Geologa Estructural Vacacional-UNSAACCAPITULO DE FALLAS Y ZONAS DE CIZALLA: ASPECTOS GENERALES

Detalle de una zona de falla (transcurrente) al norte del distrito minero de Punitaqui (Cu-Au-Hg), Chile IntroduccinPor razones diversas, con el pasar de los aos se ha producido un divorcio progresivo, hoy notable, entre lo que es la geologa de minas-exploracin y la geologa estructural. En este sentido se han generado dos problemas fundamentales, ambos relacionados con la enseanza de la geologa en los centros universitarios. O bien la enseanza que se imparte es en gran medida obsoleta o restringida, o bien sta es tan especializada que resulta difcil relacionar los conceptos all discutidos con el campo aplicado de la geologa econmica. Estas notas pretenden justamente esto, cerrar de una manera simple el gap existente entre una geologa estructural moderna, quizs demasiado teorizante, y las potenciales aplicaciones de sta en el campo de la geologa de minas-exploracin. A lo largo de las prximas secciones revisaremos desde la base los conceptos ms importantes en lo que respecta a fallas y zonas de cizalla: qu son, como se reconocen, como podemos determinar su historia cinemtica, y sobre todo, como podemos definir ambientes estructurales favorables para el desarrollo de mineralizaciones. Finalmente quisiramos sealar que este apartado no puede ser considerado como un manual de geologa estructural, en el cual tendramos que entrar forzosamente en innumerables consideraciones tericas que desvirtuaran el propsito del trabajo. Por el contrario, se trata de unas notas muy simples, desglazadas en dos partes (Parte I) que pretenden servir de herramienta de trabajo de tal manera que el gelogo de minas o exploracin pueda reconocer y entender el comportamiento de una falla a diferentes escalas. El descubrimiento de Kalamazoo (Arizona, USA): la importancia de entender una falla"Cuando se trabaja hacia la solucin de un problema, siempre ayuda el que usted sepa la respuesta; claro est, asumiendo, por supuesto, que usted sepa que existe un problema ." Quizs pocos ejemplos ilustran mejor la importancia de los estudios estructurales como el descubrimiento del yacimiento tipo prfido cuprfero de Kalamazoo en la dcada de los 60, en el cual particip de manera fundamental el gelogo americano J.D. Lowell. Dicho descubrimiento est rodeado de varios aspectos notables entre los que habra que destacar sobre todo, el estudio "integral" del problema. Si no entendemos la "geologa" de una zona, poco podremos hacer en lo que respecta a exploracin, salvo que, se confe en la "suerte" como elemento esencial del proceso. Esto cobra especial relevancia si lo que se est buscando es un cuerpo que puede ser no aflorante. Los aos 70 estuvieron marcados en el campo de la geologa econmica por la publicacin de una serie de trabajos sobre alteracin hidrotermal - prfidos cuprferos en la revista americana Economic Geology. Quizs el ms significativo de ellos es un clsico en el tema: "Lateral and vertical alteration-mineralization zoning in porphyry ore deposits" (Lowell y Guilbert, 1970). Una de la ilustraciones ms conocidas del trabajo muestra la zonacin espacial de las facies de alteracin hidrotermal en San Manuel-Kalamazoo (Arizona, USA) (Fig. 1). En la actualidad dicha figura se encuentra en prcticamente todos los textos de estudio sobre yacimientos minerales. Sin embargo, un detalle a veces poco sealado (y en ocasiones omitido) en dicha figura, es la presencia de una falla que corta el esquema de manera oblicua (Fig. 1). Se trata de la falla San Manuel, y como veremos a continuacin, bajo el punto de la aplicacin de mtodos estructurales al estudio y exploracin de yacimientos minerales, es un rasgo extremadamente importante, paradjicamente, poco o nada sealado en los textos de estudio.

Fig. 1: Esquema de alteracin en el prfido cuprfero de San Manuel-Kalamazoo. Ntese la falla San Manuel separando los dos segmentos del prfido (Lowell y Guilbert, 1990). San Manuel-Kalamazoo no es ni econmica ni geomtricamente un yacimiento nico, por el contrario, se trata de dos cuerpos mineralizados basculados: San Manuel y Kalamazoo, separados por una falla normal de bajo ngulo (falla San Manuel; WNW/25-30 S) (Fig. 2). Si bien originalmente constituan un solo cuerpo mineralizado, el movimiento normal de la falla cort el cuerpo mineralizado generando los dos segmentos actualmente conocidos. San Manuel (ms cercano a la superficie) se localiza a muro (foot-wall) de la falla y Kalamazoo 1.6 km hacia el oeste (a una profundidad de 800-1220 m) a techo (hanging-wall).

