Esfuerzos y Deformación en las Rocas: Definiciones, Principios y Ejes Principales, Diapositivas de Geología

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UNIDAD II:

ESFUERZO Y

DEFORMACIÓN DE

LAS ROCAS

Definición de esfuerzos. Esfuerzos

principales. Elipse y elipsoide de esfuerzo.

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2 Fuerzas y esfuerzos Las rocas que constituyen la corteza terrestre están sometidas a una gran número de fuerzas, relacionadas con diferentes procesos tanto exógenos como endógenos. De forma que sobre esos materiales rocosos siempre van a existir fuerzas actuando a todas las escalas, desde las estructuras cristalinas a las grandes unidades orogénicas. Independientemente de la escala que estemos considerando y del tipo de fuerzas implicadas, de forma general, los efectos que están provocando en las rocas son desplazamiento y la deformación de ellas. Así un desplazamiento tiene lugar cuando las fuerzas que actúan sobre el material rocoso producen un cambio de posición de este. El cambio de posición o desplazamiento del material rocoso con respecto a un punto de referencia implica que este habrá recorrido una distancia con respecto a su posición original en una, dos o las tres direcciones del espacio (Vallejo et al., 2002).

La deformación ocurre cuando al actuar una fuerza sobre el material rocoso, este cambia su forma y/o tamaño. 4

Cuando las fuerzas actúan sobre la roca son

convergente (compresión) se produce la

deformación por aplastamiento. En el caso de

que las fuerzas sean divergente (distensión)

se produce la deformación por elongación o

Si consideramos la fuerza en un punto, entonces hablamos de carga. Si consideramos la fuerza aplicada sobre un área, entonces hablamos de esfuerzo. 5

El esfuerzo es un parámetro que

representa la fuerza aplicada por

El elipsoide de esfuerzos esta definido por tres ejes que

corresponden a los esfuerzos principales δ1, δ2 y δ3 y los

planos ortogonales que los contienen.

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En los casos mas generales, la relación entre los esfuerzos principales es δ1>δ2>δ3, definiendo así un elipsoide poliaxial. Si δ1=δ2=δ3, entonces el elipsoide es una esfera, y se trata de un estado tensional isótropo o hidrostático, caracterizado por la ausencia de esfuerzos de cizalla. El mejor ejemplo del estado tensional isótropo es la presión que ejerce el agua intersticial sobre las partículas en un medio (Por Ej.: un sedimento) saturado en agua en condiciones de ausencia de flujo (si hay flujo, se generan diferencias en esfuerzos y con ello esfuerzos de cizalla). La elipse de esfuerzos es una sección del elipsoide de esfuerzos que contiene a dos de los tres ejes. Generalmente se utiliza la elipse δ1-δ3, como simplificación 8 La elipse de esfuerzos esta definida por dos ejes que corresponden a dos esfuerzos principales y el plano que los contiene.

Además, el circulo de Mohr permite representar y comparar diferentes estados de esfuerzos. La excepción es el caso de esfuerzos hidrostático, donde δ1 = δ3 y el radio del circulo es 0. En definitiva, el circulo de Mohr es una herramienta grafica que nos permite visualizar las relaciones entre los esfuerzos normales y de cizalla y calcular estos para cualquier plano. 10 Representación del circulo de Mohr para distintos estados de esfuerzos (González de Vallejo et al., 2002).

ANÁLISIS CINEMÁTICO:

DEFORMACIÓN

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Las dos primeras componentes de la deformación producen cambios en la

posición del cuerpo, pero no de su forma ni de sus relaciones geométricas

internas. Ante deformaciones de ese tipo el cuerpo se mueve como un objeto

rígido y por ella se llaman deformación de cuerpo rígido o movimiento rígido.

Las dos ultimas componentes producen cambios en la forma y/o en las

relaciones geométricas internas. Por ejemplo, una dilatación no cambia la

forma, pero aproxima o aleja unas partículas y otras, con lo que las relaciones

geométricas internas resultan modificadas.

La distorsión cambia la forma general del cuerpo y sus relaciones geométricas

internas.

Las partículas se alejan o se aproximan y las líneas cambian el ángulo que

forma entre si. Esto produce translaciones y rotaciones dentro del cuerpo que

ya no se esta comportando rígidamente.

Por tanto, estas translaciones y rotaciones son diferentes de las que producen

una translación o rotación de todo el cuerpo y que llamábamos movimientos

rígidos, y se engloban dentro del termino de deformación interna (strain).

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La deformación puede ser: Continua: Cuando el cambio de forma o tamaño tiene lugar de manera continua, sin cambios bruscos. Discontinua: Cuando existen cambios importantes o variaciones acusadas de la deformación a través de superficies o zonas discretas. Homogénea: Cuando cada partícula o parte de la roca es deformada de la misma manera. Inhomogénea o heterogénea: La cuantía de la deformación varia notablemente en un volumen de roca dado. 16 Los conceptos de homogeneidad y continuidad de la deformación no son equivalentes, aunque si están muy relacionados.

El carácter de continuidad y homogeneidad depende de la escala que estemos considerando, de manera que a una escala determinada la deformación puede ser homogénea y a otra escala, la deformación puede ser inhomogénea. Por ejemplo las características macroestructurales de un pliegue concéntrico paralelo representa una deformación homogénea. Sin embargo, si se estudia la deformación interna de cada uno de los estratos o capas que constituyen ese pliegue, se ve que la deformación no es homogénea, ya que hay zonas de estiramiento y zonas de aplastamiento en la misma capa. 17 Para evaluar la naturaleza de la deformación es fundamental disponer de marcadores geométricos (Nicolas y Mainprice, 1987).

19 La resistencia es el esfuerzo que la roca puede soportar para ciertas condiciones de deformación. La rotura ocurre cuando la deformación elástica o en algunos casos plástica no puede acomodar el esfuerzo y se generan discontinuidades en el cuerpo rocos. La diferencia fundamental entre la deformación elástica y la deformación plástica es que en la primera el material recupera su forma inicial si cesa el esfuerzo que ha provocado la deformación, siempre que no se haya superado el limite elástico. En el caso de la deformación plástica, el material no recupera su forma origina, aunque cese el esfuerzo que ha producido la deformación. En el caso de los materiales con un comportamiento frágil, la rotura tiene lugar cuando se alcanza el limite elástico o esfuerzo máximo a partir del cual al deformación es permanente. En los materiales con un comportamiento frágil frente al esfuerzo que se ejerce sobre ellos, la rotura tiene lugar cuando se supera el llamado limite elástico (González Vallejo et al., 2002).

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Sin consideramos la relación entre la variación de los esfuerzos aplicados y

la deformación producida, podremos ver que existe en los materiales tres

tipos de comportamiento:

• Comportamiento frágil: Implica una deformación elástica con perdida

brusca de la resistencia, a través de un plano o conjunto de planos, sin

ninguna o muy poca deformación plástica. Este comportamiento es comen

en rocas coherentes sanas, las típicas rocas "duras".

• Comportamiento frágil – dúctil: Implica deformaciones elásticas y

plásticas, con una resistencia residual mayor. Este comportamiento es

común en rocas con discontinuidades preexistentes y arcillas, las típicas

rocas "blandas".

• Comportamiento dúctil: Implica deformaciones plásticas (no

recuperables), la resistencia se mantiene constante aunque la deformación

aumenta. En sales o en otras rocas, sometidas a alta temperaturas y/o

circulación de fluidos.