DEFORMACION

Deformación es cualquier cambio en la posición o en las relaciones geométricas sufrido por un cuerpo como consecuencia de la aplicación de un campo de esfuerzos y explicamos que una deformación puede constar de hasta cuatro componentes: traslación, rotación, dilatación y distorsión. Los esfuerzos se definen y analizan para un instante dado, mientras que las deformaciones miden los cambios producidos en un intervalo de tiempo y se analizan comparando un estado final con uno inicial.

Deformación de cuerpo rígido o movimiento rígido

Traslación rígida

Rotación rígida

Deformación interna (“strain”): Se clasifican en distintos criterios.

Según la continuidad:

Si una deformación interna no separa ningún par de puntos materiales que estuvieran juntos antes de la deformación se dice que es continua o afín. En el caso contrario discontinua o no afin.

Según los resultados físicos:

La deformación frágil (“brittle”) es la que produce la rotura, mientras que la deformación ductil (“ductile”) se realiza sin que el cuerpo se fracture. Es obvio que la deformación frágil es iscontinua y que la ductil es continua. La deformación ductil puede subdividirse en elástica y permanente. Deformacion elástica es aquella en la cual se produce deformacio por aplicación de un campo de esfuerzos pero si los esfuerzos se retiran, la deformación se pierde, recuperando el cuerpo su forma original. La deformación plástica o viscosa son dos tipos de deformación continua en los que esta permanece aun cuando el esfuerzo sea retirado por lo que se denomina deformación permanente.

Según la geometría:

En una deformación homogénea, las líneas que eran rectas antes de la deformación siguen siéndolo después y las rectas paralelas siguen siendo paralelas. En una deformación inhomogenea las condiciones anteriores no se cumplen. La deformación en este caso es discontinua e inhomogenea.

Se define vector desplazamiento como el vector que une la posición antes y después de la deformación. Ese vector no indica el camino seguido por el punto, sino que se limita a relacionar sus posiciones inicial y final.

Se habla de deformación progresiva, un concepto que engloba prácticamente a cualquier deformación natural. Dado que las deformaciones tratan sobre cambio producidos a lo largo de un tiempo y se analizan comparando dos estados, se definen tres nuevos conceptos según la cantidad de deformación interna acumulada. Deformación finita es la experimentada a lo largo de todo el proceso y, por tanto, es la que se analiza comparando los estados inicial y final. Deformación infinitesimal se refiere a incrementos de deformación interna infinitamente pequeños. Cuando los incrementos son finitos, pero representan solo una parte de la deformación, se habla de deformación incremental.

Medida y representación de la deformación interna

La deformación del cuerpo rígido se miden por parámetros que expresan el cambio de posición: la traslación rígida por la distancia recorrida por el cuerpo y la rotación rígida por el ángulo que este ha sido girado.

Cambios en la longitud de las líneas, deformación longitudinal. Elongación o extensión es el cambio en la longitud de una línea en relación con el estado indeformado. e=(l f-l0)/l0. Estiramiento de una línea es la relación entre sus longitudes

inicial y final S= lf-l0. Elongación cuadrática es el cuadrado del estiramiento λ=S2=( lf-l0)2. La deformación natural o logarítmica se define como el logaritmo natural o neperiano del estiramiento Ԑ=ln(1+e)=1/2ln λ.

Cambios en los ángulos, deformación angular. Se expresa por el ángulo de cizalla, la cual se define a partir de dos líneas que eran inicialmente perpendiculares. ϒ=tgΨ.

Cambios en volumen, dilatación. Es la relación entre el cambio de volumen y el volumen inicial. D=(Vf-V0)/V0=ΔV/V0

De acuerdo con los valores de los ejes de la deformación.

Deformación uniaxial, es aquella en la cual dos de los ejes de la deformación valen 1, lo que implica que solo ha habido elongación en una de las direcciones principales. Deformación biaxial, es aquella en la que uno de los ejes de la deformación vale 1. Cuando esto sucede, lo normal es que el eje que vale 1 sea el intermedio (Y) y, en ese caso, se dice que la deformación es de tipo plane strain. Deformación triaxial, se da cuando ninguno de los ejes vale 1 ó, lo que el mismo. Cuando ninguna de las tres elongaciones principales vale cero.

Cuando se trabaj en superficies planas y la deformación en ella se da por la elipse de deformación, que es la forma que adquiere una circunferencia al ser deformada homogéneamente.

Donde la circunferencia y la elipse se intersectan, definen un par de líneas que no han sufrido deformación longitudinal: su longitud es la misma antes y después de la deformación. Líneas sin deformación longitudinal, finita o infinitesimal. Las primeras son las que tienen la misma longitud antes y después de la deformación y las ultimas las que no han modificado su longitud en un incremento concreto de deformación infinitesimal. Las líneas sin deformación longitudinal separan dos campos en cada caso: el campo del acortamiento, en el cual todas las líneas se han cortado, aunque unas más que otras, y en el campo de alargamiento o estiramiento, en el que todas las líneas se han alargado.

