Geología Estructural Toño

Geología estructural Geología estructural es la rama de la geología que se dedica a estudiar la corteza terrestre, sus estructuras y la relación de las rocas que las forman. Estudia la geometría de las rocas y la posición en que aparecen en superficie. Interpreta y entiende la arquitectura de la corteza terrestre y su relación espacial, determinando las deformaciones que presenta y la geometría su superficial de las estructuras rocosas. Esfuerzo El esfuerzo es la fuerza aplicada sobre un área determinada: Esfuerzo = F/A Unidades de medida del esfuerzo son [Pa] Pascal; Bar; entre otras. El esfuerzo se divide a su vez en: Esfuerzo Normal y Esfuerzo Tangencial (o de Cizalle). En casos más complicados de carga debemos considerar también el Esfuerzo de tensión en vez de la compresión. La geometría es la rama de las matemáticas que estudia las formas de los objetos individuales, las relaciones especiales entre varios objetos y las propiedades del espacio circundante. La geometría no se limita al estudio de las superficies.

Deformación: Cambio en forma, tamaño y localización de una roca a causa de la presión aplicada en ella. Las rocas pueden deformarse de tres maneras: Elástico: El cuerpo de roca se deforma cuando se lo somete a un esfuerzo pero vuelve a su posición original cuando este cesa. Si supera el límite de elasticidad, la roca puede presentar deformación: Frágil: El cuerpo de roca se deforma observándose a simple vista fracturas en la roca. Dúctil: El cuerpo rocoso se deforma sin que se aprecien a simple vista fracturas del bloque de roca. No existe un límite neto entre la deformación frágil y dúctil, sino más bien una zona de transición. Generalmente coincide con la escala de observación,

encontrándose deformaciones frágiles, a escala regional, y dúctiles, a escala local, aunque es una norma que no se puede generalizar. Las fuerzas que producen deformación en la corteza son: verticales (producidas tanto por gravedad como por material ascendente del manto) y tangenciales (producto del movimiento y acomodación de esfuerzos en los bordes de las placas tectónicas).

Estructuras: Ejemplos de estructuras geológicas son: Fallas geológicas, son fracturas que separan bloques con movimiento relativo entre ellos. Según este movimiento se clasifican genéticamente como: Fallas de salto en dirección: son en general sub-verticales, y separan bloques que se desplazan lateralmente. Según sea el sentido relativo de desplazamimiento se dividen en dextrosas (el bloque se mueve hacia la derecha) o sinestrosas (el bloque se mueve hacia la izquierda), tomando como criterio el bloque del observador y deslizando el contrario. También se conocen como fallas transcurrentes, pero este termino se usa cuando la falla tiene escala regional. Fallas de salto en buzamiento: separan bloques que se desplazan verticalmente. Dentro de las fallas de salto en buzamiento podemos encontrar, fallas normales o directas cuando el bloque superior se mueve hacia abajo.Son fallas generalmente asociadas a extensión. Y fallas inversas cuando el bloque superior se mueve hacia arriba. al contrario que las anteriores se asocian a compresión, con el consiguiente acortamiento del sistema. Dentro de la clasificación de falla normal e inversa podemos encontrar las de alto y bajo ángulo. A las fallas inversas de bajo ángulo se les llama también cabalgamiento. Fallas oblicuas en las que hay una componente de salto en dirección y otra de salto en buzamiento. Diaclasas: Son fracturas no visibles a simple vista. La diferencia entre falla y diaclasa reside en la escala de observación, ya que una falla a escala local puede resultar una diaclasa a escala regional. Un buen criterio es la búsqueda de los ornamentos típicos de una diaclasa como son la estructura plumosa, las nervaduras y la orla. Existen tres tipos de diaclasas: Modo I: de abertura, por extensión, con un leve espaciamiento. Modo II: de desplazamiento paralelo. Modo III: de tijera.

Pliegues: Son estructuras de deformación producto generalmente de esfuerzos compresivos. Se producen cuando las rocas se pliegan en condiciones de presión y temperatura altas, lo que les confiere la ductilidad necesaria para que se generen los pliegues. Foliaciones: Estructuras planares formadas por la alineación de minerales en planos preferenciales a través de la roca. Se producen a elevadas presiones y temperatura

Identificación y clasificación de estructuras Principales estructuras geológicas Como parte fundamental de cualquier estudio de estructuras geológicas presentes en un yacimiento, se deben distinguir los tipos de estructuras que están presentes en la roca. Su objetivo es identificar sus características e influencia en aspectos de seguridad tales como: 

La inestabilidad de un talud o galería por presencia de una falla (en este caso se debería contemplar la posibilidad de fortificar) La tendencia estructural definida con un plegamiento. La secuencia de encendido para que las operaciones de tronadura sean más eficientes, al existir planos de discontinuidad ya formados.

