Carbonatos em falhas e fraturas como indicativo de eventos tectônicos e processos paleoambientais na Bacia do Paraná

Abstract

presença de falhas e fraturas que ocorrem nas mais variadas litologias, em sua maioria, são resultado de processos tectônicos distintos e independem do tipo de rocha. São comumente observadas em afloramentos e fornecem importantes informações geológicas sobre a tectônica atual e pretérita das rochas. Além disso fraturas e falhas são zonas preferenciais para migração e percolação de fluidos e hidrocarbonetos em bacias produtoras ou aquíferos. Salienta-se que áreas de mineração, em geral, também estão associadas a essas estruturas e presença de fluidos. A percolação de fluido por fraturas e falhas gera uma interação entre as rochas e os íons dissolvidos nesse fluido. Essa nova condição geoquímica imposta aos minerais resulta em reações químicas como resposta. Ocorrem processos de dissolução, troca iônica e sorção, precipitação e a cristalização de novos minerais nas paredes das falhas e fraturas da rocha encaixante. Uma gama muito variada de minerais pode ser precipitada entre os espaços abertos pelo fraturamento sendo mais comum o quartzo, zeólitas e carbonatos. A calcita, é o carbonato mais importante e comum, podendo estar na forma de cristais finos, cimentando o interior do plano de falha e a rocha encaixante ou como minerais euédricos que podem atingir até vários centímetros de diâmetro. Eventualmente mais de um evento de fluxo de fluidos ocorre utilizando como caminho preferencial os planos das falhas/fraturas que então já teriam minerais carbonáticos precipitados em eventos anteriores. Nesses casos isso fica registrado como várias fases de cristalização e dissolução sobrepostas. Pelo estudo físico-químico das calcitas precipitadas nos planos de falha/fraturas é possível obter informações importantes para compreender a história geológica e tectônica da região. Além disso, importantes relações e conclusões podem ser obtidas do ponto de vista de permo-porosidade de sistemas de reservatórios de hidrocarbonetos ou água. Assim, o objetivo dessa tese foi a análise dos carbonatos que precipitaram em falhas e fraturas e sua interação com as rochas encaixantes. Neste trabalho foram selecionadas duas áreas: uma com rochas sedimentares e outra com rochas vulcânicas onde há a presença de carbonatos nas falhas e fraturas associadas, sendo possível assim reconhecer a influência destes minerais nas propriedades das rochas e consequente das estruturas. A metodologia incluiu análises diversas destacando-se as razões de isótopos estáveis de oxigênio e carbono, catodoluminescência e elementos terras raras, entre outras. Com isso foram produzidos um capítulo introdutório e 3 manuscritos reunindo uma vasta gama de informações sobre o assunto. Os três artigos analisam a precipitação de carbonatos em falhas e fraturas sob diferentes contextos geológicos, mas apresentam conexões importantes que permitem uma integração coerente. O primeiro artigo é composto por uma revisão bibliográfica ampla sobre o tema e os possíveis desmembramentos que o assunto possa abordar. No segundo artigo ocorre a investigação dos carbonatos precipitados na Formação Rio do Rasto, na Bacia do Paraná, e sua relação com a tectônica. Percebe-se que a formação e reativação de falhas desempenham papel central na redistribuição de fluidos e na mineralização dos carbonatos. Pela temperatura de precipitação dos carbonatos sugere-se que o ambiente deposicional evoluiu de marinho raso para continental relacionado ao soerguimento da região como resultado da Orogenia San Rafaélica (final do Paleozoico na América do Sul). As tensões tectônicas atuantes no local estão registradas nos carbonatos cominuídos que preenchem a falha de baixo ângulo existente no afloramento. Nota-se, por dados de campo e pela correlação da química que ocorreu a precipitação pré, sin e pós formação da falha. Os carbonatos que preenchem a fraturas na fase evolutiva final desta formação, já continentalizada, apresentam tamanho bem desenvolvidos associados a euedria, marcando um ambiente tectonicamente muito estável. O terceiro artigo foca no preenchimento das fraturas do Cretáceo da Formação Serra Geral, especificamente em rochas vulcânicas ácidas, detalhando a sequência de preenchimento e as condições químicas do fluido mineralizante. Observou-se que, enquanto as fraturas tendem aumentar o espaço inicial da rocha, o preenchimento por carbonatos tende a selar estes espaços e reduzir a percolação de fluidos. Aqui ainda foi possível perceber que a precipitação sequencial de quartzo, zeólitas e calcita sugere uma evolução química do fluido, inicialmente rico em sílica, e aparentemente condição alcalina (pH > 9), tornando-se gradualmente mais saturado em carbonato de cálcio a medida em que os processos intempéricos em superfície avançavam. As inclusões fluidas nas calcitas apresentavam metaestabilidade, indicando baixas temperaturas de formação, sugerindo um ambiente de precipitação relativamente próximo da superfície, sem influências significativas de fluidos mais quentes ou hidrotermais. Temperaturas de cristalização das calcitas foram obtidas através do δ18O, mostrando que a temperatura média de cristalização ocorreu em torno de 29,7°C, dados semelhantes aos obtidos por inclusões fluidas. Sem dúvida a principal conexão entre os três trabalhos é a percolação de fluidos por falhas e fraturas e sua posterior precipitação na forma carbonatos. Em todos os casos, a presença de carbonatos fornece um registro dos eventos deformacionais e das condições paleoambientais. Também é possível correlacionar com a evolução tectônica e hidrogeológica das regiões estudadas, permitindo a correlação entre eventos locais e processos de escala regional.

