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EXPERIENCIAS DEL VERANO CIENTÍFICO 2008 EN EL LABORATORIO DE MECANICA MULTIESCALAR DE GEOSISTEMAS, LAMMG 

REPORTE FINAL  

Ana Cristina Sánchez Cervantes,  Estudiante de 7mo Semestre de la carrera de Ingeniería Mecánica en el Instituto 

Tecnológico de Ciudad Madero, Tamaulipas.  Lugar: Centro de Geociencias (CGEO), UNAM campus Juriquilla. Periodo: 17 de junio al 8 de agosto de 2008 Investigador  responsable:  Dr.  Luis  Mariano  Cerca  Martínez,  M.  C.  Jazmín  Chávez Álvarez   Síntesis de la estancia En el transcurso de la estancia de verano científico Junio – Agosto 2008, se realizaron actividades  enfocadas  al  estudio  de  la  mecánica  de  fluidos,  en  particular  las condiciones  y  comportamiento  del magma  en muestras  de  rocas  colectadas  de  los diques  de  la  zona  de  Tuzantla  –  Tiquicheo  y  Nanchititla  del  Estado  de  México  y  Michoacán. Conocer  las condiciones de  flujo de magma en diques es necesario para entender cómo se desplazan los magmas en la corteza. En los magmas naturales para definir  curvas  de  flujo  es  necesario  conocer  parámetros  tales  como:  porcentaje, tamaño y  forma de  fenocristales. Artículos  como  los publicados por Ryerson  (1988), Pinkerton y Estevenson  (1992), Hallot et al.  (1996),  Ishibashi y Sato  (2005), exponen que  en  altos  contenidos  de  cristales,  el  magma  se  comporta  como  un  fluido  no Newtoniano. En las muestras de rocas obtenidas de los diques para una tesis doctoral, se pudo observar que el contenido de cristales  en los cortes no era uniforme, sino que en  ciertas  secciones  de  se  presentaban  altas  concentraciones  de  cristales.  Con  las observaciones realizadas a  las muestras de rocas acerca del contenido de cristales no uniforme,  se  llevó  a  cabo  un  experimento  de  dinámica  de  flujo  entre  dos  placas, monitoreado con la técnica de velocimetría de partículas, simulando un fluido como el magma (en este caso se uso glicerina) con partículas incorporadas en suspensión, que simularan los cristales (utilizando arena de diferentes formas y tamaño) donde se pudo demostrar que, las partículas no se desplazaban todas en una sola dirección, sino que existen variaciones de trayectoria para cada partícula o grupo de partículas, lo que se puede definir como formación de microestructura en el flujo. Los resultados obtenidos en  los experimentos realizados permitirán predecir el comportamiento del magma en función de su contenido de cristales. 

 Objetivo  General  del  Verano  Científico  de  acuerdo  a  la  Academia  Mexicana  de Ciencias: Fomentar el interés de los estudiantes de licenciatura por la actividad científica, ya sea dentro de las ciencias exactas, las naturales, las ciencias sociales o las humanidades. El programa consiste en promover  la realización de estancias de aproximadamente dos meses de duración en los más prestigiados centros e instituciones de investigación del país, bajo la supervisión y guía de un investigador en activo.  

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Objetivo  particular  de  la  estancia  en  el  LAMMG  (Laboratorio  de  Mecánica Multiescalar de Geosistemas): Relacionar  la  Ingeniería Mecánica  con  las  Ciencias  de  la  tierra,  para  obtener  así  un enfoque específico de cómo aplicar  los conocimientos de mis estudios de  licenciatura para un estudio de postgrado.   Plan de Trabajo y desarrollo del verano científico: La primera semana se enfocó a la recopilación de información y planteamiento de las actividades a desarrollar durante la estancia (Tabla 1), siendo éstas:  

1. Cálculo de frecuencias y programación con un software comercial (LabView 8.2) para controlar actuadores con movimiento en dos ejes, los cuales son utilizados en  los modelos analógicos para simular  la aplicación de un esfuerzo en dichos modelos.  

2. Auxiliar a la estudiante de doctorado Jazmín Chávez Álvarez en la realización de experimentos  de  flujo  en materiales  análogos  dentro  del  proyecto  de  tesis: “Influencia del escenario tectónico regional en el emplazamiento de enjambres de diques en la corteza superior del sur de México: estudio mediante modelos analógicos”,  con  la  finalidad  de  aplicar  conceptos  y  análisis  de mecánica  de fluidos. Dentro  de  este  punto  se  desarrollaron  las  siguientes  actividades  específicas, que se detallan en el siguiente capítulo: 

‐ Captura de la imagen digital de muestras de diques con fenocristales de plagioclasa (alrededor de 50 muestras) 

‐ Conteo  y  medición  de  las  características  geométricas  de  los fenocristales en las muestras de roca. 

