ISSN-e: 3006-9467; ISSN: 0016-7975 / 1011-9565

GEOMINAS, Vol. 47, N° 80, diciembre 2019

Geomechanics/Geomecánica/Geomecânica

Geomecánica tensional de diaclasas para determinar dirección en inclinación de los esfuerzos principales, sector El Valle, Mérida, Venezuela

Tensional geomechanics of joints to determine direction in inclination of principal stress, El Valle, Mérida, Venezuela

Tensão geomecânica de diaclases para determinar a direção na inclinação dos

principais esforços, setor El Valle, Merida, Venezuela

Francisco Bongiorno

IngºGeoº, Dr., Grupo de Investigación en Geología Aplicada de la Escuela de Ingeniería Geológica (GIGA), Profesor, Universidad de Los Andes (ULA), correo-e: frabon@ula.ve

María Sambrano

IngºGeoº, ULA, correo-e: malausm86@gmail.com

Víctor Abreu

IngºGeoº, ULA, correo-e: victor11692011@hotmail.com

Leonardo González

IngºGeoº, Dr. GIGA, ULA, correo-e: leongm31@gmail.com

Recibido: 14-10-19; Aprobado: 18-11-19

Abstract

Stress Geomechanics in the Joints located at El Valle sector, Libertador municipality, Merida state, Venezuela, are a consequence of regional tectonics that has generated the uprising of the Andes and caused the deformation and fractures of the different lithologies present and that are associated to the system of Bocono Fault, because sector studied, is located close to this system of failures. This study intends to use the Joints, as an element of Structural Geology, to determine the direction and inclination of principals stress at study area, for this, the research is based on the grouping of the courses and dives of the different Joints through specialized computer programs in order to statistically generate a group of fault surfaces that represent them, and these surfaces will be used, “Diedres Droits” methodology in stereographic projections to estimate the direction and inclination of principal stress, and subsequently they are corroborated with a vector numerical analysis. The estimated stresses correspond to Venezuelan Andean Vergence with Southeast-Northwest direction.

Resumen

La geomecánica tensional en las diaclasas ubicadas en el sector El Valle, municipio Libertador, estado Mérida, Venezuela, es consecuencia de la tectónica regional que ha generado el levantamiento de Los Andes y provocado la deformación y fracturas de las diferentes litologías presentes y que están asociadas al sistema de fallas de Boconó, debido a que el sector estudiado, se ubica próximo a este sistema de fallas. Este estudio pretende utilizar las diaclasas, como elemento de la Geología Estructural, para determinar la dirección e inclinación de los principales esfuerzos en el área de estudio, esta investigación se basa en la agrupación de los rumbos y buzamientos de las distintas diaclasas a través de programas informáticos especializados con el fin de generar estadísticamente un grupo de superficies de falla que las representen, y estas superficies serán utilizadas aplicando la metodología de los Diedros Rectos en proyecciones estereográficas para estimar la dirección e inclinación de los esfuerzos principales, y posteriormente son corroborados con un análisis numérico vectorial. Los esfuerzos principales calculados en este trabajo, corresponden con la Vergencia Andina venezolana con dirección sureste-noroeste.

Resumo

A geomecânica tensional nas diaclases localizadas no setor El Valle, município de Libertador, estado de Mérida, Venezuela, é uma consequência da tectônica regional que gerou o levantamento dos Andes e causou a deformação e fraturas das diferentes litologias presentes e que estão associadas ao sistema de falhas de Boconó, devido ao fato de o setor estudado está localizado próximo a esse sistema de falhas. Este estudo pretende utilizar as diaclases, como elemento da Geologia Estrutural, para determinar a direcção e inclinação dos principais esforços na área de estudo, esta investigação baseia-se no agrupamento dos apoios e depressões das diferentes juntas através de programas informáticos especializados cientistas a fim de gerar estatisticamente um grupo de superfícies de falha que as representem, e essas superfícies serão utilizadas aplicando-se a metodologia da Diedra Certa em projeções estereográficas para estimar a direção e inclinação das tensões principais, e posteriormente são corroboradas com um análise numérica do vetor. Os principais esforços calculados neste trabalho correspondem à Vergência Andina venezuelana com direção sudeste-noroeste.

