Isótopos de carbono e de hélio nos gases dos sistemas hidrominerais
gasocarbónicos associados ao acidente tectónico Régua-Verin
Carbon and helium isotopes in gases of CO2-rich hydromineral
systems associated to Régua-Verin tectonic structure
Carvalho, M.R. 1, Carreira, P.M.1, Marques, J.M.2, Capasso, G.3, Grassa, F.3, Antunes
da Silva, A.4 & Matias, M.J.2
(1)
Instituto Tecnológico e Nuclear, Grupo de Química Analítica e Ambiente, Estrada Nacional 10,
2686-953 Sacavém, Portugal. [email protected]
(2)
Instituto Superior Técnico, Centro de Petrologia e Geoquímica. Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisboa,
Portugal.
(3)
Istituto Nazionale di Geofísica e Vulcanologia, Sezione di Palermo, Via U. La Malfa, 153, 90146
Palermo, Italy.
(4)
Unicer Águas, S.A., Via Norte - Leça do Balio, Matosinhos, Apartado 1044, 4466-955 S. Mamede
de Infesta, Portugal
SUMÁRIO
As razões isotópicas de hélio (3He/4He) e de carbono (δ13C) e a composição química da fase gasosa associada às
águas termominerais gasocarbónicas do Norte de Portugal são utilizadas na identificação de contribuições
crustais e mantélicas associadas ao acidente tectónico Régua-Verin. As razões isotópicas indicam que entre 10 e
30 % dos gases têm origem mantélica e a razão CO2/3He coloca-os nos limites definidos para os fluidos MORB.
A assinatura mantélica dos gases diminui de Sul para Norte, indicando aumento da contaminação crustal.
Palavras-chave: Águas gasocarbónicas, isótopos de hélio e carbono, N-Portugal
SUMMARY
Isotopic ratios of helium (3He/4He) and carbon (δ13CCO2) and geochemical composition of gas phase in CO2-rich
thermomineral waters of Nortern Portugal are used to identify contributions of deep crustal and mantle volatile
components associated to the Régua-Verin tectonic accident. The isotopic ratios indicate that 10 to 30 % of the
gases are from upper mantle and CO2/3He values are typical of MORB fluids. The mantle signature of the gases
decrease from South to the North, indicating crustal contamination.
Key-words: CO2-rich waters, helium and carbon isotopes, N-Portugal
Introdução
A utilização de métodos nucleares de análise em
sistemas hidrogeológicos de águas gasocarbónicas
reveste-se de alguma dificuldade devido à
introdução de gases atmosféricos, gases de origem
profunda, interacção água-rocha e mistura de águas.
Além disso, a identificação de uma origem precisa
dos voláteis captados à superfície é uma tarefa
complexa, uma vez que a quantidade e a proporção
inicial dos gases é, geralmente, modificada durante o
seu percurso. Ao longo do seu trajecto as águas
subterrâneas sofrem “desequilíbrio isotópico”
expresso através da troca de 18O com as rochas
encaixantes, mais ricas em isótopos pesados. A
velocidade de troca água-rocha aumenta com a
temperatura. Os gases solúveis, como o CO2, sofrem
fraccionamento isotópico durante as reacções de
dissolução e de exsolução modificando a relação
isotópica inicial.
A fracção dos gases que ascende sem interagir com
os sistemas hidrominerais, pode transmitir maior
informação sobre os processos profundos que lhes
dão origem. Os gases nobres (He, Ne, Ar, Kr e Xe)
são excelentes traçadores naturais na identificação
da origem dos fluidos e sua migração através da
crusta terrestre. Devido às suas características
químicas, estes gases podem facilmente migrar
através das rochas fracturadas, facultando a
identificação de estruturas tectónicas profundas de
533
Na região de Vidago/Pedras Salgadas o cruzamento
de falhas de direcção ENE-WSW com uma estrutura
em graben orientada NNE-SSW resulta num sistema
de “graben-horst”, com alvéolos de subsidência aos
quais estão associadas as ocorrências das águas
gasocarbónicas frias [2].
As águas estudadas são fortemente mineralizadas, de
fácies bicarbonatada sódica e ricas em CO2 total
dissolvido, com mais de 2000 mg/L nas águas frias.
As águas termais de Chaves têm temperaturas que
rondam 76º C e a aplicação de geotermómetros
aquosos sugere temperaturas de cerca de 120º C para
o aquífero profundo [3]. Todas as águas têm origem
meteórica, traduzida pelos teores em δ18O e δ2H; a
presença de 3H nas águas frias de Vidago e Pedras
Salgadas indica percursos subterrâneos pouco
profundos [2], [3].
