Mecánica de la deformación de rocas:
Mecánica de rocas es la ciencia teórica y aplicada al comportamiento mecánico de rocas y de macizos rocosos. Tal como en geología, es la rama de la mecánicaconcerniente a la respuesta de estos entes litológicos a los campos de fuerzas de su ambiente físico. La mecánica de rocas forma parte de la geomecánica,disciplina relativa a las respuestas mecánicas de todos los materiales geológicos, incluidos los suelos. Aplicada a ingeniería geológica, del petróleo y civil, se enfoca a puesta en operación de los principios de ingeniería mecánica a diseño de estructuras litológicas generadas por:
Origen: Geomecánica
El término geomecánica se aplica al conjunto de disciplinas relacionadas con geología, ingeniería civil,ingenieria de minas y geofísica, para estudio de las condiciones de estabilidad, deformación y resistencia de macizos rocosos. Parcialmente se le puede considerar sinónimo de mecánica de rocas, pues además comprende mecánica de suelos.
La geomecánica se distingue de la geotecnia en que en ésta se atienden principalmente terrenos no consolidados.
En algunos casos, para el avance y la culminación de proyectos
constructivos, las características geológicas locales requieren
integración de ambas disciplinas. Se puede dividir en:
- Geomecánica de superficie
- Geomecánica aplicada al subsuelo
Geomecánica de superficie
De manera prevalente, en esta rama se estudia:
- Estabilidad de:
- Taludes rocosos
- Colapsos rocosos.
- Túneles de carreteras y ferrovías.
- Caracterización de macizos rocosos: bloques de rocas separados por superficies o juntas de discontinuidad y determinación de sus factores de seguridad.
- Características y estabilidad de rocas destinadas a cimentación de obras edilicias importantes como estribos de represas y de puentes así como pilares de puentes.
Geomecánica aplicada al subsuelo
En esta rama, principalmente desarrollada en el ámbito de la investigación petrolera, se indagan primordialmente las propiedades geomecánicas de las rocas atravesadas (o por atravesar) por la perforación de un pozo, con el fin de:
- Determinar y cuantificar la dirección del campo de esfuerzos existente en el subsuelo.
- Aportar indicaciones de la ventana de valores óptimos de densidad del lodo de perforación, para evitar:
- Derrumbes de las paredes del pozo
- Fracturación involuntaria de las paredes de roca circundante al pozo.
- Indicar la dirección y el mejor perfil de perforación de un pozo para garantizar la estabilidad.
- Estimar la posibilidad de irrupción de arena asociada a la de hidrocarburos durante la etapa productiva de un pozo, a fin de prevenirla.
- Aportar los valores de presión de fracturación requeridos en caso de estimulación mecánica del pozo.
- Determinar las características óptimas de la barrena de perforación que se utilizará.
Diastrofismo:
El diastrofismo es el conjunto de procesos y fenómenos geológicos de deformación, alteración y dislocación de la corteza terrestre por efecto de las fuerzas tectónicas internas.
Teoría
geomorfológica que atribuye el origen de algunos fenómenos de erosión
así como de las formas que de ellos se deriven a una serie de
deformaciones lentas o torcimientos de la corteza terrestre.1
Por oposición al catastrofismo, el diastrofismo explica las deformaciones terrestres por fenómenos de curvatura y de plegamiento extremadamente lentos. En ciertos casos se trata de epirogénesis:
el levantamiento o el hundimiento de la corteza abarca extensiones muy
grandes; el radio de curvatura de las deformaciones se hace entonces muy
grandes y los declives tienen escasa pendiente. En otros casos, las deformaciones son mucho más importantes, aunque netamente localizadas. Se trata entonces de orogénesis, proceso que ha dado lugar a la formación de grandes cordilleras.
En la epirogénesis el fenómeno fundamental es el ascenso o descenso de
grandes superficies; en la orogénesis, el plegamiento o fractura.
La causa principal por la que se produce el diastrofismo es la existencia de corrientes convectivas de magma en la astenosfera, las que determinan el desplazamiento de las placas tectónicas.
Las deformaciones continuas: Los pliegues.
Las deformaciones continuas se manifiestan en la naturaleza en forma de pliegues.
Elementos de un pliegue.
Son una serie de elementos geométricos.
Charnela. Zona de máxima
curvatura.
En dicho punto los estratos cambian de
buzamiento.
Líneasdecharnela, unen los puntos de
máxima curvatura.
Líneasdecresta y líneasdesurco
contienen puntos más altos y más bajos
respectivamente. Coinciden con la línea
de charnela son en los pliegues rectos.
