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Geologia Estrutural 112 CAP. 06 - OS SISTEMAS ESTRUTURAIS 6.1 - Estruturas Maiores Da Terra A superfície terrestre pode ser preliminarmente dividida em dois grandes grupos, cada qual englobando diversas regiões geotectônicamente distintas: - áreas continentais: - Cadeia de montanhas - Faixas móveis - Regiões estáveis - Grandes bacias - regiões oceânicas: - Cadeias mesoceânicas - Fossas oceânicas - Cinturões de ilhas vulcânicas 6.2 - Atividades Tectônicas Atuais Podem ser reconhecidas três tipos principais de atividades tectônicas na Terra: - Movimentos sísmicos - Movimentos assísmicos - Vulcanismo 1- Cinturões Sísmicos → Ao longo do cinturão circumpacífico e cadeias de montanhas, caracterizadas por intensa atividade horizontal. 2- Cinturões Assísmicos → Movimentação predominantemente vertical, em que predomina subsidência e soerguimento. 3- Vulcanismo → Associado à zonas de instabilidade tectônica que quebra o equilíbrio Pe=Pi (pressões externas e internas). Podem ocorrer nos continentes e nos oceanos. 6.3 - As placas tectônicas e seus limites (bordas) No estudo da Geologia Estrutural moderna é importante que as principais feições estruturais sejam estudadas no contexto de seu ambiente geotectônico. Isso implica, necessariamente, em estabelecer as relações entre os aspectos geométricos das estruturas geradas e os sistemas de esforços regionais. Nesse sentido, lembremos conceitos básicos sobre a teoria das Placas Tectônicas, estudados em disciplinas anteriores: Teoria da Tectônica de Placas Profs. Milton Matta & Francisco Matos 112 Geologia Estrutural 113 • Base da Teoria: a litosfera, constituída pela crosta (oceânica e/ou continental) e parte superior do manto, encontra-se fragmentada, formando um mosaico de placas rígidas, que se deslocam umas em relação às outras. Abaixo da litosfera se encontra a astenosfera, que se caracteriza por uma alta plasticidade, e é responsável pela movimentação das placas litosféricas sobrejacentes. • Limites das Placas Fig. 6.1 - Principais placas tectônicas e seus movimentos relativos .. - Existem dezenas de placas litosféricas (Fig.6.1), entre as quais 6 são as maiores: ◊ Americana ◊ Pacífica ◊ Africana ◊ Euro-Asiática ◊ Antártica ◊ Índica • Os limites das placas não correspondem às atuais bordas de continentes e oceanos; • As placas podem ser oceânicas, continentais, ou mistas. Profs. Milton Matta & Francisco Matos 113 Geologia Estrutural 114 ◊ Movimentos das Placas • As placas se deslocam umas em relação às outras, segundo três tipos de movimentos: ∗ - Movimento Convergente ⇒ Pacífica e América do Sul ∗ - Movimento Divergente ⇒ África e América do Sul ∗ - Movimento Lateral ⇒ Borda Oeste da América do Norte *Consequências dos tipos de Movimento: ♦ Bordas Ativas(Fig. 6.2) : ♦ Ex: limite oeste da placa Sul-Americana ♦ movimentação convergente ♦ processos de colisão ou subdução ♦ destruição da crosta (borda destrutiva) ♦ vulcanismo e deformação intensa Fig.6.2 - Borda de Placa com movimentação convergente: Borda Ativa Bordas Passivas (Fig.6.3) : * Ex: borda leste da Placa Sul-Americana Profs. Milton Matta & Francisco Matos 114 Geologia Estrutural 115 * movimentação divergente * processo de “spreading”: formação e espalhamento de fundo oceânico * formação da crosta (borda construtiva) * relativa ausência de fenômenos tectônicos Fig. 6.3 - Borda de Placa com movimentação divergente: Borda Passiva Bordas Conservativas: * Ex: Falha de Santo André (EUA) * movimentação lateral * conservação da crosta * zonas de intensos terremotos 6.4 - Os três grandes sistemas estruturais Profs. Milton Matta & Francisco Matos 115 Geologia Estrutural 116 Os sistemas estruturais são, também, consequência dos movimentos das placas litosféricas que são