Apuntes de Geología Aplicada

UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLÁS DE HIDALGO

APUNTES DE GEOLOGÍA APLICADA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Dra. Aída López Hernández

APUNTES TRADUCIDOS Y ADAPTADOS DEL LIBRO: THE UNDERSTANDING EARTH, UNDERSTANDING EARTH POR: F. PRESS, R. SIEVER, J. GROTZINGER Y T. JORDAN; COMPLEMENTADOS CON CAPITULOS DEL LIBRO: INGENIERÍA GEOLÓGICA DE GONZÁLEZ DE VALLEJO. PARA SU USO COMO APOYO ACADÉMICO LA MATERIA DE GEOLOGÍA APLICADA.

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Capítulo 1 DEFORMACIÓN DE LAS ROCAS

Estructuras geológicas

Falla de san Andrés

Falla de san Andrés

Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

Página 2

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Tensión Compresión

Sección esquemática de la parte superior de la Tierra, mostrando dos de las fuerzas más importantes que generan el movimiento de las placas tectónicas la separación en medio del océano (tensión) y la subducción donde colisionan dos placas (compresión). ¿Por qué las rocas se deforman? •

SE DEFORMAN POR LOS ESFUERZOS DE ORIGEN TECTÓNICO Y SON DE 3 TIPOS:

- COMPRESIÓN - TENSIÓN - CIZALLA

Las fuerzas compresivas Comprimen y acortan un cuerpo

Las fuerzas tensiónales Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

Estiran y tienden a desgarrar un cuerpo Página 3

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Presionan los dos extremos de un cuerpo en direcciones opuestas.

Las fuerzas de cizalla Cuando se trata de materiales DÚCTILES Los cuerpos sufren una deformación plástica continua y no recuperan su forma original cuando la fuerza deformante desaparece. Tipo de fuerza

Tipo de deformación

•

Compresión

Plegamiento

•

Tensión

Adelgazamiento

•

Cizalla

Corrimiento o distorsión

Cuando el material es dúctil: Compresión

Tensión

Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

Cizalla

Página 4

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Pliegues

Adelgazamiento

Cizallamiento

Cuando los materiales son FRÁGILES •

El cambio es poco y se fracturan repentinamente.

•

Inicialmente se forman: juntas y cuando la deformación continúa se generan: FALLAS

FRACTURAS O JUNTAS

Compresión

Tensión

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Cizalla Página 5

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Falla inversa

Falla Normal

Falla Lateral

¿Qué determina si una roca se pliega o se fractura? Poca profundidad

Gran profundidad

Baja presión

Elevadas presiones

+ Baja temperatura

Fallas + fracturas (Deformación Frágil)

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+ Alta temperatura

Pliegues (Deformación Dúctil)

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Resultados de experimentos de laboratorio realizados con el propósito de investigar como se deforma una muestra de mármol por fuerzas compresivas. TIPOS DE ESTRUCTURAS generadas por deformación FRACTURAS, FALLAS Y PLIEGUES

Falla

Fractura

Pliegue

¿Cómo se fracturan las rocas? Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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APUNTES DE GEOLOGÍA APLICADA Hay dos tipos de fracturas: juntas y fallas Juntas: es una grieta a lo largo de la cual no hay movimiento. Fallas: es una fractura con movimientos de las rocas en ambos lados paralelos al plano de la fisura. Las fuerzas tectónicas que causan fallamiento son particularmente intensas cerca de los límites de placas. Las fallas son rasgos comunes en las cadenas montañosas, las cuales están asociadas con zonas de colisión y zonas de rift valleys, donde las placas están siendo separadas. Las fallas pueden ser de gran magnitud como la falla de San Andrés de cientos de kilómetros o en el otro extremo, de unos cuantos centímetros. Todas las fallas, independientemente de su tamaño pueden clasificarse por la dirección del movimiento relativo sobre el plano de la falla. EXISTEN 3 TIPOS DE FALLAS •

FALLAS NORMALES

•

FALLAS INVERSAS

•

FALLAS LATERALES

LAS FALLAS NORMALES Se generan por tensión

Fallas normales

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APUNTES DE GEOLOGÍA APLICADA Fallas normales en el Mar Rojo generadas por tensión

Plano de una falla inversa generado durante un sismo en Armenia Conjunto de Fallas Normales Graben

Horst o pilar

LAS FALLAS INVERSAS Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

SE GENERAN POR COMPRESIÓN Página 9

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Falla inversa LAS FALLAS LATERALES SE GENERAN POR ESFUERZOS DE CIZALLA

Fallas Laterales

Cizalla

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Falla de San Andrés

Daños producidos como consecuencia de los terremotos asociados al movimiento de las fallas

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APUNTES DE GEOLOGÍA APLICADA Levantamiento de la costa en Palos Verdes

FALLAS OBLÍCUAS Se generan por tensión + cizalla

Tipos de pliegues: Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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APUNTES DE GEOLOGÍA APLICADA BÁSICOS Anticlinales: capas de roca que han sido plegadas en forma de arcos. Sinclinales: capas plegadas hacia abajo en forma de depresiones. Rocas jóvenes

Anticlinal

Rocas viejas Sinclinal

Cuando la compresión es más intensa se forman: Pliegues recostados: cuando uno de sus lados se inclina más allá de la vertical. Cabalgaduras: fuerzas compresivas despegan una capa de roca antigua y la desplazan una gran distancia sobre una roca joven.

Pliegue Recostado

Cabalgadura

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CONJUNTOS DE PLIEGUES •

Pliegues Simétricos

•

Pliegues Asimétricos

Simétrico

Asimétrico

Recostado

Montañas plegadas en el NE de México. Sierra madre Oriental Imagen de satélite.

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Monterrey Anticlinales

Saltillo

Montañas plegadas

Pliegues pequeños (cm) en una formación del precámbrico en Manitoba, Canadá. Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Domo estructural. Las rocas más antiguas se encuentran en el núcleo de la estructura. Funciona como excelentes trampas para la acumulación de hidrocarburos.

Expresión superficial de los remanentes de un sinclinal. En el núcleo están las rocas más recientes.

PARTES DE UNA FALLA

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•

Plano de falla

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•

Rumbo o dirección de falla

•

Echado o inclinación del plano de falla

•

Salto o desplazamiento

•

Dirección del echado

Dirección de la falla Plano de falla

Dirección del echado

Salto

45° Echado

30 m

PARTES DE UN PLIEGUE •

Plano axial

•

Flancos o lados

•

Eje

•

Núcleo

•

Buzamiento

Buzamiento

Pliegue buzante Eje del pliegue Plano axial

Flanco

Núcleo

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APUNTES DE GEOLOGÍA APLICADA Geometría de los pliegues buzantes

Anticlinal Buzante

Sinclinal Buzante

Remanentes erosiónales de Pliegues buzantes, muestran un patrón en zig-zag.

En este dibujo se muestran las estructuras anteriores y como se observarían en subsuelo, si se hiciera un corte.

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INTERPRETANDO DATOS DE CAMPO •

Dirección

•

Echado o inclinación

Dirección del echado

Dirección de la capa

Angulo del echado

Mapa geológico

Las flechas y ángulos muestran el echado de las capas

Sección geológica

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APUNTES DE GEOLOGÍA APLICADA Diagrama que muestra las etapas de formación de una provincia geológica. Un geólogo sólo observa en campo la última etapa, pero puede reconstruir etapas anteriores por medio de datos recolectados, como, tipos de rocas, estructuras, etc.

