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DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
MODELAGEM ESTRUTURAL FÍSICA DE SEMIGRÁBEN
ORTOGONAIS E OBLÍQUOS À DISTENSÃO REGIONAL:
INFLUÊNCIA DA TRAMA DO EMBASAMENTO E
COMPARAÇÃO COM ANÁLOGO NO NORDESTE
BRASILEIRO
Autor:
ANDRÉ JOÃO PALMA CONDE BLANCO
Dissertação nº 120/PPGG
Orientador:
Prof. Dr. Emanuel Ferraz Jardim de Sá (PPGG/UFRN)
Co-Orientador:
Prof. Dr. Fernando César Alves da Silva (PPGG/UFRN)
Natal/RN, Junho de 2013
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
MODELAGEM ESTRUTURAL FÍSICA DE SEMIGRÁBEN
ORTOGONAIS E OBLÍQUOS À DISTENSÃO REGIONAL:
INFLUÊNCIA DA TRAMA DO EMBASAMENTO E
COMPARAÇÃO COM ANÁLOGO NO NORDESTE
BRASILEIRO
Autor:
ANDRÉ JOÃO PALMA CONDE BLANCO
Dissertação de Mestrado apresentada em 17 de junho de 2013 ao Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito a obtenção do título de Mestre em Geodinâmica e Geofísica com área de concentração em Geodinâmica.
Banca examinadora
Prof. Dr. Emanuel Ferraz Jardim de Sá (Orientador)
Prof. Dr. Alex Francisco Antunes (Membro Interno)
Profa. Dra. Caroline Janette Souza Gomes – UFOP (Membro Externo)
Natal/RN, Junho de 2013
“Em algum lugar, alguma coisa incrível está esperando para ser conhecida.”
In Carl Sagan
II
Resumo
A modelagem estrutural física é uma ferramenta cada vez mais usada na geologia para
fornecer informação sobre os diversos estágios evolutivos (nucleação, desenvolvimento) e
geometria de estruturas geológicas em várias escalas. No caso particular da simulação da tectônica
distensional, a modelagem proporciona uma melhor compreensão da geometria e evolução de falhas
e da arquitetura tectonoestratigráfica de bacias rifte. Neste trabalho foi utilizado um aparato tipo
caixa de areia para estudar a nucleação e desenvolvimento de bacias influenciadas por estruturas
prévias no embasamento, com trend variável em relação à direção de distensão. Para tal, foram
realizados dois tipos de experimentos para: (i) simular o desenvolvimento individual (independente)
de semigráben com abertura ortogonal ou oblíqua à direção de distensão; (ii) simular o
desenvolvimento simultâneo desses semigráben ortogonais ou oblíquos à direção de distensão. Em
ambos os casos foi utilizado o mesmo material (mistura de areia e gesso) e mantidas as condições
de contorno. Os resultados obtidos foram comparados com um análogo natural representado pela
Bacia do Rio do Peixe (uma das bacias interiores eocretáceas do Nordeste do Brasil). Os modelos
permitiram observar o desenvolvimento segmentado das falhas de borda, com geometria lístrica,
frequentemente formando rampas de revezamento, além do desenvolvimento de falhas internas às
bacias localizadas nas suas porções mais basais, similares àquelas observadas nas seções sísmicas
do análogo natural. Os resultados confirmam a influência da herança tectônica do embasamento na
geometria dos depocentros rifte.
Palavras-Chave: Modelagem física, bacia rifte ortogonal, bacia rifte oblíqua, herança do
embasamento, Bacia do Rio do Peixe.
III
Abstract
The physical structural modeling tool is being increasingly used in geology to provide
information about the evolutionary stages (nucleation, growth) and geometry of geological
structures at various scales. During the simulations of extensional tectonics, modeling provides a
better understanding of fault geometry and evolution of the tectonic-stratigraphic architecture of rift
basins. In this study a sandbox type apparatus was used to study the nucleation and development of
basins influenced by previous structures within the basement, variably oriented as regards to the
main extensional axis. Two types of experiments were conducted in order to: (i) simulate the
individual (independent) development of half-grabens oriented orthogonal or oblique to the
extension direction; (ii) simulate the simultaneous development of such half-grabens, orthogonal or
oblique to the extension direction. In both cases the same materials (sand mixed with gypsum) were
used and the same boundary conditions were maintained. The results were compared with a natural
analogue represented by the Rio do Peixe Basin (one of the eocretaceous interior basins of
Northeast Brazil). The obtained models allowed to observe the development of segmented border
faults with listric geometry, often forming relay ramps, and the development of inner basins faults
that affect only the basal strata, like the ones observed in the seismic sections of the natural
analogue. The results confirm the importance of basement tectonic heritage in the geometry of rift
depocenters.
Keywords: Physical modeling, orthogonal rift basin, oblique rift basin, basement heritage, Rio do
Peixe Basin.
IV
Agradecimentos
No final de mais uma etapa da minha vida, deixo aqui registrados os meus sinceros
agradecimentos aos que contribuíram, direta ou indiretamente, para a realização deste trabalho.
Ao Departamento de Geologia e Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica
da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, que me acolheram e proporcionaram esta
excelente oportunidade de aprendizagem, à ANP e PRH-22 que viabilizou a execução deste projeto
e pelo auxílio da preciosa bolsa.
Aos meus orientadores, Prof. Dr. Emanuel Ferraz Jardim de Sá e Prof. Dr. Fernando César
Alves da Silva, por me terem enriquecido com os seus conhecimentos geológicos, sugestões e
discussões, além da dedicação e confiança depositada em mim. Aos meus mentores o meu sincero
MUITO OBRIGADO!
A todos os professores que compõem o Laboratório de Geologia e Geofísica do Petróleo,
Prof. Dr. Alex Antunes, Prof. Dr. Fernando Lins, Profa. Dra. Valéria Centurion Córdoba e Profa.
Dra. Débora do Carmo Sousa, pela acolhida no Programa, conhecimento dado nas aulas,
seminários, discussões e esclarecimentos que foram surgindo no decorrer desta dissertação.
Queria também agradecer aos colegas do LGGP, Anne, Marília, Antomat, Magda, Moisés,
Thuany, Filipe pelo excelente convívio que me proporcionaram, contribuindo também, direta ou
indiretamente, na a realização deste trabalho. Em especial, à Ana Bárbara Costa pelos conselhos,
convivência, amizade, companheirismo e sobretudo orientação na cidade de Natal. Não posso
deixar de agradecer à Nilda pela enorme alegria, simpatia e enorme apoio na resolução dos
problemas burocráticos que foram surgindo.
Aos amigos que fiz aqui no Brasil Ricardo Castro, Cristiana Monteiro, Filipe “Maior”
Santos, Rosangela Cristina, António, Zeca, Gevaneide e Zéivaldo, Nira, Marzo, Joca, Tadeu Júnior,
Tibério, Bárbara e Danilo pelos bons momentos e ajuda na adaptação a um novo país, mostrando-
me um pouco mais sobre a cultura Brasileira. Aos amigos do velho continente, em especial João
Carvalho, Guerra, Miffy (Ana Sofia), Diogo, Joana Fragoso e Lara, que sempre me apoiaram neste
desafio, minimizando as saudades de casa através de longas conversas pelo Skype e Facebook.
V
Não poderia deixar de agradecer a dois dos professores do Departamento de Geologia da
Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Prof. Dr. Filipe Rosas e Prof. Dr. José Brandão
Silva pelas conversas, conselhos e ensinamentos dados enquanto aluno de graduação.
À minha família, pelo enorme apoio e incentivo que me deram, em especial ao meu irmão,
que sempre me deu coragem e ambição de chegar mais longe. Ao companheiro da minha mãe José
Reis e à minha mãe, que tal como eu tive coragem de ir além-fronteiras, ela teve a coragem de
deixar o filho mais novo partir em busca do seu sonho. Por último ao meu pai, Afonso Conde
Blanco, que apesar de não se encontrar entre nós, foi o responsável pelo meu interesse na geologia.
VI
Índice
RESUMO II
ABSTRACT III
ÍNDICE DE FIGURAS VIII
1. Introdução 01
1.1 Apresentação 02
1.2 Justificativa 02
1.3 Objetivo da Pesquisa 02
2. Estado da Arte da Modelagem Estrutural 04
2.1 Breve História da Modelagem Estrutural 05
2.2 Materiais mais utilizados em modelagem e relações escalares 06
2.3 Modelagem de Bacias tipo rifte 07
3. Geologia Regional: exemplos das bacias interiores do Nordeste Brasileiro 09
3.1 Arcabouço Estrutural da Bacia do Rio do Peixe 11
3.2 O Empilhamento Estratigráfico e outras Feições Estruturais nos Semigráben 12
3.2.1 Semi-graben de Brejo das Freiras 14
3.2.2 Semi-graben de Sousa 15
4. Abordagem Experimental 16
4.1 Materiais e Equipamentos 17
4.2 Montagem dos Modelos 19
4.3 Análise e interpretação dos dados 21
VII
5. Desenvolvimento simultâneo de semigráben ortogonais e oblíquos à direção de distensão:
modelagem física de análogos naturais no Nordeste Brasileiro (artigo científico) 23
6. Comparação entre os modelos experimentais e o análogo natural 47
6.1. Comparação entre os modelos experimentais de semigráben 48
6.2. Comparação entre o análogo natural e os modelos experimentais de semigráben 51
7. Discussões e Conclusões 56
Referências bibliográficas 59
VIII
ÍNDICE DE FIGURAS
Capítulo 3
Figura 3.1 – Esquema ilustrando o trend Cariri-Potiguar com as principais bacias associadas. O
retângulo azul (a) localiza a Bacio do Rio do Peixe; as linhas a preto (b) representam as
principais zonas de cisalhamento pré-cambrianas, com segmentos reativados como falhas no
Eocretáceo ou idade mais jovem; (c) representa as isogálicas, onde é de notar uma inlexão que se
estende desde a bacia de Potiguar até à Bacia do Araripe. O tracejado vermelho delimita uma
área que evidencia afinamento crustal nesta região (Castro et al., 2007)……………………… 10
Figura 3.2 – Mapa geológico da Bacia do Rio do Peixe, com detalhamento litoestratigráfico e do
arcabouço estrutural. A profundidade nos cortes geológicos foi calibrada com dados de inversão
gravimétrica, sísmicos e do poço estratigráfico Lagoa do Forno, a SE da localidade de Sousa
(Nunes da Silva 2009; Jardim de Sá et al. 2010)………………………………………………...13
Figura 3.3 – Interpretação estratigráfica e estrutural dos semigráben de Brejo das Freiras e Sousa
através da seção sísmica (0295-2090) paralela à direção de distensão NW-SE (Córdoba et al.
2008)……………………………………………………………………….…………………….14
Capítulo 4
Figura 4.1 – a) Fotografia de areia fina a média, tingida de verde e b) morfologia dos grãos
mostrada na fotomicrografia de detalhe. c) Fotografia macroscópica da mistura de areia e gesso
(85% e 15% respetivamente); d) detalha em visão microscópica a mistura areia/gesso; as setas
em vermelho destacam, à esquerda, o gesso no espaço intergrãos e, à direita, gesso adsorvido
pelos grãos de quartzo…………………………………………………………………………...18
Figura 4.2 – Aparato de deformação do Laboratório de Modelagem: caixa de areia, com
dispositivo de iluminação e câmeras fotográficas (nesta ilustração, em ambos os lados da
caixa)…………………………………………………………………………………………......18
Figura 4.3 – Figura 4.3 – Desenho esquemático em mapa, ilustrando a configuração do aparato
estabelecido nos modelos experimentais físicos. a) Abertura de semigráben ortogonal em relação
à direção de distensão (Série I); b) Abertura oblíqua em relação à direção de distensão (Série II);
c) Modelo de desenvolvimento simultâneo de semigráben ortogonal ou oblíquo em relação à
IX
direção de distensão. A área cinza no interior da caixa representa o papel vegetal, cuja
extremidade tem a geometria da descontinuidade que se deseja modelar. A extremidade do papel
funciona como um descontinuador de velocidade (DV), permitindo a nucleação da falha de
borda das bacias…………….……………………………………………………………………20
Capítulo 5
Figura 1 – Mapa simplificado da Bacia do Rio do Peixe com as falhas principais. As zonas de
cisalhamento, com trend NE e E-W (Zona de Cisalhamento Portalegre e Patos, respectivamente)
controlaram a margem falhada dos semigráben de Brejo das Freiras com componente normal, e
Sousa com componente oblíqua sinistral, associado ao evento distensivo NW-SE. (modificado de
Jardim de Sá et al., 2010)…………………...…………………………………………………...26
Figura 2 – a) Fotografia de areia fina a média, tingida de verde e cuja morfologia dos grãos é
mostrada na fotomicrografia no detalhe. b) Fotografia macroscópica da mistura de areia e gesso
(85% e 15%, respetivamente). Nos detalhes, visão microscópica da mistura areia/gesso. As setas
em vermelho destacam, à esquerda, o gesso no espaço intergrãos e, no detalhe à direita, gesso
adsorvido pelos grãos de quartzo………………………………………………………………...28
Figura 3 – Fotografia do aparato deformacional mostrando a caixa de vidro (“caixa de areia”) e
o motor responsável pela movimentação da parede móvel. Laboratório de Modelagem Estrutural
no prédio do Laboratório de Geologia e Geofísica de Petróleo, UFRN (Natal)…………………28
Figura 4 – Representação da parte basal do aparato, onde a folha de papel vegetal (cinza) com a
geometria do descontinuador de velocidade (Dv) representa a anisotropia pré-existente. Em a)
arquitetura basal para distensão ortogonal (simulando o Semigráben de Brejo das Freiras) e b)
oblíqua (simulando o Semigráben de Sousa), ambos desenvolvidos isoladamente (de forma
independente); comparar com o mapa da Bacia do Rio do Peixe, na figura 1. c) Distensão
gerando os semigráben ortogonal e oblíquo, simultaneamente. As setas pretas indicam a direção
do movimento distensional………………………………………………………………………29
Figura 5 – a) Exemplo de fotografia da superfície do modelo com a localização onde foi
seccionado para a geração dos perfis. Estes perfis podem ser paralelos à direção de distensão
(AB) ou perpendiculares à borda da bacia (CD). b) Exemplo de fotografia de um corte,
ilustrando o comportamento das falhas em subsuperfíce. (a) e (b) são fotografias de modelos
distintos…………………………………………………………………………………………..30
X
Figura 6 – Representação em mapa, a partir de fotografias, da evolução (e = 7%, 9.5% e 14%,
respectivamente) da principal falha da bacia modelada, que define a denominada margem
falhada. O retângulo tracejado delimita a porção ortogonal da bacia, que ao longo dessa estrutura
transiciona (na porção sul) a uma rampa oblíqua (falha de transferência)………………………31
Figura 7 – Representação gráfica da intensidade dos mergulhos da falha de borda, obtida nos
perfis ao longo da bacia. O inset mostra a localização dos perfis na bacia. Excetuando os perfis
AA’ e BB’, na porção oblíqua da bacia, os mergulhos nas partes superiores das falhas são mais
constantes que nas porções basais ………………………………………………………………31
Figura 8 – Fotografia do topo do modelo (superfície), em dois estágios distintos da evolução da
bacia, mostrando a presença de rampa de revezamento na margem flexural. Notar a inversão do
mergulho da rampa, do estágio mais precoce (a = 7%) para um estágio mais avançado (b= 14%).
