Igneous Rocks
ROCAS IGNEAS PLUTONICAS En este capitulo, consideramos la familia de las rocas ígneas intrusivas - granito, gabro y otras de la misma familia - las cuales se cristalizan, desde su fundición a grandes profundidades en la corteza terrestre y que luego son traídas a la superficie por la erosión de las formaciones superiores. La génesis desde una fundición a altísimas temperaturas (aprox. 900°C), y kilómetros de ascenso imprimen características especiales en estas rocas. También consideraremos las particularidades químicas y mecánicas de la inusual roca: serpentina, la cual se origina en el manto terrestre, en algunos casos ascendiendo en estado sólido con grandes deformaciones internas. Contrariamente a la serpentina que generalmente presenta problemas desde el punto de vista ingenieril, las rocas graníticas son generalmente consideradas como el mejor aliado de los ingenieros, con buenas cualidades, sin meteorización y sin fracturamiento el granito es el prototipo de un lecho de roca. Sin embargo, generalmente las rocas graníticas presentan meteorización o fracturamiento, o ambas. Esto puede generar muchos problemas. Las rocas graníticas las encontramos haciendo parte de los núcleos de gran cantidad de montañas y en otros lugares donde existieron elevaciones. Principalmente en aquellas regiones llamadas escudos. El escudo Canadiense cubre la mayoría de la zona este del Canadá, que se extiende desde las Montañas Rocosas hasta la región de los Grandes Lagos en U.S.A. Existen escudos similares de rocas graníticas que se encuentran bajo la superficie de Brasil, El oeste de Australia, Africa, Escandinavia y Siberia. Un gran porcentaje de roca de estos escudos se asemeja al granito, pero pueden haberse formado por metamorfismo y no por solidificación de masa en fusión. Las rocas de tipo granítico también pueden encontrarse en masas separadas de varios tamaños y formas, en intrusiones de rocas de diferente tipo fuera del núcleo de cualquier zona montañosa. Entre este grupo se encuentra granito plutónico terciario que se presenta en la zona este de U.S.A y generalmente están asociados con depósitos de mineral. Las rocas plutónicas son especialmente fascinantes para los geólogos, ya que estas son mensajeras del interior de la tierra. Su composición y texturas nos presentan hechos, que con una buena interpretación pueden revelar la temperatura, presión, y composición de la corteza baja y del manto. GEOLOGIA DE LAS ROCAS PLUTONICAS Magma Los terremotos precedidos por erupciones volcánicas tienen orígenes en eventos que ocurren aproximadamente a 60km bajo la superficie. Entonces podemos decir que estos movimientos telúricos se producen por la entrada de magma en fisuras de la corteza. Cuerpos de magma se encuentran bajo las regiones de actividad volcánica, como el Monte Santa Helena en Oregon y en regiones de alta actividad térmica, como el parque Yellowstone con sus geysers, aguas termales y piscinas de lodo hirviente. El gradiente térmico aumenta en las capas superiores de la corteza en 10°C/km, en ares que se encuentran sobre magma, puede subir hasta 50°C/km. Formas de intrusión ígnea Las rocas ígneas plutónicas se encuentran en capas planas o en volúmenes de configuración mas complejos. Las capas de rocas ígneas intrusivas, se extienden en dos direcciones y solamente cm o m de espesor en las otras direcciones. Estas se presentan cuando el magma se introduce en fisuras y se extiendo por kilómetros. Estas intrusiones en capas verticales a los planos de estratificación son llamados diques, o de lo contrario si la intrusión es en forma horizontal se le denominan mantos tabulares. También encontramos intrusiones que semejan a los mantos tabulares pero difieren a estos en que poseen una bóveda en la parte superior, este tipo de intrusión es llamada lacolitos. Los geólogos estructurales ayudados por la teoría de la mecánica de fracturas nos pueden explicar las formas e intersecciones de los diques. Entre estas formas se encuentran los diques anillados las capas cónicas y los grupos de diques. La estructura primaria de mayor tamaño que podemos encontrar son los batolitos. Estas formaciones son generalmente mayores a 100km², y son enormes volúmenes de roca granítica que se extienden por toda la corteza terrestre. Existen otras formaciones con dimensiones menores a 100km² llamadas stocks. Clasificación de las rocas plutónicas Las rocas ígneas están compuestas de un pequeño número de minerales tales como: feldespatos, piroxeno, hornblenda, olivino, biotita, cuarzo y otros. Algunos de estos minerales son aliados, encontrándose frecuentemente juntos en la misma roca y algunos son mutuamente exclusivos. El factor de compatibilidad y exclusividad de los minerales son las temperaturas de fusión. Los minerales con alta temperatura de fusión son los que tienen bajo grado de sílice. Las rocas que contienen minerales con alta temperatura de fusión y con niveles de sílice entre 43 y 50% son llamadas rocas básicas. Las rocas que contienen minerales con baja temperatura de fusión y niveles de sílice entre 65 y 72% son llamadas ácidas, y las rocas con niveles de sílice entre 50 y 65% son llamadas intermedias. Las rocas plutónicas que se enfrían lentamente, a veces presentan granos grandes y granos pequeños, esta combinación de texturas es llamada porfirítica. Cuando el tamaño de los granos es de un tamaño que podemos observar a simple vista se dice que la roca tiene textura fanerítica, pero cuando los granos son tan pequeños que no se diferencian a simple vista decimos que la roca tiene textura afanítica. Generalmente las rocas graníticas tienen textura porfirítica. La nomenclatura de las rocas ígneas plutónicas es universalmente basada en la relación entre plagioclasa y ortoclasa. En las rocas básicas encontramos mayor porcentaje de plagioclasa y en las rocas ácidas la ortoclasa es dominante. El problema con este sistema es que hay que tener practica para poder determinar la diferencia entre uno y otro. Cuando la ortoclasa y la plagioclasa coexisten en una roca ígnea la antigua es rosada y la plagioclasa es blanca. La plagioclasa aparenta planos paralelos, los cuales son los bordes de cristalización; para observar esto, es necesario ver un clivaje limpio reflejando luz con un lente de mano. Las rocas de color claro, generalmente rosadas o grises, cuyo feldespato es principalmente ortoclasa y que contienen cuarzo en abundancia son apropiadamente llamadas granito. La biotita y hornblenda también están presentes en pequeñas cantidades. Pero es difícil encontrar rocas con estas proporciones, la mayoría de las rocas referidas como granitos son llamadas granodioritas mas apropiadamente. La diorita es una roca intermedia de color claro muy similar a la granodiorita pero con muy baja cantidad de cuarzo. Minerales oscuros como piroxeno o anfibol, ocupan casi el mismo volumen que los feldespatos, dándole una apariencia de sal y pimienta a la roca. Las rocas de diques de la composición de la diorita son llamadas andesina o andesina porfirítica. Las rocas de silicatos cristalinos oscuros sin cuarzo, en las cuales el feldespato es casi por completo plagioclasa son llamadas gabro. Las rocas de diques de esta misma composición son llamadas doleritas. La peridotita se compone de olivino y piroxeno, sin mucho o nada de feldespatos. La serpentina es una roca que cuando esta nueva, se parece a una peridotita. La serpentina es una peridotita alterada, se cree que esta alteración está dada por la adición de sílice y agua cuando la roca está joven. Esta es la reacción química: 3Mg2SiO4 + SiO2 + 4H2O ® 2(OH)4Mg3Si2O5 Olivino cuarzo serpentina Esta reacción requiere un aumento de volumen considerable por esto se explica porque la serpentina tiene alto grado de fracturamiento. Agrietamiento en rocas graníticas Las rocas plutónicas que no presentan agrietamiento ni meteorización las encontramos en construcciones, pero generalmente la roca se encuentra fracturada en muchas superficies de discontinuidad. Generalmente esto ocurre durante el enfriamiento y por cargas sobre la roca. Fracturas de las capas Las discontinuidades más comunes son las fracturas de las capas también llamadas fracturas de exfoliación. Generalmente estas fracturas siguen el trazado de la topografía, paralelamente a las elevaciones y depresiones del terreno. Esto divide la roca en eslabones o capas, más delgadas junto a la superficie y con mayor espesor a profundidad. Cuando las fracturas de las capas se encuentran bajo elevaciones empinadas junto a un valle, esto presenta alto riesgo. El fracturamiento tiende a redondear los quiebres de la superficie. Estas características hacen posible reconocer rocas graníticas por fotografía aérea. También hay que tener en cuenta que un alto grado de erosión ayuda a este proceso dejando las rocas graníticas expuestas en la superficie. Otras fracturas en las rocas plutónicas Las rocas graníticas que presentan capas o estratificación, también pueden presentar planos de fracturamiento