‐ Determinación  de  la  orientación  de  fenocristales  de  plagioclasa  en muestras de diques. 

‐ Preparación de diversos ensayes para la inyección de fluidos análogos y con  viscosidad  conocida  en  un medio  encajónate  rígido  (gelatina  con diferentes concentraciones). 

‐ Preparación y armado de un aparato experimental para establecer un flujo de una suspensión compuesta por un fluido viscoso mezclado con partículas de arena  (~250 micrómetros y diferentes  formas), entre dos placas rígidas paralelas.  

‐ Comparación preliminar  y  cualitativa de  los  resultados de  la medición en muestras y los experimentos de laboratorio. 

3.‐  Adicionalmente,  asistí  al  curso  titulado:  “Métodos  ópticos  en  modelos geológicos” impartido por el Dr. Bernardino Barrientos, que se llevo a cabo los días 19, 20 y 21 de junio, en el CGEO. 

 Descripción detallada de las actividades: Determinación  de  la  orientación  de  los  planos  de muestras  de  rocas  colectadas  en diques de la zona de Tuzantla‐Tiquicheo y Nanchititla Se utilizo una colección de muestras orientadas, colectadas en campo anteriormente y recortadas  en  planos  perpendiculares  al  plano  orientado  para  exponer  los  cristales presentes  en  la muestra.  El  primer  paso  fue  orientar  las muestras  tal  y  como  se colectaron en campo, y para esto se utilizó una base sólida en la que se montaban las 

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muestras.  Con  ayuda  de  una  brújula  de  tipo  Freiberger  (Figura  1),  se  determinó  la orientación de  los planos perpendiculares y paralelos cortados en cada espécimen de roca.  Para  cada  uno  de  estos  planos  se marco  el  rumbo  y  la  dirección  del  echado, indicado  por  una  línea  y  una  flecha  respectivamente.  Una  vez  determinada  la orientación de cada plano en las muestras se tomó la imagen digital para su posterior análisis (Figura 2). 

 Tabla1. Muestra las actividades a realizar durante el verano, y la semana en que fueron desempeñadas.  Actividades  Sem. 

1 Sem. 2 

Sem. 3 

Sem. 4 

Sem. 5 

Sem. 6 

Sem. 7 

Sem.8 

‐Establecimiento de actividades                  ‐Cálculo  de  frecuencias  y programación  del  software comercial aplicado a los actuadores 

    

  

      

   

‐Determinación de  la orientación de planos en muestras de roca 

      

    

  

   

‐obtención de su imagen digital                 ‐Preparación de diversas pruebas de experimentación 

               

‐Análisis  preliminar  de  las  imágenes digitales de muestras de rocas 

                

‐Preparación  y  armado  de  aparatos experimentales 

               

‐ Lectura de artículos           

  

Determinación de Orientación y medición de ejes largos de fenocristales   Para  describir  la  orientación  y  la medición  de  los  ejes  de  fenocristales  se  utilizo  un software  comercial  especializado,  con  el  que  se  llevo  a  cabo  el  conteo  de  los fenocristales  contenidos en  cada plano de  la  roca  (Figura 3),  reportándose éstos en una tabla donde se describen: nombre, longitud, posición inicial y  terminal en los ejes x e y, así como su ángulo, como se observa en la tabla 2.  

 

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 Figura 1. Modo de empleo de la brújula de tipo Freiberger.  

(Fuente: http://www.geovirtual.cl/Geoestructural/gestr01e.htm)   

La brújula del tipo "Freiberger" mide en un solo paso la inclinación y su dirección. Tiene una escala azimutal (contrarreloj), un botón para fijar la aguja y una escala del inclinacion números rojos y negros. Las mediciones de este tipo de brújula son de alta confiabilidad y esta brújula es fácil de usar. Los pasos a seguir para la medición de la orientación de los planos es como sigue:

1.- La placa de medición se coloca sobre el plano a medir. 2.- La brújula se nivela utilizando el nivel esférico

3.- Se libera la aguja oprimiendo el botón correspondiente 4. Una vez que se detiene la aguja se suelta el botón para fijar la medición. 5.- Se verifica la escala de la inclinación con la convención siguiente: si cae en rojo el ángulo se mide con la punta roja de la aguja roja y viceversa.

 

6. Se toma la lectura de la aguja que es el valor de la dirección de inclinación y puede estar entre 0º y 360º. 7. Se toma la lectura de la escala del ángulo de la inclinación, que puede estar entre 0 y 90º

Escala de inclinación

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 Figura 2. Ejemplo de un plano de roca en el que fue determinada su inclinación 

y dirección de la inclinación.  Tabla 2. Ejemplo de los resultados obtenidos del conteo de fenocristales.  

