1.11: Fallas

Introducción

Las fracturas se conocen como fallas si ha habido un desplazamiento significativo de un lado con relación al otro, paralelo al plano de fractura. Las fallas han tenido un enorme impacto económico en la exploración de recursos naturales. Las fallas afectan el flujo de fluidos en la corteza terrestre, y con ello controlan la distribución del agua, petróleo y gas natural. El material fracturado a lo largo de un plano de falla puede formar una brecha porosa (pronunciada “bretchya”). El fluido que pasa a través de brechas puede depositar minerales valiosos. Las fallas también son importantes para los humanos porque generan sismos.

Se ha desarrollado una extensa terminología en torno a las fallas, su geometría y el movimiento (cinemática). Es importante distinguir entre términos descriptivos (geométricos), que nos hablan de la orientación de una falla y el desplazamiento de capas a cada lado, y términos cinemáticos, que describen la distancia y dirección del movimiento de la falla.

Fallos, zonas de falla y zonas de cizallamiento

Figura 1. Fallo, zona de falla, zona de corte.

Estrictamente hablando, una falla es una sola superficie de fractura. Sin embargo, muchas fallas mapeadas resultan tener múltiples hebras de falla, todas aproximadamente paralelas, pero ramificadas y unidas (“anastomosing”) a lo largo de su golpe. Este tipo de matriz de fallas se denomina zona de falla. El desplazamiento total de la zona de falla se distribuye a través de la zona. Cada falla en la zona compensa las rocas a ambos lados en una pequeña cantidad. Estos se suman a través de la zona de falla a un desplazamiento mucho mayor.

Una estructura relacionada es una zona de cizallamiento. Una zona de corte es el equivalente dúctil de una zona de falla, un cinturón de roca a través del cual el movimiento ha causado una cantidad significativa de desplazamiento entre los dos lados. Sin embargo, una zona de cizallamiento es una estructura dúctil, típicamente formada a profundidad donde la deformación de los granos minerales es plástica, no quebradiza. El movimiento en una zona de corte se distribuye a través de la zona, en lugar de restringirse a fallas quebradizas discretas. Es probable que la mayoría de las fallas que deforman la corteza superior pasen a profundidad a zonas de cizallamiento en la corteza inferior.

En [pb_glossary id=” 779″] escala de mapa [/pb_glossary], las fallas y las zonas de cizallamiento tienen el mismo aspecto, una línea a través de la cual las estructuras más antiguas están desplazadas. A afloramiento (mesoscópico) o escala microscópica se ven bastante diferentes.

La orientación de las fallas naturales a menudo varía y eventualmente desaparecen a lo largo del golpe; sin embargo, tienden a tener superficies que son más planas que otros tipos de superficies geológicas, al menos en distancias de algunos kilómetros. Las fallas se pueden reconocer en una variedad de escalas, desde compensaciones a escala de centímetros en un afloramiento individual hasta fallas que se pueden rastrear en el suelo de decenas a cientos de kilómetros, como la falla de San Andrés.

Figura 2. Diagrama de bloques de una falla simple compensando una sola superficie (gris oscuro). A continuación, se muestra la misma falla tal como podría aparecer en un mapa y en una sección transversal paralela a la dirección de inmersión (una sección de inmersión). El diagrama gris muestra un mapa del plano de falla, conocido como sección de plano de falla.

Geometría de falla

Golpe y inmersión

Una falla es una estructura geológica plana. Como cualquier estructura plana, tiene una orientación que puede caracterizarse por golpe y inmersión. Para fallas pequeñas, puede ser posible caminar hasta un afloramiento y medir la orientación con un clinómetro. Las fallas grandes tienden a estar mal expuestas, debido a que las rocas cercanas al plano de falla se fracturan y rompen, y por lo tanto se desgastan fácilmente. Para fallas grandes, la orientación se puede determinar más fácilmente dibujando los contornos de la estructura. Si la falla es plana, el golpe y la caída serán constantes, y los contornos de la estructura serán paralelos, rectos e igualmente espaciados. Si la falla es curva, entonces los contornos de la estructura pueden mostrar cambios en la orientación y el espaciado.

