Monografa -Geologa Estructural Grupo GEO247 13 de Noviembre 2014

NACIMIENTO Y CRECIMIENTO DE FALLASDavid A. Cuellar, Sandy Y. MoralesDepartamento de Geologa Universidad EAFIT, Medelln Colombia.

RESUMEN

Una falla es una fractura de las rocas que forman la corteza de la Tierra, el trmino se utiliza dependiendo del contexto geolgico, ya que poseen unas caractersticas complejas que otorgan ciertos rasgos caractersticos, dependiendo de su origen y desarrollo.

No todas las grietas que se dan en las rocas son fallas, lo que las define es el movimiento de la roca a ambos lados. Cuando ese movimiento es repentino, la energa liberada provoca desde un simple fracturamiento de roca hasta un terremoto. Algunas fallas son pequeas, pero otros son parte de los grandes sistemas de fallas a lo largo de la cual las rocas se han deslizado por cientos de kilmetros. Estos sistemas de fallas son los lmites de las enormes placas que componen la corteza terrestre en las que se puede acumular grandes cantidades de Strain en la corteza superior. Es importante aclarar que las fallas se diferencian de las fracturas de cizalla porque stas no pueden expandirse en su propio plano a una estructura ms grande. En contraste, las fallas pueden crecer por la creacin de una compleja zona de procesos que contiene numerosas fracturas pequeas, algunas de las cuales se enlazan entre s para formar posteriormente una superficie de deslizamiento de la falla.PALABRAS CLAVE: Falla, deslizamiento, Strain, Stress, Rollover, JointABSTRACTA fault is a fracture in the rocks that form a deformation of the Earth, this term is used depending on the geological context, as they might have a complex features depending on their origin and development.Not all of the cracks that occur in the rocks are faults, where faults are defined as the movement of the rock on one or both side (foot wall and hanging wall) along with the fault line. When this movement occurs suddenly, the energy released can cause a simple rock fracturing if that energy not sufficient reaching by being an earthquake with extreme magnitude. Some faults are small, but others are part of a large fault system, along it rocks might slide for hundreds of kilometers. These fault systems are the boundaries of the huge plates that reform the earth's crust when a great magnitude of Strain accumulates in the upper crust. Also, it is important to note that faults are different than shear fractures that cant expand on its own plane creating a larger geological structure. On the other hand, faults may grow and being developed by creating a complex process zone named as (Deformation zone) which may consist of a several cracks either small or medium sized, eventually , some of them can be linked and connected together forming a sliding surface creating a master fault.KEY WORDS: Fault, Slip, Strain, Stress, Rollover, Joint.

1.INTRODUCCINEn la litosfera las rocas estn sometidas a la accin de fuerzas y esfuerzos, produciendo deformacin como contraccin o extensin. En algunos casos la deformacin es permanente dando lugar a estructuras tectnicas como las fallas. Generalmente las fallas geolgicas se encuentran asociadas y/o se forman en los lmites de las placas tectnicas; el origen y desarrollo de stas depende en gran medida de la reologa de las rocas.El presente trabajo pretende realizar una recopilacin y anlisis de informacin sobre el nacimiento y crecimiento de fallas en rocas porosas y no porosas. A dems se analizar la relacin de las estructuras Rollover con el crecimiento de fallas.2. NACIMIENTO Y CRECIMIENTO DE FALLASQu causa una falla? Para poder entender las causas de la formacin de fallas, primero es necesario entender los conceptos de Stress y Strain, los que se definen respectivamente como la fuerza (por unidad de rea) ejercida sobre un cuerpo particular de roca. La unidad bsica de estrs es el Pascal (Pa), con 1Pa = 1 N / m2. Un Pascal es muy pequeo, por lo que a menudo el cuerpo particular de roca. La unidad bsica de estrs es el Pascal (Pa), con 1Pa = 1 N / m2. Un Pascal es muy pequeo, por lo que a menudo el estrs se mide en megapascales (MPa) o kilopascales (kPa). A modo de comparacin: la presin atmosfrica es de aproximadamente 100 000 Pascal. Mientras tanto el Strain es una medida del cambio en tamao y forma (la deformacin) que ha sufrido un cuerpo particular de roca, tambin expresado como el cambio de longitud e = (l-l0) / L0 (Twiss & Moores, 2006).

Figura 1. Diagrama de Stress-Strain. Notese: Como incluso con un Strain muy bajo, algunas lneas se hacen ms cortas, otros se hacen ms largos y algunas otras rotarn. La clave es El Stress es la causa y el Strain la consecuencia. Tomado de (Islands, 2013)A partir de la interaccin de stas fuerzas se crean unos esfuerzos que pueden ser de tipo compresionales, tensionales o cizallantes. (Figura 2)

