Rocas Ígneas

1.2-1.3 Rocas Ígneas

El magma, generado por el calentamiento y fusión de rocas dentro de la corteza terrestre, es el origen de las rocas ígneas. Este proceso ocurre a profundidades entre 10 y 100 km y a temperaturas entre 800 y 1200ºC. Las rocas ígneas se forman por el enfriamiento, solidificación y cristalización del magma. Si el cuerpo magmático se forma en el interior de la corteza, se forma un plutón.

– Minerales principales: Cuarzo, feldespatos, moscovita, biotita o máficos.

• Magmas: Están formados por 3 componentes:

1. Componente líquido o fundido: Constituido por iones de silicio y oxígeno que forman sílice. Hay más iones como Al, K, Ca, etc. La composición de las rocas ígneas viene determinada por la composición del magma del cual cristaliza.
2. Componente sólido: Puede no existir. Silicatos ya formados. Aumentan con el enfriamiento hasta ser el componente principal.
3. Componente gaseoso: Disueltos en el fundido y a gran presión tales como el vapor de agua, CO2 y azufres.

Podemos realizar algunas clasificaciones según:

• Tamaño de grano:
  • Cristales se pueden identificar a simple vista: grano grueso >3mm.
  • Cristales demasiado pequeñas para identificarlos a simple vista: Grano medio 3-1 mm.
  • Cristales demasiado pequeños para identificarlos a simple vista: afanítica Grano fino <1 mm.
• – Composición mineralógica:
  • Minerales félsicos (color claro): Cuarzo, Feldespatos, Feldespatoides, Moscovita.
  • Minerales máficos (color oscuro): Olivino, Piroxenos, Anfíboles, Biotita, Opacos.
• – Composición química: Contenido en SiO2; <45% ultrabásicas; 45%-52% básicas; 52%-63% intermedias; >63% Acidas

• Diferenciar entre sílice como componente químico de todos los silicatos y el cuarzo como mineral que solo cristaliza cuando los demás minerales han capturado su sílice de la disponible en el magma. Ambas se escriben igual (SiO2).

Composición de las Rocas Ígneas

Fundamentalmente silicatos. Su composición mineral viene determinada por la química del magma que provenga. La combinación de elementos como O y Si (SiO2), Al, K, Na, Ca, Mg y Fe forman 2 grupos de minerales silicatados:

1. Leucocratos: Ricos en K, Na y Ca como el cuarzo, feldespatos y feldespatoides o la moscovita. De color claro.
2. Melanocratos: Ricos en Fe y Mg como el piroxeno, olivino, anfiboles o biotita. Color oscuro.

Según esto hay 2 grupos grandes de rocas:

1. Rocas básicas o máficas: Formadas por melanocratos y plagioclasas ricas en Ca que dominan la corteza oceánica.
2. Rocas ácidas o félsicas: Formadas por leucocratos y dominan la corteza continental.

• Hay otros grupos, como las rocas intermedias y las ultramáficas.

Factores que Determinan la Textura

1. Tamaño, forma y ordenamiento de sus cristales.
2. Consecuencia del proceso de enfriamiento de un magma.

El tamaño de los cristales depende de:

1. La cantidad de sílice y volátiles presente.
2. Velocidad de enfriamiento:
   1. Rápidamente en superficie el magma se enfría en segundos formando piroclastos. Si tarda días o semanas, lavas.
   2. Meses o años en intrusiones poco profundas.
   3. Miles a millones de años a grandes profundidades.

Si el magma se enfría lentamente, los cristales tienen tiempo para crecer y alcanzar tamaños grandes. Si se enfría rápidamente ocurre lo contrario y se forma una masa sólida de pequeños cristales. Si se enfría muy rápidamente, no hay tiempo para la cristalización y se forman vidrios.

