La deformación de materiales se caracteriza por relaciones tensión-deformación. Para materiales de comportamiento elástico, la deformación es proporcional a la carga ( es decir., la tensión aplicada). La deformación es inmediata con tensión y es reversible (recuperable) hasta el límite elástico, más allá del cual se produce una deformación permanente. Para material viscoso, existe un flujo laminar (lento, suave, paralelo); uno debe ejercer una fuerza para mantener el movimiento debido a la resistencia de fricción interna al flujo, llamada viscosidad. La viscosidad varía con la tensión aplicada, la velocidad de deformación y la temperatura. En el comportamiento plástico, el material se deforma continuamente (pero aún tiene resistencia) después de que se alcanza el límite elástico; sin embargo, más allá de este punto hay alguna deformación permanente. En la deformación elasticoviscosa, existe un comportamiento elástico y viscoso combinado. El material cede continuamente (viscosamente) para una carga aplicada constante. Un ejemplo de tal comportamiento es la fluencia, una deformación lenta, permanente y continua que ocurre bajo carga constante durante un largo tiempo en materiales tales como cristales, hielo, tierra y sedimentos y rocas en profundidad. En comportamiento firme-viscoso, el material es esencialmente sólido pero la deformación no es inmediata con la aplicación de tensión; más bien, se toma y se libera exponencialmente. Un material plástico viscoso exhibe un comportamiento elástico para la tensión inicial (como en el comportamiento plástico), pero después de que se alcanza el límite de elasticidad, fluye como un fluido viscoso.
En la Tabla 36 se enumeran algunos valores representativos de las constantes y propiedades elásticas. El coeficiente de viscosidad (η) es la relación entre la tensión aplicada y la velocidad de deformación (cambio de deformación con el tiempo). Se mide en unidades de aplomo; un equilibrio equivale a un dina-segundo por centímetro cuadrado.
| constantes elásticas (a temperatura y presión ambiente) | ||
|---|---|---|
| material | Módulo de Young (en 106barras) | módulo de corte (en 106barras) |
| hielo | 0.1 | 0.03 |
| esquisto | 0.2–0.3 | 0.15 |
| caliza | 0.4–0.7 | 0.22–0.26 |
| granito | 0.3–0.6 | 0.2 |
| basalto | 0.7–0.9 | 0.3 |
| acero | 2.1 | 0.83 |
| material | temperatura (grados Celsius) | coeficiente de viscosidad (poises) |
| lava (Monte Vesubio) | 1,100 1,400 | 28,300 250 |
| lava (Oshima, Japan) | 1,038 1,125 ¿Cuál es la diferencia entre Janucá y Janucá? | 230,000 5,600 |
| andesite lava | 1,400 | 150–1,500 |
| material | resistencia a la compresión (a temperatura y presión ambiente, en kilobares) | |
| esquisto | 0.8–1.8 | |
| arenisca | 0.5–2 | |
| caliza | 1–2 | |
| granito | 1.7–2.5 | |
| basalto | 1–3.4 |
La reología es el estudio de la deformación por flujo de materiales. El concepto de reidez se refiere a la capacidad de fluir de un material, definida arbitrariamente como el tiempo requerido con un esfuerzo cortante aplicado para que la deformación viscosa sea 1000 veces mayor que la deformación elástica. Por tanto, es una medida de la umbral de comportamiento fluido. Aunque tal comportamiento depende de la temperatura, se pueden hacer comparaciones relativas. En la tabla se dan algunos valores representativos de los tiempos de reidez.
| material | tiempo aproximado |
|---|---|
| hielo (por ejemplo, glaciar) | 2 semanas |
| yeso | 1 año |
| sal de roca (por ejemplo, saltdome) | 10-20 años |
| serpentina (un mineral de silicato máfico) | 10,000 años |
Las curvas típicas de tensión-deformación (deformación) para materiales rocosos se muestran en. La tensión σ, compresión en la figura, es la fuerza por unidad de área. La deformación ε es un acortamiento fraccional de la muestra paralelo a la compresión aplicada; se da aquí en porcentaje. El material quebradizo se comporta elásticamente casi hasta el punto de fractura (denotado X ), mientras que el material dúctil (plásticamente deformable) es elástico hasta el límite de elasticidad, pero luego tiene un rango de deformación plástica antes de fracturarse. La capacidad de sufrir una gran deformación permanente antes de la fractura se denomina ductilidad. Para la deformación plástica, los mecanismos de flujo son intracristalinos (deslizamiento y hermanamiento dentro cristal granos), movimiento intercristalino por trituración y fractura (cataclasis), y recristalización por disolución o sólido difusión .
curvas de tensión-deformación Figura 8: Curvas de tensión-deformación típicas para materiales rocosos. Cada X representa el punto de fractura del material correspondiente. Encyclopædia Britannica, Inc.
Si la tensión aplicada se elimina mientras un material dúctil está en el rango plástico, parte de la tensión es recuperable (elásticamente), pero hay una deformación permanente. La resistencia máxima es el punto más alto (tensión) en una curva de tensión-deformación, que a menudo ocurre en la fractura (que es la pérdida completa de cohesión). La fuerza de un material es su resistencia a fallar (destrucción de estructura) por flujo o fractura; es una medida de la tensión necesaria para deformar un cuerpo. Las resistencias típicas a la compresión (la tensión requerida para causar una falla bajo compresión) se dan en la Tabla.
