Trabajo presentado en el VII Simposio Peruano de Geoingeniería.

Por: G. Zúñiga, Skava Consulting, Santiago, Chile.

Resumen

Uno de los principales desafíos que enfrenta la geología aplicada a la ingeniería es generar modelos de discontinuidades estructurales mayores que sean de utilidad para que los ingenieros de rocas puedan asignar propiedades mecánicas a estas entidades discretas en yacimientos explotados a cielo abierto para la estimación/cuantificación del comportamiento físico probable de estas y de los macizos rocosos a escala de ingeniería. 

Este artículo presenta una breve descripción de la aplicación de la Clasificación Geológica-Ingenieril de Rocas de Fallas de Fasching & Vanek (2011), para su uso como herramienta de caracterización geotécnica con el fin de contribuir a disminuir la incertidumbre epistémica asociada a estas discontinuidades.

Introducción

El modelado de discontinuidades estructurales mayores –principalmente fallas geológicas– es un proceso evolutivo y transversal a los distintos niveles de desarrollo de una mina a cielo abierto, y son parte fundamental de los insumos en el modelado geotécnico.

Actualmente los modelos de estas discontinuidades, con fines geotécnicos, son construidos con información estructural proveniente, principalmente, desde el mapeo directo de bancos, levantamientos indirectos de bancos (post-procesos de información de fotogrametría o Lidar), descripciones directas de testigos obtenidos de perforaciones DDH y del post-proceso de mediciones en los pozos mediante métodos geofísicos). Es común en la industria que la variabilidad tanto de los métodos de caracterización como las interpretaciones de los descriptores resulten en categorizaciones pobremente estandarizadas y en muchos casos ambiguas tales como: falla, zona de falla, zona de cizalle, zona muy fracturada, zona triturada, zona molida, vena-falla, dique-falla, entre otras.

La falta de literatura o referencias ha contribuido a limitar los procesos de caracterización de estructuras en minería. A su vez, la falta de guías de aplicabilidad de las contribuciones al respecto representa otra limitación importante en los procesos actuales de caracterización estructural. En este trabajo se proporciona una recomendación de aplicabilidad de la Clasificación Geológica-Ingenieril de Rocas de Fallas de Fasching & Vanek (2011) para su uso en el modelado de estructuras mayores de depósitos minerales explotados a cielo abierto con fines de diseños de ingeniería.

Complejidad de las fallas y zonas débiles

Las discontinuidades mayores representan zonas discretas de deformación concentrada en los macizos rocosos. Estas zonas o regiones involucran, en muchos casos, volúmenes de roca cuyas características no son representables por medio de superficies de espesor despreciable (wireframes). Algunas características de alto impacto en geotecnia son:

ν No muestran las formas de las paredes rocosas.

ν No muestran las zonas de daño asociadas.

ν Las fallas modeladas pueden corresponder a segmentos de fallas, más que una estructura continua.

ν No refleja la variabilidad en el espesor.

ν No se incluyen los materiales de relleno y su variabilidad.

ν No sectorizan el comportamiento mecánico estimado.

Cada entidad mayor es representada geométricamente como una simulación de una superficie única y continua (Figura 1) y, en la mayoría de los casos, sin atributos asociados que caractericen sus propiedades mecánicas (por ejemplo cohesión y fricción).

Como resultado de lo anterior, los modeladores geotécnicos y analistas de estabilidad, se ven forzados a asignar a estas entidades parámetros geotécnicos referenciados y en muchos casos muy conservadores.

En términos geotécnicos es de interés reconocer, caracterizar y representar zonas débiles. Cabe destacar que muchas de las discontinuidades estructurales categorizadas como mayores en minería, corresponden a estas zonas. Una zona débil es un área, capa, lente o estrato en el que sus propiedades mecánicas son significativamente más bajas que las de los macizos rocosos circundantes (NBG, 2000). Ellas pueden ser fallas geológicas, capas rocosas, contactos litológicos, diques, etc., que cumplen tal condición.

En geotecnia las zonas débiles se describen de manera separada del resto del macizo rocoso (Bieniawski, 1984) debido a que, por su historia geológica –generalmente compleja– pueden estar compuestas por materiales de relleno o rocas con propiedades especiales (minerales expansivos o solubles, venas de arcilla, etc.) y/o con estructuras internas altamente variables.

