A análise do mecanismo de formação de Fault-Bend Folds e Fault-Propagation folds por meio da modelagem física analógica.

BEND FOLDS E FAULT-PROPAGATION FOLDS POR MEIO

DA MODELAGEM FÍSICA ANALÓGICA

FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO

Reitor

Cláudia Aparecida Marliére de Lima

Vice-Reitor

Hermínio Arias Nalini Júnior

Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação

Sérgio Francisco de Aquino

ESCOLA DE MINAS

Diretor

Issamu Endo

Vice-Diretor

Hernani Mota de Lima

DEPARTAMENTO DE GEOLOGIA

Chefe

Volume 78 Série D

A ANÁLISE DO MECANISMO DE FORMAÇÃO DE FAULT-BEND

FOLDS E FAULT-PROPAGATION FOLDS POR MEIO DA

MODELAGEM FÍSICA ANALÓGICA

Marcela Lopes Zanon

Orientadora

Caroline Janette Souza Gomes

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais do Departamento de Geologia da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto como requisito

à obtenção do Título de Doutor Ciência Naturais, Área de Concentração: Tectônica, Petrogênese e Recursos Minerais.

OURO PRETO

iii

v

Agradecimentos

Durante o doutorado, aprendi que são necessárias muitas aldeias para escrever uma tese, criando uma filha ao mesmo tempo. Aprendi que sem uma rede de apoio, não seria possível chegar até aqui. Por isto começo agradecendo a principal aldeia que tive: a família que construí. Cláudio, obrigada por ser um companheiro incrível, compreensível e por sempre estar ao meu lado! Obrigada por me apoiar e me fazer acreditar que eu era capaz a todo instante, sem medir esforços para que eu chegasse até aqui. Querida Helena, obrigada por ser a minha inspiração diária e a minha fortaleza. Seu sorriso trouxe ao meu coração o acalento que eu tanto precisava pra continuar na caminhada. Obrigada por compreender minha ausência, meus picos de stress e por me mostrar que com amor tudo é possível. Agradeço a minha sogra, D.Maria, que é minha principal inspiração materna, e também ao meu sogro, Sr. José. Obrigada por me ajudarem cuidando da Helena com tanto amor e por me acolherem nos momentos difíceis e desafiadores. E a minha cunhada Giovanna, obrigada também por cuidar da minha filha quando precisei e obrigada por cuidar de mim quando eu estava me sentindo perdida e precisava de uma mão pra me levantar.

Agradeço também a minha orientadora Caroline por todos os ensinamentos, pela paciência e, principalmente, pela sensibilidade e compreensão nos momentos difíceis que envolviam a Helena. Agradeço aos meus amigos da UFOP, em especial Cláudia e Cris, que dividiram comigo os desabafos e desafios de se criar um filho no meio acadêmico, que é tão competitivo. E também aos meus colegas Gisela, Alice e Túlio, por sempre estarem sempre dispostos a colaborar com meu trabalho. Agradeço também a Teresa da limpeza e ao porteiro Marcos por me ajudarem com os “problemas dos visitantes indesejáveis” no laboratório. Agradeço aos professores André Danderfer e Issamu Endo pelas excelentes contribuições ao meu crescimento profissional.

Quero agradecer também a grande aldeia potiguar! Ao prof. Fernando por me receber de braços abertos no LME. Aos meus amigos e companheiros de laboratório, Ricardo e, em especial, Marília e Carla, que me auxiliaram com os experimentos, que sofreram comigo na luta diária pra tornar a pesquisa viável, apesar de todos os altos e baixos. Agradeço aos meus grandes amigos Paulo, Anthony e Fran, pelo carinho, acolhimento e por trazer alegria nos dias difíceis. Também agradeço à todos do Hotel Água Marinha e demais amigos do LGGP II, que me receberam com tanto carinho, me mostrando que é possível sim ter parceria, amizade e alegria durante a pós-graduação! Obrigada por tornarem esta experiência algo tão enriquecedor à minha vida!

Agradeço às professoras da Helena: Fernanda, Angélica, Franci, Irielle e Flávia, a diretora Soraya, a tia Cris e todas as funcionárias do Cecília Meireles por compreenderem meus apertos e por sempre estarem dispostas a colaborarem conosco. Às mães e amigas Karine e Verônica, que sempre me estenderam a mão quando necessário. Às minhas amigas ruralinas Carol, Clarissa e Pillar por trazerem palavras de força e por me ajudarem em tantos momentos difíceis. Também agradeço às amigas Rebecca, Mahyra e Mônica pelo carinho e acolhimento. Agradeço também a terapeuta Helena, que me deu as ferramentas necessárias pra vencer os maiores obstáculos durante o doutorado.

Por fim quero agradecer a todos que estiveram ao meu lado durante todo o caminho de construção da minha carreira acadêmica. A todos os professores da minha vida, especialmente ao prof. Luizão, e também aos meus alunos que tanto me ensinaram e me inspiraram. A toda a minha família, em especial meu pai, meu avô Moysés, minhas avós Maria e Celeste e a minha mãedrasta Fabiana, que sempre me apoiaram no grande sonho de estudar em uma universidade pública e não mediram esforços para que eu chegasse até lá. Agradeço também aos meus amigos que sempre me apoiaram: Sâmara, Leandra, Mayron, Verônica, Fábio, Gabi, Ana Paula Meyer, Antônio, Dani e, em especial, Milena e família, que sem eles minha caminhada até e durante a Rural seria bem mais difícil. Também agradeço aos pais das minhas amigas ruralinas, pelo carinho e acolhimento.

vii Agradecimentos... v Resumo ... xvii Abstract ... xix CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ... 01 1.1 – Objetivo do estudo ... 02 1.2 – Materiais e Métodos ... 03 1.2.1 – Compilação bibliográfica ... 03

1.2.2 – Trabalhos desenvolvidos no Laboratório de Modelagem Tectônica do Departamento de Geologia da UFOP ... ..04

i. Os materiais analógicos ... 04

ii. Modo de execução dos experimentos ... 04

iii. Análise das propriedades dos materiais analógicos ... 05

iv. A modelagem física dos fault-bend folds ... 05

v. Tratamento dos dados obtidos a partir dos modelos analógicos dos fault-bend folds ... 06

vi. Confecção do primeiro artigo ... 06

vii. A modelagem física dos fault-propagation folds ... 06

1.2.3 – Trabalhos desenvolvidos no Laboratório de Modelagem Estrutural (LME) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) ... ..07

i. Tratamento dos dados obtidos a partir dos modelos analógicos dos fault-propagation folds ... 08

ii. Confecção do segundo artigo ... 09

CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 11

2.1 – Dobras: Introdução ... 11

2.2 – Mecanismos de dobramento ... 15

2.2.1 – Mecanismos de dobramento envolvendo uma única camada (dobramento flexural e cisalhamento passivo) ... .16

i. Dobramento flexural (flexura ortogonal, cisalhamento flexural e flexura com perda de massa) ... 16

ii. Dobramento por cisalhamento passivo (passive shear folding) ... 18

2.2.2 – Mecanismos de dobramento envolvendo uma sistema multicamada (dobramento flexural e cisalhamento passivo) ... .19

2.2.3 – Outros mecanismos de dobramento ...22

2.3 – Dobras associadas a falhas ... .24

2.3.1 – Principais tipos de dobras-falhas e os primeiros registros ...24

i. Fault-bend folds (FPFs) ... .25

viii

iv. Por que estudar as dobras-falhas... 30

2.3.2 – Fault-bend fold ... ..32

Os principais Modelos Geométricos / Cinemáticos ... 32

2.3.3 – Fault-propagation fold ... .44

Os principais Modelos Geométricos / Cinemáticos ... 45

i. Os Kink-style Fault-Propagation Folds ... 45

ii. Fault-propagation Folds por Trishear ... 64

2.3.4 – Comparação entre as duas dobras-falhas e a transição entre estas estruturas ... 67

CAPÍTULO 3. MODELAGEM FÍSICA ANALÓGICA ... 75

3.1 – Breve Histórico ... 75

3.2 – Princípios, Métodos e Materiais ... 78

3.3 – A Modelagem Física de Sistemas Compressivos em Caixas de Areia ... 84

3.3.1 – Modelos Envolvendo os Mecanismos Deformacionais em Sistemas Compressivos ...85

