Como se mencionó en el capítulo anterior, la geología estructural estudia la geometría, distribución y formación de las estructuras geológicas resultantes de la deformación de las rocas (Fossen, 2010). En este capítulo se verán, de una forma muy sencilla, los conceptos físicos básicos que permiten entender cómo las rocas se deforman.
De forma simple, una fuerza es descrita como aquello que puede cambiar el estado de reposo de cualquier material; sin embargo, la capacidad de una fuerza para causar tal cambio depende del área en la que ésta se aplica (Bursnall et al., 1990). A esta relación entre la fuerza y el área aplicada se le denomina esfuerzo (denotado por el símbolo sigma – σ) y puede ser descrita matemáticamente como se muestra en la Ecuación 1.
Donde, F es la fuerza aplicada y a es el área sobre la cual se aplica dicha fuerza. Las unidades de fuerza, en el sistema internacional de unidades, se denominan Newton (N) y las de área son metro cuadrado (m2). En consecuencia, las unidades de los esfuerzos son N/m2, es decir, Pascales (Pa).
Un esfuerzo es aquello físicamente capaz de causar una deformación en las rocas.
Esta premisa es fundamental para entender que la deformación de las rocas es la consecuencia directa de un esfuerzo que actuó sobre estas, el cual fue lo suficientemente grande para deformarlas.
El esfuerzo es entonces una magnitud vectorial resultante de la aplicación de una fuerza (magnitud vectorial) sobre un área determinada (magnitud escalar), en la que resulta importante la dirección de su aplicación.
Con el fin de resolver las implicaciones que dicha dirección tiene en la deformación de las rocas, se ha considerado que el esfuerzo neto que actúa sobre un material es la sumatoria de tres esfuerzos, ortogonales entre sí, denominados esfuerzos principales:
Donde,
σ es el esfuero neto;
σ1 es el esfuerzo principal máximo;
σ2 es el esfuerzo principal medio;
σ3 es el esfuerzo principal mínimo.
Es importante anotar que los esfuerzos principales no necesariamente coinciden con los ejes X, Y, Z geométricos; las únicas propiedades que siempre conservan son la relación entre sus magnitudes y su ortogonalidad
La deformación es la respuesta de un material ante la aplicación de un esfuerzo.
Esta respuesta se mide en términos de la diferencia entre la posición, forma y orientación de un material dado antes y después de la aplicación del esfuerzo (Fossen, 2010).
La deformación de un material puede implicar una o varias de las siguientes opciones (Bursnall et al., 1990): (1) traslación; (2) rotación y/o; (3) deformación interna.
La traslación es un cambio de posición del material que implica que todas las partículas del material se desplazan la misma distancia a lo largo de vectores paralelos (Fossen, 2010).
La rotación es un cambio de posición del material que implica que todas las partículas del material rotan con respecto a un eje imaginario de rotación en un sistema de coordenadas definido (Fossen, 2010).
La deformación interna es aquella en la cual las partículas que componen el material sufren un cambio de posición, generando un cambio de forma visible en el material (a escala macroscópica, mesoscópica y/o microscópica). Existen cuatro tipos principales de deformaciones internas: homogénea, heterogénea, continua y discontinua.
Durante la deformación homogénea todas las partículas se deforman de la misma manera y se conservan el área y el volumen del material considerado; las líneas rectas permanecen rectas, las líneas paralelas permanecen paralelas y objetos de forma y orientación idéntica, tendrán la misma forma y orientación después de la deformación (Fossen, 2010).
La deformación heterogénea ocurre cuando las partículas que componen el material se deforman de manera diferente. En este tipo de deformación no necesariamente se conservan el volumen y/o el área inicial.
En la deformación continua las partículas que componen el material se conservan unidas, es decir, cada partícula conserva sus vecinos. La deformación continua puede ser homogénea o heterogénea según se cumplan las condiciones mencionadas anteriormente.
Esta deformación es característica de materiales dúctiles.
En la deformación discontinua existe una estructura (fractura) que separa las partículas, por esta razón, en las partes afectadas por la discontinuidad las partículas no conservan sus vecinos.
Es importante resaltar que la deformación discontinua no puede ser homogénea, dado que todas las áreas del material no se deforman de la misma manera. La deformación discontinua es siempre heterogénea. Esta deformación es típica de materiales frágiles.
Es importante tener en cuenta que la deformación homogénea o heterogénea dependerá de la escala de observación
Existen tres formas básicas de comportamiento de los materiales sólidos ante los esfuerzos: elástica, plástica o elasto-plástica.
Un material se comporta de forma elástica cuando cumple la ley de Hooke, es decir, el material se deforma proporcionalmente al esfuerzo aplicado hasta un punto llamado límite elástico (Popov & Balan, 2000), a partir del cual, el material se fractura.
