Geología: Fracturas

Las fracturas INTRODUCCIÓN. Para la espeleogénesis es muy importante tener conocimiento de fracturas, al fin y al cabo es por una estrecha fractura donde una galería empieza su historia. La apertura (el diámetro), el alcance lateral, el espaciamiento (distancia entre fracturas) y el grado de interconexión son solo algunas facetas de las fracturas que intervienen en el desarrollo de una cueva. Solo en 1990 Price and Cosgrove, en su monumental libro de “Analysis of Geological Structures”, se quejaban de los pocos estudios acerca de fracturas. Sin embargo, desde entonces el aumento en conocimiento ha sido muy considerable. Tradicionalmente se clasificaban las fracturas en diaclasas y fallas. Más recientemente también las suelen clasificar como sistemáticas y no sistemáticas. Las fracturas no tienen un alcance infinito, y el modo más frecuente de terminar es la terminación en juntas de estratificación, en otras fracturas abiertas y en niveles dúctiles. Las teorías acerca de la relación entre espaciamiento y grosor del estrato se han desarrollado mucho, especialmente gracias a las simulaciones numéricas por ordenador, y el descubrimiento de un valor crítico en el ratio espaciamiento-grosor estrato (saturación de fracturamiento). En este artículo se intenta dar una descripción elemental de las fracturas y su relación con rocas sedimentarias.

LAS FRACTURAS. Una fractura es un plano de ruptura de la roca. En general la formación de fracturas es causada por los siguientes procesos geológicos: Por movimientos y deformaciones corticales (epirogénesis y orogénesis). Por contracción y disecación de los sedimentos. Por liberación de tensión (stress release), cuando por el proceso de levantamiento y erosión la roca se acerca otra vez a la superficie o por tensiones paralelas a la superficie. En rocas sedimentarias la mayoría de las fracturas están (sub)verticales, prácticamente perpendiculares a la estratificación o paralelas a la superficie. DIACLASAS Y FALLAS.. La clasificación tradicional de las fracturas está basada según se produzca o no desplazamiento relativo de las rocas, a los dos lados del plano de la fractura. Si no hay desplazamiento apreciable se llama diaclasa y si hay desplazamiento se llama falla. Aunque a primera vista parece una división muy clara y simple, hay algún inconveniente con la palabra “apreciable”, porque puede haber much diferencia de interpretación de fuerzas y tensiones entre una fractura claramente distensional (diaclasa sensu stricto) y una fractura con un desplazamiento, aunque sea a nivel de microscopio. FRACTURAS SISTEMÁTICAS Y NO SISTEMÁTICAS. A parte del problema arriba mencionado, lo que también interesa de las fracturas son aspectos como su distribución, la forma del plano y su alcance. La distribución está definida por el rumbo y buzamiento del plano de la fractura y por el espacio que hay entre fracturas vecinales (espaciamiento). La forma del plano puede ser recta o curvada. El alcance es la longitud que tiene su intersección con la superficie (alcance lateral) y la

profundidad a la quellega (alcance vertical). Por eso, recientemente se ha introducido otra clasificación. Esta clasificación divide las fracturas en fracturas sistemáticas y fracturas no sistemáticas. La intersección de una fractura sistemática con un estrato es una línea recta. Suelen formar grupos de fracturas paralelas (sets de fracturas sistemáticas) y las fracturas individuales pueden tener un gran alcance. Frecuentemente dos sets se cruzan y el ángulo entre ambos revela información valiosa acerca de las fuerzas de deformación de la corteza (figura 1). Las fracturas sistemáticas son consideradas de ser la consecuencia de deformación geológica a escala regional.

La figura 1 muestra 2 sets de fracturas sistemáticas verticales. Los planos de las fracturas son rectos y el espaciamiento regular. El ángulo entre ambos sets es A. La intersección de una fractura no sistemática con un estrato es curvado. Esta geometría indica que son fracturas de dilatación, porque ya un pequeño desplazamiento paralelo a un plano curvado causa aperturas en la roca y estas aperturas no se suelen observar. También pueden formar sets, pero las fracturas individuales tienen menos alcance. Las fracturas no sistemáticas suelen ser más numerosas cerca de la superficie y en muchos casos se han formado por la liberación de tensión y por la meteorización. FRACTURAS DE EXFOLIACIÓN. Las fracturas de exfoliación son fracturas no sistemáticas muy importantes porque aumentan considerablemente la permeabilidad del subsuelo. Algunas de sus características: suelen seguir la topografía (paralelas a la superficie), son numerosas en los primeros 30 metros bajo la superficie y son curvadas. Una descripción más completa y las teorías de su génesis serán tratadas detalladamente en el artículo acerca de la liberación de tensión.

