FALHAS E ROCHAS DE FALHA

Apresentamos dois textos que explanam nossa aula sobre falhas e rochas de falhas.

Texto 1: Extraído de FOSSEN, Haakon. Geologia Estrutural. Trad. Fábio R. D. de Andrade. Capítulo 8 – Falhas. São Paulo : Oficina de Textos, 2012.

As falhas afetam as camadas de rochas e introduzem "defeitos" no arcabouço estratigráfico primário. Elas são estruturas geológicas extremamente intrigantes e fascinantes para os que trabalham com Geologia Estrutural, ainda que em alguns casos possam frustrar estratígrafos e mineradores por dificultarem o mapeamento geológico e a interpretação de dados sísmicos. Hoje sabemos mais sobre as falhas do que há poucas décadas, em razão principalmente dos avanços da indústria do petróleo. Elas também representam desafios para a disposição de resíduos e para a construção de túneis. As falhas ativas têm uma relação próxima com terremotos e desastres sísmicos. Neste capítulo, abordaremos a geometria, a anatomia e a evolução de falhas e de conjuntos de falhas, com exemplos e aplicações relevantes para a indústria do petróleo.

8.1 Terminologia de falhas

Enquanto as fraturas e outras descontinuidades abordadas nos capítulos anteriores são estruturas relativamente simples, as falhas são muito mais complexas e podem acomodar grande quantidade de deformação na crosta superior. O termo falha é usado de diferentes modos, dependendo do con­texto. Uma definição simples e tradicional seria:

UMA FALHA É QUALQUER SUPERFÍCIE OU FAIXA ESTREITA ONDE É VISÍVEL UM DESLOCAMENTO CAUSADO POR CISA­LHAMENTO.

Esta definição é praticamente idêntica à de fra­tura de cisalhamento, e alguns geólogos usam os dois termos como sinônimos. Alguns geólogos refe­rem-se às fraturas de cisalhamento com rejeitos mi­limétricos ou centimétricos como microfalhas. En­tretanto, há uma tendência para restringir-se o uso do termo fratura de cisalhamento às estruturas de pe­queno porte e de aplicar-se o termo falha às estrutu­ras mais bem desenvolvidas, com rejeitos da ordem de 1 m ou mais.

A espessura de uma falha é outro aspecto rele­vante. As falhas são, em geral, expressas como pla­nos ou superfícies, tanto na linguagem oral como na escrita, mas um exame minucioso revela que elas formam uma faixa com uma espessura men­surável e com estruturas rúpteis subsidiárias. A es­pessura é, em geral, muito menor que o rejeito, e muitas ordens de grandeza menor que o compri­mento da falha. Uma falha pode ser considerada como uma superfície ou como uma faixa, depen­dendo da escala de observação, dos objetivos e do grau de precisão necessário.

As falhas tendem a formar zonas complexas de deformação, com múltiplos planos de cisalha­mento, fraturas subsidiárias e, em alguns casos, bandas de deformação. Isso é particularmente visí­vel quando consideramos grandes falhas, com rejei­tas de porte quilométrico. Elas podem ser conside­radas falhas simples em um mapa ou em um perfil sísmico, mas poderão ser descritas em campo como um conjunto de planos de falha. Em outras pala­vras, a dependência da escala é fundamental para o geólogo estruturalista. Isso levou a maioria dos geólogos a considerar as falhas como um volume de rochas deformadas de modo rúptil, volume este que é relativamente delgado em uma direção:

UMA FALHA É UM VOLUME TABULAR DE ROCHA COM UMA SUPERFÍCIE CENTRAL OU NÚCLEO DE CISALHAMENTO, ONDE O CISALHAMENTO É MAIS INTENSO, ENVOLTO POR UM VOLUME AFETADO EM MENOR GRAU POR UMA DEFOR­MAÇÃO RÚPTIL, QUE TEM RELAÇÃO ESPACIAL E GENÉTICA COM A FALHA.

