A Tectônica de Placas em Ciencia do Sistema Terra
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GEODINÂMICA Literatura: J.P. Davidson, W.E. Reed, P.M. Davis, Prentice Hall, 1997, Exploring Earth, An Introduction to Physical Geology; E.M. Moores and R.J. Twiss, Tectonics, Freeman and Company, 1995; A. Cox, R.B. Hart, Plate Tectonics - How it works, Blackwell Scientific Publications, 1986; R.J. Lillie, Whole Earth Geophysics, Prentice Hall, 1999; D.L. Turcotte & G. Schubert, Geodynamics, applications of continuum physics to geological problems, John Wiley & Sons, 1982; K. Stüwe, Geodynamik der Lithosphäre, Springer, 2000; Grasemann, B., Ratschbacher, L. & Hacker, B.R., 1998: Exhumation of ultrahigh-pressure rocks: thermal boundary conditions and cooling history. In: Hacker, B.R. and J.G. Liou (editors), When continents collide: geodynamics and geochemistry of ultra-high pressure rocks, 117-139, Kluwer Academic Publishers.) Principais problemas Superfície da terra Tectônica de placa Litosfera Limite de placas Fontes de energia da terra Transferência de energia Modelos: Rochas magmáticas, alojamento Metamórficas Termocronologia U/Pb, Ar/Ar, traço de fissão apatita, zircão, epidoto, etc. Margem continentais passivas e sedimentos sinorogênicos: Interpretação: Tectônica Confirmação da teoria das Placas Tectônicas • • • • • Paleomagnetismo Deslocamento polar aparente Hot spots Idade e distribuição de de sedimentos Terrenos 1. Forma da Terra 2. Isostasia Hidrostática 3. Isostasia Flexural Gravimetria Correção de espessura, Correção de altitude = freeair gravity, Correção Bouguer, Anomalias gravimétricas de grande escala 4. Esforço , Modelo de balanço de forças, Compressão, Extensão, Convecção, Delaminação, Força de resistência transformante, Subducção 5. Mecanismo de Deformação 6. Reologia da Litosfera 7. Fluxo Térmico 8. Ambiente Tectônico da Compressão 9. Exumação das rochas em compressão 10. Ambiente Tectônico da extensão continental 1- Forma da Terra • Raio no Equador: Ra=6378.139 km • Raio no Polo: Rp=6356.75 km. • Diâmetro aproximado: 40000 km • Massa: 5.9 x 1024 kg (a partir do tamanho e tempo giro em torno do sol) • Volume: 1.083x 1021 m3 ( 4R3π/3) • Área: 5.1x 1014 m2 ( 4R2π) • Diâmetro do Núcleo: 3468 km Fontes de informação Interior da Terra • Sismológicas – Velocidades e padrão de propagação • Ondas P: longitudinais, atravessam sólidos e fluidos • Ondas L e S: vibração normal à direção – Focos sísmicos: profundos ou rasos – Zonas de sombra: ondas S não voltam à superfície entre 105o e 141o da origem • Gravimétricas • Dados de meteoritos – Condritos e acondritos Evidências • Sismos – Ondas sísmicas primarias e secundarias – Zonas de sombra • Continental Drift – Pangea – Panthalassa • Separação do assoalho oceânico • Zonas de Subducção • Placas tectônicas Ondas sísmicas Ondas P e S Origem das zonas de sombra 103o Zona de sombra Manto 142o Foco Núcleo interno Núcleo externo Crosta Velocidade de ondas sísmicas Manto Sup. ZTr. Inferior 15 Núcleo Núcleo externo Núcleo interno Vp V km/s 10 Vs 5 Vs 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 profundidade (km) 6000 Tomografia Sísmica da Terra Dimensões, em escala e fora de escala O Geoide não é uma forma geométrica mas sim uma superfície equipotencial. Descreve cada plano que tenha energia potencial, gerada por gravitação, semelhante. Mapa de Geoide da terra. As anomalias de Geoide estão em metros Nível de Referência Geomorfólogo Soerguimento, subsidencia (uplift, subsidenze). Referência nível do mar Geólogo: Exumação, afundamento (exhumation, burial). Referência a superfície da terra Referência: Geólogo (Z) e Geomorfólogo (H) Taxa de “alçamento”= Taxa soerguimento + exumação Relação entre exumação e soerguimento 2- Isostasia Hidrostática: Equilíbrio de forças Isostasia Hidrostática x Flexural Compensação Hidrostática seg. Airy e Pratt Isost . Hidrostática trata o equilíbrio de forças na direção vertical em perfis distintos Isost. Flexural trata a elasticidade da litosfera Taxa de soerguimento de praias Relativo a superfície mar Calcula-se a viscosidade do manto Tensão= Força x área Airy – Variação de espessura Modelos Pratt-Airy • Explanação – Deficiência de massa abaixo das cordilheiras Pratt – Variação de Densidades • Igual à massa existente • Pratt & Airy (1855) • Isostasia (1889) – Compensação isostática – Equilíbrio isostático da crosta sobre o manto Compensação isostática • Crosta mais espessa sob grandes cadeias de montanhas Atuação simultânea das variações de espessura e densidade • Princípio da Isostasia – Variação de espessura • Densidades de rochas • Fontes de Informação – Direta • Sondagens profundas – Até 12.262 m, na Península de Kola, Rússia • Crosta continental – Indireta • Métodos geofísicos • Andes e Himalaia – Atração gravitacional menor que a esperada para o volume de rocha dessas montanhas • Montanhas teriam menor massa que as áreas ao redor? • Duas expedições científicas Peru, P. Bouguer (1735-1745) Índia, G. Everest (séc. XIX) Densidade de alguns tipos de rocha • Densidade média da crosta continental – 2,67 g/cm3 • Densidade média da crosta oceânica – 2,8 g/cm3 Figuras TEIXEIRA et al. Decifrando a Terra. São Paulo: Oficina de Textos, 2000. 568p. Mecanismo Focal 3- Isostasia Flexural W estiramento vertical; x+ coordenada horizontal ; qx carga sobre a placa; D= rigidez flexural; F=Força horizontal 4-Esforços A reologia é o estudo do comportamento dos materiais submetidos a um esforço. A reologia dos materiais da crosta terrestre depende da: i) temperatura, ii) pressão hidrostática e iii) velocidade de deformação. A relação entre a temperatura e a profundidade é definida pelo gradiente geotérmico. Pode variar muito segundo o contexto geodinâmico. A evolução dos materiais em função da profundidade pode, então variar enormemente e dar perfis de resistência da crosta muito diferentes e portanto, estilos tectônicos variados. 5- MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO • Domínio da tectônica rúptil: os níveis superficiais da crosta terrestre se deformam comumente por fraturamento • Domínio da tectônica dúctil: os níveis inferiores da crosta terrestre se deformam comumente por dobramento • As estruturas formadas na escala regional constituem um conjunto de falhas, dobras, etc. onde a cinemática depende da geometria e do regime tectônico. Se formam e são reativadas em tração ou compressão Relação Stress x Strain Estiramento s e alongamento e Deformação elástica Lei Hook Deformação rúptil Tensao resistência máxima Reologia da Litosfera coesão coef. atrito pressão flúido Definição da espessura elástica D= rigidez flexural-Nm E=Modulo de Young v= Constante Poisson Lei Hook para Teoria Elasticidade Litosfera térmica, mecânica e elástica. A litosfera térmica é definida pela isoterma 1200 C. Reologia da Litosfera Critério de Coulomb C constante coesão 50 MPa cristalino 10- 20 MPa sedimento Coeficiente fricção interna 15Mpa limite crosta rúptil Valor limite crosta rúptil 0,85 em crosta média até 8 km (200 MPa) Propriedade plástica das rochas Influência da temperatura Pressão Confinante Modifica angulo tensao principal x fratura cisalhamento Pressao efetiva P litol Pfluido Resistência de material: alternância : tensao, deformação e tempo Perfis resistência em crosta oceânica em função tempo Crosta 6- REOLOGIA DA LITOSFERA A resistência da litosfera ( Força total por área necessária para deformar parte da litosfera numa dada taxa deformação) é função da relação espessura crustal e geoterma. A litosfera tende a ter propriedades mecânicas orientadas horizontalmente. Pressão, temperatura e composição dependem da profundidade. Pacotes horizontais são acamamento ou baixas taxas de deformação, normais na geologia, estão associadas a fluência por longo tempo.Taxas altas geram deformações rúpteis a plástico Fator marcante é o limite resistência ruptil-ductil na crosta continental e um segundo máximo no limite do Moho em função da mudança de rochas quartzo-feldspáticas para ricas em olivina.em peridotitos. Comparação da reologia total em steady state para rochas crustais com leis de fluência para rochas com olivina mostram que o Moho deveria ser uma discontinuidade onde as rochas do manto são mais fortes do que a crosta inferior. Dados geológicos e experimentais mostram semelhanças razoáveis. Perfil