Procesos Geológicos - Facultad de Ingeniería

Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Ingeniería
TEMA 5
GEOLOGÍA ESTRUCTURAL
M.I. Hugo Sergio Haas Mora
2010
• Objetivo:
Que el alumno identifique las diferentes estructuras
geológicas y su impacto en el comportamiento de las
obras civiles.
• Contenido:
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•
Geología estructural.
Esfuerzos y deformaciones.
Discontinuidades.
Pliegues.
Fallas.
Métodos para su medición.
Problemas de ingeniería civil relacionados con
las estructuras geológicas.
Procesos Geológicos –
Contenido
Esfuerzos y deformaciones
Discontinuidades
Pliegues
Fallas
Métodos para su medición
Problemas de ingeniería civil relacionados con las estructuras
geológicas
Procesos Geológicos –
Aguas superficiales y subterráneas
•Esfuerzos y deformaciones
DEFORMACIÓN: cambios que sufre un macizo rocoso en volumen y/o forma.
ESFUERZO: medida de la cantidad de fuerza, causa deformación en rocas.
DISTENSIÓN: cambio causado por el esfuerzo.
PRESIÓN COFINANTE: cuando el esfuerzo es uniforme en todas direcciones.
ESFUEZOS DIFERENCIALES: se aplican de manera desigual en direcciones diferentes.
ESFUEZOS DIFERENCIALES COMPRESIONALES: acortan un cuerpo de roca .
ESFUEZOS DIFERENCIALES TENSIONALES: alargan un cuerpo de roca.
CILLAZAMIENTOS CERCA DE LA SUPERFICIE: una roca relativamente frágil se rompe en
láminas delgadas que se ven forzadas a deslizarse unas con respecto a las otras.
Procesos Geológicos –
Aguas superficiales y subterráneas
Procesos Geológicos –
Aguas superficiales y subterráneas
Las rocas que se encuentran a gran profundidad, están a temperaturas y presiones
elevadas, por lo que su comportamiento ante la deformación es dúctil y pueden fluir y
doblarse en pliegues sin fracturarse.
Las rocas se deforman de manera diferente, depende de su composición química ,del
ambiente y del ritmo al cual se aplique el esfuerzo.
Las rocas tienen primero una deformación elástica y después regresan a su forma
original, cuando sobrepasan el límite elástico, sufren una deformación plástica o se
fracturan. Esto último es mediante plegamiento y flujo.
Cuando el esfuerzo se aplica rápidamente, dentro de un entorno próximo a la
superficie, la mayoría de las rocas se deforman por fracturamiento.
También se dice que las rocas fracturadas o arqueadas están deformadas, ya que su
forma y/o volumen originales han sido alteradas por el esfuerzo.
Sin la intensidad de la fuerza interna de la roca se deformará por plegamiento o
fracturamiento.
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Aguas superficiales y subterráneas
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Aguas superficiales y subterráneas
La deformación de un cuerpo puede ser elásticas y residuales.
•Deformación elástica. Es la que adquiere un cuerpo sólido que al dejar de obrar los
efectos físicos recupera su forma original.
•Deformaciones residuales. Las deformaciones residuales comunes en la corteza
terrestre pueden ser plásticas o frágiles.
También se deben considerar la viscosidad de las rocas y los fenómenos de relajación
y fluencia.
La relajación lleva a una transformación paulatina de una deformación elástica a una
residual plástica.
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Aguas superficiales y subterráneas
Esfuerzos y deformaciones de un cuerpo por cargas externas.
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Aguas superficiales y subterráneas
Fuerzas:
•Dirigidas o de superficie- son más importantes en ingeniería que en geología; estas
pueden ser de tensión, compresión y cizalladura. La torsión es un caso particular de la
cizalladura en tres dimensiones.
•No dirigidas o de gravedad o de volumen- más importantes en geología que en
ingeniería. Puede tratarse de la presión confinante, sea ella litostática o hidrostática y
en general de fuerzas asociadas a la gravedad, que actúan sobre cada partícula
elemental de la masa.
Son dos las formas típicas de aplicar esfuerzos a un material:
•Carga instantánea- Cargando el material a corto plazo hasta obtener su ruptura, se
incrementa el nivel de esfuerzos gradualmente hasta obtener la falla.
•Carga prolongada- Dejando sometido el material por un tiempo considerable a un
esfuerzo que no le cause la ruptura, no se modifica el nivel de esfuerzos en el largo
plazo.
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Aguas superficiales y subterráneas
Fuerzas a corto y largo plazo
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Compresion
A. Comportamiento frágil o rígido.
B. Comportamiento plástico de la muestra.
C. Material con características intermedias.
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Aguas superficiales y subterráneas
La deformación de las rocas puede denominarse según el origen de los esfuerzos
o forma de aplicación de las cargas:
•Por su origen.
