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Microfisuras en la roca

Sección delgada de roca que muestra una grieta intragranular en cuarzo. Las microfisuras en la roca , también conocidas como microfracturas y grietas , [ 1 ] son ​​espacios en l...

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Sección delgada de roca que muestra una grieta intragranular en cuarzo.

Las microfisuras en la roca , también conocidas como microfracturas y grietas , [ 1 ] son ​​espacios en la roca con una longitud máxima de 1000 μm y las otras dos dimensiones de 10 μm. En general, la relación entre el ancho y la longitud de las microfisuras está entre 10⁻³ y 10⁻⁵ . [ 1 ]

Debido a su escala, las microfisuras se observan mediante microscopio para obtener sus características básicas. [ 1 ] [ 2 ] La formación de microfisuras proporciona información sobre la resistencia y el comportamiento de deformación de las rocas. [ 3 ] Tanto los resultados experimentales como los numéricos desempeñan un papel importante en el estudio de las microfisuras, especialmente su cinemática y dinámica. Las microfisuras en las rocas se han estudiado para comprender problemas geológicos como la etapa inicial de los terremotos y la formación de fallas . En ingeniería, las microfisuras en las rocas se han relacionado con problemas de ingeniería subterránea, como los depósitos geológicos profundos. [ 4 ]

Tipos

En general, las microfisuras en la roca se pueden subdividir en cuatro grupos: [ 1 ]

  • Grietas en los límites de grano : las microgrietas se encuentran a lo largo del límite de grano . [ 1 ]
  • Grietas intragranulares : las microgrietas se encuentran dentro de un grano. [ 1 ] Además, las grietas intragranulares a lo largo de un plano de clivaje son grietas de clivaje . [ 1 ]
  • Grietas intergranulares : las microgrietas se encuentran a lo largo de los límites de dos o más granos. [ 1 ]
  • Grietas transgranulares : las microgrietas atraviesan los granos o se extienden a través de los granos desde un límite de grano. [ 1 ] Son las más abundantes en las muestras de roca del experimento. [ 5 ]

Características

Las características de las microfisuras son la orientación, la longitud, el ancho, la relación de aspecto, el número y la densidad. [ 1 ] Se ha intentado explicar estas características mediante funciones matemáticas. [ 1 ] Por ejemplo, la distribución de las longitudes de las microfisuras lejos de la falla se ha descrito mediante distribuciones lognormales o exponenciales . [ 1 ]

Orientación

La orientación de las microfisuras es aleatoria en rocas sin tensión. [ 1 ] Una vez que una roca ha sido sometida a tensión, las microfisuras tenderán a orientarse más o menos paralelas a la tensión máxima aplicada o a la dirección de la falla. [ 1 ] Por ejemplo, la orientación promedio de las microfisuras del granito Westerly sometido a tensión es de 30° con respecto a la dirección de la falla. [ 6 ]

Longitud, anchura y relación de aspecto

En una sección delgada, la longitud y el ancho observados pueden no ser necesariamente la longitud y el ancho reales de una microfisura en tres dimensiones. [ 1 ] [ 7 ] La relación de aspecto es la relación entre el ancho y la longitud. [ 1 ] Generalmente es de 10 −3 a 10 −5 . [ 1 ] La longitud de la fisura aumenta con el aumento de la tensión máxima aplicada, lo que resulta en una disminución de la relación de aspecto. [ 1 ]

Número y densidad

La densidad de microfisuras puede ser el número de microfisuras por unidad de área o por grano, o bien la longitud de las microfisuras por unidad de área. [ 1 ] [ 6 ] Las densidades de microfisuras cerca de una falla son extremadamente altas, pero disminuyen rápidamente a pocos granos minerales de distancia de la falla. [ 1 ] [ 6 ]

Mecanismo de formación

Ejemplo de microfisuración mecánica a escala granular. La concentración de tensiones, coloreada en azul, se produce a lo largo de los límites de grano, coloreados en negro.

Las microfisuras en la roca pueden ser inducidas por la tensión o la temperatura aplicadas. [ 1 ] [ 4 ]

Inducido mecánicamente

Se forma una microfisura cuando las tensiones superan la resistencia local de los granos. [ 1 ] La resistencia de los materiales es la capacidad de resistir una carga aplicada sin que se produzca una falla. [ 8 ] Las propiedades intrínsecas de la roca, como la heterogeneidad mineralógica, dan lugar a diversos tipos de microfisuración inducida mecánicamente. Los siguientes mecanismos tienen una fuerte correlación con las ubicaciones que permiten la concentración de tensiones a escala granular.

