7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
1/19
25
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
ResumoNos estudos hidrolgicos e hidrogeolgicos, os istopos ambientais tm sido utili-
zados como ferramenta para a identificao da provenincia, quantificao da recarga e
estabelecimento da idade do aqufero. O objetivo deste trabalho apresentar uma restropectivahistrica do uso desta tcnica no Brasil, enfatizando estudos de caso nas regies Nordeste eAmaznica e Bacia do Paran. Alm disso, so analisados os principais avanos destatcnica no mundo em contraste com o uso restrito no Brasil.
Palavras-chave: istopos ambientais, hidrogeologia, Brasil
Abstract
In hydrologic and hydrogeological studies, environmental isotopes have been used
as a tool to identify provenience, quantify recharge and establish aquifer age. The aim of
this work is to present a historic retrospective of the use of this technique in Brazil,focusing on study cases in Northeastern, Amazon and Paran Basin regions. In addition,some comments on the main advances of this technique on a world basis, in contrast withthe restrict use in Brazil help to promote a discussion on the perspectives and unfolding of
this use at national level.Key words: environmental isotopes, hydrogeology, Brazil
1 Introduo
A utilizao de istopos ambientais em estudos hidrogeolgicos remonta a
vrios anos, tendo-se iniciado com os trabalhos pioneiros de Urey et al. e Epstein &
Mayeda na dcada de 50 (inClark & Fritz, 1997). O emprego de istopos ambientais,assim denominados por serem encontrados de forma generalizada no meio ambiente em
O Uso de Istopos Ambientais em EstudosHidrogeolgicos no Brasil: Uma Resenha Crtica
Carla Semiramis Silveira1
Gerson Cardoso da Silva Jnior2
(1) Doutoranda do Programa de Engenharia Civil - COPPE / UFRJ - Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Laboratrio de Geotecnia, Caixa Postal 68.506, 21945-970 - Rio de Janeiro - RJ, Brasil
(2) Professor do Departamento de Geologia - I. Geocincias / UFRJ - Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Instituto de Geocincias, Setor de Geologia de Engenharia e Ambiental, Ilha do Fundo,
21949-900 - Rio de Janeiro - RJ, Brasil
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
2/19
26
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
quantidades que permitem seu uso como traadores ou marcadores cronolgicos,
muito difundido a nvel mundial, constituindo nos dias de hoje uma ferramenta que se
pode considerar como tradicional no meio tcnico hidrogeolgico (Fritz & Fontes,1980). No contexto hidrolgico e hidrogeolgico os istopos ambientais so utilizados
como traadores (de guas superficiais e subterrneas), em estudos de provenincia, de
recarga e de idade de um aqfero (Clark &Fritz, 1997). Classicamente, os padres de
fluxo so determinados a partir de pontos onde se mede o nvel piezomtrico da gua e
as transmissividades so estimadas a partir de ensaios de bombeamento, sem que se
tenha evidncia direta do tipo, origem e idades da gua. A hidrologia isotpica preenche
parcialmente esta lacuna, e os istopos ambientais so particularmente indicados pois
representam os melhores traadores uma vez que, no caso do 3H, 2H e 18O constituem
as prprias molculas de gua. No obstante o exposto, os istopos ambientais no tem
sido utilizados de forma substancial em nosso pas, havendo ainda inclusive um certo
desconhecimento no meio tcnico especializado de suas peculiaridades e mesmo de
potenciais situaes em que estas tcnicas poderiam ser teis.
Os istopos de um elemento qumico so caracterizados pelo mesmo nmero
atmico e diferentes nmeros de massa. Esta diferena no nmero de massa provocadapela variao do nmero de nutrons do elemento e condiciona comportamentos distin-
tos do elemento em relao a um determinado istopo, modificando localmente a abun-
dncia relativa entre os vrios istopos na natureza, em um processo denominado de
fracionamento isotpico. Quanto maior a diferena de massa entre eles, maior o
fracionamento. O fracionamento pode ocorrer por mudana de fase ou estado, diferena
na taxa de reao qumica e diferena na velocidade de difuso molecular (Clark & Fritz,
1997). Os istopos podem ser radioativos (estarem sujeitos a desintegrao no tempo
por emisso de radioatividade) ou no.
Nem todos os istopos ocorrem na natureza em propores significativas ou
mensurveis. Dentre os istopos radioativos, por exemplo, alguns so obtveis somentede
forma artificial, em laboratrio. Os istopos que tm ocorrncia natural e que acompa-
nham os ciclos naturais do meio ambiente (ciclo hidrolgico, do carbono e outros) so
denominados comumente de "ambientais". A maioria dos estudos com istopos
ambientais tm-se centrado na utilizao dos istopos de hidrognio (1H, 2H , 3H),carbono
(12C, 13C, 14C), nitrognio (14N, 15N), oxignio (16O, 18O) e enxfre (32S, 34S).
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
3/19
27
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
Este so os elementos mais importantes nos sistemas biolgicos e participam na maio-
ria das reaes de interesse hidrogeoqumico (Fritz &Fontes, 1980). Mais recentemen-
te o36
Cl e o3
He tm sido bastante utilizados. A distino do uso de cada um dessesistopos funo dos objetivos de cada trabalho e dos meios de que se dispe.