3.3.2 – Modelos Envolvendo Fault-Propagation Folds... 95

3.3.3 – Modelos Envolvendo Fault-bend folds ... 97

3.4 – Modelagem física analógica em centrífugas ... ..101

3.5 – Particle Image Velocimetry (PIV) e a Modelagem Física Analógica ... 109

3.5.1 – Estudos pioneiros ... 110

3.5.2 – O uso do PIV no estudo de Sistemas Compressivos ... 117

i. O Uso do PIV na Análise Geral de Sistemas Compressivos... 117

ii. O uso do PIV no estudo de Fault-propagation folds ... 119

CAPÍTULO 4. SANDBOX MODELS OF FAULT-BEND FOLDING: A NEW INVESTIGATION WITH PRE-EXISTING RAMP ... ... 127

Abstract ... 127

4.1- Introdução... 124

4.2- Experimental procedure ... 130

4.2.1- Experimental limitations ... 136

4.3- Results ... 136

4.3.1 - Morphological description of experiments ... 136

i. Group 1 - quartz sand: homogeneous and anisotropic experimental sequences (Fig. 4.6) ... 138

ii. Group 2 - glass microbeads: homogeneous and anisotropic experimental sequences (Fig. 4.7) ... 138

ii. Group 3: IF-detachment experimental sequence of quartz sand and glass microbeads with lower homogeneous layers and upper anisotropic layers (Fig. 4.8) ... 142

ix

4.4.2 - Pre-existing ramp dip angle variations ... 145

4.4.3 - Variation in initial model thickness... 147

4.4.4 - Basal detachment variation along lower fault flat ... 149

4.4.5 - Comparison with previous studies ... 150

4.4.6 – Comparison with natural examples ... 151

4.5 - Conclusions ... 154 CAPÍTULO 5.... ... 157 Abstract ... 157 5.1- Introdução... 157 5.2- Methods ... 160 5.2.1 - Experimental setup ... 160 5.2.2 - PIV analysis ... 164 5.3- Experimental Results ... 165

5.3.1 - Group 1: Quartz sand... 166

5.3.1.1- Anisotropic experimental series (models 1 and 2) ... 166

5.3.1.2- Two analogue-packs experimental series (models 3 and 4)... 167

5. 3.2 - Group 2: Glass microbeads ... 167

5.3.2.1- Anisotropic experimental series (models 5 and 6) ... 167

5.3.2.2- Two analogue-packs experimental series ( (models 7 and 8) ... 168

5.3.3 - Group 3: Quartz sand above ductile detachment (with silicone) ... 168

5.3.3.1 - Anisotropic experimental series (models 9 and 10) ... 168

5.3.3.2 - Two analogue-packs experimental series ( (models 11 and 12) ... 169

5.4 - Discussion ... 176

5.4.1 - The development of Fault-propagation folds ... 176

5.4.2 - Role of analogue materials in the development of folds and ramps ... 180

5.4.3 - Influence of initial thickness on Fault-propagation folding ... 184

5.4.4 - Comparison with natural examples ... 185

5.5 - Conclusions ... 187

Appendix ... 189

CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES .... ... 193

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 197

x

Figura 1.1 - Os três estilos de dobras associados a sistemas compressivos...1

Figura 1.2 - Configuração da caixa de experimento utilizada no estudo das fault-bend folds. ...5

Figura 1.3 - Fotografia da caixa de experimento e da câmera fotográfica do PIV...8

Figura 1.4 - Comparação entre (A) a imagem fotográfica e (B) a imagem gerada no PIV...9

Figura 2.1- Primeiros estudos de dobras e de modelagem física...11

Figura 2.2 - Classificações das dobras. ...12

Figura 2.3 - Relação entre a geometria de dobras, geradas experimentalmente, e as viscosidades. ...13

Figura 2.4 - Relação entre a geometria das dobras en chevron e o mecanismo cinemático predominante nas diferentes fases de dobramento. ...14

Figura 2.5 - Dobramento por flexura e flambagem. ...15

Figura 2.6 - Mecanismo de dobramento flexural, sem perda de massa, envolvendo uma única camada...16

Figura 2.7 - Classificação das dobras flexurais com perda de massa (volume-loss flexure). ...17

Figura 2.8 - Características das dobras flexurais geradas tanto por flexura quanto por flambagem. ...17

Figura 2.9 - Geometria das dobras formadas por cisalhamento passivo. ...18

Figura 2.10- Modelo de carta de baralho aplicado ao dobramento por cisalhamento passivo. ...18

Figura 2.11 - Dobras produzidas por flambagem em camadas de diferentes competências. ...20

Figura 2.12 - Relação entre as propriedades reológicas e os mecanismos de dobramento em sistemas multicamadas. ...20

Figura 2.13 - Dobramento por deslizamento flexural de um sistema multicamadas. ...21

Figura 2.14 - Exemplo de um dobramento flexural de um sistema multicamada caracterizado por alto contraste reológico. ...21

Figura 2.15 - Dobras en chevron e kink. ...22

Figura 2.16 - Aspectos geométricos das dobras kink e Modelos cinemáticos para o crescimento das bandas kink por migração através do material. ...23

Figura 2.17- Mecanismo de dobramento en chevron por deslizamento flexural. ...24

Figura 2.18 - Principais tipos de dobras-falhas. ...25

Figura 2.19 - Perfil estrutural de Rich (1934) do Pine Montain, Apalaches (E.U.), restauração estrutural e modelagem física do perfil. ...26

Figura 2.20 - Os dois principais modelos cinemáticos de fault-propagation folds. ...27

Figura 2.21- Esquemas apresentando o desenvolvimento progressivo dos principais sistemas de dobras-falhas. ...29

Figura 2.22 - Esquemas de FBFs, em sistema compressivo e distensivo. ...29

Figura 2.23 - Exemplos de FBFs naturais em sistemas de empurrões e distensivos. ...30

xi

Figura 2.25 - O modelo kink, de Suppe (1983), aplicado ao estudo cinemático e geométrico das

fault-bend folds, segundo os critérios de balanceamento de área e comprimento. ...33

Figura 2.26 - Gráficos que relacionam o ângulo interflanquial ao ângulo de mergulho da rampa para determinadas magnitudes do ângulo cutoff. ...34

Figura 2.27 - Gráfico que relaciona o ângulo interflanquial ao ângulo de mergulho da rampa para determinadas magnitudes de espessamento e afinamento do forelimb da dobra. ...35

Figura 2.28 - Esquemas comparando a FBF simples com as multibend folds. ...37

Figura 2.29 - Evolução da FBF, formada por active-hinge folding, com destaque aos deformation panels. ...39

Figura 2.30 - Esquemas comparando os modelos de Suppe (1983) e Suppe et al. (2004). ...40

Figura 2.31 - Diferentes mecanismos de dobramento das FBFs. ...41

Figura 2.32 - Simple-shear fault-bend fold associada à deformação homogênea. ...41

Figura 2.33 - Esquemas apresentando as diferenças fundamentais entre FBFs de estilo kink e curvilíneas. ...42

Figura 2.34 - Comparação quanto à distribuição da deformação entre FBFs de estilo kink e curvilíneos. ...43

Figura 2.35 - Modificações no foreland das FBFs curvilíneas provocadas pelo deslizamento flexural. ...43

Figura 2.36- Esquemas apresentando um modelo de deformação progressiva de uma FBF curvilínea e a evolução do respectivo padrão geométrico dos sedimentos sintectônicos. ...44

Figura 2.37- Exemplos de fault-propagation folds em diferentes escalas. ...45

Figura 2.38- Método slip/propagation (S/P) de Williams & Chapman (1983). ...47

Figura 2.39 - Modelo estrutural balanceado apresentando o desenvolvimento progressivo de uma FPF. ...48

Figura 2.40 - Gráficos para a análise geométrica dos FPFs. ...49

Figura 2.41- Fault-propagation folds com ângulo θ = 23,50° constante e ângulo 2γ*(interno) variável. ...50

Figura 2.42 - Estágios de evolução progressiva de uma FPF. ...51

Figura 2.43 - A deformação progressiva de uma FPF área-balanceada. ...52

Figura 2.44 - Comparação entre a FPF simples e o modelo de Chester & Chester (1990). ...53

Figura 2.45 - Reconstrução de uma FPF do Plateau de Cumberland, Tennessee (E.U.), pelo modelo de Chester & Chester (1990). ...54

