geologia - oficina de textos

www.ofitexto.com.br7 Fratura e deformação rúptil

Geologiaestrutural

Haakon Fossen

2ª edição

Fig 7.1

Mecanismos de deformação rúptil. O fluxo granular é comum durante a deformação de rochas porosas e sedimentos em níveis crustais rasos, ao passo que o fluxo cataclástico ocorre na deformação de rochas sedimentares bem consolidadas e rochas não porosas


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Fig 7.2(A) Fraturas intragranulares em arenito poroso deformado de modo cataclástico (Grupo Mesa Verde, Salina, Utah, EUA). A coloração azul-escura é dada pelo preenchimento dos espaços vazios por epóxi. (B) Fraturas intergranulares em rocha metamórfica


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Fratura de cisalhamento

Fratura extensional: junta Fratura extensional: �ssuraFig 7.3

Três tipos de fratura


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Fig 7.4

Orientação de vários tipos de fratura em relação aos esforços principais

Fratura decisalhamento

Fissuras

σ3

σ2

σ1

Junta

Estilolito

Veio


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1 cm

10 cm

S0

S0

A

B

Fig 7.5

(A) Estilolitos em calcário em testemunho de sondagem do campo de Ekofisk, Mar do Norte, 3 km abaixo no nível do mar. Esses estilolitos são horizontais e paralelos ao acamamento, com “dentes” verticais formados pela compactação vertical durante o soterramento. (B) Estilolitos mais espaçados, em calcários jurássicos do sul de Utah, EUA. As setas amarelas indicam os estilolitos relacionados à compactação, paralelos ao acamamento (S0 indica o acamamento). As setas vermelhas indicam estilolitos tectônicos formados durante a orogenia Laramide. As camadas foram posteriormente rotacionadas por dobramento


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Fig 7.6

Fraturas de modo I, II, III e IV

Modo II(deslizamento)

Modo IV

Modo III(rasgamento)

Modo I(abertura)

(fechamento)


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Extensão

Fratura extensional

Contração

Rúptil

Aumento em T, Pc

Rúptil-dúctil Dúctil

σ3

σ1

σ1 σ1 σ1 σ1

σ1 σ1

σ3

σ3

σd σd σd σd

σ3 σ3

σ3 σ3

e

Elás

tico Resistência

à rupturaResistência Resistênciaà ruptura �nal

Ponto deruptura

Ponto deruptura

e

Elás

tico

Elás

tico

Elás

tico

LR

e

LR

e

Resistência �nalPlástico

LR

D G JA

B E H K

C F I L


Banda de cisalhamento

Fluxo plástico

Fig 7.7Estruturas de deformação experimental desenvolvidas sob tração e contração. A deformação inicial elástica é vista em todas as situações, e a ductilidade aumenta com a temperatura (T) e a pressão confinante (Pc). LR = limite de resistência


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Fig 7.8Fissuras em Thingvellir, Islândia, formadas ao longo do eixo do rifte entre as placas da Eurásia e da Laurentia. As fissuras são fraturas extensionais abertas em basalto, e o deslocamento vertical (lado direito inferior) indica uma conexão com falhas subjacentes


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Fig 7.9Curva de esforço-deformação da compressão triaxial de um mármore, em uma faixa limitada de valores de pressão confinante. A elevação da pressão confinante aumenta o esforço diferencial que uma rocha pode suportar antes de romper-se (curvas em azul). Acima de uma dada pressão confinante crítica, a rocha retém sua resistência e deforma-se plasticamente (curvas em vermelho) Fonte: Paterson (1958).

0

100

200

300

100 MPa

Pressão con�nante

7046352821

14103,50

4310 2

Esfo

rço

dife

renc

ial

(σ1 –

σ3),

MPa

Deformação (encurtamento), %


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Rúptil

Rúptil

Plástico

Plástico

RúptilRúptil–plástico

800

600

400

200

0100 200 300 400 500 6000

Plástico

CONTRAÇÃO

Temperatura (°C)

Pres

são

con

nant

e (M

Pa)

EXTENSÃO

Fig 7.10Variação da transição rúptil-dúctil em função da pressão confinante e da temperatura no calcário de SolenhofenFonte: Heard (1960).


