Universidade de Aveiro Departamento de Geociências
2007
Rui Manuel do Amaral
Branco de Oliveira
Quartau
A plataforma submarina do Faial: Evolução
morfológica e sedimentar
The insular shelf of Faial: Morphological and
sedimentary evolution
Universidade de Aveiro Departamento de Geociências
2007
Rui Manuel do Amaral
Branco de Oliveira
Quartau
A plataforma submarina do Faial: Evolução
morfológica e sedimentar
The insular shelf of Faial: Morphological and
sedimentary evolution
tese apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos
necessários à obtenção do grau de Doutor em Geociências, realizada sob a
orientação científica do Professor Doutor Luís Menezes, Professor Associado
do Departamento de Geociências da Universidade de Aveiro, com coorientação científica do Dr. José Hipólito Monteiro, Investigador Coordenador
aposentado do Instituto Nacional de Engenharia Tecnologia e Inovação, I.P.
O trabalho desenvolvido no decorrer
desta tese foi suportado pelos
projectos INGMAR (PLE/4/98), com
financiamento da Fundação para a
Ciência e Tecnologia (FCT) e pela
Bolsa de Doutoramento da FCT
SFRH/BD/11746/2003.
This work was supported by the
INGMAR (PLE/4/98) project, financed
by the Portuguese Foundation for
Science and Technology (FCT) and by
the FCT fellowship
SFRH/BD/11746/2003.
o júri
presidente
Professora Doutora Celeste de Oliveira Alves Coelho
Professora Catedrática do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro
Professor Doutor Luís Filipe Fuentefria de Menezes Pinheiro
Professor Associado do Departamento de Geociências da Universidade de Aveiro
Dr. José Hipólito Monteiro
Investigador Coordenador aposentado do Instituto Nacional de Engenharia Tecnologia e Inovação
Professor Doutor Óscar Manuel Fernandes Cerveira Ferreira
Professor Associado da Faculdade de Ciências do Mar e Ambiente da Universidade do Algarve
Professor Doutor Rui Pires de Matos Taborda
Professor Auxiliar da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa
Professor Doutor Fernando Joaquim Fernandes Tavares Rocha
Professor Catedrático do Departamento de Geociências da Universidade de Aveiro
Professora Doutora Cristina Maria de Almeida Bernardes
Professora Associada do Departamento de Geociências da Universidade de Aveiro
agradecimentos
Esta tese de Doutoramento não teria sido possível sem a colaboração de
muitas pessoas e instituições às quais gostaria de exprimir os meus
agradecimentos:
Ao Professor Luís Menezes Pinheiro por ter aceite orientar esta tese e pelo
seu espírito crítico que contribuíram significativamente para a qualidade deste
trabalho.
Ao Dr. Hipólito Monteiro por me ter incentivado e acreditado em mim e me ter
ensinado coisas como “Difficulties are things to overcome” ou “Now, here, you
see, it takes all the running you can do, to keep you in the same place. If you
want to get somewhere else, you must run at least twice as fast as that!".
Ao Departamento de Geologia Marinha do Instituto Nacional de Engenharia
Tecnologia e Inovação, I.P. (DGM-INETI), anterior Instituto Geológico e
Mineiro onde desenvolvi a maior parte deste trabalho. Aqui cresci
cientificamente e aprendi a trabalhar em equipa, mas também usufruí do
excelente ambiente de companheirismo. Um grande agradecimento ao
Professor Pedro Gancedo Terrinha que me trouxe para este ambiente ímpar.
Ao Dr. Hipólito Monteiro, à Dra. Fátima Abrantes e ao Professor Luís Menezes
Pinheiro, directores do departamento durante este período e ao seu trabalho
incansável na realização do projecto INGMAR, sem o qual não teria sido
possível realizar este trabalho. À Margarida Henriques por todo o apoio
administrativo que me deu. Um agradecimento especial aos meus colegas do
DGM-INETI: Francisco Curado Teixeira pela amizade e realização das
campanhas geofísicas, Henrique Duarte e Cristina Roque pela amizade, apoio
e valiosas discussões científicas, Pedro Brito, Tiago Cunha, Serguei Bouriak,
Carlos Pinto, Célia Pata e Joana Gafeira, pela ajuda nos trabalhos de campo,
Susana Muiños, pela ajuda nos trabalhos de laboratório.
