Analisis Estado de Esfuerzos Tectoncos

TECNOLOGIA-ICE DICIEMBRE 2000

D r. Allan López ✍

El conocimiento adecuado del campo de esfuerzos esfundamental en los proyectos hidroeléctricos ygeotérmicos. Sin embargo, la obtención de modelos esrelativamente cara. Como sustituto de lasdeterminaciones in situ se implementó unai nvestigación regional utilizando datos sismológicos ytectónicos. En ella se demostró que la región atlánticade Costa Rica presenta un comportamiento de larazón k = esfuerzo horizontal / esfuerzo ve r t i c a l ,similar al de otras partes del planeta, pero conc a racterísticas particulares. El campo de esfuerzos deprimer orden y la proporción K se combinaron parapredecir las magnitudes absolutas esperadas en laopción de casa de máquinas subterránea del Proye c t oHidroeléctrico Pacuare, a una profundidad de 240 m,de forma tal que se rotó su orientación original paraevitar daños costosos y peligros en una eve n t u a le x c avación. También se aplicaron estas propiedadesdel campo moderno de esfuerzos para estudiar elpotencial de reactivación de un grupo regional defallas en el embalse, situado a 50 km del epicentro delterremoto de Limón de 1991 (Mw 7.4). En el Proye c t oHidroeléctrico Pirris se modeló el papel de lasf ra c t u ras y fallas en el comportamiento hidrogeológicodel sitio de presa abandonado y se aportaron datos dee n t rada para optimizar el diseño de su túnel.

INTRODUCCIÓN

El conocimiento del estado de esfuerzos en losmacizos rocosos en que se efectúan inve s t i g a c i o n e sgeológico-geotécnicas para apoyar el diseño ra c i o n a l ,seguro y oportuno de obras hidroenergéticas y

geotérmicas, es de fundamental importancia. Pe r m i t emodelar adecuadamente el medio y preve n i rcomportamientos destructivos como la roca explosivay las deformaciones de túneles y obras subterráneas.

En general, el conocimiento de los estados deesfuerzo y sus variaciones espacio-temporales tieneuna gama de aplicaciones muy importantes en laingeniería y geología, tal como se resume en la figura1, (modificada de Amadei y Stephansonn: 1997). Ladeterminación de este estado es una tarea delicada ycostosa, ya que el equipo utilizado es especial y latoma de datos debe ser hecha con mucho cuidado ypor personal calificado.

Figura No. 1Actividades que requieren del

conocimiento de los esfuerzos in situ (modificado de Amadei & Stephansson, 1997)

Innovación y Desarrollo

ANÁLISIS DEL ESTADO DE ESFUERZOS T E C T Ó N I C O SEN COSTA RICA Y SU A P L I CACIÓN PRÁCTICA EN LOSP R OY E C TOS ENERGÉTICOS DEL ICE

En la Ingeniería Civil y de Minas

Estabilidad de las excavaciones subterráneas(túneles, minas, cavernas, galerías, topes, acarreos).

Perforaciones y voladuras

Diseño de pilares

Diseño de sistemas de soporte

Presas

Estabilidad de taludes


ANTECEDENTES

La región comprendida entre el pacífico central deNicaragua, Costa Rica y el noroeste de Panamá hasido y está siendo, actualmente, afectada por lainteracción de las placas tectónicas de Cocos,Caribe y Nazca. Se genera, de esta forma, uncomplejo permanente y muy activo arreglosismotectónico y campo de esfuerzos asociado,cuyo origen está controlado principalmente por lasfuerzas inducidas por los movimientos de dichasplacas, la primera en especial.

Este condicionamiento que opera desde hacevarios millones de años y que continuará en elfuturo, ha impuesto un régimen de esfuerzos ydeformación concomitante que ha afectadoprofundamente a los macizos rocosos en dondese han instalado aprove ch a m i e n t o shidroélectricos y geotérmicos. La relación parc i a lde esta interacción se aprecia en la figura 2(cedida por R. Von Huene, E. Flüeh y C. Ranerode Geomar, Kiel, Alemania). En esta figuratridimensional se presentan los resultadosbatimétricos de una serie de inve s t i g a c i o n e smarinas, geológicas y geofísicas (PACOMAR yTICOSECT) efectuadas durante la última décadapor Universidades e Institutos de Investigación deAlemania y Estados Unidos junto a la contra p a r t enacional conformada por la Universidad de CostaRica (UCR), la Universidad Nacional (UNA) y elInstituto Costarricense de Electricidad (ICE).

Figura No. 2

La placa de Cocos se desplaza hacia el NE,como si fuera una gigantesca bandat ra n s p o r t a d o ra, a una velocidad de 9 cm / poraño. Corresponde esta perspectiva con eldenominado segmento de los montes marinos ded i cha placa, en la que el fondo oceánico es muyrugoso y está cubierto por una serie de vo l c a n e s


Desarrollo energético

Estabilidad y desviación de perforaciones profundaspetroleras y geotérmicas.

Deformaciones y falla en perforaciones.

Fracturamiento y propagación de fracturas

Flujo de fluidos y problemas geotérmicos

Administración de la producción de reservorios

Extracción y almacenamiento energético

Geología

Orogenia

Predicción de terremotos

Tectónica de placas

Neo y paleotectónica

Estabilidad y reactivación de fallas

Geología estructural

Hidrogeología y transmisión de contaminantes

Volcanología

Glaciación


submarinos extintos, alineados en sendasc o r d i l l e ras (Von Huene et al: 2000). Al noroestede Nicoya el fondo es mucho más regular,por lo que el comportamiento sismológicoes también particular. Aquí, no existenpromontorios de hasta 2 km de altura, delos cuales la isla del Coco es uno quesobresale, generándose, de esta forma,problemas de espacio al llegar a la fosamesoamericana y ser subducidos bajo laplaca Caribe. Cuando esto sucede, escuando se producen dichas asperezas,cambios en su fricción basal y resistencia alcorte. Sin embargo, esto no quiere decirque esa parte occidental de Costa Rica estéexenta de amenaza sísmica pues, enrealidad, todo el país está más bienpropenso a tal actividad. (A. Climent;com.pers: 1999).

