Fundada en 1962

SOC

IEDA

D GEOLOGICA DE CH

ILE

la serena octubre 2015

496

Modelación analógica de procesos de deformación de rocas: Herramienta para desarrollar habilidades de espacialidad y temporalidad Luisa Pinto1* y Claudia Vergara2 1 Departamento de Geología, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile 2 Facultad de Educación, Universidad Alberto Hurtado * email: lpinto@ing.uchile.cl Resumen Los modelos análogos son una herramienta útil para el estudio de procesos geológicos, ya que permite escalarlos espacial (desde millones de años a minutos) y temporalmente (desde kilómetros a centímetros) y facilitan su análisis en laboratorio. Para este estudio se ha diseñado un dispositivo de modelación analógica de deformación de rocas para ser usado en contextos escolares. En este sentido, tanto profesores/as de Educación Básica (n=90) como estudiantes de 4to año Básico (n=40), trabajaron con este material en el contexto de la enseñanza de la unidad de Ciencias de la Tierra de dicho año escolar. El uso del modelo analógico permitió mejorar la comprensión de los procesos de formación de cordilleras y de fallas. Palabras claves: modelos análogos, enseñanza, deformación 1 Introducción Chile es un país de peligros geológicos. Se ubica en un ambiente de subducción con condiciones propicias para la ocurrencia de fenómenos sísmicos, volcánicos, tsunamis y aluviones entre otros. Estos fenómenos pueden transformarse en desastres cuando implican costos económicos, ambientales y sociales. En los últimos fenómenos naturales en Chile (terremotos de 2010 y 2014) de gran impacto social, los ciudadanos se han mostrado altamente vulnerables. El gobierno y diversas entidades relacionadas con la seguridad nacional trabajan en la mitigación frente a estos procesos. Sin embargo, no es suficiente. Es necesaria una mayor educación ciudadana respecto a los peligros naturales. En este contexto, el Ministerio de Educación de Chile (Mineduc) ha incorporado en las bases curriculares de la Educación Básica (2012) y Educación Media (2013), las temáticas de peligros naturales, que incluyen los procesos geológicos. Sin embargo, aún no se han implementado las capacidades para la educación formal de los profesores para enseñar adecuadamente estos temas a los escolares. En este contexto, este proyecto pretende apoyar, en una etapa piloto, la formación inicial y

continua de los profesores de Educación Básica, específicamente en los contenidos sobre deformación de rocas asociados a la unidad de Ciencias de la Tierra para el cuarto año Básico. Esta unidad considera dentro de sus objetivos: Explicar los cambios de la superficie de la Tierra a partir de la interacción de sus capas y los movimientos de la placas tectónicas. Para ello, tradicionalmente, los profesores/as se han apoyado del texto escolar o de material audiovisual para trabajar dichos contenidos. En este estudio proponemos una nueva estrategia pedagógica para abordar estos contenidos. 2 Generación del dispositivo de modelación En el Departamento de Geología y Taller de Hidráulica, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, se creó un dispositivo de modelación analógica de deformación de rocas con fines pedagógicos. Este dispositivo se basa en aquellos usados para experimentos de sistemas frágiles compresivos del Laboratorio de Modelación Analógica del Departamento de Geología (e.g., Pinto et al., 2010). El material usado para la simulación es arena de cuarzo molido de tamaño 0,25-0,50 mm, con un coeficiente de fricción de 0,6 y una densidad de 1400 kg/m3. Este material se monta en una torta de capas del material en dos colores contrastantes (gris oscuro y blanco). La deformación de la torta de arena simula la deformación de rocas de la corteza superior, representando aproximadamente los 10 kilómetros superiores de ella. Incluye una placa basal, que genera una discontinuidad de velocidad (DV) al centro del modelo, perpendicular al vector de compresión, permitiendo la focalización de la deformación en ese sector. En compresión se produce el alzamiento de un bloque central sobre la DV, bordeado de fallas inversas tal como ocurre para una cordillera estándar. Además, el movimiento progresivo de esta placa basal en compresión produce una falla principal hacia el lado del pistón, mientras que una serie de fallas inversas en un estilo de deformación de abanico imbricado en el lado opuesto. El dispositivo fue elaborado además, con algunas restricciones de uso en aula: a) un tamaño portatil, para