Geralmente a abundncia do istopo (abundncia isotpica) na natureza bai-
xa, mas em alguns casos a ao antrpica ao longo do tempo favoreceu o aumento desta
(como no caso de 2H, 3H 13C e 14C com as bombas nucleares). As propriedades dos
istopos que tornam atrativo o seu uso so o fracionamento e a radioatividade (quando
existente permite, atravs da abundncia isotpica e da taxa de decaimento, estimar
idades). As quantidades absolutas de istopos presentes em uma amostra so difceisde serem determinadas. Afortunadamente, as diferenas relativas entre os istopos
podem ser determinadas facilmente atravs de medio da relao diferencial (com
espectrmetros de massa. Esta relao diferencial ou concentrao isotpica ()
expressa, ento, como uma proporo (partes por mil - ) entre a razo medida na
amostra e a razo medida em um padro de referncia internacional (antigamente SMOW
- Standard Mean Ocean Watere atualmente VSMOW - Viena Standard Mean Ocean
Water), medidos simultaneamente no mesmo aparelho e expressos da seguinte forma
para o 18O como exemplo (Clark &Fritz, 1997):
padro
padroamostra
amostra
OO
OO
OO
O
=
1618
1618
1618
18
amostraOO
1618
padroOO
1618
(1)
onde 18O amostra a concentrao isotpica em partes por mil de 18O na amostra
a razo relativa entre 18O e 16O na amostra
a razo relativa entre 18O e 16O no padro internacional.
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
4/19
28
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
At a chuva alcanar o lenol fretico e mesmo depois, no fluxo da gua subter-
rnea na zona saturada, a gua tem sua composio modificada pelo fracionamento
gerado pelos processo de evaporao, uso pelas plantas, mudanas climticas e reaes
com o solo/rocha (Clark & Fritz, 1997). Neste contexto a caracterizao isotpica das
entradas atmosfricas serve de base para a compreenso dos processos atuantes em
subsuperfcie. Para 18O e 2H estudos intensivos da precipitao em todo o mundo
estabeleceram uma reta de gua meterica onde as regies mais frias so representadas
pelas guas mais depletadas (Fig. 1). Para estudos locais o ideal o uso de uma reta
meterica local (Clark & Fritz, 1997). Visando a calibrao destes istopos na atmos-
fera a Agncia Internacional de Energia Atmica (OIEA) mantm um banco de dados da
mensurao de 2H, 3H e 18O em estaes meteorolgicas ao longo de todo o mundo. As
estaes no Brasil (embora nem sempre com uma srie temporal completa) so: So
Gabriel, Belm, Manaus, Fortaleza, Benjamin Constant, Cear Mirim, Porto Velho,
Salvador, Cuiab, Braslia, Rio de Janeiro e Porto Alegre.
No presente artigo procurar-se- discutir a experincia brasileira no uso desses
istopos, atravs da descrio e discusso de casos observados na literatura luz do
estgio atual de conhecimentos. Alm disso, incluem-se tambm comentrios sobre as
causas do uso reduzido das tcnicas ambientais, laboratrios especializados no pas e
perspectivas futuras de uso com base na experincia dos autores. Para isso foi elabora-da uma pesquisa bibliogrfica e, diante do uso ainda incipiente desta tcnica, foram
considerados os estudos hidrolgicos como um todo, e ateno especial foi dada aos de
carter hidrogeolgico.
2 Histrico da Utilizao de Istopos Ambientais no Brasil
Em estudos hidrolgicos no Brasil os istopos comumente utilizados so 18O,2H e 3H. O uso destes istopos funo de trs fatores: i) a abundncia compatvel com
a resoluo dos mtodos de anlise; ii) estes elementos so os constituintes principais
da gua (hidrognio e oxignio) e por isso o comportamento deles muito prximo ao da
gua, funcionando como excelente traador ("traador ideal"); iii) especificamente para
o 3H, a medio da sua radioatividade (meia-vida / =12,43 anos) um indicativo da
idade das guas. Entretanto o uso do 3H e secundariamente 2H no hemisfrio sul
limitado porque o aumento da concentrao deles na atmosfera relacionado ao resduo
das bombas nucleares das dcadas de 50 e 60. Como estas bombas foram localizadas
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
5/19
29
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
principalmente no hemisfrio norte, a abundncia destes istopos no hemisfrio sul
pequena, dificultando os estudos (Gat & Gonfiantini, 1981). Os demais istopos tm
utilizao limitada em funo da baixa abundncia isotpica, dificuldade de mensuraoe/ou meia-vida () no apropriada (muito curta ou muito longa) como no caso do 36Cl
(=301.000 anos) e 14C (=5730 anos) que devem ser utilizados para regies de recarga
muito antiga.
Os primeiros estudos com istopos ambientais em uso hidrolgico no Brasil
datam do final da dcada de 60, incio da dcada de 70 e tiveram como alvos principais
o Nordeste brasileiro a Amaznia e posteriormente a regio sudeste (basicamente o
aqfero Botucatu) (Tabela 1).
No Nordeste os estudos foram motivados pela seca e salinizao das guas,
apoiados pela Superintendncia do Desenvolvimento do Nordeste (SUDENE), e inici-
almente tinham como objetivos o conhecimento da origem e dos mecanismos de recarga
dos aqferos, a causa da salinizao, o tempo de trnsito e a datao destes aqferos
(Gat et al., 1968; Ferreira de Melo et al., 1969; Campos, 1971; Prado & Bedmar, 1976;
Salati et al., 1979a).
