Deformación dúctil

Usaremos el término dúctil para referirnos a una deformación permanente, en estado sólido, en la cual no hay pérdida de cohesión a escala de granos cristalinos o mayores.

Esta definición excluye flujos cataclásticos de la transición frágil-dúctil.

Veremos en primer lugar las estructuras que se forman en las rocas como resultado de esta deformación.

Pliegues

Son las estructuras más obvias y comunes que reflejan un evento de deformación dúctil en la corteza. Los pliegues son ondulaciones tipo onda que se desarrollan durante la deformación. Pueden ocurrir a cualquier escala y en cualquier tipo de roca. La gran variedad de formas de pliegues en las rocas reflejan las condiciones físicas (stress, temperatura y presión) y las propiedades mecánicas de las rocas al deformarse.

Partes geométricas de un pliegue

1. Elementos descriptivos reales:
   1. Flancos o limbos: son las zonas menos curvadas conectadas por la zona de mayor curvatura.
   2. Charnela: zona de mayor curvatura (menor diámetro de curvatura).
   3. Cresta: zona topográficamente más elevada de un pliegue.

   Figura 4.1: Elementos descriptivos reales.

   

2. Elementos geométricos:
   1. Perfil: corte perpendicular a la charnela.
   2. Eje: línea de orientación específica, ubicada donde la curvatura es máxima. Describe totalmente la geometría de un pliegue cilíndrico y en pliegues cónicos es la línea de referencia.
      • Pliegue cilíndrico: tipo de pliegue en el cual una línea de orientación constante (eje del pliegue) puede ser movida a lo largo de la superficie plegada sin perder contacto con ella. Los pliegues que no cumplen con esta condición se denominan pliegues no cilíndricos.
      • Pliegue cónico: pliegue cuya superficie forma un ángulo distinto a 0⁰ con una línea de orientación fija.
   3. Superficie axial: superficie que contiene las charnelas de todas las capas que conforman el pliegue. Puede ser plana o curva.

      Figura 4.2: Elementos geométricos.

      

Orientación de los pliegues

La orientación de los pliegues puede ser expresada a través del rumbo y buzamiento de la charnela o eje de pliegue y el rumbo y manteo de la superficie axial.

Términos útiles:

Homoclinal

: no tiene charnela.

Monoclinal

: dos limbos largos, horizontales, conectados por un limbo corto, inclinado.

Terraza estructural

: dos limbos largos, inclinados, conectados por un limbo corto, horizontal.

Pliegue volcado

: pliegue recumbente, en el cual un limbo ha rotado más de 90⁰ desde su posición original.

Figura 4.3: Términos respecto a la orientación de los pliegues.

Elementos de estilo de un pliegue

(Útiles para describir pliegues)

1. Cilindricidad
2. Simetría
3. Estilo de la superficie plegada
4. Estilo de la capa plegada
5. Estilo de las multicapas plegadas

Se definirá primero dos ángulos que permiten describir la intensidad del plegamiento:

• Ángulo de plegamiento, $\phi$: ángulo entre las normales a las superficies plegadas en el punto de inflexión.
• Ángulo interlimbos, i: ángulo que forman las dos tangentes a las superficies plegadas en el punto de inflexión. Por geometría,
  i = 180⁰ - $$\phi$$

• Mediana: superficie que pasa por los puntos de inflexión.

Figura 4.4: Ángulos que permiten describir la intensidad del plegamiento.