Figura 2.46 - Comparação entre as FPFs de espessura constante e superfície axial móvel e os de espessura variável. ...54

Figura 2.47 - Alguns tipos de breakingthrough FPFs. ...55

Figura 2.48 - Gráficos que fornecem a metade do ângulo interflanquial interno γ*, como função da magnitude do cisalhamento, para os dois modelos das FPFs do tipo simple-step. ...57

Figura 2.49 - Esquemas apresentando a influência do ângulo de cisalhamento na forma das dobras. ...58

Figura 2.50 - Perfil estudado nas Montanhas Atlas, Algeria, Norte da África, dados de superfície e subsuperfície; e a reconstrução da evolução cinemática das FPFs. ...59

xii

suave. ...60 Figura 2.52 - Um anticlinal breakthrough com o segundo segmento da falha ao longo da transição

entre o domínio da zona de charneira e do forelimb. ...60 Figura 2.53 - Exemplos de fault-propagation fold com backlimb não-paralelo à rampa da falha. ...61 Figura 2.54 - Desenvolvimento de uma fault-propagation fold segundo o modelo double-edge

fault-propagation folding. ...61

Figura 2.55- Seção sísmica esquemática da Bacia Maracaibo (Venezuela) e Estágios evolutivos da FPF. ...62 Figura 2.56 - Comparação entre as FPFs formadas sob rampa com diferentes ângulos. ...64 Figura 2.57 - Perfil representando a zona triangular da FPF por trishear...65 Figura 2.58 - Exemplo de uma FPF por trishear em uma seção sísmica do Anticlinal de Sta. Fé Springs, Califórnia (E.U.). ...65 Figura 2.59- Desenvolvimento progressivo da FPF segundo o modelo trishear. ...66 Figura 2.60 - Gráfico que mostra as diferenças entre as FPFs e as FBFs. ...68 Figura 2.61 - Figura esquemática representando a deformação por layer-parallel simple shear, de uma FBF. ...69 Figura 2.62 - Diferentes interpretações geométricas e cinemáticas baseadas na superfície da dobra (ângulos do backlimb e forelimb). ...70 Figura 2.63 - Efeitos geométricos causados pelo transporte das FBFs. ...71 Figura 2.64 - Comparação dos gráficos que relacionam o ângulo interflanquial da dobra com o ângulo da rampa. ...72 Figura 2.65 - Diferentes tipos de transportes de FPFs. ...71 Figura 2.66 - A deformação progressiva de uma FBF e uma FPF transportada. ...73 Figura 3.1 - Figuras representando alguns dos primeiros experimentos de Modelagem Analógica. ...76 Figura 3.2 - A deformação progressiva de uma estrutura do tipo fault-propagation fold em uma ‘caixa de pressão’. ...77 Figura 3.3 - Centrífuga do Laboratório de Experimentos Tectônicos da Universidade de Queen’s, esquema de funcionamento do equipamento e dimensão dos experimentos. ...78 Figura 3.4 - Os principais tipos de caixas de experimentos usados para simular ambientes compressivos. ...81 Figura 3.5 - Comparação entre a ‘cunha de neve’ e a ‘cunha compressiva’. ...82 Figura 3.6 - Equipamentos para uso na quantificação e no detalhamento de modelos físicos.

...83 Figura 3.7 - A deformação progressiva de um sistema compressivo mostrando as mudanças no estilo estrutural com o tempo. ...87 Figura 3.8 - Figura de uma dobra kink e a geração de uma falha, passando pelos estágios da formação do kink band. ...88 Figura 3.9- Experimentos de modelos experimentais isotrópicos, com atrito basal intermediário e espessuras variáveis. ...89 Figura 3.10 - Experimentos de modelos experimentais isotrópicos, com espessura do pacote de

xiii

Figura 3.12 - A partição da deformação de duas camadas de um mesmo experimento. ...91

Figura 3.13 - Desenho esquemático de um sistema compressivo em caixa de areia. ...92

Figura 3.14 - Gráfico elongação (encurtamento longitudinal) versus encurtamento. ...92

Figura 3.15 - Esquemas mostrando a distribuição dos diferentes tipos de descolamento nos modelos analógicos. ...93

Figura 3.16 - Perfis no interior do experimento com a sobrecarga rúptil montada durante o processo de encurtamento. ...93

Figura 3.17 - Desenvolvimento progressivo de uma pilha antiformal em decorrência da presença de um obstáculo no antepaís. ...94

Figura 3.18 - Desenvolvimento progressivo de uma pilha antiformal em um processo cíclico. ...95

Figura 3.19- Desenvolvimento progressivo das dobras-falhas na caixa de areia. ...96

Figura 3.20 - Experimentos dos modelos analógicos de Pichot & Nalpas (2009). ...97

Figura 3.21 - Esquema, em perfil, dos experimentos de Maillot & Koyi (2006). ...98

Figura 3.22 - Fotografias dos conjuntos de modelos 2, 3 e 4 (coluna 1) e 8, 7 e 9 (coluna 2). ...98

Figura 3.23 - Exemplo de uma FBF natural, em carbonatos do Canadian Rocky Mountain. ...99

Figura 3.24 - Esquemas dos modelos analógicos sem a cunha preexistente e com uma cunha. ...100

Figura 3.25- Esquemas das condições de contorno e fotografias de um perfil da deformação final de um dos experimentos de cada uma das sequências. ...101

Figura 3.26 - Esquemas da deformação progressiva do experimento TH24 de Dixon & Liu (1991). ...103

Figura 3.27 - Esquemas da deformação progressiva do experimento TH16 de Dixon & Liu (1991). ...104

Figura 3.28 - Modelo evolutivo do duplex segundo Liu & Dixon (1995). ...105

Figura 3.29 - Comparação entre os experimentos realizados na centrífuga e através da modelagem numérica. ...106

Figura 3.30 - Configuração dos dois modelos com as falhas preexistentes. ...108

Figura 3.31 - Seções finais através dos três experimentos. ...108

Figura 3.32 - Ilustração simplificada de como funciona o monitoramento pelo PIV. ...109

Figura 3.33 - Ilustração simplificada de como funciona a técnica do PIV para o estudo dos fluxos: (A) e (B). ...111

Figura 3.34 - (A) Centrífuga utilizada nos modelos geotécnicos; (B) Ilustração simplificada de como a técnica do PIV foi adaptada para o estudo de materiais granulares e (C) seus os resultados. ...112

Figura 3.35 – Ilustração simplificada da técnica do PIV para análises em 2D. ...113

Figura 3.36 – Ilustração simplificada de como funciona a técnica do PIV para análise em 3D segundo Adam et al. (2002 e 2005): (A), (B) e (C). ...114

Figura 3.37 – A deformação progressiva de um modelo desenvolvido por Oliveira & Silvia (2016). ...116

xiv

argila desenvolvido por Sousa et al. (2017). ...116 Figura 3.39 - Comparação entre as imagens do Modelo I de Yamada et al. (2006). ...118 Figura 3.40 – Comparação entre os experimentos desenvolvidos por Santimano et al. (2015)...119 Figura 3.41 – Desenho esquemático ilustrando a caixa de experimento com o retângulo indicando a área analisada no PIV. Modificado de Bernard et al. (2007). ...120 Figura 3.42 – Imagens mostrando o campo do deslocamento incremental e o strain das dobras-falhas experimentais: (A), (B) e (C). ...120 Figura 3.43 – Desenho esquemático ilustrando a caixa de experimento com os retângulos

indicando as áreas analisadas no PIV. ...121 Figura 3.44 - Os estágios de desenvolvimento da falha de empurrão: (A) Estágio 1, (B) Estágio 2

e (C) Estágio 3. ...122 Figura 3.45 – Esquema das caixas de experimentos utilizadas por Bonanno et al. (2017). ...123 Figura 3.46 – Análise do vetor deslocamento dos experimentos desenvolvidos sobre falha preexistente com ângulo de 30º. ...123 Figura 3.47 – Esquema da caixa de experimento utilizada por Marshak et al. (2019). ...124 Figura 3.48 – Modelo simplificado da geração de uma rampa de empurrão a partir das imagens do PIV: (A), (B) e (C). ...125 Figure 4.1 - Mode I- and Mode II-FBFs, according to Suppe (1983). B – backlimb, HZ – hinge

zone, F – forelimb, 2γ – fold interlimb angle and α – ramp angle (modified from Jamison, 1987). ...128 Figure 4.2 - Stress-strain curves of quartz sand and glass microbeads at a normal stress of 2400 Pa

measured by D’Angelo & Gomes (2017) (modified from D’Angelo & Gomes, 2017). ...133 Figure 4.3 - (A) Experimental apparatus with model dimensions and details of all experiments.