Etapa 1

Etapa 4

Etapa 2 Etapa 5

Etapa 3

DISCORDANCIAS Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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DISCORDANCIA

DISCORDANCIA

DAÑOS CAUSADOS POR FALLAS GEOLÓGICAS YLA EXTRACCION DE AGUA CIUDAD DE MORELIA Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Principales fallas de la ciudad de Morelia Las fallas de esta ciudad son de tipo normal y su expresión actual se generó por la combinación de 2 fenómenos: -La presencia de fallas sepultadas -La excesiva extracción de agua por medio de pozos Sólo la falla Santa María no esta influenciada por la extracción de agua, domina su origen tectónico. Nombre Falla

de

la

Orientación

Desplazamiento

Santa Maria

E-W

>200m

Chapultepec

NE-SW

60-70 cm

Durango

NE-SW

30-40 cm

Nocupétaro

NE-SW

60-70 cm

La Colina-

NE-SW

40-50 cm

NE-SW

20-30 cm

Manantiales Torremolinos

CASA HABITACION AFECTADA POR LA FALLA LA COLINA

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FALLA NOCUPÉTARO (Antigua Central Camionera)

FALLA NOCUPÉTARO

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Daños en construcciones causados por la inestabilidad en el talud en la Falla San

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CAPÍTULO 2

EL CICLO HIDROLÓGICO Y LAS CORRIENTES

El agua es esencial para una gran variedad de procesos geológicos y para sustentar la vida en el planeta: -Los ríos y los glaciares son los agentes principales de la erosión que le dan la forma a la superficie terrestre. -El agua es importante en el intemperismo, tanto como solvente de algunos minerales de las rocas y también como agente de transporte. -El agua que se infiltra forma grandes yacimientos de agua subterránea. -El agua lubrica los materiales cuando ocurren deslizamientos de masas. -El agua caliente que circula sobre los cuerpos intrusivos en enfriamiento o en las cordilleras volcánicas meso-atlánticas, produce depósitos de minerales. -Por otra parte el agua es vital para la vida en el planeta. -Cada día se requiere mayor cantidad de agua para la actividad humana: industrial, agrícola, urbana.

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La HIDROLOGÍA cada día es más importante debido a que la demanda de agua se ha incrementado, en especial en los países desarrollados. Para proteger el suministro de agua que satisfaga nuestras necesidades, no sólo se debe saber donde se encuentra el agua, también se debe estar consiente de la manera en que este recurso se renueva. Al usar y desechar el agua nosotros debemos estar consientes de no poner en riesgo futuros abastecimientos. El agua la encontramos en el planeta: 1. Como parte de la atmósfera 2. Como escurrimientos que se dirigen hacia lagos, a las corrientes (ríos) y el océano 3. Se infiltra para dar lugar al agua subterránea Se presenta en 3 estados: Líquida (en las corrientes y en el agua subterránea). Sólida (en los glaciares). Gaseosa (como vapor en la atmósfera). Cada lugar de la Tierra donde el agua se almacena se denomina yacimiento. El movimiento cíclico del agua: del océano a la atmósfera por evaporación, de regreso a la superficie a través de la lluvia, luego de regreso al océano a través del escurrimiento en las corrientes y en el agua subterránea, se denomina ciclo hidrológico. Humedad, Lluvia y Relieve Muchas diferencias climáticas están relacionadas con la temperatura y con la cantidad de vapor de agua presente. La humedad relativa es la cantidad de vapor de agua en el aire, expresado como un porcentaje del total de la cantidad de agua que el aire puede retener a la temperatura cuando esta saturado. El aire tibio puede retener mucho mayor cantidad de vapor de agua que el aire frío. Cuando el aire tibio no esta saturado a una humedad relativa dada, se enfría lo suficiente y se empieza a sobresaturar y parte del vapor se condensa y se forman gotitas que forman las nubes. Cuando se ha condensado suficiente humedad en las nubes y las gotas son muy pesadas para mantenerse suspendidas por las corrientes de aire, ellas se precipitan como lluvia.

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El relieve puede afectar los patrones de la precipitación. Por ejemplo en las cordilleras se forman zonas de sombras de lluvia que son áreas de baja precipitación y ocurren en las pendientes de sotavento de una montaña. Las sequías, que son períodos de meses o años donde la precipitación es mucho menor que lo normal, ocurre en todos los climas pero las zonas áridas son las más vulnerables. La Hidrología de los Escurrimientos La precipitación puede afectar a las corrientes locales y a los escurrimientos en los ríos, ello puede observarse cuando se predice una inundación repentina después de una lluvia torrencial. Sin embargo, cuando se tienen estadísticas de los niveles de precipitación y de los escurrimientos en una zona amplia, drenada por un río principal, en un período de tiempo largo, es posible predecir el comportamiento de la corriente o al menos tener una aproximación. En las regiones secas como en el NW de México, gran parte de la precipitación se pierde por evaporación e infiltración. En las áreas húmedas como en el centro de Michoacán una mayor proporción de la precipitación escurre hacia los ríos. Un río principal puede acarrear gran cantidad de agua de un área con alta precipitación a un área de baja precipitación, como ocurre en el Río Colorado en USA.

CORRIENTES En el caso de las corrientes nos enfocaremos en la manera en como éstas realizan su trabajo geológico, es decir: -De que forma el agua fluye en las corrientes. -Los sedimentos como son acarreados por las corrientes. -Como las corrientes rompen y erosionan la roca sólida. -Como las corrientes labran valles y adquieren una variedad de formas. CORRIENTE: Cualquier cuerpo de agua fluyendo RIO: Los principales afluentes de un sistema de corrientes Las corrientes según su permanencia pueden ser de 3 tipos: Perennes. Fluyen todo el año. Ejemplo El río Balsas, el río Lerma, el río Nilo, etc.

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Intermitentes. Fluyen sólo en la temporada de lluvias, ejemplo El río chiquito de Morelia y arroyos del centro del país. Efímeras. Fluyen sólo después de una lluvia y desaparecen. Ejemplo, los arroyos del desierto de Sonora. Como fluye el agua en las corrientes: Existen 2 tipos flujo de fluidos: FLUJO LAMINAR: es un movimiento simple, las líneas de la corriente fluyen rectas o ligeramente curvadas y paralelas entre sí sin cruzarse entre capas. FLUJO TURBULENTO: tiene un patrón más complejo de movimiento en el cual las líneas de la corriente se mezclan, cruzan y forman remolinos. Si un flujo es laminar o turbulento depende de: 1. Su velocidad 2. Su geometría (sobretodo la profundidad) 3. Su viscosidad (medida de la resistencia de un fluido para fluir) Entre mayor sea la viscosidad es mayor la tendencia atener un flujo laminar. Una corriente mas “gruesa” es más viscosa.

CARGA DE LA CORRIENTE Y MOVIMIENTO DE LOS SEDIMENTOS Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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La carga de una corriente es la cantidad de sedimentos acarreados por una corriente. Los flujos laminares solo transportan las partículas mas pequeñas y menos pesadas del tamaño de las arcillas. Los flujos turbulentos, dependiendo de su velocidad pueden mover partículas desde la arcilla hasta las gravas y cantos rodados. También ruedan partículas más grandes en el fondo por tracción. La carga de una corriente puede encontrase suspendida o en su lecho (fondo de la corriente). La carga suspendida de una corriente incluye todo el material temporal o permanentemente suspendido en el flujo. La carga del lecho es el material que la corriente transporta en el fondo por tracción. COMPETENCIA: Es la habilidad de una corriente para transportar material de un tamaño definido. CAPACIDAD DE CARGA: Es la carga total de sedimentos acarreados por una corriente. La velocidad y el volumen de un flujo afecta tanto a la competencia como a la capacidad de la corriente. Un río como el Mississippi fluye a velocidad moderada a lo largo de casi toda su trayectoria y transporta sólo partículas finas y medianas (arcillas y arenas), pero transporta grandes cantidades. En contraste, una corriente rápida, pequeña, con gran pendiente que baja de una montaña, acarrea bloques, pero sólo pocos de éstos.

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Una corriente fluyendo sobre una capa de arena, limo y arcilla transporta partículas de dos formas: -Como carga de base. En este caso el material se desliza y rueda a lo largo del fondo. -Como carga suspendida. El material viaja temporal o permanentemente suspendido.

Tamaño de partícula y velocidad de la corriente.

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DUNAS Y RIPPLES Como en las dunas del desierto, las ripple marks (capas ondeadas) migran corriente abajo y tienen una estratificación cruzada.

ABRASIÓN Los potoles se forman en el fondo de las corrientes por la acción erosiva de las gravas y los cantos que giran en los remolinos.

