Una fractura es cualquier separación en una formación geológica , como una junta o una falla que divide la roca en dos o más pedazos. A veces, una fractura forma una fisura o grieta profunda en la roca. Las fracturas suelen ser causadas por tensiones que exceden la resistencia de la roca, lo que hace que la roca pierda cohesión en su plano más débil. [1] Las fracturas pueden proporcionar permeabilidad para el movimiento de fluidos , como agua o hidrocarburos . Las rocas altamente fracturadas pueden constituir buenos acuíferos o yacimientos de hidrocarburos , ya que pueden poseer tanto una permeabilidad como una porosidad de fractura significativas .
Las fracturas son formas de deformación frágil. [2] Hay dos tipos de procesos de deformación frágil primaria. La fractura por tracción da como resultado las articulaciones . Las fracturas por corte son las primeras roturas iniciales que resultan de fuerzas de corte que exceden la resistencia cohesiva en ese plano.
Después de esas dos deformaciones iniciales, se pueden observar varios otros tipos de deformación frágil secundaria, como deslizamiento por fricción o flujo cataclástico en juntas o fallas reactivadas.
En la mayoría de los casos, los perfiles de fractura se verán como una cuchilla, un elipsoide o un círculo.
Las fracturas en las rocas pueden formarse debido a compresión o tensión. Las fracturas por compresión incluyen fallas de cabalgamiento . Las fracturas también pueden ser el resultado de esfuerzos cortantes o de tracción. Algunos de los mecanismos principales se analizan a continuación.
Primero, se producen tres modos de fracturas (independientemente del mecanismo):
Para obtener más información al respecto, consulte mecánica de fracturas .
Las rocas contienen muchas grietas preexistentes donde se puede examinar el desarrollo de fracturas por tracción o fracturas Modo I.
La primera forma es el estiramiento axial. En este caso se aplica una tensión de tracción remota, σ n , lo que permite que las microfisuras se abran ligeramente en toda la región de tracción. A medida que estas grietas se abren, las tensiones en las puntas de las grietas se intensifican, excediendo eventualmente la resistencia de la roca y permitiendo que la fractura se propague. Esto puede ocurrir en momentos de rápida erosión por sobrecarga. El plegado también puede proporcionar tensión, como a lo largo de la parte superior de un eje de pliegue anticlinal. En este escenario, las fuerzas de tracción asociadas con el estiramiento de la mitad superior de las capas durante el plegado pueden inducir fracturas por tracción paralelas al eje del pliegue.
Otro mecanismo de fractura por tracción similar es la fractura hidráulica . En un entorno natural, esto ocurre cuando la rápida compactación del sedimento, la expansión del fluido térmico o la inyección de fluido hacen que la presión del fluido de los poros, σ p , exceda la presión de la tensión normal principal mínima, σ n . Cuando esto ocurre, se abre una fractura por tracción perpendicular al plano de menor tensión. [4]
La fractura por tracción también puede ser inducida por cargas de compresión aplicadas, σ n , a lo largo de un eje, como en una prueba de disco brasileña. [3] Esta fuerza de compresión aplicada da como resultado una división longitudinal. En esta situación, se forman pequeñas fracturas por tracción paralelas al eje de carga, mientras que la carga también fuerza el cierre de cualquier otra microfractura. Para imaginar esto, imagine un sobre con carga desde arriba. Se aplica una carga en el borde superior, los lados del sobre se abren hacia afuera, aunque nada tire de ellos. La deposición y compactación rápidas a veces pueden inducir estas fracturas.
Las fracturas por tracción casi siempre se denominan juntas , que son fracturas en las que no se observa ningún deslizamiento o cizallamiento apreciable.
Para comprender completamente los efectos de la tensión de tracción aplicada alrededor de una grieta en un material frágil como una roca, se puede utilizar la mecánica de fractura . El concepto de mecánica de fractura fue desarrollado inicialmente por AA Griffith durante la Primera Guerra Mundial. Griffith analizó la energía requerida para crear nuevas superficies rompiendo enlaces de materiales versus la energía de deformación elástica de los enlaces estirados liberados. Al analizar una varilla sometida a tensión uniforme, Griffith determinó una expresión para la tensión crítica a la que crecerá una grieta orientada favorablemente. La tensión crítica en el momento de la fractura está dada por,
[4]
donde γ = energía superficial asociada con los enlaces rotos, E = módulo de Young y a = media longitud de la grieta. La mecánica de fracturas se ha generalizado de modo que γ representa la energía disipada en la fractura, no solo la energía asociada con la creación de nuevas superficies.
La mecánica de fractura elástica lineal (LEFM) se basa en el enfoque del balance de energía adoptado por Griffith, pero proporciona un enfoque más generalizado para muchos problemas de fisuras. LEFM investiga el campo de tensiones cerca de la punta de la grieta y basa los criterios de fractura en los parámetros del campo de tensiones. Una contribución importante de LEFM es el factor de intensidad de tensión , K, que se utiliza para predecir la tensión en la punta de la grieta. El campo de tensión está dado por
donde es el factor de intensidad de tensión para el agrietamiento de Modo I, II o III y es una cantidad adimensional que varía con la carga aplicada y la geometría de la muestra. A medida que el campo de tensión se acerca a la punta de la grieta, es decir , se convierte en una función fija de . Con el conocimiento de la geometría de la grieta y las tensiones aplicadas en el campo lejano, es posible predecir las tensiones, el desplazamiento y el crecimiento de la punta de la grieta. La tasa de liberación de energía se define para relacionar K con el balance de energía de Griffith como se definió anteriormente. Tanto en el método LEFM como en el de balance de energía, se supone que la grieta no tiene cohesión detrás de la punta de la grieta. Esto proporciona un problema para aplicaciones geológicas como fallas, donde existe fricción en toda la falla. Superar la fricción absorbe parte de la energía que de otro modo se destinaría al crecimiento de las grietas. Esto significa que para el crecimiento de grietas en los Modos II y III, el LEFM y los balances de energía representan fracturas por tensión locales en lugar de criterios globales.