(B) Homogeneous setup – Group 1 and 2. (C) Anisotropic setup – Group 1 and 2. (D) Group 3. ...134 Figure 4.4 - Surface photographs of three experiments at final shortening: (A), (B) and (C). ....135 Figure 4.5 - Photographs showing five geometric categories used in this study: (A) Mode I-FBF (MI), (B) Mode II-FBF (MII), (C) Gentle-FBF (G), (D) Faulted-FBF (F) and (E) Irregular-Structures (IR). ……...137 Figure 4.6 - Line drawings of the central cross-sections of Group 1 (quartz sand) experiments: (A) and (B) 20° and 30° series of homogeneous experimental sequence, respectively, and (C) and (D) 20° and 30° series of anisotropic experimental sequence, respectively. ...140 Figure 4.7 - Line drawings of central cross-sections of Group 2 (glass microbeads) experiments: (A) and (B) 20° and 30° series of homogeneous experimental sequence, respectively, and (C) and (D) 20° and 30° series of anisotropic experimental sequence, respectively. ...141 Figure 4.8 - Line drawings of the central cross-sections of Group 3 experiments with lower homogeneous layers and upper anisotropic layers. ...142 Figure 4.9 - Photographs taken through the lateral wall of the sandbox showing progressive deformation. (A) Mode I-FBF; (B) irregular Mode II-FBF, and (C) Faulted-FBF. ...143 Figure 4.10 - Graphic comparing length of hinge zone (cm) with the pre-existing ramp angle in

experiments of Groups 1 and 2: (A) homogeneous experimental sequences and (B) anisotropic experimental sequences. ...146 Figure 4.11 - Graphic comparing length of hinge zone (cm) with the pre-existing ramp angle in

Group 3 experiments: (A) with initial thickness of 3 cm and (B) with initial thickness of 4 cm. ...147

xv

Figure 4.13 - Comparison between (A) schematic cross-section of the Rosario structure (Venezuela) based on 2D time-migrated seismic line (modified from Shaw et al., 2005) and (B) model 96L (anisotropic glass microbeads with a 30° ramp). ...152 Figure 4.14 - Comparison between (A) geological cross-section of the Sequatchie Anticline (USA) (modified from Shaw et al., 2005) and (B) model 58L (homogeneous glass microbeads with a 20° ramp). ...152 Figure 5.1 - Comparison between (A) the kink-folding model and (B) the double-edge

fault-propagation folding. ...158 Figure 5.2 - Experimental apparatus with model dimensions and the PIV digital camera. …….161 Figure 5.3 - Stress-strain curves for the quartz sand (Venâncio, 2019) and glass microbeads...

162

Figure 5.4 - Details of experiments: (A) Group 1; (B) Group 2; (C) Group 3. ...163 Figure 5.5 - Examples of photographs of the sidewall in the physical models and the respective PIV images: (A) Model 6; (B) Model 10. ...166 Figure 5.6 - Photograph of the sidewall in Model 1 and the corresponding PIV image after 3 cm of shortening. ...166 Figure 5.7 - Photographs taken through the sidewall of the sandbox and PIV images showing the

progressive deformation in Model 1. ...170 Figure 5.8 - Photographs taken through the sidewall of the sandbox and PIV images showing the progressive deformation in Model 2. ...170 Figure 5.9 - Photographs taken through the sidewall of the sandbox and PIV images showing the progressive deformation in Model 3. ...171 Figure 5.10 - Photographs taken through the sidewall of the sandbox and PIV images showing the progressive deformation in Model 4. ...171 Figure 5.11 - Photographs taken through the sidewall of the sandbox and PIV images showing the progressive deformation in Model 5. ...172 Figure 5.12 - Photographs taken through the sidewall of the sandbox and PIV images showing the progressive deformation in Model 6. ...172 Figure 5.13 - Photographs taken through the sidewall of the sandbox and PIV images showing the progressive deformation in Model 7. ...173 Figure 5.14 - Photographs taken through the sidewall of the sandbox and PIV images showing the progressive deformation in Model 8...173 Figure 5.15 - Photographs taken through the sidewall of the sandbox and PIV images showing the progressive deformation in Model 9. ...174 Figure 5.16 - Photographs taken through the sidewall of the sandbox and PIV images showing progressive deformation of Model 10. ...174 Figure 5.17 - Photographs taken through the sidewall of the sandbox and PIV images showing the progressive deformation in Model 11. ...175 Figure 5.18 - Photographs taken through the sidewall of the sandbox and PIV images showing the progressive deformation in Model 12. ...175 Figure 5.19 - A simplified kinematic model of progressive development of FPFs. ...177 Figure 5.20 - PIV images of models 3 and 4 of Group 1 (sand) and Model 7 of Group 2 (glass microbeads). ...182

xvi

thickness of 4 cm. ...183

Figure 5.22 - (A) Geological profile across the FPF in the Jaca – Pamplona Basin; (B) Schematic drawing based on a photograph of one FPF in the outcrops of the Big Bend National Park in west Texas (USA). ...186

Figure 5.23 - Cross-section of the Meilin anticline. ...187

Table 4.1 – Experimental details (underlined model numbers represent experiments that were repeated. ...131

Table 4.2 – Frictional properties of modeling materials. ...131

Table 5.1 – Frictional properties of analogue materials. ...162

Table 5.2 – Experimental details. ...164

Table 5.5 – Description of the main characteristics (kinematic and geometric) of the experiments. ...181

xvii

Resumo

As dobras-falhas são estruturas que comumente ocorrem em cinturões compressivos e são classificadas como: fault-bend fold (dobra associada a uma falha preexistente com trajetória em degrau), fault-propagation fold (dobra formada simultaneamente a uma falha em rampa) e detachment

fold (dobra gerada concomitantemente a uma falha horizontal). Por estarem associadas a reservas de

óleo e gás, as dobras-falhas já foram alvos de inúmeros estudos analíticos assim como de modelagens matemáticas, ao longo das últimas décadas. Além disto, vários autores empregaram a modelagem física analógica para contribuir ao estudo destas estruturas. No entanto, poucos trabalhos tiveram como enfoque a investigação sistemática dos fatores que condicionam sua formação. Assim, a presente tese teve como objetivo investigar através de modelos físico-analógicos, em caixas de areia, de dimensões decimétricas, as diferentes condições de contorno que influenciam o desenvolvimento de

fault-bend folds (FBFs) e fault-propagation folds (FPFs) de ambientes compressivos.

Para o estudo das FBFs foram desenvolvidos 107 experimentos, nos quais o material analógico foi montado em camadas horizontais sobre uma falha preexistente com trajetória em degrau. Geraram-se as diferentes condições de contorno variando-se o ângulo de mergulho da rampa preexistente (20º e 30º), a espessura inicial do modelo (de 2 a 6 cm), o atrito basal do patamar inferior (com folhas de papel contact, cartolina e papel lixa, de baixo, intermediário e alto atrito basal, respectivamente) e, em especial, a reologia do material analógico. Esta foi modificada empregando-se tanto materiais homogêneos (areia e microesferas de vidro puros), quanto anisotrópicos (os mesmos produtos intercaladas por horizontes de cristais de micas). Além destes, montaram-se experimentos com um pacote homogêneo sobreposto por outro pacote anisotrópico, separados por uma camada de cristais de mica.

A pesquisa das FPFs se fundamentou em 14 experimentos analógicos, dos quais 12 foram analisados através da técnica do Particle Image Velocimetry (PIV). Empregaram-se os mesmos materiais analógicos utilizados para o estudo das FBFs, que foram montados sobre uma folha de cartolina, e se variou a espessura inicial dos modelos (3 e 4 cm). Adicionalmente, introduziu-se uma camada basal de silicone, viscoso, em alguns dos experimentos.