O termo falha pode ainda ser aplicado a mecanis­mos de deformação (rúptil ou plástica). De modo in­formal, esse termo cobre tanto as descontinuidades rúpteis como as zonas de cisalhamento dúctil, do­minadas pela deformação plástica. Isso está implí­cito quando discutimos grandes falhas que atraves­sam grandes porções da crosta em perfis sísmicos ou geológicos. O termo falha rúptil (em oposição à zona de cisalhamento rúptil) pode ser usado em casos em que é importante indicar o mecanismo de deformação. Na maioria dos casos, os geólogos implicitamente restringem o termo falha a desliza­mentos ou descontinuidades causados por cisalha­mento dominado por mecanismos de deformação rúptil, o que faz com que o termo falha rúptil seja algo redundante:

UMA FALHA É UMA DESCONTINUIDADE COM DESLOCA­MENTO PARALELO ÀS SUAS PAREDES E DOMINADA POR MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO RÚPTIL.

As descontinuidades, nesse contexto, referem­-se principalmente às camadas de rochas, ou seja, as falhas cortam as camadas de rochas, que se tor­nam descontínuas. Entretanto, as falhas também representam descontinuidades mecânicas e de des­locamento. A Fig. 8.1 ilustra como o campo de des­locamento varia rapidamente através das falhas,  tanto em mapa como em perfil. Uma definição cinemática, particularmente útil para trabalhos experimentais e monitoramento de falhas ativas por GPS, pode ser acrescentada:

UMA FALHA É UMA DESCONTINUIDADE NA VELOCIDADE OU NO CAMPO DE DESLOCAMENTO ASSOCIADOS À DEFORMAÇÃO.

Como mencionado no capítulo anterior, as falhas são diferentes das fraturas de cisalhamento, porque uma simples fratura de cisalhamento não pode expandir-se ao longo do seu próprio plano para tornar-se uma grande estrutura. As falhas, por sua vez, podem crescer pela criação de uma complexa zona de processos, com numerosas pequenas fraturas, sendo que algumas delas se conectam para formar as superfícies de deslocamento, enquanto que outras são abandonadas.

8.1.1 Geometria das falhas

As falhas não verticais separam o bloco superior, denominado capa ou teto, do bloco inferior, chamado lapa ou muro (Fig. 8.2). Quando a capa é rebaixada em relação à lapa, há uma falha normal. No caso oposto, onde a capa é soerguida em relação à lapa, há uma falha reversa. Se o movimento for lateral, ou seja, no sentido do plano horizontal, temos uma falha transcorrente. As falhas transcorrentes podem ter rejeito sinistral (lateral esquerdo) ou destral (lateral direito) (do latim sinister = esquerda, dexter = direita).

Observa-se uma ampla gama de ângulos de mergulho dos planos de falhas, desde verticais até horizontais, mas alguns deles são mais comuns: as falhas transcorrentes têm ângulo de mergulho alto, e as falhas reversas possuem, tipicamente, ângulo de mergulho menor que o das falhas normais. Se o ângulo de mergulho for menor que 30°, a falha é denominada falha de baixo ângulo, ao passo que as falhas de alto ângulo têm mergulho maior que 60°. As falhas reversas de baixo ângulo são denomi­nadas falhas de cavalgamento, especialmente se o movimento dos blocos for da ordem de dezenas ou centenas de quilômetros.

Uma falha que se horizontaliza com o aumento da profundidade é uma falha lístrica (Fig. 8.3), en­quanto as falhas cujo ângulo de mergulho aumenta com a profundidade são, por vezes, denominadas antilístricas. Os termos rampa e patamar, original­mente ligados à terminologia das falhas de cavalga­mento, são usados para descrever a alternância de porções inclinadas e sub-horizontais em qualquer plano de falha. Por exemplo, uma falha que varia de inclinada para horizontal e novamente para incli­nada tem uma geometria rampa-patamar-rampa.

As irregularidades são particularmente comuns em seções perpendiculares à direção de desloca­mento da falha. Nas falhas normais e reversas, isso significa traços de falha curvos quando vistos em mapas, como nas falhas em campos de petróleo ex­tensionais (Fig. 8.4). As irregularidades nessa seção não causam conflito durante o deslizamento dos blocos, contanto que os eixos das irregularidades coincidam com o vetor de deslizamento. Quando as irregularidades também ocorrem na direção de deslocamento, pode haver deformação na capa e/ou na lapa. Por exemplo, uma falha normal lístrica cria tipicamente estruturas antiformes (rollover) na capa.

