Rosendahl et al. (1986) propõem um modelo empírico voltado para a caracterização estrutural e morfológica dos sistemas de semi-grabens durante a evolução dos riftes, com base na interpretação de dados sísmicos e observações do sistema de semi-grabens do Lago Tanganyika, no leste africano. Neste trabalho, os autores consideram o semi-graben como a unidade fundamental (ou bloco construtor) e discutem como ocorre a interligação destas estruturas no tempo e espaço até a formação de um sistema complexo de riftes. No modelo idealizado, os semi-grabens apresentam morfologia sinusoidal, ao passo que a falha (ou sistema de falhas) de borda exibem geometria lístrica, quando vista em corte transversal (Figura 3.3 a), e aspecto arqueado, quando vista em mapa (Figura 3.3 b). A subsidência da bacia resulta em uma componente de movimento horizontal, gerando cisalhamento ao longo das extremidades da falha de borda. Neste contexto, formam-se calhas que acumulam maior rejeito na porção central (depocentro) que diminuem lateralmente em direção às extremidades. Conexões laterais e inversões da falha-mestra são responsáveis por originar altos estruturais com rotação e cisalhamento.
Figura 3.3 – Modelo proposto por Rosendahl et al. (1986) exibindo em (A) o arranjo de semi-grabens em três dimensões com morfologia sinusoidal e inversão de sentido da falha de borda, resultando em uma sucessão de semi-grabens rotacionados; e em (B) a geometria em planta de um semi-graben, isolado, com depocentro bem definido, falha de borda arqueada e componente de cisalhamento ao longo de suas extremidades.
Rapozo, B. F. - Evolução tectono-estratigráfica da porção central da Bacia do Rio do Peixe, NE do Brasil Prosser (1993) destaca que a distribuição espacial e a evolução temporal de sistemas deposicionais em bacias do tipo rifte são controladas principalmente pela tectônica. Embora seja a tectônica o fator mais importante, o clima, a composição da área fonte e as flutuações no nível de base também exercem controle sobre a sedimentação da bacia. Baseada nesta premissa e suportada por dados sísmicos, a autora apresenta um modelo de evolução tectono-estratigráfica para bacias rifte, integrando a análise de padrões de reflexão e sistemas deposicionais Figura 3.4 A, B).
Prosser (1993) apresenta um modelo que contém cinco tratos de sistemas tectônicos, referidos como S1, S2, S3, S4 e S5; onde o estágio S1 corresponde ao intevalo pré-rifte (Figura 3.4 B). O Trato de Sistema de Início de Rifte (S2) relaciona-se ao primeiro incremento de movimento ao longo da falha de borda, originando uma depressão na superfície, responsável pelo redirecionamento de drenagens pré-existentes. Neste estágio, as taxas de criação de espaço de acomodação são baixas e o preenchimento por depósitos fluviais e eólicos resulta em um padrão de empilhamento progradacional a agradacional.
O Trato de Sistema de Clímax de Rifte (S3) registra o período de máxima extensão da bacia, momento em que a falha de borda exibe maiores rejeitos e desenvolve-se a geometria do semi-graben, resultando em soerguimento de área fonte e desestabilização das drenagens. Neste contexto, com a necessidade de reordenamento da rede de drenagens, a taxa de sedimentação é superada pela de criação de espaço de acomodação, gerada em função da subsidência. Idealiza-se um padrão de empilhamento retrogradacional para este trato, com predomínio de sedimentação lacustre na porção central do semi-graben, lateralmente associada a sistemas de leques aluviais, deltaicos e subaquosos, controlados pela falha de borda.
O Trato de Sistema de Pós-rifte Imediato (S4) registra a mudança no regime tectônico e o fim do tectonismo ativo ao longo da falha principal. Desta forma, a subsidência diferencial - gerada pela rotação do hangingwall ao longo do plano de falha- cessa e a taxa de subsidência regional decresce, passando a ser controlada pelo efeito de resfriamento da litosfera.
No estágio seguinte, quando ocorre a deposição do Trato de Sistemas de Pós-rifte
Tardio (S5), a resposta final à criação de espaço de acomodação e consecutivo
Rapozo, B. F. - Evolução tectono-estratigráfica da porção central da Bacia do Rio do Peixe, NE do Brasil flutuações eustáticas e climáticas passam a ser os fatores controladores da sedimentação. Quando o perfil fluvial atinge o equilíbrio, a erosão das escarpas de falhas e o aplainamento do relevo passam a prevalecer, ou ainda, se dá a preservação desta morfologia em função da subsidência termal. Ademais, este trato pode ser mascarado por eventos tectônicos subsequentes.