Figura 2. Tipos de Stress. Tomado de (Islands, 2013)El Stress tensional es raro dentro de la corteza terrestre, pero hay muchas otras estructuras extensionales como lo son el Stress o Presin Litosttica y el Stress desviatorio. El Stress Litosttico es la presin que funciona igualmente en todos los lados por el peso de la roca suprayacente, de una manera similar a la presin hidrosttica o presin de aire, mientras que el Stress desviatorio es la componente de esfuerzo que no es igual en todas las direcciones: se empuja o tira en una direccin particular (Fossen, 2010).Todos estos complicados procesos dan origen a la formacin de una Falla, envolviendo todo un desarrollo posterior que crea una zona donde se dan mltiples microfracturas, las cuales eventualmente se conectan entre s pero teniendo en cuenta las diferencias que se dan de acuerdo al tipo de roca que se encuentra sometido a estos procesos. Es por esto que al analizar las fallas en rocas no porosas, su origen proviene de pequeas fracturas de cizalla en una fase de intenso microfracturamiento que aprovechan los planos de debilidad de la roca hasta que sta alcanza el nivel crtico y la factura principal se expande hasta comunicarse con otras microfracturas siguiendo planos favorablemente orientados que permiten su desarrollo. Esta zona de microfracturas se le llama Zona de Proceso (Figura 3) (Fossen, 2010).

Figura 3. Esquema generalizado de la formacin de una falla en una roca no porosa. Notese la Zona de Proceso en los planos de debilidad. (Esquema Propio)En rocas porosas y sedimentos, el proceso de formacin de una falla es algo diferente, los espacios que tienen los poros de los granos brindan una oportunidad caracterstica para reorganizar su estructura. Si los granos en una arenisca estn dbilmente cementados podra haber rotacin y el grano se deformara por la friccin durante este deslizamiento, en otros casos los granos tambin pueden romperse internamente. Al finalizar la deformacin es probable que se generen unas estructuras en zonas o bandas estrechas conocidas como bandas de deformacin, a ste proceso lo procede una deformacin secuencial en nuevas bandas adyacentes a la inicial (Figura 4), esto significa que se va haciendo ms fcil formar nuevas bandas junto a la existente si se mantiene el cizallamiento de la banda primaria. Todo esto da como resultado una zona de banda de deformacin, y este desarrollo se explica comnmente en trminos de endurecimiento de la roca por efecto de sta misma (Leeds, 2012).

Figura 4. Modelo general para la formacin de una Falla en una piedra arenisca porosa, segn lo propuesto por Aydin y Johnson (1978). (a) Bandas de deformacin individual, (b) Conexin de las bandas, (c) Formacin de una zona de banda de deformacin, y , y (d) Fallamiento de la zona. Tomado de (Fossen, 2010)3. ESTRUCTURAS EN LA ZONA DE DAO

El crecimiento de bandas de deformacin y/o fracturas ordinarias antes de la formacin de una superficie de deslizamiento en el plano de Falla, tiene ciertas implicaciones ya que la zona circundante de estas estructuras se convertir en la zona de dao, stas zonas son el resultado de la deformacin frgil a lo largo de dicha zona donde se forman fracturas en varias direcciones en respuesta al Stress (Twiss, 2006). Algunas estructuras en zonas de dao (Figura 5) son: Wing Cracks: Extensin asociada con pequeos desplazamientos. Horsetail Splay: Ocurren a lo largo de las fallas ms grandes y crean una serie de fracturas de cizalla secundarias. Syntethic Branch Faults: Cuando la deformacin en un extremo de la falla, hace que la cizalladura tome el mismo sentido del movimiento de la falla.Antithetic Branch Faults: Se da cuando la deformacin en un extremo de la falla hace que la cizalladura del sentido opuesto acte de la misma forma como la falla principal. Esto genera una rotacin del bloque en la zona de dao.

Figura 5. Zonas de dao. A) Wing Cracks. B) Horsetail Splay C) Sintetica y Antitetica. Tomado de (Zrich, 2014)

Estas estructuras de las zonas de daos se pueden desarrollar antes, durante y despus de la formacin de la superficie de deslizamiento de la falla.

Si adyacente a la falla se encuentran capas de sedimentos, stos pueden curvarse en la direccin de movimiento del bloque opuesto flexionandose en lo que se denominan Pliegues de Arrastre, provocados por la friccin a lo largo de la falla plegando la capa opuesta como un bloque que se arrastra a lo largo del otro (Figura 6) (Fossen, 2010).

Figura 6. Zona de arrastre. Ntese los pliegues de arrastre que se forman adyacentes a la falla.Tomado de (Zrich, 2014).