1. Cilindricidad: es el grado en que un pliegue aproxima su geometría a un pliegue cilíndrico. Es un rasgo que caracteriza diferentes estilos de plegamiento. La cilindricidad se ve cuantitativamente en una red equiareal por la distribución de los polos de la superficie plegada. Un pliegue cilíndrico tiene sus polos distribuidos en un círculo mayor.
2. Simetría: una superficie plegada forma un pliegue simétrico si, en un perfil, la forma a ambos lados de la charnela es la misma y también el largo. En los pliegues asimétricos, el grado de asimetría está determinado por el ángulo de inclinación entre el bisector del ángulo de plegamiento, $\phi$, y la mediana. El sentido de asimetría depende de la posición en que miremos el pliegue, por convención definiremos el sentido de asimetría mirando en dirección del buzamiento del eje del pliegue. Según el sentido de asimetría los pliegues pueden ser Z o S.
   • Pliegue Z: si el limbo más corto ha rotado en sentido horario con respecto al limbo largo.
   • Pliegue S: si el limbo más corto ha rotado en sentido antihorario con respecto al limbo más largo.
3. Estilo de la superficie plegada: la geometría de una superficie plegada se describe especificando tres elementos:
   • Razón del aspecto
   • Cierre
   • Aspereza
   Para definir estas características se requiere construir un cuadrilátero alrededor del pliegue de modo que los lados sean tangentes a los limbos en el punto de inflexión y que la parte superior sea tangente al pliegue y normal al bisector del ángulo de plegamiento $\phi$.
   • Razón del aspecto:
     P = A/M
     donde A: amplitud del pliegue medido en la superficie axial = alto del cuadrilátero, M: ancho de la base del cuadrilátero. Si, por ejemplo, P > 0.1 y P < 0.25, el pliegue es descrito como ancho.
   • Cierre (estrechez): definido por el ángulo $\phi$.
   • Aspereza, b: mide la curvatura relativa del pliegue en la charnela.
     $$\begin{split} b\ &=\ \left(\frac{r_{c}}{r_{0}}\right)\ \text{... ...}}{r_{c}}\right)\ \text{para}\ r_{c}\ \geq \ r_{0}. \end{split}$$

   Figura 4.5: Clasificación de pliegues según la orientación del plano axial y del eje.

   

   
   

   Tabla 4.1: Razón del aspecto P.

   Término descriptivo	Razón del aspecto P
   		P  =  A/M
   Ancho	0, 1  $\leq$  P  <  0, 25	-1  $\leq$  logP  <   - 0, 6
   Amplio	0, 25  $\leq$  P  <  0, 63	-0, 6  $\leq$  logP  <   - 0, 2
   ``Equant"	0, 5  $\leq$  P  $\leq$  2	-0, 2  $\leq$  logP  <  0, 2
   Corto	1, 58  $\leq$  P  <  4	0, 2  $\leq$  logP  <  0, 6
   Alto	4  $\leq$  P  <  10	0, 6  $\leq$  logP  <  1

   
   
   

   Tabla 4.2: Estrechez (cierre) de pliegues (modificado después de Fleuty(1964)).

   Término descriptivo		Ángulo plegamiento	Ángulo interlimbos
   			$\phi$ [grados]
   Agudo	Suave	0  <  $\phi$  <  60	180  >  i  >  120
   		Abierto	60  $\leq$  $\phi$  <  110
   		Cerrado	110  $\leq$  $\phi$  <  150
   		Estrecho	150  $\leq$  $\phi$  <  180
   Isoclinal		$\phi$  =  180	i  =   0
   Obtuso	``Fan"	180  <  $\phi$  <  250	0  >  i  >   - 70
   		Involuto	250  $\leq$  $\phi$  <  360

   
   
   

   Tabla 4.3: Aspereza de pliegues.

   Término descriptivo	Aspereza b
   Puntiagudo	0  $\leq$  b  <  0, 1
   Angular	0, 1  $\leq$  b  <  0, 2
   Subangular	0, 2  $\leq$  b  <  0, 4
   Subredondeado	0, 4  $\leq$  b  <  0, 8
   Redondeado	0, 8  $\leq$  b  $\leq$  1
   Áspero	1  <  b  $\leq$  2

   
   

4. Estilo de la capa plegada: clasificación de Ramsay. El estilo de la capa plegada se determina comparando el estilo de las dos superficies de la capa. Se usan tres parámetros geométricos relativos a un par de líneas paralelas, tangentes a las superficies de la capa en perfil. Los tres parámetros geométricos son:
   1. Isógonas de manteo: línea que une puntos de igual manteo en superficies opuestas.
   2. Espesor ortogonal, t_$\alpha$: distancia perpendicular entre dos tangentes paralelas.
   3. Espesor de la traza axial, T_$\alpha$: distancia entre dos tangentes medida paralelamente a la traza de la superficie axial.
      t_$\alpha$ = T_$\alpha$cos$$\alpha$$

      Figura 4.6: Parámetros geométricos de la clasificación de Ramsay.