Los bloques de roca a ambos lados de un plano de falla son las paredes de la falla. Si una falla tiene una caída (que no sea 90°) entonces una pared sobresale de la otra. Por ejemplo, si una falla cae hacia el este, entonces el muro este debe sobresalir del muro oeste. La pared ubicada en el lado descendente de la falla se llama pared colgante. La pared ubicada en el lado de la falla hacia arriba se llama espacio para los pies.

Si estos no están claros, piense en un geólogo parado en una pequeña cueva exactamente en un plano de falla que se sumerge moderadamente. Los pies del geólogo descansarán de forma natural en la zona de los pies, mientras que la pared colgante sobresaldrá de la cabeza del geólogo.

Si una falla es vertical, no es posible caracterizar un espacio para los pies y una pared colgante. En esas circunstancias, es mejor usar direcciones de brújula para identificar las paredes: por ejemplo, “muro este”.

Offset y separación

Si una fractura es una falla, también habrá compensaciones de lechos u otras superficies más antiguas que se cortan. En un mapa o sección transversal, los puntos donde la traza de una falla corta la traza de una superficie más antigua se denominan puntos de corte (o puntos de corte). En tres dimensiones, las líneas donde una falla se cruza con una superficie más antigua se denominan líneas de corte (Fig. 3). La distancia entre las dos líneas de corte, para una superficie dada, se denomina separación de la superficie. En vista en planta, como se ve en un mapa de una superficie horizontal, la distancia de desplazamiento medida paralela al golpe de la falla se denomina separación de golpe. La separación de golpes puede ser sinistral (también conocida como izquierda-lateral) o puede ser dextral (también conocida como derecho-lateral). En vista en sección transversal, paralela a la caída de la falla, la separación se denomina separación por inmersión. Si las camas en la pared colgante están desplazadas por debajo de las del espacio para los pies, la separación es normal. Si las camas en la pared colgante están desplazadas por encima de las de la zona para los pies entonces la separación es inversa. Los componentes verticales y horizontales de la separación por inmersión fueron muy importantes en las antiguas operaciones mineras, y se conocen como tiro y vuelco respectivamente.

Es importante darse cuenta de que estas medidas de separación son geométricas. Te dicen poco de cinemática. En el siguiente diagrama, las flechas en el plano de falla muestran que un número infinito de direcciones de deslizamiento es compatible con una separación de fallas dada.

Una característica que puede reconocerse en el campo y es un resultado común de una actividad de falla relativamente reciente es el desarrollo de una escarpa de falla, que es esa parte de la superficie de falla expuesta por el movimiento de las masas rocosas. En estudios de fallas recientes (neotectónica) la escarpa de falla puede dar una indicación de separación.

Sin embargo, con el tiempo el bloque alto tiende a ser nivelado por la erosión. La expresión superficial de la escarpa es tenue o eliminada y puede ser de poca ayuda para localizar fallas antiguas. Donde las escarpas de fallas ocurren a lo largo de fallas antiguas, la dirección de la pendiente tiende a determinarse por qué lado tiene las rocas más resistentes a la erosión, no por el sentido de separación en la falla. De hecho, localizar fallas en terrenos precámbricos puede ser bastante difícil porque las rocas afectadas por fallas tienden a ser fácilmente erosionadas. Tales fallas ocurren a menudo en regiones bajas ocupadas por pantanos, arroyos o vegetación pesada.

Cinemática de fallas: deslizamiento de medición

Slip

El deslizamiento es una línea que se encuentra en el plano de falla; deslizamiento representa la distancia y dirección de movimiento entre los dos bloques de roca a cada lado de la falla. El deslizamiento es un vector — tiene una distancia y dirección. La dirección de deslizamiento puede especificarse por tendencia y caída, o por rastrillo dentro del plano de falla. Cuando el rastrillo del resbalón está cerca del golpe de la falla, la falla se denomina falla de golpeo-deslizamiento. Cuando el rastrillo está cerca de 90°, cerca de la caída de la falla, la falla es una falla por deslizamiento por inmersión.

Figura 3. Plano de falla que cruza una superficie de cama, produciendo líneas de corte en la pared colgante y el espacio para los pies. Múltiples vectores deslizantes posibles son compatibles con la misma geometría.

