Geologia

Tensão e deformação geológica

Tensão e deformação geológica
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Esta seção apresenta os conceitos de estresse, tensão e deformação geológica. Você aprenderá suas definições e como elas afetam a crosta terrestre.

O QUE VOCÊ APRENDERÁ A FAZER

  • Diferencie os tipos de estresse: tensão, compressão, cisalhamento.
  • Diferencie os tipos de tensão: elástica, dúctil e fratura.

Estresse na crosta terrestre

Enormes placas de litosfera se movem de forma desigual sobre a superfície esférica do planeta, resultando em terremotos. Este capítulo trata de dois tipos de atividade geológica que ocorrem devido à tectônica de placas: construção de montanhas e terremotos. Primeiro, vamos considerar o que pode acontecer com as rochas quando elas são expostas ao estresse.

Causas e tipos de estresse

rochas fraturadas

Figura 1. O estresse causou a fratura dessas rochas.

O estresse é a força aplicada a um objeto. Em geologia, estresse é a força por unidade de área que é colocada em uma rocha. Quatro tipos de estresse atuam nos materiais.

  • Uma rocha profundamente enterrada é empurrada para baixo pelo peso de todo o material acima dela. Como a rocha não pode se mover, ela não pode se deformar. Isso é chamado de estresse confinante.
  • A compressão comprime as rochas, fazendo com que as pedras se dobrem ou se rompam (quebrar) (figura 1). A compressão é o estresse mais comum nos limites das placas convergentes.
  • Rochas que são separadas estão sob tensão . Rochas sob tensão aumentam ou se separam. A tensão é o principal tipo de estresse nos limites das placas divergentes.
  • Quando as forças são paralelas, mas se movem em direções opostas, a tensão é chamada de  cisalhamento (figura 2). A tensão de cisalhamento é a tensão mais comum nos limites das placas de transformação.
Uma rocha com veias longas e finas

Figura 2. Corte nas rochas. A veia de quartzo branco foi alongada por cisalhamento.

Quando o estresse faz com que um material mude de forma, ele sofreu tensão ou deformação. Rochas deformadas são comuns em áreas geologicamente ativas.

A resposta de uma rocha ao estresse depende do tipo de rocha, da temperatura ambiente e das condições de pressão em que a rocha está, o tempo que a rocha está sob estresse e o tipo de estresse.

As rochas têm três possíveis respostas ao aumento do estresse (ilustrado na figura 3):

  • deformação elástica : a rocha retorna à sua forma original quando a tensão é removida.
  • Deformação plástica : a rocha não retorna à sua forma original quando a tensão é removida.
  • fratura : a rocha se rompe.
Gráfico representando as diferentes respostas.  Como o estresse e a tensão aumentam, as rochas se movem para diferentes estágios.

Figura 3. Com o aumento do estresse, a rocha sofre: (1) deformação elástica, (2) deformação plástica e (3) fratura.

Em que condições você acha que uma rocha é mais propensa a fraturar? É mais provável que se separe profundamente na crosta terrestre ou na superfície? E se o estresse aplicado for mais agudo que gradual?

  • Na superfície da Terra, as rochas geralmente quebram rapidamente, mas, na camada mais profunda da crosta, onde as temperaturas e pressões são mais altas, é mais provável que as rochas se deformem plasticamente.
  • O estresse repentino, como um golpe com um martelo, é mais provável de causar uma quebra de rocha. O estresse aplicado com o tempo muitas vezes leva à deformação plástica.

Estruturas Geológicas

As rochas sedimentares são importantes para decifrar a história geológica de uma região porque seguem certas regras.

  1. As rochas sedimentares são formadas com as camadas mais antigas no fundo e as mais novas no topo.
  2. Os sedimentos são depositados horizontalmente, de modo que as camadas de rochas sedimentares são originalmente horizontais, assim como algumas rochas vulcânicas, como as cinzas.
  3. Camadas de rochas sedimentares que não são horizontais são deformadas.

Você pode traçar a deformação que uma rocha experimentou ao ver como ela difere da sua posição horizontal original, a mais antiga no fundo (figura 4a). Essa deformação produz estruturas geológicas, como dobras, juntas e falhas causadas por tensões (figura 4b). Usando as regras listadas acima, tente descobrir a história geológica da coluna geológica abaixo.