Figura 3.4 – Modelo de tratos de sistemas tectônicos proposto por Prosser (1993): Início de Rifte (S2), Clímax de Rifte (S3), Pós-rifte Imediato (S4) e Pós-rifte tardio (S5). Em (A) sucessão vertical e (B) seção sísmica, ambas idealizadas.
Bosence (1998) propõe a classificação do preenchimento de bacias rifte através do reconhecimento de discordâncias, desenvolvidas ao longo dos estágios de sua evolução tectonossedimentar. De acordo com o autor, a seção rifte pode ser identificada a partir de suas superfícies limítrofes: na base, a discordância sin-rifte, e no topo, a discordância pós- rifte (Figura 3.5). A discordância sin-rifte corresponde a uma superfície erosiva de expressão regional ou restrita, definida por uma não-conformidade, marcada por onlaps dos estratos sin-rifte sobre os blocos rotacionados da sucessão pré-rifte. Uma característica importante dos estratos sin-rifte é o espessamento destas unidades em direção a falha de borda, uma vez que estes sedimentos foram depositados durante extensão mecânica e subsidência. Além destas, variações laterais de fácies, estruturas de arrasto, associados a falhamentos, também são indicativos de uma deposição sin-rifte. Por outro lado, a discordância pós-rifte corresponde a uma superfície erosiva de expressão
Rapozo, B. F. - Evolução tectono-estratigráfica da porção central da Bacia do Rio do Peixe, NE do Brasil regional que limita a base dos estratos depositados durante a fase de subsidência termal ou pós-rifte. As três fases evolutivas de uma bacia rifte (pré-, sin- e pós-) podem ser distinguidas através do reconhecimento das superfícies supracitadas e pela análise do padrão dos estratos (ou reflexões). Os estratos pré-rifte encontram-se essencialmente basculados, porém paralelos, ao passo que os estratos sin-rifte, apesar de também basculados, apresentam configuração divergente, gerada em função do caráter sin- tectônico da sedimentação; aqueles relacionados ao estágio pós-rifte, por sua vez, encontram-se paralelos e uniformes.
Figura 3.5 – Classificação do preenchimento de riftes proposto por Bosence (1998) com critérios estratais e geométricos para distinção das seções spré-, sin- e pós-rifte, bem como de suas discordâncias limítrofes.
Gawthorpe & Leeder (2000) propõem um modelo conceitual para a evolução tectonossedimentar de bacias rifte, considerando a interação entre (i) a evolução tridimensional da bacia a partir do modelo de faul-linkage; (ii) evolução do sistema de drenagens, e (iii) as implicações decorrentes de mudanças climáticas e variações no nível de base. Estes autores consideram o processo de propagação, crescimento, interação e “morte” das falhas como o fator controlador da arquitetura da bacia, ao passo que fatores não tectônicos, decorrentes de mudanças climáticas e variações no nível de base, são os responsáveis por mudanças nos padrões de sedimentação da bacia. Segundo o modelo de fault-linkage, nos estágios iniciais do rifte, segmentos de falhas paralelos encontram-se isolados e apresentam pouco deslocamento, constituindo uma zona de falha (Figura 3.6 A). No estágio seguinte, ocorre a interação/ligação entre estes segmentos de falhas, aumentando seu comprimento e resultando em deslocamentos ainda maiores (Figura 3.6 B). Ao final deste processo, a interação entre todos os segmentos constitui uma falha de
Rapozo, B. F. - Evolução tectono-estratigráfica da porção central da Bacia do Rio do Peixe, NE do Brasil borda bem desenvolvida. Neste contexto, a relação entre o comprimento da falha e seu deslocamento é consistente com a de um único segmento (Figura 3.6 C), ou seja, uma zona de falha segmentada que atua essencialmente como uma única falha com o mesmo comprimento do arranjo de segmentos.
Figura 3.6 – Modelo esquemático proposto por Gawthorpe & Leeder (2000) para a evolução de um rifte desde uma zona de falha composta por segmentos isolados, com pequenos rejeitos (A);uma zona com interação e conexão entre estes segmentos (B); até a sua completa ligação e estabelecimento da falha de borda (C).
