apostila geologia estrutural 2014-1-1

Geologia Estrutural 6

Cap. 2 - DEFORMAO : CONCEITOS BSICOS

O segundo captulo do programa de Geologia Estrutural tem como objetivo principal o estudo dos conceitos bsicos relacionados ao entendimento da deformao. Pretende-se com isso passar ao alunado os princpios fundamentais do estudo geral da deformao. Do entendimento desses conceitos depender a assimilao de todo o contedo programtico que se encontra enfeixado nos captulos que se seguem. de fundamental importncia, portanto, que se procure entender essa parte introdutria para que o alicerce seja bem estabelecido e que os itens que se sucedero possam ser melhor entendidos. 2.1- Definio e Fatores Envolvidos

2.1.1- Aspectos Introdutrios

Analisando o esquema da Figura 2.1 ( Hobbs et al. 1976, pag.VIII) pode-se entender os vrios fatores que interagem para produzir mudanas nas rochas. Considere-se um corpo de rocha, na forma de um cubo, por exemplo, em algum lugar da crosta terrestre. Foras passam a atuar sobre esse corpo. Nesse momento, condies de temperatura e presso confinantes esto agindo e gradientes desses dois elementos existiro em cada ponto ao longo do corpo. Essas condies no so estticas e a cada ponto do corpo T e P variaro levemente com o tempo. Alm disso a presena ou no de fluidos, a taxa de subsidncia, etc., so fatores outros que influenciam as propriedades mecnicas do corpo.

O corpo rochoso, por sua vez, no homogneo, consistindo geralmente de diferentes tipos de rocha. Dentro de um mesmo leito poder haver mudanas nas composies mineralgicas de ponto para ponto, acarretando mudanas pontuais na maneira que o material responder atuao das foras.

Algumas estruturas planares como xistosidade, clivagem, acamamentos, podem tambm estar presentes, localmente, ou ao longo de todo o corpo. Durante a deformao poder haver pequenos deslocamentos nesses planos de foliao, se a presso de confinamento for baixa. Para presses mais altas, as resistncias friccionais aos deslocamentos nessas superfcies podem ser mais altas e a deformao se verificar atravs de um outro processo.

Poder haver tambm outros marcadores no corpo rochoso como amgdalas e vesculas baslticas, bandas de cisalhamento, etc. Todas essa feies sero mais ou menos importantes durante o processo de deformao no sentido de determinar a estrutura que ser produzida.

Tem-se, ento, a situao da deformao de um lado e o corpo rochoso de outro. As foras que atuam nos limites do corpo rochoso, junto com as foras gravitacionais, vo formar outros sistemas de foras em cada ponto do corpo. Esse sistema de foras, que varia de um ponto para outro, define um sistema de esforo, quando a rea de atuao considerada. Ao mesmo tempo os aspectos mecanicamente significantes do corpo rochoso (como composio mineralgica, presena de foliao, etc.) se combinam com as condies impostas ao material (temperatura, presso, etc.) para produzir um regime de propriedades mecnicas caractersticas do material naquelas condies fsicas particulares.

Profs. M. Matta & F. Matos DGL-CG/UFPa


DEFORMATION SITUATION

Forces acting

on and within

the body

Conditionsinfluencingmechanicalproperties

TemperaturePressureLoading ratePore 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 frompoint to point.

ROCK BODY WITH INITIAL INHOMOGENEITIES

Mechanically significant

aspects

Mineralogy

Foliations

Grain boundaries

Passivemarkers

Modification of structureFabric

DISTORTED ROCKWITH NEW

INHOMOGENEITIES

Fig. 2.1 - Esquema diagramtico para a discusso da deformao e os diversos fatores que interagem nesse processo. Segundo Hobbs et al., 1976, pg. Viii.

A ao do sistema de esforos no material com essas caractersticas mecnicas causa determinada taxa de deformao, na qual a configurao do material muda globalmente e cada parte do corpo se move relativamente uma s outras. Com o passar do tempo cada parte do corpo atinge novas posies. Essa novas posies so descritas por vrias modificaes de forma (strain), deslocamentos e rotaes que variam de ponto para ponto durante a deformao. As novas posies de cada parte do corpo refletem mudanas na estrutura e fbrica do corpo de rocha deformado.

