UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEODINÂMICA E GEOFÍSICA - PPGG
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
MAPEAMENTO DOS GEOHABITATS DA PLATAFORMA CONTINENTAL DE TAMANDARÉ-PE.
Autora: VANESSA COSTA FONTES
Orientador: Prof. Dr. Moab Praxedes Gomes (PPGG/DG/UFRN)
Dissertação nº 210/PPGG
Natal/RN 2018
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEODINÂMICA E GEOFÍSICA - PPGG
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
MAPEAMENTO DOS GEOHABITATS DA PLATAFORMA CONTINENTAL DE TAMANDARÉ-PE.
Autora: VANESSA COSTA FONTES
Dissertação nº 210/PPGG apresentada no dia 07 de Agosto de 2018, ao Programa de
Pós-Graduação em Geodinâmica e
Geofísica, PPGG, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), para
obtenção do título de Mestre em
Geodinâmica e Geofísica, com área de concentração em Geodinâmica.
Natal/RN 2018
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEODINÂMICA E GEOFÍSICA - PPGG
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
VANESSA COSTA FONTES
MAPEAMENTO DOS GEOHABITATS DA PLATAFORMA CONTINENTAL DE TAMANDARÉ-PE
COMISSÃO EXAMINADORA:
MOAB PRAXEDES GOMES (ORIENTADOR) WERNER FARKATT TABOSA (UNI-RN/UNP) ANDRÉ GISKARD AQUINO DA SILVA (PPGG/UFRN)
Natal/RN 2018
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Setorial Prof. Ronaldo Xavier de Arruda - CCET Fontes, Vanessa Costa.
Mapeamento dos geohabitats da plataforma continental de Tamandaré-PE / Vanessa Costa Fontes. - 2018.
87f.: il.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Ciências Exatas e da Terra, Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica. Natal, 2018.
Orientador: Moab Praxedes Gomes.
1. Recifes - Dissertação. 2. Plataforma continental - Dissertação. 3. Baía de Tamandaré - Dissertação. 4. Área de
proteção ambiental - Dissertação. 5. Paleocanais - Dissertação. I. Gomes, Moab Praxedes. II. Título.
AGRADECIMENTOS
Agradeço à Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica, e ao Departamento de Geologia pela infraestrutura necessária e pelo ensino de excelência a mim oferecido.
Ao Projeto CAPES Ciências do Mar II nº 23038.004320/2014-11 (Processos oceanográficos na quebra da plataforma continental do nordeste brasileiro: fundamentos científicos para o planejamento espacial marinho) pelos recursos necessários ao desenvolvimento da pesquisa e pela concessão da bolsa de pesquisa de mestrado.
Agradeço à professora Helenice Vital, por todo o conhecimento e tempo compartilhado. Por ser uma orientadora que acolhe tão bem seus orientandos e os incentiva a dar o seu melhor e ao crescimento profissional.
Ao professor Werner Tabosa, por aceitar fazer parte da banca.
Ao Dr. André Giskard por sua ajuda durante o processo sempre me incentivando a ir além e por aceitar fazer parte desta banca.
Ao professor Moab Gomes que é um poço de paciência e boa vontade. Sempre disposto a ajudar a todos. E que, assim como a professora Helenice e o Dr. André, cumprem um papel muito além do que professor e orientador.
Um muito obrigado a todos os professores os quais tive a oportunidade de conhecer e compartilharam o seu conhecimento comigo. Sem vocês eu não teria alcançado a minha formação.
Ao Laboratório de Geologia e Geofísica Marinha e Monitoramento Ambiental (GGEMMA) por tornar possível o desenvolvimento desse trabalho. Aos meus colegas de laboratório: Júlia, Juninho, JP, André Giskard, Diego Polegar, Andressa, Flavinha, Gerard, Fernando, Gagau.
Aos meus amigos que a geologia me deu: João, Matheus, Luanny, Ricardo, Ruan, Arthur, André, E a todos os meus colegas que de alguma forma me ajudaram para chegar aqui.
Aos meus amigos que estão comigo desde o Ensino Fundamental: João, Mônica, Nathalia, Flávia, Iuri, Iasmin, Sávia, Maroto, Vi, Aimee.
À minha família. Em especial aos meus pais e minha irmã. Sem vocês, de forma alguma, teria chegado até aqui. Amo vocês!
RESUMO
A plataforma continental de Tamandaré-PE, no nordeste brasileiro, é estreita (35 km), rasa, com a quebra da plataforma ocorrendo a 90 m de profundidade, tem uma sedimentação mista carbonática-siliciclástica e uma larga ocorrência de cumes recifais e corpos isolados. O mapeamento dos geohabitats foi realizado usando um sistema interferométrico (EdgeTech 4600), processamento digital de imagem de satélite da série Landsat 8, amostras sedimentológicas superficiais e vídeos subaquáticos para identificar zonas de cobertura sedimentar e campos recifais. Sete padrões acústicos de retroespalhamento foram identificados.
Habitats de substrato rígido estão associados aos recifes biogênicos (P1, P2 e P3) e habitats de
substrato de sedimentos macio onde se desenvolvem desde substratos lamoso a cascalhoso (P4, P5, P6 e P7). Recifes conectados à Baía de Tamandaré e à costa apresentam um relevo mais complexo com uma altura média de 4 m com flancos íngremes e cavernas, atingindo 10 m de altura nos flancos em direção ao mar. Um segundo campo recifal, o Recife Carapitanga, tem relevo menor com uma altura média de 2 m, mas com knolls de até 6 m de altura. Carapitanga, de forma geral, apresenta um estágio elevado de bio erosão. Um corpo lamoso ocorre entre os campos recifais e dentro dos paleocanais, onde há grandes atividades de pesca de camarão.
Palavras-chave: recifes; plataforma continental; Baía de Tamandaré; Área de Proteção Ambiental; paleocanais.
ABSTRACT
The Tamandaré-PE continental shelf, in the eastern Brazilian coast, is narrow (35 km), shallow with shelf break at 90 m water depth, has mixed carbonate and siliciclastic sedimentation and widespread occurrence of ridges and patch reefs. The habitat mapping was carried out using an interferometric swath system (EdgeTech 4600), digital processing of Landsat 8 image, surficial sediment samples and underwater videos to identify sedimentary cover zones and reef fields. Seven acoustic backscatter patterns represent hard-substrate habitats associated biogenic reefs (P1, P2 and P3) and soft sediment habitats where muddy to gravelly substrates develop (P4, P5, P6 and P7). Reefs attached to the Tamandaré Bay and coast have more complex relief with average of 4 m high with steep flanks and caves, reaching 10 m height in the seaward flanks. A second reef field, the Carapitanga Reef, has lower relief with average height of 2 m, but with knolls up to 6 m high, and depicts an advanced bioerosion stage. A muddy body occurs in between reef fields and into paleochannels, where there are large shrimp fishing activities.
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 10 1.1 APRESENTAÇÃO 11 1.2 JUSTIFICATIVA 13 2 REFERENCIAL TEÓRICO 15 2.1 CONTEXTO REGIONAL 16 2.2 INTERFEROMETRIA 18
2.3 GEOHABITATS E SISTEMAS RECIFAIS 21
3 MATERIAIS E MÉTODOS 30
3.1 TRATAMENTO DOS DADOS INTERFEROMÉTRICOS 31
3.2 CORREÇÕES GEOMÉTRICAS 31
3.2.1 Remoção da lâmina d’água (Bottom Track) 31
3.2.2 Divisão de linhas (Split) 33
3.2.3 Largura de Varredura (Range) 33
3.3 GANHOS (GAINS) 33
3.3.1 UGC – User Defined Gain (Ganho Definido pelo Usuário) 33
3.3.2 EGN – Empirical Gain Normalization (Normalização do Ganho Empírico) 33
3.4 MAPEAMENTO DOS PADRÕES DE RETROESPALHAMENTO 34
3.5 AMOSTRAGEM DE FUNDO E PROCEDIMENTOS LABORATORIAIS 34
3.6 PROCESSAMENTO E ANÁLISE DA IMAGEM DE SATÉLITE 35
4
Reefs distribution and inter reef sedimentation on Tamandaré continental shelf, NE-Brazil
41
5
Insights on continental shelf evolution of Tamandaré shelf, northeastern Brazil
55
6 CONCLUSÕES 77
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Mapa de localização da área de estudo. 13
Figura 2.1 Mapa morfológico da plataforma continental adjacente à Baía de Tamandaré-PE (modificado de Camargo et al., 2007).
