Perfil del Suelo

Organización vertical en un conjunto de capas (horizontes), diferenciables por las características físicas, químicas, biológicas y geológicas. – Eluviación: transporte de material disuelto o suspendido desde el suelo, mediante movimiento de agua hacia abajo o lateral, cuando la lluvia excede la evaporación.

Origen y Clasificación de los Suelos

Suelos Residuales

• Suelos que no son objeto de transporte; permanecen en el lugar de descomposición de la roca que les dio origen.
• Se encuentran in situ, en el macizo de la roca que le dio origen.

Suelos Sedimentarios o Transportados

• Tomados de su lugar de origen (mediante la acción de agente(s) de transporte) y depositados en otro lugar.
• Las características de estos suelos dependen de la pedogénesis, pero también de la distancia y el agente de transporte.
• Agentes de transporte: Viento (suelos eólicos – dunas y suelos loésicos – loess); Gravedad (suelos coluviales); Agua de ríos y lluvia (suelos aluviales); Agua de océanos y mares (suelos marinos); Hielo (suelos glaciares).

Principales Componentes de los Suelos

Minerales, aire y agua.
– Los componentes del aire y del agua son muy variables.
– Componente inorgánico/partículas sólidas – minerales: minerales primarios heredados de la roca original (sin cambios); minerales secundarios; reserva de nutrientes.

COMPONENTES:

• Partículas sólidas: difieren en tamaño y composición química.
• La alteración y el transporte determinan: tamaño de partícula; la forma de las partículas; la composición de las partículas (naturaleza del material); la distribución de los granos de partículas (disposición, porosidad).

El medio en el que se forman y/o depositan y fenómenos geológicos posteriores definen las propiedades del suelo (densidad, contenido de agua, porosidad, etc.).

Propiedades Físicas del Suelo

Color del suelo; Consistencia; Textura; Estructura; Densidad/peso específico; Porosidad; Permeabilidad; Granulometría

Propiedades Químicas

pH (reacción del suelo), conductividad eléctrica, materia orgánica, capacidad de intercambio catiónico, Eh (potencial de oxidación-reducción).

Textura de la Tierra

• Proporción relativa de clases de diferente tamaño de partícula de partículas minerales <2 mm (arena, limo o limo y arcilla).
• Las características más estables del suelo y que más influyen en su comportamiento hidrológico y mecánico.
• Clasificación textural de suelos – clases texturales (porcentajes de arena, limo y arcilla).

Suelos: Cuestiones Medioambientales y de Ingeniería

Suelos Problemáticos en Ingeniería

– Con propiedades específicas
– Pueden causar problemas relacionados con la resistencia,

deformabilidad, compactación, permeabilidad
– Por causas naturales y potenciadas por la acción humana.
– Suelos problemáticos: Arcillas expandibles; Suelos dispersivos; Suelos salinos y agresivos; Suelos colapsables; Suelos congelados; Suelos blandos; Suelos susceptibles a la licuefacción

Arcillas Expandibles

– Suelos arcillosos; aumento significativo del volumen por absorción de agua (expansividad / retracción)
– Depende del clima, la vegetación, la hidrología; en zonas climáticas áridas y semiáridas, algunos suelos volcánicos.
– Necesario caracterizar el tipo de arcilla

Suelos Dispersivos

– Suelos en los que la constitución y estructura mineralógica (iones disueltos; desequilibrio de carga) es tal que las cargas repulsivas entre partículas finas son mayores que las fuerzas de atracción
– Los agregados de partículas se separan y las más finas son fácilmente arrastradas por el agua  erosión interna (problemas en vertederos, presas)

Suelos Salinos y Agresivos

– Suelos con una gran cantidad de iones Na y otras sales solubles
– pH < 8,5
– Suelos asociados a zonas de intensa evaporación que permiten la concentración de sal
– Ataque al hormigón

Suelos Colapsables

– Suelos secos con estructura muy abierta y baja cohesión
– Estables y resistentes en atmósferas secas
– Variación del contenido de agua  destrucción de la estructura, disminución de volumen, asentamientos

Suelos Blandos

– Típico de desembocaduras de ríos, zonas inundables, zonas costeras
– Alto contenido de agua, bajo peso específico, muy deformable, baja resistencia

Suelos Congelados

– Acción del hielo/frío; aumento del volumen de agua en el suelo cuando se congela
– Congelación-descongelación  expansión-retracción (variación con las estaciones)
– Permafrost – suelo permanentemente congelado; mientras sigan así, podrán mantener la resistencia; si estas condiciones cambian, pueden perder resistencia (p. ej. edificios con calefacción).

