De Porto Santo

Estudo laboratorial sobre as interac??es qu?micas entre as ?guas e as areias douradas

de Porto Santo

In?s Pereira

ifgmpereira@

Licencianda do Departamento de Geologia da Faculdade de Ci?ncias da Universidade de Lisboa

Tutor: Prof. Dr. M?rio Cach?o

Julho, 2009

?ndice

1. INTRODU??O................................................................................................................... 2 2. TRABALHO DE CAMPO .................................................................................................... 4 3. DIFRAC??O DE RAIOS-X .................................................................................................. 5

a) Introdu??o...................................................................................................5 b) Metodologia ................................................................................................7 4. EXPERI?NCIAS LABORATORIAIS................................................................................9 a) Introdu??o...................................................................................................9 b) Metodologia.............................................................................................. 10 c) Prepara??o dos Dispositivos.......................................................................11

? Dispositivo A.............................................................................................. 11 ? Dispositivo B.............................................................................................. 15 ? Dispositivo C.............................................................................................. 15 5. DISCUSS?O E CONLUS?O FINAIS ............................................................................ 30 Aprendizagem.......................................................................................................................31 Agradecimentos....................................................................................................................31 Bibliografia.............................................................................................................................32 Anexos....................................................................................................................................33

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1. INTRODU??O

A ilha de Porto Santo ? uma

das ilhas pertencentes ao

arquip?lago da Madeira, com uma ?rea pr?xima de 42 Km2,

situada no Oceano Atl?ntico.

A sua costa ? alta e recortada,

com arribas a pique, pontas e

pequenas enseadas, excepto

na parte meridional em que ?

constitu?da por uma faixa

longa de praia, algo

Figura 2. Enquadramento geogr?fico da ilha de Porto Santo. Imagens retiradas de skyscanner.pt/xml/cache/isoprices/pt/0/pxo_eur_uk_voos-baratos-para-porto santo-aeroporto-comparar-precos.gif e mapas/mapa3303.gif.

arqueada, abrigada pelo Ilh?u de Baixo, a ocidente e o Ilh?u de Cima, a oriente. Na costa oriental as praias s?o mais

rochosas e restringem-se a pequenas acumula??es sobre uma plataforma bas?ltica,

intensamente recortada por fil?es. Quanto ? geologia, a ilha de Porto Santo ? formada

essencialmente por um conjunto de complexos vulc?nicos de composi??o diferenciada, que de

desenvolvem nas zonas NE e SW e por

rochas sedimentares (calc?rios

biocl?sticos e bioedificados; arenitos

carbonatados biog?nicos) que ocupam

essencialmente a parte central e a costa

sul (Dantas & Moreira, 1989), bem

como certos sectores dos lados

ocidental (Morenos) e oriental (Calhau da

Figura 1. Fotografia panor?mina para o Ilh?u de Baixo e a

Serra de Fora) .

Ponta da Calheta, com vista sobre Vila Baleira.

A actividade vulc?nica inicia-se no Mioc?nico Inferior (18 Ma.), em meio submarino, e ter? sido prolongada, possivelmente, at? ao Mioc?nico Superior, constituindo as forma??es dela resultantes, o substrato e as ?reas topograficamente mais acidentadas (Duarte, 1995). As rochas vulc?nicas s?o constituidas por basaltos, andesitos, traquitos, riolitos e tufos vulc?nicos, ocorrendo ainda cinzas e brechas vulc?nicas nas vertentes dos relevos mais salientes (Duarte, 1995).

As rochas sedimentares que se formam na zona sul e central da ilha s?o os denominados, eolianitos, constitu?do essencialmente por areias compostas por fragmentos de algas calc?rias e de exoesqueletos de organismos marinhos de cor esbranqui?ada, intercalada com n?veis de solo argilo-arenosos castanho-avermelhados. Estas areias s?o bem calibradas, com granularidade m?dia a fina, apresentando estruturas entrecruzadas tabulares.

Deste eolianito ser?o derivadas as areias de Porto Santo s?o, na sua maioria, constitu?das por gr?os de algas calc?rias do g?nero Lithothammium, respons?veis pela presen?a de calcite magnesiana. Al?m desta, regista-se tamb?m a presen?a de aragonite, devido a fragmentos de

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conchas de moluscos, e calcite n?o magnesiana, por evolu??o diagen?tica. Devido ? presen?a de mais de 75% em peso de gr?os biog?nicos e predom?nio de algas do g?nero Lithothammium, as areias s?o consideradas organog?nicas com algas calc?rias (foto rizoconcre??o e eolianito).

