Macizo rocoso, matriz rocosa y discontinuidades. Descripción y caracterización de macizos rocosos
En este artículo aprenderás lo que es un macizo rocoso y que es lo que lo conforma, en este caso la matriz rocosa y discontinuidades geológicas que se presentan en las rocas. Finalmente se presentará una guía de como realizar la descripción y caracterización de los macizos rocosos.
¿Qué es un macizo rocoso?
Los macizos rocosos (las masas rocosas) ocurren en la naturaleza y medio ambientes geológicos afectados por planos de discontinuidad (discontinuidades) o planos de debilidad que separan a los bloques de matriz rocosa, ambos conjuntos la matriz rocosa y discontinuidades forman el macizo rocoso.
Un macizo rocoso es un medio discontinuo, anisótropo y heterogéneo conformado en conjunto tanto por bloques de matriz rocosa y distintos tipos de discontinuidades que afectan al medio rocoso, mecánicamente los macizos rocosos pueden considerarse que presentan resistencia a la tracción nula.
El conjunto de discontinuidades y bloques de matriz gobiernan el comportamiento mecánico global del macizo rocoso, es así, que para el estudio del comportamiento mecánico del macizo rocoso se debe analizar las propiedades de la matriz rocosa y de las discontinuidades.
El estudio de los macizos rocosos es indispensable en la mecánica de rocas
Anisotropía
La característica de anisotropía ocurre por la presencia de discontinuidades (planos de debilidad) con orientación preferencial (estratificación, clivaje, foliación, laminación, familias de diaclasas tectónicas), las discontinuidades generan diferente comportamiento mecánico en el macizo rocoso en función de la dirección considerada (rumbo, buzamiento).
Además, la orientación de los esfuerzos que afectan el material rocoso puede acarrear anisotropía asociada al estado tensional.
Discontinuidades
Son las discontinuidades geológicas (superficies de estratificación, juntas, fallas, diques, etc.)las que cambian la continuidad de las propiedades mecánicas de los bloques rocosos, lo que confiere al macizo rocoso un comportamiento geomecánico e hidráulico discontinuo.
Es la naturaleza (origen y tipo), frecuencia y orientación de los planos de discontinuidad, lo que causa variaciones en las propiedades mecánicas de los macizos rocosos.
Heterogeneidad
La heterogeneidad que se presenta en el macizo rocoso se relaciona a la variabilidad de propiedades físicas y mecánicas
en distintas zonas del macizo rocoso controlado por cambios de la matriz rocosa y las discontinuidades geológicas (discontinuidades de las rocas).
Los cambios en la matriz rocosa puede ser debido a cambios litológicos, grado de alteración, grado de meteorización, contenido de agua, etc, generando propiedades mecánicos diferentes.
¿Que es la matriz rocosa?
La matriz rocosa es el material rocoso que ocurre sin discontinuidades, es decir que son los bloques de roca intacta que ocurren entre las discontinuidades de roca, a pesar de que la matriz rocosa se considera continua, presenta comportamiento heterogéneo y anisótropo relacionado a la fábrica estructural.
Hay que recalcar que la roca o matriz rocosa a escala microscópica, también presenta comportamiento discontinuo, anisótropo y heterogéneo por la presencia de planos de laminación, microfisuras, orientación preferente de minerales, foliación, etc; pero bajo el punto de vista geotécnico, la mecánica de rocas de la matriz rocosa se considera continua e isótropa en relación con el macizo rocoso en su conjunto.
Mecánicamente la matriz rocosa se caracteriza por su peso específico, resistencia y deformabilidad.
¿Qué es la discontinuidad de las rocas?
Las discontinuidades geológicas o discontinuidades de las rocas constituyen planos de debilidad (planos de estratificación, foliación, diaclasas, clivaje, orientación de minerales, etc) que controlan, el comportamiento geomecánico de los macizos rocosos, porque condicionan el mecanismo de deformación y rotura ante los esfuerzos.
Las discontinuidades que ocurren en los macizos rocosos son planos de debilidad que pueden tener origen mecánico o tectónico (diaclasas tectónicas), sedimentario (planos de estratificación), enfriamiento de rocas (diaclasas deenfriamiento) y metamórfico (foliación), las discontinuiades independizan los bloques de matriz rocosa.
