Geología estructural

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La geología estructural es el estudio de la distribución tridimensional de las unidades de roca con respecto a sus historias de deformación . El objetivo principal de la geología estructural es utilizar mediciones de geometrías de rocas actuales para descubrir información sobre la historia de la deformación ( deformación ) en las rocas y, en última instancia, comprender el campo de tensión que resultó en la deformación y las geometrías observadas. Esta comprensión de la dinámica del campo de tensión se puede vincular a eventos importantes en el pasado geológico; un objetivo común es comprender la evolución estructural de un área particular con respecto a patrones regionalmente extendidos de deformación de rocas (por ejemplo, formación de montañas , rifting ) debido a la tectónica de placas .

El estudio de las estructuras geológicas ha sido de suma importancia en la geología económica , tanto en la geología petrolera 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 son notables como zonas permeables para fluidos hidrotermales , lo que resulta en áreas concentradas de depósitos de minerales de metales básicos 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 en asociación con rocas ígneas intrusivas . A menudo también ocurren 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 ubican comúnmente en áreas estructuralmente complejas.

La geología estructural es una parte fundamental de la geología de ingeniería , que se ocupa de las propiedades físicas y mecánicas de las rocas naturales. Las estructuras y los defectos estructurales, como fallas, pliegues, foliaciones y juntas, son debilidades internas de las rocas que pueden afectar la estabilidad de las estructuras diseñadas por el hombre, como represas , cortes de carreteras, minas a cielo abierto y minas subterráneas o túneles de carreteras .

El riesgo geotécnico , incluido el riesgo sísmico , solo se puede investigar mediante la inspección de una combinación de geología estructural y geomorfología . ^[2] Además, las áreas de paisajes kársticos que se encuentran sobre cavernas, sumideros potenciales u otras características de colapso son de particular importancia para estos científicos. Además, las áreas de pendientes pronunciadas son peligros potenciales 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 impactan (o se ven impactados por) el flujo y la penetración de las aguas subterráneas . Por ejemplo, un hidrogeólogo puede necesitar determinar si se está produciendo una filtración de sustancias tóxicas de vertederos de desechos en una zona residencial o si se está filtrando agua salada 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 de la corteza. Es, en cierto sentido, una geología estructural a escala planetaria y se utiliza en toda la geología estructural como marco para analizar y comprender las características a escala global, regional y local. ^[3]

Los geólogos estructurales utilizan una variedad de métodos para (primero) medir las geometrías de las rocas, (segundo) reconstruir sus historias de deformación y (tercero) estimar el campo de tensión que resultó en esa deformación.

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 pliegue, planos de falla y diaclasas) y características lineales (lineaciones de estiramiento, en las que los minerales se extienden dúctilmente; ejes de pliegue; y lineaciones de intersección, el rastro de una característica plana en otra superficie plana).

La inclinación de una estructura plana en geología se mide por rumbo y buzamiento . El rumbo es la línea de intersección entre la característica plana y un plano horizontal, tomada de acuerdo con la convención de la mano derecha, y el buzamiento es la magnitud de la inclinación, por debajo de la horizontal, en ángulo recto con el rumbo. Por ejemplo; rumbo 25 grados al este del norte, buzamiento 45 grados al sureste, registrado como N25E,45SE.
Alternativamente, se puede utilizar buzamiento y dirección de buzamiento, ya que esto es absoluto. La dirección de 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 115 grados de acimut, registrado como 45/115. Tenga en cuenta que esto es lo mismo que lo anterior.

El término hade se utiliza ocasionalmente y es la desviación de un plano con respecto a la vertical, es decir, una inclinación de 90°.

La inclinación del eje del pliegue se mide en dirección de inclinación y buzamiento (estrictamente, inclinación y acimut de la inclinación). La orientación de un plano axial del pliegue se mide en dirección de rumbo y buzamiento o de buzamiento y buzamiento.

Las lineaciones se miden en términos de inclinación y dirección de inclinación, si es posible. A menudo, las lineaciones se expresan en una superficie plana y pueden ser difíciles de medir directamente. En este caso, la lineación se puede medir desde la horizontal como una inclinación o inclinación sobre la superficie.

La inclinación se mide colocando un transportador sobre la superficie plana, con el borde plano en posición horizontal, y midiendo el ángulo de la línea en el sentido de las agujas del reloj desde la horizontal. La orientación de la línea se puede calcular a partir de la información de inclinación y de inclinación del plano desde el que se midió, utilizando una proyección estereográfica .

Si una falla tiene lineaciones formadas por movimiento en el plano, por ejemplo, flancos resbaladizos , esto se registra como una lineación, con un rastrillo, y se anota en cuanto a la indicación del desplazamiento en la falla.

Generalmente, es más fácil registrar información de rumbo y buzamiento de estructuras planas en formato de dirección de buzamiento/buzamiento, ya que esto coincidirá con toda la otra información estructural que pueda estar registrando sobre pliegues, lineaciones, etc., aunque existe una ventaja en usar diferentes formatos que discriminen entre datos planares y lineales.

