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11.7: Água Subterrânea - Geociências

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11.7: Água Subterrânea - Geociências

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Hubbert e Rubey estavam abordando um mistério geológico de longa data. Foi reconhecido desde o início de 1800 com base em evidências de campo de que os movimentos de imensos blocos de empuxo ao longo de distâncias consideráveis ​​ocorreram ao longo de falhas de empuxo com ângulos de mergulho extremamente baixos. Muitas falhas de empuxo foram mapeadas envolvendo espessuras estratigráficas de milhares de metros e distâncias de viagem de dezenas de quilômetros. O que não foi compreendido foi o mecanismo de movimento. Muitos cálculos foram realizados nos quais forças tectônicas horizontais ou deslizamento gravitacional foram invocados como o mecanismo de propulsão, mas todos naufragaram na necessidade de resistências de atrito irrealisticamente baixas no plano da falha. Quando coeficientes de atrito mais realistas foram usados, as análises mostraram que as forças horizontais necessárias para causar o empuxo criariam tensões que excedem em muito a resistência de qualquer rocha conhecida.

Hubbert e Rubey resolveram esse paradoxo mecânico invocando a teoria da falha de Mohr-Coulomb, conforme desenvolvida na Seção 10.1, em sua formulação de tensão efetiva. A análise deles foi a primeira a levar em consideração a existência de pressões de fluido em falhas em profundidade. Eles utilizaram a relação apresentada na Eq. (10.8), mas como parece razoável para um plano de falha suave, eles assumiram que a força coesiva era desprezível e definida c & # 8217 = 0. O critério de falha torna-se então

(11.1)

Onde S& tau é a resistência ao cisalhamento que deve ser superada para permitir o movimento, & sigma a tensão normal em todo o plano de falha, p a pressão do fluido, e & phi & # 8217 o ângulo de atrito interno para a interface rocha-rocha. Eles raciocinaram que grandes valores de p na Eq. (11.1) serviria para reduzir o componente normal da tensão efetiva no plano de falha e, portanto, reduzir o valor crítico da tensão de cisalhamento necessária para produzir deslizamento. Eles mostraram que as forças horizontais de propulsão necessárias para produzir essas tensões de cisalhamento reduzidas não excedem a resistência da rocha. Eles se referiram às medições do campo de petróleo para apoiar sua alegação de que altas pressões de fluido são uma ocorrência comum em profundidade. Os desenvolvimentos mais recentes em nossa compreensão dos sistemas de fluxo regionais (conforme relatado no Capítulo 6) deixam claro que essas altas pressões de fluido são uma conseqüência natural dos sistemas subterrâneos de movimento de fluidos que existem no ambiente geológico heterogêneo nos poucos milhares de metros superiores da crosta terrestre.

A Figura 11.1 reproduz o diagrama de corpo livre de Hubbert e Rubey para um bloco de impulso de dimensões de sendo empurrado de trás para baixo em um plano inclinado de declive & theta.

Figura 11.1 Equilíbrio de tensão em um bloco de empuxo em movimento incipiente para baixo em um plano de falha inclinado (segundo Hubbert e Rubey, 1959).

O bloco é impulsionado conjuntamente pela tensão total, & sigmax + p, aplicado à sua borda posterior e o componente de seu peso paralelo ao declive. Uma tensão de cisalhamento é criada na base do bloco e no ponto de deslizamento incipiente, & tau = S& tau, Onde S& tau é a resistência ao cisalhamento do plano de falha, conforme dada pela Eq. (11.1). O equilíbrio de forças atuando em uma seção de espessura unitária perpendicular ao diagrama é dado por

(11.2)

Onde & rhob, é a densidade aparente da rocha. Hubbert e Rubey resolveram a Eq. (11.2) para , o comprimento máximo do bloco que pode ser movido por este mecanismo. Para fazer tal cálculo, é necessário conhecer os parâmetros geométricos, & theta e , as propriedades mecânicas, & psi & # 8217 e & rhob, e o valor da pressão do fluido, p, no plano de falha. Hubbert e Rubey expressaram este último parâmetro em termos de razão & lambda = p / & sigmaz. Eles fornecem uma tabela de calculados valores para uma laje de rocha de 6.000 m de espessura apoiada em um plano de falha com & psi & # 8217 e & rhob valores. Para & theta valores no intervalo 0 & # 821110 ° e & lambda valores na faixa de 0 & # 82110,95, o comprimento máximo do bloco que pode ser movido varia de 21 a 320 km. Esses comprimentos estão de acordo com as distâncias de deslocamento observadas de blocos de falha de superação. Hubbert e Rubey, portanto, concluíram que a consideração das pressões do fluido na água subterrânea nas proximidades dos planos de falha remove o paradoxo que cerca o mecanismo de falha por overthrust.