Palabras clave/Keywords/Palavras-chave:

Bocono fault, convergência andina, diaclasas, diaclases, diedros rectos, diedros retos, esfuerzos principales, geomecánica, geomecânica, geomechanics, joints, principais esforços, principal stresses, projeções estereográficas, proyecciones estereográficas, projections, vergencia andina.

Citar así/Cite like this/Citação assim: Bongiorno et al. (2019) o (Bongiorno et al., 2019)

Referenciar así/Reference like this/Referência como esta:

Bongiorno, F., Sambrano, M., Abreu, V., González, L. (2019, diciembre). Geomecánica tensional de diaclasas para determinar dirección en inclinación de los esfuerzos principales, sector El Valle, Mérida, Venezuela. Geominas 47(80). 141-151.

Introducción

El sector El Valle, municipio Libertador del estado Mérida, está afectada por la tectónica andina, debido a que se encuentra cercana a la localización geográfica del Sistema de Fallas de Boconó, partiendo de un régimen transtensivo, como régimen actual dominante en Los Andes venezolanos y que modela la morfología de la zona, haciendo complicada la interpretación de la geología estructural, es por ello, que se emplean las diaclasas como elemento primordial para estimar la dirección e inclinación de los esfuerzos principales con el propósito de asociarlo con las estructuras geológicas presentes en la zona.

La metodología se fundamenta en el trabajo de campo, identificando los macizos rocosos donde se puedan medir la dirección de rumbo y buzamiento de las diaclasas, para ser tratadas y agruparlas en 2 superficies estadísticamente de fallas, a través de sets computacionales para someterlos a la metodología propuesta por (Angelier & Mechler, 1977), llamada método de los Diedros Rectos para la estimación e inclinación de los esfuerzos principales, basados en los diagramas de Anderson (1951), donde dispone teóricamente la ubicación de los esfuerzos en fallas, partiendo del principio de que estas 2 superficies de fallas sean conjugadas. Morfológicamente los relieves están controlados estructuralmente con topografías alargadas en dirección hacia el Noreste, rumbo dominante del sistema de Fallas de Boconó.

Metodología y materiales

Este estudio pretende emplear distintos criterios prácticos y teóricos sobre la estimación de los esfuerzos principales, es del tipo descriptivo porque establece el comportamiento y orientación de los esfuerzos tensionales en el área, además de clasificarse como explicativa dado que se establece las causas y efectos de los esfuerzos principales.

Para cumplir con la consecución de los objetivos planteados, este estudio se llevó a cabo en 3 etapas, que se subdividieron en diferentes sub etapas, permitiendo de esta manera cumplir con los objetivos planteados. La metodología planteada para el desarrollo de la investigación se indica de manera esquemática en la figura 1, con la finalidad de una mejor comprensión y sistematización de los procesos característicos aplicados., con la finalidad de una mejor comprensión de la misma.

Geominas, Geominas online, Geominas on-line, Geominas Journal, Bocono fault, convergência andina, diaclasas, diaclases, diedros rectos, diedros retos, esfuerzos principales, geomecánica, geomecânica, geomechanics, joints, principais esforços, principal stresses, projeções estereográficas, proyecciones estereográficas, projections, vergencia andina.

Figura 1. Esquema metodológico.

Etapa de información y documentación

En esta etapa alcanza la recopilación de información, en la cual se consultan y extraen datos que sirvan como base, de trabajos previos, los mapas geológicos y topográficos donde se ubica la zona de estudio, al igual que las fotografías aéreas e imágenes satelitales, y con ello se construye una interpretación fotogeológica dando como resultado la generación de un fotomapa con la interpretación geológica-estructural preliminar de la zona de estudio.