TERMINACIÓN DE FRACTURAS. INTRODUCCIÓN. Ya en los años sesenta los investigadores habían observado que muchas fracturas suelen terminar sobre juntas de estratificación (Hodge, 1961) o sobre otras fracturas. Más tarde también descubrieron la frecuente terminación de fracturas sobre los niveles más dúctiles, por ejemplo pizarras o margas. TERMINACIÓN DE UNA FRACTURA SOBRE UNA FRACTURA ABIERTA. Cuando una fractura es formada y se propaga por la roca, es posible que se encuentre con otra fractura ya existente. Si esta fractura es una fractura abierta (con una cierta apertura) no hay cohesión entre los dos bloques a ambos lados de la fractura, y por esta razón la nueva fractura suele terminar aquí. Si esta fractura se hubiera mineralizado, formando una vetilla, entonces la nueva fractura probablemente la hubiera cruzado. Como ya hemos visto, las fracturas suelen ocurrir en sets y a menudo hay 2 o más sets en un volumen de roca. Estudiando las terminaciones de las fracturas nos revela el orden cronológico de la formación de los diferentes sets de fracturas (figura 2).

La figura 2A muestra un set de fracturas (en rojo). La figura 2B muestra la misma situación pero con un segundo set de fracturas (en verde). Se puede ver que las fracturas del segundo set se terminan en las fracturas del primer set. De este modo se puede determinar que el segundo set se ha formado más tarde.

CLASIFICACIÓN DE JUNTAS SEGÚN SU FUERZA. Si una fractura puede cruzar o no una junta de estratificación, depende en gran medida de las características de la junta. Si una junta tiene (muy) poco material pizarroso, margoso u orgánico, se dice que esta junta es fuerte. Una junta fuerte es más difícil de distinguir en el campo y manualmente suele ser difícil de separar dos estratos por una junta fuerte. Si una junta tiene mucho material pizarroso, margoso u orgánico, se dice que esta junta es débil. Una junta débil es fácil de distinguir en el campo y manualmente suele ser fácil de separar dos estratos por una junta débil. Una junta moderada se encuentra a medio camino de ambas juntas mencionadas (Cooke and Underwood, 2001).

MODO DE CÓMO CRUZAN LAS FRACTURAS LAS JUNTAS DE ESTRATIFICACIÓN. Tanto las observaciones en el campo como los modelos numéricos han demostrado las siguientes relaciones. Si la junta de estratificación es fuerte la fractura suele continuar, pasándola sin problema. Si la junta es de una fuerza moderada, la fractura la puede pasar o se puede terminar en la junta. En caso de que si la pasa, es puede que la fractura se desplaza un poco (en inglés: step-over-fracture). Si la junta es débil muchas fracturas se terminan en la junta (figura 3). En el caso de que la fractura se desplace un poco, siempre cabe la posibilidad que el alineamiento sea una coincidencia, es decir que solo parece un “step over” y un estudio adicional puede ser necesario.

La figura 3 muestra la interacción de las fracturas con las juntas de estratificación. Si la junta es fuerte, las fracturas la suelen pasar. Si la junta es débil las fracturas suelen terminar. Si la junta es moderada hay un intermedio: muchas fracturas terminan, y de las fracturas que pasan algunas lo hagan de modo “ step over”. Lo que parece un “step over” puede ser un alineamiento accidental. También se puede observa que cuanto más grueso es el estrato, menos fracturas hay: el espaciamiento aumenta con el grosor.

TERMINACIÓN DE FRACTURAS SOBRE JUNTAS DE ESTRATIFICACIÓN Y NIVELES DÚCTILES. La terminación de una fractura sobre una junta de estratificación se debe a la deformación interna de esta junta. Los materiales pizarrosos se deforman fácilmente y absorben la energía, y también la junta se puede despegar y formar de este modo un espacio que inhibe la propagación de la fractura. Del mismo modo de que las fracturas a menudo terminan sobre juntas débiles, incluso las fracturas más importantes pueden terminar cuando se encuentran con un nivel dúctil en la formación. De este manera los niveles o miembros de pizarras, de margas y de fina estratificación con juntas débiles, funcionan como barreras que no dejan pasar las fracturas. Como consecuencia las fracturas quedan confinadas a los niveles de roca más compacta. De todos modos, suelen ser las fracturas sistemáticas que más fuerza de propagación tienen y por lo tanto mayor posibilidad tienen de sobrepasar un nivel dúctil.

