Localización de deformación en medios dúctiles y anisótropos: estudio de campo, experimental y numérico

Abstract

Aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi de la localització de la deformació i la fracturació associada en medis dúctils i mecànicament anisòtrops. Malgrat la gran quantitat de treballs que es poden trobar a la literatura sobre els factors que controlen aquests fenòmens, encara no es comprèn satisfactòriament la influència que exerceix l'anisotropia de les roques en la seva resposta a la deformació. L'objectiu principal d'aquesta tesi consisteix en estudiar alguns dels factors que influeixen en la localització de la deformació, analitzar l'aparició i evolució de fractures en materials anisòtrops i aportar eines que facilitin l'estimació d'orientacions de nucleació de fractures, la deformació de les roques que les contenen i la relació d'aquestes estructures amb els camps d'esforços. Per tot això, s'ha fet servir una metodologia de treball que combina l'estudi de camp de fractures de petita escala amb la seva simulació mitjançant mètodes analítics i models analògics i numèrics. <br/>Al capítol 1 s'introdueixen els conceptes clàssics de localització de deformació i criteris de fracturació en materials isòtrops i anisòtrops. A partir d'aquí es plantegen una sèrie de qüestions que aquest treball pretén respondre i una explicació de la metodologia escollida. <br/>Basant-se en una zona de camp situada al Varisc del Cap de Creus (Pirineus orientals), en el capítol 2 s'analitza la gènesi de fractures de cisalla de petita escala amb plecs d'arrossegament associats dins d'una zona de cisalla dúctil. Fent servir paràmetres que es poden mesurar amb facilitat al camp en una població de fractures, es presenta un mètode analític per estimar l'angle inicial amb el que es formen les fractures, la vorticitat cinemàtica amb la que s'ha deformat la roca i la deformació interna mínima que ha enregistrat. El mètode s'ha validat amb models analògics de plastilina i simulacions numèriques d'elements finits. <br/>En els capítols 3 i 4 s'exposen els resultats de dos treballs experimentals sobre la deformació de models multicapa anisòtrops. El primer d'aquests estudis analitza les propietats mecàniques dels materials i les relaciona amb el grau de localització de la deformació i la gènesi de fractures en funció de la taxa de deformació aplicada i de la resistència del material. Els resultats evidencien que existeix una transició entre models en que la deformació es distribueix en tot el volum de material i sistemes on la deformació es altament localitzada en xarxes de fractures. El segon estudi (capítol 4) explora la influència de l'orientació inicial de l'anisotropia en la dels conjunts de fractures que es formen. La presència d'una forta anisotropia mecànica, que es pot quantificar, condiciona les orientacions dels sets de fractures i produeix una desviació del camp d'esforços a nivell local en relació amb el camp d'esforços aplicat. <br/>En el capítol 5 es presenten simulacions numèriques que combinen deformació amb elements finits amb una funció d'actualització de la viscositat. Així s'estudia la localització i la formació de shear bands en diverses sèries de simulacions variant el grau de no-linealitat del sistema, el grau d'anisotropia i la seva orientació en relació als eixos de deformació i les condicions de contorn. La localització de la deformació en aquests models està principalment condicionada per la no-linealitat del sistema i els conjunts de shear bands que es formen són coherents amb les condicions de contorn. <br/>Finalment, a partir de la combinació d'aquests estudis independents s'extreuen unes conclusions generals que ajuden a comprendre els factors que controlen la fracturació en materials anisòtrops, així com la millora de la seva interpretació al camp.

