Fallas

Definición

Falla:

superficie o zona delgada a lo largo de la cual un lado se ha desplazado con respecto al otro, en una dirección paralela a la superficie o zona. Muchas fallas son fracturas de cizalle (frágil( o zonas de fracturas de cizalle cercanas. Algunas, sin embargo, son zonas angostas de cizalle con deformación dúctil, donde el movimiento ocurre sin pérdida de cohesión a la escala del afloramiento. Se usa el nombre falla, para distinguir fracturas de cizalle o zonas que se extienden por varios metros o kilómetros. A escala centimétrica se denominan fracturas de cizalle y a escala milimétrica o menor, microfallas.

Las fallas son rasgos estructurales de primera importancia en la superficie de la tierra. Ellas afectan bloques de corteza que pueden llegar a tener áreas de miles o millones de kilómetros cuadrados: incluyen, por ejemplo, límites de placas de varios miles de kilómetros de largo.

Tipos de fallas

Una falla divide un macizo rocoso en dos bloques de falla. Para una falla inclinada los geólogos han adoptado para denominar esos bloques los términos mineros techo y piso.

Figura 3.1: Piso y techo.

Para fallas verticales, los lados se denominan según los puntos cardinales.

Figura 3.2: Lados norte y sur.

En términos de su inclinación, las fallas se clasifican como fallas de alto ángulo si el manteo es mayor que 45^o , y fallas de bajo ángulo si el manteo es menor.

Figura 3.3: Fallas de alto y bajo ángulo.

Las fallas se diferencian, dependiendo de la orientación del desplazamiento relativo de un bloque con respecto a otro, en tres categorías:

• Fallas de desplazamiento en el manteo (fallas de manteo): desplazamiento paralelo al manteo de la superficie de falla. El desplazamiento en el manteo puede ser descrito como la suma de una componente vertical (salto) y una horizontal.

• Fallas de desplazamiento en el rumbo (fallas de rumbo): desplazamiento paralelo al rumbo de la superficie de falla.

• Fallas de desplazamiento oblicuo (fallas oblicuas): el vector desplazamiento está inclinado en la superficie de falla y puede ser descrito como la suma de un desplazamiento en el rumbo y otro en el manteo. Puede considerarse también como la suma de una componente horizontal y una vertical.

Las fallas, en términos del movimiento relativo, pueden ser:

• Fallas normales: fallas de desplazamiento principal en el manteo, inclinadas, en las cuales el techo se mueve hacia abajo con respecto al piso principal.

• Fallas inversas: fallas de desplazamiento principal en el manteo, inclinadas, en las cuales el techo sube con respecto al piso.

• Fallas verticales: fallas de desplazamiento en el manteo con el plano de falla vertical, que no pueden ser clasificadas como normales o inversas.

• Fallas de rumbo: fallas donde el vector desplazamiento es horizontal. Pueden ser descritas como dextrales, si mirando desde el bloque opuesto el bloque observado parece desplazado hacia la derecha; o sinistrales, si el bloque opuesto se ve desplazado a la izquierda.

Figura 3.4: Fallas normales, inversas y de rumbo.

Fallas de desplazamiento oblicuo pueden ser descritas también de acuerdo a la naturaleza de los componentes del vector deslizamiento en el rumbo y en el manteo. Los nombres que resultan son compuestos, por ejemplo, sinistral-normal, dextral-inversa, etc.

• Fallas rotacionales: en ellas hay rotación de un bloque con respecto al otro.

Figura 3.5: Fallas rotacionales.

Reconocimiento de las fallas

Los criterios para reconocer fallas pueden ser divididos en tres categorías:

1. Rasgos intrínsecos a la falla.
2. Efecto en unidades rocosas.
3. Efecto en rasgos fisiográfi.cos

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Rasgos intrínsecos a la falla

Las fallas a menudo pueden ser reconocidas por las estructuras y las texturas características que se desarrollan en las rocas como resultado del cizallamiento. Estas texturas y estructuras varían con la cantidad y velocidad del cizalle y con las condiciones físicas bajo las cuales ocurre la falla, incluyendo P y T. Estas últimas son típicamente función de la profundidad a la cual el fallamiento ocurre.