ESPACIAMIENTO DE FRACTURAS. INTRODUCCIÓN. En los años sesenta los investigadores también observaron que el espaciamiento de las fracturas tiene relación con el grosor y la competencia de los estratos (Harris,1960). Una roca competente es fuerte y compacta, con gran resistencia a la deformación. La regla general es que cuanto más grueso y competente es un estrato, más grande es el espaciamiento de las fracturas. Cuando el espaciamiento es dividido por el grosor del estrato se obtiene un ratio, este ratio es llamado el ratio de Espaciamiento de Fracturas y Grosor del Estrato (el ratio EF/GE). TEORÍA ACTUAL. La actual teoría acerca de la importancia del ratio EF/GE es la siguiente: Cuando poco a poco se forman cada vez más fracturas, el espaciamiento entre ellas es cada vez más pequeño. Por eso el ratio EF/GE es cada vez más pequeño. Finalmente llega un momento que el ratio EF/GE llega a un mínimo (valor crítico) y no se pueden formar más fracturas (saturación de fracturamiento). En lugar de formar más fracturas, la energía de las fuerzas distensionales es usado para aumentar las aperturas de las fracturas existentes. Entonces, la cantidad y la apertura de las fracturas en un estrato depende en gran medida del grosor y competencia del estrato. Es decir, estratos gruesos y competentes tienen menos fracturas, pero las que hay pueden ser más anchas. Nota: la razón por lo que existe un valor crítico tiene que ver con un cambio en los regímenes de tensión. También influye la competencia y el grosor de los estratos (niveles) adyacentes y varias cosas más. ESTRATIGRAFÍA MECÁNICA. Una herramienta en la geología es la estratigrafía litológica. En una estratigrafía litológica se describe en detalle todas las características de una formación (diámetro del grano, los minerales, estructuras sedimentológicas, etc). Si a cambio nos interesa más la distribución de las fracturas, también se puede levantar una estratigrafía mecánica. Entonces hay más atención por grosores de estratos y niveles, juntas de estratificación, competencia de las rocas, etc. Naturalmente en ambas estratigrafías coinciden varios componentes, pero la estratigrafía mecánica es mucho más útil para estudiar los posibles confinamientos hidrológicos.

CONSECUENCIAS PARA LA DISTRIBUCIÓN DE CUEVAS.. En una formación calcárea puede haber mucha diferencia en competencia y grosor de los diferentes materiales. Puede haber niveles gruesos que consisten de una caliza compacta y sin estratificación (calizas de origen arrecifal) y también niveles de estratificación, pero con juntas tan fuertes que apenas son visibles. Estos son niveles muy competentes. Al contrario hay frecuentemente niveles de estratificación fina con juntas muy prominentes (débiles), y niveles de pizarras y margas (a veces con algún estrato). Estos son niveles poco o no competentes. En una alternancia de niveles es fácil que un miembro competente se encuentre entre niveles no competentes. Arriba hemos visto que la fracturación puede quedar confinado al miembro competente, aislándolo hidrológicamente del resto de la formación. La consecuencia es que una eventual formación de cuevas está limitada a este miembro con muy pocas o ninguna conexión con eventuales cuevas en otros miembros (figura 4). Conocimientos de este aspecto nos puede ayudar mucho en la exploración y en la determinación de su historia geológica.

La figura 4 muestra que se pueden desarrollar cuevas independientes en dos miembros competentes, separados por un nivel dúctil. En cada caso la espeleogénesis está limitada al miembro.

NOTA. Este artículo es un resumen esquemático de algunas teorías. Sin embargo, es posible que una junta cambia lateralmente de fuerte a moderada o incluso a débil. Hay fracturas que pasan juntas débiles, especialmente si las fuerzas de deformación son regionales (fracturas sistemáticas y fallas). Este artículo solo quiere atender el lector a modelos generales, pero hay que darse cuenta que especialmente en este campo existan muchas excepciones.

REFERENCIAS. Una referencia en español encontrado en internet es la siguiente: La importancia del fracturamiento en rocas en sedimentarias: Implicaciones sobre la movilidad de hidrocarburos, agua y emplazamiento de fluidos mineralizantes. Enlace: http://investigacion.uagro.mx/3coloquio/exa/13.pdf

FOTOS. Las fotos se ve mucho mejor en el artículo original publicado en el blog ESPELEOGÉNESIS: La formación de cuevas.

Foto 1 muestra una junta fuerte (entre las dos líneas negras). Por la izquierda se puede observar que la junta se transforma en moderada. Según la arcilla que se depositó sobre el plano en el momento de sedimentación, las juntas pueden cambiar lateralmente.

Foto 2 muestra una roca caliza de aspecto masiva con juntas fuertes. Las juntas se encuentran directamente por debajo de las líneas azules.

Foto 3 muestra una fractura curvada que corta juntas fuertes y moderadas y que termina en una junta débil. La fractura está en rojo y las juntas en azul. La junta débil está indicada con A.

Foto 4 muestra una fractura curvada que termina en una junta débil. La fractura se encuentra entre las líneas rojas y la junta débil por debajo de la línea azul.

Foto 5 muestra una fractura curvada que termina en 2 juntas débiles y que corta una junta fuerte/moderada. La junta B cambia de fuerte (por la derecha) a débil (por la izquierda).La fractura se encuentra entre las líneas rojas y las 2 juntas débiles por debajo de las líneas azules.