A seta branca indica a direção da distensão.……………………………………………………..32
Figura 9 – a) Representação em mapa da bacia ortogonal (e = 14%), com a localização dos
perfis mostrados em b). Exemplo da estruturação interna da bacia ortogonal é mostrado em (b)
onde nota-se pequena alteração no espaçamento das falhas e no rejeito de algumas delas (falha f,
por exemplo). Notar que algumas falhas não atingem a superfície……………………………...33
Figura 10 – Relação entre o ângulo de mergulho (θ) das falhas internas da bacia e a distância
(D) à falha de borda da bacia. Notar mergulhos menores na parte central da bacia. A localização
dos perfis é ilustrada na figura 9a………………………………………………………………..33
Figura 11 – a) Gráfico mostrando o desenvolvimento da abertura da bacia (ω) ao longo dos
diversos incrementos deformacionais. A foto mostra um exemplo da obtenção de ω. b) Perfil
ilustrando o desenvolvimento sequencial das falhas no interior da bacia, com propagação em
direção ao centro da bacia (F1 a F5). A falha de borda é representada por Fb………………….34
Figura 12 – Mapa e perfis mostrando a distribuição das falhas oblíquas/normais na superfície e
subsuperfície da bacia oblíqua (em relação a direção de distensão). Notar que a maioria das
falhas antitéticas não aflora no estágio deformacional ilustrado em (a), sendo encobertas pela
sedimentação sintectônica, como pode ser observado nos perfis de (b)…………………………35
Figura 13 – Desenvolvimento da falha de borda (traçado em vermelho) da bacia oblíqua, em três
estágios da deformação (e = 7%, 19% e 26% respectivamente) ilustrando a coalescência de seus
segmentos………………………………………………………………………………………...35
XI
Figura 14 – Variação da intensidade do mergulho da falha de borda entre as porções mais
superficiais e mais profundas da bacia ao longo de perfis paralelos a direção de distensão (AA’,
CC’, DD”, HH”) e aproximadamente perpendicular a bacia (BB’, EE’ e GG’)………………...36
Figura 15 – Vista em mapa a) e em perspectiva b) de segmentos de falhas revezados na margem
flexural da bacia, oblíqua à direção de distensão (setas brancas). Entre os segmentos há a
formação de rampas de revezamento com mergulho para sudoeste……………………………..36
Figura 16 – Ilustração dos dois conjuntos de perfis obtidos no experimento com bacia oblíqua:
paralelos à direção de distensão (AA’, DD’) e perpendiculares à falha de borda (BB’, EE’ e GG’)
da bacia. A localização dos perfis é mostrada no inset (lado inferior esquerdo da figura), onde a
falha de borda aparece em vermelho…………………………………………………………….37
Figura 17 – Representação gráfica da relação entre a distância das falhas antitéticas à falha de
borda, e seu mergulho. Em a) estão representados os perfis paralelos à direção de distensão e, em
b), os perfis perpendiculares à bacia. Em ambos os gráficos nota-se que as falhas da porção
central da bacia exibem mergulhos ligeiramente inferiores àqueles das falhas mais afastadas da
falha de borda…………………………………………………………………………………….38
Figura 18 – Fotografia do topo (superfície) do modelo (e = 18%) contemplando o
desenvolvimento simultâneo de duas bacias, ortogonal (à esquerda na figura) e obliqua (à direita)
à direção de distensão (marcada pela seta branca). Comprar o arranjo com a figura 1. As linhas
tracejadas representam a localização dos perfis ilustrados na figura 20…………………………39
Figura 19 – Relação do mergulho das falhas de borda, em superfície e subsuperfície, das bacias
ortogonal e oblíqua. Nas suas extremidades oeste/sudoeste, nota-se que a parte superior da falha
de borda da bacia oblíqua tem mergulho maior que aquela da bacia ortogonal (AA’), enquanto
nas partes mais centrais (CC’ e C’’C’’’) ocorre o inverso. O inset mostra a localização dos perfis
paralelos ou oblíquos à direção de distensão.…………………...……………………………….39
Figura 20 – Perfis transversais às bacias ortogonal (BB’ e CC’) e oblíqua (C’’C’’’ e B’’B’’’). O
perfil AA’ secciona ambas as bacias (ver inset da figura 19 para localização dos perfis). Nota-se
uma variação na largura da região do depocentro, bem como no mergulho das falhas internas às
bacias. Notar que algumas falhas não se propagam até a superfície…………………………….40
Figura 21 – Ilustração gráfica da variação dos mergulhos das falhas internas às bacias, com a
distância em relação à falha de borda. a) Bacia ortogonal; b) bacia oblíqua. Notar que, no geral,
XII
as falhas mais distantes da falha de borda possuem mergulho mais forte do que aquelas mais
próximas………………………………………………………………………………………….41
Figura 22 – Ilustração das linhas sísmicas 0295-2090 a) e 0295-2088 b) da Bacia do Rio do
Peixe; c) perfil ilustrando o comportamento das duas sub-bacias com base nos dados estruturais
de campo (Jardim de Sá et al., 2010); d) seção obtida com a simulação de desenvolvimento
simultâneo de uma bacia ortogonal e outra oblíqua à direção de distensão; e) seção obtida da
simulação da bacia obliqua, mostrando a falha de borda ramificada com a formação de degraus;
f) mapa da Bacia do Rio do Peixe (Jardim de Sá et al., 2010) com localização dos perfis
sísmicos, de campo e da modelagem física. A interpretação estrutural das seções sísmicas foi
feita pelo Prof. A. F. Antunes (UFRN), com contribuição subordinada do primeiro autor deste
trabalho…………………………………………………………………………….…………….43
Capítulo 6
Figura 6.1 – Ilustração em mapa dos últimos estágios de deformação de um semigráben
ortogonal: (a) desenvolvimento isolado e (b) desenvolvimento simultâneo com um semigráben
oblíquo à direção de distensão (cujo arranjo está representado na figura 18 do capítulo 5). A
estruturação similar dos semigráben foi atingida com diferentes percentagens de deformação,
sugestivo da interferência mútua nos processos de desenvolvimento, quando gerados
simultaneamente…………………………………………………………………………………49
Figura 6.2 – Exemplo de rampa de revezamento gerada na margem flexural do semigráben
oblíquo desenvolvido de forma isolada. A seta amarela indica o mergulho, para oeste, da rampa
de revezamento…………………………………………………………………………………..50
Figura 6.3 – Fotografia, com as falhas interpretadas, da superfície dos experimentos que
geraram semigráben oblíquos: (a) de forma independente e (b) de forma simultânea ao
semigráben ortogonal. Em ambos a distensão foi a mesma (e = 18%). No caso (b), notar que,
embora existam outras falhas (formadas em estágios precedentes) em subsuperfície, no estágio
representado (final) apenas a falha principal é visível na superfície, sugerindo que a evolução
deste semigráben oblíquo sofreu influência da nucleação simultânea do semigráben
ortogonal…………………………………………………………………………………………50
Figura 6.4 – Perfis obtidos nos experimentos de modelagem física (desenhados a partir de
fotografia dos experimentos), para comparação entre os modelos de desenvolvimento
XIII
simultâneo de semigráben ortogonal e oblíquo à direção de distensão (a) , com aqueles
desenvolvidos de forma isolada (b,c, semigráben ortogonal e oblíquo, respectivamente)….…..51
Figura 6.5 – Mapa simplificado da Bacia do Rio do Peixe, com representação das falhas
principais. As zonas de cisalhamento, com trend NE e E-W (ZCs Portalegre e Patos,
respectivamente) controlaram a margem falhada dos semigráben de Brejo das Freiras com
desenvolvimento de falhas normais (ou oblíquas na rampa lateral a sul), e de Sousa com rejeito
oblíquo normal- sinistral, associado ao evento distensivo eocretáceo NW-SE (Jardim de Sá et al.,
2010)……………………………………………………………………………………………..52
Figura 6.6 – (a) Ilustração da linha sísmica 0295-2090 e (b) da linha sísmica 0295-2088 da
Bacia do Rio do Peixe, mostrando a distribuição e geometria das falhas em subsuperficie. Em
(a), são observados os semigráben de Brejo das Freiras, a NW, e de Sousa, a SE. A linha (b)
atravessa apenas o semigráben de Sousa. Interpretação estrutural realizada pelo Prof. Dr. A.F.
Antunes do DG-UFRN, com contribuição subordinada do autor desta dissertação……………..53
Figura 6.7 – (a) Seção obtida no experimento simulando o desenvolvimento simultâneo dos
semigráben ortogonal e oblíquo em relação à direção de movimento; (b) perfil esquemático
gerado com dados de mapeamento da Bacia do Rio do Peixe (Nunes da Silva, 2009; Jardim de
Sá et al., 2010); c) Mapa da Bacia do Rio do Peixe com localização dos perfis da modelagem
física e do mapeamento de campo (Jardim de Sá et al., 2010)…………………………………..54
Capítulo 1
Introdução
Capítulo 1 - Introdução Blanco, A.
Dissertação de Mestrado Página 2
PPGG/UFRN
1.1 - Apresentação
O presente trabalho apresenta os resultados da pesquisa realizada pelo autor sobre a
modelagem estrutural física de bacias rifte ortogonais ou oblíquas, constituindo a sua Dissertação
de Mestrado no Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte (PPGG/UFRN). Os trabalhos foram realizados em aparato tipo
“caixa de areia”, no Laboratório de Modelagem Estrutural (LME) do PPGG.
1.2 - Justificativa
A modelagem estrutural física é uma ferramenta que permite simular eventos geológicos na
escala de laboratório. Devido ao grande interesse econômico na exploração de hidrocarbonetos,
o estudo de eventos geológicos por meio da modelagem estrutural física e numérica intensificou-
se nas últimas décadas, permitindo melhor compreensão do desenvolvimento geométrico e
cinemático das diferentes estruturas geológicas, com implicações para os controles de migração e
acumulação de fluidos.
A arquitetura de bacias sedimentares do tipo rifte é função de vários fatores que afetam o seu
desenvolvimento, tais como a estratigrafia reológica da crosta e as estruturas presentes no seu
substrato, anteriores à implantação das bacias. Estruturas do embasamento influenciam
fortemente na nucleação e desenvolvimento de falhas numa bacia superposta, podendo ser
responsável, pelo menos em parte, pela disposição geométrica e cinemática das falhas que
controlam e/ou deformam a bacia. Uma vez que as falhas têm um papel importante no
desenvolvimento de condutos, barreiras e armadilhas ao fluxo de fluidos, o entendimento da
evolução dessas estruturas é um fator importante, tanto do ponto de vista acadêmico como
econômico (exploração/explotação de hidrocarbonetos, depósitos hidrotermais e água
subterrânea, p. ex.)
1.3 - Objetivo da pesquisa
O desenvolvimento de estruturas associadas a processos de distensão superpostos a terrenos
de embasamento com uma história deformacional prévia, é comumente marcada pela reativação
frágil de estruturas tipo zonas de cisalhamento dúctil. Enquadrado por aspas, o termo
"reativação" pode envolver apenas a nucleação preferencial de novas falhas obedecendo a essas
descontinuidades reológicas. A região Nordeste do Brasil caracteriza-se pela existência de
Capítulo 1 - Introdução Blanco, A.
Dissertação de Mestrado Página 3
PPGG/UFRN
intensa trama de cisalhamentos de alta temperatura (milonitos recristalizados em condições das
fácies anfibolito a xisto verde), desenvolvida principalmente durante o ciclo orogênico
Brasiliano. A cartografia das bacias interiores nesta região deixa claro a importância dessas
cicatrizes geológicas como sítios de nucleação das falhas eocretáceas.
Nesse contexto, o principal objetivo desse trabalho foi o de simular, por meio de
experimentos físicos, o desenvolvimento de bacias sedimentares controladas por estruturas
prévias no embasamento e comparar o arcabouço estrutural obtido (incluindo o desenvolvimento
de falhas de borda e internas nas bacias, e a sua relação com sedimentação sintectônica) com
alguns exemplos naturais na região. A Bacia do Rio do Peixe é deste modo utilizada como
análogo de campo. Esta bacia é representada pelos semigráben principais, de Brejo das Freiras e
de Sousa, que exibem um padrão de abertura ortogonal ou oblíqua, respectivamente, com
respeito à direção principal de distensão, NW-SE. O desenvolvimento independente (individual)
ou simultâneo dessas bacias ortogonais ou oblíquas foi simulado neste estudo.
Capítulo 2
Estado da Arte
da Modelagem Estrutural
Capítulo 2 – Estado da Arte da Modelagem Estrutural Blanco, A.
Dissertação de Mestrado Página 5
PPGG/UFRN
2.1 - Breve história da Modelagem Estrutural
O primeiro documento de modelagem analógica foi realizado por Sir James Hall em 1812,
descrevendo os primeiros modelos de deformação dúctil (Koyi 1997). Durante as primeiras
décadas após James Hall, vários autores desenvolveram modelos de deformação frágil e dúctil
(Favre 1878, Daubre 1879, Schart 1884, in Koyi 1997), sendo que as primeiras publicações de
modelagem de deformação por cisalhamento puro foram realizadas por Cadell 1890 e Willis
1893 (apud Koyi 1997). Nas décadas de 1960 e 70, Hans Ramberg destacou a importância das
forças gravitacionais nos processos geológicos, estabelecendo uma linha de pesquisa sistemática
em modelagem tectônica, especializada nos processos gravitacionais e estruturas associadas.
Desde 1960 até o início da década de 80, muitos destes trabalhos se concentraram no estudo de
diápiros e estruturas similares (Ramberg 1981, Dixon 1974, Whitehead & Luther 1975; Jackson
& White 1989).
A modelagem de ambientes distensionais passou a ter, nas últimas décadas, grande interesse
acadêmico e econômico, devido à sua aplicação na indústria petrolífera, o que permitiu um maior
desenvolvimento das técnicas utilizadas em modelagem física e a incorporação de outros tipos de
dados dessa área técnica (sísmica, restauração estrutural, métodos computacionais e outros).