A) O Grand Canyon B) Três conjuntos de rochas encontradas no Grand Canyon são camadas de rochas paleozóicas, rochas de supergrupo, rochas do porão de Vishnu

Figura 4. (a) No Grand Canyon, as camadas rochosas são expostas como um bolo de camadas. Cada camada é feita de sedimentos que foram depositados em um ambiente particular – talvez um leito de lago, uma região costeira rasa ou uma duna de areia. (b) Nesta coluna geológica do Grand Canyon, as rochas sedimentares da coluna “Rochas Paleozóicas em Camadas” (camadas de 1 a 11) ainda estão na horizontal. As rochas do Supergrupo Grand Canyon (camadas 12 a 15) foram inclinadas. As rochas do porão de Vishnu não são sedimentares (rochas 16 a 18). As camadas mais antigas estão no fundo e as mais novas estão no topo.

Dobras

Rochas que se deformam plasticamente sob tensões de compressão se dobram em dobras (figura 5). Eles não retornam à sua forma original. Se as rochas experimentarem mais estresse, elas poderão sofrer mais dobras ou mesmo fraturas.

Estrias preenchidas com neve em uma montanha

Figura 5. A neve acentua a dobra exposta nessas rochas em Provo Canyon, Utah.

Três tipos de dobras são vistos.

  • Mononclina: Uma monoclinal é uma simples curva nas camadas de rocha, de modo que elas não são mais horizontais (veja a figura 6 para um exemplo).
    Rochas com estrias inclinadas para o chão

    Figura 6. No Monumento Nacional do Colorado, as rochas em uma monocélula mergulham no chão.

  • Anticlinal: Um anticlinal é uma dobra que se arqueia para cima. As rochas se afastam do centro da dobra (figura 7). As rochas mais antigas estão no centro de um anticlinal e as mais novas são colocadas sobre elas.
    Na parte A, o diagrama mostra um anticlinal sendo formado pela pressão vinda de baixo e de ambos os lados.  A parte B mostra uma fotografia de um anticlinal.

    Figura 7. (a) Esquema de um anticlinal. (b) Um anticlinal exposto em uma estrada cortada em Nova Jersey.

Quando as rochas se arqueiam para formar uma estrutura circular, essa estrutura é chamada de cúpula. Se o topo da cúpula é cortado, onde estão as rochas mais antigas?

  • Syncline: Um syncline é uma dobra que se inclina para baixo. As rochas mais jovens estão no centro e as mais antigas estão no exterior (figura 8).
    Estrias formando uma forma em V

    Figura 8. (a) Esquema de um syncline. (b) Este sincline está na Rainbow Basin, Califórnia.

Quando as rochas se inclinam para baixo em uma estrutura circular, essa estrutura é chamada de bacia  (figura 9). Se as rochas estão expostas na superfície, onde estão localizadas as rochas mais antigas?

Diagrama da bacia centrado em Michigan

Figura 9. Bacias podem ser enormes. Este é um mapa geológico da Bacia de Michigan, que é centrada no estado de Michigan, mas se estende em quatro outros estados e uma província canadense.

Falhas, panes

Uma pedra sob estresse suficiente irá fraturar. Se não houver movimento em nenhum dos lados de uma fratura, a fratura é chamada de articulação , como mostrado na figura 10.

Parque Nacional Joshua Tree

Figura 10. Rochas de granito no Parque Nacional Joshua Tree mostrando articulação horizontal e vertical. Essas juntas se formaram quando a tensão de confinamento foi removida do granito.

Se os blocos de rocha em um ou ambos os lados de uma fratura se moverem, a fratura é chamada de  falha (figura 11). Movimentos repentinos ao longo de falhas fazem com que as rochas se quebrem e se movam repentinamente. A energia liberada é um terremoto.

Rochas com linhas irregulares passando por elas

Figura 11. As falhas são fáceis de reconhecer quando cortam as rochas alojadas.

Deslizamento é a distância que as rochas se movem ao longo de uma falha. Deslizamento pode ser para cima ou para baixo no plano de falha. 

O deslizamento é relativo, porque geralmente não há como saber se os dois lados se moveram ou apenas um. As falhas estão em um ângulo com a superfície horizontal da Terra. Esse ângulo é chamado de falha da falha

A imersão define qual dos dois tipos básicos uma falha é. Se a queda da falta estiver inclinada em relação à horizontal, a falta será uma falha de deslizamento (figura 12). Existem dois tipos de falhas de deslizamento. Em falhas normais , a parede pendente cai em relação à parede do patamar. Em faltas reversas , o footwall cai em relação à parede suspensa.

Diagrama de falhas conforme descrito anteriormente.

