Tensões Litosféricas e o WSM
Afonso E. V. Lopes & Marcelo Assumpção
Para que serve o conhecimento das tensões litosféricas?
Para que serve o conhecimento das tensões litosféricas?
• Determinar a direção de perfuração de túneis e minas profundas
para a explotação de minérios, com o intuito de garantir a
estabilidade da rocha e a integridade das obras subterrâneas;
• Permite avaliar a permeabilidade de fraturas e, deste modo,
inferir o fluxo de fluídos em sub-superfície, sendo importante para
a geologia de petróleo e hidrogeologia;
• Avaliação de risco sísmico para grandes obras de engenharia;
• Identificação de zonas propensas a sofrerem grandes terremotos
e, quem sabe no futuro, executar previsões bem sucedidas de
grandes terremotos;
• Entre outros estudos de importância para a geofísica, geologia e
engenharias.
Origem dos Esforços Litosféricos
A dinâmica do planeta acumula forças em locais especificos e gera os esforços observados
no interior das placas listosféricas.
Esforços na Litosfera
Segundo Zoback et al. (1989) as duas categorias principais de forças responsáveis pelo
estado do stress na porção superior da litosféra (até 35km) são:
1) A responsável pelo stress tectônico: Forças de borda de placa, forças resultantes de
processos geodinâmicos (incluindo flexura da listosfera e variação lateral de densidade),
e forças termoelasticas geradas pelo resfriamento da litosfera oceânica;
2) E a responsável pelo stress local: Efeitos locais da topografia, parâmetros elásticos, e
efeitos de erosão.
Segundo Bott & Kusznir (1984) o stress litosférico de origem tectônica é dado por duas
categorias principais:
1) Stress renovável: aquele que persiste continuamente, sendo originado em bordas de
placa e devido a compensação isostática.
2) Stress não-renovável: aquele que é dissipado após o alivio da deformação inicial,
sendo dado principalmente pelos stress de origem flexural, termal e devido a curvatura
do planeta.
Magnitude dos Esforços
Hinzen (2003) estima o valor absoluto dos esforços para
diferentes profundidades com uma idéia muito simples, na
qual assume-se que a pressão litostatica representa a
magnitune de um dos esforços principais (orientado na
vertical), que o fator de forma permite extender uma relação
para os outros dois esforços e que a maxima diferença dos
esforços na crosta é limitada pelo coeficiente de fricção da
crosta. A pressão litostática é calculada com auxilio de um
modelo de velocidade bastante refinado.
Os resultados das modelagens de Richardson & Coblentz
(1994) na tentativa de se determinador o valor do Shmax na
PSA aponta para valores entre 10 e 75 Mpa para os primeiros
100km da litosféra (valor médios). O melhor resultados
indica uma magnitude da ordem de 25MPa.
World Stress Map (WSM)
O World Stress Map (WSM) é
uma compilação de dados de
stress tectônico (mais de
13600) atuante na porção
superior da litosfera terrestre.
Este foi compilado originalmente por um grupo de
pesquisa dirigido por Mary Lou
Zoback como parte do
International Lithosphere Programm (ILP).
Principais áreas de aplicação do WSM:
- Modelagens de bacias;
- Modelagens tectônicas;
- Gerenciamento de reservatório;
- Estabilização de minas;
- Estudo de risco sísmico;
- Previsão de terremotos, etc.
Distribuição e Caracteristicas dos Dados o WSM (Zoback et al. 1989)
A maior parte dos dados de stress do WSM
foi determinado com dados de mecanismos
focais (63%).
Cada medida do WSM possui
um fator de qualidade (A, B, C
ou D) o qual é representado
pelo tamanho da barra do
SHmax.
Qual é o azimute da máxima compressão?
Note que os mecanismos
focais apresentados na
figura ao lado são os mais
diversos possíveis.
Embora hajam mecanismos
focais tão distintos, o campo
de esforço na região é
único.
Os planos de fraqueza onde
se originam os sismos
podem não ter sido gerados
pelo tensor de esforço atual,
mas o movimento da falha
sim.
Figura de Dimate et al. (2003)
Medidas em Breakouts de poços de petróleo
A máxima compressão é perpendicular a
máxima elongação do furo.
Os dados de breakouts utilizados no WSM são
uma média de breakouts de vários poços
próximos.
Dados Geológicos (5%)
Medidas in situ (9%)
Há apenas um dado na América do Sul!
Apenas dois dados na Índia (apenas três na Ásia)!
Não há dado algum na placa Africana, na península Ibérica, porção norte da América do
Norte e porção norte da Ásia.
Dados de Breakouts (23%)
Dados de Mecanismos focais de terremotos (63%)
Tensões Crustais no Brasil
Costa do Brasil:
SHmax ~ paralelo à costa
Shmin ~ perpendicular à costa
(continente se “esparrama” em direção ao
oceano)
Interior (Geral):
SHmax ~ paralelo ao empurrão
da cadeia meso-atlântica
Interior (Centro Oeste –
Norte)
SHmax ~ paralelo ao movimento
absoluto da Placa SulAmericana nos últimos 5
milhões de anos.
Figura de Assumpção (2005)
Esforços do Craton do São Francisco
s3
s1
Esforços na Placa Sul-Americana
Sub-Andes:
SHmax ~ EW com tendência de
ser perpendicular ao platô.
Costa do Brasil:
SHmax ~ paralelo à costa
Shmin ~ perpendicular à costa
(continente se “esparrama” em direção ao oceano)
Interpolação dos dados do World Stress Map (Bird & Li 1996)
Modelagens das Tensões Litosféricas
Os primeiros trabalhos de modelagem de esforços foram os de
Solomon et. al (1975) e Richardson et al. (1976, 1979), e neles já se
estudavam os esforços com o intuito de explicar a movimentação
das placas litosféricas.
