PROPIEDADES FÍSICAS

GENERALIDADES

Una propiedad física es una característica que puede ser estudiada usando los sentidos o algún instrumento específico de medida. Estas se manifiestan básicamente en los procesos físicos como cambios de estado, cambios de temperatura, cambios de presión, etc.



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Por ejemplo, color, dureza, densidad, punto de ebullición, punto de fusión.

Se consideran propiedades físicas: Eléctricas, Magnéticas, Ópticas, Térmicas, Mecánicas.




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Se dice que son generales cuando un mismo valor puede ser aplicado a diferentes sustancias. Por ejemplo, la masa, el volumen, el color, textura, etc.

Constantes físicas: Son particulares de cada sustancia; pueden ser: La densidad, la dureza, el punto de fusión, el punto de ebullición, etc.

Propiedades extensivas:

Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un sistema, por lo que el valor permanece inalterable al subdividir el sistema inicial en varios subsistemas, por este motivo no son propiedades aditivas.

Son aquellas propiedades que dependen de la cantidad de materia considerada. Por ejemplo: la masa, el peso, el volumen, la longitud, etc.



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Propiedades intensivas:

Las propiedades extensivas son aquellas que sí dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un sistema, son magnitudes cuyo valor es proporcional al tamaño del sistema que describe. Estas magnitudes pueden ser expresadas como la suma de las magnitudes de un conjunto de subsistemas que formen el sistema original.

Son aquellas propiedades que NO dependen de la cantidad de materia. Por ejemplo: P. fusión, P. ebullición, el color, la dureza, la solubilidad, etc. Ejemplo: Agua Hirviendo. "El agua herve a 100 grados centígrados".





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PROPIEDADES FÍSICAS


Controlan las características resistentes y deformacionales de la matriz rocosa, y son el resultado de la génesis, condiciones y procesos geológicos y tectónicos sufridos por las rocas a lo largo de su historia.

Génesis: Serie de hechos que intervienen en la formación.

Las consideración de las propiedades físicas en las rocas, son de gran importancia en geología, pues se emplean en multitud de áreas de estudio, como la petrología, geofísica, geoquímica, ingeniería geológica, o la geoquímica. Por ejemplo, los geólogos emplean la datación radioactiva para la reconstrucción de la historia geológica, los sismólogos predicen sismos mediante el estudio de la transmisión de ondas sísmicas naturales o artificiales, los cristalógrafos estudian los minerales por medio de sus características físicas y ópticas, con la prospección geofísica se detectan yacimientos minerales mediante las variaciones en las propiedades físicas del sustrato rocoso, los ingenieros geotécnicos calculan las propiedades físicas y estructurales del subsuelo para la correcta construcción de obras públicas, y los geólogos del petróleo analizan la respuesta de las rocas en el subsuelo mediante testificación geofísica o directa (mediante sondeos).

Como las rocas son consideradas como asociaciones minerales, sus propiedades físicas dependen en gran medida de las que presentan cada uno sus minerales constituyentes. Según la disposición de los cristales o granos en una roca, algunas propiedades físicas pueden variar con sus orientaciones, característica que se conoce con el nombre de anisotropía. Otras propiedades dependen del tamaño de grano o cristal, su forma, disposición en el espacio, de las condiciones de presión y temperatura, de la presencia o ausencia de fluidos (agua, gases, petróleo, etc.) en la porosidad de las rocas, etc., razón por la cual, según los factores que presente las rocas en cada uno de sus afloramientos, no van a coincidir exactamente, sino que se mantienen dentro de ciertos rangos.

PROPIEDADES ÍNDICE


Las propiedades físicas de las rocas que comúnmente se estudian son:

  • Porosidad

  • Densidad

  • Peso Volumétrico

  • Contenido de Agua

  • Alteración, Alterabilidad

  • Sensitividad

  • Mineralogía





POROSIDAD:

Es la relación entre el volúmen de vacíos y el volúmen de la muestra, la cuál se expresa enporcentaje.


DENSIDAD:


Se define estrictamente como la masa contenida en la unidad de volumen.

