Landscape and Climate Changes in Southeastern Amazonia

Os lagos de terras altas (ULs) em Carajás, sudeste da Amazônia, têm sido extensivamente estudados no que diz respeito à sua geologia estrutural de alta resolução, geomorfologia, estratigrafia, geoquímica de multielementos e isótopos, palinologia e limnologia.

upland lakes
Carajás mountain range
landscape evolution

1. Introdução

Os lagos de terras altas (ULs) na Amazônia brasileira são formas de relevo singulares de média altitude (de 400 m a 800 m) formadas sobre crostas lateríticas de ferro e ferro-aluminosas como resultado de processos tectônicos cíclicos, intemperismo e erosão em condições climáticas tropicais [1,2,3]. Estes lagos são classificados como sistemas lacustres ativos e inativos, correspondendo este último a pântanos de terras altas [4].

A deposição de sedimentos em ULs é altamente influenciada pelas características naturais e locais da bacia hidrográfica, incluindo a geologia, a cobertura vegetal, a produtividade primária da bacia central [5,6,7] e a idade relativa do lago [3]. Apesar da relativa homogeneidade, as bacias hidrográficas do sudeste amazônico apresentam localmente vários litotipos e cenários geomorfológicos. Consequentemente, eles mantêm comunidades vegetais com diferentes estruturas e composições [8]. Além disso, os processos diagenéticos modificaram a composição dos sedimentos [5]. Todos esses fatores têm controlado as características geoquímicas e limnológicas desses MSs ao longo do tempo [9,10].

Os depósitos quaternários em ULs amazônicos têm espessuras diferentes. Alguns apresentam sedimentação contínua, como evidenciado nas serras de Seis Lagos (noroeste da Amazônia), Maicuru/Maraconaí (centro-nordeste da Amazônia) e Carajás (sudeste da Amazônia) [4,11,12,13,14,15,16,17,18]. As investigações realizadas nessas localidades permitiram avaliar os efeitos dos últimos períodos glacial e interglacial na Amazônia tropical. Os ULs podem se tornar mais semelhantes aos habitats terrestres durante o período negativo de balanço hídrico produzido pelo estresse hídrico prolongado, o que pode afetar os atributos ecológicos da biota dependente da água [19,20]. Em contraste, ULs mais resilientes podem atuar como microrrefúgios para esses organismos. Assim, tanto os aspectos físicos quanto biológicos, bem como sua natureza dinâmica, devem ser cuidadosamente avaliados em escalas de tempo mais curtas (anuais a decadais) e mais longas (século a milenar).

Geologia, Fisiografia e Clima

A área de estudo está localizada na porção leste da Província de Carajás, sudeste da Amazônia (Figura 1), e a geologia é representada por: (1) séries tonalita-trondhjemita-granodiorito mesoarqueano (TTG) e unidades granulíticas (Ortogranulito Xikrin-Cateté) [36,37]; (2) Sequências metavulcano-sedimentares neoarqueanas [38]; (3) Rochas intrusivas neoarqueanas [39] e corpos estratificados máfico-ultramáficos [40]; (4) Rochas sedimentares paleoproterozoicas [41]; e (5) intrusões anorogênicas paleoproterozoicas [42].

Figura 1. Mapa superior com área de estudo no contexto da América do Sul e Floresta Amazônica (área verde: cobertura florestal, áreas vermelhas: desmatamento). Mapa inferior com legendas associadas: mapa geológico mostrando as principais unidades litológicas da cordilheira de Carajás, na Amazônia brasileira. Os lagos estudados estão localizados nas crostas lateríticas do Sul (lagos ativos: Três Irmãs, Amendoim, Violão; lagos cheios: R1, R2, R4, R5), Norte (lago cheio: Trilha da mata), Leste (lago ativo: lagoa Serra Leste – LSL), Tarzan (lago ativo: Tarzan) e Bocaína (lagos cheios: LB3, LB4); Província de Carajás (RM + S-CC + CB: Rio Maria + Sapucaia + domínios Canaã dos Carajás + Bacia do Carajás).