Faults and fractures in numerous lithologies are largely the result of distinct tectonic processes and are independent of rock type. These structures can be commonly observed along outcrops and provide crucial geological insights into both past and present tectonic activity. Furthermore, fractures and faults are preferential pathways for fluid and hydrocarbon migration in productive basins or aquifers. It is also worth noting that mining areas are generally associated with these structures and the presence of fluids. The percolation of fluids through fractures and faults leads to interaction between rocks and dissolved ions, developing new geochemical conditions that trigger chemical reactions. These reactions include dissolution, ion exchange and sorption, precipitation, and the crystallization of new minerals along the walls of faults and fractures in the host rock. A wide range of minerals can precipitate within the open spaces created by fracturing, such as quartz, zeolites, and carbonates, which comprise the most common. Calcite is the most important and prevalent carbonate mineral, precipitating as fine crystals cementing the fault plane and host rock or as well-formed euhedral crystals that can reach several centimeters in diameter. In many cases, multiple fluid flow events succeed along the same fault/fracture planes, with carbonate minerals precipitated during previous events serving as a record of successive crystallization and dissolution phases. The study of physicochemical characteristics of calcite precipitated in fault/fracture planes, provides valuable insights into the geological and tectonic history of a region. Accordingly, these findings have significant implications for the permeability and porosity of hydrocarbon or water reservoir systems. Therefore, this research aims to analyze the carbonates precipitated in faults and fractures and their corresponding interaction with host rocks. Two study areas were selected: one with sedimentary rocks and the other with volcanic rocks, both containing carbonate mineralization associated with faults and fractures. This allowed for an assessment of the influence of these minerals on rock properties and structural behavior. The methodology includes numerous analyses, particularly stable oxygen and carbon isotope ratios, cathodoluminescence, and rare earth element compositions. The research resulted in an introductory chapter and three manuscripts compiling a broad range of data on the carbonate topic. The first manuscript presents a comprehensive literature review on the subject and its potential implications. The second manuscript investigates carbonate precipitation in the Rio do Rasto Formation, within the Paraná Basin, and its relationship with tectonics. The findings indicate that fault formation and reactivation played a crucial role in fluid redistribution and carbonate mineralization. The precipitation temperatures suggest a transition from a shallow marine depositional environment to a continental setting, linked to the uplift of the region during the San Rafael Orogeny (Late Paleozoic, South America). The tectonic stresses recorded in fragmented carbonates filling low-angle faults suggest that carbonate precipitation occurred before, during, and after fault formation. In the final evolutionary stage of this formation, when it had already transitioned into a continental environment, the carbonates filling fractures exhibit well-developed crystal habits, indicating a stable tectonic setting. The third manuscript focuses on the fracture filling in Cretaceous volcanic rocks of the Serra Geral Formation, detailing the sequence of mineral deposition and the geochemical conditions of the mineralizing fluids. Observations show that while fractures initially increase rock porosity, subsequent carbonate precipitation tends to seal these spaces, reducing fluid percolation. Additionally, the sequential precipitation of quartz, zeolites, and calcite suggests a progressive chemical evolution of the fluid, which was initially silica-rich and alkaline (pH > 9), gradually becoming more saturated with calcium carbonate as weathering processes advanced. Fluid inclusions in the calcites exhibited metastability, indicating low-temperature formation and suggesting precipitation occurred relatively close to the surface, without significant influence from hotter or hydrothermal fluids. Calcite crystallization temperatures, determined through δ18O analysis, demonstrate an average temperature of around 29.7°C, aligning with data obtained from fluid inclusions. The key connection among the three studies is the percolation of fluids through faults and fractures, followed by their subsequent precipitation as carbonates. In all cases, carbonate presence provides a record of deformational events and past environmental conditions. These findings also contribute to understanding the tectonic and hydrogeological evolution of the studied regions, allowing for correlations between local events and broader regional processes.