Estructuras Geológicas por Deformación Dúctil

La deformación dúctil en las rocas da lugar a diversas estructuras geológicas. Los factores que influyen en si una roca experimentará deformación dúctil o frágil son:

• Temperatura y presión de confinamiento: Las rocas próximas a la superficie tienden a comportarse como un sólido frágil y se fracturan cuando se supera su resistencia, dando lugar a una deformación frágil. A mayor profundidad, con mayor temperatura y presión, las rocas tienden a deformarse dúctilmente.

• Tipo de roca: Las rocas cristalinas, compuestas por minerales con enlaces moleculares internos fuertes, tienden a fracturarse (comportamiento frágil). Las rocas sedimentarias o las rocas metamórficas son más susceptibles de experimentar deformación dúctil. La presencia de agua favorece su deformación dúctil.

• Tiempo: Fuerzas incapaces de deformar inicialmente una roca pueden hacer que la roca fluya (deformación dúctil) si la fuerza se mantiene durante un período prolongado de tiempo.

Las principales estructuras originadas por deformación dúctil son:

1. Pliegues: Serie de ondulaciones semejantes a ondas que se forman a partir de capas de rocas sedimentarias y volcánicas, principalmente durante la formación de montañas.

2. Zonas de cizalla dúctil: Zonas donde la deformación de tipo continuo se concentra entre los límites de una banda.

Tipos de Pliegues y Mecanismos de Plegamiento

Los pliegues se pueden clasificar en función de la variación del grosor de sus capas:

• Pliegue paralelo: El espesor de la capa plegada, medido perpendicularmente a la superficie de la capa, se mantiene constante. Se produce por buckling (pandeo), por una deformación tangencial longitudinal o una deformación por cizalla simple entre capas.

• Pliegue similar: El espesor medido paralelamente al plano axial del pliegue se mantiene constante. En la charnela (zona de máxima curvatura), la capa presenta un mayor espesor que en los flancos (lados del pliegue).

Pliegues en Rocas Metamórficas

Los pliegues similares son típicos de las rocas metamórficas. En estas rocas, la foliación (alineación de minerales planares o alargados) suele mantener una relación geométrica con los pliegues. Frecuentemente, se desarrolla una foliación de plano axial, paralela al plano axial de los pliegues. Esto ocurre porque la distribución de esfuerzos en las charnelas es menor que en los flancos, permitiendo el crecimiento de cristales minerales de mayor tamaño y, por consiguiente, generando un mayor espesor en la charnela.

Pliegues Tumbados

Los pliegues tumbados se caracterizan por tener su plano axial y ambos flancos inclinados en la misma dirección, generalmente con un ángulo bajo. Uno de los flancos del pliegue se encuentra en posición invertida (más antiguo sobre más moderno) por debajo del otro flanco.

Clasificación de Fallas y Relación con el Campo de Esfuerzos

Las fallas son fracturas en las rocas a lo largo de las cuales ha habido un desplazamiento apreciable. Se clasifican según la dirección del movimiento relativo y su relación con el campo de esfuerzos:

1. Fallas normales e inversas (de movimiento vertical):

   • Falla Normal: Se producen en regímenes de esfuerzo extensional (σ1 vertical). El bloque de techo (roca situada por encima del plano de falla) se desplaza hacia abajo en relación con el bloque de muro (roca situada por debajo). Los planos de falla suelen tener un ángulo elevado respecto a la horizontal.
   • Falla Inversa: Se producen en regímenes de esfuerzo compresivo (σ1 horizontal). El bloque de techo se desplaza hacia arriba respecto al bloque de muro. Los planos de falla suelen tener un ángulo elevado.

2. Cabalgamientos: Son un tipo de falla inversa de bajo ángulo. Se forman bajo compresión dominante horizontal (σ1 horizontal), y los planos de cizalla presentan ángulos agudos respecto de la horizontal. A menudo implican grandes desplazamientos horizontales, superponiendo rocas más antiguas sobre más jóvenes.