resistencia na crosta Perfil de resistência através da litosfera Lei da Fluência Compressão cavalgamento Extensão falha normal Deformação viscosa Lei de Dorn para temperaturas abaixo 400 C e pressão alta Perfil resistência na litosfera continental e oceânica Coef atrito crosta manto Coesao na crosta manto Pressao fluido litostatico Tensão crítica 7- Fluxo térmico • do ponto de vista estrutural condiciona os niveis de deslocamento • do ponto de vista sedimentar condiciona a subsidência • Do ponto de vista magmático: o magma está controlado pelos distintos fluxos térmicos • O fluxo calor "Heat flux" • (q = Kdt/dx µcal/cm2) depende da: a) capacidade de condução da rocha (k). b) diferença de temperatura em função da profundidade. Modos de transmissão de calor (Q): o conceito de fluxo térmico terrestre • Para determinar o gradiente térmico na litosfera terrestre, deve-se conhecer, como se transmite o calor de regiões com maior e menor temperatura. • Estes mecanismos de transmissão de calor depende das características do meio que o transmite. Assim, no vácuo o calor pode se transmitir por radiação exclusivamente; em um gás ou líquido de baixa viscosidade ou por convecção (e.g. água fervendo em em carro); e em um sólido opaco o calor se transmite exclusivamente por transmissão /condução. 8- Ambiente Tectônico da Compressão Caimento na superficie X angulo descolamento Limites de placas convergentes Taxas de convergência Arco Frontal Limites de placas convergentes Terremotos ao longo de limites de placas covergentes Causa dos terremotos Estudos tomográficos Distribuição da Temperatura Magmatismo nos limites de placas convergentes Fusão Por que Magmatismo? Fusão e magmatismo no manto Temperaturas Sólido-Líquido Duas possibilidades para fusão: a) Descompressão e b) Hidratação. Composição dos magmas Batolito Rochas extrusivas Sedimentação e zonas de subducção Estruturas típicas: Cunhas de acreção Deformação e metamorfismo em Cunhas de acreção Exemplos de arcos magmáticos Andes: Arcos continentais Antilhas Aspectos específicos dos processos de subducção Configuração de placas subductantes e arcos vulcânicos Ponto de partida: Influência da dinâmica da subducção: Distância de estruturas vulcânicas Ciclo de Wilson da Tectônica de Placas Origem dos Ofiolitos Cunhas acrecionárias: Envoltória de Mohr- Ruptura Desenvolvimento de cunhas acrecionárias O material tem coesão finita A altura da pá é limitada Erosão Cunha de acreção em diferentes meios Cunha de acreção a sul de Taiwan Acreção de dupla vergência na Nova Zelândia Geometria e reconstrução de estruturas Partes de duplexes (fault bend fold) Fault bend folds Fault propagation fault (falha se propaga em outras camadas Dobras por detachment 9. Exumação das rochas em compressão Modelagem de subducção com erosão associada Exumação de rochas de alto grau Estruturas térmicas em zonas de cisalhamento. Fluidos vindos da placa inferior fundem material mantélico da placa superior gerando magmas do arco magmatico Geometria da colisão India-Asia em função de valores Argand (valores de fluxo da placa Deformada. Modelo de extrusão lateral nos Alpes Channel Flow Modelo cinemático de extrusão do cristalino do Himalaia superior Modelo cinemático de extrusão com inversão de isobaras e isotermas através de achatamento puro Extrusão de rochas de alto grau com intensa participação da erosão nos Alpes Limites de placas Transformantes (conservative boundary) Principais estruturas: Características: Diferenças ocasionadas por variação de taxas de abertura. As maiores falhas transformantes 10. Ambiente Tectônico da extensão continental Margem passiva Interior dos continentes Diferenças entre crosta continental e oceânica: Composição Escudo continental Origem da crosta continental Problemas na formação da crosta continental Escudo Terrenos arqueanos Terrenos Proterozóicos Hipóteses sobre convecção no Manto: uma ou duas camadas? Motor eficaz, movido a calor interno • No início: – Diferenciação associada ao magmatismo • Litosfera – Fria, uma pálpebra situada na parte superior • Convecção no Manto – Estado sólido na maior parte – Fusão rasa por descompressão adiabática Temperatura
