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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.
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Definición:Reología
Estudiodeladeformaciónyflujodesustanciasfluidascuandosometidasauncampodeesfuerzosexterno.
PartedelamecánicademedioscontinuoscuyadoctrinafueiniciadaporBingham(1929)paraencontrarecuacionesconstitutivasquepermitanmodelarelcomportamientodelosmateriales.
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Métododelareología
Atravésdelaobservaciónyelconocimientodelasleyesdelcomportamientofísicoteórico,sedesarrollaunarelaciónconstitutivaomodelomatemáticoquepermiteobtenerlasfuncionesmaterialesquecaracterizanunasustancia.
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Propiedadesreológicas
Viscosidad (coeficientesreológicos). Elasticidad (sustanciasalmacenanenergía). Relajación (cambiansuspropiedadesatravésdeltiempo).
Memoriareológica.
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Entérminosabsolutos
Cualquiersustanciapuedesertratadacomounfluido.
Lasrocas puedenserconsideradascomofluido alolargodeuntiempogeológicolosuficientementegrande paraqueestaspuedanacomodarlaformademaneracontinua(sinpérdidadecohesióninterna).
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“Relojes Blandos o la persistencia de la memoria”
Salvador Dalí (1931).
Tiposdeesfuerzos
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Tiposdecomportamientoideal
Elástico CuerpodeHooke
Viscoso CuerpodeNewton
Plástico CuerpodeSt Venant
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Deformaciónelástica
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Sólidoelástico
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CuerpodeHooke
Resortealqueseleaplicaunesfuerzoσ paraproducirunadeformaciónenopermanente.
Línea recta expresa que hay una variación constante y proporcionalentre el esfuerzo y la deformación: comportamiento elástico
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Cuerpoelásticoideal
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Propiedadeselásticas
Deformaciónelásticaes: Instantánea Proporcionalalesfuerzo Alcesedelesfuerzo,elcuerporetomasuformainicial,ladeformacióndesaparece.
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Tiposdeelasticidad
Elásticolinear(ideal):
ε proporcionalalesfuerzo. Elásticoperfecto:
Mismacurvadeincrementodedeformaciónquederetorno.
Elásticoconhistéresis: Curvaderetornotieneunretardoparaalcanzarlaformainicialdebidoalafatigadelmaterial.
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Histéresis
Cuerposelásticosnoidealesexperimentanunciertoretardoenretornaralaformainicialluegodecesadoelesfuerzo.
Sedenominahistéresis.
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Porencimadellímiteelástico…
¿Quéocurresiaplicamoscadavezmásesfuerzoaunarocaelástica?
Lamuestra: Vaaromperse… Vaacesardedeformarseelásticamente Puedecontinuardeformándosedemanerapermanente(másrápidoqueelincrementodeesfuerzo)
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Deformaciónviscosa
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CuerpodeNewton
Pistónconteniendoaceitealqueseleaplicaunesfuerzo σ yenelqueseproduceunadeformaciónepermanente.
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Cuerpoviscosoideal
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Propiedadesviscosas
Deformación: Inmediata peroluegoprogresiva Proporcionalalesfuerzo Adquirida alcesedelesfuerzo Suacumulacióndependedeladuración
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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.
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Viscosidadparafluidoscomunes
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Deformaciónplástica
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CuerpodeSt Venant
Ladrilloarrastradosobreunasuperficiesometidoaunesfuerzoσparaproducirundesplazamiento(deformación)e apartirdeunciertovalorcríticodecesión.
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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
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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.
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Tiposdefluidosindependientesdeltiempo
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Definiciónde“Creep”
El“creep”(reptación) esladeformaciónplásticadeunmaterialqueestásujetaaunesfuerzoconstanteypersistentemientrasestematerialseencuentraenunaaltatemperaturahomóloga(TH).
TH eselcocienteentrelatemperaturaenlaqueseencuentraelmaterial(T)ysutemperaturadefusión(TF)(en°Kelvin).
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TiposdeReptación(creep)
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Partesdelagráfica
0– Deformaciónelásticainstantánea I– reptaciónprimariaotransitoria (tasadestraindecrece)
II– reptaciónsecundariaoestacionaria (tasadestrainesconstante)
III– reptaciónterciariaoacelerada (tasadestrainvaria): sidisminuye ablandamientodestrain siaumenta endurecimientodestrain
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Factoresqueafectanelcomportamientoreológico
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Factoresfísicosqueinfluyenenelcomportamiento
Temperatura Tasadedeformación Presiónconfinante Variacióndelesfuerzodiferencial Presenciadefluidosdeimpregnación Anisotropíaprevia
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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
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Influenciadepresenciadefluidos
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Fluidosintersticiales
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SECO SATURADO EN AGUA
Influenciadelapresenciadefluidos
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Influenciadelaanisotropíaprevia
Deformaciónfrágil:CompartimentaciónMayorinfluencia... Deformacióndúctil:SeafectaelcuerpoensutotalidadMenorinfluencia
delosplanosdedebilidadprevios(p.ej.estratificación,fallas)
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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.
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Deformaciónfrágil– deformacióndúctil
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Comportamientoreológicodelalitósfera
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Relaciónentreestiloestructuralymecanismosdemicroescala
TransiciónF‐Dparacortezascontinentalyoceánica
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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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