Fa
cultad d
e C
iencia
s E
xperim
enta
les
UNIVERSIDAD DE JAÉN Facultad de Ciencias Experimentales
GRADO EN CIENCIAS AMBIENTALES
Trabajo Fin de Grado
Alumna: Ana Moral Trujillo
Jaén, Junio 2016
Caracterización de materiales geológicos en fallas activas. La falla de
Baza
2
3
UNIVERSIDAD DE JAÉN
Grado en Ciencias Ambientales Trabajo Fin de Grado
Caracterización de materiales geológicos en fallas activas. La falla de
Baza
Alumna: Ana Moral Trujillo
Jaén, Junio 2016
4
5
ÍNDICE
RESUMEN…………………………………………………………………………..….7
ABSTRACT……………………………………………………………………….……7
1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………...7
2. OBJETIVOS…………………………………………….……………………...…...8
3. MATERIALES Y MÉTODOS……………………………………………………...9
3.1. Contexto geológico…………………………………………………..….…9
3.2. Materiales de estudio……………………………………………………..11
3.3. Métodos empleados…………………………….…………………………14
3.3.1. Difracción de Rayos X (XRD)………………………………………..15
3.3.2. Microscopio electrónico de barrido (SEM)……………………...….16
3.3.3. Microfluorescencia de rayos X (µXRF)……………………….…….17
4. RESULTADOS……………….........................................................................17
4.1. Caracterización mineralógica de las bandas de formación. XRD.17
4.2. Caracterización textural de las bandas de deformación. SEM......19
4.2.1. Bandas de desagregación...………………………………….…...…20
4.2.2. Bandas de filosilicatos………………………………………...…...…20
4.2.3. Bandas protocataclásticas………………………………………...…21
4.2.4. Clay smearing………………………………………………………....22
4.2.5. Bandas de Sellado…………………………...……………………….23
5. DISCUSIÓN………………………………………………………………………..23
5.1. Distribución de microfábricas y mecanismos de deformación
desarrollados durante el ciclo sísmico en secuencias poco profundas
de arenas, limos y arcillas……………………………………………………24
5.2. Influencia de los niveles intercalados de arcillas………….…….…25
5.3 Impacto del desarrollo de las bandas de deformación sobre el flujo
de fluidos y los recursos hídricos…………………………………………..26
6. CONCLUSIONES……………………………….…………………………..…….27
7. AGRADECIMIENTOS……………………….……………………………………27
8. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………….……..28
ANEXO I. Diagramas de difracción de rayos X de los materiales
estudiados…………………………………………………………………………...32
6
7
RESUMEN
Se han estudiado microestructuras de deformación en fallas con
desplazamientos de escala de m-cm que cortan secuencias de rocas blandas
compuestas por intercalaciones de carbonatos, margas, arenas, limos, yesos y
arcillas en una zanja excavada en la falla de Baza (España). El propósito de
este estudio es llevar a cabo una caracterización mineral y petrográfica de las
rocas blandas de la zona de falla expuesta en la trinchera excavada con el fin
de reconocer las microestructuras y los mecanismos de deformación ocurridos
durante la deformación sísmica.
ABSTRACT
Deformation microstructures in m to cm-scale displacement faults offsetting
soft-rocks sequences of interbedded carbonate, marls, sands, silts, gypsum and
clays from an excavated trench in the Baza fault (Spain) have been examined.
The aim of this study is to carry out a mineral and petrographic characterization
of the soft-rocks of the fault zone exposed in a trench in order to recognize
particular microstructures and deformation mechanisms occurring during
seismic deformation.
1. INTRODUCCIÓN
La Cordillera Bética centro-oriental presenta la actividad tectónica reciente y
sísmica más elevada de la Península Ibérica según Galindo-Zaldívar et al.,
(1989). En esta región se sitúa la cuenca de Guadix-Baza, una depresión
intramontañosa de unos 4000 km2, que tiene varias fallas activas, entre las que
destaca por su significado regional, la falla de Baza, de acuerdo con Alfaro et al.,
(2008). Esta falla normal activa, situada sobre un basamento principalmente
carbonatado de las zonas Interna y Externa de la Cordillera, tiene 37 km de
longitud y un salto vertical acumulado de más de 2 km desde el Mioceno hasta
la actualidad. Es la fuente sismogénica del terremoto de Baza de 1531 que
causó varios centenares de víctimas mortales. Esta falla afecta a los materiales
de la subcuenca de Baza, caracterizada por un registro sedimentario lacustre
del Plioceno y buena parte del Pleistoceno en la que alternan niveles de escala
centimétrica ricos en arcillas con areniscas y limos carbonatados sin litificar.
8
El comportamiento de falla de las secuencias que intercalan arenas y
arcillas no es completamente entendido; existen pocas descripciones de fallas
que afecten a este tipo de secuencias, especialmente en lo que se refiere a las
microestructuras (Heynekamp et al., 1999; van der Zee y Urai., 2005; Childs et al.,
2007). En general, aunque a escala de afloramiento este tipo de estructuras son
muy nítidas, el estudio microscópico revela la presencia de zonas donde la
deformación se encuentra distribuida en superficies de deslizamiento
concretas. Este tipo de estructuras son denominadas bandas de deformación
(Aydin, 1978; Fossen et al., 2007; Mandl et al.1977; Braathen et al., 2009; Fossen,
2010).
En este trabajo se presenta el análisis mineralógico y microestructural de
secuencias que intercalan arenas, limos y arcillas en la zona de falla de Baza.