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INTEMPERISMO FÍSICO El intemperismo físico puede ser violento en las corrientes cuando en el lecho (fondo del río), los bloques chocan y también debido a pequeños y constantes impactos de los cantos y de la arena. La erosión de la roca es particularmente violenta en los rápidos y en las cascadas. Rápidos son partes de la corriente donde el flujo es extremadamente fuerte por un cambio abrupto en la pendiente, ocurre en zonas montañosas. INTEMPERISMO QUÍMICO El intemperismo químico altera a los minerales de la roca y la debilita en las zonas de fractura tal como lo hace en superficie. En las cascadas el impacto tremendo del agua precipitándose y cayendo, erosionan rápidamente.

los grandes bloques

VALLES DE LAS CORRIENTES, CANALES Y LLANURAS DE INUNDACIÓN Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Un valle abarca el área entre la cimas de las pendientes de ambos lados del río. El perfil transversal de una corriente con frecuencia tiene forma de V, pero muchos otros valles tienen un perfil bajo. Canal es el fondo del valle donde circula el agua durante el tiempo normal, fuera de la temporada de inundaciones. En los valles muy amplios la llanura de inundación es una área plana a ambos lados del canal, que es inundada cuando el río se desaborda. Valles de las corrientes En zonas montañosas los valles son angostos y de paredes pronunciadas y el canal ocupa casi todo el fondo del valle. Se forma sólo una pequeña zona de inundación. En tierras bajas los valles tienen pendientes suaves y llanuras de inundación de varios kilómetros de ancho. Un río fluye desde las zonas altas en un canal que se mueve, sobre una planicie de inundación amplia y de poco relieve en un valle erosionado. Las planicies de inundación pueden ser muy estrechas o estar ausentes en los valles con mucha pendiente.

Llanura de inundación Afluente o corriente tributaria

Canal

Patrón de los canales Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Una corriente en su canal hace su trayectoria a lo largo del fondo del valle, puede correr de forma recta en algunos tramos y en otros puede tener forma irregular curveada llamados meandros y algunas veces se divide en múltiples canales.

Las corrientes que fluyen en llanuras de inundación planas, tienen baja velocidad y baja carga de sedimentos, además tienden a formar MEANDROS.

Cuando las corrientes de alta velocidad y alta carga de sedimentos fluyen en zonas de poco relieve, erosionan muy fácilmente al terreno. Cortan a través de los sedimentos suaves en las orillas de los canales existentes, creando canales entrelazados. Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Formación de diques naturales Cuando ocurre una inundación, el agua invade la llanura de inundación, perdiendo rápidamente velocidad y deposita sus sedimentos a lo largo de los bordes inmediatos al Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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canal. Las inundaciones consecutivas construyen poco a poco diques naturales que controlan la corriente entre inundaciones.

DESCARGA La descarga es el volumen de agua que pasa en un punto dado en una unidad de tiempo cuando fluye a través de un canal de un cierto ancho y profundidad. Usualmente se mide en m3 x seg. Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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La descarga depende de la velocidad y del área de la sección.

Un río con un área de sección transversal pequeña y una baja velocidad tiene una descarga baja.

Un río con un área de sección transversal elevada y con alta velocidad tiene una alta descarga.

Muchas ciudades están construidas en planicies de inundación como Liuzhou, China Inundación de julio de 1996.

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Curva de frecuencia de inundaciones Esta curva predice la probabilidad de que una inundación de cierta magnitud pueda ocurrir en un cierto año (ejem. Río Skykomish, Washington, USA).

En un río siempre hay un equilibrio dinámico entre la erosión del fondo de la corriente y la sedimentación en el canal y la planicie de inundación a lo largo de toda Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

su trayectoria. controlado por:

Este

equilibrio

está

-La topografía Página 38

APUNTES DE GEOLOGÍA APLICADA -El clima -El flujo de la corriente (incluye descarga y velocidad) -La resistencia de la roca al intemperismo y la erosión

Perfil Longitudinal Es la vista en perfil de la corriente. Cerca de la cabecera es abrupto y en la desembocadura es casi plano. Abrupto

Plano

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NIVEL BASE

Delta

El perfil longitudinal está controlado en su parte terminal por el nivel base de la corriente, elevación a la cual entra la corriente a un cuerpo de agua ya sea un lago o un océano.

Un cambio en los niveles base, por ejemplo, por fallamiento, genera cambios en el perfil.

La erosión mueve material hacia el nivel del mar. Los sedimentos que inicialmente se movían hacia el delta del río ahora se depositan en el lago. El delta anterior es casi abandonado.

Eventualmente el perfil original de la corriente se restablece y los sedimentos son nuevamente depositados en el delta.

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Un cambio en el nivel base de un río provocado por la actividad humana, como por ejemplo la construcción de una presa, también altera el perfil del río.

Cuando se construye una presa, se forma un embalse detrás de ella.

La corriente deposita sedimentos en el embalse, creando un perfil de pendiente más somera.

La mayor velocidad del agua, erosiona en la parte baja de la presa, generando a un perfil de pendiente más pronunciada.

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Los abanicos aluviales son acumulaciones de sedimentos en forma de cono o de abanico, depositados cuando una corriente debe ajustarse rápidamente a condiciones cambiantes, como el frente de una montaña. En el ejemplo (Valle de la Muerte en California), pasa de valles angostos en la montaña a valles planos de poca elevación.

Abanico aluvial

TERRAZAS

Las terrazas se forman cuando la superficie de la tierra es levantada y un río erosiona su propia llanura de inundación y se forma una nueva planicie de inundación a un nivel más bajo. Las terrazas son remanentes de las llanuras de inundación iníciales.

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PARTEAGUAS Los valles de la corriente y las cuencas hidrológicas están separadas por el parteaguas, los cuales pueden ser crestas, montañas, tierras altas. Parteaguas

La cuenca del Río Colorado abarca una gran parte del SW de USA. La cuenca está rodeada por parteaguas que la separan de las cuencas vecinas.

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Patrones de Drenaje Dendrítico. Se caracteriza por presentar brazos como los del limbo de una hoja.

Rectangular. Se desarrolla en rocas fuertemente fracturadas, tiende a seguir el patrón de las fracturas.

Subparalelo. Se desarrolla en terrenos de sierras y valles donde existen anticlinales y sinclinales Se debe a variaciones en la resistencia de la roca a la erosión.

Radial. Se desarrolla a partir de un pico, por ejemplo, un volcán.

CORRIENTES ANTECEDENTES Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Una corriente antecedente es aquella que ya existía antes de que la topografía actual existiese. Esta corriente mantiene su curso original a pesar de los cambios en las rocas subyacentes y de la topografía.

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Inicialmente una corriente forma un drenaje dendrítico sobre rocas sedimentarias en posición horizontal, que cubren rocas viejas falladas y plegadas con diferente resistencia a la erosión. Con el tiempo la corriente corta hacia abajo hasta alcanzar las rocas deformadas y erosiona una cañada en las rocas resistentes, conservando el mismo patrón que desarrolló inicialmente debido a que su curso se estableció a niveles superiores. A estas corrientes se les denomina:

Corrientes superpuestas

Deltas: La desembocadura de los ríos Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Cuando una corriente gradualmente desaparece, el río progresivamente pierde su energía para transportar los sedimentos. Los materiales más gruesos, como la arena, se precipitan primero, directamente en la desembocadura de muchos ríos, las arenas más finas se depositan más adelante seguidas de los limos y arcillas. En el piso del lago o en el declive del mar, partiendo de la costa y hacia aguas más profundas, se construye una plataforma depositacional llamada DELTA con el material precipitado y de diferentes diámetros.

DELTAS: LA DESEMBOCADURA DE LOS RÍOS

DELTA DEL RÍO MISSISSIPPI Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Capítulo 3

AGUA SUBTERRÁNEA

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El agua subterránea se forma a partir de gotas que se infiltran en el suelo y en las rocas a través de poros, grietas y huecos de las rocas. El agua subterránea es aprovechada por el hombre de 2 formas: Natural y Artificialmente. Natural: a través de los manantiales. Artificial: por medio de la perforación de pozos. Donde se almacena el agua subterránea? El agua se almacena en capas de suelo o roca que permiten el movimiento del agua, cuando la cantidad de agua es suficiente para explotarla por medio de pozos, a estas capas se les denomina ACUÍFEROS. El agua subterránea representa el 22 % del agua dulce almacenada en ríos, lagos, glaciares y la atmósfera.