La actividad sismo-tectónica, permanente yconstante, con períodos de recurrenciaparticulares según la zona del país, tambiénproduce un importante campo de esfuerzos, quep a ra el área del pacífico-sur es un bulbo deesfuerzos con la forma y dimensiones que seaprecian en la figura 3 (López, A: 1999). Estageometría, conocida como indentor, refleja losefectos deformantes de un cuerpo rígido, laplaca de Cocos en este caso, al interactuar conuno relativamente plástico, la placa Caribe.Además, ha sido aplicada con anterioridad paramodelar y explicar la tectónica en varias partesdel planeta. (Tapponier y Molnar:1977);( R e g e n a u e r-Leib y Petit: 1997). Las dimensionesdel indentor, cuya base está determinada por ela n cho total de las cordilleras submarinascontenidas en la placa de Cocos, desde la partesureste de la península de Nicoya hasta la deOsa, cubren dos terc e ras partes del territorionacional y por ende la gran mayoría de losp r oyectos energéticos del I.C.E. ( ver figura 3). Esimportante destacar que el resto también estásometido a deformación tectónica.

Figura No. 3

E p i c e n t ros sísmicos acumulados para el período 1984-1998. Noteel límite contrastante NE en la parte sur de Costa Rica y su re l a c i ó n

p a ralela con el indentor de la serranía de Cocos.

DESARROLLO DEL TEMA

Debido a las limitaciones antes señaladas, a laf e cha, no se han efectuado, en nuestro país,determinaciones in situ del estado de esfuerzos. Eldesarrollo de una investigación (López: 1999) hapermitido derivar dicho estado para Costa Rica, elnorte de Panamá y el sur de Nicaragua, utilizandodatos sismológicos de fallas geológicas yelongaciones profundas en perfora c i o n e spetroleras, además de otros indicadores geológicos.Se compiló una base de datos con casi 900soluciones de mecanismos focales que son unarepresentación gráfica de las fallas geológicasresponsables de generar un terremoto en el pasado;se midieron, asimismo, más de 2000 indicadorescinemáticos en fallas a escala de afloramiento enlos P.H. Pirris, Angostura, Boruca y Peñas Blancas,tanto en superficie como en galerías deexploración, excavaciones y túneles.



También, un tramo con elongación a la profundidadde 1465 m en el pozo de exploración petrolera Moro-te, perforado por RECOPE en el margen oriental delgolfo de Nicoya en 1986. Adicionalmente, seinterpretaron varios conos volcánicos piroclásticosmenores, no relacionados con sistemas de fra c t u ra s .Por último, fallas regionales como en el caso de laprolongación del Graben de Nicaragua en la regiónnoreste del país.

M É TODOS DE A N Á L I S I S

El tensor de esfuerzo se calcula al someter lapoblación de fallas o planos nodales seleccionados delos mecanismos focales a una inversión matemática,g e n e ralmente una función trigonométrica, de talforma que el resultado explique y justifique lageometría y sentido de movimiento de la mayoría detales estructuras geológicas. Se utilizan histogra m a sp a ra verificar que la distribución de la población seaadecuada (hemicampana de Gauss) y se calcula,además, un parámetro (R) que indica la formaaproximada del elipsoide de esfuerzos y su estabilidadr e l a t iva, es decir, si se pueden permutar los ejes,cambiando entonces el régimen de esfuerzostectónicos; situación relativamente común en larealidad geológica. Durante el proceso, la inve r s i ó nr e chaza todas aquellas fallas que no se ajustan a lostres ejes de esfuerzo que explican la mayoría de lase s t r u c t u ras, por lo que se debe tener cuidado ensometer conjuntos de datos que tengan sentidogenético y lógica tectónica.

R E S U LTA D O S

El plano nodal verdadero de cada mecanismo focalfue seleccionado y los subconjuntos fueron usadoscomo datos de entrada para el cálculo de tensores deesfuerzo locales y regionales, después de habersed ividido en zonas de concentración litosférica yregímenes tectónicos específicos. Los superficialescon hipocentros superiores a los 25 km deprofundidad, se examinaron como una capa especial,s e p a rados de los más profundos que este límite,

impuesto por la continua subducción de la placa deCocos, cuyo control en la distribución vertical sísmicaes evidente. Los resultados de los tensores configura nun modelo de esfuerzo de primer orden, donde elesfuerzo máximo compresivo regional, SH m a x se orientaen forma consistente hacia una dirección promediode N22°E, a lo largo del márgen continental pacíficoy perpendicular a este. Esta dirección es muy similar ala dirección de convergencia de la placa de Cocosque está siendo subducida bajo la placa Caribe en laFosa Mesoamericana (MAT ) .

Las desviaciones detectadas en las trayectorias delSH m a x ( f i g u ra 4) apuntan casi al N-S y se localizandonde éstas cortan alineamientos estructuralesm ayores como el Sistema de la Falla Longitudinal deCosta Rica y el complejo límite entre las prov i n c i a stectónicas del noroeste y del sudeste del bloqueChorotega en el centro de Costa Rica, así como a lolargo de otras estructuras regionales importantes. Lac o r d i l l e ra ígnea de Talamanca y el arco volcánico deGuanacaste actúan como barreras deflectoras del SH m a x

bajo ciertas condiciones.

