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La geología estructural estudia la distribución tridimensional de las unidades rocosas en relación con su historia de deformación . Su objetivo principal es utilizar mediciones de la geometría actual de las rocas para obtener información sobre su historia de deformación ( tensión ) y, en última instancia, comprender el campo de esfuerzos que dio lugar a la tensión y las geometrías observadas. Esta comprensión de la dinámica del campo de esfuerzos puede vincularse a eventos importantes del pasado geológico; un objetivo común es comprender la evolución estructural de un área determinada en relación con patrones regionales generalizados de deformación de las rocas (por ejemplo, formación de montañas , rifting ) debido a la tectónica de placas .
Uso e importancia
El estudio de las estructuras geológicas ha sido de suma importancia en la geología económica , tanto en la geología del petróleo como en la geología minera . [ 1 ] Los estratos rocosos plegados y fallados comúnmente forman trampas que acumulan y concentran fluidos como el petróleo y el gas natural . De manera similar, las áreas falladas y estructuralmente complejas se destacan como zonas permeables para fluidos hidrotermales , lo que resulta en áreas concentradas de depósitos de mena de metales base y preciosos . Las vetas de minerales que contienen varios metales comúnmente ocupan fallas y fracturas en áreas estructuralmente complejas. Estas zonas estructuralmente fracturadas y falladas a menudo ocurren asociadas con rocas ígneas intrusivas . También suelen ocurrir alrededor de complejos de arrecifes geológicos y características de colapso como sumideros antiguos . Los depósitos de oro , plata , cobre , plomo , zinc y otros metales, se encuentran comúnmente en áreas estructuralmente complejas.
La geología estructural es una parte fundamental de la geología de la ingeniería , que se ocupa de las propiedades físicas y mecánicas de las rocas naturales. Las estructuras y defectos como fallas, pliegues, foliaciones y diaclasas son puntos débiles internos de las rocas que pueden afectar la estabilidad de las estructuras construidas por el hombre, como presas , cortes de carreteras, minas a cielo abierto y subterráneas o túneles de carretera .
El riesgo geotécnico , incluido el riesgo sísmico , solo puede investigarse mediante la inspección de una combinación de geología estructural y geomorfología . [ 2 ] Además, las áreas de paisajes kársticos que se encuentran sobre cavernas, posibles sumideros u otras características de colapso son de particular importancia para estos científicos. Asimismo, las áreas de pendientes pronunciadas representan un riesgo potencial de colapso o deslizamiento de tierra.
Los geólogos ambientales e hidrogeólogos deben aplicar los principios de la geología estructural para comprender cómo los sitios geológicos influyen (o son influenciados) por el flujo y la infiltración de aguas subterráneas . Por ejemplo, un hidrogeólogo podría necesitar determinar si se están produciendo filtraciones de sustancias tóxicas provenientes de vertederos en una zona residencial o si el agua salada se está filtrando en un acuífero .
La tectónica de placas es una teoría desarrollada durante la década de 1960 que describe el movimiento de los continentes mediante la separación y colisión de las placas tectónicas. En cierto sentido, es geología estructural a escala planetaria y se utiliza en toda la geología estructural como marco para analizar y comprender características a escala global, regional y local. [ 3 ]
Métodos
Los geólogos estructurales utilizan diversos métodos para (primero) medir la geometría de las rocas, (segundo) reconstruir su historia de deformación y (tercero) estimar el campo de esfuerzos que dio lugar a esa deformación.
