Fractura (geología)

Una fractura es cualquier separación en una formación geológica, como una diaclasa o una falla que divide la roca en dos o más partes. A veces, una fractura forma una fisura o grieta profunda en la roca. Las fracturas suelen ser causadas por una tensión que supera la resistencia de la roca, lo que hace que la roca pierda cohesión a lo largo de su plano más débil. Las fracturas pueden proporcionar permeabilidad para el movimiento de fluidos, como el agua o los hidrocarburos. Las rocas muy fracturadas pueden ser buenos acuíferos o depósitos de hidrocarburos, ya que pueden poseer tanto una permeabilidad significativa como una porosidad de fractura.

Las fracturas son formas de deformación frágil. Existen dos tipos de procesos primarios de deformación frágil. La fractura por tracción da lugar a uniones. Las fracturas por cizallamiento son las primeras roturas iniciales resultantes de fuerzas de cizallamiento que superan la resistencia cohesiva en ese plano.

Después de estas dos deformaciones iniciales, se pueden observar otros tipos de deformaciones frágiles secundarias, como el deslizamiento por fricción o el flujo cataclástico en diaclasas o fallas reactivadas.

La mayoría de las veces, los perfiles de fractura tendrán forma de cuchilla, elipsoide o círculo.

Las fracturas en las rocas pueden formarse por compresión o tensión. Las fracturas por compresión incluyen fallas de empuje. Las fracturas también pueden ser resultado de esfuerzos cortantes o de tracción. A continuación se analizan algunos de los mecanismos principales.

En primer lugar, existen tres modos de fracturas que se producen (independientemente del mecanismo):

• Modo de crack – Modo de apertura (una tensión tensil normal al plano de la grieta)
• Modo II – Modo deslizante (un estrés que actúa paralelamente al plano de la grieta y perpendicular al frente de la grieta)
• Modo III – Modo de tearing (un estrés de esquila que actúa paralelamente al plano de la grieta y paralelo al frente de la grieta)

Para obtener más información sobre este tema, consulte la mecánica de fracturas.

Las rocas contienen muchas grietas preexistentes en las que se puede examinar el desarrollo de fracturas por tracción o fracturas de modo I.

La primera forma es el estiramiento axial. En este caso, se aplica una tensión de tracción remota, σ_n, que permite que se abran ligeramente microfisuras en toda la región de tracción. A medida que estas grietas se abren, las tensiones en las puntas de las grietas se intensifican, hasta superar la resistencia de la roca y permitir que la fractura se propague. Esto puede ocurrir en momentos de rápida erosión de la sobrecarga. El plegamiento también puede generar tensión, como a lo largo de la parte superior de un eje de pliegue anticlinal. En este escenario, las fuerzas de tracción asociadas con el estiramiento de la mitad superior de las capas durante el plegamiento pueden inducir fracturas de tracción paralelas al eje del pliegue.

Otro mecanismo de fractura por tracción similar es la fracturación hidráulica. En un entorno natural, esto ocurre cuando la rápida compactación de sedimentos, la expansión térmica de fluidos o la inyección de fluidos hacen que la presión de fluido intersticial, σ_p, supere la presión de la tensión normal principal mínima, σ_n. Cuando esto ocurre, se abre una fractura por tracción perpendicular al plano de menor tensión.^[4]

La fractura por tracción también puede ser inducida por cargas de compresión aplicadas, σ_n, a lo largo de un eje, como en una prueba de disco brasileña. Esta fuerza de compresión aplicada da como resultado una división longitudinal. En esta situación, se forman pequeñas fracturas por tracción paralelas al eje de carga, mientras que la carga también fuerza el cierre de cualquier otra microfractura. Para ilustrar esto, imagine una envoltura con una carga desde arriba. Se aplica una carga en el borde superior, los lados de la envoltura se abren hacia afuera, aunque nada los esté tirando. La deposición y compactación rápidas a veces pueden inducir estas fracturas.

Las fracturas por tracción casi siempre se denominan articulaciones, que son fracturas en las que no se observa deslizamiento ni cizallamiento apreciables.