Se describen las microestructuras asociadas a fallas principales y menores que
cortan a la secuencia poco litificada lacustre plio-pleistocena de la subcuenca
de Baza y que puede observarse en una trinchera excavada en dichos
materiales.
2. OBJETIVOS
El objetivo científico principal de este trabajo es reconocer los mecanismos
de deformación que actúan preferentemente en los diferentes tipos litológicos
que componen la secuencia sedimentaria plio-plesitocena de la subcuenca de
Baza, mediante la descripción mineralógica y de la estructura interna de las
bandas de deformación que incluyen los materiales de dicha secuencia.
La comparación mineralógica y textural de los distintos tipos de bandas
permitirá obtener conclusiones sobre los factores que controlan la respuesta de
los materiales ante el esfuerzo.
El análisis de las modificaciones texturales producidas por la deformación
debe aportar datos para evaluar el comportamiento como barrera o conducto
de la falla para el flujo de fluidos.
Así mismo, desde el punto de vista formativo, permitirá plantear la
resolución de un problema de investigación mediante la aplicación de los
principios del método científico, así como el aprendizaje, manejo y comprensión
de diversas técnicas y métodos de caracterización de materiales geológicos,
9
especialmente difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido
(SEM) y microfluorescencia de rayos X (µXRF).
3. MATERIALES Y MÉTODOS
3.1. Contexto geológico
La zona de estudio se encuentra en la Cuenca de Guadix-Baza (Cordillera
Bética). El desarrollo de la Cordillera Bética al oeste del Mediterráneo es la
consecuencia de la deformación asociada a las placas euroasiática y africana.
A pesar de que la Cordillera Bética se encuentra en un límite de placa
convergente, la evolución del Neógeno y Cuaternario en la zona interna se
caracteriza por el desarrollo de fallas normales que causan la extensión de la
parte superior de la corteza (Galindo-Zaldívar et al., 1989). También han sido
identificadas fallas de desgarre. Estas estructuras están activas desde el
Mioceno. Por lo tanto, la compresión se ha visto acompañada por una
extensión ENE-WSW (Galindo-Zaldívar et al., 1999; Sanz de Galdeano y López-
Garrido, 2000; Marín-Lechado et al., 2005).
La mayoría de las fallas normales más conocidas están situadas en la
cuenca de Granada, situada a poco más de 100 km al SW de la zona de
estudio (Figura 1B). Estudios microtectónicos y análisis de los mecanismos de
coordinación en esta cuenca revelan la existencia de la extensión NE - SW
desde el Mioceno tardío hasta hoy (Galindo-Zaldívar et al., 1999). La falla de
Baza, es una cuenca intramontañosa en la zona central de la Cordillera Bética
(Figura 1A).
En la Sierra de Baza situada en el suroeste de la zona estudiada, las calizas
y dolomías del Triásico medio-superior de los afloramientos alpujárrides, han
sido sometidas a un grado bajo metamorfismo. En menor medida encontramos,
micas, esquistos, cuarcitas y yesos del Triásico inferior (Figura 1B).
Esta superficie, que incluye el contacto entre las Zonas Interna y Externa de
la Cordillera Bética en el área estudiada, está cubierta con un relleno
sedimentario que comienza con rocas marinas de Mioceno Superior y termina
con rocas continentales del Cuaternario (Figura 2) (Vera, 1970a, b; Peña, 1979,
1985; Viseras, 1991; Guerra-Merchán 1992; Agustí 1986; Agustí et al., 1997; Vera et
al., 1994; Soria et al., 1998).
10
Figura 1. Mapa geográfico. A: Situación de ambas cuencas en las Béticas, sur de España. B: Situación regional de las Cuencas de Granada y Guadix-Baza. X roja: situación de las trincheras de Las Cucharetas. (Sanz de Galdeano et al. 2012).
11
Figura 2. Mapa geológico simplificado de la cuenca de Guadix-Baza, que muestra las principales estructuras. B.F.: zona de falla de Baza; G.F.: zona de falla de Galera; Gr.F.: zona de falla de Graena; Z.F.: zona de falla del Zamborino; A-B.F. zona de falla de Alfahuara-Botardo; E-G. F.: falla del E de Guadix; W-N.F.: falla del W del Negratín; B.F.: falla de Benamaurel; N-C. F.: falla del N de Cúllar. X roja: situación de las trincheras de Las Cucharetas. (Sanz de Galdeano et al. 2012).
Las rocas marinas están cubiertas por rocas fluviales y lacustres del Plio-
Cuaternario. Los sedimentos fluviales se componen principalmente de calizas,
areniscas y conglomerados de la Formación de Guadix, los cuales están
expuestos principalmente al oeste de la Falla de Baza. Por otro lado, los
depósitos lacustres están formados principalmente de calizas, margas y yesos
de la formación de Baza, afloran al este de la falla. La sedimentación fluvial y
lacustre termina durante el Pleistoceno superior (Calvache and Viseras 1997).
3.2. Materiales de estudio
Los materiales de estudio fueron tomados en una de las zanjas abiertas en
distintos segmentos de la falla de Baza por el equipo de trabajo del proyecto
“Integración de datos mineralógicos, geoquímicos y tectónicos de fallas activas
para la evaluación de su potencial sísmico” (CGL2011-30153-C02) cuyo
investigador principal es Juan Jiménez Millán. Inicialmente, estas zanjas fueron
realizadas con el fin identificar y datar paleoterremotos del Holoceno y del
Pleistoceno. No obstante, las zanjas no sólo ofrecen unos afloramientos con un
gran potencial para la Paleosismología. También permiten la realización de una
caracterización multidimensional y multiescala de zonas de fallas activas, en la
que se incluye la caracterización mineralógica, microestructural y tectónica de
las zonas de deslizamiento en núcleos de fallas. Con dicho fin, se excavaron
zanjas en los segmentos meridional
(Altichuelas), central (Carrizal) y
septentrional (Cucharetas) de la falla.
