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

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 congelacion-deshielo 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, congelacion-deshielo, 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