Publicação
Characterisation of the mechanical and physical properties of rocks composing Azorean central volcanoes
| datacite.subject.fos | Ciências Naturais::Outras Ciências Naturais | |
| dc.contributor.advisor | Zanon , Vittorio | |
| dc.contributor.advisor | Fernandes, Maria Isabel Gonçalves | |
| dc.contributor.advisor | Pappalardo, Lucia | |
| dc.contributor.author | Pereira, Maria Luísa de Melo Madeiras Pires | |
| dc.date.accessioned | 2026-06-18T11:27:20Z | |
| dc.date.available | 2026-06-18T11:27:20Z | |
| dc.date.issued | 2026-04-20 | |
| dc.description | Tese de Doutoramento, Geologia, 20 de abril de 2026, Universidade dos Açores. | |
| dc.description.abstract | A presente tese tem como principal objetivo determinar as propriedades físicas e mecânicas das rochas vulcânicas constituintes dos vulcões centrais da ilha de São Miguel (Açores, Portugal), em particular do Fogo (Água de Pau) e das Sete Cidades. A investigação segue uma abordagem dupla, dividindo-se em: (a) caracterização de lavas açorianas inalteradas e (b) avaliação dos efeitos da alteração hidrotermal. O trabalho desenvolvido procura colmatar uma lacuna no conhecimento das rochas vulcânicas dos Açores, que são tipicamente estudadas do ponto de vista geoquímico e petrográfico, permanecendo pouco caracterizadas relativamente ao seu comportamento mecânico e físico, sobretudo quando alteradas hidrotermalmente. A primeira parte da tese estabelece um estudo abrangente de rocha intacta em lavas com diferentes composições e texturas. Utilizando métodos laboratoriais padrão, foram determinadas as seguintes propriedades: porosidade efetiva, massa volúmica seca e saturada, coeficientes de absorção capilar de água, velocidades de ultrassons, resistência à tração indireta, resistência à compressão confinada e não confinada, módulo de Young, coeficiente de Poisson, coesão e ângulo de atrito interno. As características microestruturais, como a distribuição do tamanho de poros, o raio médio dos poros e a porosidade, foram analisadas com recurso a técnicas avançadas de imagem, incluindo microtomografia de raios X, microscopia eletrónica de varrimento e porosimetria por intrusão de mercúrio. Os resultados revelam que o comportamento mecânico das lavas açorianas é influenciado pela sua microestrutura. As lavas de textura maciça, com porosidade baixa a média, exibem uma ampla gama de valores de deformabilidade e resistência, devido à variabilidade na distribuição de fissuras e, possivelmente, de microfissuras. Por outro lado, as lavas vesiculares são menos competentes, menos rígidas e apresentam absorção capilar de água moderada, sendo a resistência e as propriedades hidráulicas controladas pelo tamanho dos poros. Bandas porosas localizadas e porosidades médias nas lavas maciças promovem um comportamento transicional entre o apresentado para texturas de baixa porosidade e vesiculares, associado a um enfraquecimento global da rocha e a uma maior absorção capilar de água. A composição mineralógica também desempenha um papel, embora menos significativo do que a porosidade. As lavas traquíticas apresentam menor densidade, velocidade de ultrassons e rigidez, iniciam a fraturação mais cedo, contudo atingem Tensões máximas distintas em função de componentes texturais e de alteração. Todas as rochas lávicas estudadas mantêm um comportamento frágil até pressões de confinamento de 30 MPa, apresentando rotura por tração. As observações microestruturais demonstram que a propagação de fraturas é favorecida pelas fronteiras de fenocristais e de poros, em especial pelos de maiores dimensões. Os provetes vesiculares, confinados a 10 MPa, exibem plasticidade após atingirem a tensão de cedência, embora preservando o carácter frágil. Os ensaios triaxiais fornecem novos parâmetros de resistência ao corte das lavas açorianas, determinados através do critério de Mohr-Coulomb. A aplicação do critério de Hoek–Brown demonstra que mesmo unidades geotécnicas consideradas “duras” sofrem uma redução substancial de resistência e do módulo de deformabilidade quando se considera uma fraturação moderada do maciço rochoso. De forma geral, os dados obtidos evidenciam que as lavas açorianas, embora mecanicamente competentes, são sensíveis à heterogeneidade microestrutural, o que afeta a sua resistência perante perigos sísmicos, vulcânicos e eventos associados a forte precipitação. Por exemplo, a saturação das rochas lávicas levou a uma