3. Fallas de movimiento horizontal (de desgarre, transformantes): Se producen cuando los esfuerzos máximo (σ1) y mínimo (σ3) son horizontales. Las fracturas resultantes son superficies generalmente verticales y el movimiento predominante es horizontal, paralelo al rumbo de la falla.

Estrías de Falla

Las estrías de falla son irregularidades rectilíneas (rayaduras o acanaladuras) que pueden aparecer en algunos planos de falla. Se forman por la fricción entre los bloques durante el movimiento e indican la dirección del último desplazamiento relativo de la falla.

Presencia de Diaclasas en las Rocas

Las rocas en la corteza terrestre casi siempre se presentan diaclasadas (fracturadas sin desplazamiento apreciable). Esto está relacionado principalmente con la liberación de tensiones acumuladas (por enfriamiento, descompresión por erosión, esfuerzos tectónicos). En la superficie terrestre, las rocas se comportan de manera frágil, por lo que cualquier movimiento o cambio en el estado de esfuerzos de la corteza terrestre puede producir diaclasas en los macizos rocosos.

Sistemas de Fallas

Los sistemas de fallas son grupos de fallas relacionadas, producidas bajo un mismo régimen tectónico regional y en condiciones de deformación similares (generalmente frágil). Suelen mostrar orientaciones y tipos de movimiento consistentes.

• Sistemas de fallas normales: Son conjuntos de fallas normales paralelas o subparalelas que limitan bloques elevados (horsts) y hundidos (grabens), a menudo asociados a estructuras denominadas montañas limitadas por fallas o cuencas tectónicas.

Comparación entre Fallas Inversas y Cabalgamientos

Tanto las fallas inversas como los cabalgamientos son el resultado de esfuerzos compresivos y provocan que rocas más antiguas se sitúen sobre rocas más modernas.

• Fallas inversas: El término general se aplica a fallas donde el bloque de techo sube respecto al bloque de muro. El ángulo del plano de falla con la horizontal suele ser superior a 45°.

• Cabalgamientos: Son un tipo específico de falla inversa donde el plano de falla tiene un ángulo bajo con la horizontal (generalmente inferior a 45°, a menudo mucho menor). Implican una compresión dominante horizontal y pueden tener desplazamientos horizontales muy grandes (decenas o cientos de kilómetros).

La diferencia principal radica en el ángulo del plano de falla y, a menudo, en la magnitud del desplazamiento horizontal.

Diferenciación entre Discordancia y Cabalgamiento

• Discordancia: Es una superficie de erosión o no deposición que separa rocas más jóvenes de rocas más antiguas, representando un hiato (lapso de tiempo perdido) en el registro geológico. Es una relación geométrica entre capas de sedimentos que representa un cambio en las condiciones de deposición o un periodo de deformación y erosión. Es una discontinuidad estratigráfica.

• Cabalgamiento: Es una falla (una fractura con desplazamiento) de bajo ángulo, producida por esfuerzos compresivos horizontales, en la cual rocas más antiguas son empujadas tectónicamente por encima de estratos más recientes.

Se pueden diferenciar por su naturaleza y origen: la discordancia es una superficie estratigráfica (relacionada con la deposición y erosión), mientras que el cabalgamiento es una estructura tectónica (relacionada con la deformación por fractura). En un cabalgamiento, a menudo se observan evidencias de deformación intensa (brechas, milonitas, pliegues asociados) a lo largo del plano de falla, ausentes en una simple discordancia. El análisis de la secuencia de eventos geológicos (historia geológica) es clave para su diferenciación.

Importancia de Distinguir Discordancia y Cabalgamiento en Ingeniería Geológica

Es crucial distinguir entre una discordancia y un cabalgamiento en reconocimientos de ingeniería geológica porque:

• Un cabalgamiento representa un plano o zona de debilidad estructural significativa. Puede contener rocas trituradas (rocas de falla) con baja resistencia y alta deformabilidad.
• Los planos de cabalgamiento suelen ser vías preferentes para la filtración de agua, lo que puede comprometer la estabilidad de taludes, cimentaciones o túneles, y afectar la durabilidad de la obra civil a desarrollar.
• Una discordancia, aunque puede representar un cambio en las propiedades de los materiales, no implica necesariamente una zona de debilidad tectónica tan marcada como un cabalgamiento.