responsáveis pela geração de três sistemas de esforços distintos: a) Sistema Distensivo→ Extencional Feições → - Falhas normais (Fig. 6.4) - Boudinagem - Adelgaçamento crustal - Formação da maioria das bacias Fig. 6.4 - Sistema de falhas conjugadas e a orientação dos eixos de esforços relacionados ao sistema distensivo b) Sistema Compressivo: Feições → - Falhas inversas (Fig. 6.5) - Dobras - Espessamento crustal - Responsável pelas inversões das bacias Fig. 6.5 - Sistema de falhas conjugadas e a orientação dos eixos de esforços relacionados ao Sistema Compressivo c) Sistema Direcional: Feições → - Componentes compressiva e distensivas → Geometria - Falhas de rejeito direcional - Dextral ou Sinistral → Movimento Profs. Milton Matta & Francisco Matos 116 Geologia Estrutural 117 Fig. 6.6 - Sistema de falhas conjugadas e a orientação dos eixos de esforços relacionados ao Sistema Direcional. 1-Sistema Distensivo (Divergente) 1- Falhas individuais no sistema distensivo: falhas normais (gravitacionais) - Retas - Lístricas 2- Feicões associadas às falhas e sistemas de falhas: é válida toda a discussão feita e todas as figuras mostradas no capítulo da deformação descontínua ! 3- Associações de falhas no sistema distensivo ( escala regional ) a) Graben simétricos b) Meio-graben ou hemi-graben (graben assimétricos) c) Duplex distensivo : As falhas vão se propagando no primeiro detachment até o sistema não suportar mais e outro sistema “falhas x detachment” ser instalado para incorporar a distensão que continua. d)Sistemas de graben em dominó: importante mecanismo de formação de discordâncias nas bacias sedimentares - quatro estágios de desenvolvimento (Fig. 6.7) Falhas Transferentes (ou falhas de transferência ) As falhas transferentes truncam as falhas normais e se instalam nos momentos finais (ou tardios) do processo de estiramento. Quando as falhas normais já tiverem esgotado suas rotações e, continuando o processo distensivo, as falhas T (transferentes) se instalarão. Profs. Milton Matta & Francisco Matos 117 Geologia Estrutural 118 1- Bloco não deformado e um esforço distensivo atuando 2- Aparecem fraturas de distensão. 3- Blocos começam a rotacionar 4- A cada pulso de rotação: possibilidade de nova sedimentação em discordância ao pacote anterior. Fig. 6.7 - Esquema de formação do sistema de falhas em dominó, associado ao sistema distensivo. Fig. 6.8 - Esquema das falhas de transferência (a) formada apartir da movimentação de uma falha principal (b). Profs. Milton Matta & Francisco Matos 118 Geologia Estrutural 119 Tipos de Bacias ⇒ associação com os regimes de esforços - Bacias transpressivas: relacionadas à transcorrência + compressão - Bacias transtensivas: relacionadas à transcorrência + extensão EXTENSÃO MOV. DIRECIONAL COMPRESSÃO Fig. 6.9 - Tipos de bacias associadas ao diferentes regime de esforços. Movimentos Direcionais e a Formação dos diversos tipos de Bacias (Fig. 6.10) Elementos do Sistema: 1- Falha direcional com suas subdivisões 2-Terminações como “splay faults”( falhas ramificadas) 3-Arqueamento a)p/ direitab)p/ esquerda 4-Descontinuidade da direção da falha, transferindo o movimento para uma outra falha lateral, sem os arqueamentos de 3. Bacias formadas por este processo: - bacia em meio-graben - bacia em flor negativa - bacia em flor positiva - bacia “pull apart” - bacia “push up” 1- Consequências do Processo de Estiramento: modelos de adelgaçamento crustal associados ao processo de formação de Bacias. - Modelo de Mckensie (1978) - Modelo de Wernicke (1984) - Modelo de Coward (1986) Profs. Milton Matta & Francisco Matos 119 Geologia Estrutural 120 2b 4b 4a 3b 3a 2a Seção em 2a Seção em 3a Seção em 3b Seção em 4a Seção em 4b BACIAS 2a : Bacia em meio-graben 2b : Bacia pig back 3 a : Bacia em flor negativa 3b : Bacia em flor positiva 4 a : Bacia pull apart 4b : bacia push up (sistema imbricado) Seção em 2b Fig. 6.10 - Esquema de formação de diversos tipos de bacias associadas à uma falha direcional principal de movimentação sinistral Profs. Milton Matta & Francisco Matos 120 Geologia Estrutural 121 I - Modelo de Mckensie (Fig. 6.11) 1)O modelo parte do arranjo entre crostas (continental e oceânica) e manto, onde se instala o processo distensivo. 