Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Geologia Estrutural 6 Cap. 2 - DEFORMAÇÃO : CONCEITOS BÁSICOS O segundo capítulo do programa de Geologia Estrutural tem como objetivo principal o estudo dos conceitos básicos relacionados ao entendimento da deformação. Pretende-se com isso passar ao alunado os princípios fundamentais do estudo geral da deformação. Do entendimento desses conceitos dependerá a assimilação de todo o conteúdo programático que se encontra enfeixado nos capítulos que se seguem. É de fundamental importância, portanto, que se procure entender essa parte introdutória para que o alicerce seja bem estabelecido e que os itens que se sucederão possam ser melhor entendidos. 2.1- Definição e Fatores Envolvidos 2.1.1- Aspectos Introdutórios Analisando o esquema da Figura 2.1 ( Hobbs et al. 1976, pag.VIII) pode-se entender os vários fatores que interagem para produzir mudanças nas rochas. Considere-se um corpo de rocha, na forma de um cubo, por exemplo, em algum lugar da crosta terrestre. Forças passam a atuar sobre esse corpo. Nesse momento, condições de temperatura e pressão confinantes estão agindo e gradientes desses dois elementos existirão em cada ponto ao longo do corpo. Essas condições não são estáticas e a cada ponto do corpo T e P variarão levemente com o tempo. Além disso a presença ou não de fluidos, a taxa de subsidência, etc., são fatores outros que influenciam as propriedades mecânicas do corpo. O corpo rochoso, por sua vez, não é homogêneo, consistindo geralmente de diferentes tipos de rocha. Dentro de um mesmo leito poderá haver mudanças nas composições mineralógicas de ponto para ponto, acarretando mudanças pontuais na maneira que o material responderá à atuação das forças. Algumas estruturas planares como xistosidade, clivagem, acamamentos, podem também estar presentes, localmente, ou ao longo de todo o corpo. Durante a deformação poderá haver pequenos deslocamentos nesses planos de foliação, se a pressão de confinamento for baixa. Para pressões mais altas, as resistências friccionais aos deslocamentos nessas superfícies podem ser mais altas e a deformação se verificará através de um outro processo. Poderá haver também outros marcadores no corpo rochoso como amígdalas e vesículas basálticas, bandas de cisalhamento, etc. Todas essa feições serão mais ou menos importantes durante o processo de deformação no sentido de determinar a estrutura que será produzida. Tem-se, então, a situação da deformação de um lado e o corpo rochoso de outro. As forças que atuam nos limites do corpo rochoso, junto com as forças gravitacionais, vão formar outros sistemas de forças em cada ponto do corpo. Esse sistema de forças, que varia de um ponto para outro, define um sistema de esforço, quando a área de atuação é considerada. Ao mesmo tempo os aspectos mecanicamente significantes do corpo rochoso (como composição mineralógica, presença de foliação, etc.) se combinam com as condições impostas ao material (temperatura, pressão, etc.) para produzir um regime de propriedades mecânicas características do material naquelas condições físicas particulares. Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 7 DEFORMATION SITUATION Forces acting on and within the body Conditions influencing mechanical properties Temperature Pressure Loading rate Pore fluids STRESS SYSTEM MECHANICAL PROPERTIES DEFORMATION RATE Relative movements of parts Interval of TIME INCREMENT OF DEFORMATION New positions of parts described by strains, displacements, and rotations that vary from point to point. ROCK BODY WITH INITIAL INHOMOGENEITIES Mechanically significant aspects Mineralogy Foliations Grain boundaries Passive markers Modification of structure Fabric DISTORTED ROCK WITH NEW INHOMOGENEITIES Fig. 2.1 - Esquema diagramático para a discussão da deformação e os diversos fatores que interagem nesse processo. Segundo Hobbs et al., 1976, pg. Viii. A ação do sistema de esforços no material com essas características mecânicas causa determinada taxa de deformação, na qual a configuração do material muda globalmente e cada parte do corpo se move relativamente uma às outras. Com o passar do tempo cada parte do corpo atinge novas posições. Essa novas posições são descritas por várias modificações de forma (strain), deslocamentos e rotações que variam de ponto para ponto durante a deformação. As novas posições de cada parte do corpo refletem mudanças na estrutura e fábrica do corpo de rocha deformado. A