Uma mistura de areia com barita: propriedades friccionais e modelos analógicos



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UMA MISTURA DE AREIA COM BARITA: PROPRIEDADES FRICCIONAIS E MODELOS ANALÓGICOS
Caroline Janette Souza Gomes1
1 Universidade Federal de Ouro Preto, Departamento de Geologia; Morro do Cruzeiro s/ no.

e-mail: caroline@degeo.ufop.br


Introdução: Areia seca e argila úmida têm sido empregadas com sucesso para a simulação do comportamento mecânico da crosta superior. Estes materiais foram cuidadosamente estudados, entre outros, por Krantz (1991), Eisenstadt & Sims (2005), Withjack &Schlische (2006) e Panien et al., (2006), que demontraram que, em um campo de gravidade normal, as suas características friccionais se aproximam daquelas da crosta rúptil obedecendo ao critério de fraturamento de Mohr-Coulomb.

Posto que a crosta superior não constitui um meio homogêneo, o emprego de areia ou de argila não satisfaz situações que envolvem a simulação de unidades rochosas distintas ou sequências sedimentares multicamadas. Com o intuito de sanar este problema, pesquisas sobre novos materiais analógicos têm sido desenvolvidos, entre outros, por Schellart (2000) e Rossi & Storti (2003). Estes autores examinaram as características de microesferas de vidro e de alumínio e sílica, respectivamente. Em presente trabalho apresenta-se um estudo preliminar sobre uma mistura de areia de quartzo e barita em pó, na proporção de 2:1, em peso, na tentativa de descobrir um material analógico que permita diferenciar, por exemplo, entre embasamento e supracrustais. O ângulo de atrito interno e a coesão da mistura foram comparados com as respectivas propriedades friccionais da areia de quartzo, pura. Além disto, foram montados, em caixas de experimentos, modelos de sistemas compressivos para a análise comparativa de respectivas cunhas compressivas.

Empregou-se um Ring-shear Tester (RST-XS) para a determinação da variação da tensão cisalhante em função do tempo e para a obtenção de envoltórias de Coulomb, em diagramas de tensão cisalhante versus tensão normal. As envoltórias permitem definir o coeficiente de atrito interno e a coesão, esta a partir de uma análise de regressão linear. As medidas foram efetuadas com tensões normais variando de 800 a 2.400 Pa, em intervalos de 400 Pa, e, para minimizar erros de medidas, cada teste foi repetido três vezes. O Ring-shear Tester registra os dados relativos a três situações distintas: a ruptura (o primeiro pico de tensão), a falha em movimento (estabilidade dinâmica) e a reativação da falha (segundo pico de tensão). Em todos os testes, o preenchimento do compartimento anelar, do ensaio, foi efetuado por despejo, de uma altura de 10 cm.

Os modelos analógicos, da mistura areia/barita e da areia pura, foram montados sobre um mesmo substrato, uma folha de cartolina, com dimensões iguais: de 35 cm de comprimento, 20 cm de largura e 3,0 cm de altura. Gerou-se um encurtamento de 12 cm (34,3%) e, durante a deformação progressiva, mediram-se, a intervalos regulares, o espessamento do material analógico, a uma distancia de 2 cm da parede móvel, e o ângulo de declividade da cunha compressiva. Para garantir a representatividade dos modelos estes foram desenvolvidos duas vezes.



Resultados: A tabela 1 apresenta os dados obtidos no Ring-Shear Tester. Observa-se que a diferença no ângulo de atrito interno, do primeiro pico (a ruptura), entre a mistura areia/barita e areia pura é de apenas 1°. No entanto, registram-se diferenças no comportamento reológico dos materiais (as curvas da tensão cisalhante em função do tempo) (Fig. 1 e Tab. 1) e na coesão, que é mais alta para a mistura areia/barita do que para a areia pura. A mistura areia/barita possui uma taxa de strain-softening muito baixa comparada com aquela da areia pura, e a tensão cisalhante crítica do segundo pico muito próxima à do primeiro. Nota-se também que, apesar do segundo pico ser sempre menor do que o primeiro, o ângulo de atrito interno do segundo é maior do que o do primeiro (Figs. 1 e 2).

Tabela 1: As propriedades friccionais dos materiais analógicos examinadas (µ - coeficiente de atrito interno; Φ – ângulo de atrito interno; R2 - quadrado do coeficiente de correlação; strain softening = µ primeiro pico - µ estabilidade dinâmica / µ estabilidade dinâmica.





