Modelos Envolvendo os Mecanismos Deformacionais em Sistemas Compressivos

Mulugeta & Koyi (1987 e 1992) descreveram o desenvolvimento de cunhas acrescionárias,

em caixas de areia, e as respectivas falhas. Na figura 3.7,os autores mostram como o sistema de falhas compressivas se forma, por estilo ‘piggyback’, incorporando cada vez mais material à cunha, isto é, à sua extremidade posterior. De acordo com os autores, o estilo deformacional muda durante a deformação progressiva, tanto considerando o pacote de areia inteiro quanto as camadas de forma individual.

A figura 3.7 mostra a variação no estilo deformacional de um sistema compressivo, com o tempo, em um pacote de areia, de 20 cm de comprimento (e 20 cm de largura), com 0,5 cm de espessura inicial. O primeiro estágio do encurtamento (de 2,4 cm) revela a rotação anti-horária das falhas mais velhas que, em função da formação de novas falhas em seu antepaís, se verticalizaram. Ao mesmo tempo, as falhas mais novas sofreram forte crescimento do rejeito (Figs. 3.7A e B). Com a deformação progressiva, formou-se um dobra kink, no foreland, distante do backstop, e o forelimb

86 com geração de nova dobra kink e nova falha (Fig. 3.7E).

Numa escala de mais detalhe, os autores descrevem (e quantificam) os processos de formação de uma falha. Esta seria precedida por um layer-parallel shortening (espessamento/encurtamento) das camadas, seguido pela nucleação de uma dobra kink. Conforme mostra a figura 3.8, o forelimb desta dobra (ou shear band) sofre progressivamente rotação horária, seguido por um processo de estiramento, rompimento e formação da falha. Esta, ainda seria rotacionada no sentido anti-horário.

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Figura 3.7- A deformação progressiva de um sistema compressivo mostrando as mudanças no estilo estrutural

com o tempo. (A) Após encurtamento de 2,4 cm formaram-se cinco falhas, destas, as três mais velhas sofreram rotação anti-horária; (B) após 5,1 cm de encurtamento, observa-se que as duas falhas mais novas sofreram um aumento do rejeito; em (C) após 6,3 cm de compressão, surgiu uma dobra kink, cujo forelimb se transformou, em (D), após 8,4 cm de compressão, na sexta falha; neste estágio já se percebe o surgimento de mais uma dobra kink, que, em (E) se transformou na sétima falha (compressão de 9,6 cm) (reproduzido de Mulugeta & Koyi 1992, p. 322).

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Figura 3.8- Em cima, a figura de uma dobra kink, e em baixo, de 1 a 8, a geração de uma falha, no detalhe

passando pelos estágios da formação do kink band, de sua rotação horária, afinamento e rompimento desta estrutura terminando com a rotação anti-horária da falha (reproduzido de Mulugeta & Koyi 1992, p. 325).

Huiqi et al. (1992) realizaram experimentos em caixas de areia a fim de compreender a

influência de fatores, tais como, a espessura inicial das camadas, as propriedades friccionais do descolamento basal e anisotropias no pacote estratigráfico, no desenvolvimento das cunhas compressivas.

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A figura 3.9 mostra experimentos com espessuras de 1 cm, 1.5 cm, 2 cm, 2.5 cm e 3 cm. Percebe-se que o aumento da espessura do material analógico acarretou o decréscimo do ângulo de declividade das cunhas compressivas, do número de empurrões e do espaçamento entre as falhas. Já as duas séries de experimentos com variação no ângulo de atrito basal, isotrópicos e anisotrópicos, figuras 3.10 e 3.11, respectivamente, revelaram que o aumento do coeficiente do atrito basal (de μb=0,37 a μb=0,47 a μb=0,55) causa crescimento significativo no ângulo de declividade da cunha

crítica, aumento no rejeito das falhas (isto é, crescimento do comprimento das falhas) e um decréscimo no número de retroempurrões. A comparação entre as duas séries, revela que os experimentos anisotrópicos geraram um número maior de falhas, maior deslocamento sobre retroempurrões e um sistema de falhas mais desorganizado.