diminuição de 33% na resistência à tração. A segunda parte da tese aborda a alteração hidrotermal, que produz resultados contraditórios, dependendo das condições locais dos sistemas vulcânico-hidrotermais. Foi realizada uma análise crítica com dados de sistemas geotérmicos e vulcões globais para contextualizar os resultados locais. Esta revisão da literatura evidencia que a alteração argílica e zeolítica, mesmo que subordinada, tende a enfraquecer as rochas, enquanto a alteração silícica e a propilítica de alta temperatura podem aumentar a resistência, dependendo sempre de a rocha hospedeira ser fragmentária ou densa. De forma a avaliar a alteração em rochas açorianas, foi realizada uma experiência de campo que procurou induzir alteração em lavas frescas previamente caracterizadas, enterrando-as no solo numa zona de desgaseificação difusa (Caldeiras da Ribeira Grande, Vulcão do Fogo). Os dados microestruturais e químicos indicam alterações limitadas após um período de quatro meses, devido à estrutura maciça das lavas. Em alternativa, foram analisados os detritos de furação (cuttings) do campo geotérmico da Ribeira Grande através de picnometria e microtomografia de raios X. Os resultados demonstram que as lavas do reservatório, apesar da alteração hidrotermal na zona da clorite, mantêm uma matriz de baixa porosidade, sendo a permeabilidade do sistema assegurada através de descontinuidades à escala do maciço rochoso. Por sua vez, os tufos brechóides da caprock apresentam impermeabilidade resultante do preenchimento dos poros por minerais secundários, o que reduz significativamente a conectividade porosa. Os dados obtidos nesta tese ampliam a compreensão do comportamento físico e mecânico das rochas vulcânicas açorianas, tanto em estados inalterados como alterados. A integração de ensaios em rocha intacta com análises microestruturais fornece novos dados sobre as rochas lávicas dos Açores e estabelece referências para as propriedades de rochas vulcânicas a nível global. Além disso, os valores obtidos servem como variáveis de entrada para futuros modelos vulcanológicos, relevantes tanto para a instabilidade de vertentes vulcânicas como para o movimento do magma em profundidade. Como resultado, este trabalho tem implicações diretas em futuras caracterizações geotécnicas e de reservatórios geotérmicos, na avaliação de perigos vulcânicos e na análise da estabilidade de vertentes em contextos vulcânicos, tanto à escala local como global. | por |
| dc.description.abstract | ABSTRACT: This thesis aims to determine the physical and mechanical properties of volcanic rocks from the central volcanoes of S. Miguel Island (Azores, Portugal), with a focus on Fogo (A gua de Pau) and Sete Cidades. Research follows a two-fold approach: (a) characterisation of fresh Azorean lava rocks, and (b) assessment of the effects of hydrothermal alteration. The work addresses a gap in the knowledge of Azorean volcanic rocks, which are typically studied from geochemical and petrographic perspectives but remain underexplored in terms of their mechanical and physical behaviour, especially when hydrothermally altered. The first part of the thesis establishes a comprehensive intact rock study of lavas with varying compositions and textures. Using standardised laboratory methods, the following properties were determined: connected porosity, density, capillary water absorption coefficients, ultrasonic wave velocities, indirect tensile strength, confined and unconfined compressive strength, Young's modulus, Poisson's ratio, cohesion, and angle of internal friction. Microstructural features, such as pore size distribution, mean pore radius, and porosity, were analysed with advanced imaging techniques, including X-ray microtomography and scanning electron microscopy, as well as with mercury intrusion porosimetry. Results reveal that the mechanical behaviour of Azorean lavas is influenced by microstructure. Massive lavas, with low-to-medium-porosity, display a broad range of stiffness and strength due to variable distribution of fissures and, possibly, microcracks. On the other hand, vesicular lavas are weaker, less stiff, and have moderate capillary water absorption, with strength and hydraulic properties governed by pore size. Localised porous bands and medium porosity in massive lavas promote a transitional behaviour between lowporosity and vesicular textures, which associates with weakening and