11.2 Bacias de água e orçamentos

Vista de mapa de uma bacia de drenagem com córregos-tronco principais e muitos afluentes com divisão de drenagem em linha vermelha tracejada.

A unidade básica de divisão da paisagem é o bacia de drenagem , também conhecido como captação ou bacia hidrográfica . Isto é a área de terra que captura a precipitação e contribui com o escoamento para um riacho ou segmento de riacho [4]. Drenagem divide são pontos topográficos locais que separam uma bacia de drenagem de outra [5]. A água que cai de um lado da divisória vai para um riacho, e a água que cai do outro lado da divisória vai para um outro riacho. Cada riacho, tributário e riacho tem sua própria bacia de drenagem. Em áreas com topografia mais plana, as divisões de drenagem não são tão facilmente identificadas, mas ainda existem [6].

Vista oblíqua da bacia de drenagem e divisão do rio Latorita, Romênia. A nascente é onde o riacho começa. Menor afluente riachos se combinam em declive para formar o tronco maior do riacho. O boca é onde o fluxo finalmente chega ao fim. A foz da maioria dos riachos está no oceano. No entanto, um raro número de riachos não flui para o oceano, mas termina em um bacia fechada (ou bacia endorreica) onde a única saída é a evaporação. A maioria dos riachos na Grande Bacia do oeste da América do Norte termina em bacias endorreicas. Por exemplo, no condado de Salt Lake, Utah, Little Cottonwood Creek e o rio Jordan fluem para o endorreico Great Salt Lake, onde a água evapora.

Principais bacias de drenagem codificadas por cores para corresponder ao oceano relacionado. Bacias fechadas (ou bacias endorreicas) são mostradas em cinza. Riachos perenes fluem durante todo o ano. Riachos perenes ocorrem em climas úmidos ou temperados, onde há chuva suficiente e baixas taxas de evaporação. O nível da água sobe e desce com as estações, dependendo da vazão. Streams efêmeros fluir apenas durante eventos de chuva ou na estação chuvosa. Em climas áridos, como Utah, muitos riachos são efêmeros. Esses riachos ocorrem em climas secos com baixa precipitação e altas taxas de evaporação. Seus canais geralmente são lavagens secas ou arroios na maior parte do ano e seu fluxo repentino causa inundações repentinas [7].

Ao longo de Utah & rsquos Wasatch Front, a área urbana que se estende de norte a sul de Brigham City a Provo, há várias bacias hidrográficas designadas como & ldquo áreas de proteção de bacias hidrográficas & rdquo que limitam o tipo de uso permitido nessas drenagens para proteger a água para fins culinários. Os cães e a natação são limitados nessas bacias hidrográficas devido à possibilidade de contaminação por bactérias e substâncias nocivas ao abastecimento de água de Salt Lake City e municípios vizinhos.

A água no ciclo da água é muito semelhante ao dinheiro em um orçamento pessoal. O ingresso inclui precipitação e fluxo e influxo de águas subterrâneas. As despesas incluem a retirada de água subterrânea, evaporação e fluxo e escoamento de água subterrânea. Se as despesas superam a receita, o orçamento de água não está equilibrado. Nesse caso, a água é removida da economia, ou seja, armazenamento de água, se disponível. Reservatórios, neve, gelo, umidade do solo e aquíferos, todos servem para armazenamento em um orçamento de água. Em regiões secas, a água é crítica para sustentar as atividades humanas. Entender e administrar o orçamento da água é um desafio político e social contínuo.

Os hidrólogos criam orçamentos de águas subterrâneas dentro de qualquer área designada, mas geralmente são feitos para os limites das bacias hidrográficas, porque as águas subterrâneas e superficiais são mais fáceis de contabilizar dentro desses limites. Os orçamentos de água também podem ser criados para limites estaduais, municipais ou de extensão de aqüíferos. O orçamento de água subterrânea é um componente essencial do modelo hidrológico que os hidrologistas usam dados medidos com um fluxo de trabalho conceitual do modelo para entender melhor o sistema de água.

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História da Hidrogeologia

Água tem importância vital para a humanidade. Por esta razão, a construção de estruturas hidráulicas remonta a tempos muito antigos. Não se conhece a data de construção da primeira estrutura hidráulica (Usul, 2001).

O obras de água mais antigas conhecidos são (Usul, 2001):

  • Sistemas de irrigação construídos na Mesopotâmia, Egito, Ásia Central e China em torno dos famosos grandes rios dessas regiões,
    • Poços árabes,
    • Kanats persas,
    • Aquedutos romanos,

    Kanats foram usados ​​para coletar água de depósitos de leques aluviais e rochas sedimentares moles. Essas estruturas provavelmente foram usadas pela primeira vez há mais de 2500 anos no Irã. A técnica de construção se espalhou rapidamente para o leste do Afeganistão e para o oeste do Egito.A fundação da hidrogeologia começou no século 17 (Davis e DeWiest, 1966). Pierre Perrault (1608-1680) mediu a precipitação na bacia do rio Sena entre os anos de 1668 e 1670. Ele então estimou o escoamento da bacia. Edme Mariotte (1620-1684) estudou evaporação, infiltração e ascensão capilar. Edmond Halley (1656-1742) estudou a evaporação do Mar Mediterrâneo.

