Dinâmica do manto e deformação continental: uma introdução à geotectônica

176 Pages·08.298 MB·Portuguese

by  Sérgio Pacheco Neves

Projeto Gráfico:
Autor
Montagem e Impressão:
Editora Universitária
Revisão ortográfica:
Ângela Santos

Imagem da cobertura:
5-Minute Gridded Global Relief Data Collection (ETOPO5).
Globo terrestre mostrando o relevo continental e a batimetria do assoalho oceânico. As feições
fisiográficas mais marcantes são: o sistema de cadeias de montanhas Himalaia-Tibete (centro); o
rifte proto-oceânico entre a África e a Arábia (Golfo de Aden e Mar Vermelho; esquerda); os
traços de hotspots Reunião e Ninetyeast, no oceano Índico (abaixo); e os arcos de ilhas e fossas
oceânicas relacionados com subducção das placas do Pacífico e das Filipinas (direita). Este
material não é sujeito à proteção de direitos autorais e pode ser acessado através do site
www.ngdc.noaa.gov
Dedicado à
Jandira e Olga
ii
Sumário

Prefácio .........................................................................................................................................ix

1. Petrologia e Geoquímica: Revisão de Alguns Conceitos
1.1. Introdução ...........................................................................................................................................1
1.2. Elementos maiores e traço ..................................................................................................................1
1.3. Fusão parcial, compatibilidade e incompatibilidade ..........................................................................1
1.4. Empobrecimento e enriquecimento; fertilidade e infertilidade ..........................................................2
1.5. Minerais e rochas ................................................................................................................................3
1.6. Classificação de rochas ígneas e séries magmáticas ..........................................................................3
1.7. Rochas e fácies metamórficas ............................................................................................................4
Referências selecionadas ...........................................................................................................................5

2. Geocronologia
2.1. Introdução ...........................................................................................................................................7
2.2. Conceitos básicos ...............................................................................................................................7
2.3. Método Rb-Sr .....................................................................................................................................8
2.4. Método Sm-Nd ...................................................................................................................................9
2.5. Método U-Pb .................................................................................................................................... 11
2.5.1. Generalidades ............................................................................................................................ 11
2.5.2. Curva concórdia ........................................................................................................................ 11
2.5.3. Métodos ..................................................................................................................................... 12
2.5.4. Aplicações ................................................................................................................................. 13
2.6. Termocronologia .............................................................................................................................. 14
2.6.1. Método 40Ar – 39Ar .................................................................................................................... 14
2.6.2. Datação por traços de fissão ...................................................................................................... 15
2.6.3. Aplicações ................................................................................................................................. 15
2.7. A escala do tempo geológico ............................................................................................................ 15
Referências Selecionadas ........................................................................................................................ 16

3. Estrutura e Composição do Interior da Terra
3.1. Introdução ......................................................................................................................................... 17
3.2. Ondas sísmicas ................................................................................................................................. 17
3.3 Características sísmicas das camadas da Terra ................................................................................. 18
3.4. Composição da crosta ....................................................................................................................... 20
3.4.1. Crosta continental ...................................................................................................................... 20
iii
3.4.2. Crosta oceânica .......................................................................................................................... 21
3.5. Tipos e províncias crustais ............................................................................................................... 21
3.5.1. Tipos crustais ............................................................................................................................. 21
3.5.2. Províncias crustais ..................................................................................................................... 23
3.6. Composição do manto ...................................................................................................................... 24
3.6.1. Manto superior .......................................................................................................................... 25
3.6.2. Zona de baixa velocidade .......................................................................................................... 25
3.6.3. Zona de transição e manto inferior ............................................................................................ 26
3.6.4. Camada D’’ ............................................................................................................................... 27
3.7. Composição do núcleo ..................................................................................................................... 27
Referências selecionadas ......................................................................................................................... 28

4. Convecção Mantélica e Tectônica de Placas
4.1. Introdução ......................................................................................................................................... 31
4.2. Características térmicas e mecânicas da litosfera ............................................................................. 31
4.3. Tectônica de Placas .......................................................................................................................... 32
4.4. Evidências indicando atuação da tectônica de placas ....................................................................... 34
4.4.1. Distribuição de hipocentros de terremotos ................................................................................ 35
4.4.2. Terremotos e mecanismos focais............................................................................................... 36
4.4.3. Tomografia sísmica ................................................................................................................... 37
4.4.4. Reversões do campo magnético e faixas de anomalias magnéticas no assoalho oceânico ....... 40
4.4.5. Idades do assoalho oceânico ...................................................................................................... 44
4.4.6. Paleomagnetismo ....................................................................................................................... 44
4.4.7. Sedimentos oceânicos, fluxo térmico e batimetria do assoalho oceânico ................................. 45
4.4.8. Movimento de placas no presente ............................................................................................. 46
4.5. Descrevendo o movimento das placas tectônicas ............................................................................. 46
4.6. Forças responsáveis pela tectônica de placas ................................................................................... 48
4.7. Simulações numéricas ...................................................................................................................... 49
Referências selecionadas ......................................................................................................................... 50