Estas areias t?m tamb?m uma boa contribui??o vulcanog?nica, com contributo de augite e plagioclase. H? predom?nio de fragmentos de rochas bas?lticas seguido de fragmentos de rochas traqu?ticas. Tamb?m ocorrem, raramente, fragmentos de vidro vulc?nico de cor avermelhado ou acastanhado (Tabela III e IV em Anexo).

Dantas & Moreira (1989) identificaram ao longo da ilha de Porto Santo, tro?os de costa, em que o eolianito se mostrava fragilizado pela ac??o marinha, apresentando estruturas carsificadas, t?picas da costa portuguesa continental. As zonas mais afectadas, identificadas, foram a Ponta da Calheta e a Ponta mais a Este (fig. 1), onde se observa alguma continuidade na plataforma submersa entre Porto Santo e o Ilh?u de Baixo. Descreveram tamb?m revestimentos de algas nas superf?cies das plataformas j? com ind?cios de dissolu??o, com largas e profundas "marmitas". Na extremidade oriental da ilha, em direc??o ao Calhau da Serra de Fora, as duas autoras descreveram "muitos sulcos, em especial dos mais largos, afloram, em relevo saliente do arenito, cord?es do conglomerado de praia, em que em alguns s?tios aparece em almofadas". Esta estrutura sedimentar ? interpretada como sendo um testemunho de uma antiga superf?cie carsificada, exumada.

Estas evidencias suscitaram o interesse em compreender e confirmar se existe ou n?o dissolu??o nas praias de Porto Santo, capaz de formar carsos, promovendo o desaparecimento das areias douradas.

A hist?ria das areias de Porto Santo resulta da

produtividade biol?gica que ocorreu durante a

?ltima glacia??o, ao longo da extensa

plataforma talhada em torno da ilha e

Figura 3. Contributo de v?rios gastr?podes na forma??o do eolianito.

actualmente submersa. As areias s?o constitu?das por fragmentos de conchas e outros bioclastos, acumulados por ventos de

grande intensidade, sob a forma de enormes corpos dunares, depositados contra os relevos

residuais de antigos aparelhos vulc?nicos.

No topo das dunas, parte destas areias carbonatadas foi sendo gradualmente dissolvida pela

?gua da chuva. A sua infiltra??o e subsequente precipita??o do carbonato de c?lcio levou ?

consolida??o das areias subjacentes, dando origem a uma rocha sedimentar particular, o

eolianito. Dado que estas rochas carbonatadas se formaram num contexto clim?tico frio, elas

n?o est?o em equil?brio qu?mico com a ?gua do mar, e um dos aspectos que comprova este

facto ? a carsifica??o vis?vel em alguns pontos da ilha, ? semelhan?a do que ocorre em zonas

litorais continentais. Isto significa que as areias est?o a ser dissolvidas segundo um processo

marinho de dissolu??o que, at? hoje, n?o foi quantificado, e que ? de grande import?ncia, j?

que este recurso ? n?o renov?vel.

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Deste modo, este projecto tem uma componente de investiga??o que se prende por desenvolver um conjunto de experi?ncias que permitam quantificar a taxa de dissolu??o qu?mica das areias carbonatadas de Porto Santo em contacto com ?gua do mar, tentando perceber a din?mica entre as areias e as ?guas/ondas. Por outro lado, tem uma componente mais aplicada, atrav?s do desenvolvimento de protocolos de actividades l?dico-culturais para crian?as em idade escolar, e p?blico em geral, em parceria com um grupo econ?mico ligado ? ind?stria do turismo em Porto Santo. 2. TRABALHO DE CAMPO Um dos pontos essenciais para o projecto era a recolha de material e reconhecimento em campo de algumas estruturas de carsifica??o. Como tal, no per?odo de Mar?o/Abril 2009, foi realizada uma campanha de 3 dias em Porto Santo, onde foram recolhidas diversas amostras de areia, seixos vulc?nicos, de rizoconcre??es e outros elementos sedimentares e biol?gicos. Os seixos de eolianito recolhidos foram todos no zona Oriental da ilha, na arriba junto do Calhau da Serra de Fora. Aqui foi observado uma praia rochosa, composta maioritariamente por seixos de rocha vulc?nica, ainda que o eolianito esteja aqui bem representado. A areia para as experi?ncias foi colhida na praia da Calheta, onde Dantas & Moreira (1989) identificaram v?rias formas de carsifica??o, as mais vis?veis da ilha de Porto Santo, consoante as autoras, e que ser? por isso uma zona de grande desequil?brio entre areias e ?gua do mar. A amostragem foi aleat?ria, ainda que se tenha recolhido uma popula??o com uma cor um pouco mais escura, para se poder diferenciar em laborat?rio, as dissolu??es com maior e menor percentagem de gr?os mais resistentes.

