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CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN A LA GEOLOGÍA ESTRUCTURAL

La geología estructural es la rama de la geología que estudia la geometría, distribución y formación de las estructuras geológicas (Fossen, 2010). El término estructura geológica hace referencia a la configuración geométrica de las rocas y la geología estructural se ocupa de estudiar dicha configuración cuando las rocas han sufrido alguna deformación (Fossen, 2010). Lo anterior implica que existen dos tipos de estructuras geológicas: primarias y secundarias. Las estructuras geológicas primarias son aquellas que se crean durante la formación de la roca (Figura 1): estratificación, foliación, bandeamiento de flujo, estructura eutaxística, etc.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 1. Ejemplos de estructuras geológicas primarias: (a) estratificación; (b) foliación metamórfica; (c) bandeamiento de flujo; (d) estructura eutaxística. Fuentes: (a) y (b) propia; (c) http://www.studyblue.com/notes/note/n/443-midterm/deck/2198210; (d) http://www.cedd.gov.hk/eng/about/organisation/kra_brief.html

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Las estructuras geológicas secundarias son aquellas que se forman durante la deformación de la roca, es decir, durante un proceso de deformación que sufre la roca después de haberse formado. Estas estructuras secundarias son el principal objeto de estudio de la geología estructural y, por lo tanto, reconocer la deformación que las crea depende fundamentalmente del correcto reconocimiento de las estructuras primarias (Fossen, 2010). Como ejemplo de estructuras geológicas secundarias pueden nombrarse: pliegues, foliación, diaclasas y fallas como las principales (Figura 2).

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 2. Ejemplos de estructuras geológicas secundarias: (a) pliegue; (b) clivaje; (c) diaclasas; (d) falla. Fuentes: (a), (c) y (d) propia; (b) http://www.rci.rutgers.edu/~schlisch/structureslides/apcleavage.html.

Estudiar la geometría de las estructuras geológicas implica identificar la forma que éstas tienen. Estudiar geométricamente una estructura implica identificar, medir y describir su geometría de forma tal que, tanto la persona que toma los datos, como quien lee los datos tomados por otra persona, puedan imaginarse prácticamente lo mismo.

Ejercicio 1: el geólogo G encontró el afloramiento de una falla en campo y esto es lo que describe en su informe: “En el afloramiento 1 se observó una zona de fallamiento normal que afecta la secuencia sedimentaria en la que se encontró el manto de carbón; la secuencia está compuesta por areniscas conglomeráticas, carbón, areniscas

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conglomeráticas nuevamente, conglomerados arenosos, areniscas y limolitas”. Dibuje lo que el geólogo describió.

Ejercicio 2: el geólogo H, de otra empresa, describe el mismo afloramiento del ejemplo anterior de la siguiente forma: “En el afloramiento 1, orientado W-E y con 10 m de ancho por 4 m de altura, se identificó un horst limitado por dos fallas normales. La primera falla (F1), la más occidental, posee una actitud N-S/65°W y la segunda (F2), la más oriental, posee una actitud N-S/70°E. Ambas fallas son de tipo frágil, teniendo no más de 10 cm de área de influencia. Las rocas afectadas son sedimentarias y, en el centro del horst, donde se observa más completa la secuencia (con estratificación horizontal), se identifica la siguiente columna estratigráfica (de base a techo): limolitas color marrón de 65 cm de espesor (desde el suelo hasta el techo), areniscas grises de grano fino, diaclasadas, de 70 cm de espesor, conglomerados arenosos de 50 cm de espesor (relación matriz-grava 30:70), areniscas conglomeráticas de 80 cm de espesor (relación matriz-grava 70:30), carbón de 60 cm de espesor y areniscas gravosas (relación matrizgrava 70:30) hasta el tope del afloramiento. Al occidente de F1 la secuencia estratigráfica muestra un desplazamiento normal sobre el plano de falla de 1 m y las rocas muestran una estratificación N-S/12°E. Al oriente de F2 la secuencia estratigráfica muestra un desplazamiento normal sobre el plano de falla de 1.1 m y las rocas muestran una estratificación N-S/16°E”. Dibuje lo que él describió. Ejercicio 3. En la Figura 3 se muestra la foto del afloramiento visto por los geólogos G y H. Compare las descripciones e intente realizar una descripción, en sus propias palabras, del afloramiento.