  • Microfisuración inducida por maclado : [ 1 ] las tensiones se concentran en la lámina de maclado. [ 1 ]
  • Microfisuración asociada a bandas de torsión y láminas de deformación : [ 1 ] Las bandas de torsión y las láminas de deformación pueden convertirse en una zona donde se concentra la energía de deformación almacenada. [ 1 ]
  • Separaciones de clivaje : [ 1 ] Los planos de clivaje son los puntos débiles de los cristales. Por lo tanto, es probable que las tensiones se concentren primero en estos planos débiles. [ 1 ]
  • Microfisuración por concentraciones de tensión en los límites de grano : [ 1 ] los contactos entre los límites de grano proporcionan espacio para que se concentren las tensiones, especialmente las de tracción. [ 1 ]
  • Microfisuración por concentraciones de tensión alrededor de cavidades : [ 1 ] Las grietas y poros preexistentes dentro de un grano permiten la concentración de tensión. [ 1 ] Este tipo de concentración de tensión depende de la orientación y geometría de estas microcavidades preexistentes, así como de las propiedades mecánicas del material circundante. [ 1 ]
  • Microfisuras inducidas por desajustes elásticos : [ 1 ] Cada tipo de mineral tiene su propia propiedad elástica . [ 1 ] Cuando dos minerales distintos tienen un buen contacto entre sus límites, la tensión aplicada tirará del límite del mineral más rígido alejándolo del contacto. [ 1 ] Por lo tanto, las microfisuras formadas en el mineral más rígido son fisuras extensionales. [ 1 ]
  • Traslaciones y rotaciones de granos : [ 1 ] En rocas cristalinas, el deslizamiento a lo largo de los límites de los granos puede ser inducido por esfuerzos desviadores, lo que resulta en grietas en los límites de los granos. [ 1 ] En rocas clásticas , los granos pueden ser rotados por granos vecinos, formando grietas en el cemento o a lo largo del límite del grano. [ 1 ]

Inducido térmicamente

La microfisuración inducida térmicamente se refiere a la formación de microfisuras debido a efectos térmicos. [ 1 ] El calentamiento o el enfriamiento pueden causar expansión o contracción térmica entre los granos, respectivamente. [ 1 ] Los minerales con diferentes propiedades termoelásticas tienen diferentes reacciones al enfriamiento o al calentamiento, lo que resulta en la formación de microfisuras. [ 1 ] Además, los gradientes térmicos en los límites internos de los granos también pueden permitir la concentración de tensiones , formando así microfisuras. [ 1 ]

Evolución

La evolución de las microfisuras se ha estudiado mediante experimentos. [ 2 ] [ 7 ] [ 9 ] Cuando se aplica una fuerza a una muestra de roca, las microfisuras se forman inicialmente de forma aleatoria en el espacio. [ 1 ] Luego se vuelven cada vez más localizadas e intensas con la carga continua. [ 1 ] Este fenómeno se denomina localización de fisuras . [ 1 ] Una teoría de la falla ayuda a explicar la evolución de las microfisuras con el aumento de la carga: [ 10 ]

  1. La formación de microfisuras comienza en microfisuras preexistentes.
  2. Las microfisuras recién formadas aumentan de tamaño individualmente.
  3. También aumenta el número de microfisuras en crecimiento.
  4. Las microfisuras en crecimiento inician una interacción a medida que se forman y se extienden más y más fisuras.
  5. El crecimiento de las microfisuras se intensifica repentinamente y se localiza, lo que provoca una falla macroscópica.

Tras la falla, la densidad general de microfisuras aumenta cerca de la falla y disminuye rápidamente a medida que se aleja de ella. [ 1 ] [ 5 ] [ 6 ] Además, la densidad de fisuras transgranulares aumenta cerca de la falla, mientras que la densidad de fisuras en los límites de grano es menor. [ 5 ] La conexión de regiones de fisuras localmente densas, conjuntos de fisuras y límites de grano finalmente forma una macrofisura. [ 1 ]

