Roca

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Roca

La roca, en geología, es un agregado natural y coherente de uno o más minerales. Estos agregados constituyen la unidad básica de la que se compone la Tierra sólida y suelen formar volúmenes reconocibles y cartografiables. Las rocas se suelen dividir en tres grandes clases según los procesos que dieron lugar a su formación. Estas clases son (1) las rocas ígneas, que se han solidificado a partir de un material fundido llamado magma; (2) las rocas sedimentarias, que consisten en fragmentos derivados de rocas preexistentes o de materiales precipitados a partir de soluciones; y (3) las rocas metamórficas, que se han derivado de rocas ígneas o sedimentarias bajo condiciones que provocaron cambios en la composición mineralógica, la textura y la estructura interna. Estas tres clases, a su vez, se subdividen en numerosos grupos y tipos sobre la base de diversos factores, los más importantes de los cuales son los atributos químicos, mineralógicos y de textura.

Tipos de Roca

Las rocas ígneas son aquellas que se solidifican a partir del magma, una mezcla fundida de minerales formadores de rocas y, normalmente, de volátiles como gases y vapor. Dado que los minerales que las componen se cristalizan a partir de material fundido, las rocas ígneas se forman a altas temperaturas. Se originan a partir de procesos en las profundidades de la Tierra -normalmente a una profundidad de entre 50 y 200 kilómetros- en la corteza media o inferior o en el manto superior. Las rocas ígneas se dividen en dos categorías: intrusivas (emplazadas en la corteza) y extrusivas (extruidas en la superficie del fondo terrestre u oceánico), en cuyo caso el material fundido que se enfría se denomina lava.

Las rocas sedimentarias son las que se depositan y litifican (se compactan y cementan) en la superficie de la Tierra, con la ayuda del agua corriente, el viento, el hielo o los organismos vivos. La mayoría se deposita desde la superficie terrestre hasta el fondo de los lagos, ríos y océanos. Las rocas sedimentarias suelen estar estratificadas, es decir, tienen capas. Las capas pueden distinguirse por diferencias de color, tamaño de las partículas, tipo de cemento o disposición interna.

Las rocas metamórficas son aquellas formadas por cambios en las rocas preexistentes bajo la influencia de altas temperaturas, presión y soluciones químicamente activas. Los cambios pueden ser de carácter químico (composición) y físico (textura). Las rocas metamórficas suelen formarse por procesos en las profundidades de la Tierra que producen nuevos minerales, texturas y estructuras cristalinas. La recristalización que tiene lugar lo hace esencialmente en estado sólido, en lugar de por refundición completa, y puede verse favorecida por la deformación dúctil y la presencia de fluidos intersticiales como el agua. El metamorfismo suele producir una aparente estratificación, o bandeado, debido a la segregación de los minerales en bandas separadas. Los procesos metamórficos también pueden producirse en la superficie de la Tierra debido a los impactos de meteoritos y al pirometamorfismo que tiene lugar cerca de los filones de carbón ardiendo encendidos por la caída de un rayo.

Propiedades físicas

Las propiedades físicas de las rocas son de interés y utilidad en muchos campos de trabajo, como la geología, la petrofísica, la geofísica, la ciencia de los materiales, la geoquímica y la ingeniería geotécnica. La escala de investigación va desde lo molecular y lo cristalino hasta los estudios terrestres de la Tierra y otros cuerpos planetarios. Los geólogos se interesan por la datación radiactiva de las rocas para reconstruir el origen de los yacimientos minerales; los sismólogos formulan predicciones prospectivas de terremotos a partir de cambios físicos o químicos premonitorios; los cristalógrafos estudian la síntesis de minerales con propiedades ópticas o físicas especiales; los geofísicos de exploración investigan la variación de las propiedades físicas de las rocas del subsuelo para hacer posible la detección de recursos naturales como el petróleo y el gas, la energía geotérmica y las menas de metales; los ingenieros geotécnicos examinan la naturaleza y el comportamiento de los materiales sobre, en o de los que se van a construir estructuras como edificios, presas, túneles, puentes y bóvedas de almacenamiento subterráneo; los físicos del estado sólido estudian las propiedades magnéticas, eléctricas y mecánicas de los materiales para dispositivos electrónicos, componentes informáticos o cerámicas de alto rendimiento; y los ingenieros de yacimientos petrolíferos analizan la respuesta medida en los registros de los pozos o en los procesos de perforación profunda a temperatura y presión elevadas.

