Atelier12

Nos regimes tectónicos em extensão (sigma 1 vertical), nos quais os sedimentos são alongados e, algumas vezes, nos regimes em compressão (encurtamento), o ponteado das falhas nas linhas sísmicas pode ser utilizado como uma ferramenta da estratigrafia sísmica, predição das rochas-reservatório e identificação das armadilhas morfológicas por justaposição. Ele sugere fortemente :

a) As mudanças litológicas nos blocos falhados superiores (tecto) e
b) A correlação dos intervalos sísmicos.

Mas, o que é uma falha ?

No campo, uma falha pode ser definida pela fractura ou zona de fractura ao longo da qual um bloco falhado se desloca relativamente ao outro, de maneira, mais ou menos, paralela à direcção da fractura.

Como se pode ver nesta fotografias, geologicamente, uma falha é uma descontinuidade, isto é, uma ruptura ao longo da qual há um deslocamento das rochas de um lado relativamente ao outro. Contudo, sismicamente, uma falha não é uma descontinuidade, uma vez que a frente de onda da onda reflectida não tem terminações. Ela é distorcida pela falha.

A expressão sísmica de uma falha numa linha sísmica é um registo das chegadas de uma frente de onda distorcida, acompanhada de frentes secundárias e sombras. Numa linha sísmica, os principais eventos associados com uma falha são :

(i) Hipérboles (nas linhas sísmicas não migradas) ;
(ii) Refracções reflectidas e
(iii) Reflexões induzidas pelos planos de falha.

Hipérboles

A linha sísmica superior é em tempo (escala vertical em segundos tempo duplo) e não migrada. A linha inferior é uma versão em profundidade (escala vertical em quilómetros) da linha superior. A escala horizontal é a mesma em ambas as linhas sísmicas. Na linha não-migrada, a falha entre dois blocos é sublinhada por uma hipérbole de difracção (em vermelho) e a sua continuação para a retaguarda (em verde), que muitas vezes, pode ter uma fase inversa (função da velocidade). A mudança de fase ocorre na extremidade do reflector. Na versão migrada em profundidade, as hipérboles desapareceram. Contudo, como se pode constatar não há nenhum reflector sísmico associado ao plano de falha, a qual se reconhece, unicamente, pela terminação dos reflectores dos blocos falhados.

Refracções Reflectidas

Quando o ponto de referência se afasta muito de uma falha, o ângulo da trajectória directa, no ponto de difracção, com o reflector cai, eventualmente, debaixo do ângulo crítico e haverá duas chegadas :

1) A primeira é a chegada directa, que é uma difracção grande ângulo ;
2) A segunda é uma refracção reflectida (refractada na camada de alta velocidade), que é refletidas a partir do plano de falha.

As chegadas directas são representados como hipérboles de difracção. As Refracções refletidas são chegadas rectilíneas cuja inclinação depende da velocidade na camada inferior e da inclinação. É evidente que esta refracção reflectida pode aparecer unicamente na direcção para trás da hipérbole. Em direcção da frente da hipérbole o refractor não existe.

Em certas bacias sedimentares, a fim de evitar interpretações de planos de falhas não existentes, o reconhecimento de refracções refletidas é de suma importância. As refracções são, frequentemente, refletidas em chegadas sísmicas rectilíneas. Tal como ilustrado nas figuras abaixo, a inclinação de uma refracção reflectida depende da velocidade e inclinação do refractor. Qualquer descontinuidades no refractor pode ser um ponto de partida duma refracção refletida.

Nesta linha sísmica migrada, refracções reflectidas são evidentes em associação com uma falha normal que afecta o horizonte refractor, que, neste exemplo, corresponde a uma discordância. Geralmente, em linhas sísmicas não migradas, uma refracção reflectida é tangente à hipérbole de difracção para trás associada com a falha. No lado da frente da hipérbole, o refractor não existe ao mesmo nível. Provavelmente, isso explica porque é que nesta linha migrada, se vê apenas a refracção reflectida mergulhando para oeste. O refractor, colorido em verde e a descontinuidade (deslocamento vertical do marcador refractor, ou seja, uma falha normal) criam uma óbvia refracção reflectida. A inclinação de uma refracção reflectida (amarelo) é função da velocidade do refractor, isto é, da velocidade das ondas sísmicas ao longo do refractor (verde) e da sua inclinação.

Uma refracção refletida é tangente à difracção a uma certa distância crítica. As maiores amplitudes são encontrados perto da distância crítica. As refracções reflectidas podem aparecer apenas na direcção hipérbole de trás. Na frente, o refractor não existe. Uma outra chegada sísmica de uma falha, isto é, uma simples reflexão a partir de um plano de falha, é possível. Para isso, é necessário que as propriedades elásticas dos dois blocos separados pela falha sejam suficientemente diferentes. Para que a reflexão associada à falha possa ser traçada muito longe, o contraste deve ser mantido ao longo da falha. Se isso não acontecer, a reflexão associada ao plano de falha varia tanto em amplitude e carácter que a continuidade da reflexão não será mantida.