O paleoclima tropical cenozoico tem favorecido extensos eventos de intemperismo na região, contribuindo para o desenvolvimento das crostas lateríticas, que eram derivadas principalmente de rochas metavulcano-sedimentares, incluindo a formação de ferro em bandas (BIF) do Supergrupo Itacaiúnas [1]. Os MSs foram formados de acordo com eventos neotectônicos e de intemperismo que afetaram as crostas lateríticas [1]. Esses lagos ocorrem apenas em altitudes entre 600 e 800 m nos terrenos lateríticos superiores (planaltos) da serra de Carajás, que inclui Sul, Norte, Leste, Tarzan e Bocaína (Figura 1).

2. Processos de Formação do Lago

As crostas lateríticas da cordilheira do Sul são deslocadas por conjuntos de falhas E-W que são responsáveis pela morfologia dos planaltos, falhas normais NW-SE para fraturas NE-SW e falhas sinistral-normais [3]. A dissolução parcial da crosta laterítica orientada por essas fraturas e falhas formou características cársticas, como cavernas, sumidouros e córregos subterrâneos [1]. Uma série de reativações de falhas promoveu o colapso de blocos ao longo das falhas normais, que formaram os lagos rasos de terras altas. A dissolução parcial da crosta laterítica e o escoamento intenso, particularmente durante a estação chuvosa, favorecem o transporte e a deposição de sedimentos clásticos no lago [44]. Em alguns casos, a sobrecarga da base dos lagos, juntamente com reativações de falhas, promoveu novos colapsos e aumentou o espaço de acomodação dos lagos [44].

Os transectos sísmicos em águas rasas e suas características de reflexão, bem como os núcleos sedimentares, permitiram identificar a geometria das unidades sismostratigráficas depositadas nas ULs de Carajás [3] (Figura 2). As características acústicas estão associadas à morfometria e morfologia do refletor do leito rochoso, fluxos de detritos, estruturas deformacionais sinsedimentares, refletores plano-paralelos e múltiplos refletores da interface água-substrato (Figura 2). A interface entre os sedimentos de fundo e a crosta laterítica é marcada por uma reflexão acústica total da crosta, que produz múltiplos de fundo de lago de forte amplitude (refletores de rocha). Os depósitos basais de grão fino localizados perto das principais entradas de drenagem correspondem aos clinoformes de progradação em direção à bacia colapsados por falhas relacionados aos ventiladores delta. Os processos de subfluxo são responsáveis pelo transporte de partículas de grão fino em direção ao depocentro do lago, interrompidas por leitos siderite. Os depósitos superiores estão relacionados à lama maciça aggradacional e sem estrutura com alguns fragmentos de turfa dispersos (Figura 2). Isso cria um arranjo que produz ciclos ascendentes de aletamento e desbaste, que podem variar em espessura dependendo da taxa do espaço de acomodação.

Figura 2. Transectos sísmicos longitudinais NW-SE mostrando os diferentes níveis morfológicos observados, unidades deposicionais, refletores basais e múltiplos e falha. A interpretação sismostratigráfica na parte inferior da figura. Figura superior (imagem sísmica rasa), figura média (interpretação sismostratigráfica) e figura inferior (legendas e localização do perfil sísmico na batimetria do lago).

3. Geologia de Superfície e Geobotânica das Bacias Hidrográficas

As crostas lateríticas da área de estudo são geneticamente classificadas como crostas estruturadas (minério de ferro), detríticas e ricas em Al [48] (Figura 3). Crostas estruturadas e detríticas foram formadas pela lateritização do BIF e pelo intemperismo das crostas estruturadas, respectivamente, e contêm hematita, magnetita, goethita e, secundariamente, minerais de quartzo e argila [9]. Essas crostas são geralmente espessas e mais resistentes ao intemperismo moderno, formando apenas plinthossolos petrânicos/acrustox petroférricos, que dominam os níveis topográficos mais altos. Por outro lado, as crostas ricas em Al formadas pela lateritização de rochas máficas são mais ricas em minerais argilosos e gibbsita, especialmente perto do horizonte saprólito. Além disso, são menos resistentes ao intemperismo e ocorrem em cotas mais baixas do que crostas estruturadas e detríticas. Assim, essas crostas podem produzir solos mais espessos (ou seja, Ferrasols/Latossolos).