5. Convecção Mantélica, Plumas e Hotspots
5.1. Introdução ......................................................................................................................................... 53
5.2. Evidências indicando a existência de plumas ................................................................................... 54
5.2.1. Tomografia sísmica ................................................................................................................... 54
5.2.2. Anisotropia sísmica ................................................................................................................... 55
5.2.3. Superdomos e anomalias do geóide .......................................................................................... 55
5.2.4. Argumentos petrológicos .......................................................................................................... 56
5.2.5. Argumentos geoquímicos .......................................................................................................... 58
5.2.6. Argumentos isotópicos .............................................................................................................. 58
iv
5.3. Hotspots sem relação com plumas ................................................................................................... 59
5.4. Traços de hotspots e velocidades absolutas de placas ...................................................................... 60
5.5. Plumas e tectônica de placas ............................................................................................................ 60
5.6. Uma visão global da dinâmica e evolução do manto ....................................................................... 62
Referências selecionadas ......................................................................................................................... 63

6. Ambientes Tectônicos: Estrutura e Associações Petrotectônicas
Características
6.1. Introdução ......................................................................................................................................... 65
6.2. Riftes continentais ............................................................................................................................ 65
6.2.1. Características gerais e mecanismos de formação ..................................................................... 65
6.2.2. Controles na formação e evolução de riftes continentais .......................................................... 67
6.2.3. Associações petrotectônicas ...................................................................................................... 68
6.3. Margens passivas e assoalho oceânico ............................................................................................. 68
6.4. Dorsais oceânicas ............................................................................................................................. 69
6.4.1. Classificação e morfologia ........................................................................................................ 69
6.4.2. Magmatismo .............................................................................................................................. 70
6.4.3. Petrologia e geoquímica ............................................................................................................ 71
6.4.4. Hidrotermalismo e metamorfismo ............................................................................................. 72
6.5. Margens ativas e arcos de ilhas ........................................................................................................ 73
6.5.1. Características gerais ................................................................................................................. 73
6.5.2. Início do processo de subducção ............................................................................................... 74
6.5.3. Vulcanismo ................................................................................................................................ 75
6.5.4. Petrologia e geoquímica ............................................................................................................ 76
6.5.5. Deformação e metamorfismo .................................................................................................... 77
6.5.6. Associações petrotectônicas em arcos: síntese .......................................................................... 78
Referências selecionadas ......................................................................................................................... 78

7. Orogênese
7.1. Introdução ......................................................................................................................................... 81
7.2. Tipos de orógenos ............................................................................................................................ 82
7.3. Ofiolitos ............................................................................................................................................ 83
7.4. Orógenos relacionados a zonas de subducção .................................................................................. 84
7.4.1. Orógenos acrescionários ............................................................................................................ 84
7.4.2. Orógenos do tipo Andino .......................................................................................................... 85
7.4.3. Orógenos do tipo Laramide ....................................................................................................... 85
7.4.4. Orógenos extensionais-contracionais ........................................................................................ 86
7.4.5. Convergência oblíqua e transpressão ........................................................................................ 86
7.5. Orógenos colisionais ........................................................................................................................ 87
v
7.5.1. Fatores que tornam complexo o fenômeno da colisão continental ............................................ 87
7.5.2. Subducção continental, metamorfismo de pressão alta e ultra-alta e slab break-off ................. 88
7.5.3. Domínios em um orógeno colisional maduro ........................................................................... 89
7.5.4. Platôs orogênicos, fluxo canalizado e extrusão ......................................................................... 90
7.5.5. Escape lateral ............................................................................................................................. 91
7.6. Orógenos intracontinentais ............................................................................................................... 92
7.7. Extensão sin- a pós-orogênica .......................................................................................................... 93
7.7.1. Colapso orogênico ..................................................................................................................... 93
7.7.2. Complexos de núcleo metamórfico ........................................................................................... 94
7.7.3. Domos gnaissicos ...................................................................................................................... 95
7.7.4. Vulcanismo ................................................................................................................................ 95
7.8. Plutonismo sinorogênico .................................................................................................................. 96
7.9. Metamorfismo regional .................................................................................................................... 97
7.9.1. Tipos de metamorfismo e ambientes tectônicos ........................................................................ 97
7.9.2. Trajetórias P-T-t ........................................................................................................................ 98
7.10. Distinção entre os diferentes tipos de orógenos: síntese ................................................................ 98
Referências selecionadas ......................................................................................................................... 99