La convención para analizar la geología estructural es identificar las estructuras planas , a menudo llamadas tejidos planos 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 en S0. A menudo es imposible identificar S0 en rocas muy deformadas, por lo que la numeración puede comenzar con un número arbitrario o asignarse una letra (S _A , por ejemplo). En los casos en que hay una foliación del plano de estratificación causada por metamorfismo de enterramiento o diagénesis, esta puede enumerarse como S0a.

Si hay 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 plegado y la convención de 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, y la letra D denota un evento de deformación. Por ejemplo, D ₁ , D ₂ , D ₃ . Los pliegues y foliaciones, dado que se forman por eventos de deformación, deberían correlacionarse con estos eventos. Por ejemplo, un pliegue F ₂ , con una foliación en el plano axial S ₂ sería el resultado de una deformación D ₂ .

Los eventos metamórficos pueden abarcar múltiples deformaciones. A veces es útil identificarlos de manera similar a las características estructurales de las que son responsables, por ejemplo, M ₂ . Esto puede ser posible observando la formación de porfiroblastos en clivajes de edad de deformación conocida, identificando conjuntos minerales metamórficos creados por diferentes eventos o mediante geocronología .

Las lineaciones de intersección en las rocas, al ser el producto de la intersección de dos estructuras planares, se denominan según las dos estructuras planares a partir de las cuales se forman. Por ejemplo, la lineación de intersección de una clivaje y estratificación S ₁ es la lineación de intersección L _1-0 (también conocida como lineación clivaje-estratificación).

Las lineaciones de estiramiento pueden ser difíciles de cuantificar, especialmente en rocas dúctiles muy estiradas donde se conserva una información mínima de foliación. Cuando es posible, cuando se correlacionan con deformaciones (ya que pocas se forman en pliegues y muchas no están estrictamente asociadas con foliaciones planares), se pueden identificar de manera similar a las superficies y pliegues planos, p. ej., L ₁ , L ₂ . Por conveniencia, algunos geólogos prefieren anotarlas con un subíndice S, por ejemplo, L _s1 para diferenciarlas de las lineaciones de intersección, aunque esto generalmente es redundante.

La proyección estereográfica es un método para analizar la naturaleza y la orientación de las tensiones de deformación, las unidades litológicas y los tejidos penetrantes en el que las características lineales y planas (lecturas de rumbo y buzamiento estructurales, generalmente tomadas utilizando un clinómetro de brújula ) que pasan a través de una esfera imaginaria se trazan 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 se usa ampliamente en la comunidad de geología estructural.

A gran escala, la geología estructural es el estudio de la interacción tridimensional y las relaciones de las unidades estratigráficas dentro de terrenos de roca o regiones geológicas.

Esta rama de la geología estructural se ocupa principalmente de la orientación, la deformación y las relaciones de la estratigrafía (capas), que puede haber sido fallada, plegada o foliada por algún evento tectónico. Se trata de una ciencia fundamentalmente 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, las industrias de exploración de petróleo, gas y minerales, ya que estructuras como fallas, pliegues y discordancias son controles primarios sobre la mineralización de mineral y las trampas de petróleo.

La estructura regional moderna se investiga mediante tomografía sísmica y reflexión sísmica en tres dimensiones, lo que proporciona imágenes inigualables del interior de la Tierra, sus fallas y la corteza profunda. Otra información procedente de la geofísica, como la gravedad y el magnetismo aéreo, puede proporcionar información sobre la naturaleza de las rocas que se encuentran en la corteza profunda.

Los geólogos estructurales estudian la microestructura o textura de las rocas a pequeña escala para proporcionar información detallada principalmente sobre rocas metamórficas y algunas características de las rocas sedimentarias , con mayor frecuencia si han sido plegadas.
El estudio textural implica la medición y caracterización de foliaciones , crenulaciones , minerales metamórficos y relaciones temporales entre estas características estructurales y características mineralógicas.
Por lo general, esto implica la recolección de muestras manuales, que pueden cortarse para proporcionar secciones delgadas petrográficas que se analizan bajo un microscopio petrográfico .
El análisis microestructural también encuentra aplicación en el análisis estadístico multiescala, destinado a analizar algunas características de las rocas que muestran invariancia de escala. ^[5]

Los geólogos utilizan mediciones de la geometría de las rocas para comprender la historia de la deformación en las rocas. La deformación puede adoptar la forma de fallas frágiles y plegamiento y cizallamiento dúctiles. La deformación frágil se produce en la corteza superficial, y la deformación dúctil se produce en la corteza más profunda, donde las temperaturas y las presiones son más altas.

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 tensión durante el pasado geológico. La siguiente lista de características se utiliza normalmente para determinar los campos de tensión a partir de estructuras de deformación.

• En rocas perfectamente frágiles, el fallamiento ocurre a 30° del mayor esfuerzo de compresión según la Ley de Byerlee.
• La mayor tensión de compresión es normal en los planos axiales de plegado.