Antes de que se forme una falla, existe una zona de proceso de fractura . [ 5 ] [ 11 ] Es una región de microfisuras cerca de la punta de una falla de roca. [ 5 ] [ 11 ] Está asociada con la localización de la fisura y relacionada con la disipación de energía. [ 11 ] El tamaño de una zona de proceso de fractura está relacionado con el tamaño de la muestra. [ 11 ] Cuanto mayor sea el tamaño de la muestra, mayor será el tamaño de la zona de proceso de fractura. [ 11 ] Esta relación deja de existir cuando el tamaño de la muestra es mayor que un cierto tamaño. [ 11 ]

La heterogeneidad de la roca hace que el comportamiento de microfisuración sea mucho más complicado que en otros materiales simples. [ 1 ] Aún se han identificado y estudiado los factores que controlan el comportamiento de microfisuración:

  • Tipo y composición de la roca : Los tipos de roca se pueden clasificar en rocas cristalinas, que incluyen rocas ígneas y metamórficas, así como rocas sedimentarias, que incluyen rocas clásticas y sedimentarias químicas. [ 1 ] Por ejemplo, muchos estudios muestran que el contenido de cuarzo de una roca tiene un gran impacto en el número de microfisuras. [ 1 ] [ 3 ] [ 6 ] [ 9 ]
  • Debilidades preexistentes : ya están presentes en la roca, por ejemplo, planos de clivaje de minerales, poros y grietas. [ 1 ]
  • Estado de tensión : el estado de una roca que experimenta tensiones. [ 1 ]

Recuperación

Además de la formación de microfisuras, las microfisuras en la roca pueden recuperarse mediante el cierre o la curación de las mismas . [ 12 ] [ 13 ] La recuperación de las microfisuras provocará directamente una disminución de la permeabilidad de la roca. [ 13 ]

Cierre de microfisuras

Puede ser causada por un aumento en la tensión aplicada o una disminución en la tensión efectiva . [ 12 ] [ 14 ] Por ejemplo, las microfisuras perpendiculares a la dirección de tensión máxima se cerrarán. [ 14 ] Sin embargo, en la naturaleza, partes de una microfisura pueden estar en diferentes direcciones. [ 14 ] Por esta razón, resultará en un cierre incompleto, de modo que algunas partes de la microfisura se cierran mientras que otras permanecen abiertas. [ 14 ]

Curación de microfisuras

Está impulsado por el transporte de fluido químico en microfisuras. [ 12 ] [ 13 ] Por ejemplo, la curación de microfisuras en cuarzo se activa por la temperatura. [ 13 ] La curación en cuarzo se acelera cuando la temperatura supera los 400  °C. [ 13 ] La velocidad de curación también depende del tamaño de las fisuras. [ 13 ] Cuanto más pequeñas sean las fisuras, más rápida será la curación. [ 13 ]

Influencia

Las microfisuras afectan las propiedades de la roca, incluyendo la rigidez , la resistencia , el módulo elástico , la permeabilidad , la tenacidad a la fractura y la velocidad de las ondas elásticas. [ 4 ]

Metodología para el estudio de microfisuras

Los estudios de microfisuras se centran en la distribución de sus características y su comportamiento de microfisuración. En las últimas décadas se han realizado numerosos experimentos para estudiar microfisuras en rocas, mientras que en los últimos años, gracias al desarrollo tecnológico, también se ha utilizado ampliamente el estudio numérico para analizar microfisuras. [ 1 ] [ 15 ] Estos estudios se han utilizado para compararlos con las condiciones naturales. [ 1 ]

Granito con curvatura semicircular sometido a la carga aplicada en laboratorio.

Estudio experimental

El estudio experimental consiste en analizar muestras de roca que han sido sometidas a esfuerzos aplicados en el laboratorio. Existen dos métodos populares para estudiar las microfisuras. [ 1 ] La observación de secciones delgadas mediante microscopio permite obtener las distribuciones de longitudes, anchuras y relaciones de aspecto, números y densidades de microfisuras, así como sus orientaciones. [ 1 ] Otro método consiste en utilizar la emisión acústica para detectar y monitorizar el crecimiento de las microfisuras. [ 1 ] [ 9 ] Los resultados experimentales pueden ayudar a los científicos a desarrollar modelos numéricos, como la simulación del crecimiento de patrones de fractura. [ 2 ]

Se han realizado muchos experimentos sobre el mecanismo de fractura de rocas en laboratorio, pero estos experimentos pueden tener diferentes requisitos de configuración de la muestra y esquema de carga. [ 6 ] [ 7 ] [ 9 ] Estos son los dos factores importantes que controlan el comportamiento de la microfisuración, como el desarrollo de microfisuras. [ 7 ] [ 9 ] [ 16 ]