A estrutura produzida delineada pelas heterogeneidades que estavam presentes no corpo rochoso inicialmente e que se distorceram durante a deformao. Se a deformao continua, as mudanas na estrutura e fbrica que j ocorreram dentro do corpo, geralmente representaro um papel importante em determinar como o corpo responder na continuao da deformao, como sugerido pela linha tracejada na parte direita do diagrama. A maioria das estruturas das rochas se forma gradualmente,



atravs de longos perodos de tempo, atravs de vrios pequenos incrementos de deformao que o corpo rochoso experimenta, ao mesmo tempo em que suas propriedades mecnicas vo se modificando gradualmente.

Em resumo, deve-se entender a deformao como um processo dinmico e progressivo, no qual interagem os esforos, as propriedades mecnicas do material e suas mudanas ao longo do tempo, as variaes de presso, temperatura e contedo de fluidos presentes no processo, etc. O diagrama da Figura 2.1 ser retomado algumas vezes durante a apresentao de captulos que se seguiro.

2.1.2- Conceitos bsicos

Para que se comece a estudar a deformao, necessrio que se recorde alguns conceitos bsicos e se introduza alguns outros conceitos que sero fundamentais para o entendimento da deformao

2.1.2.1- Envoltrios terrestres

O estudo das ondas ssmicas tem mostrado que a propagao das mesmas no interior do globo terrestre sofre deflexes que refletem mudanas nas caractersticas fsicas das camadas atravessadas e mesmo interrupes na propagao de determinados tipos de ondas o que vem enfatizar essas diferenas.

Antes de discutir o interior da terra, necessrio se faz enumerar os diversos envoltrios terrestres: atmosfera, hidrosfera, litosfera e astenosfera (do exterior para o interior da terra), alm da biosfera que comparece em alguns deles.

Atmosfera camada mais superior da Terra, gasosa, imprescindvel para a existncia da vida humana sobre a superfcie terrestre. Hidrosfera rene a camada lquida que cobre a superfcie do planeta, composta pelo mar, rios, lagos, etc. Litosfera camada rochosa mais superficial da Terra, com caractersticas de corpos slidos. Inclui a crosta e a parte superior do manto. (Fig. 2.2) Litosfera Crosta Tectonosfera Manto

Zona plstica Astenosfera

Fig. 2.2 - Desenho esquemtico mostrando as relaes verticais entre os diversos compartimentos do interior terrestre.



Astenosfera camada conhecida como zona de baixas velocidades de ondas

ssmicas, ocorrendo abaixo da litosfera, onde se verificam os principais ajustamentos isostticos e geraes de magmas. (Fig. 2.2) Uma outra classificao dos envoltrios terrestre a que subdivide em crosta, manto e ncleo, de acordo com o esquema mostrado pelas Figuras 2.3 e 2.4. Nvel do mar Montanha 10 Km camada grantica camada basltica desc. de Conrad Crosta Moho 70 km Manto

Fig. 2.3 Desenho esquemtico mostrando as relaes entre crostas e manto.

Em termos do envoltrio mais superior, a crosta, algumas caractersticas so importantes. (Tabela 1.2)

Crosta superior chamada crosta continental, com velocidades das ondas ssmicas em torno de 5.5 Km/s, composio grantica, espessuras variando de 05-70Km, quimicamente predominam Si e Al (camada silica-Sial), densidade mdia:2.7.

Fig. 2.4 - Camadas internas da Terra e suas relaes com as descontinuidades nas velocidades de propagao das ondas ssmicas.

Crosta superior conhecida como crosta ocenica, com velocidades das ondas ssmicas em torno de 6.5Km/s, composio basltica, espessuras de 10-20 Km, quimicamente predominam Si e Mg (camada simtica-Sima), densidade mdia: 2.95.



A superfcie de Conrad tem sido mencionada como uma superfcie de separao entre a capa grantica e a zona basltica. Sua profundidade da ordem de 8 a 25Km. Em muitos lugares essa superfcie se encontra ausente, com as camadas gradando uma para outra. (Fig. 2.3)

Os movimentos tectnicos no tem lugar somente na crosta, ocorrendo tambm na parte superior do manto, constituindo o que se denomina de litosfera, adentrando a parte superior da astenosfera.