Esta figura ilustra as diferenças entre uma refracção refletida e um plano de falha duma falha normal que corta os sedimentos duma bacia do tipo rifte do Mesozóico (Mar do Norte). Tal como é descrito acima, a refracção reflectida (amarela) é rectilínea e inclinada para baixo. A inclinação é função da velocidade da onda de compressão do horizonte refractor. Quanto maior for a velocidade do horizonte refractor (em verde), maior será a inclinação da refracção reflectida. O plano da falha normal (em preto) é enfatizado pela terminação dos reflectores (círculos vermelhos). Ele exibe variações da inclinação e o seu "hade" (o ângulo de um plano de falha com a vertical) aumenta, ligeiramente, em profundidade, uma vez que a velocidade da onda de compressão dos sedimentos aumenta com a profundidade. As mudanças de inclinação do plano de falha são induzidas pelas variações litológicas nos blocos de falha. O princípio teórico da formação de refracções reflectidos é ilustrado no esquema da direita. Basicamente, as ondas sísmicas que chegam ao horizonte refractor (H1 em vermelho) são refratadas ao longo dele até encontrar a descontinuidade criada pela falha normal F. Chegando ao ponto descontinuidade (falha normal), as ondas são reflectidas para trás ao longo do refractor e, depois, para cima até ao receptor.O esquema da direita mostra o que acontece quando um refletor é forte e tem um coeficiente de reflexão positiva (uma rocha de baixa velocidade recobre uma rocha na qual a velocidade das ondas sismicas é alta). A medida que o ponto de observação se afasta da falha, o ângulo do caminho directo entre o ponto de difracção para o reflector, eventualmente, cai abaixo do ângulo crítico. A essa distância, há duas chegadas. A única directa é uma difracção de grande-ângulo. A segunda é a refracção reflectida da rocha com alta velocidade, que é refletida a partir do plano de falha. Numa linha sísmica, uma refracção reflectida aparece como um reflexão (amarelo), mais ou menos, contínua e rectilínea que inclina na direcção do bloco falhado descendente. A inclinação duma refracção reflectida é uma função da velocidade das ondas sísmicas ao longo do refractor.

Algumas reflexões induzidas pelos planos de falha são persistentes em continuidade e regulares em carácter mesmo quando elas cortam uma grande espessura de sedimentos variados, o que sugere que o próprio plano de falha pode tem características litológicas, que contrastam fortemente com a litologia das rochas envolventes, como nos casos seguintes :

(i) Quando o plano de falha é entre sedimentos e rochas do embasamento ;
(ii) Quando o plano de falha está injectado por rochas intrusivas ;
(iii) Quando a zona de falha (zona de ganga) é argilosa e está saturada de água ou gás.

A argila de falha é uma argila mole, não cimentada, pulverizada ou um material argiloso, geralmente, uma mistura de minerais finamente divididos, encontrados ao longo de algumas falhas ou entre as paredes de uma falha, preenchendo total ou parcialmente a zona de falha.

(iv) Quando plano de falha está preenchido por diques de arenito ;
(v) Quando o plano de falha contém veios mineralizados ;
(vi) Quando o plano de falha está injectado por sal, etc.

Em condições geológicas normais, não há reflexões sísmicas primárias associadas aos planos de falhas. Na prática, o ponteamento de um plano de falha numa linha sísmica, obedece a determinadas regras de interpretação, uma vez que uma falha corresponde a uma descontinuidade, mais ou menos, abrupta das camadas sedimentares ao longo da qual teve lugar um deslocamento apreciável .

O primeiro passo para ponteamento de uma falha é a localização das terminações dos reflectores que enfatizam a geometria do plano de falha. Como ilustrado previamente, a geometria de um plano de falha, no campo ou numa linha sísmica, em geral, não é rectilínea:

- A inclinação dum plano de falha muda ao longo do plano função do comportamento reológico e da compactação das camadas sedimentares.
- A geometria irregular dos planos de falha contrasta com a geometria rectilínea das refracções reflectidas, cujas inclinações sublinham a velocidade do horizonte refractor.
- Refracções refletidas e planos de falha, aparecem muitas vezes lado a lado como é o caso na linha sísmica do Mar do Norte ilustrada acima.
- Como uma linha sísmica é uma secção de tempo, é fisicamente impossível que uma falha, quer ela seja inversa ou normal, tenha uma geometria rectilínea.