Figura 4. Slickenlines en una superficie de falla, Arisaigg, Nueva Escocia.

Es importante entender que el deslizamiento no se puede determinar a partir de la separación de una sola superficie de desplazamiento; necesitamos información adicional como slickenlines (rasguños o fibras en la superficie de falla) para darnos la dirección del deslizamiento. La Figura 3 ilustra el problema: múltiples vectores de deslizamiento serían consistentes con las separaciones mostradas por la falla.

Puntas de perforación

Si tenemos una línea que es cortada y desplazada por la falla, podemos resolver de manera única para el vector de deslizamiento. La intersección de una línea con un plano de falla produce un punto, llamado punto de perforación. Si podemos ubicar los puntos de perforación para los bloques a ambos lados de la falla entonces podremos determinar el vector de desplazamiento como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Los puntos de perforación en una entidad lineal definen de manera única el deslizamiento.

El deslizamiento es una línea que se encuentra en el plano de falla, que representa la distancia y dirección de movimiento entre los dos bloques de roca a cada lado de la falla. El deslizamiento es un vector — tiene una distancia y dirección. La dirección de deslizamiento puede especificarse por tendencia y caída, o por rastrillo dentro del plano de falla. Cuando el rastrillo del resbalón está cerca del golpe de la falla, la falla se denomina falla de golpeo-deslizamiento. Cuando el rastrillo está cerca de 90°, cerca de la caída de la falla, la falla es una falla de deslizamiento por inmersión.

La pregunta es, ¿qué usaremos para una línea cortada por la falla? Recuerda que dos planos no paralelos se cruzan a lo largo de una línea, y tienes tu pista. Si dos entidades planas (como venas, inconformidades, límites de formación o diques ígneos) se cruzan entre sí, entonces su línea de intersección puede a su vez perforar el plano de falla. La Figura 6 muestra un ejemplo donde una intrusión ígnea se trunca por una falta de conformidad en una línea de subcultivo. El desplazamiento a lo largo de la falla compensa la línea de subcultivo produciendo puntos de perforación para colgar la pared y el espacio para los pies. Un vector único une los puntos de perforación, caracterizando el desplazamiento de la falla.

Figura 6. Línea de subcultivo que define el deslizamiento de una falla.

Las bisagras plegables también hacen excelentes puntos de perforación. La Figura 7 muestra un ejemplo.

Figura 7. Pliegue definiendo deslizamiento de una falla.

La figura 8 muestra una segunda circunstancia en la que se puede calcular el deslizamiento de la red. En este ejemplo, las estrías en la superficie de falla (conocidas como slickenlines) permiten determinar la dirección del deslizamiento. Entonces es posible construir puntos de perforación artificiales en líneas de corte en extremos opuestos de una sola línea de corte. La cantidad de deslizamiento se puede medir entre los puntos de perforación construidos.

Figura 8 Slickenlines que definen el deslizamiento de una falla.

Componentes de deslizamiento

Una vez que se conoce el vector de deslizamiento neto, se puede descomponer en componentes. El componente de deslizamiento paralelo al golpe de la falla es el deslizamiento de golpe. El deslizamiento de impacto puede caracterizarse como sinistral (o lateral izquierdo) o dextral (lateral derecho). El componente paralelo a la caída de la falla se llama deslizamiento de inmersión. El deslizamiento de inmersión puede caracterizarse como normal o inverso, dependiendo de si la pared colgante se movió hacia arriba o hacia abajo en relación con el espacio para los pies. Si el deslizamiento de inmersión es mucho más grande que el deslizamiento de impacto, entonces la falla es una falla de deslizamiento por inmersión; el rastrillo del deslizamiento en el plano de falla es cercano a 90°. Si el deslizamiento de impacto es mucho mayor, entonces la falla es una falla de golpeo-deslizamiento; el rastrillo del deslizamiento es cercano a cero o 180°. Si el deslizamiento de inmersión y el deslizamiento de impacto son de magnitudes comparables, entonces la falla es una falla de deslizamiento oblicuo.