Este estudio se centra en las
trincheras de sector septentrional en
el paraje de Cucharetas (Figura 3).
Figura 3. Trincheras del área de Las Cucharetas.
B
12
Las paredes de las
trincheras muestran
materiales de la
secuencia estratigráfica
de la cuenca de Guadix-
Baza que se caracteriza
por la existencia de
alternancias de escala
métrica-centimétrica de
niveles de gravas finas,
areniscas, limos y arcillas
parcialmente litificados
(Figura 4).
Se tomaron
cuidadosamente muestras
de dos posiciones
tectónicas diferentes:
a) Rocas del núcleo de fracturas principales (CU6, CU7):
Numerosas fracturas con un salto estimado de varios metros pueden
observarse en las paredes de las zanjas. Se desarrolla una banda de
deformación de varios centímetros a medio metro de espesor de forma paralela
a la orientación de las fracturas. Dicha banda se compone de un conjunto de
niveles paralelos de espesor centimétrico a milimétrico (Figura 5A).
b) Rocas en la zona de daño de fracturas secundarias (CU1, CU2, CU3,
CU4, CU5):
Numerosas fracturas menores con desplazamiento mucho más pequeño
(centimétrico-milimétrico) afectan a los materiales en la zona contigua a las
fracturas principales. La mayoría de estas fallas son sintéticas a las fallas
principales (ej. CU1, CU3), aunque también aparecen numerosas fracturas
antitéticas (ej. CU2, CU4, CU5). La laminación interna de algunos niveles de
limos es claramente oblicua a la superficie de estratificación que los separa de
los niveles de areniscas (Figura 5B).
Figura 4. Materiales de la secuencia estratigráfica que aparece en las trincheras de Las Cucharetas.
13
Figura 5. Posiciones tectónicas de los materiales en las trincheras de Las Cucharetas. A: Rocas del núcleo de fracturas principales. B: Rocas en la zona de daño de fracturas secundarias.
3.3. Métodos empleados
En este estudio se han tomado datos de campo y de laboratorio. En el
campo se han tomado muestras de la pared de las trincheras en las zonas de
falla. En el laboratorio se han hecho los tratamientos previos necesarios para el
análisis de muestras en la difracción de Rayos X y el microscopio electrónico
de barrido.
En el campo se han tomado 7 muestras repartidas entre las dos trincheras.
Aquellos puntos en donde las muestras salieron hechas un bloque se
embutieron en el laboratorio en una
resina. El resto se trituraron con un
mortero hasta obtener un polvo
(Figura 6).
Para las muestras en polvo se
hacen dos preparaciones, una de
polvo desorientado y otra de
agregados orientados. Para más
adelante analizar en el
difractómetro de Rayos X (XRD) y
realizar un análisis cualitativo de los minerales.
A B
Figura 6. Muestras de polvo.
14
En cuanto a las muestras embutidas en la resina se analizan en el
microscopio electrónico de barrido (SEM), que nos permite ver las texturas de
los minerales a escala micrométrica.
3.3.1. Difracción de Rayos X (XRD)
De cara al análisis en el difractómetro de rayos X, las muestras se molieron
tanto en mortero de hierro, como en el mortero de ágata. Primero se empleó el
mortero de hierro hasta que las muestras quedaron en granos de pequeño
tamaño. Después, esa muestra molida se pasó por el mortero de ágata, donde
se realizó otra molienda de forma más concienzuda para triturar cualquier
fragmento de mayor tamaño y dejarlas homogéneas y totalmente en polvo.
Una vez obtenidos los polvos, se realizaron dos tipos de preparaciones: los
polvos desorientados y los agregados orientados totales (AOT).
Para la preparación de AOT se utilizó un tubo de ensayo con un cuarto de
muestra molida y el resto de agua, una vez agitado enérgicamente para
mezclar la muestra con el agua durante 15 segundos, se dejó 10 segundos en
reposo para que decantara los granos más grandes y favorecer la suspensión
de los granos más pequeños que son los de los minerales de la arcilla. Estos
son más interesantes de cara a los objetivos de este trabajo debido a sus
diversas propiedades, las cuales
se explicarán más adelante.
Después en los portaobjetos
limpios se vertió parte de la mezcla
del tubo de ensayo hasta quedar
los portas totalmente cubiertos con
la mezcla. Los portaobjetos con la
mezcla de agua y muestra se
dejaron secar durante 48 horas
(Figura 7).
Para la caracterización mineralógica se ha utilizado un difractómetro de
rayos X (Figura 8) para muestras pulverizadas Brucker-Siemens D5000, del
Centro de Instrumentación Científico-Técnica de la Universidad de Jaén.
El equipo dispone de un generador de rayos X fijo, con tubos con ánodo de
Cu y Co intercambiables, y un goniómetro unido a un soporte de muestra y a
Figura 7. AOT secándose durante 48 horas.
15
un detector de centelleo. El goniómetro es de geometría θ/2θ. El equipo está
conectado a un ordenador de control que dispone del paquete del software
"Diffrac Plus" para la adquisición de datos y "Diffplus Eval" para el tratamiento y
evaluación de los datos de difracción.
