04. Reología de las rocas

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31/03/2017 Dr. Henri Masquelin

Reología Estudiodelaspropiedadesfísicasdelosmaterialessólidos,líquidosygaseosos. Derivadelgriego“rheo” quesignifica“quefluye” FilósofoHeráclitodecía:“PantaRhei”(“todofluye”) alreferirseaquetodoestáenconstantecambio.

Cuandolasrocasatemperaturaelevadafluyenpordebajodelpuntodefusión(nosonmagma)estasacumulandeformaciónprogresivasinqueseproduzcanfracturas.


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Reodo

Sustanciaquepuedefluir deformándosepordebajodesutemperaturadefusión(noesestrictamenteunsólido):T /Tf

Analogíasmecánicas: Comparación conloselementosmecánicosdecomportamientoideal.

Ecuacionesconstitutivasrelacionandoesfuerzocondeformación.


Definición:Reología

Estudiodeladeformaciónyflujodesustanciasfluidascuandosometidasauncampodeesfuerzosexterno.

PartedelamecánicademedioscontinuoscuyadoctrinafueiniciadaporBingham(1929)paraencontrarecuacionesconstitutivasquepermitanmodelarelcomportamientodelosmateriales.


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Métododelareología

Atravésdelaobservaciónyelconocimientodelasleyesdelcomportamientofísicoteórico,sedesarrollaunarelaciónconstitutivaomodelomatemáticoquepermiteobtenerlasfuncionesmaterialesquecaracterizanunasustancia.


Propiedadesreológicas

Viscosidad (coeficientesreológicos). Elasticidad (sustanciasalmacenanenergía). Relajación (cambiansuspropiedadesatravésdeltiempo).

Memoriareológica.


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Entérminosabsolutos

Cualquiersustanciapuedesertratadacomounfluido.

Lasrocas puedenserconsideradascomofluido alolargodeuntiempogeológicolosuficientementegrande paraqueestaspuedanacomodarlaformademaneracontinua(sinpérdidadecohesióninterna).


“Relojes Blandos o la persistencia de la memoria”

Salvador Dalí (1931).

Tiposdeesfuerzos


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Tiposdecomportamientoideal

Elástico CuerpodeHooke

Viscoso CuerpodeNewton

Plástico CuerpodeSt Venant


Deformaciónelástica


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Sólidoelástico


CuerpodeHooke

Resortealqueseleaplicaunesfuerzoσ paraproducirunadeformaciónenopermanente.

Línea recta expresa que hay una variación constante y proporcionalentre el esfuerzo y la deformación: comportamiento elástico


Cuerpoelásticoideal

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Propiedadeselásticas

Deformaciónelásticaes: Instantánea Proporcionalalesfuerzo Alcesedelesfuerzo,elcuerporetomasuformainicial,ladeformacióndesaparece.


Tiposdeelasticidad

Elásticolinear(ideal):

ε proporcionalalesfuerzo. Elásticoperfecto:

Mismacurvadeincrementodedeformaciónquederetorno.

Elásticoconhistéresis: Curvaderetornotieneunretardoparaalcanzarlaformainicialdebidoalafatigadelmaterial.


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Histéresis

Cuerposelásticosnoidealesexperimentanunciertoretardoenretornaralaformainicialluegodecesadoelesfuerzo.

Sedenominahistéresis.


Porencimadellímiteelástico…

¿Quéocurresiaplicamoscadavezmásesfuerzoaunarocaelástica?

Lamuestra: Vaaromperse… Vaacesardedeformarseelásticamente Puedecontinuardeformándosedemanerapermanente(másrápidoqueelincrementodeesfuerzo)


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Deformaciónviscosa


CuerpodeNewton

Pistónconteniendoaceitealqueseleaplicaunesfuerzo σ yenelqueseproduceunadeformaciónepermanente.


Cuerpoviscosoideal

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Propiedadesviscosas

Deformación: Inmediata peroluegoprogresiva Proporcionalalesfuerzo Adquirida alcesedelesfuerzo Suacumulacióndependedeladuración


Viscosidad

Tasadedeformación: Proporcionalalesfuerzo Inversamenteproporcionalalcoeficientedeviscosidadη.

Casodeflujonewtoniano.

La pendiente de la curva es la viscosidad “eta”: es la medida de la resistencia al flujo uniforme y no turbulento

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Unmaterialviscoso

Altaviscosidad flujomuylento. Bajaviscosidad flujorápido. SilacurvaesunarectaelflujoesNewtoniano.

DelocontrarioesnoNewtoniano.


Viscosidadparafluidoscomunes


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Deformaciónplástica



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CuerpodeSt Venant

Ladrilloarrastradosobreunasuperficiesometidoaunesfuerzoσparaproducirundesplazamiento(deformación)e apartirdeunciertovalorcríticodecesión.


Cuerpoplásticoideal

Propiedadesplásticas

Deformación: Noocurrenadahastaqueelesfuerzoalcanzaunciertovalor(decesión quedependedelcoeficientederozamientoentrelosmateriales)

Esprogresiva apartirdehaberalcanzadoelesfuerzodecesión.

Continúa peseaquesemantengaelesfuerzoconstanteenesevalor.

Esadquirida alcesedelesfuerzo.