Rocas cataclásticas

Las fallas formadas en profundidades menores que 10 a 15 km presentan típicamente rocas cataclásticas en la zona de falla. Este término se refiere, en general, a rocas que han sido fragmentadas en clastos o trozos durante deformación frágil. Los fragmentos individuales son generalmente angulosos, afilados e internamente fracturados. Las rocas cataclásticas pierden, generalmente, la estructura interna original (por ejemplo planos en la roca original). Ocurren a profundidades de 1 a 4 km. Cataclasitas cohesivas ocurren hasta los 10 a 15 km de profundidad. Las rocas cataclásticas tienen espesores desde algunos milímetros hasta 1 ó más kilómetros. Por lo general, a mayor espesor de la zona y menor tamaño de grano, mayor es la cantidad de desplazamiento que se ha acumulado en la falla.

Tabla 3.1: Rocas Cataclásticas.

Fábrica	Textura	Nombre	Clastos	% Matriz
En general sin orientación preferencial	Cataclástica: aguzada, fragmentos angulosos	Brechas:
				megabrechas
				brechas
				microbrechas
				Salvanda
				Cataclasita
				Pseudotaclita

Rocas miloníticas

Las zonas de fallas formadas a profundidades mayores que 10-15 km están caracterizadas por otro tipo de roca, de grano más fino, denominadas milonitas, formadas como resultado de una deformación dúctil que ocurre en la corteza a temperaturas mayores que 25^o a 35^oC. La matriz de grano fino proviene de la reducción del grano de la roca original y puede contener minerales relictos o porfiroclastos. Los granos finos muestran texturas características de rocas metamórficas. El límite entre los granos puede ser poligonal formado por puntos triples a 12^o (a) o suturados (b). Las rocas miloníticas presentan una estructura interna muy marcada planar y linear llamada foliación y lineación, que es paralela a la zona de falla. Las rocas miloníticas se forman como resultado de la recristalización de granos minerales durante una deformación dúctil rápida y ocurren en zonas de cizalle dúctil que varían en espesor desde una fracción de metros hasta decenas o centenas de metros.

Tabla 3.2: Rocas Miloníticas.

Fábrica	Textura	Denominación		Clastos	% Matriz
Foliada y lineada	Metamórfica: intercerecimiento en bordes de granos, suturados o poligonales	Gneiss Milonítico		>  50 $\mu$m
				Serie Milonitas

Figura 3.6: Casos (a) y (b).

Estructuras en milonitas

Las zonas de cizalle dúctil pueden contener un número de estructuras de pequeña escala que indican el sentido del cizalle. Minerales tabulares pueden alinearse dando origen a una foliación que forma un ángulo de aproximadamente 45^o con la zona de cizalle en los bordes y que es aproximadamente paralela a la zona en el centro. El patrón sinusoidal de la foliación define el sentido del cizalle (A).

Las fallas dúctiles también pueden exhibir pliegues característicos, en forma de tubos extensos que se denominan pliegues vaina. La dimensión máxima de los pliegues es paralela a la dirección de deslizamiento de la falla dúctil (B).

En zonas de cizalle dúctil muchas rocas contienen grandes cristales. Algunos son cristales relictos o porfiroclastos que sobrevivieron al cizallamiento y reducción del tamaño de grano de la roca original. Otros son porfiroblastos, es decir, granos minerales que crecen hasta un tamaño relativamente grande durante el metamorfismo y la deformación.