UMA FALHA PODE TER QUALQUER FORMA PERPENDICULAR À DIREÇÃO DE DESLIZAMENTO, MAS FORMAS NÃO LINEA­RES NA DIREÇÃO DE DESLIZAMENTO GERAM PROBLEMAS DE ESPAÇO E DEFORMAÇÃO DA CAPA E/OU LAPA.

O termo zona de falha refere-se tradicional­mente a uma série de falhas ou superfícies de deslizamento subparalelas, suficientemente pró­ximas umas das outras para definir uma zona. A largura da zona depende da escala de observação ­em campo ela varia de centímetros a metros, mas pode ser da ordem de quilômetros ou mais quando estudamos falhas de grande porte, como a Falha de San Andreas (EUA). Pode haver algumas incon­sistências quanto ao uso do termo zona de falha, particularmente em relação à parte central da falha, onde todas ou a maioria das estruturas originais da rocha são obliteradas, ou quanto ao núcleo e às zonas marginais de deformação associadas à falha. Essa situação, comum na literatura relacionada à Geologia de Petróleo, pode causar alguma confusão e, portanto, o uso do termo zona de falha requer uma especificação cuidadosa.

Duas falhas normais separadas que mergulham uma em direção à outra criam um bloco rebaixado denominado graben (Fig. 8.5). As falhas normais com mergulhos em direções opostas criam um bloco soerguido denominado horst. As falhas mai­ores em regiões falhadas são denominadas falhas mestras (master faults) e estão associadas a falhas menores, que podem ser sintéticas ou antitéticas. Uma falha antitética mergulha na direção da falha mestra, enquanto uma falha sintética mergulha na mesma direção da falha mestra (Fig. 8.5). Essas expressões são relativas e apenas fazem sentido quando as falhas menores estão relacionadas a falhas maiores específicas.

8.1.2 Rejeito, escorregamento e separação

O vetor que conecta dois pontos que foram contí­guos antes do falhamento chama-se vetor de deslo­camento (rejeito) local ou direção de rejeito líquido (Fig. 8.6). Idealmente, uma falha transcorrente tem um rejeito horizontal, enquanto as falhas normal e reversa têm vetores de deslocamento na direção do mergulho. Em geral, o rejeito total que observamos na maioria das falhas é a soma de vários incremen­tos (terremotos), cada um com seu próprio vetor de deslocamento ou de rejeito. Os rejeitos individuais podem ter direções distintas. Há, portanto, uma di­ferença entre a deformação sensu stricto, que relaci­ona apenas os estados deformado e não deformado, e a história da deformação. Podemos procurar em campo as evidências do histórico dos rejeitos em feições como estrias múltiplas.

Uma série de vetores de deslocamento sobre a superfície de deslocamento resulta em um campo de deslocamento ou campo de rejeito nessa super­fície. As estrias, os indicadores cinemáticos (Cap. 9) e o rejeito das camadas fornecem ao geólogo de campo informações sobre a direção, o sentido e a magnitude do rejeito. Muitas falhas apresentam desvios a partir dos rejeitos puros no sentido do mergulho ou no sentido da direção, ou seja, apre­sentam vetor de rejeito líquido oblíquo. Tais falhas são denominadas falhas de rejeito oblíquo (Fig. 8.7). O grau de inclinação é indicado pelo pitch (ou rake), que é o ângulo entre a direção da superfície de des­lizamento e o vetor de rejeito (estrias).

Se não soubermos qual é o verdadeiro vetor de deslocamento, podemos ser enganados pelo rejeito aparente de uma seção arbitrária em um maciço ro­choso falhado, seja ela sísmica ou em afloramento (Fig. 8.6B). O rejeito aparente observado em uma se­ção ou plano é denominado separação (aparente). O rejeito horizontal é a separação das camadas vista em uma exposição horizontal ou em um mapa (Fig. 8.6B), enquanto o rejeito de mergulho é ob­servado em uma seção vertical (Fig. 8.6C). Nesta, o rejeito de mergulho pode ser decomposto em um rejeito vertical e em um horizontal. Note que esse rejeito horizontal é diferente daquele mostrado na Fig. 8.6D. Esses dois rejeitos registrados em uma seção vertical podem ser denominados rejeito ho­rizontal aparente (heave) e rejeito vertical aparente (throw) (Fig. 8.6C). O rejeito verdadeiro ou total de uma falha pode ser observado apenas na seção que contenha o verdadeiro vetor de deslocamento (Fig. 8.6D).

