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Geologia Estrutural

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CAP. 5 - ANLISE DA DEFORMAO

5.1 - Teoria da Deformao Descontnua

5.1.1 - Introduo O estudo da deformao descontnua tem, nas ltimas dcadas, adquirido uma importncia muito grande na aplicao dos fundamentos da Geologia Estrutural em diversas reas do conhecimento humano e de interesse social: minerao, engenharia civil, problemas ambientais e de ocupao do meio fsico, prospeco hidrogeolgica, sismologia, etc. Diversos experimentos de laboratrio tem permitido significativos avanos no entendimento dos processos relacionados ao fraturamento de corpos rochosos. Novas abordagens tm sido introduzidas pelos estudos de fraturamento hidrulico, relacionados energia geotermal e explorao de combustveis fsseis. necessrio, em primeiro lugar, que se entenda os fundamentos dos mecanismos de ruptura, os quais j foram objeto de discusses em captulos anteriores. J foi visto que as rupturas ocorrem, em experimentos de laboratrio, quando os esforos aplicados ultrapassam os limites de elasticidade dos corpos rochosos, podendo passar por um campo, de varivel extenso, de deformao plstica. Deve-se recordar, tambm, que existem, experimentalmente, dois valores de esforo limites na relao stress-strain:

yield stress: limite de elasticidade do material failure stress: limite de ruptura do material (brittle strenght)

5.1.2- O fraturamento e suas relaes com o esforo Estudos experimentais sobre materiais isotrpicos (Figs. 3.1 e 3.2 de Nicolas) permitem visualizar o desenvolvimento de fraturas e sua relao com as presses. Analisando a Figura 3.1, nota-se que:

fraturas de tenso aparecem, paralelas ao eixo do cilindro (1), para valores de esforo de 0.1 Mpa (Fig. 3.1a);

fratura isolada, de cisalhamento, aparece inclinada ao eixo do cilindro (1), com movimentao paralela superfcie da fratura, para valores de stress de 3.5 Mpa (Fig. 3.1b);

fraturas conjugadas aparecem, para valores de esforo de 100 Mpa (Fig. 3.1c), simetricamente inclinadas ao eixo do cilindro (1), formando com este um ngulo que aumentar progressivamente at um valor mximo de 450;

para maiores valores de esforo, a deformao se torna penetrativa para a escala de observao: em escala mesoscpica, assemelha-se deformao dctil, porm em escala microscpica a deformao produzida por movimentos descontnuos.

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A Figura 3.2 mostra que, com o aumento da presso de confinamento, tanto o limite do campo elstico como o campo da deformao dctil aumentam.

5.1.3- O fraturamento e suas relaes com a profundidade

Em ensaios de laboratrio possvel ser calculado o esforo cisalhante (shear stress) correspondente ao ponto de ruptura de um material sob investigao, com o


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aumento da presso de confinamento. Isso pode ser feito atravs de diagramas como o da Figura 3.2, mencionada anteriormente, ou pelo diagrama de Mohr estudado no captulo anterior (Fig. 2.16- Nicolas)

Para materiais isotrpicos, possvel se estabelecer uma curva experimental

de ruptura para um material, medindo a resistncia mxima do mesmo sob diferentes profundidades em rochas secas. Essa curva, j mencionada no captulo anterior, chamada de envoltria de Mohr, e representa os esforos cisalhantes mximos suportados por um material no momento da ruptura.

5.1.4- Fraturamento em presena de presso de fluido Em condies naturais as rochas tm fluidos nos poros. Esses espaos podem ser primrios (vesculas, espaos intergranulares em rochas sedimentares, etc.) ou induzidos por deformao (microfissuras, fraturas, falhas, etc.) A presso hidrosttica esperada nos poros de uma rocha uma profundidade qualquer, a presso de uma coluna dgua que se estenderia daquela profundidade at a superfcie. Assim a presso hidrosttica no poro, em qualquer profundidade, seria da ordem de 40 % da presso litosttica, tomando o valor mdio da densidade da coluna de 2,5 g/cm3. Presses de poros maiores que a hidrosttica podem ser geradas por diversos mecanismos, tais como: desidratao rpida de sedimentos por soterramento ou por efeito tectnico, desidratao de minerais por metamorfismo, etc.