17
Figura 2.2 Modelo das trajetórias do sinal acústico (adaptado de SeaBeam, 2000). 18 Figura 2.3 Geometria do sistema interferométrico <www.bathyswath.com/node/129>. 19 Figura 2.4 O backscatter tem dependência angular e o ângulo de incidência é
diretamente influenciado pela rugosidade da superfície (modificado de Lurton, 2015).
21
Figura 2.5 Principais fatores que controlam a formação de recifes tropicais modificado de Walker & James, 1992).
22
Figura 2.6 Os principais tipos de estruturas recifais (modificado de Spalding et al., 2001).
23 Figura 2.7 Zonas geomorfológicas dos recifes em franja
<http://static.hsw.com.br/gif/coral-reef-zones.jpg>
24
Figura 2.8 Respostas do crescimento de recifes em função da mudança do nível do mar (modificado de Smithers (2011) baseado em Woodroffe (2002)).
26 Figura 2.9 Localização dos recifes de coral ao longo da costa brasileira (modificado de
Leão et al., 2016).
27 Figura 2.10 Esquema dos principais recifes encontrados ao longo da costa brasileira
(modificado de Leão et al., 2003).
29
Figura 3.1 Esquema exibindo a projeção inclinada (slant range) e horizontal (ground
range) de um alvo (compilado de Blondel & Murton, 1997).
32
Figura 3.2 (A) linha sonográfica sem a remoção da lâmina d’água (destacada em vermelho); (B) linha sonográfica após a aplicação da ferramenta bottom
track.
32
Figura 3.3 Amostra decantada após lavagem e pronta para a remoção da água. 34 Figura 3.4 Interpretação gráfica do método (Hedley et al., 2005). 37 Figura 3.5 Radiância de duas bandas linearizadas de um substrato homogêneo em
função da profundidade (Green et al., 2000).
38
Figura 3.6 Exemplo de um gráfico bi-plot confeccionado para a correção da imagem adquirida em 2017.
39
Figura 3.7 Bi-plot entre as bandas espectrais i e j. Cada dii equivale à intersecção com
o eixo y das retas relativas à cada tipo de substrato homogêneo (Green et al., 2000).
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 APRESENTAÇÃO
A morfologia de plataformas continentais modernas é o resultado de interações complexas entre processos de longo e curto prazo, como: condições de hidrodinâmica, transporte de sedimento, mudanças relativas no nível do mar, entrada de sedimento, atividades biológicas e configuração geológica (Sternberg e Nowell, 1999; Pratson et al., 2007; Schattner
et al., 2010; Brothers et al., 2013 apud Bastos et al.,2015). E as feições morfológicas dessas
plataformas no nordeste brasileiro são fortemente influenciadas pelas mudanças no nível do mar no Quaternário Superior (Bastos et al., 2015; Silva et al., 2018).
A maioria das plataformas continentais modernas têm a ocorrência de sedimentos carbonáticos, onde boa parte cobrem plataformas continentais em mares tropicais. Areia carbonática, recifes de coral e substrato rígido algálico são as formas mais frequentes e generalizadas de carbonato nesses ambientes, além de lamas carbonáticas com ocorrência limitada à áreas margeadas por barreiras. Essas formas se desenvolvem in situ e não são amplamente espalhadas por ondas e correntes na plataforma continental; assim, a natureza e distribuição dos vários componentes esqueléticos e não-esqueléticos formam um registro sensível e confiável do ambiente quanto à compreensão da história Holocênica deposicional (Ginsburg & James, 1974).
De acordo com o MESH (2008), o termo “habitat” é definido como “...tanto as condições físicas como as ambientais que apoiam uma determinada comunidade biológica, em conjunto com a própria comunidade”. Dessa forma, o mapeamento de geohabitats do fundo marinho envolve o mapeamento tanto das condições geológicas do ambiente (composição sedimentológica e morfologia), quanto das comunidades biológicas. E ambos os fatores são bastante controlados especialmente pela hidrodinâmica local, mas também por outros processos já citados anteriormente, que podem causar alterações nas condições morfodinâmicas do fundo e, assim, nos habitats marinhos (Overmeeren et al., 2009; Greene et al., 2007).
Recifes de corais são encontrados em mais de 100 países, principalmente em mares tropicais, regiões de águas rasas e quentes, sendo um dos habitats mais estudados atualmente devido à sua capacidade de registro das variações eustáticas episódicas de variação do nível do mar em sua estrutura (Montaggioni & Braithwaite, 2009; Quinn & Tudhope, 2000). Estão presentes nos oceanos Pacífico, Atlântico e Índico, entre outras partes do mundo (MMA, 2009).
Eles ocupam aproximadamente 0.02% de área oceânica (Spalding & Grenfell, 1997) e abrigam cerca de ¼ de todas as espécies marinhas (Davidson, 1998).
O uso de métodos hidroacústicos para o mapeamento de geohabitats vêm sendo amplamente utilizado nas últimas duas décadas (Micallef et al., 2012), uma vez que esses sistemas são usados para inferir as propriedades física, geológica e biológica do fundo marinho (Innangi et al., 2015). Dentre eles, o uso de sonar de varredura lateral é a mais utilizada pois utiliza ondas sonoras de alta frequência, produzindo imagens detalhadas e de alta resolução do fundo marinho, permitindo assim, a identificação e análise das diferentes morfologias de fundo, além de comunidades marinhas uma vez que a diferenciação nos seus padrões de retroespalhamento (backscatter) produzem assinaturas acústicas características (Overmeeren et
al., 2009).
É nesse contexto de plataforma carbonática com a presença de recifes de corais em diferentes profundidades, areia e lama carbonática e também vale-inciso que se encontra a área de estudo na Baía de Tamandaré em Pernambuco (figura 1.1), inserida na Área de Proteção Ambiental (APA) Costa dos Corais. Os corpos recifais estão concentrados em dois campos principais e ambos são desenvolvidos no topo de substratos rígidos que estão relacionados à antigas linhas de costas. Entre os dois campos recifais, há um cinturão de lama carbonática presente na plataforma média; a área é predominantemente coberta por material carbonático cascalhoso e também apresenta corpos arenosos ocorrendo de forma isolada.
Apesar da existência de levantamentos morfológicos utilizando singlebeam e também quanto às comunidades biológicas a partir de visualizações em mergulhos na plataforma, não existem trabalhos utilizando dados sonográficos para a descrição dos geohabitats da área. Dessa forma, essa pesquisa tem como principais objetivos: 1) compreender e analisar a distribuição dos geohabitats ao longo da plataforma continental da Baía de Tamandaré-PE; e 2) identificar a relação entre a morfologia das feições e a evolução holocênica da plataforma através do processamento e análise de dados adquiridos com interferometria, imagem de satélite, amostras sedimentológicas e vídeos subaquáticos.
Figura 1.1. Mapa de localização da área de estudo exibindo as principais feições morfológicas da área (vale-inciso e corpos recifais) e o conjunto de dados utilizados.
1.2 JUSTIFICATIVA
Os recifes são ecossistemas marinhos importantes devido à grande diversidade biológica que abrangem, além de terem uma importante relevância na economia local através de atividades turísticas e pesqueiras (Correia & Sovierzoski, 2005; Zilberberg et al., 2016).
Uma vez que esse ecossistema é uma fonte de exploração rentável, a ação antrópica está quase sempre associada aos recifes. No entanto, tais ações estão causando rápida perca de populações, espécies e grupos funcionais nos recifes (Lotze et al., 2006; Worm et al., 2006). Para garantir a preservação da diversidade biológica associada à esse ecossistema, unidades de Área de Proteção Ambiental vêm sendo criadas ao longo da costa brasileira, como exemplo a APA Costa dos Corais, a qual a área de estudo está inserida. Para a análise, compreensão e manutenção dessas áreas, estudos dessa natureza são de extrema importância.