casi regulares, en dos o hasta tres direcciones diferentes. En granitos de alta resistencia y sin meteorización, las fracturas tienden a ser superficies rugosas con fricción considerable, pero estas tienden a cortar la roca en bloques. El fracturamiento esta bien desarrollado especialmente en los bordes de las intrusiones ígneas, donde los rangos de enfriamiento desiguales producen grandes esfuerzos. METEORIZACIÓN DE LAS ROCAS PLUTÓNICAS La descripción y análisis de los efectos de meteorización prueban ser esenciales para la investigación de lugares con rocas graníticas. Los ingenieros necesitan escoger los lugares y las elevaciones para sus estructuras, seleccionar el tipo de fundación, y escoger el material para la construcción. Las rocas plutónicas, exceptuando la serpentina, son lo suficientemente fuertes y rígidas para cualquier propósito ingenieril. Pero estas rocas se descomponen por la meteorización acumulada a través de tiempos geológicos. La roca ígnea básica se descompone en suelos arcillosos con alto nivel de compresibilidad. Por otro lado las rocas graníticas sometidas a la meteorización, producen una mezcla de arcillas y arena, con propiedades de la arena predominantes. Procesos de meteorización Todas las rocas sufren de desintegración por acción del calentamiento y enfriamiento, humedad y resequedad, como también la acción de los animales y las plantas. Como anotamos anteriormente, el fracturamiento es ayudado por la concentración de esfuerzos causadas por cargas de erosión. También hay mencionar que el agua actúa como ácido carbónico por su contenido de dióxido de carbono. Este ácido actúa en los silicatos, reemplazando el sodio, potasio y calcio por hidrogeno. Esta es la reacción química que se presenta: 4KalSi3O8 + 2H2CO3 + 2H2O ® 2K2CO3 + Al4(OH)8Si4O10 + 8SiO2 El feldespato ortoclasa es convertido en caolinita, sílice y carbonato de potasio soluble. El sílice y el potasio serán transportados en una solución que será depositada en fracturas de rocas o hasta el océano. La meteorización de la biotita produce caolinita y limonita, mas sílice soluble y bicarbonatos de magnesio y potasio solubles. Si el proceso de meteorización no contiene transporte entonces el Mg o el Fe, o ambos pueden ser retenidos por el mineral arcilloso, produciendo así clorita o montmorillonita en ves de caolinita. Una característica temprana de meteorización en las rocas graníticas es decoloración café de la biotita, resultando de la formación de limonita alrededor de esta. El orden de meteorización de los minerales es aproximadamente el inverso del orden de cristalización. Clasificación por el grado de meteorización Grado1-fresca La roca fresca se caracteriza por tener una apariencia lustrosa. No se detecta fracturamiento fino con un lente. Los feldespatos no se raspan con una cuchilla, y una muestra no se parte sino con golpes repetidos de un martillo de geología. La humedad es menor de 0.3%. Grado2-levemente meteorizada La roca levemente meteorizada, exhibe una leve descomposición de las plagioclasas, y las biotitas muestran coloramiento por los bordes a los minerales vecinos. Un examen con un lente muestra fisuramiento espaciado a más de 1cm. Los feldespatos no se raspan fácilmente con una cuchilla. La humedad es menor a 0.3%. La roca aun es fuerte. Grado3-moderadamente meteorizada La roca muestra que la mayoría de los cristales de las plagioclasas y algunas ortoclasas están moderadamente descompuestos y han perdido su lustre vítreo. Las biotitas están moderadamente descompuestas y están rodeadas por minerales coloreados. Las fisuras ya se encuentran entre 5 a 10mm de espaciamiento. Los feldespatos pueden ser rallados con una navaja o cuchilla. La humedad es de 0.45%. La roca no es tan fuerte. Grado4-altamente meteorizada Todos los feldespatos están descompuestos. Las biotitas están muy descompuestas y están rodeadas por minerales coloreados. La roca presenta alto grado de fisuramiento y el espacio entre fisuras es entre 2 y 5mm. Los feldespatos pueden ser pelados o raspados con una cuchilla o navaja. La humedad es de 3.8%. Grado5-completamente meteorizada Todos los cristales de feldespatos y biotitas están descompuestos, Los cristales presentan un fracturamiento muy denso. La humedad es de 21%. Grado6-suelo residual La textura cristalina original ya no es visible, todos los minerales exceptuando el cuarzo están descompuestos. La humedad es muy alta, y se puede desintegrar con la mano. PROPIEDADES INGENIERILES Exploración y problemas