Uma falha que afeta uma sequência de cama­das irá separar, nas três dimensões, cada superfí­cie (interface estratigráfica), e dessa forma surgirão duas linhas de corte de falha (Fig. 8.8). Se a falha não for vertical e o vetor de deslocamento não for paralelo ao acamamento, o mapa da superfície fa­lhada irá mostrar um espaço aberto entre duas li­nhas de corte. A largura do espaço aberto, que não apresentará contornos, está relacionada tanto ao mergulho da falha como ao seu rejeito de mergulho. Além disso, a abertura reflete o rejeito horizontal aparente visto na seção vertical através da falha (Fig.8.8).

8.1.3 Separação estratigráfica

A perfuração através de uma falha pode resultar em uma seção repetida ou em uma seção faltante no corte de falha (ponto onde a perfuração intersecta a falha). Em perfurações verticais, o caso é simples: falhas normais omitem camadas (Fig. 8.9A) e falhas reversas causam a repetição de camadas ao longo da perfuração. Em perfurações inclinadas, onde a inclinação do furo é menor que a do mergulho da fa­lha, como na perfuração G, na Fig. 8.9B, a repetição estratigráfica pode ser vista em falhas normais. O termo geral para a ausência ou a repetição de uma seção estratigráfica em poços perfurados através de uma falha é separação estratigráfica. A separação es­tratigráfica é uma medida do rejeito de falha obtida em perfurações de poços de petróleo, e será igual ao componente vertical de rejeito de falha se as ca­madas forem horizontais. A maioria das camadas falhadas não é horizontal, e o componente vertical de rejeito deve ser calculado.

8.2 Anatomia de falha

As falhas registradas em perfis geológicos ou sÍsmi­cos são, em geral, representadas por linhas simples de espessura constante. Em detalhe, entretanto, as falhas raramente são superfícies simples ou zonas de espessura constante. De fato, elas são, em sua maioria, estruturas complexas formadas por uma quantidade praticamente imprevisível de elemen­tos estruturais. Como há variações tanto ao longo como entre as falhas, não é fácil chegarmos a um modelo simples para descrever uma falha. Na maioria dos casos, é útil fazer uma distinção entre o núcleo da falha (ou superfície de deslizamento) e o volume ao seu redor, conhecido como zona de dano de falha, onde as rochas apresentam deformação rúptil (Fig. 8.10).

O núcleo da falha pode variar de uma simples su­perfície de deslizamento, com uma zona cataclás­tica de espessura milimétrica, a uma zona com vá­rias superfícies de deslizamento ou até zonas in­tensamente cisalhadas com vários metros de es­pessura, onde apenas resquícios da rocha original estão preservados. Em rochas cristalinas, o núcleo da falha pode ser constituído por um material pra­ticamente não coeso conhecido como gouge de fa­lha, no qual argilominerais são formados a partir de feldspatos e outros minerais primários. Em ou­tras situações, o núcleo da falha pode conter cataclasitos de alta dureza, particularmente em fa­lhas formadas na parte inferior da crosta superior rúptil. Vários tipos de brechas, coesas ou não co­esas, também são encontrados em núcleos de fa­lhas. Em casos extremos, a fricção faz com que as rochas cristalinas sejam localmente fundidas, cri­ando uma massa vítrea conhecida como pseudota­quilito. 

Texto 2: Rochas formadas nas zonas de falha.

A movimentação dos blocos no decorrer do falhamento pode provocar profundas alterações nos materiais afetados, levando à formação de uma categoria específica de rochas, as rochas cataclásticas, enquadradas no conjunto das rochas metamórficas (metamorfismo dinâmico).