Generalmente la resistencia a la tracción de los planos de discontinuidad es muy baja o nula, es así que, su comportamiento mecánico es caracterizado por su resistencia al corte o, en su caso, por la del material de relleno.
Tipos de discontinuidades geológicas
Diaclasas o juntas
Son los planos de discontuidad mas frecuentes que se forman en los macizos rocosos, su origen puede ser de tres formas: por tectonismo (origen tectónico), por enfriamiento del cuerpo ígneo, y por reducción de la carga litostática.
Las diaclasas de origen tectónico, suelen estar asociadas al plegamiento de las rocas (sedimentarias principalmente) y a la acción de fallas geológicas sobre cualquier tipo de roca. Las diaclasas asociadas a fallas suelen ser paralelas a las fallas, mientras que las diaclasas que se forman en plegamientos suelen ser perpendiculares a los esfuerzos tectónicos.
Las diaclasas de enfriamiento o que se forman por el enfriamiento del los cuerpos ígneos, se forman antes o después del emplazamiento del cuerpo, suelen ser ortogonales entre sí, un ejemplo típico son las estructuras columnares de los flujos de lava.
Las diaclasas que se forman por la reducción de la carga litostática suelen ser paralelas a la superficie topográfica y la frecuencia con la que ocurren disminuye a profundidad.
Planos de estratificación
Son los planos relacionados a la depositación de los sedimentos en las rocas sedimentarias, suelen tener un espaciado sistemático que varía entre pocos centímetros a varios metros.
Fallas geológicas
Son planos de origen tectónico que afectan las rocas, suelen causar movimiento relativo entre los bloques que componen el macizo rocoso
Esquistosidad o foliación
Son planos o discontuidades que se forman principalmente por tectonismo intenso, y se asocian a la fábrica de las rocas metamórficas (esquistos, Gneis)
Descripción y caracterización de macizos rocosos
La descripción de macizos rocosos es una actividad que se realiza in situ en investigaciones de ingeniería geológica que tiene fines geotécnicos (geotecnia) y de ingeniería civil, la caracterización de macizos rocosos proporciona información de las propiedades geotécnicas de los materiales rocosos.
La descripción de los macizos rocosos se realiza mediante la zonificación del afloramiento en mecánica de rocas, que incluye la descripción de las discontinuidades del macizo rocoso (discontinuidades geológicas), descripción de la matriz rocosa y la descripción de los parámetros del macizo rocoso.
Descripción de la matriz rocosa
La descripción de la matriz rocosa incluye:
- Identificación litológica de la matriz rocosa
- Grado de meteorización de la matriz rocosa
- Resistencia de la matriz rocosa
Identificación de la matriz rocosa
La matriz rocosa es la roca intacta o bloque de roca ubicado entre las discontinuidades, en la descripción de macizos rocosos es de vital importancia la identificación de la litología correspondiente a la matriz rocosa.
La matriz rocosa puede estar representada por los tres tipos de rocas que se conocen en geología, es decir rocas ígneas, rocas sedimentarias o rocas metamórficas.
Meteorización de la matriz rocosa
La meteorización de la matriz rocosa es condicionada por factores ambientales que generan procesos físicos y químicos que afectan al macizo rocoso en general, mientras mayor sea la meteorización ocurre aumento de la porosidad, permeabilidad y deformabilidad del material rocoso, al mismo tiempo que disminuye su resistencia.
| Grado de meteorización de la matriz rocosa | |
|---|---|
| Término | Descripción |
| Fresca | No se observan signos de meteorización en la matriz rocosa |
| Decolorada | Se observan cambios en el color original de la matriz rocosa. Es conveniente indicar el grado de cambio. Si se observa que el cambio de color se restringe a uno o algunos minerales se debe mencionar. |
| Desintegrada | La roca se ha alterado a un estado de suelo, manteniéndose la fábrica original. La roca es friable, pero los granos minerales no están descompuestos. |
| Descompuesta | La roca se ha alterado al estado de un suelo, algunos o todos los minerales están descompuestos |
Resistencia de la matriz rocosa
La resistencia de la matriz rocosa se puede estimar mediante ensayos de campo in situ como el ensayo de carga puntual (PLT) o el martillo Schmidt, que se pueden correlacionar con la resistencia a la compresión simple y esta a su vez define si el macizo rocoso es entre muy blado a extremadamente duro.
