Cinemática de cinturones de pliegues y cabalgaduras en ...
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Especialidad: Geología<br />
<strong>Cinemática</strong> <strong>de</strong> <strong>cinturones</strong> <strong>de</strong> <strong>pliegues</strong> y<br />
<strong>cabalgaduras</strong> <strong>en</strong> experim<strong>en</strong>tos físicos:<br />
métodos y aplicaciones <strong>en</strong> el Laboratorio <strong>de</strong><br />
Mecánica <strong>de</strong> Geosistemas (LAMG)<br />
Luis Mariano Cerca Martínez<br />
Doctor <strong>en</strong> Ci<strong>en</strong>cias <strong>de</strong> la Tierra<br />
(Geología Estructural y Tectónica)<br />
Fecha <strong>de</strong> ingreso (04, Octubre, 2012)<br />
1
CONTENIDO<br />
1. Introducción.<br />
2. Antece<strong>de</strong>ntes teóricos sobre los mo<strong>de</strong>los mecánicos <strong>de</strong><br />
acortami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> cuñas orogénicas.<br />
2.1. Cuñas friccionales <strong>de</strong> tipo Mohr-Coulomb <strong>en</strong> 2<br />
dim<strong>en</strong>siones.<br />
2.2. Cuñas sobre un <strong>de</strong>spegue dúctil.<br />
3. Técnicas <strong>de</strong> Mo<strong>de</strong>lado Analógico implem<strong>en</strong>tadas <strong>en</strong> el<br />
LAMG.<br />
3.1. Arreglo experim<strong>en</strong>tal y variaciones estructurales <strong>de</strong><br />
las cuñas.<br />
3.2. Escalami<strong>en</strong>to.<br />
3.3. Materiales.<br />
3.3.1. Comportami<strong>en</strong>to quebradizo.<br />
3.3.2. Comportami<strong>en</strong>to dúctil.<br />
3.4. Aparato Experim<strong>en</strong>tal .<br />
3.5. Análisis <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación.<br />
3.5.1. Obt<strong>en</strong>ción <strong>de</strong>l Relieve digital mediante PF.<br />
3.5.2. Procedimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> obt<strong>en</strong>ción <strong>de</strong>l Relieve digital<br />
mediante el software ZEBRA.<br />
3.5.3. Velocimetría <strong>de</strong> partículas.<br />
3.5.4. Análisis <strong>de</strong> la distorsión infinitesimal.<br />
4. Aplicación <strong>en</strong> problemas <strong>de</strong> geología estructural.<br />
1. 4.1. Cuña Critica estable (Critical Taper theory).<br />
4.2. Cuña friccional inestable <strong>de</strong> tipo Mohr-Coulomb.<br />
4.3. Cuñas <strong>de</strong> tipo quebradizo-dúctil o no-Coulomb.<br />
4.3.1. Arreglo experim<strong>en</strong>tal.<br />
4.3.2. Comparación <strong>de</strong> los campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to<br />
<strong>en</strong>tre los experim<strong>en</strong>tos.<br />
4.4. Una aplicación <strong>en</strong> 3D, La importancia <strong>de</strong> la<br />
secu<strong>en</strong>cia salina <strong>en</strong> la sali<strong>en</strong>te <strong>de</strong> Monterrey y la cu<strong>en</strong>ca<br />
La Popa.<br />
2
4.4.1. Desarrollo experim<strong>en</strong>tal.<br />
4.4.2. Resultados <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo.<br />
4.4.3. Implicaciones para la <strong>de</strong>formación <strong>de</strong>l noroeste <strong>de</strong><br />
México.<br />
5. Conclusiones.<br />
6. Refer<strong>en</strong>cias.<br />
7. Agra<strong>de</strong>cimi<strong>en</strong>tos.<br />
8. Breve curriculum Vitae <strong>de</strong> Luis Mariano Cerca Martínez.<br />
3
RESUMEN EJECUTIVO<br />
Mediante la construcción y <strong>de</strong>formación <strong>de</strong> experim<strong>en</strong>tos físicos se<br />
pue<strong>de</strong>n llegar a <strong>en</strong>t<strong>en</strong><strong>de</strong>r los procesos mecánicos que llevaron a la<br />
formación <strong>de</strong> <strong>cinturones</strong> <strong>de</strong> <strong>pliegues</strong> y <strong>cabalgaduras</strong> <strong>en</strong> una escala<br />
regional. La mejoría reci<strong>en</strong>te <strong>en</strong> las técnicas <strong>de</strong> análisis <strong>de</strong> la<br />
<strong>de</strong>formación y <strong>en</strong> la caracterización <strong>de</strong> los materiales utilizados <strong>en</strong><br />
trabajos experim<strong>en</strong>tales han impulsado un r<strong>en</strong>ovado interés <strong>en</strong> el<br />
estudio <strong>de</strong> los procesos <strong>de</strong> formación <strong>de</strong> montañas, <strong>de</strong> una manera más<br />
sistemática, cuantitativa y rigurosa. Un factor que ha impulsado este<br />
<strong>de</strong>sarrollo son las técnicas experim<strong>en</strong>tales que permit<strong>en</strong> caracterizar y<br />
cuantificar <strong>en</strong> el laboratorio la dinámica <strong>de</strong> los procesos físicos que<br />
produc<strong>en</strong> el acortami<strong>en</strong>to y los difer<strong>en</strong>tes estilos estructurales<br />
observados <strong>en</strong> la naturaleza. El mo<strong>de</strong>lado analógico permite relacionar<br />
mecánicam<strong>en</strong>te las observaciones <strong>de</strong>l medio geológico real y <strong>de</strong> los<br />
mo<strong>de</strong>los numéricos. También permite i<strong>de</strong>alizar y simplificar sistemas<br />
naturales complejos <strong>en</strong> experim<strong>en</strong>tos controlados que exploran<br />
sistemáticam<strong>en</strong>te su conducta mecánica. Por ultimo, arroja resultados<br />
cuantitativos <strong>en</strong> forma <strong>de</strong> ecuaciones constitutivas las cuales pue<strong>de</strong>n<br />
formar parte <strong>de</strong> los mo<strong>de</strong>los teóricos o numéricos.<br />
En este trabajo pres<strong>en</strong>to una revisión <strong>de</strong> las técnicas implem<strong>en</strong>tadas <strong>en</strong><br />
el laboratorio <strong>de</strong> Mecánica <strong>de</strong> Geosistemas <strong>de</strong>l C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Geoci<strong>en</strong>cias,<br />
para el estudio <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación <strong>en</strong> experim<strong>en</strong>tos físicos <strong>de</strong> procesos<br />
tectónicos. En particular, este trabajo se <strong>en</strong>foca <strong>en</strong> experim<strong>en</strong>tos que<br />
reproduc<strong>en</strong> la mecánica (cinemática y dinámica) <strong>de</strong> cuñas <strong>de</strong><br />
acortami<strong>en</strong>to tanto <strong>de</strong> tipo friccional como <strong>de</strong> tipo quebradizo – dúctil.<br />
Los campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> las superficies (superior y lateral) <strong>de</strong><br />
los experim<strong>en</strong>tos se midieron mediante el uso <strong>de</strong> una combinación <strong>de</strong><br />
técnicas ópticas: proyección <strong>de</strong> franjas y velocimetría <strong>de</strong> partículas. Se<br />
<strong>de</strong>muestra que la técnica se pue<strong>de</strong> aplicar a este tipo <strong>de</strong> análisis y a<br />
otras aplicaciones <strong>en</strong> el campo <strong>de</strong> la ing<strong>en</strong>iería. Los resultados<br />
experim<strong>en</strong>tales prueban que patrones complejos <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación pue<strong>de</strong>n<br />
ser explicados por una evolución mecánica simple, controlada<br />
principalm<strong>en</strong>te por aspectos geométricos (configuración <strong>de</strong>l basam<strong>en</strong>to)<br />
y resist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> materiales <strong>de</strong> una cuña orogénica.<br />
Palabras clave: mo<strong>de</strong>los analógicos, montañas plegadas, fallas<br />
inversas, <strong>cabalgaduras</strong>, <strong>de</strong>formación, fricción.<br />
4
1. Introducción.<br />
Cómo se forman y cómo es la estructura geológica <strong>de</strong> los <strong>cinturones</strong> <strong>de</strong><br />
<strong>pliegues</strong> y <strong>cabalgaduras</strong> son temas que han interesado a los geólogos<br />
<strong>de</strong>s<strong>de</strong> el inicio <strong>de</strong> esta disciplina <strong>en</strong> el siglo XIX. La mejora <strong>en</strong> las<br />
técnicas <strong>de</strong> análisis <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación y <strong>en</strong> los materiales utilizados <strong>en</strong><br />
trabajos experim<strong>en</strong>tales han impulsado un r<strong>en</strong>ovado interés por<br />
<strong>en</strong>t<strong>en</strong><strong>de</strong>r los procesos mecánicos que llevan al plegami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> gran<strong>de</strong>s<br />
masas <strong>de</strong> la corteza, y reproducirlos <strong>en</strong> laboratorio. El estudio <strong>de</strong> los<br />
procesos <strong>de</strong> formación <strong>de</strong> montañas por acortami<strong>en</strong>to se ha vuelto<br />
progresivam<strong>en</strong>te más sistemático, cuantitativo y riguroso. Un factor que<br />
ha impulsado este <strong>de</strong>sarrollo son las técnicas experim<strong>en</strong>tales que<br />
permit<strong>en</strong> caracterizar y cuantificar <strong>en</strong> el laboratorio la dinámica <strong>de</strong> los<br />
procesos físicos que produc<strong>en</strong> el acortami<strong>en</strong>to y los difer<strong>en</strong>tes estilos<br />
estructurales observados <strong>en</strong> la naturaleza. El mo<strong>de</strong>lado analógico<br />
permite relacionar mecánicam<strong>en</strong>te las observaciones <strong>de</strong>l medio<br />
geológico real y <strong>de</strong> los mo<strong>de</strong>los numéricos. Adicionalm<strong>en</strong>te permite<br />
i<strong>de</strong>alizar y simplificar sistemas naturales complejos <strong>en</strong> experim<strong>en</strong>tos<br />
controlados que permit<strong>en</strong> la exploración sistemática <strong>de</strong> las leyes físicas y<br />
su conducta mecánica. Por ultimo, arroja resultados cuantitativos <strong>en</strong><br />
forma <strong>de</strong> ecuaciones constitutivas las cuales pue<strong>de</strong>n formar parte <strong>de</strong> los<br />
mo<strong>de</strong>los teóricos o numéricos.<br />
En México, exist<strong>en</strong> amplias zonas acortadas <strong>de</strong> la corteza superior que<br />
muestran difer<strong>en</strong>cias importantes <strong>en</strong> los estilos estructurales quebradizo<br />
y quebradizo-dúctil. En la Figura 1 se muestra un mapa <strong>de</strong> México <strong>en</strong> el<br />
que se señalan algunas <strong>de</strong> las zonas con <strong>de</strong>formación por acortami<strong>en</strong>to<br />
importante. Quizá la más relevante <strong>en</strong> términos <strong>de</strong> área expuesta y<br />
estudios realizados es la Sierra Madre Ori<strong>en</strong>tal, la cual fue afectada por<br />
acortami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> película <strong>de</strong>lgada durante la orog<strong>en</strong>ia Larami<strong>de</strong>.<br />
Otra zona <strong>de</strong> importancia son los <strong>cinturones</strong> plegados <strong>de</strong>l Golfo <strong>de</strong><br />
México. La <strong>de</strong>formación <strong>en</strong> estas zonas se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra controlada por la<br />
pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> pot<strong>en</strong>tes capas <strong>de</strong> sal que han sido interpretadas <strong>en</strong> las<br />
secciones sísmicas disponibles (ejemplo <strong>en</strong> Trudgill et al., 1999; Camerlo<br />
y B<strong>en</strong>son, 2006; Escalera, 2010; <strong>en</strong>tre otros). Estos sistemas<br />
estructurales son <strong>de</strong> importancia para la evolución estructural <strong>de</strong>l Golfo<br />
<strong>de</strong> México. Adicionalm<strong>en</strong>te, <strong>en</strong>t<strong>en</strong><strong>de</strong>r como funcionan estos sistemas<br />
5
pue<strong>de</strong> t<strong>en</strong>er implicaciones importantes <strong>en</strong> la exploración <strong>de</strong> nuevas<br />
fu<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> hidrocarburos.<br />
Figura 1. Ejemplos <strong>de</strong> zonas con <strong>de</strong>formación por acortami<strong>en</strong>to y formación <strong>de</strong><br />
montañas <strong>en</strong> México (mapa topográfico <strong>de</strong> Global Multi-Resolution Topography:<br />
http://www.marine-geo.org/portals/gmrt/news.php#GMRTv2; g<strong>en</strong>erado mediante la<br />
aplicación GeoMapApp, consultada <strong>en</strong> www.geomapapp.org). Sobresale la zona <strong>de</strong> la<br />
Sierra Madre Ori<strong>en</strong>tal y los <strong>cinturones</strong> plegados <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong> aguas profundas <strong>de</strong>l<br />
Golfo <strong>de</strong> México.<br />
En la figura 2 se muestran algunas secciones repres<strong>en</strong>tativas <strong>de</strong> la<br />
<strong>de</strong>formación por acortami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong> la Sierra Madre Occi<strong>de</strong>ntal y<br />
<strong>en</strong> el Golfo <strong>de</strong> México. Estas secciones muestran una estratigrafía que<br />
6
pue<strong>de</strong> dividirse <strong>en</strong> tres capas por su comportami<strong>en</strong>to mecánico y<br />
estructural: (1) basam<strong>en</strong>to; (2) plano o capa <strong>de</strong> <strong>de</strong>spegue, que <strong>en</strong> la<br />
zona <strong>de</strong>l Golfo <strong>de</strong> México correspon<strong>de</strong> con las secu<strong>en</strong>cias salinas que se<br />
<strong>de</strong>forman <strong>de</strong> manera plástica; (3) capa <strong>de</strong> cobertura (overbur<strong>de</strong>n)<br />
<strong>de</strong>formada <strong>de</strong> manera quebradiza y dúctil por plegami<strong>en</strong>tos y fallas<br />
inversas.<br />
Figura 2. Ejemplos <strong>de</strong> secciones esquemáticas obt<strong>en</strong>idas a partir <strong>de</strong> datos <strong>de</strong> sísmica e<br />
interpretaciones <strong>en</strong> <strong>cinturones</strong> <strong>de</strong> <strong>pliegues</strong> y <strong>cabalgaduras</strong> mexicanos: a) sección<br />
sísmica interpretada <strong>de</strong> la cu<strong>en</strong>ca <strong>de</strong> Veracruz, redibujada <strong>de</strong> J<strong>en</strong>nette et al. (2003); b)<br />
sección interpretada <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong> la zona <strong>de</strong> la Sali<strong>en</strong>te <strong>de</strong> Monterrey, redibujada <strong>de</strong><br />
Eguiluz <strong>de</strong> Antuñano et al. (2000), Higuera-Diaz et al. (2005); c) sección estructural <strong>de</strong><br />
la cu<strong>en</strong>ca <strong>de</strong> La Popa, redibujada a partir <strong>de</strong> los datos <strong>de</strong> Giles y Lawton (1999),<br />
7
Millán-Garrido (2004); d) sección sísmica <strong>de</strong>l Cinturón Plegado El Perdido, intepretada<br />
a partir <strong>de</strong> los datos <strong>de</strong> Trudgill et al. (1999) y Camerlo y B<strong>en</strong>son (2006).<br />
En México, el estudio <strong>de</strong>tallado <strong>en</strong> laboratorio <strong>de</strong> estos sistemas<br />
mecánicos se ha llevado a cabo <strong>de</strong>s<strong>de</strong> 2007 <strong>en</strong> el Laboratorio <strong>de</strong><br />
Mecánica <strong>de</strong> Geosistemas (LAMG), <strong>en</strong> el C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Geoci<strong>en</strong>cias <strong>de</strong> la<br />
UNAM. En este trabajo <strong>de</strong> ingreso a la Aca<strong>de</strong>mia <strong>de</strong> Ing<strong>en</strong>iería pres<strong>en</strong>to<br />
una breve revisión <strong>de</strong> los mo<strong>de</strong>los mecánicos que se han realizado <strong>en</strong> el<br />
LAMG para explicar la formación <strong>de</strong> cuñas orogénicas <strong>en</strong> zonas <strong>de</strong><br />
<strong>cinturones</strong> <strong>de</strong> <strong>pliegues</strong> y <strong>cabalgaduras</strong> con ejemplos, principalm<strong>en</strong>te <strong>en</strong><br />
el ori<strong>en</strong>te <strong>de</strong> México. El trabajo esta <strong>en</strong>focado <strong>en</strong> el <strong>de</strong>sarrollo<br />
tecnológico e ing<strong>en</strong>ieril que se ha hecho <strong>en</strong> el LAMG para cuantificar la<br />
<strong>de</strong>formación <strong>en</strong> los experim<strong>en</strong>tos físicos.<br />
2. Antece<strong>de</strong>ntes teóricos sobre los mo<strong>de</strong>los mecánicos <strong>de</strong><br />
acortami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> cuñas orogénicas.<br />
2.1. Cuñas friccionales <strong>de</strong> tipo Mohr-Coulomb <strong>en</strong> 2<br />
dim<strong>en</strong>siones.<br />
El mo<strong>de</strong>lo típico <strong>de</strong> formación <strong>de</strong> montañas se basa <strong>en</strong> el balance <strong>de</strong><br />
fuerzas <strong>de</strong> una cuña crítica cabalgante, la cual esta compuesta por un<br />
material que se <strong>de</strong>forma <strong>de</strong> acuerdo con un criterio friccional (Coulomb)<br />
sin cohesión, o con una compon<strong>en</strong>te muy pequeña.<br />
La “criticalidad” <strong>de</strong> la cuña, es <strong>en</strong>t<strong>en</strong>dida como el límite <strong>de</strong>l balance<br />
estático esta controlado por tres fuerzas principales (Davis et al., 1983;<br />
Nemčok et al., 2005):<br />
1. La fuerza gravitacional ejercida por el peso <strong>de</strong>l material <strong>de</strong>l que<br />
esta compuesta la cuña, se <strong>de</strong>be consi<strong>de</strong>rar la fuerza gravitacional<br />
ejercida por la columna <strong>de</strong> agua <strong>en</strong> el caso <strong>de</strong> cuñas sumergidas.<br />
2. La resist<strong>en</strong>cia al <strong>de</strong>slizami<strong>en</strong>to friccional a lo largo <strong>de</strong> la superficie<br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong>spegue,<br />
3. el empuje compresivo ejercido.<br />
Una cuña <strong>de</strong> este tipo ti<strong>en</strong>e una ecuación simplificada <strong>de</strong>l tipo (Davis et<br />
8
al., 1983):<br />
α+β= (1−λ)μ b +(1−ρ w /ρ)β<br />
(1−ρ w/ρ)+(1−λ) K<br />
(1),<br />
don<strong>de</strong> α y β son los ángulos topográficos y <strong>de</strong>l <strong>de</strong>spegue basal <strong>de</strong> la<br />
cuña (ver figura 3), λ es el coefici<strong>en</strong>te <strong>de</strong> Hubbert-Rubey <strong>de</strong> presión <strong>de</strong><br />
fluido, μ b es el coefici<strong>en</strong>te <strong>de</strong> fricción basal, ρ w es la <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong>l<br />
agua, ρ es la <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong>l material <strong>de</strong> la cuña y K es una cantidad<br />