Estas rochas se formam por evolução de um microfraturamento inicial. A coalescência das microfraturas provoca uma partição da rocha em blocos angulosos de tamanho variável. Com o adensamento da rede de fraturas, o tamanho dos blocos tende a diminuir. Esta diminuição pode ser acompanhada de um arredondamento progressivo dos elementos, induzido pela sua rotação em conseqüência da movimentação dos blocos de falha. Este processo de trituração, totalmente frágil, chamado cominuição ou cataclazação, leva à formação de rochas constituídas por uma matriz fina englobando fragmentos da rocha inicial.

As rochas formadas nessas condições podem ou não sofrer uma litificação, apresentando-se coesas ou não. Em função da intensidade da deformação, tanto a proporção fragmentos/matriz como o tamanho dos fragmentos varia.

No caso de falhas sísmicas (falhas ligadas à terremotos, acompanhadas de uma movimentação muito rápida), a energia liberada pelo atrito dos blocos pode ser suficiente para provocar uma fusão parcial limitada nas rochas encaixantes ao longo do plano de falha.

Brecha de Falha

Cataclasito:  frag de qz em matriz coesiva rica em epídoto

O material líquido assim formado, geralmente em volume pequeno, provoca um aumento de pressão que pode gerar um fraturamento hidráulico das encaixantes. Esse material é injetado nas fraturas assim formadas, onde ele resfria imediatamente, adquirindo uma textura vítrea. Por conta da sua semelhança com os taquilitos (vidros vulcânicos), esta rochas são chamadas pseudotaquilitos.

Pseudotaquilitos

As rochas cataclásticas, agrupadas na série cataclástica, podem ser classificadas de acordo com a sua coesão, o tamanho dos seus clastos e a percentagem clastos/matriz. Esta classificação dá uma ideia aproximada da intensidade da deformação.

Série Cataclástica

Formação das Rochas Cataclásticas

O esquema acima não é considerado correto, na atualidade. Milonitos não são exatamente rochas cataclásticas, ainda que tenham sido assim consideradas por Sibson. Os milonitos são subdivididos com base na proporção dos grãos originais, de tamanho grande, e da matriz recristalizada. Os milonitos são foliados e comumente apresentam lineações e abundantes  evidências de processos de deformação plástica, em vez de deslizamento friccional e moagem de grãos. Os milonitos formam-se a profundidades e temperaturas maiores que os cataclasitos e as demais rochas de falha, e acima de 300 ºC para rochas ricas em quartzo.

Brecha de falha é uma rocha inconsolidada com <30% de matriz. Se a razão matriz-fragmentos for maior, a rocha é denominada gouge de falha. Um gouge de falha é uma versão intensamente moída da rocha original, mas esse termo pode também ser usado para camadas de argila ou folhelho intensamente modificadas em núcleos de falhas em rochas sedimentares.

Essas rochas não são consolidadas na parte superior da crosta rúptil. Elas formam condutos para o fluxo de fluidos em rochas não porosas, mas contribuem para a redução da permeabilidade em rochas porosas.

Pseudotaquilito é uma rocha escura, densa, vítrea ou microcristalina. Ela se forma pela fusão local das paredes da rocha pelo atrito do deslizamento. O pseudotaquilito pode apresentar injeções de veios em suas laterais, bordas congeladas, fragmentos de rochas encaixantes e estruturas vítreas. Essa rocha ocorre tipicamente em zonas de espessura milimétrica a centimétrica que fazem contato brusco com a rocha encaixante. Os pseudotaquilitos formam-se tipicamente na parte superior da crosta, mas também podem formar-se em profundidades maiores, nas regiões anidras da crosta inferior.

As crush breccias são caracterizadas por fragmentos grandes. Elas têm menos de 10% de matriz e são rochas coesas e duras. Os fragmentos são unidos por um cimento (geralmente de quartzo ou calcita) e/ou por microfragmentos que foram moídos durante o falhamento.

Cataclasitos são diferentes das crush breccias pela sua menor razão fragmentos-matriz. A matriz é formada por microfragmentos moídos, que constituem uma rocha maciça com aspecto de sílex. É necessária uma certa temperatura para que a matriz assuma um aspecto de sílex e, portanto, considera-se que a maioria dos cataclasitos tenha se formado a 5 km de profundidade ou mais.