2)Surgem as descontinuidades, através de falhas normais, com adelgaçamento crustal, e subida (arqueamento p/ cima) do Moho, causando a subida do manto e das isotermas. A subida do manto será adiabática (sem perda de calor), pois o material subirá para menor profundidade e, portanto, pressão menor. Começa o processo de fusão parcial (pois o material passará de + alta pressão para + baixa pressão). Ocorrerá a deformação do preenchimento sedimentar. 3)Quando o processo entra em equilíbrio, o estiramento cessa e não há mais movimentos verticais nas falhas. Há, então, o resfriamento do sistema e, como consequência, uma subsidência termal, provocando uma discordância e a formação de uma segunda bacia, chamada bacia termal. ex: Bacia do Amazonas, com a Formação Alter do Chão representando uma fase termal sobre a sedimentação tectônica. Problemas com o modelo: - A deformação seria homogênea (o que é incomum na prática !) - Não haveria rotação (o que também não é comum - cisalhamento simples !) II - Modelo de Wernicke (Fig. 6.12) 1)Moho levemente perturbada pelo processo de cisalhamento simples. Dentro da bacia tectônica temos sedimentos, com fácies sedimentares, ficando mais fino quanto mais distante da base da bacia. 2)Falhas se propagam de maneira sintética com o continuar do estiramento. Várias discordâncias aparecem como um resultado dos diversos pulsos da rotação. Na base da crosta, o detachment (rampa - patamar - rampa, etc...) se transforma em zona de cizalhamento de baixo ângulo. A subida de Moho, no processo, se verifica , não mais no centro da bacia, mas deslocado para a margem mais distante da falha principal. A subida se dá fora do eixo da bacia. 3)Quando ocorre o equilíbrio, com a volta da Moho para baixo, a nova subsidência (termal) será localizada assimetricamente na bacia tectônica. (Podem estar à dezenas de quilômetros de distância.) OBS : O modelo leva em consideração tanto a deformação heterogênea como o cisalhamento simples, que eram problema no modelo de Mackensie. Problema desse modelo : *muitas bacias não mostram a bacia termal fora do eixo principal da bacia tectônica, portanto não poderiam ser explicadas pelo modelo. A proposta de Coward (próxima) tenta juntar os dois. Profs. Milton Matta & Francisco Matos 121 Geologia Estrutural 122 Crosta continental Crosta oceânica (1) Manto magmatismo Fusão parcial (2) Moho MANTO Bacia termal (3) Moho Fig. 6.11 - Esquema de formação de bacias segundo modelo de Mackensie, 1978. detachment (1) Profs. Milton Matta & Francisco Matos 122 Geologia Estrutural 123 Zona de cisalhamento Moho Bacia termal - sedimentos não deformados Moho (2) (3) Sedimentos deformados Fig. 6.12 - Esquema de formação de bacias segundo modelo de Wernicke, 1984. III - Modelo de Coward (Fig. 6.13) 1)O adelgaçamento estaria associado à zonas de cisalhamento profundas, haveria o estiramento provocando adelgaçamento crustal, geração das descontinuidades na porção superior e aparecimento da bacia tectônica. 