Porfiroclastos encontrados en milonitas pueden contener ``colas'' asimétricas de grano muy fino que están recristalizadas desde los bordes del porfiroclasto mismo. El sentido de asimetría de las colas define el sentido del cizalle de la roca deformada. Se distingue dos morfologías diferentes, tipo $\sigma$ y tipo $\delta$. En los porfiroclastos $\sigma$, la cola se extiende desde cada lado del grano en la dirección del cizalle relativo en la matriz y las colas no traspasan la línea que pasa por en centro del grano y que es paralela a la foliación (C). El tipo $\delta$ es derivado del tipo $\sigma$ por rotación del porfiroclasto en un sentido consistente con el cizalle y las colas traspasan la línea central (D).

Figura 3.7: Estructuras en milonitas: Casos A, B, C, D, E, F, G y H.

Algunas colas asimétricas se pueden formar a partir de un mineral distinto al porfiroclasto, en zonas denominadas sombras de presión, que son difíciles de interpretar. No deben ser confundidas con las colas antes mencionadas.

Los porfiroblastos no se deforman con el resto de la roca, pero rotan como granos rígidos durante la deformación dúctil de la matriz. Minerales que forman porfiroblastos incluyen al granate y la estaurolita. Mientras crecen durante la deformación, incorporan minerales adyacentes de la matriz, como por ejemplo micas. La rotación continuada y el crecimiento de porfiroclastos resulta en inclusiones helicoidales que definen el sentido de rotación del grano y por lo tanto, el sentido de cizalle de la roca (E,F).

Algunos minerales porfiroclásticos, como mica y feldespatos, tienden a fracturarse en fracturas pequeñas o planos cristalográficos para acomodarse a la deformación dúctil de la matriz. Si las fracturas inicialmente forman un ángulo alto con el plano de cizalle, entonces el sentido del cizalle de esos planos es opuesto al de la matriz. Si forman bajos ángulos, el sentido de cizalle de los planos de fractura será el mismo que el de la matriz (G,H).

Estructuras en el plano de falla

Cuando están expuestos, los planos de fallas son comúnmente suaves, con superficies lineadas llamadas espejos de falla o estrías, las cuales se forman como respuesta al cizallamiento en que son paralelas a la dirección de deslizamiento de la falla. Pueden ser de tres tipos:

1. Canales o lomos
2. Venillas minerales formadas por pulverización y cizallamiento de granos minerales
3. Fibras minerales de cristales únicos

Las fallas que se desarrollan a profundidades relativamente superficiales pueden ser dilatantes, es decir, desarrollan espacios abiertos por donde puede circular agua o fluidos hidrotermales. Por lo tanto, muchas fallas pueden contener depósitos de minerales secundarios, incluyendo cuarzo, calcedonia, ópalo, calcita, etc., como vetas o como cemento de brechas de falla. Muchos depósitos económicos ocurren a lo largo de zonas de falla.

Efecto de fallamiento en unidades

Desplazamiento por fallas produce por lo general contacto entre unidades que no existiría naturalmente. Este tipo de discontinuidad es uno de los mayores argumentos para determinar la presencia de una falla.

Criterios topográficos

Muchas fallas activas e inactivas tienen efectos en la topografía y controlan drenajes y flujos de agua subterránea.

Determinación del desplazamiento de una falla

La determinación requiere conocer la magnitud y dirección de su desplazamiento. Algunos rasgos indican el desplazamiento total, otros el desplazamiento parcial o aproximado.

La determinación completa del desplazamiento requiere un rasgo linear particular, preexistente, que intersecte a la falla y sea desplazado por ésta. Los puntos del rasgo linear se unen en el plano de falla y se obtiene el vector desplazamiento. La posición relativa permite definir el sentido del cizalle. Ej.: vetillas, fallas, estratificación, etc.

Determinación parcial del desplazamiento

En muchos casos en que puede ser identificada una falla o zona de cizalle dúctil es posible determinar la orientación del vector desplazamiento y el sentido del cizalle, pero no la magnitud del desplazamiento. Este tipo de información puede ser obtenida examinando rasgos a escala microscópica y a escala de muestra de mano (por ejemplo lineaciones).