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C

T

GC

CC ф

σs

σ s = C + σ n

tg ф

–σs = C + σ

n tg ф

σn

Fig 7.11O critério de fraturamento de Coulomb define duas linhas retas (em vermelho) no diagrama de Mohr. Os círculos representam exemplos de estados críticos de esforço. A linha azul representa o critério de Griffith, a título de comparação. A combinação dos dois critérios é usada em alguns casos (CG no regime extensional e CC no regime compressional). CC, critério de Coulomb; CG, critério de Griffith; C, resistência coesiva; e T, resistência à tração da rocha


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Fig 7.12Envoltórias de Mohr para anfibolito e carvão mineral, baseadas em ensaios triaxiais. Quando a pressão confinante é aumentada, a resistência da rocha aumenta e um novo círculo pode ser traçado no diagrama. Note que a envoltória diverge da tendência linear definida pelo critério de CoulombFonte: Myrvang (2001). MPa

MPa

30

20

10

10 30 50 70

Carvão

σs

σs

σn

σn

MPa

MPa

200

100

100 300200 400

An�bolito


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A B Cσs σs σs

σn σn σn

Estável Crítico Instável

Fig 7.13(A) Estado estável de esforço. (B) Situação crítica, na qual o círculo toca a envoltória. Nessa situação, a rocha está no limiar da ruptura, ou seja, sob um esforço crítico. (C) Situação instável, na qual o estado de esforços é superior ao necessário para a ruptura


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Fig 7.14O ângulo entre o esforço principal máximo e o plano de cisalhamento situa-se, em geral, próximo a 30º. Devido a isso, as falhas normais têm mergulho com ângulo mais elevado (60º) que as falhas inversas (30º)

30°

60°

60°

60°

Falhamento normal

Falhamento reverso

60°60°

σ1

σ1


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MPa

MPa

30

20

10

10 30 50 70

Carvão

MPa

MPa

200

100

100 300200 400

An�bolito Coulomb (μ = 0,6)

Gri�th

σs

σs

σn

σn

Envoltória

de Mohr

Fig 7.15Critérios de fraturamento de Griffith e Coulomb, sobrepostos aos dados experimentais apresentados na Fig. 7.12A. Os critériosposicionam-se de modo a interceptar o eixo vertical juntamente com o círculo de Mohr (em C). Nenhum dos dois critérios se ajusta perfeitamente aos dados. O critério de Griffith é mais adequado em um esforço extensional (à esquerda da origem), mas mostra uma inclinação muito baixa em todo o regime compressional. O critério de Coulomb aproxima-se da envoltória em altas pressões confinantes (lado direito do diagrama)


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Critério de von Mises

Critério de

CoulombCritério deGri th

aaaaaaaa

edc

b

a

σn

σs

Fig 7.16Três critérios diferentes de fraturamento combinados no espaço de Mohr. Os três diferentes estilos de fratura estão relacionados à pressão confinante: (a) fratura extensional, (b) fratura híbrida ou de modo misto, (c) fratura de cisalhamento, (d) faixas de cisalhamento semidúctil, (e) deformação plástica


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Fig 7.17Ilustração do significado dos termos resistência à tração uniaxial e resistência à compressão uniaxial no diagrama de Mohr. Uniaxial significa que apenas σ1 ≠ 0, o qual é obtido em um aparato de deformação uniaxial onde a pressão confinante é igual a zero. Com a compressão gradual da amostra, a resistência à compressão uniaxial é atingida quando uma primeira fratura de cisalhamento se forma. Por sua vez, determinamos a resistência à tração uniaxial pela compressão da rocha até a formação de fraturas extensionais. Note que a resistência à compressão uniaxial é muito maior que a resistência à tração em uma mesma rocha, nas mesmas condições

Envoltória de Gri�th

Envoltória de Coulomb

T

2T

Resistênciaà traçãouniaxial

Resistência àcompressãouniaxial(= 8T, segundoo critério de Gri�th)