Morley (2002), baseado em dados sísmicos provenientes do Sistema de Riftes do Leste Africano, propôs um mecanismo de evolução de falhas normais, chamado fault- propagation, semelhante àquele proposto por Gawthorpe & Leeder (2000), e um modelo evolutivo para semi-grabens, fundamentado em quatro estágios estruturais. O fault- propagation contempla, no estágio inicial, um sistema de falhas paralelas, isoladas, de pequeno rejeito, constituindo pequenos semi-grabens independentes. A conectividade
Rapozo, B. F. - Evolução tectono-estratigráfica da porção central da Bacia do Rio do Peixe, NE do Brasil lateral destes segmentos, através da propagação a deformação, origina a falha de borda e a geometria de um amplo semi-graben (Figura 3.7 A e B).
Figura 3.7 – Figura esquemática do modelo fault-propagation idealizado por Morley (2002) exibindo em (A) a ligação progressiva de segmentos de falha durante um longo período evolutivo e, em (B), a ligação progressiva de curta duração. Retirado de Morley (2002).
Ainda segundo Morley (2002), os estágios de evolução de um semi-graben podem ser resumidos em: Rifte Inicial, Meio-Graben Inicial, Meio-Graben Maduro e Meio- Graben Final. Durante o processo inicial de rifteamento, a falha principal é pouco expressiva não acumula rejeito vertical, de modo que a deformação se encontra bem distribuída ao longo de pequenas falhas. A geometria do semi-graben (em cunha) ainda é pouco evidente, de maneira que o preenchimento sedimentar apresenta uma geometria sinclinal, acumulando espessuras relativamente pequenas (Figura 3.8 A). No estágio seguinte, a partir do modelo fault-propagation, o desenvolvimento e a concentração da deformação na falha de borda resultam no meio-graben inicial (Figura 3.8 B). O estágio de Meio-Graben Maduro é caracterizado por um amplo desenvolvimento do semi-graben, pela migração da falha principal e erosão dos estratos do rifte inicial, pelo soerguimento do footwall da falha de borda (Figura 3.8 C). Finalmente, o Meio-Graben Final marca o fim da atividade da falha principal, que pode ser abrupto (atribuído a eventos externos como inversões tectônicas) ou gradual (relacionado a migração de falhas), e o preenchimento final da calha, com efetiva erosão do footwall (Figura 3.8 D).
Rapozo, B. F. - Evolução tectono-estratigráfica da porção central da Bacia do Rio do Peixe, NE do Brasil Figura 3.8 – Estágios evolutivos de um semi-graben segundo o modelo de Morley (2002): (A) Rifte Inicial,(B) Meio-Graben Inicial, (C) Meio-Graben Maduro e (D) Meio-Graben Final.
Para Morley (2002), a distinção entre a sedimentação sin-rifte e pós-rifte ainda permanece controversa, entretanto, no contexto de riftes continentais, a tendência à progradação e ao assoreamento do lago facilita a individualização.
Kuchle et al. (2005), a partir da análise crítica dos modelos pré-existentes e da reavaliação das variáveis controladoras da sedimentação em bacias rifte, propõem um novo modelo evolutivo e preditivo para este grupo de bacias baseados na análise dos padrões de empilhamento. Adaptando os conceitos de Prosser (1993), os autores em questão reconhecem três tratos de sistemas tectônicos associados a um pulso tectônico
Rapozo, B. F. - Evolução tectono-estratigráfica da porção central da Bacia do Rio do Peixe, NE do Brasil (Figura 3.9). O Trato de Sistemas Tectônico de Início de Rifte é retratado na forma de um pulso incipiente, onde o espaço de acomodação criado é equivalente ao aporte sedimentar disponível, imprimindo um padrão de empilhamento progradacional a agradacional. O Trato de Sistemas Tectônico de Clímax de Rifte representa o evento de máxima extensão da bacia, resultando em uma rápida criação de espaço de acomodação. O padrão de empilhamento retrogradacional característico deste trato é consequência do “atraso” do aporte sedimentar em relação ao seu pulso gerador. O Trato
de Sistemas Tectônico de Preenchimento de Rifte registra a chegada o aporte
sedimentar “atrasado”, preenchendo todo o espaço de acomodação criado no estágio anterior. Em termos de padrão de empilhamento, observa-se um padrão progradacional.
Figura 3.9 – Modelo evolutivo para uma bacia rifte proposto por Kuchle et al. (2005), exibindo os tratos de sistemas tectônicos de Início de Rifte, Clímax de Rifte e Preenchimento de Rifte, bem como suas superfícies limítrofes. Retirado de Kuchle et al. (2005).
