Geología estructural

Estratos originalmente horizontales deformados debido al estrés

La geología estructural es el estudio de la distribución tridimensional de las unidades de roca con respecto a sus historias de deformación. El objetivo principal de la geología estructural es utilizar mediciones de geometrías de rocas actuales para descubrir información sobre el historial de deformación (deformación) en las rocas y, en última instancia, comprender el campo de tensión que dio como resultado la deformación y las geometrías observadas. Esta comprensión de la dinámica del campo de tensión se puede vincular a eventos importantes en el pasado geológico; un objetivo común es comprender la evolución estructural de un área en particular con respecto a los patrones de deformación de rocas generalizados regionalmente (por ejemplo, formación de montañas, fisuras) debido a la tectónica de placas.

Uso e importancia

El estudio de las estructuras geológicas ha sido de suma importancia en la geología económica, tanto en la geología del petróleo como en la geología minera. Los estratos rocosos plegados y fallados comúnmente forman trampas que acumulan y concentran fluidos como el petróleo y el gas natural. De manera similar, las áreas falladas y estructuralmente complejas se destacan como zonas permeables para los fluidos hidrotermales, lo que resulta en áreas concentradas de depósitos de minerales de metales básicos y preciosos. Las vetas de minerales que contienen varios metales comúnmente ocupan fallas y fracturas en áreas estructuralmente complejas. Estas zonas estructuralmente fracturadas y falladas a menudo ocurren en asociación con rocas ígneas intrusivas. A menudo también ocurren alrededor de complejos de arrecifes geológicos y colapsan características como antiguos sumideros. Los depósitos de oro, plata, cobre, plomo, zinc y otros metales se ubican comúnmente en áreas estructuralmente complejas.

La geología estructural es una parte fundamental de la ingeniería geológica, que se ocupa de las propiedades físicas y mecánicas de las rocas naturales. Los tejidos estructurales y los defectos tales como fallas, pliegues, foliaciones y juntas son debilidades internas de las rocas que pueden afectar la estabilidad de las estructuras de ingeniería humana, como represas, cortes de carreteras, minas a cielo abierto y minas subterráneas o túneles de carretera.

El riesgo geotécnico, incluido el riesgo sísmico, solo puede investigarse mediante la inspección de una combinación de geología estructural y geomorfología. Además, las áreas de paisajes kársticos que residen sobre cavernas, sumideros potenciales u otras características de colapso son de particular importancia para estos científicos. Además, las áreas de pendientes pronunciadas son peligros potenciales de derrumbe o deslizamientos de tierra.

Los geólogos e hidrogeólogos ambientales deben aplicar los principios de la geología estructural para comprender cómo los sitios geológicos impactan (o se ven afectados por) el flujo y la penetración del agua subterránea. Por ejemplo, un hidrogeólogo puede necesitar determinar si se está filtrando sustancias tóxicas de los vertederos de desechos en un área residencial o si el agua salada se está filtrando en un acuífero.

La tectónica de placas es una teoría desarrollada durante la década de 1960 que describe el movimiento de los continentes a través de la separación y colisión de las placas de la corteza. En cierto sentido, es geología estructural a escala planetaria y se utiliza en toda la geología estructural como marco para analizar y comprender las características a escala global, regional y local.

Métodos

Los geólogos estructurales utilizan una variedad de métodos para (primero) medir las geometrías de las rocas, (segundo) reconstruir sus historias de deformación y (tercero) estimar el campo de tensión que resultó en esa deformación.

Geometrías

Los conjuntos de datos primarios para la geología estructural se recopilan en el campo. Los geólogos estructurales miden una variedad de características planas (planos de lecho, planos de foliación, planos axiales de pliegues, planos de falla y diaclasas) y características lineales (lineaciones de estiramiento, en las que los minerales se extienden dúctilmente; ejes de pliegue; y líneas de intersección, la traza de una característica plana en otra superficie plana).

Ilustración de convenios de medición para estructuras planarias y lineales

Convenciones de medición

La inclinación de una estructura plana en geología se mide por dirección y buzamiento. El rumbo es la línea de intersección entre la característica plana y un plano horizontal, tomada de acuerdo con la convención de la mano derecha, y el buzamiento es la magnitud de la inclinación, por debajo de la horizontal, en ángulo recto para el rumbo. Por ejemplo; golpeando 25 grados al este del norte, sumergiendo 45 grados al sureste, registrado como N25E, 45SE.
Alternativamente, se puede usar buzamiento y dirección de buzamiento ya que esto es absoluto. La dirección del buzamiento se mide en 360 grados, generalmente en el sentido de las agujas del reloj desde el norte. Por ejemplo, un buzamiento de 45 grados hacia 115 grados de azimut, registrado como 45/115. Tenga en cuenta que esto es lo mismo que el anterior.