Desde então, inúmeras publicações internacionais têm mostrado a aplicação da modelagem em
diferentes escalas, tais como a evolução de bacias rifte, seja caracterizando a sua deformação
distensional (McKenzie 1978; McClay 1987, 1995, 2002; Withjack 1995; Portugal 2008, Gaspar
2010 entre outros), o papel da tectônica do sal (Brun & Fort, 2004), distensão seguida de
inversão (Dubois et al., 2002), entre outros.
No Brasil, em meados do ano de 1980, foi instalado o primeiro laboratório de geotectônica e
tectônica experimental da PETROBRAS/CENPES e, no início da década de 90, foi implantado o
Laboratório de Modelagem Tectônica do Departamento de Geologia da Universidade Federal de
Ouro Preto. Mais recentemente, em 2005, foi instalado o Laboratório de Modelagem Estrutural
do Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica da Universidade Federal do Rio
Grande do Norte. Diversos trabalhos foram desenvolvidos e publicados por pesquisadores do
país, envolvendo diferentes temas tais como a deformação distensional e as bacias rifte (Szatmari
& Aires, 1987; Peraro 1995, Polônia et al., 1996, Portugal & Alves da Silva 2006; Portugal et
al., 2007 e Gaspar 2010), cinturões de dobras (Alves da Silva et al., 2007, entre outros), sistemas
deposicionais e tectônica de sal (Szatmari & Aires 1987, Guerra et al., 1997, 2005), alojamento
de rochas plutônicas (Ebert et al., 1995), entre outros.
Capítulo 2 – Estado da Arte da Modelagem Estrutural Blanco, A.
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2.2 - Materiais mais utilizados em modelagem física e relações escalares
Na modelagem estrutural física, os corpos geológicos são representados por materiais
análogos. A areia seca (natural) é um dos principais materiais utilizados por possuir um
comportamento mecânico similar ao das rochas crustais, servindo como análogo em estudos de
modelagem de bacias sedimentares (Eisenstadt & Sims, 2005). Embora seja válida para análises
comparativas com estruturas macroscópicas e processos tectônicos associados, a areia,
isoladamente, pode não ser ideal para simular o acamamento mecânico interno às sucessões
sedimentares (Rossi & Storti, 2003). Assim, para avaliar o papel de anisotropias mecânicas
estratigráficas, nos experimentos, outros materiais são mesclados à areia (microesferas de vidro e
alumínio, micas, gesso, entre outros), conduzindo a um contraste mecânico entre camadas
competentes e incompetentes. Para ampliar a gama de opções para utilização na modelagem, é
necessário caraterizar materiais alternativos. Nesse contexto, vários autores têm contribuído para
a determinação das propriedades físicas de materiais análogos, utilizando um aparelho como o
Ring Shear Tester (Schellart, 2000; Gomes & Caldeira, 2011; Gomes, 2013) e tomografia
computadorizada de raios-X (Panien et al., 2006).
Apesar de não exibir um comportamento rigorosamente elástico-ruptural, a areia seca e a
argila úmida comportam-se como materiais com características Navier-Coloumb para o
propósito da modelagem física, uma vez que reproduzem os padrões de deformação que ocorrem
nas rochas crustais (Koyi et al. 2004). Eisenstadt & Sims (2005) observaram importantes
diferenças na deformação distensional, usando areia seca e argila. Estes materiais exibem
padrões de deformação distintos, como por exemplo a maior taxa de propagação de falhas na
areia, contrastando com inúmeros segmentos de falha, menores, mas afetando áreas mais amplas,
no caso da argila. Materiais tais como mel e silicone têm sido usados na simulação de processos
envolvendo a astenosfera e a tectônica de sal, repectivamente (Vendeville & Jackson, 1992; Mart
& Dauteuil, 2000, Dubois et al., 2002, entre outros).
Para que os modelos experimentais físicos sejam realistas, é necessário que os mesmos sejam
devidamente escalados com o análogo natural. Um modelo físico é dinamicamente escalado
quando todas as forças aplicadas se encontram na mesma proporção entre o modelo físico e o
natural. Hubbert (1937) descreve que a redução de área e tempo envolvidos no processo
experimental também implica em uma modificação das propriedades físicas efetivas dos
materiais usados, durante o experimento, de modo a obter similaridade geométrica, cinemática e
dinâmica. Para que dois corpos, ou modelos, sejam geometricamente idênticos, todos os
Capítulo 2 – Estado da Arte da Modelagem Estrutural Blanco, A.
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comprimentos devem ser proporcionais e todos os ângulos devem ser iguais, resultando numa
razão de comprimentos () constante entre o modelo físico (ou experimental) e o natural. Diz-se
que um modelo é cinematicamente escalado quando dois corpos geometricamente semelhantes
são submetidos a mudanças na forma e/ou posição, num tempo proporcional entre dois (). Um
modelo é dinamicamente escalado quando a razão entre as forças aplicadas nas partículas dos
dois modelos (físico e natural) são constantes (). Então a descrição escalar entre o modelo (m) e
o protótipo (p) é feita quando se tem os tres fatores descritos acima e dados pelas equações
abaixo (Moores & Twiss, 1995):
= Lm/Lp ; = tm/tp ; = mm/mp
2.3 - Modelagem de Bacias tipo rifte
Desde o século XIX que a modelagem estrutural física tem sido utilizada na compreensão da
geometria, cinemática e evolução de bacias sedimentares continentais e de margens passivas.
Nos últimos anos, inúmeros estudos e publicações permitiram uma nova e melhor compreensão
dos processos e parâmetros que envolvem o crescimento e evolução de falhas em ambiente
distensional (McClay, 1990a,b; McClay & White, 1995; Clifton et al., 2000; Dubois et al., 2002,
entre outros).
Vários pesquisadores têm centrado suas pesquisas na modelagem de bacias rifte de abertura
oblíqua com respeito à direção de distensão principal, comparando-as com exemplos controlados
por abertura ortogonal ao eixo distensivo.
Modelos físicos obtidos de bacias com abertura ortogonal exibem falhas mais longas e
retilíneas nas suas margens, enquanto que as falhas internas são mais curtas, desenvolvendo-se
também perpendicularmente à direção de distensão (McClay & White, 1995). Em modelos de
distensão oblíqua, os vários segmentos de falhas que iniciam nas margens flexurais coalescem
formando zonas de transferência de deslocamento, realizado por meio de rampas de revezamento
(McClay & White, 1995). As falhas internas às bacias exibem comprimento menor e, em geral,
apresentam orientação oblíqua às falhas de borda.
O padrão de falhas geradas em distensão oblíqua pode variar com a profundidade (Schlische
et al., 2002). Segundo esses autores, ocorrem dois tipos de populações de falhas, com trend e
idade diferentes. As falhas internas, oblíquas em relação à falha principal, são mais restritas às
Capítulo 2 – Estado da Arte da Modelagem Estrutural Blanco, A.
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zonas mais superficiais, enquanto que falhas subparalelas à falha principal/de borda estão
restritas às zonas mais profundas do rifte.
Capítulo 3
GEOLOGIA REGIONAL:
exemplos das bacias
interiores do Nordeste
Brasileiro
Capítulo 3 – Geologia Regional: exemplos das bacias interiors do NE Brasileiro Blanco, A.
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A província das Bacias Interiores do Nordeste do Brasil corresponde a um conjunto de
depressões controladas pelo rifteamento eocretáceo, iniciando a implantação da Margem Leste
brasileira. Esse conjunto de depressões, que se estende desde o Lineamento Pernambuco até à
Margem Equatorial brasileira, é também referido como o Trend Cariri-Potiguar (Matos, 1987, 1992,
1999) (figura 3.1), o ramo abortado do rifte precurssor do Atlântico Sul. O Lineamento Pernambuco
corresponde a uma grande zona de cisalhamento brasiliana de trend E-W, transcorrente dextral; o
seu homólogo mais a norte, o Lineamento Patos, delimita a porção sul da Bacia do Rio do Peixe,
integrada pelos semigráben de Icozinho, Brejo das Freiras e Pombal, todos com trend NE, e ainda o
Semigráben de Sousa, este com trend E-W (figura 3.2). O embasamento desta bacia é composto por
terrenos de ortognaisses paleoproterozoicos e granitóides brasilianos. Mais a norte, um ramo da
zona de cisalhamento de Portalegre, com trend NE, controla a borda SE do Semigráben de Brejo
das Freiras.
Figura 3.1 – Mapa ilustrando o Trend Cariri-Potiguar com as principais bacias associadas. O retângulo azul (a) localiza a Bacio
do Rio do Peixe; as linhas pretas (b) representam as principais zonas de cisalhamento pré-cambrianas, com segmentos reativados
como falhas no Eocretáceo ou idade mais jovem; (c) O tracejado vermelho delimita uma área que evidencia afinamento crustal
nesta região (Castro et al., 2007). As linhas isogálicas também são mostradas no mapa.
Capítulo 3 – Geologia Regional: exemplos das bacias interiors do NE Brasileiro Blanco, A.
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Vários trabalhos foram desenvolvidos para melhorar o conhecimento geológico das Bacias
Interiores. A conjugação de dados estruturais com interpretações gravimétricas permitiu uma
visão mais abrangente do trend Cariri-Potiguar (Castro et al. 1998).
Duas hipóteses foram propostas para explicar a evolução estrutural dessas bacias no contexto
regional. A primeira envolve reajustes no interior da placa através de eventos compressivos e
distensivos em alto ângulo com a Margem Equatorial (Szatmari et al., 1987; Françolin &
Szatmari, 1987; Françolin, 1992). Numa segunda hipótese é proposto um modelo de distensão
NW a WNW durante o Neocomiano-Barremiano, formando bacias orientadas segundo o trend
NE-SW, e bacias pull-apart controladas pela reativação de estruturas E-W (Matos 1987, 1992;
Ponte et al., 1991; Françolin et al., 1997). Matos (1992, 1999) e Córdoba et al., (2008)
interpretam que a reativação eocretácea das zonas de cisalhamento brasilianas deu lugar a falhas
normais ao longo das zonas de trend NE, enquanto que as estruturas E-W teriam cinemática
transcorrente ou oblíqua.
3.1 - O Arcabouço Estrutural da Bacia do Rio do Peixe
Com base na a análise de imagens de satélite (Landsat 7 ETM+) e radar (SRTM) Nunes da
Silva (2009) identificou fotolineações dúcteis no embasamento pré-cambriano e estruturas
frágeis eocretáceas que controlam os semigráben da bacia. Para ambas as estruturas são
identificadas duas orientações preferenciais, uma E-W e outra NE-SW. A primeira é observada
acompanhando a borda sul dos semigráben de Brejo das Freiras e de Sousa, implantada na faixa
milonítica relacionada com a Zona de Cisalhamento Patos. A segunda orientação é característica
das bordas SE dos semigráben de Brejo das Freiras e Icozinho (também pode ser citado a mesma
borda do Semigráben de Pombal), correspondendo a ramos da Zona de Cisalhamento Portalegre.
Em Brejo das Freiras, a falha de borda com direção NE virga a sul para E-W, convergindo para a
Zona de Cisalhamento Patos, compondo uma rampa oblíqua que delimita, a norte, o Degrau de
Santa Helena (figura 3.2).
Nas bordas norte do semigráben de Sousa e NW de Brejo das Freiras, o embasamento faz
contata com as rochas sedimentares da bacia por meio de uma não conformidade. Além dos
falhamentos principais nas bordas falhadas dos semigráben, outras estruturas frágeis ocorrem no
interior dos semigráben; em Sousa, é possível identificar falhas escalonadas com componente
normal, paralelas às fotolineações NE do embasamento pré-cambriano.
Capítulo 3 – Geologia Regional: exemplos das bacias interiors do NE Brasileiro Blanco, A.
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3.2 - O Empilhamento Estratigráfico e outras Feições Estruturais nos Semigráben
A assimetria dos semigráben determina o mergulho das unidades sedimentares (e topo do
embasamento), basculadas contra as bordas falhadas, nos sentidos SE (como em Brejo das
Freiras) ou sul (em Sousa), conforme ilustrado na figura 3.2. Nas margens opostas, designadas
de flexurais, podem ocorrer falhas antitéticas (em relação às falhas principais); todavia, sua
feição principal é o contato em não conformidade dos arenitos da Formação Antenor Navarro,
com o embasamento cristalino. Sobrepostas e interdigitadas com esses arenitos, ocorrem as
rochas pelíticas e arenitos da Formação Sousa, todas com paleocorrentes que também denotam o
sentido de basculamento dos semigráben. Ao longo das margens falhadas ocorrem arenitos,
conglomerados e brechas sedimentares da Formação Rio Piranhas, caracterizando leques aluviais
sintectônicos que se interdigitam com os litotipos da Formação Sousa, estes ocupando a porção
central (ou centro-sul, centro-SE) dos semigráben (Françolin, 1992; Córdoba et al., 2008; Nunes
da Silva, 2009; ver figura 3.3).
Ao longo das falhas principais, as camadas sedimentares exibem flexuras e dobras sinclinais
(figuras 3.2 e 3.3) associadas à propagação das falhas (classicamente referidas como "feições de
arrasto"). Ainda ao longo dessas falhas de borda, são observadas rampas de revezamento (Santa
Helena e Marizópolis), e terminações direcionais, onde as camadas mergulham paralelamente às
falhas, cujo rejeito variável imprime duplo caimento às estruturas sinclinais. Essas estruturas
refletem a acomodação das camadas à topografia do embasamento, controlado pela geometria
das falhas principais.
A análise quantitativa da profundidade dos depocentros, realizada através de dados
gravimétricos calibrados com um poço (Lagoa do Forno) e linhas sísmicas que atravessam estes
semigráben, permitiu estimar a profundidade do embasamento, na ordem dos 2.500 a 3.000
metros para o Semigráben de Brejo das Freiras, enquanto que em Sousa é de aproximadamente
2.000 metros na região oeste, e cerca de 1.000 metros na região leste, aproximando-se da rampa
direcional em Aparecida (Córdoba et al., 2008; Nunes da Silva, 2009).
Capítulo 3 – Geologia Regional: exemplos das bacias interiors do NE Brasileiro Blanco, A.
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Capítulo 3 – Geologia Regional: exemplos das bacias interiors do NE Brasileiro Blanco, A.
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3.2.1 - O Semigráben de Brejo das Freiras
O Semigráben de Brejo das Freiras apresenta forma elipsoidal em superfície, com eixo maior
de direção NE-SW. A falha de borda (falha de Brejo das Freiras) apresenta mergulho para NW.
Na seção sísmica 0295-2090 (figura 3.3), observa-se o espessamento dos refletores contra essa
falha, tipicamente associado a taxas de subsidência e criação de espaço de acomodação maiores
do que taxas de aporte sedimentar. A presença em superfície dos conglomerados e brechas, e de
sismofácies caótica em subsuperfície, evidenciam o caráter sintectônico da deposição.