Figura 12. Este diagrama ilustra os dois tipos de falhas de deslizamento: falhas normais e falhas inversas. Imagine mineiros extraindo um recurso ao longo de uma falha. A parede suspensa é onde os mineiros teriam pendurado suas lanternas. A pedreira é onde eles teriam caminhado.

Aqui está uma animação de uma falha normal .

Uma falta de impulso é um tipo de falha reversa na qual o ângulo do plano de falha é quase horizontal. As rochas podem deslizar muitos quilômetros ao longo de falhas de pressão ( Figura 13).

Montanha Chefe

Figura 13. Na Montanha Chefe, em Montana, as rochas superiores no Lewis Overthrust são mais de 1 bilhão de anos mais velhas que as rochas inferiores. Como isso pôde acontecer?

Falhas normais podem ser enormes. Eles são responsáveis ​​por cordilheiras edificantes em regiões que sofrem estresse tensional (figura 14).

Um celeiro em frente às montanhas de Teton

Figura 14. O intervalo Teton em Wyoming subiu ao longo de uma falha normal.

Uma falha de deslizamento é uma falha de deslizamento na qual a imersão do plano de falha é vertical. Falhas de deslizamento resultam de tensões de cisalhamento (figura 15).

Diagrama de uma falha sinistral (lateral esquerda) de deslizamento e uma falha de deslizamento dextral (lateral direita).  A vista é uma vista em planta da superfície da Terra (as camadas são mostradas empilhadas umas sobre as outras).  Nos dois tipos de falhas mostrados aqui, os dois planos estão se movendo em direções opostas.  Em uma falha sinistral, a crosta está se movendo para a esquerda e o manto para a direita.  Em uma falha dextral, a crosta está se movendo para a direita e o manto para a esquerda.

Figura 15. Imagine colocar um pé em cada lado de uma falha de deslizamento. Um bloco se move em sua direção. Se esse bloco se mover em direção ao seu pé direito, a falta será uma falha de deslizamento lateral direita; se esse bloco se mover em direção ao seu pé esquerdo, a falta será uma falha de deslizamento lateral esquerda.

A falha de San Andreas

Figura 16. O San Andreas é uma falha de transformação massiva.

A falha de San Andreas, na Califórnia, é a falha de ataque mais famosa do mundo. É uma falha de deslizamento lateral direita (figura 16).

As pessoas às vezes dizem que a Califórnia vai cair no oceano algum dia, o que não é verdade.

Estresse e construção de montanha

Duas placas continentais convergentes se chocam para criar cordilheiras (figura 17). Salienta, a partir desta elevação , dobras, falhas reversas e falhas de impulso, que permitem que a crosta suba para cima.

Como a placa indiana (com a massa terrestre indiana) se deslocou para o nordeste nos últimos 71 milhões de anos, eventualmente a massa terrestre indiana colidiu com a terra na placa eurasiana e essa colisão criou os himalaias.

Figura 17. (a) A cadeia montanhosa mais alta do mundo, o Himalaia, está crescendo a partir da colisão entre as placas da Índia e da Eurásia. (b) O amassamento das placas indianas e eurasianas da crosta continental cria o Himalaia.

A subducção da litosfera oceânica nos limites das placas convergentes também constrói cadeias montanhosas (figura 18).

Cordilheira dos Andes

Figura 18. A Cordilheira dos Andes é uma cadeia de vulcões de arco continental que se acumula quando a placa de Nazca se subducta sob a placa sul-americana.

Quando as tensões tensionais separam a crosta, elas se dividem em blocos que deslizam para cima e caem ao longo de falhas normais. O resultado é a alternância de montanhas e vales, conhecida como bacia e cordilheira (figura 19).

A) diagrama de horst e graben.B) montanhas em Nevada

Figura 19. (a) Na bacia e no intervalo, alguns blocos são elevados para formar intervalos, conhecidos como horsts, e alguns são derrubados para formar bacias, conhecidas como grabens. (b) Montanhas em Nevada são da forma clássica da bacia e do alcance.

Esta é uma animação muito rápida de movimento de blocos em uma configuração de bacia e alcance .

Resumo

  • O estresse é a força aplicada a uma rocha e pode causar deformação. Os três tipos principais de tensão são típicos dos três tipos de limites de placa: compressão em limites convergentes, tensão em limites divergentes e cisalhamento em limites de transformação.
  • Onde as rochas se deformam plasticamente, elas tendem a se dobrar. Deformação quebradiça provoca fraturas e falhas.
  • Os dois tipos principais de falhas são o deslizamento de deslizamento (o plano de falha é inclinado para a horizontal) e o deslizamento de ataque (o plano de falha é perpendicular à horizontal).
  • As maiores montanhas do mundo crescem em limites de placa convergentes, principalmente por falhas e dobramentos.