Geometrías
Los conjuntos de datos primarios para la geología estructural se recopilan en el campo. Los geólogos estructurales miden una variedad de características planares ( planos de estratificación , planos de foliación , planos axiales de pliegues, planos de falla y diaclasas) y características lineales (lineaciones de estiramiento, en las que los minerales se extienden dúctilmente; ejes de pliegues; y lineaciones de intersección, que son el rastro de una característica planar sobre otra superficie planar).
convenciones de medición
La inclinación de una estructura planar en geología se mide mediante el rumbo y el buzamiento . El rumbo es la línea de intersección entre la estructura planar y un plano horizontal, tomada según la convención de la mano derecha, y el buzamiento es la magnitud de la inclinación, por debajo de la horizontal, perpendicular al rumbo. Por ejemplo: un rumbo de 25 grados al este del norte, con un buzamiento de 45 grados al sureste, se registra como N25E,45SE. Alternativamente, se puede usar el buzamiento y la dirección del buzamiento, ya que es absoluto. La dirección del buzamiento se mide en 360 grados, generalmente en el sentido de las agujas del reloj desde el norte. Por ejemplo, un buzamiento de 45 grados hacia un acimut de 115 grados, se registra como 45/115. Nótese que esto es lo mismo que lo anterior.
El término hade se usa ocasionalmente y se refiere a la desviación de un plano de la vertical, es decir (inclinación de 90°).
La inclinación del eje del pliegue se mide en la dirección de buzamiento (estrictamente, inclinación y azimut de la inclinación). La orientación del plano axial de un pliegue se mide en la dirección de rumbo y buzamiento, o en la dirección de buzamiento y buzamiento.
Las lineaciones se miden en términos de buzamiento y dirección del buzamiento, si es posible. A menudo, las lineaciones se manifiestan en una superficie plana y pueden ser difíciles de medir directamente. En este caso, la lineación se puede medir desde la horizontal como un ángulo de inclinación o pendiente sobre la superficie.
El ángulo de inclinación se mide colocando un transportador plano sobre la superficie plana, con el borde plano en posición horizontal, y midiendo el ángulo de la lineación en sentido horario desde la horizontal. La orientación de la lineación se puede calcular a partir de la información sobre el ángulo de inclinación y el rumbo del plano desde el que se midió, utilizando una proyección estereográfica .
Si una falla tiene lineaciones formadas por el movimiento en el plano, por ejemplo, superficies de deslizamiento , esto se registra como una lineación, con un rastrillo, y se anota en cuanto a la indicación del desplazamiento en la falla.
En general, es más fácil registrar la información de rumbo e inclinación de las estructuras planares en formato de inclinación/dirección de inclinación, ya que esto coincidirá con toda la demás información estructural que pueda estar registrando sobre pliegues, lineaciones, etc., aunque existe una ventaja en utilizar diferentes formatos que distingan entre datos planares y lineales.
Convenciones sobre planos, tejidos, pliegues y deformaciones
La convención para analizar la geología estructural consiste en identificar las estructuras planares , a menudo llamadas fábricas planares porque esto implica una formación textural , las estructuras lineales y, a partir del análisis de estas, desentrañar las deformaciones .
Las estructuras planares se nombran según su orden de formación, siendo la estratificación sedimentaria original la más baja (S0). A menudo, resulta imposible identificar S0 en rocas muy deformadas, por lo que la numeración puede comenzar con un número arbitrario o asignarse una letra (por ejemplo, S A ). En los casos en que exista una foliación en los planos de estratificación causada por metamorfismo de enterramiento o diagénesis, esta puede denominarse S0a.
Si existen pliegues, estos se numeran como F 1 , F 2 , etc. Generalmente, la foliación o clivaje del plano axial de un pliegue se crea durante el plegamiento, y la numeración debe coincidir. Por ejemplo, un pliegue F 2 debe tener una foliación axial S 2 .
Las deformaciones se numeran según su orden de formación, donde la letra D indica un evento de deformación. Por ejemplo, D₁ , D₂ , D₃ . Los pliegues y las foliaciones, al formarse por eventos de deformación, deben correlacionarse con estos eventos. Por ejemplo, un pliegue F₂ con una foliación en el plano axial S₂ sería el resultado de una deformación D₂ .