Secciones de plano de falla

La mayoría de los cálculos que involucran deslizamiento de fallas se realizan mejor en una sección transversal que se encuentra en el plano de falla. Las figuras 3, 5, 6 y 7 se ilustran cada una con un diagrama que muestra una sección transversal del plano de falla. La mayoría de las mediciones significativas de separación y deslizamiento se pueden realizar directamente en la sección transversal del plano de falla. Por supuesto, en general tal sección transversal no será vertical. Se necesitan técnicas especiales para la construcción de secciones transversales no verticales. Una vista en planta de una superficie geológica sumergida a veces se llama proyección ortográfica (porque las características se proyectan perpendiculares a la superficie sobre una hoja de papel plana) y a veces se llama construcción de línea de plegado (porque tratamos el plano de falla inclinado como si tuviéramos la dobló alrededor de uno de sus contornos de estructura hasta quedar en el plano horizontal de una mesa.) Normalmente, comenzamos colocando una hoja de papel con su borde a lo largo de uno de los contornos de la estructura en el plano de falla. Esta línea se convierte en la línea de plegado. A continuación, utilizamos una proyección estereográfica o contornos para determinar el rastrillo de varias líneas en la superficie de falla y dibujarlas.

A veces también ayuda a dibujar los contornos de la estructura proyectada como líneas horizontales en una sección de plano de falla, para mostrar elevaciones sobre el nivel del mar (ver secciones de plano de falla en las Figuras 3, 5, 6 y 7). Las líneas no están espaciadas ya que estarían en una sección transversal vertical. Si el intervalo de contorno es i y el plano de falla tiene dip d, el espaciado de los contornos en la sección del plano de falla será:

i' = i/sin (d)

Características de fallas en el campo

En la descripción de fallas individuales, generalmente es posible distinguir una zona central de una zona de daño circundante.

En el núcleo, la roca se ha roto y movido por movimiento de falla para que las piezas originales se separen de sus vecinos. En la zona del núcleo ya no es posible ver cómo se encajaban las piezas originales para roca con fallas.

En la zona de daño, las rocas están fracturadas y pueden mostrar otras características de deformación como pliegues. Sin embargo, el movimiento no es tan grande como para borrar estructuras anteriores, y al menos es posible ver cómo se pueden volver a unir las piezas de roca dañada.

Rocas de falla: núcleo de falla

Figura 8. Brecha de fallas, Condado de Guysborough, Nueva Escocia

Se le dan varios nombres a rocas fragmentadas y otras del núcleo de falla.

Brecha es una roca compuesta por fragmentos típicamente angulares de las paredes de la falla que han sido girados y movidos fuera de sus posiciones originales. Los fragmentos en una brecha de falla pueden ser enormes, o pueden variar hasta aproximadamente 2 mm. El término microbrechas puede ser utilizado para una brecha de grano fino. Aunque los límites de tamaño de grano para brechas y microbrechas no están estandarizados con precisión, es razonable usar microbrechas para fragmentos de 2-4 mm de diámetro (por analogía con el tamaño de grano del microconglomerado en petrología sedimentaria).

La cataclasita es un material fragmentado que es del tamaño de la arena o más pequeño. Tenga en cuenta que ni la brecha ni la cataclasita suelen tener una tela, los fragmentos están orientados aleatoriamente.

Figura 9. Microscopio de sección delgada de cataclasita. Campo de visión ~1 cm.

Gubia es el nombre que se le da al material de falla rico en arcilla, típicamente producido a partir de fallas de sedimentos de grano fino. Debido a que la arcilla puede comportarse de manera dúctil incluso en condiciones cercanas a la superficie, la gubia puede desarrollar alguna tela, porque las partículas de arcilla se manchan en una orientación paralela al plano de falla. La gubias suele ser muy blanda en el afloramiento. En el subsuelo, la gubia es muy importante, ya que una capa gruesa de gubia puede hacer que un plano de falla sea impermeable a los fluidos, mientras que la brecha y la cataclasita son típicamente permeables.