Se Identifican los mapas topográficos, geológicos y fotografías aéreas del área de estudio, con el propósito de generar el fotomapa preliminar, que sirve como base para la segunda etapa, entre los mapas y fotografías aéreas a utilizar destacan:

Mapa geológico de la región de Mérida, a escala 1: 50.000, del Ministerio de Energía y Minas
Mapa topográfico de Mérida, a escala 1:25.000, del Ministerio de Obras Públicas. Dirección de Cartografía Nacional (1977).
Fotografías aéreas del estado Mérida a escala 1: 25.000, bajo la misión 010486, fotos 424 a la 426.

La generación de la fotointerpretación, se interpretaron los rasgos antrópicos como poblados, carreteras y sembradíos, además se ubicaron las posibles estructuras geológicas más relevantes en la zona, tales como fallas, deslizamientos, contactos formacionales y demás rasgos geológicos que probablemente permitan realizar un análisis geológico-estructural adaptado a la región, usando como base geológica, el mapa geológico-estructural. Toda la interpretación, datos recolectados e información geológica y de trabajos previos, son cotejados y verificados en la fase de investigación, en la etapa de campo.

Fase de investigación

La segunda etapa consiste en trabajo de campo con el fin de verificar, certificar y corroborar, la información bibliográfica recopilada y localizar los afloramientos de macizos rocosos con el propósito de medir los rumbos y buzamientos de las diferentes diaclasas, con el fin de agruparlas, además de validar la fotointerpretación de la zona estudiada.

Las diaclasas se presentan en la Figura 2, muestran las 2 familias de diaclasas que serán empleadas en el software DIPS con el propósito de agruparlas estadísticamente en las superficies que la representen.

En la Figura 3 se muestra las frecuencias de las diaclasas y además se puede apreciar que en el área de estudio se presentan 2 familias de diaclasas principales y en consecuencia, 2 direcciones preferenciales que son las barras de frecuencia que presentan mayor porcentaje, pero en general, las direcciones de las familias son hacia el noroeste y la otra, hacia el noreste.

Figura 2. Medición de las diaclasas en los afloramientos de macizos rocosos.

Figura 3. Diagrama deIntroducción

Apoyándose en los diagramas de Anderson ( 1951), donde indican la posición de la dirección de los esfuerzos principales en las fallas geológicas (Figura 4), teniendo como principio, el sistema de falla conjugado, que forma un diedro agudo y otro obtuso y dependiendo del tipo de fallas estos ángulos se ubican el esfuerzo principal mayor (σ1) y el esfuerzo principal menor (σ3) (Bongiorno Ponzo, Belandria, Quintero, González, & Torres, 2014).

Posteriormente se preparan los datos obtenidos en las mediciones de campo y que son mostrados en los diagramas de frecuencia, con el fin de emplear el método de los Diedros Rectos propuesto por Angelier & Mechler (1977) que consiste en emplear los diagramas de Anderson e identificar si las 2 familias son fallas conjugadas, que por la observación directa en la zona estudiada, si se ajustan a esta teoría.

Figura 4. Diagramas de Anderson indicando la posición de los esfuerzos principales. Tomado de (Badín y Gómez , 2010).

En la Figura 5 se muestran las 2 familias de diaclasas representadas en el programa Dips, con los polos de cada una de ellas y allí mismo, se muestran las 2 posibles superficies estadísticamente obtenidas de fallas.

Al conocer los rumbos y buzamientos de las 2 superficies estadísticamente de fallas, se procede a emplear el Software Stereo32, apoyado por el método de los Diedros Rectos, para calcular la dirección e inclinación de los esfuerzos principales causantes de la deformación de las rocas y por ende, de las diaclasas.

Figura 5. Diagrama de Polos de las 2 familias de diaclasas agrupadas en sets y representadas en 2 superficies estadísticamente de fallas.

Con las frecuencias de las 2 familias de diaclasas medidas, se procede agruparlas con el propósito de establecer las 2 posibles superficies estadísticamente de fallas y que deben cumplir con la condición de conjugadas y son empleadas para aplicar el método de los Diedros Rectos. En la figura 5 se muestran las 2 familias de diaclasas representadas en el programa Dips, con los polos de cada una de ellas y allí mismo, se muestran las 2 posibles superficies estadísticamente obtenidas de fallas.