Suelos Susceptibles a la Licuefacción

– Suelos arenosos-limosos
– Saturados y con baja permeabilidad.
– Sujetos a esfuerzos rápidos  aumenta la presión intersticial (sin drenaje)
– Las partículas sólidas ya no están en contacto
– El suelo se comporta como un líquido.
– El suelo pierde resistencia (movimientos verticales y horizontales)

Erosión del Suelo y Acción Antropogénica

– Uso y ocupación del suelo
– Intensificación de la erosión: la ocupación del suelo debilita las capas más superficiales, exponiéndolas a agentes erosivos
– Tasa de erosión > tasa de formación del suelo  pérdida del suelo
– Impactos ambientales  degradación del suelo

Dinamismo de la Tierra

– Sistema abierto, porque intercambia energía y materia con el resto del cosmos.

1. El sol es una fuente de energía fuera de la Tierra.
2. La energía solar influye en el sistema climático.
3. La energía interna de la Tierra depende del calor primordial y de la radiactividad de algunos elementos de la corteza y el manto.
4. La radiación térmica de la Tierra.
5. Meteoritos y polvo. Las condiciones cósmicas implican la adición de masa del cosmos a la Tierra.

Dinamismo de la Tierra – Sistema Tierra

Dependiente de fuentes de energía solar (externas) y del calor interno de la Tierra, hay ciclos de materia y energía en diferentes subsistemas naturales que interactúan entre sí:

• Atmósfera
• Biosfera
• Hidrosfera
• Litosfera / Geosfera

• La atmósfera terrestre es la capa de gases que rodea la Tierra; que no se disipa, debido a la acción de la gravedad; y que, visto desde el espacio, muestra nuestro planeta como una esfera azul.
• Protege la Tierra de la radiación ultravioleta del sol y le permite mantener sus condiciones meteorológicas.

Otros Componentes del Sistema Tierra:

– Sistema tectónico: implica interacciones entre los componentes sólidos de la Tierra (corteza, manto y núcleo); depende de la energía interna de la Tierra.
– Sistema climático: implica interacciones entre diferentes componentes y subsistemas (atmósfera, hidrosfera, biosfera); depende de la energía solar.
– Geodinámica externa: fenómenos que ocurren en la superficie terrestre (procesos superficiales, procesos sedimentarios, movimiento de tierras, procesos fluviales, procesos costeros, procesos glaciales, procesos eólicos)
– Geodinámica interna: estudio de la dinámica interna de la Tierra (placas tectónicas, temblores, procesos magmáticos, vulcanismo, procesos metamórficos, deformación de rocas)

Océanos

• Llanuras abisales
• Dorsales oceánicas (cordillera en medio del océano)
• Trincheras oceánicas
• Arcos de islas volcánicas
• Volcanes submarinos
• Zonas de fractura con valles profundos

Continente-Océano

• Plataforma continental – borde sumergido del continente (10% de la superficie del globo), poca pendiente.
• Pendiente continental – transición entre continente y océano; gran pendiente.
• Base del talud continental – área de derrame de material en la base del talud.

Continentes

• Escudos o cratones – vastas extensiones, relativamente planas y estables, constituidas por rocas muy antiguas (precámbricas).
• Plataformas estables – áreas donde los escudos estaban cubiertos de rocas y sedimentos más recientes.
• Cordilleras – montañas formadas por el arrugamiento de las rocas creando cadenas más o menos lineales.