σs

σn

Fratura decisalhamento emcompressão uniaxial


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σs2+ 4T σn– 4T2 = 0

T

2T

2T

Resistênciacoesiva

Resistênciacoesiva

T

A

B

σs

σs

σn

σn

σ s =2T + 0,6 σ n

σ s =2T + 0,6 σ n

Fig 7.18(A) Comparação dos critérios de fraturamento de Griffith e de Coulomb (o coeficiente de atrito interno escolhido foi 0,6). (B) Critério combinado Griffith-Coulomb


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Zonaativa deprocesso

Fraturatracional


Microfraturas

Fig 7.19Ilustração simplificada do crescimento e propagação de fraturas extensionais (à esquerda) e de cisalhamento (à direita) pelapropagação e conexão de microfraturas extensionais (defeitos). A propagação ocorre em uma zona de processo em frente à extremidade da fratura. As figuras dentro dos círculos são visualizações em escala centimétrica, enquanto as figuras nos retângulos ilustram a estrutura em microescala


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1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

c

c

a

a

σtip/σr

σtip/σh

σh

σr

a/c = 3

a/c = 1

Fig 7.20Concentração de esforços em torno de um poro ou microfratura com formas circular e elíptica em um meio elástico. O aumento da elipticidade a/c aumenta a concentração de esforços, conforme descrito na Eq. 7.7. O esforço de campo remoto σr é extensional (negativo). σtip é o esforço na circunferência do círculo e em um ponto de máxima curvatura da elipse (ponto extremo da fratura) Fonte: baseado em Engelder (1993).


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1:1

3:1

Fig 7.21Ilustração da concentração local de esforços em um material com cavidades circular e elíptica. Se o material for uma folha de papel, isso significa que o papel com uma cavidade elíptica será mais facilmente rasgado. As setas em preto indicam o esforço remoto


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Esforçomotriz

Resistência daextremidade dazona

Zona de

Limite de resistência

0

Esforço próximo à extremidade:sem zona de extremidade

Fratura elástico-plástica

σpk

σr

Ki = 0

σpf

extremidade

Fig 7.22Distribuição dos esforços (resultantes no plano de fratura) próximo à extremidade de uma fratura elástico-plástica. O esforço amplificado pelos deslocamentos da parede da fratura (curva tracejada em vermelho) diminui com a distância a partir da extremidade da fratura até atingir σr , na rocha não fraturada do entorno. O comprimento s da zona de extremidade é definido por um valor constante de esforço limite (pico) σpk. O esforço motriz é a diferença entre o esforço remoto σr e a pressão de fluidos nos poros (ou resistência friccional residual σpf). O limite de resistência é a diferença entre σpk e o valor do contorno interno σiFonte: Schultz e Fossen (2002).


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Ruptura ao longo da foliação

Ruptura ao longo da foliação

Foliação

θ θθf

θf

Ruptura através da foliação

Ruptura através da foliação

2θ

2θf

2θ

Novafratura

Foliação

2θf

A B

C D

σs

σ3 σ3σ1

σ1σ1

σn

σ3 σ1

σ1

θfσ1

σ1

σn

σs

σs

σs

σn2θf

σ3 σ1

σn

Fig 7.23Representação do papel de uma foliação preexistente, em um valor constante de σ3. (A) σ1 agindo na direção perpendicular à foliação, caso em que o esforço diferencial se acumula até o círculo de Mohr tocar a envoltória superior, onde ocorre uma fratura através da foliação. (B) σ1 agindo em alto ângulo com a foliação, ainda alto demais para a ruptura paralela à foliação (que continua fora do setor colorido). (C) σ1 a 45º em relação à foliação, causando uma ruptura paralela à foliação. O setor indica a faixa de orientação da foliação em que a ruptura ao longo da foliação irá ocorrer nesse estado de esforços específico. (D) Ângulo entre σ1 e a foliação, que permite a ruptura com o esforço diferencial mais baixo possível. Essa é a direção mais fraca de uma rocha foliada