Manantial en un acantilado, se forma donde la topografía abrupta permite que el agua subterránea brote en superficie. Parque Nacional del Gran Cañón en Arizona, USA.

¿Como fluye el agua a través del suelo y las rocas? Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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APUNTES DE GEOLOGÍA APLICADA

¿Que es lo que determina la velocidad en que ella fluye? Con excepción de las cavernas, no existen en el subsuelo grandes espacios abiertos como albercas o ríos donde fluya el agua subterránea. El único espacio disponible para que el agua fluya son los espacios entre las partículas que forman el suelo y en los espacios abiertos en las rocas (fracturas, grietas, fallas, etc.) En general en las rocas y suelos los espacios abiertos son pequeños y pocos, sólo en las areniscas y calizas existen grandes cantidades de poros y espacios. La porosidad es la cantidad de esos espacios abiertos en la roca, sedimentos y suelo, expresada en porcentaje. La porosidad depende del tamaño y de la forma de los granos y cómo ellos están unidos. Entre menos compactados estén las partículas, mayor será el espacio entre los granos. En muchas areniscas la porosidad puede ser hasta del 30%. Los minerales que cementan los granos reducen la porosidad. Entre mas pequeñas sean las partículas y además si tienen mayor variedad de formas, tienden a acomodarse más cerca una de otra, disminuyendo la porosidad. La porosidad es mayor en sedimentos y rocas sedimentarias (10-40 %). En volcánicas y metamórficas es mucho menor (1 a 2 %). Los espacios en las calizas se generan por medio de la disolución por intemperismo o por la circulación de agua subterránea. La porosidad nos dice cual es la cantidad de agua que una roca puede almacenar si todos los espacios están llenos.

Más porosa

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Menos porosa

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Arenisca sin cementar

Arenisca cementada

Arenisca bien clasificada

Arenisca mal clasificada

Lutita fracturada

Lutita sin fracturar

La porosidad nos dice cual es la cantidad de agua que una roca puede almacenar si todos los espacios están llenos, sin embargo, no nos da información acerca de que tan rápido el agua se puede mover a través de los poros. El agua viaja a través de trayectos tortuosos formados por una combinación de fracturas y poros. Entre más pequeños y más tortuoso es el trayecto, el agua se mueve más lento. La permeabilidad es la habilidad de un sólido para que un fluido pase a través de él. Generalmente la permeabilidad se incrementa con el aumento de la porosidad. La permeabilidad depende del tamaño de los espacios, de lo bien que estén conectados y de lo sinuoso de la trayectoria.

En general un yacimiento de agua subterránea es un cuerpo de roca, sedimentos o suelo, con una alta porosidad (que contiene gran cantidad de agua) y alta permeabilidad (que puede ser bombeada fácilmente). Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Una roca con alta porosidad pero baja permeabilidad puede contener gran cantidad de agua pero, debido a que el agua se mueve muy lentamente, es muy difícil extraerla de la roca y bombearla a la superficie.

Porosidad y Permeabilidad Tipos de Rocas Acuíferos

EL NIVEL FREATICO Cuando se perfora un pozo en busca de agua, en los niveles someros, el material está subsaturado, es decir que los poros contienen aire y agua. A este nivel se le conoce como Tipo de Roca

Porosidad

Permeabilidad

(Espacios que almacenan el fluido)

(Habilidad de la roca para que el fluido pase a través de la roca)

Grava

Muy alta

Muy alta

Arena gruesa a media

Alta

Alta

Arena fina a limo

Moderada

Moderada a baja

Arena parcialmente cementada a baja

Moderada a baja

Baja

Lutita fracturada o rocas metamórficas

Baja

Baja a muy baja

Lutita sin fracturar

Baja

Muy baja

Zona no saturada o zona vadosa.

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Abajo se encuentra la zona saturada o acuífero, que es el nivel donde los poros están llenos de agua y su límite inferior es una zona impermeable. El límite entre las dos zonas se conoce como nivel freático. El agua subterránea se mueve debido a la fuerza de gravedad, por lo tanto, el agua contenida en la zona subsaturada sólo está de paso hacia la zona saturada. En los sitios donde se han perforado varios pozos y se mide la profundidad del nivel freático, es posible construir un mapa del comportamiento del nivel freático.

Suelo

El agua y el aire ambos llenan los espacios

Roca intemperisada Zona no saturada Poca porosa

Nivel freático

Zona saturada

El agua llena todos los espacios

El nivel freático es el límite entre la zona saturada y la no saturada. Ambas pueden encontrarse en material no consolidado o en rocas.

El nivel freático sigue de forma general la forma de la superficie topográfica pero su pendiente es menor. El nivel freático llega a la superficie en ríos, lagos y en los manantiales. El agua entra y sale de la zona saturada a través de la descarga y la recarga.

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La recarga es la infiltración de agua a través de cualquier tipo de formación, con frecuencia proviene de la lluvia o del deshielo. También se deriva de la infiltración del lecho de los ríos, cuando ellos están arriba del nivel freático. La descarga es la salida del agua subterránea a la superficie. Y esto ocurre cuando un valle intersecta el nivel freático. El agua subterránea puede fluir en acuíferos confinados y no confinados. En los acuíferos no confinados el agua viaja a través de las capas de permeabilidad más o menos uniforme y no tiene un nivel superior impermeable que lo limite. Existen capas relativamente impermeables, como las arcillas, donde el fluido no puede desplazarse o lo hace muy lentamente, a éstas se les conoce como acuicludos. Cuados existen acuicludos arriba y abajo de un acuífero, se forma un acuífero confinado.

Dinámica del nivel Freático en formaciones permeables someras en clima templado.

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1. El agua de lluvia se Infiltra

2. y fluye a profundidad

3. Durante la temporada de lluvias, el nivel freático es alto

4. Los manantiales fluyen

6... y el agua subterránea descarga en ríos y lagos

5. Los pozos someros y profundos producen…

7. Durante los periodos secos, la evaporación descarga agua subterránea en suelos…

10. y el agua de ríos y lagos se infiltra y recarga los suelos y rocas superficiales

8… los manantiales dejan de fluir y los ríos se secan 9. El nivel freático desciende y los pozos someros se secan…

El agua contenida en un acuífero confinado se conoce como flujo artesiano y se encuentra bajo presión. Si se perfora un pozo en un acuífero confinado en un punto donde la elevación de la superficie del terreno es menor que aquella del nivel freático en la zona de recarga, el Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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agua podría fluir del pozo espontáneamente. A estos pozos se les llama pozos artesianos, los cuales son muy buscados ya que no requieren de energía para bombear el agua a la superficie. Un acuífero confinado se crea cuando un acuífero se sitúa entre dos acuicludos. Un pozo artesiano fluye en respuesta a la diferencia de presiones naturales entre la altura del nivel freático en la zona de recarga y el fondo del pozo

Pozo artesiano fluyendo Nivel freático Acuicludo Acuífero confinado Acuicludo

En ambientes geológicos complejos cuando existe una formación de areniscas dentro de un acuicludo (capa de arcillas casi impermeables), se genera un acuífero somero llamado acuífero colgado. La dinámica de la recarga y la descarga es diferente del acuífero principal.

Balance entre Recarga y Descarga

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Cuando la recarga y la descarga están balanceadas, el acuífero y el nivel freático permanecen constantes. Para que la recarga se mantenga en balance con la descarga, la precipitación pluvial (lluvia) debe ser frecuente para igualar la suma del escurrimiento en ríos y la descarga en manantiales y pozos. Sin embargo esta relación no siempre es igual, varía de estación a estación. Por lo general el nivel freático desciende en temporada de secas y se eleva en las lluvias. El incremento en la extracción de agua por medio de pozos también genera este tipo de efecto. Cuando en un pozo se extrae agua más rápido que la velocidad de recarga, el nivel de agua en el acuífero desciende en forma de cono alrededor del pozo y se denomina cono de depresión. Cuando la extracción de agua es demasiado elevada no solo se abate el acuífero, también se generan otros efectos ambientales no deseables como la formación de grietas y depresiones como ocurre en la ciudad de Morelia, en este caso siguiendo la trayectoria de fallas antiguas sepultadas.