497

AT 4 Impacto de las GeocIencIas en la socIedad

su transporte fácil al aula y posterior almacenamiento; b) con materiales adecuados para el uso seguro de los escolares; c) con paredes de acrílico para permitir la observación directa de la deformación en perfil y en superficie a medida que el proceso de deformación ocurre; d) depositación de la arena en una caja confinada para que el material no se derrame y su armado sea simple, adecuándose de esta manera a los requerimientos del aula en el uso del tiempo de manera eficiente por parte del profesor; e) el movimiento se produce con un pistón el cual puede ser rotado fácilmente y de manera controlada con una manivela pegada al tornillo que empuja el pistón. 3 Validación de dispositivo 3.1 Primera fase de validación En una primera fase de validación se presentó el modelo analógico a 90 profesores de profesores de Educación Básica, en el contexto de un taller (90 minutos) organizado por el Ministerio de Educación. Para ello se realizó una charla sobre estrategias de enseñanza que contempla el uso de modelos, y luego se les hizo entrega de los materiales y las instrucciones. Los profesores/as se organizaron en grupos y se distribuyeron las funciones, como buscar la arena y el agua, filtrar la arena, armar la torta de arena. En esta primera oportunidad el uso del dispositivo masivamente con profesores/as fue registrado en videograbaciones y registro etnográfico por dos investigadoras. Este primer modelo, contemplaba la ordenación de capas de arena de distintos colores y textura en una caja de acrílico del dispositivo de modelación, previo tamizado por un colador. Una vez concluido el proceso de armado de la torta de arena, se procedió a comprimirla. Finalizada la deformación, se sellaron las estructuras con arena para preservarlas. Luego, se cubrió la torta deformada con papel absorbente y se roció una mezcla de agua con detergente. Después de esto, se procedió a desmontar las paredes acrílicas y a cortar con un cuchillo la torta por la mitad permitiendo visualizar tanto el desplazamiento, la formación de fallas y la “cordillera” (bloque alzado). Sin embargo, de la observación y del registro etnográfico de los comentarios de los profesores/as, se pudo concluir que la última parte correspondiente a la incorporación de agua con detergente, desmontar las paredes de acrílico y cortar la torta de arena, generaba confusión y alteraba el proceso de enseñanza-aprendizaje. A pesar de las instrucciones en una guía escrita: a) los profesores/as agregaron más agua de la debida lo que produjo un desmoronamiento de la torta de arena al desmontar las parede; b) se sugería cortar la torta en un solo corte y algunos grupos sacaba e introducía el cuchillo en varias oportunidades produciendo que las capas se mezclaran; c) el trabajo con agua generó que en algunos grupos se

mojaran los espacios de trabajo, y produjera alteraciones en el proceso de enseñanza-aprendizaje, alterando la rutina de la clase. 3.2 Segunda fase de validación A partir de las observaciones en la fase de validación con los profesores/as se realizaron una serie de ajustes para la siguiente fase validación con estudiantes de 4to año Básico. Entre ellos se optó por omitir la fase de incorporación del agua. En estricto rigor los estudiantes podían percibir de buena forma los cambios en el relieve, la formación de fallas y el levantamiento de una cordillera observando el procesos a través de las paredes acrílicas, lo que simplificó y favoreció enormemente el trabajo con los estudiantes. Los estudiantes trabajaron con los modelos en una clase (90 minutos) de Ciencias Naturales durante el año lectivo, en la unidad de Ciencias de la Tierra. Los estudiantes trabajaron en laboratorio y en grupos armaron su torta de arena, considerando las mismas características usadas con los profesores (arena de dos colores y textura distinta). Los grupos se asignaron funciones y entre todos armaron la torta. En un borde de la caja marcaron el relieve inicial que tenía dicha estructura. Finalizado el proceso de armado se procedió a comprimir la torta de arena y los estudiantes debían observar los cambios que se producían en el relieve y en la superficie de la torta de arena. Una vez concluida la compresión, marcaron el relieve final en la pared de la caja de acrílico, y compararon los cambios que se habían producido. 4 Aprendizajes de los escolares y

