Download Introducción a las Ciencias Terrestres

Procesos gravitacionales
(“Mass Wasting”)
GEOL 4017: Cap. 4
Prof. Lizzette Rodríguez
Factores que afectan
el movimiento hacia abajo
• Mass wasting – movimiento hacia abajo de
roca, regolito (derrubios) y suelo por gravedad
• Fuerza gravitacional > resistencia friccional del
material en la pendiente
• Magnitud de la fuerza depende: masa del
material + angulo de pendiente
• Factor importante: prop. fisicas del material –
se comporta como solido elastico, plastico o
como fluido
Fuerzas impulsadoras
• Fuerza de gravedad
– Factor principal – actua verticalmente hacia abajo (centro)
– 2 componentes: parelelo a superficie en pendiente (Fp),
perpendicular a superficie (Fn)
• Fp = Fg sin q , Fg – peso en lb o kg, q – angulo de pendiente
• Fn = Fg cos q
– Aumento en pendiente – Fp aumenta de 0 a maximo en
pendiente vertical, Fn disminuye de maximo en horizontal a
0 en vertical
– Expresar como estres (F/A): estres total, componente
paralelo (“shear stress”) y perpendicular (“normal stress”)
– Aumento en Fn causa aumento en friccion
– “strain” – deformacion o cambio en forma o volumen
causado por aplicacion de estres (de tension, de
compresion, “shear” - cizallante)
Fuerzas de resistencia
• Caracteristicas fisicas
– Elasticidad: material regresa a su tamano y
forma original luego de aplicarle estres
• Reglas: estres produce misma cantidad de
deformacion, un estres mantenido produce
deformacion constante, remocion de estres causa
recuperacion completa
• Ley de Hooke: estres/deformacion = constante
– Deformacion proporcional a estres aplicado, hasta el
limite elastico (deformacion no se puede recuperar)
Cont. Caracteristicas fisicas
– Plasticidad: material retiene tamano y forma
impartido por estres (estres es aplicado hasta
que los enlaces son rotos)
• Comun en materia no consolidada (ej. arcillas) o
en rocas debiles (ej. yeso, sal)
• “Creep” – deformacion plastica lenta y continua.
Comun en materiales que pasan cambios en
contenido de H2O, T y peso del material
sobreyacente.
Cont. Caracteristicas fisicas
– Viscosidad: material se comporta como fluido
• Resistencia interna friccional de un fluido a fluir
• Fluidos Newtonian: liquidos que fluyen a razones
proporcionales al estres aplicado
• Non-Newtonian: viscosidad cambian con el estres
aplicado (ej. flujos de lodo, flujos de escombros)
– Cambios en contenido de H2O:
• Arcillas: condiciones secas se comporta como solido
elastico propenso a “brittle failure” (rotura fragil),
pasado el limite plastico -- plasticamente, pasado el
limite liquido -- como fluido viscoso
Fuerza de material (“strength”)
– Resistencia maxima de material a estres. Cantidad de estres
necesario para causar rotura (“failure”) del material.
• Shear, tensile, compressive strength
– “Shear strength”: resistencia al cizallamiento (“shear”) o
movimiento. Rotura ocurre en superficie si el “shear stress”
> la fuerza cohesiva (fuerza cuando el estres normal al plano
de cizalla = 0) del material y su resitencia a movimiento
• Shear strength = (estres normal al “shear plane”) x (coeficiente de
friccion interna)
• Ley de Coulomb: t = c + Sn tan f, t = “shearing stress”, c = cohesion,
Sn = estres normal, f = angulo de friccion interna o resistencia al
cizallamiento
• Mohr: cuando una roca pasa por estres de compresion, ocurre “shear
fracturing” paralelo a 2 planos para los cuales el “shearing stress”
esta al maximo y la presion normal esta al minimo
Friccion
• Fuerza principal de resistencia a gravedad en
material bajando pendiente. Resistencia
mecanica
– Friccion de deslizamiento (“sliding”: 2 masas
contiguas, separadas por un plano definido. Varia
con aspereza de superficie, area y humedad de
contacto, presion fluida que empuja hacia arriba,
pendiente (angulo aumenta -- Fn disminuye -menor friccion)
• estatica vs dinamica
• Ff = Fn x Cf, Ff = fuerza normal a superficie, Cf =
coeficiente de friccion de deslizamiento – tan f
Cont. Friccion
– Friccion interna: entre granos individuales en
un material. Ej. material no consolidado,
donde retarda el movimiento de los granos
entre ellos
• Material no consolidado se desliza hasta alcanzar
una pendiente estable, llamada angulo de reposo,
cuya tangente ~angulo de friccion interna
• Angulo de friccion interna varia con: tamano, forma
y aspereza de los granos, r de empaquetamiento,
humedad, y en materiales saturados – las P de poro
de fluido entre granos
Efectos del H2O
• Importante para determinar friccion interna – reduce friccion
grano-grano, pero anade peso que puede causar deslizamiento
en pendiente que era estable cuando seca
• Ej. arena humeda tiene > cohesion (“shear strength” no
relacionado a friccion entre particulas) que seca
• Cohesion – resulta de tension de superficie de laminas de H2O,
que juntan los granos (poros llenos de H2O- no cohesion, ej.