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A Fig. 3.7 - Nicolas mostra o efeito da presso parcial de fluido sobre o fraturamento. Se uma presso de fluido for criada no meio, o centro do diagrama de Mohr, representando o estado de esforo na ausncia de presses de fluido, se move para a esquerda ao longo do eixo das abcissas (esforo normal). Esse movimento caracterizado na Fig. 3.7 pelo valor PF. Como um resultado dessa variao, o crculo do diagrama de Mohr representando o estado de esforo na presena de fluido tocar a curva da envoltria de Mohr e a ruptura do material pode ser prevista.

Se, no estado inicial, o raio do diagrama de Mohr for grande, um pequeno

aumento na presso de fluido ser suficiente para causar a ruptura, movendo o crculo de Mohr para o contato com a envoltria em um ponto onde a inclinao da curva baixa (Fig. 3.7a). O ngulo ento grande e o fraturamento ocorre por cisalhamento.

Se, ao contrrio, o raio inicial for pequeno, a presso de fluido dever ser tal

que se aproxime da presso confinante para causar o fraturamento. Nesse caso o deslocamento do crculo representativo ser significante e o mesmo tangenciar a envoltria perto de sua origem, numa regio de inclinao forte da curva. O ngulo ser pequeno e o fraturamento ser por extenso e no mais por cisalhamento (Fig. 3.7b).

Portanto, rochas porosas, onde reaes de desidratao ou fuses parciais

produzem uma presso de fluido prxima da presso slida, podem chegar ao fraturamento qualquer que seja a profundidade. Quando os fluidos influenciam o processo, o fraturamento no est restrito baixas profundidades.

5.1.5- Transio frgil-dctil

A maioria das rochas possuem microcavidades ou fissuras. Se foras agem sobre elas, os esforos se concentram nas terminaes dessas cavidades. A partir


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desses locais se propagaro microfraturas, principalmente paralelas direo do eixo de maior esforo (1), como mostrado na Fig. 3.9 - Nicolas. O nmero de microfraturas e suas dimenses tendem a aumentar com o aumento da presso confinante. Aumentam tambm, gradativamente com a presso confinante, o ngulo formado pelas fraturas e o eixo maior do esforo (1). A ruptura ocorre quando as microfissuras se juntam para formar fraturas contnuas no material.

Com o aumento da presso confinante, comeam a aparecer os primeiros sinais de deformao plstica (slip, twining, kinking, etc.) Portanto as rupturas em altas presses de confinamento so precedidas de um perodo de lenta propagao de fraturas e por comportamento plstico. Com o estabelecimento do fraturamento vm os lquidos que exercem um papel importante, modificando as condies fsicas do meio e introduzindo a deformao dctil.

6.1.6- Estruturas geradas

6.1.6.1- Introduo As manifestaes mais comuns da deformao descontnua incluem a gerao

de falhas e fraturas, que se diferenciam pela intensidade dos deslocamentos. As estruturas descontnuas caracterizadas por nenhum ou quase nenhum deslocamento paralelo superfcie so as juntas e fraturas. As falhas, por sua vez, correspondem quelas descontinuidades com razoveis deslocamentos paralelos s superfcies.


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Nesse item sero analisados os principais elementos geomtricos das estruturas descontnuas, suas principais terminologias, classificaes, interpretaes, aplicaes e relevncia do estudo.

