GEOLOGÍA ESTRUCTURAL
Francisco A. Velandia P.
Escuela de Geología - UIS
REOLOGÍA
REOLOGÍA DEFINICIONES. Comportamiento mecánico de las rocas: elástico, viscoso, plástico
Cuerpos teóricos
Factores que influyen en el comportamiento de las rocas Deformación Frágil – Deformación Dúctil
REOLOGÍA: - Ciencia que estudia la deformación y flujo de materiales sometidos a esfuerzos, incluyendo sus propiedades de elasticidad, viscosidad y plasticidad.
- Estudio de la deformación y el flujo de la materia - Respuesta mecánica de las rocas ante la aplicación de un campo de esfuerzos - Comportamiento de las rocas durante los procesos de deformación - Comportamiento de las rocas bajo un campo de esfuerzos
Sensación de frío a calor en cada persona en unas mismas condiciones
REOLOGÍA DEFINICIONES
Deformación Elástica: se produce deformación por aplicación de un campo de esfuerzos, pero si los esfuerzos se retiran, la deformación se pierde y el cuerpo recupera su forma original. Deformaciones Viscosa y Plástica: deformaciones continuas que permanecen aún si los esfuerzos se retiran.
ESFUERZOS vs. DEFORMACIÓN
DEFINICIONES DEFORMACIÓN ELÁSTICA: Deformación temporal de la que el material se recupera, producida por la aplicación de un esfuerzo que al ser retirado el cuerpo recupera su estado inicial. En materiales puramente elásticos esta deformación se conoce por la relación linear entre la deformación y el esfuerzo (ley de Hooke). En materiales rocosos, la deformación elástica está combinada con componentes viscosos. VISCOSIDAD: Resistencia interna de un material a fluir cuando se aplica un esfuerzo. Relación entre el esfuerzo de cizalla y la velocidad de deformación, en unidades de pascales por segundo. La resistencia a fluir es causada por la cohesión molecular o iónica. VISCOSIDAD DINÁMICA: resistencia de un fluido en movimiento a cambiar de forma, se mide por la relación entre esfuerzo de cizalla y tasa de deformación. DEFORMACIÓN PLÁSTICA: Comienza con una fase de comportamiento elástico para bajos esfuerzos y pasa a una fase de deformación continua y no recuperable cuando alcanza un nivel de esfuerzo crítico. Se produce en rocas sometidas a condiciones de alta presión y temperatura y produce deformaciones permanentes sin que existan fenómenos de ruptura macroscópica. También pueden producirse deformaciones plásticas en condiciones de baja presión y temperatura cuando la velocidad de aplicación del esfuerzo es muy lenta, o en materiales específicos como yeso o halita.
CUERPOS TEÓRICOS COMPORTAMIENTO ELÁSTICO (de Hooke): Presenta relación linear o proporcionalidad directa entre el esfuerzo aplicado y la deformación obtenida. La respuesta es inmediata: σ = E.e
(σ: esfuerzo, e: elongación, E: módulo de Young)
v: Tasa de deformación
La capacidad de deformación elástica en las rocas es muy limitada. e < 0,001 (0,1%)
COMPORTAMIENTO VISCOSO: Relación de proporcionalidad directa entre el esfuerzo aplicado y la velocidad deformación obtenida. La deformación es permanente, no desaparece si se elimina el esfuerzo. Se define expresamente para un esfuerzo de cizalla y una deformación por cizallamiento simple.
g = f (t)
(g : velocidad de deformación por cizalla)
El material viscoso perfecto fluye ante la aplicación de cualquier esfuerzo Si la relación es linear se denomina Newtoniano t = m.g
(t: esfuerzo por cizalla, m : viscosidad) Fluidez = 1/m
En las rocas es frecuente un comportamiento viscoso determinado por una ley de potencia g = f (tn) tn = k.g
Es decir que la deformación por cizalla es proporcional al esfuerzo de cizalla elevado a una potencia
COMPORTAMIENTO VISCOSO Viscosidades
v:
Tasa de deformación
Un poise es la viscosidad de un material que sometido a un esfuerzo de cizalla de una baria se deforma por cizallamiento simple a una velocidad de 45° de cizallamiento (y=45°,g=1 ) cada segundo
COMPORTAMIENTO PLÁSTICO: Los materiales no se deforman en absoluto hasta que el esfuerzo aplicado alcanza un cierto valor. Una vez alcanzado ese valor o esfuerzo de cesión, el cuerpo se deforma de manera continua hasta que el esfuerzo sea retirado o disminuya, en cuyo caso la deformación alcanzada permanece, es decir, el cuerpo no se recupera en absoluto. σ1 - σ3 = k
(k: constante para material perfectamente plástico)
El cálculo de la deformación plástica es el más complicado de realizar en las rocas debido a la falta de relación proporcional entre esfuerzo y deformación
El material plástico perfecto fluye sólo después de que cierto límite de esfuerzo es alcanzado (esfuerzo de cesión)
OTROS COMPORTAMIENTOS: Combinaciones de los comportamiento elástico, viscoso y plástico.