Figura 8. Difractómetro de rayos X empleado.
El objetivo de analizar las muestras mediante difracción de rayos X es
identificar las fases cristalinas presentes mediante la comparación de los datos
obtenidos con los tabulados.
Al incidir los rayos X en la muestra, estos son dispersados. Las direcciones
privilegiadas en las que se produce la difracción están determinadas por la
geometría de las redes cristalinas de las fases minerales presentes, es decir,
por la celdilla unidad que las caracteriza. En el caso de material pulverizado,
asumiendo que la orientación de todos los cristales que forman el polvo es
perfectamente aleatoria, las direcciones privilegiadas forman superficies con
forma de envolvente cónica con ángulos θ característicos, por lo que es
suficiente con registrar la difracción en un solo plano, variando el ángulo que
forman el haz de rayos X, la muestra y el detector.
Los datos se presentan como una gráfica de intensidad de señal recogida
(rayos dispersados) frente al ángulo 2θ.
3.3.2. Microscopio electrónico de barrido (SEM)
Está técnica se aplicó después de la obtención de los difractogramas. Este
instrumento (Figura 9) permite establecer asociaciones de minerales, además
de obtener la composición química de los minerales y poder observar su
textura de forma detallada a escala micrométrica. El microscopio electrónico de
barrido (SEM) de la Universidad de Jaén, modelo MERLIN de Carl Zeiss, con
16
capacidad analítica EDX y WDX de Oxford, es un sistema de alta resolución
que permite trabajar con todo tipo de muestras tanto en imagen como en
análisis. Consta de un cañón de emisión de electrones, que permite una
resolución máxima de la imagen en electrones secundarios (SE) de 0,8 nm a
15 Kv, de 1,4 nm a 1kv y 2,4 nm a 0,2 Kv; el rango de potencial de aceleración
está comprendido entre 0,02 V y 30 kV.
Figura 9. Microscopio electrónico de barrido empleado en este estudio.
Esta técnica se basa en barrer con un haz de electrones sobre un área de
la muestra, mientras en el monitor se visualiza la imagen a escala de grises.
Dichas imágenes tienen tonos más oscuros o más claros dependiendo del peso
atómico, es decir, cuanto más pesado es el elemento, mayor cantidad de
electrones son retrodispersados (BSE) y generan zonas más brillantes en la
imagen, y viceversa.
3.3.3. Microfluorescencia de rayos X (µXRF)
La Micro-fluorescencia de Rayos X (µFRX) es una técnica de análisis
elemental que permite el examen de áreas de muestra muy pequeña y
localizada. A diferencia de la Fluorescencia de Rayos X convencional, la µFRX
utiliza la óptica de Rayos X para restringir el tamaño del haz de excitación o
enfocar el haz de excitación en un pequeño punto en la superficie de la
muestra. De esta forma, se pueden analizar pequeñas zonas de la misma. Para
17
ello, se utiliza óptica capilar para focalizar los Rayos X y poder alcanzar una
resolución espacial para composición elemental de hasta 10 μm. La
fluorescencia emitida por la muestra es capturada en el detector, procesada y
traducida a información sobre la composición elemental. Esta técnica permite la
realización de análisis rápidos y, además, tiene la ventaja de analizar gran
variedad de formas y tamaños de muestra, pudiendo obtener distribuciones
espaciales de elementos (mapping). Para el presente trabajo se tomaron
imágenes composicionales con el equipo Bruker de µXRF de la Universidad de
Jaén recientemente adquirido y actualmente en estado de pruebas.
4. RESULTADOS
4.1. Caracterización mineralógica de las bandas de formación. XRD
Los datos de difracción de rayos X revelan que las muestras estudiadas
contienen: cuarzo (3,33 Å), calcita (3,04 Å), dolomita (2,88 Å), feldespato (3,20
Å), mica (moscovita y paragonita) (9,9 Å, la moscovita es el pico más alto y la
paragonita el pico más bajo), clorita (7 Å) y yeso (7,56 Å).
Estos minerales son identificados gracias a los picos caracteristicos de
cada mineral, indicados anteriormente.
Desde el punto de vista mineralógico, pueden apreciarse algunas
diferencias significativas en la composición de las rocas de falla en función de
la zona de deformación en que aparecen. De esta forma, los niveles incluidos
en las bandas de deformación asociadas a las fallas principales se caracterizan
por estar enriquecidos en yeso, carbonato, especialmente dolomita, y
filosilicatos (Figura 10); mientras que la cantidad de cuarzo es, en general,
inferior a la presente en la mayor parte de las rocas de la columna
estratigráfica.
Por otro lado, las muestras asociadas a las zonas dañadas por fracturas
secundarias están enriquecidas en cuarzo (Figura 11) y son muy similares a los
protolitos no afectados por la falla. Algunas pueden tener contenidos puntuales
altos en yeso (CU3) y presencia de arcillas (CU4, CU5) (Anexo I).
18
Figura 10. Diagrama de Rayos X de polvo de los niveles incluidos en las bandas de deformación asociadas a las fallas principales, siendo d el espaciado basal (Å). Muestra CU6.
Figura 11. Diagrama de Rayos X de polvo de los niveles incluidos en las bandas de deformación asociadas a las fallas secundarias. Muestra CU1.