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La densidad media de la corteza es de 2,63 gr./ cn.3 (similar a la del cuarzo), y los valores más comunes se presentan entre 3,3 gr./ cn3 y 1 gr/cn3, correspondientes a las rocas más abundantes de la corteza terrestre granitos, basaltos y areniscas.

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PESO VOLUMÉTRICO:


Es la relación entre el peso de la muestra y el volumen de la muestra. El peso y volumen de la muestra se realiza pesándola en el aire y luego pesándola sumergida en mercurio.

DETERMINACIÓN DEL PESO VOLUMÉTRICO






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CONTENIDO DE AGUA:
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Es la relación entre el peso del agua contenida en una roca y el peso de su fase sólida. Se expresa en porcentaje. Está muy ligado a la porosidad de la muestra y a la profundidad de la que proviene la misma. A mayor contenido de agua mayor disminución de la resistencia.


ALTERACIÓN:


Las rocas al estar expuestas al medio natural sufren modificaciones en su estructura y composición minerológica. Cuando se altera una roca se incrementa la porosidad y por lo tanto se produce mayor absroción de agua. La alteración se presenta por medio de la meteorización y otros factores como el biodeterioro.

Factores de alteración de las rocas:

A) Causas externas

Desde el momento que extraemos la roca de una cantera y la separamos del conjunto rocoso en el que se formó, la estamos alterando. Las rocas se forman en unas condiciones de presión, temperatura y humedad muy diferentes a las reinantes en la superficie terrestre y al entrar en contacto con la atmósfera, tienden a equilibrarse con ella, experimentando una serie de reacciones que con1levan cambios estructurales y de composición. Además, al alcanzar las rocas la superficie terrestre, quedan expuestas a la acción de los agentes atmosféricos, sufriendo muchos cambios físicos y químicos englobados bajo el término de meteorización.

Agua:

El agua es el principal agente de alteración, reacciona con el sustrato pétreo disolviendo sus componentes y actúa como vehículo de transporte. La congelación del agua o condensación del vapor de agua aumenta el volumen de la roca, las tensiones provocadas por el hielo sobre paredes internas y capilares de la roca pueden llegar a romperla y los ciclos de hielo- deshielo originan exfoliaciones. Los efectos provocados por el hielo dependen del volumen del mismo y de su lugar de formación.

Agentes atmosféricos:

Los agentes atmosféricos actúan como catalizadores de las reacciones intensificando la acción química del agua. A partir del siglo XIX, el desarrollo de actividades industriales y el aumento de población han producido la emisión masiva de partículas a la atmósfera. Los principales contaminantes atmosféricos son: los óxidos de nitrógeno, carbono y azufre procedentes de la combustión de hidrocarburos, el gas metano emitido por los fertilizantes y la quema de bosques, y los gases de combustión liberados en la incineración de residuos sólidos (Anguita, 1993)

Mal de la piedra:

Si existe un término muy extendido y que despierta gran confusión es el denominado "mal de la piedra". Hablar de un sólo mal de la piedra no es adecuado y en numerosas ocasiones se utilizan términos confusos referentes a un aspecto que presenta la roca, así se habla de la arenitización del granito, el cáncer de las piedras o el mármol sacaroideo, que no es otra cosa que pérdida de material y cuyo origen puede estar en diferentes procesos. El término de "mal de la piedra" como tal sí que se refiere a una patología determinada ocasionada por un proceso en concreto, se trata de una degradación sufrida por las rocas calizas debido a la presencia de partículas atmosféricas contaminantes, formándose unas costras de calcín y sulfín muy perjudiciales. Carbonell de Massy (1993) explica el proceso de formación de estas costras.

Costras de calcín:

La capacidad de disolución del agua de lluvia aumenta con el CO2, éste acidifica el agua y produce una rápida disolución de las rocas calizas. El ácido carbónico formado a partir del agua con el dióxido de carbono, reacciona con el carbonato cálcico forma bicarbonato cálcico que al ser muy soluble es lavado. Pero esta reacción es reversible, el agua en superficie se evapora y precipita carbonato cálcico, formándose una costra de calcín.

