GEOLOGIA ESTRUCTURAL Y DINAMICA GLOBAL

La Geología Estructural constituye uno de los pilares del conocimiento Geológico y su papel y significado ha variado a lo largo del tiempo presentando gran cantidad de sinónimos que actualmente llevan, en ocasiones, a cierto grado de confusión y cuya utilización suele depender del uso y la costumbre en las distintas escuelas geológicas.

El origen de la Geología Estructural viene de la Geodinámica, una de las tres ramas en las que se dividió la Geología a principios del siglo XIX y que han perdurado hasta bastante entrado el siglo presente, las otras dos ramas serían la Geognosia y la Geología Histórica. La Geodinámica sería la rama encargada de la descripción de los procesos exógenos y endógenos que daban lugar a las estructuras y a los relieves de la Tierra.

dentro de la Geología estructural se individualiza un cuerpo de doctrina especializado que se denomina Análisis Estructural que tiene como fin aportar a la Geología Estructural y la Tectónica, métodos avanzados que incorporen de la física, la química o las matemáticas, los principios necesarios para abordar el estudio de las estructuras y de los procesos que las producen.

La Dinámica Global es el resultado de la incorporación del Paradigma actual de la Geología a la Geología Estructural y la Tectónica. Así, estas dos ciencias geológicas tienen que ver con la descripción y reconstrucción de los procesos provocados por los movimientos inexorables que han moldeado y moldean nuestro planeta. La descripción de estos movimientos, las causas que los provocan y sus efectos son los que entran dentro de lo que se conoce como Dinámica Global.

OBJETIVOS DE LA GEOLOGÍA ESTRUCTURAL:

El objetivo de la Geología Estructural es la descripción geométrica de los cuerpos

rocosos; desde este punto de vista los cuerpos rocosos pueden ser clasificados en diversos grupos atendiendo a varios criterios: geométricos; de significado geológico; de edad de formación; de los procesos que los originó; de la cohesión mesoscópica durante la deformación; de los efectos de la deformación frente a un marco de referencia; y de la distribución de la deformación.

OBJETIVOS DE LA DINÁMICA GLOBAL

La aceptación definitiva por la comunidad científica del nuevo paradigma en las Ciencias de la Tierra, la Tectónica de Placas, es relativamente reciente y ello hace que los objetivos de la Dinámica Global estén, en algunos aspectos, aún bajo revisión. Estos objetivos son difíciles de sistematizar, al contrario de lo que ocurre en el caso de la Geología Estructural, y deben de ser desglosados de manera particular.

1.-ESFUERZO

1.1.-FUERZA: DEFINICION, TIPOS Y UNIDADES DE MEDIDA:

Se define fuerza como una magnitud vectorial que tiende a producir un cambio en el movimiento de un cuerpo o en su estructura interna, es decir, tiende a producir una deformación.

Las fuerzas del cuerpo o másicas («body forces») están en relación directa con la masa del cuerpo al cual se aplican, aunque su origen puede ser debido a causas externas.

Las fuerzas de superficie («surface forces») dependen siempre de causas externas al cuerpo y no guardan ninguna relación con la masa del mismo. Se llaman así porque se puede considerar que son aplicadas a una superficie del cuerpo.

1.2.-ESFUERZO: DEFINICION Y UNIDADES DE MEDIDA:

El esfuerzo («stress») se define como la fuerza por unidad de superficie que soporta o se aplica sobre un plano cualquiera de un cuerpo. Es decir, es la relación entre la fuerza aplicada y la superficie sobre la cual se aplica. Es importante comprender esta relación entre fuerza aplicada y superficie sobre la que se aplica: una fuerza aplicada a un cuerpo es la misma con independencia de la superficie del mismo sobre la cual se aplique, se aplica a todo el cuerpo y, por tanto a todas las superficies contenidas en el.

1.3.-TIPOS DE ESFUERZO: PRESION LITOSTATICA Y ESFUERZOS DEBIDOS A FUERZAS DE SUPERFICIE:

Dado que existen fuerzas del cuerpo y fuerzas de superficie, los esfuerzos causados por esas fuerzas serán de distintos tipos. En Geología, nos interesan los esfuerzos causados en las rocas por la gravedad y los que son causados por fuerzas independientes de la masa del cuerpo en cuestión, es decir, fuerzas de superficie, tal como las habíamos definido previamente.

