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)

La capacidad de deformación elástica en las rocas es muy limitada. e < 0,001 (0,1%)

v: Tasa de deformación

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

v: Tasa de deformación

COMPORTAMIENTO VISCOSO

Viscosidades

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.

FLUJO – REPTACIÓN (CREEP)

Curvas con esfuerzos constante

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)