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IV Stress en la litósfera

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on 4 April 2016

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Stress en la litósfera
Importancia de medir el stress
Estados referenciales de stress
1. Estado referencial litostático:
Si presión de fluídos (o presión de formación) = presión hidrostática --> presión de fluídos es
normal o hidrostático
--> poros están
inteconectados hasta la superficie y fluído de poros forma una columna continua (caso poco común)
2. Strain uniaxial
Patrones globales de stress
Variaciones en la t° al enterrar, alzar, o exponer una rx (o por fuentes locales de calor) deben ser consideradas
Efectos de variaciones en t°, en el stress horizontal:
Observando distribución global de los 3 regimenes de falla (normal, strike slip y thrust), patrones son complejos, sin embargo, un observación importante es que el máx ppal stress es horizontal -> regimenes thrust o strike slip
Stress residual
stress residual
Existen fuentes de stress de "2do orden", tales como carga de sedimento, areas de rebote glacial, areas de corteza delgada y surgencia (upwelling) de material mantélico caliente, transición continente-océano, cordones montañosos y fallas grandes

Sedimento más y más cementado y litificado varía propiedades elásticas (incrementa ) y modelo de stress uniaxial se acerca al modelo litostático
Diaclasas se iniciarán más probablemente en areniscas que en lutitas durante alzamiento de rxs sxs clásticas
Stress tectónico
causa desviaciones naturales del ERS (edo. refer. de stress)
a escala macro, movimiento de placas y tectónica de placas --> patrones de stress consistentes sobre áreas grandes
a escala local, stress tectónico puede estar influenciado por doblamiento de capas (pe., cabecera de propagación de falla --> orientación variable
Zonas de debilidad y de fractura, desgaste por erosión (weathering), y contacto entre rxs de propiedades físicas contrastantes tb pueden distorsionar el campo de stress localmente (fig. 5.4):
intentará orientarse // al plano o estructura de debilidad
Conocer el estado de stress nos sirve para construcciones o trabajo relacionados con minería, hidroeléctricas, túneles, dado que "abrir" la superficie terrestre, se genera concentración de stresses que pueden causar caídas de rx
Cualquier deformación puede relacionarse con algún campo de stress que se desvía de la situación de stress "normal". En porciones profundas de la corteza stress no puede ser medido o estimado, exepto desde información de mecanismos focales
Hay formas de estimar paleostress en rxs exhumadas y expuestas en la superficie
bajo los 4-5 km de profundidad el campo de stress no se puede determinar apropiadamente
Modelo general de stress más simple para el interior de la tierra: situación idealizada donde no hay stress de cizalle:
= = =
Es un estado isotrópico de stress, donde stresses vertical y horizontal son iguales
Este stress es controlado completamente por peso y densidad de la columna roca suprayacente.

En cuencas sedimentarias, la formación de fluídos es gralmente agua, entonces, existe contraste densidad agua y roca: 2 situaciones de stress
- la presión hidrostática: (densidad del agua 1 g/cm )
- stress litostático ~2.7 (utilizando 2.7 g/cm como densidad de la rx)
Perfectos estados referenciales litostáticos en rocas sin embargo no existen, sólo en magmas u otros fluídos -> en este caso, término más apropiado:
presión hidrostática
En columnas de rx porosas, el stress litostático se distribuye en el área de contacto entre granos:
stress efectivo

