Geologia Estrutural
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5.2 - Mecanismo da Deformação Contínua
5.2.1- Introdução
A deformação contínua pode ser produto da atuação de mecanismos
elementares que podem atuar na escala de um simples cristal. Sob a ação de esforços
desviatórios, um único cristal pode se deformar por i) deslizamento (gliding) de seus
planos reticulares, caracterizando a deformação plástica no seu senso restrito, ii) por
difusão direcional (directional diffusion) de seus átomos ao longo de toda a estrutura
cristalina ou ao longo de suas faces e iii) por cristalização de uma nova fase em
detrimento de uma fase anterior, caracterizando a chamada cristalização sintectônica.
As deformações por deslizamento ou por difusão podem ocorrer inteiramente
dentro do estado sólido e sem mudanças de volume. Isso caracteriza a deformação
plástica em seu sentido mais geral. A difusão e a neo-cristalização são favorecidas
pela presença de fluidos que podem modificar a ductilidade do meio, conforme já
visto em capítulos anteriores.
Embora possam estar algumas vezes associadas, a deformação plástica no
estado sólido e a deformação relacionada à presença de fluidos (fluid-assisted
deformation) diferem quanto aos mecanismos e agem em distintas assembléias
mineralógicas e diferentes situações geológicas.
A deformação associada à presença de fluidos é principalmente encontrada
durante o metamorfismo progressivo. As fases minerais ao sofrerem reações de
desidratação durante a progressão do metamorfismo liberam fluidos que, por sua vez,
favorecem esse tipo de deformação.
Por outro lado, a deformação plástica afeta preferencialmente os domínios do
metamorfismo retrógrado, o qual já se encontra empobrecido em fases fluidas.
5.2.2- Deformação Plástica no Estado Sólido
5.2.2.1 - Unidades de fluxo e mecanismos de deformação
A deformação plástica é o resultado de deslocamentos relativos de elementos
estruturais cujas formas e composições controlam o mecanismo de deformação. São
as unidades de fluxo.
O conceito de ductilidade se aplica à escala onde o material é considerado
estatisticamente homogêneo. Podemos distinguir:
• rochas ou fragmentos de cristais cujos movimentos relativos
correspondem à fluxo cataclástico;
• cristais cujos movimentos relativos correspondem a fluxo superplástico;
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• domínios intra-cristalinos cujos movimentos de deslocamentos
internos correspondem à fluxo plástico - senso restrito ou fluxo de
deslocamento;
• átomos, moléculas ou espaços vazios (vacancies) cujos movimentos
correspondem a fluxo de difusão.
Existem, portanto, quatro mecanismos de deformação plástica, e seus campos
de atuação dependem do esforço, taxa de deformação, temperatura, pressão
confinante, etc.
Escolhendo-se dois desses fatores é possível desenhar mapas de deformação
mostrando os diversos campos de atuação de cada um desses mecanismos. A Figura
5.18 é um exemplo desses mapas para deformação de um cristal de olivina.
Fig.5.18 - Mapa de deformação da olivina no plano (T,σ) ou (T/Tf, τ/μ),
onde Tf é a temperatura de fusão, τ é o esforço cisalhante, μ é o módulo de
cisalhamento. As linhas curvas representam as taxas de deformação. (Fig. 4.1
Nicolas , 1987)
5.2.2.2- Mecanismos e processos de deformação plástica
5.2.2.2.1- Deformação plástica à baixa temperatura
Entende-se como mecanismos de baixas temperaturas, aqueles que atuam sob
temperaturas abaixo de 1/3 da temperatura de fusão. Eles são principalmente gliding
(deslizamentos), twining (geminação), kinking e cleavage cracking.
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Deslizamentos de planos (dislocation slips) produzem cisalhamento (Fig 5.20)
Fig.5.19 - Cisalhamento macroscópico causado por “dislocation creep”, onde τ é
o esforço cisalhante e Ψ é o ângulo de cisalhamento (Fig. 4.10 -Nicolas, 1987)
Twining, comparativamente com os deslizamentos, ocorre muito rapidamente.
Caracteriza-se por uma reorganização localizada dos átomos, o que requer mais alta
condição de esforço do que para o caso de deslizamentos.
Kinking, (Fig. 5.20b) envolve rotação dos elementos ao longo de uma
superfície, formando kink bands.
Fig. 5.20 - Deformação em baixa temperatura de cristais tendo uma direção de
deslizamento (slip) orientada na direção do esforço compressivo (setas). a)deformação
por “bending”, b) deformação por “kinking”, c) e d) deformação por “kinking” e
cleavagem paralela ao plano de deslizamento dominante. (Fig. 4.11 -Nicolas, 1987)
Cleavage cracking ocorre quando planos cristalográficos, de ligações menos
fortes, são rompidos pela ação de esforços.
Certos cristais não se deformam em função de orientações de seus elementos
pouco favoráveis ou por falta de condições de esforço suficientemente altas para
vencer a resistência da estrutura do cristal.