Las lineaciones determinadas por el crecimiento de fibras minerales se orientan a un pequeño ángulo del plano de una fractura de cizalle, de modo que una flecha que contiene a la fibra y que apunta desde su ``punto inicial'', indica la dirección de movimiento relativo del bloque opuesto.

Durante el fallamiento frágil, se pueden desarrollar fracturas secundarias menores a lo largo del plano de falla a ángulos bajos a moderados con respecto a la falla. Éstas pueden ser de extensión o de cizalle. Las de extensión son no estriadas y pueden estar rellenas con minerales secundarios. Las de cizalle tienen estrías.

Las fracturas secundarias dan 4 criterios útiles para determinar el sentido de cizalle en la superficie de falla:

1. En una superficie de falla expuesta, fracturas de extensión cortan la superficie de falla en dirección (rumbo) perpendicular al movimiento y se inclinan en el sentido de movimiento del bloque que falta. Estas fracturas de extensión son las mismas que fueron descritas como pinadas. En un perfil, sets de estas fracturas pueden formar un arreglo en echelon (A).

2. Si cuando están expuestas en el plano de falla, las fracturas de extensión tienen una forma de luna creciente, ellas son cóncavas en el sentido del movimiento del bloque que falta (B).

3. Si hay fracturas secundarias estriadas que se extienden bajo el plano de falla principal, entonces las fracturas mantean en el sentido del movimiento del bloque que falta (C,D).

4. Algunas fracturas de cizalle no pasan bajo el plano de falla. Ellas pueden alternarse con fracturas de extensión secundarias que si traspasan el plano de falla o pueden ser simplemente las caras de irregularidades en el plano de falla. En estos casos, las superficies estriadas miran en sentido opuesto al sentido de movimiento del bloque que falta.

Figura 3.8: Criterios para el sentido del cizalle en rocas frágiles. Los diagramas de bloques muestran la relación entre fracturas secundarias y el sentido de cizalle en una fractura. El plano superior es el plano de cizalle, el movimiento relativo está indicado por flechas. Las fracturas de extensión no son estriadas y pueden ser rellenas por minerales secundarios. Las superficies de fractura estriadas son fracturas de cizalle.

Fallas normales

Fallas lístricas:

disminuyen el manteo con la profundidad.

Fallas imbricadas:

son fallas más o menos paralelas que pueden terminar en un nivel de despegue.

Figura 3.9: Fallas imbricadas y lístricas.

Asociaciones estructurales de fallas normales

Las fallas normales están en general, presentes como un sistema de fallas asociadas. En muchos casos, las fallas son conjugadas, es decir, tienen rumbos similares, pero distinta dirección de manteo o sentido de cizalle opuesto. Comúnmente en estos sistemas algunas de estas fallas tienen mayor desplazamiento, es decir, mayor deformación. Si las fallas menores son paralelas a una falla mayor y tienen el mismo sentido de cizalle, se denominan sintéticas.

Graben:

bloque hundido limitado por dos fallas normales conjugadas.

Half graben:

bloque hundido, basculante, limitado por una falla mayor.

Horst:

bloque levantado (en términos relativos), limitado por dos fallas normales.

Figura 3.10: Los sistemas de fallas normales se caracterizan normalmente por una falla principal con fallas subsidiarias asociadas y por fallas de bajo ángulo con bloques de fallas imbricadas en el bloque colgante.

Fallas de rumbo

Son fallas usualmente verticales que acomodan el stress horizontal en la corteza. Las fallas transformantes y transcurrentes son sistemas de fallas regionales mayores que generalmente comprenden zonas con muchas fallas asociadas. Pueden tener un largo de varios kilómetros.

Transformantes:

fallas que forman límites de placas (segmentos de litósfera).

Transcurrentes:

fallas de rumbo, regionales, en corteza continental. No son límites de placas.

Figura 3.11: Fallas transformantes y transcurrentes.

El desplazamiento predominante horizontal de las fallas produce una separación horizontal de elementos estructurales. Las estrías son horizontales.