À Secretaria Regional do Ambiente dos Açores que financiou o projecto
GEMAS – Avaliação, Gestão e Monitorização de Areias Submersas do Faial,
Pico e São Miguel, cujos dados permitiram a realização deste trabalho.
Um especial agradecimento ao Dr. Neil Mitchell da Universidade de
Manchester pelas importantes discussões científicas que aumentaram
consideravelmente a qualidade deste trabalho.
agradecimentos
Ao Departamento de Oceanografia e Pescas (DOP) da Universidade dos
Açores pela amável disponibilidade com que sempre me receberam e ao seu
director Dr. Ricardo Serrão Santos. Um especial agradecimento ao apoio
incansável do Frederico Cardigos. Agradeço também ao Fernando Tempera
que embarcou comigo nesta aventura de decifrar os mistérios da parte
submarina do Faial. Agradeço também ao Dr. Igor Bashmachnikov pelas
discussões sobre a Oceanografia dos Açores e ao Rogério Ferraz e Ana
Meirinho pelo apoio prestado. Um agradecimento às equipas da Lancha Águas
Vivas e Navio Arquipélago que tornaram sempre agradáveis e divertidas as
campanhas no mar.
Agradeço também à Professora Isabel Âmbar, Professor Joaquim Henrique
Dias e Professor José Teixeira da Silva do Centro de Oceanografia da
Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa tudo aquilo que me
ensinaram sobre Oceanografia. Um especial agradecimento ao Professor
Joaquim Henrique Dias que teve sempre uma paciência enorme para me
explicar os fundamentos matemáticos da Oceanografia.
Agradeço ao José Sampaio do Departamento de Hidrogeologia do INETI, as
discussões sobre a hidrogeologia das ilhas dos Açores.
Agradeço ao Sérgio Diogo Caetano da Arena (Agência Regional da Energia da
Região Autónoma dos Açores) o apoio dado na aquisição de dados e
bibliografia.
Agradeço ao Dr. Sérgio Ávila do Departamento de Biologia da Universidade
dos Açores as discussões sobre as variações do nível do mar.
Agradeço à Dra. Maria Emília Novo do Núcleo de Águas Subterrâneas do
Departamento de Hidráulica e Ambiente do Laboratório Nacional de
Engenharia Civil as discussões sobre a hidrogeologia das ilhas dos Açores e o
empréstimo de bibliografia.
Agradeço à Professora Zilda França, Investigador José Manuel Rodrigues
Pacheco, Professor João Carlos Nunes do Departamento de Geociências da
Universidade dos Açores, pela disponibilização das suas teses de
Doutoramento.
Um especial agradecimento a todos meus amigos que me apoiaram nas horas
difíceis.
E por fim, mas não os menos importantes agradeço aos meus pais e à
Joaninha o grande apoio que me deram.
palavras-chave
Ilhas vulcânicas, plataforma insular do Faial, evolução da plataforma, dinâmica
sedimentar actual, avaliação de inertes.
resumo
Este trabalho pretende compreender a origem e evolução das plataformas
insulares de ilhas vulcânicas, particularmente a ilha do Faial, assim como a
sua dinâmica sedimentar actual. Dados batimétricos e perfis sísmicos de alta
resolução (Boomer e Chirp) foram usados para caracterizar geologicamente a
plataforma insular do Faial. A amostragem de sedimentos na plataforma foi
utilizada para descrever a distribuição granulométrica dos sedimentos e
também para a criação de um modelo da sedimentação actual na plataforma
insular do Faial. A caracterização geológica, assim como a variação
granulométrica dos sedimentos na plataforma contribuíram para entender
quais os processos responsáveis pela geomorfologia da plataforma actual.