Los eventos metamórficos pueden abarcar múltiples deformaciones. A veces, resulta útil identificarlos de forma similar a las características estructurales de las que son responsables, por ejemplo, M2 . Esto puede lograrse observando la formación de porfiroblastos en clivajes de edad de deformación conocida, identificando asociaciones minerales metamórficas creadas por diferentes eventos o mediante geocronología .
Las lineaciones de intersección en las rocas, al ser el resultado de la intersección de dos estructuras planares, reciben su nombre según las dos estructuras planares que las componen. Por ejemplo, la lineación de intersección de una foliación S1 y una estratificación es la lineación de intersección L1-0 ( también conocida como lineación de foliación-estratificación).
Las lineaciones de estiramiento pueden ser difíciles de cuantificar, especialmente en rocas dúctiles muy estiradas donde se conserva información mínima sobre la foliación. Cuando es posible, al correlacionarlas con deformaciones (ya que pocas se forman en pliegues y muchas no están estrictamente asociadas con foliaciones planares), pueden identificarse de forma similar a las superficies planares y los pliegues, por ejemplo, L 1 , L 2 . Para mayor comodidad, algunos geólogos prefieren anotarlas con un subíndice S, por ejemplo L s1, para diferenciarlas de las lineaciones de intersección, aunque esto suele ser redundante.
Proyecciones estereográficas
La proyección estereográfica es un método para analizar la naturaleza y orientación de las tensiones de deformación, las unidades litológicas y las estructuras penetrantes, en el que las características lineales y planas (lecturas de rumbo e inclinación estructurales, generalmente tomadas con un clinómetro de brújula ) que atraviesan una esfera imaginaria se representan en una proyección de cuadrícula bidimensional, lo que facilita un análisis más holístico de un conjunto de mediciones. Stereonet [ 4 ] , desarrollado por Richard W. Allmendinger, es ampliamente utilizado en la comunidad de geología estructural.
macroestructuras de las rocas
A gran escala, la geología estructural es el estudio de la interacción tridimensional y las relaciones de las unidades estratigráficas dentro de los terrenos rocosos o regiones geológicas.
Esta rama de la geología estructural se ocupa principalmente de la orientación, la deformación y las relaciones de la estratigrafía (estratificación), que puede haber sufrido fallas, pliegues o foliación debido a algún evento tectónico. Se trata principalmente de una ciencia geométrica, a partir de la cual se pueden generar secciones transversales y modelos tridimensionales de bloques de rocas, regiones, terrenos y partes de la corteza terrestre.
El estudio de la estructura regional es importante para comprender la orogenia , la tectónica de placas y, más específicamente, en las industrias de exploración de petróleo, gas y minerales , ya que estructuras como fallas, pliegues y discordancias son los principales factores que controlan la mineralización de menas y las trampas de petróleo.
La estructura regional moderna se investiga mediante tomografía sísmica y reflexión sísmica tridimensional, lo que proporciona imágenes sin precedentes del interior de la Tierra, sus fallas y la corteza profunda. Información adicional obtenida mediante geofísica, como la gravedad y el magnetismo aéreo, puede aportar datos sobre la naturaleza de las rocas detectadas en la corteza profunda.
microestructuras de las rocas
Los geólogos estructurales estudian la microestructura o textura de las rocas a pequeña escala para obtener información detallada, principalmente sobre rocas metamórficas y algunas características de las rocas sedimentarias , sobre todo si han sido plegadas.
El estudio textural implica la medición y caracterización de foliaciones , crenulaciones , minerales metamórficos y las relaciones temporales entre estas características estructurales y las características mineralógicas.
Por lo general, esto implica la recolección de muestras de mano, que pueden cortarse para obtener secciones delgadas petrográficas que se analizan bajo un microscopio petrográfico .