La figura 6 muestra el procedimiento de los Diedros rectos de acuerdo a Angelier y Mechler, 1977, los puntos 3, 4 y 5 indican la ubicación de los esfuerzos principales σ2, σ3 y σ1, respectivamente.

Los resultados preliminares son verificados por el método numérico propuesto por Bongiorno, Ucar, & Belandria ( 2011), para determinar la dirección e inclinación de los esfuerzos principales, basado en un análisis vectorial, tomado en consideración, las ubicaciones ortogonales de los esfuerzos principales y teniendo en cuenta las 2 fallas conjugadas de los diagramas de Anderson para fallas con comportamiento destral, partiendo que la zona estudiada está sometida a un sistema transtensivo. A continuación se indican las ecuaciones empleadas por el método:

Cálculo para determinar el esfuerzo principal medio σ2 (Bongiorno, Ucar y Belandria, 2011):

Figura 6. Metodología de los Diedros rectos según Angelier & Mechler, 1977.

(Ec. 1)

(Ec. 2)

Donde:

αs = ángulo de inmersión de σ2

ѱs= dirección de aplicación del esfuerzo σ2

(Ec. 3)

Cabe destacar que es,

donde n1 y n2 corresponde a los vectores normales a cada uno de los planos de falla estudiados.

Cálculo del esfuerzo principal menor σ3 (Bongiorno, Ucar y Belandria, 2011):

(Ec. 4)

(Ec. 5)

Donde:

αn = ángulo de inmersión de σ3

ѱn = dirección de aplicación del esfuerzo σ3

nx, ny y nz, son producto de la resolución de tres ecuaciones que forman el vector n, la cual es perpendicular a la dirección de σ2 e indica la dirección de σ3.

Cálculo del esfuerzo principal mayor σ1 (Bongiorno, Ucar y Belandria, 2011):

(Ec. 6)

(Ec. 7)

Donde:

αm = ángulo de inmersión de σ1

ѱm = dirección de aplicación del esfuerzo σ1

, el vector m indica la dirección del esfuerzo principal mayor σ1, el vector n indica la dirección del esfuerzo principal menor σ3 y el vector Vs indica la dirección del esfuerzo principal medio σ2.

Resultados

En la figura 7 se muestra la fotointerpretación realizada y calibrada geográficamente, se pueden notar relieves suaves con pendientes medias debido al tipo de roca poco competente en la zona de estudio, además de indicios de control estructural debido a la presencia de fallas locales y en zonas, este control es debido a la litología. Los patrones de drenaje ayudan para la interpretación de los caracteres geomorfológicos, siendo el mismo dendrítico.

Figura 7. Fotomapa basado en Interpretación de las fotografías áreas de la zona de estudio.

Figura 8. Afloramiento de roca de la Formación Mucujún indicando las 2 familias de diaclasas principales.

Los drenajes son rectilíneos y abundantes, posiblemente obedecen al control estructural de las diaclasas y algunas fracturas locales, con laderas cuyas pendientes son altas y que se le adiciona la estratificación de las rocas sedimentarias. Por ellas, circulan aguas intermitentes, que desembocan en el río Mucujún y que a su vez desemboca en el río Chama.

La tonalidad observada oscila entre gris claro a oscuro; los claros indican que la roca está desprovista de vegetación en algunas zonas, probablemente es producto de la acción antrópica y en otras, por la acción en conjunto de la degradación de la roca y la pendiente abrupta, que favorecen la formación de cárcavas activas perfectamente evidenciadas que afectan las laderas y que son el resultado de la poca vegetación y sobresaturación de agua del terreno.

La tonalidad oscura prevalece en zonas o relieves suaves, con pendientes suaves, cercanas a los ríos Mucujún y Chama; en estas zonas, se observa unidades litológicas Recientes o Cuaternarias no consolidadas, con abundante vegetación.