Tipos de Textura

1. Fanerítica: Cristales de grano grueso bien cristalizados y del mismo tamaño; no hay necesidad de utilizar el microscopio. Cristalización lenta. Rocas plutónicas.
2. Afanítica: Cristales demasiados pequeños para que se distingan a simple vista. Cristalización rápida. Si son oscuros (silicatos Fe-Mg), si son claros (silicatos no Fe-Mg). Rocas volcánicas.
3. Porfídica: Cristalización lenta (formación de cristales grandes o fenocristales) seguido de enfriamiento rápido cerca de la superficie con formación de cristales pequeños (pasta). Rocas filonianas.
4. Vítrea: El enfriamiento es tan rápido que a los iones no les da tiempo a unirse para formar estructura cristalina ordenada (pumita, obsidiana).

Formación de Magmas

1. Magmas basálticos: La mayoría procede de la fusión parcial de las rocas ultramáficas del manto.
2. Magmas andesíticos: Originado por la interacción de magmas basálticos con las rocas de la corteza más ricas en Si.
3. Magmas graníticos: Producto final de la cristalización de un magma andesítico o de la fusión parcial de rocas continentales ricas en Si. Son más viscosos y pierden su movilidad antes de alcanzar la superficie, formando grandes estructuras plutónicas.

Rocas Plutónicas

• Tipos de yacimientos: Llamamos plutones a las estructuras formadas por el emplazamiento de material ígneo en profundidad. Solo se pueden estudiar una vez el terreno se haya levantado y la erosión los haga aflorar.

• Batolito: Gran masa que no se adapta a la disposición de las rocas encajantes.
• Lacolito: Forma lenticular debida a un magma que se intruye entre los estratos, deformándolos.
• Lopolito: Masa adaptada a la disposición del hueco encajante, sin apenas deformación.

• Diorita: Parece un granito oscuro. Se diferencian gracias a que esta no lleva cuarzo y su mayor porcentaje de silicatos oscuros.
• Gabro: Equivalente intrusivo al basalto. Poco común en la corteza continental y muy frecuente en la marina.

Comportamiento de las Rocas Graníticas en Obras

1. Excavaciones y desmontes: Rotura frágil / Con perforación y voladura / Taludes fuertes en rocas sanas / Bloques sueltos / Heterogeneidad / Geometrías irregulares
2. Cimientos: Buen cimiento.
3. Presas: Buenas cerradas geométricas / Presas de gravedad, arco y bóveda / Inyecciones para consolidar y cerrar fracturas / Inspecciones de visu / Fondos irregulares / Impermeabilidad con inyecciones de cemento / Problemas de subpresiones / Fallas jabrizadas a largo plazo / Filtrados
4. Túneles: Coste de perforación (Roca dura) / En túneles cortos excavación con explosivos y revestimientos finales / En túneles largos excavación con TBM y alto coste
5. Grandes excavaciones subterráneas: A gran profundidad decompresión y lajas / A corto plazo uso de bulones / A largo plazo, hormigón.

Rocas Filonianas

Roca que se ha formado al solidificarse un magma que se ha introducido por las fracturas de las rocas del entorno. Son masas tabulares, de menos tamaño que las otras 2. Aparecen en superficies formando familias.

Texturas:

1. T. aplítica: Microcristales de tamaño similar.
2. T. porfídica: Fenocristales dentro de una matriz de cristales de menor tamaño.
3. T. pegmatítica: Presencia de macrocristales.

Tipos

1. Pórfidos: Textura porfídica. (Pórfidos graníticos, Pórfidos sieníticos, Pórfidos dioríticos, etc)
2. Ácidas: Formadas por cuarzo y feldespatos, sin melanocratos.
   1. Aplitas: Cuarzo, ortosa y plagioclasas. Semejante a los granitos, pero sin biotita. Textura aplítica. Normalmente en diques tabulares.
   2. Pegmatitas: formadas por cuarzo y feldespatos. En menor proporción: uranio, moscovita, topacio y turmalina. Normalmente en diques irregulares, estrechamientos, ensanches …
3. Básicas: Tonos oscuros ricas en piroxenos, anfíboles, biotita.