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5.2.2.2.2- Deformação plástica à alta temperatura
Em altas temperaturas o processo de difusão se torna mais ativo. Novos
mecanismos de deformação, tais como dislocation climb (elevação de deslocamento)
(Fig 5.21), difusão ao longo da estrutura ou difusão ao longo de planos passam a
dominar o mecanismo de deformação. Esses mecanismos trazem uma alta
homogeneidade para a deformação nas rochas.
Fig. 5.21 - Mecanismo de elevação de uma borda de deslocamento sob efeito de
uma força F. Em a) uma linha de átomos é removida ao longo da borda de um meioplano suplementar, b) Uma linha de átomos é acrescentada ao longo dessa borda. (Fig.
4.6 -Nicolas, 1987)
5.2.2.2.3- Hardening e recovery
Em baixas temperaturas os movimentos ao longo de planos de deslizamentos
tendem a ser obstruídos pela presença de vários obstáculos, tais como outros
deslocamentos, impurezas, precipitados ao longo dos contatos entre grãos, etc. Para
que a deformação possa continuar é necessário que o esforço seja aumentado. Isso é o
que chamamos de hardening. Esse aumento no esforço imprime a formação de novos
deslocamentos na estrutura para ultrapassar os obstáculos que se apresentaram
(Fig.5.22).
Fig.5.22 - Diagrama (σ, ε) ilustrando os principais regimes de fluxo em
diferentes temperaturas. (Fig. 4.12 -Nicolas, 1987)
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Em altas temperaturas, graças à recristalização dinâmica e à recovery os
impedimentos à propagação dos deslocamentos são bastante reduzidos. Recovery é o
termo utilizado para o processo no qual os obstáculos à propagação dos
deslocamentos são reduzidos pela interação entre elementos do retículo cristalino.
5.2.2.2.4- Dislocation creep
Sob altas temperaturas, um equilíbrio dinâmico tende a se estabelecer entre os
fenômenos opostos de hardening e recovery. A densidade das deslocações se
estabiliza o que é mostrado por uma linha horizontal no diagrama da Fig. 5.22. Este é
o steady - state creep o qual é produzido por deslizamento e rotação das deslocações.
O steady-state é controlado pelas rotações das deslocações numa situação na qual o
deslizamento é mais rápido do que a rotação e a taxa de fluxo é no mínimo igual à
taxa de rotação. A taxa de rotação é controlada por difusão.
O coeficiente de difusão depende exponencialmente da temperatura e
inversamente da pressão confinante.
OBS.: Os testes realizados sobre cristais individuais ou sobre rochas mostram
que os mesmos apresentam um comportamento reológico característico quando
deformados sob compressão (Fig. 5.23). Na figura, para cada incremento do
esforço normal (σ) a quantidade total de deformação se expressa através de uma
quantidade correspondente de encurtamento:
ε = (L1 - Lo) / Lo
onde Lo é o comprimento inicial e L1 o comprimento final.
Fig. 5.23 - Deformação de uma rocha submetida à esforço. Na figura (a), a linha mais
grossa corresponde ao domínio elástico. A figura (b) mostra um ciclo com uma
deformação plástica (εp) depois do limite elástico (εM). (Fig. 2.8 -Nicolas, 1987)
Essa grandeza é denominada deformação final uniforme, em oposição à
deformação infinitesimal dl. Essa não é uma medida de deformação de uso comum na
geologia que utiliza o termo deformação finita natural.
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Para deformações moderadas que geralmente têm lugar neste tipo de teste,
igualar as duas grandezas não introduz um erro muito significativo.
A Figura 5.23 mostra a resposta de um material, materializada por uma linha
tendo inclinação forte e em seguida um pouco mais atenuada. A primeira parte
corresponde geralmente a deformações menores que 1% e esse comportamento linear
corresponde ao domínio da deformação elástica. O ponto de transição separando os
dois setores da linha mais ou menos inclinados corresponde ao limite de elasticidade.
Acima do limite de elasticidade alcança-se a deformação plástica, na qual se
relaxa o esforço aplicado. A inclinação positiva da linha indica que é necessário
aumentar o esforço aplicado para continuar a deformação e diz-se que o material
apresenta um hardening.
A inclinação da linha pode ser zero (p = constante). O fluxo sob essas
condições de esforço constante é denominado creep (Fig. 5.24). Se a taxa de
deformação é também constante, fala-se de steady-state flow.
Os líquidos e alguns sólidos podem se deformar de maneira viscosa. Esse
modo de deformação é caracterizado pela presença de uma relação linear entre a taxa
de deformação e o esforço aplicado (fluidos Newtonianos). A reologia de corpos
viscosos é marcada freqüentemente pela ausência de um limite (threshold), (Fig. 8),
como o limite elástico para o caso da deformação plástica. Os fluidos naturais tais
como sedimentos molhados (saturados com água) ou magmas podem manifestar um
comportamento de tal forma que a viscosidade não é mais independente do esforço.