La gravedad crea el esfuerzo llamado presión litostática, que es el esfuerzo que sufre un determinado punto de la Tierra debido al peso de las rocas que tiene encima. Puede establecerse una comparación con la presión hidrostática en los líquidos, que es igual al esfuerzo creado por la columna de líquido que hay encima de un determinado punto del mismo. La presión hidrostática es igual en todas las direcciones, de forma que no sólo actúa en la vertical. Esto puede comprobarse sumergiendo un pequeño globo esférico inflado de gas en una piscina o tanque: el globo va perdiendo volumen al ser sumergido, debido a la presión que ejerce el líquido, pero su forma sigue siendo esférica, lo que indica que se comprime en todas direcciones por igual.

La presión litostática se calcula mediante la fórmula:

P = p • g • z

donde p es la densidad media de las rocas que hay por encima del punto, g el valor de la aceleración de la gravedad y z la profundidad. P. Ej. a 1 km de profundidad, asumiendo una densidad media de las rocas de 2'6 gr / cm 3, la presión litostática será:

P = 2'6 gr / cm 3 • 981 cm / seg 2 • 10 5 cm = 2550'6 • 10 5 barias = 255 bars.

La presión litostática en la base de una corteza continental normal de unos 35 km de espesor es, aproximadamente, de 10 kbars o 1 Gpa.

Componentes del esfuerzo

Los esfuerzos causados por fuerzas de superficie son también magnitudes vectoriales, que pueden componerse y descomponerse como tales. Naturalmente, sólo pueden componerse los esfuerzos que actúan sobre un determinado plano y, de forma similar, cuando un vector esfuerzo que actúa sobre un plano se descompone, las componentes obtenidas sólo actúan sobre ese plano.

1.4.-ESTADO DE ESFUERZO. EL TENSOR DE ESFUERZO Y EL ELIPSOIDE DE ESFUERZO.

Se define estado de esfuerzo como el conjunto de los infinitos vectores esfuerzo que actúan sobre los infinitos planos que pasan por un punto, en un instante dado. Esto

no es ya una magnitud vectorial, sino una cantidad física compuesta de infinitos vectores, que se denomina un tensor de segundo orden.

Los tensores son cantidades físicas que expresan diferentes cosas. Los tensores de orden cero son los llamados escalares, cantidades físicas que se expresan por un simple número, p. ej. la temperatura en la habitación: T = 25 °C. Los tensores de primer orden son los vectores, cantidades físicas que representan una intensidad, pero también una dirección en el espacio y un sentido.

Los tensores de segundo orden son cantidades físicas que representan, en general, infinitos vectores o que expresan una propiedad que permite establecer una relación entre dos vectores. El tensor de esfuerzo se encuentra entre los del primer tipo. En el capítulo siguiente mencionaremos alguno de los del segundo tipo: los tensores de deformación.

Clases de estado de esfuerzo

Los estados de esfuerzo se clasifican en uniaxial, biaxial y triaxial, según que dos, uno o ninguno de los esfuerzos principales sea cero:

Estado de esfuerzo uniaxial: sólo existe un esfuerzo principal. La figura geométrica que lo representa es un par de flechas de igual magnitud y sentidos opuestos.

Estado de esfuerzo biaxial: sólo existen dos esfuerzos principales, p. ej., o1 y o2. La figura que lo representa es, en el caso general una elipse, formada por las puntas de todos los vectores, si éstos son tensionales, o por el extremo de las colas si son compresivos, la figura geométrica es una circunferencia. Si o1 es compresivo y o2 es tensional, entonces la figura que une las puntas o las colas no es una elipse y no puede hablarse de elipse de esfuerzos en ese caso.

Estado de esfuerzo triaxial:. La figura es en este caso un elipsoide salvo que o1 sea compresivo y o3 sea tensional, en cuyo caso no puede hablarse de elipsoide de esfuerzo, aunque sí de estado y de tensor de esfuerzo. Los esfuerzos triaxiales son los normales en la naturaleza y se subdividen en poliaxiales, axiales e hidrostáticos:

Estado de esfuerzo poliaxial: Los tres esfuerzos principales son diferentes y la figura que lo representa es un elipsoide de tres ejes.

Estado de esfuerzo axial: Dos de los esfuerzos principales son iguales y la figura que lo representa es un elipsoide de revolución, es decir, uno cuya superficie puede ser generada girando una elipse al rededor de uno de sus ejes. En este caso, hay infinitos planos principales: el perpendicular al eje de revolución y todos los que lo contienen.