adim<strong>en</strong>sional <strong>de</strong>finida como:<br />
s<strong>en</strong> ϕ<br />
K ≃<br />
1−s<strong>en</strong>ϕ + s<strong>en</strong>2 ϕb+cosϕ b(s<strong>en</strong> 2 ϕ−s<strong>en</strong> 2 ϕb) cos 2 ϕb−cosϕ b (s<strong>en</strong> 2 ϕ−s<strong>en</strong> 2 1<br />
2<br />
ϕb )<br />
1<br />
2<br />
(2),<br />
don<strong>de</strong> φ es el ángulo <strong>de</strong> fricción interna <strong>de</strong>l material <strong>de</strong> la cuña y φb es<br />
el ángulo <strong>de</strong> fricción basal. En g<strong>en</strong>eral, un mayor ángulo <strong>de</strong> fricción<br />
interna hace m<strong>en</strong>os crítica la condición <strong>de</strong> la cuña y las cuñas más<br />
resist<strong>en</strong>tes son más <strong>de</strong>lgadas (Nemčok et al., 2005).<br />
Davis et al. (1983) también <strong>de</strong>finieron la ecuación <strong>de</strong> tracción basal, τb,<br />
como:<br />
τ b=(ρ−ρ w) ghα+(1−λ) K ρ g h(α−β) (3),<br />
don<strong>de</strong> g es la aceleración <strong>de</strong>bida a la gravedad terrestre y h es el<br />
espesor local a lo largo <strong>de</strong> la cuña. El primer termino <strong>de</strong> la ecuación se<br />
refiere a la gravedad que actúa sobre la superficie topográfica <strong>de</strong> la<br />
cuña; mi<strong>en</strong>tras que el segundo termino es un empuje horizontal <strong>de</strong>s<strong>de</strong><br />
atrás <strong>de</strong> la cuña que <strong>de</strong>p<strong>en</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong>l ángulo α + β. La teoría <strong>de</strong> la cuña<br />
crítica <strong>de</strong>scribe <strong>en</strong> 2 dim<strong>en</strong>siones la cinemática <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación <strong>de</strong> una<br />
cuña, esta se <strong>de</strong>forma internam<strong>en</strong>te hasta que adquiere el valor critico<br />
para avanzar sin <strong>de</strong>formarse.<br />
9
Figura 3. Teoría <strong>de</strong> la cuña crítica friccional (Davis et al., 1983; Nemčok et al., 2005).<br />
2.2. Cuñas sobre un <strong>de</strong>spegue dúctil.<br />
La reología <strong>de</strong> algunas zonas plegadas esta caracterizada por la<br />
pres<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> la parte basal <strong>de</strong> rocas que se <strong>de</strong>forman mediante un<br />
mecanismo dúctil <strong>de</strong> tipo power-law (Smit et al., 2003; Nemčok et al.,<br />
2005; Bonini, 2007). Se ha <strong>de</strong>mostrado que la pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> mecanismos<br />
contrastantes <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación pue<strong>de</strong> resultar <strong>en</strong> estilos estructurales y<br />
formas <strong>de</strong> la cuña muy variados. En una cuña quebradiza-dúctil sin<br />
<strong>de</strong>formación dúctil sobre el <strong>de</strong>spegue, la ecuación se pue<strong>de</strong> simplificar y<br />
re-escribir como (Williams et al., 1994):<br />
α+ β= (ρ−ρ w ) g hβ+ τ b<br />
(ρ−ρ w)g h+ Δ h<br />
(4),<br />
don<strong>de</strong> α es la inclinación <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong> la cuña, β es la<br />
inclinación <strong>de</strong>l <strong>de</strong>spegue, ρ es la <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong>l material <strong>de</strong> la cuña,<br />
ρ w es la <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong>l agua, g es la aceleración <strong>de</strong> la gravedad, h es el<br />
espesor <strong>de</strong> la cuña, τ b es, <strong>en</strong> este caso, la tracción dúctil basal; Δ h<br />
es un factor <strong>de</strong> altura <strong>de</strong> la cuña que <strong>de</strong>p<strong>en</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong>l modo <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación<br />
<strong>de</strong> la cuña sobre el <strong>de</strong>spegue.<br />
En contraste con las cuñas friccionales, las cuñas quebradizo-dúctil<br />
10
ti<strong>en</strong><strong>en</strong> estructuras difer<strong>en</strong>tes como verg<strong>en</strong>cias hacia ambos lados,<br />
bloques cabalgados y <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> estructuras <strong>en</strong> una secu<strong>en</strong>cia<br />
compleja (Smit et al, 2003; Bonini, 2007).<br />
3. Técnicas <strong>de</strong> Mo<strong>de</strong>lado Analógico implem<strong>en</strong>tadas <strong>en</strong> el<br />
LAMG.<br />
3.1. Arreglo experim<strong>en</strong>tal y variaciones estructurales <strong>de</strong><br />
las cuñas.<br />
¿Cómo funciona la técnica <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lado analógico <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación?<br />
El mo<strong>de</strong>lado analógico <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación es una técnica que permite el<br />
estudio <strong>de</strong> los procesos <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación mediante su simulación<br />
dinámica y cinemática <strong>en</strong> condiciones controladas <strong>de</strong> laboratorio (Figura<br />
4). El mo<strong>de</strong>lado analógico esta basado <strong>en</strong> la reconstrucción <strong>de</strong> un perfil<br />
<strong>de</strong> resist<strong>en</strong>cia que reproduce cercanam<strong>en</strong>te las condiciones <strong>de</strong><br />
resist<strong>en</strong>cia i<strong>de</strong>alizada <strong>de</strong> una corteza natural.<br />
Se han utilizado perfiles <strong>de</strong> resist<strong>en</strong>cia teóricos para explicar los<br />
comportami<strong>en</strong>tos mecánicos observados <strong>en</strong> difer<strong>en</strong>tes condiciones<br />
litosféricas <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la década <strong>de</strong> 1970 (Goetze y Evans, 1979; Brace y<br />
Kohlsted, 1980; Kirby, 1980; Ch<strong>en</strong> y Molnar, 1983; Ranalli, 1995;<br />
Jackson, 2002; Handy y Brun, 2004). En equilibrio y <strong>de</strong> manera<br />
i<strong>de</strong>alizada, se supone que la litosfera ti<strong>en</strong>e un comportami<strong>en</strong>to<br />
estratificado con una corteza superior quebradiza y <strong>de</strong> espesor<br />
consi<strong>de</strong>rable, una corteza inferior dúctil, y un manto litosférico <strong>de</strong> alta<br />
resist<strong>en</strong>cia (que pue<strong>de</strong> ser dividido <strong>en</strong> quebradizo-superior y dúctil<br />
inferior). Las características mecánicas <strong>de</strong> los elem<strong>en</strong>tos <strong>de</strong>l perfil <strong>de</strong><br />
resist<strong>en</strong>cias <strong>de</strong>terminan el grado <strong>de</strong> acoplami<strong>en</strong>to mecánico que pue<strong>de</strong><br />
existir <strong>en</strong> el perfil. Durante la <strong>de</strong>formación, este perfil reológico muestra<br />
cambios fundam<strong>en</strong>tales <strong>en</strong> sus características geométricas (Brun, 2002).<br />
Para los ejemplos pres<strong>en</strong>tados <strong>en</strong> este trabajo se utilizará sólo la<br />
resit<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> la corteza superior, y <strong>en</strong> los casos <strong>de</strong> las cuñas quebradizodúctil<br />
la resist<strong>en</strong>cia al flujo <strong>de</strong> una capa viscosa. Las relaciones <strong>de</strong> escala<br />
<strong>en</strong>tre la naturaleza y el mo<strong>de</strong>lo se obti<strong>en</strong><strong>en</strong> mant<strong>en</strong>i<strong>en</strong>do constantes las<br />
11
elaciones mecánicas <strong>de</strong>l perfil <strong>de</strong> resist<strong>en</strong>cia litosférico <strong>en</strong>tre los<br />
materiales que simulan las capas dúctiles y frágiles y las fuerzas <strong>de</strong><br />
gravedad (Hubert, 1937; Ramberg, 1981; Weijermars y Schmeling,<br />
1986; Brun, 2002).<br />
Figura 4. Diagrama que muestra como funciona la técnica <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lado analógico <strong>de</strong> la<br />
<strong>de</strong>formación.<br />
3.2. Escalami<strong>en</strong>to.<br />
El escalami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los experim<strong>en</strong>tos físicos consiste <strong>en</strong> reproducir el<br />
proceso geológico-mecánico <strong>en</strong> el laboratorio (Ranalli, 2001), <strong>en</strong> un<br />
mo<strong>de</strong>lo a escala construido con materiales que pres<strong>en</strong>tan un<br />
comportami<strong>en</strong>to mecánico similar al que ocurre <strong>en</strong> la naturaleza. El<br />
escalami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los mo<strong>de</strong>los consiste <strong>en</strong> alcanzar la similitud geométrica<br />
cinemática y dinámica <strong>en</strong>tre el mo<strong>de</strong>lo y el f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o natural bajo<br />
estudio. Las bases <strong>de</strong>l escalami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>los con fines <strong>de</strong> estudio<br />
tectónico ha sido establecida por los trabajos pioneros <strong>de</strong> Hubbert<br />
12
(1937), Ramberg (1980) y Weijemars y Schmeling (1986).<br />
El escalami<strong>en</strong>to parte <strong>de</strong> la ecuación <strong>de</strong> reducción <strong>de</strong> esfuerzos, la cual<br />
establece una relación <strong>en</strong>tre los esfuerzos <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo y <strong>de</strong> la naturaleza<br />
y la escala geométrica y <strong>de</strong> gravedad:<br />
σ *=ρ* g *l *<br />
(5),<br />
don<strong>de</strong> el asterisco repres<strong>en</strong>ta la relación <strong>de</strong> cada variable <strong>en</strong> el<br />
mo<strong>de</strong>lo/naturaleza, por ejemplo, l* es la escala geométrica. Los valores<br />
típicos <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad <strong>en</strong> la corteza superior se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran <strong>en</strong> el intervalo<br />
<strong>de</strong> 2700 a 2900 kg/cm 2 ; mi<strong>en</strong>tras que los valores <strong>de</strong> <strong>de</strong>nsidad apar<strong>en</strong>te<br />
<strong>de</strong> los materiales granulares utilizados comúnm<strong>en</strong>te <strong>en</strong> el mo<strong>de</strong>lado<br />
analógico se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran <strong>en</strong>tre 1100 a 1500 kg/cm 2 , por lo que la<br />
relación ρ* es aproximadam<strong>en</strong>te 1/2, y <strong>en</strong> condiciones experim<strong>en</strong>tales<br />
<strong>de</strong> gravedad normal, g* = 1. De esta manera, para los experim<strong>en</strong>tos<br />
realizados <strong>en</strong> el LAMG la ecuación g<strong>en</strong>eral <strong>de</strong> escalami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> esfuerzos<br />
se reduce a:<br />
σ *≈ 1<br />
l * 2 (6).<br />
Los mo<strong>de</strong>los pres<strong>en</strong>tados <strong>en</strong> este trabajo son validos para la parte<br />
superior <strong>de</strong> la corteza, están diseñados <strong>de</strong> tal manera que 1 cm <strong>de</strong>l<br />
mo<strong>de</strong>lo repres<strong>en</strong>ta aproximadam<strong>en</strong>te 1 km <strong>en</strong> la naturaleza, excepto <strong>en</strong><br />
el caso <strong>de</strong> los mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong> la zona <strong>de</strong> Monterrey <strong>en</strong> don<strong>de</strong> se específica<br />
la escala geométrica, la cual busca satisfacer las observaciones e<br />
hipótesis <strong>de</strong> trabajo. En los casos <strong>en</strong> los que los mo<strong>de</strong>los no repres<strong>en</strong>tan<br />
un caso natural especifico, los resultados permit<strong>en</strong> comparar los<br />
resultados con otros laboratorios similares, mediante un experim<strong>en</strong>to<br />
propuesto como guía para la calibración <strong>de</strong> laboratorios <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lado<br />
analógico (Buiter y Schreurs, 2008).<br />
3.3. Materiales.<br />
3.3.1. Comportami<strong>en</strong>to quebradizo.<br />
13
La parte superior <strong>de</strong> la corteza terrestre se <strong>de</strong>forma <strong>de</strong> manera tal que<br />
forma planos <strong>de</strong> falla (cizalla) con un comportami<strong>en</strong>to mecánico<br />
quebradizo-friccional <strong>de</strong>l tipo σ c=μσ N , don<strong>de</strong> el coefici<strong>en</strong>te <strong>de</strong> fricción<br />
interna, μ, <strong>de</strong>termina el esfuerzo <strong>de</strong> cizalla que <strong>de</strong>be aplicarse a un<br />
plano <strong>de</strong> falla para causar un <strong>de</strong>slizami<strong>en</strong>to. Byerlee (1978), compilo los<br />
valores experim<strong>en</strong>tales <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong>l esfuerzo <strong>de</strong> cizalla necesario para el<br />
<strong>de</strong>slizami<strong>en</strong>to friccional <strong>de</strong> fallas pre-exist<strong>en</strong>tes <strong>en</strong> un amplio intervalo<br />
<strong>de</strong> tipos <strong>de</strong> rocas. Este autor <strong>en</strong>contró dos curvas que se ajustan a sus<br />
datos <strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>do <strong>de</strong> la presión confinante (Figura 5).<br />
Para valores <strong>de</strong> presión <strong>en</strong>tre 0 y 200 MPa (m<strong>en</strong>or a 8 km <strong>de</strong><br />
profundidad), el valor :<br />
σ c=0.85σ N<br />
(7),<br />
Para valores <strong>de</strong> presión mayores a 200 MPa (más <strong>de</strong> 8 km <strong>de</strong><br />
profundidad):<br />
σ c=50 Mpa+0.6σ N<br />
(8),<br />
Figura 5. Relación <strong>de</strong> Byerlee para rocas <strong>en</strong> difer<strong>en</strong>tes niveles <strong>de</strong> la corteza quebradiza,<br />
obt<strong>en</strong>ida empíricam<strong>en</strong>te a partir <strong>de</strong> un numeroso grupo <strong>de</strong> datos.<br />
Para reproducir el comportami<strong>en</strong>to predicho por Byerlee <strong>en</strong> el<br />
laboratorio se utiliza ar<strong>en</strong>a seca <strong>de</strong> cuarzo <strong>de</strong> color blanco, con <strong>de</strong>nsidad<br />
apar<strong>en</strong>te <strong>de</strong> 1400 kg/m 3 y tamaño <strong>de</strong> grano relativam<strong>en</strong>te homogéneo<br />
14
alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 0.3 mm. El ángulo <strong>de</strong> fricción interna <strong>de</strong>p<strong>en</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong>l grado <strong>de</strong><br />
redon<strong>de</strong>z <strong>de</strong> la ar<strong>en</strong>a y <strong>de</strong> la forma <strong>en</strong> que se “empaca” al construir el<br />
mo<strong>de</strong>lo y va <strong>de</strong> 30 a 34°. El grado <strong>de</strong> empaquetami<strong>en</strong>to ti<strong>en</strong>e que ver<br />
con cuantos espacios hay <strong>en</strong>tre los granos individuales <strong>de</strong> ar<strong>en</strong>a. La<br />
cohesión <strong>de</strong> la ar<strong>en</strong>a aum<strong>en</strong>ta con el espesor <strong>de</strong> la capa quebradiza pero<br />
<strong>en</strong> g<strong>en</strong>eral se consi<strong>de</strong>ra insignificante pues no alcanza valores <strong>de</strong> más<br />
<strong>de</strong> 200 Pa.<br />
De acuerdo con la Ley <strong>de</strong> Byerlee, el esfuerzo requerido para activar el<br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> una falla es <strong>en</strong> gran medida ins<strong>en</strong>sible a la<br />
composición <strong>de</strong> la roca, por lo que la ar<strong>en</strong>a se pue<strong>de</strong> consi<strong>de</strong>rar un<br />
material a<strong>de</strong>cuado para simular la mayor parte <strong>de</strong> las rocas que<br />
compon<strong>en</strong> la corteza superior quebradiza. Difer<strong>en</strong>tes valores <strong>de</strong><br />
resist<strong>en</strong>cia a la cizalla se pue<strong>de</strong> simular utilizando materiales granulares<br />
con difer<strong>en</strong>tes coefici<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> fricción interna.<br />
Los ángulos y los coefici<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> fricción interna se <strong>de</strong>terminan <strong>en</strong> el<br />
laboratorio mediante <strong>en</strong>sayes triaxiales <strong>en</strong> seco (tipo UU; no<br />
consolidada, no dr<strong>en</strong>ada), a partir <strong>de</strong> los cuales se obti<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>en</strong>volv<strong>en</strong>tes<br />
<strong>de</strong> falla (Figura 6).<br />
La ar<strong>en</strong>a ti<strong>en</strong>e un comportami<strong>en</strong>to mecánico que pue<strong>de</strong> ser expresado<br />
mediante el criterio <strong>de</strong> Mohr-Coulomb:<br />
σ c =c+μσ N (1−λ)=c+tan θσ N (1−λ) (9),<br />
don<strong>de</strong>, θ es el ángulo <strong>de</strong> fricción <strong>de</strong>slizante y c es la cohesión.<br />
De acuerdo con el circulo <strong>de</strong> Mohr <strong>en</strong> <strong>en</strong>sayes <strong>de</strong> cizalla triaxial, el<br />
esfuerzo difer<strong>en</strong>cial (σ1- σ3), también llamado resist<strong>en</strong>cia, <strong>de</strong> la ar<strong>en</strong>a <strong>en</strong><br />
un régim<strong>en</strong> <strong>de</strong> esfuerzos compresivo se pue<strong>de</strong> expresar como:<br />
σ 1−σ 3=2ρg z (10).<br />
15
Figura 6. Determinación <strong>de</strong> propieda<strong>de</strong>s mecánicas <strong>de</strong> la ar<strong>en</strong>a <strong>en</strong> el LAMG, <strong>en</strong>sayes<br />
triaxiales <strong>de</strong> ar<strong>en</strong>a seca, a, b y c), muestran las difer<strong>en</strong>tes etapas <strong>de</strong> un <strong>en</strong>saye, inicio<br />
<strong>de</strong>l <strong>en</strong>saye, máximo valor <strong>de</strong> dilatancia y falla con un ángulo <strong>de</strong> 60º con respecto al<br />
16
esfuerzo mínimo compresivo; d) ejemplo <strong>de</strong> curvas esfuerzo vs. <strong>de</strong>formación para tres<br />
<strong>en</strong>sayes con difer<strong>en</strong>tes presiones confinantes; e) <strong>en</strong>volv<strong>en</strong>te <strong>de</strong> ruptura para la ar<strong>en</strong>a<br />
seca.<br />
3.3.2. Comportami<strong>en</strong>to dúctil.<br />
Algunas <strong>de</strong> las cuñas pres<strong>en</strong>tadas <strong>en</strong> la figura 2 se forman sobre rocas<br />
que pres<strong>en</strong>tan un comportami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> tipo plástico -dúctil-. Por ejemplo,<br />
las secu<strong>en</strong>cias plegadas sobre un sustrato salino pres<strong>en</strong>tan <strong>de</strong> manera<br />
