1.10: Fracturas

Introducción

Figura 1. Las juntas en piedra caliza suelen ser vías para el flujo de agua subterránea Aquí el agua subterránea ha disuelto la superficie caliza para producir una topografía irregular. Port au Port Peninsula, Terranova (bota para escala).

La mayoría de las estructuras que hemos tratado hasta ahora en el curso son productos de deformación dúctil, que se ve favorecida por la alta temperatura, alta tensión de confinamiento, bajas tasas de deformación y baja resistencia de la roca. En contraste, las fracturas representan fallas quebradizas de las rocas en respuesta a una tensión diferencial aplicada. En términos generales, la fractura se ve favorecida por valores bajos de presión o tensión media, bajas temperaturas (a las que las rocas son más fuertes), altas tasas de deformación y rocas fuertes o competentes como areniscas bien cementadas, calizas y rocas intrusivas ígneas.

Las fracturas son superficies planas o suavemente curvadas de falla producidas por fallas quebradizas de rocas. Donde las masas rocosas a ambos lados de una fractura se han separado ligeramente, la fractura se denomina fractura de extensión. Si las dos masas de roca se han deslizado entre sí, las fracturas son fracturas por cizallamiento. En el caso de las fracturas naturales, en el campo, las fracturas de extensión se denominan comúnmente articulaciones. Las fracturas por cizallamiento se conocen como fallas cuando las rocas de un lado se han desplazado significativamente a lo largo de la superficie de la fractura. En esta sección examinamos las juntas; las secciones posteriores tratan de fallas.

Las articulaciones y venas en la corteza terrestre son de enorme importancia para los humanos. Las articulaciones son planos de debilidad en afloramientos naturales y artificiales; el fracaso a lo largo de las superficies articulares ha provocado deslizamientos catastróficos y caídas de rocas. En el subsuelo, las juntas son vías para la migración de fluidos, incluyendo agua, petróleo y gas natural. La comprensión del flujo a través de las fracturas es necesaria para el uso del agua subterránea, y para la extracción de petróleo y gas natural. El espacio entre las masas rocosas a lo largo de una superficie de unión puede llenarse de minerales, depositados a partir del agua subterránea, en cuyo caso la articulación se conoce como veta. Muchos minerales económicamente importantes se extraen de las venas.

Geometría de juntas y venas

La orientación de una fractura, como cualquier superficie plana, puede definirse por su golpe y inmersión. A escala de mapa, la ubicación y orientación se pueden representar mediante contornos de estructura. Las rocas inmediatamente por encima de una fractura constituyen la pared colgante y las que están inmediatamente debajo, el espacio para los pies (Figura 2). Siendo así, por definición el plano se sumerge en dirección hacia la pared colgante. Claramente, estos términos no tienen sentido si la fractura es vertical, en cuyo caso los muros se identifican mejor como 'muro norte' o 'muro suréste', etc. dependiendo del golpe.

Figura 2. Diagrama de bloques de una fractura por inmersión, ilustrando la pared colgante y el espacio para los pies.

Si hay espacio entre las dos paredes de una fractura su anchura se conoce como la abertura de fractura. Algunas fracturas muestran apertura constante a grandes distancias, pero en la mayoría hay alguna variación. Las fracturas no se extienden para siempre a través de la corteza terrestre. El punto en el que termina la traza de una fractura se conoce como punta de fractura. En tres dimensiones, la punta de una fractura es una característica lineal, conocida como línea de punta.

Figura 3. Geometría de una articulación. Izquierda: en vista en planta. Derecha: en 3-D.

Las articulaciones son muy comunes en muchos afloramientos, pero sus orientaciones generalmente no son aleatorias. Es común observar muchas articulaciones aproximadamente en la misma orientación. Estos se conocen como un conjunto conjunto conjunto.

Una combinación de conjuntos de juntas, que se cortan entre sí de manera regular, se conoce como sistema de juntas.

Características de las superficies de unión

Figura 4. Geometría de estructuras de penacho en una superficie de unión.

Las superficies de las juntas pueden ser perfectamente planas, pero en muchos casos muestran marcas similares a plumas conocidas como estructura plumosa o pluma.

La estructura típica del penacho consta de dos partes. Un patrón de estrías en forma de pluma, llamadas hachas irradia desde un punto central o línea, mientras que una serie más audaz de bandas concéntricas, conocidas como costillas, es aproximadamente perpendicular a los hackles. Hacia la punta de una articulación, en lo que se conoce como el área de flecos, es común ver que la superficie se divide en una serie de superficies más pequeñas dispuestas como las aspas de un ventilador. Cada una de las cuchillas puede tener su propia estructura de penacho.

Figura 5. Marcas plumosas incluyendo marcas de hackle, Grupo Blairmore, Valle del río Bow, Alberta.

Figura 6. Marcas plumosas: hackles y costillas, Grupo Blairmore, Bow River Valley, Alberta.