Figura 3.9- Experimentos de modelos experimentais isotrópicos (somente areia), com atrito basal intermediário

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Figura 3.10. Experimentos de modelos experimentais isotrópicos com espessura do pacote de areia constante, de

2,5 cm, e com atrito basal (μb) variável A. elevado, μb=0,55; B. intermediário, μb=0,47; e C. baixo, μb=0,37 (de Huiqi et al. 1992, p. 78).

Figura 3.11- Experimentos de modelos experimentais anisotrópicos (camadas de areia intercaladas por

horizontes de cristais de micas), com espessura do pacote de areia constante, de 2,5 cm, e com atrito basal (μb) variável A. elevado, μb=0,55; B. intermediário, μb=0,47; e C. baixo, μb=0,37 (de Huiqi et al. 1992, p.79)

Para entender a deformação em um experimento físico, desenvolvido com areia, e respectiva história deformativa, Koyi (1995), efetuou o cálculo do balanceamento de duas camadas, em posições estratigráficas diferentes (uma rasa e a outra, profunda). O autor realizou o cálculo do encurtamento (da variação do comprimento) e da compactação e perda de área, das duas camadas e concluiu que,

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nos primeiros estágios da deformação, o processo de layer-parallel shortening domina sobre os processos de dobramento e falhamento, nas duas camadas (Fig. 3.12). Com a deformação progressiva, esta situação continua para a camada mais profunda, porém o falhamento predomina, a partir de 30 % de encurtamento, na camada mais superficial.

Figura 3.12- A partição da deformação de duas camadas de um mesmo experimento. (A) Camada em posição

estratigráfica rasa; observar que o processo de layer-parallel shortening só predomina até 30 % do encurtamento e que ocorrem variações na curva cujos picos antecedem a formação de novas falhas. (B) Camada em posição estratigráfica mais profunda; o layer-parallel shortening predomina até 45 % do encurtamento com uma curva quase homogênea (modificado de Koyi 1995, p. 297).

A análise da variação na magnitude dos diferentes processos de deformação também foi efetuada em blocos de falhas individuais. Nos blocos 6 e 7 da figura 3.13, o autor mediu a variação do comprimento de uma camada rasa e de outra profunda e notou que, nos dois blocos, as camadas rasas não sofreram nenhuma deformação penetrativa, ao contrário das camadas profundas (Fig. 3.14). Estas sofreram, após 47 % de compressão, um encurtamento de 55 % de seus comprimentos, que, para o autor, foi acomodado por espessamento da camada e também por perda de área em decorrência da compactação da areia (isto é, do decréscimo dos espaços intergranulares). O espessamento na porção profunda do modelo seria acompanhado pela rotação anti-horária dos blocos de falhas, junto à parede móvel da caixa de experimentos, no sentido vertical.

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Figura 3.13- Desenho esquemático de um sistema compressivo em caixa de areia; os números indicam a ordem

de formação dos blocos de falhas (reproduzido de Koyi 1995, p. 295).

Figura 3.14- Gráfico elongação (encurtamento longitudinal) versus encurtamento, em porcentagem, de duas

camadas, uma rasa e outra profunda, das escamas de empurrão 6 e 7, da figura 3.13. Observar que as duas camadas rasas não sofrem nenhuma variação de comprimento durante a deformação (até 43%) (modificado de Koyi 1995, p. 297).

O autor concluiu que, nos níveis mais profundos dos modelos físicos, predomina a deformação dúctil. Esta ocorre associada a uma perda de área, que poderia constituir a razão pela qual a formação dos blocos de falhas nunca é igual nos diferentes experimentos.

Cotton & Koyi (2000) analisaram modelos analógicos, formados por dois tipos de

descolamentos (dúctil e friccional) (Fig. 3.15). O principal objetivo era analisar o efeito da variação da espessura do substrato dúctil (silicone) (uma série de experimentos, modelo 1) e da sobrecarga rúptil (duas séries) sobre o sistema compressivo. A sobrecarga rúptil, uma cunha de areia, foi montada em momentos diferentes: antes da deformação se iniciar (modelo 2) e durante o processo de encurtamento (modelo 3).