Curvas con esfuerzos constante
FLUJO – REPTACIÓN (CREEP)
ESFUERZO vs. DEFORMACIÓN
FACTORES FÍSICOS QUE INFLUYEN EN LA DEFORMACIÓN O COMPORTAMIENTO DE LAS ROCAS
TEMPERATURA
TIEMPO / VELOCIDAD PRESIÓN CONFINANTE PRESENCIA DE FLUIDOS DEBILIDAD PREEXISTENTE
TEMPERATURA: Al aumentar la temperatura se reduce el esfuerzo de cesión (o de elasticidad) y se incrementa el esfuerzo de ruptura
TIEMPO/VELOCIDAD: Al decrecer la tasa de deformación, se reduce el esfuerzo de cesión.
A mayor tasa de deformación la roca se comporta más fuerte, es decir mayores esfuerzos de cesión y de ruptura
p.e.: el daño no lo hace el proyectil, sino la velocidad con que es lanzado. Deformación de cráneos. Un granito sometido a una deformación rápida, transmite la energía, pero no se rompe (terremoto). Si el mismo granito se somete a un esfuerzo bajo, pero continuo (largo tiempo) se rompe (se deforma continuamente)
PRESIÓN CONFINANTE: Al aumentar la presión confinante, aumentan los esfuerzos de cesión y de ruptura. Las rocas adquieren una mayor resistencia efectiva. A mayor profundidad la diferencia entre los esfuerzos es menor (presión litostática) Las fracturas predominan cerca a la superficie, no son comunes a más de 10 km de profundidad.
PRESENCIA DE FLUIDOS: En escala cristalina, los fluidos debilitan los enlaces moleculares, produciendo un efecto similar al de temperatura. Si aumenta la tasa de deformación y se adiciona agua, las rocas se hacen 5 a 10 veces más débiles. Con la adición de agua el esfuerzo de cesión disminuye y el de ruptura aumenta. En los poros de las rocas: Presión Efectiva = Presión Confinante – Presión Fluidos Si la presión efectiva es alta, la roca es relativamente fuerte y dúctil. Si la presión efectiva disminuye la roca tendrá menos resistencia y ductibilidad. Se requiere menos esfuerzo para romper la resistencia del material ya que se transmite por los fluidos.
ANISOTROPÍA PREEXISTENTE: En condiciones de deformación frágil es mayor la influencia de la anisotropía de las rocas. Cuando las condiciones son de deformación dúctil, se afecta el cuerpo en su totalidad y es menor la influencia de planos de debilidad preexistentes como fracturas, fallas o estratificación. En altas temperaturas se pierde la anisotropía
DEFORMACIÓN FRÁGIL – DEFORMACIÓN DÚCTIL
TRANSICIÓN FRÁGIL – DÚCTIL
TRANSICIÓN FRÁGIL – DÚCTIL
La corteza oceánica asume mayor deformación que la corteza continental
CAMPO DE ESFUERZOS EN LA LITÓSFERA: Presunciones Básicas: - La corteza superior es dominada por deslizamientos (slip) a lo largo de fallas preexistentes, - La corteza inferior es dominada por mecanismos de reptación (creep) o flujo muy lento, - en la corteza abundan las rocas compuestas principalmente por cuazo y feldespato, el manto está compuesto principalmente de olivino “Frictional crystal – plastic transition curves” La corteza falla por cualquier mecanismo que requiera menos diferencia entre los esfuerzos de cizalla. Modelo de sandwich de gelatina. La mayoría y los más fuertes de los sismos ocurren en la corteza media (maximum stress in crust)
Allmendinger, 1999
A 5 km se necesitan 120 Mpa para producir cabalgamientos, mientras a 30 Mpa se produce fallamiento normal (requiere menos energía)