Os valores de δ13C previamente determinados no C
total dissolvido (CITD), utilizando o método de
amostragem tradicional de precipitação de
carbonatos, variam entre -6 e -1‰, indicando que o
CO2 tem origem mantélica [3]. Contudo, as
hipóteses de contribuição de CO2 metamórfico [2] e
a dissolução de rochas carbonatadas em
profundidade não deverão ser excluídas [3], [2].
elevada permeabilidade, onde a exploração de
recursos hidrotermais pode ser viável. Os isótopos
de C e de He, e as razões isotópicas 13C/12C e
3
He/4He são de particular interesse na identificação
da fonte crustal ou mantélica e do “papel” que o
fluido representa na origem de sistemas
hidrominerais e hidrotermais enriquecidos em gases.
As águas gasocarbónicas do N de Portugal,
associadas a recursos geotérmicos de baixa entalpia,
estão localizadas ao longo da principal falha de
direcção NNE-SSW: a megaestrutura de RéguaVerin. Ao longo deste acidente tectónico ocorrem
exsurgências de águas gasocarbónicas, hiper (76º C)
e hipotermais (17º C), utilizadas em estâncias
termais e exploradas para consumo humano. Estes
sistemas hidrogeológicos têm sido estudados através
de técnicas tradicionais e de geoquímica isotópica,
as quais têm contribuído para a concepção de
modelos de circulação [1], [2] e de interacção água-rocha [3]. Estes estudos mostraram que a
temperatura do aquífero e os gases dissolvidos são
os principais factores responsáveis pelas alterações
de quimismo ao longo do fluxo subterrâneo.
Com o intuito de contribuir para i) o refinamento dos
modelos conceptuais de circulação associados a
estas águas gasocarbónicas e ii) identificação da
origem dos voláteis, estão a ser desenvolvidos novos
trabalhos de investigação no âmbito do Projecto
DISGAS. Este estudo prevê a aplicação de
tecnologias
inovadoras
que
constam
da
determinação da composição da fase gasosa (CO2,
H2S, H2, CH4, N2, O2, He, Ne, Ar) transportada pelas
águas e das assinaturas isotópicas dos gases (δ2H,
δ3H, δ13C, δ18O, δ15N, 3He/4He, 40Ar/36Ar). Os
resultados preliminares, agora apresentados,
referem-se à primeira campanha efectuada
(Dezembro de 2005) e apenas aos dados obtidos
para os isótopos de carbono e de hélio.
Amostragem e Métodos Analíticos
A amostragem da fase gasosa das águas
gasocarbónicas foi realizada recorrendo-se à
utilização de um recipiente plástico, onde foi
introduzida, na base, uma torneira para saída da água
e, no topo, um funil invertido para recolha dos gases
libertados.
Os gases livres não solúveis foram recolhidos em
duas ampolas de vidro. Para a determinação da
composição química e isotópica dos gases
dissolvidos foram recolhidas amostras de água em
frasco de vidro (100 mL), completamente cheio e
rapidamente selado com cápsula de teflon [4], [5],
[6]. O método para determinação da concentração e
razão isotópica do He baseia-se no equilíbrio parcial
dos gases entre a água e um gás inerte, neste caso
Ar, introduzido em laboratório. A partir da
concentração dos gases na fase gasosa, e
considerando o coeficiente de partição das várias
espécies, é possível determinar a quantidade de
gases dissolvidos e a pressão parcial das várias
espécies gasosas em equilíbrio. O método para a
determinação da composição isotópica do C total
dissolvido (δ13CCITD) baseia-se na acidificação da
água de modo a transformar todas as espécies de
carbono em CO2.
As composições química e isotópica dos gases foram
determinadas pelas técnicas de cromatografia e
espectrometria de massa na Sezione de Palermo do
Istituto Nazionale di Geofísica e Vulcanologia de
Palermo.
Enquadramento Hidrogeológico
As águas gasocarbónicas enquadram-se numa região
caracterizada pela presença de granitóides de idade
hercínica, xistos silúricos metamorfizados, com
intercalações de xistos grafitosos, quartzitos negros e
liditos, e depósitos de cobertura cenozóicos.
As exsurgências estão fortemente condicionadas
pela presença de dois sistemas de fracturas com
orientações NNE-SSW a NE-SW, associadas a
movimentos da Orogenia Alpina. As falhas
importantes de direcção NNE-SSW estão
representadas pelos segmentos de Verin-ChavesRégua-Penacova e Vilarelho da Raia.