Para comprender completamente los efectos de la tensión de tracción aplicada alrededor de una grieta en un material frágil como una roca, se puede utilizar la mecánica de fracturas. El concepto de mecánica de fracturas fue desarrollado inicialmente por A. A. Griffith durante la Primera Guerra Mundial. Griffith analizó la energía necesaria para crear nuevas superficies rompiendo los enlaces del material frente a la energía de deformación elástica de los enlaces estirados liberados. Al analizar una varilla bajo tensión uniforme, Griffith determinó una expresión para la tensión crítica en la que crecerá una grieta orientada favorablemente. La tensión crítica en la fractura está dada por,

${\displaystyle \sigma _{f}=({2E\gamma \over \pi a})^{1/2}$

donde γ = energía superficial asociada con enlaces rotos, E = módulo de Young y a = mitad de la longitud de la grieta. La mecánica de fracturas se ha generalizado de modo que γ representa la energía disipada en la fractura, no solo la energía asociada con la creación de nuevas superficies.

La mecánica de fracturas elásticas lineales (LEFM) se basa en el enfoque de balance de energía adoptado por Griffith, pero proporciona un enfoque más generalizado para muchos problemas de grietas. La LEFM investiga el campo de tensión cerca de la punta de la grieta y basa los criterios de fractura en los parámetros del campo de tensión. Una contribución importante de la LEFM es el factor de intensidad de tensión, K, que se utiliza para predecir la tensión en la punta de la grieta. El campo de tensión está dado por

${\displaystyle \sigma _{ij}(r,\theta)={K \over (2\pi r)^{1/2}f_{ij}(\theta)}$

Donde ${\displaystyle K}$ es el factor de intensidad de estrés para el modo I, II, o III cracking y ${\displaystyle f_{ij}$ es una cantidad sin dimensiones que varía con la geometría de carga aplicada y muestra. Mientras el campo de estrés se acerca a la punta de la grieta, es decir. ${\displaystyle r\rightarrow 0}$, ${\displaystyle f_{ij}$ se convierte en una función fija ${\displaystyle \theta }$. Con el conocimiento de la geometría de la grieta y las tensiones de campo aplicadas, es posible predecir las tensiones de punta de grieta, desplazamiento y crecimiento. La tasa de liberación de energía se define para relacionar K con el equilibrio energético de Griffith tal como se define anteriormente. Tanto en el LEFM como en los enfoques de equilibrio energético, se supone que la grieta no tiene cohesión detrás de la punta de grieta. Esto proporciona un problema para las aplicaciones geológicas tal falla, donde la fricción existe por toda una falla. Superar la fricción absorbe parte de la energía que de otro modo iría al crecimiento del crack. Esto significa que para los modos II y III de crecimiento de las grietas, LEFM y equilibrios energéticos representan fracturas locales de estrés en lugar de criterios globales.

Las grietas en las rocas no forman un camino uniforme como una grieta en el parabrisas de un automóvil o una grieta altamente dúctil como una bolsa de plástico rota. Las rocas son un material policristalino, por lo que las grietas crecen a través de la coalescencia de microgrietas complejas que se producen delante de la punta de la grieta. Esta área de microgrietas se llama zona de proceso frágil. Considere una grieta de corte 2D simplificada como se muestra en la imagen de la derecha. La grieta de corte, que se muestra en azul, se propaga cuando las grietas de tracción, que se muestran en rojo, crecen perpendicularmente a la dirección de las tensiones principales menores. Las grietas de tracción se propagan una distancia corta y luego se estabilizan, lo que permite que la grieta de corte se propague. Este tipo de propagación de grietas solo debe considerarse un ejemplo. La fractura en la roca es un proceso 3D con grietas que crecen en todas las direcciones. También es importante tener en cuenta que una vez que la grieta crece, las microgrietas en la zona de proceso frágil se quedan atrás dejando una sección debilitada de la roca. Esta sección debilitada es más susceptible a los cambios en la presión de poro y la dilatación o compactación. Nótese que esta descripción de la formación y propagación considera las temperaturas y presiones cerca de la superficie de la Tierra. Las rocas en las profundidades de la Tierra están sujetas a temperaturas y presiones muy altas. Esto hace que se comporten en regímenes semifrágiles y plásticos, lo que da como resultado mecanismos de fractura significativamente diferentes. En el régimen plástico, las grietas actúan como una bolsa de plástico que se rasga. En este caso, la tensión en las puntas de las grietas se dirige a dos mecanismos, uno que impulsará la propagación de la grieta y el otro que desafilará la punta de la grieta. En la zona de transición frágil-dúctil, el material exhibirá rasgos frágiles y plásticos con el inicio gradual de la plasticidad en la roca policristalina. La forma principal de deformación se llama flujo cataclástico, que hará que las fracturas fallen y se propaguen debido a una mezcla de deformaciones frágiles-friccionales y plásticas.