Planos geológicos y orientación La mayoría las rocas de la corteza terrestre muestran varios tipos de planos geológicos, los que se puede agrupar en dos grandes categorías: Foliaciones primarias que son las estructuras que se originan antes de la litificación o formación de rocas. Por ejemplo: estratos, flujo magmático.

Grietas de resecación

Foliaciones secundarias que son aquellas que se originan después de la litificación, ya sea debido a fuerzas tectónicas presentes en la corteza terrestre (por ejemplo, diaclasas, fallas, esquistosidades) u otras causas, como por ejemplo, grietas de enfriamiento y estructuras sedimentarias (grietas de resecación). En varias regiones del mundo se encuentra más de una fase tectónica, lo que revela la formación de las rocas en diferentes momentos.

Orientación de un plano

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Para definir matemáticamente la orientación de un plano (medido en grados) en la naturaleza se recurre a las propiedades de: Dirección de inclinación Marca hacia dónde se inclina el plano, o la proyección horizontal de la línea del máximo pendiente. Rumbo

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Es la línea horizontal de un plano y se puede definir como la línea que resulta de la intersección del plano geológico por un plano horizontal. Es posible imaginar este concepto a partir de una superficie de agua (que es siempre horizontal), en la cual se hunde el plano hasta la mitad. La línea hasta donde se moja el plano es el rumbo. Manteo o buzamiento Mide el ángulo que existe entre el plano y el plano horizontal.

Diaclasas Las diaclasas, que quiere decir juntas, son fracturas en las rocas que no presentan desplazamiento transversal que sea detectable, sólo manifiestan un poco de movimiento extensional. Tipos de diaclasas Las diaclasas corresponden a foliaciones secundarias, tanto de origen tectónico como no-tectónico, pero que no tienen desplazamientos. Entre ellas se distinguen: 

Fisuras de enfriamiento las que se originan durante el enfriamiento de una roca magmática. Como el material caliente ocupa más espacio que la misma cantidad de materia fría, al enfriarse el magma, se producen fracturas por la diferencia de volumen que se produce. Grietas de desecación durante la desecación de un barro o lodo bajo condiciones atmosféricas determinadas (sequedad, alta temperatura, radiación solar), al evaporarse el agua o la humedad contenida en él, disminuye el espacio ocupado por el material húmedo y la superficie se rompe en polígonos. Fisuras de tensión gravitacional (origen tectónico) sobre estratos inclinados se puede observar bajo algunas condiciones, un deslizamiento de las masas rocosas hacia abajo. Al comienzo de este fenómeno se abren grietas paralelas al talud.

Las diaclasas son las fracturas más frecuentes y se presentan en todos los tipos de rocas, especialmente, al nivel de la superficie y también a grandes profundidades. Estas fracturas pueden tener dimensiones que se extienden desde algunos milímetros hasta unos pocos metros. Normalmente se presentan en una masa rocosa, en la que se pueden observar grupos de diaclasas -estructuras paralelas o subparalelas- y/o sistemas de diaclasas que corresponden a aquellas que se cortan entre sí en ángulos definidos, y tienen una cierta simetría. Algunas diaclasas están rellenas con calcita u otros minerales. Fallas La falla corresponde a la fractura que se presenta en las rocas a lo largo de las cuales ha tenido lugar un movimiento o desplazamiento. Este movimiento produce un plano o zona de falla, que pueden alcanzar un ancho que va desde milímetros hasta los cientos de metros. Los movimientos o desplazamientos (salto total) pueden ser pequeños (milímetros) o muy grandes llegando a alcanzar los cientos de kilómetros. Tipos de fallas El movimiento en las fallas produce algunas estructuras o rocas especiales llamadas estrías, arrastres, brecha de falla, milonitas y diaclasas plumosas. Estas estructuras se pueden usar como indicadores directos de fallas. Según la dirección del desplazamiento se pueden distinguir dos grandes grupos de fallas: 

Fallas con desplazamiento vertical Son aquellas donde el movimiento es fundamentalmente paralelo al buzamiento o manteo de la superficie de falla. Este tipo de movimiento puede producir pequeños resaltes denominados escarpes de falla, producidos por desplazamientos generados por terremotos. Los movimientos verticales son fallas de ángulo, ya que el movimiento es a lo largo del manteo, hacia arriba o hacia abajo. 