A geomorfologia de recifes e as feições associadas a ele são resultado de interações entre fatores físico, biológico e geológico em curtas escalas ecológicas assim como longas escalas geológicas (Kennedy et al., 2002; Harris et al., 2004; Twichell et al., 2010; Woodroffe & Webster, 2014). A morfologia desses ecossistemas e sua distribuição espacial, assim como os sedimentos associados podem ser fatores chave para a interpretação da interação entre processos plataformais, potencial do crescimento recifal e taxas de elevação do nível do mar (Wolanski et al., 1995; Tcherepanov et al., 2008; Abbey et al., 2011).
CAPÍTULO 2
REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 CONTEXTO REGIONAL
A área de estudo está inserida no contexto geológico da plataforma continental sul de Pernambuco, mais especificamente adjacente à Baía de Tamandaré (figura 2.1). Tal plataforma é estreita (largura média de 35 km), uma característica comum às plataformas continentais na região nordeste do Brasil, rasa (quebra da plataforma a 90 m), declive suave, apresenta uma sedimentação mista carbonática-silicilástica e águas quentes com alta salinidade (Manso et al., 2003).
Morfologicamente, o litoral pernambucano é bastante característico por exibir linhas de recifes na plataforma interna, geralmente paralelos à costa. Esses corpos são caracterizados em
beachrocks, recifes coralíneos e algálicos e os resultantes da erosão das falésias das Formações
Barreiras (Terciário), Gramame (Terciário) e Maria Farinha (Cretáceo) (MMA, 2006). Essas formações servem de substratos para o desenvolvimento de algas e corais, além de construir uma efetiva proteção ao litoral na medida em que absorve grande parte da energia das ondas incidentes, mesmo estando completamente submersos (Manso et al., 2003).
De acordo com Manso et al. (2003), essa plataforma é caracterizada por uma ativa produção carbonática orgânica que se traduz pelo desenvolvimento de fundos de algas calcárias. Além de apresentar uma pequena quantidade de corais, comparada ao grande desenvolvimento de algas. O crescimento dos corais ficou restrito aos substratos litificados, representados pelas antigas linhas de praias ou estruturas de recifes algálicos. Atualmente, o crescimento desses corais é limitado ao lado externo dos beachrocks ou sobre as construções de algas incrustantes. Localmente, a área de estudo compreende aproximadamente 135 km² e é limitada à norte pelo estuário do Rio Formoso e à sul pelo Rio Una. Apresenta um clima tropical chuvoso (Koppen, 1948), ventos dominantes de direção SE durante o inverno e de direção E durante o verão (MMA, 2006) e é dominada por regimes de mesomarés semidiurnas (MMA, 2006). A área é caracterizada pela presença de recifes de corais expostos paralelos à baía e também submersos distribuídos em diferentes profundidades. Também contém vale-inciso, o qual, junto aos recifes submersos e beachrocks, são possíveis feições morfológicas relacionadas à regressão e transgressão holocênica, respectivamente (Michelli et al., 2001; Camargo et al., 2007). Há também a presença de um cinturão de lama carbonática na plataforma média, corpos arenosos isolados e cobertura carbonática cascalhosa predominante em toda a área.
Maida & Ferreira (1997) descreveram os corpos recifais a partir de análises feitas por mergulhos. Segundo eles, os recifes de corais na região de Tamandaré possuem um crescimento
distintivo. Eles se desenvolvem como colunas isoladas que crescem até 5 – 6 m de altura. Onde essas colunas estão densamente agregadas, seus topos coalescem e criam largos sistemas de cavernas interconectadas abaixo de suas superfícies. Estão dispostos como bancos alongados, manchas e bancos adjacentes que ocorrem paralelos e próximos à costa e arranjados em três linhas. A primeira é um alinhamento de bancos de recifes alongados, ao lado da praia, às vezes ligado à costa. A segunda formam bancos recifais alongados que crescem em direção ao mar; embora não tenha sido feita testemunhagem, o arranjo espacial e o alongamento sugerem que eles podem ter crescido em torno de linhas de praia (Laborel, 1969; Dominguez et al., 1990). A terceira linha forma uma estrutura de recife tipo barreira. Os recifes de Tamandaré, de maneira geral, são estreitos, alongados e com as paredes da zona de traseira recifal submersa por cavidades e canais interligados.
Figura 2.1. Mapa morfológico da plataforma continental adjacente à Baía de Tamandaré-PE (modificado de Camargo et al., 2007).
2.2 INTERFEROMETRIA
O sensoriamento remoto acústico é o principal meio de investigação do fundo do mar. Ele utiliza onda acústica na obtenção indireta de dados de uma superfície (Ayres Neto, 2001). Ondas acústicas se baseiam na propagação de uma onda de pressão onde o movimento das partículas é longitudinal à direção da propagação da onda em um meio fluido. No ambiente marinho, o meio fluido é a coluna d’água, local de trajetória da onda até atingir um obstáculo (Blondel & Murton, 1997). A amplitude de propagação de uma onda acústica está diretamente relacionada à sua energia e, assim, sofre efeitos de oscilação ao longo da trajetória na coluna d’água e no fundo marinho, resultando em reflexão, refração e espalhamento (Blondel, 2009).
Considerando o primeiro obstáculo sendo o fundo marinho, a primeira reflexão da onda acústica fornece informações da profundidade local. Devido à interação da onda acústica com o fundo marinho, ocorre o retroespalhamento, viabilizando informações sobre a distribuição espacial de diferentes feições do fundo. Dependendo da frequência, a onda pode penetrar o substrato marinho, resultando a refração (figura 2.2). Quando a onda atinge uma superfície refletora com contraste de impedância acústica, ocorre novamente a reflexão e espalhamento. Essa última reflexão concede dados a respeito da espessura e tipo de material presente na região (Lurton, 2002).
Os interferômetros, também conhecidos como sonares batimétricos diferenciadores de fase, permitem adquirir duas informações sobre o fundo oceânico: a batimetria multifeixe, que fornece a profundidade do fundo marinho e a sonografia, que exibe uma imagem do fundo. Esses equipamentos utilizam a fase do sinal acústico para medir o ângulo da frente de onda refletida. Como o interferômetro possui vários receptores - o EdgeTech 4600 possui oito - dispostos espaçados regularmente de forma próxima um dos outros, o sinal de retroespalhamento chega em tempos diferentes, causando a diferença de fases que permite o cálculo do ângulo do eco de retorno e, assim, a profundidade (figura 2.3) (Blondel, 2009).
O cálculo de cada ângulo de chegada pode ser observado na Equação 1 a seguir. Onde λ representa o comprimento de onda e ΔΦ a diferença de fase. A distância entre os receptores
interferométricos é chamada de linha de base d. Normalmente, assume-se que d é pequeno em
relação ao alcance, então as frentes de onda refletidas podem ser consideradas paralelas (Pereira, 2016).
Eq. (1) 𝜃 = sin−1 λ∆∅ 𝟐𝝅𝒅
Esses equipamentos possuem dois ou mais agregados de transmissão de sinal acústico horizontais. Cada agregado produz um feixe com grande abertura transversal e com pequena abertura longitudinal. Um destes agregados de elementos transdutores é utilizado para a transmissão, insonificando uma área do fundo e difundindo a energia incidente em várias direções. Parte dessa energia será refletida na direção dos agregados que medem o ângulo relativamente aos transdutores. A distância também é calculada a partir do tempo de ida e volta observado (Manual de hidrografia, 2005).
A imagem sonográfica é formada pelo sinal emitido que retorna ao equipamento com intensidades distintas, pois, ao atravessar a coluna d’água e interagir com a superfície do fundo marinho, o sinal passa por um processo de espalhamento (scatter) e, por apresentar diferentes tipos de sedimento de fundo, ângulo de incidência, morfologia e atenuação da onda, o espalhamento do sinal de retorno (backscatter) é resultado de uma reflexão desordenada da onda acústica (Lurton, 2002; Blondel & Murton, 1997). O ângulo de incidência também varia ao longo da faixa sonorizada, de forma que quanto mais distante a superfície imageada estiver do sonar, menor será a intensidade do retroespalhamento (Lurton e Lamarche, 2015).