Figura No. 4


Mapa de de trayectorias del SHMax superpuesto en el mapa geológico deCosta Rica (Astorga et al, 1991), con los ejes P de los mecanismosfocales compresivos y rumbo-deslizantes de terremotos menores a 25km de profundidad y de todas las magnitudes.


El campo distensivo está mucho menosdesarrollado, pero exhibe una gama amplia ycambios marcados de sus orientaciones locales.Una propiedad tectónica es que un régimenrumbo-deslizante que forma un patrón en X, fallascon acimuts al N-E y N-O, está fuertementesuperpuesto en el ambiente distensivo dentroy alrededor de los edificios vo l c á n i c o s ,mostrando la influencia dominante del efectoindentor de la placa de Cocos.

H ay un campo contraccional débil y no entodas partes desarrollado, con una tendenciaprincipal hacia el N33°O, encontrado en va r i o ss u bvolúmenes de la capa superficial. Escontemporáneo con el SH m a x al N-E, y seinterpreta como un efecto lateral secundario dela indentación de la placa de Cocos en laCaribe, después de su subducción a lo largo dela MAT. Otra compresión E-O está presentepaleotectónicamente y neotectónicamente y seexplica por razones asociadas a la cinemáticade placas.

El campo de esfuerzo profundo, por debajo de los25 km, tiene una tendencia N-E más homogéneadel SHmax, a pesar de que algunas teorías no asignanninguna representatividad a sus soluciones focales.Ahí la tectónica extensional está pobrementedesarrollada en este contexto geotectónico,dominado por el proceso de la subducción. Losparámetros del plano nodal ve r d a d e r oseleccionado para cada mecanismo focal en elbanco de datos, fueron usados para interpretarregionalmente y generar mapas de los estilosestructurales, vectores de deslizamiento en el límiteCocos-Caribe y sus propiedades cinemáticas ydinámicas.

Los resultados tensoriales se utilizaron paraconstruir el Mapa de esfuerzos de Costa Rica (figura5), como una contribución al Proyecto del MapaMundial de Esfuerzos del Programa Internacionalde la Litosfera. En este, cada símbolo representa la

orientación local del SHmax calculada mediante untensor de esfuerzo respectivo.

Figura No. 5

Mapa de esfuerzos tectónicos de Costa Rica desarrollado según lasnormas del Mapa Mundial de Esfuerzos. Cada indicador de esfuerzosrepresenta el valor de un tensor calculado a partir de una poblaciónde fallas sísmicas. Los indicadores geológicos son de deslizamientosen fallas Neógenas y conos volcánicos Cuaternarios. Se incluye unode elongación en pozo petrolero profundo.

ROTACIÓN DE LA CASA DE MÁQUINAS SUBTERRÁNEAPROPUESTA PARA EL P.H. PACUARE

Para el P.H. Pacuare, ubicado en la cuenca mediadel río homónimo, se había propuesto unaalternativa de casa de máquinas subterránea a 240m de profundidad. Dado que en el país no se haconstruido todavía una obra con talesc a racterísticas, no se cuenta con experienciaespecífica, pero se conoce por lo antes expuesto,que cualquier obra subterránea está afectada por elestado de esfuerzos imperante y que estéinteractuará, positiva o negativamente, durante la




excavación y operación de la obra. Por lo tanto, sedebe conocer con anticipación las propiedades dedicho campo para efectuar un diseño apropiado.

Puesto que el método directo de medición,mediante ensayos de hidrofracturación o overcoringen una perforación, cuesta cerca de U.S. $ 200.000,se aplicó la metodología indirecta ya discutida,pero que ofrece resultados realistas y muy cercanosa los verdaderos. Con el campo de esfuerzosmodelado y con los tensores de esfuerzo tectónicoque lo conforman ya calculados, sólo faltadeterminar las magnitudes absolutas de los tres ejesdel elipsoide de esfuerzos.

Angelier (1989) discutió con detalle un método paracombinar a las leyes de ruptura y fricción con losenfoques y relaciones empíricas derivadas en ensayo sde laboratorio para determinar las magnitudesabsolutas de los tres ejes, antes mencionados. Entreestas magnitudes se encuentran las curvas de rupturaobtenidas por Hoek y Brown (1980), Hoek y Bray(1981) y la ley de Byerlee (1987) para la fricción dediferentes tipos de roca. Conociendo la densidadpromedio de las litologías invo l u c radas y laprofundidad donde actúa el tensor responsable de lag e n e ración o reactivación de fallas locales y con elcomplemento geológico obtenido de lasdiscordancias y la generación de ciertos minerales adeterminadas profundidades y tempera t u ras, esposible derivar las magnitudes absolutas de los ejesde esfuerzo. Pa ra tal propósito Angelier (1989), defineel ra d i o Ψ = σ3 / (σ1, que se combina con la cargavertical (σV en la siguiente forma:

σ1 vertical σ2 vertical σ3 verticalfallas fallas fallas

normales de rumbo inversas

σ1 = σV σV / Φ + Ψ-Φ σV / Ψ

σ2 = σV ( Φ + Ψ-Φ ) σV σV / Ψ ( Φ + Ψ-Φ Ψ)

σ3 = σV Ψ σV Ψ/ Φ + Ψ-Φ Ψ σV

Se debe aclarar que la relación Ψ es similar a la k = σH

/ σV (Hoek & Brown: 1978) sólo en el caso de lasfallas inversas y rumbo-deslizantes, porque en lasnormales σH es similar a s2 y la aplicaciónindiscriminada de estos conceptos puede llevar aresultados incoherentes. También en la litera t u ra σH s eusa para calcular el valor de k, pero en la definiciónoriginal de Hoek y Brown (1978), corresponde alpromedio de los esfuerzos horizontales, los cuales enel régimen tectónico inverso, son σ1 = y σ2 , σ3 en elde rumbo y σ2 y σ3 en el de fallas normales.

