Mecánica de sólidos Sesión 22 Modelos analógicos y escalamiento LAMMG ¿Que es modelado analógico de la deformación? Maquinas análogas Modelos analógicos de la deformación Técnica experimental que permite el estudio de procesos geológicos a través del análisis de modelos construidos y deformados en escala espacial y temporal reducida. Procesos tectónicos: En el laboratorio: 9 Millones de años 9 Pocas horas (max: días) 9 Miles de kilómetros 9 Centímetros Jennete et al., 2003 Abstracción, Idealización, Sistematización Son empleados para representar tentativamente algunos aspectos de situaciones reales o hipótesis propuestas con los datos geológicos disponibles. ¿Cómo funciona la técnica de modelado analógico de la deformación? 1. Identificación del problema o proceso a investigar que ocurren en la naturaleza y formulación de la hipótesis. 2. Construcción y deformación del modelo 3. Interpretación de los resultados y su utilización para el análisis de los procesos geológicos naturales. ¿ Por qué modelos analógicos ? z z z z z z z z z z Dificultades en el análisis de los procesos geológicos Æ resultado final de la deformación (no evolución) Æ visión limitada de las características geométricas Æ definición pobre de los parámetros que controlan los procesos El modelado analógico nos permite: Æ investigar la influencia de diferentes parámetros (e. g., tasa de deformación, reología, cinemática) en los procesos investigados Æ analizar en detalle la evolución en 4D (espacio + tiempo) de las estructuras -mejor comprensión de los procesos geológicos -ayuda en la interpretación del prototipo natural -verificación de hipótesis en la evolución de la deformación, o en la geometría de las estructuras, basado en la interpretación de perfiles sísmicos y/o análisis de campo Breve perspectiva histórica sobre el modelado analógico Marco histórico del modelado analógico La escuela escocesa de Geología James Hutton (1726 – 1797) Theory of the Earth (1795) John Playfair (1748 – 1819) Illustrutations of the Huttonian Theory (1802) Sir James Hall (1761 – 1832) Escalamiento cualitativo del plegamiento (1815) Marco histórico del modelado analógico Los primeros intentos para construir modelos de procesos tectónicos se realizaron desde el inicio de la geología misma al final del siglo 18 1795 Hutton presento “Theory of the Earth” en la Royal Society of Edinburgh. Teorías anteriores (Neptunism) sugerían que las rocas se formaron como precipitados de un océano primitivo. Hutton estableció que los granitos y basaltos se solidificaron a partir de un fundido (debido al peso de estratos y océanos suprayacentes + altas temperaturas a profundidad). “Fuerzas gigantescas” del interior de la tierra habían fundido las rocas profundas. Además, Hutton descubrió y explico las discordancias, y su implicación de procesos geológicos repetidos, levantamiento de montañas, erosión, y millones y millones de años de historia de la tierra. James Hutton Marco histórico del modelado analógico Uno de los jóvenes colegas de Hutton, James Hall, creía que los procesos gigantescos que servían como base para las hipótesis de “Theory of the Earth” podrían ser reproducidos e investigados mediante experimentos. Hutton “the forces shaping the earth are of such intensity, as to lie far beyond the reach of our imitation, and the operations of nature are performed on so great a scale, compared to that of experiments, that no inference could properly be drawn from the one to the other”. Hutton tenia poca fe en la experimentación debido a que pensaba que los procesos en la naturaleza eran de tal escala que hacían que cualquier intento de reproducirlos en el laboratorio no fuera exitoso. A pesar de esto, Hall comenzo a realizar experimentos sobre la formacion de granitos en 1790, y sus experimentos sucesivos se enfocaron en lo que hoy sera petrologia, tectonofisica y geodinamica experimentales. Sus resultados mas importantes serian la prueba de que la velocidad de enfriamiento de una roca fundida afecta su textura James Hall Los experimentos de James Hall Primeros experimentos documentado de procesos tectónicos Æ presentado por Hall el 