8. Origem e Diferenciação da Terra
8.1. Introdução ....................................................................................................................................... 103
8.2 Meteoritos e a formação do sistema Solar ....................................................................................... 103
8.2.1. Tipos de meteoritos ................................................................................................................. 103
8.2.2. Formação do Sistema Solar ..................................................................................................... 104
8.3. Diferenciação primária da Terra ..................................................................................................... 105
8.4. Formação do Sistema Terra-Lua .................................................................................................... 106
8.5. Formação da atmosfera e hidrosfera ............................................................................................... 106
8.5.1. Origem da atmosfera ............................................................................................................... 106
8.5.2. Origem da hidrosfera ............................................................................................................... 108
8.5.3. Atmosfera rica em oxigênio .................................................................................................... 108
8.6. Formação e crescimento da crosta continental ............................................................................... 109
8.6.1. A crosta e o manto primitivos ................................................................................................. 109
8.6.2. Crescimento da crosta continental ........................................................................................... 111
8.7. Os primeiros 700 Ma: síntese ......................................................................................................... 112
Referências selecionadas ....................................................................................................................... 113

9. O Arqueano: Geologia e Regimes Tectônicos
9.1. Introdução ....................................................................................................................................... 115
9.2. Distribuição dos terrenos arqueanos ............................................................................................... 116
9.3. Geologia dos terrenos arqueanos .................................................................................................... 117
vi
9.3.1. Terrenos de alto grau ............................................................................................................... 117
9.3.2. Terrenos granito-greenstone .................................................................................................... 118
9.4. Regimes tectônicos arqueanos ........................................................................................................ 119
9.4.1. Evolução térmica do manto ..................................................................................................... 119
9.4.2. Tectônica de placas no Arqueano? .......................................................................................... 119
9.4.3. Ausência de tectônica de placas no Arqueano? ....................................................................... 120
9.4.4. Regimes mistos, avalanches no manto, crescimento continental episódico ............................ 121
9.5. TTGs e greenstone belts: ambientes tectônicos .............................................................................. 122
9.5.1. TTGs ........................................................................................................................................ 122
9.5.2. Greenstones ............................................................................................................................. 122
9.5.3. Associações TTG/greenstone .................................................................................................. 123
9.6. Cratonização ................................................................................................................................... 123
Referências selecionadas ....................................................................................................................... 124

10. Cinturões Orogênicos Proterozóicos, Supercontinentes e Superplumas
10.1. Introdução ..................................................................................................................................... 127
10.2. A transição Arqueano-Proterozóico e os primeiros continentes .................................................. 127
10.3. Distribuição e geologia de províncias orogênicas proterozóicas .................................................. 128
10.4. Eventos orogênicos proterozóicos ................................................................................................ 129
10.4.1. Paleoproterozóico .................................................................................................................. 130
10.4.2. Mesoproterozóico .................................................................................................................. 132
10.4.3. Neoproterozóico .................................................................................................................... 132
10.5. Reconstituições paleogeográficas ................................................................................................. 133
10.6. Magmatismo anorogênico ............................................................................................................ 135
10.7. Superplumas e supercontinentes................................................................................................... 136
Referências selecionadas ....................................................................................................................... 137

11. Cinturões Orogênicos Fanerozóicos e o Supercontinente Pangéia
11.1. Introdução ..................................................................................................................................... 139
11.2. Reconstruções paleogeográficas para o Paleozóico ..................................................................... 139
11.3. Cinturões orogênicos paleozóicos ................................................................................................ 141
11.3.1. Orógenos colisionais ............................................................................................................. 141
11.3.2. Orógenos relacionados a zonas de subducção ....................................................................... 143
11.3.3. Orógenos intracontinentais .................................................................................................... 143
11.4. Reconstruções paleogeográficas para o Meso-Cenozóico ............................................................ 144
11.5. Cinturões orogênicos mesozóicos ................................................................................................ 144
11.5.1. Orógenos colisionais ............................................................................................................. 144
11.5.2. Orógenos relacionados a zonas de subducção ....................................................................... 144
11.5.3. Orógenos intracontinentais .................................................................................................... 147
vii
11.6. Cinturões orogênicos cenozóicos ................................................................................................. 147
11.6.1. Orógenos colisionais ............................................................................................................. 147
11.6.2. Orógenos relacionados a zonas de subducção ....................................................................... 150
11.6.3. Orógenos intracontinentais .................................................................................................... 152
11.7. O futuro ........................................................................................................................................ 152
Referências selecionadas ....................................................................................................................... 153