Verificou-se que a plataforma actual resulta essencialmente da interacção
entre a erosão provocada pela ondulação e a progradação vulcânica da parte
subaérea.
A plataforma é composta normalmente por blocos de dimensão métrica, entre
a linha de costa e os 30 a 50 metros de profundidade. Estes depósitos
resultam da erosão de escoadas lávicas, que nalguns casos se encontram
bem preservadas, podendo ser discriminadas dos blocos através dos perfis
sísmicos Chirp. Junto à costa estes depósitos grosseiros podem resultar
também da erosão de arribas. Mais afastados da costa encontram-se os
depósitos de areia e cascalho, que foram cartografados até ao bordo da
plataforma.
Foi encontrada uma relação linear entre a largura da plataforma e a idade do
respectivo sector subaéreo, assim como uma relação entre a eficiência erosiva
da ondulação e largura da plataforma. As fontes sedimentares dos depósitos
de areia e cascalho provêm essencialmente da erosão das arribas costeiras e
da erosão das bacias hidrográficas. Os mecanismos de transporte e deposição
na plataforma foram também âmbito de estudo e parecem estar relacionados
com correntes de retorno em direcção ao largo que se formam durante as
tempestades.
Formulações matemáticas simples de transporte de sedimentos foram
utilizadas para definir a partir de que profundidade o transporte perpendicular à
linha de costa se torna insignificante. O transporte longilitoral foi calculado para
os sectores da plataforma com sedimentos finos junto à costa. Estes cálculos
foram usados para definir zonas de protecção da linha de costa, de modo a
impedir que a extracção de inertes nestas zonas possa pô-la em risco.
As propriedades das areias e cascalhos foram avaliadas para a sua utilização
como inertes. Estes sedimentos têm uma percentagem insignificante de finos
(em média menos de 1% de silte a argila). De acordo com a sua distribuição
granulométrica a utilização ideal é na confecção de cimento.
Acknowledgements
This PhD thesis would not have been possible without the help and support of
many people and institutions to whom I would like to express my gratefulness.
I am grateful to Professor Luís Menezes Pinheiro for accepting me as a PhD
student and for his critical reviews that greatly improved this thesis.
I am also grateful to Dr. Hipólito Monteiro for his encouragement, personal
belief and for teaching me attitudes such as “Difficulties are things to
overcome” or “Now, here, you see, it takes all the running you can do, to keep
you in the same place. If you want to get somewhere else, you must run at
least twice as fast as that!".
I am also indebted to the Marine Geology Department of the National Institute
of Engineering, Technology and Innovation, I.P. (DGM-INETI), former
Geological and Mining Institute. Here, I’ve learnt how to do science and team
work, but I’ve also profited from a healthy work environment. A special
acknowledgment to Professor Pedro Gancedo Terrinha who introduce me to
this unique environment. To Dr. Hipólito Monteiro, Dra. Fátima Abrantes and
Professor Luís Menezes Pinheiro, who have been Heads of the department
during this period and to their unfatigable dedication to the project INGMAR,
without which it would not be possible to accomplish this work. To Margarida
Henriques for the administrative support. A special acknowledgment to my
DGM-INETI colleagues: Francisco Curado Teixeira for his friendship and for
the technical supervision of the geophysical surveys, Henrique Duarte e
Cristina Roque for their friendship, support and constructive scientific
discussions, Pedro Brito, Tiago Cunha, Serguei Bouriak, Carlos Pinto, Célia
Pata e Joana Gafeira, for their help in the field work, Susana Muiños, for her
help in the laboratory work.
To Secretaria Regional do Ambiente who financially supported the GEMAS
project – Evaluation, management and monitoring of the submarine sands of
Faial, Pico and São Miguel Islands, whose data allowed the accomplishment of
this work.
A special acknowledgment to Dr. Neil Mitchell of the Manchester University for
the invaluable scientific discussions that greatly improved the quality of this
work.
