MASTER EN TÉCNICAS DE ANÁLISIS, EVALUACIÓN Y GESTIÓN SOSTENIBLE DE PROCESOS Y RIESGOS NATURALES Universidad de Cantabria Los materiales geológicos (sedimentos y depósitos superficiales) y su caracterización

Francisco Javier Barba Regidor Doctor en Geología

TEMA 3. Los materiales superficiales: características generales (2).

Guión del tema 1. Morfología y textura superficial de las partículas; redondez; orientación; empaquetamiento; cohesión de los materiales superficiales. 2. Porosidad y permeabilidad. 3. Características químicas: composición; los componentes de los materiales superficiales como elementos en equilibrio dinámico con las condiciones ambientales. 4. Implicaciones evolutivas: madurez textural y mineralógica

PROPIEDADES DE LAS ROCAS SEDIMENTARIAS Y DE SUS PARTÍCULAS. En continuidad con lo estudiado en el tema anterior, en este tema abordaremos, entre otras, las propiedades siguientes: forma (redondez y esfericidad), empaquetamiento y composición. Y, en relación con estas propiedades, estudiaremos dos conceptos clave en la definición de los procesos formadores de las rocas sedimentarias y de la intensidad con que han debido actuar: madurez textural y madurez mineralógica. Ver: http://www.geology.pitt.edu/GeoSites/sedstructures.htm

Durante el transporte de los granos, éstos reducen su tamaño debido a las fricciones (abrasión) producidas unoscontra otros y contra las paredes del medio de transporte. Este fenómeno contribuye a eliminar las irregularidades en la morfología (esquinas agudas). Así, el grado de redondez que presenten los granos nos proporcionará claves de la cantidad de tiempo en que las partículas han sido transportadas. Cuanto más largo es el proceso de transporte, más posibilidades hay de que las partículas hayan perdido sus bordes agudos por abrasión. La redondez se clasifica en términos relativos, hablándose de granos angulares a redondeados, pasando por categorías intermedias (ver la figura).

La redondez de los clastos

La redondez es independiente de la esfericidad de los granos. Ésta viene controlada por la forma original de los granos.

Redondez y esfericidad

Gráficas visuales para la determinación de la esfericidad y la redondez, basadas en Powers (1953) y Krumbein y Sloss (1955). Imagen tomada de Corrales et al. (1977).

Redondez y esfericidad

Cuadro de comparación visual para estimar el grado de redondez y esfericidad de los clastos (basado en Powers, 1953)

Empaquetamiento El espacio entre los clastos puede estar ocupado por un cemento (calcáreo, silíceo, ferruginoso o salino) o por material detrítico menor de 30 micras (matriz). El empaquetamiento puede caracterizarse en función del porcentaje de matriz frente al de clastos, observando si la roca presenta una textura grano-sostenida (arriba) o matriz-sostenida (abajo). El empaquetamiento, entre otros factores, es indicativo de la densidad del medio de transporte del sedimento.

Tomado de: http://www.uam.es/personal_pdi/cienci as/casado/GEORED/Sedimentarias/d etriticas.htm

El empaquetamiento indica la ordenación de los sedimentos en el campo gravitacional, pero, tiene, a la vez, una estrecha relación con la energía del medio; así, en medios agitados, el depósito inicial es mucho más apretado y los granos tienen tamaños mayores, pues los más finos pueden ser eliminados en suspensión. Durante la diagénesis, el empaquetamiento aumenta como consecuencia de las fuerzas compresivas sobre los sedimentos a medida de que son enterrados.

Empaquetamiento, orientación de granos y naturaleza de sus contactos mutuos

Porosidad y permeabilidad Son dos parámetros litológicos que definen el comportamiento de la roca como medio para albergar o transferir fluidos, a la vez que puede aportar comportamientos mecánicos capaces de generar situaciones de riesgo. La porosidad es el volumen de huecos de la roca, y define la posibilidad de ésta de almacenar más o menos cantidad de fluido. Se expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca (porosidad total o bruta). Además de esta porosidad total, se define como porosidad útil la correspondiente a huecos interconectados, es decir, el volumen de huecos susceptibles de ser ocupados por fluidos. Este concepto de porosidad útil está directamente relacionado con el de permeabilidad. La diferencia entre porosidad total y porosidad útil expresa el agua (o fluido en general) inmovilizado dentro de la roca, y recibe la denominación de "agua irreductible" de la roca. La porosidad útil es, en general, inferior en un 20-50% a la total, dependiendo, sobre todo, del tamaño de grano de la roca: cuanto menor sea este tamaño de grano, más baja será la porosidad útil respecto a la total. También influye la forma de los granos

La porosidad depende del tamaño de los fragmentos, siendo máximo en arenas, y mínimo en los materiales arcillosos. En el caso de materiales de grano más grueso, los mayores huecos se rellenan de materiales más finos y cierran los poros existentes. Imagen tomada de: http://www.netl.doe.gov/technologies/oilgas/Petroleum/projects/EP/images/Fig15 506Stanford_a.jpg