Dado que las rocas son agregados de granos minerales o cristales, sus propiedades están determinadas en gran parte por las propiedades de los distintos minerales que las componen.Entre las Líneas En una roca estas propiedades generales se determinan promediando las propiedades relativas y a veces las orientaciones de los distintos granos o cristales.Entre las Líneas En consecuencia, algunas propiedades que son anisótropas (es decir, que difieren con la dirección) a escala submicroscópica o cristalina son bastante isótropas para un gran volumen de roca. Muchas propiedades dependen también del tamaño del grano o del cristal, de la forma y de la disposición del empaquetamiento, de la cantidad y distribución del espacio vacío, de la presencia de cementos naturales en las rocas sedimentarias, de la temperatura y la presión, y del tipo y la cantidad de fluidos contenidos (por ejemplo, agua, petróleo, gases). Dado que muchas rocas presentan una gama considerable de estos factores, la asignación de valores representativos para una propiedad concreta suele realizarse mediante una variación estadística.

Algunas propiedades pueden variar considerablemente, según se midan in situ (en el lugar del subsuelo) o en el laboratorio en condiciones simuladas. La resistividad eléctrica, por ejemplo, depende en gran medida del contenido de fluidos de la roca in situ y de las condiciones de temperatura a una profundidad determinada.

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Características de la masa rocosa

El macizo rocoso suele referirse a la masa rocosa geológica natural dentro de un determinado rango de ingeniería que experimenta diversos procesos geológicos y conserva una deformación permanente y trazas de estructura geológica bajo el efecto a largo plazo de la tensión del suelo[1]. En un sentido estricto, el macizo rocoso se compone de rocas (bloques de roca) y planos discontinuos/estructurales. La estructura desempeña un papel fundamental en el control de las características mecánicas y de deformación de la masa rocosa. Por lo tanto, las propiedades del plano estructural deben tenerse en cuenta en la clasificación ingenieril de la masa rocosa.

La perforación de la masa rocosa comprende un conjunto de procesos para romper y remover la roca con el fin de crear perforaciones, pozos, túneles y otros tipos de excavaciones. Puede ser percusivo-rotativo o
rotativa con barrenas tricónicas o de arrastre en función del diámetro del agujero y de las condiciones del terreno.

3.1 Discontinuidades en la masa rocosa
El plano estructural se refiere a la interfaz geológica plana formada en la masa rocosa durante el desarrollo de la historia geológica. Tiene una dirección de extensión y una longitud determinadas y es relativamente delgado. La resistencia a la tracción del plano estructural es cercana a cero.[2-3] El plano estructural incluye superficies de diferenciación de materiales y superficies discontinuas como capas, discordancias, juntas, fallas y esquistosidad.

Los planos estructurales se clasifican en tres tipos según su origen geológico: planos estructurales primarios, tectónicos y secundarios.

Planos estructurales primarios: Los planos estructurales primarios están formados por masas rocosas en fase diagenética. Según la diferente génesis de las rocas, este plano puede clasificarse en planos estructurales sedimentarios, magmáticos y metamórficos. El plano estructural de roca sedimentaria es la interfase geológica formada durante la diagénesis, e incluye planos estructurales intercalados como capas, lechos, secciones interdeposicionales (superficies de disconformidad y disconformidad) e intercalaciones primarias débiles. El plano estructural magmático está formado por la intrusión de magma y la condensación de efusión (por ejemplo, las superficies de contacto entre (a) el cuerpo de inmersión y la roca circundante y (b) el dique y la junta de condensación original). El plano estructural metamórfico es el plano estructural formado durante el metamorfismo de la masa rocosa, e incluye las capas morfológicas y débiles de esquistos.