clara estas características. El comportami<strong>en</strong>to mecánico <strong>de</strong> flujo dúctil<br />
<strong>de</strong> las rocas pue<strong>de</strong> ser aproximado mediante una ecuación <strong>de</strong>l tipo <strong>de</strong><br />
pot<strong>en</strong>cias (Goetze y Evans, 1979):<br />
˙ε= Aexp( −Q<br />
RT ) (σ 1 −σ 3 )n<br />
(11),<br />
don<strong>de</strong> ˙ε es la tasa <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación, Q es la <strong>en</strong>ergía <strong>de</strong> activación, R la<br />
constante universal <strong>de</strong> los gases, T la temperatura absoluta, es una<br />
constante que <strong>de</strong>p<strong>en</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong>l material, y n es el expon<strong>en</strong>te <strong>de</strong> esfuerzo. En<br />
el laboratorio, la viscosidad dinámica <strong>de</strong> los materiales se obti<strong>en</strong>e<br />
mediante un experim<strong>en</strong>to que mi<strong>de</strong> la relación <strong>en</strong>tre el esfuerzo <strong>de</strong><br />
cizalla, σc, y la tasa <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación ˙ε , <strong>en</strong> un viscometro conicilíndrico<br />
(Figura 7). La función <strong>de</strong> pot<strong>en</strong>cias obt<strong>en</strong>ida es:<br />
n<br />
˙ε= Aσ c<br />
(12),<br />
De esta manera la ecuación <strong>de</strong> esfuerzo difer<strong>en</strong>cial <strong>de</strong> estos materiales<br />
se pue<strong>de</strong> re-escribir <strong>de</strong> la forma:<br />
(σ 1−σ 3)=2( ˙ε<br />
(1/ n)<br />
A)<br />
(13),<br />
La viscosidad característica <strong>en</strong>tonces se <strong>de</strong>fine mediante la relación,<br />
η c= σ c<br />
2 ˙ε (14),<br />
17
La tasa <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación <strong>de</strong> ing<strong>en</strong>iera <strong>en</strong> los experim<strong>en</strong>tos <strong>de</strong><br />
acortami<strong>en</strong>to (Bonini, 2002), ˙γ , se obti<strong>en</strong>e simplem<strong>en</strong>te <strong>de</strong>:<br />
˙γ= V<br />
Td (15),<br />
don<strong>de</strong> V es la velocidad experim<strong>en</strong>tal y Td es el espesor <strong>de</strong> la capa<br />
viscosa. La velocidad experim<strong>en</strong>tal se mantuvo <strong>en</strong> los experim<strong>en</strong>tos<br />
pres<strong>en</strong>tados <strong>en</strong> este trabajo alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 2.5 cm/h para la serie <strong>de</strong><br />
cuñas friccionales, mi<strong>en</strong>tras que para las cuñas quebradizo-dúctil la<br />
velocidad fue alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 1 cm/h. La viscosidad dinámica <strong>de</strong> las capas<br />
<strong>de</strong> sal <strong>de</strong>terminada <strong>de</strong> manera experim<strong>en</strong>tal <strong>en</strong> rocas, varía <strong>en</strong>tre 10 -17 y<br />
10 -20 Pa s, y sus curvas <strong>de</strong> flujo pres<strong>en</strong>tan comportami<strong>en</strong>tos con leyes<br />
<strong>de</strong> pot<strong>en</strong>cia cercanas al caso Newtoniano. Para simular rocas <strong>de</strong> la<br />
corteza con comportami<strong>en</strong>to dúctil se utilizan fluidos <strong>de</strong> alta viscosidad<br />
como el silicón SGM36 (Weijemars y Schmeling, 1986).<br />
3.4. Aparato Experim<strong>en</strong>tal.<br />
En el LAMG se cu<strong>en</strong>ta con dos aparatos experim<strong>en</strong>tales automatizados<br />
<strong>en</strong> los que se realizaron los mo<strong>de</strong>los pres<strong>en</strong>tados <strong>en</strong> este trabajo:<br />
• un aparato <strong>de</strong> cizalla pura compuesto <strong>de</strong> una caja <strong>de</strong> acrílico que<br />
confina los materiales que compon<strong>en</strong> el mo<strong>de</strong>lo, un motor <strong>de</strong><br />
pasos empuja o jala <strong>de</strong> una pared móvil que provoca la<br />
<strong>de</strong>formación a una velocidad controlada (Figura 7b);<br />
• un aparato <strong>de</strong> cizalla simple que consiste <strong>de</strong> una mesa metálica<br />
sobre la que se construye el mo<strong>de</strong>lo, se pue<strong>de</strong>n añadir pare<strong>de</strong>s<br />
para confinar el mo<strong>de</strong>lo; un sistema <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> dos<br />
dim<strong>en</strong>siones controlado por motores <strong>de</strong> pasos provoca la<br />
<strong>de</strong>formación que pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong>scompuesta <strong>en</strong> dos direcciones<br />
ortogonales (Figura 7c).<br />
18
Figura 7. a) viscometro conicilíndrico <strong>de</strong>l LAMG; b) aparato experim<strong>en</strong>tal <strong>de</strong> cizalla<br />
pura, c) mesa experim<strong>en</strong>tal automatizada <strong>de</strong> cizalla simple.<br />
3.5. Análisis <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación.<br />
La <strong>de</strong>formación <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo respon<strong>de</strong> a la <strong>de</strong>formación<br />
interna y el flujo <strong>de</strong> masa durante el avance <strong>de</strong>l movimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> la pared<br />
y las técnicas <strong>de</strong> PIV han <strong>de</strong>mostrado ser a<strong>de</strong>cuadas para este tipo <strong>de</strong><br />
estudios (por ejemplo, Adams et al., 2005; Cerca et al., 2007;<br />
Barri<strong>en</strong>tos et al., 2008). Con el fin <strong>de</strong> obt<strong>en</strong>er el campo <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos <strong>en</strong> 3D <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo se ha <strong>de</strong>sarrollado<br />
una combinación <strong>de</strong> dos métodos ópticos: proyección <strong>de</strong> franjas (PF) y<br />
fotografía <strong>de</strong> moteado láser (SP) (Cerca et al, 2007; Barri<strong>en</strong>tos et al,<br />
19
2008; Cerca et al., 2008).<br />
3.5.1. Obt<strong>en</strong>ción <strong>de</strong>l Relieve digital mediante PF.<br />
Una <strong>de</strong> las áreas que se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra <strong>en</strong> <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lado<br />
analógico es la <strong>de</strong>scripción con precisión <strong>de</strong> la evolución <strong>de</strong>l relieve<br />
durante la <strong>de</strong>formación. En las últimas dos décadas se han realizado<br />
gran<strong>de</strong>s avances <strong>en</strong> este campo usando difer<strong>en</strong>tes técnicas que incluy<strong>en</strong><br />
tomografía computarizada <strong>de</strong> rayos X (e.g., Colletta et al., 1991;<br />
Wilkerson et al., 1995; Scheurs et al., 2001; y refer<strong>en</strong>cias incluidas <strong>en</strong><br />
esos trabajos), escáner láser (e.g., Willinghoffer et al., 2005; Persson et<br />
al., 2004) y fotogrametría (Fischer y Keating, 2005). La técnica óptica<br />
<strong>de</strong> proyección <strong>de</strong> franjas, técnica <strong>de</strong> campo completo no invasora y <strong>de</strong><br />
bajo costo, ha sido ampliam<strong>en</strong>te utilizada <strong>en</strong> la obt<strong>en</strong>ción <strong>de</strong> contornos<br />
tridim<strong>en</strong>sionales <strong>de</strong> diversos objetos estáticos (In<strong>de</strong>betouw, 1978;<br />
Takeda y Mutoh, 1983; Srinivasan y Alioua, 1984; Win<strong>de</strong>cker y Tiziani,<br />
1995), incluy<strong>en</strong>do simulación <strong>de</strong> patrones hidrológicos <strong>en</strong> medios<br />
granulares (Muller et al., 2001). Comparado con un plano <strong>de</strong> refer<strong>en</strong>cia,<br />
el monitoreo <strong>de</strong> la evolución <strong>de</strong>l patrón <strong>de</strong> luz estructurada permite<br />
obt<strong>en</strong>er imág<strong>en</strong>es consecutivas <strong>de</strong> difer<strong>en</strong>tes etapas <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación<br />
<strong>de</strong> un mo<strong>de</strong>lo analógico. Obt<strong>en</strong>er una <strong>de</strong>scripción digital <strong>de</strong> alta<br />
resolución <strong>de</strong> la evolución <strong>de</strong> la superficie es <strong>de</strong> gran importancia para<br />
interpretar los resultados y posteriorm<strong>en</strong>te trabajar los resultados<br />
análogos <strong>en</strong> un ambi<strong>en</strong>te virtual.<br />
El arreglo experim<strong>en</strong>tal para analizar la <strong>de</strong>formación superficial<br />
obt<strong>en</strong>i<strong>en</strong>do un mapa digital <strong>de</strong> relieve y sus cambios durante la<br />
<strong>de</strong>formación, se <strong>de</strong>sarrollo <strong>en</strong> el Laboratorio <strong>de</strong> Mecánica <strong>de</strong><br />
Geosistemas <strong>en</strong> colaboración con el C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Investigaciones <strong>en</strong><br />
Óptica, CIO, A. C. El sistema óptico utilizado requiere <strong>de</strong> un proyector <strong>de</strong><br />
computadora, un sistema <strong>de</strong> adquisición <strong>de</strong> imág<strong>en</strong>es (cámara digital<br />
tipo CCD), y un plano <strong>de</strong> refer<strong>en</strong>cia, <strong>en</strong> este caso la superficie horizontal<br />
inicial <strong>de</strong> la ar<strong>en</strong>a (Figura 8). El arreglo óptico para la proyección <strong>de</strong> luz<br />
estructurada (proyección <strong>de</strong> franjas) mi<strong>de</strong> la compon<strong>en</strong>te vertical <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> una superficie (Barri<strong>en</strong>tos et al., 2004; Cerca et al.,<br />
2007; Barri<strong>en</strong>tos et al., 2008; Cerca et al., 2008).<br />
20
En la técnica FP, el procesado se hace mediante el software ZEBRA<br />
<strong>de</strong>sarrollado específicam<strong>en</strong>te para esta aplicación. Se obti<strong>en</strong><strong>en</strong><br />
imág<strong>en</strong>es digitales <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo con una cámara digital <strong>de</strong><br />
resolución conocida (Figura 9).<br />
La <strong>de</strong>formación <strong>de</strong> los experim<strong>en</strong>tos introduce una modulación <strong>en</strong> fase<br />
al patrón <strong>de</strong> luz proyectado sobre la superficie, <strong>en</strong> este caso franjas<br />
binarias <strong>de</strong> luz y sombra con un período conocido. La modulación <strong>de</strong><br />
fase y el <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to fuera <strong>de</strong>l plano pue<strong>de</strong>n calcularse a partir <strong>de</strong> la<br />
comparación <strong>en</strong>tre las imág<strong>en</strong>es digitales colectadas durante la<br />
<strong>de</strong>formación progresiva (Takeda et al, 1982;. Barri<strong>en</strong>tos et al, 2004;<br />
Gasvik, 2003). El muestreo temporal se ajusta conv<strong>en</strong>i<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te <strong>de</strong> tal<br />
manera que el <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to total es la suma <strong>de</strong> los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos<br />
increm<strong>en</strong>tales.<br />
Sobre la superficie <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo se proyectan franjas paralelas binarias <strong>de</strong><br />
periodo p mediante el proyector, ver figura 8. Cuando las franjas son<br />
proyectadas sobre una superficie <strong>de</strong> refer<strong>en</strong>cia plana, el período <strong>de</strong> las<br />
franjas sobre la superficie es constante <strong>en</strong> cualquier punto, y las franjas<br />
se pue<strong>de</strong>n repres<strong>en</strong>tar matemáticam<strong>en</strong>te mediante una serie <strong>de</strong> Fourier,<br />
∞<br />
f (x)=∑ n=0<br />
2 π<br />
C n cos(<br />
p nx ) (16),<br />
don<strong>de</strong> Cn son los coefici<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> Fourier y n es un número <strong>en</strong>tero.<br />
21
Figura 8. Proyección <strong>de</strong> franjas: a), esquema que muestra la posición relativa <strong>de</strong>l<br />
proyector y <strong>de</strong> la cámara sobre la superficie <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo; b) fotografía <strong>de</strong> los primeros<br />
experim<strong>en</strong>tos realizados.<br />
Se utilizan sólo los dos primeros términos <strong>de</strong> la serie porque las <strong>de</strong>más<br />
compon<strong>en</strong>tes armónicas pue<strong>de</strong>n ser filtradas <strong>en</strong> el espacio <strong>de</strong> las<br />
frecu<strong>en</strong>cias. Por lo tanto, la rejilla <strong>de</strong> refer<strong>en</strong>cia se simplifica <strong>de</strong> la<br />
sigui<strong>en</strong>te manera,<br />
2 π<br />
f (x , y)=a( x , y)+b(x , y)cos[<br />
p x] (17),<br />
a( x , y) repres<strong>en</strong>ta el nivel <strong>de</strong> iluminación <strong>de</strong> fondo y b(x , y) la<br />
visibilidad o contraste <strong>de</strong> las franjas. Cuando este patrón <strong>de</strong> franjas es<br />
registrado mediante una cámara CCD, <strong>de</strong>bido a efectos <strong>de</strong> perspectiva,<br />
el período <strong>de</strong>ja <strong>de</strong> ser constante y varía respecto a (x, y). Entonces el<br />
nivel <strong>de</strong> int<strong>en</strong>sidad registrado por el CCD para una imag<strong>en</strong> modulada<br />
con franjas es<br />
I (x , y)=a(x , y)+b( x , y)cos[<br />
2 π<br />
p(x , y) x ] (18).<br />
22
La ecuación (5) pue<strong>de</strong> ser equival<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te repres<strong>en</strong>tada como:<br />
2 π<br />
I (x , y)=a(x , y)+b( x , y)cos[<br />
p x+θ(x , y)] (19),<br />
don<strong>de</strong> θ (x , y) es el cambio <strong>en</strong> la fase <strong>de</strong> las franjas <strong>de</strong>bida a efectos<br />
<strong>de</strong> perspectiva. Este término <strong>de</strong> fase también toma <strong>en</strong> cu<strong>en</strong>ta las<br />
variaciones <strong>en</strong> el período <strong>de</strong>bido a las aberraciones introducidas por el<br />
sistema que forma las imág<strong>en</strong>es <strong>en</strong> el CCD.<br />
Cuando el mo<strong>de</strong>lo se <strong>de</strong>forma, su topografía varía <strong>de</strong> un punto a otro, es<br />
<strong>de</strong>cir aparece una distribución <strong>de</strong> alturas sobre la superficie plana. Esto<br />
equivale a introducir una nueva variación <strong>de</strong>l período local p(x, y). Este<br />
efecto se pue<strong>de</strong> notar <strong>en</strong> las imág<strong>en</strong>es obt<strong>en</strong>idas con la cámara CCD<br />
(Figura 9 a y b). Tomando <strong>en</strong> cu<strong>en</strong>ta dicho efecto, la ecuación (19) se<br />
transforma <strong>en</strong>:<br />
2 π<br />
I (x , y)=a(x , y)+b( x , y)cos[<br />
p x+θ(x , y)+ϕ( x , y)] (20),<br />
don<strong>de</strong> ϕ (x , y) es la contribución a la fase <strong>de</strong> las franjas <strong>de</strong>bido a las<br />
variaciones <strong>en</strong> altura <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo durante la <strong>de</strong>formación.<br />
En la ecuación (20) se ha asumido que el término <strong>de</strong> fase <strong>de</strong>bido a<br />
perspectiva, θ (x , y) , permanece sin cambios. Esto suce<strong>de</strong> así siempre<br />
y cuando los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos (o <strong>de</strong>formaciones) <strong>de</strong> la superficie sean<br />
<strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> unos pocos períodos (Barri<strong>en</strong>tos et al., 2004). Del arreglo<br />
geométrico pres<strong>en</strong>tado <strong>en</strong> la figura 4, po<strong>de</strong>mos <strong>en</strong>contrar la relación<br />
<strong>en</strong>tre ϕ (x , y) y la distribución <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos verticales h(x, y) <strong>en</strong><br />
la forma sigui<strong>en</strong>te.<br />
Suponi<strong>en</strong>do que la <strong>de</strong>formación aplicada por la pared móvil sobre la<br />
ar<strong>en</strong>a provoca un cambio <strong>en</strong> el relieve <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong> un plano al<br />
indicado por ABCDE, <strong>en</strong>tonces los cambios <strong>de</strong> altura <strong>de</strong> la superficie<br />
modifican la posición <strong>de</strong> las franjas proyectadas <strong>en</strong> la dirección x. Por<br />
ejemplo, la posición <strong>de</strong> la franja binaria que inicialm<strong>en</strong>te caería <strong>en</strong> B<br />
para una superficie plana, ahora cae <strong>en</strong> D <strong>de</strong>bido al cambio <strong>en</strong> altura<br />
23
BC. Como el <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to lateral <strong>de</strong> la franja es CD, <strong>en</strong>tonces <strong>en</strong> esa<br />
posición el período <strong>de</strong> las franjas se modifica. Consi<strong>de</strong>rando que un<br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to lateral igual a un período <strong>de</strong>l patrón proyectado, p,<br />
equivale a un cambio <strong>de</strong> fase <strong>de</strong> 2π radianes <strong>de</strong> la rejilla proyectada,<br />
<strong>en</strong>tonces el cambio <strong>de</strong> fase <strong>de</strong>bido a un <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to lateral CD es<br />
ϕ (x , y)=CD∗(2 π) p −1 . Consi<strong>de</strong>rando el triángulo BCD, se observa que la<br />
variación <strong>de</strong> altura está dada por:<br />
ϕ( x , y) p<br />
h( x , y)=<br />
2 π tan α<br />
(21),<br />
don<strong>de</strong> α es el ángulo medio <strong>en</strong>tre la dirección <strong>de</strong> observación y la<br />
dirección <strong>de</strong> iluminación. En la ecuación (21) se supone que la distancia<br />
<strong>de</strong> observación es mucho más gran<strong>de</strong> que las dim<strong>en</strong>siones <strong>de</strong> la región<br />
observada, condición que se cumple <strong>en</strong> el arreglo experim<strong>en</strong>tal.<br />
A<strong>de</strong>más, como los parámetros p y α pue<strong>de</strong>n ser medidos directam<strong>en</strong>te<br />
<strong>de</strong>l arreglo experim<strong>en</strong>tal, <strong>en</strong>tonces el <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to vertical h(x,y)<br />
pue<strong>de</strong> ser obt<strong>en</strong>ido una vez que se conoce el término <strong>de</strong> fase ϕ (x , y) .<br />
Este término pue<strong>de</strong> ser conocido mediante la resta <strong>de</strong> los argum<strong>en</strong>tos<br />