Os estudos na Amaznia tiveram incio com o objetivo de clculo da vazo dos
rios Negro e Solimes e estimativa da contribuio de afluentes para o rio Amazonas
atravs do mtodo da distncia de boa mescla (Matsui et al. 1972). Os istopos
utilizados foram 2H e 18O, que agiram como traadores no rio. Paralelamente a esta
linha de pesquisa, a caracterizao da composio isotpica da chuva foi impulsionada
pela necessidade de elaborao de uma reta meterica local. Neste contexto foram
desenvolvidos vrios trabalhos de calibrao, mensurao e discusso do fracionamento
isotpico da chuva, principalmente na Amaznia (Dall'Olio et al., 1979; Salati et al.,
1979b; Matsui et al., 1983) e tambm mais gerais (Gonfiantini, 1985). O conhecimento
da reta meterica para a chuva na Amaznia demonstrou que esta era condicionada em
parte pelos processos de evapotranspirao da floresta (Salati et al., 1979b; Matsui et
al., 1983) e estimulou estudos de detalhe destes processos (Leopoldo et al., 1980 e
Leopoldo et al., 1984).
Com a compreenso da composio isotpica da chuva e do papel daevapotranspirao na Amaznia, os estudos evoluram para a caracterizao do ciclo
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
6/19
30
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
oacilbuP odutseedaer odutseodovitejbO sopotsI
sodazilitu
taG ate )8691(.l etsedroNoacilpaadaciretossucsiDsoarapsopotsiedacinctad
etsedroNodsorefqa
sodatlusersO
ssetnerefersartsomasadateloc
marofonsodacilbup
oleMedarierreF late .)9691(
-raugitoPaicaB)etsedroNoiger(
aenrretbusaugadmegirO 2 eH 81 O
)1791(sopmaC etsedroNoigeRsodranimilerpotnematnaveL seroet
ed 3 augsanH ,siaicifrepussavuhcedesaenrretbus
3H
iustaM late )2791(. ainzamA oiredozavedoluclC 2 eH 81 O
)6791(ramdeB&odarP ohnaraModaicaB
)etsedroNoiger( acigloegordihoaziretcaraC
3 ,H 2 eH81O
sieR ate )7791(.l jaraM odaicnulfniedaeraraepaM
jaraMedaabansanozamAoir2 eH 81 O
oilO'llaD ate )9791(.l ainzamA levsnopseraug'dropavodmegirO
oigeransavuhcsalep81O
italaS ate l 9791( )a etsedroNoigeR acigloegordihoaziretcaraC3 ,H 2 ,H 81O
e 41
C
italaS ate )b9791(.l ainzamA aug'dropavodmegirO
oigeransavuhcsaleplevsnopser2 eH 81 O
odlopoeL late )0891(. oirtarobaL oaripsnartopavE 2 eH 81 O
iustaM .late )0891( lisarB
siaicifrepussaugedoaziretcaraCedahlocseaarapsaenrretbuseaug"edoudorpaarapetnofamu
meadiceuqirne("adasep 2 )H
2H
odlopoeL late
)2891(.
aer
anlatnemirepxe ainzamA
aciptosioisopmocaertneoaleR
ociptosiotnemanoicarfoeavuhcad olosolepeatserolfalepodad
2
eH 81
O
iustaM .late )3891( ainzamA elaicapseaciptosioaziretcaraC
t ug'dropavodeavuhcadlaropme a2 eH 81 O
odlopoeL late )4891(. oirtarobaL oaripsnartopaveadociretodutsE 2 eH 81 O
itnaifnoG .n )5891( siaciportseigeR
odnumodsociptosiserolavsoertneoalerroC
acirfsomtaoalucricaeavuhcad2 eH 81 O
avliS late )5891(. utacutoBorefqA
)naraPodaicab(acigloegordihoaziretcaraC
acimuqoegordihe
3 ,H 2 ,H 81 ,O31 eC 41C
Tabela 1 Listagem histrica simplificada dos principais estudos hidrolgicos no Brasilque fizeram uso de istopos ambientais
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
7/19
31
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
Tabela 1(continuao) Listagem histrica simplificada dos principais estudoshidrolgicos no Brasil que fizeram uso de istopos ambientais
oacilbuP odutseedaer odutseodovitejbO sopotsI
sodazilitu
nnamlemmiK ate
.l)6891( utacutoBorefqA )naraPodaicab( acigloegordihoaziretcaraC acimuqoegordihe
3
,H 2
,H 81
,O31 eC 41C
ittatroM ate )7891(.l ainzamA otnematropmocorasilanA
odlanozaselaicapse 81 oirmeO81O
nnamlemmiK ate .l)7891(
oSedsaugoluaPoS-ordeP
acigloegordihoaziretcaraCacimuqoegordihe
2 eH 81 O
nnamlemmiK late .8891( )
utacutoBorefqA)naraPodaicab(
acigloegordihoaziretcaraCacimuqoegordihe
2 ,H 81 ,O31 eC 41C
nnamlemmiK late .
)9891(
utacutoBorefqA
)naraPodaicab(
acigloegordihoaziretcaraC
acimuqoegordihe
3 ,H 2 ,H 81 ,O31
eC 41
CnrokhcsirF late )9891(. raeC acigloegordihoaziretcaraC 3 ,H 81 eO 41C
ogaitnaS ate )0991(.l raeC acigloegordihoaziretcaraC 3 eH 41C
avliS ate )6991(.l raeC acigloegordihoaziretcaraC 41C
atsitaB ate )8991(.l uaiP acigloegordihoaziretcaraC 2 eH 81O
orienaC late )8991(. uaiP acigloegordihoaziretcaraC 2 eH 81O
ohliFatsoC ate .l)8991(
eficeR augadedadinilasadmegirO
aenrretbus2 eH 81 O
hidrolgico, incluindo guas subterrneas e expandindo a caracterizao das guas su-
perficiais. Nesta linha, destacam-se os trabalhos de Reis et al. (1977) em Maraj para
caracterizar a influncia das guas ocenicas e continentais na ilha; Matsui et al.(1980)
em um primeiro levantamento de escala nacional de caracterizao de 2H em vrias
guas superficiais e subterrneas; Leopoldo et al.(1982) correlacionando a composio
isotpica da chuva, do solo e do igarap em uma bacia de drenagem da floresta amaz-
nica e Mortatti et al.(1987) que expandiu os trabalhos de Matsui et al.(1972) analisan-
do a contribuio de vrios rios tributrios para o rio Solimes/Amazonas, o efeito da
sazonalidade e da vazo na concentrao de 18O.