Tensão

Como acabamos de aprender, a crosta terrestre está constantemente sujeita a forças que a empurram, puxam ou torcem. Essas forças são chamadas de estresse. Em resposta ao estresse, as rochas da Terra sofrem tensão , também conhecida como deformação.

A tensão é qualquer alteração no volume ou na forma. Existem quatro tipos gerais de estresse. Um tipo de estresse é uniforme, o que significa que a força se aplica igualmente em todos os lados de um corpo de rocha. 

Os outros três tipos de tensão, tensão, compressão e cisalhamento são esforços não uniformes ou dirigidos. Todas as rochas da Terra sofrem um estresse uniforme em todos os momentos. 

Esse estresse uniforme é chamado de pressão litostática e vem do peso da rocha acima de um determinado ponto da Terra. A pressão litostática também é chamada de pressão hidrostática. (Incluídos na pressão litostática estão o peso da atmosfera e, se abaixo de um oceano ou lago, o peso da coluna de água acima daquele ponto na terra.

No entanto, comparado à pressão causada pelo peso das rochas acima, a quantidade de pressão devido ao peso da água e do ar acima de uma rocha é insignificante, Exceto na superfície da Terra.)

A única maneira de alterar a pressão litostática em uma rocha é a mudança da profundidade da rocha dentro da Terra. Como a pressão litostática é uma tensão uniforme, uma mudança na pressão litostática não causa fraturas e deslizes ao longo das falhas . No entanto, pode ser a causa de certos tipos de terremotos. 

Ao subdividir as placas tectônicas, a pressão aumentada de maior profundidade dentro da terra pode fazer com que os minerais na placa se metamorfosem espontaneamente em um novo conjunto de minerais mais densos que são estáveis ​​na pressão mais alta. 

Acredita-se que essa seja a causa provável de certos tipos de terremotos profundos em zonas de subducção, incluindo os terremotos mais profundos já registrados. Como a pressão litostática é uma tensão uniforme, uma mudança na pressão litostática não causa fraturas e deslizes ao longo das falhas.

 No entanto, pode ser a causa de certos tipos de terremotos. Ao subdividir as placas tectônicas, a pressão aumentada de maior profundidade dentro da terra pode fazer com que os minerais na placa se metamorfose espontaneamente em um novo conjunto de minerais mais densos que são estáveis ​​na pressão mais alta. 

Acredita-se que essa seja a causa provável de certos tipos de terremotos profundos em zonas de subducção, incluindo os terremotos mais profundos já registrados. 

Como a pressão litostática é uma tensão uniforme, uma mudança na pressão litostática não causa fraturas e deslizes ao longo das falhas. 

No entanto, pode ser a causa de certos tipos de terremotos. Ao subdividir as placas tectônicas, a pressão aumentada de maior profundidade dentro da terra pode fazer com que os minerais na placa se metamorfose espontaneamente em um novo conjunto de minerais mais densos que são estáveis ​​na pressão mais alta.

 Acredita-se que essa seja a causa provável de certos tipos de terremotos profundos em zonas de subducção, incluindo os terremotos mais profundos já registrados. a pressão aumentada de maior profundidade dentro da terra pode fazer com que os minerais na placa se metamorfose espontaneamente em um novo conjunto de minerais mais densos que são estáveis ​​à pressão mais alta. 

Acredita-se que essa seja a causa provável de certos tipos de terremotos profundos em zonas de subducção, incluindo os terremotos mais profundos já registrados. a pressão aumentada de maior profundidade dentro da terra pode fazer com que os minerais na placa se metamorfose espontaneamente em um novo conjunto de minerais mais densos que são estáveis ​​à pressão mais alta. 

Acredita-se que essa seja a causa provável de certos tipos de terremotos profundos em zonas de subducção, incluindo os terremotos mais profundos já registrados.

As rochas também são submetidas aos três tipos de tensão dirigida (não uniforme) – tensão, compressão e cisalhamento.