Acknowledgements
To the Department of Oceanography and Fisheries of the Azores University for
its friendly welcome and to his Head, Dr. Ricardo Serrão Santos. A special
acknowledgment to the unfatigable support of Frederico Cardigos. I am also
thankful to Fernando Tempera who has initiated with me this adventure of
finding the secrets of the depths of the Faial Island. Thanks also to Dr. Igor
Bashmachnikov for the discussions over the Azores Oceanography and to
Rogério Ferraz and Ana Meirinho for their support. Thanks to the crews of the
R/L Águas Vivas and R/V Arquipélago who turn the sea surveys always
pleasant and funny.
I am grateful to Professor Isabel Âmbar, Professor Joaquim Henrique Dias and
Professor José Teixeira da Silva of the Oceanography Centre of the Science
Faculty of the Lisbon University for everything that they taught me about
Oceanography. A special acknowledgment to Professor Joaquim Henrique
Dias that was unfatigable explaining me the mathematical fundaments of
Oceanography.
I am grateful to José Sampaio from the Hydrogeology Department of INETI, for
the discussions about the Azores hydrogeology.
I am grateful to Sérgio Diogo Caetano from the Arena (Regional Agency of
Energy of the Azores Autonomous Region) for the support given in the
acquisition of data and references.
I am grateful to Dr. Sérgio Ávila from the Biology Department of the Azores
University for the discussions about sea-level oscillations.
I am grateful to Dra. Maria Emília Novo from the Groundwater Nucleus of the
Hydraulic Department of the National Laboratory of Civil Engineering for the
discussions about the Azores hydrogeology and for the references that she lent
me.
To Professor Zilda França, Researcher José Manuel Pacheco, Professor João
Carlos Nunes from the Geosciences Department of the Azores University, for
making available their PhD thesis.
A special acknowledgment to all my friends that were there to support me
during the difficult times.
And last but not the least to my parents and to Joaninha for all their huge
support.
keywords
Volcanic islands, Faial island shelf, shelf evolution, present-day sedimentary
dynamics, aggregates evaluation.
abstract
This work focuses on the origin and development of volcanic island shelves,
particularly the Faial Island shelf and also on its present day sedimentary
dynamics. Bathymetric data and high-resolution seismic profiles (Boomer and
Chirp data) were used to characterize the geology of the Faial Island shelf.
Sediment samplings were also used to map the grain-size distribution in the
shelf and contributed to develop a model of the present day shelf
sedimentation. The geological characterization and the sample data were also
used to infer the processes responsible for the geomorphologic variability of the
shelf. It was found that the main processes molding it in the past and also in
the present are wave erosion and volcanic progradation.
The shelf is normally composed by boulder deposits between the shore and 30
to 50 meters water depth. These deposits normally result form the erosion of
lava flows, which in some cases are still well preserved and can be
discriminated from the boulders in the Chirp records. Nearshore, these coarse
deposits may also be the result of the erosion of cliffs. Further offshore the
sandy and gravely deposits dominate and can be mapped till the shelf break.
A linear relationship between the width of the shelf sectors and respective age
was found as well as a relationship between wave effectiveness and shelf
width for the shelf sectors of the same age. The sources of the sand and gravel
deposits are discussed and appear to be mainly related to cliff erosion and
erosion of the hydrographic basins. The mechanisms of transport and
deposition of these sedimentary deposits are also discussed and can be
assigned to downwelling returning currents that occur during storms.
Simple mathematical formulations are used to define the shelf depth at which
cross-shore transport is insignificant. Longshore transport rates are also
estimated for the shelf sectors were sand and gravel sediments dominate
nearshore. These calculations are used to define nearshore protection buffer
zones for the extraction of aggregates, which are needed for coastal protection
purposes.
The sand and gravel sediment proprieties were also discussed for their use as
aggregates. These sediments have a very insignificant percentage of finer
material (normally less than 1% of silt and clay). Their grain-size distribution
shows that they are suitable for the production of mortar.