El término hade se usa ocasionalmente y es la desviación de un plano de la vertical, es decir, (90°-dip).

La inmersión del eje de plegado se mide en dirección de inclinación y profundidad (estrictamente, inmersión y azimut de la inmersión). La orientación de un plano axial de pliegue se mide en rumbo y buzamiento o buzamiento y dirección de buzamiento.

Las lineaciones se miden en términos de buzamiento y dirección de buzamiento, si es posible. A menudo, las lineaciones se expresan en una superficie plana y pueden ser difíciles de medir directamente. En este caso, la alineación puede medirse desde la horizontal como una inclinación o paso sobre la superficie.

La inclinación se mide colocando un transportador plano sobre la superficie plana, con el borde plano horizontal y midiendo el ángulo de la alineación en el sentido de las agujas del reloj desde la horizontal. La orientación de la alineación se puede calcular a partir de la información de inclinación y buzamiento del plano desde el que se midió, utilizando una proyección estereográfica.

Si una falla tiene alineaciones formadas por movimiento en el plano, p. ej.; Slickensides, esto se registra como una alineación, con un rastrillo, y se anota en cuanto a la indicación de tiro en la falta.

Por lo general, es más fácil registrar información de rumbo y buzamiento de estructuras planas en formato de buzamiento/dirección de buzamiento, ya que esto coincidirá con toda la otra información estructural que puede estar registrando sobre pliegues, lineaciones, etc., aunque hay una ventaja al usar diferentes formatos que discriminan entre datos planos y lineales.

Convenciones de plano, tejido, pliegue y deformación

La convención para analizar la geología estructural es identificar las estructuras planas, a menudo llamadas tejidos planos porque esto implica una formación textural, las estructuras lineales y, a partir del análisis de estos, desentrañar deformaciones.

Las estructuras planas se nombran de acuerdo con su orden de formación, siendo las capas sedimentarias originales las más bajas en S0. A menudo es imposible identificar S0 en rocas muy deformadas, por lo que la numeración puede comenzar con un número arbitrario o con una letra (S_A, por ejemplo). En los casos en que hay una foliación del plano de la ropa de cama causada por metamorfismo o diagénesis de entierro, esto puede enumerarse como S0a.

Si hay pliegues, estos se numeran como F₁, F₂, etc. Generalmente, la foliación o hendidura del plano axial de un pliegue se crea durante el plegado, y la convención numérica debe coincidir. Por ejemplo, un pliegue F₂ debe tener una foliación axial S₂.

Las deformaciones se numeran según su orden de formación, donde la letra D indica un evento de deformación. Por ejemplo, D₁, D₂, D₃. Los pliegues y foliaciones, debido a que se forman por eventos de deformación, deben correlacionarse con estos eventos. Por ejemplo, un pliegue F₂, con una foliación del plano axial S₂ sería el resultado de una deformación D₂.

Los eventos metamórficos pueden abarcar múltiples deformaciones. A veces es útil identificarlos de manera similar a las características estructurales de las que son responsables, por ejemplo; M₂. Esto puede ser posible observando la formación de porfiroblastos en divisiones de edad de deformación conocida, identificando conjuntos de minerales metamórficos creados por diferentes eventos o mediante geocronología.

Las lineaciones de intersección en las rocas, por ser el producto de la intersección de dos estructuras planas, se nombran de acuerdo con las dos estructuras planas de las que se forman. Por ejemplo, la línea de intersección de un escote S₁ y un lecho es la línea de intersección L_1-0 (también conocida como línea de escote-lecho).

Las lineaciones de estiramiento pueden ser difíciles de cuantificar, especialmente en rocas dúctiles muy estiradas donde se conserva una información mínima de foliación. Siempre que sea posible, cuando se correlacionen con deformaciones (ya que pocas se forman en pliegues y muchas no están estrictamente asociadas con foliaciones planas), pueden identificarse de manera similar a superficies planas y pliegues, por ejemplo; L₁, L₂. Por comodidad, algunos geólogos prefieren anotarlas con un subíndice S, por ejemplo L_s1 para diferenciarlas de las líneas de intersección, aunque esto suele ser redundante.

