Geología Estructural

1. Introducción

Como se vio anteriormente la Tierra es un planeta dinámico, en él actúan tanto procesos endógenos como exógenos. Dentro de los procesos endógenos, además del magmatismo y el metamorfismo, se incluye la actividad tectónica o tectonismo; y la rama de la geología que se encarga de su estudio es la geología estructural. Las fuerzas tectónicas deforman las rocas de la corteza. Entre las evidencias que demuestran la actuación de fuerzas enormes dentro de la tierra se cuentan los miles de kilómetros de estratos que están doblados, plegados, volcados y a veces muy fracturados.

La comprensión de las estructuras tectónicas no es sólo importante para descifrar la historia de la Tierra, sino que es también básica en la prospección de yacimientos. Por ejemplo, la mayor parte de los yacimientos de petróleo y gas natural está asociada con estructuras geológicas que atrapan esos fluidos.

Ejemplo de trampa estructural.

2. Esfuerzo y deformación

Esfuerzo: es la acción de una fuerza aplicada sobre un área determinada. La magnitud del esfuerzo no es simplemente una función de la cantidad de fuerza aplicada, sino que también está relacionada con el área sobre la que la fuerza actúa. Los esfuerzos causan deformación.

Deformación: es cualquier cambio de volumen, de forma o ambas que pueda afectar a las rocas.

Tipos de esfuerzos

Si el esfuerzo que actúa sobre un cuerpo se aplica en direcciones diferentes, se denomina esfuerzo diferencial. El esfuerzo diferencial puede a su vez ser clasificado en tres tipos de esfuerzos (figura 2 y 3).

• Tensión: se dice que un cuerpo está bajo tensión cuando está sujeto a fuerzas externas que tienden a dividirlo. Los esfuerzos tensionales están asociados a bordes de placa divergentes, y tienden a alargar los cuerpos rocosos situados en la corteza superior mediante el desplazamiento a lo largo de las fallas.

• Compresión: se dice que un cuerpo está bajo compresión cuando está sujeto a fuerzas externas que tienden a comprimirlo. Los esfuerzos compresivos están asociados a bordes de placa convergentes, y tienden a acortar y engrosar la corteza terrestre plegándose, fluyendo o fracturándose.

• Cizalla: se produce cuando dos fuerzas actúan en direcciones opuestas sobre el mismo plano, pero no a lo largo de la misma recta; está asociado a bordes de falla transformante. Los esfuerzos de cizallamiento producen desplazamientos a gran escala a lo largo de las principales zonas de falla.

Otro tipo de esfuerzo es la presión litostática o de confinamiento.  La presión de confinamiento es un tipo de esfuerzo uniforme en todas las direcciones. Es la presión a la que están sometidas las rocas de la corteza, a una cierta profundidad, y es debida al peso de las rocas suprayacentes.

2.1. Diagrama Esfuerzo - Deformación

La relación existente entre esfuerzo y deformación se expresa en un gráfico conocido como diagrama de esfuerzo y deformación. El esfuerzo se representa sobre la ordenada, y la deformación sobre la abscisa. La curva A de la figura 4 es el gráfico de un material dúctil sometido a compresión. El esfuerzo compresivo se indica en kg/cm². Con el aumento del esfuerzo, la muestra se acorta y la deformación se representa en términos de porcentaje de acortamiento de la muestra. El acortamiento crece a medida que se aumenta el esfuerzo. El punto en el cual la curva se aparta de una línea recta se conoce como límite de proporcionalidad, que es el mismo que el límite de elasticidad.

La curva B es el grafico de un material frágil sometido a compresión, no hay deformación plástica antes de que se produzca la ruptura.

Diagrama esfuerzo - deformación

2.2. Factores que controlan el comportamiento de los materiales

• Presión de confinamiento: la resistencia crece con la presión de confinamiento. Las rocas que tienen baja deformación plástica cerca de la superficie, pueden ser muy plásticas bajo una presión de confinamiento alta.

• Temperatura: los cambios de temperatura modifican la resistencia de las rocas. Un material caliente sufre deformación plástica más fácilmente que si está frío.  Resulta evidente que, la deformación plástica es menos común cerca de la superficie de la tierra, donde la presión de confinamiento y la temperatura son bajas, que a mayores profundidades, donde las temperaturas más altas y la mayor presión de confinamiento aumentan la posibilidad de deformación plástica.