    Henri Darcy(1803-1858) foi a primeira pessoa a estabelecer claramente a lei matemática que rege o fluxo das águas subterrâneas (Davis e DeWiest, 1966).

    Sua fórmula é conhecida como “Lei de Darcy”.

    O desenvolvimento de sua fórmula foi fruto de experimentos com areias filtrantes e foi apresentada em 1856. A Lei de Darcy (fórmula) foi apresentada em um relatório sobre o abastecimento de água municipal da cidade de Dijon.

    J. Boussinesq, J. Dupuit, P. Forcheimer e A. Theim fizeram contribuições importantes para a hidrogeologia (Todd e Mays, 2005). Seus estudos foram sobre a hidráulica das águas subterrâneas. A melhoria da hidrogeologia também continuouno século 20. Muitos cientistas contribuíram para o desenvolvimento da hidrogeologia. Alguns desses cientistas são

    R. Dachler, J. Kozeny, H. Schoeller e G. Theim.

    No final do século 19 os cientistas nos EUA desempenharam papéis importantes no desenvolvimento da hidrogeologia.

    Os mais importantes são:

    A. Hazen, F.H. King, O.E. Meinzer, C.V. Theis, M.K. Hubbert, M.S. Hantush, C.E. Jacob e R.W. Stallman.

    SOU. Piper, H.A. Jr. Stiff, M.D. Foster, I.I. Chebotarev, J.D. Hem e W. Back são os pesquisadores cujos estudos deram uma contribuição significativa para o progresso em hidrogeologia química.


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    "A 2ª edição de Groundwater Science, de Charles R.Fitts, inclui uma grande variedade de materiais novos e atualizados, tanto no livro quanto na web ... O livro de Fitts foi escrito de forma excelente para uso em um curso introdutório à água subterrânea, especialmente no nível de graduação." - Água subterrânea, setembro a outubro de 2013

    Elogios pela primeira edição:
    "Groundwater Science serviria bem como o texto para um curso introdutório sobre a água subterrânea. Os gráficos são nítidos e explicativos. Os conjuntos de dados necessários para resolver alguns dos problemas do livro estão disponíveis como arquivos de texto no site do livro. Encontrei esses arquivos para ser completo e fácil de entender. As referências são atualizadas. concisas, bem escritas e bem ilustradas. "--Sean A. McKenna, Sanda National Labs, EOS TRANSACTIONS, julho de 2003

    "Groundwater Science é apresentado de uma maneira clara e lógica, com diagramas atraentes, eficazes e nítidos. Eu endosso fortemente este livro para aqueles que estão entrando no mundo da ciência da água subterrânea pela primeira vez." --David Sharpe, Geological Survey of Canada Episodes, dezembro de 2002

    “A redação é clara e precisa sem ser prolixa. As figuras, referências e indexação também são bem feitas. As referências incluem tanto clássicos quanto artigos recentes, com ampla cobertura. Não é fácil fazer tantos tópicos bem, mas o livro de Fitts sucesso. " --Laura Toran, para GROUND WATER, 2003

    "Fitts tem uma abordagem decididamente enxuta e focada do assunto. As figuras têm uma aparência nítida e organizada. A redação e a apresentação são claras e econômicas. Fitts enfatiza os conceitos sobre o desenvolvimento formal, evitando derivações e matemática sempre que possível. abordagem para ser muito eficaz e espera que atraia o estilo de aprendizagem da maioria dos alunos que precisam primeiro estabelecer uma base simples e concreta, apoiada por sua própria intuição, antes de poderem abstrair conceitos em expressões matemáticas. Groundwater Science é um bom texto para um curso introdutório em águas subterrâneas. " - Roger Beckie, University of British Columbia, para VADOSE ZONE JOURNAL, novembro de 2003

    "Este texto deve encontrar um mercado adequado na ciência da água subterrânea, especialmente com aqueles instrutores que preferem perspectivas mais matemáticas ou de engenharia para o assunto. Embora o texto enfatize a modelagem matemática e o fluxo de contaminantes, o equilíbrio geral fornecido pela perspectiva geológica do Capítulo 4 faz é uma escolha adequada para qualquer instrutor que precise de um livro abrangente, visualmente atraente, bem organizado e bem apoiado sobre águas subterrâneas. " --Robert A. Vargo, Departamento de Ciências da Terra, California University, para o Journal of the American Water Resources Association


    Assista o vídeo: Água Subterrânea