Afonso E. V. Lopes & Marcelo Assumpção

Tensões Litosféricas e o WSM

Para que serve o conhecimento das tensões litosféricas?

modelos muito antigos e muito novosAté pouco tempo

Para que serve o conhecimento das tensões litosféricas?

• Determinar a direção de perfuração de túneis e minas profundas para a explotação de minérios, com o intuito de garantir a estabilidade da rocha e a integridade das obras subterrâneas;

• Permite avaliar a permeabilidade de fraturas e, deste modo, inferir o fluxo de fluídos em sub-superfície, sendo importante para a geologia de petróleo e hidrogeologia;

• Avaliação de risco sísmico para grandes obras de engenharia;

• Identificação de zonas propensas a sofrerem grandes terremotos e, quem sabe no futuro, executar previsões bem sucedidas de grandes terremotos;

• Entre outros estudos de importância para a geofísica, geologia e engenharias.

Origem dos Esforços Litosféricos

A dinâmica do planeta acumula forças em locais especificos e gera os esforços observados no interior das placas listosféricas.

Esforços na Litosfera

Segundo Bott & Kusznir (1984) o stress litosférico de origem tectônica é dado por duas categorias principais:

1) Stress renovável: aquele que persiste continuamente, sendo originado em bordas de placa e devido a compensação isostática.

2) Stress não-renovável: aquele que é dissipado após o alivio da deformação inicial, sendo dado principalmente pelos stress de origem flexural, termal e devido a curvatura do planeta.

Segundo Zoback et al. (1989) as duas categorias principais de forças responsáveis pelo estado do stress na porção superior da litosféra (até 35km) são:

1) A responsável pelo stress tectônico: Forças de borda de placa, forças resultantes de processos geodinâmicos (incluindo flexura da listosfera e variação lateral de densidade), e forças termoelasticas geradas pelo resfriamento da litosfera oceânica;

2) E a responsável pelo stress local: Efeitos locais da topografia, parâmetros elásticos, e efeitos de erosão.

Magnitude dos EsforçosHinzen (2003) estima o valor absoluto dos esforços para diferentes profundidades com uma idéia muito simples, na qual assume-se que a pressão litostatica representa a magnitune de um dos esforços principais (orientado na vertical), que o fator de forma permite extender uma relação para os outros dois esforços e que a maxima diferença dos esforços na crosta é limitada pelo coeficiente de fricção da crosta. A pressão litostática é calculada com auxilio de um modelo de velocidade bastante refinado.Os resultados das modelagens de Richardson & Coblentz (1994) na tentativa de se determinador o valor do Shmax na PSA aponta para valores entre 10 e 75 Mpa para os primeiros 100km da litosféra (valor médios). O melhor resultados indica uma magnitude da ordem de 25MPa.

World Stress Map (WSM)

O World Stress Map (WSM) é uma compilação de dados de stress tectônico (mais de 13600) atuante na porção superior da litosfera terrestre. Este foi compilado original-mente por um grupo de pesquisa dirigido por Mary Lou Zoback como parte do International Lithosphere Pro-gramm (ILP).

Principais áreas de aplicação do WSM:

- Modelagens de bacias;- Modelagens tectônicas;- Gerenciamento de reservatório;- Estabilização de minas;- Estudo de risco sísmico;- Previsão de terremotos, etc.

Distribuição e Caracteristicas dos Dados o WSM (Zoback et al. 1989)

Cada medida do WSM possui um fator de qualidade (A, B, C ou D) o qual é representado pelo tamanho da barra do SHmax.

A maior parte dos dados de stress do WSM foi determinado com dados de mecanismos focais (63%).

Qual é o azimute da máxima compressão?

Figura de Dimate et al. (2003)

Note que os mecanismos focais apresentados na figura ao lado são os mais diversos possíveis.

Embora hajam mecanismos focais tão distintos, o campo de esforço na região é único.

Os planos de fraqueza onde se originam os sismos podem não ter sido gerados pelo tensor de esforço atual, mas o movimento da falha sim.

Medidas em Breakouts de poços de petróleo

A máxima compressão é perpendicular a máxima elongação do furo.

Os dados de breakouts utilizados no WSM são uma média de breakouts de vários poços próximos.

Dados Geológicos (5%)

Medidas in situ (9%)

Há apenas um dado na América do Sul!Apenas dois dados na Índia (apenas três na Ásia)!

Não há dado algum na placa Africana, na península Ibérica, porção norte da América do Norte e porção norte da Ásia.

Dados de Breakouts (23%)

Dados de Mecanismos focais de terremotos (63%)

Tensões Crustais no Brasil

Costa do Brasil:SHmax ~ paralelo à costaShmin ~ perpendicular à costa(continente se “esparrama” em direção ao oceano)

Interior (Geral):SHmax ~ paralelo ao empurrão da cadeia meso-atlântica

Interior (Centro Oeste – Norte)SHmax ~ paralelo ao movimento absoluto da Placa Sul-Americana nos últimos 5 milhões de anos.

Figura de Assumpção (2005)

Esforços do Craton do São Francisco

s1s3

Esforços na Placa Sul-Americana

Sub-Andes:SHmax ~ EW com tendência de ser perpendicular ao platô.

Costa do Brasil:SHmax ~ paralelo à costaShmin ~ perpendicular à costa(continente se “esparrama” em direção ao oceano)

Interpolação dos dados do World Stress Map (Bird & Li 1996)

Modelagens das Tensões Litosféricas

Os primeiros trabalhos de modelagem de esforços foram os de Solomon et. al (1975) e Richardson et al. (1976, 1979), e neles já se estudavam os esforços com o intuito de explicar a movimentação das placas litosféricas.

