tema 5 geología estructural
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Universidad U i id d N Nacional i lA Autónoma tó d de Mé México i Facultad de Ingeniería TEMA 5 GEOLOGÍA ESTRUCTURAL M.I. Hugo Sergio Haas Mora 2012 • Objetivo: Que el alumno identifique las diferentes estructuras ggeológicas g y su impacto p en el comportamiento p de las obras civiles. • Contenido: • • • • • • • G l í estructural.l Geología Esfuerzos y deformaciones. Discontinuidades. Pliegues. g Fallas. Métodos para su medición. medición Problemas de ingeniería civil relacionados con las estructuras geológicas. 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 ppor el esfuerzo. PRESIÓN COFINANTE: cuando el esfuerzo es uniforme en todas direcciones. ESFUEZOS DIFERENCIALES: se aplican de manera desigual en direcciones diferentes. 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. 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 f elástica y después regresan a su forma f 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 T bié se dice di que las l rocas fracturadas f t d o arqueadas d están tá deformadas, d f d ya que su forma y/o volumen originales han sido alteradas por el esfuerzo. g o Sin la intensidad de la fuerza interna de la roca se deformará ppor pplegamiento fracturamiento. Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas La deformación de un cuerpo puede ser elásticas y residuales. •Deformación Deformación elástica. elástica Es la que adquiere un cuerpo sólido que al dejar de obrar los efectos físicos recupera su forma original. •Deformaciones 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 j y fluencia. La relajación lleva a una transformación paulatina de una deformación elástica a una residual plástica. Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas Esfuerzos y deformaciones de un cuerpo por cargas externas. Procesos Geológicos – 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. dimensiones •No dirigidas o de gravedad o de volumen- más importantes en geología que en ingeniería Puede tratarse de la presión confinante, ingeniería. 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. falla •Carga prolongada- Dejando sometido el material por un tiempo considerable a un p , no se modifica el nivel de esfuerzos en el largo g esfuerzo qque no le cause la ruptura, plazo. Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas Fuerzas a corto y largo plazo Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas Compresion A. Comportamiento frágil o rígido. B. Comportamiento plástico de la muestra. C Material con características intermedias. C. intermedias Procesos Geológicos – 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. g •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. vulcanismo Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas •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. Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas Una consecuencia de las discontinuidades son las Aludes de placa, es el deslizamiento de las capas superiores, que aparentemente pueden parecer j cohesión o de una superficie de estables, por encima de una capa de baja rehielo. Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas •Pliegues Pli Los pliegues o plegamientos son doblamientos de las rocas sedimentarias y volcánicas, inicialmente planas, en una serie de ondulaciones, debido a esfuerzos compresivos. i Partes: p g • 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 axialaxial 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. Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas Procesos Geológicos Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas Tipos: Ti • Anticlinales- formados por el plegamiento convexo o arqueamiento de los estratos, los estratos más antiguos se encuentran en el centro. • SinclinalesSinclinales pliegue cóncavos o surcos, surcos en donde los estratos más jóvenes ocupan el centro. Dependiendo de su orientación estos pliegues básicos pueden ser: • Simétricos 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. g • 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. Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas Procesos Geológicos – 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 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 vertical, ambas. Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas • En las masas montañosas qque se han alzado ppor 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 t terremoto t e iincluso l una ruptura t dde la l superficie fi i fformando d una forma topográfica llamada escarpe de falla. Procesos Geológicos – Aguas superficiales y subterráneas Las fallas son un tipo de deformación de la corteza terrestre que finaliza en ruptura dando lugar a ruptura, una gran variedad de estructuras geológicas. Procesos Geológicos – 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 f ll C falla. Con frecuencia f i ell plano l dde falla f ll presenta t estrías, t í 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. unidad, 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, 6.Angulo buzamiento 7. 7 Bloque levantado, levantado 8. 8 Bloque hundido, hundido 9.Techo, 9 Techo 10. 10 Piso, Piso 11.Salto real Procesos Geológicos – Geología estructural • CARACTERÍSTICAS DE UNA FALLA • LLas siguientes i i t características t í ti nos permiten it ddescribir ibi llas fallas: • Dirección: ángulo que forma una línea horizontal contenida en ell plano l dde falla f ll con ell eje j norte-sur. t • 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. 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, 45º estas pasan a tomar el nombre de cabalgamiento 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 q qque se desliza hacia abajo j 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 siguiente. 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. D Derechas, h o diestras, di t son aquellas ll en donde d d ell movimiento i i t relativo de los bloques es hacia la derecha, mientras que en las izquierdas, izquierdas o siniestras siniestras, es el opuesto 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 i i f información ió sobre b condiciones di i estatigráficas. t ti áfi 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 B új l geológica Brújula ló i universal i l COBRU Para levantamientos geológicos y topográficos (tipo Brunton) M di ió de Medición d echados h d Procesos Geológicos – Geología estructural PROBLEMAS PROB EMAS DE INGENIERÍA CIVIL CIVI RELACIONADOS CON LAS ESTRUCTURAS GEOLÓGICAS En los túneles se debe conocer la posición que q e guardan g ardan 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 d esfuerzos f d cortantes de t t en peligro. li Procesos Geológicos – Geología estructural El corrimiento puede ocurrir, en cualquier dirección, de acuerdo d con ell sentido tid de d los l esfuerzos f y la l orientación i t ió de la superficie de corrimiento, respecto del túnel. Los anticlinales, son importantes en los estratos superiores están deformados debido al plegamiento y por l tanto lo t t mas fisurados fi d que los l inferiores, i f i por lo l que es aconsejable situar el túnel a una profundidad en la cual no exista fracturamiento.