Eje del pliegue. Línea imaginaria, posición no definida, cuya traslación lateral generaría la
superficie del pliegue. Es el análogo a la generatriz de un cono o un cilindro.
Plano axial. Superficie que une todas las línea de charnela y divide el pliegue en dos partes.
Núcleo. Parte cóncava más interna del pliegue.
Traza axial. Línea resultante de la intersección del plano axial con la superficie del terreno.
Buzamiento. Ángulo diedro formado entre el flanco del pliegue con la horizontal. Siempre
se toma el ángulo agudo.
Dirección. Ángulo formado por el eje del pliegue con el norte magnético.
Vergencia. Ángulo que forma el plano axial con el plano horizontal.
Inmersión. Ángulo formado por el plano horizontal y la línea de charnela medido sobre la
vertical.
Cabeceo. Ángulo formado entre la línea de charnela y la horizontal medido sobre el plano
axial.
Terminación periclinal. Zona final del eje del pliegue en la que el buzamiento de los
flancos se atenúa cambiando de dirección
Las diaclasas:
Las diaclasas son fracturas de las rocas sin desplazamiento de los bloques. Los mecanismos de
formación son:
Desecación. Rocas hidratadas sometidas a fuerte insolación. Sufre tensiones encaminadas a
reducir su volumen, de manera que dos zonas con tensiones en sentido contrario fracturan la
roca. Ejemplo. Suelos arcillosos resecados por la acción del Sol. Aspecto escamoso, planos
paralelos a la superficie y formas poligonales.
Enfriamiento.Reducción de volumen como consecuencia del enfriamiento. Diaclasas típicas
de las coladas de lava basáltica, en forma de prismas hexagonales.
Descompresión. Una masa rocosa que se aproxima a la superficie pierde su cobertera, por
tanto su presión litostática y sufrirá una expansión volumétrica en dos sentidos: paralelo a la
superficie y otro en sentido ortogonal(perpendicular) al anterior. Resultado: fracturación a
favor de esos planos.
Tectónica.Además de esquistosidad, pliegues y fallas, las tensiones pueden producir
diaclasas. En los pliegues:
o tensión divergente en zonas de máxima convexidad
o tensión convergente en la zona cóncava, interna del pliegue.
En ambas zonas se forman diaclasas.
Lo mismo ocurre con las fallas que suelen llevar asociado un sistema diaclasado.
Las Fallas.
Deformaciones discontinuas con desplazamiento de bloques. Presentan una serie de elementos.
Plano de falla. Plano que contiene la rotura de la roca. A ambos lados se forman dos
bloques con un desplazamiento relativo. Lo normal del plano es que sea una superficie
alabeada.
Sirve para definir la dirección y el buzamiento, elementos utilizados para situarlas en los
mapas y planos.
Traza. Intersección del plano de falla con la superficie del terreno.
Dirección. Ángulo formado entre la traza y el norte magnético.
Buzamiento. Ángulo que forma el plano de la falla con la horizontal.
Labios. Cada uno de los bloques a ambos lados del plano de falla. El movimiento relativo en
fallas directas e inversas permite establecer un labio levantado y otro hundido.
Espejo de falla. Superficie del plano de falla visible tras la ruptura del plano de falla.
Estrías de falla. Marcas producidas en el espejo por la fricción del movimiento de los labios.
Sirven para indicar la dirección y el sentido del movimiento.
Salto de falla. Desplazamiento mensurable entre los labios. Desplazamiento medible en
diferentes posiciones.
Salto según buzamiento(AD).
Salto vertical(AE).
Salto transversal(AB).
Salto en dirección o longitudinal(AC).
Escarpe de fallamide la distancia entre el punto más alto del labio levantado y el más alto
del labio hundido.
Movimientos Sísmicos:
Un terremoto (del latín terra ‘tierra’, y motus ‘movimiento’), también llamado seísmo o sismo (del griego σεισμός [seismós] temblor o temblor de tierra) es un fenómeno de sacudida brusca y pasajera de la corteza terrestre producida por la liberación de energía acumulada en forma de ondas sísmicas. Los más comunes se producen por la ruptura de fallasgeológicas. También pueden ocurrir por otras causas como, por ejemplo, fricción en el borde de placas tectónicas, procesosvolcánicos o incluso pueden ser producidas por el hombre al realizar pruebas de detonaciones nucleares subterráneas.
Causas
La
causa de los terremotos se encuentra en la liberación de energía de la
corteza terrestre acumulada a consecuencia de actividades volcánicas y tectónicas, que se originan principalmente en los bordes de la placa.