Cu
arz
o
Ye
so
Mo
scovita
Ca
lcita
Pa
rag
onita
Do
lom
ita
Pa
rag
onita
Cu
arz
o
Ca
lcita
Mo
scovita
Do
lom
ita
19
4.2. Caracterización textural de las bandas de deformación. SEM
El estudio de preparaciones consolidadas y pulidas en el SEM ha permitido
corroborar y completar la caracterización mineralógica llevada a cabo mediante
XRD y obtener información sobre las
relaciones texturales de los minerales.
Dichas relaciones texturales permiten
evaluar el mecanismo de deformación
que operó durante la formación de las
bandas (Fossen et al., 2007). Los
mecanismos de deformación dependen
de factores como la mineralogía, el
tamaño de grano, la forma de los
minerales, la cementación, la porosidad y
el sistema de esfuerzos. En función de la
influencia de estos factores, pueden
desarrollarse distintos tipo de
mecanismos de deformación, tales como
el flujo granular (deslizamiento a favor de
bordes minerales y rotación de granos),
la cataclasis (fracturación, molienda,
abrasión de granos), el “clay smearing” y
la disolución y cementación. Según
Fossen et al., 2007 y Torabi et al., 2015) el
mecanismo de deformación
predominante permite clasificar las
bandas de deformación como: bandas de
desagregación, bandas de filosilicatos,
bandas cataclásticas, bandas de
disolución y cementación (Figura 12).
Las imágenes de BSE de las muestras de la zanja de Las Cucharetas en la
falla de Baza han permitido identificar algunos de estos tipos de bandas de
deformación.
Figura 12. Clasificación de las bandas de deformación según Fossen et al. (2007).
20
4.2.1. Bandas de desagregación
En los sedimentos de mayor tamaño de grano (entre 50 y 200 µm) en rocas
de falla asociadas a las fallas secundarias, compuestos mayoritariamente por
cuarzo, calcita, dolomita y feldespatos, desarrollan bandas de hasta 300 µm de
espesor caracterizadas por procesos de flujo granular tales como rotación de
granos y deslizamiento a favor de borde mineral (Figura 13). Así mismo se
observa mezcla de granos de niveles diferentes a lo largo de bandas discretas.
Figura 13. Banda de desagregación.
4.2.2. Bandas de filosilicatos
La rotación inducida por cizalla en sedimentos ricos en granos de
moscovita, paragonita y clorita (de hasta 100µm de longitud) produce la
alineación de los filosilicatos para formar unas texturas locales que pueden
considerarse como un tipo particular de bandas de desagregación, donde los
minerales planares promueven deslizamiento friccional de borde de grano
dentro las bandas (Figura 14). Estas estructuras se encuentran especialmente
en las zonas asociadas a fracturas secundarias.
CU41B_82
21
Figura 14. Banda de filosilicatos.
4.2.3. Bandas protocataclásticas
Tanto en los núcleos de fallas principales como en las fracturas
secundarias, pueden identificarse bandas que contienen localmente granos
fracturados. Estas bandas se caracterizan por un incremento de la angularidad
de los granos y una disminución de su tamaño (Figura 15).
A
CU41B_102
A
CU41B_52
22
Figura 15. Bandas de protocataclásticas. A. Banda en la que se observa reducción del tamaño de grano. B. Detalle en el que pueden observarse granos fracturados.
4.2.4. Clay smearing
En los núcleos de las fallas principales, la deformación de los sedimentos
ricos en arcillas (ilita, esmectita) produce bandas con reorientación, flujo y
extrusión de minerales del grupo de la arcilla (Figura 16). En estas bandas se
localizan dispersas algunas superficies de deslizamiento con estrías.
Figura 16. Clay
smearing.
Cu7_37
CU41B_112
B
23
4.2.5. Bandas de sellado
Muchas de las bandas de deformación descritas previamente presentan
precipitación tardía de yeso. Este mineral puede aparecer con textura
poiquilobástica recubriendo clastos de las bandas de deformación,
especialmente las granulares, o como cristales idioblásticos que ocupan zonas
de tensión en las bandas con clay smearing (Figura 17).
Figura 17. Cristalización de yeso poiquiloblástico (izquierda abajo) e idiomorfo (cristal romboidal arriba derecha).
5. DISCUSIÓN
Los resultados mineralógicos y microestructurales obtenidos mediante el
analisis de los materiales de la falla plio-pleistocena de la subcuenca de Baza
permiten plantear algunas cuestiones clave sobre el papel que juegan dichos
materiales en la falla de Baza: ¿Cuál es el comportamiento de los materiales
superficiales de la secuencia durante el desplazamiento cosísmico de las
fallas? ¿Qué influencia tiene la existencia de niveles arcillosos intercalados?
¿Cuál podría ser el impacto del desarrollo de las bandas de deformación sobre
el flujo de fluidos y su incidencia sobre la exploración y explotación de recursos
hídricos?
Cu7_36
Yeso Yeso
Yeso
Yeso
Arcilla
24
A continuación se discuten los puntos más significativos sobre estos
interrogantes.
5.1. Distribución de microfábricas y mecanismos de deformación
desarrollados durante el ciclo sísmico en secuencias poco profundas de
arenas, limos y arcillas
La caracterización mineralógica y textural de las zonas de deslizamiento en
núcleos de fallas que contienen niveles alternantes de arcillas, arenas y limos
carbonatados de los sedimentos de la parte superior de la secuencia plio-
pleistocena de la subcuenca de Baza ha permitido el reconocimiento de un
conjunto de microestructuras formadas durante el ciclo sísmico: bandas de
desagregación, bandas de filosilicatos, bandas protocataclásticas, clay
smearing y bandas de cementación.