[Nota sobre la milonita: La milonita es un nombre dado a la roca de grano fino que se ha formado a través de cizallamiento dúctil y recristalización en una zona de cizallamiento. La milonita se distingue de la brecha y la cataclasita porque tiene un tejido metamórfico fuerte y a menudo muestra una espectacular orientación cristalográfica preferida —CPO— cuando se ve bajo el microscopio en sección delgada. La confusión surge porque cuando la milonita se describió por primera vez en el siglo XIX, se pensó que el tamaño de grano fino era el resultado de una fractura quebradiza; la palabra 'milonita' se deriva de una palabra griega para moler harina. En el siglo XX el estudio de los metales en procesos industriales mostró que la deformación dúctil podría conducir a la reducción del tamaño de grano observada en las milonitas]

La pseudotaquilita es un material que se fundió por calentamiento durante el movimiento de falla. La pseudotaquilita es típicamente oscura y de grano muy fino o vítreo. Puede ocurrir en pequeños diguitos que penetran en la roca de la pared de la falla. Pseudotaquilita toma su nombre de un término antiguo para una lava ígnea muy fluida, taquilita. La pseudo taquilita se veía igual pero tenía un origen muy diferente.

Deformación adyacente a fallas

Las tijeras Riedel son pequeñas cizallas que se desarrollan en respuesta a tensiones en las paredes de falla durante la propagación y el movimiento de fallas. Las cizallas Riedel sintéticas, o cizallas R, tienen una orientación a aproximadamente 15° con respecto al plano de falla principal, y muestran el mismo sentido de cizallamiento que la falla principal, como se muestra en la Fig. 10. Con menos frecuencia, también se desarrollan tijeras antitéticas Riedel, o cizallas R', a aproximadamente 75° con respecto al plano de falla. Estos tienen una sensación de cizallamiento opuesta a la de la falla principal. Las tijeras sintéticas y antitéticas forman un conjunto conjugado, y por lo tanto pueden usarse para indicar la orientación de los ejes de tensión cuando se formaron.

Figura 10. Cizallas Riedel asociadas a una falla dextral.

Pliegues por faltas. Si una falla es curva, el movimiento de la falla inevitablemente provoca la flexión de la pared colgante o del espacio para los pies o ambos. (Si esto no sucediera, las cavernas se abrirían dentro de la Tierra a medida que se movían las fallas; la presión litostática evita que esto suceda). Los pliegues de curva de falla son particularmente comunes en las correas de empuje como las Montañas Rocosas Canadienses.

Figura 11. Fault-bend pliegues por encima de falla de empuje en lecho siderita, Stellarton, Nova Scotia.

Pliegues de desprendimiento. A veces, la cantidad de deslizamiento en una falla varía a través de la superficie de falla. Algunas secciones se han movido más que otras. En el límite entre las secciones, la deformación en las rocas de la pared se vuelve intensa, conduciendo a veces a la formación de pliegues de desprendimiento.

Figura 12. Pliegue de desprendimiento, Monte Rundle.

Arrastre pliegues. En ocasiones, una falla se 'bloqueará' durante su desarrollo, y si esto sucede, la deformación puede extenderse a través de las rocas de la pared. Si las condiciones son adecuadas, esta deformación puede ser dúctil y las características en las rocas de la pared pueden doblarse para que se plieguen. Tales pliegues se llaman pliegues de arrastre. Los pliegues de arrastre pueden imitar estrechamente los pliegues de propagación de fallas (abajo) que se forman en la punta de una falla a medida que se desarrolla. Muchos pliegues anteriormente categorizados como pliegues de arrastre ahora se interpretan como pliegues de propagación de fallas.

Figura 13. Arrastre el pliegue.

Los pliegues de propagación de fallas se forman a medida que se desarrollan las fallas y combinan algunas de las características de los pliegues de flexión por falla y desprendimiento. A medida que se desarrolla una falla habrá una punta de falla en el punto que separa la roca deslizada de la roca que aún no se ha deslizado. Los pliegues de propagación de fallas se forman en esta punta de falla y acortan una pared de la falla en relación con la otra. También son comunes en las correas de empuje como las Montañas Rocosas.

Figura 14. Pliegue de propagación de fallas (basado en una simulación por computadora de H. Charlesworth).

Figura 15. Pliegue de propagación de fallas, Arisaigg, Nueva Escocia.