No sudeste do Brasil os estudos isotpicos em hidrologia iniciaram-se na dca-
da de 80, principalmente em So Paulo, onde o uso de guas subterrneas no abasteci-
mento estimulou a caracterizao isotpica de grandes aqferos, como o Botucatu
(Silva et al., 1985; Kimmelmann et al., 1986; Kimmelmann et al., 1988; Kimmelmann etal., 1989). No fim da dcada de 80 os estudos no Nordeste foram retomados e atualmen-
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
8/19
32
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
te tm o enfoque de caracterizao dos aqferos locais. Estudos hidrogeolgicos recen-
tes com istopos esto principalmente concentrados nos aqferos de So Paulo e do
Nordeste (Tabela 1).
3 Caracterizao Isotpica da Precipitao
Com o objetivo de monitorar a concentrao dos istopos 2H, 3H e 18O na
atmosfera a OIEA (Agncia Internacional de Energia Atmica) mantm estaes
meteorolgicas em vrias partes do mundo. Com base nesta srie temporal (at 1981)
Gonfiantini (1985) analisou o comportamento isotpico da chuva em regies tropicaise concluiu que as estaes meteorolgicas interiores so mais depletadas em istopos
pesados do que as costeiras. Alm disso foi observada uma correlao negativa entre a
quantidade de chuva e a concentrao de 18O na chuva.
A concentrao isotpica da chuva depende, entre outros fatores, da origem do
vapor d'gua. Segundo Dall'Olioet al. (1979), com base em istopos de 18O da chuva da
regio amaznica, o processo de evapotranspirao da floresta responsvel por apro-
ximadamente 50% do vapor d'gua que forma a precipitao. Desta forma a flores-ta tem um papel fundamental no balano hdrico da regio sendo do ponto de vista
hidrometeorolgico a bacia amaznica no homognea isotopicamente (Salati et al.,
1979b). Ou seja, a reciclagem de gua atravs do processo de evapotranspirao maior
na poro central e leste da bacia.
Embora na Amaznia a caracterizao isotpica da chuva tenha sido alvo de
muitos estudos, geralmente nos trabalhos hidrogeolgicos brasileiros a reta meterica
mundial serve de base de comparao para evitar um adicional de amostragens (Silva et
al., 1985; Frischkorn et al., 1989; Kimmelmann et al., 1986; Kimmelmann et al., 1989;
Kimmelmann et al., 1988; Silva et al., 1996).
4 Estudos de Evapotranspirao
Os estudos intensivos de caracterizao isotpica da chuva na Amaznia originaram um
modelo de fracionamento isotpico para a regio Amaznica que considerava o efeito da
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
9/19
33
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
evapotranspirao da floresta Amaznica (Dall'Olio et al., 1979; Salati et al., 1979b).
Seguindo esta discusso, sucederam-se estudos do fracionamento isotpico durante o
processo de evapotranspirao (Leopoldo et al., 1980 e Leopoldo et al., 1984).
Com base em mensurao em laboratrio de plantas irrigadas com solues com
diferentes valores de 2H e 18O, foi observado que a reteno de istopos pesados segue
a ordem: folha > raz > gua de irrigao. O enriquecimento em istopos pesados foi
maior no perodo diurno e diretamente proporcional temperatura do ar atmosfrico
mas inversamente proporcional umidade relativa (Leopoldo et al., 1980). A manuten-
o do teor constante de 2H no solo demonstra uma ausncia de fracionamento isotpico
para solos de textura arenosa (Leopoldo et al., 1980). Com base nesta linha de pesquisaLeopoldo et al.(1984) elaboraram um modelo terico de estimativa da concentrao de
2H nas folhas em funo da temperatura e umidade relativas desta, e tambm em funo
dos valores de 2H e 18O na gua do solo e no vapor d'gua atmosfrico.
5 Caracterizao Isotpica da gua Subterrnea
Com o objetivo de discutir o uso de istopos ambientais em trabalhos
hidrogeolgicos no Brasil, foram selecionadas trs regies (regio Nordeste, regio ama-
znica e bacia do Paran), onde a utilizao desta tcnica foi mais freqente.
5.1 Regio Nordeste
O Nordeste brasileiro engloba 10 estados em um total 1.606.000 Km2 sendo
que mais da metade desta rea est includa no "Polgono das Secas" caracterizado por
clima semi-rido, baixa precipitao (valores mnimos podem chegar a 250 mm/ano),
altas taxas de evapotranspirao, escassez de recursos hdricos, solos com baixa capa-
cidade de infiltrao e gua subterrnea com alto contedo de sais (350-25.000 ppm de
total de sais dissolvidos), segundo Salati et al.(1979a). Os estudos isotpicos da gua
subterrnea na regio Nordeste do Brasil iniciaram-se com a preocupao de caracteri-
zar e compreender os mecanismos de recarga dos principais aqferos da regio para fins
de abastecimento (Gat et al., 1968).
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
10/19
34
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
A reta meterica local, obtida com vrias estaes meteorolgicas da regio foi:
(2)
que prxima da reta meterica mundial (Fig. 1) (Salati et al., 1979a).