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Figura 4. No topo esquerdo, imagem representativa do eolianito, ? direita a praia de seixos com estruturas "feminiformes" talhada em eolianito. Na base ? esquerda uma aproxima??o, enquanto que ? direita, um poss?vel "reticulado c?rsico".

3. DIFRAC??O DE RAIOS-X

a) Introdu??o

Segundo Borges (1982), mat?ria cristalina ? "toda a mat?ria dotada de homogeneidade peri?dica, caracterizada por manifestar propriedades direccionais descont?nuas, em mais de uma direc??o". Acrescenta " Qualquer massa homog?nea de mat?ria cristalina diz-se ser um cristal. Um cristal ? constitu?do por um arranjo de ?tomos, obedecendo a uma s?rie de "leis" de simetria, poss?veis de identificar atrav?s de v?rios operadores de simetria. Estes arranjos, repetidos ao longo do espa?o, conferem uma estrutura tridimensional ? mat?ria cristalina, que difere de mineral para mineral.

W.K. R?ntgen descobriu, em 1895, uma nova radia??o quando os ?tomos de um elemento s?o bombardeados por electr?es animados de energia cin?tica elevada, que designou por raios-X. Em 1912, Max von Laue interessou-se pelo efeito da passagem de raios-X pela estrutura regular de um cristal. Alguns anos mais tarde com Bragg e Bragg, pai e filho, a Cristalografia e a Qu?mica sofrem significativa evolu??o ao observar que as manchas de difrac??o registadas num filme plano, de forma el?ptica, poderiam ser explicadas como reflexos de uma radia??o incidente nas diferentes fam?lias de planos at?micos do cristal. Percepcionaram ainda que os diferentes comprimentos de onda encontrados por Laue na radia??o difractada, corresponderiam a uma ac??o selectiva das diferentes fam?lias daqueles planos sobre uma gama cont?nua de comprimentos de onda incidente (Borges, 1982).

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Um tubo de produ??o de raios-X ? constitu?do por um filamento e um antic?todo, fechado num recipiente bem selado. O filamento, quando aquecido pela passagem de uma corrente el?ctrica fraca, emite electr?es. Como resultado da diferen?a de potencial criada entre o filamento e o antic?todo, os electr?es s?o acelerados a grande velocidade e bombardeiam o antic?todo, onde s?o desacelerados como consequ?ncia dos choques com os seus ?tomos. Ap?s o primeiro choque, a energia cin?tica de um electr?o ser? dissipada com um novo choque com outro ?tomo, resultando na emiss?o de raios-X com comprimento de onda superior ao primeiro (Borges, 1982). A radia??o cont?nua desde o m?ximo at? ao m?nimo ? denominada como "branca". Em sobreposi??o a esta radia??o, ocorrem radia??es de comprimento de onda bem definidos e com intensidades muito superiores, materializando-se, graficamente, em picos na curva correspondente ? radia??o branca. Estas, dependem do elemento gerador de raios-X, designando-se por "radia??es (ou linhas) caracter?sticas" (Borges 1982). Estas radia??es resultam do impacto directo dos electr?es disparados no filamento com os electr?es dos ?tomos do antic?todo. Se a energia do electr?o acelerado for suficientemente elevada, um dos electr?es de uma das ?rbitas internas do ?tomo do elemento bombardeado pode ser expulso desse mesmo ?tomo, que se torna inst?vel. Devido a essa instabilidade, um electr?o de uma ?rbita mais externa do mesmo ?tomo, perde energia para ocupar a lacuna electr?nica, que ? irradiada sob a forma de raios-X.