Esta tesis doctoral se centra en el estudio de la localización de la deformación y la fracturación asociada en medios dúctiles y mecánicamente anisótropos. A pesar de la gran cantidad de trabajos existentes en la literatura sobre los factores que controlan estos fenómenos, todavía no se comprende satisfactoriamente la influencia que ejerce la anisotropía de las rocas en su respuesta a la deformación. Los objetivos principales de esta tesis consisten en estudiar algunos de los factores que influyen en la localización de la deformación, analizar la aparición y evolución de fracturas en materiales anisótropos y aportar algunas herramientas que permitan estimar las orientaciones de nucleación de las fracturas, la deformación de las rocas que las albergan y la relación de estas estructuras con los campos de esfuerzos. Para ello se ha utilizado una metodología de trabajo que combina el estudio de campo de fracturas de pequeña escala con su simulación mediante métodos analíticos y modelos analógicos y numéricos. <br/>En el primer capítulo se realiza una introducción sobre los conceptos clásicos de localización de deformación y criterios de fracturación tanto en materiales isótropos como anisótropos. A partir de estos conceptos se presentan una serie de preguntas que el trabajo pretende responder, así como una explicación de la metodología escogida. <br/>A partir de una zona de campo situada en materiales variscos del Cap de Creus (Pirineos orientales), en el capítulo 2 se analiza la génesis de fracturas de cizalla de pequeña escala con pliegues de arrastre asociados a una zona de cizalla dúctil. Utilizando parámetros que se pueden medir fácilmente en el campo en una población de fracturas, se presenta un método analítico para estimar el ángulo inicial con el que se forman las fracturas, la vorticidad cinemática con la que se ha deformado la roca y la deformación interna mínima alcanzada. Este método queda validado mediante modelos analógicos de plastilina y simulaciones numéricas de elementos finitos. <br/>En los capítulos 3 y 4 se exponen los resultados de trabajos experimentales sobre la deformación de modelos multicapa anisótropos. El primero de estos estudios analiza las propiedades mecánicas de los materiales y las relaciona con el grado de localización de la deformación y la génesis de fracturas en función tanto de la tasa de deformación aplicada como de la resistencia del material. Los resultados muestran que existe una transición entre modelos en los que la deformación se distribuye en todo el volumen de material y sistemas en los que la deformación está altamente localizada en redes de fracturas. El segundo estudio explora la influencia de la orientación inicial de la anisotropía en la orientación de los conjuntos de fracturas que se forman. La presencia de una fuerte anisotropía mecánica, que puede ser cuantificada, condiciona las orientaciones de los sets de fracturas y produce una desviación del campo de esfuerzos a nivel local con respeto al campo de esfuerzos aplicado. <br/>En el capítulo 5, se presentan simulaciones numéricas que combinan deformación mediante elementos finitos con una función de actualización de la viscosidad. Así, se estudia la localización y la formación de shear bands en varias series de simulaciones con distinto grado de no-linealidad del sistema, grado de anisotropía y orientación de la misma con respecto a los ejes de deformación y las condiciones de contorno. La localización en estos modelos está principalmente condicionada por la no-linealidad del sistema y los conjuntos de shear bands formados son coherentes con las condiciones de contorno. <br/>Finalmente, a partir de la combinación de estos estudios independientes se extraen serie de conclusiones generales que ayudan a comprender los factores que controlan la fracturación en materiales anisótropos, así como a mejorar su interpretación en el campo.

This thesis studies deformation localisation and associated fracturing in ductile and anisotropic media. Despite the large amount of available publications analysing the fundamental controls on deformation localisation, the influence of mechanical anisotropy on localisation and facture development has not yet been completely understood. The aims of the thesis are to evaluate the influence of some factors on strain localisation, to analyse the onset and evolution of fractures and to present new methods to estimate strain, fracture orientations and stress fields in anisotropic materials. A combination of field analysis of small-scale fractures and their simulation using analytical methods, analogue models and numerical simulations have been used. The main questions that this study tries to answer arise from the uncertainties of previous publications about deformation localisation and classical failure criteria in anisotropic rocks. <br/>The first part of this work defines an analytical method to determine finite strain and the kinematics of deformation using discrete isolated small-scale faults and associated drag folds. This method has been based on a population of fractures from an outcrop in the Variscan of the Cap de Creus (Eastern Pyrenees) that are spatially associated to a ductile shear zone. By measuring a few parameters in the field, the method allows to estimate the angle at which fractures nucleate with regard to foliation, kinematic vorticity of deformation and minimum finite strain since first fault nucleation. The method has been validated by plasticine analogue models and finite element numerical simulations. <br/>Two experimental studies are described in chapters 3 and 4. In the first one plasticine multilayers are deformed in order to analyse the dependency of deformation localisation and fracture development on the mechanical properties of the experimental materials and strain rate. The results evidence that there is transition from models where deformation is distributed within the material and models controlled by a strong fracture network. The chapter 4 evaluates the influence of the orientation of a planar mechanical anisotropy on the nucleation and orientation of shear fractures. The presence of a strong initial anisotropy, which can be quantified using a simple analytical method, plays a crucial role on the orientation of fracture sets and causes a deviation of the local stress field relative to the stress field applied by the boundary conditions. <br/>The analysis of field structures and the results of these analogue models are complemented with numerical simulations that couple a process of finite element deformation with a non-linear one that updates viscosity. These models are used to analyse the influence of kinematic vorticity, non-linearity and the degree and orientation of anisotropy on strain localisation and shear band development. Localisation in these simulations is mainly related to the degree of non-linearity. Different sets of shear bands are formed or aborted with the increase of deformation according to the imposed stress field. <br/>Finally, the results of the four studies are gathered and analysed together to draw general conclusions that may improve the understanding of localisation and fracturing in anisotropic materials. The methods and results presented in this thesis may also be useful to interpret field structures.