Publicação

Numerical modelling of sheath folds under non-coaxial deformation regimes : implications for the interpretation of natural structures as shear-sense kinematic indicators

Detalhes bibliográficos
Resumo:	Dobras em bainha são estruturas geológicas normalmente associadas a zonas de cisalhamento (Carreras et al., 1977). As dobras em bainha, são dobras não cilíndricas (dobras cujo próprio eixo da dobra se encontra dobrado), sendo que o ângulo da charneira () desta dobra deve ser inferior a 90º para ser considerada uma dobra em bainha. Para casos em que este ângulo seja menor que 20º, o nome dobra em bainha é substituído e é adotado o nome dobra tubular (Skjernaa, 1989). Do ponto de vista da formação destas dobras, não existe qualquer tipo de diferença. O uso destes dois termos tem apenas em consideração a geometria particular da dobra em si. As dobras em bainha podem variar em termos de escala, desde a alguns milímetros até vários quilómetros (Alsop et al., 2007 e Maino et al., 2021) e ocorrem numa série de enquadramentos geológicos tais como: zonas de cisalhamento, diapiros de sal e ignimbritos (Alsop et al., 2007). As dobras em bainha, devido ao facto de estarem sobretudo relacionadas com zonas de cisalhamento, têm particular interesse como marcadores cinemáticos, para inferir o sentido do movimento numa zona de cisalhamento, uma vez que, são mais dificilmente sobrepostas, através de vários episódios de deformação, quando comparadas, com, por exemplo, lineações e outras estruturas que forneçam critérios cinemáticos. Devido ao facto de serem mais resilientes aos vários episódios tectónicos, são particularmente utilizadas em terrenos metamórficos que sofreram vários episódios de deformação (Alsop et al., 2006). Tendo em conta a sua mais-valia como marcadores cinemáticos, vários autores estudaram como é que a formação destas dobras ocorria e como é que a sua evolução decorria ao longo do tempo. Inicialmente foram estudados três modelos de formação das dobras em bainha (Cobbold e Quinquis, 1980), que estavam sobretudo associados à propagação e desenvolvimento de anisotropias (que existiam previamente ao episódio de deformação) num conjunto de camadas, através de um cisalhamento simples. Neste primeiro estudo em que foram abordados alguns dos modelos de formação das dobras em bainha, não foram feitas quaisquer tipo de inferências quanto à sua utilidade como marcadores cinemáticos. Posteriormente, outros modelos para a génese deste tipo de estruturas foram estudados, tais como a rotação de partículas rígidas ou deformáveis envoltas numa matriz viscosa, sujeitas a um cisalhamento simples (Rosas et al., 2002 e Maino et al., 2021), sendo este o modelo abordado nesta tese. Nestes modelos mais recentes, quer sejam eles numéricos ou análogos, o ênfase está sobretudo localizado em como é que estas estruturas nos podem fornecer informações relativas ao episódio de deformação que as criou. Para tal, foram investigadas as relações geométricas que formam os padrões internos das dobras em bainha (padrão em olho que se forma junto da charneira da dobra e o padrão em cogumelo que se forma junto à zona de enraizamento da dobra) (Rosas et al., 2001; Rosas et al., 2002; Alsop et al., 2006 e Maino et al., 2021), quer da sua associação com a rotação de partículas rígidas, que formam as denominadas quarter folds, que são dobras que existem nos quadrantes onde existe extensão, desenvolvidas através da rotação de um conjunto de camadas quando passam relativamente perto de uma partícula rígida em rotação durante um episódio de deformação progressiva (Passchier e Trouw, 1996). O comportamento rotacional das partículas que geram estas dobras em bainha também foi alvo de estudos numéricos prévios (Taborda et al., 2005 e Marques et al., 2005), em que se tentou comparar os dados obtidos com a equação de Jeffery (1922), que é uma equação aplicável a partículas elípticas rígidas envoltas numa matriz viscosa, sujeitas a um cisalhamento simples. Existem alguns parâmetros indispensáveis para que a aplicabilidade desta equação seja