13 de Febrero 1812 en la Royal Society of Edinburgh. Observación inicial Æ presencia de pliegues en estratos del Silúrico en los lofty cliffs en la costa de Berkwickshire, Escocia Prototipo Natural Interpretación y formulación de la hipótesis del mecanismo de formación Continuación esquemática de los estratos donde han sido removidos por erosión o se encuentran ocultos de la vista Hipótesis Æ los pliegues se formaron durante acortamiento de estratos inicialmente horizontales (De Saussure, 1796, sugirió esto en su cuarto volumen de Voyages dans les Alpes) Objetivo del experimento Æ reproducir y explicar este proceso de deformación Los experimentos de James Hall Primer experimento: Hall deformo sabanas hechas de diferentes materiales (lana, lino, algodón) y color Puerta (con pesas) Sabanas Segundo experimento: deformo estratos de arcilla con una cobertura pesada Aparato de modelado Los experimentos de James Hall Pliegues modelados segun el experimento de James Hall Pliegues en el prototipo natural Uso de los resultados experimentales para probar la validez de la hipótesis tectónica Hall concluyo “the imitation of the natural process is an object which may be pursued with rational expectation of success.” Marco histórico del modelado analógico Favre (1878), Daubrée (1879) y Schardt (1884) realizaron experimentos para estudiar los procesos de fractura y plegamiento de rocas. Final del siglo 19 Æ primeros estudios sistemáticos de acortamiento (Cadell, 1888, 1890; Willis, 1893). Los resultados fueron comparados en detalle con cadenas orogénicas como los Apalaches y el Jura, ilustrando el papel de los esfuerzos compresivos durante su formación. Aparato experimental usado por Caddell (1888) para deformar estratos de arcilla en acortamiento y para estudiar las estructuras resultantes. Marco histórico del modelado analógico A pesar de su importancia histórica, estos trabajos trataron de obtener solo una similitud morfologica entre los experimentos y las estructuras naturales y fallaron completamente en considerar la similitud fisica. Los materiales analogos fueron seleccionados por oportunidad y no habia correspondencia con los materiales reales. No fue sino hasta 1910 que los investigadores en tectónica experimental comenzaron a entender el principio de similitud física como la consideración predominante en laboratorios de modelado. O. Morath (1913) aplico principios teóricos cuantitativos a los modelos tectónicos deduciendo algunos factores de reducción de resistencia. Hans Cloos en Alemania demostró que en los experimentos diseñados para simular deformación tectónica era necesario utilizar la plasticidad o viscosidad de los materiales para escalar otras dimensiones del modelo. En particular, Cloos (1929, 1939) realizo modelos de arcilla para el análisis del desarrollo y evolución de cadenas orogénicas y zonas de extensión continentales. Marco histórico del modelado analógico En 1937, King Hubbert formalizo el concepto de similitud dinámica. ¾ Since the model necessarily involves huge diminutions in space and time, the physical characteristics of the materials employed in it must be correspondingly rescaled (justifying the use of weaker materials with respect to the natural prototype). El modelo se vuelve una replica “realista” del prototipo natural desde un punto de vista físico Æ Transición de una descripción cualitativa de los experimentos a un análisis cuantitativo de los resultados del modelo y su extrapolación a los procesos naturales. z “The signicance of scale-model work in tectonic studies lies in the fact that a correctly constructed dynamic scale model passes through an evolution which simulates exactly that of the original (the prototype), though on a more convenient geometric scale (smaller) and with a conveniently changed rate (faster)” (Ramberg, 1967) Marco histórico del modelado analógico 30s - 50s Æ Analisis de diapirismo salino (Nettleton and Milton; Parker and McDowell) y modelos que investigaban la deformacion relacionada a movimiento verticales de bloques de basamento (experimentos realizados en el laboratorio de la Academia de Ciencias en Moscu Hemin Koyi 60s y 70s Æ Desarrollo importante del modelado analógico. Hans Ramberg (Uppsala Suecia): introducción de la técnica de la centrifuga para investigar el papel de la gravedad en los procesos geológicos (e.g., tectónica salina, convección astenosférica, colapso posorogénico). 