Configuración de la muestra

La configuración de la muestra se refiere a las dimensiones de la misma y a la grieta artificial que se le introduce. Las muestras de roca se obtienen generalmente de núcleos de roca. Por lo tanto, la forma cilíndrica, la forma de curva en chevrón y la forma de curva semicircular (SCB) son las formas de muestra más comunes utilizadas en estudios experimentales. [ 7 ] [ 6 ] [ 9 ] [ 16 ] Por ejemplo, una muestra de curva semicircular tiene una grieta artificial, denominada muesca. [ 9 ] Se utiliza para controlar la morfología de la fractura de la roca. [ 9 ] Se pueden inducir dos tipos de muescas: una muesca recta o una muesca en chevrón. [ 9 ] Una muestra de curva semicircular con muesca recta (SNCCB) tiene una muesca de extremo plano, mientras que una muestra de curva semicircular con muesca en chevrón (CNSCB) tiene una abertura en forma de V al aire. [ 9 ]

Esquema de carga

Ejemplo de esquemas de carga del modo I

En mecánica de fractura , existen tres tipos de modos de carga que permiten la propagación de una grieta. Estos son el modo I (apertura), el modo II (cizallamiento en el plano) y el modo III (cizallamiento fuera del plano). [ 7 ] Estos modos de carga se pueden lograr mediante el esquema de carga diseñado. [ 16 ] Las fracturas de modo I son las microgrietas más comunes en las rocas naturales. [ 2 ] [ 7 ]

Emisión acústica

Una emisión acústica (EA) es una onda elástica de alta frecuencia. [ 17 ] [ 18 ] Se genera a partir de la formación de microfisuras, [ 18 ] y está correlacionada con el rápido crecimiento de las microfisuras. [ 17 ] Los sensores de emisión acústica se adhieren a la superficie de la muestra. [ 9 ] Estos recogen las señales generadas durante la formación de microfisuras. [ 9 ] Los datos pueden utilizarse para describir el comportamiento de las microfisuras. [ 9 ] [ 17 ] Cabe señalar que un evento de emisión acústica detectado no necesariamente corresponde a la formación de una microfisura. [ 17 ]

Los tipos de datos que se recogen de los sensores de emisión acústica son:

  • Recuento de emisiones acústicas y tasa de recuento de emisiones acústicas: el recuento de emisiones acústicas es el número de eventos de emisión acústica detectados, mientras que la tasa de recuento de emisiones acústicas es el recuento de emisiones acústicas por unidad de tiempo. [ 18 ]
  • Forma de onda de emisión acústica : una forma de onda de emisión acústica incluye el tiempo de retardo, el nivel umbral, el tiempo de activación, el tiempo de duración y la amplitud máxima. [ 18 ]

Estos dos tipos de datos implican la siguiente información:

  • Conteo de eventos : el conteo de eventos de emisión acústica a lo largo del tiempo se puede comparar con cantidades medidas, como la tensión y la deformación. [ 9 ] [ 17 ] [ 18 ]
  • Localización de la fuente : la localización de la fuente de un evento de emisión acústica se puede obtener a partir de múltiples mediciones de las formas de onda del mismo evento de emisión acústica. [ 9 ] [ 18 ]
  • Liberación de energía y la relación de Gutenberg-Richter: se utiliza para describir una relación entre las magnitudes de los terremotos y su número, pero también es representativa de la energía de emisión acústica si se han utilizado más sensores. [ 18 ]
  • Mecanismo de la fuente : si se ha registrado la polaridad del movimiento de la onda P inicial en varios sensores, el mecanismo de la fuente se puede analizar a partir de una solución del plano de falla. [ 18 ]

Limitación

  • Observación de microfisuras bajo el microscopio : a veces es difícil distinguir las microfisuras. Por ejemplo, es difícil distinguir las fisuras intergranulares de las intragranulares. [ 7 ] También es difícil determinar si se trata de una única fisura transgranular o de múltiples fisuras intragranulares conectadas. [ 1 ] Además, la longitud de una fisura intergranular puede incluir la longitud de las fisuras de los límites de grano. [ 1 ] Las longitudes y anchuras de las microfisuras se registran desde una perspectiva bidimensional. [ 1 ] Puede que no refleje totalmente sus dimensiones reales. [ 1 ] [ 7 ]
  • Variaciones en los resultados experimentales según la configuración de la muestra y el esquema de carga : existen diversas configuraciones de muestras y esquemas de carga. Al utilizar diferentes configuraciones y esquemas de carga, las propiedades de fractura de la misma roca, incluido el comportamiento de las microfisuras, pueden variar. [ 7 ] [ 9 ] La configuración de muestra y el esquema de carga más adecuados siguen siendo objeto de debate.