arena movediza), reduce con aumento en presion de poro del
H2O (ej. inundacion en un canal de un rio > drenaje del H2O -podemos encontrar roturas (“failures”) a lados de canales)
• P de poro de H2O disminuye la Fn -- suelo saturado en
pendiente tiene < fuerza de friccion interna que una masa seca
• Otro efecto: absorcion en arcillas expandibles, ej.
montmorilonita, se hinchan y pierden su fuerza interna
(A) Friccion entre las particulas empaquetadas
las mantiene en su lugar,
(B) Granos son separados a la fuerza y
la friccion se reduce, permitiendo movimiento
Cohesion
• Aumento en cohesion -- aumento en resistencia al
cizallamiento (“shear strength”)
• Se = Sn – Sp, cohesion (c) es la resistencia al
cizallamiento (“shear strength”) residual cuando
el Se = 0
• Contenido de H2O alto puede causar que un
material cohesivo o no-cohesivo se comporte
como un fluido viscoso
– 0% H2O – limite plastico: comporta como solido, LP –
limite liquido: plastico (extension es el PI = LL-PL),
encima de LL - liquido
Efectos de la vegetacion
• Ausencia de vegetacion deja el suelo mas
propenso a rotura de pendiente (“slope failure”)
• Plantas protegen contra la erosion y contribuyen
a la estabilidad de las pendientes, porque sus
sistemas de raices unen el suelo y el regolito
• Plantas pueden anadir peso y contribuir un poco
a las fuerzas impulsadoras
Estabilidad de la pendiente
• Rotura de la pendiente (“slope failure”) ocurren pq la
suma del estres gravitacional > fuerza resistente del
material
– Factor de seguridad F = Ff/Fg, Ff – suma de fuerzas
friccionales; F>1: estable, F<1: inestable, F=1: en el borde
• Causado por: fuerzas (1) externas (mecanismos que
causan que se sobrepase la resistencia interna al
cizallamiento (“shear strength”) de una masa, ej.
aumento en peso; tambien temblores), (2) internas
(procesos en la masa, ej. efectos de aguas
subterraneas – saturacion causa: aumento en peso y P
de poro, cambios en V en arcillas, descomposicion de
minerales, etc.)
Cont. Estabilidad…
• flujo (“flow”) vs. deslizamiento (“slip”):
– Flow: deformacion interna continua sin
desarrollar una superficie de deslizamiento, no
siempre envuelve un fluido viscoso, puede ser
plastico. Forma de lengua o lobulo.
– Slip: cualquier movimiento que rompe a lo largo
de una o mas superficies definidas de
deslizamiento (“shearing”). El material
mantiene coherencia.
Cont. Estabilidad…
• Tipo de fuerza depende del estres aplicado:
– Compressive strength: resistencia a compresion, mayor
– Tensile strength: menor
– Shear strength
• Fluidos no tienen shear strength, sino que fluyen por
su propio peso. Gotas se mantienen por tension de
superficie y pueden darle fuerza a un agregado.
• Capacidad de infiltracion: propiedad importante,
razon limitante a que el H2O puede penetrar la tierra,
profundidad/tiempo (ej. in/hr)
– Controlada por: textura y estructura del suelo, cubierta
vegetal, estructuras biologicas en el suelo, humedad,
condicion de superficie del suelo (ej. cultivado), T
Tipos de procesos gravitacionales
• Movimientos lentos y continuos
– Reptacion (“Creep”): movimiento lento pendiente
abajo de suelo superficial o derrubios (“debris”) de
roca, que usualmente no se percibe al menos que
se observe por mucho tiempo
• Soil creep, rock creep, talus creep
• Incluye la migracion de brechas con hielo como
glaciares de roca y el fluido de lodo mojado y plastico
como solifluxion bajo la influencia de congelaciondeshielo de tierra saturada
Cont. Creep
• Suma de numerosos movimientos discretos de material de
la pendiente (coluvion – depositos sueltos e incoherentes)
bajo la influencia de la gravedad
– Facilitado por: alzamiento de la tierra causado por expansion
y contraccion (congelacion-deshielo, wetting-drying, cambios
en volumen, etc.)