80s Æ Un paso adelante en el modelado de procesos geológicos que involucran el sistema litosfera – astenósfera. Uso de materiales adecuados para reproducir la estratificación reológica de la corteza y el manto litosférico. PRINCIPIO DE SIMILITUD DINAMICA (Weijemars and Schmeling, 1986) Marco histórico del modelado analógico Ultimos años Æ un gran desarrollo de la tecnica. Nuevos aparatos para: -deformacion (e.g.,modelado termomecanico) -monitorear la evolucion de la deformacion en los modelos (tomografia en 3D, escaner laser) Analisis de una variedad de procesos geologicos (e.g., subduccion, cuñas tectonicas, extrusion, levantamieto de plumas del manto, procesos de erosion e interrelacion entre clima y tectonica entre muchos otros). Scale model of erosional Geosciences Rennes (France). system; Marco histórico del modelado analógico 9 Comparacion entre modelos analogicos y numericos (un proceso geologico es investigado de manera independiente mediante experimentos fisicos y numericos y los resultados se comparan. Construcción del modelo Deformacion del experimento Escaneado de la superficie Æ modelo de elevacion digital (MED) MED Æ Modelo numerico del efecto del drenaje de un rio sobre la superficie del modelo Aplicacion de erosion y sedimentacio en el modelo analogico 2003 2006 •physical and numerical modeling of tectonic processes, •microscopic to lithospheric in scale are considered, •including anisotropic grain growth, •processes of diffusive mass transfer, •the mechanics and geometry of faulting and folding, •salt tectonics. •thermomechanical coupling and mechanical flow •reference to the strengths and limitations of the methods •orogenic deformation •extension •Inversion •hydrocarbon migration within extensionally-formed sedimentary basins •links between erosion processes at Earth's surface and deformation •faults and fluid flow •REOLOGIA DE MATERIALES •REPRODUCIBILIDAD ENTRE LABS Aparatos de modelado Aparatos para modelar en condiciones de gravedad normal Experimentos en condiciones de gravedad normal Model Isostasia Model Aparato utilizado por Caddell (1888) Diseño y construcción de un aparato de deformación Aparato tipo “squeeze-box” Experimentos en condiciones de gravedad normal Aparato de Modelado de cizalla simple y pura, Universidad de Florencia Sistemas de inyeccion de fluidos Magma injection system Algunos aparatos para incluir reología dependiente de la temperatura Shemenda (1994) Rosetti et al. (2000) Experimentos en condiciones normales de gravedad Ventajas: Problemas: Los modelos y las estructuras resultantes son grandes y los resultados se pueden analizar con detalle Los efectos de la deformacion relacionados con los contrastes de densidad en materiales ductiles y viscosos no se amplifican (e.g., magmas, cortezas inferiores ductiles, manto superior o diapiros salinos) Control de las condiciones de frontera (e.g., velocidad de deformación) Duracion y la preparacion de los experimentos lleva tiempos elevados (horas o dias) Generalmente la deformacion se aplica mediante una discontinuidad de velocidad que controla fuertemente el campo local de esfuerzos ¿Que es una discontinuidad de velocidad? Aparato de deformación: gravedad aumentada Large Capacity Centrifuge, Hans Ramberg Tectonic Lab, Uppsala University (Sweden) Aparato de deformación: gravedad aumentada La centrifuga se basa en el principio de que las fuerzas centrifugas juegan el mismo papel en los modelos que la fuerza de gravedad en las estructuras geologicas Centrifuge at the Tectonic Modelling Lab, CNR – IGG, Sezione di Firenze Aparato de deformación: gravedad aumentada ¿como se hacen estos modelos? Experimentos en condiciones de gravedad aumentada Ventajas: Duracion corta de los experimentos (minutos) Se enfatizan los efectos de la viscosidad y la densidad (Æ buenos para modelar diapirismo, intrusiones, domos