Describir las uniones puede ser difícil, especialmente sin elementos visuales. A continuación se describen las geometrías típicas de las uniones por fractura natural que pueden encontrarse en los estudios de campo:

• Plumose Structures son las redes de fracturas que se forman en una gama de escalas, y se extienden hacia fuera desde un Origen conjunto. El origen articular representa un punto en el que comienza la fractura. El Zona espejo es la morfología articular más cercana al origen que resulta en superficies muy lisas. Zonas de exclusión existen en la franja de las zonas de espejo y representan la zona donde la superficie articular se ruge ligeramente. Zonas de Hackle predominan después de las zonas de niebla, donde la superficie de la articulación comienza a ponerse bastante ruda. Esta gravedad de la zona hebilla designa barbs, que son las curvas lejos de las Eje ciruela.
• Juntas ortogonales ocurre cuando las articulaciones dentro del sistema ocurren en ángulos perpendiculares mutuos entre sí.
• Juntas conjugadas ocurre cuando las articulaciones se intersectan entre sí en ángulos significativamente menos de noventa grados.
• Conjuntos sistemáticos son sistemas conjuntos en los que todas las articulaciones son paralelas o subparalelas, y mantienen aproximadamente el mismo espaciado entre sí.
• Juntas de columnas son las articulaciones que cortan la formación verticalmente en (típicamente) columnas hexagonales. Estos tienden a ser el resultado de enfriamiento y contracción en las intrusiones hipabisales o flujos de lava.
• Desiccation cracks son las articulaciones que forman en una capa de barro cuando seca y se encoge. Como las articulaciones cilíndricas, éstas tienden a ser hexagonales en forma.
• Juntas sigmoidales son las articulaciones que se ejecutan paralelamente entre sí, pero se cortan por las articulaciones sigmoidal (stretched S) entre.
• Coincidencias son las articulaciones que a menudo forman cerca de la superficie, y como resultado forma paralela a la superficie. Estos también se pueden reconocer en Juntas de exfoliación.
• En sistemas conjuntos donde las articulaciones relativamente largas se cortan a través de la aflora, las articulaciones atravesadas actúan como master joints y las articulaciones cortas que ocurren entre articulaciones cruzadas.
• Efecto de Poisson es la creación de fracturas de contracción vertical que son el resultado del alivio de sobrecarga sobre una formación.
• Juntas Pinnadas son las articulaciones que se forman inmediatamente adyacentes y paralelas a la cara de jalar de una falla. Estas articulaciones tienden a combinarse con las fallas en un ángulo entre 35 y 45 grados a la superficie de falla.
• Juntas de lanzamiento son las articulaciones tensiles que forman como un cambio en la forma geológica resulta en la manifestación de tensión local o regional que puede crear fracturas tensiles Mode I.
• Juntas simultáneas que muestran un patrón de escalera son regiones interiores con un conjunto de articulaciones que son bastante largas, y el conjunto conjugado de articulaciones para el patrón permanecen relativamente cortos, y terminan en la larga articulación.
• A veces las articulaciones también pueden mostrar pautas, que son conjuntos de fractura que tienen fracturas transversales mutuamente.
• An en español o Paso array representa un conjunto de fracturas tensiles que forman dentro de una zona de falla paralela entre sí.

Las fallas son otra forma de fractura en un entorno geológico. En cualquier tipo de falla, la fractura activa experimenta una falla por corte, ya que las caras de la fractura se deslizan unas respecto de otras. Como resultado, estas fracturas parecen representaciones a gran escala de fracturas de Modo II y III, sin embargo, ese no es necesariamente el caso. En una escala tan grande, una vez que se produce la falla por corte, la fractura comienza a curvar su propagación hacia la misma dirección que las fracturas de tracción. En otras palabras, la falla generalmente intenta orientarse perpendicularmente al plano de menor tensión principal. Esto da como resultado un corte fuera del plano en relación con el plano de referencia inicial. Por lo tanto, no necesariamente se las puede calificar como fracturas de Modo II o III.

Una característica adicional e importante de las fracturas por cizallamiento es el proceso mediante el cual generan grietas en ala, que son grietas de tracción que se forman en la punta de propagación de las fracturas por cizallamiento. A medida que las caras se deslizan en direcciones opuestas, se crea tensión en la punta y se crea una fractura de modo I en la dirección de σ_h-max, que es la dirección de la tensión principal máxima.