Cinemática
Los geólogos utilizan mediciones de la geometría de las rocas para comprender la historia de la deformación en ellas. La deformación puede manifestarse como fallas frágiles y plegamientos y cizallamientos dúctiles. La deformación frágil ocurre en la corteza superficial, mientras que la deformación dúctil tiene lugar en la corteza más profunda, donde las temperaturas y las presiones son más elevadas.
campos de tensión
Al comprender las relaciones constitutivas entre la tensión y la deformación en las rocas, los geólogos pueden traducir los patrones observados de deformación de las rocas en un campo de tensiones durante el pasado geológico. La siguiente lista de características se utiliza habitualmente para determinar campos de tensiones a partir de estructuras de deformación.
- En rocas perfectamente frágiles, la falla se produce a 30° con respecto a la mayor tensión de compresión, según la ley de Byerlee.
- La mayor tensión de compresión es perpendicular a los planos axiales de los pliegues.
Modelado
Para la geología económica, como la explotación de petróleo y minerales, así como para la investigación, la modelización de la geología estructural cobra cada vez mayor importancia. Los modelos 2D y 3D de sistemas estructurales como anticlinales, sinclinales, cinturones de pliegues y cabalgamientos, y otras formaciones, permiten comprender mejor la evolución de una estructura a lo largo del tiempo. Sin la modelización o interpretación del subsuelo, los geólogos se limitan a su conocimiento de la cartografía geológica superficial. Si solo se basaran en la geología superficial, podrían perder un importante potencial económico al pasar por alto la historia estructural y tectónica de la zona.
Caracterización de las propiedades mecánicas de la roca
Las propiedades mecánicas de las rocas desempeñan un papel fundamental en las estructuras que se forman durante la deformación en las profundidades de la corteza terrestre. Las condiciones en las que se encuentra una roca dan lugar a diferentes estructuras que los geólogos observan en la superficie. La geología estructural busca relacionar las formaciones que observamos con los cambios que sufrió la roca hasta alcanzar su estructura final. Conocer las condiciones de deformación que dan origen a dichas estructuras puede esclarecer la historia de la deformación de la roca.
La temperatura y la presión desempeñan un papel fundamental en la deformación de las rocas. Bajo las condiciones de temperatura y presión extremadamente altas que existen en la corteza terrestre, las rocas son dúctiles ; pueden doblarse, plegarse o romperse. Otros factores vitales que contribuyen a la formación de la estructura rocosa bajo la tierra son los campos de tensión y deformación.
Curva tensión-deformación
La tensión es una presión, definida como una fuerza direccional aplicada sobre un área. Cuando una roca se somete a tensiones, cambia de forma. Al liberarse la tensión, la roca puede o no recuperar su forma original. Este cambio de forma se cuantifica mediante la deformación, que es la variación de la longitud del material en una dimensión con respecto a su longitud original. La tensión induce deformación, lo que finalmente resulta en una modificación de la estructura.
La deformación elástica se refiere a una deformación reversible. En otras palabras, cuando se libera la tensión sobre la roca, esta recupera su forma original. La elasticidad lineal reversible implica el estiramiento, la compresión o la distorsión de los enlaces atómicos. Dado que no se rompen los enlaces, el material recupera su forma original al liberarse la fuerza. Este tipo de deformación se modela mediante una relación lineal entre tensión y deformación, es decir, una relación de Hooke .
Donde σ denota tensión,La deformación representa la tensión, y E es el módulo de elasticidad , que depende del material. El módulo de elasticidad es, en efecto, una medida de la resistencia de los enlaces atómicos.
La deformación plástica se refiere a la deformación irreversible. La relación entre tensión y deformación en la deformación permanente no es lineal. La tensión provoca un cambio permanente de forma en el material al romperse los enlaces.
Un mecanismo de deformación plástica es el movimiento de dislocaciones por la acción de una tensión aplicada. Dado que las rocas son esencialmente agregados de minerales, podemos considerarlas materiales policristalinos. Las dislocaciones son un tipo de defecto cristalográfico que consiste en la presencia de un semiplano de átomos adicional o faltante en la disposición periódica de los átomos que conforman una red cristalina. Las dislocaciones están presentes en todos los materiales cristalográficos reales.
