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Numerical modelling of boudinage in non-coaxial deformation regimes : implications for the interpretation of natural structures
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
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.
Boudinage is a fundamental geological process that takes place within the lithosphere, occurring at various scales and under different deformation regimes. This type of structure represents the relationship between geometric configuration, kinematic description, and the underlying rheological/dynamic factors that contribute to its formation. Although numerical and analogue modeling techniques have been employed to investigate this phenomenon under coaxial deformation regimes, such as pure shear stress, the correlation between various patterns of boudinage observed in nature and the parameters that control their formation under non-coaxial regimes, such as simple shear stress, is not yet fully understood. In this study, several parameters were studied, including the initial position of the rigid body, the viscosity contrast between the matrix and the rigid body, and the boundary velocity of the model. A base model was created, which included a domain of 360 meters in length by 100 meters in height and a rigid body with dimensions of 8 meters in width and 56 meters in length, was implemented a viscosity contrast ratio between the matrix and the rigid body of 106.5 and applied a simple shear in a dextral relative direction. Additionally, passive markers were incorporated into the model to better understand and measure the deformation on the matrix. As the model evolved, boudinage became noticeable. However, there are distinct differences in matrix deformation between the base model and both the initial position and viscosity contrast test models. The extent of boudin formation varied only in the viscosity contrast test models, with a greater number of boudins formed in cases of lower viscosity contrast. Based on the experimental data, it can be concluded that the efficiency of boudinage is influenced by the viscosity contrast and boundary velocity. However, the deformation of the matrix is affected by all the variables tested, even though the variation in boundary velocity only affects the time required to reach the same level of deformation.
Boudinage is a fundamental geological process that takes place within the lithosphere, occurring at various scales and under different deformation regimes. This type of structure represents the relationship between geometric configuration, kinematic description, and the underlying rheological/dynamic factors that contribute to its formation. Although numerical and analogue modeling techniques have been employed to investigate this phenomenon under coaxial deformation regimes, such as pure shear stress, the correlation between various patterns of boudinage observed in nature and the parameters that control their formation under non-coaxial regimes, such as simple shear stress, is not yet fully understood. In this study, several parameters were studied, including the initial position of the rigid body, the viscosity contrast between the matrix and the rigid body, and the boundary velocity of the model. A base model was created, which included a domain of 360 meters in length by 100 meters in height and a rigid body with dimensions of 8 meters in width and 56 meters in length, was implemented a viscosity contrast ratio between the matrix and the rigid body of 106.5 and applied a simple shear in a dextral relative direction. Additionally, passive markers were incorporated into the model to better understand and measure the deformation on the matrix. As the model evolved, boudinage became noticeable. However, there are distinct differences in matrix deformation between the base model and both the initial position and viscosity contrast test models. The extent of boudin formation varied only in the viscosity contrast test models, with a greater number of boudins formed in cases of lower viscosity contrast. Based on the experimental data, it can be concluded that the efficiency of boudinage is influenced by the viscosity contrast and boundary velocity. However, the deformation of the matrix is affected by all the variables tested, even though the variation in boundary velocity only affects the time required to reach the same level of deformation.
Descrição
Tese de Mestrado, Geologia (Geologia Estrutural), 2023, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Modelação geodinâmica Boudinagem Deformação em regime não-coaxial Parâmetros que controlam a boudinagem Teses de mestrado - 2023