Estado de esfuerzo hidrostático: Los tres esfuerzos principales son iguales y la figura que lo representa es una superficie esférica. En este caso, los esfuerzos en todas direcciones son iguales y todos son principales, es decir, todos actúan sobre planos perpendiculares a ellos. Por tanto, en un estado de esfuerzo de este tipo, que es el que se da en los fluidos en reposo, no hay ningún plano que esté sometido a esfuerzos de cizalla. Esto es evidente pues, dado que los fluidos oponen muy poca resistencia a los esfuerzos, si , p. ej. en un líquido en reposo hubiera planos sometidos a esfuerzos de cizalla, se produciría un movimiento de líquido a ambos lados del plano, con lo que dejaría de estar en reposo.

Esfuerzos normales: los compresivos son positivos y los tensionales, negativos.

Esfuerzos de cizlla: los senestros son positivos y los dextros son negativos. Se entiende por esfuerzo de cizalla senestro, p. ej., al par de esfuerzos de cizalla que tiende a romper el cuerpo en dos bloques y desplazar cada bloque hacia la izquierda del otro.

1.5.-ESFUERZO MEDIO Y DESVIATORIO:

De una forma similar a los vectores, que pueden descomponerse en otros vectores, un estado de esfuerzo puede descomponerse en otros estados de esfuerzo. La descomposición más utilizada es la que divide un estado de esfuerzo cualquiera en dos estados diferentes, llamados esfuerzo medio y esfuerzo desviatorio.

1.6.-CAMPO Y TRAYECTORIAS DE ESFUERZOS:

El estado de esfuerzo se define para un sólo punto en un instante. Dado que los cuerpos se componen de infinitos puntos, hay que introducir un nuevo concepto que describa la situación, en lo que a esfuerzo se refiere, para todo el cuerpo. Esto es el campo es esfuerzos: la distribución del estado de esfuerzo en todos los puntos del cuerpo. Si el estado de esfuerzo es igual en todos los puntos, se dice que el campo de esfuerzos es homogéneo. Esto implica que los esfuerzos principales tienen igual orientación e intensidad en todos los puntos. Si esto no sucede, se dice que el campo es heterogéneo o inhomogéneo.

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La representación del campo de esfuerzos es difícil. Normalmente se representa sólo parte de él, p. ej. las orientaciones de los esfuerzos principales en algunos puntos distribuidos en algunos planos, a menudo la superficie terrestre o bien planos principales. Una forma usual de representar las direcciones de los esfuerzos principales es mediante el uso de las trayectorias de esfuerzo: líneas que son paralelas a las direcciones principales en cada punto. A menudo se utiliza una línea gruesa para uno de los esfuerzos principales y una línea fina para el otro, en dos dimensiones. Las trayectorias de esfuerzo correspondientes a dos esfuerzos principales son siempre perpendiculares entre sí, pero pueden ser curvas.

2.-DEFORMACIÓN

2.1.-DEFINICION Y TIPOS:

Definimos deformación como cualquier cambio en la posición o en las relaciones geométricas internas sufrido por un cuerpo como consecuencia de la aplicación de un campo de esfuerzos y explicamos que una deformación puede constar de hasta cuatro componentes: translación, rotación, dilatación y distorsión. En el caso general, una deformación las incluye a todas, pero deformaciones particulares pueden constar de tres, dos o una de las componentes.

Las dos primeras componentes de la deformación producen cambios en la posición del cuerpo, pero no de su forma ni de sus relaciones geométricas internas. Ante deformaciones de ese tipo, el cuerpo se mueve como un

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objeto rígido y, por ello, se llaman deformaciones de cuerpo rígido o movimientos rígidos. Las dos últimas componentes producen cambios en la forma y/o en las relaciones geométricas internas. Por ejemplo, una dilatación no cambia la forma, pero aproxima o aleja unas partículas y otras, con lo que las relaciones geométricas internas resultan modificadas.

La deformación interna puede clasificarse atendiendo a distintos criterios. El primero de ellos es la continuidad: si una deformación interna no separa ningún par de puntos materiales que estuvieran juntos antes de la deformación se dice que es continua o afín. En el caso contrario se

denomina discontinua o no afín (Fig.2-2). Este último caso implica que han intervenido discontinuidades, bien porque han sido creadas por la deformación en cuestión, bien porque ya existían y han sido utilizadas por la deformación.