Figura No. 6

Cálculo del tensor Telire (Back-2X) aplicando el programa Tensor(Delvaux, 1996). La relación Psi se obtiene cuando todas las fallas enel diagrama 3D de Mohr quedan inactivas al graficarse por debajo dela línea de fricción.


Para el caso de los esfuerzos que se pronosticanp a ra la casa de máquinas subterránea, laformulación de Angelier (1993) ha sido aplicadapor medio del programa Convers implementadopor Delvaux (1993). La relación (se obtiene cuandola cohesión es cero y todas las fallas en el diagramade Mohr se vuelven inactivas, al quedar por debajode la línea de cohesión. Esto se ilustra en la figura6 en la que se presenta la secuencia de cálculo deltensor Telire ( Back-2x).

La mejor forma de verificar la confiabilidad de lostensores calculados es el probar, bajo las condicioneslocales, que la relación k varía directamente con laprofundidad, como se ha hecho en otras partes delmundo y compararlos con los resultados obtenidos.En efecto, el esfuerzo vertical, que es diferente paracada tipo de falla, varía linealmente con laprofundidad, en un aproximado de 0,0027 de Z (Hoek & Brown: 1978) y lo mismo ocurre con losesfuerzos horizontales máximo Sh y mínimo Sh. Lac u r va local se aprecia en la figura 7.

Figura No. 7

Como se observa en la figura 8 la orientaciónoriginal de la excavación subterránea era casiperpendicular al eje σ1, situación altamented e s f avo rable, pues la misma estaría siendoafectada por esfuerzos compresivos en lasparedes, desestabilizándolas. Tal situaciónrequeriría un sobrediseño muy caro. Al rotarla87° se obtiene una disposición mucho másracional, ya que ahora ese eje y la excavación sonp a ralelos, eliminándose así los inconve n i e n t e sanotados. El papel de la topografía del macizo fuetomado en cuenta para esta decisión. Se evitaronasí condiciones negativas de excava c i ó n ,construcción y operación; aumentó la seguridady se redujeron los costos, en caso de que esa obrase ejecute.

Figura No. 8

Reorientación de la opción de casa de máquinas subterránea del P.H.Pacuare (posición original arriba), después de una rotación de 87ºpara que su eje largo sea paralelo al eje de esfuerzo compresivoprincipal mayor. Se eliminan así efectos desfavorables en las paredesde la excavación y el sobrediseño.



P OTENCIAL DE REAC T I VACIÓN DE FALLAS EN ELEMBALSE DEL P.H PACUARE

También se aplicaron estas propiedades del campomoderno de esfuerzos para estudiar el potencial der e a c t ivación de un grupo regional de fallas en lavecindad del P.H. Pacuare en el NE de Costa Rica( Fi g u ra 9), cerca del epicentro del terremoto de Limónde 1991 (Mw 7.4). La reactivación de las estructura sgeológicas depende, fundamentalmente, de suposición respecto al campo de esfuerzos regional ylocal, la geometría, los valores de la fricción, lapresión de fluidos y la cohesión que actúa en losplanos de éstas.

Figura No. 9

Se efectuó un análisis compara t ivo y para m é t r i c omediante la metodología desarrollada por Morriset(1996) y se implementó, por medio de los progra m a sStress y Shear (Reches: 1998). Pa ra estos objetivos seutilizó el tensor Telire, ya empleadosatisfactoriamente, para la problemática de la casa demáquinas subterránea (López y Va l verde: 1997). La

confiabilidad de éste fue probada y los resultadosfueron aceptables pues el varicentro de dispersión decada eje de esfuerzo después de 500 itera c i o n e sgeoestadísticas, aplicando el metodo de muestreocon reemplazamiento, (bootstrapping, Stuart, 1982)fue muy bajo, 11° para σ1, 20° para σ2 y 17° para σ3.( f i g u ra 10). La presión de poro es aportada por lai nversión mediante el programa Stress en función decada eje por lo que se puede usar si se carece demedidas in situ y el momento futuro, cuando sepodría dar el movimiento, corresponde al camposismológico estricto al tomar en cuenta períodos derecurrencia y análisis de riesgo sísmico.

Figura No. 10

Potencial de reactivación de las fallas cercanas al sitio de presa yembalse del P.H. Pacuare y tendencia a la dilatancia o cierre de las

mismas bajo la influencia del tensor Telire.


Mapa geológico generalizado de la cuenca media de los ríosReventazón-Pacuare, mostrando la ubicación de las fallas locales quefueron analizadas para determinar su potencial de reactivación.


Las representaciones estereográficas, denominadasmapas de reactivación, están rellenas con unamalla con los deslizamientos teóricos espera d o s ,líneas negras con un punto, que cubren todo elcampo partiendo de σ3 y apuntando hacia σ1 a lolargo de trayectorias concéntricas. Cada falla estáindicada por su polo con el sentido actual dem ovimiento. El gráfico C (figura 10) es un mapaque muestra las orientaciones de las fallasdeslizantes, o sea reactivables, versus las que estánbloqueadas al aplicar un coeficiente de friccióndado como valor límite. El programa calcula yg rafica las orientaciones de las fallas para lascuales la relación esfuerzo de cizalla / esfuerzonormal menos la presión de poro es menor qued i cho coeficiente. Las estructuras geológicas así,geomecánicamente clasificadas se asumen comoi n m ovilizadas bajo el actual campo de esfuerzos ycomo reactivables las que se encuentran en lacondición opuesta. Algunas caen dentro delcampo azul que es el deslizable y el resto en elrojo, donde están inactivas. Es importante notarque no es razón suficiente para la reactivación elque las orientaciones de los planos medidos y lasteóricas sean paralelas y que los parámetros

r e s t r i c t ivos de la presión de poro y la presióndeben ser supera d o s .