Em perfil, a falha de borda exibe geometria lístrica, ramificada, formando batentes capeados
por camadas mais recentes. O basculamento contra a falha de borda, associada ao dobramento
das rochas sedimentares durante a propagação da falha, é responsável pela criação de uma
estrutura sinformal de duplo caimento com a porção central coincidente com o setor de maior
rejeito dessa estrutura. O embasamento situado a 3.000 metros abaixo do topo do pacote
sedimentar torna-se mais raso a NE (Uiraúna) e oeste (Santa Helena e Umari), compondo rampas
direcionais. Na região SW desse semigráben, a falha de borda virga para E-W, passando a
funcionar como uma falha de transferência delimitando o semigráben de um alto estrutural – o
Degrau de Santa Helena, delimitado a sul por outra falha E-W, caracterizando esse degrau como
uma rampa de revezamento (Jardim de Sá et al., 2010).
Figura 3.3 – Interpretação estratigráfica e estrutural dos semigráben de Brejo das Freiras e Sousa através da seção sísmica (0295-
2090) paralela à direção de distensão NW-SE (Córdoba et al,. 2008).
Capítulo 3 – Geologia Regional: exemplos das bacias interiors do NE Brasileiro Blanco, A.
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3.2.2 - O Semigráben de Sousa
Este semi-graben apresenta forma alongada na direção E-W, sendo limitado a norte pela não
conformidade capeada pela Formação Antenor Navarro, caracterizando a margem flexural. A
partir desta, as camadas mergulham para sul, sendo truncadas pela falha de São Gonçalo, com
direção geral E-W, uma estrutura oblíqua normal-sinistral que mergulha para norte (figuras 3.2 e
3.3). Na localidade de Marizópolis, a falha de borda se articula em dois segmentos subparalelos,
delimitando uma rampa de revezamento cujo assoalho mergulha para leste. Esse mergulho
permite que o embasamento seja capeado por material sedimentar grosso (arenitos e
conglomerados) da Formação Rio Piranhas, intercalado com pelitos da porção mais distal da
bacia (Formação Sousa).
Internamente, o semigráben apresenta geometria em cunha e maior profundidade próximo da
falha de borda. A presença de uma falha NE com mergulho para NW é responsável pela divisão
da bacia em dois depocentros. No extremo oeste, o depocentro aparente ter maior profundidade
(cerca de 2.000 metros), enquanto que no extremo leste a coluna sedimentar não ultrapassa os
1.000 metros de profundidade.
Mais uma vez, as camadas sedimentares mergulham contra a falha de borda e exibem uma
estrutura sinclinal, mais rasa comparativamente àquela de Brejo das Freiras. O espessamento dos
estratos não é evidente, muito embora a ocorrência de sismofácies caótica nos degraus gerados
pela migração da falha sugira deposição sintectônica.
Capítulo 4
Abordagem Experimental
Capítulo 4 – Abordagem Experimental Blanco, A.
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Os experimentos de modelagem física em ambiente distensional descritos nesta dissertação
foram desenvolvidos no Laboratório de Modelagem Estrutural (instalado no Laboratório de
Geologia e Geofísica do Petróleo/Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica da UFRN),
seguindo as seguintes etapas: (i) preparação do material análogo (coleta, peneiramento,
tingimento e secagem de areia proveniente de dunas praiais da cidade de Natal - RN); (ii)
montagem do experimento num aparato tipo caixa de areia; (iii) simulação da deformação
progressiva acompanhada por sedimentação sintectônica, cujos incrementos foram registrados
por meio de fotografias em mapa e seção; (iv) análise, interpretação e comparação das estruturas
resultantes de cada modelo testado.
4.1 - Materiais e Equipamentos
Depois de testar vários materiais (incluindo misturas de alguns), os experimentos aqui
descritos foram realizados utilizando areia quartzosa e pó de gesso, misturados homogeneamente
na proporção de 85% (areia) e 15% (gesso), para representar o embasamento da bacia. Nesse
material composto, parte do gesso ocorre adsorvido à superfície dos grãos de quartzo, enquanto
que o restante está disperso no espaço intergrãos (figura 4.1). Este arranjo confere um caráter
mais frágil a esta "camada", comparativamente à areia pura que representa as unidades
sedimentares, quando submetida a distensão. A areia quartzosa e outros materiais granulares (por
exemplo gesso e argila) são apropriados para a simulação, em laboratório, da deformação na
crosta superior, dominada por comportamento reológico rúptil (Teixell & Koyi, 2003).
Para representar os sedimentos sintectônicos, utilizou-se areia quartzosa pura, tingida
artificialmente com diferentes cores, possibilitando a observação das camadas formadas no evento
tectônico e as estruturas nelas originadas. A utilização de algumas tintas no tingimento da areia
quartzosa pode, segundo Gomes & Caldeira (2011), produzir pequenas modificações no
comportamento reológico desse material. No contexto do presente trabalho, essa diferença foi
julgada irrelevante.
Capítulo 4 – Abordagem Experimental Blanco, A.
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Figura 4.1 – a) Fotografia de areia fina a média, tingida de verde e b) morfologia dos grãos mostrada na fotomicrografia de detalhe.
c) Fotografia macroscópica da mistura de areia e gesso (85% e 15% respetivamente); d) detalhe em visão microscópica a mistura
areia/gesso; as setas em vermelho destacam, à esquerda, o gesso no espaço intergrãos e, à direita, gesso adsorvido pelos grãos de
quartzo.
O aparato deformacional utilizado consiste de uma caixa de vidro retangular, cujas dimensões
são 50 x 34,5 x 23 cm (comprimento, largura e altura, respetivamente), composto por três
paredes fixas e uma móvel (figura 4.2), acoplada a um motor que desloca a parede móvel a uma
velocidade constante (0,42 mms-1). Nos modelos descritos nesta dissertação, convencionou-se o
movimento distensivo NW-SE, estando a parede móvel a SE no arranjo experimental.
Figura 4.2 – Aparato de deformação do Laboratório de Modelagem Estrutural composto por caixa de areia, dispositivo de
iluminação e câmeras fotográficas (nesta ilustração, em ambos os lados da caixa).
Capítulo 4 – Abordagem Experimental Blanco, A.
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4.2. Montagem dos Modelos
O propósito dos modelos é testar a influência e importância da ativação de descontinuidades
existentes no embasamento, durante a nucleação e desenvolvimento de bacias sedimentares. Nas
bacias interiores do Nordeste do Brasil, essas descontinuidades são representadas por zonas de
cisalhamentos dúcteis, de idade brasiliana. Para representar essas descontinuidades nos
experimentos, foi colocado na base da caixa de areia uma anisotropia, representada por uma
folha de papel vegetal, de espessura sub-milimétrica, contendo recortes com determinada
geometria numa das extremidades, enquanto a outra foi presa à parede móvel (figura 4.3),
movimentando-se à mesma velocidade da parede. Esses recortes funcionam como
“descontinuadores de velocidade” (velocity descontinuities), e são responsáveis pela nucleação
das bacias nos sítios das descontinuidades, efeito que se pretende modelar. Os modelos
experimentais estão agrupados em três séries (Série I, II e III), onde cada descontinuador de
velocidade (a partir daqui, denominado simplesmente por DV) representa uma geometria ou
arranjo espacial diferente. Na série I (figura 4.3a) foi testada uma descontinuidade ortogonal à
direção de distensão, de modo a possibilitar a geração de uma bacia ortogonal a esse eixo. Na
série II, a descontinuidade era oblíqua em relação à direção de movimento, induzindo o
desenvolvimento de uma bacia oblíqua (figura 4.3b). Por último, a série III envolve ambas as
descontinuidades acima descritas, de modo a nuclear, simultaneamente, abertura ortogonal ou
oblíqua em relação à direção de distensão (figura 4.3c).
Em todos os experimentos realizados, a arranjo estratigráfico-reológico foi mantido constante,
sendo composto por níveis da mistura de areia e gesso, com aproximadamente 5 mm de
espessura cada, e areia colorida artificialmente (servindo apenas como marcador cinemático), em
camadas com 2 a 3 mm cada, perfazendo uma espessura total de 2,5 a 3,0 cm. O movimento
distensivo induzido pelo motor, com velocidade constante (0,42 mms-1), foi igual nas três séries.
A quantidade de deformação máxima variou de 14% a 18%, em função da facilidade/dificuldade
das bacias serem nucleadas e desenvolvidas (e deste modo monitoradas no experimento), o que é
atribuído à orientação da descontinuidade/bacia em relação à direção de distensão.
A sedimentação sintectônica foi simulada pela adição de areia colorida (também via
peneiramento) na depressão que representa a bacia, em incrementos regulares de distensão (0,5
cm).
Por fim, assumiu-se para a distensão uma orientação NW-SE, de modo a facilitar a
comparação das estruturas geradas nos experimentos com um modelo natural identificado nas
Capítulo 4 – Abordagem Experimental Blanco, A.
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bacias interiores do Nordeste brasileiro. A Bacia do Rio do Peixe foi tomada como análogo
natural, sendo que a bacia ortogonal dos experimentos seria equivalente ao Semigráben de Brejo
das Freiras, enquanto que a bacia oblíqua estaria representada pelo Semigráben de Sousa.
Figura 4.3 – Desenho esquemático em mapa, ilustrando a configuração do aparato estabelecido nos modelos experimentais
físicos. a) Abertura de semigráben ortogonal em relação à direção de distensão (Série I); b) Abertura oblíqua em relação à direção
de distensão (Série II); c) Modelo de desenvolvimento simultâneo de semigráben ortogonal ou oblíquo em relação à direção de
distensão. A área cinza no interior da caixa representa o papel vegetal, cuja extremidade tem a geometria da descontinuidade que
se deseja modelar. A extremidade do papel funciona como um descontinuador de velocidade (Dv), permitindo a nucleação da
falha de borda das bacias.
Capítulo 4 – Abordagem Experimental Blanco, A.
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4.3 - Análise e interpretação dos dados
Durante o experimento, foram tiradas fotografias do topo (superfície) dos modelos em
intervalos constantes de distensão (0,5 cm), para caraterizar a nucleação e desenvolvimento do
sistema de falhas em mapa. Esse procedimento fornece dados sobre os sistemas de falhas no que
diz respeito a sua geometria (escalonada ou paralela, contínua ou descontínua), comprimento e
orientação preferencial. Também é possível analisar a evolução de estruturas como rampas de
revezamento e a coalescência de segmentos de falhas.
No final de cada experimento o modelo foi endurecido e fatiado em seções paralelas e
oblíquas à direção de distensão, expondo perfis de diversos setores do interior da bacia. Após a
aquisição das fotografias, foi realizada a interpretação do experimento, caraterizando as
estruturas geológicas ao longo de toda a história de deformação.
Capítulo 5
Desenvolvimento simultâneo de
semigráben ortogonais e oblíquos
à direção de distensão: modelagem
física de análogos naturais no
Nordeste brasileiro
(Artigo científico)
Capítulo 5 – Artigo Científico Blanco, A.
Dissertação de Mestrado Página 23
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Desenvolvimento simultâneo de semigráben ortogonais e oblíquos à
direção de distensão: modelagem física de
análogos naturais no Nordeste brasileiro
Simultaneous development of semigráben orthogonal and oblique to the extension
direction: analogue modeling of natural analogues in Northeastern Brazil
André João Palma Conde Blanco1, Fernando César Alves da Silva
2,
Emanuel Ferraz Jardim de Sá3
1 Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica – PPGG – da Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, Natal, RN, Brasil (ablanco@sapo.pt);
2 Departamento de Geologia e Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica – PPGG – da Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, Natal, RN, Brasil
(fernando@geologia.ufrn.br).
3 Departamento de Geologia e Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica – PPGG – da Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN, Natal, RN, Brasil
(emanuel@ccet.ufrn.br);
7.757 palavras, 22 figuras.
Resumo
A modelagem física é uma ferramenta cada vez mais usada na geologia para fornecer informação sobre os diversos estágios evolutivos (nucleação, desenvolvimento e geometria) de estruturas geológicas em várias escalas. No caso particular da simulação da tectônica distensional, a modelagem proporciona uma melhor compreensão da geometria e evolução de falhas e da arquitetura tectonoestratigráfica de bacias rifte. Neste trabalho foi utilizado um aparato tipo caixa de areia para estudar a nucleação e desenvolvimento de bacias influenciadas por estruturas prévias no embasamento, com trend variável em relação à direção de distensão. Para tal, foram realizados dois tipos de experimentos para: (i) simular o desenvolvimento individual (independente) de semigráben com abertura ortogonal ou oblíqua à direção de distensão; (ii) simular o desenvolvimento simultâneo desses semigráben ortogonais ou oblíquos à direção de distensão. Em ambos os casos foi utilizado o mesmo material (mistura de areia e gesso) e mantida as condições de contorno. Os resultados obtidos foram comparados com um análogo natural representado pela Bacia do Rio do Peixe (uma das bacias interiores eocretáceas do Nordeste do Brasil). Os modelos permitiram observar o desenvolvimento segmentado das falhas de borda, com geometria lístrica, frequentemente formando rampas de revezamento, além do desenvolvimento de falhas internas às bacias localizadas nas suas porções mais basais, similares àquelas observadas nas seções sísmicas do análogo natural. Os resultados confirmam a influência da herança tectônica do embasamento na geometria dos depocentros das bacias.
Palavras-Chave: Modelagem física, bacia rifte ortogonal, bacia rifte oblíqua, herança do embasamento, Bacia do Rio do Peixe.
Capítulo 5 – Artigo Científico Blanco, A.
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Abstract
The physical modeling tool is being increasingly used in geology to provide information about the evolutionary stages (nucleation, growth and geometry) of geological structures at various scales. In the simulations of extensional tectonics, modeling provides a better understanding of fault geometry and evolution of the tectonic-stratigraphic architecture of rift basins. In this study a sandbox type apparatus was used to study the nucleation and development of basins influenced by previous structures in the basement, variably oriented as regards to the main extensional axis. Two types of experiments were conducted in order to: (i) simulate the individual (independent) development of half-grabens oriented orthogonal or oblique to the extension direction; (ii) simulate the simultaneous development of such half-grabens, orthogonal or oblique to the extension direction. In both cases the same materials (sand mixed with gypsum) were used and the same boundary conditions were maintained. The results were compared with a natural analogue represented by the Rio do Peixe Basin (one of the eocretaceous interior basins of Northeast Brazil). The obtained models allowed to observe the development of segmented border faults with listric geometry, often forming relay ramps, and the development of inner basins faults that affect only the basal strata, like the ones observed in the seismic sections of the natural analogue. The results confirm the importance of basement tectonic heritage in the geometry of rift depocenters.
Keywords: Physical modeling, orthogonal rift basin, oblique rift basin, basement heritage, Rio do Peixe Basin.