Los núcleos de las fracturas principales se caracterizan por el desarrollo de
bandas de clay smearing (naranja en la figura 18) mientras que las zonas de
fracturas secundarias presentan bandas de desagregación granular y bandas
de orientación de filosilicatos de mayor tamaño que los presentes en el clay
smearing. De forma local, se encuentran indicios de protocataclasis y de
sellado por cristales de yeso (verde en la figura 18) tanto en las fracturas
principales como en las secundarias.
Figura 18. Imagen de microfluorescencia de una roca del núcleo de una falla principal de la trinchera de Las Cucharetas (CU7). En azul, las zonas más dolomíticas; en
25
naranja, las zonas ricas en filosilicatos; en rojo, las zonas con más cuarzo; y en distintos tonos de verde, las zonas ricas en yeso (S) y los carbonatos (Ca).
Esta distribución pone de manifiesto que en la mayor parte de casos hubo
predominio de los mecanismos de deformación por flujo, tanto granular como
de filosilicatos de distinto tamaño de grano, respecto a la deformación
cataclástica que implica fracturación de minerales.
5.2. Influencia de los niveles intercalados de arcillas
Algunas fallas albergadas en carbonatos desarrollan zonas de
enriquecimiento mecánico en minerales de la arcilla (Chen et al., 2013; Bullock et
al., 2015). El trabajo de revisión de Vrolijk et al., (2016) define como clay smear
los “niveles monolitológicos lenticulares plegados ricos en filosilicatos con
desarrollo de foliación y alta concentración de deformación de cizalla”. Dada la
dificultad de encontrar un término corto que exprese en castellano este
contexto, en está memoria se ha utilizado clay smear en el sentido de la
definición previa. Bullock et al., (2015) reveló que una cantidad modesta de
arcillas, probablemente introducida por mecanismos de clay smearing, puede
alterar el comportamiento mecánico de un sistema carbonatado. Existe aún un
hueco de conocimiento sobre si estas estructuras son el resultado de un
deslizamiento frágil o dúctil. Buena parte de la literatura científica sobre clay
smear se centra en el análisis de modelos experimentales, numéricos o
cinemáticos (e.g. Schmatz et al., 2010). Los estudios basados en ejemplos reales
son escasos (e.g. van der Zee y Urai,, 2005; Kettermann et al., 2016) y apenas hay
estudios que aborden la influencia del clay smear en el comportamiento de
fallas activas, en modelos que integren los estudios de su distribución global de
la zona de falla (Vrolijk et al., 2016).
En la zona de estudio, la disposición de las arcillas en las bandas de clay
smearing, envolviendo clastos granulares, sugiere que su presencia favoreció
el comportamiento plástico en los núcleos de las fallas principales. La
presencia de niveles de arcilla asociados a las superficies de deslizamiento de
las fallas en esta zona podrían ser el resultado de fenómenos de concentración
mecánica de estos minerales promovidos por la deformación. Este proceso
puede contribuir al debilitamiento mecánico de estas zocas debido al bajo
coeficiente de fricción (µ) de las arcillas (μ entre 0.2 y 0.6) (Behnsen y Faulkner,
26
2012) y su elevado contenido en agua promoviendo los procesos de
deslizamiento dúctil de la falla incluso a poca profundidad.
5.3. Impacto del desarrollo de las bandas de deformación sobre el flujo de
fluidos y los recursos hídricos
Las fallas en sedimentos que contienen alternancias de escala menor
(hasta centimétrica) de niveles ricos en arcillas intercalados entre areniscas y
limos carbonatados sin litificar pueden tener un impacto significativo en el flujo
de fluidos en reservorios clásticos debido a la creación de barreras
impermeables o canales de circulación de fluidos. Por tanto, el estudio y
análisis de su efecto es una consideración crucial en la exploración y
producción de algunas provincias ricas en hidrocarburos y en el
comportamiento de las aguas subterráneas en determinados tipos de acuíferos
(Kristensen et al., 2013). Algunos de los mecanismos por los que las fallas
pueden alcanzar bajas permeabilidades en sedimentos débilmente litificados
son: a) la cataclasis de arenas y limos, b) el drenado de niveles arcillosos a lo
largo de la falla para formar niveles continuos de roca de falla rica en arcilla
(“smears”), c) el sellado de las rocas de falla mediante la precipitación de
cementos carbonatados o sulfatados (véase Bense et al., 2013).
El examen de la microestructura interna de las bandas de cizalla y de los
mecanismos de deformación de los niveles de arcillas intercaladas con los
niveles de areniscas y limos carbonatados y la descripción de las estructuras
internas de las bandas de cizalla en la secuencia plio-pleistocena de la
subcuenca de Baza ha puesto de manifiesto que en estos materiales y,
especialmente, en las zonas de mayor deformación (fallas principales),
predominan los procesos que suponen una reducción de la permeabilidad en
las zonas de falla, fundamentalmente por la orientación de los filosilicatos y el
desarrollo de clay smearing, así como el sellado por la precipitación de yeso de
las zonas en las que hubo un posible flujo de fluidos a lo largo de la zona de
fracturación. Todo ello sugiere que las fallas desarrolladas durante el ciclo
sísmico tuvieron esencialmente un comportamiento barrera para el flujo de
fluidos, lo que contribuye a la compartimentación de los acuíferos de la zona.
De este modo, la distribución de surgencias debe estar controlada por la
distribución de las zonas de falla que desarrollan barreras impermeables.