Proyecciones estereográficas

Diagrama que muestra el uso de la proyección estereográfica hemisférica inferior en la geología estructural utilizando un ejemplo de plano de falla y una líneación slickenside observada dentro del plano de falla.

La proyección estereográfica es un método para analizar la naturaleza y la orientación de las tensiones de deformación, las unidades litológicas y los tejidos penetrantes en los que las características lineales y planas (lecturas de rumbo y buzamiento estructural, normalmente tomadas con un clinómetro de brújula) que pasan a través de una esfera imaginaria se trazan en una proyección de cuadrícula bidimensional, lo que facilita un análisis más holístico de un conjunto de mediciones. Stereonet desarrollado por Richard W. Allmendinger es ampliamente utilizado en la comunidad de geología estructural.

Macroestructuras de roca

A gran escala, la geología estructural es el estudio de la interacción tridimensional y las relaciones de unidades estratigráficas dentro de terrenos de roca o regiones geológicas.

Esta rama de la geología estructural se ocupa principalmente de la orientación, la deformación y las relaciones de la estratigrafía (lecho), que puede haber sido fallada, plegada o foliada por algún evento tectónico. Esta es principalmente una ciencia geométrica, a partir de la cual se pueden generar secciones transversales y modelos de bloques tridimensionales de rocas, regiones, terrenos y partes de la corteza terrestre..

El estudio de la estructura regional es importante para comprender la orogenia, la tectónica de placas y, más específicamente, en las industrias de exploración de petróleo, gas y minerales, ya que estructuras como fallas, pliegues y discordancias son controles primarios en la mineralización del mineral y las trampas de petróleo.

Se está investigando la estructura regional moderna mediante tomografía sísmica y reflexión sísmica en tres dimensiones, lo que proporciona imágenes inigualables del interior de la Tierra, sus fallas y la corteza profunda. Más información de la geofísica, como la gravedad y el magnetismo aéreo, puede proporcionar información sobre la naturaleza de las rocas que se muestran en la corteza profunda.

Microestructuras de rocas

microestructura de la roca o la textura de las rocas a pequeña escala para proporcionar información detallada principalmente sobre las rocas metamórficas y algunas características de las rocas sedimentarias, con mayor frecuencia si se han plegado.
El estudio textural implica la medición y caracterización de foliaciones, almenas, minerales metamórficos y relaciones temporales entre estas características estructurales y características mineralógicas.
Por lo general, esto implica la recolección de especímenes manuales, que pueden cortarse para proporcionar secciones delgadas petrográficas que se analizan bajo un microscopio petrográfico.
El análisis microestructural también encuentra aplicación en el análisis estadístico multiescala, destinado a analizar algunas características de la roca que muestran invariancia de escala.

Cinemática

Los geólogos usan medidas de la geometría de las rocas para comprender la historia de la deformación en las rocas. La deformación puede tomar la forma de fallas frágiles y pliegues y cizallamientos dúctiles. La deformación frágil tiene lugar en la corteza superficial y la deformación dúctil tiene lugar en la corteza más profunda, donde las temperaturas y las presiones son más altas.

Campos de tensión

Al comprender las relaciones constitutivas entre la tensión y la deformación en las rocas, los geólogos pueden traducir los patrones observados de deformación de la roca en un campo de tensión durante el pasado geológico. La siguiente lista de características se usa típicamente para determinar los campos de tensión de las estructuras deformativas.

• En rocas perfectamente frágiles, el fallo se produce a 30° al mayor estrés compresión. (Ley de Beyerlee)
• El mayor estrés compresivo es normal para plegar planos axiales.

Caracterización de las propiedades mecánicas de la roca

Las propiedades mecánicas de las rocas juegan un papel vital en las estructuras que se forman durante la deformación en las profundidades de la corteza terrestre. Las condiciones en las que está presente una roca darán como resultado diferentes estructuras que los geólogos observarán sobre el suelo en el campo. El campo de la geología estructural trata de relacionar las formaciones que los humanos ven con los cambios por los que pasó la roca para llegar a esa estructura final. Conocer las condiciones de deformación que conducen a tales estructuras puede iluminar la historia de la deformación de la roca.

La temperatura y la presión juegan un papel muy importante en la deformación de la roca. En las condiciones bajo la corteza terrestre de temperatura y presión extremadamente altas, las rocas son dúctiles. Pueden doblarse, plegarse o romperse. Otras condiciones vitales que contribuyen a la formación de la estructura de la roca bajo la tierra son los campos de tensión y tensión.