Niveles Estructurales

Se entiende por nivel estructural cada una de las partes de la corteza terrestre en que los mecanismos dominantes de la deformación de las rocas permanecen relativamente constantes, controlados principalmente por la presión y la temperatura.

• Nivel estructural superior: Se localiza desde la superficie del terreno hasta profundidades variables (puede superar la cota 0 m). La presión y temperatura no son muy elevadas y las rocas tienen un comportamiento predominantemente frágil. Es el dominio de las fallas y las diaclasas.

• Nivel estructural medio: Se sitúa aproximadamente entre la base del nivel superior y unos 4.000 m de profundidad (estos límites son aproximados y variables). Predomina la flexión debido al comportamiento dúctil de muchas rocas bajo estas condiciones. Son característicos de este nivel los pliegues paralelos y el inicio de la foliación.

• Nivel estructural inferior: Se extiende aproximadamente entre los 4.000 m y los 8.000 o 10.000 m de profundidad. Domina el aplanamiento y la fluencia, con desarrollo de pliegues similares y foliaciones penetrativas. Su límite inferior viene marcado por el inicio de la fusión parcial (anatexia) y la posible presencia de granitos de anatexia.

Zonas de Cizalla: Definición y Diferencias con Fallas

Las zonas de cizalla son regiones tabulares donde la deformación es significativamente mayor que en las rocas circundantes.

• Falla: Fractura o discontinuidad nítida (comportamiento frágil) a lo largo de la cual ha ocurrido un desplazamiento visible, generalmente paralelo a la superficie de la misma.

• Zona de falla: Compuesta por un conjunto de superficies de falla frágiles, subparalelas e interconectadas, estrechamente espaciadas, que pueden contener zonas de roca triturada (brecha de falla, cataclasita).

• Zona de cizalla dúctil: Corresponde a una banda o zona, a menudo ancha, de deformación continua (sin fractura macroscópica dominante) generada bajo condiciones dúctiles o dúctiles-frágiles. Las rocas dentro de la zona muestran evidencias de flujo plástico (foliación, lineación, milonitas). Una zona de cizalla dúctil formada en profundidad puede gradar hacia una zona de falla frágil en niveles más superficiales de la corteza.

Rocas de Falla

Las rocas de falla son rocas que se forman dentro o a lo largo de las zonas de falla como resultado de la fricción, trituración y deformación de las rocas encajantes durante el movimiento.

Tipos comunes incluyen:

• Brechas de falla: Compuestas por fragmentos angulosos de roca (clastos) en una matriz más fina. Formadas por trituración frágil.
• Cataclasitas: Rocas más intensamente trituradas que las brechas, con una matriz predominante y clastos más pequeños. También formadas en régimen frágil.
• Harinas de falla (Salbanda): Material muy fino, similar a la arcilla, resultado de una trituración extrema. Pueden ser incoherentes.
• Milonitas: Rocas formadas en zonas de cizalla dúctil. Se caracterizan por una fuerte foliación y lineación, y una reducción extrema del tamaño de grano debido a la recristalización dinámica.

Roca de Falla Más Problemática en Ingeniería Geológica

La salbanda de falla (o harina de falla) suele considerarse una de las rocas de falla más problemáticas en ingeniería geológica.

Justificación:

• Se forman cerca de la superficie por trituración intensa y a veces por alteración hidrotermal.
• A menudo son ricas en minerales de la arcilla.
• Presentan muy baja resistencia al corte y alta compresibilidad.
• Pueden experimentar cambios de volumen significativos: expansión (hinchamiento) en contacto con el agua y consolidación (reducción de volumen) bajo cargas continuadas, lo que provoca problemas de asientos diferenciales en las estructuras.
• Su presencia puede indicar actividad reciente o potencial en la falla y actúa como una barrera o conducto para el flujo de agua subterránea.