Además, hay que considerar la
presión de poros del agua
--> debemos operar con dos sistemas de stress distintos:
presión (de agua) en poros + stress efectivo
la presión del fluido de poros reduce el stress efectivo
para cualquier profundidad
stress vertical
3
Estados referenciales de stress
Estados referenciales de stress
Sobrepresión
o
incremento de presión
(overpressure)
- Ocurre entre capas no permeables.
- A mayor enterramiento, mayor desviación entre actual presión de poros y presión hidrostática (teórica) (fig. 5.6b)
- Presiones de poros anómalamente grandes pueden tener consecuencias para la deformación; capas bajo overpressure pueden actuar como detachments (superficies de despegue) dte deformación, formando prismas acrecionarios o thrust faults (fallas inversas; fallas reversas (reverse) de bajo ángulo )
1. litostático:
1. litostático:
Estados referenciales de stress
basado en la condición de borde donde no hay elongación + o - en dirección horizontal
Strain solo vertical (no así el stress, que es triaxial)
stress horizontal
radio de Poisson
El estado referencial de strain uniaxial (ERSU) predice que stress vertical es considerablemente mayor al horizontal
Esto predice estados característicos de regímenes extensionales
Sin embargo, la relación es muy común -> el ERST por si solo no explica estados de stress en muchos casos -->
Estados referenciales de stress
3. Stress horizontal constante
Estados referenciales de stress
Estado referencial de stress horizontal constante
Asume que stress promedio en la litósfera es el mismo en todos lados a la profundidad de compensación isostática bajo la litósfera más gruesa (z1, fig. 5.8)
Bajo z1, se asume comportamiento terreste es como un fluído , donde es el stress litostático generado por el peso de la columna de rx. bajo este modelo de strain planar, strain ocurre en dirección vertical y una sola dirección horizontal
Efecto termal en el stress horizontal
E es el módulo de Young
es el coeficiente lineal de expanción termal
cambio de la temperatura
radio de Poisson
Variaciones de stress durante enterramiento y alzamiento
Rxs enterradas y luego expuestas generan cambios en stress vertical y t°, modificando el stress horizontal como:
Efecto termal en el stress horizontal
rxs con diferentes propiedades mecánicas ( y ), desarrollarán distintas historias de stress durante enterramiento y exposición
2. Strain uniaxial
Efecto termal en el stress horizontal
Variaciones de stress durante enterramiento y alzamiento
menor overpressure es necesaria para fracturar areniscas que arcillolitas o lutitas
stress que permanece "bloqueado" y preservado posterior a que la fuerza externa o campo de stress ha sido modificado o removido
Sobrecarga, stress tectónico o efecto termal pueden causar stress externo: stress residual en arenisca durante compactación, cementación y alzamiento
Se relacionan a factores naturales, tal como densidad de rx, condiciones de borde, efectos termales y propiedades físicas de la rx
Los stresses tectónicos son aquellas partes del estado local de stress que se desvía desde los ERS como consecuencia de los procesos tectónicos
Stress tectónico
Los estados totales de stress en cualquier punto en la litósfera puede descomponerse en: ERS, stress residual, stress termal, stress tectónico y stress terrestre (este último relacionado a cambios de temperatura diaria y estacional, marea terrestre, etc)
Stress tectónico actual
stress total - (ERS, stress residual no tectónico, stress termal, stress terrestre)
clasificación de stress tectónico según Anderson
Al no existir stress de cizalle en la superficie, uno de los stresses principales debe ser vertical --> los otros 2 deben ser horizontales
régimen falla normal
régimen falla strike-slip (transcurrente)
régimen falla inversa
clasificación de stress tectónico según Anderson
Topografía crea stresses locales importantes a considerar
Montañas y valles generan efectos de stress cerca de la superficie que influencian el patrón de setress regional (fig. 5.3)
cámaras o túneles en la rx generan un efecto de "espacio libre" en el campo de stress, que debe ser considerado
Mediciones de stress
Elasticidad es como la rx responde al stress bajo el límite donde el strain se convierte en permanente.
Módulo de Young describe relación entre stress y strain; el radio de Poisson caracteriza cuánto un objeto que se acorta, se extiende perpendicular a la dirección de acortamiento
Estructuras geológicas pueden dar información confiable acerca del campo de stress. Orientación y patrones de escarpes de falla recientes, trazas de pliegues, fracturas de tensión (fig. 5.5) y alineamientos volcánicos (fig. 5.1d) indican orientación de los stresses ppales
Las observaciones de stress no puede ser directo, pero sí sus efectos en forma de strain elástico o permanente
Rxs distintas reccionan de distintas maneras al stress y en medios anisotrópicos, las relaciones son complejas. Sin embargo, los estudios de strain nos pueden permitir estimar el stress
Medidas de stress son realizadas en pozos, sondajes, fracturamiento hidráulico, mecanismos focales de sismos y estructuras geológicas
Mediciones de stress
Mediciones de stress
Estados referenciales de stress
Modelos referenciales son modelos teóricos que sirven para describir cómo cambia el estado de stress en la corteza
Asumen planeta con sólo una capa litosférica, sin considerar tectónica de placas (estas fuerzas no son incluídas en los cálculos)
Los
estados referenciales
definen estados idealizados en la corteza, asumiendo ésta como un planeta estático sin procesos tectónicos
Una columna de rx que llega a la superficie, posiblmente es más fácil de "bajar" que de "subir" (compactación) -> la columna de rx se puede acortar verticalmente, pero no en el plano horizontal -> strain uniaxial es típico cuando ocurre compactación de sxs, sin intervención de stresses tectónicos
Durante enterramiento los stresses horizontales son iguales y crecerán como función de la profundidad de enterramiento