      

      Según cómo varían estos parámetros desde la charnela hacia los limbos (o a mayores valores de $\alpha$), se definen diferentes clases. La inclinación de la superficie plegada en el punto de tangencia, $\alpha$, es el ángulo entre la línea tangente y la línea normal a la traza de la superficie axial.

      1. Curvatura relativa o variación de las isógonas:
         • Si las isógonas convergen hacia el interior del pliegue, la curvatura de la superficie interna será mayor que la curvatura de la superficie externa y se definen los pliegues clase 1.
         • Isógonas paralelas que son también paralelas a la traza de la superficie axial definen la clase 2. Los Pliegues de esta clase de denominan también pliegues similares, porque las curvaturas de ambas superficies son similares.
         • Isógonas que divergen del centro definen la clase 3 e indican que la curvatura de la superficie externa es mayor.

      2. Variación en el espesor ortogonal:
         • La variación en t_$\alpha$ es característica de los diferentes tipos de pliegues y es la base para subdividir la clase 1.
         • Si t_$\alpha$ crece desde la charnela hacia los limbos, los pliegues son de clase 1A.
         • Si t_$\alpha$ es constante, los pliegues son clase 1B y se denominan pliegues paralelos. (Pliegue concéntrico: pliegue paralelo cuyas superficies interna y externa tienen aspereza b = 1  $\Rightarrow$  r_c = r₀).
         • Si t_$\alpha$ disminuye, la subclase es clase 1C.
         • t_$\alpha$ disminuye también para los pliegues clase 2 y clase 3.

      3. Variación en el espesor de la traza axial T:
         • T_$\alpha$ aumenta en la clase 1.
         • T_$\alpha$ es constante en la clase 2.
         • T_$\alpha$ disminuye en la clase 3.

   Figura 4.7: Clases de pliegues de la clasificación de Ramsay.

   

   
   

   Tabla 4.4: Estilo de una capa plegada: clasificación de Ramsay (1967).

   Clase	Isógonas Manteo	Espesor Ortogonal	Espesor Traza Axial
   	(desde superficie	(desde charnela	(desde charnela
   	cóncava a convexa)	hacia limbos)	hacia limbos)
   1	Convergen		Aumentan
   1A	Convergen	Aumentan	Aumentan
   1B	Convergen	Constantes	Aumentan
   1C	Convergen	Disminuyen	Aumentan
   2	Paralelas	Disminuyen	Constantes
   3	Divergen	Disminuyen	Disminuyen

   
   

5. Estilo de multicapas plegadas. Un pliegue multicapas está compuesto por varias capas plegadas al mismo tiempo. El estilo puede ser definido en términos de la armonía del plegamiento y de la geometría de la superficie axial.

   Armonía del plegamiento.

   En un perfil, todos los pliegues multicapas terminan en ambas direcciones a lo largo del plano axial, a menos que la secuencia incluya una superficie libre como la superficie de la tierra. La profundidad del plegamiento D es la distancia, a lo largo de la traza de la superficie axial, donde el plegamiento existe. La armonía H es una medida, independiente de la escala, de la persistencia o continuidad del plegamiento y es igual a la razón D/($\lambda$/2), donde $\lambda$/2 es la mitad de una longitud de onda.

   H = $${\frac{{2D}}{{\lambda}}}$$.

Figura 4.8: Armonía en multicapas plegadas.

Orden de los pliegues

Los pliegues se desarrollan simultáneamente a diferentes escalas, de manera que grandes pliegues incluyen pliegues más pequeños en sus limbos y en sus zonas de charnela. Los más grandes son pliegues de primer orden y son generalmente rasgos de escala regional. Se asigna un número de orden mayor a medida que va disminuyendo su tamaño. Los pliegues de mayor orden se denominan también pliegues parásitos.

Estilos comunes y asociaciones estructurales de plegamiento

Pliegues paralelos

: estrictamente definidos como clase 1B, tanto para una capa, como para multicapas. Se extiende su uso a pliegues de clase 1A y 1C cercanos a 1B.

Pliegues similares

: estrictamente tienen geometría clase 2 para una o más capas. Puede extenderse su uso a clase 1C y clase 3.