Las fallas fueron separadas según se ajustaban o no ad i chos requerimientos geomecánicos, primero con elcoeficiente de fricción de 0.57 que equivale a un án-gulo de fricción de 30°, valor común promedio en lab i b l i o g rafía para cualquier tipo de roca y que cumplecon la Ley de Bye r l e e .

En este caso los resultados fueron los siguientes:

Tensor usado: (compresión<0, X Norte, Y Este, Zabajo) Sx= -1.60 Sy= -0.76 Sz= -1.00 Syz= -0.111Sxz= -0.22 Sxy= -0.37

Esf. Max. Hor= -1.74 Esf. Hor. mín= -.63 dirección(desde el Norte)= 20.5 Esfuerzos principalesMagnitudes relativas: S1= -1.808 S2= -.93 S3= -.624

Orientaciones Inmersión / dirección:

Sigma 1 16° / 020° Sigma 2 72° / 184°Sigma 3 04° / 289°


Tres fracturas con relación GRANDE entre esfuerzo de cizalla / esfuerzo normal. El coeficiente de fricción es másPEQUEÑO que esta relación, por lo que las fallas se estiman como estructuras DESLIZABLES bajo el tensorconsiderado:

Nº Plano fractur a Desliz. Obs. Cizalla / normal Desliz. calculado Falla

1 70 330 -15 234 1.213781 SINESTRAL-INVERSO Pacayitas2 85 112 14 23 1.982671 SINESTRAL-NORMAL San Joaquín3 79 72 -19 165 1.347664 DEXTRAL-INVERSO Bajo Pacuare

Tres fracturas con relación PEQUEÑA entre esfuerzo de cizalla / esfuerzo normal. El coeficiente de fricción esmás GRANDE que esta relación, por lo que las fallas se estiman como estructuras BLOQUEDAS bajo el tensorconsiderado:

Nº Plano fractur a Desliz. Obs. Cizalla / normal Desliz. calculado Falla

1 80 40 -44 139 .5116885 DEXTRAL-INVERSO SN-12 80 320 18 306 .3454929 DEXTRAL--NORMAL SN23 73 105 -3 104 9.840761E-02 SINESTRAL-INVERSO Corozal


Cuando se aplica un ángulo de fricción interna de43° (coeficiente 0.93), deducido a partir de laclasificación geomecánica del macizo rocoso, losresultados son muy similares. Este tipo de análisisindica que las fallas Bajo Pacuare, San Joaquín yPa c ayitas podrían tener posibilidades de reactiva r s ebajo las condiciones actuales de esfuerzos queactúan en la región y que presumiblementecontinuarán en el futuro cercano. De hecho, lap r i m e ra ya fue reactivada en el evento sísmico del 25de abril de 1991, asociado a la actividad post-terremoto de Limón- Telire (Mw 7.4) del día 21 delmismo mes. Su mecanismo focal (figura 9) tiene unasolución con buzamiento muy inclinado hacia el SOy no hacia el NE como fue medido para la mismafalla en el campo. Dicho cambio es perfectamenteaceptable, a las profundidades sismogénicas de 15km en este caso y también debido a la verticalidad desu plano el mismo, fácilmente, puede cambiar de unc u a d rante geográfico a otro. También en algunossectores de la estructura se midieron tal tipo deinclinaciones fuertes hacia el SO, lo que implicaríaque la misma está segmentada.

El movimiento pronosticado es dextral concomponente inversa, similar al últimodesplazamiento registrado por los indicadorescinemáticos en varios afloramientos. El análisisp a ramétrico no cambia sensiblemente los resultadosaquí presentados. Se tomó en consideración que lacolumna de agua del embalse aumentará la presiónde fluidos en los planos de las fallas cuando estas sonpermeables, aunque tienden a estar cerradas comose expone adelante.

Un enfoque geomecánico similar se aplicó parainferir si las fallas están dilatando o si se encuentra nc e r radas. Cuando la presión de poro es mayor que elesfuerzo normal las fra c t u ras deben dilatar y si esmenor deben tender a cerrarse. La presiónseleccionada debe ser más compresiva que el σ3 p a raque se de la dilatancia. En la figura 10 se utilizó uncoeficiente de fricción de 0.57 (30°), que fue elobtenido de la inversión. El gráfico con el fondo rojo

indica que bajo las condiciones dadas todas lasorientaciones posibles corresponden a una situaciónen que las fallas están cerradas, independientementede su geometría en este caso. Por lo tanto, todas lase s t r u c t u ras probadas tienden a estar cerradas y a not ransmitir el agua bajo las condiciones impuestas porel campo de esfuerzos contemporáneo. Desde luego,estas condiciones pueden cambiar después de une vento sísmico importante similar, por ejemplo, alterremoto de 1991 y son las que deben regir pordebajo de la capa superficial descomprimida ymeteorizada, que por lo general tiene un espesor de20 a 30 metros. Sin embargo, no es posible modelarcon los datos disponibles la extensión y lasc a racterísticas de tal cambio futuro en los camposlocal y regional.