K = (a - 1)/(b - 1). De acuerdo con su valor, se definen 5 tipos de elipsoides: Tipo 1: K = 0. Son elipsoides llamados oblatos. Son elipsoides de revolución, con los dos ejes mayores iguales: X = Y > Z. Tipo 2: 1 > K > 0. Se denominan aplastados y se representan en el área entre el eje de abscisas y la bisectriz de los ejes de coordenadas. Tipo 3: K = 1. Se llaman intermedios y se representan a lo largo de la bisectriz del gráfico. En ellos, X/Y = Y/Z. Tipo

4: × > K > 1. Se denominan alargados o constricionales y se representan entre la bisectriz y el eje de ordenadas. Tipo 5: K = ×. Se llaman prolatos. Son elipsoides de revolución, con los dos ejes menores iguales: X > Y = Z.

Tipos especiales de deformacion interna

Según que los ejes de la deformación giren o no en el transcurso de la misma, la deformación se clasifica en rotacional y no rotacional. Deformación no rotacional los ejes de la deformación, en cambio, no giran y, además, son las únicas líneas que no lo hacen. Deformación rotacional puede darse si existe una distorsión y, además, una rotación rígida simultánea.

Según que los ejes de la deformación permanezcan fijos o no a las mismas partículas materiales. Se define deformación coaxial como aquella en la que sí permanecen fijos y deformación no coaxial como aquella en la que no permanecen fijos.

El cizallamiento puro (“pure shear”) es una deformación coaxial y, en sí misma, no rotacional (aunque puede existir una rotación rígida simultánea). Consiste en que el esfuerzo mayor es compresivo y el menor tensional y de la misma intensidad en valor absoluto, lo que provoca que los planos a 45° del esfuerzo mayor sólo sufran esfuerzos de cizalla. es

cualquier deformación que produzca distorsión sin pérdida de volumen y que sea coaxial. Se produce acortamiento al menos en una dirección principal y alargamiento al menos en otra, estando éstas direcciones siempre fijas a las mismas partículas materiales.

Estado de esfuerzo de tipo cizallamiento puro, con esfuerzos de la intensidad suficiente y mantenido constante a lo largo de la deformación, daría lugar a una deformación de tipo cizallamiento puro. El cizallamiento simple (“simple shear”) es una deformación rotacional y no coaxial que transforma un cubo en un paralelepípedo no rectángulo. La dirección de los vectores desplazamiento se denomina dirección de Cizallamiento.

Un caso de “plane strain”. El plano que contiene a la dirección de cizallamiento y al eje intermedio Y se denomina plano de flujo del cizallamiento simple o plano de cizallamiento. Sólo dos caras del paralelepípedo han girado, siendo el ángulo que han girado el ángulo de cizalla Ψ. Para el cizallamiento simple, se ha representado el aplastamiento (“flattening”), que es la elongación del eje Z expresada como porcentaje.

la elipse o el elipsoide de una deformación por cizallamiento puro no tiene por qué ser diferente de la de un cizallamiento simple y, aunque los elipsoides de cizallamiento simple son de tipo “plane strain”, los de cizallamiento puro pueden serlo también. Una deformación puede combinar los dos mecanismos de cizallamiento en distintas proporciones. Si la línea sufre alargamiento, se estirará, y si se trata de un estrato, filón o dique con esa orientación, puede tender a romperse separándose en varios fragmentos en determinadas condiciones, dando lugar a una estructura llamada “boudinage”.

COMPORTAMIENTO DE LAS ROCAS EN EL LABORATORIO

Ensayos de corta y larga duración. Los primeros duran desde segundos hasta algunas horas como mucho y, aunque pretenden simular los parámetros naturales en que se producen la deformación, no incluyen uno fundamental en los procesos geológicos: el tiempo. Los del segundo tipo duran varios días o meses y, excepcionalmente, unos pocos años. Intentan introducir la variable tiempo en el proceso deformativo, si bien las deformaciones naturales son en general mas lentas que las de los experimentos de larga duración en varios ordenes de magnitud.

Ensayos de corta duraciónEl alargamiento del muelle, es el esfuerzo que se denomina esfuerzo límite de elasticidad, a partir de este esfuerzo, se presentan variaciones de la pendiente, y con pequeños incrementos de esfuerzo se consiguen grandes incrementos de deformación. A partir del esfuerzo límite de elasticidad la roca cede ante los esfuerzos y se produce deformación permanente. Por eso el esfuerzo se conoce también como esfuerzo de cesión o resistencia de cesión (yield strength). La deformación a partir de ese punto es de tipo plástico y corresponde al peso.