Figura 4.9: Pliegues paralelos y similares.

Pliegues chevrón y kink

: son pliegues cilíndricos, armónicos, multicapas clase 2 que tienen charnelas puntiagudas y limbos cerrados a suaves. Los pliegues chevrón son simétricos y los kink son asimétricos.

Figura 4.10: Pliegues chevrón y kink.

Modelos cinemáticos de plegamiento

Los pliegues de clase 1B son comunes en muchas áreas deformadas. La geometría de esa clase de pliegue puede ser explicada como el resultado de los siguientes mecanismos de plegamiento:

• Flexura ortogonal
• Cizalle flexural
• Flexura por pérdida de volumen

Colectivamente estos tres modelos se denominan plegamiento flexural. En todos estos modelos, el espesor ortogonal de la capa se mantiene constante durante el plegamiento (definición de pliegues de clase 1B) y por lo tanto la clase del pliegue no es resultado de un mecanismo único. El plegamiento flexural resulta de flexión (bending) o doblamiento (buckling), que son dos maneras de aplicar fuerzas a una capa.

Flexión

de una capa resulta de la aplicación de pares de fuerzas que producen torques iguales y opuestos que doblan la capa formando un pliegue. En flexión pura no hay ni compresión ni tracción en ninguna dirección. En la figura están mostrados tres sistemas de fuerzas aplicadas para producir torque (ej. lacolito, falla en basamento).

Doblamiento

(buckling) resulta de la aplicación de stresses compresivos, paralelos a la capa. Si el stress compresivo es suficientemente grande, la capa se vuelve inestable y se dobla formando un pliegue, ya sea por stresses solos o asociados a torques.

Figura 4.11: Flexión y doblamiento.

Flexura ortogonal

Es una de las maneras que tiene una capa para responder a fuerzas de flexión o doblamiento. En este proceso cinemático, todas las líneas que fueron perpendiculares a la capa antes del plegamiento, permanecen perpendiculares después del plegamiento. En un corte perpendicular a la charnela, la superficie de la capa en el lado convexo del pliegue es estirada y la superficie en el lado cóncavo es acortada. La superficie que no cambia de largo durante la deformación se denomina superficie neutral. El espesor ortogonal se mantiene constante en todo el pliegue. La flexura ortogonal es característica de pliegues de baja curvatura desarrollados en capas competentes que son resistentes a deformación dúctil. A medida que la curvatura aumenta, la ortogonalidad se va perdiendo.

Figura 4.12: Flexura ortogonal.

Flujo o cizalle flexural

En este caso, la capa responde a fuerzas de flexión o doblamiento mediante una deformación de cizalle simple paralela a la capa. En este caso no hay ni estiramiento ni acortamiento en ninguna superficie de la capa que forma el pliegue. El plegamiento por cizalle flexural es análogo al doblamiento de un conjunto de cartas o tarjetas en el cual todo el movimiento es paralelo a los planos de cizalle (representado por las tarjetas). El material del lado convexo de un plano de cizalle se desplaza hacia la charnela en relación al material del lado cóncavo. El espesor de la capa, medido perpendicular a los planos de cizalle es constante. Sin embargo, las líneas que eran ortogonales antes del plegamiento no lo son después, excepto en la charnela, ya que la magnitud del cizalle disminuye desde los flancos hacia la charnela. No hay cambio de largo de ninguna superficie de la capa. El plegamiento de cizalle flexural puede ocurrir en vez de flexura ortogonal si la capa es menos competente y por lo tanto tiene una fuerte anisotropía planar.

Figura 4.13: Flujo o cizalle flexural.

Plegamiento de una capa por pérdida de volumen

En este mecanismo, un pliegue se forma o es amplificado por una remoción gradual de material desde zonas particulares de la capa plegada. La pérdida en general, resulta de disolución. El mecanismo de pérdida de volumen no resulta en una clase única de pliegues, porque la geometría del pliegue depende de la orientación de las zonas de disolución. Los pliegues que se pueden formar son clase 1B, 1C o 2.

Figura 4.14: Plegamiento de una capa por pérdida de volumen.