INTRODUÇÃO
A arquitetura de bacias sedimentares, o desenvolvimento de falhas distensionais, a geometria de zonas de transferência e os processos envolvidos na formação dessas estruturas têm despertado uma crescente atenção de pesquisadores, tanto na academia como na indústria de hidrocarbonetos, seja em busca do conhecimento do como e porque tais estruturas se desenvolvem, seja pelos aspectos econômicos, devido ao impacto que o arranjo geométrico das estruturas, sua cinemática e interação com processos sedimentares têm com a migração e armazenamento de óleo e gás. As informações de campo, geológicas e geofísicas, vêm sendo acrescidas por dados de modelagem experimental (e numérica), que têm se revelado uma ferramenta importante no estudo da evolução dessas bacias (Corti et al., 2003).
De forma geral, o estudo de bacias sedimentares demanda o conhecimento do seu embasamento pois a sua constituição litológica, contrastes reológicos e comportamento mecânico podem controlar a geometria das bacias sobrepostas, sua estruturação interna e mesmo os modelos de deposição sedimentar (Hall, et al., 2012). O desenvolvimento de riftes continentais é largamente influenciado por "zonas de fraqueza" pré-existentes no embasamento, que quase sempre são representadas por estruturas dúcteis (em especial, zonas de cisalhamento) que são reativadas (ou aproveitadas como um sítio favorável) em nível crustal mais raso. Nesse contexto, a modelagem física tem sido empregada para simular o papel das estruturas herdadas na nucleação (e na arquitetura interna) de bacias controladas por essas descontinuidades, tais com nos riftes da Tailândia (Morley et al., 2004), do Leste da África (Corti et al., 2007), no segmento sudeste da Mid-Polish Trough
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(Gutowski & Koyi, 2007), e no desenvolvimento de zonas de transferência (Acocella et al., 1999, Hus et al., 2005). A depender da orientação relativa entre as estruturas formadas/reativadas (que controlam a geometria dos depocentros) e o eixo de distensão superimposto, as bacias tipo rifte (grabens ou semi-grabens) podem ser designadas como de abertura ortogonal ou oblíqua.
Os trabalhos experimentais geralmente estudam as bacias oblíquas e ortogonais à direção de distensão de forma separada, podendo incluir setores de transição como rampas laterais ou oblíquas. No presente trabalho, além de experimentos com bacias isoladas (ortogonais ou oblíquas), apresentamos também os resultados concernentes ao desenvolvimento simultâneo desses dois tipos de bacia. Em todos os casos, as falhas principais das bacias foram nucleadas em "zonas de fraqueza" pré-existentes no embasamento. Como análogo a este estudo de caso, os resultados são confrontados com a Bacia do Rio do Peixe, uma das bacias interiores eocretáceas do Nordeste do Brasil, composta de sub-bacias (semigráben de Sousa e Brejo das Freiras) com orientações distintas em função do controle das falhas eocretáceas por zonas de cisalhamento brasilianas, com direções distintas. Esta bacia foi objeto de estudos, com participação dos autores deste texto, no âmbito de um projeto UFRN/Petrobras, abordando as bacias interiores do Nordeste.
AS BACIAS INTERIORES DO NORDESTE DO BRASIL: O EXEMPLO DA BACIA DO
RIO DO PEIXE
As "Bacias Interiores" do Nordeste Brasileiro correspondem a um conjunto de bacias sedimentares originadas a partir do preenchimento das depressões geradas na separação dos continentes Africano e Sul-Americano, durante o final do Jurássico e o Eocretáceo. Situadas a norte de uma importante zona de cisalhamento pré-cambriana (o Lineamento Pernambuco), estas bacias pertencem ao Trend Cariri-Potiguar, definindo um eixo de rifteamento Eocretáceo (Ponte et. al, 1991; Françolin 1992; Matos 1992, 1999; Françolin et al., 1994; Ponte & Ponte Filho, 1996; Córdoba et al., 2008). A Bacia do Rio do Peixe localiza-se imediatamente a norte do Lineamento Patos, uma outra zona de cisalhamento com direção E-W e idade pré-cambriana, desenvolvida durante a Orogênese Brasiliana (600-550 Ma). Mais a norte, a Zona de Cisalhamento Portalegre, de orientação NE, enraíza-se a sul no Lineamento de Patos e compartimenta a Bacia do Rio do Peixe em duas sub-bacias: Brejo das Freiras, a oeste, e Sousa, a Leste, esta última tendo se desenvolvido ao longo do Lineamento Patos (figura 1).
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Figura 1 – Mapa simplificado da Bacia do Rio do Peixe com as falhas principais. As zonas de cisalhamento, com trend
NE e E-W (Zona de Cisalhamento Portalegre e Patos, respectivamente) controlaram a margem falhada dos semigráben
de Brejo das Freiras com componente normal, e Sousa com componente oblíqua sinistral, associado ao evento
distensivo NW-SE. (modificado de Jardim de Sá et al., 2010).
Françolin et al., (1994), Córdoba et al., (2008) e Nunes da Silva (2009) descreveram a geometria e cinemática das falhas que controlaram e deformaram a bacia. Segundo esses autores, a "reativação" das zonas de cisalhamento pré-cambrianas da bacia, durante o Eocretáceo, resultou em falhamentos com componente dominantemente normal para a falha de borda do Semigráben de Brejo das Freiras (ancorada em um dos ramos da Zona de Cisalhamento de Portalegre) e oblíqua normal-sinistral para o Semigráben de Sousa, controladas pela direção principal de distensão regional, NNW a NW.
Em ambas as sub-bacias é reconhecida uma margem flexural cujo contato da base da sequência sedimentar exibe geometria curva em mapa, truncando o fabric (fotolineações) do embasamento (figura 1). Esse contato em não conformidade, ou envolvendo falhas com rejeito moderado (antitéticas à principal), é caracterizado na porção NW do Semigráben de Brejo das Freiras (além de Pombal e Icozinho), e na porção norte do Semigráben de Sousa. As margens falhadas exibem a geometria retilínea refletindo o controle das falhas principais, com direção E-W em Sousa e, em Brejo das Freiras, variando desde a direção NE para WNW, na junção com o Lineamento Patos. Rampas de revezamento são desenvolvidas ao longo dessas estruturas.
As unidades sedimentares da bacia, datadas do Eocretáceo, foram depositadas contemporaneamente ao evento distensional. Denominadas de Tectonossequência do Rio do Peixe, as formações Antenor Navarro e Sousa são basculadas contra a falha de borda, enquanto que a Formação Rio Piranhas consiste em leques aluviais acompanhando a falha de borda. Estruturas sinclinais comumente ocorrem bordejando as falhas, formadas pela combinação do basculamento do semigráben (efeito "regional") e flexuras desenvolvidas na propagação das falhas ("dobras de arrasto", na concepção clássica).
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ABORDAGEM EXPERIMENTAL
Modelagem física em geologia
A modelagem física tem sido utilizada na geologia desde o século XIX, com o objetivo de simular o desenvolvimento de estruturas geológicas naturais. Como premissa, a modelagem baseia-se na teoria da similaridade, adaptada à geologia por Hubbert (1937), comparando estruturas geológicas naturais com os modelos físicos.
Os trabalhos em modelagem física envolvem diferentes tipos de ambientes tectônicos, possibilitando uma melhor compreensão de como as estruturas geológicas nucleiam e se desenvolvem. Segundo McClay (1990), a modelagem física tem sido fundamental no estudo do desenvolvimento e evolução de bacias sedimentares e de sistemas de falhas, por ser possível observar os mecanismos responsáveis pela geometria e cinemática dessas estruturas. A modelagem de ambientes distensionais permite uma abordagem em detalhe de temas como os processos que controlam a evolução do sistema de falhas e/ou mudança de polaridade de semigráben, padrão de falhas internas e de borda, a segmentação de falhas e zonas de transferência, a evolução e arquitetura de riftes (Morley et al., 1990; Nelson et al., 1992; McClay & Bonora, 2001; Schlische et
al., 2002).
Para uma melhor correlação entre o modelo físico e o natural, é necessário que o comportamento dos materiais usados no ensaio experimental seja análogo ao das rochas na crosta, a depender do que se pretende simular (Tron & Brun, 1991; McClay & White, 1995; Bonini et al., 1997). Além dos materiais mais convencionais (areia quartzosa, argila, silicone), utilizados na simulação de rochas da crosta superior (Dooley & McClay, 1997), vários outros materiais têm sido testados e empregados em experimentos diversos, tais como gesso, mel, gelatina, mica e microesferas de vidro, entre outros, (McClay et al., 1994; Clifton et al., 1996; Keep et al., 1996; Teixell et al., 2003; Henza et al., 2011). No caso dos modelos escalados é necessário que haja, entre o modelo e o protótipo experimental, similaridade geométrica, cinemática e dinâmica nos modelos testados.
Materiais e equipamentos utilizados neste estudo
Nos experimentos aqui descritos utilizou-se areia quartzosa (oriunda das dunas da cidade de Natal) e pó de gesso. Para simular as rochas do embasamento empregou-se uma mistura homogênea de areia e pó de gesso na proporção de 85% (areia) e 15% (gesso). Nesse composto, parte do gesso é adsorvido à superfície dos grãos de quartzo enquanto outra parte preenche os interstícios granulares (figura 2), o que dota a mistura de um comportamento mais frágil (do que a areia pura) quando submetido à distensão.
Para representar os sedimentos sintectônicos, utilizou-se areia quartzosa tingida artificialmente, para possibilitar a visualização dos estratos por meio do contraste de cor. Embora alguns autores tenham sugerido que a tinta utilizada possa influenciar no comportamento reológico da areia (ver Gomes & Caldeira, 2011, para mais detalhe), essa eventual modificação foi julgada irrelevante neste trabalho, em termos de alteração dos resultados obtidos.
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Figura 2 – a) Fotografia de areia fina a média, tingida de verde e cuja morfologia dos grãos é mostrada na
fotomicrografia no detalhe. b) Fotografia macroscópica da mistura de areia e gesso (85% e 15%, respetivamente). Nos
detalhes, visão microscópica da mistura areia/gesso. As setas em vermelho destacam, à esquerda, o gesso no espaço
intergrãos e, no detalhe à direita, gesso adsorvido pelos grãos de quartzo.
O aparato com dimensões aproximadas de 50 x 34 x 24 cm (comprimento, largura e altura, respectivamente), é constituído por quatro paredes de vidro sendo três delas fixas e uma móvel. Esta última é fixa em um braço mecânico de um motor elétrico que a move em velocidade constante (figura 3).
Figura 3 – Fotografia do aparato deformacional mostrando a caixa de vidro (“caixa de areia”) e o motor responsável pela
movimentação da parede móvel. Laboratório de Modelagem Estrutural no prédio do Laboratório de Geologia e Geofísica
de Petróleo, UFRN (Natal).
Montagem dos modelos
O objetivo dos experimentos foi simular a influência e a importância de descontinuidades do embasamento ("zonas de fraqueza") na nucleação e desenvolvimento das bacias, quando da sua reativação em regime frágil. Nas bacias interiores do Nordeste do Brasil, essas descontinuidades são as zonas miloníticas brasilianas. Para nuclear as falhas, as descontinuidades do embasamento foram simuladas posicionando, na base do aparato, uma anisotropia (descontinuador de velocidade – DV) representada por papel vegetal com uma extremidade contendo a geometria que se deseja simular e, a outra, presa à parede móvel e movimentando-se à mesma velocidade desta (figura 4). Nos dois primeiros tipos de experimentos desenvolvidos, o DV representa uma descontinuidade nucleadora das falhas que vão controlar os semigráben de abertura ortogonal e oblíqua (figuras 4a e 4b). No terceiro tipo experimento, o DV representa as descontinuidades nucleadoras das falhas nos semigráben ortogonal e oblíquo, desenvolvidos simultaneamente durante o evento de distensão (figura 4c).
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O material granular simulando o embasamento foi peneirado na “caixa de areia” de uma altura média de 10 cm, até uma espessura de 2,7 a 3,0 cm de espessura. O experimento foi realizado com a movimentação da parede móvel a uma velocidade constante de 0,42 mm.s-1. A distensão máxima nos experimentos variou de 14% a 26%. Essa variação deve-se ao fator dificuldade/facilidade das bacias serem nucleadas e se desenvolverem, fator esse que depende de sua orientação em relação à direção de distensão.
A sedimentação sintectônica foi simulada pela adição (também via peneiramento), na área da bacia, de areia quartzosa colorida artificialmente (para facilitar a visualização das estruturas).
A fim de facilitar a correlação da orientação das estruturas geradas nos experimentos com aquelas da Bacia do Rio do Peixe, assumiu-se uma orientação de distensão NW-SE, simulando a distensão eocretácea atuante na região Nordeste do Brasil.
Figura 4 – Representação da parte basal do aparato, onde a folha de papel vegetal (cinza) com a geometria do
descontinuador de velocidade (Dv) representa a anisotropia pré-existente. Em a) arquitetura basal para distensão
ortogonal (simulando o Semigráben de Brejo das Freiras) e b) oblíqua (simulando o Semigráben de Sousa), ambos
desenvolvidos isoladamente (de forma independente); comparar com o mapa da Bacia do Rio do Peixe, na figura 1. c)
Distensão gerando os semigráben ortogonal e oblíquo, simultaneamente. As setas pretas indicam a direção do
movimento distensional.
Aquisição dos dados para análise
Durante o experimento foram realizadas fotografias do topo da superfície dos modelos em intervalos distintos, sequenciais. Essas fotografias foram usadas para caracterizar a nucleação e desenvolvimento do sistema de falhas, comprimento individual e orientação das falhas, bem como a evolução da geometria da bacia. No final do experimento, o modelo foi endurecido e cortado em seções transversais, de modo a obter perfis em diversos setores da bacia (figura 5a). Essas seções foram fotografadas (figura 5b) e utilizadas na análise do comportamento das falhas (de borda e interiores às bacias) em profundidade, em termos da sua geometria, espaçamento, rejeito e outros atributos.
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Figura 5 – a) Exemplo de fotografia da superfície do modelo com a localização onde foi seccionado para a geração dos
perfis. Estes perfis podem ser paralelos à direção de distensão (AB) ou perpendiculares à borda da bacia (CD). b)
Exemplo de fotografia de um corte, ilustrando o comportamento das falhas em subsuperfíce. (a) e (b) são fotografias de
modelos distintos.
EVOLUÇÃO INDEPENDENTE DOS SEMIGRÁBEN
Nesta seção serão discutidas as duas séries de experimentos, onde as bacias ortogonal e oblíqua à direção de distensão foram geradas de forma independente, sem interferência mútua no processo de desenvolvimento.
Formação de semigráben por meio de distensão ortogonal à descontinuidade pré-existente.