Figure 3. (a,b) Digital elevation model (DEM) integrated with bathymetric data showing the western and eastern portions of the Serra Sul Plateau and the main lithotypes described in the catchment basins of active ULs. Aerial photograph of (c) Três Irmãs (TI1, TI2 and TI3), (d) Amendoim (AM) and Violão lakes (VL). (e,f) DEM showing the main lithotypes described in the catchment basins of filled ULs, also a detail (black arrow) for the direction of view of photo (e,f). (g,h) Aerial photograph of the filled ULs.

The detrital and structured crusts have some peculiar characteristics, including shallow, patchy and acidic soils, with low water retention and nutrient availability and high insolation and temperature [49,50], which allowed the widespread development of canga vegetation and hindered the colonization of tree species (Figure 3a–d), such as SDF and HETF [8,49]. This interpretation is supported by the high δ¹³C values of the canga vegetation compared to soils in neotropical forests, which are related to more pronounced water shortages in cangas than forests [51]. Mafic sills and dikes are predominant on the slopes of the Carajás mountain range and marginal to the Três Irmãs and Violão lakes, extending toward Amendoim Lake (Figure 3a–d). Palms and macrophytes occur extensively in filled lakes (Figure 3e–h). Moreover, macrophytes, especially Isoëtes cangae, which is a very rare and endemic species, are widely found at the bottom of Amendoim Lake at depths up to 7 m [52]. The dominant plant species of each physiognomy are described in Table 1.

Table 1. Main plant species of canga vegetation, SDF (semideciduous tropical dry forests) HETF (humid evergreen tropical forest) and filled lakes according to their based on [9,30], reviewed according to Carajás Flora Project [53].

Vegetation Type	Species
Canga	Dyckia duckei (Bromeliaceae), Ipomoea marabensis (Convolvulaceae), Erythroxylum nelson-rosae (Erythroxylaceae), Bauhinia pulchella, Mimosa acutistipula var. ferrea and M. skinneri var. carajarum (Fabaceae), Byrsonima chrysophylla (Malpighiaceae), Norantea goyasensis (Marcgraviaceae), Tibouchina edmundoi and Pleroma carajasensis (Melastomataceae), Sobralia liliastrum (Orchidaceae), Axonopus carajasensis, Panicum millegrana, Paspalum cangarum, P. carajasense and Sporobolus multiramosus (Poaceae), Borreria (Rubiaceae), Vellozia glauca (Velloziaceae), Callisthene microphylla (Vochysiaceae).
SDF	Licania blackii (Chrysobalanaceae), Aparisthmium cordatum and Maprounea guianensis (Euphorbiaceae), Myrcia splendens (Myrtaceae), Henriettea ramiflora, Miconia chrysophylla (Melastomataceae), Matayba inelegans (Sapindaceae).
HETF	Tapirira guianensis (Anacardiaceae), Guatteria punctata and G. tomentosa (Annonaceae), Oenocarpus distichus (Arecaceae), Cordia sellowiana (Boraginaceae), Licania laxiflora (Chrysobalanaceae), Deguelia negrensis, Pseudopiptadenia suaveolens (Fabaceae), Emmotum nitens (Icacinaceae), Sacoglottis mattogrossensis (Humiriaceae), Mezilaurus itauba (Lauraceae), Miconia piperifolia (Melastomataceae), Myrcia silvatica (Myrtaceae), Neea ovalifolia (Nyctaginaceae), Matayba arborescens (Sapindaceae), Erisma uncinatum (Vochysiaceae).
Filled lakes	Mauritiella armata (Arecaceae), Eleocharis pedroviane, Cyperus, Scleria (Cyperaceae), Hydrochorea corymbosa (Fabaceae), Miconia alternans (Melastomataceae), Styrax griseus (Styracaceae).

