O relevo no Rio de Janeiro já foi muito interpretado como sendo originado pela erosão característica de climas glaciais. Tal visão se deve ao naturalista francês Louis de Agassiz que veio ao Brasil à convite de Dom Pedro II. Agassiz interpretou a baia de Guanabara e as formas pontiagudas de alguns picos da Serra dos Órgãos como sendo resultantes da erosão causada pelo movimento de geleiras.
Atualmente sabe-se que tal interpretação é completamente errada, já que a última vez que houve glaciação no Hemisfério Sul com geleiras no Rio de Janeiro foi durante o período Permiano, mais de 250 milhões de anos atrás, sendo que todas as feições de relevo deste período já foram destruídos pela erosão.
O Gráben da Guanabara formou-se no início do Terciário, concomitante com o soerguimento da Serra do Mar, a qual localmente recebe denominações como “Serra das Araras”, “Serra dos Órgãos”, etc. O recuo erosivo da escarpa da Serra do Mar, desde então, fez que esta se desfizesse em morros isolados mais resistentes que vieram a constituir os maciços litorâneos, a Serra da Carioca e mais afastados a Ilha Grande e Sepetiba, além de outros morros costeiros.
Durante as glaciações do Pleistoceno, o litoral recuou centenas de metros e pelo Gráben da Guanabara formou-se um sistema de drenagem que escoava por um rio onde hoje fica a baía homônima. Com o avanço do nível do mar ao fim da glaciação, as águas do mar invadiram o continente e erodiram a foz desde antigo rio, formando a baía da Guanabara no seu formato atual. Foram igualmente inundadas as baías de Sepetiba e Ilha Grande, vizinhas às escarpas da Serra do Mar, assim como o canal de São Sebastião.
A Serra dos Orgãos, assim como o Maciço da Tijuca, é constituída de blocos falhados, denominados horsts (blocos elevados por ação de movimentos tectônicos). Estes maciços são constituídos de rochas cristalinas denominadas granitos e gnaisses, sendo estes últimos oriundos do intenso metamorfismo dos granitos e de rochas sedimentares siliciclásticas. Estes maciços sofreram denudação durante as épocas de maior aridez no final do Neógeno e por isso evoluíram muitos inselbergs, que são elevações isoladas, tais como o Pão de Açúcar, o Corcovado, o Morro dos Cabritos, etc.
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