Plano estructural tectónico: El clivaje, las juntas, las fallas y los desplazamientos entre capas conforman el plano estructural tectónico, que se refiere al plano formado por la masa rocosa bajo la tectogénesis. El clivaje es una estructura plana en la que la roca puede dividirse en una serie de finas láminas en una dirección determinada. La escala relativamente pequeña de las juntas se divide en juntas de tensión y de cizallamiento según las causas de la mecánica. La falla es la discontinuidad en la que una roca se rompe bajo la tensión de la corteza mientras se produce un desplazamiento relativo entre dos bloques fracturados. La dirección del desplazamiento suele ser paralela a la superficie discontinua. La mayoría de las fallas se forman por cizallamiento y las rocas tectónicas suelen estar presentes en las zonas de falla. La zona de falla entre capas es un plano estructural que suele encontrarse en masas rocosas estratificadas con una ocurrencia que suele ser coherente con la formación de la roca.

Plano estructural secundario: El plano estructural secundario se refiere al plano estructural formado por la fuerza externa (por ejemplo, la meteorización, las aguas subterráneas y la descarga) después de la formación de la masa rocosa. Este plano incluye fisuras de descarga y meteorización, capas secundarias de arcilla e intercalaciones fangosas. Las fisuras de descarga se producen sobre todo en la superficie de masas rocosas con condiciones superficiales de forma libre con ductilidad común, especialmente en las orillas de barrancos de corte profundo. Las fisuras de meteorización suelen desarrollarse a lo largo de las capas intermedias originales y del plano estructural original. Estas capas cortas y densas tienen poca ductilidad y están limitadas a cierta profundidad. La capa intermedia fangosa se forma por la acción del agua que enturbia el material blando de la capa intermedia. La aparición de la capa intermedia fangosa es similar a la de la formación rocosa, y el grado de fangosidad varía en función de las condiciones de las aguas subterráneas.

El plano estructural secundario puede dividirse según la longitud de extensión del plano estructural, la profundidad del corte, la anchura de la zona de fractura y sus propios efectos mecánicos[2,4,5].

El plano estructural de nivel I se refiere principalmente a fallas grandes o regionales que generalmente se extienden de varios kilómetros a decenas de kilómetros, con un ancho de banda de fractura que oscila entre varios metros y decenas o incluso varios cientos de metros. El plano estructural de nivel I es un plano estructural débil a gran escala que constituye una unidad mecánica media independiente. Algunas grandes fallas regionales suelen estar asociadas a actividades modernas relacionadas con la estabilidad de la corteza en la zona de construcción y, por tanto, conllevan grandes daños potenciales para la construcción. Los proyectos de construcción deben evitar los planos estructurales de nivel I aplicando medidas eficaces.

El plano estructural de nivel II se refiere a una interfaz geológica regional que se extiende de unos cientos de metros a varios kilómetros con una anchura reducida (de varios centímetros a varios metros), como el desplazamiento entre capas, la disconformidad y la capa intermedia débil primaria. Este plano estructural es un plano estructural débil que puede formar un límite de bloque-fractura que controla varios factores que afectan al trazado del proyecto, como la estabilidad de la montaña en la zona de construcción y la deformación y el modo de fallo de la masa rocosa.

El plano estructural de nivel III se refiere a fallas, juntas regionales, capas bien extendidas y desplazamientos entre capas con longitudes que van de decenas de metros a cientos de metros y anchuras que van de unos pocos centímetros a aproximadamente un metro. La mayoría de las caras estructurales de nivel III pertenecen a planos estructurales duros, mientras que unas pocas pertenecen a planos estructurales débiles. Este plano afecta o controla principalmente la estabilidad de las masas rocosas de ingeniería; forma daños en bloque de diferentes escalas cuando se combina con las caras estructurales de los niveles I y II.

El plano estructural de nivel IV se refiere a juntas, capas, fracturas secundarias, pequeñas fallas y superficies morfológicas y fisiológicas desarrolladas. Su longitud suele ser de decenas de centímetros a veinte o treinta metros (máximo de diez centímetros para las pequeñas), y su anchura oscila entre cero y varios centímetros. Este plano puede formar el límite de los bloques de roca, destruir la integridad de las masas rocosas y afectar a las propiedades físicas y mecánicas de las masas rocosas y al estado de distribución de las tensiones. Este nivel incluye numerosos planos estructurales con una distribución aleatoria, lo que afecta a la integridad y a las propiedades mecánicas de las masas rocosas. Además de ser el contenido principal de la clasificación de masas rocosas y de la investigación estructural, el plano estructural de nivel IV es también la entrada clave en el análisis estadístico y la simulación de planos estructurales.