4. Modern Sedimentation Patterns: Basin Morphology and Source-to-Sink Relationship

The active Carajás ULs have mid-altitude ranges (695–725 m), very small surface areas (<0.5 km²), shallow to very shallow depths (<10 m: mean depth) and catchments with relatively high declivities (>20° and maximum of ~60°) [21]. The Violão (VL) and Amendoim (AM) lakes are separated by an intermediate basin that prevents any surface connection of water between them (Figure 3b). The catchment of Amendoim Lake was composed of two lakes (Figure 3d), but the smaller lake, located in the western portion, was progressively filled by detritic and organic sediments and currently represents a filled lake (swamp) colonized by macrophytes [30]. In contrast, the three lakes (TI1, TI2 and TI3) of Três Irmãs are connected, and the water flow follows the elevation gradient from TI1 to TI3 (Figure 3c), forming a small waterfall between the lakes [21].

The statistical distribution of the major and trace elements in the lake sediments shows that there is considerable variation in the chemical elements among the lakes, which is reinforced by the Kruskal–Wallis test, which indicated p values of <0.05 for most of the elements. Si was the highest in VL and the lowest in TI2, which had the highest total organic carbon (TOC) values. The concentrations of Al, P, Ti and Zr are mainly enriched in TI1, followed by VL. This enrichment is due to the presence of Al-enriched lateritic crusts (including basalts) and soils. When compared to upper the continental crust (UCC) values, Fe is highly enriched in all of the lake sediments, followed by P and Se, while the concentrations of Na, K and Ca are highly depleted. The strong depletion of these mobile elements is due to intense chemical weathering in the source areas, which is an indication of a typical lateritic environment.

Integrating the geochemical data from active ULs, based on principal components analysis (PCA), five major groups of geochemical associations are distinguished (Figure 4a), with the major detritic groups being similar to the catchment basin laterites [25]. The Ti-Zr-Hf-Y-Nb-HREE (Gp-1) corresponds to resistant minerals, which possibly remained stable during lateritization, while the different behavior of the LREE (Gp-2) relative to the HREE indicates their relative mobility during laterite formation and reprecipitation by REE-bearing minerals. The Al-Sc-V-Cr association (Gp-3) in the sediments reflects the signature of the local country rock, such as mafic sills. TOC-SO₃-Hg-Se (Gp-4) is controlled by organic matter, while the Fe-P-Mo-As-Zn (Gp-5) in the sediments is influenced by Fe-oxyhydroxide precipitation.

Figure 4. Principal component analysis (PCA) biplot of PC1 vs. PC2 and PC3 vs. PC4 for active lake sediments and catchment lateritic crusts, based on centered log-ratio (clr)-transformed data, showing the different geochemical associations and the major detrital signatures that are similar among them (a); and linear discriminate analysis (LDA) showing the distribution of lake sediments and the relationship with catchment basin materials (b).

The detritic association of Gps 1, 2 and 3, similar to the catchment rocks indicates a strong influence on the catchment basin lithology and laterization processes. The multivariate analysis, such as the linear discriminant analysis (LDA), further indicates that the detritic sediments are not directly derived from the parent rocks (Figure 4b), but are well correlated with the underlying weathered crusts (mainly ferruginous) and soils, while the ferruginous laterite crusts are the major source of detrital sediments. This inference demonstrates that lake sediments can be a potential tool for identifying and describing the catchment processes and basin lithology.

PCA performed on the centered log-ratio (clr)-transformed data was also employed to evaluate the relationships of the geochemistry of the bottom sediments among the filled lakes (Figure 5). The Bocaína (LB3 and LB4) lakes were mostly differentiated from the others as they loaded weakly positively on the PC2. This feature is related to the dominance in that area of Al-enriched lateritic crusts that were formed mostly from metavolcanic rocks. Thus, the geochemical signature of the Bocaína lake sediments shows higher concentrations of Al, Ga, Ti, Cr, V, Sc and REEs [24]. In these sediments, there is different geochemical behavior between the LREE and HREE, which is due to their different mobilities during lateralization [25]. Similar high enrichment of the detritic elements, such as Al, V, Ga and Cr, which are moderate to highly loaded on PC2, were also observed in the lakes from the Norte mountain range—Trilha da Mata Lake (LTM, LTP and LTD).