Para la geología económica, como la explotación petrolera y minera, así como para la investigación, el modelado de la geología estructural cobra cada vez mayor importancia. Los modelos 2D y 3D de sistemas estructurales, como anticlinales, sinclinales, cinturones plegados y corridos, y otras características, pueden ayudar a comprender mejor la evolución de una estructura a lo largo del tiempo. Sin el modelado o la interpretación del subsuelo, los geólogos se limitan a su conocimiento del mapeo geológico de la superficie. Si solo se depende de la geología de la superficie, se podría perder un potencial económico importante al pasar por alto la historia estructural y tectónica de la zona.

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 darán lugar a diferentes estructuras que los geólogos observarán sobre el terreno. El campo de la geología estructural intenta relacionar las formaciones que los seres humanos ven con los cambios que atravesó la roca para llegar a esa estructura final. Conocer las condiciones de deformación que conducen a dichas estructuras puede arrojar luz sobre la historia de la deformación de la roca.

La temperatura y la presión juegan un papel muy importante en la deformación de las rocas. En las condiciones de temperatura y presión extremadamente altas bajo la corteza terrestre, las rocas son dúctiles . Pueden doblarse, plegarse o romperse. Otras condiciones vitales que contribuyen a la formación de la estructura de las rocas bajo la tierra son los campos de tensión y deformación.

El estrés es una presión, definida como una fuerza direccional sobre un área. Cuando una roca se somete a tensiones, cambia de forma. Cuando se libera la tensión, la roca puede o no volver a su forma original. Ese cambio de forma se cuantifica mediante la deformación, el cambio de longitud con respecto a la longitud original del material en una dimensión. El estrés induce una deformación que, en última instancia, da como resultado un cambio de estructura.

La deformación elástica se refiere a una deformación reversible. En otras palabras, cuando se libera la tensión sobre la roca, esta vuelve a su forma original. La elasticidad reversible, lineal, implica el estiramiento, la compresión o la distorsión de los enlaces atómicos. Como no hay ruptura de enlaces, el material vuelve a su forma original cuando se libera la fuerza. Este tipo de deformación se modela utilizando una relación lineal entre la tensión y la deformación, es decir, una relación de Hooke .

${\displaystyle \epsilon ={\frac {\sigma }{E}}}$

Donde σ denota tensión, deformación y E es el módulo elástico , que depende del material. El módulo elástico es, en efecto, una medida de la fuerza de los enlaces atómicos.${\displaystyle \epsilon }$

La deformación plástica se refiere a una deformación no reversible. La relación entre la tensión y la deformación para la deformación permanente no es lineal. La tensión ha provocado un cambio permanente de forma en el material al implicar la ruptura de enlaces.

Un mecanismo de deformación plástica es el movimiento de las dislocaciones por la aplicación de una tensión. Dado que las rocas son esencialmente agregados de minerales, podemos considerarlas materiales policristalinos. Las dislocaciones son un tipo de defecto cristalográfico que consiste en un semiplano adicional o faltante de átomos en la disposición periódica de átomos que componen una red cristalina. Las dislocaciones están presentes en todos los materiales cristalográficos reales.

La dureza es difícil de cuantificar. Es una medida de resistencia a la deformación, específicamente a la deformación permanente. Existen precedentes de la dureza como una cualidad de la superficie, una medida de la abrasividad o resistencia al rayado de la superficie 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 se realizan sobre el material en su conjunto. Por lo tanto, las mediciones simples de la superficie brindan información sobre las propiedades en su conjunto. Las formas de medir la dureza incluyen:

La dureza de indentación se utiliza a menudo en metalurgia y ciencia de los materiales y puede considerarse como la resistencia a la penetración de un penetrador.

La tenacidad se puede describir 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 de tensión-deformación es el trabajo necesario para fracturar el material. El módulo de tenacidad se define como:

${\displaystyle M_{t}={\frac {2}{3}}\sigma _{UTS}\;\epsilon _{f}}$

Donde es la resistencia máxima a la tracción y es la deformación en el momento de la rotura. El módulo es la cantidad máxima de energía por unidad de volumen que un material puede absorber sin fracturarse. De la ecuación del módulo, para una gran tenacidad, se necesitan una alta resistencia y una alta ductilidad. Estas dos propiedades suelen ser mutuamente excluyentes. Los materiales frágiles tienen una tenacidad baja porque una baja deformación plástica disminuye la deformación (baja ductilidad). Las formas de medir la tenacidad incluyen: máquina de impacto de Page y prueba de impacto Charpy .${\displaystyle \sigma _{UTS}}$${\displaystyle \epsilon _{f}}$

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 la deformación. El área bajo la porción elástica de la curva de tensión-deformación es la energía de deformación absorbida por unidad de volumen. El módulo de resiliencia se define como:

${\displaystyle M_{R}={\frac {(\sigma _{y})^{2}}{2E}}}$

donde es la resistencia a la fluencia del material y E es el módulo elástico del material. Para aumentar la resiliencia, se necesita aumentar la resistencia a la fluencia elástica y disminuir el módulo de elasticidad.${\displaystyle \sigma _{y}}$

• 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 de índice para roca intacta . Informe técnico n.° AFWL-TR-65-116, Laboratorio de Armamento de la Fuerza Aérea.