• Tiempo: los esfuerzos que se pueden aplicar unas pocas veces sin causar ruptura, pueden, si se repiten muchas veces, producirla.

• Disponibilidad de fluidos: gran parte de la deformación de las rocas tiene lugar mientras existen en los poros soluciones capaces de reaccionar químicamente con las rocas.

• Tipo de la roca: no todas las rocas tienen la misma resistencia mecánica, por lo que su respuesta al esfuerzo es también diferente. En superficie y condiciones ambientales, algunas rocas tienen un comportamiento dúctil (por ejemplo, las arcillas), y otras un comportamiento frágil (por ejemplo, la caliza).

Comportamiento de los rocas en función de la presión y temperatura - mecanismos de la deformación correspondiente. Fuente: modificado de Mattauer, 1976.

2.3. Niveles estructurales

Se entiende por nivel estructural cada uno de los dominios de la corteza en que los mecanismos dominantes de la deformación permanecen iguales. Si se considera la superficie de la Tierra, hacia zonas más profundas, han sido definidos tres niveles estructurales en los que las rocas tienen diferente comportamiento. A medida que los niveles se profundizan, las condiciones de presión y temperatura se incrementan, por lo que las rocas adquieren un comportamiento más dúctil. „

• Nivel estructural superior. Se localiza desde la superficie (según la altitud en cada lugar) hasta la cota 0 m, que sirve como referencia, aunque puede llegar a más profundidad. La presión y temperatura no son muy elevadas y las rocas tienen un comportamiento frágil; es el dominio de las fallas.

• Nivel estructural medio. Se sitúa entre la cota 0 m y unos 4.000 m de profundidad. El mecanismo predominante es la flexión debido al comportamiento dúctil de las rocas; son característicos de este nivel los pliegues. „

• Nivel estructural inferior. Es el nivel del metamorfismo, y como media se localiza entre los 4.000 m y los 8.000 o 10.000 m de profundidad. En los niveles más superficiales domina el aplanamiento, con el frente superior de esquistosidad. A mayor profundidad predominan estructuras de flujo, con pliegues acompañados siempre de esquistosidad y foliación. Su límite inferior viene marcado por el inicio de la fusión o anatexia de granito.

Niveles estructurales de la corteza terrestre. Fuente: modificado de Mattauer, 1976.

3. Cartografía de las estructuras geológicas

Los procesos de deformación generan estructuras a muchas escalas diferentes. En un extremo se encuentran los principales sistemas montañosos de la Tierra. En el otro, los esfuerzos muy localizados crean fracturas menores en las rocas. Todos estos fenómenos se conocen como estructuras tectónicas.

Teniendo en cuenta que las estructuras están referidas a planos y líneas, cabe establecer cuál es la forma de ubicarlas en el espacio. En ambos casos las direcciones se refieren al Norte y las inclinaciones a un plano horizontal.

Existen dos medidas denominadas rumbo y buzamiento  que permiten determinar la orientación de un estrato rocoso o de una superficie de falla. Conociendo el rumbo y el buzamiento de las rocas en la superficie, los geólogos pueden predecir la naturaleza y la estructura de las unidades rocosas y las fallas que están ocultas debajo de la superficie fuera del alcance de nuestra vista.

• Rumbo: es el ángulo horizontal formado entre la línea Norte – Sur y la recta producto de la intersección del plano o superficie con un plano horizontal. Tiene dos sentidos, ubicados en cuadrantes opuestos, por ejemplo NE y SO.

• Buzamiento: es el ángulo de máxima pendiente del plano. Se mide sobre un plano vertical perpendicular al rumbo y el valor angular se considera a partir del plano horizontal. Toma valores entre 0° y 90°
  

• Dirección de buzamiento: indica la dirección hacia donde inclina el plano. Es un ángulo horizontal y presenta una diferencia de 90° con respecto al rumbo.

Rumbo, buzamiento y dirección del buzamiento son mediciones que los geólogos realizan en el campo, en afloramientos de estratos, mediante la brújula geológica. En el siguiente video se puede ver cómo se realizan tales determinaciones.