Infiltración recarga

Cono de depresión

Nivel inicial del agua

Nivel del agua actual

El excesivo bombeo en relación a la recarga hace descender el nivel freático en forma de una depresión cónica alrededor del pozo. El nivel del agua en el pozo disminuye hasta el nivel que descendió el nivel freático.

Fisuras y depresión debido a la excesiva extracción de agua subterránea en Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Antelope Valley, California, USA. Se formaron en 1991 y tienen 625 m de longitud.

La Velocidad del Agua Subterránea La velocidad a la cual el agua se mueve a profundidad afecta fuertemente el balance entre la descarga y la recarga. Mucha del agua subterránea se mueve lentamente. Henry Darcy, un ingeniero francés, propuso una explicación para la diferencia en la velocidad de flujo y encontró lo siguiente: En un acuífero y para una distancia de traslado dada, la velocidad a la cual el agua fluye de un punto a otro es directamente proporcional a la diferencia en elevación del nivel freático entre los dos puntos. Cuando la diferencia de elevación se incrementa, la velocidad de flujo se incrementa. Si la distancia se incrementa la velocidad disminuye. La relación entre la diferencia de elevación y la distancia de traslado se conoce como gradiente hidráulico. Darcy propuso una ley e incluyó la permeabilidad considerando que el agua se mueve en un medio poroso: Q = A (K x h/l) donde Q = volumen de agua fluyendo en un tiempo dado A = área a través de la cual el agua fluye K = conductividad hidráulica (una mediad de la permeabilidad) l = distancia h = desnivel

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En muchos acuíferos, el agua subterránea se mueve a una velocidad de pocos cm por día. En capas muy permeables de grava cerca de la superficie, el agua puede viajar hasta 15 cm/día. Esta velocidad aún es inferior a la velocidad que viaja el agua en un río (20-50 cm/seg).

Erosión Producida por el Agua Subterránea Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Los rasgos más importantes producidos por la erosión subterránea son las cavernas. Se generan por la disolución de las calizas y algunas evaporitas, debido a la circulación de agua subterránea. Estas cavernas sólo se forman donde las calizas están cerca o en la superficie y cuando existe suficiente cantidad de dióxido de carbono o dióxido de azufre disuelto en el agua que se infiltra. El agua que se infiltra rica en dióxido de carbono desciende a través de la zona no saturada hasta la zona saturada, va ensanchando espacios abiertos a lo largo de juntas y fracturas formando una red de cuevas y canales. Esta red se genera en la zona saturada. Cuando el nivel freático desciende, las cuevas se vacían y permanecen llenas de aire dentro de la zona no saturada. En algunos sitios la disolución adelgaza el techo en las cavernas y se produce el colapso súbito dando lugar en superficie a dolinas, las cuales son pequeñas depresiones escarpadas que ocurren arriba de la zona cavernosa y dan lugar a un tipo característico de relieve, denominado topografía cárstica.

La corriente desaparece en el subsuelo

Dolinas

La corriente aparece en la superficie

Cavernas

Nivel freático

Algunas cavernas que se encuentran arriba del nivel freático están llenas de aire

Dolina formada por el colapso de una caverna subterránea. El colapso ocurre repentinamente. Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Depositación Producida por el Agua Subterránea En las cavernas el agua sobresaturada en calcio gotea desde el techo y al evaporarse forma las estalactitas y cuando gotea en el piso se forma las estalagmitas que al unirse dan lugar a columnas, todas ellas son rasgos de depositación del agua subterránea

Estalactita Columna

Estalagmita

Cavernas en Carlsbad, Nuevo México, USA

Calidad del Agua

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El problema más común es la contaminación de ríos y acuíferos por los desechos tóxicos derivados de la actividad humana. Contaminación por plomo. Se genera por la actividad industrial que inyecta contaminantes en la atmósfera. Cuando el vapor se condensa el plomo se incorpora en las gotas de lluvia y de esa manera pasa a los ríos y agua subterránea. - Deshechos radiactivos. Cuando estos deshechos son sepultados se produce lixiviación por el agua subterránea y se incorpora a los acuíferos. -Microorganismos en el agua. El agua se puede contaminar con los deshechos orgánicos contenidos en el drenaje cuando son lanzados directamente a los ríos. Las fosas sépticas son fuentes importantes de contaminación. -Existen otras fuentes de contaminación como los solventes, gasolinas, pesticidas, fertilizantes.

Revirtiendo la contaminación •

La contaminación sí se puede revertir pero el proceso es muy lento y costoso.

•

Un acuífero se puede recuperar dependiendo de la velocidad de recarga. Aún si la velocidad es rápida, la recuperación toma algunos años.

•

La contaminación de acuíferos con recarga lenta es más difícil de revertir.

•

Cuando el agua pública esta contaminada debe tratarse químicamente para hacerla potable, sin embargo, este es un procedimiento costoso.

•

Aún cuando se logre sanear la zona de recarga, algunos acuíferos profundos, ubicados a cientos de kilómetros de la zona de recarga, no responden en varias décadas.

La actividad humana puede contaminar el agua subterránea. Los contaminantes superficiales derivados de los tiraderos y las fosas sépticas entran a los acuíferos a través del flujo de agua subterráneo normal y por medio de pozos se extraen a la superficie junto con el Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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agua. Se pueden perforar pozos para desechar el agua contaminada a niveles profundos en los acuíferos salinos.

Agua profunda en la corteza. La mayor parte del agua se encuentra en la superficie o en las rocas sedimentarias sepultadas a poca profundidad. Sin embargo a pesar de que a grandes profundidades la porosidad y el contenido de agua disminuye conforme se incrementa la profundidad existen pequeñas fisuras donde el agua se mueve muy lentamente, unos cm/año y en general está sobresaturada de sales. La circulación de agua subterránea profunda sobre un cuerpo de magma en enfriamiento, produce un sistema hidrotermal, compuesto en superficie de manantiales calientes, geiser, fumarolas, etc. Ejemplo: Los Azufres, Mich. Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Capítulo 4 Movimientos de Masa en Pendientes

DESLIZAMIENTOS Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Los movimientos de masa son desplazamientos de roca y suelo que se mueven pendiente abajo cuando la fuerza de la gravedad excede la resistencia a la deformación de los materiales que forman la pendiente. Los mecanismos que disparan estos movimientos son: los sismos, las Intensas lluvias, deshielo rápido, cambio del nivel del agua, erupciones volcánicas.

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Los deslizamientos pendiente abajo pueden ocurrir muy lentamente o ser súbitos dando lugar a catástrofes. Los movimientos de masa son una consecuencia del intemperismo y de la fragmentación de rocas. Son en parte responsables de la modificación del paisaje por el transporte de grandes volúmenes de material. En los movimientos en masa la intervención del hombre puede causar severos efectos.

¿Que es lo que ocasiona estos movimientos? Existen 3 factores que influyen en este fenómeno: 1. La naturaleza de los materiales de la pendiente. Pueden ser masas de rocas y suelo. Éstos pueden encontrarse: Consolidados (compactados y cementados)y no consolidados (sueltos y sin cementar). 2. La pendiente y la estabilidad de la inclinación. Este factor contribuye a que los materiales caigan, se deslicen o fluyan. 3. La cantidad de agua en los materiales. Esta característica depende de que tan poroso es el material y de la cantidad de agua que reciben. Los 3 factores operan en la naturaleza, sin embargo, la estabilidad de la pendiente y la cantidad de agua son los más fuertemente influenciados por la actividad humana.

La Naturaleza de los Materiales de la Pendiente Existe una gran variedad de materiales que forman las pendientes porque dependen de las características de la geología local. Pueden ser principalmente de 2 tipos: Material consolidado y Material no consolidado.

