacto de Vista Alegre não existem estudos prévios e dados geofísicos. No entanto, um importante mapeamento geológico e identificação das evidências de impacto foi conduzido nesta área por Crósta et al., (2010b). A utilização de imagens de sensoriamento remoto, juntamente com análises petrográficas realizadas em amostras da área, resultou na caracterização geológica da região e também em algumas estimativas quanto às dimensões e morfologia da estrutura de impacto de Vista Alegre (Furuie, 2006).
Figura 1.7: Localização e principais vias de acesso da Estrutura de Vista Alegre. O polígono de cor cinza foi área de estudo geofísico.
Capítulo 2: Contexto Geológico
As áreas de estudo, indicadas na Figura 2.1, situam-se na porção sudoeste da Bacia do Paraná, mais precisamente entre os arcos de Ponta Grossa e de Rio Grande, coincidindo, em parte, com o depocentro da bacia. As unidades litoestratigráficas aflorantes na área, da base para o topo, são as formações Pirambóia, Botucatu e Serra Geral (Grupo São Bento).
2.1. Geologia regional
A Bacia do Paraná é uma ampla depressão intracratônica alongada segundo a direção N-S. Está localizada na América do Sul e compreende os territórios do Brasil, do Uruguai, da Argentina e do Paraguai, com área total de aproximadamente 1.700.000 km² (Figura 2.1). É preenchida com rochas sedimentares e vulcânicas desde o Ordoviano até o Cretáceo, podendo atingir, em algumas porções da bacia, até 6 km de espessura (Zalán et
al., 1990). Todo o registro estratigráfico da Bacia do Paraná encontra-se no Anexo A desta
dissertação.
Milani et al. (1998) organizaram o registro estratigráfico da Bacia do Paraná em seis grandes unidades, denominadas de supersequências, que compreendem grandes intervalos temporais no tempo geocronológico e delimitadas por expressivas discordâncias regionais. São elas: (1) Rio Ivaí (Ordoviciano-Siluriano); (2) Paraná (Devoniano); (3) Gondwana I (Carbonífero-Eotriássico); (4) Gondwana II (Meso-Neotriássico); (5) Gondwana III (NeoJurássico-Eocretáceo); e (6) Bauru (Neocretáceo). As estruturas de impacto de Vargeão e Vista Alegre estão inseridas na supersequência Gondwana III, no domínio das rochas vulcânicas da Formação Serra Geral (Figura 2.2), e compreendem ainda afloramentos de arenitos das Formações Botucatu e/ou Pirambóia. Existe uma dificuldade no posicionamento do contato entre essas duas últimas formações por apresentarem sedimentos com texturas similares (Fulfaro et al., 1980).
Figura 2.1: Mapa geológico generalizado da Bacia do Paraná com representação das supersequências e localização das estruturas de impacto de Vargeão e Vista Alegre, nos estados de Santa Catarina e Paraná, respectivamente. Fonte: modificado de Milani et al. (1998).
Figura 2.2: Estratigrafia compreendendo as unidades litoestratigráficas da supersequência Gondwana III, recorte da Carta Estratigráfica completa da Bacia do Paraná disposta no Anexo A. Fonte: Milani et al. (1994).
As rochas da Formação Serra Geral foram formadas durante os estágios iniciais da ruptura do supercontinente Gondwana, na transição do Jurássico para o Cretáceo, que marcou também a abertura do Oceano Atlântico Sul (Hawkesworth et al., 2000; Turner
et al., 1994). Esse intenso vulcanismo fissural do paleocontinente representou uma ampla
cobertura de derrames basálticos (três quartos da área total da bacia), com uma espessura de até 2000 metros em algumas porções da Bacia do Paraná (Milani et al., 2007).
A Formação Serra Geral engloba uma sucessão de derrames de lavas basálticas com espessuras de até 80 metros e com sedimentos intertrápicos associados, sendo que apresentam espessura aproximada de 20 a 50 centímetros, podendo atingir até alguns metros. Os derrames sobrepõem os arenitos eólicos da Formação Botucatu (Paiva Filho, 1999a). Os basaltos desta formação são principalmente de composição toleítica, cerca de 90% do volume total dos derrames (sendo classificados como basaltos toleíticos e andesibasaltos toleíticos), e os outros 10% são rochas de composição intermediária à ácida. Vieira (2009), utilizando os dados do poço 1-RCH-001-SC da PETROBRAS, descreve o pacote de rochas vulcânicas, podendo atingir espessuras de 800 a 1000 metros (Figura 2.3).
Figura 2.3: Coluna estratigráfica da Fm. Serra Geral, Fm. Botucatu e Fm. Pirambóia em região próxima da estudada. É baseada em dados de perfuração da ANP (1981) e dados do poço 1-RCH-001-SC da PETROBRAS. A sequência vulcânica superior não ocorre em Vargeão e as sequências superior e intermediária não ocorrem em Vista Alegre. Fonte: modificado de Nédélec et al. (2013).