Eje largo

posición central X

posición central Y

Longitud (mm)

posición de inicio X

posición de inicio Y

posición final X

posición final Y

ángulo (rumbo)

BL1 191.5549 71.43446 5.229332 189.2163 70.37145 193.8935 72.71008 116.5651 BL3 176.8853 48.04818 4.382914 177.5231 45.92215 176.4601 50.17421 194.0362 BL4 183.9012 46.77256 9.064951 180.4996 44.00873 187.5155 49.749 129.2894 BL5 181.7752 47.41037 6.846331 179.0114 45.49695 184.539 49.5364 126.1582 BL6 196.2322 47.62297 5.775594 193.4683 47.41037 199.2086 48.04818 96.34019 BL7 196.0196 46.34736 1.275615 195.3818 46.34736 196.6574 46.34736 90 BL8 200.9094 46.34736 3.832747 199.4212 45.28435 202.6102 47.41037 123.6901 BL9 180.9248 61.22954 2.860275 180.0744 60.16653 181.9878 62.29255 138.0128 BL12 187.5155 61.01694 4.894479 185.1768 61.22954 190.0667 61.01694 87.51045 BL13 196.2322 70.37145 5.332045 193.6809 70.58405 198.996 70.15885 85.42608 BL14 192.1927 66.75721 6.645318 189.0037 67.18241 195.5944 66.332 82.64762 BL15 201.7598 64.84378 2.771998 201.122 63.78077 202.6102 66.1194 147.5288 BL16 194.9566 64.84378 6.080582 192.6179 63.14296 197.5078 66.75721 126.4692

  

                          Plano A                Plano C           Plano B               Figura 3. Imágenes de los planos adquiridas de la muestra no. 4 del dique no. 8  

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Montado de aparato experimental para utilizar la técnica de velocimetría de partículas. El experimento  consiste en hacer  fluir  fluidos  viscosos  con distintas  reologías en un plano  inclinado  y  entre  dos  placas  (Figura  4). Una  vez  que  el  flujo  se  establece  se capturaron fotografías con una cámara CCD a una velocidad de 200 fotos por minuto en  un  lapso  de  3  minutos.  Con  esto  se  obtiene  una  imagen  completa  de  las características del flujo.   

 Figura 4. Esquema simplificado del equipo para realizar pruebas de monitoreo de la 

dinámica de flujo entre dos placas.  Previo al experimento en León se llevo a cabo en el LAMMG una prueba donde se hizo pasar un  fluido  (en este caso glicerina) con partículas  (arena de corindón) entre dos placas de vidrio (Figura 5) que fueron iluminadas con luz emitida por un proyector de video. Mientras fluía la glicerina, se tomaron fotografías digitales con una cámara CCD a  una  velocidad  de  6  fotos  por  segundo,  para  ser  estudiadas  posteriormente.  El propósito de esta prueba era medir que cantidad de flujo debería de verterse sobre las placas para que  fluyera  la glicerina  tocando  las paredes de ambas placas,  separadas por 6 mm. 

   

     Figura 5. Imágenes obtenidas en la prueba preliminar de observación de la dinámica de 

un flujo entre dos placas, utilizando como fluido la glicerina.  Los experimentos de dinámica de flujo entre dos placas, se llevaron a cabo en la ciudad de León, Guanajuato en el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO); en el Laboratorio de Velocimetría de partículas, a cargo del Dr. Bernardino Barrientos,  Investigador del CIO.  Los  fluidos  utilizados  en  el  experimento  contenían  partículas  trazadoras  del movimiento  en  diferente  cantidad  y  forma.  Los  fluidos  utilizados  fueron  glicerina  y jarabe de maíz mezclados con arena de cuarzo (~250 micrones y forma redondeada), feldespato  (~200  micrones  y  forma  alargada)  y  corindón  (~250  micrones  y  forma irregular). Cada fluido se hacia pasar entre los dos planos inclinados, y una línea de 0.5 

Placas de vidrio

Soporte de Madera

Soporte metálico para las placas de vidrio 

Entrada del fluido 

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mm  de  luz  láser  se  proyectaba  a  través  de  él  paralela  a  las  placas.  La  línea  fue proyectada a diferentes distancias en experimentos similares para iluminar el flujo en diferentes profundidades. Esta  iluminación permite que una cámara de tipo CCD con resolución de 1280x1024 pixeles tomara 6 fotografías por segundo. Las  imágenes son colectadas en escala de grises (8 bits) y en formato tif. El espacio entre las placas tenía una separación de 5mm, mientras que el has de luz láser que se hizo incidir tenías un grosor aproximado de 0.5 mm, de esta manera pasaría libremente entre las dos placas y atravesaría la sección transversal del fluido (Figura 6).         