Indiscutiblemente, la mayor parte de las zonas débiles discretas, de geometrías tabulares, corresponden a fallas geológicas. Por lo general, las fallas frágiles están formadas por una zona tabular que dependiendo del grado de deformación presentan, en general, un núcleo de mayor deformación rodeado por una zona de roca fracturada. El núcleo se compone de material deformado, que en algunos casos puede ser fino, denominado salbanda o panizo. Estos materiales son el resultado de la reducción mecánica del material rocoso por cizalle progresivo pudiendo formar una banda o múltiples bandas de este material que se anastomosan alrededor de bloques rocosos más competentes (Mitchell & Faulkner, 2009; Fashing & Vanek, 2011; Choi et al., 2016; Danielson et al., 2020).

En zonas de fallas activas cerca de la superficie, el relleno, generalmente, estará relativamente suelto y granular, debido a los mecanismos de rotura predominantemente frágiles que operan a temperaturas y presiones superficiales. En fallas más antiguas, las rocas de fallas pueden estar cementadas o meteorizadas, y en fallas que han estado activas en profundidad, el relleno puede estar triturado hasta convertirse en una milonita que se ha deformado plásticamente a temperaturas y presiones muy altas (Davis et al., 2012; Fossen, 2019; Bhattacharya, 2022).

Por otra parte, para la descripción de fallas en testigos se consideran atingentes los comentarios de Marjoribanks (2003):

ν Las fallas menores, o las microfallas, a menudo están bien expuestas en testigos, sin embargo, es tentador ignorarlas durante la descripción con el argumento de que la estructura y la cantidad de desplazamiento son insignificantes. Sin embargo, el desplazamiento de las fallas de pequeña escala frecuentemente refleja el de las fallas mayores adyacentes asociadas.

ν Las fallas frágiles mayores normalmente se recuperan como tramos de testigo quebrado y arcilla, a menudo con una pérdida de testigo significativa. Su naturaleza como zonas de fallas mayores a menudo no se reconoce, a menos que esté asociada con venas minerales significativas. Las grandes zonas de fallas frágiles generalmente transportan una cantidad significativa de agua y muestran los efectos de la alteración supérgena a profundidades anómalas.

ν Las pequeñas fallas dúctiles en el testigo son generalmente bastante obvias como estructuras planares de intensa alteración y alto strain. Sin embargo, las zonas de fallas dúctiles pueden ser estructuras muy potentes, a veces de varios kilómetros de ancho, y los márgenes de la zona pueden ser graduales. Identificar la verdadera naturaleza de una zona de deformación de este tipo sobre la base de un pozo de perforación (y mucho menos un pequeño trozo de testigo de dicho pozo) puede ser difícil.

Considerando lo expuesto, la complejidad y la heterogeneidad con que pueden llegar a presentarse las zonas débiles, describirlas sin ambigüedades puede tornase difícil.

Aplicabilidad de la Clasificación Geomecánica de Rocas de Fallas 

En las Figuras 2 y 3 se presenta el esquema de clasificación establecido en el equipo de trabajo ÖGC “Geomecánica de túneles con alta sobrecarga” (ASG, 2010).

En este sistema de clasificación, las rocas y zonas de fallas, y otras áreas débiles pueden clasificarse en dos categorías principales: i) rocas no cementadas o ii) rocas cementadas.

Rocas de fallas no cementadas

En esta clasificación, las rocas de fallas no cementadas se diferencian, a su vez, en i) roca de falla con bloques, y ii) roca de falla sin bloques, dependiendo de la composición de las partículas. El término "bloque" incluye todos los tamaños de partículas más grandes que la fracción de grava (> 63 mm). La determinación de este umbral se basa, principalmente, en el hecho de que hasta un tamaño de partícula de 63 mm es posible –al menos en la mayoría de los casos– el muestreo mediante testigos de perforación y realizar ensayos de laboratorio en todo el material de falla. En rocas de falla con bloques, a menudo, solo es posible muestrear los componentes individuales (por ejemplo la matriz o los bloques). El umbral también toma en cuenta la importancia geomecánica de los bloques para la definición de parámetros de macizo rocosos y su efecto en, por ejemplo, la cortabilidad, la perforabilidad y la abrasividad.

Los materiales cohesivos y no cohesivos también se diferencian en esta clasificación. Las rocas de fallas cohesivas forman el grupo de cataclasitas (Figura 4).