Nesta série de experimentos distensionais, a bacia se desenvolve com seu eixo maior perpendicular à direção de distensão; no análogo natural, este é o caso do Semigráben de Brejo das Freiras. Essa relação angular se modifica nas terminações, onde podem ser definidos setores do tipo rampa oblíqua, que não serão abordados neste item (mas considerados adiante, neste trabalho). De forma geral, a bacia apresenta o desenvolvimento de uma margem delimitada por uma falha bem marcada, com rejeito normal, enquanto que na margem flexural foram formadas algumas falhas de menor dimensão, segmentadas. Durante o seu desenvolvimento a bacia se alargou e parte das falhas mais precoces, próximas à margem flexural, diminuiram a sua atividade (podendo até mesmo terem se tornado inativas) e, quando recobertas pelos sedimentos sintectônicos, podem ter ficado restritas à subsuperfície. No interior da bacia, as camadas foram basculadas e foi desenvolvido um sistema de falhas antitéticas em relação à falha de borda, subparalelas entre si (leque imbricado). Flexuras geradas na propagação das falhas de borda e antitética resultam no desenvolvimento de uma estrutura sinformal que marca o principal depocentro da bacia.
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Caracterização das falhas de borda
Nos primeiros estágios de deformação a margem falhada exibe, em mapa, uma geometria segmentada, cujos segmentos coalescem nos estágios subsequentes, dando origem à principal falha da bacia (figura 6); no caso da falha de Brejo das Freiras, localizada na borda sudeste, com orientação NE, mergulho para NW e cinemática normal.
Figura 6 – Representação em mapa, a partir de fotografias, da evolução (e = 7%, 9,5% e 14%, respectivamente) da
principal falha da bacia modelada, que define a denominada margem falhada. O retângulo tracejado delimita a porção
ortogonal da bacia, que ao longo dessa estrutura, transiciona (na porção sul) a uma rampa oblíqua (falha de
transferência).
Em perfil, a falha principal da bacia, na borda sudeste, apresenta geometria tendendo a lístrica, com o mergulho passando de cerca de 75º próximo à superfície para cerca de 50º em profundidade. Essa variação de mergulho pode sofrer alterações ao longo da falha, principalmente se considerarmos a extremidade oblíqua da bacia, como ilustrado na figura 7.
Figura 7 – Representação gráfica da intensidade dos mergulhos da falha de borda, obtida nos perfis ao longo da bacia.
O inset mostra a localização dos perfis na bacia. Excetuando os perfis AA’ e BB’, na porção oblíqua da bacia, os
mergulhos nas partes superiores das falhas são mais constantes que nas porções basais.
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Diferentemente da margem sudeste, a margem noroeste da bacia, dita flexural, é marcada pelo desenvolvimento de rampas de revezamento, originadas devido à presença de segmentos de falhas escalonadas (figura 8). Esses segmentos de falhas possuem trend NE e mergulho forte para SE. Um fato a observar é que o mergulho de uma das rampas de revezamento foi invertido ao longo da deformação, sugerindo variação do rejeito ao longo dos planos de falhas, com os incrementos sucessivos da deformação.
Figura 8 – Fotografia do topo do modelo (superfície), em dois estágios distintos da evolução da bacia, mostrando a
presença de rampa de revezamento na margem flexural. Notar a inversão do mergulho da rampa, do estágio mais
precoce (a = 7%) para um estágio mais avançado (b= 14%). A seta branca indica a direção da distensão.
Análise da geometria das falhas internas à bacia
A estruturação interna da bacia é marcada por um conjunto de falhas antitéticas à falha de borda, e um número reduzido de falhas sintéticas. Algumas dessas falhas antitéticas não chegam a se propagar nas camadas sintectônicas mais superiores e assim não são observadas na superfície. As falhas sintéticas, por sua vez, estão restritas à seção inferior do preenchimento sedimentar da bacia e situam-se bem próximas à falha de borda (figura 9). Embora o número de falhas permaneça praticamente constante no decorrer do experimento, observa-se, de sudoeste para nordeste (perfis DD’, EE’ e GG’ na figura 9), uma diminuição no espaçamento das falhas. No sentido inverso (de GG’ para DD’) há um aumento no rejeito da falha antitética que define o depocentro da bacia (falha f na figura 9b).
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Figura 9– a) Representação em mapa da bacia ortogonal (e = 14%), com a localização dos perfis mostrados em b).
Exemplo da estruturação interna da bacia ortogonal é mostrado em (b) onde nota-se pequena alteração no
espaçamento das falhas e no rejeito de algumas delas (falha f, por exemplo). Notar que algumas falhas não atingem a
superfície.
No que diz respeito à intensidade do mergulho das falhas internas à bacia, nota-se uma variação em função da sua localização, tendo como referência a falha de borda (figura 10). De modo geral as falhas que apresentam mergulho mais forte são aquelas mais próximas às bordas sudeste e noroeste, com uma diminuição nas porções mais centrais. Excetuando as falhas do perfil GG’, todos os demais perfis mostram que as falhas internas mais distantes da margem falhada exibem mergulhos ligeiramente superiores àquelas mais próximas à falha principal (figura 10).
Figura 10 – Relação entre o ângulo de mergulho (θ) das falhas internas da bacia e a distância (D) à falha de borda da
bacia. Notar mergulhos menores na parte central da bacia. A localização dos perfis é ilustrada na figura 9a.
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Formação de semigráben através de distensão oblíqua à descontinuidade pré-existente.
Este ensaio experimental exemplifica o desenvolvimento de uma bacia cuja orientação é oblíqua à direção de distensão; no análogo natural, este é o caso do Semigráben de Sousa. As condições de contorno são idênticas àquelas dos experimentos descritos anteriormente, diferindo apenas na orientação da descontinuidade prévia nucleadora da bacia (DV, cf. Figura 4b).
O monitoramento da largura da bacia (ω) foi feito medindo, em um mesmo local na superfície, a distância entre as duas margens (delimitadas pelas falhas mais externas aflorantes) nos diversos incrementos deformacionais. Nos estágios iniciais de distensão a abertura da bacia é feita de forma relativamente homogênea (até cerca de 9,6% de distensão, figura 11a) e, depois de estabilizada numa mesma largura durante alguns incrementos adicionais, a mesma passa a exibir um comportamento irregular (figura 11a). Esse comportamento é interpretado como devido à migração da deformação da margem flexural em direção ao centro da bacia, com geração de falhas em overstep, com o aumento da distensão e sendo parcialmente recoberta pela sedimentação sintectônica, fazendo variar o valor de ω (figura 11b).
Figura 11- a) Gráfico mostrando o desenvolvimento da abertura da bacia (ω) ao longo dos diversos incrementos
deformacionais. A foto mostra um exemplo da obtenção de ω. b) Perfil ilustrando o desenvolvimento sequencial das
falhas no interior da bacia, com propagação em direção ao centro da bacia (F1 a F5). A falha de borda é representada
por Fb.
Ao longo da margem flexural da bacia foi desenvolvido um sistema de falhas antitéticas à falha principal que se apresentam escalonadas (figura 12a) e com provável rejeito normal-oblíquo. O escalonamento dessas falhas gera degraus em subsuperfície (figura 12b). A flexura das camadas sintectônicas, na falha principal e na falha antitética mais próxima, é responsável pela presença de uma estrutura sinclinal nessa região.
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Figura 12 – Mapa e perfis mostrando a distribuição das falhas oblíquas/normais na superfície e subsuperfície da bacia
oblíqua (em relação a direção de distensão). Notar que a maioria das falhas antitéticas não aflora no estágio
deformacional ilustrado em (a), sendo encobertas pela sedimentação sintectônica, como pode ser observado nos perfis
de (b).
Caracterização das falhas de borda
A falha da borda sul da bacia é representada por um grande segmento central desenvolvido nos estágios iniciais e alguns segmentos menores nas extremidades leste e oeste, os quais coalescem formando um grande semi-arco com suave concavidade para norte (figura 13).
Figura 13 – Desenvolvimento da falha de borda (traçado em vermelho) da bacia oblíqua, em três estágios da
deformação (e = 5%, 13% e 18% respectivamente) ilustrando a coalescência de seus segmentos.
Essa falha principal exibe mergulho mais acentuado próximo à superfície e menor em profundidade, com tendência a formar uma geometria lístrica. Essa geometria é menos pronunciada nos perfil EE’ e GG’(perpendiculares a bacia) (figura 14). A intensidade do mergulho dos segmentos superiores e basais da falha varia de acordo com sua posição na bacia (figura 14).
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Figura 14 – Variação da intensidade do mergulho da falha de borda entre as porções mais superficiais e mais profundas
da bacia ao longo de perfis paralelos a direção de distensão (AA’, CC’, DD’, HH’) e aproximadamente perpendicular a
bacia (BB’, EE’ e GG’).
A margem norte da bacia, dita flexural, é marcada pela presença de pequenos segmentos de falha escalonados e não paralelos, delineando uma geometria curva com concavidade para norte e cujo traço geral é paralelo à margem falhada (figura 15). O arranjo geométrico desses segmentos provoca o desenvolvimento de diversas rampas de revezamento com declividade para sudoeste.
Figura 15- Vista em mapa a) e em perspectiva b) de segmentos de falhas revezados na margem flexural da bacia,
oblíqua à direção de distensão (setas brancas). Entre os segmentos há a formação de rampas de revezamento com
mergulho para sudoeste.
Análise da geometria das falhas internas à bacia
O estudo das falhas no interior da bacia foi feito em dois tipos de perfis, paralelos à direção de distensão e aproximadamente perpendiculares à bacia. Em ambos os casos, observa-se o desenvolvimento de um sistema de falhas normais antitéticas bem marcado, enquanto que as falhas
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sintéticas à falha principal são bastante subordinadas (figura 16). O depocentro da bacia localiza-se sempre entre a falha de borda e a primeira grande falha antitética.
Figura 16 – Ilustração dos dois conjuntos de perfis obtidos no experimento com bacia oblíqua: paralelos à direção de
distensão (AA’, DD’) e perpendiculares à falha de borda (BB’, EE’ e GG’) da bacia. A localização dos perfis é mostrada
no inset (lado inferior esquerdo da figura), onde a falha de borda aparece em vermelho.
Nos perfis paralelos à direção de distensão e embora o número de falhas não seja muito diferente, o espaçamento entre elas é distinto. Na parte mais central da bacia (perfil DD’), a distância entre as falhas bem como o rejeito da maioria delas, são maiores que aqueles nas extremidades da bacia (perfil AA’) (figura 16). Os mergulhos dessas falhas, via de regra, são maiores nas porções mais distantes da falha de borda. O comportamento dos mergulhos nos perfis centrais da bacia (CC’ e DD’) é bastante similar (Figura 17a). Nos perfis perpendiculares à bacia observa-se, no geral, um número maior de falhas que no grupo anterior. Isto se deve ao caráter segmentado das falhas (são mais abundantes em algumas partes da bacia) e a localização dos perfis (Figura 16). O comportamento do mergulho das falhas é similar ao do grupo anterior, com uma diminuição do ângulo das falhas da porção central da bacia em relação àquelas das porções mais afastadas da falha de borda (figura 17b). O cenário descrito acima é interpretado como devido a uma maior rotação dos planos de falhas da porção central da bacia durante a deformação, resultando em mergulhos relativamente mais baixos. Outro fator que pode ter contribuido para essa diferença é o comportamento reológico das camadas seccionadas pelas falhas. As falhas mais exteriores afetam grande parte do “embasamento” enquanto as falhas mais centrais afetam principalmente as camadas sintectônicas (figura 12b).
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Figura 17 – Representação gráfica da relação entre a distância das falhas antitéticas à falha de borda, e seu mergulho.
Em a) estão representados os perfis paralelos à direção de distensão e, em b), os perfis perpendiculares à bacia. Em
ambos os gráficos nota-se que as falhas da porção central da bacia exibem mergulhos ligeiramente inferiores àqueles
das falhas mais afastadas da falha de borda.
FORMAÇÃO SINCRÔNICA DE SEMIGRÁBEN ORTOGONAIS E OBLÍQUOS À
DIREÇÃO DE DISTENSÃO.
Nesta série de experimentos simulou-se a geração simultânea de duas bacias, induzidas por "zonas de fraqueza" do embasamento, orientadas ortogonal ou obliquamente à direção de distensão. Assim, é possível comparar as estruturas geradas nas bacias com aquelas geradas individualmente, como descritas nos modelos precedentes, e avaliar a possível influência que a simultaneidade possa ter no arcabouço estrutural das bacias. Os procedimentos experimentais foram iguais aos dos experimentos prescedentes, com exceção da geometria das zonas de fraquezas simuladas pelos DVs (cf. figura 4c).
A bacia ortogonal iniciou o processo de abertura antes da oblíqua. A velocidade de abertura das bacias oscilou no tempo, o que implica na variação da intensidade de abertura. Ora a bacia ortogonal abria mais rapidamente que a oblíqua, ora o inverso ocorria. Em ambas as bacias foi implantada uma margem com falhas bem desenvolvidas e, nas suas porções internas, as falhas antitéticas dominaram sobre as sintéticas.
Caracterização das falhas de borda
O desenvolvimento das margens falhadas é bem visível em mapa durante todos os estágios de deformação. Em geral, são gerados segmentos de primeira e segunda ordem que coalescem rapidamente. Enquanto a falha da borda sudeste da bacia ortogonal é mais retilínea, com direção NE-SW, a falha de borda da bacia oblíqua possui direção E-W e mostra-se ligeiramente arqueada com concavidade para norte (figura 18).
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Figura 18 – Fotografia do topo (superfície) do modelo (Ɛ = 18%) contemplando o desenvolvimento simultâneo de duas
bacias, ortogonal (à esquerda na figura) e obliqua (à direita) à direção de distensão (marcada pela seta branca).
Comparar o arranjo com a figura 1. As linhas tracejadas representam a localização dos perfis ilustrados na figura 20.
A variação do mergulho dos planos de falhas, nas porções superiores e inferiores, nas extremidades SW das bacias (perfil AA’, figura 19), indicam geometria listrica. Esse comportamento se repete nos demais perfis da bacia ortogonal (perfil CC’, figura 19).
Nos últimos estágios de deformação, enquanto a bacia ortogonal continuava o processo de abertura, grande parte das falhas da bacia oblíqua permaneceu inativa, resultando em uma parada na abertura dessa bacia. Dado a essa inatividade das falhas, essas estruturas não se propagaram até a superfície, ficando encobertas pela ultima camada de sedimentação sintectônica (figura 18).
Figura 19 – Relação do mergulho das falhas de borda, em superfície e subsuperfície, das bacias ortogonal e oblíqua.
Nas suas extremidades oeste/sudoeste, nota-se que a parte superior da falha de borda da bacia oblíqua tem mergulho
maior que aquela da bacia ortogonal (AA’), enquanto nas partes mais centrais (CC’ e C’’C’’’) ocorre o inverso. O inset
mostra a localização dos perfis paralelos ou oblíquos à direção de distensão.