Si el material es sometido a un esfuerzo que no sobrepasa su límite elástico, al cesar la aplicación del esfuerzo, el material recuperará su forma inicial sin deformación evidente.
Lo anterior es particularmente importante dado que las estructuras geológicas que observamos son aquellas resultantes de esfuerzos que pudieron efectivamente ocasionar una deformación permanente en las rocas; aquellos esfuerzos que ocasionaron deformación elástica en la roca sin sobrepasar su límite de elasticidad (sin causar deformación permanente) no se pueden identificar.
En geología se dice que una deformación es frágil cuando la roca se comporta de forma elástica, es decir, cuando tiende a fracturarse perdiendo así su cohesión interna (Bursnall et al., 1990)
Un material se comporta de forma plástica cuando se deforma ante la aplicación de un esfuerzo y, al cesar la aplicación de dicho esfuerzo, el material no puede recuperar su forma original, desarrollando una deformación permanente sin fracturarse (Popov & Balan, 2000; Fossen, 2010).
En geología se dice que una deformación es dúctil cuando la roca se comporta de forma plástica, es decir, cuando tiene la capacidad de sufrir grandes deformaciones internas permanentes sin fracturarse o perder su cohesión interna (Bursnall et al., 1990)
Los materiales se comportan de forma elasto-plástica cuando sufren deformación elástica y, llegado su límite de elasticidad, comienzan a comportarse de forma plástica hasta un punto en el que, finalmente, se fracturan.
En geología se dice que una deformación es frágil-dúctil cuando la roca se comporta de forma elasto-plástica, es decir, cuando se observan deformaciones combinadas frágiles (fracturas) y dúctiles (cambio de forma sin fracturamiento; plegamiento por ejemplo).
La respuesta de las rocas ante los esfuerzos obedece, principalmente, a la profundidad a la que se encuentran. Estos niveles se conocen por el nombre del comportamiento de material ante los esfuerzos, esto es:
Un material posee una resistencia dada por ciertas condiciones ambientales (temperatura, presión, etc.) bajo las cuales se encuentra. Si alguna o varias de estas condiciones cambian, la resistencia del material ante un esfuerzo determinado también cambiará y, posiblemente, lo hará su respuesta (comportamiento frágil, dúctil o frágil-dúctil).
Estas condiciones ambientales son conocidas como los factores que influyen en la deformación de las rocas y los principales son: temperatura, presión, presencia o ausencia de fluidos, velocidad (o tiempo) del proceso y las características del material en si.
El incremento de la temperatura resultará en la disminución de la resistencia del material y en un aumento de su ductilidad antes de que éste pueda llegar a fracturarse (Bursnall et al., 1990). Una disminución de la temperatura producirá el efecto contrario, es decir, el material aumentará su resistencia e incrementará su fragilidad
El incremento de la presión resultará en el aumento de la resistencia del material y de su ductilidad antes de que éste pueda llegar a fracturarse (Bursnall et al., 1990). Una disminución de la presión producirá el efecto contrario, es decir, el material disminuirá su resistencia e igualmente incrementará su fragilidad.
Un incremento en la presencia de fluidos tiende a debilitar las rocas y aumentar la ductilidad del material (Fossen, 2010), principalmente por:
Baja compresibilidad de los fluidos (generalmente agua con iones disueltos): al aumentar la presión confinante sobre el material, este tiende la capacidad de comprimirse, mientras que los fluidos que ocupan los poros no. Esto aumenta las presiones internas en la roca y así es más sencillo deformarla (Brusnall et al., 1990).
Presencia de agua cargada iónicamente cerca de las paredes de los cristales: tiende a producir reacciones que debilitan los enlaces de los silicatos debilitando, consecuentemente, la roca (Fossen, 2010).
La tasa de deformación se define como la deformación sufrida por un material en un tiempo dado, a una velocidad dada.
Cuando esta tasa aumenta (mayor velocidad, menor tiempo) la resistencia del material tiende a aumentar, aumentando su tendencia a deformarse frágilmente (Bursnall et al., 1990). Contrariamente, bajas tasas de deformación (menor velocidad, mayor tiempo) hacen que la resistencia del material tienda a disminuir, facilitando la deformación interna (deformación dúctil).
Las características intrínsecas del material son un factor determinante en su resistencia ante los esfuerzos. Si un material posee diferentes resistencias a los esfuerzos según la dirección de aplicación de estos se dice que es anisotrópico, si resiste igual sin importar la dirección del esfuerzo, se dice que es isotrópico.
Es importante entonces conocer las condiciones específicas del material (estructuras presentes en el macizo tales como diaclasas, fallas, clivaje, foliación, etc.) para entender las direcciones en las que éste podría tender a fallar más fácilmente (Bursnall et al., 1990).
Otro aspecto importante es el tipo de material (tipo de roca), pues de esto depende también su resistencia ante los esfuerzos.
Aquí puedes ver el video explicativo del tema