Comportamiento en Obra

Similar al granito / Problemas de coste / Mejor que el granito para escolleras y bloques portuarios / Buen cimiento / Buen apoyo en presas y puentes / Su presencia en túneles dificulta las labores de TBM

Rocas Volcánicas

Rocas que salen a la superficie a través de fisuras o fracturas y se enfrían rápidamente dando lugar conos volcánicos. Se forman de manera intermitente salvo en las dorsales oceánicas y en algunos puntos calientes donde lo hacen de manera continua. La rapidez de enfriamiento impide la formación de cristales. Es difícil la identificación al microscopio. Sí con análisis químicos.

Los Volcanes

Emite materiales en su erupción como gases o lava. Las emisiones de sólidos y nubes de ceniza dan lugar al depositarse a los piroclastos.

– TIPOS DE COLADAS DE LAVA: (Manto de lava fluida)

1. Lavas cordadas o pahoehoe: Lavas basálticas fluidas que se enfrían en superficie formándose una corteza lisa que se arruga al fluir por debajo la lava todavía fundida. A veces se forman tubos de lava de gran tamaño y longitud, que terminan siendo cuevas cuando se solidifican.
2. Lavas aa: Superficie de bloques ásperos y desiguales, con bordes afilados y rugosidades.
3. Lavas almohadilladas: Lavas que se solidifican en ambiente subacuático y desarrollan una estructura en forma de almohadas apiladas.

– MATERIALES EMITIDOS:

1. Materiales piroclásticos: Ceniza (<2mm); tufita y toba/ lapilli (2-64mm)/bloques y bombas(brechas y aglomerados). Las coladas piroclásticas son nubes de gases volcánicos y piroclastos de tamaño variable, desde cenizas hasta grandes bloques. Se mueven como las avalanchas de nieve ladera abajo del volcán.
2. Gases: Los más abundantes son el vapor de agua y el CO2 además del dióxido de azufre (SO2), sulfuro de Hidrógeno (H2S) y ácido clorhídrico y fluorhídrico. Además de impulsar el magma, los gases en expansión contribuyen a crear el conducto que conecta la cámara magmática con el exterior ya que abren las fracturas de la roca.

El factor principal que condiciona la naturaleza de los volcanes es la viscosidad:

1. A mayor contenido en sílice, mayor viscosidad.
2. La viscosidad disminuye con la temperatura.
3. El contenido en gases disuelto incrementa la fluidez.
4. Con la viscosidad aumenta la explosividad.

Más del 90% de las lavas son de composición basáltica. Los tipos de erupciones dependen de la viscosidad del magma y del contenido de volátiles. Los magmas ácidos son muy viscosos generan explosiones. Los magmas básicos son muy fluidos y con pocas explosiones.

– TIPOS DE ERUPCIONES:

1. Hawaiano: Lavas muy fluidas, grandes coladas. Los gases se separan al disminuir la presión y escapan. Enfriamiento: aumenta viscosidad: pierden volumen.
2. Estromboliano: Lavas moderadamente fluidas. Los gases escapan fracturando el magma. Son erupciones explosivas.
3. Vulcaniano: Lava viscosa y nubes de ceniza.
4. Peleano: Lava muy viscosa. Explosiones.
5. Fisurales: Lavas muy fluidas y grandes coladas.
6. Freáticas: El agua entra en la cámara. Explosivas.
7. Submarinas: Gran profundidad. La lava fluye lentamente

* Calderas volcánicas: Hundimiento de la cima de un volcán compuesto después de una erupción explosiva. En otras ocasiones hay explosiones hidromagmaticas al ponerse en contacto el magma con el agua subterránea de acuíferos confinados, produciéndose grandes depresiones llamadas maares.