dúctiles) Uso de materiales resistentes (facil construccion de los modelos) Se aplica un campo uniforme de esfuerzos y la distribucion de la deformacion se impone solo por las condiciones de frontera Problemas: Modelos pequeños y no se puede estudiar con detalle la evolucion de las estructuras Modelos sensibles a pequeñas perturbaciones (difícil de hacer) Es dificil controlar con precision algunas condiciones de frontera (e.g., velocidad de deformacion) Las centrifugas son caras!! Comparacion entre modelos Modelo de extension en gravedad normal Modelo de extension en centrifuga Materiales Reología de la corteza REOLOGIA: Estudio de la conducta mecanica (flujo) de los materiales. Elastico, Plastico, Viscoso y sus combinaciones Conducta quebradiza Conducta ductil o flujo viscoso Conducta quebradiza: la roca pierde cohesion a lo largo de fracturas o fallas, la resistencia es independiente de la velocidad de deformacion pero dependiente de la presion τb = σ tanΦ + c z z z Ley de Byerlee z Depth < 10 km (<200 MPa) z Depth > 10 km (>200 MPa) C=0 μ = tanΦ = 0.85 C = 60 MPa μ = 0.6 Flujo dúctil a partir de experimentos en minerales En términos de los esfuerzos principales La reología de estos fluidos esta caracterizada por una ley de potencias Si n=1 es un fluido newtoniano Un fluido no newtoniano con n=3 se utiliza para representar el manto La viscosidad disminuye exponencialmente con la temperatura y se incrementa exponencialmente con la presion!! Reología: comportamiento dúctil Comportamiento ductil: la roca se deforma continuamente sin perder Æ la cohesion a lo largo de fracturas o fallas. La resistencia de las rocas es dependiente de la velocidad de deformacion pero independiente de la presion. Newtonian: ε& =σ/η Non-Newtonian: ε& = A (σ)n Caracteristica de: z Cobertura (e.g., evaporitas, arcilla) y rocas metamorficas z Corteza inferior continental z Manto litosférico inferior Perfiles de resistencia Se grafica el esfuerzo diferencial (σ1 – σ3) contra la profundidad; este tipo de gráficos se han utilizado ampliamente para representar las características reológicas de la corteza o la litosfera (e.g., Ranalli, 1995). σ1 - σ 3 Depth Brittle Ductile Perfiles de resistencia Upper crust Lower crust Upper mantle Perfiles de resistencia Perfiles de resistencia Weak 3-layer lithosphere Thermo-mechanic age: 50 Ma Thickness: 80 km Normal 4-layer lithosphere Thermo-mechanic age: 250 Ma Thickness: 120 km Cratonic lithosphere Thermo-mechanic age: 400 Ma Thickness: 140 km Materiales analogos utilizados para la deformacion quebradiza Arena y arcilla son los materiales mas comunmente utilizados Arcilla Ventajas: Permite un analisis muy detallado de las estructuras resultantes, principales y secundarias Problemas: alta resistencia cohesiva; alto contenido de agua influencia las propiedades de friccion; determinacion del contenido de agua Arena Ventaja: poca cohesion (escala bien a muchas rocas naturales; e.g., corteza superior); barata y facil de encontrar Problems: no se comporta como un material plastico ideal (la deformaicon anterior a la falla no se escala a las rocas naturales); su alta dilatancia de cizalla crea fallas que no se escalan a fallas reales Materiales analogos para la deformacion quebradiza Materiales analogos para la deformacion ductil Silicones Mezclas de silicon y otros materiales (e.g., arena, barita) Æ estas mezclas se utilizan para aumentar la densidad y la resistencia del material ductil Asthenosphere: glycerol (+gypsum), honey Magma: glycerol; low viscosity silicone (silicone+oleic acid) To measure the rheological properties, viscometers are normally used Materiales Análogos: deformación dúctil Viscometro conicilindrico del LAMMG Permite obtener la curvas de esfuerzo vs tasa de deformacion de diferentes materiales Materiales analogos para deformacion ductil Newtoniano 2500 1500 1000 No-Newtoniano potencias 500 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 strain rate Silicon SGM36 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 strain rate Silicon- arena de cuarzo 100:55 Silicon-arena corindon 100:30 9000 8000 7000 Graficas esfuerzo – deformacion