<strong>de</strong> las ecuaciones (19) y (20):<br />
2 π 2 π<br />
ϕ (x , y)=[ x+θ+ϕ]−[<br />
p p x+θ] (22),<br />
Como se pue<strong>de</strong> ver, <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> tomar la difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> los términos <strong>de</strong><br />
fase <strong>de</strong> la imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> refer<strong>en</strong>cia y una imag<strong>en</strong> con <strong>de</strong>formación, las<br />
contribuciones <strong>de</strong> los términos por perspectiva, θ (x , y) , y portadora,<br />
(2π) p −1 , resultan comp<strong>en</strong>sados <strong>en</strong> el resultado final.<br />
Los argum<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> las funciones cos<strong>en</strong>o <strong>en</strong> (19) y (20) pue<strong>de</strong>n ser<br />
calculados mediante el método <strong>de</strong> Fourier (Takeda y Mutoh, 1983) a<br />
partir <strong>de</strong> imág<strong>en</strong>es con franjas <strong>de</strong>l objeto bajo prueba. Para ello, la<br />
ecuación (7), por ejemplo, se re-escribe <strong>de</strong> la sigui<strong>en</strong>te forma:<br />
I ( x , y)=a(x , y)+ 1<br />
i2 π<br />
b(x , y)exp[ x]exp(ig (x , y))+<br />
2 p<br />
24
1<br />
π<br />
b´( x , y)exp[−i2 x]exp(ig( x , y)) (23),<br />
2 p<br />
don<strong>de</strong> g (x , y)=θ( x , y)+ϕ( x , y) , el asterisco <strong>de</strong>nota la operación <strong>de</strong><br />
complejo conjugado ei=√−1 . Para calcular el término g(x, y), que es<br />
el término que conti<strong>en</strong>e el término <strong>de</strong> interés, tomamos la transformada<br />
<strong>de</strong> Fourier <strong>de</strong> la ecuación (10). Para esto, recordamos la propiedad <strong>de</strong><br />
traslación <strong>en</strong> el espacio <strong>de</strong> Fourier,<br />
ℑ { f ( x)exp(i2 πu o x)}= F (u−u o) (24),<br />
don<strong>de</strong> ℑ repres<strong>en</strong>ta al operador transformada <strong>de</strong> Fourier, uo es una<br />
frecu<strong>en</strong>cia portadora y F (u)=ℑ{ f ( x)} , con u como frecu<strong>en</strong>cia espacial.<br />
Por lo tanto, la transformada <strong>de</strong> Fourier <strong>de</strong> la ecuación (24) produce,<br />
I F (u , v)=A(u , v)+ B(u−u o)+ B * (u+u o) (25),<br />
don<strong>de</strong> u, y v son las coor<strong>de</strong>nadas <strong>en</strong> el espacio <strong>de</strong> Fourier, u o=(2π) p −1 ,<br />
A(u , v)=ℑ{a(x , y)} y B(u , v)=ℑ{ 1<br />
2 b( x , y)} . El primer término <strong>de</strong>l lado<br />
<strong>de</strong>recho <strong>de</strong> la ecuación 25 es un término <strong>de</strong> iluminación <strong>de</strong> fondo cuyas<br />
frecu<strong>en</strong>cias son bajas, es <strong>de</strong>cir su variación espacial es casi nula, y por<br />
lo tanto aparece <strong>en</strong> el espacio <strong>de</strong> Fourier c<strong>en</strong>trado <strong>en</strong> u=0 y con un<br />
ancho más pequeño que uo. Los otros dos términos aparec<strong>en</strong> c<strong>en</strong>trados<br />
<strong>en</strong> u=uo, y su magnitud es simétrica. Los términos <strong>de</strong> mayor frecu<strong>en</strong>cia<br />
<strong>en</strong> la serie <strong>de</strong> Fourier <strong>de</strong> la ecuación (19), aparec<strong>en</strong> c<strong>en</strong>trados <strong>en</strong> 2uo ,<br />
3uo , etc. Sin embargo, su magnitud es relativam<strong>en</strong>te baja y pue<strong>de</strong>n ser<br />
removidos como se muestra a continuación. Al aplicar un filtro<br />
pasabandas, <strong>de</strong> tal forma que sólo se <strong>de</strong>je pasar al lóbulo c<strong>en</strong>trado <strong>en</strong><br />
u0, la señal repres<strong>en</strong>tada por la ecuación (25) se modifica <strong>en</strong><br />
I F (u , v)=B(u−u o) (26).<br />
Si se toma la transformada inversa <strong>de</strong> Fourier <strong>de</strong>l resultado dado por la<br />
ecuación (26), se obti<strong>en</strong>e lo sigui<strong>en</strong>te,<br />
25
ℑ −1 {B(u−u o , v)}=ℑ −1 { ℑ{1<br />
2 b(x , y)exp(ig (x , y))} (u−u o)}<br />
= 1<br />
2 b(x , y)exp(ig (x , y))exp(i2 πu o x)<br />
= R( x , y)+i M (x , y) (27),<br />
don<strong>de</strong><br />
y<br />
R( x , y)= 1<br />
2 b(x , y)cos(2π u o x+ g( x , y)) (28),<br />
M (x , y)= 1<br />
2 b(x , y)s<strong>en</strong>(2 πu o x+ g (x , y)) (29),<br />
Para obt<strong>en</strong>er el segundo paso <strong>de</strong> la ecuación (27) se hizo uso<br />
nuevam<strong>en</strong>te <strong>de</strong> la propiedad <strong>de</strong> traslación (24).<br />
De las ecuaciones (28) y (29) se pue<strong>de</strong> obt<strong>en</strong>er el término <strong>de</strong> fase<br />
buscado,<br />
2π uo x+ g( x , y)= 2π<br />
x+θ(x , y)+ϕ(x , y)<br />
p<br />
= tan<br />
−1[<br />
M (x , y)<br />
R(x , y) ]<br />
(30),<br />
Al aplicar este procedimi<strong>en</strong>to a la imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> refer<strong>en</strong>cia, repres<strong>en</strong>tada<br />
por la ecuación (6), y usando la ecuación (22), finalm<strong>en</strong>te se calcula la<br />
fase <strong>de</strong>bida solam<strong>en</strong>te a <strong>de</strong>formación y por tanto se obti<strong>en</strong>e la<br />
distribución <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos verticales <strong>en</strong> toda la superficie <strong>de</strong>l<br />
mo<strong>de</strong>lo mediante la ecuación (21).<br />
Si la <strong>de</strong>formación es mayor que el periodo p, <strong>en</strong>tonces es necesario<br />
realizar un proceso <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>en</strong>volvimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> fase al resultado dado por la<br />
ecuación (22; Bryanston-Cross et al., 1994).<br />
A partir <strong>de</strong> la ecuación (21), se pue<strong>de</strong> apreciar que la resolución <strong>de</strong>l<br />
método <strong>de</strong>p<strong>en</strong><strong>de</strong> <strong>de</strong> la selección <strong>de</strong>l periodo y <strong>de</strong>l ángulo <strong>de</strong><br />
observación. La resolución obt<strong>en</strong>ida <strong>en</strong> los resultados <strong>de</strong> este trabajo<br />
26
esulta a<strong>de</strong>cuada para nuestros objetivos pues se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra <strong>en</strong> el<br />
intervalo <strong>de</strong> <strong>de</strong>c<strong>en</strong>as <strong>de</strong> micrómetros, mi<strong>en</strong>tras que los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos<br />
verticales <strong>en</strong> los mo<strong>de</strong>los analógicos g<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te fueron <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong><br />
milímetros <strong>en</strong>tre cada imag<strong>en</strong>.<br />
3.5.2. Procedimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> obt<strong>en</strong>ción <strong>de</strong>l Relieve digital mediante<br />
el software ZEBRA.<br />
El software ZEBRA se diseño para para calcular el <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to<br />
vertical <strong>en</strong> mo<strong>de</strong>los analógicos sometidos a <strong>de</strong>formación. Los pasos que<br />
se <strong>de</strong>b<strong>en</strong> <strong>de</strong> seguir para obt<strong>en</strong>er los resultados <strong>de</strong> relieve son:<br />
1. Proyectar una imag<strong>en</strong> con franjas binarias (negras y blancas) con un<br />
período <strong>de</strong> 2-3 mm que cubra la región <strong>de</strong> interés <strong>en</strong> el mo<strong>de</strong>lo.<br />
2. Grabar una imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> refer<strong>en</strong>cia (Figura 9a) con la superficie<br />
horizontal <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo.<br />
3. Grabar tantas imág<strong>en</strong>es como se requieran <strong>de</strong> los estados<br />
<strong>de</strong>formados (ejemplo: figura 9b).<br />
4. Utilizar el comando <strong>de</strong> Fourier para calcular la transformada <strong>de</strong><br />
Fourier tanto <strong>de</strong> la imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> refer<strong>en</strong>cia como <strong>de</strong> las imág<strong>en</strong>es con<br />
<strong>de</strong>formación.<br />
5. A la imag<strong>en</strong> con la transformada <strong>de</strong> Fourier, aplicar un filtro<br />
pasabanda a<strong>de</strong>cuado <strong>en</strong> el espacio <strong>de</strong> Fourier. La forma <strong>de</strong>l filtro<br />
bidim<strong>en</strong>sional pue<strong>de</strong> obt<strong>en</strong>erse al graficar la magnitud <strong>de</strong> la<br />
transformada <strong>de</strong> Fourier para cualquier imag<strong>en</strong>. Este filtro <strong>de</strong>be cubrir<br />
<strong>en</strong>teram<strong>en</strong>te al lóbulo más cercano al c<strong>en</strong>tro. G<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te, la<br />
geometría usada para el filtro bidim<strong>en</strong>sional es un círculo. Este mismo<br />
filtro se utiliza para todas las imág<strong>en</strong>es <strong>de</strong>l experim<strong>en</strong>to.<br />
6. Aplicar una mascara espacial a las imág<strong>en</strong>es para hacer el calculo<br />
sólo <strong>en</strong> el área <strong>de</strong> interés y eliminar <strong>de</strong> esta manera el ruido g<strong>en</strong>erado<br />
por los elem<strong>en</strong>tos que se registran fuera <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo.<br />
7. A las imág<strong>en</strong>es resultantes <strong>de</strong>l filtrado, tomarles la transformada<br />
inversa <strong>de</strong> Fourier. Esto dará como resultado que cada imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> datos<br />
origine a dos nuevas imág<strong>en</strong>es: una que conti<strong>en</strong>e la parte real <strong>de</strong> la<br />
transformada inversa <strong>de</strong> Fourier y otra a su parte imaginaria, las cuales<br />
correspon<strong>de</strong>n a R(x,y) y M(x,y) <strong>en</strong> las ecuaciones 28 y 29,<br />
respectivam<strong>en</strong>te.<br />
7. Calcular la fase para cada pixel <strong>de</strong> cada imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> acuerdo a la<br />
27
ecuación 30. De esta forma cada imag<strong>en</strong> original produce una imag<strong>en</strong><br />
con datos <strong>de</strong> fase. A esta última imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> datos se le conoce como<br />
mapa <strong>de</strong> fase.<br />
8. Para conocer la <strong>de</strong>formación <strong>en</strong> cualquier instante <strong>de</strong>l experim<strong>en</strong>to,<br />
tomar la resta <strong>de</strong>l mapa <strong>de</strong> fase correspondi<strong>en</strong>te al instante y el mapa<br />
<strong>de</strong> fase <strong>de</strong> refer<strong>en</strong>cia, pixel por pixel.<br />
9. El <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to vertical para cada pixel para una imag<strong>en</strong> dada<br />
pue<strong>de</strong> <strong>en</strong>tonces ser calculado mediante la ecuación 21 (Figura 9c).<br />
Figura 9. Proyección <strong>de</strong> franjas: a), estado no <strong>de</strong>formado, imag<strong>en</strong> <strong>de</strong> refer<strong>en</strong>cia para el<br />
calculo <strong>de</strong> las alturas; b) fotografía <strong>de</strong>l estado <strong>de</strong>formado, note que el periodo <strong>de</strong> las<br />
franjas se modifica <strong>en</strong> la zona don<strong>de</strong> se localiza la <strong>de</strong>formación; c) pantalla <strong>de</strong> ZEBRA,<br />
el resultado <strong>de</strong>l calculo <strong>de</strong> relieve se muestra <strong>en</strong> una imag<strong>en</strong> tridim<strong>en</strong>sional.<br />
3.5.3. Velocimetría <strong>de</strong> partículas.<br />
Para estudiar las condiciones <strong>de</strong> flujo <strong>en</strong> laboratorio <strong>de</strong> fluidos<br />
complejos, la velocimetría <strong>de</strong> imág<strong>en</strong>es <strong>de</strong> partículas (particle image<br />
velocimetry, PIV) se ha vuelto <strong>en</strong> los últimos años la técnica mas<br />
28
utilizada (Archbold et al., 1970; Merzkirch, 1987). En esta técnica, se<br />
aña<strong>de</strong>n partículas a los fluidos experim<strong>en</strong>tales que se consi<strong>de</strong>ra que<br />
sigu<strong>en</strong> <strong>de</strong> manera apropiada la dinámica <strong>de</strong>l fluido y el flujo es iluminado<br />
con luz coher<strong>en</strong>te <strong>en</strong> una zona <strong>de</strong> prueba don<strong>de</strong> las partículas dispersan<br />
la luz, por lo que se pue<strong>de</strong> calcular su posición. Debido a que las<br />
partículas ti<strong>en</strong><strong>en</strong> un tamaño relativam<strong>en</strong>te pequeño, para su iluminación<br />
es necesario el uso <strong>de</strong> fu<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> luz relativam<strong>en</strong>te pot<strong>en</strong>tes. Estas<br />
fu<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> luz g<strong>en</strong>eralm<strong>en</strong>te correspon<strong>de</strong>n a láseres <strong>de</strong> pot<strong>en</strong>cia<br />
alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 500 mW o 100 mJ por pulso si son pulsados. En el LAMG se<br />
cu<strong>en</strong>ta con láser <strong>de</strong> 400 mW que ha <strong>de</strong>mostrado ser una fu<strong>en</strong>te <strong>de</strong><br />
iluminación a<strong>de</strong>cuada para <strong>de</strong>scribir la trayectoria <strong>de</strong> las partículas <strong>en</strong><br />
fluidos y medios granulares. Con este fin se toman fotografías a<br />
intervalos <strong>de</strong> tiempo constante durante la <strong>de</strong>formación <strong>de</strong>l fluido y el<br />
movimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> las partículas <strong>en</strong>tre cada fotografía se utiliza para<br />
resolver el campo <strong>de</strong> velocidad <strong>de</strong>l fluido.<br />
La <strong>de</strong>formación <strong>de</strong> la superficie <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo pue<strong>de</strong> respon<strong>de</strong>r a la<br />
<strong>de</strong>formación interna y el flujo <strong>de</strong> masa durante el avance <strong>de</strong>l<br />
movimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> la pared y las técnicas <strong>de</strong> PIV han <strong>de</strong>mostrado ser<br />
a<strong>de</strong>cuadas para este tipo <strong>de</strong> estudios (por ejemplo, Adams et al., 2005).<br />
Con el fin <strong>de</strong> obt<strong>en</strong>er el campo <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos <strong>en</strong> 3D <strong>de</strong> la<br />
superficie <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo hemos complem<strong>en</strong>tado el uso <strong>de</strong> la proyección <strong>de</strong><br />
luz estructurada con fotografía <strong>de</strong> moteado láser (SP) (Cerca et al,<br />
2007; Barri<strong>en</strong>tos et al, 2008).<br />
En SP, cuando la superficie <strong>de</strong>l medio granular se ilumina con luz<br />
coher<strong>en</strong>te, se produce un efecto <strong>de</strong> moteado (speckle). Cuando se aplica<br />
la <strong>de</strong>formación, el moteado <strong>de</strong> la superficie se <strong>de</strong>splaza<br />
correspondi<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te (Archbold et al., 1970), y pue<strong>de</strong> ser registrado<br />
mediante una cámara digital.<br />
El método aplicado a los mo<strong>de</strong>los analógicos fue <strong>de</strong>scrito formalm<strong>en</strong>te<br />
por Barri<strong>en</strong>tos et al. (2008). Las distribuciones <strong>de</strong> int<strong>en</strong>sidad para un<br />
punto (x,y) sobre la superficie <strong>de</strong> estudio pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong>scrita <strong>en</strong> las<br />
imág<strong>en</strong>es por sus distribuciones <strong>de</strong> int<strong>en</strong>sidad I1(x,y) <strong>en</strong> el estado <strong>de</strong><br />
refer<strong>en</strong>cia e I2(x,y) <strong>en</strong> el estado <strong>de</strong>formado. Los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to<br />
29
elativos <strong>en</strong> las direcciones x e y son u(x,y) y v (x,y), <strong>en</strong>tonces es<br />
posible escribir:<br />
I 2 (x , y)= I 1 [x−u(x , y) , y−v(x , y)] (31),<br />
la función <strong>de</strong> distribución <strong>de</strong>l espectro <strong>de</strong> pot<strong>en</strong>cia pue<strong>de</strong> ser calculada<br />
mediante:<br />
P( f x , f y )= F 1 ( f x , f y )F 2 ( f x , f y )<br />
*<br />
∣F 1( f x , f y)F 2(<br />
f x , f y)∣ =exp{i[Φ 1 ( f x , f y )−Φ 2 ( f x , f y )]} (32),<br />
don<strong>de</strong> F 1 ( f x , f y ) y F 2 ( f x , f y ) son las transformadas <strong>de</strong> Fourier <strong>de</strong> las<br />
int<strong>en</strong>sida<strong>de</strong>s I1(x,y) e I2(x,y), ( f x , f y ) son las coor<strong>de</strong>nadas <strong>en</strong> el<br />
dominio <strong>de</strong> Fourier, Φ 1 ( f x , f y ) yΦ 2 ( f x , f y ) son las fases espectrales<br />
correspondi<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> F1 y F2, e i=√−1 . En la ecuación (32) el * <strong>de</strong>nota<br />
la operación conjugada.<br />
De acuerdo con la propiedad <strong>de</strong> translación <strong>de</strong> la transformada <strong>de</strong><br />
Fourier:<br />
Φ 1 ( f x , f y )−Φ 2 ( f x , f y )=2π[u( x , y) f x + v( x , y) f y ] (33).<br />
Aplicando la ecuación inversa <strong>de</strong> la transformada <strong>de</strong> Fourier po<strong>de</strong>mos<br />
obt<strong>en</strong>er:<br />
C [ x+ u(x , y) , y+ v(x , y)] (34),<br />
la cual es una función compleja que se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra c<strong>en</strong>trada <strong>en</strong> los<br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos <strong>de</strong>seados. Si se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra el pico <strong>de</strong> esta función se<br />
pue<strong>de</strong>n <strong>en</strong>contrar los compon<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to para para <strong>de</strong><br />
imág<strong>en</strong>es colectadas.<br />
Las imág<strong>en</strong>es fueron registradas <strong>en</strong> lapsos <strong>de</strong> 3 minutos, tanto para SP<br />
y FP mediante una cámara CCD con una resolución <strong>de</strong> 1280 x 1024<br />
pixeles. El intervalo <strong>de</strong> tiempo <strong>en</strong>tre la captura <strong>de</strong> los patrones <strong>de</strong><br />