La Permeabilidad representa la facilidad con la que una roca o formación permite a un fluido de viscosidad dada atravesarla. Viene definida por la fórmula de D'Arcy: K dp -nV V = - ---- x ----- , y por tanto K= - ------n dL dp/dL donde: v = q/A= velocidad del fluido o flujo a través de unidad de área medida en cm/sg o en cm3 x seg-1 x cm-2 K = permeabilidad n = viscosidad medida en centiposises (1 poise= 1 g x cm-1 x seg-1) dp/dL = gradiente de presión del fluido o gradiente hidráulico en la dirección del movimiento; se mide en atmósferas/cm3. En estas condiciones, la unidad de medida de la permeabilidad es el Darcy, generalmente demasiado grande para los almacenes de hidrocarburos, por lo que se utiliza el milidarcy (md). Este parámetro depende, fundamentalmente, del tamaño medio y de la forma de los granos que constituyen la roca.

Porosidad y permeabilidad frente al índice de redondeamiento de las partículas

Gráfica tomada de http://www.uclm.es/users/higuer as/yymm/PoryPermvsIRar.jpg

Si el fluido es homogéneo, y no produce ninguna acción importante sobre la roca, se habla de permeabilidad absoluta; pero si en la roca existen varios fluidos, como es el caso de un yacimiento petrolífero, en el que podemos tener petróleo, agua y gas, se producen interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los fluidos diferentes de sus permeabilidades absolutas. Se define así como permeabilidad efectiva de un fluido la expresión de la propiedad de una roca o formación de ser atravesada por ese fluido en presencia de uno o varios otros fluidos. Depende por un lado de las características de la roca, y por otro, de las proporciones o porcentajes respectivos de los distintos fluidos presentes. La permeabilidad relativa corresponde a la relación entre permeabilidad absoluta y efectiva. Para un fluido dado, varia en función directa con la saturación de ese fluido en la roca, y se expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro.

Composición mineral La composición, tanto química como mineralógica, depende de la variación sistemática (bien por eliminación, bien por enriquecimiento) de algunos componentes minerales a lo largo del recorrido desde el área madre hasta el medio sedimentario, y de la aparición de nuevas fases minerales por procesos químicos. Intervienen aquí los mecanismos de diferenciación geoquímica sedimentaria y la propia físico-química del medio sedimentario para facilitar la neoformación y/o la reorganización de los minerales. Por su origen, en relación con los procesos de diferenciación geoquímica sedimentaria, se clasifican en detríticos o clásticos y en químicos/ bioquímicos. Los primeros se corresponden con los resistatos o resistentes; su acumulación, cuando proporcionan recursos minerales de interés económico, constituye los placeres. Las rocas que pueden generar estos minerales son las detríticas o clásticas. Forman parte de ellas también algunos minerales que han llegado a sufrir cierta meteorización química, en concreto los hidrolizados y los oxidados, que van a servir, entre otras, de elementos de unión de los anteriores (matriz).

Los componentes químicos y/o bioquímicos son aquéllos que se han originado en la cuenca sedimentaria por precipitación química directa y/o por la acción metabólica de los organismos. Se incluyen aquí los carbonatos y los evaporatos, entre otros, y se suele hablar de dos categorías, de ortoquímicos, cuando proceden de precipitación directa, esto es in situ, y de aloquímicos, cuando, después de haber precipitado en la cuenca han sufrido removilización y redepósito en otra zona más o menos próxima de la misma cuenca. Cada uno de estos componentes presenta un papel diferente en la roca. Su importancia textural es diferente según el dominio relativo en la roca de cada clase granulométrica. En general, el componente granulométrico más abundante de cada roca, a la cual define, constituye el armazón, trama o esqueleto de aquélla; en general, se suele asociar este concepto con los componentes de mayor tamaño. A los de menor tamaño se les asigna el papel de unión o ligazón de los anteriores, distinguiéndose dos fracciones diferentes, matriz y cemento. La matriz suele estar constituida por granos procedentes de decantación a partir de suspensiones (limos, arcillas, fango carbonatado o micrita); los cementos, en cambio, proceden de precipitación a partir de las disoluciones intersticiales de los sedimentos (p. ej., la esparita de las rocas carbonatadas).

Otros componentes presentes en las rocas sedimentarias son los de naturaleza orgánica. Los más característicos son los macerales, fragmentos vegetales de que están constituidos esencialmente los carbones. En el caso de los petróleos, los componentes son los denominados sapropeles, substancias químicas procedentes de la transformación de los principios inmediatos de que están compuestos los organismos a partir de los cuales se origina esta roca.

Composición mineral Lutitas %

Arenitas %

Minerales arcillosos

60

5

Cuarzo

30

65

Feldespato

4

10 - 15

Minerales carbonatados

3