6.1.6.2- Relevncia do estudo da deformao descontnua

Como j mencionado anteriormente, o estudo da deformao descontnua representa um papel importante na aplicao da geologia estrutural em diversos campos do conhecimento humano, se constituindo, portanto, em uma relevante ferramenta acadmica dentro do contexto social. Como exemplos dessas aplicaes podem ser citados: Construo civil: as estruturas descontnuas so muito teis no estabelecimento da principais direes de fraqueza de macios rochosos e na determinao de fatores de segurana de obras de engenharia (pontes, barragens, etc.). Ex.: UHE de Tucurui. Geologia econmica: as estruturas rpteis so importantes palcos de percolao de solues mineralizantes na formao de diversos depsitos minerais. Alm disso, o fraturamento tende a aumentar as porosidades efetivas dos corpos rochosos, contribuindo sobremaneira para a acumulao de hidrocarbonetos e gua subterrnea. Geologia regional: o estudo das estruturas descontnuas contribui para o entendimento dos aspectos geomtricos da deformao de uma dada rea, do seu arranjo estratigrfico e do sistema de esforos responsveis pela arquitetura tectnica regional. Essas informaes so de suma importncia no entendimento dos processos que atuaram na edificao de importantes setores crustais.

6.1.6.3- Estudo das falhas

6.1.6.3.1- Elementos geomtricos: descries e definies (Fig. 5.1)

1- Superfcie de falha: a superfcie de descontinuidade ao longo da qual os blocos se

movimentam; 2- Trao de falha: a projeo da superfcie de falha na superfcie do terreno. a

linha de representao da falha em mapas; 3- Escarpa de falha: parte da superfcie de falha que se projeta na superfcie; 4- Flats: patamares, pores horizontalizadas das superfcies de falhas; 5- Ramps: rampas, pores mais inclinadas das superfcies de falhas; 6- Cut of line: linha de corte, interseo de elementos de referncia (camadas, veios,

etc.) com a superfcie de falha. o trao desses elementos sobre o plano de falha; 7- Tip line ou tip point: linha ou ponto de terminao da falha. O tip point a

projeo da tip line na superfcie; 8- Teto e piso (capa e lapa): o teto o bloco sobre a superfcie da falha (no sentido do

mergulho da falha) e piso o bloco abaixo da falha; 9- Estrias de falha: linhas (lineaes) que podem marcar a superfcie da falha durante

a movimentao. Indicam a direo do movimento; Prof. M. Matta & F. Matos - DGL-CG/UFPA

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10- Fibras: minerais fibrosos que podem se cristalizar nas superfcies das falhas em

funo das modificaes de P e T; 11- Ressaltos: pequenos dentes gerados sobra a superfcie da falha durante a

movimentao dos blocos. So teis na interpretao do sentido da movimentao; 12- Slickenside: o conjunto do plano de falha com as estrias, ressaltos, etc.; 13- Throw e heave: o throw a componente vertical e o heave a componente

horizontal do rejeito da falha, ambos medidos sobre o plano da falha; 14- hade: o complemento do ngulo de mergulho do plano de falha.

Fig. 5.1 - Alguns elementos geomtricos das falhas. (a) bloco diagrama mostrando teto, piso, escarpa de falha (E.F.), cut of line (C.O.L.), flat (F) e ramp (R); (b) tip point e tip line; (c) heave (h) e throw (v).

6.1.6.3.2- Classificaes Vrias propostas de classificao das falhas tm sido divulgadas na literatura. Aqui sero abordadas apenas algumas dessas classificaes, as de carter mais descritivo e relevantes para o objetivo desse estudo. Classificao de Anderson


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Trata-se de uma classificao baseada na relao das falhas com o elipside de esforo elas associados. A Fig. 7.34 (Hobbs) descreve os pontos fundamentais dessa proposta: Falhas normais (normal faults): vertical = 1 horizontais = 2 e 3 Falhas inversas (reverse fauts): vertical = 3 horizontais = 1 e 2 Falhas transcorrentes (transcurrent faults): vertical = 2 horizontais = 1 e 3

Classificao geomtrica: baseada na relao com os esforos aplicados Falhas extensionais = falhas relacionadas a esforos distensivos


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Falhas de contrao = falhas relacionadas a esforos compressivos Falhas direcionais = falhas associadas a movimentao lateral sinistrais (levgeras) : associadas a binrios anti-horrios dextrais (destrgeras) : associadas a binrios de sentido horrio Classificao baseada na direo do movimento (estrias) Fig.5.2. Falhas de rejeito direcional (transcorrentes): movimentao paralela ao plano da

falha Falhas de rejeito de mergulho: movimentao paralela ao mergulho do plano de falha Falha de rejeito oblquo: movimentao em direo intermediria entre a direo e o

mergulho do plano de falha.