2)Ao ser retirado o estiramento, há o resfriamento do sistema, com a subsidência da bacia e o aparecimento da bacia termal com sedimentos não deformados. A bacia termal se desenvolveria no eixo principal da bacia e não mais adjacente a ele. Comentários sobre os Modelos: resumo - Um desse modelos pode ser adequado para explicar a formação das diferentes bacias. - O modelo de Wernicke restringe a bacia termal para a posição lateral à bacia tectônica. - O modelo de Coward explica as bacias em que a porção termal está sobre o eixo da bacia tectônica. - O modelo de Mackensie não leva em consideração a deformação heterogênea nem o cisalhamento simples. Profs. Milton Matta & Francisco Matos 123 Geologia Estrutural 124 (1) Moho Zona de cisalhamento de baixo ângulo Bacia termal (2) Bacia tectônica Moho Fig. 6.13 - Esquema de formação de bacias associado ao modelo de Coward, 1986. Inversão da Bacia - processos que atuam sobre a bacia para deformar e metamorfisar os materiais da bacia. Magmatismo - uma consequência do processo de estiramento litosférico. A subida da astenosfera relacionada ao estiramento acarretará que rochas quentes sejam colocadas em menores pressões, causando a fusão parcial, que formará magmas que subirão pelas descontinuidades e se incorporarão aos sedimentos da bacia. A quantidade de magma que penetrará na bacia está relacionado ao grau de estiramento do sistema (volume de magma é função de ß que é o coeficiente de estiramento). Fig. 6.14 - Esquema explicativo do magmatismo associado ao estiramento litosférico Subida da astenosfera sob condições adiabáticas P↓ T Cte Magma Fusão parcial Profs. Milton Matta & Francisco Matos 124 Geologia Estrutural 125 2- Sistema Compressivo (Convergente) Elementos Geométricos Básicos do Sistema ? esforços convergentes ? falhas individuais do tipo inverso ? σ1 e σ2 são horizontais ? σ3 é vertical • Splay de Falha - falhas que se ramificam de uma falha principal. • Horse - bloco (fatia) limitado entre duas falhas inversas. • Overthrust - só o teto se movimenta (sobe) • Underthrust - só o piso se movimenta (baixa). • Backthrust - o empurrão se dá no sentido contrário à movimentação • Rampas - laterais (L) = paralelas à direção da movimentação - frontais (F) = perpendiculares à direção da movimentação - oblíquas (O) = direção intermediária entre paralela e perpendicular O F L (a) F L O (b) Mapa Fig. 6.15 - Rampas laterais, frontais e oblíquas, (a) em bloco diagrama e (b) em mapa. 1)Falha com movimentação direcional (zonas de cisalhamento direcionais). 2)Falha com movimentação de cavalgamento (Zonas de cisalhamento frontais de cavalgamento). 3)Falha com movimentação oblíqua. (zonas de cavalgamentooblíquas). Profs. Milton Matta & Francisco Matos 125 Geologia Estrutural 126 Inversão de Bacias: é o processo de deformação do preenchimento sedimentar (ou vulcano-sedimentar) de uma bacia, pela inversão no sentido da movimentação. O sistema passa de distensivo para compressivo. Alguns casos mais comuns serão abordados: 1)Reativação das falhas - vai depender de : • da relação geométrica entre a posição dos eixos de inversão, a direção da falha e o ângulo de mergulho desta. É impossível reativar falhas de alto ângulo com eixos de inversão frontais (figura); Impossível inverter a falha com eixos de inversão na posição das setas azuis, com eixos segundo as setas vermelhas, será possível a inversão! Assim será possível a inversão, pois a falha tem um ângulo mais suave ! Fig. 6.16 – Esquema de inmversão de falhas retas de alto ângulo. • do coeficiente de fricção (atrito) entre os blocos que se opõem no plano de falha; • do conteúdo de fluidos presentes, que servirão de lubrificantes. 