La representación en mapas de rumbo y buzamiento de un estrato se expresa mediante una sola notación. Consiste en un trazo largo, que corresponde al rumbo y tiene la dirección que corresponde, y un trazo corto perpendicular al primero y dirigido hacia donde inclina el plano, con la indicación numérica del ángulo medido. Los casos particulares de planos horizontales y verticales tienen símbolos propios para representación en mapas.

4. Pliegues

Los pliegues son ondulaciones u ondas en las rocas de la corteza.

Se forman por esfuerzos compresivos, previo a la ruptura de las rocas. Alcanzan su mayor desarrollo en formaciones estratificadas tales como rocas sedimentarias. Su tamaño puede medirse en el rango de los centímetro a los cientos de kilómetros.

Las partes componentes de un pliegue son: los flancos o limbos, plano axial, eje y charnela. El plano axial de un pliegue es el plano que divide al pliegue tan simétricamente como sea posible. La intersección del plano axial con cualquier estrato define al eje del pliegue. La charnela es el punto de máxima curvatura. Los costados de un pliegue se denominan limbos o flancos. Cresta y seno o valle: son la zona más alta y más baja (respectivamente) topográficamente que pueden coincidir con las charnelas.

Elementos de un pliegue. Fuente: modificado de Varela, 2014

4.1. Clasificación de pliegues

La clasificación más común está basada en la apariencia de los pliegues en secciones transversales, con lo cual hace referencia principalmente a la posición del plano axial y de los limbos. Así, los 2 tipos principales de pliegues son:

• Anticlinal: es un pliegue convexo hacia arriba. También puede definirse como un pliegue con las rocas más antiguas hacia el centro de curvatura.

• Sinclinal: es un pliegue cóncavo hacia arriba. También puede definirse como un pliegue con las rocas más jóvenes hacia el centro de curvatura.

Fotografía 1 - El sinclinal (izquierda) y el anticlinal (derecha) comparten un flanco común. Fuente: tomada de Tarbuck, 2005.

En una sucesión plegada, es un rasgo diagnóstico que los anticlinales encierran en la parte central a los estratos más antiguos (figura 9A) y los sinclinales a los estratos más jóvenes (figura 9B).

Figura 9  – Sucesión de estratos en un pliegue anticlinal (A) y en un pliegue sinclinal (B). Fuente: modificado de Varela, 2014.

La geometría en sección transversal determina si un pliegue es simétrico (los limbos inclinan en sentido opuesto con el mismo ángulo, figura 10A y 11A); asimétrico (los limbos inclinan en sentido opuesto con distinto ángulo), volcado (los limbos inclinan en el mismo sentido con distinto ángulo, figura 10B y 11B); recumbente (los limbos están en posición horizontal, figura 10C, 10D, 11C y 11D).

Figura 10 – Algunas variedades de anticlinales; A) Anticlinal simétrico; B) anticlinal volcado; C) anticlinal recumbente; D) anticlinal recumbente replegado. PA: plano axial. Fuente: tomado de Billings, 1963.

         Figura 11 – Algunas variedades de sinclinales; A) Sinclinal simétrico; B) sinclinal volcado; C) sinclinal recumbente; D) sinclinal recumbente replegado. PA: plano axial. Fuente: tomado de Billings, 1963.

4.2. Representación de pliegues

En el terreno, los pliegues pueden visualizarse a simple vista si se desarrollan completamente en metros a decenas de metros. No obstante, si tienen dimensiones superiores, cientos de metros a kilómetros, es necesario construir un mapa para ponerlos en evidencia. Sobre una base topográfica a escala adecuada, o un bosquejo del terreno en cuestión, se representan las mediciones de rumbo y buzamiento de la estratificación en varios afloramientos, lo que permite interpretar la existencia de anticlinales y sinclinales.

Los pliegues pueden ser representados de varias maneras, las principales son:

• Mapas geológicos: para su elaboración existen simbología y colores establecidos por convención. 

Figura 16 - Mapa geológico de un pliegue sinclinal. Modificado de Billings, 1963.

• Bloques diagramas: son particularmente útiles para ilustrar las características generales de la estructura y, especialmente, para indicar la relación entre pliegues y la topografía.