Os resultados experimentais permitiram sugerir que o desenvolvimento de ambas as dobras-falhas depende, sobretudo, da estratigrafia mecânica envolvida. Mode I-FBFs (dobras com ângulo interflanquial maior que 90°) se formaram preferencialmente em microesferas de vidro (material de comportamento friccional elasto-plástico), independente do ângulo da rampa e do atrito basal. Nos experimentos de areia (material analógico mais rúptil), a formação de Mode I-FBFs só ocorreu com o aumento da espessura inicial (até 6 cm), que conduziu ao aumento da tensão normal e/ou da cohesion

strength. Nas FPFs, a análise combinada das imagens do PIV e das fotografias dos experimentos

mostrou que o desenvolvimento desta dobra-falha envolveu processos de dobramento flexural (induzido pelos horizontes de cristais de micas tanto na areia quanto nas microesferas de vidro) e de espessamento basal. A formação da rampa ocorreu de três formas: a partir da camada basal (por exemplo, dos experimentos de areia com silicone na camada basal), no interior do pacote analógico (como no caso dos modelos de areia com dois pacotes analógicos) ou, nos modelos anisotrópicos de microesferas de vidro, pela combinação destes processos (ou seja, uma rampa nucleada na base e outra no interior das camadas que coalesceram com a deformação progressiva).

O presente estudo demonstrou que o importante papel desempenhado pela estratigrafia mecânica na modelagem física de FBFs e FPFs é consistente com os aspectos descritos em sistemas de dobras–falhas da natureza.

xix

Fault-related folds are structures that commonly occur in compressive systems and are classified as bend fold (fold that are associated with a pre-existing ramp-flat fault), fault-propagation fold (fold that form simultaneously with a ramp fault), and detachment folds (folds that are generated with a horizontal fault). Over the past few decades, fault-related folds have been the target of numerous analytical studies as well as numerical modeling, as they are associated with oil and gas reserves. Several authors have also used analogue modeling to contribute to the study of these structures. However, few studies have carried out a systematic investigation of the parameters that control the formation of these structures. Thus, the present thesis is aimed at investigating the different boundary conditions that influence the development of fault-bend folds (FBFs) and fault-propagation folds (FPFs) in compressive systems through analogue models, in sandboxes, of decimetric dimensions.

A total of 107 experiments were developed during the study of the FBFs, in which the analogue material was assembled in horizontal layers over a pre-existing ramp-flat fault. In order to simulate different boundary conditions, we varied the preexisting ramp dip angle (20° and 30°), the initial thickness (from 2 cm to 6 cm), the basal detachment along the lower fault flat (with self-adhesive sheets, sheets of card, and sandpaper in order to simulate low, intermediate, and high basal friction, respectively) and, in particular, the rheology of the analogue material. In this last case, sand and glass microbeads were performed with and without the intercalation of horizons of mica flakes. Additionally, experiments were carried out with a homogeneous package overlaid by another anisotropic material and separated by a layer of mica flakes.

The study of FPF was based on 14 analog experiments, of which 12 were analyzed using the particle image velocimetry (PIV) technique. We used the same analog materials as those used in the FBF study, which were sieved onto a sheet of card. We also varied the initial thickness of the analogue-pack (3 and 4 cm). Furthermore, a basal layer of viscous silicone was introduced in some of the models.

The experimental results of both types of fault-related fold suggested that the development of these structures depends, above all, on mechanical stratigraphy. Mode I-FBFs (folds with an interlimb angle higher than 90°) formed preferentially in the elasto-plastic frictional glass microbeads, and are independent of the angle of the fault ramp and the basal friction along the lower fault flat. In the brittle sand models, Mode I-FBFs were only observed to form within thick stratigraphic packages (up to 6 cm), which led to an increase in the normal stress and/or the cohesion strength. In the FPFs, the combined analysis of the PIV images and the photographs of the experiments revealed that the development of this structure involved flexural slip folding (induced by the introduction of horizons of mica flakes between the layers of sand and glass microbeads) and basal thickening processes. The ramp is initiated in three ways: from the basal layer (e.g., sand models with a basal layer of silicone), within the layers of the analogue-packs (e.g., sand models with two analogue-packs), or by a combination of these processes in anisotropic glass microbeads models (i.e., one ramp nucleated from the detachment and another ramp was initiated within the layers, which then coalesced along the progressive deformation).

This study demonstrated that the important role played by mechanical stratigraphy in the physical modeling of FBFs and FPFs is consistent with the features observed in natural fold-fault systems.

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

As cunhas compressivas, em prismas acrescionários e em cinturões de dobras e falhas do tipo

thin-skinned, nas frentes colisionais das cadeias montanhosas, são classicamente comparadas a cunhas

de neve ou solo, que sofrem progressivo espessamento no pós-pais e acréscimo de material no antepaís à medida que a cunha se desloca. Segundo Davis et al. (1983) e Davis & Engelder (1985), o estilo da deformação de uma cunha compressiva depende criticamente da resistência ao deslizamento (isto é, do coeficiente de atrito basal) assim como do coeficiente de atrito interno, da declividade do terreno e da coesão (resistência à deformação interna) do material constituinte.

No interior das cunhas compressivas, ocorrem três estilos principais de dobras-falhas (Fig. 1.1): (i) dobras relacionadas a falhas preexistentes, com trajetórias em degrau (fault-bend folds) (Rich 1934; Suppe 1983); (ii) dobras que se formaram concomitantemente às falhas (falhas cegas)

(fault-propagation folds) (Williams & Chapman 1983; Suppe & Medwedeff 1984) e (iii) dobras formadas

sobre falhas horizontais, na base de litotipos incompetentes (detachment folds) (Jamison 1987). A associação entre si destas dobras-falhas gera estruturas complexas, denominadas sistemas imbricados, duplex ou pilhas antiformais.

Figura 1.1- Os três estilos de dobras-falhas associados a sistemas compressivos (modificado de Bernard et al. 2007, p.3).

Inúmeros autores estudaram a geometria e a cinemática de sistemas compressivos, em modelagens experimentais (por exemplo, Mulugeta & Koyi 1987, Huiqi et al. 1992, Lohrmann et al. 2003, Konstantinovskaya & Malavieille 2011, Toscani et al. 2014, dentre outros) que constituem, hoje, uma ferramenta importante e mundialmente reconhecida da Geologia Estrutural / Tectônica. A

2

modelagem física se baseia na análise dimensional, adaptada por Hubbert (1937) às Geociências, e tem como objetivo estudar os mecanismos da deformação e confirmar modelos tectônicos teóricos.

Alguns autores, tais como Dixon & Liu (1992) e Storti et al. (1997), já simularam a formação de dobras-falhas em modelos analógicos homogêneos, sem variação importante de competência entre camadas. Estes experimentos revelaram que os diferentes tipos de dobras-falhas podem resultar de uma deformação progressiva, envolvendo uma mudança nos mecanismos de deformação com o tempo. Na natureza, no entanto, a maioria dos grandes cinturões de dobras e falhas (por exemplo, as cordilheiras das Montanhas Rochosas, dos Apalaches e dos Andes) contém camadas de reologia dúctil (evaporitos ou folhelhos comumente super pressurizados), resultando uma forte variação de competência entre as camadas e, em consequência, sistemas compressivos complexos (por exemplo, Ruh et al. 2012).

Com exceção dos trabalhos citados acima, inexiste um estudo de modelagem física analógica que investiga de forma sistemática os fatores que condicionam os processos de formação dos diferentes tipos de dobras-falhas. Desta forma, o presente estudo pretende suprir esta lacuna, pelo menos no que diz respeito ás fault-bend folds e ás fault-propagation folds, especialmente por se tratar de estruturas importantes do ponto de vista econômico, uma vez que as mesmas constituem caminhos preferencias de migração e acumulação de óleo e gás (por exemplo, Epard & Grossong 1995 e Salvini & Storti 2001).

1.1 – Objetivo do estudo

O objetivo do presente estudo foi contribuir ao conhecimento dos fatores que controlam os processos de formação de dobras-falhas, do tipo fault-bend folds e fault-propagation folds, por meio de modelos físico-analógicos, em caixas de areia. O intuito era responder, ao final do estudo, a perguntas, a princípio básicas, tais como:

 Quais são as condições necessárias para que a deformação sobre uma falha preexistente (com trajetória em degrau) resulte no desenvolvimento de uma flexão antiformal fault-bend folds em detrimento a uma ruptura, na terminação da rampa, dando origem a uma falha que corte a sequência estratigráfica até a superfície?