Fig. 2: Esquema geolgico de los segmentos desplazados San Manuel y Kalamazoo. Simplificada de Lowell (1968). Si bien San Manuel era conocido, el descubrimiento de Kalamazoo ("Lower K") fue la consecuencia de un trabajo geolgico integrador, que relacion las facies de alteracin y la mineralizacin con la estructura. El razonamiento bsico de exploracin fue el siguiente (Lowell, 1968): 1) San Manuel representaba slo una parte de un cuerpo mayor; 2) el cuerpo se encontraba basculado; y 3) la falla que cortaba San Manuel era normal y de bajo ngulo. Conclusin, un segmento de San Manuel tena que estar ms abajo, sobre la falla. Resultado, efectivamente, ms abajo, hacia el oeste yaca un cuerpo mineralizado, luego bautizado como Kalamazoo. Fallas, zonas de falla y zonas de cizalla: definiendo conceptos fundamentalesExisten tres conceptos fundamentales relacionados entre si: falla, zona de falla y zona de cizalla (e.g., McClay, 1987; Davis y Reynolds, 1996), utilizados a veces de manera indistinta y de manera incorrecta. Una falla es por definicin una fractura frgil a lo largo de la cual ha ocurrido un desplazamiento visible, en general paralelo a la superficie de la misma. Por su parte una zona de falla se encuentra compuesta por innumerables superficies de falla frgiles, subparalelas e interconectadas, estrechamente espaciadas conteniendo zonas de brecha o fault gouge. La zona de cizalla (Fig. 3) corresponde a una ancha zona de deformacin generada bajo condiciones dctiles a dctiles-frgiles. Digamos adems que una zona de cizalla grada hacia arriba hacia una zona de falla. Las rocas son deformadas frgilmente en los niveles superiores de la corteza terrestre y dctilmente en lo inferiores. La profundidad a la que la deformacin pasa de frgil a dctil es conocida como la transicin dctil-frgil y generalmente se encuentra a unos 10-15 km bajo la superficie (e.g., Sibson, 1990) (Fig. 3). En dicha transicin se desarrollan ambos tipos de deformacin, mientras que por encima o por debajo la importancia relativa de una de estas disminuye progresivamente. De cualquier manera los 10-15 km antes mencionados deben ser solamente considerados como un referente general solamente, ya que zonas deformacin dctil pueden desarrollarse a profundidades menores bajo condiciones de un gradiente geotrmico anmalemente alto (e.g., magmatismo activo, actividad hidrotermal de alta temperatura generalizada, etc), y tambin pueden darse deformaciones frgiles en profundidad como respuesta a movimientos ssmicos bruscos. Como veremos ms adelante existen dos series de rocas de deformacin en relacin con las zonas frgil y dctil, que representan tipos extremos dentro de una serie intermedia muy amplia: la serie cataclstica y la serie milontica respectivamente (Fig. 3,4).

Fig. 3: Esquema de una gran zona de cizalla y rocas asociadas. Transicin dctil-frgil en lneas verticales. Simplificada de Sibson (1977).

