Reologia do sistema quartzo-óxidos de ferro.
| Ano de defesa: | 2012 |
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Resumo: | Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais. Departamento de Geologia, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto. |
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Reologia do sistema quartzo-óxidos de ferro.ReologiaQuartzoÓxidos de ferroTectônica - geologia - microtectônicaGeologia estrutural - análise microestruturalPrograma de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais. Departamento de Geologia, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.O estudo da reologia de agregados compostos por quartzo e óxidos de ferro visa contribuir para o esclarecimento de um dos maiores desafios no estudo de agregados minerais, que é o entendimento de como esses materiais deformam. Estudos dessa natureza associados ao conhecimento da dinâmica das placas litosféricas possibilitam melhor entendimento do porquê da localização da deformação nas bordas dessas placas ou de fenômenos como a interação mecânica entre a litosfera e o manto astenosférico. Além disso, tem-se a possibilidade de explorar o comportamento mecânico e padrões de microtrama de agregados de quartzo em presença de outras fases minerais, sob condições de deformação plástica, o que, até o momento, tem sido pouco explorado. Nesse sentido, contribui-se para o entendimento da reologia de agregados polifásicos, que tem sido determinada principalmente por meio de extrapolações feitas a partir da reologia de agregados monominerálicos de seus membros extremos, embora a litosfera terrestre seja essencialmente composta por agregados poliminerálicos. Amostras de formação ferrífera bandada (FF) do Quadrilátero Ferrífero (QF)-MG e agregados sintéticos compostos por quartzo e óxidos de ferro, em variadas proporções, foram deformados experimentalmente em aparato de deformação em meio sólido do tipo Griggs, sob condições de alta temperatura e pressão confinante (Griggs solid medium deformation apparatus). Por meio de microscopia ótica e eletrônica, padrões de microtrama foram determinados, antes e depois dos ensaios experimentais. Tais dados aliados à análise de gráficos tensão versus deformação possibilitaram então determinar fatores controladores da reologia de FF; mecanismos de deformação plástica responsáveis por enfraquecimento de agregados polifásicos e consequente localização da deformação; variação da trama associada a localização da deformação; efeito da recristalização dinâmica de grãos de quartzo sobre a resistência dos agregados, localização da deformação e desenvolvimento da microtrama. Ensaios de compressão axial sob temperatura, pressão confinante e taxa de deformação constantes (900 o C, 1,5 ± 0,1 GPa, 1,5 x 10-5 s -1 e 1,5 x 10-6 s -1 ) e encurtamento axial de ~ 40% mostraram que a resistência de FF depende da taxa de deformação, porcentagem e distribuição do óxido de ferro presente. Experimentos realizados sob condições de contorno similares indicam que mesmo com 85- 90% de quartzo, amostra de FF pode apresentar resistência similar a de agregado de hematita puro, desde que os grãos de óxido de ferro estejam interconectados e bordejem os grãos de quartzo. Sob taxa de deformação mais rápida (1,5 x 10-5 s -1 ) a reologia dos agregados é inicialmente controlada pela reologia dos grãos de quartzo (fase mais resistente - framework supported rheology). Com a deformação progressiva, domínios com mais alta concentração de óxidos de ferro passam a acomodar a deformação levando a transição para reologia controlada pela matriz de grãos menos resistentes (matrix controlled rheology). Essa transição leva à localização da deformação nas bandas ricas em óxidos de ferro, com enfraquecimento do agregado, e pode ocorrer por aumento da porcentagem de óxidos de ferro ou diminuição da taxa de deformação. Sob taxa de deformação mais lenta (1,5 x 10-6 s - 1 ) a menor resistência dos óxidos de ferro passa a controlar a reologia da FF. A partir de ensaios com deformação predominantemente cisalhante determinou-se que o quartzo é significativamente mais resistente que os óxidos de ferro, os quais, mesmo em pequenas quantidades (2-10%), promovem pronunciado enfraquecimento dos agregados (resistência ~ 76% menor). A evolução microestrutural dos agregados sintéticos e de bandas quartzosas das FF (> 80 % quartzo) mostrou que a recristalização dinâmica de grãos de quartzo promove localização da deformação e possibilita a interconexão de grãos de óxidos de ferro. Os grãos recristalizados reagem com óxidos de ferro gerando produto extremamente fino (ferrossilita /faialita) que passa a absorver a deformação por processos difusivos (diffusion creep) e promovem conexão dos óxidos de ferro. Quartzo e óxidos de ferro, ao contrário, deformam por fluência de defeitos (dislocation creep). Há então alto contraste de resistência entre zonas constituídas por quartzo recristalizado e produtos de reação, que passam a acomodar a deformação formando micro zonas de cisalhamento, e domínios fracamente deformados. Tem-se então uma progressiva transição entre reologia suportada pela fase mais resistente (framework supported rheology) e reologia controlada por domínios de matriz menos resistente (micro zonas de cisalhamento). Associada a tal transição há mudança de trama S-C-C’ para trama S-C, sendo a primeira relacionada a formação das micro zonas de cisalhamento (C’), enquanto a segunda é relacionada a deformação homogênea. Tais observações contribuem para o estudo da reologia de FF, logo para a história deformacional do QF, e para melhor entendimento da reologia de agregados polifásicos e processos envolvidos na formação e manutenção de zonas de alta deformação.The study of the rheology of quartz and iron oxides aggregates aims to contribute to the knowledge of one of