No período Jurássico, extensos campos de dunas cobriram ampla região da bacia e constituíram a Formação Botucatu. Esta é composta, quase totalmente, por arenitos eólicos de coloração avermelhada, quartzosos e com granulação fina a média. O topo desta formação normalmente encontra-se silicificado em função do contato com derrames basálticos da Formação Serra Geral (Milani et al., 1994). Os arenitos Botucatu podem alcançar entre 60 e 80 metros na região de estudo (Vieira, 2009).
A Formação Pirambóia trata-se de depósitos fluviais e eólicos onde predominam arenitos avermelhados e esbranquiçados, de granulação média a fina. Na área de estudo, pode atingir entre 100 a 200 metros de espessura (Milani et al., 1994; Vieira, 2009).
2.2. Geologia local
As estruturas de impacto de Vargeão e Vista Alegre foram formadas na mesma unidade estratigráfica, os basaltos da Formação Serra Geral (Figura 2.1), o que as torna facilmente comparáveis do ponto de vista geológico e geofísico. Ambas possuem similarmente afloramentos de arenitos na região central, provavelmente pertencentes às Formações Pirambóia/Botucatu, possivelmente relacionados ao soerguimento central do núcleo dessas estruturas (Crósta et al., 2004; Kazzuo-Vieira et al., 2009).
2.2.1. Geologia de Vargeão
A primeira descrição geológica do Domo de Vargeão foi realizada por Paiva Filho et al. (1978), que destacaram um padrão anelar-radial de fraturas com mergulho concêntrico para o interior do Domo, identificaram quatro diferentes derrames vulcânicos nas suas bordas norte e leste, e relataram a ocorrência de corpos de arenitos no interior da estrutura.
Vieira (2009) propôs um mapa geológico detalhado da estrutura de impacto do Domo de Vargeão, descrevendo as principais litologias encontradas em seu interior, da base para o topo, como sendo: (i) arenitos deformados das Formações Pirambóia/Botucatu; (ii) basaltos toleíticos da Unidade Basaltos Alto Uruguai; (iii) quartzo-latito pórfiro da Unidade Ácidas Chapecó; e (iv) brechas polimíticas decorrentes do impacto (Figura 2.4).
Os arenitos das formações Pirambóia e/ou Botucatu afloram no centro da estrutura na forma de blocos delimitados por falhas. Apresentam-se extremamente deformados e estão envoltos por uma unidade designada de brechas de impacto (Barbour Jr. e Corrêa, 1981). Esses afloramentos ocorrem de forma anômala nesta região e foram associados com tais formações através de dados do poço pioneiro 1-RCH-001-SC da PETROBRAS (Figura 2.3), com localização aproximada de 22 km da estrutura do Domo de Vargeão, onde arenitos Pirambóia/Botucatu se encontram em profundidades entre 980 e 1100 metros (abaixo dos basaltos da Formação Serra Geral) (Vieira, 2009).
A Unidade Basaltos Alto Uruguai representa a sequência inferior dos derrames basálticos da Formação Serra Geral (Figura 2.3). Na região do Domo de Vargeão, esta unidade encontra-se sotoposta à Unidade Ácidas Chapecó (Paiva Filho, 1999b). Os basaltos que compõem esta unidade são predominantemente toleíticos e podem atingir centenas de metros desde seu contato com os arenitos da Formação Botucatu (Vieira, 2009).
O derrame de riodacito pórfiro se estende de modo estratigraficamente contínuo desde o planalto serrano do norte do Rio Grande do Sul até o Paraná, passando pelo oeste catarinense (Paiva Filho, 1999a). Denominada de Unidade Ácidas Chapecó, ocorre nas bordas leste e sudeste da estrutura recobrindo os basaltos Alto Uruguai, e apresenta uma espessura média em torno de 80 metros em toda a área de ocorrência (Crósta, 2012).
As brechas de impacto estão delimitadas por um colar de rochas da Unidade Ácidas Chapecó. Elas estão localizadas na região central em uma disposição anelar e foram interpretadas por Kazzuo-Vieira et al. (2009) como remanescente erosivo do núcleo soerguido da estrutura. São formadas a partir de rochas ígneas e brechas polimíticas, e também brechas monomíticas em arenitos (Crósta, 2012).
2.2.2. Geologia de Vista Alegre
A geologia da região da estrutura de impacto de Vista Alegre foi mapeada por pesquisas de campo entre os anos de 2004 e 2008, resultando na apresentação do mapa geológico da área, conforme Figura 2.5 (Crósta et al., 2010b; Furuie, 2006). Seus limites, com borda circular na forma de um anel de escarpas e uma depressão interna, são bem delimitados, com exceção das bordas sul e sudoeste da estrutura, as quais foram removidas pela ação erosiva do rio Chopim, que corta a estrutura na sua porção SW. Sutis elevações topográficas na área central, em um diâmetro de aproximadamente 3 km, denotam um provável soerguimento central (Furuie, 2006).
O resultado deste mapeamento geológico descreveu para a área os seguintes litotipos: (i) basaltos e basaltos fraturados da Formação Serra Geral; (ii) brechas polimíticas de impacto; e (iii) pacotes sedimentares subjacentes à Formação Serra Geral (Figura 2.5).