Na região de Chaves existem dois sistemas
hidrogeológicos distintos: i) um sistema de águas
frias que circulam através das sequências
sedimentares do fundo do vale tectónico; ii) um
sistema de águas termais, de circulação mais
profunda e com ascensão associada ao cruzamento
de falhas de direcção N70ºE e ao acidente tectónico
principal [3].
534
Tab 1: Composição dos gases e razões isotópicas de δ13C e
Água Mineral
P.Salg AC25
P.Salg AC17
Vidago AC16
Vidago AC18
Vidag Areal 3
Chaves AC1
He
(ppm)
195.9
229.6
334.0
149.3
1061.0
105.1
O2
(%)
0.02
0.31
0.66
b.d.l.
b.d.l.
0.04
V.Raia ACP1
1.23E-1
4.42E-2
Composição da fase gasosa
Gases livres
N2
CO
CH4
(%)
(ppm)
(ppm)
1.8
0.6
783
2.99
b.d.l.
600
5.24
2.2
469
0.9
b.d.l.
41
5.54
b.d.l.
1021
1.72
1
500
CO2
(%)
97.45
95.66
92.31
97.44
94.41
97.42
Gases dissolvidos (ccSTP)
2.32E+1 2.19E-4
2.10
318.600
Resultados Obtidos
As águas estudadas foram amostradas em captações
de Pedras Salgadas, Vidago, Chaves e Vilarelho da
Raia. Os resultados obtidos estão representados na
Tabela 1. A água de Vilarelho da Raia não
apresenta exsolução de gases, motivo pelo qual
apenas foi amostrada a fase líquida.
A relação 13C/12C é representada em δ13C ‰. A
razão isotópica 3He/4He é expressa como R/Ra, em
que Ra é a razão isotópica do ar (igual a 1,39x10-6,
[7]) e corrigida em função de contaminação
atmosférica.
A composição da fase gasosa é dominada por CO2,
variando entre 92,31 % (Vidago AC16) e 97,45 %
(P.Salg AC25). O N2 é o gás com maior
representação (0,9 a 5,54 %) a seguir ao CO2 com o
qual apresenta variação inversa. A restante fracção
gasosa compreende os gases CH4, He, Ne, Ar. O O2
e CO estão em concentrações mínimas, nalguns
casos abaixo do limite de detecção, tal como o H2.
Apesar destes gases estarem ausentes, os altos
teores de Ar e Ne revelam uma forte contribuição
atmosférica. Vidago Areal 3 apresenta a maior
concentração em gases nobres. Por outro lado, a
fase gasosa da água termal Chaves AC1 tem as
concentrações mais baixas de gases nobres e mais
altas de CO2, provavelmente em consequência da
diferente solubilidade dos gases em função da
temperatura.
Os valores de δ13C obtidos para o CO2 gasoso
variam entre -5,1 ‰ (Vidago AC16) e -7,2 ‰
(Vidago Areal 3) vs V-PDB. Os valores de δ13CCITD
estão compreendidos entre -0,10 ‰ (Vidago AC18)
e -4,81 ‰ (Vilarelho da Raia) vs V-PDB.
A razão 3He/4He determinada na fase gasosa das
águas varia entre 0,89 em Chaves e 2,68 no furo
AC25 de P. Salgadas. Esta razão é mais elevada do
que a esperada para uma origem puramente crustal
(~0,02 Ra), indicando inequivocamente a presença
de uma componente magmática ou mantélica de
He. A contribuição mantélica do 3He é superior nas
águas de P. Salgadas e inferior na água de Chaves,
mostrando diminuição de Sul para Norte, ou
aumento da contaminação crustal por 4He para
Norte.
3
He/4He nas águas gasocarbónicas.
Ne
(ppm)
0.150
0.126
0.416
0.243
0.417
0.150
Ar
(tot.)
330.6
283.3
711.9
239.4
965.9
232.0
Razões isotópicas
3
δ13C
He/4He
CO2
CITD
R/Ra
(g)
-5.3
-0.88
2.68
-5.2
-0.92
2.50
-5.1
-2.32
1.90
-6.2
-0.10
1.34
-7.2
-2.20
1.26
-5.8
-2.43
0.89
1.25E-4
n.m.
n.m.
-4.81
0.5
Discussão e Considerações Finais
A fase gasosa presente nas águas dos sistemas
hidrominerais associados ao acidente tectónico
Régua-Verin é caracterizada por concentrações de
CO2 superiores a 90%, seguindo-se o N2 e CH4. A
composição gasosa de Vidago Areal 3 parece
indicar que os gases transportados até à superfície
poderão ser mais semelhantes aos da fase gasosa
em profundidade.
