15.1: Factores que controlan la estabilidad de la pendiente

El desperdicio masivo ocurre porque los procesos tectónicos han creado elevación. La erosión, impulsada por la gravedad, es la respuesta inevitable a esa elevación, y varios tipos de erosión, incluido el desperdicio masivo, han creado pendientes en las regiones elevadas. La estabilidad de la pendiente se determina en última instancia por dos factores: el ángulo de la pendiente y la resistencia de los materiales sobre ella.

Figura\(\PageIndex{1}\) Diferencias en los componentes de cizallamiento y normales de la fuerza gravitacional en pendientes con diferente pendiente. La fuerza gravitacional es la misma en los tres casos. En (a) la fuerza de cizallamiento es sustancialmente menor que la resistencia al cizallamiento, por lo que el bloque debe ser estable. En (b) la fuerza cortante y la resistencia al cizallamiento son aproximadamente iguales, por lo que el bloque puede o no moverse. En (c) la fuerza de cizallamiento es sustancialmente mayor que la resistencia al cizallamiento, por lo que es muy probable que el bloque se mueva.

La Figura 15.2 muestra un bloque de roca situado en una ladera rocosa. El bloque está siendo arrastrado hacia el centro de la Tierra (verticalmente hacia abajo) por gravedad. Podemos dividir la fuerza gravitacional vertical en dos componentes relativos a la pendiente: uno empujando el bloque hacia abajo por la pendiente (la fuerza de corte), y el otro empujando hacia la pendiente (la fuerza normal). La fuerza cortante, que quiere empujar el bloque por la pendiente, tiene que superar la fuerza de la conexión entre el bloque y la pendiente, que puede ser bastante débil si el bloque se ha separado del cuerpo principal de roca, o puede ser muy fuerte si el bloque sigue siendo parte de la roca. Esta es la resistencia al cizallamiento, y en la Figura\(\PageIndex{1}\) a, es mayor que la fuerza cortante, por lo que el bloque no debe moverse. En la Figura\(\PageIndex{1}\) b la pendiente es más pronunciada y la fuerza de cizallamiento es aproximadamente igual a la resistencia al cizallamiento. El bloque puede o no moverse en estas circunstancias. En la Figura\(\PageIndex{1}\) c, la pendiente es aún más pronunciada, por lo que la fuerza de cizallamiento es considerablemente mayor que la resistencia al corte, y es muy probable que el bloque se mueva.

Como ya se señaló, las pendientes son creadas por levantamiento seguido de erosión. En zonas con elevación relativamente reciente (como la mayor parte de Columbia Británica y la parte occidental de Alberta), las laderas tienden a ser bastante empinadas. Esto es especialmente cierto donde se ha producido la glaciación porque los glaciares en terrenos montañosos crean valles empinados. En áreas sin levantamiento reciente (como el centro de Canadá), las pendientes son menos empinadas porque cientos de millones de años de erosión (incluida la despilfarro masivo) las han hecho así. Sin embargo, como veremos, puede ocurrir algún derroche masivo incluso en pendientes relativamente suaves.

La resistencia de los materiales en pendientes puede variar ampliamente. Las rocas sólidas tienden a ser fuertes, pero hay una gama muy amplia de resistencia de la roca. Si consideramos solo la fuerza de las rocas e ignoramos cuestiones como la fractura y la estratificación, entonces la mayoría de las rocas cristalinas, como el granito, el basalto o el gneis, son muy fuertes, mientras que algunas rocas metamórficas, como el esquisto, son moderadamente fuertes. Las rocas sedimentarias tienen una resistencia variable. La dolostone y algunas calizas son fuertes, la mayoría de las areniscas y conglomerados son moderadamente fuertes, y algunas areniscas y todas las lodas son bastante débiles.