Las rocas de fallas descritas como "sin cohesión" no tienen partículas de grano fino, o no las suficientes como para ser mecánicamente relevantes; estas se especifican como rocas de fallas no cohesivas (Figura 5).

Para rocas de fallas con bloques, la clasificación también toma en cuenta, tanto la proporción volumétrica de los bloques, así como la distribución de los tamaños de los granos: si los bloques se pueden separar claramente de la matriz, como lo muestra una distribución de tamaño de partículas intermitente, se describen como bimrocks (Figuras 5 a la 9).

Si la composición de las partículas de las rocas de fallas está ampliamente graduada, entonces se diferencian entre “rocas de fallas cohesivas con bloques” y “rocas de fallas no cohesivas con bloques” (Figura 10). La primera categoría, tiene una distribución de tamaños de granos que va desde finos hasta bloques; mientras que la segunda, casi no tiene contenido de granos finos.

Rocas de fallas cementadas

Para rocas de falla cementadas, el grado de formación es de esencial importancia ya que influyen notablemente en la resistencia. Estas rocas se pueden caracterizar utilizando los parámetros típicos de roca blanda/suelo.

Se sugiere que en esta sección de la clasificación se incluyan los tipos de rocas encontradas en el depósito mineral en estudio; por ejemplo, brechas de fallas tectónicas, brechas de fallas hidrotermales, venas (Figura 11) y diques emplazados en fallas geológicas. Esto permitirá describir el caso (frecuente) en yacimientos minerales en que las fallas varían a lo largo de su corrida.

Sistemática de caracterización de zonas débiles propuesta

El sistema de caracterización de zonas débiles propuesto en este artículo consiste en los siguientes pasos (ver flujograma para la descripción de testigos DDH en la Figura 12):

ν Toda zona débil se describe de manera independiente (separada) del macizo rocoso circundante. Para el caso de la descripción de testigos DDH, se definen intervalos geotécnicos de logueo (tramos de muestra donde el logueador estima que el material tendrá un comportamiento geomecánico similar). De esta manera, se evita que las zonas débiles angostas desaparezcan de los registros.

ν El fracturamiento (RQD, FF, Jv) se deriva de la evaluación y medida de cada trozo de testigo recuperado del pozo, utilizando categorías como: sólido e intacto, perturbado, panizo, friable, no recuperado, triturado, molido, etc. Todo trozo se evalúa, se mide y se registra.

ν Se califica el sector o tramo mediante la clasificación de Fasching & Vanek, 2011 (Figuras 2 y 3).

ν Se evalúa la “tasa de cambio de resistencia” del material mediante el Ensayo Jar Slake (véase Wood & Deo, 1975 y Santi, 1998): se sumerge en agua una muestra entre 30 y 50 g durante 30 minutos y se describe.

ν Se evalúa los fenómenos de slaking y swelling mediante el ensayo de Desseault (Desseault et al., 1983): también requiere sumergir la muestra en agua por 30 minutos, para luego describirla.

ν Se listan los minerales de relleno de la zona débil, destacando el mineral que se estima que dará inicio al fallamiento, generalmente, son los minerales del grupo de las arcillas, minerales expansivos o minerales ablandables.

ν Se registra si existen planos cizallados o pulidos.

ν Por último, se registra la evidencia de infiltración de agua.

Conclusiones

1. La incorporación de la clasificación de Fasching & Vanek (2011) permite manejar la incertidumbre epistémica asociada a zonas débiles angostas, lo cual ha sido constatado en sitio por el autor. Esta clasificación de alta aplicabilidad para la industria minera contribuye a reducir las brechas de conocimiento y representación de estas entidades y sus propiedades para ser usadas como inputs en las evaluaciones geotécnicas.

2. Finalmente, esta clasificación, junto con una detallada descripción geológica y del fracturamiento, ensayos de degradabilidad en campo, más otras herramientas indirectas como: el uso de la batería de ensayos químicos del material obtenido de las perforadoras para la voladura (Carrizo et al., 2018); las técnicas cloud-to-mesh, en específico, el Método de Distancia con Signo, utilizadas para contrastar las discontinuidades mayores con una amplia variedad de parámetros (Danielson et al., 2020); y la evaluación de la confiabilidad de fallas modeladas propuesta por Eggers & Dight (2016), constituyen poderosas herramientas para el modelamiento de estructuras en minería de cielo abierto en cualquier etapa en que se encuentre.

Bibliografía

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