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CATEDRA DE GEOLOGIA ESTRUCTURAL PRINCIPIOS BASICOS DE SECCIONES GEOLOGICAS BALANCEADAS Por Raúl E. Seggiaro Introducción La construcción de perfiles geométricamente correctos a partir de observaciones limitadas de superficie o en trabajos subterráneos es uno de los problemas mayores de la Geología Estructural. La precisión en la extrapolación de contactos litológicos y de datos de orientación a niveles profundos juega un rol importante tanto en la interpretación tectónica de un área como en aspectos prácticos de prospección minera y petrolera. Las técnicas de construcción de perfiles tuvieron un impulso en su desarrollo durante las décadas del 60 y 70, especialmente como resultado de estudios petroleros en las montañas Rocallosas en el este de Canadá (Bally et al., 1966; Dahlstrom, 1969,1970; Boyer and Elliott, 1982). De estas técnicas surgió, en particular, la construcción de secciones geológicas balanceadas cuya premisa básica es la idea de compatibilidad. Este concepto implica que un cuerpo de roca deformado debe ser coherente con el estado inicial, en el sentido de que una masa de roca original debe ocupar el mismo espacio físico después de la deformación sin que se produzcan vacíos ni superposiciones. Definición Un perfil balanceado es una sección geológica que cumple con el requisito de ser retrodeformable, es decir que las estructuras sean susceptibles de desarmarse o volverse atrás hasta reconstruir el prisma sedimentario original, sin que aparezcan anomalías inaceptables y que, además, las estructuras dibujadas respeten el estilo de las observadas en el área analizada. Una sección que cumpla con estos requisitos será geométricamente posible, pero no necesariamente verdadera. Si las unidades no pueden ser llevadas a su posición original, el corte es geométricamente imposible y en consecuencia, la interpretación incorrecta. Restricciones 1- El volumen de rocas deformadas debe ser igual al de las rocas en su estado antes de la deformación. No se pierde ni se gana volumen. El balance de volumen es siempre posible pero difícil de operar en tres dimensiones, por ello se simplificó en balance de áreas. Si los pliegues son isópacos o paralelos, la conservación de las áreas se reduce a la conservación de la longitud de los estratos. Cuando en el plegamiento el clivaje es importante, surgen problemas de irrestituibilidad por pérdida de volumen. En estos casos la restitución deberá tener en cuenta niveles guías no afectados por clivaje para evaluar la pérdida de volumen de otros horizontes. 2-Las deformaciones estructurales deben ser restauradas a su estado no deformado. Este principio consiste en que las estructuras puedan ¨desarmarse” o “volverse atrás” hasta el estado indeformado original sin que aparezcan anomalías. 3-La sección debe ser restaurada entre dos extremos o líneas fijas, las cuales al restaurar la sección deben mantenerse sin alteraciones importantes en su disposición respecto a los estratos. Estas líneas se ubican en áreas no deformadas o poco deformadas de la sección.

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4-En la sección deformada todos los tramos que cortan la estratificación (rampas) o que se desplazan paralelamente a ella (planos) en la pared yaciente deben tener sus equivalentes en la pared colgante para cada par de bloques separados y desplazados por falla. (Fig.1)

Figura 1 5-Al restaurar la sección las trazas de las fallas deben tener trayectorias razonables, es decir, no abruptas o que se rebatan en la posición contraria al transporte. Este criterio se basa en el postulado de que las fallas se forman cuando las capas se encuentran indeformadas, en su actitud original, y que cortan la estratificación hacia adelante y hacia arriba con respecto a la dirección de transporte del bloque superior (Fig. 2).

Figura 2 6-Las interpretaciones posibles en un corte geológico están limitadas por los tipos de estructuras presentes en el área y por las características mecánicas de la columna estratigráfica involucrada en la deformación. 7-La deformación debe resolverse por encima del basamento estructural. Elección de la traza de la sección El método de secciones balanceadas considera que la traza del perfil debe ser paralela a la dirección de transporte tectónico. Los indicadores de transporte tectónico mas usados son los rumbos de cabalgamientos y de ejes de pliegues de primer orden. Es conveniente evitar áreas muy deformadas en las que se produzcan rotaciones locales de ejes de pliegues. En estos casos, el procedimiento para determinar la dirección de transporte es graficar la mayor cantidad de ejes de pliegues sobre una red estereográfica. Si los perfiles abarcan una región con rocas metamórfica, la dirección de transporte se deberá determinar a partir de la medición de indicadores cinemáticos promediados sobre una red estereográfica. Es conveniente tomar la parte de mayor desplazamiento de los corrimientos evitando zonas de transferencia de rechazos, fallas de desgarre y rampas laterales u oblícuas. Para que un perfil sea restituible, la traza del mismo no debería superar una desviación de 5° respecto del transporte tectónico. Un método práctico para determinar el área de mayor transporte es el llamado ¨regla del arco y la flecha¨ (figura 3) (Elliott,1976) donde el área de mayor transporte es perpendicular a la

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cuerda del arco formado por elementos planares y lineales de cabalgamientos y pliegues asociados. A escalas de trabajos menores, la dirección de transporte se puede obtener a partir de indicadores cinemáticos a lo largo de planos de fracturas.