En una deformación homogénea, las líneas que eran rectas antes de la deformación siguen siéndolo después y las rectas paralelas siguen siendo paralelas. En una deformación inhomogénea las condiciones anteriores no se cumplen. Los flancos de los pliegues han experimentado una rotación rígida y, además, una cierta distorsión, marcada por la diferencia entre la forma cúbica del pequeño elemento dibujado en la capa superior y el paralelepípedo en el que se ha transformado. Obsérvese que ese pequeño elemento ha sufrido un desplazamiento desde su posición inicial, que se ha expresado por un vector.

TIPOS DE DEFORMACION:

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Deformación homogénea, las líneas que eran rectas antes de la deformación siguen siéndolo después y las rectas paralelas siguen siendo paralelas.

Deformación inhomogénea las condiciones anteriores no se cumplen.

Deformación progresiva, un concepto que engloba prácticamente a cualquier deformación natural. Dado que las deformaciones tratan sobre cambios producidos a lo largo de un tiempo y se analizan comparando dos estados, se definen tres nuevos conceptos según la cantidad de deformación interna acumulada.

Deformación finita es la experimentada a lo largo de todo el proceso y, por tanto, es la que se analiza comparando los estados inicial y final.

Deformación infinitesimal se refiere a incrementos de deformación interna infinitamente pequeños. La integración de todos esos incrementos infinitesimales daría la deformación finita. Cuando los incrementos son finitos, pero representan sólo una parte de la deformación, se habla de deformación incremental.

Los ejes de la deformación, ésta puede clasificarse en tres tipos:

Deformación uniaxial es aquella en la cual dos de los ejes de la deformación valen 1, lo que implica que sólo ha habido elongación en una de las direcciones principales.

Deformación biaxial es aquella en la que uno de los ejes de la deformación vale 1. Cuando esto sucede, lo normal es que el eje que vale 1 sea el intermedio (Y) y, en ese caso, se dice que la deformación es de tipoplane strain (deformación plana en traducción literal).

Deformación triaxial se da cuando ninguno de los ejes vale 1 ó, lo que es lo mismo, cuando ninguna de las tres elongaciones principales vale cero.

2.2.-MEDIDA Y REPRESENTACION DE LA DEFORMACION INTERNA:

Las deformaciones del cuerpo rígido se miden por parámetros que expresan el cambio de posición: la translación rígida por la distancia recorrida por el

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cuerpo y la rotación rígida por el ángulo que éste ha girado. La deformación interna utiliza parámetros de tres tipos diferentes, que miden respectivamente cambios en la longitud de las líneas, cambios en los ángulos y cambios en volumen.

planos principales de la deformación. Una propiedad de las direcciones principales es que antes de la deformación también eran líneas perpendiculares entre sí.

Dado que se parte de una esfera de radio unidad, las longitudes de los ejes de la deformación son las longitudes de líneas cuya longitud inicial era la unidad. Por tanto, son iguales a los estiramientos de las líneas paralelas a ellos, o a la raíz cuadrada de sus elongaciones cuadráticas.

2.3.-TIPOS ESPECIALES DE DEFORMACION INTERNA:

Según que los ejes de la deformación giren o no en el transcurso de la misma, la deformación se clasifica en rotacional y no rotacional. Los ejes de la deformación, en cambio, no giran y, además, son las únicas líneas que no lo hacen. Deformación rotacional puede darse si existe una distorsión y, además, una rotación rígida simultánea. Sin embargo, la rotación rígida no es imprescindible, como luego veremos, y existen deformaciones rotacionales que no la incluyen.

La deformación interna puede clasificarse también en dos tipos según que los ejes de la deformación permanezcan fijos o no a las mismas partículas materiales. Se define deformación coaxial como aquella en la que sí permanecen fijos y deformación no coaxial como aquella en la que no permanecen fijos.

Una deformación coaxial puede ser rotacional o no rotacional. En general, si una deformación coaxial es rotacional, se debe a que va acompañada de una rotación rígida. Una deformación no coaxial es, prácticamente siempre, rotacional, tanto si va acompañada de rotación rígida como si no. Cualquier distorsión puede obtenerse por una combinación de dos mecanismos que se denominan cizallamiento puro y cizallamiento simple y que vamos a describir con detalle.