Estudio numérico

El estudio numérico se utiliza para ayudar a comprender los complejos problemas de mecánica de rocas . [ 15 ] Cuatro tipos de modelos utilizados para modelar microfisuras en rocas son modelos basados ​​en partículas, modelos basados ​​en bloques, modelos basados ​​en granos y modelos basados ​​en nodos. [ 15 ] Dado que los modelos basados ​​en granos pueden considerar todos los tipos de microfisuras, son buenos para comprender el comportamiento de la microfisuración. [ 15 ]

Implicaciones geológicas

El estudio experimental de microfisuras proporciona información sobre la formación de fallas y microfisuras en la naturaleza. [ 2 ] Los estudios de microfisuras con CL y estudios de inclusiones fluidas permiten reconstruir el crecimiento de fracturas a partir de microfisuras. [ 2 ] La población de microfisuras es útil para distinguir si el desprendimiento se debe a un deslizamiento de tierra o a un origen tectónico. [ 2 ] La zona de proceso de fractura puede utilizarse para comprender la permeabilidad de las zonas de falla que controlan el flujo de fluidos. [ 5 ] Por lo tanto, las microfisuras pueden ser útiles para evaluar la historia de esfuerzos o la historia del movimiento de fluidos de la roca. [ 2 ] La emisión acústica del crecimiento de microfisuras puede ayudar a comprender los terremotos . [ 1 ] [ 17 ]

Implicaciones de los problemas de ingeniería subterránea

Las microfisuras pueden afectar las propiedades térmicas y de transporte de la roca. [ 4 ] Los estudios de microfisuras en la roca proporcionan información importante sobre problemas de ingeniería subterránea, como se utiliza en la práctica real en el diseño, operación y organización de pruebas no destructivas y monitoreo de instalaciones mineras industriales que incluyen estas interfaces [ 19 ] [ 4 ]

Depósito geológico profundo

Un depósito geológico profundo es un depósito subterráneo para la eliminación de residuos radiactivos , como el combustible nuclear. [ 20 ] Se encuentra a una profundidad de cien metros en una masa rocosa estable. Existen depósitos geológicos profundos en todo el mundo, como en Estados Unidos ( WIPP ) y Finlandia ( Central Nuclear de Olkiluoto ). [ 20 ]

depósito geotérmico

Un yacimiento geotérmico es uno de los tres componentes de un sistema geotérmico que actúa como fuente de energía. [ 21 ] [ 22 ] Es una masa rocosa porosa y permeable que permite la convección del agua caliente y el vapor atrapados, así como la recarga del suministro de calor. [ 21 ] [ 22 ] El yacimiento geotérmico ideal es una matriz rocosa fracturada y altamente permeable. [ 22 ]

depósito de hidrocarburos

Un yacimiento de hidrocarburos es un depósito subterráneo que mantiene los hidrocarburos atrapados en su interior. [ 23 ] Las rocas del yacimiento tienen alta porosidad y permeabilidad, mientras que las rocas circundantes que actúan como barreras tienen baja permeabilidad. [ 23 ] Por lo tanto, los hidrocarburos que existen en estado líquido y/o gaseoso solo pueden permanecer en las rocas del yacimiento. [ 23 ]

Almacenamiento subterráneo de CO₂

El almacenamiento subterráneo de CO₂ es una solución para eliminar el CO₂ de la atmósfera . [ 24 ] Está compuesto por rocas porosas rodeadas de rocas no porosas, lo que permite atrapar el CO₂ durante un largo período. [ 24 ] Un yacimiento de petróleo y gas agotado, sin fuente de energía, es un ejemplo de almacenamiento subterráneo. [ 24 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 Kranz, Robert L. (1983-12-01). "Microfisuras en rocas: una revisión". Tectonofísica . Tectónica continental: estructura, cinemática y dinámica. 100 (1): 449– 480. Bibcode : 1983Tectp.100..449K . doi : 10.1016/0040-1951(83)90198-1 . ISSN 0040-1951 . 
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