  • A tensão é uma tensão direcionada (não uniforme) que separa a rocha em direções opostas. As forças de tensão (também chamadas de extensão) se afastam umas das outras.
  • A compressão é um estresse direcionado (não uniforme) que empurra as rochas juntas. As forças de compressão empurram uma para a outra.
  • O cisalhamento é uma tensão direcionada (não uniforme) que empurra um lado de um corpo de rocha em uma direção e o lado oposto do corpo de rocha na direção oposta. As forças de cisalhamento estão empurrando de maneiras opostas.

Em resposta ao estresse, a rocha pode sofrer três tipos diferentes de deformação – tensão elástica, deformação dúctil ou fratura.

  • A tensão elástica é reversível. A rocha que sofreu apenas tensão elástica retornará à sua forma original se o estresse for liberado.
  • A tensão dúctil é irreversível. Uma rocha que sofreu uma tensão dúctil permanecerá deformada mesmo que o estresse pare. Outro termo para tensão dúctil é a deformação plástica.
  • A fratura também é chamada de ruptura. Uma rocha que se rompeu rompeu abruptamente em pedaços distintos. Se as peças estiverem deslocadas – deslocadas em direções opostas uma da outra – a fratura é uma falha.
Diagrama de Elastic, Plastic e Rupture.  Em Elastic, o material é esticado um pouco e retorna ao normal.  O plástico é o mesmo, mas o material pode esticar ainda mais.  Em Ruptura, o material é esticado demais e quebra, permanecendo sua forma esticada

Tensão dúctil e frágil

As rochas da Terra são compostas por uma variedade de minerais e existem em uma variedade de condições. 

Em diferentes situações, as rochas podem atuar como materiais dúcteis que são capazes de sofrer uma grande quantidade de tensão dúctil em resposta ao estresse, ou como materiais frágeis, que só sofrerão pouca ou nenhuma tensão dúctil antes de se romperem. Os fatores que determinam se uma rocha é dúctil ou quebradiça incluem:

  • Composição – Alguns minerais, como o quartzo, tendem a ser frágeis e, portanto, mais propensos a quebrar sob estresse. Outros minerais, como calcita, argila e mica, tendem a ser dúcteis e podem sofrer muita deformação plástica. Além disso, a presença de água na rocha tende a torná-la mais dúctil e menos frágil.
  • Temperatura – As rochas tornam-se mais macias (mais dúcteis) a temperaturas mais altas. As rochas no manto e as temperaturas do núcleo são dúcteis e não fraturam sob as tensões que ocorrem no fundo da Terra. A crosta, e até certo ponto a litosfera, é fria o suficiente para fraturar se o estresse for alto o suficiente.
  • Pressão litostática – Quanto mais profunda a rocha estiver na terra, maior a pressão litostática a que está sujeita. Alta pressão litostática reduz a possibilidade de fratura, pois a alta pressão fecha as fraturas antes que elas se formem ou se espalhem. As altas pressões litostáticas do manto sub-litosférico e núcleo interno sólido da Terra, juntamente com as altas temperaturas, são o motivo pelo qual não há terremotos no fundo da Terra.
  • Strain rate – Quanto mais rápido uma pedra está sendo esticada, maior a chance de fraturar. Mesmo rochas e minerais frágeis, como o quartzo, ou uma camada de basalto frio na superfície da Terra, podem sofrer deformação dúctil se a taxa de deformação for lenta o suficiente.

A maioria dos terremotos ocorre na crosta terrestre. Um número menor de terremotos ocorre no manto superior (a cerca de 700 km de profundidade) onde a subducção está ocorrendo. Rochas nas partes mais profundas da Terra não sofrem fraturamento e não produzem terremotos porque as temperaturas e pressões são altas o suficiente para tornar toda a tensão dúctil. Nenhum terremoto se origina abaixo do manto superior da terra.

Tipos de estresse e falha

As correlações a seguir podem ser feitas entre os tipos de tensão no solo e o tipo de falha que provavelmente resultará:

  • A tensão leva a falhas normais.
  • A compressão leva a falhas reversas ou de impulso.
  • O cisalhamento horizontal leva a falhas de deslizamento.

Correlações entre tipo de estresse e tipo de falha podem ter exceções. Por exemplo, zonas de tensão horizontal provavelmente terão falhas de deslizamento como o tipo de falha predominante. No entanto, também podem existir falhas normais de pressão e de impulso em tais zonas, particularmente onde existem curvas ou falhas nas principais falhas de deslizamento.

Para dar outro exemplo, em uma região de tensão de compressão na crosta, onde as folhas de rocha são empilhadas em faltas de empuxo ativas, falhas de deslizamento comumente conectam algumas das faltas de empuxo juntas.

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