Fig. 4: Clasificacin de las rocas de fallas en funcin de las tasas de deformacin y recuperacin. Simplificada de Wise et al. (1984). La textura de las rocas deformadas es principalmente el resultado de la relacin dinmica entre la deformacin y la recuperacin/recristalizacin del material sometido a esfuerzos (Wise et al., 1984). El balance entre la tasa de deformacin y la tasa de recuperacin/recristalizacin determina la textura de la roca de falla. A su vez, ambas tasas son funcin de variables tales como la composicin de la roca, el tamao de grano, la temperatura, la velocidad, la presencia/ausencia de fluidos y el campo de esfuerzos. Rocas de fallaLos materiales que se encuentran sometidos a una rpida deformacin, a relativamente baja temperatura, con recuperaciones bajas o nulas, originan rocas pertenecientes a la serie cataclstica. En el otro extremo, ah donde domina la recuperacin/recristalizacin, a temperaturas ms elevadas, se formarn rocas pertenecientes a la seriemilontica (Wise et al., 1984). Considerando que en muchos aspectos texturales (y su modo de formacin) esta ltima recuerda a las rocas metamrficas, las rocas milonticas pueden ser consideradas como tales. De hecho en Chile se acu el trmino "esquistos dinmicos" para referirse a rocas de la serie milontica encontradas en grandes zonas de cizalla como la de Atacama. Sin embargo, a diferencia del metamorfismo regional (que abarca extensas zonas), en el caso de las rocas milonticas el proceso se encuentra circunscrito a una banda de deformacin ms o menos estrecha, tambin conocida bajo el trmino "corredor milontico". Sin lugar a dudas esto puede crear innumerables problemas de interpretacin en aquellas zonas donde coexisten deformaciones metamrficas de carcter regional con grandes zonas de cizalla. Las rocas de la serie cataclstica (o simplemente "cataclasitas") se generan en un rgimen frgil e incluyen rocas tales como brechas, microbrechas, la denominada "fault gouge" (o harina de falla en espaol) (Fig. 5), y las seudotaquilitas. Dado que las dos primeras son fcilmente reconocibles, nos centraremos en las ltimas. La fault gouge es una roca arcillosa pulvurulenta, poco consolidada y rompible con los dedos (salvo cuando ha sido cementada por fluidos hidrotermales), que puede presentar colores desde el blanco grisceo hasta llamativos colores (rojos, verdes, violceos). Esto ltimo puede provocar grandes equvocos al ser confundida con aquellas rocas fuertemente alteradas asociadas a yacimientos epitermales, o con ciertas rocas sedimentarias o metamrficas de bajo grado (e.g. arcillas, pelitas, esquistos de bajo grado). Al respecto (y dado que la confusin esposible), lo importante es ver si esta roca tiene una persistencia regional dentro de una zona de cizalla (con estructuras internas tpicas de estas deformaciones), si pertenece a una formacin geolgica cartografiable con marcada estratificacin (o esquistosidad interna), o corresponde a una fenomenologa local de morfologa irregular (i.e., zona de alteracin). Por otra parte, el que reconozcamos unas rocas alteradas como pertenecientes a una zona de falla no implica que estas carezcan de "inters econmico". Por el contrario, solo nos encontraramos en otro ambiente geolgico, en el cual tambien pueden existir mineralizaciones. Al respecto cabe destacar la posibilidad de mineralizaciones aurferas encajadas en la zona de cizalla o zona de falla. Las seudotaquilitas (Fig. 6) son un fundido de roca de origen mecnico (friccional) generado por un movimiento muy rpido de la falla bajo rgimen ssmico. La inyeccin de este fundido en grietas de tensin locales conlleva el enfriamiento instantneo del material dando una roca con aspecto vtreo (de all el nombre).

Fig. 5: Ejemplos de "fault gouge" estructurada con criterios P, Y, R (movimiento sinestral). Sureste de Espaa (Doblas et al., 1997b). Este es una ejemplo de fault gouge "cohesiva" por circulacin de fluidos hidrotermales.

Fig. 6: Pseudotaquilita, Vaal River (Sudfrica). El afloramiento tiene unos 2 m, note los bloques angulosos de granito en una matriz negra de grano fino a microcristalina. Tomada de Spray (1998). Las rocas de la serie milontica son cohesivas y foliadas, se desarrollan en rgimen dctil (assmico) e incluyen a las protomilonitas, milonitas y ultramilonitas. Las protomilonitas presentan una matriz producida por procesos de recristalizacin sintectnica, y muestran al menos algo de foliacin. Las milonitas (Fig. 7) presentan una matriz de recristalizacin sintectnica y foliaciones internas. En estas rocas son claramente reconocibles las denominadas estructuras S-C (del francs: schistosit-cisaillement). Finalmente, las ultramilonitas (Fig. 8) representan el caso extremo de deformacin dentro de la serie, la recristalizacim es muy avanzada y los planos S se hacen paralelos a la fbrica C dando lugar a una foliacin milontica y estructuras de tipo SCC'.

Fig. 7: Granito milontico S-C del Sistema Central Espaol (Doblas, 1990).

Fallas: conceptos bsicosAnderson (1905) realiz a comienzos de siglo una clasificacin dinmica de las fallas basada en posicionamiento de tres vectores principales de esfuerzos: 1, 2, 3, ortogonales entre si, que cumplen el requisito general de 1>2>3 (Fig. 9). Dependiendo de las posiciones de los vectores se definen los tres tipos de fallas principales: normal (1 vertical, 2 y 3horizontal), transcurrente(2vertical, 1 y 3 horizontal), e inversa (3 vertical, 1 y 2 horizontal). Como veremos ms adelante, la clasificacin Andersoniana es muy restringida y presenta problemas para la interpretacin de muchos casos. Por ejemplo, no explica el comportamiento lstrico(curvamiento progresivo del plano de falla en profundidad) de las fallas normales (Fig. 10), ni menos las grandes superficies tipo "detachments extensionales" (Fig. 11), o el carcter irregular (con variaciones en el rumbo) de las fallas transcurrentes. Otro aspecto a considerar es el hecho de que muchas veces la fallas presentan un movimiento combinado, (e.g., normal-transcurrente). En resumen, las fallas distan mucho de presentar un comportamiento "ideal" Andersoniano y al respecto deberamos recordar una premisa fundamental: las fallas se curvan y de hecho casi nunca son planos sino ms bien superficies. Producto de esas curvaturas se generan situaciones asimtricas en la distribucin de esfuerzos a ambos lados de la falla o zona de falla, resultando en zonas de extensin o compresin locales. Discutiremos esto ms adelante.