En combinación con fricciones y presiones de poro,calculadas o estimadas, las posibilidades paradeslizarse de nuevo bajo el campo regional deesfuerzo actual fueron analizadas y se determinó queen la mayoría de los casos la geometría favo rable deuna estructura dada respecto al elipsoide de esfuerzono es suficiente para asegurar un futuro mov i m i e n t o .Estos análisis geométrico-mecánicos deben serusados con cuidado debido a la naturaleza complejade la realidad tectónica, pero constituyen una va l i o s a ,rápida y barata herramienta adicional en los estudiosde riesgo sísmico.

H I D R OT E C T Ó N I CA DEL SITIO DE PRESA A BA N D O N A D ODEL P. H . PIRRIS Y ESTADO DE ESFUERZOS EN EL SECTO RDE MAYOR COBERTURA DE SU LÍNEA DE T Ú N E L .

El sitio de presa N°1 del P.H. Pirris, constituido poruna asociación de basaltos almohadillados, doleritasy sedimentos pelágicos conocidos como ofiolitas ycon una edad Paleocena (60 millones de años) (Hauf:1998), debió ser abandonado, ya que requería unacortina de inyección con un costo superior a los U.S.$30 millones. Esta cortina era necesaria dado que eln ivel freático se encontraba muy profundo, hasta 150metros por debajo del nivel del río y el agua del



embalse estaba propensa a fugarse entre la base de lapresa y dicho nivel, perdiéndose una gran capacidadg e n e ra d o ra y corriéndose el riesgo de que el embalseno se llenara debidamente.

Figura No. 11

Secuencia evolutiva tectónica en las Ofiolitas del sitio de presaabandonado del P.H. Pirris. Cada etapa de deformación estuvocontrolada por los cambios de orientación y magnitudes de loscampos de esfuerzo previos, generándose sistemas particulares defallas y fracturas con realidades geomecánicas e hidrogeológicasespeciales. Note la rotación horaria de σ1 desde el E-W al NE-SWactual. Comparte con la tabla 1.

El macizo rocoso del que hablamos, estásumamente fra c t u rado por varias familias de

discontinuidades asociadas genéticamente a variasetapas de deformación tectónica sufrida por elmismo. El método de los paleoesfuerzos, yadescrito, permitió reconstruir la evo l u c i ó ne s t r u c t u ral del sitio, desde su emplazamientosubmarino hasta la situación actual (figura 11). Este

aspecto es de por sí importante desde elpunto de vista geológico-geotécnico paramodelar sus características y propiedades,pero también fue una herra m i e n t aadicional valiosa para entender elcomplejo comportamiento hidrogeológicoidentificado por medio de varios cientosde metros de perforaciones, pruebas depermeabilidad y de bombeo, asistido pormúltiples perfiles geofísicos.

Un alto porcentaje de las diaclasasestudiadas son muy verticales peropertenecen a etapas de deformacióndiferentes y constituyen la principal vía deflujo, pero también hay otras coninclinaciones intermedias que juegan unpapel importante en la transmisibilidad delmedio, también con edades diferentes.Ambas se confundían fácilmente en elcampo y complicaban la interpretaciónrespecto a la dirección del flujo y laerodabilidad del material de rellenocontenido en sus planos, aspecto defundamental importancia para interpretarlos fenómenos y problemas que requerían,en ese momento, una explicaciónsatisfactoria y oportuna por lasimplicaciones presupuestarias y de diseñoinvolucradas.

Mediante la medida muy detallada de 1097 fallasmenores y el cálculo de los respectivos tensores,fue posible reconstruir la evolución estructural delmacizo y ayudar a explicar su control sobre la rutapreferencial del agua subterránea dentro delmismo, en función de los problemas de ingeniería,antes citados. En la tabla 1 se resumen las



propiedades de la permeabilidad del medio segúncada fase tectónica modelada.

Lo que es más evidente, según la interpretación de losdatos obtenidos y las observaciones, es que el flujointerno tiene un potencial de daño muy importanteque trabaja en las fallas y fra c t u ras con abertura scentimétricas. Cuando este efecto se da en bandasdeformadas de hasta 18 juntas por metro lineal, sec o nvierten en zonas con flujo hipodérmicor e l a t ivamente concentrado. Cuando los espesores dela zona de falla triturada son menores, incluso conpequeñas frecuencias de fra c t u ración, hay evidenciasde que la dirección, magnitud y presión de fluidosdentro del macizo han sido capaces de vencer laresistencia intrínseca de estos materiales pobrementecementados, removiéndo y transportando laspartículas lejos de su posición original y aumentando,así, la intercomunicación interna.

De esta forma, la dirección de flujo se determina deacuerdo a la siguiente secuencia:

* I n f i l t ración del agua superficial a través de lasfallas y fra c t u ras verticales orientadas al NE yN O.

* Conforme el agua se transmite por las fracturasverticales, sus aberturas se reducenc o n s i d e rablemente al aumentar la cargalitostática y la presión de confinamiento, por loque el flujo implicado también disminuye. En elcaso de las ofiolitas de Pirrís en la localidadestudiada, esta profundidad crítica está a los 150metros por debajo del río.

* El flujo continúa, luego, lateralmente a trav é sde fra c t u ras abiertas y con material de rellenoerosionable asociadas con la fase tectónica 1 ysobre todo las de la fase 3, que permiten eldrenaje superficial al oeste del macizo. En loscasos en que el material de relleno de las juntasestá mal cementado, la erosión debida al flujointerno lo puede remover si la presión esadecuada.