27
6. CONCLUSIONES
La caracterización de los materiales geológicos presentes en la secuencia
plio-pleistocena de la subcuenca de Baza afectados por la falla activa de Baza
ha puesto de manifiesto la existencia cinco tipos diferentes de bandas de
deformación probablemente formadas durante el ciclo sísmico de los
materiales: bandas de desagregación, bandas de filosilicatos, bandas
protocataclásticas, clay smearing y bandas de cementación.
El análisis textural sugiere que los mecanismos de deformación dúctil
fueron predominantes sobre los frágiles. Los datos petrográficos revelaron que
la cizalla de los sedimentos con tamaño arena o limo implicó flujo granular y
protocataclasis local de minerales. Los sedimentos ricos en filosilicatos
presentan mayoritariamente deformación dúctil formando bandas de clay
smearing.
El mecanismo de deformación dominante puede estar controlado por la
composición mineral de la banda de cizalla y el contenido en agua. La
incorporación de arcillas y sedimentos ricos en agua a lo largo de bandas de
cizalla puede reducir el esfuerzo de cizalla necesario para el desarrollo del
movimiento relativo de bloques de sedimentos.
Las bandas de deformación desarrolladas en los materiales estudiados
redujeron la permeabilidad de las zonas de falla promoviendo un
comportamiento de tipo barrera para el flujo de fluidos que produjo la
compartimentación de los acuíferos regionales.
Por último, desde el punto de vista formativo, la realización de este trabajo
ha permitido aplicar los principios del método científico en la ejecución de un
trabajo de investigación. Así mismo, ha supuesto una introducción aplicada al
aprendizaje, manejo y comprensión de técnicas de caracterización de
materiales geológicos, como XRD, SEM y µXRF.
7. AGRADECIMIENTOS
Agradezco principalmente a mis tutores Juan Jiménez Millán e Isabel Abad por
toda la ayuda prestada, toda la información que me han facilitado y las dudas
resueltas. Y a la técnico Amparo Morales por resolvernos todos los problemas
que pudieron tener las muestras.
28
8. BIBLIOGRAFÍA
Agustí, J. (1986): Synthèse biostratigraphique du Plio-Pléistocène de Guadix-
Baza (Province de Granada, Sud-Est de l’Espagne). Geobios 19, 505-
510
Agustí, J., Oms, O., Garcés, M., Parés, J.M. (1997): Calibration of the late
Pliocene-early Pleistocene transition in the continental beds of the Guadix-Baza
basin (southeastern Spain). Quat Int 40, 93–100
Alfaro, P., Delgado, J., Sanz de Galdeano, C., Galindo Zaldívar, J., García
Tortosa, F.J., López Garrido, A.C., López Casado, C., Marín, C., Gil, A.J.,
Borque, M.J. (2008): The Baza Fault: a major active extensional fault in the
central Betic Cordillera (South Spain). International Journal of Earth Sciences
97, 1353-1365
Aydin, A. (1978): Small faults formed as zones of deformation bands and as slip
surfaces in sandstones. Pure and Applied Geophysics 116, 931-942
Behnsen, J., Faulkner, D.R. (2012): The effect of mineralogy and effective
normal stress on frictional strength of sheet silicates. Journal of Structural
Geology 42, 49-61
Bense, V.F., Gleesonb, T., Loveless, S.E., Bour, O., Scibek, J. (2013): Fault
zone hydrogeology. Earth-Science Reviews 127, 171-192
Bullock, R., De Paola, N., Holdsworth, R.E. (2015): An experimental
investigation into the role of phyllosilicate content on earthquake propagation
during seismic slip in carbonate faults. Journal of Geophysical Research-Solid
Earth 120 (5), 3187-3207
Calvache, M.L., Viseras, C. (1997): Long-term control mechanisms of stream
piracy processes in southeastern Spain. Earth Surf Process Landforms 22, 93–
105
29
Chen, J., Yang, X., Duan, Q., Shimamoto, T., Spiers, C.J. (2013): Importance of
thermochemical pressurization in the dynamic weakening of the Longmenshan
Fault during the 2008 Wenchuan earthquake: Inferences from experiments and
modeling. Journal of Geophysical Research 118, 4145-4169.
Fossen, H., Schultz, R., Shipton, Z., Mair, K. (2007): Deformation bands in
sandstone -a review. Journal of the Geological Society, London 164, 755-769
Fossen, H. (2010): Structural Geology. Cambridge University Press p. 167
Galindo-Zaldívar, J., Jabaloy, A., Serrano, I., Morales, J., González-Lodeiro, F.,
Torcal, F. (1999): Recent and present-day stresses in the Granada Basin (Betic
Cordilleras): example of a late Miocene-present-day extensional basin in a
convergence plate boundary. Tectonics 18, 686–702
Galindo-Zaldívar, J., González-Lodeiro, F., Jabaloy, A. (1989): Progressive
extensional shear structures in a detachment contact in the Western Sierra
Nevada (Betic Cordilleras, Spain). Geodin Acta 3, 73–85
Guerra-Merchán, A. (1992): Origen y relleno sedimentario de la cuenca
neógena del corredor del Almanzora y áreas limítrofes (Cordillera Bética). Ph.
D. Thesis, Universidad de Granada, Spain 1–237
Heynekamp, M.R., Goodwin, L.B., Mozley, P.S., Haneberg, W.C. (1999):
Controls on fault-zone architecture in poorly lithified sediments, Rio Grande rift,
New Mexico, and implications for fluid flow. In: Haneberg, W.C., Moore, J.C.,
Mozley, P.S., Goodwin, L.B. (Eds.), Faults and Subsurface Fluid Flow.