correta tais como: a partícula estar envolvida num meio viscoso infinito; existir uma interface no-slip entre a partícula e matriz (uma interface no-slip é caracterizada por uma fronteira em que a velocidade entre a partícula e a matriz é igual a zero (0)); matriz isotrópica e com apenas uma partícula (Marques et al., 2014). Nesta tese, de modo a estudar a formação e a evolução das dobras em bainha como marcadores cinemáticos em zonas de cisalhamentos, decidimos utilizar o modelo de formação das dobras em bainha associadas à rotação de partículas rígidas, sujeitas a um cisalhamento simples. De forma a investigar quais os mecanismos que comandam a formação e desenvolvimento das dobras em bainha, foram desenvolvidos modelos numéricos em que se utilizaram partículas rígidas com diferentes geometrias (partículas elipsoidais e partículas paralelepipédicas). Dentro de cada um destes conjuntos de partículas foram utilizadas dois modelos com duas geometrias distintas: num modelo todos os eixos das partículas tinham medidas diferentes enquanto no outro foram utilizadas medidas iguais para dois eixos e outra medida diferente para o outro eixo. Para além disso, fizemos variar a posição inicial das partículas dum estado vertical para um estado horizontal, para ver quais as diferenças na geometria das dobras em bainha. Adicionalmente foram efetuados dois outros modelos: um deles utilizava marcadores planares com uma viscosidade distinta da matriz envolvente (marcadores ativos) enquanto no outro modelo a distância entre os marcadores passivos (marcadores com a mesma viscosidade à da matriz envolvente) e a partícula rígida foi aumentada. Estes modelos foram executados com o intuito de perceber se a presença de marcadores ativos/viscosos iria alterar a geometria final da dobra em bainha e se a distância entre a partícula rígida e os marcadores passivos iria ter algum efeito na geometria final das dobras em bainha. Para além da geometria das dobras em bainha, também foram investigadas quais as diferenças que existem entre a rotação de elipses e partículas elipsoidais, assim como retângulos e paralelepípedos. Posteriormente, foram feitas comparações sobre o comportamento rotacional que a equação de Jeffery prevê, e os nossos modelos, tendo em conta, as diferenças entres os nossos modelos e o modelo ideal de Jeffery (1922). As principais conclusões retiradas deste trabalho são: a formação de dobras em bainha pode acontecer sem a necessidade de boudinagem ocorrer ao mesmo tempo; a formação de dobras em bainha pode ocorrer através da rotação de partículas rígidas imersas numa matriz viscosa, impostas por um cisalhamento simples; a geometria de uma dobra em bainha varia desde a sua zona de enraizamento, em que um corte transversal à sua direção de maior alongamento gera uma secção em que é possível visualizar um padrão em cogumelo e que na zona da charneira este padrão é substituído por um padrão em olho; a associação de dobras em bainha com a rotação de partículas rígidas pode ser utilizada para inferir o sentido de cisalhamento em zonas de cisalhamento; inferir o sentido de cisalhamento através da análise do espessamento e/ou adelgaçamento dos padrões internos das dobras em bainha pode ser erróneo; a utilização de partículas maiores e mais largas gera dobras em bainha maiores e mais largas, apesar do ângulo  se manter constante em todos os modelos, o que sugere que o ângulo  não depende da geometria da partícula mas sim do cisalhamento imposto ao modelo; as partículas rodam mais depressa em 3D devido ao fluxo toroidal que as acelera; as partículas paralelepipédicas rodam mais depressa que as partículas elipsoidais, uma vez que produzem um torque maior e tem uma geometria menos visco-hidrodinâmica, o que lhes permite serem menos estáveis quando estão paralelas ao plano de cisalhamento; as nossas partículas em 2D não seguiram o comportamento que a equação de Jeffery previa, em grande parte devido à interface no-slip que não foi implementada e devido às restrições do fluxo poloidal impostas pelas paredes do nosso modelo.