Se observan importantes coronas de deslizamientos regresivas continuas hacia el este de la zona de estudio y que pueden ser originadas por la falla vista en esa área, cuyas evidencias en campo, pero que controlan el relieve y los drenajes.

Se identificaron las 2 familias de diaclasas que cumplen con la condición para ser tratadas en el programa Dips, con el fin de calcular sus 2 superficies estadísticamente representativas.

La figura 8 se indica como aparecen en los afloramientos de roca y fueron medidas alrededor de 850 diaclasas en relación a su dirección de rumbo, ángulo y dirección de buzamiento.

La dirección de la familia J1 (indicada con las flechas de color negro), tienen una dirección de rumbo preferencial hacia el NO y con dirección de buzamiento hacia el NE; la familia J2, indicada con las flechas de color amarillo, tienen dirección de rumbo preferencial hacia el NE y la dirección preferencial del buzamiento es hacia el SE.

Con el programa Dips, se calcularon las 2 superficies estadísticas de falla que agrupan las 850 mediciones de diaclasas. La Figura 9 indica la concentración de polos de todas las superficies de diaclasas medidas en el campo, que adicionalmente contienen las 2 superficies estadísticamente determinadas que representan a cada familia de polos.

El rumbo y buzamiento de esas superficies son para J1 la dirección de rumbo, ángulo y dirección de buzamiento es N 63° O / 74° NE y para J2, la dirección de rumbo, ángulo y dirección de buzamiento N 23°E / 67 SE.

Estas direcciones serán empleadas en el programa Stereo32 para calcular la dirección e inclinación de los esfuerzos principales generales en la zona de estudio.

Con el programa Stereo32, las 2 superficies estadísticamente calculadas, se analizaron con el propósito de obtener la dirección e inclinación de los esfuerzos principales a la que está sometida el área de estudio.

La figura 10 muestra la proyección estereográfica y la ubicación de los esfuerzos principales, arrojando como resultados los indicados en la tabla 1. Se puede notar, que los mismos cumplen con la condición de ortogonalidad, de acuerdo a las características teóricas de los esfuerzos principales.

Figura 9. (A) Diagrama de concentración de Polos contenidos en sets de todas las diaclasas medidas y con la superficie representativa. (B) Proyección Estereográfica de la relación entre los sets y la superficie que lo representa de todas las diaclasas medidas.

Figura 10.Proyección estereográfica del programa Stereo32, donde se muestra la posición de los Esfuerzos Principales en toda el área de estudio.

Tabla 1. Dirección e inclinación de los Esfuerzos Principales obtenidos con el programa Stereo32

Las 2 superficies estadísticamente obtenidas, también fueron tratadas de manera manual, aplicando la teoría y metodología de los Diedros Rectos, con el fin de obtener la dirección e inclinación de los esfuerzos principales, cuya proyección estereográfica se muestra en la figura 11 y la tabla 2 indica los resultados obtenidos con esta técnica.

Adicionalmente, estas superficies fueron tratadas con el método analítico propuesto por Bongiorno, Ucar y Belandria (2011), y los resultados se indican en la tabla 3. Al observar los resultados en las tablas, 1, 2 y 3, por las 3 técnicas empleadas en esta investigación, la diferencia en las direcciones son despreciables, por ello, indistintamente el método empleado, el cálculo es aceptable.

Tabla 2. Dirección e inclinación de los Esfuerzos Principales obtenidos manualmente aplicando el método de los Diedros Rectos.

Tabla 3. Dirección e inclinación de los Esfuerzos Principales obtenidos manualmente aplicando el método de los Diedros Rectos.

Figura 11.Proyección estereográfica manual aplicando el método de los Diedros Rectos, indicando la posición de los esfuerzos principales.

Tomando en consideración las direcciones de los esfuerzos principales obtenidos, se genera el mapa geológico-estructural de la figura 12.