•Por el tiempo de aplicación de las cargas.
En las deformaciones de la corteza terrestre la erosión desgasta los continentes
pero estos se recuperan más por deformaciones de la corteza que por vulcanismo.
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•Discontinuidades
Tiene diferentes aspectos y juntos forman un todo.
SISMOLOGÍA- rama de la Geofísica General, estudia los terremotos y
la propagación de las ondas elásticas que estos generan. De ésta
forma se puede obtener la ubicación de los lugares donde se generan
los sismos y así contribuye a delimitar las placas tectónicas y
determinar el comportamiento en las discontinuidades.
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Aguas superficiales y subterráneas
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Una consecuencia de las discontinuidades son las Aludes de placa, es el
deslizamiento de las capas superiores, que aparentemente pueden parecer
estables, por encima de una capa de baja cohesión o de una superficie de
rehielo.
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•Pliegues
Los pliegues o plegamientos son doblamientos de las rocas sedimentarias y
volcánicas, inicialmente planas, en una serie de ondulaciones, debido a esfuerzos
compresivos.
Partes:
• Los flancos o limbos- los dos lados de un pliegue.
• Eje del pliegue- una línea trazada a lo largo de los puntos de curvatura máxima de
cada estrato. Puede ser horizontal o inclinado según un ángulo conocido como
inversión.
• Plano axial- una superficie imaginaria que divide un pliegue de la manera más
simétrica posible.
La foliación de las rocas metamórficas muestra plegamientos, pero los monoclinales,
que tienen un solo flanco y son grandes flexuras de la corteza, son consecuencia de
desplazamientos verticales.
Las fuerzas tectónicas de la litosfera provocan rotura de las masas rocosas provocando
que algunas veces las rocas se deformen en una manera plástica.
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Procesos Geológicos
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Aguas superficiales y subterráneas
Tipos:
• Anticlinales- formados por el plegamiento convexo o arqueamiento de los estratos, los
estratos más antiguos se encuentran en el centro.
• Sinclinales- pliegue cóncavos o surcos, en donde los estratos más jóvenes ocupan el
centro.
Dependiendo de su orientación estos pliegues básicos pueden ser:
• Simétricos- los flancos a ambos lados del plano axial divergen según un mismo
ángulo.
• Asimétricos. los flancos a ambos lados del plano axial NO divergen según un mismo
ángulo.
• Recostados- si uno de los flancos está inclinado más allá de la vertical.
• Recumbentes- si descansa sobre uno de sus flancos, de modo que el plano axial es
horizontal.
DOMOS- estructuras levantadas en forma de anticlinales.
CUENCAS- estructuras hundidas, con pliegues circulares algo alargados, formados por
desplazamientos verticales de los estratos.
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Aguas superficiales y subterráneas
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Aguas superficiales y subterráneas
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Aguas superficiales y subterráneas
•Fallas
Una falla es una discontinuidad que se forma en las rocas someras
de la Tierra (hasta unos 100 ó 200 km de profundidad) por
fracturamiento, cuando concentraciones de fuerzas tectónicas
exceden la resistencia de las rocas. La zona de ruptura tiene una
superficie más o menos bien definida denominada plano de falla y
su formación va acompañada de deslizamiento tangencial
(paralelo) de las rocas a este plano.
El movimiento responsable de la dislocación puede tener dirección
vertical, horizontal o una combinación de ambas.
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Aguas superficiales y subterráneas
• En las masas montañosas que se han alzado por movimiento de
fallas, el desplazamiento puede ser de miles de metros que
representan el efecto, acumulado a largo plazo, de
desplazamientos pequeños e imperceptibles en vez de un gran
levantamiento único. Sin embargo, cuando la actividad en una
falla es repentina y abrupta, se puede producir un fuerte
terremoto e incluso una ruptura de la superficie formando una
forma topográfica llamada escarpe de falla.
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Aguas superficiales y subterráneas
Las fallas son un tipo de
deformación de la corteza
terrestre que finaliza en
ruptura, dando lugar a
una gran variedad de
estructuras geológicas.
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Aguas superficiales y subterráneas
ELEMENTOS DE UNA FALLA
• Plano de falla: es el plano de fractura o superficie a lo largo
de la cual se desplazan los bloques que se separan en la
falla. Con frecuencia el plano de falla presenta estrías, que
se origina por el rozamiento de los dos bloques.
• Labio levantado: es el bloque que queda elevado sobre el
otro.
• Labio hundido: es el bloque que queda por debajo del labio
levantado.
Procesos Geológicos – Geología estructural
SALTO DE FALLA
Es la distancia vertical entre dos estratos que originalmente formaban una
unidad, medida entre los bordes del bloque elevado y el hundido. Esta distancia
puede ser de tan sólo unos pocos milímetros (cuando se produce la ruptura),
hasta varios kilómetros. Éste último caso suele ser resultado de un largo proceso
geológico en el tiempo.