Mais tarde, as modelagens de esforços tomaram uma forma
regional, e os trabalhos começaram a tratar as placas de modo
isolado, possibilitando o uso de condições de contorno mais realistas
nas bordas das placas (Richardson & Redin, 1991; Coblentz &
Richardson; Meijer et. al 1997; Coblentz et. al 1998; Flesh et al.
2000; Govers & Meijer 2001 e outros).
Mas dentre os trabalhos mais interessante, encontramos os de Bird
(1998) e Lithgow-Bertelloni & Guynn (2004). A seguir serão
apresentados os principais resultados desses dois trabalhos,
precedidos de um trabalho com aspecto mais regional da PSA
(Stefanick & Jurdy, 1992).
Dois tipos de modelos de esforços:
- Regional
- Global
Os modelos Regionais (também conhecidos como não-globais) tem a
desvantagem de requerer vínculos nas bordas da placa estudada. Essa
condição de borda não é exigida em modelos Globais.
Por outro lado, os modelos Globais assumem valores das propriedades
reológicas das margens das placas, e essas são muito pouco conhecidas
(muito menos reais do que podemos imaginar).
Ambos os modelos sofrem com a falta de dados de espessura da crosta,
formato da base da litosféra continental e anomalias de densidade no
manto superior.
Modelos Regionais
Os modelos regionais (também chamados de não-globais) em
geral ajustam melhor os dados observados e são bons para a
descrição do campo de esforços, porém têm a desvantagem de
exigirem condições de contorno adicionais nas bordas das
placas.
- Ajustam melhor os dados observados
- Bons para descrever o campo de esforços
- Condições de contorno não conhecidas
Stefanick & Jurdy (1992)
Ridge Push
Ridge Push e Slab Pull
Ridge Push, Slab Pull e Trench Suction
Ridge Push, Slab Pull e Colisão
Modelo regional
Pouco conhecimento das forças que
atuam no limite das placas.
Coblentz & Richardson (1996)
Modelo global
Baixo conhecimento dos parâmetros reológicos da
astenosféra e das placas litosféricas.
Lithgow-Bertelloni & Guynn (2004)
Modelo de Meijer (1995)
Modelo de Forças
Campo de Esforços
Modelo de Coblentz & Richardson (1996)
a) Malha de EF e Forças
b)Campo de Esforços
Modelo Global
Tensões horizontais: Mov. Manto & Placas
Essas tensões são compostas por
duas contribuições: (a) Tensões
com origem na movimentação do
manto ocasionada por heterogeneidades de densidade, e (b)
tensões opostas ao movimento
das placas. Em (c) é apresentado a
soma-tória das tensões exercidas
na placa.
Tensões Associadas à topografia dinâmica
A topografia dinâmica produz dois
tipos de esforços no interior da
placa: esforço de membrana
causado pela extensão da placa, e
esforço gravitacional gerado pelo
gradiente topográfico.
Considerações Finais
Os modelos regionais são bastante úteis na caracterização do campo de esforços
litosféricos, e permitem extrapolar interpretações para regiões onde os esforços não
são conhecidos.
Os modelos regionais se limitam as contribuições litosféricas dos esforços, o que
restringe bastante as análises geodinâmicas. Por isso os modelos regionais devem
incluir modelos de fluxo do manto!
Os modelos globais tornam evidentes as magnitudes das contribuições dos esforços.
Isso é viável porque não precisamos utilizar forças não conhecidas como condições
de contorno.
As modelagens de esforços mais recentes deixam evidentes as contribuições do
manto, e fornecem muitas informações para a compreenção da dinâmica interna do
planeta.
Quanto mais temos conciência das fragilidades dos modelos numéricos e de nossa
capacidade de entender o planeta, mais nos aproximamos da verdade. Um dia a
Terra foi plana, hoje ela é desconhecida, amanhã saberemos como funciona sua
dinâmica.
Trações geradas pela carga topográfica
TD0
Há duas possibilidades para
explicar os desvios do equilíbrio
isostático:
1) As estruturas da crosta e litosfera
são pouco conhecidas sob os
continentes, em particular a
densidade da crosta inferior;
2) Contribuições para a topografia que
são dinâmicas.
TD5
Trações para o modelos SLB
SLB = Campo de Heterogeneidades
determinado a partir da história das
subducções (Lithgow-Bertelloni & Richards 1998).
TMG = Campo de Heterogeneidades
derivado de uma tomografia sísmica (Grand et
al. 1997) assumindo uma relação linear entre a
velocidade e a densidade (1km/s = 0,4g/cm3).
LVC = Devivado do SLB, mas com diferentes
parâmetros reológicos. Neste modelo é
utilizado uma cama-da de baixa viscosidade
entre 100 e 200km (viscosidade 100 vezes
menor que a do manto superior).
Anomalias do Geóide (GRACE)
Trações para o modelo SLB (12)
Todas as trações para o modelo LVC (13)
Trações para o modelo TMG (15)
Esforços para o modelo TD0 (16)
Modelo de Esforços LVC+TD0 (19a)
Modelo de Esforços SLB+TD0 (19b)
Modelo de Esforços TMG+TD0 (19a)
Modelo de Esforços SLB+TD0 (19b)
Direção do Shmax obtida no modelo 97001, o qual é regido por uma combinação do arraste na base da
litosféra (somente do continente), velocidade das placas e topografia. O erro médio das direções de
Shmax é de 32o.
Contribuições do Manto
• Variações abruptas na direção dos esforços: certamente possui origem litosférica;
• A influência do fluxo do manto na litosfera oceânica é menor que na continental;
• Na litosfera continental a contribuição do manto é até 4 vezes maior que a
contribuição litosférica.