La estructura de la pluma se puede simular en experimentos de laboratorio. Registra el proceso de propagación de fracturas y la dinámica de la punta de la fractura.

La propagación de fracturas es el proceso mediante el cual una fractura crece dentro de una roca, e implica la migración hacia afuera de la punta de la fractura. La propagación de fracturas puede ser muy rápida: son posibles velocidades hasta las típicas de las ondas sísmicas (algunos kilómetros por segundo).

Debido a que la punta de fractura en cualquier momento es el límite entre la roca no fracturada y la roca que se ha debilitado por la fractura, las orientaciones de los ejes de tensión se modifican en las proximidades de la punta. Esto a su vez provoca las variaciones en la orientación de la fractura a medida que la fractura se propaga.

La cinemática de propagación de fracturas puede interpretarse a partir de la estructura del penacho. Los hackles divergen en la dirección de propagación, mientras que las costillas concéntricas marcan pausas sucesivas en la posición de la punta de la fractura.

Características de los rellenos de venas

Dos tipos contrastantes de rellenos de venas son comunes.

Cuando una abertura articular se ha mantenido abierta por la presión del fluido durante la actividad hidrotermal, se pueden depositar cristales minerales en las paredes, produciendo una vena. Los cristales que crecen en los espacios llenos de fluido pueden ser euédricos (mostrando superficies cristalinas claras) pero más típicamente los cristales se encuentran entre sí produciendo límites de compromiso que también son aproximadamente planos. A menudo hay una tendencia a que los cristales se agrandan hacia el centro de una vena.

Figura 7. Vena con relleno no fibroso y espacio vacío restante sin llenar

Figura 8. Venas llenas de fibra, que ilustran características de rellenos de fibra sintaxial (izquierda) y antitaxial (derecha).

Figura 9. Cuarzo fibroso rellenando una vena. Las fibras de cuarzo crecieron simultáneamente con la apertura de la vena y rastrearon el movimiento relativo de las dos paredes. SE Irlanda.

Alternativamente, cuando una articulación ha sido llenada por minerales depositados a medida que se abre la fractura, se pueden producir rellenos fibrosos. Por lo general, una grieta muy estrecha se llena con una primera capa de cristales. Esto es seguido por una apertura renovada, y deposición de más material mineral y así sucesivamente. Este proceso se conoce como crack-seal. El resultado es que una serie de fibras cruza la vena. Las fibras rastrean el proceso cinemático de apertura de la vena.

En realidad, hay dos estilos diferentes de rellenos de fibra que se pueden encontrar en las venas. Si el agrietamiento repetido ocurre en el centro de la vena, las fibras están típicamente en continuidad cristalográfica con los granos en la pared. Tales venas se describen como sintaxales. A veces, en las secciones transversales de las venas sintaxiales es posible seleccionar la línea de separación que corre a lo largo del centro. En contraste, si el agrietamiento repetido ocurre en el borde, entonces la vena es antitaxial. En las venas antitaxiales normalmente no hay una sola línea central, pero puede haber múltiples hebras de inclusiones de pared y roca paralelas a las paredes de la vena, marcando grietas sucesivas.

Interpretación dinámica de fracturas

Figura 10. Relaciones típicas entre estrés y fracturas en diagrama de bloques y proyección estereográfica. Estos ejemplos muestran fracturas formadas en el régimen de gravedad (σ1 vertical), pero las mismas relaciones angulares entre las estructuras y tensiones se aplican en otros regímenes de tensión. Parte superior: fracturas de extensión. Medio: fracturas por cizallamiento conjugadas. Abajo: distribución de postes a fracturas de extensión y cizallamiento en una proyección estereográfica.

Existen algunas relaciones características entre la orientación de las fracturas y los ejes de tensión que nos dan información útil.

Fracturas de extensión

Donde las rocas se han fracturado a baja tensión media (o 'presión de confinamiento'), es probable que se rompa a lo largo de fracturas perpendiculares a σ ₃. Si examinamos las fracturas, encontramos que son fracturas de extensión: los dos lados de la fractura han sido separados.

Fracturas por cizallamiento

A mayor presión, la falla generalmente ocurre a lo largo de dos familias de planos, rompiendo rocas en fragmentos en forma de cuña. El ángulo entre las dos familias es de aproximadamente 60°. Los planos se cruzan entre sí en una línea paralela a σ ₂. La tensión principal máxima σ ₁ biseca el ángulo agudo entre los planos, y la tensión mínima σ ₃ biseca el ángulo obtuso.

Si examinamos las fracturas, encontramos que son fracturas por cizalladura: los dos lados de la fractura se han deslizado uno junto al otro. El sentido de cizallamiento es tal que los ángulos agudos en los bordes de los fragmentos han sido empujados hacia adentro. El movimiento es hacia adentro en la dirección σ1 y hacia afuera a lo largo de σ ₃.