Aunque
las actividades tectónicas y volcánicas son las causas principales por
las que se generan los terremotos hay otros factores que pueden
originarlos:
- Acumulación de sedimentos por desprendimientos de rocas en las laderas de las montañas, hundimiento de cavernas.
- Modificaciones del régimen fluvial.
- Variaciones bruscas de la presión atmosférica por ciclones.
Estos fenómenos generan eventos de baja magnitud, que generalmente caen en el rango de microsismos: temblores detectables sólo por sismógrafos.
Localizaciones
Los terremotos tectónicos suelen ocurrir en zonas donde la concentración de fuerzas generadas por los límites de las placas tectónicas dan lugar a movimientos de reajuste en el interior y en la superficie de la Tierra. Por este motivo los sismos de origen tectónico están íntimamente relacionados con la formación de fallas geológicas. Comúnmente acontecen al final de un ciclo sísmico:
período durante el cual se acumula deformación en el interior de la
Tierra que más tarde se liberará repentinamente. Dicha liberación se
corresponde con el terremoto, tras el cual la deformación comienza a
acumularse nuevamente.
El punto interior de la Tierra donde se origina el sismo se denomina foco sísmico o hipocentro.
El punto de la superficie que se halla directamente en la vertical del
hipocentro —que, por tanto, es el primer afectado por la sacudida—
recibe el nombre de epicentro.
En un terremoto se distinguen:
- Hipocentro, zona interior profunda, donde se produce el terremoto.
- Epicentro, área de la superficie perpendicular al hipocentro, donde con mayor intensidad repercuten las ondas sísmicas.
La probabilidad de ocurrencia de terremotos de una magnitud determinada en una región concreta viene dada por una distribución de Poisson. Así la probabilidad de ocurrencia de k terremotos de magnitud M durante un período T en cierta región está dada por:
Donde
es el tiempo de retorno de un terremoto de intensidad M, que coincide con el tiempo medio entre dos terremotos de intensidad M.
Propagación
El movimiento sísmico se propaga mediante ondas elásticas (similares a las del sonido) a partir del hipocentro. Las ondas sísmicas son de tres tipos principales:
- Ondas longitudinales, primarias o P. Ondas de cuerpo que se propagan a velocidades de 8 a 13 km/s en el mismo sentido que la vibración de las partículas. Circulan por el interior de la Tierra, donde atraviesan líquidos y sólidos. Son las primeras que registran los aparatos de medición o sismógrafos. De ahí su nombre «P».[cita requerida].
- Ondas transversales, secundarias o S. Son ondas de cuerpo más lentas que las anteriores (entre 4 y 8 km/s). Se propagan perpendicularmente en el sentido de vibración de las partículas. Atraviesan únicamente sólidos. En los sismógrafos se registran en segundo lugar.
- Ondas superficiales. Son las más lentas: 3,5 km/s. Resultan de interacción de las ondas P y S a lo largo de la superficie terrestre. Son las que causan más daños. Se propagan a partir del epicentro. Son similares a las ondas (olas) que se forman sobre la superficie del mar. En los sismógrafos se registran en último lugar.
Terremotos inducidos
Se denomina sismo inducido o terremoto inducido a
los sismos o terremotos producidos como consecuencia de alguna
intervención humana que altera el equilibrio de fuerzas en la corteza
terrestre. Entre las principales causas de sismos inducidos podemos
mencionar: la construcción de grandes embalses; el fracking; los ensayos de explosiones nucleares.
Grandes embalses
Los
reservorios grandes pueden alterar la actividad tectónica. La
probabilidad de que produzca actividad sísmica es difícil de predecir;
sin embargo, se deberá considerar el pleno potencial destructivo de los
terremotos, que pueden causar desprendimientos de tierra, daños a la
infraestructura de la represa, y la posible falla de la misma.