Figura 3: dirección de transporte perpendicular a las trazas de fallas METODOS DE SECCIONES BALANCEADAS 1. – METODO DE LONGITUDES DE LÍNEAS ESTRATALES En las secciones con fallamiento y plegamiento paralelo, es decir con conservación de los espesores de los estratos, la conservación de las áreas se reduce a mantener los espesores y longitudes estratales. En estos casos el balance de masa se logra consiguiendo que todas las longitudes estratales entre líneas fijas sean iguales antes y después de la deformación. El método clásico consiste en controlar las longitudes estratales de una estructura entre líneas fijas auxiliares, respetando los datos disponibles y modificando la posición de fallas o de capas hasta lograr coincidencia de longitudes (Fig.4). Es conveniente ubicar las líneas fijas en lugares donde exista el mínimo de cizalla interestratal que, en general, coinciden con las líneas de planos axiales de pliegues o con posiciones de retorno de los estratos a la pendiente regional.

Figura 4: ubicación de la trayectoria de fallas en base a igualdad de líneas estratales. Nótese la posición de las de líneas fijas. CURSO DE CAPACITACION. Estructuras de fajas plegadas–- Métodos de construcción de perfiles balanceados .

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Cálculo de acortamiento La relación entre la longitud total de un estrato y el largo total de la sección da como resultado el acortamiento o alargamiento producido por la estructura (fig.5)

Figura 5: Acortamiento = 100 * ( BB’ - AA’ ) / (BB’) 2.- METODO DE BALANCE DE AREAS Este método se aplica para unidades que no conservan sus espesores. Las áreas de un estrato o de una lámina de cabalgamiento medidas en una sección en el estado deformado deben permanecer iguales a las áreas medidas en la sección restaurada. El área de un conjunto rocoso puede ser medida por medio de planímetros, cálculos geométricos a partir de la subdivición del área en formas simples, de manera digital o con papel milimetrado.

Figura 6: a) sección deformada; b) restauración por longitudes (no balanceada); c) restauración por área (balanceada).

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La sección deformada de la figura 6a presenta un extremo engrosamiento de la charnela. La restauración de la figura 6b en base a longitudes estratales entre los puntos M y N y conservando el espesor de la unidad b en la parte no deformada, da una diferencia de área de 322 unidades a 200 unidades, por lo tanto no balancea. En la figura 6c se muestra la restauración conservando el área de la sección deformada, para lo cual es necesario aumentar la longitud estratal. Cálculo de profundidad de despegue El nivel de despegue (espesor de la sección balanceada) puede conocerse cuando aflora el plano de pared colgante proveniente del mismo, mediante la reconstrucción geométrica de las capas, siguiendo su inclinación (figura 7).

Figura 7 Cuando se producen estructuras con deformación por flujo plástico no se conservan los espesores estratales y las restricciones de trayectorias razonables de plano de falla y coincidencia de rampas y planos de pared colgante y yaciente, adquieren un carácter relativo. En los casos en que no se conserven espesores, la profundidad de despegue se puede calcular conociendo el acortamiento de un nivel guía y el área de exceso entre la posición actual de ese nivel y la que tenia antes de la deformación (figura 8) aplicando la expresión:

D=

A2 ( L1 − L2 )

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6 donde: L1: es la longitud inicial L2: es la longitud final (L1-L2): es el acortamiento total de la estructura. A2: es el área de exceso se mide el área de todas las unidades inferiores al nivel de referencia que están por encima de su posición regional. D: es la profundidad del nivel de despegue medido desde el nivel de referencia.

Figura 8 3.--METODO DE SUPPE El método elaborado por Suppe (1983, 1985, 1986) para balancear perfiles se basa en la geometría interna de un cabalgamiento con diseño de rampa y plano. Para analizar las relaciones angulares de la estructura, se asumen estructuras tipo "kink". Los supuestos del método son los siguientes: -Los cabalgamientos tienen una geometría de rampa - plano ideal (y las fallas no son lístricas). -No hay un cambio en el espesor de los estratos durante la deformación. -No hay cizalla en los bancos horizontales. -Se conserva la longitud de líneas estratales. El método consiste en la aplicación de las ecuación A para plegamiento por flexión de falla, y de la ecuación B para plegamiento por propagación de falla. La ventaja de este método consiste en que aplicando correctamente las relaciones angulares, que se observan en las figuras 9 y 10 el perfil queda balanceado sin necesidad de restituirlo.

