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Curso de Gestão para Indústria de Petróleo e Gás Geologia Aplicada

Prof.: Marcelo Santana

1 Como Nasceu o Universo

Uma visão comparativa que possibilita a reconstrução do ciclo de evolução estelar, visto que existe uma grande diversidade de tipologia nas estrelas, em relação à sua massa, tamanho, cor, temperatura, idade, etc. Embora se saiba que a vida de uma estrela é muito longa, da ordem de diversos bilhões de anos, o grande número de estrelas disponíveis para observação faz com que seja possível verificar a existência de muitas delas em diferentes fases da evolução estelar, desde a sua formação até o seu desaparecimento ou a sua transformação cm outro objeto diferente do Universo.

O Universo encontra-se em expansão. Não é a distância entre as estrelas de uma galáxia que está aumentando, e nem a distância entre as galáxias de um aglomerado, visto que tanto as primeiras como as últimas estão ligadas entre si pela atraçao da gravidade. A expansão do Universo significa que aumenta continuamente o espaço entre os aglomerados galácticos que não estão suficientemente ligados pela atraçao gravitacional. A velocidade desta expansão é dada pela constante de Hubble, ainda não determinada com grande precisão, e que presentemente parece se situar próxima de 18 km/s.l06anos-luz. Se o nosso Universo for "aberto", este valor permanecerá constante, ou poderá aumentar no futuro. Sc entretanto o Universo for "fechado", a velocidade de expansão diminuirá com o tempo, tenderá a anular-se e ern seguida tomará valores negativos característicos de contração. A Astronomia ainda não está segura quanto à natureza aberta ou fechada do Universo, pois isto depende de sua densidade média, cujo valor não se encontra estabelecido adequadamente. O valor limite entre Universo aberto e fechado, chamado de densidade crítica, é dado por ?0 = 3 HL02 / 8pG, onde H0 é a constante de Hubble e G a constante gravitacional. Para o valor mencionado acima de

HO a densidade crítica é de 6,5 x l0-30 g/cm3. Observações recentes sugerem que a densidade média tem valor inferior ao crítico, indicando um Universo aberto, portanto tendendo a expandir-se para sempre. Entretanto, c difícil medir essa densidade em virtude da existência da chamada matéria escura, de complicada caracterização e de pre- sença ubíqua em todo o espaço intcrestelar. Este material, virtualmente invisível, consiste de neutrinos e possivelmente de outras partículas desconhecidas que interagem apenas por forças de gravidade com a matéria conhecida. Muitos cientistas acreditam que esta matéria invisível estaria presente no Universo em quan- tidade muito superior à da matéria visível, e nesse caso a densidade média poderia superar o valor crítico, apontando assim para urn Universo "fechado". Se nosso Universo for fechado, isto é, se sua densidade média for superior a 6,5 x 10- 30g/cm3, sua velocidade de expansão deverá diminuir até anular-se, e em seguida ele deverá implodir sobre si mesmo, num colossal cosmocrunch, no futuro longínquo, daqui a muitas dezenas de bilhões de anos. Toda a matéria estará reunida numa singularidade, um espaço muito pequeno de densidade extremamente alta, virtualmente infinita, e sob uma temperatura também extremamente alta, virtualmente infinita. Nesta singularidade que foge a qualquer visualização, matéria e energia seriam indistinguíveis, não haveria espaço em seu entorno e o tempo não teria sentido. Esta pode ter sido a situação existente cerca de 15 bilhões de anos atrás, o ponto de partida de tudo o que nos diz respeito, um ponto reunindo toda a matéria e energia do Universo, que explodiu no evento único e original que os físicos denominaram Grande Explosão, ou Big Bang.

Por meio do conhecimento existente sobre matéria e energia, radiações, partículas elementares, e fazendo uso dos recursos da Física teórica, incluindo modela-gens e simulações, os cientistas reconstituíram com grande precisão as etapas sucessivas à

Grande Explosão. Segundo dizem, tendo como situação de partida o ylem imaginado recentemente por Garnow, e iniciado o Big Bang, o resto é perfeitamente previsível. A Tabela 1 reúne os eventos ocorridos por ocasião da origem do Universo, ordenados cronologicamente. A Ciência não tem elementos para caracterizar o período que os físicos denominam Planckiano, decorrido logo após o instante inicial. Trata-se do tempo necessário para a luz atravessar o comprimento de Planck, a unidade fundamental de comprimento, pois não é possível saber se as constantes fundamentais que governam nosso mundo já atuavam naquelas condições. Durante os 3 x 10-30 segundos iniciais a temperatura era alta demais para a matéria ser estável, tudo era radiação. Ainda hoje, o espectro da radiação de microondas de fundo (microwave background radiation) que pervaga o Universo em todas as direções do espaço, como remanescente da radiação emitida, é uma das maiores evidências para a teoria do Big Bang e implica que a radiação original partiu para todos os lados com a mesma temperatura.

Tabela 1:

Com a expansão e a criação contínua do espaço, foram surgindo as quatro forças fundamentais da natureza que incluem a força eletromagnética, as forças nucleares forte e fraca (que só têm influência no interior do núcleo atómico), e a força da gravidade que, de longe, é a mais familiar a todos nós. Contudo, a força da gravidade por ser muito fraca é difícil de ser medida (na verdade, sua medida equivale à constante G).

Houve também uma fase de expansão extremamente rápida (fase inflacionária), em que a velocidade da expansão foi até maior do que a velocidade da luz. Com base nesse modelo, os astrofísicos explicam as feições anómalas observadas em nosso Universo.

Implica também que pode ter-se originado da mesma forma uma quantidade enorme de outros universos que jamais seremos capazes de conhecer, visto que, após a fase inflacionária, estes teriam sua própria expansão e evolução muito distante de nós, de modo que sua luz não nos alcançaria. Após 10-32 segundos, nosso universo inflado, o universo visível, teria sua expansão governada pela constante de Hubble, c sua evolução o levaria até o estágio atual, em que seu raio é da ordem de 15 bilhões de anos-luz. Nesta evolução primitiva, a temperatura e a densidade de energia foram decrescendo, e foram criadas as condições para a formação da matéria, no processo denominado nucleogênese: prótons, nêutrons, elétrons e em seguida os átomos dos elementos mais leves. Primeiramente H e He — os dois elementos principais da matéria do Universo — e posteriormente Li e Be. Com pouco menos de um milhão de anos de vida, a temperatura do Universo encontrava-se em cerca de 3.0 K, e a energia estava suficientemente baixa para permitir aos átomos permanecerem estáveis. Com a captura dos elétrons pêlos átomos em formação, o Universo embrionário tornou-se transparente à luz, sendo constituído por H (74%), He (26%), além de quantidades muito diminutas de Li e Be.

Por outro lado, quando a temperatura decresceu para valores abaixo de alguns milhões de graus, nenhum outro elemento teve condição de ser criado. As estrelas e as galáxias formaram-se mais tarde, quando o resfriamento generalizado permitiu que a matéria viesse a se confinar em imensas nuvens de gás. Estas, posteriormente, entrariam cm colapso gravitacional pela açào da força de gravidade, e seus núcleos se aqueceriam, levando à formação das primeiras estrelas. As primeiras galáxias surgiram por volta de 13 bilhões de anos atrás. A Via Láctea tem aproximadamente 8 bilhões de anos de idade e dentro dela o nosso Sistema Solar originou-se há cerca de 4,6 bilhões de anos.

2 Sistema Terra-Lua

Terra - O terceiro planeta do Sistema Solar apresenta massa aproximada de 6xl029g e densidade de 5,52 g/cm3. O raio equatorial terrestre é de 6.378,2 km e o seu volume 1,083 x 1012km3. Embora tenha perdido seus elementos voláteis na fase de acresção do

Sistema Solar, a Terra apresenta uma atmosfera secundária, formada por emanações gasosas durante toda a história do planeta, e constituída principalmente por nitrogénio, oxigénio e argônio. A temperatura de sua superfície é suficientemente baixa para permitir a existência de água líquida, bem como de vapor de água na atmosfera, responsável pelo efeito estufa regulador da temperatura, que permite a existência da biosfera. Por causa dos envoltórios fluidos que a recobrem, atmosfera e hidrosfera, a Terra quando vista do espaço assume coloração azulada.

A característica principal do planeta Terra é seu conjunto de condições únicas e extraordinárias que favorecem a existência e a estabilidade de muitas formas de vida, sendo que evidências de vida bacteriana abundante foram já encontradas em rochas com idade de 3.500 milhões de anos. A Terra possuí importantes fontes de calor em seu interior, que fornecem energia para as atividades de sua dinâmica interna e condicionam a formação de magmas e as demais manifestações da assim chamada tectônica global.

Este processo conjuga-se aos movimentos de grandes placas rígidas que constituem a litosfera, a capa mais externa do planeta, que por sua vez situa-se em todo o globo acima de uma camada mais plástica, a astenosfera.

Ao mesmo tempo, a superfície terrestre recebe energia do Sol, através da radiação solar incidente, que produz os movimentos na atmosfera e nos oceanos do planeta. Estas últimas atividades são as que provocam profundas transformações na superfície da

Terra, modificando-a continuamente. Justificam assim o fato de que quaisquer feições primitivas de sua superfície, como por exemplo crateras de impacto meteorítico, tenham sido fortemente obscurecidas ou totalmente apagadas ao longo da sua história. A Lua, o satélite da Terra, apresenta 1,25% da massa do planeta a que se relaciona, sendo neste particular um dos maiores satélites do Sistema Solar. Tem um diâmetro de

3.480 km e densidade de 3,3 g/cm3, portanto muito menor do que a da Terra. Não detém atmosfera.

As feições geológicas maiores da Lua são visíveis a olho nu. Trata-se de áreas claras que circundam áreas mais escuras de contorno mais ou menos circular, conhecidas como mares ("maria"). As informações obtidas nas missões espaciais à Lua indicaram que as primeiras são regiões de terras altas (highlands), de relevo irregular, e apresentando grande quantidade de crateras de impacto, enquanto que as segundas são vastas planícies, com muito menor quantidade de crateras.

As amostras de material lunar coletadas pelas missões Apollo permitiram esclarecer que nas terras altas predominam rochas claras, pouco comuns na Terra e denominadas anortositos, constituídas essencialmente de plagioclásios (silicatos de Na e Ca) que são por sua vez muito comuns na Terra. Determinações de idade obtidas nestas rochas mostraram-se sempre acima de 4.0 milhões de anos. Alguns valores de idade resultaram próximos de 4.600 milhões de anos, da mesma ordem das idades obtidas cm meteoritos. Estas idades indicam que os materiais lunares foram também formados nos primórdios da evolução do Sistema Solar.

Por sua vez, as amostras coletadas das regiões baixas (nos maria) revelaram uma composição basáltica, material de origem vulcânica muito comum na Terra. Suas idades resultaram em geral mais novas do que as das rochas anortosíticas, mas de qualquer forma muito antigas, da ordem de 3.800 milhões de anos. As datações rnais jovens obtidas nas rochas basálticas lunares foram da ordem de 3.200 milhões de anos.

A análise das estruturas de impacto visíveis na superfície da Lua demonstra que o satélite foi submetido a um violento bombardeio por planetésimos e asteróides de todos os tamanhos, desde sua fase embrionária. As crateras maiores têm diâmetros superiores a 1.0 km (como por exemplo os denominados Mare ïmbrium, Mare Tranquilitatís, ou a Bacia Oriental, no lado distante da Lua), mas existem muitas outras, de todos os tama- nhos. A origem do sistema Terra-Lua é assunto ainda controvertido, tendo em vista as muitas semelhanças e diferenças de nosso satélite em relação à Terra. O modelo mais aceito atual-mente (Fig. l .) postula um impacto de um corpo de dimensões pouco maiores que Marte, durante os estágios finais da acresção planetária, ocasião em que a Terra já tinha praticamente seu tamanho atual, e já estava diferenciada, com núcleo metálico e manto silicático.

Figura 1: Sistema Terra-Lua - Simulação de computador sobre a origem da Lua, considerando o impacto oblíquo de um objefo com cerca de 0,14 do mossa terrestre, com velocidade de 5 km/s. Ambos os corpos já estariam diferenciados em núcleo metálico e manto silicático. Logo após a colisão, o corpo impactante e porte do manto terrestre foram despedaçados, e muitos compostos voláteis foram vaporizados. Em seguida, grande parte do manto do objeto que colidiu teria sido ejetado para umo situação orbital e coalesceria rapidamente formando uma Lua parcial ou totalmente fundida. Grande parte do material do núcleo do corpo impactante, móis pesado, teria sido incorporado à Terra.

3 Investigando e Conhecendo o Interior da Terra

Não é possível ter acesso direto às partes mais profundas da Terra devido às limitações tecnológicas de enfrentar as altas pressões e temperaturas. O furo de sondagem mais profundo feito até hoje (em Kola, Rússia) atingiu apenas 12 km, uma fração insignificante comparada ao raio da Terra de 6.370 km. Assim, a estrutura interna do planeta só pode ser estudada de maneira indireta. A análise das ondas sísmicas, registradas na superfície, permite deduzir várias características das partes internas da

Terra atravessadas pelas ondas.

A análise de milhares de terremotos durante muitas décadas permitiu construir as curvas tempo-distância de todas as ondas refratadas e refletidas no interior da Terra (Figs. 3.1 e) e deduzir a sua estrutura principal: crosta, manto, núcleo externo e núcleo interno

(Fig. 3.2), assim como as propriedades de cada uma destas camadas principais.

Figura 3.1 Trajetórias de alguns tipos de onda no interior da Terra. O trecho do percurso da onda P no núcleo externo é denominado "K". Assim, a onda PKP é a aquela que atravessa o manto como onda P, depois o núcleo externo e volta pelo manto como onda P novamente. O percurso no núcleo interno é chamado "l" para onda P Letras minúsculas designam reflexões: "c" é reflexão do núcleo externo e "i" do núcleo interno.

A primeira camada superficial e a crosta, com espessura variando de 30 a 80 km nos continentes e de 5 a lOkm nos oceanos. Na Fig. 3.1, a crosta não aparece por ter uma espessura comparável à espessura da linha que representa a superfície da Terra. As velocidades das ondas P variam entre 5,5 km/s na crosta superior e 7 km/s na crosta inferior.

A curvatura da primeira onda P (Fig. 3.1) indica que as velocidades de propagação abaixo da crosta aumentam até a profundidade de 2.950km. Nesta região, chamada de manto, as velocidades da onda P vão de 8,0 km/s, logo abaixo da crosta, a 13,5 km/s.

Nas curvas tempo-distância (Fig. 3.1), a interrupção da onda P à distância de 105° e o atraso do ramo PKP entre 120° e 180°, com relação à tendência do ramo das ondas P, caracterizam uma "zona de sombra" e indicam que as ondas PKP atravessaram uma região de velocidade menor abaixo do manto. Esta região, a profundidades maiores de 2.950km, é o núcleo da Terra (Fig. 3.2). Dentro do núcleo, existe um "caroço" central

(núcleo interno), com velocidades um pouco maiores do que o núcleo externo. No núcleo externo, não há propagação de ondas S, o que mostra que ele deve estar em estado líquido, razão pela qual a velocidade da onda P é bem menor do que as do manto sólido. Por outro lado, a densidade do núcleo é muito maior do que a do manto (conforme deduzida de outras considerações geofísicas, como a massa total da Terra e seu momento de inércia). Estas características de velocidades sísmicas baixas e densidades altas indicam que o núcleo é composto predominantemente de Ferro.