• Mapa de líneas estructurales: proporcionan el método más preciso para representar pliegues en tres dimensiones. Se leen de la misma manera que un mapa topográfico de curvas de nivel. Están basados en un horizonte único, tal como la base o techo de algún estrato particular. La posición del estrato se da con relación a algún plano de referencia, generalmente el nivel del mar. Este tipo de mapas es de gran importancia en la industria petrolera y los estudiaremos en detalle en la Unidad siguiente.
  

Figura 17 - Mapa de líneas estructurales. Fuente: tomado de Billings, 1963.

5. Fallas

Las fallas son rupturas, de cuerpos de roca, a lo largo de las cuales las paredes opuestas se han movido la una con relación a la otra.

La característica esencial es el movimiento diferencial paralelo a la superficie de la fractura. Las fallas pueden tener desde unos pocos centímetros de largo hasta centenares de kilómetros de longitud, y su desplazamiento puede medir varios kilómetros.

Figura 19 – Partes de una falla. Fuente: modificado de Billings, 1963

El bloque que está por encima de la falla se denomina techo y el que está por debajo, piso. La intersección de una falla con la superficie de la tierra se denomina línea de falla. El rumbo y buzamiento de una falla se miden de la misma manera que en un estrato.

5.1. Naturaleza del movimiento en las fallas

Movimientos traslacionales y rotacionales: el movimiento a lo largo de las fallas puede ser traslacional o rotacional.

En el movimiento traslacional no ha habido rotación de los bloques en relación de uno con el otro; todas las líneas rectas sobre lados opuestos de la falla y fuera de la zona dislocada, que eran paralelas antes del desplazamiento, son paralelas después (figura 20 A y B).

En el movimiento rotacional algunas líneas rectas sobre lados opuestos de la falla y fuera de la zona dislocada, que eran paralelas antes del desplazamiento, no lo son después de producirse éste (figura 20 C y D).

Figura 20 - Movimientos traslacionales A y B; movimientos rotacionales C y D. Fuente: tomado de Billings, 1963.

Movimientos relativos: son movimientos que pueden tener lugar a lo largo de una falla traslacional, en la figura 21 se pueden observar algunos de los movimientos que pueden producirse. En el diagrama A, el techo se ha movido directamente hacia abajo en relación con el piso; en el B, el techo se ha movido paralelamente al rumbo; en el C, el techo se ha movido hacia abajo diagonalmente sobre el plano de falla; en el D, el techo se ha movido directamente hacia arriba; y en el E, el techo se ha movido diagonalmente hacia arriba sobre el plano de falla.

Para indicar el movimiento relativo de puntos anteriormente adyacentes sobre lados opuestos de la falla, se usa el término desplazamiento, y se mide sobre la superficie de falla. El desplazamiento neto (ab de la figura 21) es el movimiento total. En el diagrama C el desplazamiento neto tiene una componente paralela al rumbo de la falla llamado desplazamiento de rumbo (ac de la figura 21 C); y una componente paralela a la dirección de inclinación del plano de falla llamado desplazamiento de inclinación (bc de la figura 21 C). En los diagramas A y D, el desplazamiento de inclinación es igual al desplazamiento neto y el desplazamiento de rumbo es cero. En el diagrama B el desplazamiento de rumbo es igual al desplazamiento neto y el desplazamiento de inclinación es cero.

Figura 21 - Movimientos relativos: desplazamiento neto, de inclinación y de rumbo. Fuente: tomado de Billings, 1963.

Figura 22  - Rechazo vertical y horizontal. Bloque diagrama (A). Sección vertical perpendicular al rumbo de falla (B). ab: desplazamiento neto, ao: rechazo vertical, ob: rechazo horizontal. Fuente: modificado de Billings, 1963.

5.2. Clasificación geométrica de fallas

Las fallas pueden ser clasificadas sobre la base de su geometría. Dado el alcance de esta asignatura, sólo veremos las principales formas de clasificación.

Clasificación basada en el movimiento aparente:

Es la clasificación más utilizada.

• Falla directa (o normal): es una falla con desplazamiento de inclinación en la  que el bloque situado sobre el plano de falla (techo) se desplaza hacia abajo en relación con el otro bloque (piso). Se generan por esfuerzos de tensión.