A bacia Potiguar (principalmente a Formao Au e o embasamento) foi uma
das primeiras reas investigadas para gua subterrnea com o uso de istopos (Ferreira
de Melo et al., 1969). Os resultados mostraram uma composio isotpica prxima
da chuva, indicando a origem meterica para as guas subterrneas (Ferreira de Melo et
al., 1969). A ocorrncia do processo de evaporao foi verificada pelo aumento nocontedo de istopos pesados tanto na chuva como nas guas subterrneas. No foi
observada uma correlao significativa entre o contedo de sais e a composio isotpica
da gua o que um indicativo de que os mecanismos de mineralizao so independentes
dos mecanismos de recarga d'gua no Nordeste brasileiro (Ferreira de Melo et al., 1969).
Salati et al. (1979a) e Frischkorn et al. (1989) tambm no observaram relao entre o
tempo de residncia das guas subterrneas (por meio de istopos 18O, 3H, 2H e 14C) e
a salinidade destas. Estes resultados apontam para uma origem independente dos sais
e da gua subterrnea. Entre as hipteses de explicao destaca-se a de uma transgres-so marinha pretrita, a formao de sais por evaporao intensa ou ainda a influncia
dos ventos marinhos no carreamento de sais (Ferreira de Melo et al., 1969).
Resultados de 3H e 14C indicaram tempos de residncia de 10 a 100 anos para os
aqferos cristalinos e de mais de 30.000 anos para os aqferos sedimentares (Salati et
al., 1979a). Nas reas sedimentares existem indcios (baixa composio isotpica em
relao a chuva) de que estes aqferos sofreram recarga por guas metericas antigas,
em condies distintas das atuais, ou seja, um paleoclima (Salati et al., 1979a).
Estudos mais recentes no Cear (bacia do Cariri), onde o abastecimento hdrico
feito exclusivamente por gua subterrnea, indicam uma diferenciao isotpica entre
os aqferos sedimentares profundos (Rio da Batateira e Misso Velha) e o aqfero dos
aluvies (Silva et al., 1996). Nos aqferos Rio da Batateira e Misso Velha existe uma
correlao negativa entre o contedo de 14C e a condutividade eltrica. Segundo Silvaet
al.(1996) quanto menor o contedo de 14C nestas guas (maior a idade da gua, porque
so anteriores s bombas nucleares), mais efetivo o processo de dissoluo, aumentan
OH
182
)8.0(2.8)2(10 +=
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
11/19
35
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
do a condutividade eltrica. Nos aluvies a correlao positiva foi associada entrada de
guas modernas com alta concentrao de 14C e tambm a lavagem de aerossis do ar e
do solo pela chuva e pelo escoamento, aumentando a condutividade eltrica (Silva et al.,
1996). Situao semelhante tambm foi observada para a Formao Pimenteiras na
bacia Piau-Maranho (Batistaet al., 1998). O detalhamento da composio isotpica
(14C e 3H) do aqfero Misso Velha permitiu reconhecer, na parte superior, idades at
3100 anos, e na parte inferior idades de 1900 a 9200 anos (Santiago et al., 1990).
Estudos nos aqferos sedimentares (sistema aqfero Cabeas) da bacia Piau-
Maranho no identificam uma correlao entre idades mais antigas e o aumento da
salinizao porque de maneira geral as guas so pouco mineralizadas. Neste contexto,o parmetro condutividade eltrica no fornece indcios da idade das guas (Carneiro et
al., 1998).
No Recife um uso recente de istopos ambientais negou a salinizao dos
aqferos costeiros pelo avano da cunha salina. Segundo Costa Filho et al. (1998) a
diferena isotpica (18O e 2H) entre a gua subterrnea e a gua do mar invalida a
hiptese de intruso marinha. Provavelmente os sais foram originados de um processo
interno de dissoluo e/ou mistura com guas marinhas provenientes de manguezais.
5.2 Regio Amaznica
A bacia Amaznica tem 6.000.000 Km2, com precipitao entre 2000 e 4200
mm por ano (Salati et al., 1979b). Nesta regio os trabalhos de caracterizao hidrogeolgica
com istopos so ainda incipientes e muitas vezes associados ou derivados de trabalhos
de composio isotpica dos principais rios (Reis et al., 1977; Leopoldo et al., 1982).
Na ilha de Maraj, com base na caracterizao isotpica da chuva, de poo, de
rios e do mar foi sugerido que as guas do Amazonas (isotopicamente mais leves que as
do mar e do rio Tocantins) tm influncia at o sul da ilha. Alm disso, em toda a orla
da ilha a relao d 2H x d18O para as guas est sobre a reta meterica, no evidenciando
grande contribuio da gua marinha. No interior da ilha a evaporao um processo
relevante (Reis et al., 1977).
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
12/19
36
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
Em uma pequena bacia de drenagem na floresta a reta obtida para os valores de18O e 2H na chuva, precipitao interna e gua do solo indicaram que no ocorre um
fracionamento significativo entre estes processos. O empobrecimento da gua do igarap
foi relacionado a mistura de gua da chuva (mais enriquecida em istopos pesados) com
gua com tempo de residncia maior no solo (mais empobrecida em istopos pesados)
(Leopoldoet al., 1982). Este trabalho foi um dos pioneiros na caracterizao isotpica
de vrias etapas do ciclo hidrolgico como um indicativo dos processos de transporte da
gua no solo at o rio.
5.3 Bacia do Paran
O aqfero Botucatu (Formao Botucatu) o mais importante na bacia do
Paran. A sua extenso (818.000 Km2 no Brasil) e o seu uso, principalmente em So
Paulo, no abastecimento justificaram vrios trabalhos de caracterizao hidrogeolgica.