Curva tensión-deformación

El estrés es una presión, definida como una fuerza direccional sobre un área. Cuando una roca se somete a esfuerzos, cambia de forma. Cuando se libera la tensión, la roca puede o no volver a su forma original. Ese cambio de forma se cuantifica por la deformación, el cambio de longitud sobre la longitud original del material en una dimensión. El estrés induce tensión que finalmente da como resultado una estructura modificada.

La deformación elástica se refiere a una deformación reversible. En otras palabras, cuando se libera la tensión sobre la roca, la roca vuelve a su forma original. La elasticidad reversible, lineal, implica el estiramiento, la compresión o la distorsión de los enlaces atómicos. Debido a que no se rompen los enlaces, el material salta hacia atrás cuando se libera la fuerza. Este tipo de deformación se modela utilizando una relación lineal entre tensión y deformación, es decir, una relación de Hooke.

ε ε =σ σ E{displaystyle epsilon ={frac {sigma } {E}

Donde σ denota estrés, ε ε {displaystyle epsilon } denota cepa, y E es el módulo elástico, que depende del material. El módulo elástico es, en efecto, una medida de la fuerza de los vínculos atómicos.

La deformación plástica se refiere a la deformación irreversible. La relación entre la tensión y la deformación para la deformación permanente no es lineal. El estrés ha causado un cambio permanente de forma en el material al involucrar la ruptura de enlaces.

Un mecanismo de deformación plástica es el movimiento de dislocaciones por un esfuerzo aplicado. Debido a que las rocas son esencialmente agregados de minerales, podemos pensar en ellas como materiales policristalinos. Las dislocaciones son un tipo de defecto cristalográfico que consiste en un medio plano de átomos adicional o faltante en la matriz periódica de átomos que forman una red cristalina. Las dislocaciones están presentes en todos los materiales cristalográficos reales.

Dureza

La dureza es difícil de cuantificar. Es una medida de la resistencia a la deformación, concretamente a la deformación permanente. Existe un precedente para la dureza como una calidad superficial, una medida de la abrasividad o la resistencia al rayado de la superficie de un material. Sin embargo, si el material que se está probando es uniforme en composición y estructura, entonces la superficie del material tiene solo unas pocas capas atómicas de espesor y las medidas son del material a granel. Por lo tanto, las mediciones superficiales simples brindan información sobre las propiedades a granel. Las formas de medir la dureza incluyen:

La dureza de indentación se usa a menudo en la metalurgia y la ciencia de los materiales y puede considerarse como la resistencia a la penetración de un indentador.

Resistencia

La tenacidad se puede describir mejor por la resistencia de un material al agrietamiento. Durante la deformación plástica, un material absorbe energía hasta que se produce la fractura. El área bajo la curva tensión-deformación es el trabajo requerido para fracturar el material. El módulo de tenacidad se define como:

Mt=23σ σ UTSε ε f{displaystyle M_{t}={frac {2}{3}sigma - ¿Qué? ¿Qué?

Donde σ σ UTS{displaystyle sigma _{UTS} es la fuerza de tracción definitiva, y ε ε f{displaystyle epsilon _{f} es la tensión en el fracaso. El módulo es la cantidad máxima de energía por volumen de unidad que un material puede absorber sin fracturar. De la ecuación para el módulo, para la mayor dureza, alta resistencia y alta ductilidad son necesarios. Estas dos propiedades son generalmente mutuamente excluyentes. Los materiales frágiles tienen baja dureza porque la deformación de plástico baja disminuye la cepa (bajo ductilidad). Las formas de medir la dureza incluyen: Máquina de impacto de página y prueba de impacto de Charpy

Resiliencia

La resiliencia es una medida de la energía elástica absorbida de un material bajo estrés. En otras palabras, el trabajo externo realizado sobre un material durante la deformación. El área bajo la porción elástica de la curva tensión-deformación es la energía de deformación absorbida por unidad de volumen. El módulo de resiliencia se define como:

MR=()σ σ Sí.)22E{displaystyle ¿Qué?

Donde σ σ Sí.{displaystyle sigma _{y} es la fuerza de rendimiento del material y E es el módulo elástico del material. Para aumentar la resiliencia, es necesario aumentar la resistencia al rendimiento elástico y reducir el módulo de elasticidad.