| Resistencia de la roca a la compresión simple | |
|---|---|
| Resistencia a compresión simple (MPa) | Descripción |
| 1-5 | Muy blanda |
| 5-25 | Blanda |
| 25-50 | Moderadamente dura |
| 50-100 | Dura |
| 100-250 | Muy dura |
| >250 | Extremadamente dura |
También se puede estimar la resistencia de la masa rocosa con el martillo de geólogo de la siguiente manera:
Resistencia muy alta: se astilla con varios golpes (suele salir chispas)
Resistencia alta: se astilla con 3 golpes
Resistencia media: se rompe con 1 a 3 golpes
Resistencia baja: se identa superficialmente con un solo golpe o con la punta del martillo
Resistencia muy baja: se identa profundamente con la punta del martillo
Descripción de las discontinuidades del macizo rocoso
La descripción de las discontinuidades del macizo rocoso incluye:
- Orientación
- Espaciado
- Continuidad o persistencia
- Rugosidad
- Resistencia de las paredes de la discontinuidad
- Abertura
- Relleno
- Filtraciones
Orientación
La orientación de las discontinuidades se mide o define por su rumbo y buzamiento y corresponde a la posición espacial de los planos de debilidad (juntas, diaclasas, fallas, estratificación, etc), es así que cuando un grupo de discontinuidades presentan similitudes o son paralelas entre sí se dice que son familias de discontinuidades.
Espaciado
El espaciado corresponde a la distancia perpendicular entre discontinuidades adyacentes, es así que, entre menos espaciado los bloques de matriz rocosa (roca intacta) serán mas pequeños y entre más espaciado, los bloques de matriz rocosa serán mas grandes.
| Espaciado de las discontinuidades | |
|---|---|
| Descripción | Espaciado |
| Extremadamente junto | <2 cm |
| Muy junto | 2-6 cm |
| Junto | 6-20 cm |
| Moderadamente junto | 20-60 cm |
| Separado | 60-200 cm |
| Muy separado | 2-6 m |
| Extremadamente separado | >6 m |
Persistencia o continuidad
La persistencia o continuidad corresponde a la extensión en área o tamaño de una discontinuidad en el macizo rocoso, es así que cuanto menor sea la persistencia, la estabilidad de la masa rocosa es mayor y si la persistencia es mayor, la estabilidad del macizo rocoso es menor.
| Continuidad o persistencia | Longitud |
|---|---|
| Muy baja continuidad | <1 m |
| Baja continuidad | 1 – 3 m |
| Continuidad media | 3 -10 m |
| Alta continuidad | 10 -20 m |
| Muy alta continuidad | > 20 m |
Rugosidad
La rugosidad corresponde a la aspereza o irregularidad que ocurre en la superficie de las discontinuidades, es así que, entre menor rugosidad tenga una discontinuidad, la competencia del macizo rocoso es menor y entre mayor rugosidad tenga la discontinuidad, la competencia del macizo rocoso es mayor.
Abertura o apertura
La abertura o apertura corresponde a la separación que existe entre las paredes o superficies rocosas de una discontinuidad, es así que, a menor abertura, la estabilidad y condición del macizo rocoso será mayor y a mayor abertura, la estabilidad y condición del macizo rocoso será menor.
| Abertura de las discontinuidades | Descripción |
|---|---|
| <0,1 mm | Muy cerrada |
| 0,1-0,25 mm | Cerrada |
| 0,25-0,5 mm | Parcialmente abierta |
| 0,5-2,5 mm | Abierta |
| 2,5-10 mm | Moderadamente ancha |
| > 10mm | Ancha |
| 1-10 cm | Muy ancha |
| 10-100 cm | Extremadamente ancha |
| > 1m | Cavernosa |
Relleno
El relleno corresponde a los materiales que se alojan en los espacios de las discontinuidades, es así que, cuando los materiales de relleno son suaves (arcillas), la competencia del macizo rocoso es menor y cuando el relleno consiste de materiales duros (sílice), la competencia del macizo rocoso es mayor.