Na regio tambm destacam-se os aqferos do Grupo Tubaro (Formao Tatu e
Formao Itarar) que tambm foram alvo de estudos isotpicos.
O aqfero Botucatu confinado na maior parte da sua extenso, estando sob osbasaltos da Formao Serra Geral, sendo livre apenas nas bordas da bacia (Kimmelmann
et al., 1986). As maiores espessuras ocorrem no centro da bacia e alguns dados relaci-
onados a caracterizao fsico-qumica deste aqfero so apresentados de forma sint-
tica na Tabela 2.
Com base em uma amostragem de 20 poos (Silva et al.1985), que foi expandi-
da para 30 poos (Kimmelmann et al., 1986) e posteriormente para 40 poos
(Kimmelmann et al., 1989) em vrias pores do aqfero (So Paulo, Paran, Gois,Mato Grosso do Sul, Santa Catarina e Rio Grande do Sul), a gua subterrnea foi
caracterizada isotopicamente como originada por infiltrao da precipitao nas reas
aflorantes. Esta concluso foi subsidiada pelo fato das amostras de gua subterrnea
carem em uma reta muito prxima da reta meterica mundial para 18O e 2H (Fig. 2).
Com o aumento do tempo de residncia no aqfero (aumento das condies confinantes)
as guas ficam mais mineralizadas (Kimmelmann et al., 1986). As guas das pores
mais confinadas so preferencialmente bicarbonatadas sdicas, tem temperatura mais
elevada, e resduo seco maior (Kimmelmann et al., 1986). Neste contexto os istopos
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
13/19
37
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
tambm indicaram uma gradao entre as guas de menor confinamento (valores de2H e18O menos negativos) para as de maior confinamento (valores de 2H e 18O mais negati-
vos, mais depletados) sugerindo a existncia variaes climticas pretritas (Kimmelmann
et al., 1986). Dados de 13C tambm distinguem as reas mais confinadas (valores menos
negativos) das reas de recarga e/ou menos confinadas (valores mais negativos em
funo da interao com a biota). Datao destas guas por 14C e 3H confirmaram idades
variadas entre as bordas norte e oeste da bacia (Gois e Mato Grosso do Sul) que so de
500 a 2.000 anos at a borda leste (So Paulo e ao longo da calha do rio Paran) que
chegam at 38.000 anos. Segundo Kimmelmann et al. (1988) com base em 3H e 14C, o
aumento da idade das guas deste aqfero gradual das reas aflorantes para a parte
central da bacia, seguindo o sentido da calha do rio Paran, acompanhando as direes de
escoamento subterrneo e o confinamento progressivo do aqfero.
Tabela 2 Principais parmetros hidrogeolgicos e hidrogeoqumicos do aqfero Botucatu. Em parntesesesto os valores mais freqentes (modificado de Kimmelmann et al., 1989).
ortemraP rolaV
)m(arussepsE 003
)%(avitefeedadisoroP 02-01
edadilibaemreP 01x4,2 6- 01x5,4- 5-
)s/2m(edadivissimsnarT 1x7,4 0 4- 01x5,1- 2- 01( 3- )
acifcepseedadicapaC
)m/h/3m( )51-01(32-1
edetneicifeoC
otnemanezamra 01x4 5-
01x2- 4-
(arutarepmeT o )C 16-22
Hp 53,01-04,5
sodilSedlatoT sodivlossiD
)DST( )l/gm( 056-13
augadoacifissalC
orefqaoedno(satsimuosanaisengamsadatanobracibesacidssadatanobracib-)odanifnocsonem
siamorefqaoedno(sacidssadataflus-sadaterolc )odanifnoc
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
14/19
38
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
Tabela 3 Caracterizao isotpica da chuva e do aqfero Botucatu (bacia do Paran) por regio (modificado de
Kimmelmann et al., 1989).
Uma linha de 30.000 - 38.000 anos pode ser feita na poro central e mais confinada da
bacia. Na Tabela 3 so apresentados os principais resultados isotpicos relativos ao
aqfero Botucatu, por regio.
Nas reas mais confinadas da bacia uma anomalia de flor pode ser correlacionada
com a idade mais elevada do aqfero (Kimmelmann et al.1988). Kimmelmann et al.
(1989) sugerem que o flor possa ser originrio da percolao de gua pelo basalto, oque explicaria a relao entre a concentrao deste elemento e a idade das guas.
oigeR 81 O 2 H ropedadI
C41eH3 seavresbO
avuhC)baiuC(4,6-
58,4- )ergelAotroP()oluaPoS(1,7-
- -
oroP
etsedroN
aicabad
6,9-1,8- 65- 76-000.83000.71
sona
edserolav 81 eO 2Hotium sodatelped
muodnacidniamilcoelaplevssopedacopaetnarud
agracer
oroP
etseoroN
aicabad
8,6-7,5- 23- 74- anredom
sona421.3
oaseralimisserolavodnacidni,avuhcaduoocuopseidnoc
setnanifnocon
etraP
lartnec
aicabad
7,8-6,6- 24- 95- etnecer,odanifnocorefqaretedopmropagracerodirfos
etnecer
omertxeetsedus
aicabad
2,6-8,4- 82- 04- etraproiamansartsomasadetneceredadi
onorefqaocuopeodanifnoc
odanifnoc
omertxE
etseodus
0,6-3,5- - 23 74-
augedarutsimahleveavon
edadimoc00.81edaidm
sona
onorefqaocuopeodanifnoc
odanifnoc
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
15/19
39
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
A anlise isotpica de guas subterrneas dos aqferos do Grupo Tubaro
(Formao Itarar e Formao Tatu) indica uma recarga por origem meterica atual
(Kimmelmann e Silva et al.(1987).