3

 Como ocorre a nucleação e o desenvolvimento das rampas associadas ás fault-propagation

folds? Como as condições de contorno influenciam na geometria e na formação das fault-propagation folds?

1.2 – Materiais e Métodos

Os materiais e métodos adotados para a execução da presente tese de doutorado são descritos abaixo. Após a compilação bibliográfica realizaram-se duas etapas de laboratório. A primeira, visando o estudo das fault-bend folds, foi inteiramente desenvolvida no Laboratório de Modelagem Tectônica do Departamento de Geologia da UFOP. Na segunda, cujo foco eram as fault-propagation folds, realizou-se apenas a parte inicial dos trabalhos no laboratório da UFOP e o restante no Laboratório de Modelagem Estrutural (LME) do Programa de Pós-graduação em Geodinâmica e Geofísica (PPGG) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN). Neste laboratório, empregou-se a tecnologia do Particle Image Velocimetry (PIV) (White et al. 2001 e 2003, Hampel et al. 2004, Adam et al. 2002 e 2005), uma técnica de monitoramento ótico da deformação, que constitui uma ponte entre as modelagens física e numérica. Constitui uma ferramenta fundamental para a aquisição de informações sobre a distribuição das tensões durante a deformação progressiva. No caso das fault-propagation

folds, o estudo foi importante principalmente para a análise de nucleação e propagação das rampas de

empurrão.

1.2.1 – Compilação bibliográfica

shortening (por exemplo, Mulugeta & Koyi 1987 e 1992, Storti et al. 1997). Ao final, analisaram-se os

4

1.2.2 – Trabalhos desenvolvidos no Laboratório de Modelagem Tectônica do

Departamento de Geologia da UFOP

i.

Os materiais analógicos

O tratamento da areia iniciou-se com a lavagem e posterior secagem desta em uma estufa. A areia seca é peneirada em um aparelho de peneiramento elétrico (conjunto de peneiras: 1,18 mm; 0,710 mm; 0,500 mm; 0,350 mm; 0,210 mm), separando-se, para uso nos modelos, a areia de granulometria entre 0,350 mm e 0,210 mm. Esta é tingida com tintas de tecido (marca: Acrilex) e novamente peneirada.

As microesferas de vidro de granulometria entre 0.180 - 0.300 mm foram adquiridas na empresa Equijato – Componentes para Jateamento Ltda. (de Belo Horizonte - MG), e o único tratamento necessário foi o processo de tingimento (com tintas, da marca Acrilex).

A empresa Fermica beneficiamento e comércio (de Governador Valadares – MG) forneceu os cristais de mica (muscovita) de 0.5 cm de comprimento, que não careceu de nenhum tipo de tratamento.

Já o silicone (polydimethylsiloxane) foi importado da empresa americana Clearco Products Co Inc.). Possui viscosidade de 1,95 x 104 Pa, densidade de 0,979 g/cm3 (informada pela fábrica) e é caracterizado por um comportamento Newtoniano quase perfeito.

ii.

Modo de execução dos experimentos

Os experimentos foram montados em caixas de acrílico de dimensões centimétricas, e o preenchimento do material granular se efetuou por peneiramento, de uma altura de cerca 10 cm acima do topo da caixa, com auxílio de uma peneira de 0,350 mm de abertura.

A compressão foi gerada por um motor elétrico que empurra uma parede frontal móvel, com velocidade de 2,3 cm/h. Os experimentos foram fotografados durante a deformação progressiva (em intervalos de 0,5 cm ou 1 cm) e, após o umedecimento dos experimentos, em cortes internos (feitos a 2 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm e 18 cm de uma das paredes laterais), paralelos ao transporte tectônico.

5

iii.

Análise das propriedades friccionais dos materiais granulares

As propriedades friccionais dos materiais analógicos granulares (os ângulos de atrito interno e basal) foram obtidas em um ring-shear tester

(um aparelho de cisalhamento simples)

iv.

A modelagem física dos fault-bend folds

Para o estudo das fault-bend folds, realizaram-se 167 experimentos (Anexo I), com dimensões de 20 cm (largura) x 16 cm (comprimento) (Fig. 1.2). Destes, 107 experimentos foram selecionados, interpretados e editados para a elaboração do artigo (capítulo 4). Para a confirmação dos resultados foram repetidos 36 experimentos que demonstraram boa reprodutibilidade.

Figura 1.2 – Configuração da caixa de experimento utilizada no estudo das fault-bend folds. “C” corresponde à

direção da compressão durante o experimento.

Os experimentos foram organizados em três grandes grupos, dos quais, em dois, se variou a reologia do material analógico empregando-se areia e microesferas de vidro (ângulo de atrito interno, ɸi = 44,57º (areia), 35,70º (microesferas de vidro) e 32º (mica), ver Tab. 4.2 e Fig. 4.2B e C, capítulo

4). Cada um destes dois grupos (grupos 1 e 2) era constituído por duas sequências, uma homogênea e a outra anisotrópica, sendo esta última caracterizada pela intercalação de finos horizontes de cristais de mica. Além disto, cada sequência foi dividida em duas séries conforme o ângulo de mergulho da rampa preexistente, de 20º e de 30º. Cada série foi formada por um conjunto de experimentos, nos quais variaram-se a espessura inicial (2, 3, 4 e 5 cm) e o atrito basal (sobre o patamar inferior da falha preexistente). A variação do atrito basal (alto, intermediário e baixo) foi obtida através da utilização de papel lixa (ângulo de atrito basal, ɸb= 33,89º (areia) e 29,23º (microesferas de vidro)), cartolina (ɸb =

6

32,88º (areia) e 23,61º (microesferas de vidro)) e papel contact (ɸb = 25,25º (areia) e 19,24º

(microesferas de vidro)) respectivamente (ver Tab. 4.2, capítulo 4).

No terceiro grupo, os experimentos de areia e de microesferas de vidro eram constituídos por duas unidades distintas: uma homogênea basal sobreposta por outra, anisotrópica, separadas por uma camada (de 0.3 cm de espessura) de cristais de micas (Fig. 4.1D e Tab. 4.2, Capítulo 4). Estes experimentos foram desenvolvidos sobre um descolamento de atrito basal intermediário (cartolina) e com espessuras iniciais de 3 cm e 4 cm.

v.

Tratamento dos dados obtidos a partir dos modelos analógicos dos fault-bend folds

As fotografias de todos os experimentos foram organizadas em arquivos de maneira a se visualizar tanto a deformação progressiva quanto os sucessivos cortes.

Todas as fotografias do centro dos experimentos (corte de 10 cm) foram redesenhadas ou editadas no programa Corel Draw X8 após a interpretação. Nestes, foram efetuadas medidas do comprimento da zona da charneira das dobras, que foram lançadas em gráficos para tratamento estatístico, utilizando-se o programa EXCEL 2010.

vi.

Confecção do primeiro artigo

O artigo intitulado “Sandbox models of fault-bend folding: A new investigation with a

pre-existing fault ramp” foi publicado na revista Journal of Structural Geology, vol. 127 do ano de 2019

(Anexo III).

vii.

A modelagem física dos fault-propagation folds

A pesquisa sobre as fault-propagation folds contou com o estudo preliminar de um projeto de Iniciação Científica (PIBIC) do aluno de graduação Thiago Luís da Silva Costa (Costa 2017, Costa et

al. 2017 e 2019). Este trabalho demonstrou que a formação destas estruturas está associada à mudança

7

de finos horizontes de cristais de mica entre as camadas de areia e/ou de uma camada intermediária, espessa (de 0.5 cm), constituída por uma mistura de silicone com areia ou por cristais de mica.

Com base nos resultados de Costa (2017), foram desenvolvidos 56 novos experimentos (Tabela 1 do Anexo II), variando-se a reologia do material analógico, a espessura inicial (de 4 a 6 cm) e a magnitude de encurtamento (de 5 cm a 8 cm) além de se introduzir, em alguns modelos, uma deposição sintectônica.

Os experimentos, com dimensões de 20 cm (largura) x 20 cm (comprimento), foram desenvolvidos em caixas de experimentos simples, destituídas de qualquer objeto que simulasse uma falha preexistente. Como descolamento basal, utilizou-se cartolina branca (ver Tab. 4.2 do capítulo 4 e Tab. 1 do Anexo II) com exceção de dois experimentos, cuja base foi coberta por papel contact).