Autores principais:	Pereira, Francisco Alexandre Marques dos Santos
Assunto:	rotação de partículas rígidas sobre cisalhamento não coaxial dobras em bainha modelação numérica Underworld Geodynamics Teses de mestrado - 2024
Ano:	2024
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	português
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	Dobras em bainha são estruturas geológicas normalmente associadas a zonas de cisalhamento (Carreras et al., 1977). As dobras em bainha, são dobras não cilíndricas (dobras cujo próprio eixo da dobra se encontra dobrado), sendo que o ângulo da charneira () desta dobra deve ser inferior a 90º para ser considerada uma dobra em bainha. Para casos em que este ângulo seja menor que 20º, o nome dobra em bainha é substituído e é adotado o nome dobra tubular (Skjernaa, 1989). Do ponto de vista da formação destas dobras, não existe qualquer tipo de diferença. O uso destes dois termos tem apenas em consideração a geometria particular da dobra em si. As dobras em bainha podem variar em termos de escala, desde a alguns milímetros até vários quilómetros (Alsop et al., 2007 e Maino et al., 2021) e ocorrem numa série de enquadramentos geológicos tais como: zonas de cisalhamento, diapiros de sal e ignimbritos (Alsop et al., 2007). As dobras em bainha, devido ao facto de estarem sobretudo relacionadas com zonas de cisalhamento, têm particular interesse como marcadores cinemáticos, para inferir o sentido do movimento numa zona de cisalhamento, uma vez que, são mais dificilmente sobrepostas, através de vários episódios de deformação, quando comparadas, com, por exemplo, lineações e outras estruturas que forneçam critérios cinemáticos. Devido ao facto de serem mais resilientes aos vários episódios tectónicos, são particularmente utilizadas em terrenos metamórficos que sofreram vários episódios de deformação (Alsop et al., 2006). Tendo em conta a sua mais-valia como marcadores cinemáticos, vários autores estudaram como é que a formação destas dobras ocorria e como é que a sua evolução decorria ao longo do tempo. Inicialmente foram estudados três modelos de formação das dobras em bainha (Cobbold e Quinquis, 1980), que estavam sobretudo associados à propagação e desenvolvimento de anisotropias (que existiam previamente ao episódio de deformação) num conjunto de camadas, através de um cisalhamento simples. Neste primeiro estudo em que foram abordados alguns dos modelos de formação das dobras em bainha, não foram feitas quaisquer tipo de inferências quanto à sua utilidade como marcadores cinemáticos. Posteriormente, outros modelos para a génese deste tipo de estruturas foram estudados, tais como a rotação de partículas rígidas ou deformáveis envoltas numa matriz viscosa, sujeitas a um cisalhamento simples (Rosas et al., 2002 e Maino et al., 2021), sendo este o modelo abordado nesta tese. Nestes modelos mais recentes, quer sejam eles numéricos ou análogos, o ênfase está sobretudo localizado em como é que estas estruturas nos podem fornecer informações relativas ao episódio de deformação que as criou. Para tal, foram investigadas as relações geométricas que formam os padrões internos das dobras em bainha (padrão em olho que se forma junto da charneira da dobra e o padrão em cogumelo que se forma junto à zona de enraizamento da dobra) (Rosas et al., 2001; Rosas et al., 2002; Alsop et al., 2006 e Maino et al., 2021), quer da sua associação com a rotação de partículas rígidas, que formam as denominadas quarter folds, que são dobras que existem nos quadrantes onde existe extensão, desenvolvidas através da rotação de um conjunto de camadas quando passam relativamente perto de uma partícula rígida em rotação durante um episódio de deformação progressiva (Passchier e Trouw, 1996). O comportamento rotacional das partículas que geram estas dobras em bainha também foi alvo de estudos numéricos prévios (Taborda et al., 2005 e Marques et al., 2005), em que se tentou comparar os dados obtidos com a equação de Jeffery (1922), que é uma equação aplicável a partículas elípticas rígidas envoltas numa matriz viscosa, sujeitas a um cisalhamento simples. Existem alguns