2)Estruturas geradas pela inversão: alguns casos a) falhas lístricas são mais facilmente reativáveis, em função do baixo ângulo; Fig. 6.17 – Inversão em graben simétricos, formando estrutura pop up Pop up Profs. Milton Matta & Francisco Matos 126 Geologia Estrutural 127 b) nos sistemas em dominó a inversão não reativará as falhas normais, em função de serem de alto ângulo e retas. Se formará um detachment que tangenciará os pontos do dominó (de baixo ângulo), deixando uma área não deformada na frente dos blocos - dos degraus; Detachment tangencial Área não deformada Fig. 6.18 – Formação de um detachment tangencial na inversão do sisteme em dominó. c) um degrau pode se comportar como uma rampa frontal, servindo de anteparo para a compressão que desenvolverá as “back thrusts”; Fig. 6.19 – Outra possibilidade de inversão do sistema em dominó. d) falhas em dominó não se reativam, se forma um detachment de baixo ângulo um pouco acima das cristas dos blocos do dominó, caracterizando um leque imbricado; Fig. 6.20 – Inversão no sistema em dominó formando um detachment de baixo ângulo e um sistema imbricado. Sedimentos não deformados Falha de base Profs. Milton Matta & Francisco Matos 127 Geologia Estrutural 128 e) um degrau se comportando como rampa frontal normalmente formará dobras em função do esforço compressivo (inversão!); dobras rampa Fig. 6.21 – Outra alternativa para a inversão do sistema em dominó, produzindo uma rampa frontal e dobras. f) em algumas falhas lístricas será acentuado o “anticlinamento” do roll over; roll over deformado com o antiforme acentuado Fig. 6.22 – Acentuamento do antiforme do teto como produto de inversão de falhas lístricas normais. g) a compressão pode ser acomodada pelo aparecimento de uma falha de menor ângulo que pode carregar uma porção do embasamento para dentro da bacia. Sistema de falhas imbrincadas Definição: Série de falhas inversas (fault branches), propagando-se ascendentemente produzindo um splay a partir do “floor thrust” 1- Leque imbricado frontal (Leading Imbricate Fan) ⇒ Propagação em direção ao hanging wall (teto). Profs. Milton Matta & Francisco Matos 128 Geologia Estrutural 129 2- Leque imbricado de cauda (traling imbricate fan ⇒ Propagação em direção ao foot wall (piso) 3 2 1 Falha principal (a) leque imbricado frontal 1 2 3 falha principal (b) leque imbricado de cauda Fig. 6. 23- Desenvolvimento dos sistemas imbricados, frontal (a) e de cauda (b). Estrutura Duplex → sistema de falhas imbricadas que podem terminar em convergência na base para uma floor thrust e no topo para uma roof thrust. (Fig. 6.26) Roof thrust Sole or floor thrust Fig. 6.24 – Estrutura duplex. 3- Sistema Direcional σ2 σ3 σ1 Fig. 6. 24 – Esquema geral do sistema direcional com seu movimento “strike slip”. Profs. Milton Matta & Francisco Matos 129 Geologia Estrutural 130 Em planta Dextral Sinistral σ3 σ2 σ1 Fig. 6.25 – Esquemas de movimentação do sistema direcional. A) Características principais do sistema: 1- Presença de falhas do tipo strike slip; 2- Terminação em splay ou “rabo de cavalo”. Falhas normais (a) (b) cavalgamentos Fig. 6.26 – Terminações em rabo de cavalo das falhas direcionais formando sistemas de falhas normais (a) e cavalgamentos (b). 3- Deslocamento variável (menor em direção à terminação) * Os rejeitos não ficando menores quanto mais próximo da terminação 4- Deslocamento menor que 20% do comprimento da falha. 1000m 200m Fig. 6. 27 – Relação entre deslocamento e comprimento da falha Profs. Milton Matta & Francisco Matos 130 Geologia Estrutural 131 5- Falhas adjacentes paralelas mostrando mesmo sentido de movimento. Fig. 6. 28 – Falhas paralelas com mesmo sentido de movimentação que as falhas direcionais principais. * Nas falhas transformantes, associadas às cadeias meso-oceânicas, as características são opostas a essas: - terminação abrupta - deslocamento igual ao longo da falha - deslocamento ilimitado Rift central da cadeia meso-oceânica Falhas transformantes Fig. 6.29 – Esquema das falhas transformantes cortando as cadeias meso-oceânicas. B)Efeitos associados à movimentos direcionais ♦Em sistemas paralelos *a movimentação do primeiro conjunto vai ocasionar o aparecimento de um segundo set de falhas, com movimentação inversa. Dado importante para usar em mapeamento. Fig. 6. 