O preenchimento de uma lacuna electr?nica numa orbital ? conseguido muito possivelmente com a transfer?ncia de um electr?o exterior, adjacente (Borges, 1982). A lacuna criada ser?, por sua vez, muito provavelmente preenchida por um electr?o da orbital seguinte e assim sucessivamente, at? que o ?tomo regresse ao seu estado fundamental.

A passagem de raios-X atrav?s da mat?ria ? acompanhada por uma progressiva diminui??o da sua intensidade. Numa dada subst?ncia e para um dado comprimento de onda da radia??o, a absor??o aumenta exponencialmente com a espessura de material atravessado, definindo-se o coeficiente de absor??o linear (Borges 1982).

Este autor tamb?m refere que "o coeficiente de absor??o tende a aumentar com o comprimento de onda", ainda que ocorram s?ries de descontinuidades abruptas ? de absor??o. Estas descontinuidades resultam da resson?ncia entre a radia??o incidente e um dos n?veis electr?nicos dos ?tomos da subst?ncia atravessada pela radia??o ? radia??es caracter?sticas.

Lei de Bragg

Para uma dada fam?lia de planos reticulares (hkl), caracterizada pelo espa?amento d e com uma orienta??o, relativamente ao feixe incidente de raios-X, expressa pelo ?ngulo de raz?ncia, , parte da radia??o incidente reflecte-se no primeiro daqueles planos, mas a restante penetra na estrutura e ? reflectida nos seguintes. Para que essas ondas reflectidas se reforcem, ? necess?rio que a diferen?a de percursos de raios incidentes e reflectidos seja um m?ltiplo inteiro do comprimento de onda () da radia??o monocrom?tica incidente (Borges, 1982).

2dsen=n, com n como ordem de difrac??o.

M?todo do p? ou de Debye-Scherrer

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Neste m?todo a amostra ? reduzida a p?, sendo colocada na c?mara cil?ndrica, no trajecto de raios-X monocrom?ticos. Quando o feixe incide no p? cristalino, dada a distribui??o aleat?ria dos v?rios gr?os, qualquer plano reticular assume todas as direc??es poss?veis, relativamente ao feixe incidente. Desse modo, ocorre sempre incid?ncia segundo um ?ngulo tal que satisfa?a a condi??o de Bragg. ? poss?vel registar todas as diferen?as hkl estruturalmente poss?veis, desde que suficientemente intensas (Borges, 1982). As v?rias dist?ncias d obtidas ser?o fundamentais para determinar os cristais presentes em cada amostra, j? que consoante o arranjo geom?trico (cristalogr?fico) de cada mineral, as dist?ncias entre os ?tomos ser?o distintas e tal diferen?a, sendo captada pela radia??o, ? uma assinatura ?nica, ou quase ?nica. Como cada cristal, tem mais do que um plano poss?vel de emitir raios-X (um cristal ? tridimensional), existem diferentes dist?ncias num mesmo cristal (com excep??o dos cristais c?bicos que s?o is?tropos em todas as direc??es) que podem ser captadas e permitirem uma identifica??o exacta do mineral. No presente estudo ? importante diferenciar nas nossas amostras carbonatadas os teores em Calcite e em Aragonite dado o seu diferente potencial de dissolu??o. Tal ? poss?vel, porque ainda que a calcite e a aragonite sejam polimorfos de carbonato de c?lcio, cristalizam em sistemas diferentes. A Calcite cristaliza no sistema hexagonal e Aragonite cristaliza no sistema ortorr?mbico (Fig.5).

Figura 5. Representa??es esquem?ticas de cristais ? esquerda de calcite e ? direita de aragonite. Imagens retiradas de wikipedia. No entanto, na determina??o destes dois minerais atrav?s da difrac??o de raios-X surgem dificuldades. Uma delas relaciona-se com o posicionamento da curva de calibra??o e na reprodutibilidade das intensidades observadas. Ambas dependem da precis?o do aparelho (Davies & Hooper, 1962). Tamb?m ? necess?rio grande cuidado na prepara??o da amostra, neste caso do p?. Como j? foi referido, por este m?todo ficar?o ? superf?cie diversos gr?os que

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