franjas y manchas es lo sufici<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te corta para consi<strong>de</strong>rar la<br />
simultaneidad <strong>de</strong> ambas medidas. Los resultados obt<strong>en</strong>idos con la<br />
30
técnica SP son los compon<strong>en</strong>tes <strong>en</strong> el plano, que se suman con el<br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to fuera <strong>de</strong> plano obt<strong>en</strong>ido con FP para la <strong>de</strong>scripción<br />
completa <strong>de</strong>l campo <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos <strong>en</strong> tres dim<strong>en</strong>siones <strong>de</strong> la<br />
superficie <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo.<br />
3.5.4. Análisis <strong>de</strong> la distorsión infinitesimal.<br />
La <strong>de</strong>scripción <strong>de</strong>l campo <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos <strong>en</strong> las superficies <strong>de</strong> los<br />
mo<strong>de</strong>los bajo estudio es la suma <strong>de</strong> los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to sobre y fuera<br />
<strong>de</strong>l plano. El campo <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra expresado <strong>en</strong><br />
términos <strong>de</strong> la distribución espacial <strong>de</strong> las partículas que ocupan una<br />
posición referida a un sistema <strong>de</strong> coor<strong>de</strong>nadas <strong>de</strong> refer<strong>en</strong>cia (Pollard y<br />
Fletcher, 2005). La <strong>de</strong>formación es el gradi<strong>en</strong>te <strong>de</strong>l campo <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos. El campo <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación infinitesimal pue<strong>de</strong> ser<br />
<strong>de</strong>scrito <strong>en</strong>teram<strong>en</strong>te por los compon<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> translación, distorsión y<br />
rotación (Elliot, 1970). En este trabajo vamos a prestar mayor at<strong>en</strong>ción<br />
a las compon<strong>en</strong>tes instantáneos <strong>de</strong> distorsión y rotación, este análisis<br />
solo es valido si la distorsión es infinitesimal (el estado no <strong>de</strong>formado y<br />
el estado <strong>de</strong>formado son prácticam<strong>en</strong>te iguales). Calcular la distorsión<br />
nos permite interpretar los campos <strong>de</strong> velocidad obt<strong>en</strong>idos <strong>en</strong> términos<br />
<strong>de</strong> la mecánica <strong>de</strong> sólidos.<br />
Una medida <strong>de</strong> la rotación <strong>de</strong>l campo <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to se pue<strong>de</strong><br />
obt<strong>en</strong>er por el valor <strong>de</strong> vorticidad fuera <strong>de</strong>l plano, <strong>de</strong>finido como la<br />
rotación angular <strong>de</strong> los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos sobre el plano alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> un<br />
eje perp<strong>en</strong>dicular al mismo plano,<br />
δ v<br />
W z =<br />
δ x<br />
− δ u<br />
δ y<br />
(35),<br />
don<strong>de</strong> u y v son los compon<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> el plano a lo<br />
largo <strong>de</strong> las direcciones x e y. Un valor negativo <strong>de</strong> vorticidad indicaría<br />
una rotación <strong>en</strong> el s<strong>en</strong>tido horario.<br />
La distorsión por cizalla resuelta sobre el plano (consi<strong>de</strong>rando<br />
<strong>de</strong>formación plana), esta relacionada con la <strong>de</strong>formación causada por<br />
dos pares conjugados <strong>de</strong> esfuerzos <strong>de</strong> cizalla y esta dada por:<br />
31
δ v<br />
εx,y =<br />
δ x<br />
+ δu<br />
δ y<br />
(36).<br />
Otra cantidad que es útil es la <strong>de</strong>formación ext<strong>en</strong>sional fuera <strong>de</strong>l plano,<br />
o <strong>de</strong>formación normal,<br />
δ w<br />
εw =<br />
δ z<br />
(37),<br />
para la cual se pue<strong>de</strong> calcular una aproximación <strong>de</strong> primer or<strong>de</strong>n se<br />
pue<strong>de</strong> estimar consi<strong>de</strong>rando incompresibilidad <strong>de</strong>l medio granular. En<br />
este calculo se consi<strong>de</strong>ra el flujo neto a través las fronteras <strong>de</strong> un<br />
contorno arbitrario, utilizando la ecuación:<br />
δ u δ v<br />
εzz =−( +<br />
δ x δ y ) (38).<br />
En los resultados pres<strong>en</strong>tados este contorno correspon<strong>de</strong> a la trayectoria<br />
<strong>de</strong> integración utilizada para la vorticidad, la cual correspon<strong>de</strong> a una<br />
malla cuadrada <strong>de</strong> 3x3 celdas <strong>de</strong> vectores <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to, o a una<br />
malla <strong>de</strong> 63 x 63 pixeles. En la figura 10 se muestra un ejemplo <strong>de</strong> los<br />
resultados obt<strong>en</strong>idos con la integración <strong>de</strong> las técnicas pres<strong>en</strong>tadas. En<br />
este caso se pres<strong>en</strong>tan 4 gráficas obt<strong>en</strong>idas a través <strong>de</strong> un software<br />
visualizador. En la primer gráfica se pres<strong>en</strong>ta <strong>en</strong> azul el relieve<br />
topográfico <strong>de</strong>l experim<strong>en</strong>to cuando se había acortado un 3.7 % (la<br />
escala <strong>de</strong> color se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra <strong>en</strong> milímetros), la <strong>de</strong>formación <strong>en</strong> el plano<br />
se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra repres<strong>en</strong>tada por flechas <strong>de</strong> color negro que indican el<br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> la cuña orogénica hacia el fr<strong>en</strong>te. El gradi<strong>en</strong>te <strong>de</strong><br />
color muestra la zona <strong>de</strong> mayor <strong>de</strong>formación <strong>en</strong> la superficie <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo.<br />
Los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos a lo largo <strong>de</strong>l perfil A-A´ se muestran <strong>en</strong> la figura<br />
23, la cual será discutida posteriorm<strong>en</strong>te. Las tres gráficas restantes<br />
muestran: 1) la vorticidad (vor), (2) la <strong>de</strong>formación <strong>de</strong> cizalla (ip strain),<br />
(3) la <strong>de</strong>formación fuera <strong>de</strong>l plano (op strain), respectivam<strong>en</strong>te.<br />
32
Figura 10. Ejemplo <strong>de</strong> los resultados <strong>de</strong> un experim<strong>en</strong>to a un acortami<strong>en</strong>to neto<br />
<strong>de</strong> 3.7 %.<br />
4. Aplicación <strong>en</strong> problemas <strong>de</strong> geología estructural.<br />
4.1. Cuña Critica estable (Critical Taper theory).<br />
Los primeros ejemplos que muestro <strong>en</strong> este trabajo ti<strong>en</strong><strong>en</strong> que ver con<br />
la validación <strong>de</strong> la técnica <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lado para la formación <strong>de</strong> cuñas<br />
orogénicas y el análisis <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación finita. De acuerdo con la<br />
teoría <strong>de</strong> las cuñas quebradizas, las que se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran <strong>en</strong> el campo <strong>de</strong><br />
estabilidad (Figura 11), se van a <strong>de</strong>slizar sin <strong>de</strong>formación interna<br />
mi<strong>en</strong>tras no se adicione nuevo material (Dahl<strong>en</strong> y Suppe, 1988; Buiter y<br />
Schreurs, 2008; Buiter, 2012). Buiter y Schreurs (2008) propusieron un<br />
mo<strong>de</strong>lo que permite restringir y cuantificar la estabilidad <strong>de</strong> las cuñas <strong>en</strong><br />
mo<strong>de</strong>los analógicos y verificar que cumplan con la teoría. Estos<br />
experim<strong>en</strong>tos se construy<strong>en</strong> con ar<strong>en</strong>a seca <strong>de</strong> dos tipos: cuarzo y<br />
corindón. El objetivo <strong>de</strong> estos experim<strong>en</strong>tos es restringir y cuantificar la<br />
variabilidad <strong>en</strong>tre difer<strong>en</strong>tes laboratorios <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lado analógico y<br />
mejorar el <strong>en</strong>t<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> las causas y difer<strong>en</strong>cias <strong>en</strong>tre los mo<strong>de</strong>los<br />
analógicos.<br />
33
En el caso <strong>de</strong>l experim<strong>en</strong>to 1A, el mo<strong>de</strong>lo consiste <strong>de</strong> una cuña<br />
quebradiza, construida solam<strong>en</strong>te con ar<strong>en</strong>a <strong>de</strong> cuarzo seca <strong>de</strong> acuerdo<br />
con la figura 12. La base <strong>de</strong> la cuña es horizontal y la superficie ti<strong>en</strong>e un<br />
ángulo <strong>de</strong> 20º.<br />
Figura 11. Arreglo experim<strong>en</strong>tal <strong>de</strong> los ejemplos <strong>de</strong> GEOMOD 2008. Campo <strong>de</strong><br />
estabilidad para la ar<strong>en</strong>a seca con un ángulo <strong>de</strong> fricción interna <strong>de</strong> φ = 35° y cohesión<br />
C = 0 Mpa. El ángulo <strong>de</strong> fricción <strong>en</strong> la base para la ar<strong>en</strong>a es <strong>de</strong> φb = 17° y Cb = 0 MPa.<br />
Figura 12. Arreglo experim<strong>en</strong>tal para los mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong>l tipo 1A, redibujado <strong>de</strong> Buiter y<br />
Schreurs (2008).<br />
34
La superficie <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo y las pare<strong>de</strong>s laterales fueron iluminadas con<br />
una fu<strong>en</strong>te láser para el procesami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los campos <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to, con valores vectoriales <strong>en</strong> pixeles. La figura 13 muestra<br />
los campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to sobre la superficie <strong>de</strong> la cuña y <strong>en</strong> la<br />
pared lateral. La distorsión interna es prácticam<strong>en</strong>te inexist<strong>en</strong>te y solo<br />
se observa que la p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>te frontal <strong>de</strong> la cuña se vuelve ligeram<strong>en</strong>te<br />
más gran<strong>de</strong> al final <strong>de</strong>l experim<strong>en</strong>to, <strong>de</strong>bido a la fricción <strong>en</strong> la zona con<br />
un m<strong>en</strong>or esfuerzo normal. Los campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> superficie<br />
son uniformes durante el avance <strong>de</strong> la cuña. En cuanto a los<br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos medidos <strong>en</strong> la pared lateral, se observa una zona<br />
c<strong>en</strong>tral que muestra campos <strong>de</strong> velocidad homogéneos. Las variaciones<br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> los bor<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la cuña son <strong>de</strong>bidos a efectos <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>correlación. En g<strong>en</strong>eral los resultados muestran que la cuña se<br />
<strong>de</strong>splaza sin <strong>de</strong>formación interna, los resultados <strong>de</strong> velocimetría ilustran<br />
que la cuña experim<strong>en</strong>tal se <strong>de</strong>splaza como un cuerpo rígido durante el<br />
experim<strong>en</strong>to y validan el uso <strong>de</strong> esta técnica para medir los campos <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> experim<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación compleja.<br />
4.2. Cuña friccional inestable <strong>de</strong> tipo Mohr-Coulomb.<br />
Los experim<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> cuñas friccionales se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran <strong>en</strong>tre los más<br />
comunes <strong>en</strong> este tipo <strong>de</strong> estudios. Aunque se conoce mucho sobre los<br />
mecanismos <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación <strong>de</strong> estos sistemas, es raro que se realic<strong>en</strong><br />
análisis <strong>de</strong>tallados <strong>de</strong> la distorsión. En este caso se pres<strong>en</strong>ta la<br />
comparación <strong>de</strong> los campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> cuñas <strong>de</strong> tipo<br />
friccional <strong>en</strong> dos casos <strong>en</strong> los que tanto el ángulo basal como el ángulo<br />
topográfico son inicialm<strong>en</strong>te cero, es <strong>de</strong>cir, la cuñas es inestable: a)<br />
cuña inestable con una pared móvil y b) cuña inestable con una<br />
discontinuidad <strong>de</strong> velocidad <strong>en</strong> la base.<br />
35
Figura 13. Resultados <strong>de</strong> velocimetría PIV para los experim<strong>en</strong>tos <strong>de</strong>l tipo 1A.<br />
a) Cuña inestable con pared móvil. La construcción <strong>de</strong>l experim<strong>en</strong>to se<br />
muestra <strong>en</strong> la figura 14, se añadieron capas horizontales <strong>de</strong> ar<strong>en</strong>a <strong>de</strong> 1<br />
c<strong>en</strong>tímetro <strong>de</strong> espesor que son acortadas por el movimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> la pared<br />
móvil. El experim<strong>en</strong>to consta <strong>de</strong> tres capas <strong>de</strong> ar<strong>en</strong>a, <strong>de</strong> cuarzo y<br />
corindón, <strong>de</strong> acuerdo al arreglo mostrado <strong>en</strong> la figura 14. En este caso<br />
tanto la base como la superficie son inicialm<strong>en</strong>te horizontales (α=β=0),<br />
y la cuña se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra <strong>en</strong> el campo <strong>de</strong> inestabilidad. Al <strong>de</strong>splazarse la<br />
pared móvil la cuña se <strong>de</strong>forma internam<strong>en</strong>te. Se pue<strong>de</strong> comparar la<br />
evolución <strong>de</strong> la p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>te superficial.<br />
En los experim<strong>en</strong>tos que se pres<strong>en</strong>tan a continuación, cuando la pared<br />
móvil avanza, la <strong>de</strong>formación <strong>de</strong> la superficie se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra controlada<br />
por la fricción <strong>de</strong>slizante <strong>de</strong>l medio granular (μ =0.6). El primer efecto<br />
es producir una fábrica compacta y flujo granular quasi-estático<br />
(Marchner and Vermeer, 2001; Adam et al., 2005). La compon<strong>en</strong>te<br />
elástica y las fuerzas <strong>de</strong> inercia se consi<strong>de</strong>ran muy pequeñas durante los<br />
experim<strong>en</strong>tos (Goddard, 1998; Lohrmann et al., 2003) y el acortami<strong>en</strong>to<br />
paralelo a las capas se supone que es el resultado <strong>de</strong> la perdida <strong>de</strong><br />
espacios vacíos <strong>en</strong>tre los elem<strong>en</strong>tos particulados.<br />
Con la técnica propuesta se mi<strong>de</strong>n <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos submilimetricos<br />
asociados con acomodo <strong>en</strong>tre los granos (
Cuando la <strong>de</strong>formación avanza la ar<strong>en</strong>a pres<strong>en</strong>ta un <strong>en</strong>durecimi<strong>en</strong>to<br />
plástico <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación hasta que se produce un acomodo <strong>en</strong> una<br />
ori<strong>en</strong>tación prefer<strong>en</strong>cial <strong>de</strong> los granos produci<strong>en</strong>do bandas <strong>de</strong> cizalla. Se<br />
ha <strong>de</strong>mostrado que el pico <strong>de</strong> la resist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> estos medios granulares<br />
coinci<strong>de</strong> con el pico <strong>de</strong> dilatancia máxima (Goddard, 1998; Lohrmann et<br />
al., 2003; Pani<strong>en</strong> et al., 2006).<br />
En la figura 15 se muestran ejemplos <strong>de</strong> campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to<br />
para un experim<strong>en</strong>to <strong>de</strong>l tipo 1B <strong>en</strong> tres fases <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación. En la<br />
parte superior <strong>de</strong> la figura se muestran los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos sobre la<br />
superficie. Se observa que el campo <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos <strong>de</strong>fine una<br />
forma cóncava hacia la pared móvil.<br />
Figura 14. Arreglo experim<strong>en</strong>tal <strong>de</strong> las cuñas friccionales <strong>de</strong> tipo 1B, redibujado <strong>de</strong><br />
Buiter y Schreurs (2008). .<br />
Se observa que aum<strong>en</strong>ta la velocidad <strong>de</strong> los campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to<br />
hacia el final <strong>de</strong>l experim<strong>en</strong>to. Esto pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>berse a que las zonas <strong>de</strong><br />
cizalla formadas facilitan el <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to hacia el fr<strong>en</strong>te. Es <strong>de</strong>cir, las<br />
zonas <strong>de</strong> cizalla reduc<strong>en</strong> la resist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> la capa quebradiza. En las dos<br />
primeras fotografías se observa que el mayor gradi<strong>en</strong>te <strong>de</strong> la velocidad<br />
se localiza <strong>en</strong> el fr<strong>en</strong>te <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación, pero se observan también<br />
algunos vectores <strong>de</strong> m<strong>en</strong>or <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to más allá <strong>de</strong>l fr<strong>en</strong>te <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>formación.<br />
37
En la parte inferior <strong>de</strong> la figura se muestran los campos <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to medidos <strong>en</strong> la pared lateral <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo. Las variaciones<br />
<strong>en</strong> el campo <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos son consist<strong>en</strong>tes con la pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong><br />
las zonas <strong>de</strong> cizalla. En la imag<strong>en</strong> izquierda se observa que al inicio se<br />
particiona el <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> vectores que son paralelos al<br />