higher capillary water absorption. Mineralogical composition also plays a role, albeit to a lesser extent than porosity. Trachytic lavas have lower density, ultrasonic velocities, and stiffness, earlier crack initiation, but reach variable peak stresses depending on textural and alteration features. All studied lavas remain brittle up to confining pressures of 30 MPa, with failure occurring by tensile splitting. Microstructure observations show that fracture propagation is favoured by the boundaries of phenocrysts and pores, particularly those of larger size. Vesicular specimens display post-yield plasticity at 10 MPa confinement, though developing fractures. Triaxial testing provides new shear strength parameters for Azorean lavas determined via the Mohr-Coulomb criterion. The application of the Hoek–Brown criterion demonstrates that even "hard" geotechnical units undergo substantial strength and stiffness reduction when moderate rock mass fracturing is considered. Collectively, the findings emphasise that Azorean lava rocks, though mechanically competent, are sensitive to microstructural heterogeneity, affecting their resistance to seismic, volcanic, and rainfall-related hazards. For instance, saturation of lavas has revealed a 33 % decrease in the tensile strength. The second part of the thesis addresses hydrothermal alteration, which produces contradictory findings, depending on the local conditions of volcano-hydrothermal systems. A critical analysis using data from worldwide geothermal systems and volcanoes was conducted to contextualise local results. This review highlights that argillic and zeolitic alteration, even if subordinate, tends to weaken rocks, whereas silicic and high-temperature propylitic alteration may enhance strength, always depending on whether the host rock is fragmental or dense. To assess alteration in Azorean rocks, a field experiment attempted to induce alteration in the previously characterised fresh lavas by inserting them in a diffuse soil degassing zone (Caldeiras da Ribeira Grande, Fogo Volcano). Microstructural and chemical data indicate limited changes after four months due to the massive structure of the lavas. Alternatively, drill cuttings from the Ribeira Grande geothermal field were analysed using pycnometry and X-ray microtomography. Results show that reservoir lavas, despite hydrothermal alteration within the chlorite zone, retain a low-porosity matrix, with system permeability maintained primarily by large-scale discontinuities. In contrast, caprock tuff breccias display impermeability due to an infill by secondary minerals, which significantly reduces pore connectivity. The findings of the thesis expand the understanding of the physical and mechanical behaviour of Azorean volcanic rocks across fresh and altered states. By integrating intact rock testing with microstructural analyses, this research delivers novel data for Azorean lavas and provides benchmarks for volcanic rock properties globally. The obtained values serve as input variables to future volcanic models, relevant to both slope instability and magma transport. As a result, the work has direct implications for future geotechnical and geothermal reservoir characterisations, volcanic hazard assessment, and slope stability analysis in volcanic settings, both locally and globally. | eng |
| dc.identifier.citation | PEREIRA, Maria Luísa de Melo Madeiras Pires. (2025). Characterisation of the mechanical and physical properties of rocks composing Azorean central volcanoes. Ponta Delgada: Universidade dos Açores, 2025. 394 p. Tese de Doutoramento em Geologia. Disponível em http://hdl.handle.net/10400.3/8986 | |
| dc.identifier.tid | 101741871 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.3/8986 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights.uri | N/A | |
| dc.subject | intact rock | |
| dc.subject | mechanical properties | |
| dc.subject | physical properties | |
| dc.subject | lava rocks | |
| dc.subject | brittle failure | |
| dc.subject | microstructure | |
| dc.subject | rock digital physics | |
| dc.subject | volcanic rocks | |
| dc.subject | hydrothermal alteration | |
| dc.title | Characterisation of the mechanical and physical properties of rocks composing Azorean central volcanoes | por |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| thesis.degree.name | Doutoramento |
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