Se muestra un caso en el que después de mostrar endurecimiento por deformación en el campo plástico, con una pendiente ascendente (a trazos) de la gráfica, se produce el fenómeno contrario: la curva desciende, es decir, la roca sigue deformándose pero precisa (y soporta) cada vez menores esfuerzos. Este fenómeno, que se da a veces cuando las rocas ya han sido bastante deformadas, se conoce como debilitamiento por deformación (“strain softening”). El máximo esfuerzo que pueden soportar las rocas con comportamientos de este tipo es mayor que la resistencia a la rotura y se denomina resistencia extrema (“ultimate strength”) o resistencia a la compresión. Las curvas inferiores muestran una fuerte caida del esfuerzo al superarse el esfuerzo de cesión, debida a un fuerte debilitamiento por deformación, pero luego se estabilizan en un comportamiento casi perfectamente plástico. Las curvas superiores muestran una parte plástica casi horizontal. Cuando la curva es perfectamente horizontal pero hay una deformación elástica inicial se dice que el material es elasto-plástico y si no hay componente elástica se dice que es perfectamente plástico o rígido-plástico.

Ensayos de larga duraciónCuando se hacen ensayos de este tipo se observa que esfuerzos pequeños, inferiores al esfuerzo de cesión, aplicados durante largo tiempo pueden dar lugar a deformaciones permanentes considerables. Este fenómeno es apreciable a veces en losas de mármol y paredes de edificios, que se comban por efecto de su propio peso a lo largo de los años, y se conoce como “creep” o reptación. Los experimentos de larga duración o de creep se hacen aplicando a la muestra un esfuerzo constante y proyectando su evolución en un gráfico deformación-tiempo.El primario, creep transitorio o elástico diferido, se caracteriza por un aumento rápido de la deformación. En la figura aparece como una línea vertical

seguida de una curva y corresponde a la deformación elástica inicial. Si se suprime el esfuerzo en un punto de la parte curva, la deformación se recupera en parte instantáneamente (t1) y totalmente al cabo de un tiempo (t2). El secundario, creep estacionario o pseudoviscoso, se caracteriza por una velocidad de deformación lenta pero constante, que en la gráfica se representa por una recta de escasa pendiente. Si en un punto de este estadio se suprime el esfuerzo, la deformación se recupera en parte instantáneamente (t3) y en parte al cabo de un tiempo (t4), pero la recuperación nunca es total, quedando siempre una deformación permanente. La pendiente de la recta expresa la velocidad de deformación y depende del esfuerzo aplicado. Finalmente, se produce una aceleración de la deformación, indicada por la curva cóncava hacia arriba de la derecha y la roca puede llegar a romper (t5). Este tercer estadio se conoce como creep acelerado.

El esfuerzo en cada caso está expresado en las curvas como un porcentaje del esfuerzo de rotura. Puede verse que la velocidad de deformación del creep estacionario, indicada por la pendiente de la recta, es muy baja para esfuerzos bajos. Si se hace una grafica velocidad de deformación-esfuerzo se observa que los datos se disponen aproximadamente según una recta que corta el eje de abscisas en un punto correspondiente. Ese esfuerzo se denomina umbral de esfuerzo o resistencia al creep, y es el esfuerzo por debajo del cual la roca no se deforma permanentemente por mucho tiempo que el esfuerzo sea aplicado.

FACTORES QUE INFLUYEB EN EL COMPORTAMIENTO DE LAS ROCAS

Litología. Rocas diferentes se comportan de manera muy diferente, sobre todo en experimentos de corta duración. Es importante señalar que en los experimentos de larga duración, rocas muy diferentes tienen comportamientos parecidos. En las deformaciones naturales, los contrastes de litología no suelen determinar un comportamiento muy diferente de unas rocas y otras. No obstante, las velocidades del creep secundario sí son diferentes de unas rocas a otras para el mismo esfuerzo, por lo que unas rocas suelen ser más deformadas que otras en los procesos naturales.

Temperatura. El aumento de temperatura disminuye la resistencia a la cesión y, por tanto, el campo de la deformación elástica, aumentando en cambio el de deformación plástica. El esfuerzo de rotura disminuye pero la deformación que se consigue antes de la rotura aumenta mucho. A temperaturas elevadas, puede que la roca no llegue a romper nunca, ni siquiera después de una deformación muy grande, comportándose siempre de manera dúctil.