Figure 5. Principal component analysis (PCA) performed on centered log-ratio (clr)-transformed data for all filled lakes (sediment cores).

The sediments from Tarzan Lake (ST02) show mostly negative loading on PC1 and positive loading on PC2. This result is partly associated with Fe, suggesting that the crusts are similar to the Sul mountain range, but the high enrichment of Co, Cu, Mo, P, Cr and P in these sediments indicates a strong influence of mafic rocks, which is not exactly similar to that observed in the Bocaína lake sediments.

The sediments from Leste Lake (LSL) are negatively loaded on both PC1 and PC2 and seem very different from the sediments of the other lakes. The high enrichment of TOC in the detritic sediments of these lakes points to the control of different geomorphological and lithological characteristics of the basin. Moreover, in the Leste Lake sediments, As is more enriched, similar to the sediments from Tarzan lakes, suggesting the presence of sulfide minerals in the catchment rocks.

The filled lakes in the Sul mountain range (R1, R2, R4 and R5) have widely variable geochemical compositions, with the samples being positively and negatively loaded on PC1. Most of them are associated with Fe, as well as Si, thus indicating that the crusts developed mainly from iron formations, which have significant concentrations of Fe, while the Si contribution comes from BIF.

All of this fundamental knowledge of the modern lake sedimentary processes of Amazonian ULs and their catchment interactions can thus provide crucial insights for the interpretation of source—sink relationships and paleoclimate reconstruction.

5. Environmental Influences on Limnology and Water Quality

Regarding the ULs in the Carajás region, the lake waters are mostly acidic (avg. pH of 4.9–5.9), with high total Fe (up to 1.52 mg/L) and low SO₄²⁻ and other metal concentrations [10]. The low pH can be explained by the trivial level of carbonate minerals and the total dominance of ferruginous lateritic material in the catchment, as well as high sedimentary organic carbon in the lake bottom, which releases CO₂ and H₂S via bacterial decomposition, making the water acidic [54]. The high levels of Fe in the lake water are related to the weathering and erosion of the catchment ferruginous soils and lateritic crusts. This evidence indicates that the catchment geology is the dominant factor influencing the lake water chemistry.

These ULs are shallow, weakly stratified (Figure 6a) and classified as polymictic, which controlled the vertical mixing of the limnological parameters [10]. Although the water quality index (WQI) shows good water quality and high similarity among the studied lakes, the trophic state of these lakes varied significantly between ultraoligotrophic and eutrophic (Figure 6b), with lower values observed for Amendoim Lake [10]. High trophic states are due to nutrient concentrations, mainly total phosphorous (TP), promoting algal growth. The sources of TP for these lakes are associated with the presence of mafic rocks and caves with high guano volume [7,10]. Although Chl-a and cyanobacteria are mainly influenced by nutrients such as TP, this is not the case for these lakes; rather, they are controlled by additional factors, such as the seasonal climate conditions, catchment lithology specificities and lake morphology [10].

Figure 6. Vertical temperature profile in Violão, Amendoim and Três Irmãs lakes during the dry and rainy seasons showing the thermal stratification of the lakes (a), and trophic state index (TSI) of the lakes during both dry and rainy seasons (b), showing the significant variation in trophic state among lakes.

The Phytoplankton taxa in the lakes are characterized by small Chroococcales groups and desmids, together with filamentous algae, which are more commonly observed in the dry season. The Phytoplankton composition also varies among the lakes based on the differences in the water depth and nutrient concentration [10]. The studies conducted thus far have contributed to understanding the common limnological characteristics of the Amazonian ULs and their role in controlling the geochemical distribution of the elements and diagenetic processes in the sediments.

This entry is adapted from the peer-reviewed paper 10.3390/atmos14040621

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