Os modelos confirmaram estudos analíticos (por exemplo, Dahlen et al. 1984) de que substratos dúcteis geram cunhas com ângulo de declividade menores do que aquelas sobre descolamentos rúpteis. Além disto, os autores observaram que o substrato dúctil gera empurrões que

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se apresentam frequentemente com dupla vergência e, em geral, com retroempurrões mais desenvolvidos do que os empurrões (Fig. 3.16). Finalmente, ainda reconheceram que a frente de deformação avança mais longe e mais rápido sobre o substrato dúctil do que sobre o friccional, nos dois modelos com a cunha de sobrecarga, mas especialmente naquele montado durante a deformação (modelo 3).

Figura 3.15- Esquemas (A) somente em planta, mostrando a distribuição dos diferentes tipos de descolamento

nos modelos analógicos; e (B) em 3D, indicando a geometria da rampa preexistente (reproduzido de Cotton & Koyi 2000, p. 353).

Figura 3.16- Perfis no interior do experimento com a sobrecarga rúptil montada durante o processo de

encurtamento (modelo 3), indicando a mudança no estilo estrutural de acordo com o tipo de descolamento (reproduzido de Cotton & Koyi 2000, p.354).

Gomes & Ferreira (2000) desenvolveram modelos físicos com o intuito de entender por que

uma pilha antiformal se forma em detrimento a um sistema de rampas anticlinais espaçadas ou

duplexes. Concluíram que, na caixa de areia, uma pilha antiformal pode derivar de dois fatores: (i) do

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falhas mais velhas, do pós-país, são reativadas, conduzindo ao seu cavalgamento sobre as mais novas; e (ii) de um processo cíclico de formação de uma falha de empurrão e rotação desta no sentido anti- horário, associada a um forte estiramento na vertical, seguido por nova formação de uma falha, no antepaís; a pilha antiformal resulta da convergência progressiva das falhas individuais (Fig. 3.18). Este processo só ocorre quando o pacote de areia, em deformação, for muito fino (1 cm ou menos).

Figura 3.17- (A) a (D) Desenvolvimento progressivo de uma pilha antiformal em decorrência da presença de um

obstáculo no antepaís, após encurtamentos de: (A) 13%; (B) 27% (C) 40% e (D) 80% (imagens reproduzidas de Gomes & Ferreira 2000, p.202).

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Figura 3.18- Desenvolvimento progressivo de uma pilha antiformal em um processo cíclico: formação da falha,

rotação desta e concomitante estiramento na vertical e geração de nova falha, no antepaís; os encurtamentos progressivos foram de: (A) 10%; (B) 20%; (C) 30%; (D) 40%; (E) 50% e (F) 70% (imagens reproduzidas de Gomes & Ferreira 2000, p. 208).

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Storti et al. (1997) investigaram a cinemática de dobras-falhas, no domínio rúptil, com areia, a

partir de observações detalhadas de experimentos físicos, em caixas de areia, e de exemplos da natureza. Concluíram que, os diferentes tipos de dobras-falhas não se desenvolvem de forma isolada, mas, progressivamente, envolvendo uma mudança nos mecanismos de deformação. Esta implicaria, um layer-parallel shortening, detachment folding, nucleação da rampa da falha no interior da dobra (vide descrição teórica de Tavani et al. 2006), crescimento da rampa e formação de uma dobra na sua terminação superior (isto é, a formação da FPF). Ao final, ainda ocorreria a geração de uma FBF após a o surgimento de um segundo segmento horizontal, no topo do pacote de material analógico. Esta estrutura constitui, na realidade, uma FPF transportada, no sentido de Mitra (1990) (Fig. 3.19).

Figura 3.19- Desenvolvimento progressivo das dobras-falhas na caixa de areia: (A) estágio inicial, caracterizado

por layer-parallel shortening e surgimento de uma DF em estilo kink; (B) nucleação da rampa na região central do modelo e rotação do forelimb; (C) propagação da rampa nos dois sentidos (para cima e para baixo), durante progressivo layer-parallel shortening, permitindo o crescimento das bandas kink e a formação da FPF; (C) formação do segundo patamar resultando na falha com trajetória em degrau e na FBF (reproduzido de Storti et al. 1997, p. 597).

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