Partes de una falla:
1. Bloques, 2.Labios de falla, 3. Plano de falla, 4. Espejo de la falla, 5. Linea de falla,
6.Angulo de buzamiento, 7. Bloque levantado, 8. Bloque hundido, 9.Techo, 10. Piso,
11.Salto real
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• CARACTERÍSTICAS DE UNA FALLA
• Las siguientes características nos permiten describir las
fallas:
• Dirección: ángulo que forma una línea horizontal contenida
en el plano de falla con el eje norte-sur.
• Buzamiento: ángulo que forma el plano de falla con la
horizontal.
• Salto de falla: distancia entre un punto dado de uno de los
bloques (por ejemplo una de las superficies de un estrato) y
el correspondiente en el otro, tomada a lo largo del plano de
falla.
• Escarpe: distancia entre las superficies de los dos labios,
tomada en vertical.
Procesos Geológicos – Geología estructural
CLASIFICACIÓN DE FALLAS DE ACUERDO A SU MOVIMIENTO
Las fallas se clasifican en tres tipos en función de los esfuerzos que
las originan y de los movimientos relativos de los bloques:
• Falla inversa. Este tipo de fallas se genera por compresión
horizontal. El movimiento es preferentemente horizontal y el
plano de falla tiene típicamente un ángulo de 30 grados respecto
a la horizontal. El bloque de techo se encuentra sobre el bloque
de piso. Cuando las fallas inversas presentan un manteo inferior
a 45º, estas pasan a tomar el nombre de cabalgamiento.
Procesos Geológicos – Geología estructural
• Falla normal.
Este tipo de fallas se generan por tensión horizontal. El
movimiento es predominantemente vertical respecto al plano de
falla, el cual típicamente tiene un ángulo de 60 grados respecto a
la horizontal. El bloque que se desliza hacia abajo se le
denomina bloque de techo, mientras que el que se levanta se
llama bloque de piso. Otra manera de identificar estas fallas es la
siguiente. Si se considera fijo al bloque de piso (aquel que se
encuentra por debajo del plano de falla) da la impresión de que el
bloque de techo cae con respecto a este. Conjuntos de fallas
normales pueden dar lugar a la formación de horsts y grábenes.
Procesos Geológicos – Geología estructural
• Falla de desgarre. Estas fallas son verticales y el movimiento
de los bloques es horizontal. Estas fallas son típicas de
límites transformantes de placas tectónicas. Se distinguen
dos tipos de fallas de desgarre: derechas e izquierdas.
Derechas, o diestras, son aquellas en donde el movimiento
relativo de los bloques es hacia la derecha, mientras que en
las izquierdas, o siniestras, es el opuesto.
También se les conoce como fallas transversales.
Procesos Geológicos – Geología estructural
• Falla rotacional o de
tijeras. Es la que se
origina por un
movimiento de
basculamiento de los
bloques que giran
alrededor de un punto
fijo, como las dos
partes de una tijera.
a) Falla inversa
b) Falla normal
c) Falla de desgarre
Procesos Geológicos – Geología estructural
MÉTODOS PARA SU MEDICIÓN
Una forma de medir su inclinación (echado) y la orientación
(rumbo del echado), es mediante una brújula.
Otro método es el de reflexión sísmica que mide el recorrido
de la energía inducida en 10-3 seg. Este método mide la
profundidad y la continuidad de los estratos. Localiza las
discontinuidades como las fallas. Así como también
proporciona información sobre condiciones estatigráficas.
Procesos Geológicos – Geología estructural
Brújula para minas COMTA
Para obras de galerías y túneles y mediciones
de fallas geológicas y voladuras de cámara.
No. 339 COMTA
Brújula geológica universal COBRU
Para levantamientos geológicos y topográficos
(tipo Brunton)
Medición de echados
Procesos Geológicos – Geología estructural
PROBLEMAS DE INGENIERÍA CIVIL
RELACIONADOS CON LAS ESTRUCTURAS
GEOLÓGICAS
En los túneles se debe conocer la posición que guardan
las fallas con respecto al eje del túnel y la longitud en que
lo afecten.
Si se cruza una falla activa, el túnel puede verse sometido
a grandes esfuerzos de cortantes en peligro.
Procesos Geológicos – Geología estructural
El corrimiento puede ocurrir, en cualquier dirección, de
acuerdo con el sentido de los esfuerzos y la orientación
de la superficie de corrimiento, respecto del túnel.
Los anticlinales, son importantes en los estratos
superiores están deformados debido al plegamiento y por
lo tanto mas fisurados que los inferiores, por lo que es
aconsejable situar el túnel a una profundidad en la cual
no exista fracturamiento.