estrutura produzida é delineada pelas heterogeneidades que estavam presentes no corpo rochoso inicialmente e que se distorceram durante a deformação. Se a deformação continua, as mudanças na estrutura e fábrica que já ocorreram dentro do corpo, geralmente representarão um papel importante em determinar como o corpo responderá na continuação da deformação, como sugerido pela linha tracejada na parte direita do diagrama. A maioria das estruturas das rochas se forma gradualmente, Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 8 através de longos períodos de tempo, através de vários pequenos incrementos de deformação que o corpo rochoso experimenta, ao mesmo tempo em que suas propriedades mecânicas vão se modificando gradualmente. Em resumo, deve-se entender a deformação como um processo dinâmico e progressivo, no qual interagem os esforços, as propriedades mecânicas do material e suas mudanças ao longo do tempo, as variações de pressão, temperatura e conteúdo de fluidos presentes no processo, etc. O diagrama da Figura 2.1 será retomado algumas vezes durante a apresentação de capítulos que se seguirão. 2.1.2- Conceitos básicos Para que se comece a estudar a deformação, é necessário que se recorde alguns conceitos básicos e se introduza alguns outros conceitos que serão fundamentais para o entendimento da deformação 2.1.2.1- Envoltórios terrestres O estudo das ondas sísmicas tem mostrado que a propagação das mesmas no interior do globo terrestre sofre deflexões que refletem mudanças nas características físicas das camadas atravessadas e mesmo interrupções na propagação de determinados tipos de ondas o que vem enfatizar essas diferenças. Antes de discutir o interior da terra, necessário se faz enumerar os diversos envoltórios terrestres: atmosfera, hidrosfera, litosfera e astenosfera (do exterior para o interior da terra), além da biosfera que comparece em alguns deles. Atmosfera →camada mais superior da Terra, gasosa, imprescindível para a existência da vida humana sobre a superfície terrestre. Hidrosfera →reúne a camada líquida que cobre a superfície do planeta, composta pelo mar, rios, lagos, etc. Litosfera →camada rochosa mais superficial da Terra, com características de corpos sólidos. Inclui a crosta e a parte superior do manto. (Fig. 2.2) Litosfera Crosta Tectonosfera Manto Zona plástica Astenosfera Fig. 2.2 - Desenho esquemático mostrando as relações verticais entre os diversos compartimentos do interior terrestre. Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 9 Astenosfera →camada conhecida como zonade baixas velocidades de ondas sísmicas, ocorrendo abaixo da litosfera, onde se verificam os principais ajustamentos isostáticos e gerações de magmas. (Fig. 2.2) Uma outra classificação dos envoltórios terrestre é a que subdivide em crosta, manto e núcleo, de acordo com o esquema mostrado pelas Figuras 2.3 e 2.4. Nível do mar Montanha 10 Km camada granítica camada basáltica desc. de Conrad Crosta Moho 70 km Manto Fig. 2.3 – Desenho esquemático mostrando as relações entre crostas e manto. Em termos do envoltório mais superior, a crosta, algumas características são importantes. (Tabela 1.2) Crosta superior →chamada crosta continental, com velocidades das ondas sísmicas em torno de 5.5 Km/s, composição granítica, espessuras variando de 05- 70Km, quimicamente predominam Si e Al (camada siálica-Sial), densidade média:2.7. Fig. 2.4 - Camadas internas da Terra e suas relações com as descontinuidades nas velocidades de propagação das ondas sísmicas. Crosta superior →conhecida como crosta oceânica, com velocidades das ondas sísmicas em torno de 6.5Km/s, composição basáltica, espessuras de 10-20 Km, quimicamente predominam Si e Mg (camada simática-Sima), densidade média: 2.95. Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 10 A superfície de Conrad tem sido mencionada como uma superfície de separação entre a capa granítica e a zona basáltica. Sua profundidade é da ordem de 8 a 25Km. Em muitos lugares essa superfície se encontra ausente, com as camadas gradando uma para outra. (Fig. 2.3) Os movimentos tectônicos não tem lugar somente na crosta, ocorrendo também na parte superior do manto, constituindo o que se denomina de litosfera, adentrando a parte superior da astenosfera. A crosta é separada do manto pela descontinuidade de Mohorovicic (Moho). Essa superfície separa a zona de velocidades de ondas sísmicas (P) em torno de 6.8- 7.2 Km/s (crosta inferior) da região