Criterio de falla por corte es una expresión que intenta describir la tensión a la que una ruptura por corte crea una grieta y separación. Este criterio se basa en gran medida en el trabajo de Charles Coulomb, quien sugirió que mientras todas las tensiones sean compresivas, como es el caso de la fractura por corte, la tensión de corte está relacionada con la tensión normal por:

σ_s= C+μ(σ_n-σ_f),

donde C es la cohesión de la roca, o la tensión de corte necesaria para provocar la falla, dado que la tensión normal a través de ese plano es igual a 0. μ es el coeficiente de fricción interna, que sirve como una constante de proporcionalidad dentro de la geología. σ_n es la tensión normal a través de la fractura en el instante de la falla, σ_f representa la presión del fluido intersticial. Es importante señalar que la presión del fluido intersticial tiene un impacto significativo en la tensión de corte, especialmente donde la presión del fluido intersticial se acerca a la presión litostática, que es la presión normal inducida por el peso de la roca suprayacente.

Esta relación sirve para proporcionar la envolvente de falla de Coulomb dentro de la teoría de Mohr-Coulomb.

El deslizamiento por fricción es un aspecto que se debe tener en cuenta durante la fracturación por cizallamiento y el fallamiento. La fuerza de cizallamiento paralela al plano debe superar la fuerza de fricción para mover las caras de la fractura una sobre la otra. En la fracturación, el deslizamiento por fricción normalmente solo tiene efectos significativos en la reactivación de las fracturas por cizallamiento existentes. Para obtener más información sobre las fuerzas de fricción, consulte fricción.

La fuerza de corte necesaria para que se produzca una falla de deslizamiento es menor que la fuerza necesaria para fracturarla y crear nuevas fallas, como se muestra en el diagrama de Mohr-Coulomb. Dado que la Tierra está llena de grietas existentes, lo que significa que, para cualquier esfuerzo aplicado, muchas de estas grietas tienen más probabilidades de deslizarse y redistribuir el esfuerzo que de iniciar una nueva grieta. El diagrama de Mohr que se muestra proporciona un ejemplo visual. Para un estado de esfuerzo determinado en la Tierra, si existe una falla o grieta existente orientada en cualquier punto entre −α/4 y +α/4, esta falla se deslizará antes de que se alcance la resistencia de la roca y se forme una nueva falla. Si bien los esfuerzos aplicados pueden ser lo suficientemente altos como para formar una nueva falla, los planos de fractura existentes se deslizarán antes de que se produzca la fractura.

Una idea importante a la hora de evaluar el comportamiento de la fricción dentro de una fractura es el impacto de las asperezas, que son las irregularidades que sobresalen de las superficies rugosas de las fracturas. Dado que ambas caras tienen protuberancias y trozos que sobresalen, no toda la cara de la fractura está en contacto con la otra cara. El impacto acumulativo de las asperezas es una reducción del área real de contacto', lo que es importante a la hora de establecer las fuerzas de fricción.

A veces, es posible que los fluidos dentro de la fractura provoquen la propagación de la fractura con una presión mucho menor que la requerida inicialmente. La reacción entre ciertos fluidos y los minerales que componen la roca puede reducir la tensión necesaria para la fractura por debajo de la tensión requerida en el resto de la roca. Por ejemplo, el agua y el cuarzo pueden reaccionar para formar una sustitución de moléculas de OH por las moléculas de O en la red mineral de cuarzo cerca de la punta de la fractura. Dado que el enlace OH es mucho menor que el del O, reduce eficazmente la tensión de tracción necesaria para extender la fractura.

En ingeniería geotécnica, una fractura forma una discontinuidad que puede tener una gran influencia en el comportamiento mecánico (resistencia, deformación, etc.) de los macizos de suelo y roca, por ejemplo, en la construcción de túneles, cimientos o taludes.

Las fracturas también desempeñan un papel importante en la explotación de minerales. Un aspecto del sector energético upstream es la producción a partir de yacimientos fracturados naturalmente. Hay un buen número de yacimientos fracturados naturalmente en los Estados Unidos y, durante el siglo pasado, han proporcionado un impulso sustancial a la producción neta de hidrocarburos del país.