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Wing crack

Rabo de cavalo

Splaying

Fraturas de cisalhamentoantitético

A

B

C

D

Fig 7.24Fraturas menores na terminação de fraturas de cisalhamento


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Fig 7.25Fraturas tipo wing cracks na terminação de uma banda máfica menos competente em um gnaisse, sugerindo sutil cisalhamento sinistral ao longo de sua margem. Tarituba, Rio de Janeiro 10 cm


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Fratura antiga

Nova fratura

σ1 σ3

σ1 σ3

A

B

Fig 7.26Reorientação local da direção de propagação de fraturas na vizinhança de uma fratura preexistente. A nova fratura cresce na direção da preexistente, buscando manter um ângulo de 90º em relação a σ3. A geometria em (A) sugere que σ1 é compressional, com contração ao longo da fratura preexistente. Se a nova fratura se curva contra a preexistente (B), então σ1 e σ3 provavelmente têm magnitude similar, com extensão ao longo da fratura preexistenteFonte: modificado de Dyer (1988).


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MPa

MPa

Critério

de Mohr-C

oulomb

Critério

de deslizamento fri

ccional

200

100

004001

σs

σ3 σ1 σ1

σn

Fig 7.27Efeito da fratura preexistente (plano de fraqueza) ilustrado no diagrama de Mohr. O critério de reativação (deslizamento friccional) é diferente do critério de uma rocha não fraturada do mesmo tipo. O esforço necessário para a reativação da fratura é consideravelmente menor que aquele para produzir uma nova fratura na rocha. Este exemplo é baseado em experimentos feitos em uma rocha cristalina sob pressão confinante de 50 MPa (cerca de 2 km de profundidade)


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0 200

200

400

600

400 600 800 1.000

σn (MPa)

σ s (

Resi

stên

cia

ao c

isal

ham

ento

) (M

Pa)

σs = 50 + 0,6 σn

σs = 0 , 8 5 σn

Fig 7.28A lei de Byerlee é empírica; ela relaciona o esforço crítico de cisalhamento com o esforço normal. A escala horizontal indica a profundidade na crosta (aumenta para a direita)


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σs

pf

pf

pf

pf

σ3 σ3 σ1σ1σm σm

σn σnσmσmσ‘3 σ‘1 σ‘1σ‘3

σsA B

σ‘n = σn – pf σ‘n = σn – pf

Fig 7.29Efeito do bombeamento da pressão de fluidos nos poros (pf) de uma rocha. O círculo de Mohr é “empurrado” para a esquerda (o esforço médio é reduzido), e uma fratura de cisalhamento se formará se a envoltória de fraturamento for tocada enquanto σ3 ainda for positivo. Uma fratura extensional se forma caso a envoltória seja tocada no campo extensional, como mostrado no caso (B) (baixo esforço diferencial)


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+ (1 + ф)αpf

Contato grão-parede

Contato �uido-parede

Fluido nos poros

Contatogrão-parede

A

B

σnw

σnw + фpf

σng

pf

σn + αpf

Fig 7.30Efeito do aumento da pressão dos poros (pf) sobre o esforço total em uma rocha porosa (modelo de esforço-deformação uniaxial fechado). Em uma rocha seca (A), os esforços serão transmitidos apenas através dos contatos grão-grão ou grão-parede do recipiente. Se uma baixa pressão de fluidos pf for adicionada aos poros (B), então o aumento no esforço normal nos contatos grão-parede será menor que o aumento na pressão dos poros, devido à absorção do esforço pela deformação elástica dos grãos. Este é o efeito poroelásticoFonte: modificado de Engelder (1993).


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Fig 7.31Ilustração da concentração de esforço (pontes de esforço) nas áreas de contato grão-grão em uma rocha porosa ou em um sedimento. As cores quentes indicam alto esforçoFonte: baseado em Gallagher et al. (1974).