Las fracturas, la foliación metamórfica o el lecho pueden reducir significativamente la fuerza de un cuerpo de roca, y en el contexto del desgaste masivo, esto es más crítico si los planos de debilidad son paralelos a la pendiente y menos críticos si son perpendiculares a la pendiente. Esto se ilustra en la Figura\(\PageIndex{2}\). En las ubicaciones A y B la cama es casi perpendicular a la pendiente y la situación es relativamente estable. En la ubicación D la ropa de cama es casi paralela a la pendiente y la situación es bastante inestable. En la ubicación C la ropa de cama es casi horizontal y la estabilidad es intermedia entre los otros dos extremos.

Figura Estabilidad\(\PageIndex{2}\) relativa de pendientes en función de la orientación de debilidades (en este caso planos de lecho) con respecto a las orientaciones de talud.

Las variaciones internas en la composición y estructura de las rocas pueden afectar significativamente su fuerza. El esquisto, por ejemplo, puede tener capas que son ricas en silicatos laminares (mica o clorito) y estas tenderán a ser más débiles que otras capas. Algunos minerales tienden a ser más susceptibles a la intemperie que otros, y los productos desgastados suelen ser bastante débiles (por ejemplo, la arcilla formada a partir de feldespato). El lado de Johnson Peak que falló en 1965 (Hope Slide) está compuesto por esquisto de clorito (basalto metamorfoseado del fondo marino) que tiene alféizares portadores de feldespato dentro de él (son evidentes dentro del área de inserción de la Figura\(\PageIndex{1}\)). La foliación y los aleros son paralelos a la pendiente pronunciada. El esquisto es relativamente débil para empezar, y el feldespato en los alféizares, que ha sido alterado a arcilla, lo hace aún más débil.

Los sedimentos no consolidados son generalmente más débiles que las rocas sedimentarias porque no están cementados y, en la mayoría de los casos, no han sido comprimidos significativamente por materiales superpuestos. Esta propiedad de unión del sedimento a veces se conoce como cohesión. La arena y el limo tienden a ser particularmente débiles, la arcilla es generalmente un poco más fuerte y la arena mezclada con arcilla puede ser aún más fuerte. Los depósitos que componen los acantilados de Point Grey en Vancouver incluyen arena, limo y arcilla superpuestos por arena. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\) (izquierda) los depósitos más finos son relativamente fuertes (mantienen una pendiente pronunciada), mientras que la arena superpuesta es relativamente débil, y tiene una pendiente menos profunda que recientemente ha fallado. La labranza glacial, típicamente una mezcla de arcilla, limo, arena, grava y clastos más grandes, se forma y se comprime debajo de decenas a miles de metros de hielo glacial, por lo que puede ser tan fuerte como alguna roca sedimentaria (Figura\(\PageIndex{3}\), derecha).

Figura\(\PageIndex{3}\) Izquierda: Depósitos glaciales de desnivel en Point Grey, en Vancouver. La capa inferior oscura está compuesta por arena, limo y arcilla. La capa superior ligera es arena bien clasificada. Derecha: Arrastre glacial en la isla Quadra, B.C. La caja es lo suficientemente fuerte como para haber formado una pendiente casi vertical.

Aparte del tipo de material en pendiente, la cantidad de agua que contiene el material es el factor más importante que controla su resistencia. Esto es especialmente cierto para materiales no consolidados, como los que se muestran en la Figura\(\PageIndex{3}\), pero también se aplica a cuerpos de roca. Los sedimentos granulares, como la arena en Point Grey, tienen muchos espacios entre los granos. Esos espacios pueden estar completamente secos (llenos solo de aire); o húmedos (a menudo significa que algunos espacios están llenos de agua, algunos granos tienen una película de agua alrededor de ellos y pequeñas cantidades de agua están presentes donde los granos se tocan entre sí); o completamente saturados (Figura\(\PageIndex{4}\)). Los sedimentos no consolidados tienden a ser más fuertes cuando están húmedos porque las pequeñas cantidades de agua en los límites de los granos mantienen los granos unidos con la tensión superficial. Los sedimentos secos se mantienen unidos solo por la fricción entre los granos, y si están bien ordenados o bien redondeados, o ambos, esa cohesión es débil. Los sedimentos saturados tienden a ser los más débiles de todos porque la gran cantidad de agua en realidad empuja los granos separados, reduciendo la fricción de montaje entre los granos. Esto es especialmente cierto si el agua está bajo presión.