El concepto clave es que, si bien las rocas frágiles y de baja porosidad pueden tener muy poca capacidad de almacenamiento o flujo natural, la roca está sujeta a tensiones que generan fracturas, y estas fracturas pueden almacenar un volumen muy grande de hidrocarburos, que pueden recuperarse a tasas muy altas. Uno de los ejemplos más famosos de un yacimiento prolífico fracturado naturalmente fue la formación Austin Chalk en el sur de Texas. La tiza tenía muy poca porosidad y aún menos permeabilidad. Sin embargo, las tensiones tectónicas a lo largo del tiempo crearon uno de los yacimientos fracturados más extensos del mundo. Al predecir la ubicación y la conectividad de las redes de fracturas, los geólogos pudieron planificar pozos horizontales para intersectar tantas redes de fracturas como fuera posible. Muchas personas atribuyen a este campo el nacimiento de la verdadera perforación horizontal en un contexto de desarrollo. Otro ejemplo en el sur de Texas son las formaciones de piedra caliza Georgetown y Buda.

Además, el reciente aumento de la prevalencia de yacimientos no convencionales es en realidad, en parte, un producto de fracturas naturales. En este caso, estas microfracturas son análogas a las grietas de Griffith, sin embargo, a menudo pueden ser suficientes para proporcionar la productividad necesaria, especialmente después de las terminaciones, para que zonas que solían ser marginalmente económicas sean comercialmente productivas con éxito repetible.

Sin embargo, si bien las fracturas naturales pueden ser beneficiosas, también pueden actuar como peligros potenciales durante la perforación de pozos. Las fracturas naturales pueden tener una permeabilidad muy alta y, como resultado, cualquier diferencia en el equilibrio hidrostático en el fondo del pozo puede generar problemas de control del pozo. Si se encuentra un sistema de fracturas naturales con mayor presión, la velocidad rápida a la que el fluido de formación puede fluir hacia el pozo puede hacer que la situación se agrave rápidamente y se produzca un reventón, ya sea en la superficie o en una formación subterránea más alta. Por el contrario, si se encuentra una red de fracturas con menor presión, el fluido del pozo puede fluir muy rápidamente hacia las fracturas, lo que provoca una pérdida de presión hidrostática y crea el potencial de un reventón de una formación más arriba en el pozo.

Desde mediados de los años 1980, el modelado por computadora en 2D y 3D de redes de fallas y fracturas se ha convertido en una práctica común en las Ciencias de la Tierra. Esta tecnología se conoció como modelado DFN (red de fracturas discretas), posteriormente modificada como modelado DFFN (red de fallas y fracturas discretas).

La tecnología consiste en definir la variación estadística de diversos parámetros como tamaño, forma y orientación y modelar la red de fracturas en el espacio de forma semiprobabilística en dos o tres dimensiones. Los algoritmos informáticos y la velocidad de cálculo se han vuelto lo suficientemente capaces de capturar y simular las complejidades y variabilidades geológicas en tres dimensiones, manifestadas en lo que se conoció como el "Protocolo DMX".

Una lista de términos relacionados con las fracturas:

• asperidades – pequeños golpes y protrusiones en las caras de las fracturas
• estiramiento axial – mecanismo de fractura resultante de una fuerza de tracción aplicada remota que crea fracturas perpendiculares al eje de carga tensil
• flujo cataclástico – flujo ductil microscópico resultante de fractura y deslizamiento friccional a pequeña escala de granos distribuidos a través de una gran área. *fractura – cualquier superficie de discontinuidad dentro de una capa de roca
• Dike – una fractura llena de roca sedimentaria o ígnea que no se origina en la formación de fractura
• culpa – (en un sentido geológico) una superficie de fractura sobre la cual se ha deslizado
• fissure – una fractura con paredes que se han separado y abierto significativamente

• fractura frontal – la línea que separa la roca que se ha fracturado de la roca que no
• Fracción – el punto en el que el rastro de la fractura termina en la superficie
• Traza de fractura – la línea que representa la intersección del plano de fractura con la superficie
• Griffith cracks – microfracturas y defectos preexistentes en la roca
• conjunta – una fractura natural en la formación en la que no hay desplazamiento mideable
• K_IC – factor de intensidad de estrés crítico, aka Resistente a la fractura – la intensidad del estrés en la que puede ocurrir la propagación de fracturas tensiles
• presión litoestática – el peso de la columna de la roca
• división longitudinal – mecanismo de fractura resultante de compresión a lo largo de un eje que crea fracturas paralelas al eje de carga
• presión de líquido poro – la presión ejercida por el fluido dentro de los poros de roca
• fractura por rotura – fracturas a través de las cuales se ha producido el desplazamiento
• vena – una fractura llena de minerales precipitada de una solución acuosa
• ala cracks – fracturas de tracción creadas como resultado de la propagación de fracturas de tijera

• Crevasse
• Faults
• Fisura terrestre
• Frabricación hidráulica
• Mohr-Coulomb teoría
• TaskForceMajella