Material no consolidado. El ángulo entre la pendiente de cualquier pila (montón) de arena o limo y la horizontal, siempre es el mismo, por lo general es de 35°. Si se extrae parte de material de la base, formando un nuevo escarpe de mayor pendiente, éste sólo se conservará durante algún tiempo, después se precipitará para retomar la pendiente original, a este ángulo se considera como su ángulo de reposo.

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El ángulo de reposo es el ángulo máximo en el cual la pendiente de una pila de material suelto permanece sin moverse pendiente abajo. El ángulo de reposo varía significativamente de acuerdo a los siguientes factores: el tamaño, la forma de las partículas y el contenido de humedad.

El movimiento de masas depende de la naturaleza del material, el contenido de agua y lo pronunciado de la pendiente. Las partículas que forman una pila crean un ángulo de reposo basado en su tamaño y angularidad Ángulo de reposo

Arena fina Las moléculas de agua en el interior de un líquido son atraídas en todas direcciones

La arena fina forma un ángulo de reposo bajo

Arena gruesa

La grava forma un ángulo de reposo alto

Grava

Mientras que las moléculas de la superficie poseen una malla de atracción interna que resulta en la tensión superficial.

Que se comporta como una membrana permitiendo que los objetos floten.

El material grande, plano y más angular permanece estable con pendientes más fuertes. El ángulo de reposo en arenas húmedas es mayor que en las arenas secas debido a que la pequeña cantidad de humedad entre los granos tiende a mantenerlos unidos. El origen de esta tendencia a mantener unidos los fragmentos es la tensión superficial: fuerza de atracción entre moléculas de una superficie. Cuando es demasiada agua, las partículas se separan y permite que se muevan libremente. Las arenas saturadas, donde todos los

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espacios están llenos de agua, se mueven como un fluido y colapsan formando una masa plana. Material consolidado. Las pendientes de materiales consolidados secos como las rocas, sedimentos compactados y cementados y suelos con vegetación, pueden conservar pendientes más fuertes, pero son inestables cuando la pendiente es exagerada o cuando se pierde la cubierta vegetal. En este caso, la resistencia al movimiento resulta de la cohesión (fuerza de atracción entre partículas de un material sólido), cementación y de la acción de retención de las raíces de las plantas. La mezcla de materiales no consolidados como la arena, limo, arcilla, y fragmentos de roca, forman pendientes de moderadas a fuertes. La forma plana de los minerales arcillosos, el contenido orgánico de los suelos y la rigidez de los fragmentos de roca, son factores que cambian la habilidad de los materiales para formar pendientes con ángulos específicos.

Contenido de agua Cuando el terreno se satura de agua, el material sólido se lubrica, la tensión superficial disminuye, las partículas se pueden mover más fácilmente. Si el material no consolidado absorbe grandes cantidades de agua, la presión del agua en los poros puede ser tan grande que separa los granos y dilata la masa. En ese momento el material puede empezar a moverse como un fluido. A este proceso se le llama licuefacción. Los suelos son más susceptibles a la erosión y el movimiento de masas cuando no contienen vegetación, usualmente a causa de incendios o deforestación. Esto ocurre cuando después de un incendio se presenta lluvia.

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Los castillos de arena mantienen su forma porque están hechos de Arena húmeda. Lo pronunciado de la pendiente se mantiene por la humedad entre los granos.

Inclinación y estabilidad de las pendientes Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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La estabilidad de las pendientes depende del intemperismo y fragmentación de las rocas. Varía desde inclinaciones relativamente suaves en las lutitas a escarpes verticales en las rocas duras como el granito. En clima seco las calizas y areniscas cementadas se rompen en grandes bloques, formando pendientes pronunciadas sin vegetación y en la parte baja cubiertas por los bloques rotos forman pendientes suaves.

Pendiente de lutitas Intemperizadas y Fragmentadas. Disparo de los Movimientos de Masa La combinación de materiales, humedad y un elevado ángulo de la pendiente hace inestable al flanco de una colina y por lo tanto es inevitable un deslizamiento. Lo único que se necesita es algo que lo dispare. Los factores que pueden disparar los deslizamientos son: -Las vibraciones producidas por un terremoto. -Las lluvias muy intensas -Por un incremento gradual de la inclinación -Erupciones volcánicas -Deshielo rápido -Cambio del nivel del agua

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Deslizamiento en Turmagain, Alaska, Disparado por un terremoto Clasificación de los Movimientos de Masa Los movimientos de masa se clasifican de acuerdo a tres características: 1. La naturaleza del material ( si es roca o fragmentos sin consolidar) 2. La velocidad del movimiento (pocos cm/año o km/hora) 3. La naturaleza del movimiento, si es un deslizamiento o si se trata de un flujo Los dos tipos de movimiento de masas más importantes son: 1. Movimientos de masas de roca 2. Movimientos de materiales no consolidados Los movimientos de roca incluyen: -caídas de rocas: rocas que caen librememente de un escarpe. Su velocidad de desplazamiento es alta pero la distancia que viaja es corta. Forman los depósitos de talud. -deslizamientos de rocas: rocas que se deslizan pendiente abajo a menor velocidad porque se mueven como una unidad, con frecuencia siguiendo las capas de roca inclinadas. -avalanchas de rocas: Están compuestas de masas de roca fragmentadas, que viajan a velocidades de decenas a centenas de km/hr. Normalmente son disparadas por un terremoto y son de las más destructivas debido a su gran volumen.

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Clasificación de los movimientos de masa en pendientes Velocidad Naturaleza del movimiento

Lento (1cm/año) Bajo contenido de agua

Moderado (1km/hr) Alto contenido de agua

Flujo

Rápido (5 km/hr o más) Alto contenido de aire

Avalanchas

Deslizamiento o caída

Caída de roca Deslizamiento de rocas

Movimiento de tierra estacionario (Creep) Flujo de fragmentos

Flujo de tierra

Flujo

Flujo de lodo Avalancha de fragmentos

Desplazamiento o caída

Deslizamientos de masa

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Deslizamiento de fragmentos

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Caída de bloques de roca

Caída de bloques de roca

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Deslizamientos de Roca

Avalancha de Rocas

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Rock slide-avalanche onto Sherman Glacier triggered by 1964 Alaska Earthquake. Pre-and post conditions

Los movimientos de masa de materiales no consolidados con frecuencia llamados flujos de fragmentos son los siguientes: Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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-Creep: Ocurre colina abajo debido a los bajos ángulos de la pendiente es el movimiento más lento a razón de 1-10 mm/año. -Flujo de tierra: es un movimiento de fluido de material relativamente fino, como suelo, lutitas Intemperizadas y arcillas. -Flujo de fragmentos: Es un flujo de masa en movimiento, compuesto de fragmentos de roca y soportados por una matriz de lodo. -Flujo de lodo: Es un flujo de masa de material principalmente más fino que la arena, contiene grandes cantidades de agua. -Avalanchas de fragmentos: Son movimientos rápidos, colina abajo de suelos y rocas que usualmente ocurren en zonas montañosas húmedas. Su velocidad es de 70 km/h o más y resulta de la combinación de un alto contenido de agua y pendientes pronunciadas. -Deslizamientos de masa: es un deslizamiento lento de materiales no consolidados que viaja como una unidad. Se caracteriza porque en muchos lugares su capa basal tiene forma cóncava como la de una cuchara. -Deslizamientos de fragmentos: Son más rápidos que los derrumbes, los materiales se Mueven más como una unidad, lo largo de planos de debilidad, como las capas de arcillas saturadas. Movimiento de tierra estacionario (Creep) 1-10 mm/año

Flujo de Tierra Movimiento de material relativamente fino que viaja a algunos km/h

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Flujo de Fragmentos Esta formado por material más grueso que la arena y viaja de pocos Km a decenas de km/h.

Flujo de Lodo Contiene grandes cantidades de agua. Viaja a varios km/h. En general es más rápido que los flujos de fragmentos y los flujos de tierra.