6 Consideraes Finais
Apesar do aumento verificado nos ltimos anos do uso de istopos ambientais
em estudos hidrogeolgicos esta tcnica ainda no se popularizou no Brasil. Basica-
mente, o uso de istopos restringe-se a datao das guas, sendo poucos os estudos
como traadores do fluxo e do comportamento da recarga de gua subterrnea. Aescassa utilizao desta tcnica no Brasil tem duas razes principais: a primeira a
concentrao isotpica relativamente baixa de 3H e 14C no hemisfrio sul, devido aos
padres globais de circulao atmosfrica associados quase ausncia de testes nucle-
ares neste hemisfrio. Nestas condies, o mtodo analtico deve apresentar um limite
de deteco baixo, prximo ao background correspondente ao 14C e 3H cosmognicos,
restringindo sobremaneira seu uso como traador. Outro fator restritivo ao uso de
istopos o custo elevado das anlises, associado escassa existncia de laboratrios
equipados para esta tcnica no Brasil. At h pouco tempo, s se dispunha em nossopas de escassos laboratrios capacitados a realizar estas anlises isotpicas ambientais.
Diante desta realidade, uma iniciativa valiosa a manuteno das estaes meteorolgicas
da OIEA (Agncia Internacional de Energia Atmica) de medio de istopos na chuva.
H uma tendncia desta situao de uso restrito das tcnicas tratadas modifi-
car-se nos prximos anos, pela ampliao da base laboratorial disponvel no Brasil e
pela maior facilidade no envio de amostras para a realizao de ensaios no exterior, onde
vrios laboratrios (inclusive o laboratrio da OIEA em Viena) oferecem preos eprazos freqentemente competitivos e vantajosos. Esta ampliao do emprego das
tcnicas isotpicas ambientais tambm impulsionada pelo crescente interesse em
estudos hidrogeolgicos de contaminao em zonas urbanas, industrial e agrcola,
pois as tcnicas isotpicas ambientais tm ampla utilizao potencial em tal
categoria de estudos.
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
16/19
40
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
Figura 2 Relao entre 18O e 2H para as guas subterrneas do aqufero Botucatu. A retade regresso ( - - - ) prxima da reta meterica mundial ( -- ) evidenciando que a recarga
ocorre principalmente por infiltrao da precipitao (modificado de Kimmelmann etal, 1989).
Figura 1 Reta meterica mundial mostrando a relao entre 18O e 2H na chuva. Osvalores mais enriquecidos em 18O e 2H so representativos da precipitao nas regies
mais quentes do mundo (modificado de Clark & Fritz, 1997).
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
17/19
41
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
7 Referncias
Batista, J.R.X.; Santiago, M.M.F.; Frischkorn, H.; Mendes Filho, J. & Foster, M.1998. Istopos ambientais na gua subterrnea de Picos - PI.In: CONG. BRAS.
GUAS SUBTERRNEAS, 10, 1998, So Paulo. CD-ROM. So Paulo, ABAS.
Campos, M.M. 1971. Levantamento preliminar de teores de trtio em guas do
Nordeste brasileiro. Relatrio do IPR, Belo Horizonte. 10p.
Carneiro, C.E.C.D.; Santiago, M.M.F; Frischkorn, H.; Mendes Filho, J. & Foster, M.
1998. Oxignio-18, Deutrio e condutividade eltrica para caracterizao da
gua subterrnea no vale do Gurguia.In: CONG. BRAS. GUAS SUBTER
RNEAS, 10., 1998, So Paulo. CD-ROM. So Paulo, ABAS.Clark, I. & Fritz, P. 1997. Environmental Isotopes in Hydrogeology. New York, CRC
Press. 328p.
Costa Filho, W.D.; Santiago, M.M.F; Costa, W.D. & Mendes Filho, J. 1998. Istopos
estveis e a qualidade das guas subterrneas na plancie do Recife.In: CONG.
BRAS. GUAS SUBTERRNEAS, 10, 1998, So Paulo. CD-ROM. So Paulo, ABAS.
Dall'olio A.; Salati, E.; Azevedo, C.T. & Matsui, E. 1979. Modelo de fracionamento
isotpico da gua na bacia Amaznica (Primeira aproximao) Acta Amazonica, 9:
675-687.Ferreira de Melo, F.A.; Rebouas, A.C.; Gat, J.R. & Mazor, E. 1969. Preliminary
Isotope survey of water sources in Northeastern Brazil. SUDENE, Spec. Report 18p.
Frischkorn, H.; Santiago, M.F. & Serjo, A.N. 1989 Isotope study of wells in crystalline
rock of the semi-arid northeast of Brazil.In: REGIONAL SEMINAR FOR
LATIN AMERICA ON THE USE OF ISOTOPE TECHNIQUES IN
HYDROLOGY, 1989, Ciudad de Mxico. Abstracts... Ciudad de Mxico, OIEA, p. 73-89.
Fritz, P. & Fontes, J. Ch. (eds.) 1980.Handbook of environmental isotope geochemistry.
Elsevier, Amsterdam. 322 p.Gat, J.R.; Mazor, E. & Mercado, A. 1968. Aplicaes potenciais de tcnicas isotpicas
e geoqumicas aos problemas hidrolgicos do Nordeste brasileiro. Relatrio
Comisso de Energia Atmica e SUDENE. 28p.
Gat J.R. & Gonfiantini, R. 1981. Stable isotope hydrology: Deuterium and oxygen-18
in the water cycle. Vienna. OIEA. (Techn. Report series No210).
Gonfiantini, R. 1985. On the isotopic composition of precipitation in tropical stations
Acta Amazonica,15: 121-139.