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Defeito preenchido por água

pf

pf pf

σnw + αpf < pf

Fig 7.32Situação de esforço em um defeito de uma rocha porosa permeável. O efeito poroelástico faz com que o esforço no contato grão-parede seja menor que a pressão dos fluidos nos poros. Ocorre um esforço extensional se a pressão dos poros for suficientemente alta


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Fig 7.33Bandas de deformação cataclástica com poucos milímetros de espessura e rejeito centimétrico em rochas porosas da Formação São Sebastião. Note que as variações de cor causadas pela dissolução e precipitação de óxidos-hidróxidos de ferro são influenciadas pelas bandas de baixa permeabilidade. Bacia Tucano, Bahia, Brasil 10 cm


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Fraturas decisalhamento

Roch

as n

ão p

oros

asRo

chas

de

alta

por

osid

ade

Bandas decisalhamento

T

D

(T/D = 1)

Bandas decompactaçãoBandas de dilatação

Fraturasextensionais

Estilolitos(anticracks)

D

D=T

Veios: razão T/D muito alta Razão T/D baixa

Razão T/D altaRazão T/D alta Razão T/D alta

Razão T/D baixa

Fig 7.34Classificação cinemática de bandas de deformação e sua relação com fraturas em rochas pouco porosas e não porosas. T, espessura; D, deslocamento


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A B

Fig 7.35Banda de deformação cataclástica em afloramento (A) e em seção delgada (B) no arenito Nubiano, Sinai, Egito. Note a significativa redução de tamanho de grãos por fragmentação e a consequente redução da porosidade (o espaço dos poros é mostrado em azul na seção delgada). A largura das bandas é de cerca de 1 mm


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Banda cataclástica

Banda �lossilicática

Banda de desagregação

Banda de dissoluçãoe cimentação

1 mm

A

B

C

D

Fig 7.36Diferentes tipos de bandas de deformação, separadas em função do mecanismo dominante de deformaçãoFonte: modificado de Fossen et al. (2007).


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Fig 7.37Bandas de compactação com mergulho para a direita sobrepondo-se a bandas de desagregação de sedimentos inconsolidados com mergulho para a esquerda (quase invisíveis). O arenito é bastante poroso, exceto em camadas delgadas, em que não há formação de bandas de compactação. Portanto, as bandas de compactação formam-se apenas em arenitos com alta porosidade. As fotomicrografias de seção delgada mostram que a compactação é acompanhada de dissolução e fratura de grãos. Arenito Navajo, sul de Utah, EUA


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~1 m10 cm 20 cm

Fig 7.38Conjunto de bandas de deformação (agrupamento ou zona) com rejeito normal. Note as diferenças geométricas entre as seções horizontal e vertical (imagens à esquerda e à direita, respectivamente). A geometria presente é de rejeito normal; um sistema transcorrente, consequentemente, estaria rotacionado. As estruturas características na direção de movimento (nesse caso, a direção de mergulho) são denominadas de estruturas em escada. Note também que o padrão anastomosado gera uma lineação geométrica (ver Cap. 14). Fotos da Formação São Sebastião, Bacia Tucano, Brasil acompanhada de dissolução e fratura de grãos. Arenito Navajo, sul de Utah, EUA


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~1 m

Fig 7.39Sistema conjugado de bandas de deformação cataclástica em arenito cretáceo da Bacia Tucano, Bahia, Brasil. Note que os dois conjuntos se cortam mutuamente e apresentam relevo positivo, devido à moagem de grãos e à dissolução/precipitação por pressão no interior das bandas


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Tracional Compressional

Profundidade

Bandas dedesagregação

Bandas�lossilicáticas

Bandascataclásticas

Fraturasde tração

σz = σy

σz = ρgh

Fig 7.40Diferentes tipos de bandas de deformação formados em diferentes estágios de soterramento. Fraturas extensionais (juntas) se formam mais comumente durante o soerguimento. Ver também Fig. 5.11Fonte: Fossen et al. (2004).


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Teor em �lossilicatos (%)

Bandas�lossilicáticas

Espalhamentode argila

Bandascataclásticas

Bandas dedesagregação

Fluxocataclástico

0 10

1

3

40

Prof

undi

dade

(km

)

?

?

Fig 7.41Esquema da relação entre tipos de bandas de deformação, teor em filossilicatos e profundidade. Muitos outros fatores influenciam a posição dos contornos indicados no diagrama, e os limites podem ser considerados como incertosFonte: Fossen et al. (2007).

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