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viernes, 6 de marzo de 2009

Espeleogénesis y fracturas 2
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Fracturas de liberación de tensión.
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Marius van Heiningen

E-mail: mvh@telecentroscyl.net

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INTRODUCCIÓN.
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Es común que un volumen de roca acumule cierta cantidad de tensión durante su “vida geológica”. Esta tensión puede ser causada por el peso de toda la roca que se encuentre por encima, por presiones relacionadas con movimientos tectónicos o por una combinación de ambos. Cuando la roca se acerca otra vez a la superficie (por erosión) esta tensión es liberada, formando fracturas nuevas y ensanchando fracturas ya existentes. Las fracturas nuevas que se forman paralelas a la superficie se llaman fracturas de exfoliación y en este artículo se describe sus características y algunas teorías acerca de su formación. Cuando los estratos ya no están confinados lateralmente, también se forman fracturas (sub)verticales o perpendiculares a la estratificación. De este modo se puede diferenciar una zonación de fracturamiento.
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FRACTURAS DE EXFOLIACIÓN.
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INTRODUCCIÓN.
Cuando en la geología se refiere a fracturas de exfoliación, a menudo se usan ejemplos de rocas que se desprenden como la piel de una naranja o se suele referir a la meteorización característica de granitos. Sin embargo, las fracturas paralelas a la superficie que se forman en calizas también son fracturas de exfoliación. Estas fracturas aumentan considerablemente la permeabilidad (especialmente paralela a la superficie) y tienen gran importancia en la concentración de los flujos de agua.
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CARACTERÍSTICAS DE FRACTURAS DE EXFOLIACIÓN.
Las fracturas de exfoliación son fracturas no sistemáticas, que aumentan muy considerablemente la permeabilidad del subsuelo.
Sus características más importantes:
-1) La zona de fracturamiento suele seguir la topografía.
-2) Suelen formar fracturas paralelas a la superficie.
-3) La mayoría de las fracturas se encuentran en los primeros 30 metros bajo la superficie, pero se han observado hasta una profundidad de 100 metros.
-4) La distancia entre las fracturas (espaciamiento) aumenta con la profundidad y puede variar de unos pocos centímetros hasta varios metros.
-5) Ocurren en muchas clases de rocas diferentes y en muchas zonas climatológicas.
-6) El modo de fracturamiento es claramente distensional. Lo que quiere decir que las rocas presentes a ambos lados del plano de una fractura se han separado.
-7) Los planos de las fracturas son curvados.
-8) A menudo están asociadas con otras formas geológicas que indican compresión.
-9) Las rocas afectadas suelen caracterizarse por tener una alta resistencia contra la compresión, tener relativamente pocas fracturas y ser bastante isotrópicas (es decir que las características de la roca son más o menos igual en todas las direcciones).
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La figura 1 muestra esquemáticamente las primeras 4 características.
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La figura 1 muestra un valle y un monte con la distribución esquemática de fracturas de exfoliación. Se puede apreciar las primeras 4 características: las fracturas siguen la topografía y son paralelas a ella,,hay más fracturas cerca de la superficie y el espaciamiento aumenta con la profundidad.
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TEORÍA DE LIBERACIÓN DE TENSIÓN ACUMULADA POR EROSIÓN.
La primera teoría acerca de la formación de fracturas de exfoliación ha sido la siguiente:
Las rocas han estado expuestas a una gran compresión (por ejemplo causada por el peso de toda la roca que se encuentra por encima), resultando en una acumulación de tensión dentro de la roca. Cuando la roca se acerca otra vez a la superficie, por erosión del material que se encuentra por encima, esta tensión es liberada. Como lateralmente la roca sigue confinada, solo se puede expandir hacia arriba. El resultado son fracturas paralelas a la superficie. Las expresiones inglesas como “stress release” (liberación de tensión) y “pressure release” (liberación de presión) están íntimamente ligadas a esta teoría. Sin embargo, hay algunas observaciones que aparentemente no coinciden con esta teoría.
-1) Estudios de laboratorio han demostrado que una roca que ha estado bajo compresión durante un tiempo, no se fractura cuando se quita la compresión. Contradiciendo la base de la teoría.
-2) A veces hay fracturas de exfoliación, aunque la roca nunca haya estado a gran profundidad.