Em registros sonográficos é possível analisar a intensidade do retorno do sinal a fim de se classificar o fundo marinho. Essa intensidade está relacionada com as propriedades do sedimento (Ferrini e Flood, 2006; Goff et al., 2004; Sutherland et al., 2007) e depende de dois componentes: dispersão do sinal de espalhamento devido à heterogeneidade do volume sedimentar e da rugosidade do fundo. Sedimentos finos geralmente exibem baixa intensidade do sinal de retroespalhamento devido à baixa densidade aparente do sedimento e ao baixo contraste de impedância acústica entre a interface água-sedimento, enquanto que os sedimentos mais grossos geralmente resultam em alta intensidade do sinal de retroespalhamento devido à alta densidade aparente, contraste de impedância acústica alta e maior rugosidade da superfície sedimento-água (Briggs et al., 2001; Briggs et al., 2002; Richardson et al., 2001; Stewart et al., 1994; Innangi et al., 2015).
Um outro fator a ser levado em consideração é a forte dependência angular do
backscatter do fundo do mar. Perto da vertical, o fenômeno de reflexão especular predomina e
essa é a direção em que o nível do sinal é mais intenso a partir do fundo. Fundos marinhos compostos por sedimentos com menor tamanho de grão (p. ex: silte e argila) tendem a ter menor rugosidade (figura 2.4) e, nesses casos, a influência da reflexão especular diminui rapidamente com o aumento do ângulo de incidência (Lurton e Lamarche, 2015).
Figura 2.4. O backscatter tem dependência angular e o ângulo de incidência é diretamente influenciado pela rugosidade da superfície (modificado de Lurton, 2015).
2.3 GEOHABITATS E SISTEMAS RECIFAIS
Geohabitats são condições/ambientes geológicas marinhas que permitem o
desenvolvimento de certas espécies biológicas marinhas. O tipo de substrato, a geomorfologia e a profundidade estão entre os fatores mais importantes que afetam a distribuição e abundância de organismos marinhos bentônicos (Greene et al., 2007). Parâmetros físicos (salinidade, temperatura, nutriente), geológicos (tipo de substrato e geomorfologia) e biológicos (densidade de espécies e porcentagem de cobertura de flora e fauna incrustante) são usados para determinar associações de habitats para espécies, estágio de história de vida ou assembleia (Greene et al., 2007).
Habitats bentônicos são áreas fisicamente distinguíveis do fundo marinho que estão
associadas com espécies particulares, comunidades ou assembleias que constantemente ocorrem juntas. Diferentes feições geomórficas (p. ex: cânions submarinos, montes submarinos, atóis, fiordes) são comumente associados com grupos de habitats particulares. E os dados
coletados para a elaboração de mapas de geohabitats marinhos podem ser usados para uma variedade de aplicações nas áreas de gestão e indústria, incluindo a gestão de pescaria, gestão do ambiente espacial marinho, projeto de reservas marinhas, suporte no desenvolvimento de infraestrutura na indústria de óleo e gás, construção de posto e canal de transporte, turismo, etc. De modo geral, o mapeamento desses ambientes fornecem informações básicas que são fundamentais para que os responsáveis desses setores citados possam tomar decisões em suas áreas (Harris e Baker, 2012).
Nessa pesquisa, o habitat em foco são os corpos recifais que ocorrem ao longo da plataforma continental adjacente à baía de Tamandaré-PE.
Segundo Done (2011), os recifes de coral modernos são uma combinação de corais crescendo em uma estrutura massiva resistente à ação das ondas com associação de sedimentos, substancialmente construído por esqueletos de sucessivas gerações de corais e outras espécies de biotas recifais calcárias. Fatores ambientais controlam o desenvolvimento desses sistemas, tais como luz, quantidade de nutrientes, sedimentação, turbidez, substrato, espaço de acomodação, temperatura e salinidade (figura 2.5) (Catuneanu et al., 2011).
Figura 2.5. Principais fatores que controlam a formação de recifes tropicais (modificado de Walker & James, 1992).
Os recifes são encontrados em mais de 100 países, principalmente em mares tropicais, regiões de águas rasas e quentes. Estão presentes nos oceanos Pacífico, Atlântico e Índico, entre outras partes do mundo (MMA, 2009). Eles ocupam aproximadamente 0.02% de área oceânica
(Spalding & Grenfell, 1997), e abrigam cerca de 1 4
⁄ de todas as espécies marinhas (Davidson,
1998).
Estruturalmente, os recifes podem ser classificados em cinco tipos principais (figura 2.6): em Franja (Fringing) são aqueles que geralmente crescem ligados à linha de costa, mas também ocorrem próximos à ela ou em ilhas altas ao longo da plataforma continental (eg: os recifes de Tamandaré-PE); recifes em Mancha (Patch) são pequenas construções isoladas que normalmente ocorrem entre os recifes em franja e os recifes em barreira (eg: os recifes da Flórida); recifes em Barreira (Barrier) são estruturas mais antigas em regiões mais distais à costa e alguns têm sua origem como recifes em franja (eg: Grande Barreira de Coral da Austrália); Atóis (Atoll) são formações recifais únicas, amplamente circulares que ocorrem circundando uma larga lagoa em torno de ilhas vulcânicas. São tipicamente encontrados bem distantes da plataforma continental (eg: Atol das Rochas); e os recifes de plataforma desenvolvem-se em águas mais profundas, frias e distantes do continente. Sua origem está relacionada à ascenção do nível do mar (eg: recifes da Noruega) (Spalding et al., 2001) (Smithers, 2011).
Figura 2.6. Os principais tipos de estruturas recifais (modificado de Spalding et al., 2001).
Mais de 50% da área recifal global é composta por recifes em franja, sendo o tipo mais comum (Hopley, 2004). Eles tendem a serem relativamente estreitos e jovens; e frequentemente se desenvolvem melhor em costas estáveis ou elevadas. Esses recifes podem ser divididos, geomorfologicamente, em zonas: forereef (zona frontal do recife?), crista do recife e backreef (traseira refical) (figura 2.7) (Smithers, 2011).
Por definição, os recifes em franja estão intimamente associados à massas de terra adjacentes. Elas influenciam de maneira fundamental o seu desenvolvimento pois fornecem o substrato no qual a maioria irá se desenvolver. No entanto, essa relação entre habitats recifais
e continente trazem outras consequências, como uma exposição maior à água doce, nutrientes e sedimentos – natural e antropogênico – provenientes do ambiente costeiro, podendo inibir o crescimento dos recifes em franja (Cortes et al., 1994; Furnas, 2003; Mcculloch et al., 2003; Fabricius, 2005; Smithers, 2011).
Figura 2.7. Zonas geomorfológicas dos recifes em franja <http://static.hsw.com.br/gif/coral-reef-zones.jpg>
Os aspectos topográfico e espacial do substrato podem exercer uma influência considerável na morfologia e geometria dos recifes em franja (Davies & Marshall, 1979), apesar de Macintyre & Glynn (1976) terem observado que os efeitos provocados por ambos normalmente diminuem com o tempo. De forma básica, é observada a seguinte correlação: em margens íngremes, a extensão em que o recife em franja pode progradar ao mar é limitada pela profundidade do substrato, assim, recifes tipicamente estreitos se desenvolvem nesse tipo de ambiente. Enquanto que onde o substrato possui uma inclinação mais suave, os recifes podem desenvolver superfícies mais planas com extensões de centenas de metros mar adentro (Smithers, 2011).
Um outro parâmetro importante quanto ao desenvolvimento desses recifes é a mudança do nível do mar – a influência combinada da mudança do nível do mar e da estabilidade tectônica – durante a transgressão pós-glacial (Adey, 1978) que, juntamente com a topografia do substrato, fornecem o espaço de acomodação para o crescimento dos recifes em franja (Tudhope & Scoffin, 1994; Smithers et al., 2006).