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El cizallamiento puro ("pure shear") es una deformación coaxial y, en sí misma, no rotacional (aunque puede existir una rotación rígida simultánea). El término deriva de un estado particular de esfuerzo, que recibe el mismo nombre y que fue descrito en el capítulo anterior, que consiste en que el esfuerzo mayor es compresivo y el menor tensional y de la misma intensidad en valor absoluto, lo que provoca que los planos a 45° del esfuerzo mayor sólo sufran esfuerzos de cizalla. En deformación, el término tiene otro significado: es cualquier deformación que produzca distorsión sin pérdida de volumen y que sea coaxial. Se produce acortamiento al menos en una dirección principal y alargamiento al menos en otra, estando éstas direcciones siempre fijas a las mismas partículas materiales. Obviamente, un estado de esfuerzo de tipo cizallamiento puro, con esfuerzos de la intensidad suficiente y mantenido constante a lo largo de la deformación, daría lugar a una deformación de tipo cizallamiento puro, pero éste no es el único caso posible: muchos otros estados de esfuerzo pueden dar lugar a una deformación de este tipo.

El cizallamiento simple ("simple shear") es una deformación rotacional y no coaxial que transforma un cubo en un paralelepípedo no rectángulo. En una deformación de este tipo, todos los vectores desplazamiento son paralelos entre sí. La dirección de los vectores desplazamiento se denomina dirección de cizallamiento.

FALLA DEL HUAYTAPALLANA

La falla de Huaytapallana se encuentra al pie de la cordillera del mismo nombre. Dicha cordillera constituye el segmento de la Cordillera Oriental que domina la cuenca de Huancayo. El rumbo general de la falla es NW-SE, con un buzamiento de 65 hacia el NE. Esta falla se ha reactivado en el

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sismo de 1969, originando un movimiento del tipo Siniestral-Inverso. El desplazamiento vertical alcanza hasta 2 m en la parte norte de la falla. Su longitud es de 25 km y la magnitud del sismo de 1969 fue de mb = 5.9.

En el mapa sismotectónico se aprecia que en la porción oceánica la actividad sísmica está constituída por sismos superficiales (<70 km de profundidad focal) concentrados casi exclusivamente entre la fosa marina y la línea de la costa. Existe un área de alta concentración frente a la costa de Ancash. En la porción continental existen nidos sísmicos superficiales en Huaytapallana y a lo largo de la zona subandina del Perú Central. Todos los sismos en la porción oceánica corresponden a la zona de subducción, mientras que en la porción continental se incluyen los sismos de la zona de Benioff, con profundidades focales mayores de 70 km y los sismos continentales que son superficiales.

Al considerar las fuentes de sismos que puedan ser significativas para las aceleraciones en el área del Proyecto, es importante tener en cuenta las diferencias fundamentales en las características de atenuación asociadas con los sismos de subducción y los sismos superficiales. En general, los sismos superficiales se atenúan con mayor rapidez que los sismos de subducción.

la falla del Huaytapallana y su reactivación con los terremotos ocurridos en Julio y Octubre de 1969 (5.6 y 6.0 mb). Según Blanc et al (1982), después de dichos terremotos se observaron en superficie trazas de falla con longitudes de 5.5 y 9.5 km separados por una zona sin ruptura de 3 km en su parte media. Los parámetros del mecanismo focal de estos terremotos han sido re-calculados utilizando registros de período largo obtenidos de la red sísmica mundial (WWSSN). El método de modelado de ondas de volumen es utilizado para estimar la orientación de la fuente (mecanismo focal), la profundidad del foco, las características del proceso de ruptura y la energía sísmica liberada por ambos terremotos. Los mecanismos focales obtenidos corresponden a fallas inversas con gran componente de desgarre y planos nodales orientados en dirección NW-SE y NE-SW, buzando ambos con un ángulo de 50° aproximadamente, similar a los calculados por Suarez et al (1983). La profundidad de sus focos es del orden de 5 km con momentos sísmicos de 1025 y 1026 dina-cm respectivamente.

La instalación de una estación sísmica de banda ancha de 3 componentes en la ciudad de Huancayo (HUA) en 1997 por el Instituto Geofísico del Perú, ha permitido registrar actividad sísmica de magnitud baja asociada a la falla del Huaytapallana. Estos sismos fueron localizados utilizando el método de polaridad y amplitud de la onda P. Los resultados muestran que los sismos se distribuyen paralelos a la orientación de las trazas de la falla reactivada por los terremotos de 1969, lo que sugiere que la falla almacena y libera

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energía de manera permanente como producto de la continua deformación de la corteza en esta región, tal como sugiere Dorbath et al (1991).

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