Otras Rocas Volcánicas

• Cenizas: Constituyen un suelo fino, poroso, poco denso, compresible, que se altera fácilmente a arcillas plásticas.
• Tobas: En general son cenizas que al caer, aún calientes, se sueldan. Son rocas poco resistentes, deformables, porosas, poco densas. De escaso uso en obra.
• Lapilli: Piroclasto de tamaño centimétrico procedente también de expulsión aérea.
• Riolita: Son rocas duras y abrasivas por su contenido en sílice. Es una roca frágil que puede dar un árido anguloso.
• Pumita: Piedra pómez. Es una riolita con pérdida de gases en su solidificación.
• Obsidiana: Procede del enfriamiento rápido de una lava rica en sílice con pocos gases en su masa.
• Traquita: Procede de lavas muy viscosas. Se usa en sillería.
• Andesita: Abunda en los volcanes de los Andes. Procede de lavas formadas por magma básico del manto superior mezclado con materiales de la corteza. Si está sana es dura, resistente y poco deformable. Se usa como bases de carreteras y como balasto. Es impermeable, de ahí que da buenas cerradas Permite que los canales puedan ir sin revestir.
• Basalto: Roca volcánica más frecuente. Procede de lavas básicas muy fluidas. Muy resistentes y duros. Uso en mampostería. Excelente como árido en firmes asfálticos y hormigones. Excelente para balasto. Igual de impermeable que la andesita.

Comportamiento en Obra

1. Cimiento:
   • Coladas de lava: Grandes cargas sin apenas deformación.
   • Lapilli: Cargas medias con deformaciones razonables.
   • Cenizas: Solo cargas bajas.
2. Excavaciones:
   • Con explosiones: las coladas de riolitas, andesitas, basaltos, obsidiana.
   • Con martillo neumático: las tobas, pumitas, alguna traquita, alguna ignimbrita.
   • Con pala: Lapilli y cenizas.
3. Túneles: Independientemente del comportamiento de cada tipo de roca, un problema general es el de la heterogeneidad cuando se atraviesan coladas de diferente comportamiento, coladas lávicas o piroclásticas, cenizas etc. lo que penaliza el uso de las tuneladoras (TBM) exigiéndolas que sean de tipo “doble escudo”.
4. Depósitos de agua: Se han instalado depósitos de riego y abastecimiento de agua en cráteres volcánicos por su forma y a veces por su impermeabilidad. Muchas veces son permeables y hay que impermeabilizar.
5. Presas y embalses: Buenas cerradas, solo si son rocas resistentes. Un cimiento homogéneo permite cualquier tipo de presa. Un cimiento heterogéneo exige presas de materiales sueltos. Problemas de filtración por juntas en coladas. Si es necesario, se pueden hacer inyecciones de impermeabilización cerrando juntas y rellenando poros de piroclastos.

2.1 Investigaciones Directas del Terreno. Sondeos Catas y Galerías.

Métodos de Exploración del Subsuelo

El método condiciona directamente los costes y plazos:

1. Directos: Excavaciones abiertas / Excavaciones subterráneas / Perforaciones
2. Indirectos: Prospección geoquímica (- en ingeniería) / Prospección geofísica

Métodos de Exploración del Terreno

1. Observaciones y medidas directas: Descripción de ripios y testigos, % recuperación, RQD, Censado de discontinuidades, etc.
2. Muestreo: Muestras alteradas o inalteradas.
3. Ensayos in situ (sobre terreno o en sondeos): Ensayos de Penetración Dinámica, Ensayos de penetración estática y dinámica de cono, Placa directa, Carga de Pilotes, Ensayo de Permeabilidad en campo, etc.
4. Instalación de instrumentos de monitorización: Piezómetros, Celdas de Carga, Inclinómetros, Extensómetros, Sismógrafos, etc.
5. Ensayos de laboratorio nada q decir.

Caracterización del Terreno

El cuanto impacta directamente en el coste y plazos:

1. Cantidad: (de sondeos, muestras, análisis,…) Tiene que garantizar un conocimiento suficientemente detallado de las características del terreno según el proyecto a realizar.
2. Extensión: Debe cubrir adecuadamente la extensión de la obra/proyecto.
3. Profundidad: Se debe alcanzar la profundidad necesaria para caracterizar adecuadamente los terrenos afectados o que pudieran afectar a la obra.