As mudanças holocênicas do nível do mar têm sido um importante controle no desenvolvimento de todos os recifes modernos. A partir da inundação dos substratos adequados
e, posteriormente, da criação de um espaço de acomodação, permite-se um possível crescimento dos recifes em franja. O timing de iniciação é bastante controlado pela profundidade do substrato, no qual substratos mais profundos são inundados mais cedo, enquanto os mais rasos são inundados mais recentemente. A quantidade de espaço de acomodação disponível acima de qualquer substrato depende da taxa de subida do nível do mar e da taxa de acreção vertical do recife. Esses parâmetros variam de lugar para lugar (Smithers, 2011) e as morfologias desenvolvidas pelos recifes estão diretamente ligadas à eles.
De acordo com Neumann & Macintyre (1985), Davies & Montaggioni (1985), Woodroffe (2002), os recifes modernos podem apresentar as seguintes classificações morfológicas como resposta aos parâmetros já discutidos anteriormente (figura 2.8): Afogado (give up) em que os recifes não são capazes de se estabilizarem devido à rápida subida do nível do mar e são gradualmente afogados; Retrogradação (backstepped): o nível do mar sobe rapidamente, no entanto os recifes retrogradam em direção à porção interna da plataforma e continuam a se desenvolver; Ascenção (catch up): recifes que ascendem junto ou depois à estabilização do nível do mar; Permanência (keep up): os recifes mantém o ritmo de crescimento junto ao aumento do nível do mar; Progradação (prograded): o nível do mar encontra-se estável e, assim, o crescimento dos recifes também; Emergente (emergent): o nível do mar desce e o desenvolvimento recifal o acompanha.
Figura 2.8. Respostas do crescimento de recifes em função da mudança do nível do mar (modificado de Smithers (2011) baseado em Woodroffe (2002)).
No Brasil, corpos recifais são encontrados ao longo da costa nas regiões norte, nordeste, leste e nas ilhas oceânicas (figura 2.9), porém foram recentemente descobertos recifes presentes ao longo da quebra da plataforma na margem nordeste da plataforma continental brasileira, chamados ‘Recifes Açu’ (Gomes et al., 2015). Também podem ser encontrados nas enseadas da região sul, a qual possuem águas mais quentes. Alguns recifes brasileiros formam estruturas diferentes dos modelos já discutidos na literatura, pois possuem uma forma de crescimento de pináculos coralíneos em forma de cogumelo, chamados de “chapeirões”. Essa morfologia só é encontrada no Brasil. Uma outra característica é a sua composição, uma vez que são formados por espécies endêmicas, sendo a sua maioria formas relíquias do período Terciário e também por estarem distribuídos em ambientes dominados por sedimentos siliciclásticos (Leão et al., 2016).
Figura 2.9. Localização dos recifes de coral ao longo da costa brasileira (modificado de Leão
et al., 2016).
De acordo com Leão et al. (2003), os recifes de corais brasileiros podem ser classificados em costeiros ou oceânicos (figura 2.10) e ambos são fortemente influenciados pelo substrato subjacente, podendo ser um recife mais velho, rocha pré-cambriana, intrusão vulcânica, beachrock, etc. Os recifes costeiros são encontrados nas zonas interna e média das plataformas continentais e são divididos em recifes adjacentes à costa e recifes isolados. Os adjacentes à costa podem ser em franja e em bancos; ambos bordejam a costa, no entanto o último não excede mais que 5 km de extensão. Os recifes isolados consistem de estruturas de
variáveis dimensões, desde alguns metros até dezenas de quilômetros e também ocorrem a partir de um a dezenas de quilômetros distante da linha de costa. Eles são subdivididos em quatro tipos: cômoros (Knoll), que apresentam poucos metros de altura e dimensão e são encontrados em águas com menos de 5 m de profundidade; em manchas (Patches), têm dimensões laterais de dezenas de metros com larguras e comprimentos maiores que as alturas e ocorrem em profundidades menor que 10 m; em banco, cuja dimensão horizontal varia de 50 m até algumas dezenas de quilômetros; e pináculos (Chapeirões), com alturas entre 5 e 25 m e diâmetro de até 50 m. Os recifes oceânicos estão localizados na plataforma externa e em montanhas submarinas e são classificados de acordo com essa distribuição. Os que ocorrem em borda de plataforma possuem largura de até 3 km; e os relacionados à montes submarinos são chamados de “Atóis” e possuem dimensões variáveis em todo o mundo, desde alguns quilômetros até dezenas de quilômetros.
Durante o Quaternário, duas épocas são diferenciadas: o Pleistoceno (de 1.8 milhões de anos a 10 mil anos) e o Holoceno (de 10 mil anos ao “Recente”). A época do Pleistoceno foi marcada por mais de 20 períodos de grandes glaciações continentais, onde a posição do Último Máximo Glacial foi registrada há aproximadamente 19-23 mil anos antes do presente (A.P). Essas flutuações climáticas e do nível do mar permitiram a deposição dos 2.400 km de plataforma carbonática na margem brasileira, que hoje suporta as populações de corais. Desde a última glaciação o nível do mar sofreu transgressão e atingiu seu máximo aos 5 mil anos A.P, onde atingiu aproximadamente 4 m acima do atual e houve rápido acréscimo e dispersão lateral dos corais. Desde então até o “Recente”, o nível do mar se encontra em regressão, o que tem levado à degradação dos recifes de coral (Leão et al., 2003).
Figura 2.10. Esquema dos principais recifes encontrados ao longo da costa brasileira (modificado de Leão et al., 2003).
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
3 MATERIAIS E MÉTODOS
A área de estudo foi mapeada durante os levantamentos em 2017 e 2018 usando um ecobatímetro interferométrico (EdgeTech 4600) com uma pequena embarcação, técnicas de processamento digital de uma imagem LANDSAT-8 como de número digital (ND) para radiância, correção atmosférica, remoção do efeito especular da água e aplicação do índice invariante de profundidade para compensar a atenuação da onda eletrônica na coluna d’água. Também foram coletadas amostras sedimentológicas superficiais e imagens de fotoquadrante próximas às áreas costeiras entre as profundidades de 5-15 m e transectos de vídeos subaquáticos utilizando uma câmera rebocada entre as profundidades de 20 – 30 m.
O sistema interferométrico opera a uma frequência de 540 kHz, alcance lateral de 125 m e permite coletar tanto dados batimétricos quanto imageamento sonográfico. Ambos resultaram em uma célula de grade batimétrica de 0.5 m de resolução espacial. As amostras sedimentológica foram coletadas usando um amostrador pontual do tipo Van-Veen.
3.1 TRATAMENTO DOS DADOS INTERFEROMÉTRICOS
O tratamento dos dados de sonar foram realizados com o auxílio do software SonarWiz6, que permite correções geométricas. Inicialmente, os mosaicos foram importados na extensão (*.CSF) no Datum WGS84-UTM zona 25S. Os principais estágios de tratamento realizados no sonograma foram: remoção da lâmina d’água (bottom track), correção geométrica de linhas (split), ajuste da largura de varredura (range), aplicação de ganhos, mapeamento de feições e de padrões de retroespalhamento.
Os dados batimétricos foram processados utilizando o software Hypack 2014, em que as principais etapas de processamento ocorreram com objetivo de remover spikes e corrigir linhas. Essa etapa não será detalhada na dissertação pois não foi realizada pelo autor.
3.2 CORREÇÕES GEOMÉTRICAS
3.2.1 Remoção da lâmina d’água (Bottom track)
A ferramenta bottom track permite digitalizar o primeiro retorno do sinal na linha sonográfica e, assim, da altitude do sonar (View, 2010). Conhecendo a localização do sonar em relação ao fundo, é possível obter a distância do equipamento ao alvo. Porém, essa distância obtida apresenta distorções geométrica, fornecendo uma distância inclinada (slant range). A
ferramenta bottom track faz o reposicionamento dos pixels da imagem que permite a correção da projeção inclinada (aparente) do alvo para sua projeção horizontal (ground range) a partir do cálculo do tempo de recebimento decorrido do sinal e da altura do sonar (figura 3.1) (Blondel, 2009). Essa correção foi aplicada manualmente em todas as linhas do sonograma a fim de delimitar com maior precisão o primeiro registro de fundo (figura 3.2).
Figura 3.1. Esquema exibindo a projeção inclinada (slant range) e horizontal (ground range) de um alvo (compilado de Blondel & Murton, 1997).