O CO2 presente nas águas pode ter origem orgânica
e inorgânica. Quando associado à dissolução de
matéria orgânica tem valores médios de δ13C entre
-26 e -20 ‰ vs V-PDB [8]. O carbono de origem
inorgânica pode resultar: i) da dissolução de rochas
carbonatadas, ou de reacções termometamórficas,
apresentando valores de δ13C de 0±2 ‰; ii) de
origem mantélica, ou da desgasificação de magmas,
com valores de δ13C variando entre -3 e -5 ‰ nos
fluidos mais primitivos [9].
Os valores de δ13C do gás não deixam dúvidas de
que pelo menos parte de CO2 presente nestas águas
é de origem mantélica. As razões δ13CCITD são
menos empobrecidas, provavelmente devido a
processos de fraccionamento isotópico durante a
dissolução em profundidade, ocorridos a diferentes
condições de temperatura e de pH, entre o CO2(g),
CO2(aq), HCO3- e CO32- e exsolução do CO2(g) com a
dimuição da pressão.
O He presente em fluidos com contribuição apenas
crustal é dominado pelo isótopo radiogénico 4He,
produzido pelo decaimento do U, Th e Pb presente
nas rochas, sendo caracterizado por uma razão
isotópica 3H/4He de ~0,02 Ra. O He associado a
fluidos mantélicos é enriquecido em 3He,
apresentando valores 3H/4He de ~8±1 Ra em rochas
MORB, representativas da composição do manto
superior [10]. Em ilhas oceânicas associadas a
“plumas” mantélicas a razão é muito superior,
chegando a ~35 Ra e o vulcanismo associado a
zonas de subducção apresenta valores 3He/4He de
~6-9 Ra [11].
Quando o He mantélico ascende através da crusta, a
sua composição isotópica é diluída, diminuindo os
valores da razão 3H/4He pela adição de 4He das
rochas. O grau de diluição é função do fluxo
mantélico, do grau de produção de 4He na crusta e
535
mineralizadas quentes e frias de Chaves, Vilarelho
da Raia, Vidago e Pedras Salgadas. Dissertação
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da entrada deste gás no sistema hidrogeológico
através da interacção fluido-rocha.
As razões 3He/4He determinadas na fase gasosa das
águas indicam, inequivocamente, que está presente
uma componente de He magmático ou mantélico.
Assumindo que a fonte mantélica tem composição
isotópica de 8-9 Ra, então, cerca de 30 % do He
presente na água de P. Salgadas e 10 % do He na
água de Chaves tem origem mantélica. Esta
percentagem será maior se a fonte mantélica já tiver
alguma contaminação crustal e Ra mais baixo. O
valor menor de 3He/4He detectado em Chaves deve-se, muito provavelmente, à maior interacção água-rocha provocada pela alta temperatura da água e
consequente remoção de 4He das rochas.
As razões CO2/3He e 13C/12C podem ser usadas
conjuntamente para caracterizar as contribuições
relativas do CO2 mantélico. Os fluidos MORB têm
valores de CO2/3He entre 1x109 e 7x109 [12],
enquanto os fluidos crustais apresentam valores
mais elevados, da ordem de 1012 a 1013 [13]. As
águas estudadas revelam relações CO2/3He entre
5,1x108 e 7,5x109, que se enquadram nos limites
definidos para os fluidos MORB.
Na ausência de um sistema magmático crustal a
fonte de 3He pode limitar-se ao transporte ou
exsolução de fluido que ascende ao longo de falhas,
a partir de uma fonte magmática profunda na base
da crusta. Fluidos associados a regiões
sismicamente activas, nomeadamente à zona de
falha de San Andreas (Califórnia) apresentam
valores de 3He/4He entre 0,11 e 4 Ra [14]. O 3He é
geo-pressurizado para o sistema da falha, a partir de
uma zona dúctil na crusta inferior e o fluido pode
servir como agente para ruptura de falha do tipo
“strike-slip” [14]. Alguns autores defendem que o
CO2 e o He mantélicos podem ser introduzidos e
armazenados na litosfera, há milhões de anos, como
consequência de movimentos orogénicos [15].
Agradecimentos
O presente trabalho foi financiado pela Fundação
para a Ciência e a Tecnologia (FCT), através do
Projecto DISGAS (POCTI/CTA/45159/2002).
Agradecemos à Unicer Águas, S.A, à Câmara M.
Chaves e a Águas de Carvalhelhos, as facilidades
concedidas durante os trabalhos de Campo.
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