Avalancha de fragmentos

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Deslizamiento de masa

En un deslizamiento en masa el material no consolidado se desliza lentamente como una unidad. El movimiento es rápido, pero se desplaza a corta distancia

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Deslizamiento de masa Múltiple

Deslizamiento de masa Simple

Deslizamiento de masa Complejo

Estructura de un deslizamiento de masa ada / semestre: 02 Apuntes de Geología Aplicada

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Escarpe principal

GrosVentreslide, SW Wyoming

Causa natural de un Deslizamiento de masa

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Deslizamiento de fragmentos

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APUNTES DE GEOLOGÍA APLICADA Velocidad del movimiento

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La identificación y mapeo de depósitos de fragmentos y de cicatrices de deslizamientos, son pistas para detectar antiguos movimientos. El ingeniero debe interpretar estas pistas para predecir un nuevo deslizamiento y evitar daños. La actividad humana provoca y dispara los deslizamientos principalmente en: -Las excavaciones para cortes de carretera -Cortes de pendientes abruptas para construir terraplenes Medidas para reducir pérdidas por deslizamientos y para prevenirlos. 1. Evitar las construcciones en áreas que son propensas a los deslizamientos. 2. Construir de manera que no se produzca una pendiente inestable. 3. Realizar obras de ingeniería para drenar que eviten que los materiales de la pendiente se sobresaturen de agua y se deslicen o fluyan.

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CAPÍTULO 5 EXPLORACIÓN IN SITU

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Diseño y planificación de la exploración in situ Importancia La exploración in situ constituye la parte esencial de los estudios geológicos-Geotécnicos necesarios para el desarrollo de una obra de ingeniería civil. De ellos se obtienen los parámetros y propiedades que definen las condiciones del terreno en donde se realizarán los proyectos constructivos, cimentaciones, excavaciones, etc. Objetivos 1. Determinar las condiciones geológicas de la zona de trabajo. 2. Conocer los problemas geológicos que pueden afectar a la construcción 3. Cuantificar los datos y parámetros del terreno necesarios para el diseño de la obra. 4. Aportar criterios para el diseño. FASES DE UN PROYECTO •

ESTUDIOS PREVIOS Y DE VIABILIDAD

•

ANTEPROYECTO

•

PROYECTO

•

CONSTRUCCIÓN

•

EXPLOTACIÓN

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Desarrollo de la exploración in situ en las diferentes fases del proyecto

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La exploración in situ puede ser: directa o indirecta. La exploración directa consiste en la realización de: sondeos geotécnicos y calicatas Sondeos geotécnicos. Se realizan con equipo de perforación en general ligero y de diámetro pequeño. Estas pruebas pueden alcanzar una profundidad de 150 m, a partir de la cual los equipos son más pesados. Los sondeos más comunes son: -

Rotación

-

Helicoidales

-

Percusión

Sondeo de rotación: Estos sondeos pueden perforar cualquier tipo de suelo roca hasta profundidades muy elevadas y con distintas inclinaciones. La profundidad habitual no excede los 100 m, aunque puede alcanzar los 1000 m. La extracción de testigos es continua. El mecanismo principal del equipo es un sistema rotario que es la que imprime el movimiento de giro a la tubería de perforación.

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Perforación rotaria inclinada La perforación rotaria se puede efectuar con circulación de agua, lodo bentonítico o en seco. Este sistema emplea los siguientes elementos: cabeza, tubo portatestigo, extractor, manguito portaextractor y corona de corte. Corona de diamante. Se emplean en rocas duras.

Corona de widia (carburo de Wolframio) se emplean en suelos y rocas blandas.

Tubería de perforación Y corona de diamante

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Cuando no se desea obtener muestra inalterada, se emplean barrenas tricónicas, las cuales trituran la roca y se obtiene un ripio o material pulverizado el cual se analiza con el microscopio.

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Sondeos con barrena helicoidal Su uso se limita a suelos relativamente blandos y cohesivos. Entre sus ventajas se encuentra el bajo costo, así como, la facilidad del traslado y rápida instalación de los equipos.

Este tipo de perforación no permite precisiones inferiores a 0.5 m en la ubicación de los diferentes niveles atravesados. El tipo de muestra que se obtiene en la sonda es alterada. Los sondeos con esta barrena incluyen desde los que se realizan manualmente, para pequeñas profundidades (2-4 m) y diámetros de 1-2 pulgadas, a los mecánicos, para profundidades hasta los 40 m y diámetros de 3, 4, 6 y 8 pulgadas.

Las barrenas son de dos tipos: huecas y normales. Las primeras, a diferencia de las normales, permiten obtener muestras inalteradas sin extraer a la superficie la maniobra.

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Sondeos de Percusión Se utilizan en suelos en suelos granulares y en suelos cohesivos. Este tipo de sodeos puede alcanzar de 20 a 30 m. el sistema consiste en encajar unos tubos de acero mediante el golpeteo de una masa de 120 kg que cae desde una altura de 1 m. Se deben contar sistemáticamente los golpes necesarios para la penetración de cada tramo de 20 cm, lo que permite conocer la compactación del suelo atravesado. La extracción de muestras se hace con cucharas y trépanos. La muestra se recupera normalmente alterada.

Calicatas Las calicatas, trincheras, zanjas, pozos, etc., consisten en excavaciones realizadas mediante medios mecánicos convencionales, que permiten la observación directa del terreno a cierta profundidad, así como la toma de muestras y la realización de análisis in situ. Son uno de los métodos más empleados principalmente debido a su bajo costo y rapidez de realización.

Observación de suelos en zanja

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Observación de suelo en calicata

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APUNTES DE GEOLOGÍA APLICADA Los resultados se registran en un reporte como el siguiente:

Muestras Geotécnicas: Se toman tanto en sondeos como en excavaciones, con el fin de obtener testigos representativos de las características y propiedades del terreno para efectuar estudios de laboratorio. Los tipos de muestra son los siguientes: -Muestras inalteradas -Muestras parafinadas -Muestras alteradas -Muestras de agua

Muestras Inalteradas Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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APUNTES DE GEOLOGÍA APLICADA Son las que no sufren alteración ni en su estructura ni en su contenido de humedad. En sondeos se extraen mediante toma muestra y en excavaciones mediante el tallamiento de muestras en bloque o el encajamiento de tubos por presión o golpeteo. La obtención de este tipo de muestras es necesaria para el análisis de resistencia, deformabilidad, permeabilidad y textura de los suelos.

Muestras Parafinadas Son testigos de de roca o suelo que se recubren con parafina inmediatamente después de su extracción a fi de no alterar sus condiciones naturales. Estas muestras son aptas para realizar cualquier tipo de análisis en laboratorio. Pueden extraerse mediante 2 procedimientos: Muestras en bloque o por el encajamiento de tubos toma muestras.

Muestras en bloque

Muestra por encajamiento de tubo

Muestras Alteradas

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Son muestras que sufren modificación en su estructura y en su contenido de humedad, pero conservan su composición mineralógica. Las muestras se obtiene por lo general en excavaciones mediante palas o métodos manuales, introduciéndolas en sacos de plástico. La cantidad de muestra depende de la Granulometría de los materiales y del tipo de análisis de laboratorio a realizar.

Muestras de Agua Se obtienen de los distintos niveles de acuíferos detectados durante la peroración, con el fin de realizar análisis químicos. Los análisis de laboratorio más característicos son el pH y el contenido de sales y de contaminantes. Las muestras no deben tomarse inmediatamente después de finalizar la perforación, con el fin de que desaparezcan los residuos de los fluidos que se emplearon durante la perforación. El agua se recoge en botellas de plástico limpias, lavándolas con la misma agua Antes de ser llenadas. Cxada muestra debe llevar la fecha y los de identificación del sondeo y la profundidad.

Recuperación de testigos

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La descripción geotécnica de los testigos recolectados en sondeos y de los datos de perforación es una tarea que debe ser llevada a cabo por un por geólogo especialista en geología de perforación.