Fig. 5.2 Direes das estrias indicando falhas de rejeito direcional (1), de rejeito de mergulho (2) e de rejeito oblquo (3).

Classificao baseada no sentido do movimento (Fig. 5.3) Falhas normais : o teto desce em relao ao piso Falhas inversas : o teto sobe em relao ao piso Falhas direcionais = movimentos horizontais sinistrais (levgeras) : movimento no sentido anti-horrio dextrais (destrgeras) : movimento no sentido horrio


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Fig. 5.3 - Classificao de falhas em relao ao sentido do movimento. (a) falhas extensionais ou normais, (b) falhas de contrao ou inversas, (c) falha direcional sinistral e (d) falha direcional dextral. Classificao quanto inclinao do plano de falha Falhas verticais (Fig. 5.4 a) Falhas de alto ngulo (600 - 900 ) (Fig. 5.4 b) Falhas de mdio ngulo (300 - 600 ) (Fig. 5.4 c) Falhas de baixo ngulo (00 - 300 ) (Fig. 5.4 d) Falhas horizontais (Fig. 5.4 e) (a) (b) (c) (d) (e)

Fig. 5.4 Classificao de falhas baseada na inclinao do plano de falha.

Classificao quanto retilineidade do trao da falha (em seo) - Fig. 5.5 Falhas retas: a superfcie de falha plana e o trao da falha em seo reto Falhas lstricas: a superfcie da falha ondulada e o trao da falha em seo curvo


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Fig. 5.5 - Falha reta (a) e falha lstrica (b).

Obs.: As falhas retas normalmente esto associadas homogeneidade do campo reolgico e so rasas, enquanto as falhas lstricas so produto da heterogeneidade do campo reolgico (profundas)

6.1.6.3.3- Deslocamentos das Falhas Os movimentos ao longo de planos de falhas podem ser translacionais (t) ou rotacionais (r), dependendo do fato de que as linhas retas situadas nos blocos opostos da superfcie de falha e que eram paralelas antes do falhamento conservem (t) ou no conservem (r) esse paralelismo depois do falhamento. Na natureza, via de regra, todas as falhas possuem os dois movimentos combinados. Se o movimento rotacional for muito pequeno ele pode ser desprezado por comparao com o translacional.


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O rejeito de uma falha o movimento relativo de pontos previamente adjacentes nos lados opostos da superfcie de falha, sendo medido sobre essa superfcie. Pode-se enumerar diversas componentes do rejeito da falha e a Fig. 8.4 (Ladeira) resume essas nomenclaturas.

6.1.6.3.2- Feies Associadas s Falhas (Fig. 5.6)

Roll over antiforme formado no bloco do teto pelo movimento da falha; Horse uma fatia aprisionada entre duas falhas convergentes; Hangingwall sinform (sinforme do teto) sinforme localizado no teto da

falha normal e criado pela rotao dos blocos;


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Detachment fault superfcie de movimentao principal, localizada na poro mais profunda dos blocos, para onde convergem as falhas menores;

Decollement fault falha de descolamento. Mesma definio do detachment, para o caso de existir um controle reolgico no

desenvolvimento da falha;

Estrutura duplex estrutura formada por falhas isoladas por duas falhas maiores denominadas falha do teto (roof fault) e falha do assoalho (floor

fault);

Back thrust retro empurro, empurres que se desenvolvem em sentido contrrio ao empurro principal;

Estrutura pop up fatia crustal separada por uma falha inversa e um retro-empurro (falhas divergentes);

Zona triangular fatia crustal isolada entre duas falhas inversas e um retro-empurro;

Thrust sheets lasca de empurro ou escamas de empurro, fatias isoladas entre duas falhas inversas;

Thrust nappes napes de cavalgamento, lascas de empurro alctonas, com deslocamentos superiores a 10 km;

Leque imbricado conjunto de falhas inversas que convergem para baixo e se abrem para cima. Na base, normalmente, ocorre uma zona de

deslocamento;

Blind thrust empurres cegos, zonas de empurro que no alcanam a superfcie do terreno.