the biggest challenges in studying the dynamics of the Earth, the understanding of how rocks deform. Associated with the knowledge about the kinematics of lithospheric plates, this kind of study allows a better understanding of why deformation localizes at the boundaries of these plates or of phenomenona such as the mechanical interaction between the lithosphere and asthenospheric mantle. Moreover, it is possible to explore the mechanical behavior and microfabric patterns of quartz aggregates in the presence of secondary phases, under conditions of plastic deformation, what has been, at the moment, barely studied. In this sense, this study also contributes to the understanding of the rheology of polyphase aggregates, which has been mainly determined based on extrapolations from the rheology of monophase aggregates comprised of their end members; even though the lithosphere is made up of polymineralic rocks. Samples of Banded Iron Formation (BIF) from the Quadrilátero Ferrífero (QF)-MG and synthetic aggregates composed of quartz and iron oxides with different weight percents were experimentally deformed in a Griggs Solid Medium Apparatus, under high temperature and confining pressure. Microfabric patterns were determined using optical and electronic microscopy, prior and following the experiments. Such data associated with the analysis of stress versus strain plots allowed the determination of controlling factors for the rheology of the BIF; mechanisms of plastic deformation responsible for strain weakening and consequent strain localization in polyphase aggregates; change of microfabric associated with strain partitioning and localization; effect of the dynamic recrystallization of quartz grains on the strength of the aggregates and its role for the development of microfabrics and strain localization. Axial compression experiments under constant temperature, confining pressure and strain rates (900 o C, 1.5 ± 0.1 GPa, 1.5 x 10-5 s -1 e 1.5 x 10-6 s -1 ) and axial shortening up to 40 % showed that the strength of BIF depends on the strain rate, the weight percent and the distribution of the iron oxides. Experiments conducted under similar conditions indicate that even with quartz content up to 85-90 %, BIF samples can be as weak as pure hematite aggregates, if the iron oxide grains are distributed along interconnected layers surrounding quartz grains. At the faster strain rate (1.5 x 10-5 s -1 ) the rheology of the aggregates is initially controlled by the rheology of quartz (stronger phase - framework-supported rheology). However, with progressive strain, iron oxide rich domains localize deformation and leads to a transition to matrix-controlled rheology, when the weaker phase controls the strength of the aggregate. The transition from framework-supported to matrix-controlled rheology leads to strain weakening, and can be caused by increase in the iron oxide content or decrease of the strain rate. At the slower strain rate (1.5 x 10-6 s -1 ) the strength of the iron oxides controls the rheology of the BIF. General shear experiments showed that quartz is significantly stronger than the iron oxides, which even in small amounts (2-10 wt. %) promotes pronounced weakening (decrease in strength of ~ 76%). The microstructural evolution of synthetic aggregates and quartz-rich bands of BIF (> 80 % quartz) showed that dynamic recrystallization of quartz promotes strain localization and allows the interconnection of iron oxide grains. The recrystallized grains react with iron oxides forming extremely fine product (ferrosilite/fayalite) that accommodates strain by diffusion creep and promote the interconnection of the iron oxides. In contrast, quartz and iron oxides deform by dislocation creep. Thus, there is a high strength contrast between zones with recrystallized quartz and reaction products that localize strain forming micro shear zones and weakly deformed domains. As a result, there is a progressive transition from framework-supported rheology to rheology controlled by weaker matrix domains. That is accompanied by change from S-C-C’ to S-C fabric. The S-C-C’ fabric is related to the development of micro shear zones (C’ plane) while the S-C fabric is associated with homogenous deformation. Such observations contribute to the knowledge about the rheology of BIF, thus for the deformational history of the QF, and for better understanding of the rheology of polyphase aggregates and processes involved in the formation and maintenance of high strain zones.Lagoeiro, Leonardo EvangelistaLagoeiro, Leonardo EvangelistaEvangelista, Hanna JordtEndo, IssamuEgydio, MarcosCruz, Simone Cerqueira PereiraGonçalves, Cristiane Paula de Castro2025-03-31T16:10:15Z2012info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfGONÇALVES, Cristiane Paula de Castro. Reologia do sistema quartzo-óxidos de ferro. 2012. 210 f. Tese (Doutorado em Evolução Crustal e Recursos Naturais) – Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2012.https://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/20052ark:/61566/001300000jbchAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United Stateshttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/Programa de Pós-Graduação em Ciências Biológicas. Núcleo de Pesquisas em Ciências Biológicas, Pró-Reitoria de Pesquisa de Pós Graduação, Universidade Federal de Ouro Preto.info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFOPinstname:Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP)instacron:UFOP2025-03-31T16:10:20Zoai:repositorio.ufop.br:123456789/20052Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufop.br/oai/requestrepositorio@ufop.edu.bropendoar:32332025-03-31T16:10:20Repositório Institucional da UFOP - Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP)false |
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