Esfuerzo, Deformación y Deformación de las Rocas

El esfuerzo es la fuerza por unidad de área aplicada a la roca y la deformación es el cambio resultante en la forma o el tamaño; su relación determina si la roca se dobla, fluye o se rompe.

Definition

El esfuerzo es la distribución de fuerzas que actúan sobre un cuerpo por unidad de área, la deformación es la deformación medible producida, y la deformación de la roca es el proceso por el cual las rocas cambian de forma o volumen en respuesta al esfuerzo a través de un comportamiento elástico, dúctil o frágil.

Scope

Este tema abarca los conceptos mecánicos que subyacen a todas las estructuras geológicas: el tensor de esfuerzo y sus ejes principales, los tipos de deformación, los regímenes elástico, plástico y frágil, y los mecanismos de deformación por los cuales las rocas acomodan la deformación a diferentes profundidades. Constituye el fundamento mecánico para la interpretación de pliegues y fallas.

Core questions

• ¿Cómo se describe el estado de esfuerzo en la roca y cómo se resuelve en un plano?
• ¿Qué distingue las respuestas elástica, plástica y frágil?
• ¿Qué controla la profundidad de la transición frágil-dúctil?

Key theories

Falla de Mohr-Coulomb

La falla frágil de la roca ocurre cuando el esfuerzo cortante en un plano supera la cohesión de la roca más la resistencia friccional, un criterio que predice la orientación de las fallas en relación con los esfuerzos principales.

Ley de Byerlee de fricción de rocas

Byerlee encontró que la resistencia friccional de la mayoría de las rocas sigue una relación simple, casi independiente de la roca, entre el esfuerzo cortante y el esfuerzo normal, proporcionando un límite superior robusto para la resistencia de las fallas en la corteza frágil.

Mechanisms

Bajo baja temperatura y presión, la roca primero se deforma elásticamente y luego falla por fractura una vez que el esfuerzo excede su resistencia. Con el aumento de la profundidad, una mayor presión de confinamiento y temperatura suprimen la fracturación y permiten mecanismos dúctiles como la fluencia por dislocación, la fluencia por difusión y la disolución por presión, produciendo un flujo continuo. La transición entre estos regímenes, la transición frágil-dúctil, ocurre típicamente a profundidades de la corteza media.

Clinical relevance

Cuantificar la resistencia de la roca y el campo de esfuerzos in situ es esencial para diseñar túneles, minas y perforaciones estables, para predecir el comportamiento de las fallas en el análisis de riesgos sísmicos y para comprender la sismicidad inducida por la inyección de fluidos.

History

La mecánica de la falla se basa en el trabajo sobre la fricción de Coulomb del siglo XVIII y el análisis gráfico de esfuerzos de Mohr. La mecánica de rocas experimental del siglo XX, incluidos los estudios de fricción de Byerlee, cuantificó cómo la resistencia de la roca varía con la presión de confinamiento, la temperatura y la tasa de deformación, vinculando los resultados de laboratorio con la deformación cortical.

Key figures

• James Byerlee
• Charles-Augustin de Coulomb
• Otto Mohr

Seminal works

• byerlee1978

Frequently asked questions

¿Cuál es la diferencia entre esfuerzo y deformación?

El esfuerzo es la fuerza por unidad de área aplicada a una roca, mientras que la deformación es el cambio resultante, como estiramiento, acortamiento o cizallamiento. El esfuerzo es la causa y la deformación es el efecto medible.