• Falla inversa: es una falla con desplazamiento de inclinación en la  que el bloque situado sobre el plano de falla (techo) se desplaza hacia arriba en relación con el otro bloque (piso). Se generan por esfuerzos compresivos.

• Falla de rumbo: es una falla con desplazamiento horizontal y paralelo a la dirección de rumbo del plano de falla. Se generan por esfuerzos de cizalla.
  

Clasificación basada en el diseño de las fallas:

• Horst y graben: los accidentes de gran magnitud que produce el fallamiento directo, consisten en fosas o grabenes, que son delimitados a uno y otro lado por franjas de terreno no descendido, denominados pilares o horst. Un bloque elevado limitado por dos fallas directas de buzamiento contrario es un horst o pilar. Un bloque hundido limitado por dos fallas directas buzando la una hacia la otra es un graben o fosa.

5.3. Representación cartográfica

Para la representación cartográfica de fallas, se usa una simbología particular, establecida por convención, que se detalla en las siguientes imágenes. Obsérvese que tanto el peine como los triángulos están indican la dirección del buzamiento de la falla.

5.4. Criterios de reconocimiento

Los criterios para reconocer fallas pueden ser divididos en tres categorías:

1. Rasgos característicos del plano de falla: las fallas a menudo pueden ser reconocidas por las estructuras que se desarrollan en las rocas: espejos de fricción, arrastre de estratos en el plano, brecha, jaboncillo, milonita. Espejos de fricción: son superficies pulidas y estriadas que resultan de la fricción a lo largo del plano de falla. Jaboncillo: de grano fino, tiene la apariencia y tacto de una arcilla. Brecha: fragmentos angulares y subangulares de varios tamaños asociados con una matriz más finamente triturada. Clastos de entre 2 cm y algunos metros. Milonita: microbrecha que mantuvo su coherencia durante la deformación. Típicamente negra y de grano fino.

2. Efecto en unidades rocosas. El desplazamiento por fallas produce por lo general contacto entre unidades que no existiría naturalmente: discontinuidad de estructuras, repetición y omisión de estratos.

6. Diaclasas

Son planos de ruptura que dividen el cuerpo de roca, sin que se verifique en dichos planos movimiento entre las partes resultantes. Puede ocurrir movimiento perpendicular a los planos de diaclasa, no muy grande, en cuyo caso se denominan diaclasas abiertas.

Es una característica que no se presenten aisladas, sino que sean numerosas, con un espaciado entre ellas de milímetros a centímetros, constituyendo juegos de diaclasas.

A menudo en un cuerpo de roca hay dos o más orientaciones preferidas (juegos), constituyendo un sistema de diaclasas.

La clasificación de diaclasas puede ser geométrica o genética. La clasificación geométrica hace referencia a la disposición de los planos de diaclasas respecto a otros planos estructurales, ejemplo estratificación. Son diaclasas de rumbo aquellas cuyo rumbo es paralelo al rumbo de los planos de estratificación. Son diaclasas de inclinación las que tienen rumbo paralelo a la dirección de inclinación de estratificación. Son diaclasas oblicuas o diagonales aquellas cuyo rumbo no coincide ni con el rumbo ni con la inclinación de estratificación.

La clasificación genética requiere de un relevamiento integral de estructuras, que eventualmente permite interpretar cada juego como respuesta a un determinado esfuerzo, ejemplo diaclasas de tensión, o diaclasas de cizalla.

 Figura 29 – Tipos de diaclasas. Fuente: tomado de Soriano, 2012.

Figura 30 - Símbolos utilizados en los mapas geológicos para indicar el rumbo y buzamiento de diaclasas.

Fotografía 2 – Diaclasas ortogonales en España. Fuente: banco de imágenes geológicas

Fotografía 3 – Diaclasas rellenas en España. Fuente: banco de imágenes geológicas

7. Rol de la Geología Estructural en los Yacimientos de Hidrocarburos

Para terminar, se adjunta una imagen a modo de resumen en la que se puede observar un sistema petrolero completo. Nótese la importancia que tienen las estructuras tectónicas estudiadas en esta unidad, las cuales actúan como las trampas estructurales del sistema.