Presión confinante. Al aumentar, aumenta el campo elástico y el esfuerzo de cesión, pero también lo hace el esfuerzo de rotura y el campo plástico, de forma que a grandes presiones las rocas tienden a comportarse muy dúctilmente. La principal diferencia entre el aumento de la presión y el de la temperatura es que para conseguir una determinada deformación se necesita un mayor esfuerzo cuanto mayor es la presión confinante y un menor esfuerzo cuanto mayor es la temperatura.

Velocidad de deformación. Cuanto mayor es la velocidad de deformación, la roca se comporta como más fuerte, siendo su esfuerzo límite de cesión y el de rotura mayores.

Presencia de fluidos. Disminuye el esfuerzo límite de velocidad de elasticidad (o cesión) y el de rotura, el campo de deformación plástica no suele aumentar, sino disminuir, debido a que a altas temperaturas los fluidos suelen ser gaseosos y la existencia de gases a presión favorece la fracturación de las rocas.

ESTRUCTURAS SEDIMENTARIAS Clasificación de las estructuras: se clasifican comúnmente en singeneticas y epigeneticas. Las primeras se formaron al mismo tiempo que los sedimentos. Incluyen entro otras la estratificación, las marcas ondulatorias, las características orgánicas y otras. Las estructuras epigeneticas son las que se formaron después de la depositación. Ciertas concreciones, peculiaridades de compactación y accidentes de gran escala, como pliegues y fallas, caen dentro de esta categoría. Muchos sedimentos presentan capas o láminas de plegamiento intrincado acompañadas a veces por brechas, lo que sugiere insistentemente que la deformación ocurrió durante el depósito o poco después. Las marcas ondulatorias de corriente, formadas por el agua o por el viento son asimétricas y tienen un ligero declive en dirección y sentido contrario a la corriente, y una pendiente más pronunciada en la misma dirección y sentido que ella. Concreciones. Son los agregados de material inorgánico que se encuentran dentro del cuerpo de sedimentos. Su tamaño varía de pequeñas hasta de muchos metros. Es común que las concreciones posean una estructura radial o concéntrica, pero algunas carecen de estructura, como las grandes “cabeza de negro” que aparecen en algunas pizarras asociadas con carbón mineral. Las oolitas se forman en aguas salinas en condiciones de agitación a lo largo de las playas, o en lugares poco profundos donde rompen las olas.

Huellas de carga. Son protuberancias irregulares que sobresalen del muro del estrato, especialmente en areniscas. El tamaño de las estructuras oscila entre pocos milímetros y varios decímetros, su forma es de protuberancias bulboides. Exiten mecanismos que inician la deformación: a) rellenos de marcas de corrientes, b) ripples asimétricos y c) movimientos sísmicos, tormentas, etc.

Estructuras almohadilladas. Son semejante a las estructuras de carga, pero estas presentan ruptura de los estratos, formándose “pseudonodulos” que tienen forma variable, sobre todo planas o cóncavas hacia el techo convexas hacia la parte inferior, oscilando su diámetro mayor de centímetros a una decena de metros. Se inician por la acción de sobrecargas locales debido a un deposito no homogéneo.

Laminación convoluta. Disposición en laminas contorsionadas y replegadas dentro de un estrato. Se presenta en niveles areniscosos de grano fino o muy fino. Son pequeños pliegues cuyos planos pueden ser perpendiculares u oblicuos a la estratificación.

Estructura de inyección e intrusión. Variado conjunto de estructuras de areniscas, en el interior o en la superficie de los estratos y con geometrías diferentes. a) Diques y filones de arena. Cuerpos de areniscas de forma irregular que cortan estratos en lutitas y margas. Tienen varios cm o dc de ancho, pero pueden cortar espesores de decenas de metros. Se deben a la inyección de arenas de grano fino y muy fino antes de la compactación el sedimento, por licuefacción iniciada por un terremoto o deslizamiento. b) Volcanes de arena. Estructuras de la superficie de estratificación, semejante a un cono volcánico de a a 10cm de diámetro y menos de 1’5cm de altura. Se forma cuando el material de un dique o filon de arena llega a la superficie del fondo marino y se derrama. c) Polígonos de arena y pseudo mud-cracks. Estructuras igualmente de la superficie de estratificación, formadas por un conjunto e polígonos más o menos irregulares, cuyas dimensiones van de pocos cm a un metro.

Slumping. Son estructuras pene-contemporáneas de deformación producto del movimiento por deslizamiento gravitatorio de bancos en pendientes inestables, están compuestos por pliegues y fracturas.Brechas intraformacionales. Si el deslizamiento de un slump es más fuerte o más largo se rompe la continuidad de los estratos y así los niveles más duros aparecen embalados por los más blandos. Cuando el transporte es mayor, la fracturación es tal que se forman las ruditas intraformacionales. Puesto que los cantos así formados son angulosos, se habla de brechas intraformacionales.