Estructura de la Tierra

1. Corteza continental
2. Corteza oceánica
3. Manto Superior
4. Manto Inferior
5. Núcleo externo
6. Núcleo interno

A: discontinuidad de Mohorovičić (entre 1 y 3)
B: Discontinuidad de Gutenberg (entre 4 y 5)
C: discontinuidad de Lehmann (entre 5 y 6)

– La superficie de la Tierra  los océanos ocupan ≈70%; los continentes ocupan ≈ 30%
– Hemisferio norte  39% de la tierra emergida
– Hemisferio sur  19% de la tierra emergida

ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LA TIERRA

Según Propiedades Químicas:

– Corteza: capa más externa, materiales muy rocosos y heterogéneos, composición rica en Si, Al, Mg. Discontinuidad de Mohorovicic: separa la corteza del manto.
– Manto: capa subyacente a la corteza, material rocoso en altas temperaturas y presiones, composición rica en Fe, Mg. Discontinuidad de Gutenberg: separa el manto del núcleo.
– Núcleo: capa más interna, composición rica en Fe, Ni.

Según Propiedades Físicas:

– Litosfera: capa rígida, abarca la corteza y la parte rígida del manto (parte del manto superior).
– Astenosfera: debajo de la litosfera, formada por material del manto, parte superior parcialmente fundida y con posibilidad de deformación fácil.
– Exosfera – capa rígida, cubre parte del manto superior y el manto inferior, formado por materiales rocosos en estado sólido.
– Endosfera: capa más profunda, fluido hasta aproximadamente 5150 km (núcleo exterior) y luego rígido (núcleo interior).

Isostasia

– Proceso de compensación del peso de un cuerpo más pequeño y denso en un cuerpo más denso (por ejemplo, como con el hielo sobre el agua).
– Entre la litosfera y la astenosfera: la astenosfera es una capa plástica que soporta el peso de toda la litosfera (parte rígida de la superficie) mediante el proceso de isostasia.
– Para permanecer flotando sobre la astenosfera, la litosfera tiene que compensar su peso surgido en la superficie con una gran parte emergiendo en la astenosfera (fuerza de gravedad).

El Ciclo Geológico

– Ciclo geológico: James Hutton (1790), varias posibilidades de transformación de diferentes tipos de rocas debido a los procesos geodinámicos internos y externos. Circulación continua de materiales rocosos, lo que da lugar a diferentes tipos de rocas: magmáticas, sedimentarias y metamórficas, a través de la acción de la actividad tectónica, ciclo del sistema hidrológico y climático.

Principales Tipos de Rocas

– Magmáticas: Cristalización/solidificación de rocas a partir de magma (que se origina por el derretimiento de las rocas del interior de la Tierra).
– Sedimentarias: A partir de la deposición, compactación y cementación de sedimentos provenientes de la meteorización y erosión de rocas en la superficie.

– Metamórficas: Alteración de rocas en estado sólido (recristalización) sujetas a altas temperaturas y/o presión.

El Ciclo Geológico

– Rocas sedimentarias: Génesis dependiente del proceso en la superficie – rocas exógenas.
– Rocas magmáticas y metamórficas: dependientes de procesos internos – rocas endógenas.

Proceso de Transformación de las Rocas

• Fusión
• Enfriamiento y solidificación/cristalización
• Meteorización
• Erosión
• Transporte
• Deposición
• Compresión
• Cementación
• Litificación/diagénesis
• Metamorfismo (presión y/o temperatura)

Productos/Materiales del Ciclo Geológico

– Rocas magmáticas:
• Intrusivas o plutónicas
• Extrusivas o volcánicas
– Rocas sedimentarias:
• Detríticas
• Origen químico
• Origen biogénico
– Rocas metamórficas:
• Fisibles
• Con foliación
• Sin foliación

Rocas

– Son agrupaciones de minerales.
– La apariencia de una roca depende de la mineralogía y la textura, que reflejan la forma en que se formó cada roca.
– Cada mineral mantiene su identidad, pero el mismo mineral puede ser parte de la constitución de rocas distintas y con diferentes propiedades. Granito / Arenisca / Gneis (magmático / sedimentario / metamórfico)
– Petrología – rama de la geología que estudia el origen, génesis, ocurrencia, estructura, composición e historia de las rocas.
– Petrografía: rama de la petrología que se ocupa de la descripción de las rocas y de sus análisis de sus características estructurales, texturales, mineralógicas y químicas.
– Petrogénesis: rama de la petrología que estudia los diversos procesos de formación de las rocas.