Figura 3. Ejercicio 3: afloramiento visitado por los geólogos G y H. Fuente: http://coffeewithhallelujah.blogspot.com/2013/02/paleontologist-barbie-explores-crystal.html

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Estudiar la distribución de las estructuras geológicas significa entender cómo la geometría de dichas estructuras se ubica espacialmente dentro del contexto geológico en el cual se encuentran. Para tal fin el geólogo en el campo emplea herramientas tales como el mapa topográfico y/o el GPS para conocer la localización del sitio, un martillo geológico y una lupa con el fin de identificar las rocas aflorantes, una brújula para orientarse y para orientar las estructuras geológicas y herramientas tales como cinta métrica o flexómetro para conocer las dimensiones del afloramiento, de las unidades geológicas y de las estructuras geológicas. Posteriormente, el geólogo plasmará la información colectada en su informe de campo pero, principalmente, lo hará en un mapa denominado mapa geológico (si plasma toda la información geológica: unidades litológicas, estructuras geológicas, datos estructurales, etc.) o mapa estructural (cuando se hace énfasis en las estructuras geológicas). Con base en este mapa y, dependiendo de la información colectada, el geólogo estará en capacidad de ampliar su análisis por medio de la elaboración de perfiles geológicos o estructurales con el fin de intentar entender la distribución de las unidades geológicas y de las estructuras en profundidad.

Ejercicio 4. Se tienen las siguientes descripciones de dos geólogos que trabajaron en una misma área. Geólogo G: “En las coordenadas 500E, 500N, 100 m.s.n.m, se encontró un afloramiento de 10 m de ancho por 15 m de alto, donde se observó una secuencia sedimentaria horizontal (sin evidencias de deformación) compuesta por areniscas conglomeráticas (desde la base del afloramiento hasta 5 m de altura), areniscas finas cuarzosas (sobre las areniscas conglomeráticas y de 3 m de espesor) y limolitas grises (sobre las areniscas cuarzosas y hasta el tope del afloramiento)”. Geólogo H: “En las coordenadas 510E, 500N, 100 m.s.n.m, se encontró un afloramiento de 20 m de ancho por 15 m de alto, donde se observó una secuencia sedimentaria plegada; el pliegue corresponde a un antiforme donde el flanco occidental posee estratificación horizontal y el flanco oriental posee estratificación N-S/50°E. El pliegue es simétrico, abierto y su plano axial buza 65°W. La secuencia sedimentaria posee las siguientes unidades y sus espesores fueron medidos en la porción de estratificación horizontal del afloramiento: areniscas conglomeráticas (desde la base del afloramiento hasta 5 m de altura), areniscas finas cuarzosas (sobre las areniscas conglomeráticas y de 3 m de espesor) y limolitas grises (sobre las areniscas cuarzosas y hasta el tope del afloramiento). Al medir sobre la base de las areniscas finas cuarzosas se tiene que el plano axial se encuentra a 10 m medidos desde el punto más occidental del afloramiento”. Dibuje lo descrito por los dos geólogos. Qué conclusiones sacaría cada uno de ellos sobre lo observado en el afloramiento. Si los geólogos unifican su trabajo, qué conclusión conjunta podrían obtener. Dibuje la interpretación conjunta.

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Estudiar la formación de las estructuras geológicas implica entender en principio, desde la teoría, los mecanismos y procesos geológicos que pueden generar una estructura geológica particular. Posteriormente, es importante considerar los factores que pueden haber influido en el desarrollo de la geometría de la estructura y su distribución espacial con relación a su contexto geológico local y regional (tectónica). Finalmente, a partir de la comprensión de los procesos mencionados pueden desarrollarse teorías sobre la historia de deformación de las rocas objeto de estudio (historia de formación de las estructuras geológicas).