Figura 3.2. (A) linha sonográfica sem a remoção da lâmina d’água (destacada em vermelho); (B) linha sonográfica após a aplicação da ferramenta bottom track.
3.2.2 Divisão de linhas (Split)
Essa ferramenta permite que a linha sonográfica seja dividida manualmente ou automaticamente. Assim porções da linha podem ser processadas de maneira independente quando necessário. O split foi utilizado em linhas que exibiam variações na intensidade do sinal de retorno.
3.2.3 Largura de Varredura (Range)
Com essa ferramenta é possível remover as partes externas da linha sonográfica. A remoção permite a retirada das regiões externas do sonograma onde ocorre maior atenuação do sinal de retorno devido à perda de energia acústica por reflexão especular e espalhamento esférico. O objetivo é um sonograma mais uniforme.
3.3 GANHOS
3.3.1 UGC – User Defined Gain (Ganho Definido pelo Usuário)
Esse ganho foi aplicado no modo automático a partir da curva TVG (Time Varying
Gain). O TVG foi aplicado para equalizar os retroespalhamentos registrados no sonograma,
pois os sinais de backscatter sofrem atenuação à medida que seu tempo de retorno é maior devido à distância do alvo em relação ao nadir. Então o TVG compensa essas perdas de intensidade do sinal aumentando o ganho, fazendo com que as intensidades acústicas registradas em cada registro transversal (ping) seja compensada (Jackson & Richardson, 2007; Blondel, 2009).
3.3.2 EGN – Empirical Gain Normalization (Normalização de Ganho Empírico)
O EGN reduz as dependências angulares do backscatter para que a imagem final possa ser quase livre de anomalias. Ajuda na construção de um mosaico normalizado, fornecendo um bom contraste e um brilho bem arredondado dos diferentes sinais de retorno, ajudando na identificação dos diferentes padrões (Chesapeake, 2011).
3.4 MAPEAMENTO DAS FEIÇÕES E DOS PADRÕES DE RETROESPALHAMENTO
Após todo o processamento e tratamento das linhas sonográficas, os mosaicos da área de estudo foram finalizados, onde foi possível obter um melhor contraste dos padrões, e classificados de forma manual utilizando o software ArcGIS 10.3 com base nas intensidades dos sinais de retorno registrados em diferentes tons de cinza.
3.5 AMOSTRAGEM DE FUNDO E PROCEDIMENTOS LABORATORIAIS
Foram coletadas cinco amostras de fundo ao longo da área (figura 1.1) com o auxílio de um amostrador pontual do tipo Van-Veen. Amostras sedimentares permitem a validação da interpretação feita a partir de métodos indiretos geofísicos.
Após a coleta, as amostras foram armazenadas em sacos plásticos, devidamente identificadas, fechadas e acondicionados em um freezer no laboratório GGEMMA.
Posteriormente foram tratadas no Laboratório de Sedimentologia do Departamento de Geologia. Apenas três das cinco amostras passaram por esse procedimento pois se tratava de material inconsolidado. Inicialmente, as amostras foram lavadas sucessivamente com água destilada (figura 3.3) para a retirada do conteúdo do sal dos sedimentos. Em seguida, as mesmas foram totalmente secas na estufa (a 60º C) e, depois, homogeneizadas e quarteadas, para melhor representatividade.
Figura 3.3. Amostra decantada após lavagem e pronta para a remoção da água.
Para a realização da análise granulométrica, foram pesados 100g de cada amostra. Para amostras com fração maior que 0,062 mm (na escala phi), realizou-se o peneiramento a seco em peneirador elétrico, que utilizou o método rot up, com peneiras de diversas aberturas de malha. Da fração inferior a 0,062 mm, foi retirado aproximadamente 5g, no qual analisou-se
pelo método de difração a laser em analisador de partículas. Por fim, os dados foram integrados e processados no programa SAG (Sistema de Análise Granulométrica) (Dias e Ferraz, 2004), para cálculo de parâmetros estatísticos e classificação textural por frequência simples e por média (baseado no método de Folk, 1974), e classificação faciológica de Larsonneur (1977), Folk (1954) e Dias (1996).
Para a determinação do teor de carbonato de cálcio (CaCO3), 10g de cada amostra foi
atacada com ácido clorídrico (HCl), diluído em 10%, em seguida lavada, seca e pesada
novamente, onde quantificou-se o teor de CaCO3 a partir do método da diferença de peso.
Para a determinação do teor de matéria orgânica, também foram separados 10g de cada amostra, e essas foram submetidas a altas temperaturas (600º C) em forno elétrico tipo mufla até a total combustão da matéria orgânica (5-6h). Posteriormente, o valor total da M.O foi obtido pelo método da diferença de peso.
3.6 PROCESSAMENTO E ANÁLISE DA IMAGEM DE SATÉLITE
O processamento digital de imagem foi aplicado em uma imagem LANDSAT-8 OLI de
path 216 e row 66, adquirida no dia 14/12/2017. A imagem foi obtida junto ao USGS (The United States Geological Survey), através do endereço <http://earthexplorer.usgs.gov/>. A razão para a sua escolha foi o pequeno percentual de recobrimento de nuvens observado na mesma.
O sensor LANDSAT-8 tem resolução espacial variando entre 15 m (Banda Pancromática) e 100 m (Infravermelho Termal) e resolução espectral variando de 0,435 μm (Costeiro/Aerosol) a 12,51 μm (Infravermelho Termal). A escolha desse satélite, em especial, baseou-se na existência de uma banda cujo comprimento de onda central é 0,443 μm, que foi adicionada para estudos envolvendo cor do oceano, a qual permite uma investigação em maiores profundidades.
Nesta fase, foram aplicadas técnicas de processamento digital de imagem utilizando o
software ArcGIS 10.3. Inicialmente, foi realizada a reprojeção das imagens de satélite para a
zona 25S, uma vez que as mesmas são adquiridas com a projeção na zona UTM 25N. Para a explicação do próximo passo, primeiro é preciso compreender que uma imagem de satélite é composta por ND (Número Digital), e esses, por sua vez, são definidos como a intensidade do
pixel. Quando se deseja trabalhar com imagem de satélite para analisar as feições de fundo, é
necessário que se transforme a imagem, que está em ND, para uma unidade física mensurável na superfície (nesse caso, radiância). (Silva e Andrade, 2013). Esse processo foi expresso na Eq. (1), referente à conversão ND → radiância, a seguir:
Eq. (2) [𝜌 = 𝑁𝐷. 𝐺 + 𝐵];
Na Eq. (2), 𝑁𝐷 é o Número Digital; enquanto 𝐺 é gain, fator multiplicativo; 𝐵 é bias, fator aditivo.