Representatividad

– Distribución de tipos de rocas en la corteza terrestre: 95% rocas magmáticas y metamórficas y 5% rocas sedimentarias
– En la superficie de continentes y fondos oceánicos: 75% rocas sedimentarias y 25% rocas ígneas y metamórficas (las rocas sedimentarias constituyen una fina capa que cubre rocas ígneas y metamórficas)

Aplicaciones

Granito: pavimentos, monumentos, fachadas.
Basalto: obras hidráulicas, fachadas.
Piedra caliza: cemento, pavimentos.
Carbón: combustible.
Esquisto: no tiene muchos usos, relleno cuando no se necesitan propiedades concretas.
Pizarra: tejados.
Mármol: ornamental, interiores, encimeras.

Minerales – Identificación

– Propiedades físicas y químicas.
– La determinación de algunas propiedades físicas es rápida y fácil de observar, permitiendo a menudo la identificación de minerales.

Características de los Minerales

• Color
• Raya (cuando se raya sobre porcelana)
• Brillo
• Dureza (escala de Mohs)
• Fractura y exfoliación
• Densidad
• Forma del cristal (isomorfismo, polimorfismo)
• Otros: reacción con ácido, fluorescencia, magnetismo, doble refracción

Minerales – Clasificación

Silicatos

– Los minerales más abundantes en la corteza; componente estructural fundamental es el tetraedro de silicio y oxígeno, el más abundante en la corteza. Los diferentes silicatos tienen una combinación de este tetraedro con cationes de otros elementos. Ejemplo: cuarzo – SiO2 (Tectosilicato); olivino – Mg2SiO4 (nesosilicato).

Carbonatos

– Tienen como componente estructural fundamental el anión carbonato (CO32-) en combinación con cationes. Ejemplo: calcita – CaCO3.

Óxidos e Hidróxidos

– Minerales con combinaciones de iones oxígeno (O2-) e iones hidroxilo (OH) con cationes metálicos. Ejemplo: hematita – Fe2O3; ilmenita – FeTiO3; brucita – Mg(OH)2.

Sulfuros

– Minerales con combinaciones del anión azufre S2 – con cationes metálicos. Ejemplo: pirita – FeS2.

Sulfatos

– Minerales con combinaciones del anión sulfato (SO42-) con cationes. Ejemplo: barita – Ca2SO4.

Haluros

– Minerales con combinaciones del anión Cl-, F-, Br-, I-. Ej: Halita, fluorita.

Fosfatos

– Minerales con combinaciones del anión PO4. 3-. Ej: apatita, pirolusita.

Elementos Nativos

– Minerales formados por elementos en forma no combinada. Ejemplo: Oro – Au; Plata – Ag; Diamante – C; grafito – C, azufre – S.

Origen Magmático

Cuarzo, Feldespato, Mica, Piroxeno, Anfíbola, Olivino.
Derretimiento de rocas en el interior de la Tierra. Solidificación / cristalización de magma.

Origen Metamórfico

Cuarzo, Feldespato, Mica, Granate, Piroxeno, Estaurolita, Distena
Meteorización y erosión de rocas en la superficie. Declaración, compresión, cementación

Origen Sedimentario

Cuarzo, Minerales de arcilla, Feldespato, Calcita, Dolomita, Yeso, Halita
Rocas sujetas a altas temperaturas y/o altas presiones dentro de la Tierra. Recristalización de nuevos minerales en estado sólido.