Por el movimiento descendente del techo, las fallas con desplazamiento vertical acomodan el alargamiento o la extensión de la corteza. Las fallas con desplazamiento vertical a gran escala se asocian con estructuras denominadas montañas limitadas por fallas.

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Las pendientes de las fallas con desplazamiento vertical disminuyen con la profundidad y se reúnen para formar una falla casi horizontal denominada falla de despegue (a Estas se extienden varios kilómetros por debajo de la superficie y constituyen un límite importante entre las rocas situadas debajo (que exhiben deformación dúctil), y las situadas encima, las que demuestran deformación frágil a través de la formación de fallas.

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Fallas normales o gravitacionales Son aquellas fallas en las que el bloque de techo se desplaza hacia abajo en relación con el bloque de muro. (Bloque de techo es el más cercano a la persona, ver figura anterior). Cuando la roca sobre el plano de falla -que es el plano formado por el movimiento relativo de bloques- se mueve hacia abajo en relación con las rocas del pie, se producen esfuerzos tensionales que separan la corteza y provocan un levantamiento, el cual induce a que la superficie se estire y quiebre. Pliegues Los pliegues son inflexiones o dislocaciones u ondulaciones, más o menos bruscas, que presentan las capas sedimentarias cuando son modificadas de su posición natural (la horizontal) por los agentes orogénicos . Estos agentes o fuerzas generan deformaciones plásticas y continuas tridimensionales, por lo que también se les llaman cuerpos geológicos. Los pliegues suelen ser más habituales en rocas sedimentarias plásticas, como las volcánicas, aunque también se presentan en rocas metamórficas. Elementos de un pliegue

Los pliegues están formados por un conjunto de elementos que permiten describirlos:

Plegamiento en zona norte del País. Fuente: Ronald Guzmán

 Charnela: es la línea que une los puntos de máxima o mínima altura en cada capa, es decir, representa la máxima curvatura del pliegue, donde los estratos cambian el buzamiento. Un pliegue puede tener más de una charnela o ninguna, que se da cuando el pliegue es un semicírculo. Plano axial: es aquel que une las charnelas de todas las capas de un pliegue, es decir, el que divide al pliegue tan simétricamente como sea posible. Eje axial: es la línea que forma la intersección del plano axial con la charnela. Flanco:corresponden a los planos inclinados que forman las capas, o sea, los laterales del pliegue, situados a uno y otro lado de la charnela. Un pliegue es simétrico cuando posee los flancos iguales e igualmente inclinados y será asimétrico si tiene sus planos desiguales. Cresta:es la línea que une los puntos más altos de un pliegue. Valle:es la línea que une los puntos más bajos de un pliegue. Núcleo: es la parte más interna de un pliegue. Dirección: es el ángulo que forma la línea de intersección del estrato con el plano horizontal, tomado con respecto del polo norte magnético. Buzamiento: o inclinación, es el ángulo que forma el plano del estrato con la horizontal. Ángulo de vergencia o inmersión: es aquel que forma el plano axial con la horizontal. Indica el sentido en que se inclina el plano axial.

Tipos de pliegues Existen diferentes tipos de pliegues los que se clasifican de acuerdo con la edad de los estratos y de acuerdo con la orientación que presente. Según la edad de los estratos envolventes Pliegues anticlinales: se forman cuando los estratos más nuevos envuelven a los más antiguos. Estos pliegues presentan la parte convexa hacia arriba, presentando un aspecto de bóveda. Los flancos se inclinan en sentido divergente y los estratos más antiguos se sitúan en el núcleo. Las principales características de los pliegues anticlinales son: El centro es un eje de simetría. Los dos lados del anticlinal muestran direcciones de inclinación diferentes. Los estratos se inclinan siempre hacia los flancos. En el centro el manteo es pequeño o cero (estratos horizontales)

Del centro hacia los flancos el manteo se aumenta. En el centro (núcleo) afloran los estratos más antiguos y en los flancos los más jóvenes.

Pliegues sinclinales: se forman cuando los estratos más antiguos envuelven a los más jóvenes. Sus flancos forman una U característica. Tienen la convexidad hacia el interior de la Tierra, adquiriendo una forma de cuenca o cubeta. Los flancos se inclinan en sentido convergente y los extractos más jóvenes se sitúan en el núcleo. Cuando se desconoce la edad de los estratos que forman los pliegues, se denomina antiforma al pliegue convexo hacia arriba, y sinforma al pliegue convexo hacia abajo. Las principales características de los pliegues sinclinales son: El centro es un eje de simetría. Los dos lados del sinclinal muestran direcciones (de inclinación) diferentes y opuestas en 180º. Los estratos se inclinan siempre hacia el núcleo. En el centro, el manteo es pequeño o cero (estratos horizontales) Del centro hacia los flancos el manteo se aumenta. En el centro (núcleo) afloran los estratos más jóvenes y en los flancos los más antiguos. Según orientación Pliegues simétricos: se distinguen cuando los flancos a ambos lados del plano axial divergen según un mismo ángulo. Por efecto de dos fuerzas iguales y opuestas, se forman pliegues rectos y simétricos, dos de ellos anticlinales (los de las crestas) y el otro sinclinal (el del valle).