Kimmelmann, A.A.; Silva, R.B.G.; Rebouas, A.C. & Santiago, M.M.F. 1986. Hidrologiaisotpica e qumica do aqfero Botucatu - Bacia do Paran - Brasil.In: CONG.
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
18/19
42
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
BRAS. GUAS SUBTERRNEAS, 4, 1986, Braslia, DF. Anais. Braslia, ABAS, p. 1-25.
Kimmelmann E Silva, A.A.; Yoshinaga, S.; Murakami, H.; & Mattos, J.A 1987. Novos
aspectos hidrogeolgicos, hidrogeoqumicos e isotpicos das guas termominerais
de guas de So Pedro no estado de So Paulo.In: SIMP. BRAS. REC.
HDRICOS, 7, 1987, Salvador.Anais. Salvador, ABRH. p. 26-35.
Kimmelmann, A.A; Rebouas, A.C. & Santiago, M.M.F. 1988. 14C dating of the
Botucatu aquifer system in Brazil.In: INST. RADIOCARBON CONF., 13
Dubrovinik, Iugoslvia. Abstracts. Dubrovinik, p. 110.
Kimmelmann E Silva ,A.A.; Rebouas, A.C.; Santiago, M.M.F. & Silva, R.B.G. 1989.
Isotopic study of the Botucatu aquifer system in the brazilian portion of the
Paran basin.In: REGIONAL SEMINAR FOR LATIN AMERICA ON THEUSE OF ISOTOPE TECHNIQUES IN HYDROLOGY, 1989, Ciudad de M
xico.Abstracts. Ciudad de Mxico, OIEA, p. 51-71.
Leopoldo, P.R.; Matsui, E.; Sousa, A.P. & Salati, E. 1980 Fracionamento isotpico
aplicado ao estudo de evapotranspirao.Energia Nuclear e Agricultura, 2: 57-70.
Leopoldo, P.R.; Matsui, E.; Salati, E.; Franken, W. & Ribeiro, M.N.G. 1982. Composi
o isotpica da gua de chuva e da gua do solo em floresta amaznica do tipo
terra firme, regio de Manaus.Acta Amazonica,12: 7-13.
Leopoldo, P.R.; Matsui, E.; Foloni, L.L. & Salati, E. 1984. Variao dos valores de dDe d18O em gua de folha durante o processo de evapotranspirao.Energia
Nuclear e Agricultura,6: 3-18.
Matsui, E.; Salati, E.; Brinkmann, W.L.F. & Friedman, J. 1972. Vazes relativas dos
rios Negro e Solimes atravs das concentraes de 18O. Acta Amazonica,2: 31-46.
Matsui, E.; Azevedo, C.T. & Salati, E. 1980. Distribuio de deutrio (2H) nas guas
superficiais e subterrneas no Brasil.Energia Nuclear e Agricultura,2: 149-165.
Matsui, E.; Salati, E.; Ribeiro, M.N.G.; Reis, C.M.; Tancredi, A.C.S.N.F. & Gat, J.R.
1983. Precipitation in the Central Amazon basin: - The isotopic composition
of rain and atmospheric moisture at Belm and Manaus .Acta Amazonica,13: 307-369.
Mortatti, J.; Martinelli, L.A; Matsui, E.; Victoria, R.L. Richey, J.E. 1987. Isotopic
variation of oxygen in the water of river Solimes/Amazon and its main
tributaries. Energia Nuclear e Agricultura,8: 14-23
Prado, E.B. & Bedmar, A P. 1976. Aportacin de diversas tcnicas isotpicas al
estudio hidrogeolgico de la cuenca de Maranho (Brasil). Hidrologia, abril-julio: 65-79.
Reis, C.M.; Tancredi, A.C.F.N.S.; Matsui, E.& Salati, E. 1977. Caracterizao das
guas da regio de Maraj atravs de concentraes de O-18 e D.Acta Amazonica,7: 209-222.
7/24/2019 Isotopos Em Hidrologia Conceitos Bsicos
19/19
43
Anurio do Instituto de Geocincias - UFRJ Volume 25 / 2002
Salati, E.; Leal, J.M. & Campos, M.M. 1979a. Istopos ambientais aplicados a um
estudo hidrogeolgico do Nordeste brasileiro. Recife, SUDENE. Srie
Hidrogeologia, n 58. 55p.Salati, E.; Dall'olio A.; Matsui, E. & Gat, J.R. 1979b. Recycling of water in the
Amazon basin: an isotopic study. Water Resources Research, 15: 1250-1258.
Santiago, M.F.; Frischkorn, H. & Serejo, A.N. 1990. Estudo isotpico das guas do
Cariri.In: CONG. BRAS. GUAS SUBTERRNEAS, 4, 1986, Porto Alegre.
Anais. Porto Alegre, ABAS, p.338-342.
Silva, R.B.G.; Kimmelmann, A.A. & Rebouas, A.C. 1985. Estudo hidrogeoqumico e
isotpico das guas subterrneas do aqfero Botucatu - resultados parciais
para a regio norte da bacia do Paran.In: SIMP. REG. DE GEOLOGIA, 5,1985, So Paulo.AtasSo Paulo. v.2, p.489-502.
Silva, C.M.S.V.; Santiago, M.F.; Frischkorn, H & Mendes Filho, J. 1996. Distino
entre guas dos aluvies e guas profundas nos municpios de Crato e Juazeiro
do Norte - CE. CD-ROM.In: CONG. BRAS. GUAS SUBTERRNEAS, 9,
1996, Salvador. CD-ROM So Paulo, ABAS.
Top Related