com velocidades de 8.0-8.2Km/s (manto superior). É uma descontinuidade reconhecida em todo mundo (Fig. 2.5), com profundidades variando muito em regiões continentais e oceânicas. A profundidade média do Moho em regiões continentais estáveis é de 35 Km, enquanto sob oceanos esse número cai para 11Km. As maiores profundidades ficam acima de 65Km, sob cadeias de montanhas. A descontinuidade de Moho tem sido considerada como uma marca de descontinuidade química entre dois diferentes tipos de rochas. Os materiais que compõem o manto superior incluem peridotito, eclogito e dacito. Para a crosta inferior tem sido mencionados basaltos, gabros e anfibolitos, enquanto que a crosta superior corresponde a composição do granodiorito. Para alguns autores o Moho representaria uma transição de fases isoquímicas, por exemplo, peridotito-serpentinito; eclogito- gabro ou eclogito-basalto. 2.1.2.2- Deformação e Níveis Crustais Mattauer (1980) estabeleceu as noções de Níveis Estruturais: * Princípios de Definição de Níveis Estruturais: um nível estrutural é caracterizado por um mesmo mecanismo de deformação. Como já visto Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 11 anteriormente, os materiais rochosos se comportam de maneira diferente em diferentes regimes de P e T (vide item 2.1-a). Fig. 2.5 – Variações das espessuras da crosta terrestre ao longo do globo. Nota-se que, sob os oceanos a crosta é muito mais delgada, se expessando sob as principais cadeias de montanhas. A espessura média da crosta é de cerca de 30 km. (segundo Heiskannen e Meinesz, 1958) A Figura 2.6 (Mattauer, 1980) mostra, esquematicamente, os domínio dos diferentes comportamentos dos corpos em função de P e T e os diferentes mecanismos de deformação: Fig. 2.6 - Representação esquemática dos domínios de diferentes comportamentos dos corpos em função da pressão, temperatura e dos correspondentes mecanismos elementares de deformação. Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 12 - comportamentos: frágil ⇒ dúctil ⇒ fusão - mecanismos: cisalhamento ⇒ flexão ⇒ achatamento ⇒ fluxo O primeiro mecanismo, em baixos valores de P e T, é o caracterizado pelas descontinuidades (cisalhamento). Quando as rochas adquirem certa ductilidade, elas começarão a se deformar sem se quebrar, vão se formar estruturas plásticas, como dobras, por exemplo. Em um primeiro estágio se formam dobras isópacas, por dobramentos flexurais. O mecanismo elementar não é mais o cisalhamento, mas a flexão. Num estágio mais evoluído da deformação, mais dúctil, os elementos esféricos serão transformados em elipsóides achatados. As dobras serão anisópacas e a xistosidade começará a aparecer. O mecanismo dominante, então, será o achatamento. Chega-se, então, a uma profundidade maior, mais próxima daquela dos processos de fusão, com as rochas se comportando de maneira muito viscosa. Vai ocorrer dobramento de fluxo (Fig.07 - Mattauer, 1980) Fig. 2.7 - Esquema mostrando os diferentes mecanismos de deformação É importante notar que existe certa superposição nos campos dos diferentes mecanismos. * Definição dos Níveis Estruturais (Fig. 2.8 - Mattauer, 1980) Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 13 Fig. 2.8 - Seção teórica de um segmento da crosta mostrando os diferentes níveis estruturais e os estilos das estruturas correspondentes. Com base nos diferentes comportamentos dos corpos rochosos com o aumento da profundidade, foram definidos 3 níveis estruturais: superior, médio e inferior. - Nível estrutural superior: o mecanismo dominante é o cisalhamento. É o domínio das descontinuidades (falhas e fraturas); - Nível estrutural médio: o mecanismo dominante é a flexão. É o domínio das dobras isópacas. - Nível estrutural inferior: o mecanismo dominante é o achatamento seguido de fluxo. É o domínio das dobras anisópacas. Na porção superior desse nível as dobras são acompanhadas de xistosidade generalizada. Na porção mais inferior a xistosidade deixa de existir e o material se funde. O limite superior desse nível é o aparecimento da xistosidade. (Fig. 2.8 e 2.9 - Mattauer, 1980) Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 14 Fig. 2.9 - Limites aproximados dos diferentes níveis estruturais. • Disposição dos Níveis Estruturais Fig. 2.10 - Aspectos dos níveis estruturais de uma cadeia peneplanizada. Os limites entre os diferentes níveis estruturais são bem variáveis e irregulares (Fig. 2.10, 2.11 e 2.12 - Mattauer, 1980). Os limites não dependem