Exceptuando algunos diques y mantos tabulares, las rocas intrusivas están definidas por complejas estructuras. La fotografía aérea es de gran ayuda para definir la extensión de masas intrusivas mientras que la cubierta de suelos transportados no sea muy grande. La topografía en forma de domos y la coloración clara del paisaje granítico generalmente es distintiva. El patrón de fracturamiento es también característico de estas formaciones. Cuando las rocas están cubiertas por suelos transportados y vegetación la interpretación de estas fotografías puede ser confusa. También existen dificultades cuando hay meteorización de grado 5 y 6. Por esto es importante usar métodos geofísicos para estas ocasiones. Erosión Cuando el terreno granítico presenta alto grado de erosión, este presenta riesgo de deslizamiento, particularmente durante fuertes lluvias. Los deslizamientos pueden llevarse a su paso arboles y cantos rodados, dañando casas y carreteras. Deslizamiento de serpentina Los deslizamientos de terreno son un peligro constante para las elevaciones formadas principalmente por serpentina. Esto debido al alto grado de fracturamiento que presenta la serpentina cuando está joven. Deslizamiento de capas Cuando el granito se encuentra fuerte y sin meteorización, el desprendimiento de capas presenta el problema de posible caída de rocas. Durante las glaciaciones se vieron grandes caídas de capas debido a la erosión producida por el hielo, también por fuertes terremotos. En los trópicos donde la meteorización ocurre más rápido las caídas de roca son potencialmente peligrosas para carreteras y otras vías de transporte, para solucionar esto se recurre a la voladura con explosivos de las posibles masas de roca que estén a punto de desprenderse. Excavaciones superficiales Los deslizamientos a lo largo de superficies fracturadas pueden ser un problema en rocas intrusivas jóvenes, especialmente cuando las fracturas son abiertas o están cubiertas por arcilla. Cuando las fracturas están cerradas no se presentan problemas. Cuando las fracturas están abiertas y rellenas con arcilla esto puede reducir la fricción entre las caras de las rocas y puede haber deslizamientos, se recomienda reforzar las paredes de las excavaciones para evitar estos deslizamientos, se puede reforzar con muros de contención o con diferentes tipos de amarre. Se necesita el uso de explosivos para remover rocas con riesgo de deslizamiento. Fundaciones La variabilidad de la dureza y la capacidad portante del material en la zona de meteorización puede presentar problemas para la fundación de una estructura. Si los materiales residuales son expansivos, como generalmente ocurre con las rocas básicas y las ultrabásicas, esto presenta problemas graves para cualquier proyecto. Cuando se presentan diques, la fundación tendrá que ser ubicada con precisión, debido a que la meteorización de estas estructuras puede ser perjudicial para la estabilidad de la estructura. Si no se encuentran las condiciones favorables para colocar la fundación sobre el terreno se aconseja excavar hasta encontrar un terreno más uniforme para la fundación. Presas Las presas de relleno de tierra o roca pueden colocadas sobre material con meteorización, dependiendo del grado de porosidad, permeabilidad y erosionabilidad. Las presas de concreto deben ser colocadas sobre rocas firmes preferiblemente con grados de meteorización 1 o 2. La permeabilidad del lecho de roca puede ser un problema debido a que si hay fisuras o fracturas estas pueden estar rellenas con material erosionable creando inestabilidad a la presa. Si no se satisface esta condición entonces se recomienda excavar hasta conseguir un mejor material. Trabajos subterráneos Los problemas con la meteorización y fracturamiento en capas se encuentran en los 60m superiores, bajo la superficie. Debajo de esta profundidad la roca es prácticamente ideal para trabajos o excavaciones subterráneas. Los túneles y bóvedas construidas bajo estas condiciones no tienen problemas de deslizamiento, y pueden dejarse sin amarre o contención de ningún tipo. Cuando se trabaja por encima de estas profundidades se recomienda el uso de pernos y cables para amarrar y contener las paredes de los túneles. También es válido el uso de concreto lanzado para contener las paredes. Cuando hay riesgo de caída de material se recomienda la voladura del material con alto riesgo de deslizamiento. Bibliography notas de geologia Words: 2742
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