El comportamiento y las propiedades mecánicas de las rocas dependen de varias condiciones ambientales. (1) La presión de confinamiento aumenta la elasticidad, la fuerza ( p.ej. límite de elasticidad y tensión de rotura última) y ductilidad. (2) La presión del fluido de poro interno reduce la tensión efectiva que actúa sobre la muestra, reduciendo así la resistencia y la ductilidad. La presión de confinamiento efectiva o neta es la presión hidrostática externa menos los poros internos. líquido presión. (3) Temperatura baja la fuerza, realza ductilidad, y puede mejorar recristalización. (4) Las soluciones fluidas pueden mejorar la deformación, la fluencia y la recristalización. (5) El tiempo también es un factor influyente. (6) La tasa de carga ( es decir., la velocidad a la que se aplica la tensión) influye en las propiedades mecánicas. (7) La compactación, como ocurriría con el entierro a profundidad, reduce el volumen de espacio poroso para las rocas sedimentarias y la porosidad de la fisura para las rocas cristalinas.
Las rocas, que suelen ser frágiles en la superficie de la Tierra, pueden sufrir una deformación dúctil cuando se entierran y se someten a una mayor presión y temperatura de confinamiento durante largos períodos de tiempo. Si la tensión excede su resistencia o si no son lo suficientemente dúctiles, fallarán por fractura —como un cristal, dentro de un lecho o roca, en una zona de falla sísmica, etc.— mientras que con ductilidad pueden fluir y plegarse.
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Algunas resistencias para varios tipos de rocas a diferentes temperaturas y presiones de confinamiento se enumeran en la Tabla. El límite elástico del plástico aquí es la tensión a una deformación del 2 por ciento; la resistencia última, como se indicó anteriormente, es el punto más alto (tensión) en la curva tensión-deformación.
| tipo de roca | temperatura (° C) | presión de confinamiento (kilobares) | límite elástico plástico (kilobares) | fuerza máxima (kilobares) |
|---|---|---|---|---|
| granito | 500 | 5 | 10 | 11.5 |
| 800 | 5 | 5 | 6 | |
| gabro | 500 | 5 | 4 | 8 |
| peridotita | 500 | 5 | 8 | 9 |
| 800 | 5 | 5.5 | 8 | |
| basalto | 500 | 5 | 8 | 10 |
| 800 | 5 | 2 | 2.5 | |
| mármol | 24 | 2 | 2.5 | 5.5 |
| 500 | 3 | 1 | 2 | |
| caliza | 24 | 2 | 4.5 | 5.5 |
| 500 | 3 | 2.5 | 3 | |
| dolomita | 24 | 2 | 6 | 7 |
| 500 | 5 | 4 | 6.5 | |
| esquisto | 24 | 2 | 1.5 | 2.5 |
| sal de roca | 24 | 1 | 0.5 | 1 |
Un aumento en la presión de confinamiento hace que la fractura frágil se convierta en deslizamiento por cizallamiento y eventualmente causa un comportamiento de flujo (dúctil). Esta transición también se ve favorecida por una temperatura más alta, una menor presión interna del fluido de poro y una velocidad de deformación más lenta.
La tabla da los valores de algunas constantes elásticas: módulo de volumen ( a ), El módulo de Young ( ES ), módulo de corte (μ) y la razón de Poisson (σ pag ) —A presión ambiente (1 bar) y alta presión de confinamiento (3000 bares). Los valores de las rocas sedimentarias clásticas serían particularmente variables.
| a presión = 1 bar | ||||
|---|---|---|---|---|
| tipo de roca | módulo de volumen | El módulo de Young | módulo de corte | el coeficiente de Poisson |
| granito | 0.1 | 0.3 | 0.2 | 0.05 |
| gabro | 0.3 | 0.9 | 0.6 | 0.1 |
| dunita | 1.1 | 1.5 | 0.5 | 0.3 |
| obsidiana | 0.4 | 0.7 | 0.3 | 0.08 |
| basalto | 0.5 | 0.8 | 0.3 | 0.23 |
| gneis | 0.1 | 0.2 | 0.1 | 0.05 |
| mármol | 0.1 | 0.4 | 0.2 | 0.1 |
| cuarcita | ||||
| arenisca | 0.07 | 0.2 | 0.08 | 0.1 |
| esquisto | 0.04 | 0.1 | 0.05 | 0.04 |
| caliza | 0.8 | 0.6 | 0.2 | 0.3 |
| a presión = 3.000 bares | ||||
| tipo de roca | módulo de volumen | El módulo de Young | módulo de corte | el coeficiente de Poisson |
| granito | 0.5 | 0.6 | 0.4 | 0.25 |
| gabro | 0.9 | 0.8 | 0.5 | 0.2 |
| dunita | 1.2 | 1.7 | 0.7 | 0.27 |
| obsidiana | ||||
| basalto | 0.8 | 1.2 | 0.4 | 0.25 |
| gneis | 0.5 | 0.7 | 0.3 | |
| mármol | 0.8 | 0.7 | 0.3 | 0.3 |
| cuarcita | 0.5 | 1.0 | 0.4 | 0.07 |
| arenisca | ||||
| esquisto | ||||
| caliza |