CO3H2 + CaCO3 <=> Ca (CO3H2) 2

La formación de esta costra es beneficiosa a corto plazo, ya que endurece la superficie de la roca y es impermeable. Pero a la larga alcanza mayor grado de compacidad que el propio sustrato y retiene la humedad en el interior.

Costras de sulfín:

Su proceso de formación es bastante similar, el ácido sulfuroso formado a partir de la reacción del agua con el dióxido de azufre se oxida bajo la presencia del oxígeno atmosférico, formándose ácido sulfúrico, que ataca especialmente a las rocas calizas. Al reaccionar este ácido sulfúrico con el carbonato cálcico bajo la presencia de agua, se forma sulfato cálcico hidratado y tras evaporarse el agua se forma una costra de sulfín, más dañina que la de calcín porque el sulfúrico es más agresivo que el carbónico y porque retiene más humedad al ser su volumen mayor. En las zonas próximas al mar el sulfato cálcico formado reacciona con el cloruro sódico del agua del mar y se forma sulfato sódico, que es muy corrosivo.

Biodeterioro:

El biodeterioro es la degradación física y química de la roca provocada por organismos vivos. Los líquenes, hongos y musgos retienen humedad, favorecen la colonización y producen ácidos que modifican el color de la roca. Las bacterias más dañinas son: las autótrofas por desarrollarse con la propia acción de la luz, las sulfobacterias por transformar compuestos silicatados en ácidos y oxidar el azufre a sulfato y las nitrificantes por producir nitritos y nitratos que al reaccionar con el carbonato cálcico de las rocas calcáreas pueden formar nitrato cálcico.

Antes de una limpieza se han de eliminar estas sustancias con algún disolvente que abra los poros de la roca y para arrancarlas posteriormente con un bisturí una vez que estén secos o muertos. Insectos y roedores movilizan material y los ácidos presentes en los excrementos de las aves, como el nítrico y el fosfórico, favorecen la degradación química de la piedra.

Otros: Aquí incluimos el viento, de por sí sus efectos apenas son perjudiciales pero bajo la presencia de sales y humedad agrava los procesos de cristalización y alveolización; y los cambios de temperatura, que regulan la humedad del sistema poroso, solubilidad de gases y sales disueltas y la velocidad de las reacciones químicas.

B) Causas internas

Aunque sus efectos no son comparables con los producidos por causas externas, debemos tener en cuenta este tipo de causas. Esbert et al. (1997), en su Manual de diagnosis y tratamiento de materiales pétreos y cerámicos, consideran las siguientes causas:

Antropogénicas:

los golpes sufridos por la roca, peso de la construcción que soporta, su tratamiento superficial, labra que presenta, etc.

Petrográficas:

a mayor tamaño de grano, más disgregable es la roca y viceversa.

Tectónicas:

durante el ascenso de las rocas hacia la superficie terrestre o por pérdida -de material suprayacente, éstas pierden resistencia a la deformación y aparecen diaclasas, vías de entrada para los agentes erosivos.

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ALTERABILIDAD:


Es la capacidad de una roca para alterarse en el futuro.

Factores condicionantes de la Alterabilidad:

Composición mineralógica.

Fisuras de la roca.

Agentes agresivos.

Tratamiento mecánico a que se somete.

Uso de la roca deacuerdo con su

alterabilidad



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SENSITIVIDAD:



La sensitividad se establece al analizar la variación de su permeabilidad al cerrarse o abrirse sus fisuras bajo el efecto de una modificación del estado de esfuerzos aplicados.

Para medir dichas variaciones de permeabilidad se realiza una prueba que consiste en utilizar una probeta cilíndrica de roca con una perforación central la cual se somete a dos tipos de flujo.