Ejercicio 5. Con base en lo mostrado en la Figura 4 identifique, para cada una, el tipo de roca más posible y las estructuras primarias. ¿Observa estructuras que no parecen primarias? ¿Cuáles? Intente describirlas

(a)

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(b) Figura 4. Ejercicio 5: afloramiento visitado por los geólogos G y H. Fuentes: (a) http://geoscience.wisc.edu/~chuck/Classes/Mtn_and_Plates/rock_deformation.html; (b) https://cimss.ssec.wisc.edu/sage/geology/lesson1/images/concepts_fig6.JPG

1. MÉTODO DE TRABAJO EN LA GEOLOGÍA ESTRUCTURAL El trabajo en geología estructural, así como en cualquier rama del conocimiento, requiere de una metodología que permita obtener los resultados deseados. En este ítem se mencionarán cuatro de los pasos más importantes de la metodología de trabajo en geología estructural. 1.1.

Entender cómo las rocas se deforman

El principio fundamental para comenzar cualquier trabajo consiste en entender bien los fundamentos teóricos. Si se sabe identificar con claridad las estructuras primarias, se sabrá si una estructura observada es secundaria o no. Igualmente, si se identifica el tipo de estructura secundaria encontrado, podrá entonces analizarse su geometría, configuración geométrica, distribución espacial, proceso de formación y, adicionalmente, podrán

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buscarse estructuras geológicas que posiblemente se encuentren asociadas a la estructura observada. 1.2.

Describir y colectar medidas de la geometría actual de las rocas.

Una vez identificadas las estructuras primarias y secundarias se debe realizar una descripción detallada de cada una de ellas. Esta descripción debe incluir el tipo (o tipos) de roca presentes, el tipo de estructura, el tipo de deformación observada en las estructuras secundarias (continua, discontinua, homogénea, heterogénea), la respuesta de las rocas ante los esfuerzos (comportamiento frágil, dúctil o frágil-dúctil), el área que ocupa la deformación y la descripción geométrica de cada estructura, incluyendo los datos estructurales tomados con la brújula. 1.3.

Interpretar la configuración geométrica y la distribución espacial de las estructuras geológicas.

La información colectada en el paso anterior debe ser plasmada en un mapa geológico para así entender la distribución espacial de las estructuras geológicas. Dicha distribución debe analizarse dentro del contexto geológico local y/o regional y, preferiblemente, deben realizarse perfiles geológicos con el fin de poder inferir y entender la distribución de las estructuras en profundidad. 1.4.

Entender la historia de deformación de las rocas observadas.

Con base en los procesos anteriores es posible llegar a una (o varias) hipótesis sobre la historia de deformación de las rocas observadas, en la que se incluyan los factores cinemáticos, los factores dinámicos, el tiempo y la evolución de la deformación. 2. MODELOS CONCEPTUALES EN GEOLOGÍA ESTRUCTURAL Los modelos conceptuales en geología estructural se emplean con la finalidad de entender el proceso de deformación de las rocas. Estos modelos son de tres tipos: geométricos, cinemáticos y dinámicos. 1.2.1.

Modelos geométricos

Los modelos geométricos son aquellos que permiten entender la geometría de las estructuras y su distribución espacial con respecto al contexto geológico en el que se encuentran (Figura 5).

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Figura 5. Modelo geométrico. Diagrama de bloque de una falla sinistral. Fuente: propia

1.2.2.

Modelos cinemáticos

Los modelos cinemáticos son aquellos que nos permiten entender los movimientos sufridos por las rocas durante la deformación.

Figura 6. Modelo cinemático de la falla sinistral (las flechas encerradas dentro de la elipse roja indican la cinemática). Fuente: propia

1.2.3.