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Ecuación A:

 − sen( γ − θ ) [ sen( 2γ − θ ) − sen θ ]   φ = tan −1   cos( γ − θ ) [ sen( 2γ − θ ) − sen θ ] − sen γ 

Figura 9: Plegamiento por Flexión de falla

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Ecuación B:

 1 − 2cos2 γ * 2secθ − cotθ =    sen 2γ * 

Figura 10: Plegamiento por Propagación de falla

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Este método considera además que: 1) En un sistema de corrimientos, la inclinación de las rampas en el primer escalón a partir del despegue basal, es siempre constante. 2) Cada “dominio” de inclinación homogénea que se observe en las secuencias aflorantes en superficie, indica la presencia de una rampa (o una serie de rampas) en el subsuelo. Los perfiles construidos por este método quedan automáticamente balanceados. La figura 11 ilustra los conceptos básicos del método. En este caso las rampas básales tienen un Ángulo de paso fundamental (step angle) de 18º. En superficie se distinguen varios dominios de inclinación homogénea: 1) Dominios frontales (+I, +II) y, 2) Dominios dorsales (-I, -II), con inclinación creciente a partir de la zona de charnela (Dominio 0) del anticlinal. El número asignado a cada dominio indica el número de rampas que existen bajo la superficie (bajo el dominio +I, una rampa, bajo el +II, dos, etc.). Los planos que bisectan los ángulos entre cada par de dominios contiguos limitan los extremos de las rampas en el subsuelo. para construir una sección balanceada utilizando este método se debe proceder, según Suppe, de la siguiente manera: 1. Ubicar todos los datos disponibles (inclinación, posición de los afloramientos, fallas, datos de pozo, etc.) sobre el perfil topográfico correspondiente. 2. Identificar los dominios de inclinación homogénea. 3. Asignar números (+I, +II, etc.) a cada uno de los dominios. Estos indican el número de rampas que existen bajo cada segmento del perfil. 4. Comparar la inclinación de cada dominio con las tablas de la última pagina y utilizarlas para determinar la inclinación (“step angle”), progresivamente menor, de las diferentes rampas que se encuentran bajo la superficie en cada uno de los dominios. 5. Ubicar las líneas de inflexión entre los diferentes dominios. Construir los planos axiales bisectores para cada par de dominios adyacentes. 6. Interpretar la estructura en el subsuelo, utilizando los planos axiales bisectores como limite de las rampas.

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ANTE-INCLINACIONES ANGULO DEL PASO FUNDAMENTAL I 8º 9º 10º 11º 12º 13º 14º 15º 16º 17º 18º 19º 20º 21º 22º 23º 24º

II

8,2º 9,2º 10,3º 11,4º 12,6º 13,8º 15,0º 16,2º 17,4º 18,8º 20,2º 21,6º 23,2º 24,8º 26,6º 28,4º 30,4º

III

16,6º 18,6º 20,9º 23,3º 25,8º 28,5º 31,2º 33,9º 36,8º 40,2º 43,7º 47,4º 52,0º 57.0º 63.6º 72,0º ----

25,2º 28,3º 31,9º 35,7º 39,8º 44,3º 48,9º 53,6º 59,0º 65,6º 73,1º 82,2º 97,6º ----

IV

V

VI

VII

43,0º 43,0º 52,5º 61,6º 38,3º 48,6º 59,2º 70,2º 43,3º 55,2º 67,6º 80,6º 48,8º 62,6º 77,3º 93,1º 54,8º 71,0º 88,8º 109,0º 61,5º 80,5º 102,0º 128,0º 68,6º 91.3º 119,0º 160,0º 76,3º 104,0º 146,0º ---85,9º 124,0º ---99,2º ---123,0º ----

RETRO-INCLINACIONES ANGULO DEL PASO FUNDAMENTAL 8º 9º 10º 11º 12º 13º 14º 15º 16º 17º 18º 19º 20º 21º 22º 23º 24º

I

II

III

IV

V

VI

VII

8,0º 9,0º 10,0º 11,0º 12,0º 13,0º 14,0º 15,0º 16,0º 17,0º 18,0º 19,0º 20,0º 21,0º 22,0º 23,0º 24,0º

15,9º 17,8º 19,7º 21,6º 23,5º 25,4º 27,2º 29,1º 30,9º 32,7º 34,4º 36,2º 37,9º 39,6º 41,3º 42,9º ---

23,4º 26,2º 28,9º 31,5º 34,1º 36,7º 39,1º 41,5º 43,9º 46,2º 48,4º 50,6º 52,7º ---

30,6º 34,0º 37,4º 40,6º 43,7º 46,7º 49,5º 52,3º 54,9º 57,5º 59,9º ---

37,3º 41,3º 45,1º 48,7º 52,1º 55,4º 58,4º 61,4º 64,1º ---

43,5º 47,9º 52,0º 55,9º 59,5º 62,9º 66,1º 69,0º ---

49,3º 53,9º 58,2º 62,2º 65,9º 69,4º 72,5º 75,5º ---

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ANEXO

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