Los
datos sobre el aumento del terremoto son impresionantes: De 1976 a
2007, en Oklahoma cada año se habían registrado sólo un terremoto de
magnitud 3 o mayor. Pero desde 2008 hasta 2013 sismos de esa magnitud
eran 44 en cada año. La novedad de este estudio —en comparación con
otros estudios que ya había vinculados estadísticamente fracking y
terremotos en Oklahoma, Texas, Arkansas y Kansas— es que cuenta con
ayuda de simulaciones informáticas del mecanismo de "viaje" del agua en
el subsuelo. No sólo se incrementó los terremotos, determina el estudio,
sino que evidencia como los terremotos se han registrado mucho más
lejos de la planta de lo que hubiéramos esperado. El debate acerca de la
peligrosidad de fracking sucediendo durante años, y este estudio
ciertamente alimentae las protestas de aquellos que se oponen a este
tipo de actividad.2
Explosiones nucleares
La onda de presión de explosiones subterráneas pueden propagarse a través de la tierra y causar terremotos menores.3 La
teoría sugiere que una explosión nuclear podría disparar rupturas de
fallas geológicas y así causar un sismo mayor a distancias de pocos
cientos de kilómetros del punto de impacto.4
Pronto
se deberían controlar mejor estos sismos inducidos y, en consecuencia,
preverlos. Tal vez, pequeños sismos inducidos podrían evitar el
desencadenamiento de un terremoto de mayor magnitud.
Escalas de magnitudes
- Escala magnitud de onda superficial (
).
- Escala magnitud de las ondas de cuerpo (
).
- Escala sismológica de Richter, también conocida como escala de magnitud local (ML), es una escala logarítmica arbitraria en la que se asigna un número para cuantificar el efecto de un terremoto.
- Escala sismológica de magnitud de momento es una escala logarítmica usada para medir y comparar seísmos. Está basada en medición de la energía total que se libera en un terremoto. En 1979 la introdujeron Thomas C. Hanks y Hiroo Kanamori, como sucesora de la escala de Richter.
Escalas de intensidades
- Escala sismológica de Mercalli, de 12 puntos, desarrollada para evaluar la intensidad de los terremotos según los efectos y daños causados a distintas estructuras. Debe su nombre al físico italiano Giuseppe Mercalli.
- Escala Medvédev-Sponheuer-Kárník, también conocida como escala MSK o MSK-64. Es una escala de intensidad macrosísmica usada para evaluar la fuerza de los movimientos de tierra basándose en los efectos destructivos en construcciones humanas y en cambio de aspecto del terreno, así como en el grado de afectación a la población. Consta de doce grados de intensidad. El más bajo es el número uno. Para evitar el uso de decimales se expresa en números romanos.
- Escala Shindo o escala cerrada de siete, conocida como escala japonesa. Más que en la intensidad del temblor, se centra en cada zona afectada, en rangos entre 0 y 7.
Los diez mayores terremotos de la historia reciente
Efectos de los terremotos
Los efectos de un terremoto pueden ser uno o más de los que se detallan a continuación.
Movimiento y ruptura del suelo
Movimiento
y ruptura del suelo son los efectos principales de un terremoto en la
superficie terrestre, debido a roce de placas tectónicas, lo cual causa
daños a edificios o estructuras rígidas que se encuentren en el área
afectada por el sismo. Los daños en los edificios dependen de: a)
intensidad del movimiento; b) distancia entre la estructura y el
epicentro; c) condiciones geológicas y geomorfológicas que permitan mejor propagación de ondas.
Corrimientos y deslizamientos de tierra
Terremotos, tormentas, actividad volcánica, marejadas y
fuego pueden propiciar inestabilidad en los bordes de cerros y de otras
elevaciones del terreno, lo cual provoca corrimientos en la tierra.
Incendios
El
fuego puede originarse por corte del suministro eléctrico
posteriormente a daños en la red de gas de grandes ciudades. Un caso
destacado de este tipo de suceso es el terremoto de 1906 en San Francisco, donde los incendios causaron más víctimas que el propio sismo.
Licuefacción del suelo
La
licuefacción ocurre cuando, por causa del movimiento, el agua saturada
en material, como arena, temporalmente pierde su cohesión y cambia de
estado sólido a líquido. Este fenómeno puede propiciar derrumbe de
estructuras rígidas, como edificios y puentes.
Maremoto
Los
tsunamis son enormes ondas marinas que al viajar desplazan gran
cantidad de agua hacia las costas. En el mar abierto las distancias
entre las crestas de las ondas marinas son cercanas a 100 km. Los
períodos varían entre cinco minutos y una hora. Según la profundidad del
agua, los tsunamis pueden viajar a velocidades de 600 a 800 km/h.
Pueden desplazarse grandes distancias a través del océano, de un
continente a otro.
El punto de origen de un terremoto se denomina hipocentro. El epicentro es
el punto de la superficie terrestre directamente sobre el hipocentro.
Dependiendo de su intensidad y origen, un terremoto puede causar
desplazamientos de la corteza terrestre, corrimientos de tierras, tsunamis o actividad volcánica. Para medir la energía liberada por un terremoto se emplean diversas escalas, entre ellas, la escala sismológica de Richter es la más conocida y utilizada en los medios de comunicación.
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