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Numerical modelling of boudinage in non-coaxial deformation regimes : implications for the interpretation of natural structures

Detalhes bibliográficos
Resumo:	Boudinagem é um processo geológico fundamental que ocorre no interior da litosfera, a diferentes escalas e sob regimes de deformação diferentes. Este tipo de estrutura resulta da relação entre a configuração geométrica, descrição cinemática e os fatores reológicos/dinâmicos subjacentes que contribuem para sua formação. Embora técnicas de modelação numérica e análoga tenham sido empregues para investigar o processo de boudinagem sob regimes de deformação coaxiais (por exemplo, cisalhamento puro), a relação entre vários padrões de boudinagem observados na natureza e os parâmetros que controlam a sua formação sob regimes não-coaxiais (por exemplo, cisalhamento simples), ainda não é totalmente compreendida. Compreender as implicações dessa relação pode fornecer informações valiosas para a interpretação do trabalho de campo em geologia estrutural, particularmente no que se refere aos indicadores cinemáticos do sentido de cisalhamento em diferentes escalas, desde micro a macro escala, as diferentes velocidades que ocorreu a deformação, tendo em conta que se sabe a viscosidade dos materiais observados, sendo ainda possível deduzir as forças envolvidas (até certo ponto) no processo de boudinagem analisando a geometria dos próprios boudins.. Para explorar essas possíveis perceções, foi conduzido um projeto experimental usando modelação numérica para examinar a formação de boudins sob deformação não-coaxial e identificar parâmetros que poderiam influenciar a eficiência da boudinagem. Vários parâmetros foram estudados, incluindo a posição inicial do corpo rígido, a diferença de viscosidade entre a matriz e o corpo rígido e a velocidade de fronteira do modelo. Para começar o estudo sistemático de cada parâmetro, foi necessário um modelo base que não fosse dependente de profundidade. No entanto, o modelo existente até ao início deste trabalho tinha dependência da profundidade, que produzia boudins maiores na parte inferior do modelo e mais "pinch and swell" na superfície, seria adequado apenas para modelos quilométricos. Como a boudinagem pode ocorrer a diferentes escalas, incluindo metros, centímetros e escalas microscópicas, o efeito da profundidade não seria aplicável. Para mitigar ou anular a dependência da profundidade, um conjunto de parâmetros que afetam a reologia da camada competente, chamados parâmetros de Drucker-Prager, foram examinados. A conclusão dessa análise é que existem 3 parâmetros influenciadores da eficiência da boudinagem neste conjunto chamado de Drucker-Prager. Estes 3 parâmetros são: Fiction Coeficient, Minimum Viscosity e Initial Damage Fraction. Todos eles influenciam a reologia do corpo rígido, no entanto, após uma análise sistemática, conclui-se que o parâmetro initial damage fraction é o mais decisivo quando estudamos a dependência da profundidade. Visto que este parâmetro é o responsável pela quantidade de partículas do corpo rígido sofre amolecimento quando sujeito a tensão, neste caso, de corte. Após a construção do modelo base não dependente da profundidade, que incluía um domínio de 360 metros de comprimento por 100 metros de altura e um corpo rígido com dimensões de 8 metros de largura e 56 metros de comprimento, no entanto, visto que a boudinagem pode ocorrer em qualquer escala, foi contruído, depois de varias analises físicas (como o conceito de taxa de deformação cisalhante), um modelo que pode ser analisado tendo em conta a razão entre as dimensões, logo, o modelo base tem uma razão 3.6 (comprimento/altura) e o corpo rígido tem uma razão axial de 7. Implementámos ainda uma razão de contraste de viscosidade entre a matriz e o corpo rígido de 106,5 e foi aplicado um cisalhamento simples numa direção relativa dextral. Adicionalmente, marcadores passivos foram incorporados no modelo para melhor compreender e medir a deformação na matriz, estes marcadores nada têm de diferente relativamente à matrix, tirando a sua cor. Durante a evolução do modelo, tornou-se aparente a boudinagem, resultando na formação de quatro boudins com diferentes razões axiais. Tanto os boudins como a matriz sofreram deformação, com a matriz a exibir dobras em padrão 2D que se desenvolveram em torno de quartos opostos dos boudins individuais (“quarter structures”). No final, após 6,25 de deformação cisalhante, o corpo rígido tinha rodado 79 graus, e o estiramento ((Comprimento final – Comprimento inicial) /Comprimento inicial) do corpo rígido do Boudin 1 ao Boudin 4 de 2,24 vezes maior do que o comprimento original. De seguida foram estudados os efeitos de vários parâmetros no processo de boudinagem. Primeiramente, foi alterada a posição inicial do corpo rígido rodando-o 45 graus no sentido oposto dos ponteiros do relógio. Como resultado, os boudins neste modelo teste apresentaram razões axiais semelhantes, e a matriz foi menos afetada pela deformação, já que as dobras em quartos opostos a 2D tinham uma amplitude entre flancos de 33 graus, que era superior aos 15 graus