Siendo y los stresses horizontales , queda la siguiente relación: -> stress depende de propiedades fcas de la rx (a diferencia del litostático)
3. Stress horizontal constante
Estados referenciales de stress
modelo más realista para una litósfera no afectada por fuerzas tectónicas
El requerimiento de stress cte horizontal es mantenido por equilibrio isostático -> después de la erosión pero antes del requilibrio isostático, el stress horizontal promedio en porción más delgada de la litósfera, debe ser mayor que en porción más gruesa (si fzas horizontales están balanceadas)
Stress residual
Cómo se acumula?: en una arenisca, cuando es enterrada y se va poniendo sobrecargando sobre ella, stress se acumula en áreas de contacto entre granos.
Stress residual tb puede ser causado por:
- metamorfismo (cambio de volúmenes),
- intrusiones (enfriamiento sella stresses en la corteza),
- cambios en T° o P
- eventos tectónicos anteriores
Cualquier tipo de stress puede ser bloqueado en una rx si por alguna razón el strain elástico permanece luego que el campo de stress externo fuera removido
Una vez removida la sobrecarga, el stress disminuye y la deformación elástica de los granos debido a la sobrecarga removida comenzará a relajarse
Relajación es parcialmente prevenida por el cemento, por lo tanto, parte del stress es transferido al cemento y el resto permanece en los granos de arena como stress "congelado"
Sea el stress vertical (relacionado con peso y densidad de la columna de rx suprayacente):

Para calcular los stresses horizontales, consideremos un stress tectónico horizontal
tal que debe ser "agregado" al referencial.
-> para un edo. de stress litostático, sería:
OBS.: la clasificación de Anderson es válida solo para deformación coaxial (o irrotacional) y rxs isotrópas
clasificación de stress tectónico según Anderson
Si en cambio consideramos un edo. referencial de stress uniaxial (i.e. asumimos que stress tb depende de props. fcs de la rx), sería:
( es stress horiz. tect.)

dado que <0 -> >
-> magnitud de stress tectónico dependerá de estado referencial de stress! => stress tect. no es sencillo de estimar :'(
a nivel global, los procesos tectónicos en los márgenes de placa se cree tienen importante influencia en los patrones regionales de stress
Sus fuentes ppales serían: "tiraje" de la loza (slab pull), empuje del ridge (ridge push), resistencia a la colisión y arrastre basal (basal drag). Las 2 primeras son las más importantes en dar forma a los patrones de stress a escala global
producto del hundimiento del slab, "tira" el resto de la placa
será grande para litósfera vieja y fría, y negativa si corteza continental ligera y flotante es subductada
empuje dado por mayor altura topográfica del ridge, que produce una fuerza lateral significativa y marca bordes de placa divergente
el régimen de stress relacionado promovido por el empuje del ridge es a) fallamiento normal (área elevada del ridge) y b) fallas reversas (más alejadas del centro del ridge)

Patrones globales de stress
Patrones globales de stress
Resistencia friccional o fza. de cizalle en la base de la litósfera. Tiene efecto incierto: podría conducir o resistir el movimiento de placas dependiendo de cinemática de la placa, relativo al comportamiento local de la celda convectiva del manto
Mediciones de stress
similar al basal drag, pero actuando en el techo del slab subductado, el stress de cizalle dependerá de la resistencia del acoplamiento entre ambas placas colisionando y será más grande en zonas de colisión cont-cont
Procesos relacionados con las placas tectónicas son responsables por patrones de stress globales que son
localmente modificados
por fuentes -controladas por gravedad- de stress de segundo orden
Las orientaciones de los son consistentes con estructuras en grandes áreas, sugiriendo que las fzas. tectónicas juegan un rol importante
Patrones globales de stress
Regimen de stress de strike-slip
ppalmente presente en áreas de fallamiento tipo strike-slip (San Andreas fault, Mar Muerto)
Regimen de stress de thrust fault
común en límites de placa convergentes y zonas orogénicas activas mayores (Himalaya, Los Andes)
Patrones globales de stress
Zonas dominadas por thrust faulting tb tienen elementos de strike-slip e incluso regimenes de fallamiento normal....cómo explicar esto?
-> a.
partición del strain/stress
(strain/stress partitioning) y b. expasión lateral debido a g de áreas elevadas de la corteza

Block diagram illustrating strain partitioning at an oblique convergent margin. The obliquity of plate convergence (blue arrows) induces stress components that are normal to the margin (yellow arrow) and parallel to the margin (green arrow). Elevated magnitudes of the arc parallel component induces horizontal translation (red arrows) between the wedge and the backstop. Adapted and modified from Platt, 1993.
a.
grandes porciones del cordón montañoso se extenderán mientras la parte más profunda se acorta
regimen thrust fault domina la zona baja en lím. de placa
regimen normal fault domina la zona alta del Plateau Tibetano
regimen strike-slip fault domina la zona este, donde la corteza es lateralmente "apretada", pues India se está metiendo dentro de Euracia
b.
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