Figura\(\PageIndex{4}\) Rerepresentación de arena seca, húmeda y saturada.

Ejercicio 15.1 Arena y agua

Figura\(\PageIndex{5}\)

Si alguna vez has estado en la playa, ya sabrás que la arena se comporta de manera diferente cuando está seca que cuando está mojada, pero vale la pena echar un vistazo sistemático a las diferencias en su comportamiento. Encuentra aproximadamente media taza de arena limpia y seca (o consigue algo de arena húmeda y sécala), y luego viértala de tu mano sobre un trozo de papel. Deberías ser capaz de hacer un pilote en forma de cono que tenga una pendiente de alrededor de 30°. Si viertes más arena sobre la pila, se hará más grande, pero la pendiente debe seguir siendo la misma. Ahora agrega un poco de agua a la arena para que quede húmeda. Una manera fácil de hacer esto es mojarlo completamente y luego dejar que el agua drene por un minuto. Deberías ser capaz de formar esta arena húmeda en una pila empinada (con pendientes de alrededor de 80°). Por último, poner la misma arena en una taza y llenar la taza con agua para que la arena quede tapada. Agírela para que la arena permanezca en suspensión y luego la vuelque rápidamente sobre una superficie plana (mejor hacerlo afuera). Debe extenderse sobre un área amplia, formando un pilote con una pendiente de sólo unos pocos grados.

El agua también reducirá la resistencia de la roca sólida, especialmente si tiene fracturas, planos de cama o zonas de arcilla. Este efecto es aún más significativo cuando el agua está bajo presión, razón por la cual a menudo verás agujeros perforados en rocas en cortes de carreteras para aliviar esta presión. Una de las hipótesis adelantadas para explicar el Deslizamiento de Esperanza de 1965 es que las condiciones muy frías del invierno provocaron que pequeños manantiales en la parte inferior de la pendiente se congelaran, impidiendo que el agua fluyera hacia afuera. Es posible que la presión del agua se acumulara gradualmente dentro de la pendiente, debilitando la masa rocosa en la medida en que la resistencia al cizallamiento ya no fuera mayor que la fuerza de cizallamiento.

El agua también tiene un efecto particular en los materiales arcillosos. Todos los minerales arcillosos absorberán un poco de agua, y esto reduce su fuerza. Las arcillas esmectitas (como la bentonita utilizada en la arena para gatos) pueden absorber mucha agua, y esa agua separa las láminas a nivel molecular y hace que el mineral se hinche. La esmectita que se ha expandido de esta manera casi no tiene fuerza; es extremadamente resbaladiza.

Y finalmente, el agua puede aumentar significativamente la masa del material en una pendiente, lo que aumenta la fuerza gravitacional empujándolo hacia abajo. Un cuerpo de sedimento que tiene 25% de porosidad y está saturado de agua pesa aproximadamente 13% más que cuando está completamente seco, por lo que la fuerza de cizallamiento gravitacional también es 13% mayor. En la situación mostrada en la Figura\(\PageIndex{1}\) b, un aumento de 13% en la fuerza de cizallamiento podría ser fácilmente suficiente para inclinar el equilibrio entre la fuerza de cizallamiento y la resistencia al corte.