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Curvastiempovs.deformación

• Relación linear entre esfuerzo y deformación.• Respuesta instantánea al esfuerzo.• Deformación no permanente.

• Relación linear entre esfuerzo y deformación.• Esfuerzo depende de la tasa de deformación.• Respuesta retardada al esfuerzo (cuanto más

tiempo, más deformación).• Deformación es adquirida y permanente.

• Deformación a esfuerzo constante una vez alcanzado un esfuerzo de cesión.

• Esfuerzo constante independiente de la tasa de deformación.

• Deformación es adquirida.

Dostiposdedeformaciónpermanente


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Esfuerzovs. deformación

Pasadoellímiteelástico


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Cuerposidealescombinados


Comportamientoscombinados


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Tiposdefluidos

Tarda un tiempo finito en alcanzar una viscosidad deequilibrio bajo cizalla.

Se solidifica a medida quese aplica más cizalla.


Tiposdefluidosindependientesdeltiempo

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Definiciónde“Creep”

El“creep”(reptación) esladeformaciónplásticadeunmaterialqueestásujetaaunesfuerzoconstanteypersistentemientrasestematerialseencuentraenunaaltatemperaturahomóloga(TH).

TH eselcocienteentrelatemperaturaenlaqueseencuentraelmaterial(T)ysutemperaturadefusión(TF)(en°Kelvin).



TiposdeReptación(creep)

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Partesdelagráfica

0– Deformaciónelásticainstantánea I– reptaciónprimariaotransitoria (tasadestraindecrece)

II– reptaciónsecundariaoestacionaria (tasadestrainesconstante)

III– reptaciónterciariaoacelerada (tasadestrainvaria): sidisminuye ablandamientodestrain siaumenta endurecimientodestrain


Factoresqueafectanelcomportamientoreológico


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Factoresfísicosqueinfluyenenelcomportamiento

Temperatura Tasadedeformación Presiónconfinante Variacióndelesfuerzodiferencial Presenciadefluidosdeimpregnación Anisotropíaprevia


Influenciadelatemperatura

Al aumentar la temperatura se reduce el esfuerzo de cesión o de elasticidad y se incrementa el esfuerzo de rotura.

Al aumentar T se ensancha el campo de dominio plástico.


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Influenciadelatasadedeformación(velocidad)

Influenciadelapresióndeconfinamiento

• Aumenta la resistencia efectiva de la roca.• A mayor profundidad el esfuerzo diferencial es menor.• Las fracturas predominan cerca de la superficie y se enrarecen en profundidad.


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Efectodelavariacióndelesfuerzo



Influenciadepresenciadefluidos

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Fluidosintersticiales


SECO SATURADO EN AGUA

Influenciadelapresenciadefluidos

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Influenciadelaanisotropíaprevia

Deformaciónfrágil:CompartimentaciónMayorinfluencia... Deformacióndúctil:SeafectaelcuerpoensutotalidadMenorinfluencia

delosplanosdedebilidadprevios(p.ej.estratificación,fallas)


Influenciadeunaanisotropíaplanar


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Tendenciadelosfactores

Frágilvs.dúctil:Untemadeescala

Frágil: Silarotura ocurreduranteladeformaciónelástica. Producepérdidadecohesiónestructural.

Dúctil: Materialquepuedesufrircambiosdeformasinromper Esindependientedelmecanismoporelcualcambiadeforma


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Cataclásticovs. cristal‐plástico

ConceptodeCataclasis: Deformaciónproducidaporfracturación yrotacióndegranosy/ofragmentos(agregadosdegranos).

Mecanismoespecífico:deslizamientofriccional.Puederesultartantoendeformaciónfrágilcomodúctil.

ConceptodePlasticidadCristalina: Flujodegranosminerales:sinfracturarniromper.Existeunavariedaddemecanismos.


Deformaciónfrágil– deformacióndúctil


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Comportamientoreológicodelalitósfera



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Relaciónentreestiloestructuralymecanismosdemicroescala

TransiciónF‐Dparacortezascontinentalyoceánica


Lacortezaoceánicaacomodamayordeformacióndúctilquelacontinental

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Transiciónfrágil‐dúctillitosférica

Estratificación reológica basada en combinación de la leyes de fricción frágil y flujo plástico derivadas de experimentos en cuarcita, diabasa y dunita. La transición dúctil‐frágil ocurre cuando las curvas respectivas de esas leyes se intersectan. Perfil dependiente de la mineralogía y tipos de roca. Rocas secas son considerablemente más resistentes (aguantan mayores esfuerzos diferenciales).

Resumen Existencomportamientosreológicosidealesquerelacionanesfuerzo,deformación ytiempo.

Rocasnotienencomportamientosidealessinounacombinación decomportamientos.

Hayunconjuntodefactoresquedeterminanlareologíadeunmaterialenelmediofísico,laresultantedeterminaráelcomportamiento:lasrocasconstituyenunsistemacomplejomultivariable.

ElefectodeT yP seoponealdelatasadeaplicacióndelesfuerzo,lapresenciadefluidosylaanisotropíaprexistente.

Lalitósfera tieneuncomportamientotendientealaumentodelarigidezhasta40‐45km(Moho),luegounadisminucióngradualhastalos100km;enloscontinentes,elMohoestámarcadocomozonadetransiciónreológica.

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