Modelos dinámicos

Los modelos dinámicos son aquellos que representan el sistema de esfuerzos que produjeron una deformación en particular. Generalmente se indica la

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dirección de los esfuerzos principales máximo y mínimo (1 y 3) ya que se sabe que el esfuerzo principal medio (2) es ortogonal a los anteriores.

Figura 7. Modelo dinámico de la falla sinistral (las flechas rojas y azules indican la dirección de los esfuerzos principales máximo y mínimo, respectivamente). Fuente: propia

3. DIMENSIONES DEL TRABAJO GEOLÓGICO Durante el desarrollo del trabajo geológico se emplean cinco dimensiones: 1.3.1.

Puntual (1D)

La dimensión puntual o (1D) es aquella que puede ser representada en el mapa, perfil o modelo geológico como un punto; esto es: coordenadas de un afloramiento o de un sitio en particular (como la localización de una perforación, por ejemplo) y muestras (de suelo, de roca o de sedimentos). 1.3.2.

Planar y lineal (2D)

La dimensión planar o lineal (2D) puede ser representada en el mapa, perfil o modelo geológico como una línea o un plano. Las líneas y/o planos comúnmente dibujados corresponden a: perforaciones, túneles (a menos que la escala permita dibujarlos como un área), trazas de planos geológicos (fallas, vetas, diques, planos axiales, lineamientos fotogeológicos), contactos litológicos, datos estructurales de planos geológicos (primarios y secundarios), indicadores de movimiento (indicadores cinemáticos), dirección de esfuerzos (indicadores dinámicos), etc.

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1.3.3.

Tridimensional (3D).

La tercera dimensión está representada por los modelos o diagramas de bloque que nos permiten visualizar la geometría en 3D de la litología, estructuras e interpretaciones cinemáticas y dinámicas de un área determinada. 1.3.4.

Tiempo

El tiempo es conocido como la cuarta dimensión. Durante el trabajo geológico el tiempo puede asumirse de dos maneras: (1) La interpretación de la evolución geológica a través del tiempo en donde se muestran, por medio de mapas y perfiles, o diagramas de bloque, los estados de deformación por los que ha pasado un área en particular. (2) El tiempo que se tiene para estudiar un área en particular. Es común que en el desarrollo de cualquier proyecto (investigativo o industrial) se disponga de un tiempo determinado para la ejecución de una actividad, por lo tanto, de este tiempo y de los objetivos planteados dependerá el nivel de detalle que se pueda dar al análisis geológico-estructural. 1.3.5.

Económico.

La parte económica, si bien no ha jugado ningún papel en la evolución geológica, es importante porque es quien limita los alcances investigativos sobre un área particular. El tiempo de ejecución de un proyecto dependerá también del presupuesto del mismo y dicho presupuesto también será quien defina el nivel de detalle del estudio (posibilidad de realizar muestreos, perforaciones, dataciones, secciones delgadas de roca, cantidad de visitas a campo y tiempo de duración de las visitas, etc.). 4. PREGUNTAS DE REPASO 1.

¿Qué es la geología estructural?

2.

¿Cuál es la importancia de la geología estructural en la ingeniería de minas?

3.

¿Cuál es la importancia de la geología estructural en la ingeniería de petróleos?

4.

¿Cuál es la importancia de la geología estructural en la ingeniería civil?

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5.

¿Cuál es la importancia de la geología estructural en la ingeniería geológica

6.

El método de trabajo en la geología estructural consta de cuatro pasos. Enumere dichos pasos y describa cada uno de ellos.

7.

Los modelos conceptuales en la geología estructural comprenden tres pasos: modelos conceptuales, análisis cinemática y análisis dinámica. Explique cada uno de ellos

8.

¿Cuántas son las dimensiones del trabajo geológico?

9.

¿Cuáles son las dimensiones del trabajo geológico?

10. Explique cada una de las dimensiones del trabajo geológico.

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