Tabla 1Secuencia de la permeabilidad relati va en las fases tectónicas identificadas

en el sitio de presa abandonado del P.H. Pirrís

AUMENTO

RELATIVO

DE

LA

PERMEABILIDAD

Presenta fallas laterales izquierdas orientadas principalmente al N y pocasdextrales hacia el NO. Su reactivación durante la fase 5 no indicó cambios ensu permeabilidad porque ocurrió en los mismos planos, lo cual aumentó sumaterial triturado de relleno. Este fue erosionado internamente cuando el nivelfreático anterior tendió a lograr su estabilidad mediante su profundizacióncomo respuesta a la etapa final del levantamiento tectónico del macizo, que seubica temporalmente entre esta fase y la última (5).

FASE

TECTÓNICA

4

FASE

TECTÓNICA

5

La orientación de sus fallas NNO (dextrales) y NE (sinistrales), constituyen elprincipal y más desarrollado medio de flujo para el agua subterránea en asociocon las reactivadas de la fase 4. Son en conjunto las que actualmente cortan ydeforman el macizo rocoso, aislando y desplazando a los otros sistemas ydisminuyendo, sensiblemente, su capacidad de intercomunicación.


O t ra aplicación importante en el mismo frente dei nvestigaciones fue hecha en la línea de túnel, obraque está cortada por una serie de fallas con espesoresimportantes que afectarán su diseño, excavación yconstrucción, ya que el estado de esfuerzos se veafectado grandemente por dicha falla tectónica y lac o b e r t u ra del Cerro Placas superior a los 1000 metros.

En la figura 12 se aprecia la relación entre el tra z osuperficial de la línea de túnel y la orientación de142 ejes de presión de los respectivo smecanismos focales, notándose lap r e p o n d e rancia de direcciones de seudo-esfuerzo, ya que dichos ejes no son estrictamenteel 1 del elipsoide de esfuerzos, hacia el NNE-S S O, otras subordinadas al NO-SE y unas pocas laE - O. Mediante el procedimiento ya explicadop a ra deducir las magnitudes absolutas y usandolos tensores Quepos-1 y Quepos-2, se calcularonlas mismas para el sector de mayor cobertura ,1200 m, ubicado bajo el cerro Placas y losresultados se presentan en la tabla 2. Estos, a suvez, fueron los datos de entrada para valorar la

FASE

TECTÓNICA

3

Las fallas normales puras orientadas al O y en menor grado al E muestranaberturas y evidencias pasadas y actuales de transmisión del agua (oxidaciónen sus planos y su alteración). En varias localidades se observan con aguasaliendo de sus planos. Estas fallas han sido reactivadas, desplazando inclusoe s t r u c t u ras más recientes, permitiendo así la comunicación entre sitiosseparados por docenas de metros. Evacúan agua del macizo en variaslocalidades del cañón del río Pirrís.

FASE

TECTÓNICA

2

Es la que continúa en permeabilidad estructural relativa en sus fallas sinestralesNOO y dextrales NE. También donde las primeras han sido reactivadas comodextrosas y las segundas como sinestrosas, porque este proceso aumentó lacantidad de material cizallado que rellena sus planos. La superposición de susindicadores cinemáticos fueron los criterios de identificación y separacióntectónica.

FASE

TECTÓNICA

1

Es la más antigua e impermeable de todas, excepto donde ha sido reactivadadurante el levantamiento Mioceno-Pleistocénico, o utilizada como planos dedescomprensión en la cubierta superficial del macizo.


Figura No. 12

Orientación regional de las direcciones de compresión deducidas delos ejes P de 142 mecanismos focales con Z < 50 km y menos de 45ºde inclinación. Se nota la preponderancia de direcciones NNE-SSW yotra subordinada está hacia el NW-SE y unas pocas casi al E-W. Lacoexistencia de fallamiento inverso y de rumbo en las cercanías de laLínea de Túnel, está indicada por la distribución de los ejes P y T, loque coincide con las fallas cartografiadas.


Tensor 24 m 40 m 61 m 114 m 146 m 183 m 250 m 700 m 1200 m

Quepos-1

σ1 = 215 º/13º 3.0 5.0 7.7 14.4 18.4 23.0 31.5 88.2 151.1

σ2 = 125 º/01º 1.6 2.7 4.1 7.7 9.9 12.4 16.0 47.4 81.2

σ3 = 32 º/77º 0.7 1.1 1.7 3.2 4.1 5.1 7.0 19.6 33.7

σvLit 0.7 1.1 1.7 3.2 4.1 5.1 7.0 19.6 33.7

Tensor

Quepos-2

σ1 = 217 º/07º 3.3 5.4 8.3 15.5 19.9 24.9 34.0 95.3 163.4

σ2 = 126 º/10º 2.0 3.3 5.0 9.3 12.0 15.0 20.5 57.4 98.4

σ3 = 32 º/77º 0.8 1.3 1.9 3.6 4.6 5.7 7.8 21.9 37.6

σvLit 0.7 1.1 1.7 3.2 4.1 5.1 7.0 19.6 33.7

Tabla 2Magnitudes absolutas en Mpa para diferentes coberturas del túnel del P.H.Pirrís

bajo los tensores tectónicos Quepos-1 y Quepos-2.

posibilidad de que se presente el fenómeno de laroca explosiva, que se genera cuando se inducenesfuerzos muy altos alrededor de excavacionessubterráneas. Este depende de la resistencia de laroca, esfuerzos in situ, características geométrica ytasa de avance de la excavación, constiyuyendo elentorno de dicho cerro una zona potencial para sudesarrollo (Hoek: 1994; citado por Valverde, M:1998).

Igualmente, son conocidos casos de fallas ene x c avaciones subterráneas cuando la variable delos esfuerzos no ha sido incluida apropiadamenteen el diseño (Sharma et al, 1991, citado porJiménez, M: 1999). En general, las propiedadesde los tensores así calculados han sido utilizadasp a ra pronosticar las condiciones geológico-geotécnicas en el túnel y optimizar,adecuadamente, el diseño.