Caja portatestigos

Registro de sondeo en roca

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EXPLORACIÓN INDIRECTA O PROSPECCIÓN GEOFÍSICA

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Es el conjunto de técnicas que investiga el interior de la Tierra a partir de variaciones detectadas en parámetros físicos significativos y su correlación con las características geológicas. Son técnicas no destructivas y de gran cobertura, complementarias de los métodos directos. Se les denomina métodos geofísicos. Se emplean habitualmente para determinar: -Espesores de rellenos o recubrimientos, -Excavabilidad de los materiales, -Posición del nivel freático, -Localización de cavidades u otras heterogeneidades del subsuelo -Estructura del subsuelo, propiedades -Geomecánicas de los materiales -Localización de fallas o superficies de deslizamientos, -Espesor de la roca alterada -Índices de fisuración -Localización de conducciones subterráneas -Evolución de fenómenos dinámicos

Los principales métodos geofísicos empleados para el reconocimiento del subsuelo se dividen según el parámetro físico empleado:

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-Sísmicos (velocidad de propagación de ondas sísmicas) -Eléctricos (resistividad) -Gravimetría (densidad) -Magnetometría (susceptibilidad magnética) -Electromagnéticos (conductividad eléctrica y permeabilidad magnética)

Método sísmico Estudian la propagación en el terreno de ondas sísmicas producidas artificialmente, estableciendo su relación con la configuración geológica del subsuelo. La velocidad de propagación depende básicamente de las constantes elásticas y de la densidad del medio. Los contactos entre los cuerpos con diferente velocidad de transmisión de las ondas sísmicas, definen superficies de separación en las que las ondas sufren refracción, reflexión o difracción. En Ingeniería se emplea básicamente la sísmica de refracción, que estudia la energía que vuelve a la superficie después de sufrir refracción total en superficies límite del subsuelo. Sísmica de refracción Consiste en la realización de perfiles longitudinales instrumentados con sensores o geófonos, espaciados entre sí una distancia conocida y generalmente regular. La energía que libera el disparo, mediante el golpe de un martillo de 8 kg, llega a los geófonos provocando una perturbación que se registra en un sismógrafo. La longitud de los perfiles suele situarse entre 25 y 100 m, con separación entre geófonos que no excede los 5 m. Los puntos de golpe del martillo como mínimo son 3 en cada perfil, situados al inicio, mitad y final de cada perfil. Si los perfiles son mayores de 60 m, el número de golpes es cinco.

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La medida delos tiempos de llegada de las ondas elásticas a los geófonos proporciona el valor de la propagación y espesor de los distintos materiales atravesados.

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Se mide el tiempo transcurrido entre el momento del disparo y la llegada de la primera perturbación a cada geófono. Las primeras en llegar son las ondas directas; sin embargo, a partir de un punto llegan primero las ondas refractadas, es decir las que circulan por los niveles inferiores del subsuelo. La velocidad de transmisión de las ondas sísmicas es un buen indicador de las características geotécnicas de los materiales. En la bibliografía existen tablas de las velocidades de los diferentes materiales, este valor disminuye si los materiales se alteran.

Métodos Eléctricos Son aquellos que estudian la respuesta del terreno cuando se propagan a través de él corrientes eléctricas continuas (DC).El parámetro físico que se controla es la resistividad y la interpretación final se hace en función de las características geológicas de la zona. La resistividad es una propiedad de las rocas y depende de su litología, estructura interna y sobretodo de su contenido de agua.

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La medida de las resistividades del subsuelo se lleva a cabo en los siguientes pasos: -Se introduce en el terreno una corriente continua de intensidad I, mediante dos electrodos, denominados A y B, conectados a una fuente de energía. -Se mide la diferencia de potencial V, generada por el paso de la corriente, entre dos electrodos denominados M y N. - Se calcula la resistividad del espesor de terreno afectado por el paso de la corriente.

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Los equipos empleados consisten en una caja de baterías, electrodos de corriente y potencial, cables de conexión y resistivímetros.

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Gravimetría Se basa en el estudio de las diferencias entre los valores medidos del campo terrestre gravitatorio en un lugar y el valor que teóricamente debía tener en ese lugar (anomalía gravimétrica). Las anomalías se originan por la heterogeneidad en la densidad del subsuelo, y son positivas o negativas según exista en el lugar un cuerpo de mayor o menor densidad que la del entorno. La unidad de medida es el miligal (mgal=10-3cm/s2) Los aparatos de medida son los gravímetros, los cuales no dan medidas directas de la gravedad, por lo que deben corregirse por topografía.

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Los métodos gravimétricos en ingeniería civil se utilizan para la detección de huecos y su cubicación, localización de galerías, zonas con importantes pérdidas de finos (pérdida de densidad), zonas con tratamientos del terreno con aumento de densidad, etc. Esta técnica se aplica por lo general mediante perfiles longitudinales, a base de puntos alineados de medida o retículas con espaciado constante. La separación entre los puntos de medida se hace de acuerdo a la magnitud y profundidad de la anomalía a investigar.

Magnetometría Su fundamento consiste en el estudio de las variaciones locales del campo magnético terrestre, obteniéndose medidas absolutas de la componente vertical del campo magnético. Las anomalías son debidas a diferencias en la susceptibilidad magnéticade los suelos y de las rocas, y a la presencia de minerales permanentemente magnetizados. El área a estudiar se cubre con una retícula de puntos de medición de espaciado regular y de separación variable en función del objetivo del estudio. Los equipos más usados son magnetómetros de protones. Los resultados que se obtienen suelen interpretase de forma cualitativa. La principal ventaja de la magnetometría es que se trata de un método rápido y no costoso. En Ingeniería se emplean para la localización de conducciones metálicas enterradas, contactos litológicos, fallas, diques, masas mineralizadas, etc., su utilidad es limitada.

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Métodos Electromagnéticos Son aquellos que estudian la repuesta del terreno cuando se propagan a través de él campos electromagnéticos (EM). Pueden clasificarse en 2 grupos: 1. Técnicas en las que predominan las corrientes de conducción -De fuente de inducción próxima -De fuente de inducción lejana 2. Técnicas donde las corrientes de desplazamiento predominan sobre las corrientes de conducción: El geo-radar (GPR).

Prospección electromagnética en dominio de frecuencias (de fuente de inducción próxima) Consiste en la emisión de impulsos electromagnéticos desde una bobina emisora hasta una receptora situada sobre el terreno. La profundidad de penetración depende de la frecuencia de emisión que suele oscilar entre 100 Hz a 10 kHz y de la distancia entre emisor y receptor. El método operativo consiste en situar un punto emisor y receptor a una cierta distancia (5 a 50 m como norma general), e ir desplazándolos a intervalos regulares a lo largo de perfiles. Habitualmente se emplean equipos multifrecuencia que permiten realizar en el mismo punto, varias medidas sucesivas modificando en cada una de ellas la frecuencia e investigando el terreno a diferentes profundidades.

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Técnica de muy baja frecuencia (V.L.F.) (de fuente de inducción lejana) En este caso la emisora es una estación lejana. El campo primario es generado por antenas de radio lejanas (varios cientos o miles de kilómetros) de muy baja frecuencia. La gran ventaja de este método es evitar el traslado de equipo pesado en campo, se utilizan solamente ligeras bobinas que captan el campo resultante. Las ondas resultantes se encuentran dentro de la banda de 3 a 30 kHz y cada emisora tiene una frecuencia específica.

El geo-radar Es un método que funciona por reflexión, obteniéndose perfiles continuos de alta resolución, similares a los conseguidos por sísmica de reflexión. Sus ventajas principales son la rapidez de toma de datos y su versatilidad. La principal desventaja es la excesiva dependencia de las características superficiales del terreno al que se aplica. Los equipos GPR radian, mediante una antera transmisora, impulsos cortos de energía electromagnética, con frecuencias entre 50 MHz y 1.5 GHz. Cuando la onda radiada halla heterogeneidades en las propiedades electromagnéticas de los materiales del subsuelo (contactos entre materiales del subsuelo, fracturas, huecos, zonas de distinta calidad, elementos metálicos), parte de la energía se refracta de nuevo a la superficie y parte se transmite a profundidades mayores. La señal reflejada se amplifica, se transforma al espectro de la audiofrecuencia, y se registra, obteniéndose un perfil continuo en el que se indica el tiempo total de viaje de una señal al pasar a través del subsuelo, se refleja en una heterogeneidad y vuelve a la superficie.

Equipo de geo-radar Apuntes de Geología Aplicada / semestre: 02

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Sección obtenida por geo-radar

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