Rocas Magmáticas

– Origen: fusión de rocas en la corteza profunda y caliente y en el manto superior.
– Procesos: solidificación del magma (enfriamiento y cristalización)

Rocas Magmáticas Volcánicas o Extrusivas

(el magma se solidifica en la superficie; enfriándose rápido; pequeños cristales)
– Solidificación superficial del magma.
– Enfriamiento rápido
– Vienen de edificios volcánicos y estructuras asociadas

Rocas Hipobisales – Subvolcánicas

– Alféizares y diques (rocas filonianas)

Rocas Magmáticas Plutónicas o Intrusivas

(el magma se solidifica en profundidad; enfriándose lento; desarrollo de cristales)
– Solidificación profunda del magma.
– Enfriamiento moderado a lento
– Batolitos, lacolitos.

Identificación

– Textura: aspectos relacionados con el tamaño, forma y disposición de los elementos constituyentes de la roca, cristalinidad.
– Color: depende de la composición mineralógica de las rocas; debe ser observado en superficies recién cortadas.
– Composición mineralógica – minerales constituyentes

GRANITO, BASALTO, PIEDRA POMEZ, OBSIDIANA

Rocas Sedimentarias

– Origen: meteorización y erosión de las rocas existentes (cualquier tipo) en la superficie terrestre.
– Procesos: diagénesis de depósitos de sedimentos provenientes de rocas preexistentes

Rocas preexistentes > Sedimentos (detrítico; en solución) > Depósitos sedimentarios (litificación o diagénesis) > Rocas sedimentarias

LITIFICACIÓN: (sedimentos > roca) (baja presión y temperatura)

Fases:

• Compactación y deshidratación
• Solubilización
• Autigénesis
• Reemplazo
• Cementación

Desgaste y Erosión

– Meteorización: procesos que cambian las características de las rocas.
– Erosión – conjunto de procesos físicos encargados de eliminar materiales resultantes de la meteorización.

Meteorización Física (desintegración)

• Meteorización por calor o termoclasto
• Meteorización por hielo o gelifracción
• Meteorización por alivio de presión (disyunción esferoidal)
• Actividad biológica

Meteorización Química (reacciones de alteración química)

• Hidratación
• Disolución
• Hidrólisis
• Reducción de oxidación

Erosión/Transporte

– Gravedad: deslizamientos de tierra en laderas. Selección granulométrica y composicional débil. Rodamiento prácticamente inexistente.
– Viento: agente rápido y energético. Selección granulométrica y composicional extrema. Rodamiento dependiente de la energía eólica.
– Agua: glaciares, corrientes fluviales, olas y corrientes marinas. Muy lento y mecánicamente agresivo. Muy mala selección granulométrica y composicional. Rodamiento prácticamente inexistente. Velocidad variable y agresividad mecánica. Buena selección granulométrica y composicional. Rodamiento variable.

Deposición – Ambientes de Sedimentación

• Continentales
  • Glacial, eólica, fluvial, lacustre, palustre
• Transición – costera/litoral
  • Laguna, deltaico, estuario
  • Playa
• Marino
  • Plataforma
  • Pendiente
  • Fondo marino

Rocas Sedimentarias Detríticas

Consolidados – escombros consolidados por interposición de cemento y/o acciones mecánicas
No consolidado: rocas formadas por escombros no consolidados.

Rocas sedimentarias de origen químico (precipitación química)
Rocas sedimentarias de origen biogénico (materia orgánica)

Rocas Sedimentarias – Origen Químico

– Precipitación de carbonatos de calcio CaCO3, Diagénesis, Caliza
– Precipitación de sales de cloruro de sodio NaCl, Diagénesis, Sal de roca
– Precipitación de sales de sulfato de calcio CaSO4, Diagénesis, Yeso

Rocas Sedimentarias – Biogénicas

– Hidrocarburos líquidos y gaseosos – petróleo y gas natural
– Carbones

Rocas Metamórficas

– Origen: rocas sometidas a altas presiones y/o altas temperaturas en la corteza y el manto superior
– Procesos: recristalización de minerales en estado sólido y formación de nuevos
– Metamorfismo: transformaciones físicas y químicas en rocas existentes (protolito) debido a temperaturas y presiones más altas en el interior de la Tierra.
– Depende: composición del protolito; condiciones metamórficas (presión y temperatura).
– Recristalización de minerales existentes y formación de nuevos minerales:
1. Minerales comunes en rocas magmáticas y sedimentarias.
2. Minerales característicos del metamorfismo (diópsido, tremolita, epidota, clorita, talco y estaurolita)

Identificación

– Granular sin foliación: granos distribuidos homogéneamente en toda la masa, sin crear alineaciones preferidas.
– Fisibles: se rompen fácilmente a lo largo de los planos naturales (esquistosidad y exfoliación).
– Granular con foliación – presenta alineamientos de minerales recristalizados (foliación); la roca no se desprende naturalmente a lo largo de los planos definidos por estos minerales.