A crosta separada do manto pela descontinuidade de Mohorovicic (Moho). Essa superfcie separa a zona de velocidades de ondas ssmicas (P) em torno de 6.8-7.2 Km/s (crosta inferior) da regio com velocidades de 8.0-8.2Km/s (manto superior). uma descontinuidade reconhecida em todo mundo (Fig. 2.5), com profundidades variando muito em regies continentais e ocenicas. A profundidade mdia do Moho em regies continentais estveis de 35 Km, enquanto sob oceanos esse nmero 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 qumica entre dois diferentes tipos de rochas. Os materiais que compem 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 composio do granodiorito. Para alguns autores o Moho representaria uma transio de fases isoqumicas, por exemplo, peridotito-serpentinito; eclogito-gabro ou eclogito-basalto.

2.1.2.2- Deformao e Nveis Crustais

Mattauer (1980) estabeleceu as noes de Nveis Estruturais: * Princpios de Definio de Nveis Estruturais: um nvel estrutural

caracterizado por um mesmo mecanismo de deformao. Como j visto



anteriormente, os materiais rochosos se comportam de maneira diferente em diferentes regimes de P e T (vide item 2.1-a).

Fig. 2.5 Variaes das espessuras da crosta terrestre ao longo do globo. Nota-se que, sob os oceanos a crosta muito mais delgada, se expessando sob as principais cadeias de montanhas. A espessura mdia da crosta de cerca de 30 km. (segundo Heiskannen e Meinesz, 1958) A Figura 2.6 (Mattauer, 1980) mostra, esquematicamente, os domnio dos diferentes comportamentos dos corpos em funo de P e T e os diferentes mecanismos de deformao:

Fig. 2.6 - Representao esquemtica dos domnios de diferentes comportamentos

dos corpos em funo da presso, temperatura e dos correspondentes

mecanismos elementares de deformao.



- comportamentos: frgil dctil fuso - mecanismos: cisalhamento flexo achatamento fluxo

O primeiro mecanismo, em baixos valores de P e T, o caracterizado pelas descontinuidades (cisalhamento). Quando as rochas adquirem certa ductilidade, elas comearo a se deformar sem se quebrar, vo se formar estruturas plsticas, como dobras, por exemplo.

Em um primeiro estgio se formam dobras ispacas, por dobramentos flexurais. O mecanismo elementar no mais o cisalhamento, mas a flexo. Num estgio mais evoludo da deformao, mais dctil, os elementos esfricos sero transformados em elipsides achatados. As dobras sero anispacas e a xistosidade comear a aparecer. O mecanismo dominante, ento, ser o achatamento.

Chega-se, ento, a uma profundidade maior, mais prxima daquela dos processos de fuso, 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 deformao

importante notar que existe certa superposio nos campos dos diferentes

mecanismos. * Definio dos Nveis Estruturais (Fig. 2.8 - Mattauer, 1980)



Fig. 2.8 - Seo terica de um segmento da crosta mostrando os diferentes nveis

estruturais e os estilos das estruturas correspondentes. Com base nos diferentes comportamentos dos corpos rochosos com o

aumento da profundidade, foram definidos 3 nveis estruturais: superior, mdio e inferior.

- Nvel estrutural superior: o mecanismo dominante o cisalhamento. o domnio das descontinuidades (falhas e fraturas);

- Nvel estrutural mdio: o mecanismo dominante a flexo. o domnio das dobras ispacas.

- Nvel estrutural inferior: o mecanismo dominante o achatamento seguido de fluxo. o domnio das dobras anispacas. Na poro superior desse nvel as dobras so acompanhadas de xistosidade generalizada. Na poro mais inferior a xistosidade deixa de existir e o material se funde. O limite superior desse nvel o aparecimento da xistosidade. (Fig. 2.8 e 2.9 - Mattauer, 1980)



Fig. 2.9 - Limites aproximados dos diferentes nveis estruturais.

Disposio dos Nveis Estruturais

Fig. 2.10 - Aspectos dos nveis estruturais de uma cadeia peneplanizada.

Os limites entre os diferentes nveis estruturais so bem variveis e irregulares (Fig. 2.10, 2.11 e 2.12 - Mattauer, 1980). Os limites no dependem somente da profundidade, mas vrios outros fatores so tambm importantes:



Fig. 2.11 - Perfis tericos de cadeias simtricas e a disposio dos nveis estruturais.