somente da profundidade, mas vários outros fatores são também importantes: Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 15 Fig. 2.11 - Perfis teóricos de cadeias simétricas e a disposição dos níveis estruturais. Fig. 2.12 - Aspectos dos níveis estruturais de uma cadeia assimétrica. - Gradiente geotérmico: o aparecimento da xistosidade e das estruturas de fluxose verificarão em profundidades bem menores em regiões de gradiente térmico forte (Fig. 2.13 - Mattauer, 1980) - Pressão tectônica: o diagrama P-T para a disposição dos níveis estruturais é muito simplificado, por não considerar a pressão tectônica que irá interferir na disposição dos níveis estruturais (Fig. 2.13 e 2.14- Mattauer, 1980) - Tipo litológico: a Figura 2.15 (Mattauer, 1980) mostra a influência do tipo de rocha na disposição dos níveis estruturais (aparecimento da xistosidade em profundidades diferentes, dependendo do tipo da rocha) 2.1.2.3- Deformação: definição Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 16 A deformação compreende: mudança de forma (distorção), e/ou mudança de volume (dilatação - positiva ou negativa), e/ou rotação, e/ou translação (Fig.2.15 Park) - Decomposição da deformação: a mudança na posição espacial dos pontos de um corpo é conhecida como deslocamento (displacement) e a mudança de forma resultante é conhecida como deformação (strain). O termo deformação (deformation) é utilizado para descrever o processo. Fig. 2.13 - Diagrama mostrando a influência do gradient e térmico na disposição dos níveis estruturais. Fig. 2.14 - Seção esquemática mostrando a disposição dos níveis estruturais relacionada a três diferentes perfis tectônicos. Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 17 Fig. 2.15 - Exemplos da variação dos níveis estruturais em função da litologia. Fig. 2.16 - As diversas naturezas da deformação. 2.1.2.4 - Deformação Homogênea e Heterogênea Conceito de Deslocamento (displacement) ⇒ Fig. 2.17 (Hobbs): representando a mudança que determinados pontos do corpo sofre durante a deformação. Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 18 Fig. 2.17 - Conceito de deslocamento (Displacement). Conceito de Vetor Deslocamento (displacement vector): é a linha que une o mesmo ponto de um determinado corpo, desde o estado inicial - não deformado - ao estado final - deformado. ⇒ Fig. 2.18 (Hobbs et al., 1976)) Fig. 2.18 - Deformação não homogênea e a definição de vetor deslocamento (displacement vector) Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 19 Conceito de Campos de Deslocamento (displacement vector fields): os diferentes padrões de vetores deslocamentos (Fig. 2.19 e 2.20 ⇒ fig. 4.1 e 4.3 - Ramsay, 1983) Fig. 2.19 - Seis diferentes tipos de deslocamentos Fig. 2.20 - Campos de deslocamentos relacionados à Fig. 2.19. Conceito de Deformação Homogênea (homogeneous strain): linhas originalmente retas e paralelas permanecem retas e paralelas ⇒ Figs. 4.1 e e 4.3 e (Ramsay, 1967) Fig. 2.21 - Deformação homogênea Conceito de Deformação Heterogênea (heterogeneous strain): alguma linhas do corpo, originalmente retas e paralelas, não permanecem retas e paralelas no corpo deformado ⇒ Figs. 4.1f e 4.3 f (Ramsay, op cit.) Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 20 Fig. 2.22 - Deformação não homogênea. 2.1.2.5 - Deformação Contínua e Descontínua Deformação contínua: o movimento dos pontos dentro do material é contínuo (deformação plástica) - Fig. 2.23a e 2.23b (Nicolas, 1987). Deformação Descontínua: o movimento dos pontos dentro do material é descontinuo, em função da presença de rupturas (falhas e fraturas) ⇒ Fig. 2.23c (Nicolas, 1987). 2.1.2.6– Cisalhamento Puro e Simples Cisalhamento puro (pure shear): irrotacional, coaxial e com esforços perpendiculares à área do corpo (Fig. 2.24 A - Park). Cisalhamento simples (simple shear): rotacional, não-coaxial e com esforços paralelos à área do corpo (Fig. 2.24 B - Park ). Fig. 2.23 - Deformação homogênea contínua (a) ; deformação heterogênea contínua (b) e Deformação descontínua. Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 21 Fig. 2.24 - Esquemas dos cisalhamentos puro ( A) e simples (B). 