Piedras Duras (rayan el Cristal)

– Cuarcita: Esencialmente constituida por cuarzo.
– Corneana: Que consiste en plagioclasa, piroxeno, ilmenita y magnetita.

Rocas Blandas (se Rayan con el Cristal)

– Mármol calcítico: Esencialmente constituido por calcita.
– Esquisto talcoso: Tacto sedoso.
– Mármol dolomítico: Esencialmente constituido por dolomita.
– Serpentina: Tacto graso.
– Rocas verdes: Compuesto de clorita, epidota y anfíbol.

Propiedades Físicas y Mecánicas de las Rocas

Relacionadas con la composición mineralógica, textura, estructura  CLASIFICACIÓN LITOLÓGICA (tipo de rocas)

Propiedades Físicas – Índice

• Contenido de agua
• Densidad/masa o peso específico
• Porosidad
• Permeabilidad
• Durabilidad

Propiedades Mecánicas – Resistencia y Deformabilidad

• Resistencia a la compresión simple
• Resistencia a la compresión triaxial
• Resistencia a la tracción
• Módulo de deformabilidad; el coeficiente de Poisson

Propiedades Físicas y Mecánicas de las Rocas

– Las propiedades físicas y mecánicas son variables > comportamiento variable
– Ensayos de laboratorio e in situ > cuantificar propiedades que definen el comportamiento mecánico:
– Naturaleza de la roca
– Resistencia a la rotura
– Deformación a corto y largo plazo
– Influencia del agua en su comportamiento
– Influencia del clima en su comportamiento
– Clasificación de rocas y macizos rocosos según criterios técnicos

Durabilidad (alterabilidad)

• Resistencia de la roca a procesos de alteración, desintegración o fragmentación
• Pruebas: capacidad de expansión, prueba de durabilidad, Micro-Duval, Los Ángeles
• Ensayo “Slake durability test” (SLD)  consiste en someter material rocoso previamente fragmentado a ciclos estándar de secado, humidificación y acción mecánica (simula procesos de intemperismo)

Resistencia y Deformación

– Resistencia (σ): fuerza que la roca puede soportar en ciertas condiciones de deformación, hasta la ruptura.
– Ruptura: fenómeno que ocurre cuando la roca no puede soportar las tensiones aplicadas, alcanzando la resistencia máxima.
– Deformación (ε): relacionada con la configuración de los cuerpos; relación entre la variación de longitud y la longitud inicial.
– En su estado natural, las rocas subterráneas están sujetas a estados de tensión triaxiales.
– La realización de ensayos de tensión uniaxiales resalta el comportamiento mecánico de las rocas en determinadas situaciones (por ejemplo, cimentaciones).

Prueba con Esclerómetro Portátil o Martillo Schmidt

• La resistencia a la compresión simple de las rocas puede correlacionarse con la dureza de la roca.
• “Dureza Schmidt” (R): determinada mediante la prueba del martillo Schmidt (concepto diferente al considerado en minerales).
• Forma indirecta de determinar la resistencia a la compresión uniaxial del material rocoso.
• Método no destructivo

Velocidad de Propagación del Ultrasonido

– La velocidad de propagación de las ondas depende de la mineralogía, porosidad, masa específica, presencia de discontinuidades.
– La velocidad es mayor cuanto más denso es el material.
– Velocidad de onda: correlacionable con las características mecánicas de la roca, permitiendo determinar los parámetros de deformabilidad (módulo de deformabilidad, distorsión y relación de Poisson).