Tipos comunes de sistemas articulares y venosos

Figura 11. Juntas columnares en alféizar. Salisbury Crags, Edimburgo, Escocia.

Articulaciones primarias en rocas ígneas

Las juntas primarias en rocas ígneas son típicamente el resultado de la contracción durante el enfriamiento de las temperaturas magmáticas. La mayoría de estas articulaciones se forman perpendiculares a las superficies de los flujos de lava o a los contactos de intrusiones. En cuerpos ígneos tabulares como flujos de lava, alféizares y diques, las articulaciones pueden tener una apariencia columnar y pueden mostrar un patrón sorprendentemente regular de polígonos, principalmente hexágonos, en sección transversal. Se ha demostrado que para una determinada cantidad de contracción, un patrón hexagonal minimiza el trabajo en la formación de nuevas superficies.

Articulaciones en la roca anfitriona de las intrusiones

Las articulaciones también son comunes fuera de las intrusiones ígneas. Dos tipos son comunes: juntas radiales y juntas concéntricas. Estas articulaciones suelen ser el resultado de la extensión ya sea durante la intrusión contundente del magma o durante el posterior enfriamiento diferencial de la intrusión.

Figura 12. Juntas radiales y concéntricas alrededor de una intrusión.

Articulaciones relacionadas con erosión y exhumación

Es común que los conjuntos de juntas se formen paralelos a la superficie topográfica en áreas que han sufrido una rápida erosión. Estas se conocen como láminas o juntas laminares, y el proceso se conoce como exfoliación. Estas juntas son más llamativas en rocas ígneas intrusivas como el granito, que por lo demás son típicamente isotrópicas. En casos extremos, ¡el granito con muchas juntas de lámina puede confundirse con una roca sedimentaria acostada cuando se ve desde la distancia!

Existen varias causas posibles de exfoliación.

• En regiones donde la corteza está en compresión horizontal, σ ₃ es vertical. A medida que la sobrecarga se elimina por erosión, y la tensión media se reduce, σ ₃ se vuelve negativa (tracción). La roca tiende a expandirse hacia arriba y lo hace formando juntas más o menos horizontales.
• En segundo lugar, las tensiones residuales pueden bloquearse en las rocas en el momento de la formación, particularmente durante el enfriamiento de las intrusiones. Si los esfuerzos de tracción son perpendiculares a los contactos, estos pueden conducir a la formación de juntas paralelas a los contactos cuando la erosión reduce la presión general.
• Finalmente, la meteorización de rocas ígneas conduce a cambios significativos de volumen, ya que el agua se absorbe y se forman minerales arcillosos. Estos cambios de volumen pueden generar tensiones que fomenten el comportamiento de exfoliación.

Juntas relacionadas con fallas y zonas de cizallamiento

Figura 13. Juntas y venas en escalón relacionadas con cizallamiento sinistral (superior) y cizallamiento dextral (fondo).

Las fallas y las zonas de cizallamiento suelen estar asociadas con altas densidades de articulaciones y otras fracturas. Una geometría común refleja la distribución de la tensión en una zona de falla en desarrollo. Las juntas o venas repetidas se orientan en un ángulo de aproximadamente 45° a una falla en desarrollo en una configuración llamada en escalón (derivada de una formación militar diagonal). Las articulaciones o venas están formadas por extensión, y están orientadas perpendicularmente a σ ₃.

Figura 14. Venas de cuarzo en-escalón en esquisto. Amaliápolis, Grecia.

Articulaciones relacionadas con pliegues

Figura 15. Configuraciones comunes de articulaciones y venas relacionadas con pliegues.

En rocas estratificadas plegadas, particularmente rocas sedimentarias que estaban cerca de la transición quebradiza-dúctil cuando fueron plegadas, pueden estar presentes patrones de junta complejos. Las más comunes son las juntas radiales que son paralelas a las bisagras de plegado y aproximadamente perpendiculares a las capas. Son más comunes en las partes externas de las capas competentes dobladas, y probablemente se forman en respuesta al estiramiento del arco exterior de la capa durante el plegado.

A veces se encuentra un segundo conjunto de juntas paralelas a las capas plegadas, que ocurren particularmente en las superficies internas de las capas competentes dobladas. Estos probablemente resultan en que las capas incompetentes son insuficientemente dúctiles para llenar el espacio en las bisagras entre capas competentes. Las venas en esta posición han sido fuentes particularmente prominentes de oro en varios campos de oro, notablemente en Australia y en Nueva Escocia, donde se les conoce como venas de arrecife de silla de montar.

Un tercer tipo de venas relacionadas con el pliegue ocurre paralelo al plano de perfil de pliegues. Lógicamente estas se llaman venas de perfil pero también suelen llamarse venas ac, de una terminología más antigua para pliegues, que involucra tres “ejes” a, b y c. (lo que ahora llamamos el eje de plegado era eje b en este sistema). Las juntas de perfil y las venas indican que un componente de extensión ocurrió a lo largo de las bisagras plegables.