Análise da geometria das falhas internas às bacias
No interior da bacia ortogonal predominam falhas antitéticas à falha de borda, embora também ocorram pequenos falhamentos sintéticos nas proximidades da falha principal. Em geral, as
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falhas antitéticas cortam o pacote sedimentar e também afetam o embasamento cristalino. Na bacia ortogonal o número de falhas é ligeiramente superior àquele da bacia oblíqua.
Várias dessas falhas internas às bacias não se propagam até a superfície. Em superfície, essas falhas são mais desenvolvidas na bacia ortogonal, formando degraus e pequenas rampas de revezamento, principalmente nos extremos da bacia e no limite entre a porção ortogonal e a rampa oblíqua, onde ocorre uma falha de transferência que une a falha de borda da bacia ortogonal, com uma das falhas internas na margem flexural da bacia oblíqua.
Em ambas as bacias, a primeira falha antitética importante define, junto com a falha de borda, o depocentro; na bacia ortogonal o depocentro é mais largo na extremidade sudoeste, onde a bacia faz uma inflexão para oeste (perfis AA’, BB’ e CC’, figura 20). Na bacia oblíqua o comportamento do depocentro é inverso, tornando-se mais largo em direção ao centro da bacia (perfís AA’, B’’B’’’ e C’’C’’’, na figura 20). Na extremidade sudoeste da bacia oblíqua, o perfil AA’ não mostra a nucleação de falhas antitéticas e o depocentro é definido pelo mergulho das camadas sintectônicas em direção à falha de borda, numa típica geometria em semi-graben.
Figura 20 – Perfis transversais às bacias ortogonal (BB’ e CC’) e oblíqua (C’’C’’’ e B’’B’’’). O perfil AA’ secciona ambas
as bacias (ver inset da figura 19 para localização dos perfis). Nota-se uma variação na largura da região do depocentro,
bem como no mergulho das falhas internas às bacias. Notar que algumas falhas não se propagam até a superfície.
A intensidade do mergulho das falhas varia com a distância da falha de borda, havendo uma tendência à compartimentação em três domínios. Mais próximo às bordas falhadas, as falhas internas das bacias possuem intensidade de mergulho moderada (56º-68º); na porção intermediária
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os mergulhos diminuem, em comparação ao domínio anterior e, no dominio mais distal, as falhas exibem os mergulhos mais elevados (65º-75º) (figura 21). Na bacia ortogonal, as falhas do domínio proximal do perfil CC’ mostram um comportamento anômalo, com intensa variação de mergulho. Não foi possível estabelecer se o mergulho mais baixo de algumas falhas é fruto do processo de rotação ou se essas falhas foram originalmente nucleadas com mergulhos mais baixos.
Figura 21 – Ilustração gráfica da variação dos mergulhos das falhas internas às bacias, com a distância em relação à
falha de borda. a) Bacia ortogonal; b) bacia oblíqua. Notar que, no geral, as falhas mais distantes da falha de borda
possuem mergulho mais forte do que aquelas mais próximas.
COMPARAÇÃO ENTRE AS ESTRUTURAS EXPERIMENTAIS E A BACIA DO RIO DO
PEIXE.
As bacias interiores do Nordeste brasileiro se desenvolveram contemporaneamente, em resposta à distensão NW-SE eocretácea que culminou com a abertura do Atlântico Sul, com nítido controle pelas estruturas ("zonas de fraqueza") do embasamento. Os dados experimentais aqui apresentados são comparados com os dados disponíveis sobre a Bacia do Rio do Peixe, em especial os semigráben de Brejo das Freiras e Sousa, orientados de forma ortogonal e oblíqua, respectivamente, à distensão NW-SE.
O arranjo arquitetural em subsuperfície da Bacia do Rio do Peixe é revelado por linhas sísmicas adquiridas pelo Projeto Bacias Interiores do Nordeste do Brasil (UFRN/Petrobras) e duas delas são ilustradas a seguir, para fins de comparação com os resultados da modelagem física. As linhas sísmicas 0295-2090 e 0295-2088 (figuras 22a e 22b) possuem orientação NW-SE sendo que a primeira delas secciona as duas sub-bacias (Sousa e Brejo das Freiras) enquanto que a segunda corta apenas a Sub-bacia de Sousa. A linha 0295-2090 mostra os dois semi-grabens controlados pelas respectivas falhas de borda, que definem um alto de embasamento (subaflorante) entre as mesmas (ver também figura 22c). As falhas de borda apresentam um decréscimo no ângulo de mergulho com a profundidade, tendendo a uma geometria lístrica. A sub-bacia de Brejo das Freiras mostra a predominância de falhas sintéticas, da falha de borda à margem flexual, onde há, agora, uma concentração de falhas antitéticas de menor porte (figura 22a). A margem falhada, porção SE da sub-bacia, exibe a presença de um conjunto de três falhas que se unificam e se enraizam no embasamento como uma estrutura única. Na sub-bacia de Sousa, embora com um número de falhas internas bastante reduzido, ocorre o inverso, com pequenas falhas antitéticas mais próximas à falha de borda enquanto que as sintéticas ocorrem mais próximas à margem flexural e a falha de borda é uma estrutura única (figura 22a). No que diz respeito às falhas internas, esse fato se repete na seção
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0295-2088 que, como particularidade, exibe na borda falhada mais de uma falha, gerando batentes e, na extremidade NW da seção, uma falha sintética importante delimita um novo depocentro (figura 22b). Em ambas as seções, várias das falhas internas à bacia (sintéticas e antitéticas) não atingem a superfície. A geometria lístrica das falhas de borda e um número relativamente pequeno de falhas interiores às bacias também é sugerido pelo perfil da figura 22c, baseada em dados de campo (Jardim de Sá et al., 2010).
A modelagem simultânea das sub-bacias mostrou o desenvolvimento de uma sub-bacia mais ampla, cuja abertura foi ortogonal a direção de distensão, equivalente a sub-bacia de Brejo das Freiras, e outro semigráben de abertura mais restrita, oblíquo à direção de distensão, equivalente a Sub-bacia de Sousa (figura 22d). Os resultados experimentais exibem semelhanças e diferenças em relação ao análogo de campo. Como principais semelhanças destacam-se a geometria das falhas de borda, que se apresenta lístrica, às vezes com o desenvolvimento de degraus (figuras 22d, 22e), podendo se mostrarem ramificadas, como observado nas seções sísmicas e pela interpretação dos dados de campo. São também características as dobras de propagação de falhas, formando estruturas sinclinais (ou em bacia) que permitem definir as regiões de depocentro. O depocentro da Sub-bacia de Brejo das Freiras é mais profundo que aquele da Sub-bacia de Sousa. A presença de falhas com desenvolvimento restrito às camadas mais inferiores das bacias também é um fato comum nos perfís da modelagem física (cf. figura 20), em consonância com a estruturação ilustrada nas seções sísmicas.
O principal contraste nos resultados obtidos relaciona-se ao expressivo desenvolvimento, na modelagem, de falhas antitéticas. Tomando como exemplo o semigráben de abertura ortogonal, observa-se a geração de uma série de falhas antitéticas na margem flexural, a exemplo do modelo natural; todavia, a continuação desse sistema de falhas em direção à borda falhada difere do modelo natural, que nessa região exibe várias falhas sintéticas (comparar as figuras 22d e 22a). O número de falhas antitéticas desenvolvidas nos perfís das figuras 9b e 16 é superior àquele visualizado nas seções sísmicas. As falhas sintéticas, pouco desenvolvidas nos experimentos, são mais comuns na Sub-bacia de Brejo das Freiras que na Sub-bacia de Sousa e são, em maioria, localizadas no embasamento e atingindo apenas as camadas mais basais das bacias (ver figura 22a). Esse fato sugere a presença de descontinuidades menores no substrato da bacia, não consideradas na modelagem, que sofreram pequena reativação durante o processo de distensão.
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Figura 22 – Ilustração das linhas sísmicas 0295-2090 a) e 0295-2088 b) da Bacia do Rio do Peixe; c) perfil ilustrando o
comportamento das duas sub-bacias com base nos dados estruturais de campo (Jardim de Sá et al., 2010); d) seção
obtida com a simulação de desenvolvimento simultâneo de uma bacia ortogonal e outra oblíqua à direção de distensão;
e) seção obtida da simulação da bacia obliqua, mostrando a falha de borda ramificada com a formação de degraus; f)
mapa da Bacia do Rio do Peixe (Jardim de Sá et al., 2010) com localização dos perfis sísmicos, de campo e da
modelagem física. A interpretação estrutural das seções sísmicas foi feita pelo Prof. A. F. Antunes (UFRN), com
contribuição subordinada do primeiro autor deste trabalho.
CONCLUSÕES
Um dos principais aspectos a destacar na modelagem realizada, é o desenvolvimento, no tempo e no espaço, das falhas que dão o contorno principal das bacias. A influência da trama pretérita (herdada do embasamento) na geometria e desenvolvimento das bacias foi reproduzida com sucesso e assim confirmada. Quando as bacias ortogonal e oblíqua à direção de distensão foram geradas de forma independente, observou-se a conservação parcial da sua largura durante alguns incrementos deformacionais (figura 11) que são interpretados como devido à transferência da deformação para uma nova falha mais interna ao semigráben, com as falhas mais antigas ficando encoberta pela sedimentação sintectônica (o monitoramento foi feito na superfície). Esse fato também sugere a migração, de NW para SE, dos depocentros dos semigráben. Quando a geração dos semigráben foi simultânea, verificou-se que a abertura de um semigráben interfere, de alguma forma, no desenvolvimento temporal e na velocidade/intensidade de abertura do outro. Em determinados momentos, um dos semigráben respondia menos aos incrementos deformacionais, resultando em quiecência ou sensível retardo na sua abertura. Comparando os perfís GG’ (figura 9) e CC’ (figura 20) verifica-se que o semigráben ortogonal, quando desenvolvido simultaneamente
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com o oblíquo, apresenta-se mais largo e com o depocentro mais raso. No caso do semigráben oblíquo, o depocentro continua sendo mais raso para o desenvolvimento em simultâneo, mas sua largura é inferior àquela apresentada no caso de geração independente (cf. perfis C”C”’ e CC’ das figuras 20 e 12, respectivamente). Esse fato sugere a partição da deformação entre os dois semigráben, quando as mesmas são geradas simultaneamente. Essa interpretação é reforçada pela variação na velocidade e no tempo de abertura das bacias, uma vez que ao longo do experimento o semigráben ortogonal abriu primeiro que o oblíquo, mas ambas mostraram intervalos com menor deformação, ao longo dos incrementos na distensão.
Algumas das falhas, atualmente mapeadas como estruturas contínuas, desenvolveram-se, segundo a modelagem, por meio da interligação de segmentos escalonados, geralmente formando rampas de revezamento (cf. figura 15), o que pode ter implicações na forma de aporte de material para a bacia. O monitoramento, em superfície, da evolução desses segmentos mostrou alternância de coalescência e nova segmentação (às vezes com direção ligeiramente diferente da precedente), implicando que essas falhas apresentam uma geometria não regular.
O não aparecimento na modelagem de algumas falhas internas à bacia, como as estruturas de direção NE na Sub-bacia de Sousa (figuras 20b e 20f), sugere que as falhas naturais devem estar ligadas à reativação de uma estrutura antiga do embasamento da bacia, que não foi considerada na simulação.
O conhecimento da localização de depocentros, rampas de revezamento e geometria das falhas fornece subsídios para interpretações dos sítios e rotas mais adequadas à geração, migração e acumulação de hidrocarbonetos, mostrando que a modelagem pode ser uma ferramenta adicional à interpretação da evolução de bacias sedimentares e sua avaliação exploratória.
AGRADECIMENTOS
A.J.P.C.B. agradece a Agência Nacional do Petróleo – ANP, através do PRH-22, pela bolsa de mestrado no Programa de Pós-Graduação em Geodinâmica e Geofísica da UFRN. O Laboratório de Modelagem Física do PPGG conta com o apoio do CENPES- PETROBRAS.
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Capítulo 6
Comparação entre os
Modelos experimentais e o
Análogo natural
Capítulo 6 – Comparação entre os modelos experimentais e o análogo natural Blanco, A.
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Neste capítulo são feitas, primeiramente, comparações entre os modelos experimentais
abordando a formação isolada ou sincrônica de semigráben ortogonais e oblíquos à direção de
distensão. Esta comparação é realizada com base no último estágio de deformação de cada
semigráben ou experimento (ou seja, a sua geometria final), tanto em superfície como em
subsuperfície (perfis). Posteriormente esses resultados são comparados com o análogo natural, a
Bacia do Rio do Peixe, caracterizada estruturalmente por meio de mapeamento de campo e da
interpretação de linhas sísmicas orientadas segundo o eixo de distensão determinado na região.
6.1- Comparação entre os modelos experimentais de semigráben.
Nos semigráben modelados de forma isolada, comparativamente àqueles modelados com
desenvolvimento simultâneo, verifica-se, além das semelhanças, diferenças importantes. Nos
experimentos de geração de semigráben ortogonais observa-se que, quando gerado isoladamente,
este semigráben evolui mais rapidamente do que quando o seu desenvolvimento é simultâneo ao
de um semigráben oblíquo. Isto sugere que, para um mesmo estágio de desenvolvimento, o grau
de complexidade desse semigráben (representado pela expressão de suas falhas em superfície)
gerado individualmente é atingido com menor magnitude de deformação (% e) do que quando
gerado simultaneamente com o semigráben oblíquo. A figura 6.1 mostra a configuração final dos
semigráben ortogonais que, embora semelhantes, foram adquiridas em estágios com magnitudes
de deformação distintas. O semigráben desenvolvido simultaneamente com o semigráben
oblíquo necessitou de maior deformação (e = 18%) para atingir a configuração semelhante à do
semigráben modelado de forma independente (e = 14,3%, figura 6.1). Este fato sugere que o
desenvolvimento de um semigráben influenciou no desenvolvimento do outro, quando a abertura
é feita simultaneamente.
Capítulo 6 – Comparação entre os modelos experimentais e o análogo natural Blanco, A.
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Figura 6.1 – Ilustração em mapa dos últimos estágios de deformação de um semigráben ortogonal: (a) desenvolvimento isolado e
(b) desenvolvimento simultâneo com um semigráben oblíquo à direção de distensão (cujo arranjo está representado na figura 18
do capítulo 5). A estruturação similar dos semigráben foi atingida com diferentes percentagens de deformação, sugestivo da
interferência mútua nos processos de desenvolvimento, quando gerados simultaneamente.