Esse procedimento foi realizado para suceder a correção atmosférica. A correção atmosférica de imagens de satélite é feita com a intenção de minimizar os efeitos atmosféricos na radiância de uma cena, visto que a atmosfera, por causa dos fenômenos de espalhamento, absorção e refração da energia eletromagnética, afeta a radiância refletida pela superfície que é captada pelo sensor. O método de correção que permite um melhor embasamento físico é o 6S (Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum), porém, para executá-lo, é necessário ter informações sobre parâmetros da atmosfera local no horário da aquisição das imagens de satélite, o que não foi possível para esse estudo. Por isso, o método aqui utilizado, foi o DOS (Dark Object Subtraction) proposto por Chavez (1988 e 1989). Trata-se de um método de correção do espalhamento atmosférico no qual a interferência atmosférica pode ser estimada diretamente a partir dos números digitais (ND) da imagem de satélite, sendo ignorada a absorção atmosférica. Para a aplicação desta técnica não há a necessidade de se obter dados sobre as condições atmosféricas na data de obtenção das imagens. No método DOS, assume-se que há uma grande probabilidade de existir alvos (pixels) escuros nas imagens, como sombras ocasionadas pela topografia ou por nuvens, os quais deveriam apresentar um ND muito baixo na imagem, equivalente a cerca de 1% de radiância (Chavez, 1989). Contudo, esses pixels sombreados apresentam valores de ND nas imagens superiores aos esperados, consequência do espalhamento atmosférico, e por isso esses pixels escuros servem de referência para a correção do espalhamento atmosférico (Chavez, 1988). Dentre os tipos de métodos de correção utilizando o DOS, nesse trabalho utilizou-se um que, de acordo com Aquino da Silva et al. (2015), mais se aproxima do método 6S, para locais de baixa radiância. A Eq. (2) foi utilizada para a correção atmosférica, e conversão de radiância em reflectância, nas imagem:
Eq. (3) 𝜌 = [𝜋(𝐿𝑠𝑎𝑡− 𝐿𝑝) 𝑇⁄ 𝑣(𝐸𝑜. cos(𝜃𝑧))𝑇𝑧+ 𝐸𝑑𝑜𝑤𝑛]
Na Eq. (3), 𝐿𝑠𝑎𝑡 é a radiância no topo da atmosfera; 𝐿𝑝 é a energia dissipada pela interferência atmosférica; 𝐸𝑜 é a constante solar exoatmosférica; 𝜃𝑧 é o ângulo zenital solar
(graus); 𝑇𝑧 é a transmitância atmosférica na direção de iluminação; e 𝐸𝑑𝑜𝑤𝑛 é a irradiância difusa na direção de iluminação
Em seguida foi realizada a correção do sunglint, condição geométrica que se refere a imagens em ângulo de reflexão especular entre sol, superfície do mar e visada do sensor remoto (Freitas et al., 2015). Nessa condição, a água do mar quando lisa torna-se uma área branca brilhante, pois não há reflexão da energia, apenas transmissão; e quanto mais áspera, devido às ondas capilares, aparece escura, uma vez que a onda pode não ser refratada, a depender do ângulo que forma com a superfície, mas sim apenas refletida, não sendo possível obter uma resposta do fundo marinho. Por isso esta correção é necessária para se ter uma boa resposta das feições submersas da plataforma. Para a correção do sunglint, estabeleceu-se relações entre a banda do NIR (near-infrared) e as bandas visíveis usando regressão linear com base em uma amostra dos pixels da imagem. Segundo Hochberg et al. (2003), para cada banda visível, todos os pixels selecionados são incluídos em uma regressão linear do brilho da banda NIR (eixo X) contra o brilho da banda visível (eixo Y) (figura 3.4).
.
Figura 3.4. Interpretação gráfica do método (Hedley et al., 2005).
Se a inclinação desta linha para a banda 𝑖 é 𝑏𝑖, então todos os pixels da imagem podem ser corrigidos na banda 𝑖 a partir da aplicação da seguinte equação (Eq. (3)):
Eq. (4) 𝑅′
Na Eq. (4), 𝑅𝑖 representa o valor do pixel reduzido na banda 𝑖; 𝑏𝑖 é a inclinação da linha
de regressão linear; 𝑅𝑁𝐼𝑅 é o valor do pixel na banda NIR; e 𝑅min 𝑁𝐼𝑅 é o valor mínimo do pixel
na banda NIR encontrado em toda a imagem.
Posteriormente, foi realizada a correção da coluna d’água, uma vez que a profundidade afeta significativamente as medidas feitas através de sensoriamento remoto.
Lyzenga (1978, 1981) propôs um método simples, o qual considera que a variação na reflectância de um mesmo tipo de fundo irá depender apenas da profundidade; esse método apresentou-se apropriado apenas em condições de águas claras, sendo esta condição a encontrada na área de estudo. Para tal, é calculado um índice de profundidade invariante (“Depth Invariant Index – DII”) a partir da razão entre pares de bandas espectrais log-transformadas (Moreira, 2008).
Para a correção da coluna d’água, o primeiro passo foi tornar a relação atenuação da água vs. profundidade, linear. Transformando os valores da intensidade da luz em logaritmos naturais (𝑙𝑛), a relação da radiância com a profundidade se torna linear (Moreira, 2008). Uma vez que o efeito da profundidade foi linearizado e o substrato é homogêneo, os valores dos
pixels para um mesmo tipo de substrato tornam-se uma função linear da profundidade (figura
3.5) (Green et al., 2000).
Figura 3.5. Radiância de duas bandas linearizadas de um substrato homogêneo em função da profundidade (Green et al., 2000).
A declividade da reta formada em um gráfico bi-plot (figura 3.6) com as reflectâncias log-transformadas de duas bandas espectrais representa o coeficiente de atenuação relativa entre
estas duas bandas (𝐾𝑖 / 𝐾𝑗) sobre um mesmo substrato (figura 3.7). Tal razão depende
exclusivamente dos comprimentos de onda das bandas e da claridade da água (Green et al., 2000). Os valores dos pixels no bi-plot são convertidos para suas intersecções com o eixo y pela
Eq. (8). Utilizando esse método, cada valor de pixel é convertido em um “índice de profundidade invariante” para o tipo de substrato, o qual independe da profundidade. (Moreira, 2008).
Figura 3.6. Exemplo de um gráfico bi-plot confeccionado para a correção da imagem adquirida em 2017.
Figura 3.7. Bi-plot entre as bandas espectrais i e j. Cada dii equivale à intersecção com o eixo y das retas relativas à cada tipo de substrato homogêneo (Green et al., 2000).
A razão de atenuação é obtida a partir das Eq. (5), Eq. (6) e Eq. (7) a seguir: Eq. (5) 𝐾𝒊 𝐾 𝒋 ⁄ = 𝑎 + √𝑎2+ 1 Eq. (6)
𝑎 =
𝜎𝑖𝑖− 𝜎𝑗𝑗 2𝜎𝑖𝑗 y = 1,1434x + 1,2396 R² = 0,9741 -5 -4,5 -4 -3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0gráfico bi-plot
Eq. (7) 𝜎𝒊𝒋 = 𝑋̅̅̅̅̅̅̅ − (𝑋𝒊 . 𝑋𝒋 ̅̅̅̅. 𝑋𝒊 ̅ ) 𝒋
Na Eq. (5), 𝐾𝒊 e 𝐾𝒋 representam o coeficiente de atenuação relativa das bandas i e j,
respectivamente;
𝑎
é o coeficiente angular da reta x no gráfico bi-plot. Na Eq. (6), 𝜎𝑖 é aco-variância dos pixels amostrados na banda i log-transformada. Na Eq. (7) 𝑋𝑖é a média da
radiancia dos pixels.
O índice de profundidade invariante, referente aos valores da intersecção da reta com o eixo y (figura 3.7), é calculado de acordo com a Eq. (8):
Eq. (8) 𝑑𝑖𝑖𝒊𝒋= ln(𝐿𝑖) − [ (𝐾𝑖
𝐾𝑗) ln(𝐿𝑗)]
Na Eq. (8), 𝐿𝑖 e 𝐿𝑗 são os valores digitais da radiância corrigidos atmosfericamente para
as bandas i e j, respectivamente.
A aplicação do DII em uma imagem LANDSAT-8 OLI nas bandas 1 a 4 irá resultar em três imagens corrigidas em relação aos efeitos da coluna d’água. O que possibilita a realização de uma composição de banda e produção de uma imagem RGB. A imagem RGB produzida está composta da seguinte maneira:
Banda 1: DII12, sendo o DII da banda 1 corrigida usando a banda 2;
Banda 2: DII23, sendo o DII da banda 2 corrigida usando a banda 3;
CAPÍTULO 4
Reef distribution and inter reef sedimentation
Reefs distribution and inter reef sedimentation on Tamandaré continental shelf, NE-Brazil
Vanessa C. Fontes1, Moab P. Gomes1, Helenice Vital1, Beatrice P. Ferreira2, Mauro Maida2
¹Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica, Departamento de Geologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, C.P:1596 Natal-RN 59072-970, Brasil
E-mail: vanotelie@hotmail.com (Fontes, V.C - corresponding author).
gomesmp@geologia.ufrn.br (M.P. Gomes), helenice@geologia.ufrn.br (H. Vital).
2Department of Oceanography, Federal University of Pernambuco, Brazil.
E-mail: beatrice@ufpe.br (Ferreira B.P.); mauro.maida@ufpe.br (Maida M.)