Descripción de los parámetros de los macizos rocosos
La descripción de los parámetros de los macizos rocosos incluye:
- El número y orientación de familias de discontinuidades
- El tamaño de bloque y grado de facturación
- Grado de meteorización
Número y orientación de familias de discontinuidades
El número o cantidad de familias de discontinuidades condiciona la intensidad de fracturación y el tamaño de los bloques de matriz rocosa, por lo tanto influye en el comportamiento mecánico general del macizo rocoso, es así que debe reconocerse las familias de discontinuidades principales.
Para reconocer las familias de discontinuidades, se toma en cuenta en cuenta desde la familia principal a la menos relevante, es así que, la familia principal será la que esté presente en mayor porcentaje en el macizo y será la más fácil de reconocer.
| Número y orientación de familias de discontinuidades | |
|---|---|
| Tipo de macizo rocoso | Número de familias |
| I | Masivo, discontinuidades ocasionales |
| II | Una familia de discontinuidades |
| III | Una familia de discontinuidades más otras ocasionales. |
| IV | Dos familias de discontinuidades. |
| V | Dos familias de discontinuidades más otras ocasionales. |
| VI | Tres familias de discontinuidades. |
| VII | Tres familias de discontinuidades más otras ocasionales. |
| VIII | Cuatro o más familias de discontinuidades. |
| IX | Brechificado. |
Grado de facturación del macizo rocoso
El grado de facturación del macizo rocoso es condicionado por la cantidad de familias de discontinuidades presentes y el espaciado que tengan entre las mismas, es así que, el tamaño de la matriz rocosa es menor a mayor número de familias de discontinuidades.
| Descripción del tamaño de bloque en función del número de discontinuidades (ISRM, 1981) | |
|---|---|
| Descripción | Jv (discontinuidades/m3) |
| Bloques muy grandes | <1 |
| Bloques grandes | 1-3 |
| Bloques de tamaño media | 3-10 |
| Bloques pequeños | 10-30 |
| Bloques muy pequeños | >30 |
| Clasificación de macizos rocosos en función del tamaño y forma de los bloques | ||
|---|---|---|
| Clase | Tipo | Descripción |
| I | Masivo | Pocas discontinuidades o con espaciado muy grande |
| II | Cúbico | Bloques aproximadamente equidimensionales |
| III | Tabular | Bloques con una dimensión considerablemente menor que las otras |
| IV | Columnar | Bloques con una dimensión considerablemente mayor que las otras |
| V | Irregular | Grandes variaciones en el tamaño y forma de los bloques |
| VI | Triturado | Macizo rocoso muy fracturado |
Grado de meteorización del macizo rocoso
El grado de meterozación responde a factores medioambientales y procesos físicos, químicos y biológicos que descomponen la masa rocosa in situ, la evaluación del grado de meteorización del macizo rocoso se lo puede hacer directamente sobre el afloramiento.
| Evaluación del grado de meteorización del macizo rocoso (ISRM, 1981) | ||
|---|---|---|
| GRADO DE METEORIZACIÓN | TIPO | DESCRIPCIÓN |
| I | Fresco | No aparecen signos de meteorización. |
| II | Ligeramente meteorizado | La decoloración indica alteración del material rocoso y de las superficies de discontinuidad. Todo el conjunto rocoso está decolorado por meteorización |
| III | Moderadamente meteorizado | Menos de la mitad del macizo rocoso aparece descompuesto y /o transformado en suelo. La roca fresca o decolorada aparece como una estructura continua o como núcleos aislados |
| IV | Altamente meteorizado | Más de la mitad del macizo rocoso aparece descompuesto y /o transformado en suelo. La roca fresca o decolorada aparece como una estructura continua o como núcleos aislados. |
| V | Completamente meteorizado | Todo el macizo rocoso aparece descompuesto y /o transformado en suelo. Se conserva la estructura original del macizo rocoso. |
| VI | Suelo residual | Todo el macizo rocoso se ha transformado en un suelo. Se ha destruido la estructura del macizo y la fábrica del material. |
Soy ingeniero geólogo con experiencia y conocimiento en el área de exploración minera, hidrocarburos, evaluación de depósitos minerales metálicos y no metálicos, exploración de piedras preciosas y de metales preciosos, procesamiento de datos geológicos en software especializado y métodos de explotación de recursos naturales.
Además, tengo conocimiento en geología aplicada a la ingeniería geológica, donde se incluye el estudio de suelos, rocas y agua para la construcción de obras de ingeniería civil.