parâmetros indispensáveis para que a aplicabilidade desta equação seja correta tais como: a partícula estar envolvida num meio viscoso infinito; existir uma interface no-slip entre a partícula e matriz (uma interface no-slip é caracterizada por uma fronteira em que a velocidade entre a partícula e a matriz é igual a zero (0)); matriz isotrópica e com apenas uma partícula (Marques et al., 2014). Nesta tese, de modo a estudar a formação e a evolução das dobras em bainha como marcadores cinemáticos em zonas de cisalhamentos, decidimos utilizar o modelo de formação das dobras em bainha associadas à rotação de partículas rígidas, sujeitas a um cisalhamento simples. De forma a investigar quais os mecanismos que comandam a formação e desenvolvimento das dobras em bainha, foram desenvolvidos modelos numéricos em que se utilizaram partículas rígidas com diferentes geometrias (partículas elipsoidais e partículas paralelepipédicas). Dentro de cada um destes conjuntos de partículas foram utilizadas dois modelos com duas geometrias distintas: num modelo todos os eixos das partículas tinham medidas diferentes enquanto no outro foram utilizadas medidas iguais para dois eixos e outra medida diferente para o outro eixo. Para além disso, fizemos variar a posição inicial das partículas dum estado vertical para um estado horizontal, para ver quais as diferenças na geometria das dobras em bainha. Adicionalmente foram efetuados dois outros modelos: um deles utilizava marcadores planares com uma viscosidade distinta da matriz envolvente (marcadores ativos) enquanto no outro modelo a distância entre os marcadores passivos (marcadores com a mesma viscosidade à da matriz envolvente) e a partícula rígida foi aumentada. Estes modelos foram executados com o intuito de perceber se a presença de marcadores ativos/viscosos iria alterar a geometria final da dobra em bainha e se a distância entre a partícula rígida e os marcadores passivos iria ter algum efeito na geometria final das dobras em bainha. Para além da geometria das dobras em bainha, também foram investigadas quais as diferenças que existem entre a rotação de elipses e partículas elipsoidais, assim como retângulos e paralelepípedos. Posteriormente, foram feitas comparações sobre o comportamento rotacional que a equação de Jeffery prevê, e os nossos modelos, tendo em conta, as diferenças entres os nossos modelos e o modelo ideal de Jeffery (1922). As principais conclusões retiradas deste trabalho são: a formação de dobras em bainha pode acontecer sem a necessidade de boudinagem ocorrer ao mesmo tempo; a formação de dobras em bainha pode ocorrer através da rotação de partículas rígidas imersas numa matriz viscosa, impostas por um cisalhamento simples; a geometria de uma dobra em bainha varia desde a sua zona de enraizamento, em que um corte transversal à sua direção de maior alongamento gera uma secção em que é possível visualizar um padrão em cogumelo e que na zona da charneira este padrão é substituído por um padrão em olho; a associação de dobras em bainha com a rotação de partículas rígidas pode ser utilizada para inferir o sentido de cisalhamento em zonas de cisalhamento; inferir o sentido de cisalhamento através da análise do espessamento e/ou adelgaçamento dos padrões internos das dobras em bainha pode ser erróneo; a utilização de partículas maiores e mais largas gera dobras em bainha maiores e mais largas, apesar do ângulo  se manter constante em todos os modelos, o que sugere que o ângulo  não depende da geometria da partícula mas sim do cisalhamento imposto ao modelo; as partículas rodam mais depressa em 3D devido ao fluxo toroidal que as acelera; as partículas paralelepipédicas rodam mais depressa que as partículas elipsoidais, uma vez que produzem um torque maior e tem uma geometria menos visco-hidrodinâmica, o que lhes permite serem menos estáveis quando estão paralelas ao plano de cisalhamento; as nossas partículas em 2D não seguiram o comportamento que a equação de Jeffery previa, em grande parte devido à interface no-slip que não foi implementada e devido às restrições do fluxo poloidal impostas pelas paredes do nosso modelo.