Plegamiento de cizalle pasivo

En este tipo de plegamiento, que se denomina también plegamiento de flujo pasivo o simplemente plegamiento pasivo, la capa es altamente incompetente y no ejerce influencia en el proceso de plegamiento. Ella solamente actúa como un marcador que registra la deformación. La deformación ocurre por cizalle simple, inhomogéneo, en planos de cizalle que cortan la capa. El sentido y cantidad de cizalle varía sistemáticamente para producir el plegamiento. Este proceso da como resultado pliegues similares o clase 2. Para ilustrar la cinemática de este proceso de plegamiento, de nuevo podemos usar un conjunto de cartas. En este caso, los planos de cizalle representados por las cartas no son paralelos a la capa que será plegada, sino que la cortan.

Figura 4.15: Plegamiento de cizalle pasivo.

Competencia

Las propiedades mecánicas de las rocas involucradas en el plegamiento tienen un efecto importante en el estilo de pliegues que se desarrollan. Cualitativamento se describe la tasa a la cual un material dúctil es capaz de deformarse a un stress diferencial particular en términos de su competencia. Bajo un mismo stress diferencial un material competente se deforma de manera dúctil a una tasa relativamente baja comparada con un material incompetente. Si dos materiales son deformados a igual tasa, el stress diferencial, para igual deformación, es mayor en el material competente. Es decir, un material incompetente se deforma más fácilmente que uno incompetente.

Plegamiento de cizalle flexural y cizalle pasivo de multicapas

Muchos plegamientos involucran secuencias multicapas que desarrollan una geometría más compleja que la recién vista. Una de las causas de esta mayor complejidad es la diferencia en las propiedades mecánicas que pueden existir entre rocas adyacentes.

Para analizar el plegamiento multicapas se considera la competencia media de toda la secuencia y el contraste en competencia entre capas individuales. Se considera primero un modelo de plegamiento simple que involucre muchas capas de una competencia alta, pero similar para todas. Luego, se considerará el efecto de alternar delgadas capas incompetentes con capas gruesas competentes (alto contraste y competencia media alta). Finalmente, se considerará el efecto de aumentar la razón entre material incompetente y material competente en la multicapa (disminución de la competencia media y alto contraste de competencia).

Si el contraste de competencia es 0, la multicapa se comporta como una capa única y de acuerdo a los modelos ya vistos. Incluso capas de diferente competencia pueden comportarse como capa única. En este caso, si se desarrolla una superficie neutra, las capas del lado convexo serán estiradas y adelgazadas en la charnela, dando como resultado pliegues con geometría clase 1A.

Un conjunto de capas, que tienen escencialmente la misma alta competencia (alta competencia media) y baja fricción en los planos de contacto, puede responder a fuerzas de flexión o doblamiento por un plegamiento de deslizamiento flexural (flexural slip), donde las capas deslizan libremente. Se originan pliegues clase 1B.

El deslizamiento de una capa sobre otra, conduce comúnmente al desarrollo de estrías o fibras minerales en los planos de estratificación perpendiculares al eje del pliegue. En general se desarrollan en los limbos (donde el deslizamiento es máximo) y no en la zona de charnela.

Muchos pliegues consisten en un conjunto de capas de espesores similares, pero de distinta competencia (competencia media moderada, alto contraste de competencia). En este caso, las capas competentes como grupo se deforman por flexural slip y el deslizamiento entre las capas es absorbido por la deformación en las capas incompetentes. Se desarrolla un pliegue clase 1C.

Si las capas incompetentes son mucho más gruesas que las competentes (baja competencia media, alto contraste), las capas incompetentes dominan la deformación a gran escala. El espaciamiento entre dos capas competentes es tan grande que el plegamiento flexural de una capa competente no afecta la próxima y se desarrollan pliegues disarmónicos ptigmáticos. A pesar que los pliegues de mayor orden en las capas individuales competentes son clase 1B y 1C, la geometría de los pliegues de menor orden son cercanos a clase 2 y es dominado por el flujo dúctil de las capas incompetentes.

Si todas las capas son incompetentes, con bajo contraste (baja competencia media, bajo contraste) y si las capas no se deslizan en las interfases, entonces la multicapa es homogénea y las capas actúan como marcadores pasivos de la deformación, formando pliegues clase 2.

Figura 4.16: Cizalle flexural y pasivo de multicapas.