El plano estructural de nivel V, también llamado plano de microestructura, comprende juntas ocultas, microcapas, microfisuras y clivajes y texturas no desarrollados. El pequeño tamaño, la escasa continuidad y la distribución aleatoria de esta capa reducen la resistencia de la masa rocosa, afectando principalmente a las propiedades mecánicas de las rocas. Si la distribución es densa, las rocas pueden convertirse en medios sueltos bajo la intemperie.

3.2 Descripción de la masa rocosa
Una masa rocosa suele describirse según su resistencia, color, estructura, grado de meteorización, nombre, plano estructural y otra información geológica. Antes de la descripción, la masa rocosa debe dividirse primero en unidades con características de ingeniería coherentes. El tipo de roca, el grado de meteorización y las características del plano estructural suelen adoptarse como base para la selección de los límites de una unidad de masa rocosa. La información sobre las características de la masa rocosa debe contener la descripción de las estructuras geológicas, las características de las discontinuidades y las características de meteorización[6].

3.2.1 Estructura de la masa rocosa
La estructura de la masa rocosa se refiere a la estructura a macroescala. En geología, la construcción engloba generalmente fallas y pliegues que suelen describirse como estructuras rocosas a gran escala. Los ingenieros suelen preocuparse por las características estructurales de las pequeñas masas rocosas. Las rocas sedimentarias también se denominan “estratificadas”, “de placas finas” y “en bloques”. En el caso de las rocas magmáticas (y volcánicas clásticas) y metamórficas, otros términos incluyen ‘en bloque’ y ‘en forma de flujo’, ‘en forma de hoja’, ‘en forma de banda’ y ‘en forma de hendidura’. La separación entre construcciones puede clasificarse en muy gruesa, gruesa, moderada, fina y muy fina.

3.2.2 Características del plano estructural
Una descripción exhaustiva del plano estructural contiene información sobre su aparición, espaciado, continuidad, rugosidad, apertura, características de relleno y permeabilidad. El estudio de los planos estructurales puede dividirse en dos niveles: (1) estudios subjetivos, que sólo describen los planos estructurales que ejercen un impacto significativo en el proyecto, y (2) estudios objetivos, que describen todos los planos estructurales que intersectan la línea de base o están situados dentro de la zona definida.

1 Ocurrencia
El aspecto de un plano estructural puede expresarse mediante el buzamiento y el ángulo de buzamiento. Un buzamiento está representado por un ángulo de inclinación del plano estructural en el sentido de las agujas del reloj respecto al norte verdadero, mientras que un ángulo de buzamiento se expresa por el ángulo de inclinación máximo del plano estructural medido en la dirección horizontal. Los buzamientos y los ángulos de inclinación se miden habitualmente con brújulas e inclinómetros. La expresión general del aspecto es ‘dirección de buzamiento∠ángulo de buzamiento’.

2 Espaciado
El espaciado de los planos estructurales se refiere al espaciado medio en la dirección normal de un conjunto de planos estructurales.

3 Continuidad
La continuidad, que es básicamente el tamaño de un plano estructural, es una descripción crucial de los planos estructurales. Obtener la cantidad de la forma tridimensional de un plano estructural es difícil. La continuidad sólo puede aproximarse midiendo la longitud de las trazas del plano estructural (es decir, la masa rocosa expuesta a la superficie). En la descripción, es necesario especificar si el plano estructural termina en el interior de la roca o en otros planos estructurales.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

4 Rugosidad
La rugosidad de un plano estructural tiene dos partes: la ondulación y el desnivel. La ondulación, o fluctuación de los planos estructurales dentro de rangos a gran escala (decenas de metros de longitud), puede evaluarse mediante la longitud de onda y la amplitud. La irregularidad se refiere a las irregularidades de la superficie de un plano estructural dentro de rangos a pequeña escala (de unos centímetros a unos metros), tal y como se describe en la norma de 10 niveles de Barton[8].

5 Apertura
El grado de apertura es la distancia vertical entre las paredes de roca a ambos lados de un plano estructural abierto. Suele estar causada por la tensión de tracción, el lavado y la disolución de los materiales de relleno o el cizallamiento de un plano estructural sustancialmente rugoso. Esta característica determina la resistencia al cizallamiento y la conductividad hidráulica de un plano estructural. La clasificación de los grados de apertura se muestra en la tabla 3.3.