Diante da carência de um modelo que fornecesse padrões de predição de preenchimento, arranjo de sistemas deposicionais e distribuição de fácies sísmicas, Kuchle & Scherer (2010) reuniram os conceitos apresentados em trabalhos prévios (Prosser, 1993; Bosence. 1998; Morley, 2002; Gawthorpe & Leeder, 2000; Kuchle et al. 2005) e desenvolveram um modelo estratigráfico-sismoestratigráfico que divide a seção rifte em quatro fases (Tratos de Sistemas Tectônicos; Figura 3.10). Um modelo suportado por interpretações de poço, cujos resultados podem ser incorporados e integrados com seções sísmicas, fixando critérios sismoestratigráficos. Desta forma, é possível interpretar
Rapozo, B. F. - Evolução tectono-estratigráfica da porção central da Bacia do Rio do Peixe, NE do Brasil os tratos tectônicos em dados sísmicos com base nas terminações e configurações de refletores e nas geometrias das fácies sísmicas (conforme Mitchum et al., 1977). Assim, a ausência de dados de poço não impede o desenvolvimento e aplicação deste modelo. Outro aspecto importante neste modelo é que todas as superfícies apresentadas, retratadas como inundações na porção central do semi-graben são correlatas a discordâncias na margem flexural.
O Trato de Sistemas Tectônico de Início de Rifte é limitado na base pela discordância sin-rifte (previamente definida por Bosence, 1998) e reúne os primeiros depósitos associados aos pulsos iniciais. Estes depósitos relacionam-se a ciclos de inundação lacustre e recobrimento fluvial, na forma de uma ampla bacia rasa, continental, imprimindo um padrão de empilhamento agradacional. Embora seja semelhante a uma sinéclise, sua gênese relaciona-se aos esforços distensivos da fase inicial do rifte.
O Trato de Sistemas Tectônico de Desenvolvimento de Meio-Graben é representado por um rearranjo dos sistemas de drenagens, já na forma embrionária de um meio-graben, preenchido por sistemas flúvio-lacustres rasos. O limite inferior deste trato é marcado por uma inundação no hanginwall, correspondente a uma discordância na margem flexural e referida por estes autores como superfície de desenvolvimento de meio-graben.
O Trato de Sistemas Tectônico de Clímax de Rifte, assim como aqueles referidos anteriormente, registra o momento de máxima atividade tectônica, resultando em um padrão retrogradacional na margem flexural, e progradação de leques deltaicos associados a falha de borda, em direção ao depocentro. A base deste trato é definida pela superfície de clímax de rifte, ao passo que o topo é definido pela superfície de máximo rifteamento, que representa o momento de máxima expansão do sistema lacustre, máximo recuo dos sistemas continentais na margem flexural, e máximo avanço da cunha conglomerática de falha de borda.
O Trato de Sistemas Tectônico de Final do Rifte reflete uma diminuição na atividade tectônica e, portanto, na taxa de criação de espaço de acomodação, recuo do sistema lacustre e chegada “atrasada” do aporte sedimentar, imprimindo um padrão progradacional na margem flexural e recuo dos conglomerados de borda. O encerramento da fase rifte origina a discordância pós-rifte.
Rapozo, B. F. - Evolução tectono-estratigráfica da porção central da Bacia do Rio do Peixe, NE do Brasil Figura 3.10 – Modelo evolutivo aperfeiçoado e proposto por Kuchle & Scherer (2010) composto pelos tratos de sistemas tectônicos de Início de Rifte, Desenvolvimento de Semi-Graben, Clímax de Rifte e Final do Rifte.
Uma vez que a definição dos tratos de Clímax de Rifte e Final de Rifte de Kuchle & Scherer (2010) baseia-se principalmente em padrões de empilhamento, a ausência ou limitação de dados de poço na seção sin-rifte dificulta a distinção entre estas duas unidades. Assim, uma adaptação (mais simplista) do modelo de Kuchle & Scherer (2010) é apresentada nos trabalhos de Ene et al. (2015), Ramirez et al. (2015) e Alvarenga (2016). Basicamente, estes autores definem três tratos com base nas mudanças de atividade tectônica, mas sem um padrão de empilhamento determinável para cada trato (Figura 3.11). O Trato de Sistemas de Início de Rifte é semelhante àqueles anteriormente explicados e seu limite superior é marcado pela superfície de desenvolvimento de semi-graben. O Trato de Sistemas de Alta Atividade Tectônica engloba os tratos de Desenvolvimento de Meio-Graben e a maior parte do Clímax de Rifte, encerrando-se com a superfície de mudança da atividade tectônica. Finalmente, o
Rapozo, B. F. - Evolução tectono-estratigráfica da porção central da Bacia do Rio do Peixe, NE do Brasil Figura 3.11 - Adaptação do modelo evolutivo proposto por Kuchle & Scherer (2010), proposta por Ene et al. (2015), Ramirez et al. (2015) e Alvarenga (2016), na qual a seção rifte é dividida em três tratos: de Início de Rifte, Alta atividade Tectônia e Baixa Atividade Tectônica.