para diferentes materiales shear stress 0 shear stress shear stress 2000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 0.05 0.1 0.15 strain rate 0.2 0.25 Materiales analogos: deformacion ductil Analogue materials Comparison between strength profiles in nature and in the mdoels ANALOGUE MODEL Æ rheological multilayer composed by brittle and ductile layers that reproduce (at reduced scale) natural rocks Æ in order to be directly comparable similarity conditions have to be satisfied Escalamiento Construccion de los modelos Condiciones de similitud y reduccion de los modelos (scaling) Para que los modelos analogicos representen una replica realista del proceso tectónico en estudio (prototipo natural), las condiciones actuando durante el experimento deben ser analogas a las naturales. SIMILITUD: •Geometria •Cinematica •Dinamica •Reologia σ* = σ m /σ n = ρ* g* l* Prototipo (Hubbert, 1937; Ramberg, 1981) Modelo Analogue modelling: scaling In order the model to be a realistic replica of the tectonic process under investigation, the conditions acting during the experiments must be analogous to the ones acting in nature (Hubbert, 1937). Similarity conditions: •Geometry (lengths and angles) •Kinematics (deformation velocity) •Dynamics (forces) •Rheology (behaviour of materials under the applied stresses) (Wejermars and Schmeling, 1986) Theory of dimensional analysis: model and prototype are expressed in the same fundamental dimensions (mass, length and time), and the several fundamental dimensions of model and original are each in a chosen arbitrary ratio, the model ratio. A scale model represents a simplified version of the natural prototype in terms of dimensions, rheology of rocks and boundary conditions of deformation Analogue modelling: similarity conditions Geometrical similarity L*=Lmod/Lnat L* is the constant of proportionality (model ratio) of lengths Amod/Anat = (L*)2 Vmod/Vnat = (L*)3 L*=Lmod/Lnat=30/3000000=10-4 3.6 L= α=34° L=2 km m α=56° c 36 L= km α=34° L=30 cm z The model must represent a geometrically reduced replica of the natural prototype. The model and the natural prototype are geometrically similar if all the corresponding lengths are proportional and all corresponding angles are equal L=3 km z α=56° L=20 cm Analogue modelling: similarity conditions Kinematic similarity z z The model evolution must be similar to the natural prototype. The geometrically similar model and natural bodies have to undergo similar variations in shape and/or position, with the time required for any change in the model proportional to the corresponding change in the prototype. T*=Tmod/Tnat T* is the model ratio of time z If two bodies are kinematically similar the velocities and accelerations of corresponding points must be proportional: V*=Vmod/Vnat = (Lmod/Tmod)/(Lnat/Tnat) = L*/T* V* is the model ratio of velocity a*=amod/anat = (Lmod/Tmod2)/(Lnat/Tnat2) = L*/T*2 a* is the model ratio of acceleration Analogue modelling: similarity conditions Dynamic similarity z Two bodies can be geometrically and kinematically similar only provided the masses of the one, point by point, are proportional to the corresponding masses of the other, and that the corresponding forces, point by point, have the same directions and proportional magnitudes. M*=dMmod/ dMnat M* is the model ratio of mass d*=dmod/dnat=(dMmod/ dVmod)/(dMnat/ dVnat) = M*/L*3 d* is the model ratio of density Analogue modelling: similarity conditions Dynamic similarity z This condition requires similar ratios and distributions of different kinds of body forces (resulting from gravity and inertia) and surface forces (resulting from pressure, elastic strain and viscous resistance) acting on corresponding particles in the model and in nature: F* = Fgmod/Fgnat = Fimod/Finat = Fpmod/Fpnat= Fvmod/Fvnat= Femod/Fenat F* is the model ratio of force letters g, i, p, v and e refer to gravitational, inertial, pressure, viscous and elastic forces, respectively in terms of dimensional formulas F* = M*L*/T*2 Analogue modelling: similarity conditions Dynamic similarity z The surface forces (forces acting only on the external surface