movimi<strong>en</strong>to <strong>de</strong> la pared, y otros vectores que ti<strong>en</strong><strong>de</strong>n a ser paralelos a<br />
la zona <strong>de</strong> cizalla incipi<strong>en</strong>te. Posteriorm<strong>en</strong>te, la velocidad muestra<br />
compon<strong>en</strong>tes tanto horizontales como verticales.<br />
Figura 15. Resultados repres<strong>en</strong>tativos <strong>de</strong> la velocimetría PIV para los experim<strong>en</strong>tos <strong>de</strong>l<br />
tipo 1B.<br />
b) En este experim<strong>en</strong>to se aña<strong>de</strong> una discontinuidad <strong>de</strong> velocidad para<br />
simular un esc<strong>en</strong>ario similar al <strong>de</strong> un marg<strong>en</strong> converg<strong>en</strong>te (Buiter y<br />
Schreurs, 2008). El sistema <strong>de</strong>sarrolla un orog<strong>en</strong>o con doble verg<strong>en</strong>cia.<br />
Como <strong>en</strong> el caso anterior la base y la superficie son inicialm<strong>en</strong>te<br />
horizontales (α=β=0), y la cuña también se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra <strong>en</strong> el campo <strong>de</strong><br />
inestabilidad. El arreglo experim<strong>en</strong>tal permite observar la <strong>de</strong>formación<br />
<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la caja experim<strong>en</strong>tal lejos <strong>de</strong> las fronteras, así como el<br />
crecimi<strong>en</strong>to progresivo <strong>de</strong> las zonas <strong>de</strong> cizalla (Figura 16).<br />
38
Figura 16. Arreglo experim<strong>en</strong>tal <strong>de</strong> la cuña friccional <strong>de</strong>l tipo 2, redibujado <strong>de</strong> Buiter y<br />
Schreurs (2008). .<br />
En la figura 17 se muestran resultados repres<strong>en</strong>tativos <strong>de</strong> la<br />
velocimetría obt<strong>en</strong>ida <strong>en</strong> la pared lateral <strong>de</strong>l experim<strong>en</strong>to <strong>de</strong>l tipo 2,<br />
durante la <strong>de</strong>formación progresiva. A difer<strong>en</strong>cia <strong>de</strong>l caso anterior, el<br />
campo <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos es relativam<strong>en</strong>te homogéneo sobre la placa<br />
que repres<strong>en</strong>ta la discontinuidad <strong>de</strong> velocidad. Conforme el orog<strong>en</strong>o<br />
crece, los campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to se separan <strong>en</strong> dos dominios claros.<br />
Por un lado, sobre la placa base y cerca <strong>de</strong> la pared móvil, los<br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos son horizontales y ti<strong>en</strong><strong>en</strong> una magnitud cercana a la<br />
velocidad <strong>de</strong> motor. En la zona <strong>de</strong>l orog<strong>en</strong>o, la zona con mayor elevación<br />
topográfica se observan episodios don<strong>de</strong> predomina el <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to<br />
vertical, seguidos <strong>de</strong> intervalos <strong>en</strong> los que se observa una mayor<br />
compon<strong>en</strong>te horizontal.<br />
39
Figura 17. Resultados repres<strong>en</strong>tativos <strong>de</strong> PIV <strong>de</strong> la cuña experim<strong>en</strong>tal <strong>de</strong>l tipo 2.<br />
En resum<strong>en</strong>, los resultados obt<strong>en</strong>idos mediante PIV <strong>en</strong> los experim<strong>en</strong>tos<br />
<strong>de</strong> cuñas puram<strong>en</strong>te friccionales muestran características distintivas <strong>de</strong><br />
acuerdo a las estructuras que se reproduc<strong>en</strong> experim<strong>en</strong>talm<strong>en</strong>te. Los<br />
campos vectoriales <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to pue<strong>de</strong>n ser utilizados para<br />
<strong>de</strong>scribir los cambios <strong>en</strong> la cinemática <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación <strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>do<br />
<strong>de</strong>l estilo estructural.<br />
4.3. Cuñas <strong>de</strong> tipo quebradizo-dúctil o no-Coulomb.<br />
Una cantidad importante <strong>de</strong> evi<strong>de</strong>ncia reportada <strong>en</strong> datos geológicos, así<br />
como datos teóricos y experim<strong>en</strong>tales, apoyan la i<strong>de</strong>a <strong>de</strong> que la<br />
cinemática y la geometría <strong>de</strong> los <strong>cinturones</strong> plegados están directam<strong>en</strong>te<br />
influ<strong>en</strong>ciadas por la fricción <strong>de</strong> la capa basal o <strong>de</strong>spegue (véase, por<br />
ejemplo Koyi, 1995;. Nilfouroshan et al, 2008 para un trabajo reci<strong>en</strong>te<br />
<strong>de</strong> cuñas experim<strong>en</strong>tales <strong>de</strong> Coulomb, y Bonini et al, 2007 para cuñas<br />
analógicas <strong>de</strong> tipo no Coulomb). En g<strong>en</strong>eral, a partir <strong>de</strong> estos trabajos<br />
se ha propuesto que una baja fricción basal y/o acoplami<strong>en</strong>to favorece<br />
40
una distribución más amplia <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación a lo largo <strong>de</strong> la cuña<br />
(Storti y McClay, 2000; Buiter, 2012).<br />
Las cuñas <strong>de</strong> tipo no-Coulomb incluy<strong>en</strong> el caso <strong>de</strong> un <strong>de</strong>spegue basal<br />
dúctil (sistemas quebradizo - dúctiles). En cuñas <strong>de</strong> tipo friccional<br />
analógicas se ha <strong>en</strong>contrado una relación <strong>en</strong>tre la fricción basal, y la<br />
<strong>de</strong>formación volumétrica y superficial (Nilfouroshan et al., 2008). En<br />
cuñas experim<strong>en</strong>tales <strong>de</strong> tipo quebradizo- dúctil la dirección <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>sarrollo prefer<strong>en</strong>cial <strong>de</strong> verg<strong>en</strong>cia pue<strong>de</strong> estar relacionada también<br />
con la fricción basal (Smit et al., 2003; Bonini, 2007), y el flujo <strong>de</strong> la<br />
capa viscosa pue<strong>de</strong> ayudar a propagar o conc<strong>en</strong>trar la <strong>de</strong>formación.<br />
Hemos c<strong>en</strong>trado esta sección <strong>de</strong>l trabajo <strong>en</strong> el análisis <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación<br />
superficial <strong>en</strong> dos cuñas experim<strong>en</strong>tales <strong>de</strong> tipo no-Coulomb, <strong>en</strong> los que<br />
se hace sólo un cambio <strong>en</strong> la viscosidad y <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> la capa viscosa.<br />
Con el fin <strong>de</strong> obt<strong>en</strong>er una imag<strong>en</strong> <strong>de</strong>tallada <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación <strong>en</strong> la<br />
superficie se utilizaron las técnicas <strong>de</strong>scritas <strong>en</strong> este trabajo, las cuales<br />
permit<strong>en</strong> una medición a<strong>de</strong>cuada <strong>de</strong>l campo vectorial <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to<br />
asociado.<br />
4.3.1. Arreglo experim<strong>en</strong>tal.<br />
Se muestran resultados <strong>de</strong> experim<strong>en</strong>tos que consist<strong>en</strong> <strong>en</strong> una capa<br />
quebradiza sobre un fluido <strong>de</strong> alta viscosidad. Los experim<strong>en</strong>tos<br />
reproduc<strong>en</strong> estructuras que son similares a las <strong>en</strong>contradas <strong>en</strong><br />
<strong>cinturones</strong> <strong>de</strong> <strong>pliegues</strong> y <strong>cabalgaduras</strong> <strong>en</strong> México (ver sección <strong>de</strong><br />
introducción).<br />
El arreglo experim<strong>en</strong>tal es similar a experim<strong>en</strong>tos reportados <strong>en</strong> la<br />
literatura (Smit et al., 2003; Bonini, 2003; 2007). Los espesores<br />
consi<strong>de</strong>rados son una capa <strong>de</strong> basam<strong>en</strong>to quebradizo <strong>de</strong> 1 cm, una capa<br />
intermedia <strong>de</strong> comportami<strong>en</strong>to dúctil <strong>de</strong> 0.5 cm, y sobre esta secu<strong>en</strong>cia<br />
una capa quebradiza que repres<strong>en</strong>ta a la cobertura <strong>de</strong> 2 cm <strong>de</strong> espesor.<br />
Las capas friccionales son construidas con ar<strong>en</strong>a seca <strong>de</strong> cuarzo <strong>de</strong><br />
Ottawa, una ar<strong>en</strong>a conocida por sus propieda<strong>de</strong>s físicas y geotécnicas.<br />
Es un material granular, no cohesivo, redon<strong>de</strong>ado y con tamaño<br />
relativam<strong>en</strong>te homogéneo c<strong>en</strong>trado alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 0.25 mm (Figura 18),<br />
con una <strong>de</strong>nsidad apar<strong>en</strong>te <strong>de</strong> ~1520 kg m -3 . El factor <strong>de</strong> escala <strong>de</strong> la<br />
cohesión <strong>de</strong> la ar<strong>en</strong>a (< 100 Pa) a rocas naturales (>20 MPa) arroja<br />
41
valores <strong>de</strong> ~ 10 5 (Schellart, 2000).<br />
Figura 18. Esquema que muestra el arreglo experim<strong>en</strong>tal: a) geometría <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo y<br />
materiales con una imag<strong>en</strong> amplificada <strong>de</strong> la ar<strong>en</strong>a <strong>de</strong> Ottawa utilizada, b) fotografía<br />
que muestra el <strong>de</strong>sarrollo experim<strong>en</strong>tal <strong>en</strong> una fase temprana <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación y los<br />
elem<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> cizalla y <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> relieve.<br />
Se utilizaron mezclas <strong>de</strong> silicón (PDMS SGM 36; Weijemars y<br />
Schmelling, 1986) y ar<strong>en</strong>a <strong>de</strong> Ottawa (con difer<strong>en</strong>tes proporciones <strong>en</strong><br />
peso). El silicón ti<strong>en</strong>e una <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> 965 kg m -3 y una conducta<br />
Newtoniana con un viscosidad dinámica <strong>de</strong> 2x10 4 Pa s, bajo las tasa <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>formación experim<strong>en</strong>tales. Adicionalm<strong>en</strong>te se utilizaron mezclas <strong>de</strong><br />
silicón y ar<strong>en</strong>a <strong>en</strong> difer<strong>en</strong>tes proporciones <strong>en</strong> peso (100:30, 100:50 y<br />
42
100:70). Esta última, por ejemplo ti<strong>en</strong>e una <strong>de</strong>nsidad apar<strong>en</strong>te <strong>de</strong> 1270<br />
kg m -3 , una conducta cercana a la Newtoniana y viscosidad dinámica <strong>de</strong><br />
4x10 4 Pa s. En las tasas <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación aplicadas <strong>en</strong> los experim<strong>en</strong>tos<br />
(1.1x10 -3 s -1 ) los materiales viscosos son dinámicam<strong>en</strong>te similares con<br />
las curvas <strong>de</strong> flujo <strong>de</strong> la sal natural, cuyas viscosida<strong>de</strong>s varían <strong>en</strong>tre 10 17<br />
y 10 20 Pa s (Weijermars and Schmelling, 1986; Bonini, 2003).<br />
Las dim<strong>en</strong>siones horizontales <strong>de</strong> los mo<strong>de</strong>los fueron 23.5 x 15 cm y<br />
ti<strong>en</strong><strong>en</strong> un espesor total <strong>de</strong> 3.5 cm. Los mo<strong>de</strong>los están construidos <strong>de</strong>ntro<br />
<strong>de</strong> una caja rectangular <strong>de</strong> acrílico. La pared móvil produce una<br />
<strong>de</strong>formación con velocidad <strong>de</strong> 2.2 cm h -1 hasta alcanzar <strong>en</strong>tre 23 y 27<br />
% <strong>de</strong> acortami<strong>en</strong>to neto.<br />
4.3.2. Comparación <strong>de</strong> los campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to<br />
<strong>en</strong>tre los experim<strong>en</strong>tos.<br />
En la figura 19 se muestra un ejemplo <strong>de</strong> los resultados obt<strong>en</strong>idos<br />
integrando la topografía digital mediante proyección <strong>de</strong> franjas, con los<br />
campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to sobre el plano repres<strong>en</strong>tados por las flechas<br />
<strong>de</strong> color negro. Los resultados correspon<strong>de</strong>n a un experim<strong>en</strong>to <strong>de</strong><br />
acortami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> una cuña quebradizo-dúctil, con una capa <strong>de</strong> <strong>de</strong>spegue<br />
con baja viscosidad, para los acortami<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> 3.7, 9.4 y 15 %,<br />
respectivam<strong>en</strong>te. En estas gráficas se pres<strong>en</strong>ta la pared móvil, que se<br />
mueve <strong>de</strong> izquierda a <strong>de</strong>recha. Los colores indican el relieve increm<strong>en</strong>tal<br />
(<strong>de</strong>formación fuera <strong>de</strong>l plano), medido cada vez <strong>en</strong>tre imág<strong>en</strong>es<br />
consecutivas que correspon<strong>de</strong>n a intervalos <strong>de</strong> aproximadam<strong>en</strong>te 0.5 %<br />
<strong>de</strong> acortami<strong>en</strong>to.<br />
Se muestra el fr<strong>en</strong>te <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación que se observo durante el<br />
<strong>de</strong>sarrollo experim<strong>en</strong>tal (línea punteada <strong>de</strong> color blanco). De manera<br />
similar al experim<strong>en</strong>to 1B, el fr<strong>en</strong>te <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación <strong>de</strong>fine una curva<br />
cóncava hacia la pared móvil. Esta variación es atribuida a la fricción<br />
<strong>en</strong>tre el mo<strong>de</strong>lo y las pare<strong>de</strong>s laterales <strong>de</strong> acrílico.<br />
Para este caso experim<strong>en</strong>tal el objetivo fue estudiar si es posible<br />
observar cambios <strong>en</strong> la <strong>de</strong>formación <strong>de</strong>l sistema que puedan reflejar las<br />
variaciones <strong>en</strong> el comportami<strong>en</strong>to mecánico <strong>de</strong> la capa <strong>de</strong> <strong>de</strong>spegue<br />
dúctil.<br />
43
Figura 19. Resultados obt<strong>en</strong>idos mediante la combinación <strong>de</strong> las técnicas <strong>de</strong> proyección<br />
<strong>de</strong> franjas y velocimetría <strong>de</strong> partículas, PIV.<br />
En la figuras 20, 21 y 22 se comparan los campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>en</strong><br />
la superficie <strong>de</strong>formada <strong>de</strong> dos experim<strong>en</strong>tos repres<strong>en</strong>tativos con un<br />
<strong>de</strong>spegue <strong>de</strong> baja y <strong>de</strong> alta viscosidad, respectivam<strong>en</strong>te.<br />
44
Figura 20. Análisis <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación sobre la superficie <strong>de</strong> una cuña <strong>de</strong> tipo<br />
quebradizo-dúctil sobre un <strong>de</strong>spegue <strong>de</strong> baja viscosidad relativa (ver <strong>de</strong>talles <strong>en</strong> el<br />
texto).<br />
En la figura 20 se muestran los resultados <strong>de</strong> una cuña sobre una capa<br />
<strong>de</strong> <strong>de</strong>spegue <strong>de</strong> baja viscosidad <strong>en</strong> dos etapas <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación: al<br />
inicio (alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 5% <strong>de</strong> acortami<strong>en</strong>to neto) y <strong>en</strong> un estado avanzado<br />
(alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 15% <strong>de</strong> acortami<strong>en</strong>to neto). Se pres<strong>en</strong>tan para cada<br />
etapa, los resultados <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación fuera <strong>de</strong>l plano, por cizalla y<br />
vorticidad. La <strong>de</strong>formación fuera <strong>de</strong>l plano muestra una simetría concava<br />
hacia la pared móvil como <strong>en</strong> el caso <strong>de</strong> la figura 15. La <strong>de</strong>formación<br />
fuera <strong>de</strong>l plano pres<strong>en</strong>ta un patrón similar <strong>en</strong> las dos imág<strong>en</strong>es<br />
pres<strong>en</strong>tadas. La <strong>de</strong>formación por cizalla muestra patrones opuestos <strong>en</strong><br />
las zonas <strong>de</strong> frontera lateral. Los resultados <strong>de</strong>l experim<strong>en</strong>to con alta<br />
45
viscosidad relativa se muestran <strong>en</strong> la Figura 21. Estos resultados<br />
muestran difer<strong>en</strong>cias significativas. La <strong>de</strong>formación fuera <strong>de</strong>l plano (el<br />
relieve digital) muestra una localización más cercana a la pared móvil.<br />
Figura 21. Análisis <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación sobre la superficie <strong>de</strong> una cuña <strong>de</strong> tipo<br />
quebradizo-dúctil sobre un <strong>de</strong>spegue <strong>de</strong> alta viscosidad relativa (ver <strong>de</strong>talles <strong>en</strong> el<br />
texto).<br />
La <strong>de</strong>formación por cizalla y la vorticidad no muestran patrones<br />
<strong>de</strong>finidos como <strong>en</strong> el caso anterior. Esto es <strong>de</strong>bido a que no hay avance<br />
<strong>de</strong> la cuña orogénica hacia el fr<strong>en</strong>te, por lo que no hay una interacción<br />
con la pared móvil.<br />
46
En la figura 22, se muestran los vectores <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to para los<br />
dos casos experim<strong>en</strong>tales discutidos. En la parte superior <strong>de</strong> la figura se<br />
muestran los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos máximos, tanto para fuera <strong>de</strong>l plano<br />
como <strong>en</strong> el plano. En esta gráfica, la posición <strong>de</strong>l máximo valor <strong>de</strong>l<br />
vector <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to se muestra como una flecha más oscura. El<br />
relieve digital <strong>de</strong>fine dos fr<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación, con difer<strong>en</strong>cias <strong>en</strong><br />
levantami<strong>en</strong>tos y que separan dos dominios <strong>de</strong>l campo <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to.<br />
En el experim<strong>en</strong>to <strong>de</strong> baja viscosidad los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos <strong>en</strong> plano<br />
muestran una variedad <strong>de</strong> ori<strong>en</strong>tación y magnitu<strong>de</strong>s mayor que <strong>en</strong> el<br />