Material


Primeiro pico


Segundo pico


Estabilidade dinâmica

Strain softening

μ

μ

μ

Φ

Φ

Φ




Coesão

Coesão

Coesão

R2

R2

R2




Areia / Barita

0,78

0,80

0,73

7,0 %


38°

39°

36°

188 Pa

106 Pa

104 Pa

0,9943

0,9978

09970




Areia

0,82

0,67

0,61

25 %


39°

34°

32°

109

117

105

0,9917

0,9975

0,9962

As fotografias da figura 3 refletem as diferenças reológicas dos dois materiais, em estudo. Apesar de ambos formarem o mesmo número de falhas, nota-se que após 12 cm de encurtamento o espessamento e a declividade da cunha são maiores para a areia pura do que para a mistura areia/barita (vide também os gráficos da figura 4).




B

A


Figura 1. Diagramas tensão cisalhante versus tempo mostrando o comportamento A- da mistura areia/barita e B- da areia pura. As diferentes tensões normais de carregamento constam ao lado de respectivas curvas.


B

A


Figura 2. Envoltórias de Mohr – Coulomb para A- a mistura areia/barita e B- a areia pura.


A

B


Figura 3. Fotografias de seções centrais, umedecidas, dos modelos analógicos, após o encurtamento de 12 cm; A- a mistura areia/barita e B- a areia pura.

A

B


Figura 4. Gráficos de A- Espessamento x Magnitude de encurtamento e B- Declividade da cunha compressiva x Magnitude de encurtamento, para os experimentos desenvolvidos.
Discussão: A correlação entre os modelos analógicos e a natureza constitui tarefa complexa. Lohrmann et al. (2003) sugere que, como as medições das propriedades friccionais das rochas são realizadas em amostras, de dimensões centimétricas, estas não deveriam ser extrapolados para a escala de cinturões de dobras e falhas. Além disto, os autores apontam ao fato de que as curvas de tensão-deformação do material analógico só refletem a evolução mecânica da zona de falha e não do restante do material. Assim, a única forma viável de se realizar a comparação entre natureza e experimentos seria apontar feições similares.

No presente trabalho, os dois modelos experimentais revelaram uma nítida diferença nos parâmetros analisados: o espessamento e o ângulo de declividade da cunha compressiva. Estes são menores para os experimentos desenvolvidos com a mistura areia/barita. As medições efetuadas no Ring-Shear Tester revelaram, no entanto, que a mistura areia/barita apresenta, no instante da ruptura, uma coesão mais elevada (188 Pa) do que a areia pura (109 Pa). Para Davis et al. (1983) e Dahlen (1984), o ângulo de declividade de uma cunha crítica de empurrão depende do coeficiente de atrito interno e basal, das razões interna e basal da pressão dos poros, do mergulho da superfície do descolamento, mas, também, da coesão da rocha no interior da cunha. Um aumento na coesão interna da cunha compressiva causa decréscimo no ângulo de declividade crítico.

Considerando-se que a coesão das rochas sedimentares é menor do que aquela de granitos e de outras rochas duras (Dahlen 1984), tem-se uma primeira similaridade entre o material examinado e as rochas da natureza. É importante lembrar, também, que os ângulos de atrito interno, aqui determinados, e os das rochas da crosta superior, pouco variam. Outros estudos serão desenvolvidos, no futuro, na tentativa de encontrar novos argumentos que possam conduzir ao emprego da mistura areia/barita como análogo ao embasamento.
Bibliografia

Dahlen, F. A. 1984. Non-coehsive Critical Coulomb wedges: an exact solution. Journal of Geophysical Research, 89:10125- 10133

Davis, D., Suppe, J., Dahlen, F. A. 1983. Mechanics of fold-and-thrust belts and accretionary wedges: cohesive Coulomb theory. Journal of Geophysical Research, 88:1153 1172

Eisenstadt, G., Sims, D. 2005. Evaluating sand and clay models: do rheological differences matter? Journal Structural Geology 27, 1399-1412.

Krantz, R.W. 1991. Measurements of friction coefficients and cohesion for faulting and fault reactivation in laboratory models using sand and sand mixtures. Tectonophysics, v. 188, p. 203-207.

Panien, M., Schreurs, G., Pfiffner, A. 2006. Mechanical behaviour of granular materials used in analogue modeling: insights from grain characterization, ring-shear tests and analogue experiments. Journal Structural Geology 28, 1710-1724.

Schellart, W.P. 2000. Shear test results for cohesion and friction coefficients for different granular materials: scaling implications for their usage in analogue modeling. Tectonophysics 324, 1-16.

Rossi, D., Storti, F. 2003. New artificial granular materials for analogue laboratory experiments: aluminium and silicious microspheres. Journal Structural Geology 25, 1893-1899.



Withjack, M. O., Schlische, R.W. 2006. Geometric and experimental models of extensional fault-bend folds: Geological Society of London Special Publication 253, 285–305.

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