De acuerdo a la dirección de los esfuerzos principales obtenidos en este trabajo, corresponden a la Vergencia Andina corroborando así, que las diaclasas observadas, son generadas por el levantamiento de Los Andes, cuya orientación es S 20° E al N 20° O (orientación tomada del promedio de la dirección de esfuerzo principal mayor de los 3 métodos) y que es representada en la zona sombreada de color rojo en los círculos del mapa de la figura 12.

Conclusiones

Los resultados obtenidos en relación a la dirección de los esfuerzos principales corresponde con la Vergencia Andina, dado que el σ₁ tiene dirección S 20 ° E – N 20° O, lo que indica las diaclasas medidas son generadas por el levantamiento de Los Andes.

Empleando en el programa Dip, las diaclasas como parte fundamental del estudio de la dirección de los esfuerzos principales se obtuvo estadísticamente un sistema de fallas conjugados (J₁= N 63° O / 74°NE, J₂= N 23° E / 67° SE) comparados con los diagramas de

Figura 12. Mapa Geológico – Estructural de la zona estudiada.

Anderson, suponiendo que el régimen tectónico empleado en la zona de estudio con relación a la Falla de Boconó es Transtensivo. Cuando se trataron estas dos superficies de fallas con los distintos métodos para el cálculo de la dirección de los esfuerzos principales, dicho resultado corresponde con la Vergencia Andina, en concordancia con la conclusión antes mencionada.

Los resultados obtenidos mediante la aplicación del método analítico (análisis vectorial), el método gráfico (proyecciones estereográficas) y estos siendo corroborados con el método de los Diedros Rectos (software Stereo32), y el diagrama de Anderson, demuestran que son muy similares y arrojan diferencias despreciables, lo que indica buen manejo de cada uno de los métodos y su veracidad de las deducciones, por lo que se puede emplear cualquiera de los métodos en el análisis de la estimación de la dirección de los esfuerzos tensionales.

La orientación de las diaclasas que predominan en la zona de estudio tiene como dirección de Rumbo SO y dirección de Buzamiento NO, la cual corresponde a la Familia J2, la misma prevalece en la zona de estudio con relación a la familia J1 cuya dirección de Rumbo Buzamiento es NE-SE

Se logra determinar en cada sistema de esfuerzo que los esfuerzos principales son ortogonales entre sí, siendo esta la primera evidencia obtenida durante la investigación que mostró que los resultados corresponden a los esfuerzos actuantes en el área de estudio, lo cual coincide con los diagramas de Anderson, donde σ₁se encuentra en el ángulo agudo formado por las dos fallas, σ₃se encuentra en el ángulo obtuso, y σ₂ en la intersección de los dos planos.

Bibliografía

Angelier, J., Mechler, P. (1977). Sur Le Méthode grafique de recherche des contraintes principales également utilisable en tectonique et en séimologie: la méthode des diédres droits. Bull, Soc. Geol. France, 1309-1318.
Anderson, E. (1951). The Dinamics of Faulting. . (2nd, Ed.) pp 206.
Badin, R., Gómez , R. (2010). Problemas de Geologia Estructural. REDUCA, pp 40-45.
Bongiorno Ponzo, F., Belandria, N., Quintero , M., González , Y., Torres, R. (2014). Estudio de la orientación de los esfuerzos principales que actán en la Falla de Valera, estado Trujillo, Venezuela. Geominas, 42(65), 175-186.
Bongiorno, F., Ucar, R., Belandria, N. (2011). Determinación de la dirección de los esfuerzos principales a través de análisis numérico y proyecciones estereográficas de la falla de Boconó en el sector Yacambú, estado Lara. Ciencia e Ingeniería, 32(2), pp 57-66.

The author(s) declare(s) that she/he/they has/have no conflict of interest related to hers/his/their publication(s), furthermore, the research reported in the article was carried out following ethical standards, likewise, the data used in the studies can be requested from the author(s), in the same way, all authors have contributed equally to this work, finally, we have read and understood the Declaration of Ethics and Malpractices.

Google Sites

Report abuse