Fontes das Figuras .................................................................................................................................... 157
Índice remissivo ..........................................................................................................................163

viii
Prefácio

O rápido esgotamento da primeira edição deste livro tornou patente o anseio da
comunidade geológica pela publicação de textos didáticos de Geologia. Embora a
estruturação geral da edição original tenha sido mantida, de certa forma este é outro
livro: o texto foi totalmente reescrito, a maioria das figuras substituída ou redesenhada e
outras figuras e tabelas adicionadas. Como é inevitável, isto resultou em um volume
com um número maior de páginas que o original. De qualquer maneira, acredita-se que
os assuntos abordados possam ser cobertos numa disciplina normal de graduação com
45 ou 60 horas de aula. O livro foi escrito tendo em mente o estudante de graduação,
embora possa servir como introdução para cursos mais avançados. Para tornar a leitura
o mais simples possível, optou-se pela não citação de referências bibliográficas no texto,
como é usual em livros mais avançados ou artigos em periódicos científicos. Ao invés
disto, ao final de cada capítulo, uma série de artigos ou livros é listada. As referências
selecionadas obedeceram a dois critérios: (1) livros, capítulos de livros ou artigos de
revisão foram escolhidos para proporcionar uma visão mais abrangente dos tópicos
tratados no capítulo e/ou fornecerem um histórico da evolução das idéias que levaram
ao desenvolvimento dos modelos mais aceitos atualmente; (2) artigos recentes (a
maioria publicados nos últimos dez anos) foram selecionados para ilustrar o estado da
arte de um tema particular. A partir dessas fontes, o estudante poderá complementar ou
avançar no estudo de tópicos específicos.
O livro tem como objetivo apresentar, de maneira sucinta, as idéias atuais sobre a
dinâmica interna da Terra, correlacionando a formação de cinturões orogênicos com o
mecanismo mais geral de convecção mantélica, do qual o movimento relativo das placas
tectônicas é apenas a expressão superficial. Ele está dividido em onze capítulos. Os dois
primeiros apresentam uma revisão breve de alguns conceitos de Geoquímica e
Petrologia (Capítulo 1) e dos principais métodos de datação geocronológicos (Capítulo
2), conhecimento prévio requerido para a compreensão dos capítulos subseqüentes. As
informações contidas nos capítulos 3 a 5 refletem o conhecimento atual sobre a
estrutura (Capítulo 3) e a dinâmica da Terra, enfocando a tectônica de placas (Capítulo
4) e a formação de plumas mantélicas (Capítulo 5) no contexto da atuação de convecção
no manto. Os dois capítulos seguintes são devotados à dinâmica da litosfera. O Capítulo
6 descreve as principais características dos diferentes ambientes relacionados com a
tectônica de placas e o Capítulo 7 é dedicado à descrição e discussão dos processos que
levam à formação de cadeias de montanhas orogênicas.
A formação da Terra, sua diferenciação primária em manto e núcleo, a origem da
hidrosfera e da atmosfera, e o debate sobre a existência ou não de continentes no
período pré-Arqueano constituem o objeto do Capítulo 8. Os capítulos finais são
dedicados à evolução dos continentes no decorrer do tempo. No Capítulo 8, são
descritas as principais características geológicas dos terrenos arqueanos. Com base
nestes dados e em modelos teóricos e numéricos, são discutidos os possíveis regimes
tectônicos vigentes no Arqueano e a questão da formação e preservação da crosta
continental. O Capítulo 10 começa apresentando os principais fatores que diferenciam o
Arqueano do Proterozóico e prossegue com a descrição dos principais eventos
orogênicos proterozóicos. No final do capítulo, são discutidas a existência de
supercontinentes proterozóicos, suas possíveis configurações e as causas do
magmatismo anorogênico que caracteriza o Mesoproterozóico. O leitor deve ter em
mente, ao ler os capítulos 8-10, a ausência de registro geológico para os primeiros 500
ix
milhões de anos da Terra e as incertezas quanto à interpretação de eventos
precambrianos. Estes fatores fazem com que modelos para a evolução dos continentes
ou de orógenos individuais contenham uma boa dose de especulação. Assim, modelos
consensuais ou quase consensuais no presente podem vir a ser descartados no futuro.
Finalmente, o Capítulo 11 apresenta e discute, com base em reconstituições
paleogeográficas, os eventos orogênicos paleozóicos que resultaram na formação do
supercontinente Pangéia, a fragmentação do supercontinente e a formação de cinturões
orogênicos meso/cenozóicos.

O autor é grato aos colegas Gorki Mariano, José Maurício Rangel da Silva, Otaciel de
Oliveira Melo, Ignez de Pinho Guimarães, Adejardo Francisco da Silva Filho e
Hermanilton Azevedo Gomes por sugestões ao manuscrito original, pela leitura critica
de partes do texto atual e/ou pelo constante encorajamento. Agradecimentos são
também devidos ao CNPq porque, ao rejeitar sistematicamente todos os projetos de
pesquisa submetidos nos últimos dez anos, permitiu que parte do tempo e energia
requerida para a execução dos mesmos fosse canalizada para esta obra.
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