O litotipo (i) corresponde basicamente à basaltos toleíticos, típico da Formação Serra Geral. Em uma área circular dos limites de borda da estrutura até o seu centro, preenchendo o substrato da cratera, são encontrados basaltos fraturados. Esse fraturamento é relativamente intenso e atribuído ao choque e processos de colapso de borda da estrutura de impacto (Crósta et al., 2011).
As brechas, litotipo (ii), são rochas com formação diretamente relacionada ao processo de impacto e modificações posteriores. Ocorrem em uma área circular de aproximadamente 20 km² na porção central da estrutura, formando uma camada
relativamente contínua, subjacente ao solo, com uma espessura mínima aproximada de 8 a 12 metros, podendo exceder esses valores (Crósta et al., 2011).
No mapa geológico apresentado não está representado o litotipo (iii) pela ausência de afloramentos in situ, tendo apenas ocorrências de blocos deslocados. Os arenitos encontrados na área estão localizados próximos ao centro da estrutura de impacto, e ocorrem de forma anômala em meio às rochas da Formação Serra Geral, já que estas rochas sedimentares se encontram aproximadamente entre 700 e 900 metros de profundidade nesta região (Furuie, 2006). Assim, estes arenitos foram interpretados como possível resultado de soerguimento de rochas sedimentares das Formações Pirambóia ou Botucatu (Crósta et al., 2004; 2011).
Capítulo 3: Levantamento e redução de dados gravimétricos
Os levantamentos gravimétricos são baseados em medidas das variações do campo gravitacional da Terra que, por sua vez, são provocadas por diferenças de densidade entre as rochas em subsuperfície (Telford et al., 1990). Diferentes situações geológicas podem gerar anomalias de massa que, por sua vez, produzem anomalias gravimétricas (relevo do solo, intrusões, diques, domos salinos etc.). A interpretação das anomalias gravimétricas permite tirar conclusões sobre a profundidade provável, a forma e a massa do corpo causal.
3.1. Conceitos fundamentais de gravimetria
A pesquisa gravimétrica é baseada na Lei da Gravitação Universal de Newton, descrita no livro Principia Mathematica, em 1687. Segundo esta lei, as partículas materiais atraem-se com uma força de intensidade diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância de seus centros de massa:
𝐹 = 𝐺𝑚1𝑚2
𝑟2 (3.1)
Considerando a Terra esférica de raio R, com massa M e sem rotação, demonstra-se que a massa da esfera atua como se estivesse toda concentrada no centro da esfera,
𝐹 = 𝐺𝑀𝑚𝑅2 = 𝑔𝑚 (3.2)
Conforme a segunda lei de Newton, a força F está relacionada com a massa m através da aceleração (𝐹 = 𝑚. 𝑎), assim o termo ( 𝑔 = 𝐺𝑀 𝑅⁄ ) é conhecido por aceleração 2 gravitacional, ou simplesmente gravidade.
O valor médio de g é 9,80 𝑚𝑠−2. As variações de gravidade, provocadas por variações de densidade, são da ordem de 100 𝜇𝑚𝑠−2. A unidade internacional de medida da gravidade é o Gal ( 100 𝐺𝑎𝑙 = 1 𝑚𝑠−2 ).
3.2. Correções gravimétricas
Antes de interpretar os resultados de um levantamento gravimétrico, é necessário proceder com correções de todas as variações do campo de gravidade da Terra que não sejam resultado de diferenças de densidade em subsuperfície. Tais correções suavizam e até eliminam efeitos indesejáveis (latitude, instrumento, maré etc.), processo conhecido como redução gravimétrica.
3.2.1. Latitude
Teoricamente, o valor de g deveria ser constante em toda Terra. No entanto, a gravidade varia de lugar para lugar devido a melhor aproximação da forma da Terra ser uma esfera achatada ou um elipsoide. Essa forma é consequência da combinação entre as acelerações gravitacional e centrífuga. Assim, foi adotada uma Fórmula Internacional de Gravidade que determina um modelo de gravidade teórico devido a um elipsoide equipotencial de revolução, podendo ser calculada segundo a seguinte expressão (Li e Götze, 2001):
𝑔0 = 978032,7 (1 + 0,0053024 sin2Φ − 0,0000058 sin22Φ) 𝑚𝐺𝑎𝑙 (3.3) onde 𝑔0 é a gravidade teórica (na latitude geográfica Φ), no elipsoide de referência; no caso deste estudo, foi o World Geodetic System 1984 (WGS1984).
A diferença entre as anomalias observadas e o valor da Fórmula Internacional de Gravidade (𝑔0) no mesmo local é chamada de anomalia de gravidade ou anomalia gravimétrica.
3.2.2. Correção ar-livre
A correção ar livre ou de altitude tem por objetivo compensar os efeitos da diferença de altitude das estações em relação ao geoide ou a um nível de referência arbitrário, neste caso, o elipsoide de referência (WGS1984). É, portanto, a diferença entre a gravidade medida ao nível do mar e em uma estação com altitude geométrica h (metros), sendo expressa por:
