Estimativas de permeabilidade em aquífero cárstico a partir de métodos de alta resolução

Abstract

Resumo: O termo carste é utilizado para denominar terrenos em que a ação mecânica e química da água cria uma rede complexa de rios subterrâneos e paisagens únicas em sua superfície. Os terrenos cársticos ocupam aproximadamente 15,2% da superfície não congelada do nosso planeta e são responsáveis por 9,2 % do abastecimento de água potável da população mundial. A ação da dissolução química no aquífero cárstico, faz com que sua permeabilidade varie nas áreas do aquífero, gerando mudanças no regime de fluxo e na hidrologia da região à medida que o processo de carstificação evolui. Este comportamento dinâmico do reservatório ao longo do tempo geológico, dificulta a compreensão do fluxo de água subterrânea neste tipo de terreno. Esta heterogeneidade faz com que a permeabilidade nestes aquíferos seja difícil de quantificar e interpretar, fazendo com que alguns autores a utilizem o modelo de porosidade tripla para estudá-los. Esta variação de porosidade no sistema faz com que os parâmetros hidráulicos variem de acordo com a conexão entre as feições existentes no aquífero. Sendo assim, esta pesquisa teve como objetivo estimar os valores de parâmetros hidráulicos do Aquífero Cárstico Neoproterozóico situado no estado do Paraná, utilizando-se métodos de alta resolução e equações empíricas, e em seguida, relacionando as zonas de fluxo no poço ao arcabouço estrutural da região. Para isso foram feitas análises para caracterização da matriz do aquífero e das fraturas e condutos existentes no poço tubular presente na área de estudo. Os estudos da matriz foram feitos a partir de análises de microtomografia computadorizada em amostras de calha do poço e descrição de microfraturas presentes em lâmina delgada. Para caracterização das fraturas e condutos utilizou-se filmagem e perfilagem geofísica de imageamento acústico de alta resolução. Em seguida as transmissividades e permeabilidades para matriz, fraturas e condutos foram estimadas a partir de equações empíricas e dados físicos de cada feição. A relação entre o fluxo no aquífero e a geologia estrutural predominante na região, foi obtida com o levantamento multiescala de lineamentos e as fraturas mapeadas no poço. Com os resultados obtidos neste trabalho, foi possível identificar a presença do efeito de escala, demonstrado pelo aumento dos parâmetros hidráulicos calculados em até 11 ordens de grandeza comparando-se as estimativas para pequena escala e escala de poço. Além disso notou-se a influência dos condutos no fluxo de água subterrânea na região, responsáveis por 94% do da produtividade total do poço. Podese concluir que o fluxo no aquífero está diretamente relacionado a presença dos lineamentos com direções N40-70E, N40-60W e N20W-N20E associados ao antiforme presente na área, as intrusões de diques de diabásio e a transcorrência cenozoica, respectivamente. Estas estruturas estão relacionadas a tectônica regional e foram identificadas localmente no poço e em superfície na área de estudo. As fraturas associadas ao dique ocorrem majoritariamente nas zonas de fluxo com presença de condutos enquanto as fraturas ligadas a antiforme ocorrem principalmente nas zonas de fluxo sem presença de feições cársticas. As estruturas relacionadas as transcorrências ocorrem em toda a extensão do poço e estão presentes em todas as zonas de fluxo. Além disso trabalho demonstrou a possibilidade do uso de métodos de alta resolução para estudos de permeabilidade e de efeito de escala em aquíferos cársticos.

Abstract: The term karst is used to denote terrain where the mechanical and chemical action of water creates a complex network of underground rivers and unique landscapes. Karstic lands cover approximately 15.2% of the non-frozen surface on the planet and account for 9.2% of the drinking water supply for the world's population. Chemical dissolution action in the karst aquifer forces its permeability to vary in the aquifers' areas, creating changes in the flow regime and hydrology of the region as the karstification process evolves. This dynamic behavior of the reservoir over geological time makes it difficult to understand groundwater flow in this type of terrain. This heterogeneity makes the permeability in these aquifers difficult to quantify and interpret, making some authors to use the triple porosity model to describe those systems. These heterogeneity in the porosity along the aquifers makes that the hydraulic parameters varies according to the connection between the existing features in the aquifer. Thus, this research aimed to estimate the values of hydraulic parameters of the karstic aquifer of Paraná state, through high-resolution methods and empirical equations. The matrix studies were made from computerized microtomography analyses in cutting samples of the well and description of microfractures present in thin section. The fractures and channels characterization were based on drilling reports and borehole imaging using well filming and high-resolution acoustic imaging geophysical logging. The transmissivities and permeabilities for matrix, fractures, and channels were estimated from empirical equations and physical data for each feature. The relationship between the flow zones in the aquifer and the structural framework of the region was obtained with the multiscale lineament mapping and the fractures found in the well. With the results obtained in this work, it was possible to identify the presence of a scale effect, demonstrated by the increase in the hydraulic parameters calculated by up to 11 orders of magnitude from small- to well scale. Also, it was noted the influence of channels on groundwater flow in the area, responsible for 94% of the total well productivity. Finally, it can be concluded that the flow in the aquifer is directly related to the presence of the N40-70E, N40-60W, and N20W-N20E lineaments associated with the antiform existing in the area, the diabase dike intrusions, and the Cenozoic transcurrence, respectively. These structures are related to regional tectonics and were identified locally in the well and on surface at the study area. The fractures associated to the dike mainly appear in the flow zones with the presence of channels while the antiform fractures occurs mostly in flow zones without the presence of only fractures. Transcurrence-related structures are present in all flow zones. The study also demonstrated the possibility of using high resolution methods for permeability and scale effect studies in karst aquifers.