1. Flujo convergente y

2. Flujo divergente

Tipos de flujo para obtener la sensitividad de una muestra de roca



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MINERALOGÍA:


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estudia las propiedades físicas y químicas de los minerales que se encuentran en el planeta en sus diferentes estados de agregación. Por mineral se entiende una materia de origen inorgánico, que presenta una composición química definida además de una estructura cristalográfica y que suele presentarse en estado sólido y cristalino a la temperatura media de la Tierra, aunque algunos, como el agua y el mercurio, se presentan en estado líquido.





PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LAS ROCAS RESERVORIO




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LAS ROCAS RESERVORIO ESTÁN SATURADAS CON FLUIDOS: PETRÓLEO, AGUA Y GAS.

LA INGENIERÍA DE RESERVORIOS TIENE POR OBJETIVO CALCULAR LA CANTIDAD DE FLUIDOS ALMACENADOS Y LA TRANSMISIBILIDAD DE ESTOS FLUIDOS EN LA ROCA RESERVORIO.

ALMACENAMIENTO Y TRANSMISIBILIDAD DEPENDEN DE LA ROCA, Y DE LAS CARACTERÍSTICAS Y DISTRIBUCIÓN DE FLUIDO.


PROPIEDADES DE RESERVORIO

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DEPENDEN EXCLUSIVAMENTE DE LA ROCA.

DEPENDEN EXCLUSIVAMENTE DE LOS FLUIDOS.

DEPENDEN TANTO DE LA ROCA COMO DE LOS FLUIDOS.




PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LA ROCA


POROSIDAD: Medida del espacio vacío en la roca.

PERMEABILIDAD: Medida de la capacidad de dejar pasar a los fluidos (transmisibilidad) de una roca.

SATURACIÓN DE FLUIDOS: medida de la distribución de fluidos en la roca.




POROSIDAD DE RESERVORIO

FRACCIÓN DE UNA ROCA QUE ES OCUPADA POR LOS POROS, ES EL ESPACIO Ó VOLUMEN PORAL. ES UNA PROPIEDAD INTENSIVA QUE DESCRIBE LA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE UNA ROCA.




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POROSIDAD EFECTIVA


La porosidad de un material representa un porcentaje que relaciona el volúmen que ocupan los poros en un volúmen unitario de roca; esto es si la porosidad es del 50 % significa que la mitad de la roca está constituida por poros y la otra mitad por partículas sólidas. Pero no nos habla de cómo están de conectados los poros, para ello recurrimos a la porosidad eficaz, que se refiere a la porosidad representada por aquellos espacios por los que puede circular el agua, es decir aquellos que están comunicados. Por tanto la segunda siempre será menor que la primera.

La granoselección (selección de tamaño de partículas) también incide en el valor de la porosidad y la permeabilidad, cuanto mejor sea la selección de tamaño (cuanto más homogéneo sea el depósito) más porosas y permeables serán, puesto que en caso contrario las partículas más pequeñas ocupan parte de los poros.


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En el proceso de litificación (formación de rocas sedimentarias) la compactación (sobre todo en sedimentos arcillosos) y la cementación hace disminuir ambos valores, por el contrario la disolución hace aumentarlos.


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Las rocas calizas y las rocas endógenas generalmente tienen una porosidad menor o igual al 1%, sin embargo procesos posteriores a su formación como disolución (carstificación) y fracturación en las primeras y fracturación en las segundas puede hacer aumentar la porosidad (porosidad secundaria) y por lo tanto también la permeabilidad.


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PERMEABILIDAD

La permeabilidad de un material es la capacidad que este tiene de transmitir un fluido, en este caso agua. Un material será más permeable cuando sea poroso y estos poros sean de gran tamaño y estén conectados.




RELACIÓN ENTRE EL ESPACIO VACÍO Y EL VOLUMEN TOTAL DE LA ROCA.


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ROCAS POBREMENTE/MODERADAMENTE CEMENTADAS: POROSIDADES TOTAL Y EFECTIVA PRÁCTICAMENTE IGUALES.

ROCAS MUY CEMENTADAS Y CALIZAS: DIFERENCIA SIGNIFICATIVA ENTRE POROSIDADES TOTAL Y EFECTIVA.