         

Figura 6. Esquema simplificado del arreglo construido para realizar el experimento  

Para que el  flujo  fluyera por acción de  la gravedad,  se procedió a  inclinar el arreglo poniendo un soporte en su extremo  izquierdo  (viendo de  frente) con una  inclinación aproximada  de  15°.  La  finalidad  de  los  proyectos  realizados  en  el  Centro  de Investigaciones  en  Óptica  era  para  obtener  las  diferentes  velocidades  de  flujo  y observar  como  se  modificaba  el  comportamiento  del  fluido  de  acuerdo  a  la concentración y forma de las partículas.   Preparación  de  diversas  pruebas  de  experimentación  de  la  inyección  de  fluidos  con distintas reologías en un medio elástico. Se  prepararon  diferentes  moldes  de  grenetina  para  proceder  a  las  pruebas  de inyección de  fluido, donde,  los porcentajes de grenetina utilizados  fueron: 5%, 10%, 15% y 25%, obteniendo mejor resultados con  la grenetina a 5%, en cuanto a facilidad en  inyección  y  visibilidad  en  la  formación  del  dique  (Figura  7). Al  observar mejores resultados  con  los moldes  de  grenetina  al  5%,  se  llevaron  a  cabo  experimentos  de inyección de  flujo, donde se  realizaron, para moldes pequeños de aproximadamente 500ml de capacidad,  inyecciones de  fluido  (utilizando pintura a base de agua, y agua con colorante) en pequeñas cantidades, para observar  la  formación del dique, y a su vez comprobar si la viscosidad del fluido influye en su forma. 

Entrada del fluido 

Cámara fotográfica 

Láser

Plástico 

Recipiente contenedor  

Placas de vidrio 

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    Figura 7. Moldes de grenetina al 5% con inyección de fluido, el fluido rojo es agua con 

colorante y el fluido amarillo pintura a base de agua.   Con los resultados obtenidos en moldes pequeños, se llevo a cabo un experimento en un  molde  rectangular  de  capacidad  aproximada  a  3  litros,  inyectando  agua  con colorante rojo a una velocidad constante, esto con el fin de determinar si la velocidad de  inyección  influía  en  la  formación  del  dique.  En  este  proyecto,  se  tomaron fotografías digitales con una cámara CCD obtenidas a cada  segunda en vistas  lateral derecha y  frontal,  las  imágenes obtenidas  serían utilizadas para estudios posteriores (Figura 8). Obtenidas  las  imágenes a color se  les da   formato de  imagen en escala de grises y se reduce su tamaño a 8 bits.   

         

        Figura 8. Experimento de inyección de agua con colorante a una velocidad 

constante de 3.2 cm/hr.   

Conclusión La concentración no uniforme de fenocristales observada en los cortes de las muestras de rocas obtenidas de los diques permitió llevar a cabo experimentos donde se simuló el flujo del magma con fenocristales (en este caso, glicerina con partículas de arena), dichos experimentos permitieron observar que la dirección de flujo de las partículas no era una dirección  fija,  sino que,  cada partícula  tomaba  su propia  trayectoria,  y esto permitía  la concentración de  las mismas en ciertas  zonas del  fluido, concluyendo así que,  el  comportamiento  del  fluido  (y  por  analogía  el  del  magma  natural)  con  un porcentaje de partículas es el de un fluido no newtoniano.      

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Referencias Hallot,  E.  Davy,  P.  D  'Ars,  B.,  J.  Auvray,  B. Martin,  H.  Van  Damme,  H.  1996.  Non‐

Newtonian  effects  during  injection  in  partially  crystallised  magmas.  Journal  of Volcanology and Geothermal Research. 71, 31‐44. 

Ishibashi,  H.  Sato,  H.  2007.  Viscosity measurements  of  subliquidus magmas:  Alkali olivine  basalt  from  the  Higashi‐Matsuura  district,  Southwest  Japan.  Journal  of Volcanology and Geothermal Research, 160, 223‐238. 

Pinkerton, H. Stevenson, J.; 1992: Methods of determining the rheological properties of magmas at  sub‐liquidus  temperatures.  Journal of Volcanology and Geothermal Research, 53, 47‐66. 

Ryerson,  F.J., Weed,  C., H.  Piwinskii,  J.,  A.;  1988.  Rheology  of  Subliquidus Magmas. Journal of Geophysical Research, 93 (B4), 3421‐3436.