Pliegues asimétricos: se observan cuando los flancos a ambos lados del plano axial no divergen según un mismo ángulo. Por efecto de las fuerzas iguales y opuestas, se forman pliegues asimétricos, los que pueden ser inclinados, volcados, acostados o tumbados.

Pliegues asimétricos inclinados: un pliegue asimétrico está inclinado cuando el ángulo formado por el plano axial con la horizontal es mayor de 45º. Pliegues asimétricos volcados: se distinguen cuando uno de los flancos se apoya sobre la parte superior del siguiente pliegue. El ángulo formado por el plano axial con la horizontal es menor de 45º. Pliegues asimétricos acostados o recumbentes: se forman cuando el plano axial y los flancos son horizontales.

Estilos estructurales Cartografía de las estructuras Geológicas

Los procesos de deformación generan estructuras a muchas escalas diferentes. En un extremo se encuentran los principales sistemas montañosos de la Tierra. En el otro, los esfuerzos muy localizados crean fiactures menores en las rocas. Todos estos fenómenos, desde los pliegues más grandes de los Alpes hasta las fracturas más pequeñas de una lámina de roca, se conocen como estructuras tectónicas. Antes de empezar nuestra discusión de las estructuras tectónicas examinemos el método que utilizan los geólogos para describirlas y cartografiarlas.

Cuando estudia una región, el geólogo identifica y describe las estructuras principales. A menudo, una estructura es tan grande que desde una zona concreta sólo puede verse una pequeña porción. En muchas situaciones, la mayor parte de las capas está cubierta por vegetación o por sedimentos recientes. Por consiguiente, debe hacerse utilizando los datos recogidos de un número limitado de afloramientos, que son lugares donde el sustrato de roca aflora en la superficie (véase Recuadro 10.1). Pese a esas dificultades, una serie de técnicas cartográficas permiten a los geólogos reconstruir la orientación y la forma de las estructuras existentes. En los últimos años, los avances acaecidos en la fotografía aérea, en la obtención de imágenes a través de los satélites y en el desarrollo del sistema de posicionamiento global (GPS) han ayudado en este trabajo. Además, los perfiles de reflexión sísmica y las perforaciones proporcionan datos sobre la composición y la estructura de las rocas que se encuentran en profundidad. La cartografía geológica se realiza con mucha más facilidad cuando los estratos afloran en la superficie. Estose debe a que los sedimentos suelen depositarse en capas horizontales. Si los estratos de rocas sedimentarias siguen estando horizontales, esto les dice a los geólogos que probablemente el área no ha experimentado modificaciones estructurales. Pero si los estratos están inclinados, doblados o rotos, esto indica que se produjo un período de deformación después de la deposición.

Dirección y buzamiento Los geólogos utilizan dos medidas denominadas dirección (rumbo) y buzamiento (inclinación) para ayudar a determinar la orientación de un estrato rocoso o de una superficie de falla (Figura GEOEST-05). Conociendo la dirección y el buzamiento de las rocas en la superficie, los geólogos pueden predecir la naturaleza y la estructura de unidades rocosas y las fallas que están ocultas debajo la superficie fuera del alcance de nuestra vista, La dirección es el ángulo entre el norte magnético y una línea obtenida mediante la intersección de un estrato inclinado, o falla, con un plano horizontal (Figura GEOEST-05). La dirección, o rumbo, se suele expresar como un valor de un ángulo en relación con el norte. Por (N 10º E) significa que la línea de dirección se dirige al este desde el norte. La dirección del estrato ilustrada en la Figura GEOEST-05 es de aproximadamente norte 75º este. (N 75" E). El buzamiento es el ángulo de inclinación de plano geológico, como por ejemplo una falla, medida desde un plano horizontal. El buzamiento incluye ¿??? el valor del ángulo de inclinación como la dirección hacia la cual la roca está inclinada. En la Figura GEOEST-5, el ángulo de buzamiento del estrato rocoso es de 30º Una manera de visualizar el buzamiento es imaginar que el agua descenderá siempre por la superficie rocosa según una línea paralela al buzamiento. La dirección caída formará siempre un ángulo de 90º con la dirección. En el campo, los geólogos miden la dirección (rumbo) y el buzamiento (inclinación) de las rocas sedimentaría en tantos afloramientos como sea conveniente. Esos se representan luego en un mapa topográfico o en fotografía aérea junto con una descripción codificada colores de la roca. A partir de la orientación de los estratos puede establecerse la orientación y la forma supuesta de la estructura, como se muetra en la Figura GEOEST-06. Utilizando esta información, el geólogo puede reconstruir las estructuras previas a la erosión y empezar a interpretar la historia geológica de la región.