of a element of volume) are proportional to the magnitude of the area acted upon. Their intensity is measured by a stress (ratio force/area). σ = F/A σ* = M*/(L*T*2) σ* is the model ratio of stress Analogue modelling: similarity conditions z Summarising, for all the mechanical quantities we can express the model ratio from their dimensional formulas (i.e., in terms of combinations of three fundamental units: mass, length, time) Length L Area L2 Volume L3 Velocity LT-1 Acceleration LT-2 Density M L-3 Force M LT-2 Stress M L-1T-2 Viscosity M L-1T-1 Strain rate T-1 Scaling procedure BRITTLE τb = σ tanΦ + c Φm = Φn σ* = τb* = M*L-1T-2 = d* g* L* c*= σ* Scaling procedure DUCTILE (Newtonian) σ/ε& = η ε& = 1/T* η*=σ*T*= M*/(L*T*) = d*g*L*T* Scaling procedure Choice of the length scaling ratio (function of the requested detail) typical values of L* are between 10-4 (1 cm represents 100 m) and 10-6 (1 cm represents 10 km). Choice of experimental material (density ratio) Stress scaling ratio (function of length, gravity and density) σ* = d*g*L* For brittle materials: σ* = c* Strain rate scaling ratio (function of stress, and viscosity) ε * = σ */ η * Time Æ T * = 1 / ε * Velocity Æ v* = ε * L * Scaling procedure Alternatively, the scaling of the model to nature can be obtained through comparison of adimensional numbers given by the ratio between forces (gravitational, viscous, frictional, etc.) in both model and the natural case In order the model to be dynamically scaled, these ratios must be identical (or at least similar) in the model and in the natural prototype (Hubbert, 1937; Ramberg, 1981; Weijermars and Schmeling, 1986). Scaling procedure Ductile deformation: Ramberg number (Rm, Weijermars and Schmeling, 1986): Rm = Gravitational forces / Viscous forces = ρ g L/ η ε The model is scaled if: Rmn ≈ Rmm ρn gn Ln/ ηn εn = ρm gm Lm / ηm εm Scaling procedure Brittle deformation: ratio between gravitational forces and cohesion (Rs, Ramberg, 1981): Rs = ρ g L/ c The model is scaled if: Rsn ≈ Rsm ρn gn Ln/ c n = ρm gm Lm / c m Scaling procedure Reynolds number (Re): Re = Inertial forces / Viscous forces = m a / {[η (V/L)]/L2} = ρ V2 L2 / {[η (V/L)]/L2} = ρ V2 L2 / (η V L) Re = ρ L V/ η Analogue modelling: similarity conditions Rheological similarity z z Analogue and prototype materials must be characterised by similar rheological behaviour under the applied stresses. This requires similar stress-strain rate curves (i.e., similar shape and dip of the curves). Natural material Good analogue Bad analogue Model limitations All kinds of modelling (analytical, numerical or analogue) are simplifications of natural processes. This has to be considered when extrapolating model results to nature! Main Limitations: Limited analogue materials to model the whole of rock properties and behaviour Limited knowledge about the properties of real rocks (accuracy of the model’s results is directly proportional to the accuracy of input data) Impossibility to simulate chemical, physical and thermal processes which take place during deformation (e.g., cooling of magmas with consequent variations in viscosity, etc.) Impossibility of considering all the aspects involved in a selected geological processes (e.g., neglecting parameters such as erosion or sedimentation, ect.) Model analysis One of the most important aspects of analogue modelling is the documentation of deformation within the models. As in nature, models develop structures during progressive strain and modellers use therefore a variety of techniques to monitor and quantify deformation. SURFACE Æ passive grids are marked on the model surface. Deformation can be monitored by photos. Model analysis Internal deformation can be continously monitored through X-ray computerised tomography (no need to cut the models) Ejemplos: Influencia de la rugosidad (cambios en el coeficiente de friccion residual) en el plano de deslizamiento de flujos granulares no cohesivos Plano inclinado liso Plano inclinado con rugosidad en parches Ejemplos 2: Intrusión de fluidos en medios mecánicamente estratificados Parafina: elasto-viscosa Intrusión Silicon: viscoso