• Resulta en: inclinacion de objetos como postes, lapidas,
paredes; curvatura de arboles, movimiento de grandes
bloques lejos de afloramientos, curvatura en estratos
• Proceso es mas rapido y efectivo en superficie, y no afecta
mas a profundidad
• Otros mecanismos: desplazamiento de particulas por
organismos: ej. colapso de perforaciones; temblores;
deformacion plastica
Expansion y contraccion repetidas,
causadas por congelacion-deshielo
Solifluxion
• Suelo saturado fluyendo pendiente abajo
• Proceso importante en climas frios, donde el
deshielo causa saturacion periodicamente
– Durante el deshielo, el agua no puede penetrar el
suelo congelado (permafrost), causando que el
suelo se sature y actue como un fluido viscoso,
formando lobulos (“lobes”) de material saturado
con la consistencia del cemento mojado
Lobulos de solifluxion, Alaska
Movimientos rapidos y discontinuos
• Rockslides (deslizamiento de rocas): bloques de rocas
se sueltan y se deslizan pendiente abajo en una
superficie plana
– Discontinuidades mas comunes que forman planos de
rotura: diaclasamiento y estratificacion.
– Diaclasas: importante la ocurrencia, orientacion y
naturaleza. Determinan: resistencia a friccion (si los planos
de las diaclasas estan juntos, si las superficies son asperas,
etc.). Caracteristicas de superficies determinan la
resistencia a movimiento, al igual que la presencia de agua
(deestabiliza pendiente, aumenta P de poro, ej. lluvias,
humedad alta)
Cont. Rockslides
– Planos de estratificacion: especialmente
cuando la estratificacion esta socavada
(“undercut”) y termina en aire
• Ej. 1925 Gros Ventre rockslide, Wyoming;
1963 Vaiont rockslide, Italy
1925 Gros Ventre rockslide, Wyoming
1963 Vaiont rockslide, Italy
Deslizamiento de rocas
Avalancha de rocas, causada por terremoto, Alaska
Deslizamientos de derrubios
(“Debris slides”)
• Masas de material no consolidado se rompen,
sueltan y se deslizan sobre la superficie
subyacente (“underlying”)
• Se mueven en planos de deslizamiento
predefinidos
• Comunes donde sedimentos no consolidados
delgados sobre superficies inclinadas de
bedrock se saturan y separan de la superficie de
abajo
Caidas de rocas (“Rockfalls”)
• Rocas se rompen y sueltan de pendientes
empinadas y caen por el aire tierra abajo – en caida
libre, rebotan o ruedan
• Comunes en pendientes casi verticales - bedrock
esta bien diaclasado y hay muchos bloques
rodeados por diaclasas que se pueden soltar
• Toppling – incluye rotacion hacia el frente de un
bloque alrededor de un “hinge line” (punto de
mayor curvatura), usualmente en la base del bloque.
Centro de gravedad esta en un plano vertical.
Cont. Caidas de rocas
• Talud – producido por caidas de rocas
continuas, acumulacion de fragmentos sueltos
en conos o “faldas” en la base de pendientes
empinadas. El talud va gradualmente a pasar
por “creep” por la influencia de la gravedad.
• Angulo de reposo – inversamente proporcional
al tamano de las particulas si el deposito esta
bien sorteado
Talud
Desplome (“slump”)
• Material se desliza pendiente abajo en masas a
lo largo de una superficie de ruptura curva
(concava hacia arriba). Se forman a menudo
flujos de tierra o lodo en su base.
• Bloque de desplome: compuesto de sedimento
(material cohesivo) o roca. Superficie original se
hace menos empinada, y parte superior a veces
se inclina hacia atras.
Cont. Desplome (“slump”)
• A menudo el bloque se rompe en desplomes
secundarios: en sus uniones se forman charcos,
pantanos y depresiones sin drenaje
• Causas: temblores, pendientes cargadas,
pendientes socavadas (“undercutting”),
meteorizacion profunda, y, por agua:
hinchamiento de arcillas, congelaciondeshielo, presiones de poro excesivas; erosion
de rios en su base
Desplome en California, causado por pendientes
sobreempinadas, a consecuencia de erosion por el oleaje
Desplome en Plymouth, Montserrat
Avalanchas de derrubios
• Mezclas no sorteadas e incoherentes de tierra y
roca con agua y/o hielo que se mueven
rapidamente pendiente abajo (empinadas)
luego de que una masa de nieve o tierra
saturada se ha soltado.