experim<strong>en</strong>to <strong>de</strong> alta viscosidad. Un segundo fr<strong>en</strong>te <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación, el<br />
cual no se observa a simple vista durante el experim<strong>en</strong>to se <strong>de</strong>fine <strong>en</strong> el<br />
microrelieve.<br />
Para porc<strong>en</strong>tajes <strong>de</strong> acortami<strong>en</strong>to similares, el fr<strong>en</strong>te <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación se<br />
localiza aproximadam<strong>en</strong>te <strong>en</strong> la misma posición relativa <strong>en</strong> difer<strong>en</strong>tes<br />
experim<strong>en</strong>tos, pero la separación <strong>en</strong>tre los fr<strong>en</strong>tes es m<strong>en</strong>or para el<br />
numero 08. La fricción <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo con la base y las pare<strong>de</strong>s laterales<br />
esta caracterizada por un ángulo <strong>de</strong> fricción <strong>de</strong> 17º, y produce una<br />
forma curveada <strong>de</strong> los fr<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación. Los cambios <strong>de</strong><br />
ori<strong>en</strong>tación <strong>en</strong> el relieve están asociados con campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to<br />
distintivos. Por ejemplo, los vectores con mayor magnitud <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to se alinean con una t<strong>en</strong><strong>de</strong>ncia W-E acomodando la forma<br />
curveada <strong>de</strong> los fr<strong>en</strong>tes.<br />
Las difer<strong>en</strong>cias cinemáticas <strong>en</strong>tre los dos experim<strong>en</strong>tos fueron<br />
analizadas con <strong>de</strong>talle <strong>en</strong> gráficas <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to finito. Se <strong>en</strong>contró<br />
que el increm<strong>en</strong>to <strong>en</strong> los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos fuera <strong>de</strong>l plano es<br />
relativam<strong>en</strong>te constante para ambos experim<strong>en</strong>tos. Las variaciones<br />
importantes <strong>en</strong>tre los experim<strong>en</strong>tos ocurr<strong>en</strong> <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> 10 % <strong>de</strong><br />
acortami<strong>en</strong>to neto. Los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos <strong>en</strong> el plano se increm<strong>en</strong>tan<br />
linealm<strong>en</strong>te <strong>en</strong> el experim<strong>en</strong>to <strong>de</strong> alta viscosidad hasta 16 % <strong>de</strong><br />
acortami<strong>en</strong>to neto, mi<strong>en</strong>tras que <strong>en</strong> el experim<strong>en</strong>to <strong>de</strong> baja viscosidad,<br />
las magnitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos <strong>en</strong> el plano muestran variaciones<br />
importantes <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> una p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>te g<strong>en</strong>eral m<strong>en</strong>or.<br />
47
Figura 22. Campo <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to y relieve digital combinados <strong>en</strong> los experim<strong>en</strong>tos<br />
08 (a, b, c) y 09 (d, e, f) para dos increm<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación. Se muestran secciones<br />
esquemáticas para comparación con los campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to tridim<strong>en</strong>sional.<br />
Los picos <strong>en</strong> la elevación <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> 10% <strong>de</strong> acortami<strong>en</strong>to neto<br />
muestran una conducta cíclica que pue<strong>de</strong> estar asociada con<br />
increm<strong>en</strong>tos <strong>en</strong> el esfuerzo y su posterior relajami<strong>en</strong>to y perdida <strong>de</strong><br />
resist<strong>en</strong>cia por la formación <strong>de</strong> bandas <strong>de</strong> cizalla y <strong>pliegues</strong>. Esta<br />
relación es más clara <strong>en</strong> el experim<strong>en</strong>to <strong>de</strong> baja viscosidad, don<strong>de</strong> los<br />
cambios <strong>en</strong> los máximos <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos están directam<strong>en</strong>te<br />
48
elacionados con el <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> la falla inversa dominante.<br />
En la figura 23 se muestra un perfil <strong>de</strong> los compon<strong>en</strong>tes <strong>de</strong>l campo <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to que nos arroja información importante. La geometría <strong>de</strong><br />
la <strong>de</strong>formación fuera <strong>de</strong>l plano se <strong>de</strong>fine mediante una sección <strong>de</strong>l<br />
relieve (w <strong>en</strong> la figura 23). Para <strong>de</strong>splegar los resultados los<br />
compon<strong>en</strong>tes <strong>en</strong> el plano (u y v) se pres<strong>en</strong>tan <strong>en</strong> una escala aum<strong>en</strong>tada<br />
tres veces. Las curvas <strong>de</strong> los <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos <strong>en</strong> el plano muestran una<br />
forma sinuosa. La fluctuación <strong>en</strong> estos valores pue<strong>de</strong> ser indicativa <strong>de</strong><br />
pequeñas inestabilida<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to.<br />
Los valores negativos <strong>de</strong> u indican <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>tos relativos hacia la<br />
pared móvil. Un aspecto interesante relacionada con el avance <strong>de</strong> la<br />
<strong>de</strong>formación se muestra <strong>en</strong> los perfiles que sugier<strong>en</strong> picos <strong>de</strong><br />
compactación al fr<strong>en</strong>te <strong>de</strong> la zona <strong>de</strong> mayor relieve.<br />
Figura 23. Desplazami<strong>en</strong>to finitos <strong>en</strong> (línea punteada) y fuera <strong>de</strong>l plano (línea sólida)<br />
para los primeros 18 % <strong>de</strong> acortami<strong>en</strong>to neto <strong>en</strong> a) experim<strong>en</strong>to <strong>de</strong> baja vis y b)<br />
experim<strong>en</strong>to 09.<br />
Finalm<strong>en</strong>te, <strong>en</strong> la figura 24 se comparan dos secciones experim<strong>en</strong>tales<br />
<strong>de</strong> mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong> baja y alta viscosidad.<br />
49
Figura 24. Comparación <strong>en</strong>tre las dos secciones experim<strong>en</strong>tales: a) capa <strong>de</strong> <strong>de</strong>spegue<br />
<strong>de</strong> baja viscosidad; b) capa <strong>de</strong> <strong>de</strong>spegue <strong>de</strong> alta viscosidad relativa.<br />
4.4. Una aplicación <strong>en</strong> 3D, La importancia <strong>de</strong> la secu<strong>en</strong>cia<br />
salina <strong>en</strong> la sali<strong>en</strong>te <strong>de</strong> Monterrey y la cu<strong>en</strong>ca La Popa.<br />
La pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> capas <strong>de</strong> sal con espesor consi<strong>de</strong>rable por <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong>l<br />
cinturón <strong>de</strong> <strong>pliegues</strong> y <strong>cabalgaduras</strong> ti<strong>en</strong>e una importancia fundam<strong>en</strong>tal<br />
para los estilos <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación observados <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong> la Sali<strong>en</strong>te <strong>de</strong><br />
Monterrey y la Cu<strong>en</strong>ca <strong>de</strong> la Popa <strong>en</strong> el noroeste <strong>de</strong> México (Cerca et al.,<br />
<strong>en</strong> pr<strong>en</strong>sa). En este caso también son importantes la geometría <strong>de</strong> la<br />
cu<strong>en</strong>ca don<strong>de</strong> se <strong>de</strong>posito inicialm<strong>en</strong>te la sal y las fallas <strong>de</strong> basam<strong>en</strong>to<br />
reactivadas durante el acortami<strong>en</strong>to. Muchos <strong>de</strong> los <strong>cinturones</strong> con<br />
sali<strong>en</strong>tes reflejan la arquitectura <strong>de</strong> la cu<strong>en</strong>ca sedim<strong>en</strong>taria pre<strong>de</strong>formacional<br />
(Marshak, 2004). Los elem<strong>en</strong>tos como profundidad al<br />
50
<strong>de</strong>spegue, resist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> las rocas, fricción <strong>en</strong> el <strong>de</strong>spegue, y p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>te<br />
<strong>de</strong>l <strong>de</strong>spegue pue<strong>de</strong>n ayudar a controlar la localización y evolución <strong>de</strong> la<br />
<strong>de</strong>formación.<br />
Para explorar estos efectos <strong>en</strong> un mo<strong>de</strong>lo 3D se utilizaron mo<strong>de</strong>los<br />
analógicos que simulan el acortami<strong>en</strong>to que afecto esta zona.<br />
Los mo<strong>de</strong>los consist<strong>en</strong> <strong>de</strong> 3 capas: 1) un basam<strong>en</strong>to quebradizo<br />
repres<strong>en</strong>tado por ar<strong>en</strong>a seca <strong>de</strong> cuarzo y corindon, 2) una capa <strong>de</strong><br />
silicon que simula las secu<strong>en</strong>cias <strong>de</strong> yeso y sal que se han reportado <strong>en</strong><br />
la zona, 3) una cobertura sedim<strong>en</strong>taria quebradiza hecha <strong>de</strong> ar<strong>en</strong>a seca<br />
<strong>de</strong> cuarzo. El espesor <strong>de</strong>l silicón, que simula las secu<strong>en</strong>cias salinas, es<br />
mayor <strong>en</strong> la zona correspondi<strong>en</strong>te <strong>en</strong> la cu<strong>en</strong>ca <strong>de</strong> la Popa<br />
Figura 25. Mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> elevación digital don<strong>de</strong> se muestran algunos <strong>de</strong> los elem<strong>en</strong>tos<br />
estructurales <strong>de</strong> la zona <strong>de</strong> Monterrey y la cu<strong>en</strong>ca <strong>de</strong> La Popa.<br />
El acortami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> los mo<strong>de</strong>los se hizo <strong>de</strong> manera oblicua con respecto<br />
a las fallas que bor<strong>de</strong>an la cu<strong>en</strong>ca. El arreglo experim<strong>en</strong>tal supone que<br />
el acortami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> la secu<strong>en</strong>cia dispara la formación <strong>de</strong> difer<strong>en</strong>tes<br />
51
estilos estructurales observados <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong> la curvatura <strong>de</strong> Monterrey<br />
y la cu<strong>en</strong>ca <strong>de</strong> La Popa (Figura 25). Estas difer<strong>en</strong>cias pue<strong>de</strong>n ser<br />
explicadas por las características geométricas y mecánicas <strong>de</strong> la<br />
secu<strong>en</strong>cia evaporítica (Marret et al., 1999; Marret y Aranda-García,<br />
1999).<br />
El mo<strong>de</strong>lo simula también la reactivación tardía <strong>de</strong> las fallas <strong>de</strong><br />
basam<strong>en</strong>to y su influ<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> las estructuras <strong>de</strong> película <strong>de</strong>lgada<br />
formadas durante el acortami<strong>en</strong>to.<br />
Las secciones sísmicas y los datos geológicos disponibles muestran<br />
difer<strong>en</strong>cias importantes <strong>en</strong> la evolución geológica <strong>de</strong> las estructuras<br />
formadas <strong>en</strong> la capa que cubre la secu<strong>en</strong>cias <strong>de</strong> sal pres<strong>en</strong>tes <strong>en</strong> la zona<br />
(Eguiluz <strong>de</strong> Antuñano et al., 2000; Padilla y Sánchez, 1985). Las<br />
características <strong>de</strong> primer or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> interpretaciones posteriores no<br />
difier<strong>en</strong> significativam<strong>en</strong>te <strong>de</strong> estos trabajos pioneros.<br />
Sin embargo, las estructuras relacionadas con el diapirismo salino y con<br />
las estructuras profundas <strong>de</strong> basam<strong>en</strong>to si que difier<strong>en</strong><br />
significativam<strong>en</strong>te <strong>de</strong>p<strong>en</strong>di<strong>en</strong>do <strong>de</strong>l <strong>en</strong>foque <strong>de</strong> los autores. Por ejemplo,<br />
se han hecho estudios con énfasis <strong>en</strong> la evolución estructural (Marret et<br />
al., 1999; Marret y Aranda-García, 1999; Higuera-Díaz et al., 2005,<br />
Millán-Garrido, 2004), con énfasis <strong>en</strong> la evolución estratigráfica y el<br />
<strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> diapiros salinos (Lawton, Gilles y Lawton, 1999), y sobre<br />
las interpretaciones geológicas y geométricas <strong>de</strong> los datos sísmicos<br />
(Rowan et al., 2003). A pesar <strong>de</strong> esta gran cantidad <strong>de</strong> estudios, la<br />
consist<strong>en</strong>cia mecánica <strong>de</strong> las secciones <strong>en</strong> un marco tectónico regional<br />
no ha sido evaluada hasta la fecha. Los mo<strong>de</strong>los pue<strong>de</strong>n proveer un<br />
marco para ligar las estructuras <strong>de</strong> basam<strong>en</strong>to con los estilos<br />
estructurales <strong>en</strong> la cobertura y las características geométricas <strong>de</strong> las<br />
secu<strong>en</strong>cias salinas. El problema es critico para <strong>en</strong>t<strong>en</strong><strong>de</strong>r la evolución<br />
regional <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación por acortami<strong>en</strong>to y para revelar la pres<strong>en</strong>cia<br />
<strong>de</strong> patrones estructurales complejos que <strong>en</strong>vuelv<strong>en</strong> <strong>de</strong>formación tanto<br />
<strong>de</strong> película <strong>de</strong>lgada como gruesa. Adicionalm<strong>en</strong>te, los mo<strong>de</strong>los pue<strong>de</strong>n<br />
ayudar a pre<strong>de</strong>cir la localización y espesor <strong>de</strong> las secu<strong>en</strong>cias salinas que<br />
controlan efectivam<strong>en</strong>te los estilos <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación.<br />
Los mo<strong>de</strong>los no pue<strong>de</strong>n explicar todas las complejida<strong>de</strong>s estructurales ni<br />
reproduc<strong>en</strong> con <strong>de</strong>talle la zona, pero permit<strong>en</strong> hacer una interpretación<br />
<strong>de</strong> primer or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> la zona.<br />
52
4.4.1. Desarrollo experim<strong>en</strong>tal.<br />
Los mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong> la cu<strong>en</strong>ca La Popa se llevaron a cabo <strong>en</strong> condiciones <strong>de</strong><br />
gravedad normal sobre la mesa experim<strong>en</strong>tal <strong>de</strong> cizalla simple. La<br />
selección <strong>de</strong> materiales utilizados y el arreglo experim<strong>en</strong>tal se muestran<br />
<strong>en</strong> la figura 26.<br />
Los mo<strong>de</strong>los consist<strong>en</strong> <strong>de</strong> una cuña <strong>de</strong> tipo quebradizo- dúctil <strong>de</strong> tres<br />
capas: (1) un basam<strong>en</strong>to quebradizo con fallas pre-exist<strong>en</strong>tes al<br />
<strong>de</strong>posito <strong>de</strong>, (2) una secu<strong>en</strong>cia salina con cambios importantes <strong>en</strong><br />
espesor y litología <strong>de</strong>bido a la topografía exist<strong>en</strong>te, (3) una cobertura<br />
sedim<strong>en</strong>taria quebradiza. Se utilizo ar<strong>en</strong>a seca <strong>de</strong> cuarzo para construir<br />
las capas quebradizas. La capa viscosa fue construida utilizando un<br />
fluido <strong>de</strong> silicón con una <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> 1195 kg m −3 , una viscosidad<br />
dinámica <strong>de</strong> 3 × 10 4 Pa s. Las capas más <strong>de</strong>lgadas <strong>de</strong> evaporitas<br />
pres<strong>en</strong>tes por <strong>de</strong>bajo <strong>de</strong> la sali<strong>en</strong>te <strong>de</strong> Monterrey se construyeron<br />
utilizando una mezcla <strong>de</strong> silicón y ar<strong>en</strong>a con una resist<strong>en</strong>cia mayor al<br />
flujo. El mo<strong>de</strong>lo es una repres<strong>en</strong>tación tridim<strong>en</strong>sional g<strong>en</strong>érica <strong>de</strong> un<br />
proceso <strong>de</strong> formación <strong>de</strong> montañas que involucra una capa <strong>de</strong> <strong>de</strong>spegue<br />
viscoso.<br />
Para el escalami<strong>en</strong>to <strong>de</strong> este mo<strong>de</strong>lo, se consi<strong>de</strong>ra que 1 cm repres<strong>en</strong>ta<br />
aproximadam<strong>en</strong>te 10 km <strong>de</strong> la corteza superior. La pared móvil avanza a<br />
una velocidad <strong>de</strong> 1.4 cm h −1 hasta que se alcanza un acortami<strong>en</strong>to neto<br />
<strong>de</strong> alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> 30%. Este acortami<strong>en</strong>to es consist<strong>en</strong>te con las<br />
estimaciones previas para la zona (ver Marret y Aranda-García, 1999).<br />
Para simplificar el problema se supone que el espesor <strong>de</strong> las secu<strong>en</strong>cias<br />
salinas esta controlado por las estructuras que bor<strong>de</strong>an la cu<strong>en</strong>ca <strong>de</strong> La<br />
Popa. Pue<strong>de</strong>n existir otras fallas internas que no fueron consi<strong>de</strong>radas. Se<br />
ha docum<strong>en</strong>tado que hubo diapirismo salino previo a la etapa <strong>de</strong><br />
acortami<strong>en</strong>to <strong>de</strong>l Cretácico superior (Gilles y Lawton, 1999; Rowan et<br />
al., 2003), este episodio <strong>de</strong> diapirismo no <strong>de</strong>scarta la pertin<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> las<br />
respuesta <strong>de</strong> primer or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> la secu<strong>en</strong>cia a la tectónica, que estamos<br />
tratando aquí. En otras palabras, el arreglo experim<strong>en</strong>tal esta diseñado<br />
para estudiar el acortami<strong>en</strong>to y el efecto <strong>de</strong>l diapirismo no afecta la<br />
respuesta regional <strong>de</strong>l sistema.<br />
Para reducir la fricción <strong>en</strong> la base <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo se añadió una capa<br />
<strong>de</strong>lgada <strong>de</strong> aceite <strong>de</strong> vaselina. La geometría inicial <strong>de</strong> los experim<strong>en</strong>tos<br />