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TENSIÓN COMPRESIVA Y FRACTURAS EXTENSIONALES.
De las teorías alternativas la más importante es la siguiente:
Desde las primeras pruebas en el laboratorio se ha observado que una gran tensión horizontal suele crear fracturas extensionales. Lo que quiere decir que en zonas de compresión horizontal es probable encontrar fracturas de exfoliación. Esta tensión horizontal puede ser el resultado de una tensión residual (la presión antigua ha desaparecido pero la tensión se ha quedado acumulada), tensión tectónica o topográfica y también por razones de erosión del material que se encuentra por encima. Esta teoría ha resuelto los dos inconvenientes y probablemente es actualmente la más aceptada.
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COMBINACIÓN DE AMBAS TEORÍAS.
Acerca de las observaciones aparentemente no coincidentes con la primera teoría, se puede argumentar lo siguiente:
1) Acerca de los estudios de laboratorio, es posible que la roca no haya estado bajo compresión el tiempo suficiente para que la tensión se quede “acumulada” en la roca. Aparte, en los núcleos tomados de las perforaciones (en búsqueda de petróleo u agua), las fracturas de decompresión son frecuentes.
2) La primera teoría habla de tensión acumulada liberada por erosión, sin decir que esta tensión solo es el resultado del peso de las rocas suprayacientes. Esta tensión acumulada puede tener varios orígenes, los mismos que se suponen en la segunda teoría. Así que no es necesario que la roca haya estado a gran profundidad bajo la superficie.
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En resumen:
Según la primera teoría se forman fracturas de exfoliación porque la tensión es liberada por acercamiento de la roca a la superficie.
Según la segunda teoría se forman fracturas de exfoliación como resultado de una tensión horizontal, causando que la roca se expanda (y fractura) hacia arriba y al mismo tiempo impidiendo que la roca se expanda (y fractura) lateralmente.
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Entonces, como en una zona de tensión compresiva (horizontalmente) también hay erosión, ambas teorías juegan su papel, con la importancia de cada mecanismo dependiendo de las circunstancias locales. Por ejemplo, mucha compresión y poca erosión da un papel más importante a la segunda teoría y viceversa.
En zonas sin compresión horizontal, el papel es para la primera teoría.
Parece probable que una zona de compresión sea más favorable para la formación de fracturas de exfoliación porque ambos mecanismos juntos amplifiquen el proceso de su creación.
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En los estratos más cerca de la superficie también pueden influir los procesos de meteorización. Alternación química (en calizas mínima), cambios de temperatura y ensanchamiento de fracturas por agua que se hiela, son algunos ejemplos. En calizas estos procesos se limitan más bien a la zona del epikarst.
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FACTURAS VERTICALES O PERPENDICULARES A LOS ESTRATOS.
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Al principio la única dirección de liberación de tensión es hacia la superficie, porque lateralmente la roca no tiene espacio para expandir. Sin embargo, más cerca de la superficie y dependiente de la topografía existente es posible que la roca también se pueda expandir lateralmente. Esto favorece un fracturamiento (sub)vertical o perpendicular a la estratificación. La figura 2 muestra un fracturamiento perpendicular a los estratos
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La figura 2 muestra un fracturamiento perpendicular a los estratos en los primeros 10 o 20 metros bajo la superficie.
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ZONACIÓN DE LA LIBERACIÓN DE TENSIÓN.
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Si solo tenemos en cuenta los teóricos efectos de la liberación de tensión, sin contar con la influencia de la estratificación y las fracturas sistemáticas, tenemos una zonación sencilla. Por ejemplo, en una topografía horizontal aparecen las primeras fracturas horizontales (fracturas de exfoliación) a una profundidad de unos 100 metros, con un espaciamiento de varios metros, y hacia arriba el espaciamiento es cada vez menor. En los últimos 10 o 20 metros bajo la superficie aparecen también las fracturas verticales o perpendiculares a la estratificación y el espaciamiento puede disminuir hasta solo unos pocos centímetros, así que esta parte puede estar intensamente fracturada (figura 3).