Mais tarde, as modelagens de esforços tomaram uma forma regional, e os trabalhos começaram a tratar as placas de modo isolado, possibilitando o uso de condições de contorno mais realistas nas bordas das placas (Richardson & Redin, 1991; Coblentz & Richardson; Meijer et. al 1997; Coblentz et. al 1998; Flesh et al. 2000; Govers & Meijer 2001 e outros).

Mas dentre os trabalhos mais interessante, encontramos os de Bird (1998) e Lithgow-Bertelloni & Guynn (2004). A seguir serão apresentados os principais resultados desses dois trabalhos, precedidos de um trabalho com aspecto mais regional da PSA (Stefanick & Jurdy, 1992).

Dois tipos de modelos de esforços:- Regional- Global

Os modelos Regionais (também conhecidos como não-globais) tem a desvantagem de requerer vínculos nas bordas da placa estudada. Essa condição de borda não é exigida em modelos Globais.

Por outro lado, os modelos Globais assumem valores das propriedades reológicas das margens das placas, e essas são muito pouco conhecidas (muito menos reais do que podemos imaginar).

Ambos os modelos sofrem com a falta de dados de espessura da crosta, formato da base da litosféra continental e anomalias de densidade no manto superior.

Modelos Regionais

Os modelos regionais (também chamados de não-globais) em geral ajustam melhor os dados observados e são bons para a descrição do campo de esforços, porém têm a desvantagem de exigirem condições de contorno adicionais nas bordas das placas.

- Condições de contorno não conhecidas

- Bons para descrever o campo de esforços

- Ajustam melhor os dados observados

Stefanick & Jurdy (1992)

Ridge Push, Slab Pull e Trench Suction Ridge Push, Slab Pull e Colisão

Ridge Push Ridge Push e Slab Pull

Modelo regional Modelo globalPouco conhecimento das forças que atuam no limite das placas.

Baixo conhecimento dos parâmetros reológicos da astenosféra e das placas litosféricas.

Coblentz & Richardson (1996) Lithgow-Bertelloni & Guynn (2004)

Modelo de Meijer (1995)

Modelo de Forças Campo de Esforços

Modelo de Coblentz & Richardson (1996)

a) Malha de EF e Forças b)Campo de Esforços

Modelo Global

Essas tensões são compostas por duas contribuições: (a) Tensões com origem na movimentação do manto ocasionada por heteroge-neidades de densidade, e (b) tensões opostas ao movimento das placas. Em (c) é apresentado a soma-tória das tensões exercidas na placa.

Tensões horizontais: Mov. Manto & Placas

Tensões Associadas à topografia dinâmica

A topografia dinâmica produz dois tipos de esforços no interior da placa: esforço de membrana causado pela extensão da placa, e esforço gravitacional gerado pelo gradiente topográfico.

Considerações Finais

Os modelos regionais são bastante úteis na caracterização do campo de esforços litosféricos, e permitem extrapolar interpretações para regiões onde os esforços não são conhecidos.

Os modelos regionais se limitam as contribuições litosféricas dos esforços, o que restringe bastante as análises geodinâmicas. Por isso os modelos regionais devem incluir modelos de fluxo do manto!

Os modelos globais tornam evidentes as magnitudes das contribuições dos esforços. Isso é viável porque não precisamos utilizar forças não conhecidas como condições de contorno.

As modelagens de esforços mais recentes deixam evidentes as contribuições do manto, e fornecem muitas informações para a compreenção da dinâmica interna do planeta.

Quanto mais temos conciência das fragilidades dos modelos numéricos e de nossa capacidade de entender o planeta, mais nos aproximamos da verdade. Um dia a Terra foi plana, hoje ela é desconhecida, amanhã saberemos como funciona sua dinâmica.

TD0

TD5

Trações geradas pela carga topográfica

Há duas possibilidades para explicar os desvios do equilíbrio isostático:

1) As estruturas da crosta e litosfera são pouco conhecidas sob os continentes, em particular a densidade da crosta inferior;

2) Contribuições para a topografia que são dinâmicas.

Anomalias do Geóide (GRACE)

Trações para o modelos SLB

SLB = Campo de Heterogeneidades determinado a partir da história das subducções (Lithgow-Bertelloni & Richards 1998).

TMG = Campo de Heterogeneidades derivado de uma tomografia sísmica (Grand et al. 1997) assumindo uma relação linear entre a velocidade e a densidade (1km/s = 0,4g/cm3).

LVC = Devivado do SLB, mas com diferentes parâmetros reológicos. Neste modelo é utilizado uma cama-da de baixa viscosidade entre 100 e 200km (viscosidade 100 vezes menor que a do manto superior).

Trações para o modelo SLB (12) Todas as trações para o modelo LVC (13)

Trações para o modelo TMG (15) Esforços para o modelo TD0 (16)

Modelo de Esforços LVC+TD0 (19a) Modelo de Esforços SLB+TD0 (19b)

Modelo de Esforços TMG+TD0 (19a) Modelo de Esforços SLB+TD0 (19b)

Direção do Shmax obtida no modelo 97001, o qual é regido por uma combinação do arraste na base da litosféra (somente do continente), velocidade das placas e topografia. O erro médio das direções de Shmax é de 32o.

Contribuições do Manto

• Variações abruptas na direção dos esforços: certamente possui origem litosférica;

• A influência do fluxo do manto na litosfera oceânica é menor que na continental;

• Na litosfera continental a contribuição do manto é até 4 vezes maior que a contribuição litosférica.