do modelo base. Contudo, a formação das zonas de necking foi também diferente, sendo que no modelo base a zonas de necking são criadas por apenas estiramento do corpo rígido, criando pinch and swell, neste modelo teste, as zonas de necking começam por ser um desenvolvimento focado em zonas de fraqueza formadas na fase inicial do modelo, onde o corpo rígido anda estava na zona de compressão. Assim sendo, estas zonas de necking do modelo de teste têm semelhança com zonas de falha, um corte mais à faca, sendo que no modelo base não. O segundo parâmetro examinado foi a relação de contraste de viscosidade entre a matriz e o corpo rígido, que permitiu inferir a dependência da eficiência da boudinagem em função do contraste de viscosidade considerado. No modelo teste de alto contraste de viscosidade (107,75 ), a eficiência da boudinagem foi muito baixa. No estado final, uma zona de necking formou-se, mas os boudins individuais não se formaram. Por outro lado, no modelo teste de baixo contraste de viscosidade (104 ), a formação de boudins foi mais fácil, resultando numa maior eficiência da boudinagem. No final, formaram-se oito boudins. Foi observado ainda que o modelo de alto contraste de viscosidade não formou boudins, resultando num estiramento ((Comprimento final – Comprimento inicial) /Comprimento inicial) de 0.16, e a matriz sofreu mais deformação devido à pressão de arraste, que era menor no modelo teste de baixa viscosidade. O terceiro e último parâmetro examinado no estudo foi a velocidade da fronteira, ao alterar a velocidade de fronteira, é consequentemente alterado a taxa de deformação cisalhante, visto que as dimensões do modelo se mantêm constantes entre os modelos, assim, quando aumentamos a velocidade da fronteira, aumentamos também a taxa de deformação cisalhante. Estes parametros têm também um impacto na eficiência da boudinagem. No entanto, ao contrário da diferença de viscosidade, as mudanças na eficiência da boudinagem não afetaram o número de boudins individuais formados. Quando a velocidade da fronteira foi reduzida para metade, o tempo necessário para atingir um estado de deformação semelhante ao modelo base e produzir o mesmo número de boudins duplicou. Com base nos dados experimentais, pode-se concluir que a eficiência da boudinagem é influenciada pelo contraste de viscosidade e pela velocidade da fronteira. No entanto, a deformação da matriz é afetada por todas as variáveis testadas, embora a variação na velocidade da fronteira afete apenas o tempo necessário para atingir o mesmo nível de deformação.
Autores principais:	Neves, Diogo Alexandre da Cruz
Assunto:	Modelação geodinâmica Boudinagem Deformação em regime não-coaxial Parâmetros que controlam a boudinagem Teses de mestrado - 2023
Ano:	2023
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	Boudinagem é um processo geológico fundamental que ocorre no interior da litosfera, a diferentes escalas e sob regimes de deformação diferentes. Este tipo de estrutura resulta da relação entre a configuração geométrica, descrição cinemática e os fatores reológicos/dinâmicos subjacentes que contribuem para sua formação. Embora técnicas de modelação numérica e análoga tenham sido empregues para investigar o processo de boudinagem sob regimes de deformação coaxiais (por exemplo, cisalhamento puro), a relação entre vários padrões de boudinagem observados na natureza e os parâmetros que controlam a sua formação sob regimes não-coaxiais (por exemplo, cisalhamento simples), ainda não é totalmente compreendida. Compreender as implicações dessa relação pode fornecer informações valiosas para a interpretação do trabalho de campo em geologia estrutural, particularmente no que se refere aos indicadores cinemáticos do sentido de cisalhamento em diferentes escalas, desde micro a macro escala, as diferentes velocidades que ocorreu a deformação, tendo em conta que se sabe a viscosidade dos materiais observados, sendo ainda possível deduzir as forças envolvidas (até certo ponto) no processo de boudinagem analisando a geometria dos próprios boudins.. Para explorar essas possíveis perceções, foi conduzido um projeto experimental usando modelação numérica para examinar a formação de boudins sob deformação não-coaxial e identificar parâmetros que poderiam influenciar a eficiência da boudinagem. Vários parâmetros foram estudados, incluindo a posição inicial do corpo rígido, a diferença de viscosidade entre a matriz e o corpo rígido e a velocidade de fronteira do modelo. Para começar o estudo sistemático de cada parâmetro, foi necessário um modelo base que não fosse dependente de profundidade. No entanto, o modelo existente até ao início deste trabalho tinha dependência da profundidade, que produzia boudins maiores na parte inferior do modelo e mais "pinch and swell" na superfície, seria adequado apenas para modelos quilométricos. Como a boudinagem pode ocorrer a diferentes escalas, incluindo metros, centímetros e escalas microscópicas, o efeito da profundidade não seria aplicável. Para mitigar ou anular a dependência da profundidade, um conjunto de parâmetros que afetam a reologia da camada competente, chamados parâmetros de