Fig. 2.12 - Aspectos dos nveis estruturais de uma cadeia assimtrica.

- Gradiente geotrmico: o aparecimento da xistosidade e das estruturas

de fluxo se verificaro em profundidades bem menores em regies de gradiente trmico forte (Fig. 2.13 - Mattauer, 1980)

- Presso tectnica: o diagrama P-T para a disposio dos nveis estruturais muito simplificado, por no considerar a presso tectnica que ir interferir na disposio dos nveis estruturais (Fig. 2.13 e 2.14- Mattauer, 1980)

- Tipo litolgico: a Figura 2.15 (Mattauer, 1980) mostra a influncia do tipo de rocha na disposio dos nveis estruturais (aparecimento da xistosidade em profundidades diferentes, dependendo do tipo da rocha)

2.1.2.3- Deformao: definio



A deformao compreende: mudana de forma (distoro), e/ou mudana de volume (dilatao - positiva ou negativa), e/ou rotao, e/ou translao (Fig.2.15 Park)

- Decomposio da deformao: a mudana na posio espacial dos pontos de um corpo conhecida como deslocamento (displacement) e a mudana de forma resultante conhecida como deformao (strain). O termo deformao (deformation) utilizado para descrever o processo.

Fig. 2.13 - Diagrama mostrando a influncia do gradient e trmico na disposio dos

nveis estruturais.

Fig. 2.14 - Seo esquemtica mostrando a disposio dos nveis estruturais relacionada

a trs diferentes perfis tectnicos.



Fig. 2.15 - Exemplos da variao dos nveis estruturais em funo da litologia.

Fig. 2.16 - As diversas naturezas da deformao. 2.1.2.4 - Deformao Homognea e Heterognea

Conceito de Deslocamento (displacement) Fig. 2.17 (Hobbs): representando a mudana que determinados pontos do corpo sofre durante a deformao.



Fig. 2.17 - Conceito de deslocamento (Displacement).

Conceito de Vetor Deslocamento (displacement vector): a linha que une o

mesmo ponto de um determinado corpo, desde o estado inicial - no deformado - ao estado final - deformado. Fig. 2.18 (Hobbs et al., 1976))

Fig. 2.18 - Deformao no homognea e a definio de vetor deslocamento

(displacement vector)



Conceito de Campos de Deslocamento (displacement vector fields): os diferentes padres 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 Fig. 2.19.

Conceito de Deformao Homognea (homogeneous strain): linhas originalmente retas e paralelas permanecem retas e paralelas Figs. 4.1 e e 4.3 e (Ramsay, 1967)

Fig. 2.21 - Deformao homognea

Conceito de Deformao Heterognea (heterogeneous strain): alguma linhas do corpo, originalmente retas e paralelas, no permanecem retas e paralelas no corpo deformado Figs. 4.1f e 4.3 f (Ramsay, op cit.)



Fig. 2.22 - Deformao no homognea.

2.1.2.5 - Deformao Contnua e Descontnua Deformao contnua: o movimento dos pontos dentro do material contnuo

(deformao plstica) - Fig. 2.23a e 2.23b (Nicolas, 1987).

Deformao Descontnua: o movimento dos pontos dentro do material descontinuo, em funo da presena 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 esforos perpendiculares

rea do corpo (Fig. 2.24 A - Park). Cisalhamento simples (simple shear): rotacional, no-coaxial e com esforos

paralelos rea do corpo (Fig. 2.24 B - Park ).

Fig. 2.23 - Deformao homognea contnua (a) ; deformao heterognea contnua

(b) e Deformao descontnua.



Fig. 2.24 - Esquemas dos cisalhamentos puro ( A) e simples (B).

2.1.3- Regimes ou Estados de Deformao 2.1.3.1- Elipside de Deformao

Conceito de Elipside de Deformao: a figura geomtrica formada no corpo deformado, resultante da deformao de uma esfera imaginria contida no corpo antes da deformao.

Quando um corpo sofre deformao, ele pode experimentar mudanas nas posies de cada uma das partculas que o constitui .