30 – Efeitos associados ao desenvolvimento de falhas paralelas. Profs. Milton Matta & Francisco Matos 131 Geologia Estrutural 132 ♦Em falhas únicas com arqueamentos: Segundo set de falhas com a mesma movimentação Primeira falha Fig. 6.31 – Falha com arqueamentos, formando um segundo conjunto de falhas com a mesma movimentação. 1- Transtensão Bacia em “flor negativa”, resultado de duas movimentações: direcional e normal Fig. 6.32 – Esquema de formação das bacias em flor negativa associadas à transtensão! Quais dados de campo podem ser usados? -Falhas cavalgantes - pétalas individuais -Estrias convergentes - terminais As caracterizações das estruturas em flor podem ser feitas pelo reconhecimento de conjunto de falhas (rúptil) ou zonas de cisalhamento (dúctil) associadas às pétalas das flores. No caso de cisalhamento frágil as estrias de falha servirão como guia, enquanto que no cisalhamento dúctil as lineações de estiramento desenharão a estrutura. Profs. Milton Matta & Francisco Matos 132 Geologia Estrutural 133 2- Transpressão Flor positiva = duas ,ovimentações: direcional e cavalgamento Fig. 6. 33 – Esquema de formação das bacias em flor positiva associadas à transpressão! Padrões de Embricação Associados às Falhas Strike Slip • Mostra a maneira como vários sistemas direcionais imbricados podem existir! 1) Escalonado (echelon) 2) Em degraus (prá direita) Profs. Milton Matta & Francisco Matos 133 Geologia Estrutural 134 3)Revesado (relay) Pequenos segmentos de falhas paralelas formando um conjunto maior 4) Em degraus (prá esquerda) 5) Decalado ou com recobrimento (Overstep – step over) Profs. Milton Matta & Francisco Matos 134 Geologia Estrutural 135 Cisalhamento de Riedel R’ R (ou R1) α β α = 10 a 150 β = 75 a 800 R = Riedel : acompanha a movimentação do sistema geral R’ = Anti-Riedel : movimentação oposta anti-tético falhas normais sintético cavalgamentos Fig. 6. 34 – esquema geral do cisalhamento de Riedel. Metamorfismo : • Normalmente ausente ou de baixo grau • Pode ocorrer = metamorfismo dinâmico metamorfismo de soterramento Atividades Ígneas • esparsas • associadas às transtensões • ofiolitos, serpentinitos, calco-alcalinas • granitos Duplex Direcional • Duplex = Estrutura fechada composta por alguns horses limitados por duas falhas mestras. Existe no sistema distensivo, no compressivo e no direcional! Profs. Milton Matta & Francisco Matos 135 Geologia Estrutural 136 Release bend Segmento reto Restraining band separação Fig. 6.35 – Elementos de uma falha direcional. Duplex extensional Sistema imbricado extensional leading extensional imbricate fan Sistema imbricado extensional trailing Fig. 6.36 – Formação de duplex extensional e leques imbricados. Duplex contracional Sistema imbricado contractional trailing Sistema imbricado contracional leading Fig. 6.37 – Esquema de formação de duplex contracional e sistemas imbricados. Em segmentos retos = Fraturas de Riedel P D (X) R R’ R’ R D(Y) P Fig. 6.38 – Esquema do cisalhamento de Riedel. Profs. Milton Matta & Francisco Matos 136 CAP. 06 - OS SISTEMAS ESTRUTURAIS Fig. 6.22 – Acentuamento do antiforme do teto como produto de inversão Fig. 6.26 – Terminações em rabo de cavalo das falhas direcionais formando sistemas de Fig. 6. 27 – Relação entre deslocamento e comprimento da falha Fig. 6. 28 – Falhas paralelas com mesmo sentido de movimentação que as falhas Fig. 6.31 – Falha com arqueamentos, formando um segundo conjunto de falhas Fig. 6.32 – Esquema de formação das bacias em flor negativa associadas à transtensão! Padrões de Embricação Associados às Falhas Strike Slip Cisalhamento de Riedel Atividades Ígneas Duplex Direcional Em segmentos retos = Fraturas de Riedel
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