• Ej. avalanchas de nieve
• escarpe: embudos estrechos finalizando en
acumulacion de derrubios en forma de
monticulos (“hummocky”) en la base
Cont. Avalanchas de derrubios
• Grandes y rapidas: pueden desplazar suficiente
aire para crear vientos huracanados, que
pueden tumbar arboles
• Tienen mucho poder erosional
• Algunas son movimientos rapidos y fluidos de
particulas secas, que basicamente se mueven
sobre aire (flota sobre aire atrapado y
comprimido), que disminuye la friccion
Antes y despues de
avalancha de derrubios,
Peru
Debris avalanche, Montserrat
(erupcion 26 dic/97)
Deposito
Sturzstroms
• Cuando una masa de rocas grandes se mueve
pendiente abajo, puede perder integridad a
medida que se desintegra, y viajar como
derrubios rotos, rodando, deslizandose, y/o
fluyendo a gran velocidad
• Secos o mojados
• Las particulas forman una nube de polvo,
haciendo la friccion interna bien baja y movil
Slope failure generada por terremotos
Flujos
• Ocurren cuando la resistencia interna a movimiento
(“shearing”) de un material se acerca a 0 -- el material
puede fluir como fluido viscoso
• Viscosidad = applied shear stress/rate of shear
• Flujo = deformacion continua y permanente de un
material por estres aplicado
• Causa de perdida de resistencia mas comun: saturacion
de minerales arcillosos
• Cambios en consistencia de material causan que hayan
distintos tipos de flujos, todos relacionados
• Clasificacion basada en: tipo y rapidez de movimiento,
morfologia y tipo de sedimento, reologia
Flujos de tierra (“Earthflows”)
• Flujo viscoso pendiente abajo de materiales
saturados y de grano fino, que se mueve a
velocidades entre poco perceptible a rapido
(~0.17-17 km/hr)
• Mas lentos que flujos de lodo, mas rapidos que
solifluxion
• Materiales: arcilla, arena y limo (“silt”) fino, y
material piroclastico de grano fino
Cont. Flujos de tierra
• Velocidad controlada por contenido de H2O
• Forman lobulos que a medida que se mueven,
aumenta el drenaje y se secan los margenes -disminuyendo velocidad
• Relacionados con desplomes, ocurren mas
durante epoca de lluvia
• Activos entre dias y anos
Desplome y earthflow
Flujos de derrubios (“Debris flows”)
• Flujo rapido de masas saturadas de material de
tamanos entre arcilla y bloque, mezclados con
H2O y/o hielo
• Diferente a flujos de lodo por: viscosidad
• Consistencia de cemento mojado y suficiente
“yield strength” (fuerza de rotura) para
comportarse plasticamente, formando frentes
empinados y levees marginales.
Cont. Flujos de derrubios
• Velocidad: 1-15 m/s, depende de: angulo de
pendiente, razon de sedimento/agua en poros,
distribucion de tamano de granos
• Disminucion de H2O en poros de masa que fluye
causa que contacto grano-grano aumente la
friccion interna y el flujo pare
• Aumento en contenido de H2O -- cambian a flujos
hiperconcentrados en los cuales particulas son
llevadas por flujo de agua turbulenta
• Suelen seguir los canones y cauces fluviales
Flujos/coladas de lodo (“mudflows”)
• Flujo de mezclas heterogeneas de derrubios de
roca saturados de agua – como masa viscosa
• Pueden empezar como deslizamientos y
desplomes en la parte superior de la pendiente
• Algunas arcillas pueden ser solidas hasta ser
agitadas, que se licuan
• Caracterizados por masas de lodo mojado y
resbaloso, en contraste a la matriz mas gruesa
(arenosa/cascajosa) de otros flujos de derrubios
Cont. Flujos/coladas de lodo
• Pueden transportar enormes bloques
• Condiciones de inicio de flujos de lodo:
–
–
–
–
Abastecimiento de derrubios no consolidados
Runoff infrecuente
Falta de vegetacion
Topografia favorable
• Areas alpinas altas, pendientes de cenizas en
volcanes, terrenos aridos
• Tamano: de pocas pulgadas a millas
Mudflows, California
Lahares
• Flujos de lodo volcanicos, comunmente
causados por actividad volcanica
• Viajan largas distancias a grandes velocidades,
sin mucho aviso
• Cuando terminan su curso, dejan depositos de
mezclas poco sorteadas de lodo, arena y clastos
gruesos que atrapan muchos troncos y otros
derrubios llevados por el flujo -- se pueden
datar
Danos por
lahar, Mount
St. Helens,
1980
Depositos de
lahar –
Belham Valley,
Montserrat
Lahars – Pinatubo (1991)
Cont. Lahars – Pinatubo (1991)
Lahar – Volcan Santiaguito, Guatemala
Lahars
Nevado del Ruiz,
Colombia (1985)
Armero:
>23000 muertes
Torrentes de derrubios
• Intermedios entre avalanchas de derrubios e
inundaciones
• Grandes masas de troncos, sedimento y agua
bajando la pendiente en canales empinados a
gran velocidad y con efectos destructivos
• Mas comun en el presente, por toda la
actividad de “logging” y la construccion de
carreteras – inestabilidad de pendientes
Evolucion de hillslopes
A medida que los procesos superficiales
gradualmente le dan forma a los hillslopes,
la forma depende de la rapidez de
meteorizacion y procesos gravitacionales y
erosionales