Fig. 5.24 - Deformação plástica (linha grossa) em função do esforço aplicado,
começando com “hardening” e seguido por “creep”. (Fig. 2.9 -Nicolas, 1987)
Freqüentemente, o hardening que tem lugar no campo de deformação plástica
é precursor do estágio de ruptura e fratura (Fig. 5.25). Isso marca a transição de um
comportamento dúctil durante o estágio plástico para o comportamento rúptil quando
intervém a ruptura.
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Fig. 5.25 - Comportamentos elástico, plástico, viscoso e ruptural. (Fig. 2.10 Nicolas, 1987)
5.2.2.2.5- Diffusion creep (Figuras 5.26 e 5.27)
Sob temperaturas muito elevadas acontece a difusão direta de átomos através
da rede cristalina ou ao longo dos limites dos grãos.
Fig. 5.26 - Fluxo Nabarro-Herring. Um cristal (limite tracejado) submetido à
uma compressão vertical desenvolve uma concentração de espaços, que serão menores
ao longo das faces de compressão (C-) e maiores ao longo das faces de extensão (C+). A
difusão de átomos na direção oposta altera, progressivamente, a forma do cristal
(contorno de linha sólida) (Fig. 4.14 -Nicolas, 1987)
• Nabarro-Herring creep: implica na difusão através da rede cristalina sob a
influência de um esforço aplicado, como mostrado na Figura 5.26.
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• Coble creep: implica na difusão através das superfícies, parece ocorrer no
comportamento creep de alguns milonitos que apresentam deslizamentos de
contatos entre grãos (Fig. 5.27)
Fig. 5.27 - Fluxo superplástico. Deslizamentos (Gliding) ao longo dos contatos
dos grãos (como mostrado pelas setas) provocado pela difusão superficial, resulta nos
afastamentos de grãos vizinhos. a) estado inicial, c) estado final. (Fig. 4. 15 -Nicolas,
1987)
5.2.2.2.6- Recristalização
A recristalização pode ser considerada do ponto de vista de sua relação com a
deformação. Podem ser reconhecidas:
• recistalização sintectônica ou dinâmica: é
concomitantemente com o processo de deformação;
aquela
que
ocorre
• recristalização pós tectônica ou estática (anneling): é aquela que ocorre
após o evento da deformação;
• recristalização estática primária: é aquela em que a energia responsável
pelo processo é a mesma da recristalização dinâmica, isto é, a energia da
deformação elástica devido à presença de deslocações. A recristalização
continua até que as deslocações nos cristais recristalizados tenha quase
desaparecido;
• recristalização secundária: é aquela que utiliza, para sua formação, a
energia liberada pelo crescimento dos cristais - energia das superfícies dos
cristais ( surface energy of the crystals).
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5.2.2.3 - Defeitos dos cristais
A formação periódica e regular da estrutura de um determinado cristal jamais
é perfeita e tanto o crescimento cristalino como a deformação são focos potenciais de
introdução de defeitos. Esses defeitos podem ser de três tipos principais:
• defeitos pontuais, ou defeitos não dimensionais;
• defeitos lineares ou unidimensionais;
• defeitos planares ou bidimensionais.
Defeitos pontuais: são formados principalmente por átomos intersticiais ou
vazios na estrutura cristalina. Esses vazios representam um importante papel nos
processos de difusão através de troca (exchanging) dos espaços estruturais com os
átomos. Os átomos intersticiais podem ser diferentes daqueles da estrutura cristalina
(impurezas, por exemplo) e podem afetar a plasticidade causando efeitos estruturais
ou elétricos, em função de diferenças de volume ou cargas elétricas.
Defeitos lineares: existem domínios dentro dos cristais onde a estrutura não é
contínua, muitas vezes como resultado de deslocamentos plásticos. Existem dois tipos
de deslocamentos:
• edge dislocation (deslocamento em cunha): resultado do
acréscimo de um meio-plano. O deslocamento ocorre na borda
desse meio-plano onde a deformação elástica é maior (Fig. 5.28);
• screw dislocation (deslocamento em parafuso): resulta de uma
conexão helicoidal entre os movimentos dos planos reticulares e
aqueles dos domínios considerados (Fig. 5.29).
Fig. 5.28- Deslizamento (slip) pela propagação de uma borda de deslocamento
(edge dislocation) (Fig. 4.3 -Nicolas, 1987)
Defeitos planares: os principais defeitos planares são dislocation walls
(deslocamento de paredes), geminações e superfícies de cristais,
também chamadas grain boudaries (contatos entre grãos), quando os
cristais estão em contato e são formados pela mesma fase mineral, e
interfaces, quando pertencem à fases diferentes.
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Fig. 5.29 - Deslizamento (slip) causado pela propagação de um deslocamento em
parafuso (screw dislocation) (Fig. 4.4 -Nicolas, 1987)
Geminação: afeta uma parte do cristal, transmitindo-lhe uma orientação
simétrica em relação à parte restante do mesmo, através de processos de rotação ao
longo de eixos específicos (eixos de geminação), Fig. 5.30 )Fig. 4.9 , Nicolas.)
Fig. 5.30- Geminação (twinning) causada por cisalhamento mecânico com
amplitude S. (Fig. 4.9 -Nicolas, 1987)
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