Os modelos de semigráben oblíquos à direção de distensão, isolada ou simultaneamente com
o semigráben ortogonal, apresentaram diferenças na geometria final da deformação (estabelecida
com e= 18%). No modelo isolado, a margem flexural exibe segmentos de falhas escalonados,
formando rampas de revezamento com mergulhos para oeste/sudoeste (figuras 6.2 e 6.3a). No
modelo gerado simultaneamente a um semigráben ortogonal, a margem flexural do semigráben
oblíquo não evidencia um sistema de falhas em superfície, no estágio final de deformação; no
caso, um sistema de falhas desenvolvido precocemente ocorre apenas em subsuperfície, sendo
capeado por sedimentos sintectônicos (perfis B’’B’’’ e C’’C’’’ da figura 20 do capítulo 5). A
ausência de expressão superficial desse sistema de falhas, no estágio final de deformação, sugere
que, neste experimento, seria necessário uma maior magnitude de deformação para que a
geometria do semigráben oblíquo se tornasse semelhante àquela do desenvolvimento isolado.
Capítulo 6 – Comparação entre os modelos experimentais e o análogo natural Blanco, A.
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Figura 6.2 - Exemplo de rampa de revezamento gerada na margem flexural do semigráben oblíquo desenvolvido de forma
isolada. A seta amarela indica o mergulho, para oeste, da rampa de revezamento.
Figura 6.3 – Fotografia, com as falhas interpretadas, da superfície dos experimentos que geraram semigráben oblíquos: (a) de
forma independente e (b) de forma simultânea ao semigráben ortogonal. Em ambos a distensão foi a mesma (e= 18%). No caso
(b), notar que, embora existam outras falhas (formadas em estágios precedentes) em subsuperfície, no estágio representado
(final) apenas a falha principal é visível na superfície, sugerindo que a evolução deste semigráben oblíquo sofreu influência da
nucleação simultânea ao semigráben ortogonal.
Em subsuperfície os semigráben também mostraram particularidades na sua geometria,
quando desenvolvidos de forma isolada ou simultânea. Deve ser observado que essas
particularidades, como o número de falhas ou sua disposição espacial, podem variar dependendo
de onde é feito o corte (perfil) no experimento. De forma geral, o semigráben ortogonal é mais
amplo, e as falhas antitéticas apresentam mergulhos mais baixos, quando gerado
simultaneamente ao semigráben oblíquo, comparativamente ao modelo de geração independente
(figura 6.4a,b). Nos modelos de semigráben oblíquos, a largura é maior e as falhas antitéticas
Capítulo 6 – Comparação entre os modelos experimentais e o análogo natural Blanco, A.
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ocorrem em maior número, quando gerado individualmente (figura 6.4c), enquanto que no
modelo sincrônico o mesmo apresenta-se mais estreito e desprovido de falhamentos antitéticos
na margem flexural (extremidade sudeste da figura 6.4a). Na figura 20 do capítulo 5 são
ilustrados outros cortes do semigráben oblíquo gerado simultanemente ao ortogonal, onde se
observam falhas antitéticas na margem flexural, mas sempre em menor número que no modelo
individual.
Figura 6.4 - Perfis obtidos nos experimentos de modelagem física (desenhados a partir de fotografia dos experimentos), para
comparação entre os modelos de desenvolvimento simultâneo de semigráben ortogonal e oblíquo à direção de distensão (a) ,
com aqueles desenvolvidos de forma isolada (b,c, semigráben ortogonal e oblíquo, respectivamente).
6.2- Comparação entre o análogo natural e os modelos experimentais de semigráben.
Durante a abertura do Atlântico Sul, zonas de cisalhamento pré-cambrianas no Nordeste do
Brasil foram reativadas e/ou controlaram o desenvolvimento das bacias interiores, tais como a
Bacia do Rio do Peixe. Sob a ação de um campo de esforços com distensão NW-SE, as falhas de
borda dos semigráben de Sousa e de Brejo das Freiras (figura 6.5) foram desenvolvidas sob
controle ou influência da trama dúctil das zonas de cisalhamento Patos (E-W) e Portalegre (NE-
SW) (Françolin et al., 1994; Córdoba et al., 2008; Jardim de Sá et al., 2010).
Capítulo 6 – Comparação entre os modelos experimentais e o análogo natural Blanco, A.
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Figura 6.5 – Mapa simplificado da Bacia do Rio do Peixe, com representação das falhas principais. As zonas de cisalhamento,
com trend NE e E-W (Portalegre e Patos, respectivamente) controlaram a margem falhada dos semigráben de Brejo das Freiras
com desenvolvimento de falhas normais (ou oblíquas na rampa lateral a sul), e de Sousa com rejeito oblíquo normal-sinistral,
associado ao evento distensivo eocretáceo NW-SE (Jardim de Sá et al., 2010).
O arranjo geométrico em subsuperficie, da Bacia do Rio do Peixe, é ilustrado por linhas
sísmicas adquiridas pelo Projeto Bacias Interiores do Nordeste do Brasil (UFRN/Petrobras).
Duas dessas linhas, orientadas NW-SE de acordo com a direção de distensão, são apresentadas
neste trabalho, para comparação com os modelos experimentais físicos. A linha sísmica 0295-
2090 secciona os semigráben de Brejo das Freiras e Sousa, enquanto que a linha 0295-2088
secciona a porção central do semigráben de Sousa. A primeira (figura 6.6a) mostra a geometria
dos dois semi-grabens controlados por falhas de borda e separados por um alto estrutural do
embasamento (o "alto", ou degrau de Santa Helena), não aflorante nesta linha. As falhas de borda
dos semigráben exibem diminuição de mergulho em profundidade, tendendo a uma geometria
lístrica, com a particularidade de que, em Brejo das Freiras, a falha de borda encontra-se
ramificada em direção ao topo, gerando degraus controlados por esses vários ramos da falha. No
semigráben de Brejo das Freiras há uma maior concentração de falhas sintéticas próximas à
margem falhada, enquanto na margem flexural existe um pequeno número de falhas antitéticas,
planar e curviplanar, mas de pequeno porte. No semigráben de Sousa, as falhas sintéticas são
restritas à margem flexural, com pequenas falhas antitéticas próximas ao depocentro. Os dois
semigráben exibem diferenças de profundidade do depocentro, maior no semigráben de Brejo
das Freiras.
A linha sísmica 0295-2088 (figura 6.6b) mostra a falha de borda do semigráben de Sousa,
novamente ramificada definindo degraus. Próximo à margem flexural ocorre uma importante
falha diagonal, sintética, também com tendência a geometria lístrica e definindo um depocentro a
Capítulo 6 – Comparação entre os modelos experimentais e o análogo natural Blanco, A.
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NW da mesma, embora subordinado em profundidade com respeito àquele próximo à falha de
borda (figura 6.6b). A maior concentração de falhas antitéticas localiza-se junto à falha de borda
e na margem flexural. As falhas antitéticas ocorrem na interface do topo do embasamento e as
camadas basais do semigráben, não alcançando a superfície.
Figura 6.6 – (a) Ilustração da linha sísmica 0295-2090 e (b) da linha sísmica 0295-2088 da Bacia do Rio do Peixe, mostrando a
distribuição e geometria das falhas em subsuperficie. Em (a), são observados os semigráben de Brejo das Freiras, a NW, e de
Sousa, a SE. A linha (b) atravessa apenas o semigráben de Sousa. Interpretação estrutural realizada pelo Prof. Dr. A.F. Antunes
do DG-UFRN, com contribuição subordinada do autor desta dissertação.
Nos experimentos físicos de desenvolvimento simultâneo dos semigráben ortogonal e
oblíquo, a direção de distensão foi convencionada ser NW-SE, equivalente àquela que deu
origem aos semigráben de Brejo das Freiras e Sousa. Os perfis dos experimentos mostraram
semelhanças e alguns contrastes com o modelo natural (figura 6.7). Como principais
semelhanças são destacadas a geometria lístrica das falhas de borda nos dois semigrábens, e o
desenvolvimento de ramificações na falha principal do semigráben ortogonal, formando degraus
(no caso, a figura 6.7a). A estrutura sinclinal desenvolvida pela combinação do basculamento
contra a falha de borda, e a propagação dessa estrutura (feição de "arrasto"), é também
Capítulo 6 – Comparação entre os modelos experimentais e o análogo natural Blanco, A.
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reproduzida nos experimentos, em coerência com os dados de campo (figura 6.7b) e linhas
sísmicas (figura 6.6). Os perfis obtidos com base nos dados de mapeamento de campo (figura
6.7c; Jardim de Sá et al., 2010), e aqueles do experimento, têm orientação ligeiramente diferente
embora exibam semelhanças na geometria interna. Tal como ilustrado na linha sísmica 0295-
2090 (figura 6.6a), o modelo físico também evidenciou maior profundidade do depocentro no
semigráben ortogonal, e maior frequência de falhamentos na porção basal deste semigráben, os
quais não se propagam até à superfície. Por outro lado, o número de falhas antitéticas é superior
à do modelo natural. Embora a presença de falhas antitéticas na margem flexural seja condizente
entre o modelo físico e o análogo natural, a propagação desse sistema de falhas em direção ao
depocentro do semigráben ortogonal, no modelo físico, contrasta com a maior frequência de
falhas sintéticas identificadas na linha sísmica 0295-2090 (comparar figuras 6.7a e 6.6a).
Figura 6.7 – (a) Seção obtida no experimento simulando o desenvolvimento simultâneo dos semigráben ortogonal e oblíquo em
relação à direção de movimento; (b) perfil esquemático gerado com dados de mapeamento da Bacia do Rio do Peixe (Nunes da
Silva, 2009; Jardim de Sá et al., 2010); c) Mapa da Bacia do Rio do Peixe com localização dos perfis da modelagem física e do
mapeamento de campo (Jardim de Sá et al., 2010).
Considera-se que o modelo simultâneo de semigráben ortogonais e oblíquos à direção de
distensão, é o que melhor representa a Bacia do Rio do Peixe. Dados estratigráficos sugerem que
abertura do Semigráben de Brejo das Freiras foi anterior àquela do Semigráben de Sousa
(Córdoba et al., 2008), o que foi reproduzido no modelo experimental simultâneo. Embora a
estruturação interna dos modelos físicos gerados simultaneamente não reproduzam fielmente
Capítulo 6 – Comparação entre os modelos experimentais e o análogo natural Blanco, A.
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aquela ilustrada nas linhas sísmicas, a maior concentração de falhas sintéticas junto à falha de
borda do semigráben de Brejo das Freiras pode ser explicada pelo fato de que, no experimento, o
movimento distensional é aplicado apenas em uma extremidade do modelo. Internamente, a
presença de um sistema de falhas antitético na margem flexural, e aflorante, é uma feição não
observada no análogo natural. Finalmente, a geometria das falhas de borda de ambos os
semigráben controla a sua assimetria e dobramentos relacionados, o que é condizente tanto com
os dados de mapeamento com as seções sísmicas apresentadas.
Capítulo 7
Discussões e Conclusões
Capítulo 7 – Discussões e Conclusões Blanco, A.
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Os vários experimentos realizados permitiram melhorar o conhecimento da arquitetura de
semigráben por meio da modelagem física da tectônica distensional. Os trabalhos focaram mais
especificamente no desenvolvimento espaço-temporal (4D) das falhas principais e internas das
bacias, explorando a sua relação com alguns parâmetros, tais como a obliquidade do semigráben
em relação à direção de distensão, que por sua vez é influenciada pela trama e/ou
descontinuidades antigas no seu substrato.
Uma característica comum em todos os experimentos é que as falhas são nucleadas a partir de
segmentos que podem exibir pequenas variações na direção e que coalescem durante a
progressão da deformação; este tipo de evolução é exemplificado pela figura 13 do capítulo 5.
Quando a geração dos semigráben ortogonal e oblíquo ocorre de modo simultâneo, o semigráben
ortogonal inicia o seu desenvolvimento primeiro, e posteriormente evolui em conjunto com o
oblíquo, à semelhança do análogo natural, a Bacia do Rio do Peixe. Contudo, existe uma certa
diferença na sua complexidade, referente à quantidade da falhas e a própria geometria final dos
semigráben ortogonais e oblíquos, sugerindo uma partição da deformação entre ambos.
No estágio final, os modelos de desenvolvimento sincrônico precisaram de maior magnitude
da deformação para adquirir uma geometria final semelhante à dos modelos individuais, como
ilustrado na figura 6.1 para o caso de semigráben ortogonais à direção de distensão. No caso
particular do semigráben oblíquo, desenvolvido simultaneamente com o ortogonal, a sua
geometria final, em superfície, é mais simples que a do semigráben ortogonal. Muitas das falhas
geradas nos estágios precoces não se propagaram até a superfície, ficando, nos estágios finais,
encobertas pelas camadas sintectônicas (figura 6.3). Isto sugere que seria necessário uma maior
magnitude de deformação para que o semigráben oblíquo sincrônico se tornasse semelhante ao
modelo de formação isolada deste tipo de semigráben. Em subsuperficie, os perfis obtidos dos
modelos físicos individuais e simultâneos também exibiram diferenças. No modelo de
desenvolvimento isolado, tanto o semigráben ortogonal como o oblíquo apresentaram
profundidades constantes do depocentro ao longo de todo o seu comprimento (figura 9 para o
semigráben ortogonal; figura 12 para o semigráben oblíquo, no capitulo 5).
Em relação aos perfis dos modelos de geração simultânea, o semigráben ortogonal apresenta-
se mais amplo e, embora haja variação entre os perfis, seu depocentro é mais raso,
comparativamente ao modelo individual. Quanto ao semigrabem oblíquo, apresenta o depocentro
com profundidade decrescente de leste para oeste e sempre mais raso que quando gerado de
forma individual. De um modo geral, o desenvolvimento destes dois semigráben, gerados de
Capítulo 7 – Discussões e Conclusões Blanco, A.
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modo simultâneo, apresentou variação de profundidade entre si; quando um se torna mais
profundo, o outro se torna mais raso (figura 20 do capítulo 5).
Na interpretação da linha sísmica 0295-2090 (figura 6.6a), é ilustrada a geometria lístrica das
falhas de borda dos dois semigráben. No caso do semigráben de Brejo das Freiras (análogo para
a abertura ortogonal), observa-se que a falha de borda é ramificada, uma maior profundidade do
depocentro e a presença de um sistema de falhas antitéticas na margem flexural, afetando o
embasamento, tal como acontece no modelamento simultâneo, onde o semigráben ortogonal
desenvolve maior profundidade, em comparação com o oblíquo. As falhas de borda, nucleadas
sob o controle da anisotropia pré-existente, exibem geometria lístrica e com degraus
escalonados, deslocando o topo do embasamento (figura 6.6a e 6.7a).
Os exemplos acima e no texto desta dissertação demonstram como a modelagem física pode
fornecer informações sobre a evolução e localização de depocentros dos semigráben, o
desenvolvimento de rampas de revezamento (que constituem uma importante estrutura para o
aporte sedimentar da bacia e a migração de hidrocarbonetos), e a geometria da falha de borda,
controladora da arquitetura dos semigráben. Todas estas feições justificam a importância da
aplicação da modelagem estrutural física para a interpretação da evolução de bacias
sedimentares.
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