Drucker-Prager, foram examinados. A conclusão dessa análise é que existem 3 parâmetros influenciadores da eficiência da boudinagem neste conjunto chamado de Drucker-Prager. Estes 3 parâmetros são: Fiction Coeficient, Minimum Viscosity e Initial Damage Fraction. Todos eles influenciam a reologia do corpo rígido, no entanto, após uma análise sistemática, conclui-se que o parâmetro initial damage fraction é o mais decisivo quando estudamos a dependência da profundidade. Visto que este parâmetro é o responsável pela quantidade de partículas do corpo rígido sofre amolecimento quando sujeito a tensão, neste caso, de corte. Após a construção do modelo base não dependente da profundidade, que incluía um domínio de 360 metros de comprimento por 100 metros de altura e um corpo rígido com dimensões de 8 metros de largura e 56 metros de comprimento, no entanto, visto que a boudinagem pode ocorrer em qualquer escala, foi contruído, depois de varias analises físicas (como o conceito de taxa de deformação cisalhante), um modelo que pode ser analisado tendo em conta a razão entre as dimensões, logo, o modelo base tem uma razão 3.6 (comprimento/altura) e o corpo rígido tem uma razão axial de 7. Implementámos ainda uma razão de contraste de viscosidade entre a matriz e o corpo rígido de 106,5 e foi aplicado um cisalhamento simples numa direção relativa dextral. Adicionalmente, marcadores passivos foram incorporados no modelo para melhor compreender e medir a deformação na matriz, estes marcadores nada têm de diferente relativamente à matrix, tirando a sua cor. Durante a evolução do modelo, tornou-se aparente a boudinagem, resultando na formação de quatro boudins com diferentes razões axiais. Tanto os boudins como a matriz sofreram deformação, com a matriz a exibir dobras em padrão 2D que se desenvolveram em torno de quartos opostos dos boudins individuais (“quarter structures”). No final, após 6,25 de deformação cisalhante, o corpo rígido tinha rodado 79 graus, e o estiramento ((Comprimento final – Comprimento inicial) /Comprimento inicial) do corpo rígido do Boudin 1 ao Boudin 4 de 2,24 vezes maior do que o comprimento original. De seguida foram estudados os efeitos de vários parâmetros no processo de boudinagem. Primeiramente, foi alterada a posição inicial do corpo rígido rodando-o 45 graus no sentido oposto dos ponteiros do relógio. Como resultado, os boudins neste modelo teste apresentaram razões axiais semelhantes, e a matriz foi menos afetada pela deformação, já que as dobras em quartos opostos a 2D tinham uma amplitude entre flancos de 33 graus, que era superior aos 15 graus do modelo base. Contudo, a formação das zonas de necking foi também diferente, sendo que no modelo base a zonas de necking são criadas por apenas estiramento do corpo rígido, criando pinch and swell, neste modelo teste, as zonas de necking começam por ser um desenvolvimento focado em zonas de fraqueza formadas na fase inicial do modelo, onde o corpo rígido anda estava na zona de compressão. Assim sendo, estas zonas de necking do modelo de teste têm semelhança com zonas de falha, um corte mais à faca, sendo que no modelo base não. O segundo parâmetro examinado foi a relação de contraste de viscosidade entre a matriz e o corpo rígido, que permitiu inferir a dependência da eficiência da boudinagem em função do contraste de viscosidade considerado. No modelo teste de alto contraste de viscosidade (107,75 ), a eficiência da boudinagem foi muito baixa. No estado final, uma zona de necking formou-se, mas os boudins individuais não se formaram. Por outro lado, no modelo teste de baixo contraste de viscosidade (104 ), a formação de boudins foi mais fácil, resultando numa maior eficiência da boudinagem. No final, formaram-se oito boudins. Foi observado ainda que o modelo de alto contraste de viscosidade não formou boudins, resultando num estiramento ((Comprimento final – Comprimento inicial) /Comprimento inicial) de 0.16, e a matriz sofreu mais deformação devido à pressão de arraste, que era menor no modelo teste de baixa viscosidade. O terceiro e último parâmetro examinado no estudo foi a velocidade da fronteira, ao alterar a velocidade de fronteira, é consequentemente alterado a taxa de deformação cisalhante, visto que as dimensões do modelo se mantêm constantes entre os modelos, assim, quando aumentamos a velocidade da fronteira, aumentamos também a taxa de deformação cisalhante. Estes parametros têm também um impacto na eficiência da boudinagem. No entanto, ao contrário da diferença de viscosidade, as mudanças na eficiência da boudinagem não afetaram o número de boudins individuais formados. Quando a velocidade da fronteira foi reduzida para metade, o tempo necessário para atingir um estado de deformação semelhante ao modelo base e produzir o mesmo número de boudins duplicou. Com base nos dados experimentais, pode-se concluir que a eficiência da boudinagem é influenciada pelo contraste de viscosidade e pela velocidade da fronteira. No entanto, a deformação da matriz é afetada por todas as variáveis testadas, embora a variação na velocidade da fronteira afete apenas o tempo necessário para atingir o mesmo nível de deformação.