Fig. 9: Clasificacin dinmica Andersoniana de las fallas. 1,2,3: vectores de compresin 1,2,3. Tomada de McClay (1987).

Fig. 10: Fallamiento normal de carcter lstrico en la regin costa afuera de Nova Scotia. 1: corteza inferior de origen magmtico; 2: rocas plutnicas masivas; 3-4: basaltos y rocas sedimentarias; 5: rocas sedimentarias. Tomada de Davis y Reynolds (1996).

Fig. 11: Sistema tipo detachment extensional. Wernicke (1985). De acuerdo al sentido de movimiento podemos decir que una falla normal (Fig. 12) es aquella en la que el bloque del techo se mueve hacia abajo con respecto al bloque del muro. Estas fallas suelen tener buzamientos moderados a altos, con un promedio de 60 . Con buzamientos menores a 45 (no previstos por la dinmica Andersoniana) pasan a denominarse fallas normales de bajo ngulo. Las fallas transcurrentes (Fig. 12) son aquellas que acomodan movimiento horizontal de los bloques adyacentes. Estas dependiendo a su vez del movimiento relativo de un bloque con respecto al otro, pueden ser de dos tipos: dextrales o sinestrales. Por su parte, las fallas inversas (Fig. 12) se caracterizan por un movimiento del bloque del techo hacia arriba con respecto al muro. Las fallas inversas tienen generalmente un buzamiento menor a 45 , en promedio 30 . Si estas buzan ms 45 pasan a denominarse fallas inversas de gran ngulo. Tanto las fallas normales como las inversas pueden ser lstricas.

Fig. 12: Clasificacin de las fallas en funcin del sentido de deslizamiento. Tomada de Davis y Reynolds (1996). A esto habra que agregar el movimiento combinado que pueden tener las fallas, hablaremos en este caso de fallas con deslizamiento oblicuo (Fig. 12), que son combinaciones de movimiento (mixto) entre fallas transcurrentes (traslacin horizontal) con movimientos normales o inversos (deslizamiento hacia arriba o abajo a lo largo del plano de falla).

Zonas de cizallaUna zona de cizalla (e.g., Davis y Reynolds, 1996) (Fig. 3) es una estructura ancha formada bajo condiciones dctiles a dctiles-frgiles compuesta por rocas de la serie milontica. La intensidad de la deformacin dentro de una zona de zona de cizalla es muy grande. Por ejemplo, granitos afectados por una zona de cizalla pueden dar el aspecto, y ser errneamente cartografiados, como ortogneisses, metariolitas o esquistos o pizarras de origen metasedimentario. En este ltimo caso, la presencia de estructuras S-C (zona dctil) da el aspecto de los tpicos clivajes de crenulacin indicativos de una foliacin S2 superpuesta a una inicial S1. Ejemplos en Chile de grandes zonas de cizalla incluyen los de la falla de Atacama (Fig. 13) y la de Liquie-Ofqui (Fig. 14). Las zonas de cizalla pueden tener desde centenares de kilmetros de largo, kilmetros de ancho (y cortar a escala cortical) hasta solo algunos centmetros de largo por un milmetro de ancho. Las grandes zonas de cizalla pueden mostrar desplazamientos relativos de los bloques de decenas a centenares de kilmetros. Muchas veces las zonas de cizalla son en realidad sets de mltiples subzonas de mayor o menos grado de la deformacin, subparalelas a oblicuas entre si, resultando en una morfologa anastomosada. Una zona de cizalla dctil evoluciona hacia zonas ms superficiales hacia una zona de cizalla ms estrecha en rgimen dctil-frgil, dando lugar en las zonas ms someras a una compleja zona de falla frgil. Por lo tanto una zona de falla (Fig. 15) es a menudo la prolongacin en superficie de una ancha zona de cizalla dctil en profundidad (Fig. 3). Las zonas de falla consisten en conjuntos de fallas relacionadas cuya envolvente o lmite externo est marcado por un paso ms o menos discreto hacia rocas no fracturadas. Las fallas internas suelen envolver a su vez a rocas con una fracturacin ms o menos intensa. Las zonas de falla pueden desarrollarse a todas las escalas, con potencias desde unos pocos centmetros a un kilmetro o ms. Cabe destacar sin embargo, que este termino se aplica principalmente a los conjuntos potentes observados en la zona de deformacin frgil. Otra caracterstica de las zonas de falla es la potencia variable que presentan, mostrando adelgazamientos y engrosamientos.

Fig. 13: Un segmento de la zona de cizalla de Atacama (norte de Chile). Ntese la relacin espacial con mineralizaciones de hierro. Thiele y Pincheira (1984).

Fig. 14: La zona de cizalla de Liquie-Ofqui (sur de Chile). Herv (1984).