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Sin embargo, en rocas calizas la estratificación es muy común y las fracturas tienden a cortar los estratos perpendicularmente, complicando el proceso, especialmente porque la inclinación de la estratificación puede variar desde horizontal hasta vertical. Además, la inclinación y grosor de los estratos tiene una importante influencia sobre la topografía (que a su vez influye en las fracturas de liberación de tensión). Sin olvidar la influencia que tienen las juntas de estratificación y fracturas sistemáticas sobre la terminación de las fracturas de liberación de tensión. De este modo la posible combinación de fracturas, estratos y topografías es amplia, y cada caso tiene que ser investigado individualmente.
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La figura 3 muestra la zonación de fracturamiento causado por la liberación de tensión. Los primeros 10 o 20 metros están intensamente fracturados por fracturas verticales y fracturas de exfoliación con poco espaciamiento. Hacia abajo aumenta el espaciamiento y disminuye la apertura de las fracturas. Por debajo de los 100 metros no se suele notar el efecto.

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IMPORTANCIA DE LAS FRACTURAS DE LIBERACIÓN DE TENSIÓN PARA LA PERMEABILIDAD DE LA ROCA.
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La liberación de tensión aumenta el diámetro de las fracturas existentes y causa la formación de numerosas fracturas nuevas. En los primeros 10 o 20 metros, las fracturas de exfoliación y las fracturas perpendiculares a la estratificación aumentan enormemente la permeabilidad en todas las direcciones. La zona exclusiva de fracturas de exfoliación (entre 20 y 100 metros de profundidad) aumenta considerablemente su permeabilidad en dirección horizontal. Como el diámetro y la cantidad de las fracturas disminuyen hacia abajo, también disminuye este aumento de permeabilidad horizontal hacia abajo.
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IMPORTANCIA DE LAS FRACTURAS DE LIBERACIÓN DE TENSIÓN PARA EL HUNDIMIENTO DE LAS ENTRADAS DE LAS CUEVAS.
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El fracturamiento intenso de los primeros 10 o 20 metros de la superficie, hace que la roca pierde su coherencia, provocando el hundimiento de la bóveda de la entrada. Sin embargo, una bóveda del mismo tamaño o incluso más grande es fácilmente soportado unas docenas de metros más cueva adentro. Este mecanismo de hundimiento de la entrada es una de las razones que tantas entradas de cuevas se encuentran tapadas.
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IMPORTANCIA DE LAS FRACTURAS DE LIBERACIÓN DE TENSIÓN PARA LA PÉRDIDA NO CONCENTRADA DE CAUDAL DE RÍOS Y ARROYOS.
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Es frecuente que un arroyo se pierde en un punto localizado (sumidero), a veces accesible para el humano. Más frecuente es que un arroyo o río pierde (parte de) su caudal sobre un trayecto de cierta distancia. La razón es la existencia de numerosas fracturas en el lecho del río. Muchas de estas fracturas se han ensanchadas y las más anchas se han parcialmente rellenadas con sedimento, evitando la formación de un punto de absorción preferencial, resultando en una infiltración dispersa y no localizada.
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IMPORTANCIA DE LAS FRACTURAS DE LIBERACIÓN DE TENSIÓN PARA LAS SURGENCIAS.
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La surgencia de un manantial de entre unas cuantas fisuras es el proceso al revés del mecanismo descrito anteriormente. Suele ser menos frecuente, probablemente porque hay menos posibilidades de taponamiento por sedimentos. Si es frecuente que la superficie del manantial se ha derrumbado en un caos de bloques.
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IMPORTANCIA DE LAS FRACTURAS DE LIBERACIÓN DE TENSIÓN PARA LOS CAOS DE BLOQUES FORMADOS CERCA DE LA SUPERFICIE.
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Las galerías cercanas a la superficie corren el mayor riesgo de hundimiento, resultando en la formación de un caos de bloques.
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NOTA.
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En ambas teorías acerca de las fracturas de exfoliación, hay un régimen distensional perpendicular a la superficie y en ambos casos el resultado es una liberación de tensión hacia la superficie. Indiferentemente si la tensión liberada es de relajación de compresión acumulada (primera teoría) o el resultado de una tensión horizontal (segunda teoría), sigue siendo una tensión liberada. Por esta razón, cuando me refiero en mis artículos a fracturas causadas por liberación de tensión, lo hago independientemente de la teoría.