53
se muestra <strong>en</strong> la figura (26).<br />
Figura 26. Mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> elevación digital don<strong>de</strong> se muestran algunos <strong>de</strong> los elem<strong>en</strong>tos<br />
estructurales <strong>de</strong> la zona <strong>de</strong> Monterrey y la cu<strong>en</strong>ca <strong>de</strong> La Popa.<br />
4.4.2. Resultados <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo.<br />
El arreglo experim<strong>en</strong>tal arrojaron resultados que reproduc<strong>en</strong> <strong>de</strong> manera<br />
apropiada los estilos estructurales observados <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong> estudio. La<br />
evolución <strong>de</strong>l relieve digital <strong>en</strong> la figura 27, muestra los patrones<br />
observados durante la evolución <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación y los estilos<br />
estructurales que se formaron <strong>en</strong> cada parte <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo. La primer<br />
cabalgadura formada ti<strong>en</strong>e una ori<strong>en</strong>tación paralela a la <strong>de</strong> la pared<br />
móvil. Las fallas <strong>de</strong> basam<strong>en</strong>to comi<strong>en</strong>zan a reactivarse incluso durante<br />
las primeras etapas <strong>de</strong> acortami<strong>en</strong>to, aunque ti<strong>en</strong><strong>en</strong> un <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to<br />
m<strong>en</strong>or (Figura 27).<br />
54
Figura 27. Mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> elevación digital don<strong>de</strong> se muestran algunos <strong>de</strong> los elem<strong>en</strong>tos<br />
estructurales <strong>de</strong> la zona <strong>de</strong> Monterrey y la cu<strong>en</strong>ca <strong>de</strong> La Popa.<br />
Cuando el fr<strong>en</strong>te orogénico avanza hacia la zona con mayor espesor <strong>de</strong><br />
sal la activación <strong>de</strong> las fallas <strong>de</strong> basam<strong>en</strong>to es más evi<strong>de</strong>nte y los<br />
<strong>pliegues</strong> <strong>en</strong> esta zona ti<strong>en</strong><strong>en</strong> una longitud <strong>de</strong> onda mayor con una forma<br />
que ya no es paralela a la pared móvil. En uno <strong>de</strong> los experim<strong>en</strong>tos<br />
realizados se se observo la formación <strong>de</strong> un diapiro que ev<strong>en</strong>tualm<strong>en</strong>te<br />
corto la superficie <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong>l núcleo <strong>de</strong>l primer anticlinal formado <strong>en</strong><br />
la cu<strong>en</strong>ca.<br />
55
4.4.3. Implicaciones para la <strong>de</strong>formación <strong>de</strong>l noroeste <strong>de</strong><br />
México.<br />
Se pres<strong>en</strong>tan dos secciones <strong>de</strong> los mo<strong>de</strong>los que muestran los estilos <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>formación obt<strong>en</strong>idos (Figure 28). Los mo<strong>de</strong>los son simplificaciones <strong>de</strong><br />
la estructura <strong>de</strong> la zona <strong>de</strong> Monterrey que pret<strong>en</strong><strong>de</strong>n evaluar la<br />
consist<strong>en</strong>cia mecánica <strong>de</strong> la interpretación propuesta a continuación.<br />
Los mo<strong>de</strong>los no consi<strong>de</strong>ran efectos que pue<strong>de</strong>n t<strong>en</strong>er una influ<strong>en</strong>cia<br />
fundam<strong>en</strong>tal <strong>en</strong> el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación como son los efectos <strong>de</strong><br />
erosión y <strong>de</strong>pósito, la evolución térmica <strong>de</strong> la zona y, <strong>en</strong> particular, la<br />
movilización previa <strong>de</strong> la sal <strong>en</strong> forma <strong>de</strong> diapiros gravitacionales, por lo<br />
que no se pue<strong>de</strong> esperar que reproduzcan las interacciones más<br />
complejas que se observan <strong>en</strong> la naturaleza.<br />
Figura 28. Resultados <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo e interpretación a partir <strong>de</strong> una sección previa.<br />
56
La implicación principal <strong>de</strong> nuestros resultados es que el cinturón <strong>de</strong><br />
<strong>pliegues</strong> y cablagaduras <strong>en</strong> esta zona muestra un patrón complejo <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>formación que pue<strong>de</strong> ser explicado por la pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> estructuras<br />
previas y cambios <strong>en</strong> el espesor <strong>de</strong> las secu<strong>en</strong>cias con comportami<strong>en</strong>to<br />
viscoso (e.g., Marshak, 2004).<br />
Las similitu<strong>de</strong>s <strong>en</strong>tre los mo<strong>de</strong>los y la <strong>de</strong>formación <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong> estudio<br />
incluy<strong>en</strong>:<br />
1. La influ<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> los escalones <strong>en</strong> el basam<strong>en</strong>to para <strong>de</strong>linear los<br />
dominios estructurales y su influ<strong>en</strong>cia pasiva <strong>en</strong> la localización <strong>de</strong> la<br />
<strong>de</strong>formación y <strong>en</strong> la formación <strong>de</strong> diapiros.<br />
2. Los cambios <strong>en</strong> el espesor y reología <strong>de</strong> la sal como un factor que<br />
dispara el diapirismo y la diversidad <strong>de</strong> los estilos estructurales.<br />
3. El avance heterogéneo <strong>de</strong>l fr<strong>en</strong>te orogénico <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong> la cu<strong>en</strong>ca<br />
salina.<br />
4. La formación incipi<strong>en</strong>te <strong>en</strong> los mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong> una sali<strong>en</strong>te <strong>en</strong> la zona<br />
correspondi<strong>en</strong>te <strong>de</strong> la curvatura <strong>de</strong> Monterrey.<br />
5. Se reprodujo la doble verg<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> <strong>pliegues</strong> <strong>en</strong> el dominio <strong>de</strong> mayor<br />
espesor salino.<br />
7. Se reprodujo el estilo <strong>de</strong> película <strong>de</strong>lgada observado <strong>en</strong> la secu<strong>en</strong>cia<br />
sedim<strong>en</strong>taria <strong>de</strong> cobertura.<br />
5. Conclusiones.<br />
En este trabajo he pres<strong>en</strong>tado una revisión <strong>de</strong> las técnicas<br />
implem<strong>en</strong>tadas <strong>en</strong> el laboratorio <strong>de</strong> Mecánica <strong>de</strong> Geosistemas <strong>de</strong>l C<strong>en</strong>tro<br />
<strong>de</strong> Geoci<strong>en</strong>cias, para el estudio <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación <strong>en</strong> experim<strong>en</strong>tos<br />
físicos <strong>de</strong> procesos tectónicos. En particular, este trabajo se <strong>en</strong>foca <strong>en</strong><br />
experim<strong>en</strong>tos que reproduc<strong>en</strong> la mecánica (cinemática y dinámica) <strong>de</strong><br />
cuñas <strong>de</strong> acortami<strong>en</strong>to tanto <strong>de</strong> tipo friccional como <strong>de</strong> tipo quebradizo –<br />
dúctil.<br />
Los campos <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> las superficies (superior y lateral) <strong>de</strong><br />
los experim<strong>en</strong>tos se midieron mediante el uso <strong>de</strong> una combinación <strong>de</strong><br />
técnicas ópticas: proyección <strong>de</strong> franjas y velocimetría <strong>de</strong> partículas. Se<br />
pres<strong>en</strong>tan los fundam<strong>en</strong>tos <strong>de</strong> estas técnicas y como se logró su<br />
combinación para obt<strong>en</strong>er las compon<strong>en</strong>tes <strong>de</strong> <strong>de</strong>splazami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> el<br />
plano y fuera <strong>de</strong>l plano.<br />
Las técnicas implem<strong>en</strong>tadas se aplicaron a medir la evolución espacial y<br />
57
temporal <strong>de</strong> experim<strong>en</strong>to físicos. Se <strong>de</strong>muestra que la técnica se pue<strong>de</strong><br />
aplicar a este tipo <strong>de</strong> análisis y a otras aplicaciones <strong>en</strong> el campo <strong>de</strong> la<br />
ing<strong>en</strong>iería. Los <strong>de</strong>talles y la resolución alcanzados permit<strong>en</strong> el análisis<br />
experim<strong>en</strong>tal <strong>de</strong> la micromecánica <strong>de</strong> una superficie <strong>de</strong> material granular<br />
seco y no cohesivo. Los resultados experim<strong>en</strong>tales pue<strong>de</strong>n servir como<br />
guía para otros estudios analíticos y numéricos, y sobretodo pue<strong>de</strong>n<br />
ayudar a plantear teorías constitutivas <strong>de</strong> cuñas orogénicas. Los<br />
mo<strong>de</strong>los <strong>de</strong> cuñas friccionales nos permitieron hacer una validación <strong>de</strong> la<br />
técnica y <strong>de</strong> los mo<strong>de</strong>los físico-mecánicos <strong>de</strong> cuñas orogénicas.<br />
Las difer<strong>en</strong>cias <strong>en</strong> estilos estructurales observadas <strong>en</strong> zonas <strong>de</strong><br />
acortami<strong>en</strong>to <strong>en</strong> Mexico <strong>de</strong>bido a la pres<strong>en</strong>cia o no <strong>de</strong> un sustrato<br />
plástico – dúctil, fueron reproducidas <strong>en</strong> los experim<strong>en</strong>tos.<br />
La distribución <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación sobre la superficie <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo no es<br />
uniforme y los resultados confirman que hay una influ<strong>en</strong>cia fundam<strong>en</strong>tal<br />
<strong>de</strong> la reología <strong>de</strong>l <strong>de</strong>spegue.<br />
Los mo<strong>de</strong>los <strong>en</strong> 3D que simulan el acortami<strong>en</strong>to oblicuo con respecto a<br />
fallas <strong>de</strong> basam<strong>en</strong>to que limitan una cu<strong>en</strong>ca salina, resultaron <strong>en</strong> una<br />
variedad <strong>de</strong> estilos estructurales similares a la observada <strong>en</strong> la zona <strong>de</strong><br />
la curvatura <strong>de</strong> Monterrey y la cu<strong>en</strong>ca <strong>de</strong> La Popa. Las secciones<br />
sísmicas disponibles docum<strong>en</strong>tan los estilos estructurales que los<br />
mo<strong>de</strong>los pue<strong>de</strong>n ayudar a interpretar <strong>en</strong> términos <strong>de</strong> <strong>pliegues</strong> <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>spegue dúctil y diapirismo forzado.<br />
Los diapiros <strong>de</strong> sal formados previam<strong>en</strong>te al acortami<strong>en</strong>to no se<br />
excluy<strong>en</strong> <strong>en</strong> esta interpretación, pero no fueron consi<strong>de</strong>rados <strong>en</strong> el<br />
arreglo experim<strong>en</strong>tal que reproduce una interpretación estructural más<br />
regional. Los efectos que se esperarían <strong>de</strong> incluir los diapiros serían una<br />
inyección forzada y la ac<strong>en</strong>tuación <strong>de</strong> la localización <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación<br />
<strong>en</strong> los mo<strong>de</strong>los.<br />
Finalm<strong>en</strong>te, la interpretación pres<strong>en</strong>tada implica la pres<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> fallas<br />
pre-exist<strong>en</strong>tes que limitan una cu<strong>en</strong>ca salina y las difer<strong>en</strong>cias <strong>en</strong> el<br />
espesor <strong>de</strong> la sal, los cuales son elem<strong>en</strong>tos relevantes que influyeron <strong>en</strong><br />
los estilos estructurales observados <strong>en</strong> la zona. Nuestros mo<strong>de</strong>los<br />
prueban que los complejos patrones <strong>de</strong> <strong>de</strong>formación pudieron haber sido<br />
provocados por una evolución mecánica simple controlada por los<br />
aspectos geométricos y resist<strong>en</strong>cia <strong>de</strong> materiales <strong>de</strong> la zona.<br />
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7. Agra<strong>de</strong>cimi<strong>en</strong>tos.<br />
El <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong>l laboratorio <strong>de</strong> Mecánica <strong>de</strong> Geosistemas ha sido un<br />
esfuerzo conjunto con Dora Carreón Freyre, Ricardo Carrizosa y Klaudia<br />
Oleschko. Bernardino Barri<strong>en</strong>tos-García <strong>de</strong>l C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Investigaciones <strong>en</strong><br />
Optica ha <strong>de</strong>sarrollado las técnicas ópticas adaptadas para el estudio <strong>de</strong><br />
mo<strong>de</strong>los analógicos, con la participación <strong>de</strong> Carlos Mares y Jorge García<br />
Marques. Los primeros prototipos <strong>de</strong> sistemas automatizados <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>formación fueron <strong>de</strong>sarrollados por un grupo conformado <strong>en</strong>tre los<br />
Institutos <strong>de</strong> Geología y Geofísica, UNAM, por Caridad Hernán<strong>de</strong>z-<br />
Bernal, Gustavo Tolson, Teodoro Hernán<strong>de</strong>z Treviño. Las discusiones con<br />
Giacomo Corti y Marco Bonini <strong>de</strong>l laboratorio <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lado analógico <strong>de</strong><br />
la Universidad <strong>de</strong> Flor<strong>en</strong>cia han mejorado sustancialm<strong>en</strong>te los resultados<br />
obt<strong>en</strong>idos. Mis estudiantes <strong>de</strong> posgrado Jazmín Chavez Alvarez, Rodrigo<br />
Portillo-Pineda y Diego Gracia Marroquín han impulsado con sus tesis<br />
estos estudios. Se agra<strong>de</strong>ce el apoyo <strong>de</strong> los proyectos CONACyT No.<br />
46235, PAPIIT (UNAM) IN120305 e IN115109-3 y CONCYTEG -Estado <strong>de</strong><br />
Guanajuato, 07-04-K662-043.<br />
67
8. Breve curriculum Vitae <strong>de</strong> Luis Mariano Cerca Martínez.<br />
Realizó sus estudios profesionales como Oceanólogo con especialidad <strong>en</strong><br />
Geología <strong>en</strong> la Facultad <strong>de</strong> Ci<strong>en</strong>cias Marinas <strong>de</strong> la Universidad Autónoma<br />
<strong>de</strong> Baja California, la maestría <strong>en</strong> Geofísica Aplicada <strong>en</strong> el C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong><br />
Investigación Ci<strong>en</strong>tífica y Educación Superior <strong>de</strong> Ens<strong>en</strong>ada, Baja<br />
California, y el doctorado <strong>en</strong> Ci<strong>en</strong>cias <strong>de</strong> la Tierra (especialidad Geología<br />
Estructural y Tectónica) <strong>en</strong> la UNAM. Después <strong>de</strong> una estancia<br />
posdoctoral <strong>en</strong> el Instituto <strong>de</strong> Geología se incorporó a la plantilla <strong>de</strong><br />
Investigadores <strong>de</strong>l CGEO, <strong>en</strong> 2006. Des<strong>de</strong> 2007 es investigador titular<br />
responsable <strong>de</strong>l Laboratorio LAMMG, C<strong>en</strong>tro <strong>de</strong> Geoci<strong>en</strong>cias, don<strong>de</strong><br />
realiza experim<strong>en</strong>tos y mediciones <strong>en</strong> materiales a escala <strong>de</strong> laboratorio<br />
para tratar <strong>de</strong> <strong>en</strong>t<strong>en</strong><strong>de</strong>r los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os geológicos y mecánicos <strong>de</strong> la<br />
Tierra. Es especialista <strong>en</strong> Geología Estructural y Tectónica y forma parte<br />
<strong>de</strong>l Sistema Nacional <strong>de</strong> Investigadores <strong>en</strong> el nivel 2.<br />
Publicaciones relevantes para este trabajo:<br />
• Cerca, M., Portillo-Pineda, R., Carreón-Freyre, D. 2012 <strong>en</strong> pr<strong>en</strong>sa.<br />
Analogue mo<strong>de</strong>ling of the Monterrey sali<strong>en</strong>t and the La Popa<br />
Basin, northeastern México. GCAGS Transactions, v. 61, .<br />
• Cerca M, Ferrari L, Corti G, Bonini M, & Manetti P. 2010. Inversion<br />
tectonics of the heterog<strong>en</strong>eous lithosphere of southwestern Mexico<br />
during Larami<strong>de</strong> short<strong>en</strong>ing. Lithosphere, 2 (3), 172–187. doi:<br />
10.1130/L48.1<br />
• Cerca M, Ferrari L, Corti G, Bonini M, Tolson G, & Manetti P. 2009.<br />
Geological evolution of the southern margin of Mexico (Xolapa<br />
complex) during the Early Tertiary: a discussion based on<br />
analogue mo<strong>de</strong>ls. In James, K.H., Lor<strong>en</strong>te, M. A., and Pin<strong>de</strong>ll, J.,<br />
(eds), Origin and Evolution of the Caribbean Plate, Geological<br />
Society of London, Special Publications, 328, 179-193.<br />
doi:10.1144/SP328.8.<br />
• Cerca, M., Barri<strong>en</strong>tos, B., Portillo-Pineda, R., García-Márquez, J.,<br />
2008. Detailed surface kinematics in analogue brittle – ductile<br />
thrust wedges. Bolletino di Geofisica Teorica e Applicata 49, 211-<br />
214.<br />
68
• Barri<strong>en</strong>tos, B., Cerca, M., García-Márquez, J., and Hernán<strong>de</strong>z-<br />
Bernal, C. 2008. Three-dim<strong>en</strong>sional displacem<strong>en</strong>t measurem<strong>en</strong>t<br />
by fringe projection and speckle photography. Journal of Optics A:<br />
Pure and Applied Optics, 10, 104027, 10pp.<br />
• Cerca M., Barri<strong>en</strong>tos-García, B., García-Márquez, J., Hernán<strong>de</strong>z-<br />
Bernal, C. 2007. Obt<strong>en</strong>ción <strong>de</strong>l relieve digital mediante proyección<br />
<strong>de</strong> luz estructurada <strong>en</strong> mo<strong>de</strong>los analógicos <strong>de</strong> ext<strong>en</strong>sión. Boletín<br />
<strong>de</strong> la Sociedad Geológica Mexicana, 59 (1-2), 101-113.<br />
• Cerca M., Ferrari L., Bonini M., Corti G., & Manetti P. 2004. The<br />
role of crustal heterog<strong>en</strong>eity in controlling vertical coupling during<br />
Larami<strong>de</strong> short<strong>en</strong>ing and the <strong>de</strong>velopm<strong>en</strong>t of the Caribbean -<br />
North American transform boundary in southern Mexico: insights<br />
from analogue mo<strong>de</strong>ls. In Grocott, J., Taylor G., Tikoff, B. (Eds).<br />
“Vertical coupling and <strong>de</strong>coupling in the Lithosphere”. Geological<br />
Society, London, Special Publication, 227, 117 - 140.<br />
69