1.2.3 – Trabalhos desenvolvidos no Laboratório de Modelagem Estrutural (LME) da

Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)

No Laboratório de Modelagem Estrutural da UFRN, a caixa de experimento tinha dimensões de 20 cm (comprimento) x 19.8 cm (largura) e a velocidade de deformação foi de 2.6 cm/h. Com exceção da areia (ɸi = 35.51º), os demais materiais analógicos foram os mesmos utilizados na primeira

etapa do estudo.

O estudo, neste laboratório, se iniciou com a repetição de alguns experimentos a título de teste da técnica PIV para fault-propagation folds. Ao final, selecionaram-se 12 modelos para dar continuidade aos trabalhos. Os experimentos foram divididos em três grupos (Tabela 5.2 do Capítulo 5). Os modelos dos grupos 1 e 2 foram classificados de acordo com o tipo de material analógico (areia e microesferas de vidro, respectivamente), enquanto que o terceiro grupo é representado por experimentos de areia com uma camada basal de silicone. Cada grupo foi subdividido de acordo com as características do pacote analógico: experimentos anisotrópicos (presença de horizontes de cristais de mica), e experimentos constituídos por dois pacotes analógicos distintos (pacote de areia/ microesferas de vidro homogêneo sobreposto por um pacote de areia/microesferas de vidro anisotrópico). Além disto, variaram-se a espessura (3 e 4 cm).

Durante a execução dos experimentos, a deformação progressiva foi monitorada em intervalos de 1 cm de compressão, tanto pela técnica PIV quanto por uma câmera fotográfica comum. A câmera

8

fotográfica do sistema PIV foi posicionada a 90º de uma das paredes laterais da caixa de experimentos, a uma distância fixa de 75 cm (Fig. 1.3). A câmera fotográfica comum também foi posicionada a 90º de uma das paredes laterais da caixa de experimentos, a uma distância de 50 cm.

Figura 1.3 - Fotografia da caixa de experimento e da câmera fotográfica do PIV. A câmera fotográfica comum

era posicionada a frente da câmera do PIV durante o intervalo de tempo equivalente a 1cm de compressão.

i.

Tratamento dos dados obtidos a partir dos modelos analógicos dos fault-propagation

folds

Ao término de cada experimento, as fotografias da técnica PIV foram processadas através do programa DaVis 8 da LaVision, que gera imagens ilustrando, de diferentes formas, a distribuição da tensão e o deslocamento das partículas. A Figura 1.4 apresenta a fotografia tradicional de um modelo e respectiva imagem gerada pela técnica PIV. A imagem do PIV mostra um falhamento e o deslizamento flexural (através das zonas de concentração de strain cisalhante paralelas às camadas) que na fotografia comum não são perceptíveis.

9

Figura 1.4 - Comparação entre (A) a imagem fotográfica e (B) a imagem gerada no PIV do experimento 2 (areia

com horizontes de cristais de mica e espessura inicial de 4 cm) (Tabela 2 do Anexo II). As imagens correspondem à deformação após 3 cm de encurtamento. As setas indicam a direção e a intensidade do movimento dos grãos; a escala, na vertical, mostra a distribuição da deformação cisalhante, do maior (em vermelho) para o menor (em azul marinho).

ii.

Confecção do segundo artigo

O artigo intitulado “Analysis of fault-propagation folds in analogue models using Particle

Image Velocimetry” foi submetido na revista Journal of Structural Geology, no dia 27 de agosto de

11

CAPÍTULO 2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 – Dobras: Introdução

As dobras são feições onduladas de dimensões e formas variadas presentes em uma ou múltiplas camadas estudadas em diferentes áreas da Geociência, desde análise estrutural e tectônica a pesquisas de cunho econômico.

James Hall, o pioneiro no estudo das dobras foi também o criador da modelagem

experimental. Em 1815, tentando explicar a origem das dobras na costa leste da Escócia ele desenvolveu dois modelos. No primeiro, pedaços de tecidos foram empilhados e comprimidos horizontalmente com o auxílio de duas placas móveis de madeira (Fig. 2.1A). No segundo experimento, o autor substituiu tecido por camadas de argilas e as comprimiu com um pistão, produzindo padrões de dobramento semelhantes àqueles encontrados na natureza. Em ambos os casos, foi possível confirmar a importância da compressão horizontal sobre o processo de formação das dobras.

Observando os Apalaches, Willis (1891) deu continuidade ao estudo das dobras com o auxílio da modelagem física (Fig. 2.1B). Sua conclusão reafirmou a ideia proposta por Hall sobre a importância dos esforços horizontais no processo de dobramento. Além disto, o autor introduziu o conceito de competência.

Figura 2.1- Primeiros estudos de dobras e de modelagem física: (A) Modelos experimentais de Hall (1815)

12

Os aspectos geométricos das dobras foram abordados inicialmente por Van Hise (1894 e 1896) (In Price & Cosgrove 1990), que propôs classificá-las em dois grupos: concêntricas ou paralelas (as camadas mantêm a espessura constante) e similares (a geometria externa dos estratos dobrados conserva o mesmo padrão) (Fig. 2.2A). Além disto, o autor descreve pela primeira vez dobras de arrasto e propõe a análise geométrica destas para a interpretação das de primeira ordem. Assim, percebeu que dobras de arrasto de traços axiais em leque, que convergem para o núcleo, indicam anticlinais, e aquelas com o padrão oposto, sinclinais.

Ainda com enfoque nos aspectos geométricos das dobras destaca-se Elliot (1965), autor do modelo de dip isógonas (ou isógonas de mergulho). Sua classificação foi posteriormente adaptada por

Ramsay (1967) e ainda é utilizada nos dias de hoje. O traçado das isógonas de mergulho, linhas que

unem pontos de mesmo mergulho de topo e base da camada dobrada, possibilita dividir as dobras em três classes (Fig. 2.2B):

Classe 1: as isógonas de mergulho convergem para o interior da dobra. É subdividida em 1A (isógonas fortemente convergentes), 1B (equivalente às dobras paralelas de Van Hise) e 1C (fracamente convergentes);

Classe 2: as isógonas são paralelas ao traço axial; as dobras desta classe são também conhecidas como similares (de Van Hise) ou de cisalhamento;

Classe 3: as isógonas de mergulho convergem para o arco externo da dobra.

Figura 2.2- Classificações das dobras: (A) de Van Hise (1894): dobras paralelas ou concêntricas (1) e similares

(2); (B) de Elliot (1965) modificado por Ramsay (1967): classes 1, 2 e 3. Imagens de (A) de Johnson 1977 e (B) de Fossen (2012, p.290).

13

Segundo Huddleston & Treagus (2010), os processos responsáveis pela formação de dobras são hoje relativamente bem entendidos. No entanto, em função da grande variedade de diferentes feições, produzidas sob diversas condições de pressão e temperatura nas incontáveis rochas de diferentes reologias, trata-se de assunto complexo. As principais teorias sobre os mecanismos de dobramento foram desenvolvidas ao longo dos últimos 50 anos. São relacionadas a fatores tais como: propriedades reológicas dos materiais, tipo de deformação, as tensões e a taxa de deformação. Dentre os principais pesquisadores pioneiros, podem ser citados Ramberg (1959, 1963a e 1970), Biot (1961 e 1965) e Currie et al. (1962). Enquanto os dois primeiros autores assumem para as rochas, durante o dobramento, um comportamento viscoso, Currie et al. (1962) trabalham com modelos de materiais elásticos.

Biot (1961 e 1965) e Ramberg (1963a e 1970) desenvolveram, quase na mesma época,

complexas teorias matemáticas para relacionar a geometria das dobras à razão entre as viscosidades de uma camada competente (µ) (ou várias camadas) inserida em uma matriz menos competente (µo).

Basicamente, os autores mostraram que as diferentes geometrias de dobras dependem do contraste de viscosidades, sendo que contrastes muito altos e muito baixos representariam os membros extremos de uma grande gama de estruturas dobradas (Fig. 2.3).

Figura 2.3- Relação entre a geometria de dobras, geradas experimentalmente, e as viscosidades: (A) Figura de

uma dobra formada por flambagem e respectivos parâmetros geométricos; (B) Esquemas mostrando as diferentes geometrias de dobras em função do contraste de viscosidades (modificado de Hudleston & Treagus 2010, p.2045 e 2050).