2.1.3- Regimes ou Estados de Deformação 2.1.3.1- Elipsóide de Deformação Conceito de Elipsóide de Deformação: é a figura geométrica formada no corpo deformado, resultante da deformação de uma esfera imaginária contida no corpo antes da deformação. Quando um corpo sofre deformação, ele pode experimentar mudanças nas posições de cada uma das partículas que o constitui . Para descrever essas mudanças pode-se localizar um determinado ponto no corpo não deformado e imaginar uma pequena esfera centrada nesse ponto. No corpo deformado essa esfera se transforma em um elipsóide. (Fig.2.17) A deformação é definida pela comparação entre a forma e tamanho do elipsóide resultante e a forma e tamanho da esfera inicial. Esse elipsóide é denominado de Elipsóide de Deformação (Strain Elipsoid ). Os três eixos do elipsóide de deformação finita são X, Y e Z , onde, por convenção : X= eixo maior Y= eixo intermediário Z= eixo menor 2.1.3.2- Tipos de Elipsóides de Deformação A análise das Figuras 2.25 a 2.28 mostra as diferentes formas que podem assumir os elipsóides de deformação : Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 22 Fig. 2.25 - Elipsóide Prolato Fig. 2.26 - Elipsóide Oblato 1- Extensão Axial Simétrica : - estiramento em umas das direções; - igual encurtamento nas outras duas direções; - X>Y=Z - elipsóide prolato; - predominância do processo de estiramento, com formação de estruturas lineares = formas de “charuto”. 2- Encurtamento Axial Simétrico: - encurtamento em uma das direções; - igual estiramento nas outras duas direções; - X= Y>Z - elipsóide oblato; - predominância do processo de achatamento, com formação de estruturas planares = formas de “panquecas”. 3- Deformação Plana: - estiramento em uma das direções; - encurtamento em outra direção; - terceira direção não apresenta modificações; - X>Y=1>Z 4- Deformação Triaxial - elipsóide triaxial, onde os três eixos mostram diferentes dimensões; - a deformação ocorre ao longo do pleno que contém os eixos Z e X e é perpendicular ao eixo Y. - estiramento ou encurtamento em cada uma das 3 principais direções; - elipsóide triaxial: X>Y>Z. Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 23 Fig. 2.27 - Elipsóide de deformação plana Fig. 2.28 - Elipsóide triaxial 2.1.4- Diagrama de Flinn A Figura 2.29 (Nicolas) ilustra o Diagrama de Flinn, mostrando os diferentes estados da deformação finita e suas relações com os principais eixos do elipsóide de deformação. Fig. 2.29 - Diagrama de Flinn O eixo das abcissas do diagrama representa a razão entre o eixo intermediário e o eixo menor do elipsóide de deformação (Y/Z = λ2/λ3 ). Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 24 O eixo das ordenadas representa a razão entre o eixo maior e o eixo intermediário do elipsóide de deformação ( X/Y = λ1/λ2 ) O número K é definido por: K= a-1/b-1 , onde a= X/Y e b= Y/Z O diagrama de Flinn é dividido em vários campos em função dos valores assumidos por K: - K=0 → todos os elipsóides são oblatos(formas de panquecas); - 0>K >1 → o elipsóide de deformação é oblato e a deformação é do tipo achatamento. - ∝>K>1 → o elipsóide é prolato e a deformação é do tipo estiramento - K= ∝ → os elipsóides de deformação são uniaxiais, prolatos, formas de charutos. 2.1.5 - Deformação Progressiva A deformação não ocorre em um momento particular, mas é o produto de um processo progressivo em que cada momento da deformação é definido por um elipsóide particular de incremento da deformação. (Fig. 2.30 - Hobbs,) Fig. 2.30 - Esquema da deformação progressiva. Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 25 Para se caracterizar um processo de deformação, pode-se lançar mão de dois tipos de elipsóides: - elipsóide de deformação finita: caracteriza a deformação desde um estado inicial do corpo não deformado, até um determinado momento da deformação que se esteja analisando. (Fig. 2.31- Hobbs); - elipsóide de deformação incremental: caracteriza cada pequeno incremento de deformação (Fig. 2.31 - Hobbs) Fig. 2.31 - Exemplos dos elipsóides finito e infinitezimal na deformação progressiva. - esses dois elipsóides podem ser somados, obtendo-se os campos mostrados na Figura 2.31 – Hobbs et al., 1976) As Figuras 2.32 e 2.33 (Ramsay, 1983) (Ramsay, 1967), ilustram outros aspectos da deformação progressiva. Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Geologia Estrutural 26 Fig. 2.32 - Deformação progressiva. Fig. 2.33 - Aspectos da deformação progressiva. Linhas com diferentes orientações em relação ao elipsóide de deformação mostram diferentes histórias de deformação. Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa Cap. 2 - DEFORMAÇÃO : CONCEITOS BÁSICOS 2.1.2.1- Envoltórios terrestres Zona plástica - K=0 ( todos os elipsóides são oblatos (formas de panquecas);
Compartilhar