Asociada a las fallas de rumbo hay una variedad de fracturas de cizalle, pliegues y fallas. Las orientaciones de estas estructuras, relativas a la falla de rumbo principal, son características del sentido de cizalle de la falla. Fracturas de cizalle subsidiarias conocidas como ``Riedel shears'' (o R shears) se desarrollan a ángulos pequeños ( 10<sup>0</sup> - 20<sup>0</sup>) del plano principal en un arreglo ``en echelon". Las R shears son sintéticas a la falla principal, es decir, son subparalelas y tienen el mismo sentido de cizalle que la falla principal. El ángulo agudo entre la R y la falla principal indica la dirección de cizalle.

Figura 3.12: Riedel shears.

Otras fracturas subsidiarias que se pueden desarrollar son las ``P shear'', que son sintéticas a la falla principal, orientadas simétricamente con respecto a las R shears. Las ``R' shears'' son fracturas de cizalle antitéticas con respecto a la falla principal, ubicadas a ángulos altos de ella ( 70⁰ - 80⁰).

Figura 3.13: P shears y R' shears.

A pequeña escala estos criterios son útiles para ver el sentido de cizalle de una fractura frágil. A gran escala, estas fracturas pueden formar una red compleja de fallas anastomosadas difíciles de interpretar. En torno a la falla principal se pueden formar fallas inversas y pliegues en un arreglo en echelon.

El rumbo de las charnelas y de las fallas inversas están orientados a 45⁰ de la falla principal y el ángulo agudo definido por la intersección de la traza de la falla con la charnela o traza de la falla inversa, apunta en dirección del movimiento del bloque opuesto al que contiene la estructura. Estas estructuras registran una componente de compresión oblicua a la falla de rumbo, más o menos perpendicular al rumbo de la charnela y traza de la falla inversa.

A lo largo de fallas de rumbo se pueden desarrollar también, fallas normales en arreglos en echelon, más o menos perpendiculares a las charnelas vistas en el párrafo anterior. El ángulo agudo definido por la traza de la falla normal y la traza de la falla principal apunta en la dirección del movimiento del bloque que la contiene. Estas estructuras reflejan una componente de extensión oblicua a la falla principal.

Fallas en 3-D

Figura 3.14: Rampas o curvaturas de compresión y de extensión.

Todas las fallas son tridimensionales: superficies irregulares de extensión finita.

Una superficie individual de falla generalmente no es un plano levemente curvado, sino que tiene muchas rampas de falla que conectan distintos segmentos de ella (irregularidades).

En general, el desplazamiento de uno de los bloques de la falla sobre la rampa induce una deformación cuyas características dependen de la orientación y del desplazamiento de la falla. Durante el fallamiento la ubicación de una rampa puede migrar, resultando un duplex de falla caracterizado por un conjunto de escalones curvados, limitado por la falla principal.

Figura 3.15: Duplex de falla: normal, inverso y de rumbo.

Figura 3.16: Duplex de fallas.

Distribución de stress y fallamiento

Teoría de Anderson.

El tipo de falla que se formará depende de la ubicación de los stresses principales.

$\theta$ :

ángulo entre el plano de falla y el stress principal máximo.

• Si $\sigma_{1}^{}$ es vertical $\Rightarrow$ $\theta$ = 30⁰. Las fallas tendrán $\mu$ = 60⁰ y el sentido de cizalle será el de una falla normal.

• Si $\sigma_{{3}}^{}$ es vertical y $\theta$ = 30⁰ $\Rightarrow$ falla con sentido de cizalle característico de una falla inversa.

• Si $\sigma_{{2}}^{}$ es vertical $\Rightarrow$ el plano de falla (que siempre contiene a $\sigma_{{2}}^{}$) es vertical y $\sigma_{{1}}^{}$ y $\sigma_{{3}}^{}$ son horizontales $\Rightarrow$ fallas de rumbo.

Figura 3.17: Teoría de Anderson.