Nesta figura estão ilustrados dois exemplos do Mar do Norte. No primeiro (em cima), as terminações dos reflectores dos blocos falhados (ver, a seguir, o ponteado detalhado do plano de falha) mostram, claramente, variações da inclinação do plano de falha e uma dobra de acomodação nos reflectores do bloco falhado superior (tecto da falha), que sugerem uma mudança lateral da litologia entre os blocos falhados. No exemplo inferior, que está calibrado pelos resultados dum poço de pesquisa, o plano de falha que segue as terminações dos reflectores (pontos vermelhos) mostra, igualmente, uma mudança da inclinação do plano de falha e uma dobra de acomodação no bloco falhado superior (o que desce relativamente ao outro). A calibração da linha sísmica, mostra em relação ao bloco inferior, que o plano de falha é mais vertical quando atravessa areias do que quando atravessa argilas (ver mais tarde porquê).

Nesta figura está ilustrado o ponteado dum plano de falha numa linha sísmica do offshore da Noruega (linhas superiores e linha inferior à esquerda). A linha não interpretada (linha virgem) está ilustrada em cima à esquerda. Na linha em cima à direita, o geocientista rastreou, ou seja, seguiu com um lápis ou o cursor do computador, vários reflectores dos blocos falhados e pôs uma bolinha vermelha nas terminações dos reflectores que definem a falha. A seguir, como se pode ver na linha sísmica debaixo à esquerda, ele desenhou o mais provável plano de falha traçando uma linha (azul) entre as terminações dos reflectores (entre as bolinhas). Várias mudanças da inclinação da linha azul e uma dobra de acomodação (no tecto da falha) são visíveis. Elas representam justaposições de litologias diferentes ao longo do plano de falha. A título de exercício, proponham uma tentativa de interpretação geológica (sem esquecer o ponteado dos planos de falha) da linha sísmica de baixo à direita.

Em cima está ilustrada uma linha sísmica virgem do Golfo do México e uma tentativa de interpretação dos planos de falha, assim como a localização de dois intervalos com rochas-reservatórios, embora haja outros. As linhas de baixo, em particular a linha da esquerda (a da direita é um detalhe), ilustrem a ausência de reflectores associados aos planos de falhas. Se quiser, proponha uma tentativa de interpretação dos planos de falha no detalhe da linha (linha da esquerda), indicando qual é a armadilha morfológica por justaposição mais provável, localizando a rocha-reservatório e a rocha-de-cobertura.

Reflexões Associadas aos Planos de Falha

Uma chegada sísmica induzida por uma falha é a simples reflexão do plano de falha. No entanto, para que isso aconteça é necessário que as propriedades elásticas das rochas separadas pelo plano de falha sejam suficientemente contrastadas, como, por exemplo, quando o plano de falha separa sedimentos argilo-arenosos do sal ou do embasamento. As reflexões associadas a um plano de falha podem, também, ser induzidas por uma mineralização da zona de falha ou pela intrusão de rochas ígneas na zona de falha.

A ocorrência de uma reflexão associada a um plano de falha depende, igualmente, da geometria da falha, particularmente, da sua inclinação. Geralmente, os planos de falha muito inclinados, mesmo com fortes contrastes de impedância das rochas justapostas, não são enfatizados por reflexões. Um plano de falha pode ser, facilmente, determinado pelo espaço entre as terminações das reflexões dos blocos falhados.

Nesta linha sísmica do offshore da China, uma bacia de tipo-rifte, da fase de alargamento da bacia de atrás do arco vulcânico, subjacente à fase de enterramento é evidente. O limite entre estas duas fases da bacia de atrás do arco é, no sector Oeste, reforçado pela presença de um escoamento de lava que deteriora, substancialmente, os reflectores subjacentes. O plano da falha normal (ligeiramente reactivada em falha inversa), que borda o hemigraben da bacia de tipo-rifte, é sublinhado por uma reflexão de forte amplitude no sector inferior do plano de falha. O sector mediano e superior do plano de falha não tem nenhuma reflexão associada. O rastreamento e as terminações dos reflectores da bacia de tipo-rifte são muito nítidos, como se pode constatar na tentativa de interpretação (C), na qual uma dobra de acomodação e uma sinforma são óbvias. A geometria do plano de falha no sector mediano e superior determina-se, facilmente, à partir das terminações orientais dos reflectores internos da bacia de tipo-rifte, como ilustrado na tentativa D (linha azul). A mudança de inclinação do plano de falha causa a formação da dobra de acomodação e da sinforma. Os sedimentos alongam-se, provavelmente por pequenas falhas normais de rejeito inferior à resolução sísmica, uma vez que os sedimentos têm que preencher o espaço criado pela compactação, o que induz as mudanças de inclinação do plano de falha. A ruptura da inclinação do plano de falha é, muito provavelmente, provocada por uma variação da litologia no bloco falhado inferior. No bloco falhado inferior a parte que está abaixo da ruptura da inclinação corresponde, provavelmente, a rochas graníticas precambrianas, enquanto que a parte superior a rochas sedimentares do Paleozóico.