6 Características de los materiales de relleno
Esta característica describe los materiales de relleno dentro de los planos estructurales. En la mayoría de los casos, partes de los materiales de relleno de un plano estructural contienen materiales extraños que se forman debido a la intensa meteorización en el plano estructural. La resistencia mecánica del material de relleno es generalmente más débil que la de la roca madre. Los materiales de relleno típicos son el suelo, los minerales de roca meteorizados o descompuestos (por ejemplo, cuarzo, calcita, manganeso o caolín) y la brecha formada en las fallas o zonas de cizalla.

El tipo de mineral, el tamaño de las partículas y la resistencia del material de relleno deben describirse de forma exhaustiva. También deben indicarse la anchura (máxima, mínima y media), la humedad y la permeabilidad del material de relleno.

7 Permeabilidad
La evaluación de la permeabilidad de los planos estructurales es importante en la práctica de la ingeniería. La permeabilidad del plano estructural suele describirse como seca, húmeda (sin flujo de agua) o con flujo existente. Para el caso de flujo existente, debe registrarse la cantidad de flujo y el caudal. También debe anotarse la fecha de observación para distinguir las estaciones seca y lluviosa.

8 Estado de la fractura
La fractura del núcleo puede describirse mediante los siguientes parámetros: recuperación total del núcleo, recuperación sólida, índice de calidad de la roca e índice de fractura. El “núcleo sólido” es el término clave para evaluar el estado de fractura. Se refiere al núcleo situado entre dos planos estructurales naturales. El núcleo completo no es necesariamente cilíndrico, pero debe existir al menos una sección transversal circular completa a lo largo de la dirección axial.

La recuperación total del testigo es el porcentaje del testigo recuperado extraído de un determinado metraje por viaje de ida y vuelta, independientemente de si la sección transversal está completa, parcialmente completa o incompleta.

La designación de la calidad de la roca (RQD) es el porcentaje de la longitud total del testigo sólido (para longitudes superiores a 100 mm) por metraje por viaje de ida y vuelta.

El índice de fractura (IF) se refiere al número de planos estructurales que pueden identificarse claramente por metro del testigo. Se mide sobre la longitud del testigo con una distribución uniforme de las fracturas. Si la frecuencia de fractura del testigo extraído de un determinado metraje por viaje de ida y vuelta cambia significativamente, el índice de fractura de cada parte debe calcularse por separado. Cuando el núcleo está fragmentado, el IF se califica de “incompleto”.

9 Meteorización de la masa rocosa
Desde la superficie hasta terrenos más profundos, la intensidad de meteorización de una roca disminuye. Al determinar la zona de meteorización de la masa rocosa, ésta se clasifica según la proporción volumétrica de la zona de meteorización. Sin embargo, el contorno de la zona de meteorización no puede determinarse con precisión porque las características tridimensionales de la masa rocosa son difíciles de obtener. En la práctica, sólo puede estimarse el porcentaje volumétrico.

10 Información adicional
Al describir las masas rocosas, debe registrarse otra información que pueda ayudar a los ingenieros a comprender las propiedades de la masa rocosa. Algunos ejemplos son la geometría de los poros de la roca carbonatada, el plano estructural circundante, el estado de las aguas subterráneas y las características de permeabilidad.

3.3 Clasificación ingenieril del macizo rocoso
En ingeniería, el objetivo de la clasificación de masas rocosas es analizar de forma exhaustiva las condiciones geológicas que afectan a la estabilidad y a las propiedades físicas y mecánicas de las masas rocosas. La clasificación divide las masas rocosas en varias categorías con diferentes grados de estabilidad para orientar la planificación, el diseño y la construcción. Dos ejemplos de sistemas de clasificación de masas rocosas en ingeniería aplicados internacionalmente son el sistema de clasificación de masas rocosas (RMR) propuesto por Bieniawski (1974, 1984) y el sistema de índice de calidad (Q) para túneles propuesto por Barton et al. (1974).

Revisor de hechos: Whorham

Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Rock: Rock

Véase También

Bibliografía

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