No se debe olvidar tampoco que se han presentadomuchos fracasos en túneles a presión y galerías que

han fallado durante su llenado bajo lascondiciones del agua a presión, debido a laapertura de fracturas geológicas preexistentes a lolargo de la obra. Esta situación se da cuando lapresión hidráulica interna iguala o sobrepasa a lapresión que causa la apertura de lasdiscontinuidades y corresponde a al esfuerzoprincipal mínimo s1 existente en el macizo rocoso,el cual debe determinarse por medio de métodosadecuados como las pruebas de hidrofracturación(Assis Kanji, M: 2000). Estos problemas significaroncostos adicionales excesivos debido a lasreparaciones, reforzamiento y mejoras ambientalesque fueron necesarias. El hidrogateo se utilizarutinariamente asumiendo que la carga litostáticaes el esfuerzo vertical máximo σ1, lo cual, comohemos visto, sólo es cierto en el caso del régimentectónico con fallas normales, que son las menosfrecuentes, por lo general, en las regiones deinfluencia de nuestros proyectos energéticos. Porlo tanto, esta práctica conlleva riesgos muypeligrosos y es conceptualmente equivocada.



CONCLUSIONES Y RECOMENDAC I O N E S

* La reconstrucción de paleoesfuerzos,efectuada en sitios geotectónicos clave, y susresultados permiten interpretar que desde elMioceno, el SHmax, ha rotado hora r i a m e n t e ,desde una compresión E-O que cambió alNO-SE en el Plioceno hasta su dirección NE-SO moderna y actual, según las intera c c i o n e sreconocidas entre las placas de América delNorte y América del Sur, la formación de laplaca Caribe y la llegada de la serra n í asubmarina de Cocos a la MAT.

* Tanto los paleoesfuerzos como los camposcontemporáneos presentan una particiónimportante en sus orientaciones y magnitudesr e l a t ivas, una propiedad no sorprendente enun contexto geotectónico complejo como elanalizado. No obstante, se debe subrayar unadiferencia para distinguir la partición a laescala de la placa tectónica causada por lainterferencia espacio-temporal de las Cocos,Caribe y Nazca de la local. La primera esdebida a las fuentes geotectónicas mientra sque la última es causada por perturbacioneslocales, como las fallas geológicas regionalesy los grandes cuerpos rocosos que componenlas cordillera de Talamanca, la Vo l c á n i c aC e n t ral y la de Guanacaste. Su efectocombinado es la rotación de los ejes deesfuerzo y el cambio de la forma de loselipsoides respectivo s .

* La aplicación de metodologías tectónicas paraconocer el estado de esfuerzoscontemporáneo, es una forma efectiva ,confiable, rápida y económica, pero nopueden sustituir a las determinaciones in situque, necesariamente, deben efectuarse parae valuar en forma responsable una serie decondiciones peligrosas y de alto costo reme-dial que pueden estar presentes en nuestros

macizos rocosos y en otras obras subterráneas.Los equipos requeridos y la capacitación ne-cesaria deben ser adquiridas a la breve d a dp o s i b l e .

* Es posible pronosticar el potencial der e a c t ivación de las fallas geológicas según sugeometría y orientación respecto al campo deesfuerzos tectónico contemporáneo, enfunción de los ángulos de fricción iniciales ylas presiones de poro y utilizar esta nuevah e r ramienta en los análisis de amenaza yriesgo sísmico e igualmente analizar si lasmismas y otras fra c t u ras menores estándilatando o bloqueadas. Estos enfoques son devital importancia para las investigaciones quese desarrollan en los proyectos hidroeléctricosy geotérmicos.

N O M E N C L ATURA Y DEFINICIONES

σ1: Eje de esfuerzo principal máximoσ2: Eje de esfuerzo principal intermedioσ3: Eje de esfuerzo principal mínimo

Elipsoide de esfuerzos: gráfico tridimensionaldel estado de esfuerzos en el que lasorientaciones y magnitudes relativas de sus ejesrepresentan respectivamente a σ1 σ2 y σ3.

SH m a x : Esfuerzo horizontal máximo. Es lap r oyección horizontal del eje de esfuerzo másc e rcano a la horizontal. Corresponden a σ1 en elcaso de las fallas inversas y de rumbo y a σ2 e nlas fallas normales.

Paleotectónica: estudio del origen, geometría yestilo tectónico de las fallas geológicas másantiguas que el Neógeno (20 millones de años).Neotectónica: estudio del origen, geometría ymorfotectónica de las fallas geológicas másj ó venes que el Neógeno ( últimos 20 millones dea ñ o s ) .



REFERENCIAS

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AGRADECIMIENTOS

M. Laporte, G. Leandro, I. Boschini, R. Barquero, M.Va l verde, A. Cerdas dieron valiosos aportes a este tra b a j oque es un resumen de una tesis Doctoral que fuededicada al I.C.E. y sus trabajadores en el 50° A n ive r s a r i o .

CURRÍCULO

Dr. Allan López

1975 B a chiller en Geología. EscuelaCentroamericana de Geología, UCR.

1978 Diploma en Exploración Minera, I.T.C.Delft, Holanda.

1980 M.Sc. en Geología Estructural deE x p l o ración, I.T.C. y Universidad deLeiden, Holanda.

1999 Doctor en Geología, especialidadNeotectónica. Universidad de Tübingen,Alemania.

Actualmente, labora en el Área de IngenieríaGeológica, Centro de Servicio Diseño, UENProyectos y Servicios Asociados.


Analisis Estado de Esfuerzos Tectoncos

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