Las fracturas o bandas de deformacin que se dan en estas zonas de arrastre, generalmente aumentan en densidad y en la misma direccin de la falla. La aparicin de fracturas mesoscpicas o bandas de deformacin indica que estamos en la zona de dao de la falla, dnde los pliegues de arrastre anteriormente descritos estn bien desarrollados, esta zona tiende a ser ms ancha que la zona de dao, si bien la situacin opuesta tambin se produce. Algunas fallas, en particular en rocas metamrficas, muestran pliegues de arrastre, ya que al examinar ms detenidamente el proceso, se evidencia que son controlados por mecanismos de accin deformable en un medio plstico y por tanto son zonas de cizalla alrededor de las fallas que podran haberse formado de una variedad de maneras, generalmente en la zona de transicin frgil-plstica (Fossen, 2010)

4. CRECIMIENTO DE FALLA/SISTEMAS ROLLOVER

Los sistemas de Rollover son estructuras comunes de cuencas sedimentarias, en particular de deltas y mrgenes pasivos (Mauduit & Brun, 1998). Estas estructuras se desarrollan frecuentemente en rocas incompetentes como la anhidrita, halita y arcillas poco compactadas.Las Fallas de crecimiento normales, estn asociadas con los sistemas de Rollover, stas generalmente reciben el nombre de Fallas Lstricas; estas falla son cncavas hacia la superficie y un poco horizontales a profundidad, presentan una geometra constante a lo largo del tiempo. Es por esto que las estructuras Rollover presentan un excelente registro de deformacin/sedimentacin a lo largo de la historia (Mauduit & Brun, 1998).Los modelos clsicos de fallamiento lstrico generalmente se refieren a un desplazamiento relativo entre el Footwall (indeformable) y el Hanging Wall, en algunos aspectos estos modelos podran aplicarse a las fallas de crecimiento sintticas que se sumergen en el sentido del desplazamiento con respecto a la basal (Mauduit & Brun, 1998). (Figura 7).El crecimiento de Fallas/Sistemas Rollover, algunas veces resulta de interacciones complejas entre sedimentos frgiles y dctiles (sal, arcillas), que implican la interaccin entre deformacin y sedimentacin (Mauduit & Brun, 1998).En la Figura 7, se puede apreciar las capas depositadas en el Hanging Wall de la falla, estas son curvadas gradualmente en la parte de abajo produciendo un levantamiento de las capas (Rollover).

Figura 7. Rollover en el Hanging Wall, relacionados con la curvatura de la falla principal. La zona de dao es inusualmente amplia debido a las complicaciones que presenta la curva de la falla. En colores se representan las bandas de cizalla sintticas y antitticas. Formacin Matulla-Sina, Tomado de (Fossen, 2010).

Segn Mauduit & Brun (1998), el resultado del crecimiento de falla/Rollover es el mecanismo de inestabilidad el cual es controlada por el acoplamiento de la capa basal (dctil) y la fuerza de la cubierta sedimentaria; este acoplamiento inicial se produce cuando la capa es gruesa y dctil o el ngulo de la pendiente basal es bajo.El desarrollo de un sistema de crecimiento de falla/Rollover durante el deslizamiento comprende tres etapas (nacimiento, crecimiento y decaimiento), cuya duracin depender del aumento progresivo del acoplamiento durante el deslizamiento. Estas tres etapas caracterizan la vida crtica de un sistema de falla y en la mayora de los casos el nacimiento corresponde al desarrollo de un graben simtrico que ms tarde evoluciona de forma asimtrica (Mauduit & Brun, 1998).5. CONCLUSIONESLas zonas de proceso en rocas no porosas trabajan para debilitar la roca original, incrementando la porosidad y as generando fracturas. En contraposicin las zonas de proceso de bandas de deformacin en rocas porosas trabajan para endurecen la roca original, as decrece la porosidad por la superficie de deslizamiento. Por ejemplo: en rocas de alta porosidad (areniscas), el crecimiento de las fallas tienen diferentes formas de fracturar y hacer falla.En rocas no porosas las pequeas fracturas de cizalla pueden formarse en rocas de baja porosidad, debido a que hay tres puntos de debilidad que pueden ser: Interface de capas, diques y/o fallas pre-existentes (Fossen, 2010).Los "joint system" son el caso ms probable para dar origen a las fallas, ya que estos tienden hacer estructuras dbiles no cohesivas: estas fracturas (micro-meso), pueden conectarse y crear fallas.El crecimiento de las fallas/Rollover, algunas veces resulta de la interaccin entre sedimentos frgiles y dctiles. Esta interaccin favorece al origen de las fallas normales, llamadas generalmente falla lstrica.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Fossen, H. (2010). Structural Geology: Cambridge University Press

Islands, U. o. t. H. a. (2013). Structural geology: Faults, folds and thrusts. Retrieved 10/11/2014, from http://showcase.uhi.ac.uk/resources/GSP_T14_structures5/gsp_structures_04.htm

Leeds, U. o. (2012). Faults. Retrieved 09/11/2014, from http://www.see.leeds.ac.uk/structure/faults/introduction/index.htm.

Mauduit, T., & Brun, J. P. (1998). Growth fault/rollover systems: birth, growth, and decay.Journal of Geophysical Research: Solid Earth (19782012),103(B8), 18119-18136.

Twiss, R. J., & Moores, E. M. (2006). Structural Geology: W. H. Freeman.

Zrich, E. (2014). Faults. Retrieved 10/11/2014, 2014, from http://www.files.ethz.ch/structuralgeology/JPB/files/English/3faults.pdf

Islands, U. o. t. H. a., 2013, Structural geology: Faults, folds and thrusts.

Facultad de Ingeniera, carrera de Geologa, programa de Geologa Estructural Universidad EAFIT