Rapozo, B. F. - Evolução tectono-estratigráfica da porção central da Bacia do Rio do Peixe, NE do Brasil
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4. ARTIGO CIENTÍFICO
TECTONO-STRATIGRAPHIC EVOLUTION OF A CRETACEOUS INTRACONTINENTAL RIFT: EXAMPLE FROM RIO DO PEIXE BASIN, NE
FROM BRAZIL
Bárbara Ferreira RAPOZO a*, Valéria Centurion CÓRDOBAa,b, Alex Francisco ANTUNES b
a Postgraduate Program in Geodynamics and Geophysics, Federal University of Rio
Grande do Norte, Natal, Rio Grande do Norte, Brazil.
b Department of Geology, Federal University of Rio Grande do Norte, Natal, Rio Grande
do Norte, Brazil.
* Corresponding author. Present address: Laboratory of Geology and Geophysics of Petroleum, Federal University of Rio Grande do Norte, University Campus, Lagoa Nova, PO Box 1596, CEP 59078-970, Natal, Rio Grande do Norte, Brazil. Tel.: +55 (084) 3342- 2332 (Extension 325). E-mail address: [email protected] (Bárbara Ferreira Rapozo);
[email protected] (Valéria Centurion Córdoba)
ABSTRACT
The Rio do Peixe Basin is part of a set of aborted rifts with NE-SW trend along the NE region of Brazil. This axis originated in response to the stress caused by the fragmentation of Pangea during the Mesozoic, and effectively installed during the Cretaceous event that has defined the Brazilian equatorial margin. Further characterization of structural framework allowed the recognition of the structures indicative of the structural style of the basin as well as deformational mechanisms responsible for affecting the sedimentary layers. The Brejo das Freiras fault zone (BFfz), which presents NE-SW trend and, locally, ENE-WSW. This fault zone, strongly influenced by the basement fabric, deforms the layers and originates folds essentially formed by bending mechanisms, such as drag folds, fault-bending folds, and fault-propagation. For Rift Tectonosequence, which corresponds to the Rio do Peixe Group, were recognized nine depositional sequences, grouped into five tectonic systems tracts. Flooding surfaces bound these sequences, which record shallowing upwards cycles. Seismic reflection data and geophysical profiles support the tectonic-sedimentary evolution for the Brejo das Freiras Sub-Basin, proposed in this
Rapozo, B. F. - Evolução tectono-estratigráfica da porção central da Bacia do Rio do Peixe, NE do Brasil study. Tectonic systems tracts related to the initial stages of rift installation, followed by moments of high and low tectonic activity were recognized. Additionally, it was identified a set of reflections corresponding to the pre-rift section, which is restricted to depocenter. It is hoped that studies like this, integrating structural and stratigraphic analysis, will help to understand the spatial and temporal distribution of depositional systems responsible for filling the basin, allowing the prediction of potential petroleum systems, either directly or by the interpretation of analogs.
Key words: Rio do Peixe Basin; Cretaceous Rift; Tectonic Systems Tracts; Seismic
Stratigraphy; Brazilian Equatorial Margin
1. INTRODUCTION
In the last decades, sequence stratigraphy has been applied in basin analysis (Galloway, 1989; Catuneanu, 2002; Catuneanu et al., 2009) to understand basin evolution. Most studies have focused on marine successions (Vail et al., 1977; Posamentier et al., 1988; Van Wagoner et al., 1990; Emery and Myers, 1996; Posamentier and Allen, 1999). However, is important to adapt those classical concepts of sequence stratigraphic analysis to understand intracontinental rift basins, where the development of sequence architecture for these basins is strongly influenced by tectonic activity, base- level fluctuation, and climate change (Prosser, 1993; Gawthorpe and Leeder, 2000; Kuchle and Scherer, 2010).
Structurally controlled, the Rio do Peixe basin (RP) corresponds to an intracontinental rift. It is composed of four half-grabens installed in Borborema Province, and its origin is associated with the distensive efforts initiated at the beginning of Mesozoic with the Pangea break up (Françolin and Szatmari, 1987). Although, the rifting event occurred only in Cretaceous, with the Gondwana break-up and opening of the Atlantic Ocean (Françolin and Szatmari 1987, Sénnant and Popoff, 1991; Matos, 1992,