American Geophysical Union Geophysical Monograph 113, 27-49
Kettermann, M., Thronberens, S., Juarez, O., Urai, J.L., Ziegler, M., Asmus, S.,
Krüger, U. (2016): Solid Earth Discuss
30
Kristensen, M.B., Childs, C., Olesen, N.Ø., Korstgård, J.A. (2013): The
microstructure and internal architecture of shear bands in sand-clay sequences.
Journal of Structural Geology 46, 129-41
Marín-Lechado, C., Galindo-Zaldívar, J., Rodríguez-Fernández, L.R., Serrano,
I., Pedrera, A. (2005): Active faults, seismicity and stresses in an internal
boundary of a tectonic arc (Campo de Dalías and Níjar, southeastern Betic
Cordilleras, Spain). Tectonophysics 396, 81–96
Peña, J.A. (1979): La Depresión de Guadix-Baza: Estratigrafía del Plioceno-
Pleistoceno. Ph.D. Thesis, Universidad de Granada, Spain
Peña, J.A. (1985): La depresión de Guadix-Baza. Estudios Geológicos 41, 33–
46
Sanz de Galdeano, C., García-Tortosa, F.J., Peláez, J.A., Alfaro, P., Azañón,
J.M., Galindo-Zaldívar, J., López Casado, C., López Garrido, A.C., Rodríguez-
Fernández, J., Ruano, P. (2012): Main active faults in the Granada and Guadix-
Baza Basins (Betic Cordillera). Journal of Iberian Geology 38 (1), 209-223
Sanz de Galdeano. C., López-Garrido, A.C. (2000): El levantamiento
Tortoniense-Cuaternario de Sierra Nevada (Granada, España): Fenómenos de
tectónica gravitatoria en su borde occidental. Geogaceta 28, 129–132
Schmatz, J., Vrolijk, P.J. y Urai, J.L., (2010): Clay smear in normal fault zones e
the effect of multilayers and clay cementation in water-saturated model
experiments. Journal of Structural Geology 32 (11), 1834-1849
Soria, J.M., Viseras, C., Fernández, J. (1998): Late Miocene-Pleistocene
tectono-sedimentary evolution and subsidence history of the central Betic
Cordillera (Spain): a case study in the Guadix intramontane basin. Geol Mag
135, 565–574
31
Torabi, A. (2014): Cataclastic bands in immature and poorly lithified sandstone,
examples from Corsica, France. Tectonophysics 630, 91–102
Van der Zee, W., Urai, J.L. (2005): Processes of normal fault evolution in a
siliciclastic sequence: a case study from Miri, Sarawak. Malaysia Journal of
Structural Geology 27, 2281-2300
Vera, J.A. (1970a): Estudio estratigráfico de la depresión de Guadix-Baza.
Boletín Geológico y Minero 81(85), 429–462
Vera, J.A. (1970b): Facies del Plioceno de la Depresión Guadix-Baza. Cuad
Geol Univ Granada 1, 23–25
Vera, J.A., Rodríguez, J., Guerra-Merchán, A., Viseras, C. (1994): La Cuenca
de Guadix-Baza. Documents et Travaux de l’IGAL 14, 1–17
Viseras, C. (1991): Estratigrafía y sedimentología del relleno aluvial de la
cuenca de Guadix (Cordilleras Béticas). Ph. D. Thesis, Universidad de
Granada, Spain 1–344
Vrolijk, P., Urai, J.L., Kettermann, M. (2016). Clay Smear: Review of
Mechanisms and Applications. Journal of Structural Geology. In press
32
ANEXO I.
Diagramas de difracción de rayos X de los materiales estudiados
Figura 19. Diagrama de Rayos X de agregados totales de los niveles incluidos en las bandas de deformación asociadas a las fallas secuandarias. Muestra CU1.
Cu
arz
o
Mo
scovita
Pa
rag
onita
Ca
lcita
Do
lom
ita
33
Figura 20. Diagrama de Rayos X de polvo y de agregados totales de los niveles incluidos en las bandas de deformación asociadas a las fallas secuandarias. Muestra CU2.
Cu
arz
o
Ye
so
Ca
lcita
Do
lom
ita
34
Figura 21. Diagrama de Rayos X de polvo y agregados totales de los niveles incluidos en las bandas de deformación asociadas a las fallas secuandarias. Muestra CU3.
Cu
arz
o
Mo
scovita
Pa
rag
onita
Clo
rita
Ca
lcita
Do
lom
ita
35
Figura 22. Diagrama de Rayos X de polvo y agregados totales de los niveles incluidos en las bandas de deformación asociadas a las fallas secuandarias. Muestra CU4.
Cu
arz
o
Mo
scovita
Pa
rag
onita
Clo
rita
Ca
lcita
Do
lom
ita
36
Figura 23. Diagrama de Rayos X de polvo y agregados totales de los niveles incluidos en las bandas de deformación asociadas a las fallas secuandarias. Muestra CU5.
Figura 24. Diagrama de Rayos X de agregados totales de los niveles incluidos en las bandas de deformación asociadas a las fallas principales. Muestra CU6.
37
Figura 25. Diagrama de Rayos X de polvo y agregados totales de los niveles incluidos en las bandas de deformación asociadas a las fallas principales. Muestra CU7.
Cu
arz
o
Mo
scovita
Ye
so
Do
lom
ita
C
alc
ita
Pa
rag
onita