A grande diferença entre as velocidades sísmicas da crosta e do manto (Fig.3.2) indica uma mudança de composição química das rochas. A descontinuidade crosta/manto é chamada de Moho (em homenagem a Mohorovicic, que a descobriu em 1910). Abaixo da crosta, estudos mais detalhados em muitas regiões mostram que há uma ligeira diminuição nas velocidades sísmicas do manto ao redor de lOOkm de profundidade, especialmente sob os oceanos. A composição química das rochas do manto varia relativamente pouco comparada com a da crosta. Esta "zona de baixa velocidade" abaixo dos lOOkm é causada pelo fato de uma pequena fração das rochas estarem fundidas (fusão parcial), diminuindo bastante a rigidez do material nesta profundidade. Desta maneira, a crosta, junto com uma parte do manto acima da zona de baixa velocidade, forma uma camada mais dura e rígida, chamada litosfera. Nesta zona de baixa velocidade, chamada astenosfera, as rochas são mais maleáveis (plásticas),

Enquanto a Moho é uma descontinuidade abrupta indicando mudança de composição, o limite litosfera/astenosfera é mais gradual e indica mudança de propriedades físicas: aumento de temperatura, fusão parcial e grande diminuição da viscosidade. A verdadeira "casca" da Terra, portanto, é a litosfera. As placas tectônkas (ou Litosféricas) são pedaços de litosfera que se movimentam sobre a astenosfera.

Figura 3.2 Zoneamento interno da Terra – Modelo clássico de primeira ordem, em camadas concêntricas, obtido a partir das velocidades das ondas sísmicas. Matem-se as divisões na devida escala, exceto para as crostas e a zona de baixa velocidade – astenosfera, que foram exageradas.

No século 19, os cientistas especulavam sobre a constituição interna da Terra. Charles Darwin, por exemplo, depois de testemunhar erupções vulcânicas e terremotos nos Andes, sugeriu, já na primeira metade daquele século, que a Terra era composta por uma fina casca, que denominamos crosta, ao redor de urna massa fundida.

Na segunda metade do século, partindo de estimativas para o raio e massa da Terra, a densidade média terrestre foi calculada ern 5,52 g/cm3 aproximadamente. Uma vez que essa densidade é maior que a da grande maioria das rochas expostas na superfície terrestre (2,5 - 3,0 g/cm3), concluiu-se que pelo menos parte do interior terrestre deveria ser composta por material muito denso. Usando os sideritos e os meteoritos pétreos como analogia, sugeriu-se, ainda no final do século 19, que a Terra teria um núcleo composto por uma liga metálica de ferro e níquel, envolto por um manto de silicatos de ferro e magnésio. Antes da utilização da sismologia para desvendar a estrutura terrestre, essas ideias representavam meras especulações.

Alguns dados sobre a Terra

A Terra é um esferóide de rotação achatado nos pólos e dilatados no equador.

Considerando que um circuito tem 360 graus, e cada grau ao longo de seu meridiano equivale a uma distância de 1 Km, conclui-se que a circunferência da terra é de 360 vezes 1 Km, ou seja, aproximadamente 40.0 Km. A Terra tem um diâmetro de

O peso da terra é de aproximadamente 5,6 xextilhões ( ou 5,6 x 1021 toneladas).

A densidade é determinada dividindo-se o peso (massa) pelo volume. Assim chegamos a uma densidade de 5,52, ou seja, 5,5 vezes mais pesada que a água. Se as rochas da superfície tem uma densidade média entre 2,7 e 3,0, o interior da Terra deve ser bem mais denso.

Figura 3.3 – Dimensões da Terra

Crosta Terrestre - Litosfera

É a camada mais externa da Terra, composta pela crosta continental e crosta oceânica. A crosta continental apresenta uma espessura variável entre 30 e 80 Km e é composta por rochas de densidade menor que a rochas que compõem a crosta oceânica com espessura variando entre 5 e 10 Km.

É constituída principalmente por silício e alumínio (SIAL)

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