El cuando: Se pueden realizan estudios de caracterización del terreno en todas las fases de un proyecto: desde los estudios preliminares hasta la construcción. Son más importantes en la fase de inicio ya que la información obtenida sirve para tomar decisiones de diseño y construcción y permite calcular los costes.

Catas

1. Pueden ser manuales, aunque en general se usan retroexcavadoras.
2. Solo se realizan en materiales fácilmente excavables. Si hay alguna zona más resistente se puede emplear martillo hidráulico para su fracturación previa. Problema si aparecen bloques muy grandes.
3. Generalmente secciones rectangulares o cuadradas.
4. Poca profundidad.
5. Problema si el nivel freático está cerca de la superficie y es un material permeable: inundación de la cata.
6. Permiten tanto la inspección visual directa como el muestreo en las paredes y fondo. Se pueden realizar algunos ensayos in-situ.
7. Las paredes pueden colapsar.

Galerías

1. Túneles de 2 a 3m de altura, generalmente con sección en herradura y soportada (según las necesidades) con métodos mineros (entibación, etc.).
2. Son caras de realizar por lo que su uso es sólo viable en grandes proyectos.
3. Dan una información muy completa sobre el estado del macizo rocoso, litología, alteraciones, discontinuidades, etc.
4. Facilitan la toma de muestras y se puede realizar ensayos in-situ.

Perforaciones

1. Con barreno manual: Procedimiento manual mediante la inca del varillaje con elemento de corte en el extremo: Aplicable en sedimentos sueltos, suelos o roca muy poco competentes / Generalmente muestra alterada / Profundidad muy reducida / Se pueden realizar ensayos in-situ / Rendimiento muy variable / Se puede motorizar el giro de la barrena
2. Percusión con cable: Método poco usado en Ingeniería, pese a economía, simplicidad y diámetros elevados / Avance por percusión de un trépano que se eleva por un cable y cae por gravedad / Método destructivo, en el que se recoge ripio y lodos para muestrear de forma discontinua mediante una cuchara / Se pueden realizar algunos ensayos in-situ / Tiene un mayor alcance que la perforación manual pero no suele superar los 150m de profundidad / Diametro entre 250mm y 800 mm / El rendimiento va en función del material y profundidad
3. A rotopercusión: Indicado para formaciones duras / Se realizan sondeos o barrenos para: voladuras, investigación y muestreo, drenaje, anclajes para estabilizar taludes, etc / Dos tipos: martillo en cabeza (percusión fuera del barreno) y martillo en fondo (percusión mediante accionamiento neumático dentro del barreno) / Componentes del sistema: perforadora (rotación y percusión), Sarta de Perforación (barrenas, tubos, varillaje, etc), Boca, Fluido de perforación (extrae detritus, refrigera, controla polvo y estabiliza paredes
4. A rotación: Es el más útil para conseguir muestras para inspección visual, muestreo, modelización geológica… pero es más lento y costoso.
   1. Una corona de metal duro o de carburo de tungsteno va montada en el extremo de un tubo que es accionado por la máquina de perforación a través del varillaje.
   2. Al ejercer el útil unos esfuerzos de empuje y rotación se produce el corte de la roca.
   3. Al avanzar la corona, se va formando un cilindro de roca (testigo) que es sacado gracias al “tubo sacatestigos”.
   4. Hay que parar la perforación y sacar todo el varillaje para recuperar cada tramo de testigo (excepto con el sistema “wire line”, en el que el testigo se recupera sin necesidad de sacar todo el varillaje).
   5. El fluido de sondeo se inyecta por el interior del varillaje o tubo y sube con el detrito por las paredes del sondeo.
5. Por circulación inversa: El fluido de sondeo baja entre el varillaje y la pared del sondeo y sube con el detrito por el interior del varillaje / Técnica rápida / Herramientas de corte: triconos, martillos de fondo, trialeta, etc / Pueden realizarse sondeos de gran diámetro / Hay un método reciente que usa aire y doble tubería, con mejora de rendimientos y muestreo muy representativo (material fracturado)