Para descrever essas mudanas pode-se localizar um determinado ponto no corpo no deformado e imaginar uma pequena esfera centrada nesse ponto. No corpo deformado essa esfera se transforma em um elipside. (Fig.2.17)

A deformao definida pela comparao entre a forma e tamanho do elipside resultante e a forma e tamanho da esfera inicial.

Esse elipside denominado de Elipside de Deformao (Strain Elipsoid ).

Os trs eixos do elipside de deformao finita so X, Y e Z , onde, por conveno :

X= eixo maior Y= eixo intermedirio

Z= eixo menor

2.1.3.2- Tipos de Elipsides de Deformao

A anlise das Figuras 2.25 a 2.28 mostra as diferentes formas que podem assumir os elipsides de deformao :



Fig. 2.25 - Elipside Prolato Fig. 2.26 - Elipside Oblato

1- Extenso Axial Simtrica : - estiramento em umas das direes; - igual encurtamento nas outras duas direes; - X>Y=Z - elipside prolato; - predominncia do processo de estiramento, com formao de

estruturas lineares = formas de charuto.

2- Encurtamento Axial Simtrico: - encurtamento em uma das direes; - igual estiramento nas outras duas direes; - X= Y>Z - elipside oblato; - predominncia do processo de achatamento, com formao de

estruturas planares = formas de panquecas.

3- Deformao Plana: - estiramento em uma das direes; - encurtamento em outra direo; - terceira direo no apresenta modificaes;

- X>Y=1>Z

4- Deformao Triaxial - elipside triaxial, onde os trs eixos mostram diferentes dimenses; - a deformao ocorre ao longo do pleno que contm os eixos Z e X e perpendicular ao eixo Y. - estiramento ou encurtamento em cada uma das 3 principais direes;

- elipside triaxial: X>Y>Z.



Fig. 2.27 - Elipside de deformao plana Fig. 2.28 - Elipside triaxial 2.1.4- Diagrama de Flinn

A Figura 2.29 (Nicolas) ilustra o Diagrama de Flinn, mostrando os diferentes estados da deformao finita e suas relaes com os principais eixos do elipside de deformao.

Fig. 2.29 - Diagrama de Flinn

O eixo das abcissas do diagrama representa a razo entre o eixo intermedirio

e o eixo menor do elipside de deformao (Y/Z = 2/3 ).



O eixo das ordenadas representa a razo entre o eixo maior e o eixo

intermedirio do elipside de deformao ( X/Y = 1/2 ) O nmero K definido por: K= a-1/b-1 , onde a= X/Y e b= Y/Z

O diagrama de Flinn dividido em vrios campos em funo dos valores assumidos por K:

- K=0 todos os elipsides so oblatos (formas de panquecas); - 0>K >1 o elipside de deformao oblato e a deformao do tipo achatamento. - >K>1 o elipside prolato e a deformao do tipo estiramento - K= os elipsides de deformao so uniaxiais, prolatos, formas de

charutos. 2.1.5 - Deformao Progressiva

A deformao no ocorre em um momento particular, mas o produto de um processo progressivo em que cada momento da deformao definido por um elipside particular de incremento da deformao. (Fig. 2.30 - Hobbs,)

Fig. 2.30 - Esquema da deformao progressiva.



Para se caracterizar um processo de deformao, pode-se lanar mo de dois

tipos de elipsides:

- elipside de deformao finita: caracteriza a deformao desde um estado inicial do corpo no deformado, at um determinado momento da deformao que se esteja analisando. (Fig. 2.31- Hobbs);

- elipside de deformao incremental: caracteriza cada pequeno incremento de deformao (Fig. 2.31 - Hobbs)

Fig. 2.31 - Exemplos dos elipsides finito e infinitezimal na deformao progressiva.

- esses dois elipsides 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 deformao progressiva.



Fig. 2.32 - Deformao progressiva.

Fig. 2.33 - Aspectos da deformao progressiva. Linhas com diferentes orientaes em relao ao

elipside de deformao mostram diferentes histrias de deformao.


Cap. 2 - DEFORMAO : CONCEITOS BSICOS 2.1.2.1- Envoltrios terrestres Zona plstica - K=0 ( todos os elipsides so oblatos (formas de panquecas);

apostila geologia estrutural 2014-1-1

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