Construcción de secciones geológicas

A lo largo de la historia de la Tierra, la superficie del planeta ha ido cambiando. Las características que la definen son el resultado de la interacción de procesos de origen externo e interno. La radiación solar da lugar a la circulación de la atmósfera y de la hidrosfera, las cuales esculpen la superficie del planeta.

Por otro lado, el estudio de las rocas aflorantes demuestra que la forma de los continentes y océanos, las grandes unidades estructurales y el emplazamiento de distintos tipos de rocas están ligados a procesos que operan en el interior de la Tierra. La litosfera está dividida en fragmentos denominados placas, constituidas por la corteza y la parte superior del manto.Las placas se mueven relativamente unas con respecto a otras. Las placas se van separando a medida que se forma un océano entre ellas o se aproximan, llegando a colisionar y dando lugar a las grandes cadenas de montañas. Estos movimientos provocan la fracturación y el plegamiento de las rocas corticales, muchas de las cuales proceden de zonas profundas de la corteza, desde donde han sido levantadas hasta la superficie. Una prueba, observable hoy en día, de la acción de los procesos internos la constituyen la actividad volcánica y los terremotos. La Tectónica y la Geología Estructural estudian la deformación de las rocas de la litosfera y tratan de reconstruir los movimientos y procesos que han originado su estructura.

La Tectónica estudia la historia de los movimientos y de las deformaciones a escala global y regional. La palabra tectónica deriva del griego tekton, que significa constructor. Los movimientos de las placasl, el origen de los continentes y océanos y la formación de los sistemas montañosos son algunos de sus objetivos.

La Geología Estructural estudia la deformación de las rocas desde una escala submicroscópica a una escala regional. Comprende el estudio de la geometría de las estructuras, los procesos y mecanismos de la deformación, las propiedades mecánicas de las rocas y los sistemas de fuerzas que originan la deformación. La investigación en Geología Estructural y Tectónica utiliza técnicas que van desde la observación de un cristal al microscopio electrónico, la cartografía geológica o a la adquisición de datos geofísicos que permitan visualizar la estructura profunda de la corteza. Como todas las ciencias, uno de los aspectos más importante es su contribución a la armonía entre la sociedad y su entorno. La Geología Estructural y la Tectónica tienen un importante papel por ejemplo en la investigación de materiales de interés económico, en las aguas subterráneas y en la predicción y prevención de desastres naturales, tales como terremotos y deslizamientos producidos por movimientos tectónicos. Por otra parte, los estudios estructurales son básicos en la ingeniería civil. La Tectónica y la Geología Estructural no restringen su investigación a la Tierra.. Los modelos de la dinámica terrestre contribuyen de forma decisiva al conocimiento de otros cuerpos celestes.

Dentro de la docencia del Departamento, el cuerpo de conocimiento de estas disciplinas se imparte en las siguientes asignaturas:  Geología Estructural I y Geología Estructural II.  Tectónica  Neotectónica  Mecánica de Rocas  Cartografía Estructural

3.5 Estilos Estructurales El estilo o corte Geológico es también un modelo a escala que consiste en la representación gráfica de una sección de terreno, en una dirección determinada, levantada a partir del mapa geológico. Interpretar un Corte Geológico consiste en: • La identificación de las estructuras geológicas. Litología y disposición de las rocas. • La determinación del origen y edad de las estructuras y la deducción de los fenómenos o eventos geológicos que han formado o han moldeado. • Análisis de la tectónica y de los contactos. • El establecimiento de la secuencia temporal en que han ocurrido esos fenómenos geológicos. • La determinación-si la escala es adecuada y hay datos observables suficientes- de los posibles estilos tectónicos (Germánico, Jurásico, Alpino) Símbolos Litológicos En todo corte Geológico debe de figurar una leyenda representativa de las rocas que hay en el esquema. Estructuras Tectónicas: Pliegues y Fallas En los mapas geológicos utilizamos signos convencionales para indicar los pliegues y las fallas.