No campo, como nas linhas sísmicas, raramente a inclinação dos planos de falha das falhas normais, anteriores à compactação dos sedimentos, é constante. Unicamente as falhas muito recentes, posteriores à compactação, têm um plano de falha rectilíneo com um ângulo de inclinação constante.

Nestas fotografias, à escala mesoscópica (escala da continuidade), o plano de falha é mais inclinado (mais próximo da vertical) quando a falha atravessa sedimentos pouco compactáveis, como carbonatos e arenitos. Nos intervalos argilosos, que são mais compactáveis, a inclinação dos planos de falha é mais pequena, ou seja, o plano de falha tem tendência a horizontaliza-se. Na fotografia superior (alternância de arenitos limpos de cor branca e arenitos argilosos de cor rosada) a inclinação do plano de falha é maior nos arenitos limpos. Na figura inferior, a inclinação do plano de falha é maior calcários compactos do que nos calcários argilosos. Esta geometria observa-se, igualmente, nos testemunhos de perfuração. Todo o geocientista que trabalha na pesquisa petrolífera sabe que as fracturas são mais inclinadas nas rochas-reservatório do que nas argilas de cobertura.

Teoricamente, pode dizer-se que as variações de inclinação dum plano de falha, de uma falha normal, são devidas a um problema de volume, o qual pode ser induzido quer por um alongamento dos sedimentos, quer por uma compactação diferencial, quer por uma combinação destes dois fenómenos geológicos. Quando um intervalo sedimentar homogéneo (com a mesma litologia), limitado, na base, por uma superfície de despegamento ou descolamento, é submetido a um regime tectónico extensivo (sigma 1 vertical), ele é alongado por falhas normais (paralelas ao sigma 2), que terminam na superfície de despegamento. O deslizamento dos blocos falhados superiores (tecto da falha) sobre a superfície de descolamento cria um problema de volume. Função das condições geológicas, ou há formação ou há redução de volume disponível para os sedimentos. Assim, para respeitar a conjectura : durante a deformação a quantidade de sedimentos fica, mais ou menos, constante (lei de Goguel), os sedimentos são obrigados a deforma-se para se acomodar às novas condições de volume. Se há volume a mais, os sedimentos deformam-se em antiformas (dobras de acomodação). Se há volume a menos em sinformas. Quando uma série sedimentar heterogénea, formada por fácies diferentes, é submetida a um regime tectónico extensivo (sigma 1 vertical), ela é alongada por falhas normais (paralelas ao sigma 2), mas como cada litologia tem uma reologia característica, ângulo do plano de falha é diferente, o que faz variar o espaço criado entre os dois blocos falhados, como ilustrado nos esquemas superiores. Contudo, como a natureza tem horror do vazio, os sedimentos têm que se alongar para preencher o volume criado pelo alongamento. Numa série sedimentar heterogénea alongada, mesmo se, localmente, não há formação de volume (sectores onde a falha normal é rectilínea), a compactação dos sedimentos cria problemas de volume locais, que fazem variar o ângulo de inclinação das falhas. Se numa alternância de areias e argilas o ângulo original duma falha normal é de 75°, como a compactação dos níveis de argila é muito maior do que a dos níveis de areia, a inclinação do plano de falha tornar-se-à, por exemplo, 70° nas areias e 50-55° nas argila, o que obriga, naturalmente, os sedimentos a deformar-se.

Nestes exemplos, é fácil de constatar que numa armadilha morfológica por justaposição, a inclinação do plano de falha é maior em frente das rochas-reservatório (bloco falhado inferior). A área de fecho lateral depende da espessura da rocha-reservatório e da espessura da rocha-de-cobertura justaposta à rocha-reservatório. Igualmente, como ilustrado na linha sísmica do Golfo do México, todas as falhas normais se horizontalizam em profundidade. As falhas normais são curvilíneas, mesmo quando elas afectam o embasamento. Não há falhas normais verticais. Uma falha normal forma-se para alongar os sedimentos. Uma falha normal vertical nem alonga nem encurta os sedimentos. Para que haja alongamento é necessário haver espaço disponível. Uma falha normal vertical implicaria espaço disponibilize no interior da crusta, o qual não existe. Desde que uma falha é vertical (em profundidade) ela é, necessariamente, uma falha de deslizamento. Naturalmente, estas conjecturas são muito mais evidentes nas linhas sísmica (escala macroscópica) do que no campo (escala mesoscópica). Por outro lado, nos dados sísmicos (escala vertical em tempo), mesmo os sectores onde uma falha normal é, mais ou menos, vertical no campo, ela é curvilínea e horizontaliza-se em profundidade, uma vez que a velocidade de intervalo aumenta, sempre, em profundidade.

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