ABSTRACT
The Tamandaré-PE continental shelf, in the eastern Brazilian coast, is narrow (35 km), shallow with shelf break at 90 m water depth, has mixed carbonate and siliciclastic sedimentation and widespread occurrence of ridges and patch reefs. The habitat mapping was carried out using an interferometric swath system (EdgeTech 4600), digital processing of Landsat 8 image, surficial sediment samples and underwater videos to identify sedimentary cover zones and reef fields. Seven acoustic backscatter patterns represent hard-substrate habitats associated biogenic reefs (P1, P2 and P3) and soft sediment habitats where muddy to gravelly substrates develop (P4, P5, P6 and P7). Reefs attached to the Tamandaré Bay and coast have more complex relief with average of 4 m high with steep flanks and caves, reaching 10 m height in the seaward flanks. A second reef field, the Carapitanga Reef, has lower relief with average height of 2 m, but with knolls up to 6 m high, and depicts an advanced bioerosion stage. A muddy body occurs in between reef fields and into paleochannels, where there are large shrimp fishing activities.
Introduction
In Brazil, reef bodies are mostly found along the coast in the north, northeast and east regions and also in oceanic islands. Another characteristic is its composition, once are formed by endemic species. The climatic and sea-level fluctuations during the Quaternary allowed the deposition of 2.400 km of carbonate platform in the Brazilian margin, which nowadays support the coral populations (Leão et al., 2016).
The study area comprises 135 km² along the continental shelf off the Tamandaré Bay and is limited by the Formoso River estuary (north) and Una River (south) (Figure 1). This shelf is narrow with approximately 35 km of width, with shallow shelf edge at depths up to 90 m, has a general gentle slope, has mixed carbonate and siliciclastic sedimentation, and has warm high-salinity waters (Manso et al., 2003). The main regional shelf features are reefs, paleovalleys, muddy belts, sandy banks (Camargo et al., 2007). In the inner shelf of Pernambuco, the presence of beachrocks are related to Holocene coastlines found in depths where it remains completely submerged even during low tides (Manso et al., 2003). Other important features in this continental shelf are the reef ridges developed parallel to the coast along in different depths on the top of hard substrata of beachrocks or Pleistocene bedrock (Maida and Ferreira, 1997; Camargo et al., 2015). The Tamandaré area presents a wet tropical weather (Koppen, 1984), prevailing winds of SE direction during the winter and E direction during the summer and is dominated by actions of semidiurnal mesotide (Muehe, 2006).
Figure 1. LANDSAT 8 image (path-row 215/063, August of 2013) showing the coast and inner shelf of Tamandaré, inclunding the main features: the paleovalley and reefs occurrences.
Data sets are sonar interferometric data, video transects, sediment samples and dive sites.
The study area was mapped during surveys in 2017 and 2018 using an interferometric sweep system (EdgeTech 4600) with a small vessel, digital processing techniques of Landsat 8 image such as digital number (DN) conversion to radiance, atmospheric correction, removal of water specular effect (dglint) and compensation of attenuation of the electronic wave by the water column (application of the depth invariant index) and surficial sediment samples. The interferometric system operates in a 540 kHz frequency and allowed to collect both bathymetric and sonar imagery data. The side scan sonar and bathymetric data resulted in a bathymetric grid cell of 0.5 spatial resolution. Based on acoustic backscatter zones, we collected surficial sediment samples using a Van-Veen grab. Additionally, classical field procedures with photoquadrant images and video transects during SCUBA diving surveys were done in near
coast areas between 5-15 m water depths. Also, we used a towed camera to underwater video transects based on boat drifting from 20-30 m depths.
Tamandaré coastal area is densely populated and has high economic importance due to the fisheries and nature-based tourism. The coral reefs are the main attraction to unsustainable tourism, moreover overfishing and pollution compound the scenario of major threats. In 1997, a Federal Law created Marine Protected Area (APA Costa dos Corais) delimiting a conservation zone in nearshore and inner shelf area of Tamandaré. Although, scientific efforts have been strongly supported the reef management, the local and regional accumulation of all impacts generated a decadal declining trend.
In terms of naturalness, based on Ward (2011), the whole habitat areas can be graded as “Poor”. According to Ferreira and Maida (2006) in this region the living coral cover was, in the 60's of the last century, generally less than 50%. The rest of the surface was mostly covered with encrusting coralline algae, sponges, gorgonians and dense carpets from Halimeda. In October 2002, 40 years later, a reduction of up to 80% of coral cover was estimated in these 4 decades. These areas have undergone use processes ranging from coral mining practiced for more than two decades to the highs and increasing levels of fishing and tourism of the present day. We have observed the habitats of the reef Tamandaré Shelf has suffered with intense pressures of tourism and fishing, likewise, muddy areas are strongly affected by the annual shrimp fishing seasons. Additionally, in the last decades, cities and town discharges part of their volume of effluent water and sewage into the sea on shallow shelf environments. According to the historical information and our field observations the area has a declining trend for the environmental quality, and needs urgently an effective management plain action.
Geomorphic features and habitats
The Tamandaré’s continental shelf is characterized by the presence of biogenic reefs along different depths that are concentrated in two main fields, also by paleochannel, muddy belt, sandy bodies and the area is mainly covered by carbonate gravelly material. The reefs bodies are developed on the top of hard substrates that are related to Holocene coastlines. The first reefs field are characterized as fringing reefs with ridges N-S orientated. This reefs occur from shoreface to depths of 14 m with an extension of 5 km parallel to the coast and varying from 2 to 9 m highness (Figure 2). Between the two reefs fields, there is a carbonate muddy belt deposited between the 15 m to 20 m depths, once the reefs bodies works as barriers for the transport and deposition of alongshore drift sediment suspension. The second reef field (Carapitanga Reefs) presents of two types of reef textures which have different backscatter patterns. Both have NE-SW preferential orientation and the average height of 4 m and maximum height at the off coast flanks reaching 6 m (Figure 2). While reef type 3 is covered by leaf brown algae, the reef type 2 is covered by lower algal mats. On the northeast part of this field, there is a paleochannel (Figure 2) that extends 23 km offshore.
Figure 2. Bathymetric profiles of reef features and paleochannel. A-B, C-D and E-F crossing the Reefs Type 1; G-H and I-J crossing the Reefs
Seven substrate types (Figure 3) with distinct acoustic characteristics were identified in Tamandaré shelf. The area has very flat soft sediment bod allowing their geomorphology and habitat associated be mapped using multibeam sonar data. The lighter grey shades represents high backscatter, while the darker grey shades represents low backscatter on the mosaic.
Figure 3. Map of acoustic backscatter patterns (P1 to P7) of the Tamandaré’s inner shelf, with LANDSAT 8 image on background.
Reefs: Three different acoustic patterns are associated with this habitat in the area. Reefs Type 1: This habitat is associated with a high backscatter, rough and
heterogeneous texture. The reef body is oriented approximately N-S, occurs at an average depth of 14 m close to the coastline, presents extensions about 5 km and its height varies from 2 m to 9 m (bathymetric profile A-B, C-D and E-F in Figure 2). Several isolated mounds occur surrounding the main reef body. Using the satellite image was possible to observe, as well on sonar data, that this habitat is the off coast submerged extension of the long reef ridge that outcrops along the coastline (Figure 1), being characterized as a fringing reef (Figure 4a,b). The reef type 1 is mainly associated with carbonate gravel and sands which surround the reef bodies.
Reefs Type 2: These reefs occurs in an average depth of 28 m, 8 km far from the coast
and in a general NE-SW orientation. Its height varies from 2 to 6 m (bathymetric profile I-J in Figure 2). This reef is locally named of Carapitanga Reef. It shows a moderate backscatter, heterogeneous and rough texture. This reef is covered by lower algal mats with some patches covered by calcareous incrustating algae (Figure 4c). Sand sediment occur surrounding the reef and it bounded at north by a narrow paleochannel approximately 100 m wide.
Reefs Type 3: These reefs occurs associated with reefs type 2, displays the same preferable
NE-SW orientation and both are related to a hard-bottom substrate (Figure 3). The medium depth is 30 m, 8.5 km far from the coast and varying from 1 to 4 m height (bathymetric profile G-H in Figure 2). It presents a moderate backscatter and smooth texture, once it is covered by leaf brown algae (Figure 4d) and some patches are also covered by calcareous inscrustating algae.