Entre os autores que deram continuidade às pesquisas que relacionam o comprimento de onda das dobras a fatores tais como o comportamento reológico, o encurtamento da camada e o tipo de

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dobra, destacaram-se Johnson (1970), Fletcher (1974, 1977, 1979), Twiss (1988), Abbassi et al. (1990), Lisle (1997) além de Schmid and Podladchikov (2006).

Alguns autores, como Bastida et al. (2007), empregam programas computacionais a fim de contribuir para uma melhor compreensão dos processos de dobramento. Neste caso o software

FoldModeler foi aplicado na criação de modelos que explicam a geração das dobras en chevron. A

modelagem numérica é feita a partir do deslocamento das amarrações entre os grids segundo os atributos cinemáticos de referência. A comparação entre os modelos originais e finais sugerem que a dobra en chevron seja produto da combinação dos diferentes mecanismos de dobramento, sendo que, nos estágios inicial e intermediário, predominam deformação tangencial longitudinal associada a dobras abertas e fechadas, com amplitude baixa a intermediária, respectivamente; enquanto que o fluxo flexural tem maior expressão nas fases posteriores, formando dobras mais abertas e de maior amplitude (Fig.2.4).

Figura 2.4- Relação entre a geometria das dobras en chevron e o mecanismo cinemático predominante nas diferentes fases de dobramento. Legenda: α - ângulo interflanquial; h - amplitude; 1- estágio inicial; 2 - estágio intermediário; 3 - estágio final; ETLS - deformação tangencial longitudinal; PTLS - deformação tangencial longitudinal paralela (segundo Bobillo-Ares et al. 2006, é um tipo particular de deformação tangencial longitudinal que gera apenas dobras da classe 1B de Ramsay); FF- fluxo flexural. Imagem de Bastida et al. (2007), p.1193.

A indústria de petróleo também é uma forte aliada na continuidade destas pesquisas, uma vez que parte do sucesso da extração depende do conhecimento sobre a geometria e a cinemática das estruturas em dobras. Trabalhos como os de Suppe (1983), Erslev (1991) e Allmendinger (1998), que

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tem como enfoque as dobras-falhas, foram estimulados por esta demanda e serão discutidos mais adiante.

2.2 – Mecanismos de dobramentos

Segundo Fossen (2012), a descrição dos mecanismos de dobramento não é uniforme, na literatura, em função de diferentes enfoques possíveis. Assim, podem se considerar aspectos tais como: a forma como os esforços agem sobre as camadas (esforços verticais, horizontais ou de cisalhamento simples), a maneira como as camadas reagem aos esforços (por cisalhamento paralelo ou normal às camadas, por flexura ou, ainda, por mecanismos controlados pela reologia das rochas) ou, ainda, uma combinação de ambos.

Em todos os estudos, dois mecanismos de dobramento são sempre descritos: a flexura (bending) e a flambagem (buckling). Estes diferem, basicamente, pela forma de aplicação dos esforços. O dobramento por flexura envolve esforços normais ou oblíquos (Fig. 2.5A) cujo exemplo clássico, segundo Fossen (2012), são dobras monoclinais em rochas supracrustais resultantes da reativação de falhas preexistentes, do embasamento. As flexuras são sempre relacionadas a cargas externas e incluem dobras formadas por intrusões ou domos de sal e por compactação diferencial de sedimentos. Alguns autores relacionam a este mecanismo as fault-bend folds, que serão tratados com mais detalhe adiante. O dobramento por flambagem é causado por esforços compressivos paralelos ao comprimento das camadas (Fig. 2.5B),que sofrem encurtamento. Constitui o processo de dobramento mais comum em cinturões de dobras e falhas. Dependendo das propriedades mecânicas dos litotipos envolvidos no processo de encurtamento, o mecanismo de dobramento varia (deslizamento flexural, cisalhamento flexural e flexura ortogonal).

Figura 2.5- Dobramento por (A) flexura e (B) flambagem (imagem de Twiss & Moores 2007, p.364 e 365).

No presente estudo, optou-se por abordar os principais mecanismos de dobramento a partir da descrição de Twiss & Moores (2007) por considerá-lo o mais completo.

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2.2.1 – Mecanismos de dobramento envolvendo uma única camada (dobramento

flexural e cisalhamento passivo)

i.

Dobramento flexural (flexura ortogonal, cisalhamento flexural e flexura com

perda de massa)

Dobramento flexural (ou flexural folding) é o termo geral para designar três modelos cinemáticos: flexura ortogonal (orthogonal flexure), cisalhamento flexural (flexural shear) e flexura com perda de massa (volume-loss flexure). Os três tipos de modelos podem ser formados por esforços normais ou oblíquos à camada (flexura) ou por esforços horizontais (flambagem), gerando dobras da classe 1B, onde a espessura ortogonal da camada é mantida (Fig. 2.8).

Apesar de incomum, alguns autores utilizam o conceito de deformação tangencial longitudinal para se referir à flexura ortogonal (Bobillo-Ares et al. 2006, Bastida et al. 2007). A diferença entre os termos refere-se à variedade geométrica de dobras desenvolvidas, que na flexura ortogonal é restrita a um tipo.

Os mecanismos de flexura ortogonal e cisalhamento flexural podem ser definidos pela análise dos parâmetros que mostram o comportamento da camada frente aos esforços, sendo eles o arco interno e externo da dobra e as linhas perpendiculares à camada, traçadas no seu estado original. Na flexura ortogonal, a charneira é deformada por encurtamento do arco interno e distensão do arco externo (Figs. 2.6A e 2.8). No cisalhamento flexural, ocorre cisalhamento simples na direção paralela à camada, causando deformação apenas nos flancos, sem afetar a zona de charneira (os arcos externo e interno) (Figs. 2.6B e 2.8).

Figura 2.6- Mecanismo de dobramento flexural, sem perda de massa, envolvendo uma única camada: (A)

Flexura ortogonal (observar que as linhas normais à camada continuam perpendiculares após a deformação); (B) Cisalhamento flexural (neste caso, as linhas normais à camada sofrem deformação por cisalhamento simples que decresce no sentido da charneira) (modificado de Twiss & Moores 2007, p.365 e 366).

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O desenvolvimento de dobras flexurais com perda de massa (volume-loss flexure) é dado a partir da remoção gradual de material por dissolução em pequenas zonas presentes na camada dobrada (Fig. 2.7). Diferente dos outros dois processos, são produzidos três padrões de dobras segundo a classificação de Ramsay: 1B, a partir de cunhas de remoção simétricas às linhas ortogonais a camada (Fig. 2.7A); 1C, associada a cunhas simétricas as linhas oblíquas a camada (Fig. 2.7B); 2, formadas através da evolução de cunhas já existentes nas dobras do tipo 1C, que criam zonas paralelas de remoção (Fig. 2.7C).

Figura 2.7- Classificação das dobras flexurais com perda de massa (volume-loss flexure): (A) dobra classe 1B;

(B) dobra classe 1C; (C) dobra classe 2 (imagens de Twiss & Moores 2007, p.372).

Figura 2.8- Características das dobras flexurais geradas tanto por flexura (esforços normais ou oblíquos) quanto

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ii.

Dobramento por cisalhamento passivo (passive shear folding)

Também conhecido como passive flow folding ou, simplesmente, flow folding, este mecanismo ocorre em camadas incompetentes e gera dobras classe 2 (similares). Constitui um cisalhamento simples heterogêneo que atua sobre planos de cisalhamento ortogonais à camada, conforme mostra, de forma esquemática, a figura 2.9. Neste tipo de dobramento, não ocorre deformação nos arcos externo e interno, de maneira que estes apresentam a mesma curvatura (Fig. 2.9). A deformação acontece nos flancos pelo mecanismo denominado deck-of-cards (Fig 2.10), no qual sugere-se que o movimento oposto ao longo de planos de cisalhamento transforme uma esfera em uma elipse.

Figura 2.9- Geometria das dobras formadas por cisalhamento passivo. A forma dos arcos dobrados é

semelhante, havendo variação na espessura da camada (reproduzido de Twiss & Moores 2007, p.370).

Figura 2.10- Modelo de carta de baralho aplicado ao dobramento por cisalhamento passivo (imagem de Twiss &