Dureza
La dureza es difícil de cuantificar. Es una medida de la resistencia a la deformación, específicamente a la deformación permanente. Existe un precedente para la dureza como cualidad superficial, una medida de la abrasividad o resistencia al rayado superficial de un material. Sin embargo, si el material que se está probando es uniforme en composición y estructura, entonces la superficie del material tiene solo unas pocas capas atómicas de espesor, y las mediciones corresponden al material en su conjunto. Por lo tanto, las mediciones superficiales simples proporcionan información sobre las propiedades del material en su conjunto. Las formas de medir la dureza incluyen:
La dureza por indentación se utiliza con frecuencia en metalurgia y ciencia de los materiales, y puede considerarse como la resistencia a la penetración por un indentador.
Tenacidad
La tenacidad se describe mejor mediante la resistencia de un material al agrietamiento. Durante la deformación plástica, un material absorbe energía hasta que se produce la fractura. El área bajo la curva tensión-deformación representa el trabajo necesario para fracturar el material. El módulo de tenacidad se define como:
Dóndees la resistencia a la tracción máxima, yes la deformación en el punto de rotura. El módulo es la cantidad máxima de energía por unidad de volumen que un material puede absorber sin fracturarse. Según la ecuación del módulo, para una gran tenacidad, se necesitan alta resistencia y alta ductilidad. Estas dos propiedades suelen ser mutuamente excluyentes. Los materiales frágiles tienen baja tenacidad porque la baja deformación plástica disminuye la deformación (baja ductilidad). Las formas de medir la tenacidad incluyen: la máquina de impacto Page y el ensayo de impacto Charpy .
Resiliencia
La resiliencia es una medida de la energía elástica absorbida por un material bajo tensión. En otras palabras, el trabajo externo realizado sobre un material durante su deformación. El área bajo la porción elástica de la curva tensión-deformación es la energía de deformación absorbida por unidad de volumen. El módulo de resiliencia se define como:
dóndeεr es el límite elástico del material y E es el módulo de elasticidad del material. Para aumentar la resiliencia, se necesita un mayor límite elástico y un menor módulo de elasticidad.
Véase también
Referencias
- ↑ Russell, William L (1955). "1. Introducción" . Geología estructural para geólogos petroleros . Nueva York: McGraw-Hill. pág. 1.
- ↑ "Tectónica de placas y personas" . USGS .
- ↑ Livaccari, Richard F.; Burke, Kevin; Scedilengör, AMC (1981). "¿Estuvo la orogenia Laramide relacionada con la subducción de una meseta oceánica?". Nature . 289 (5795): 276– 278. Bibcode : 1981Natur.289..276L . doi : 10.1038/289276a0 . S2CID 27153755 .
- ↑ «Estereonet» . Cosas de Rick Allmendinger . Consultado el 23 de diciembre de 2022 .
Lecturas adicionales
- M. King Hubbert (1972). Geología estructural . Hafner Publishing Company.
- GH Davis y SJ Reynolds (1996). La geología estructural de rocas y regiones (2.ª ed.). Wiley . ISBN 0-471-52621-5.
- CW Passchier y RAJ Trouw (1998). Microtectónica . Berlín: Springer . ISBN 3-540-58713-6.
- BA van der Pluijm y S. Marshak (2004). Estructura de la Tierra: Introducción a la geología estructural y la tectónica (2.ª ed.). Nueva York: WW Norton . pág. 656. ISBN 0-393-92467-X.
- DU Deere y RP Miller (1966). Clasificación de ingeniería y propiedades índice para roca intacta . Informe técnico n.° AFWL-TR-65-116, Laboratorio de Armas de la Fuerza Aérea.
- Geología estructural