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Fig. 5.7 - Algumas feies associadas s falhas e associaes de falhas.

Outras associaes de falhas

Fig. 5.8 - Estruturas imbricadas. Leque imbricado de ponta (leading imbricate)

e leque imbricado de cauda (trailing imbricate) Prof. M. Matta & F. Matos - DGL-CG/UFPA

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Fig. 5.9 - Estrutura de horst e graben com falhas retas.

Fig. 5.10 - Graben simtrico.

Fig. 5.11 - Estrutura de hemi-graben.


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Fig. 5.12 - Sistema de falhas sintticas. Propagao no sentido do piso.

Fig. 5.13 - Sistema de falhas antitticas. Falhas se desenvolvem no sentido do teto.


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Fig. 5.14 - Sistema de falhas em domin.

6.1.6.3- Estudo das Juntas

6.1.6.3.1- Conceito: Juntas so fraturas que se apresentam obedecendo um arranjo regular atravs de superfcies paralelas ou subparalelas, ao longo das quais a movimentao desprezvel.

Sistema de Juntas: duas ou mais famlias de juntas intercruzadas, isolando blocos polidricos, cujas formas e dimenses dependem das orientaes e espaamentos entre as famlias de juntas.

Clivagem de fratura: pode ser considerada como um caso particular de uma famlia de juntas, cujos planos mostram espaamentos inferiores a 2 cm.

6.1.6.3.2- Classificaes das Juntas

1- Em relao outras estruturas planares

juntas direcionais paralelas s direes das feies planares juntas de mergulho paralelas direo do mergulho das feies

planares juntas oblquas ocupam posies intermedirias entre a direo e

o mergulho das feies planares juntas de acamamento caso particular de juntas paralelas aos

planos de acamamento


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Fig. 5.15 - Relao das juntas com superfcies dobradas. (a) famlias de juntas desenvolvidas sobre uma camada de rocha; (b) e (c) juntas longitudinais, transversais e diagonais. (Fig. 5.1 - Nicolas)

2- Em relao s dobras (Fig. 5.15)

juntas longitudinais paralelas aos eixos das dobras juntas transversais transversais aos eixos das dobras juntas diagonais oblquas aos eixos das dobras

3-Em relao ao arranjo geomtrico (Fig. 5.16)

juntas concntricas juntas radiais juntas escalonadas

(a) juntas concntricas

(b) juntas radiais


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(c) juntas escalonadas

Fig. 5.16 - Juntas classificadas quanto ao arranjo geomtrico. 4- Em relao origem (Fig. 5.17)

juntas extensionais: juntas de distenso, de partio, de extenso, ou juntas dilatacionais planos normais direo de 3

juntas de cisalhamento: geralmente conjugadas, formando ngulos

em torno de 60o , podem mostrar pequenos deslocamentos

juntas hbridas: combinam cisalhamento com extenso 5-Outras denominaes

juntas de resfriamento: relacionadas reduo de volume nos resfriamentos de lavas;

juntas de dissecao: se instalam em sedimentos que secam progressivamente (gretas de contrao);

juntas hexagonais: (disjuno colunar), formam colunas de sees hexagonais, normalmente em arenitos e basaltos. Esto relacionados homogeneidade do material.

Juntas hbridas Juntas de cisalhamento

Juntas extensionais

Prof. M. Matta & F. Matos - DGL-CG/UFPA Fig. 5.17 Classificao de juntas em relao origem

CAP. 5 - ANLISE DA DEFORMAO Classificao de Anderson Falhas de contrao = falhas relacionadas a esforos compressivos Falhas direcionais = falhas associadas a movimentao lateral Falhas inversas : o teto sobe em relao ao piso 6.1.6.3.2- Classificaes das Juntas

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