conclusiones preliminares Del trabajo realizado, los escolares realizaron diversos aprendizajes: Los escolares infirieron que la aplicación de cierto grado de “fuerza” genera el movimiento de “capas”, y que este proceso permite que las capas se deformen y levanten conformando una “cordillera”. Esta inferencia de los escolares evidencia que ellos comprendieron que por medio el giro del tornillo se genera un esfuerzo, que ellos asimilan al concepto de fuerza que les es más cercano. El uso de la palabra “capas” en vez de rocas indica una potencial fuente de errores conceptuales. Para evitarlos, el docente a cargo debe explicar: a) que las capas usadas en la modelación analógica son niveles guías marcadores de la deformación; b) no tratan de representar las “capas de la Tierra” que se trabajan a una escala mayor de dinámica de la Tierra, a escala de varios kilómetros a miles de kilómetros, en cambio en el modelo realizado el espesor total de la torta representa un máximo de 10 kilómetros; c) las rocas sedimentarias y volcánicas pueden acumularse en una sucesión de capas,

498

SIM 6 CIENCIAS DE LA TIERRA, EDUCACIÓN Y SOCIEDAD

por lo cual se puede hacer un símil más directo con este tipo de rocas y la deformación observada en la modelación analógica. Para esto, el docente puede apoyarse en fotografías de rocas sedimentarias y/o volcánicas en sucesión de capas de ejemplos en Chile. Los escolares pudieron apreciar que las capas que estaban en la superficie podían quedar “tapadas” por capas que estaban más abajo. Esta observación muestra que los estudiantes entendieron el concepto de falla inversa sin que se les haya mencionado antes de la clase. El docente puede enfatizar el proceso de fallamiento y el concepto de falla mediante una proyección o fotografía de fallas famosas en el mundo y en Chile. Los escolares reconocen que existe una “distancia” entre el lugar donde se realizó la fuerza y donde se produce el levantamiento de las capas. Esta observación indica que los escolares se dan cuenta de la influencia de la discontinuidad de velocidades (de los granos de arena) provocada por la presencia de una placa basal solidaria al pistón. El docente puede explicar al estudiante que esta focalización de la deformación por medio de una placa basal -que mueve una parte de la torta de arena respecto a otra parte que está quieta- es un artefacto provocado intencionalmente para analizar la deformación más fácilmente. Esto abre la posibilidad al debate de las limitaciones de la modelación analógica como herramienta de análisis científico, enfatizando que es una sobre-simplificación de problemas geológicos complejos. Los escolares son capaces de transferir lo aprendido a un contexto local indicando que la formación de la Cordillera de los Andes debió pasar por un proceso similar al desarrollado por ellos. Esta aplicación que hacen los escolares del modelo análogo realizado es el objetivo general de la actividad, demostrando que se logró el aprendizaje esperado. El Docente puede reforzar este aprendizaje mostrando una imágen satelital o modelo tridimensional que muestre la configuración de la Cordillera de los Andes a la latitud donde se ubique el colegio, para que el escolar tome conciencia de la analogía que hizo, visualizando que se acerca bastante a la realidad de su entorno. Agradecimientos Agradecemos al técnico del Taller de Hidráulica, Manuel Cáceres, quien confeccionó con el dispositivo de modelación analógica. Además, agradecemos a las estudiantes Marcela Vollmer (Departamento de Geología) y Katherinne Aedo (Departamento de Ingeniería Industrial), quienes trabajaron en el primer prototipo del dispositivo de modelación de este estudio. Referencias

Pinto, L., Muñoz, C., Nalpas, T., Charrier, R., 2010. Role of sedimentation during basin inversion in analogue modeling. Journal of Structural Geology. Doi: 10.1016/j.jsg.2010.03.001.

Vergara, C., Cofré, C., 2012. La indagación científica un concepto esquivo, pero necesario. Revista de Educación Científica 11 (1): 30-38.