Disparadores de pérdida de masa

En la sección anterior, hablamos sobre la fuerza de cizallamiento y la resistencia al cizallamiento de los materiales en pendientes, y sobre factores que pueden reducir la resistencia al corte. La fuerza de corte se relaciona principalmente con el ángulo de pendiente, y esto no cambia rápidamente. Pero la resistencia al corte puede cambiar rápidamente por una variedad de razones, y los eventos que conducen a una rápida reducción de la resistencia al corte se consideran desencadenantes del desperdicio de masa.

Un aumento en el contenido de agua es el desencadenante de pérdida de masa más común. Esto puede ser el resultado del rápido derretimiento de nieve o hielo, fuertes lluvias o algún tipo de evento que cambie el patrón de flujo de agua en la superficie. El derretimiento rápido puede ser causado por un aumento dramático de la temperatura (por ejemplo, en primavera o principios del verano) o por una erupción volcánica. Las fuertes lluvias suelen estar relacionadas con tormentas importantes. Los cambios en los patrones de flujo de agua pueden ser causados por terremotos, fallas previas de taludes que obstruyen arroyos o estructuras humanas que interfieren con la escorrentía (por ejemplo, edificios, carreteras o estacionamientos). Un ejemplo de esto es el mortal flujo de escombros de 2005 en North Vancouver (Figura\(\PageIndex{6}\)). El fracaso de 2005 se produjo en una zona que había fracasado anteriormente, y un informe escrito en 1980 recomendó que las autoridades municipales y los pobladores tomen medidas para abordar los problemas de drenaje de superficie y taludes. Poco se hizo para mejorar la situación.

Figura\(\PageIndex{6}\) El flujo de escombros en el área de Riverside Drive de North Vancouver en enero de 2005 ocurrió durante un período lluvioso, pero probablemente fue provocado por el exceso de escorrentía relacionado con las carreteras en la cima de esta pendiente y por las características del paisaje, incluida una piscina, en el área que rodea la casa visible aquí.

En algunos casos, una disminución en el contenido de agua puede llevar a fallas. Esto es más común con depósitos de arena limpia (por ejemplo, la capa superior en la Figura\(\PageIndex{3}\) (izquierda)), que pierden fuerza cuando no hay agua para mantener unidos los granos.

La congelación y descongelación también pueden desencadenar algunas formas de desgaste masivo. Más específicamente, el deshielo puede liberar un bloque de roca que estaba unido a una pendiente por una película de hielo.

Otro proceso que puede debilitar un cuerpo de roca o sedimento es el temblor. La fuente más obvia de temblor es un terremoto, pero el temblor del tráfico de carreteras, la construcción o la minería también hará el trabajo. Varios eventos mortales de despilfarro masivo (incluidas avalanchas de nieve) fueron desencadenados por el terremoto M7.8 en Nepal en abril de 2015.

La saturación con agua y luego sacudidas sísmicas llevaron a la ocurrencia de miles de fallas de taludes en la zona de Sapporo de Hokkaido, Japón en septiembre de 2018, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{7}\). El área estaba empapada de lluvia de la tormenta tropical Jebi el 4 de septiembre. El 6 de septiembre fue sacudida por un terremoto M6.6 que provocó flujos de escombros en los materiales volcánicos saturados de agua en pendientes pronunciadas. Se registraron 41 muertes relacionadas con las fallas de pendiente.

Figura Fallos de\(\PageIndex{7}\) pendiente en la zona de Sapporo de Japón tras un tifón (4 de septiembre de 2018) y terremoto (6 de septiembre de 2018) (Antes y después de Landsat 8 imágenes: izquierda: julio de 2017, derecha: septiembre de 2018).

Atribuciones de medios

• Figura\(\PageIndex{1}\), 15.1.2, 15.1.3, 15.1.4, 15.1.5: © Steven Earle. CC POR.
• Figura\(\PageIndex{6}\): © La Provincia. Usado con permiso.
• Figura\(\PageIndex{7}\): “Deslizamientos de tierra en Hokkaido” de Lauren Dauphin, Observatorio de la Tierra de la NASA. Dominio público.