Las grietas en la roca no forman un camino suave como una grieta en el parabrisas de un automóvil o una grieta altamente dúctil como una bolsa de plástico rota. Las rocas son un material policristalino , por lo que las grietas crecen mediante la fusión de microfisuras complejas que se producen delante de la punta de la grieta. Esta área de microfisuras se llama zona de proceso frágil. [4] Considere una grieta de corte 2D simplificada como se muestra en la imagen de la derecha. La grieta de corte, que se muestra en azul, se propaga cuando las grietas de tracción, que se muestran en rojo, crecen perpendicularmente a la dirección de las tensiones principales menores. Las grietas de tracción se propagan una distancia corta y luego se estabilizan, permitiendo que se propague la grieta de corte. [5] Este tipo de propagación de grietas solo debe considerarse un ejemplo. La fractura en roca es un proceso 3D con grietas que crecen en todas direcciones. También es importante tener en cuenta que una vez que la grieta crece, las microgrietas en la zona de proceso frágil quedan atrás dejando una sección debilitada de la roca. Esta sección debilitada es más susceptible a cambios en la presión de los poros y a la dilatación o compactación. Tenga en cuenta que esta descripción de formación y propagación considera temperaturas y presiones cerca de la superficie de la Tierra. Las rocas profundas de la tierra están sujetas a temperaturas y presiones muy altas. Esto hace que se comporten en regímenes semifrágiles y plásticos, lo que da como resultado mecanismos de fractura significativamente diferentes. En el régimen plástico, las grietas actúan como una bolsa de plástico que se rompe. En este caso, la tensión en las puntas de las grietas se dirige a dos mecanismos, uno que impulsará la propagación de la grieta y el otro que embotará la punta de la grieta . [6] En la zona de transición frágil-dúctil , el material exhibirá rasgos tanto frágiles como plásticos con la aparición gradual de plasticidad en la roca policristalina . La principal forma de deformación se llama flujo cataclástico , que provocará que las fracturas fallen y se propaguen debido a una mezcla de deformaciones plásticas y de fricción frágil.
Describir las articulaciones puede resultar difícil, especialmente sin elementos visuales. Las siguientes son descripciones de geometrías típicas de juntas de fractura naturales que pueden encontrarse en estudios de campo: [7]
Las fallas son otra forma de fractura en un entorno geológico. En cualquier tipo de falla, la fractura activa experimenta falla por corte, a medida que las caras de la fractura se deslizan entre sí. Como resultado, estas fracturas parecen representaciones a gran escala de las fracturas de Modo II y III, aunque ese no es necesariamente el caso. A una escala tan grande, una vez que ocurre la falla por corte, la fractura comienza a curvar su propagación hacia la misma dirección que las fracturas por tracción. En otras palabras, la falla típicamente intenta orientarse perpendicular al plano de menor tensión principal. Esto da como resultado un corte fuera del plano con respecto al plano de referencia inicial. Por lo tanto, no necesariamente pueden calificarse como fracturas de Modo II o III. [7]
Una característica adicional e importante de las fracturas en modo de corte es el proceso mediante el cual generan grietas en alas , que son grietas de tracción que se forman en la punta de propagación de las fracturas de corte. A medida que las caras se deslizan en direcciones opuestas, se crea tensión en la punta y se crea una fractura de modo I en la dirección de σ h-max , que es la dirección de la tensión principal máxima.
El criterio de falla por corte es una expresión que intenta describir la tensión a la cual una ruptura por corte crea una grieta y una separación. Este criterio se basa en gran medida en el trabajo de Charles Coulomb, quien sugirió que mientras todas las tensiones sean de compresión, como es el caso de la fractura por corte, la tensión de corte está relacionada con la tensión normal mediante:
σ s = C+μ(σ n -σ f ), [7]
donde C es la cohesión de la roca, o el esfuerzo cortante necesario para provocar la falla, dado que el esfuerzo normal en ese plano es igual a 0. μ es el coeficiente de fricción interna, que sirve como constante de proporcionalidad dentro de la geología. σ n es la tensión normal a través de la fractura en el instante de falla, σ f representa la presión del fluido de poro. Es importante señalar que la presión del fluido intersticial tiene un impacto significativo en el esfuerzo cortante, especialmente cuando la presión del fluido intersticial se aproxima a la presión litostática , que es la presión normal inducida por el peso de la roca suprayacente.
Esta relación sirve para proporcionar la envoltura de falla de Coulomb dentro de la teoría de Mohr-Coulomb .
El deslizamiento por fricción es un aspecto a considerar durante la fracturación por cizallamiento y fallas. La fuerza cortante paralela al plano debe superar la fuerza de fricción para mover las caras de la fractura entre sí. En la fracturación, el deslizamiento por fricción normalmente sólo tiene efectos significativos en la reactivación de las fracturas por cizallamiento existentes. Para obtener más información sobre las fuerzas de fricción, consulte fricción .
La fuerza cortante necesaria para deslizar la falla es menor que la fuerza necesaria para fracturarse y crear nuevas fallas, como se muestra en el diagrama de Mohr-Coulomb . Dado que la tierra está llena de grietas existentes y esto significa que, para cualquier tensión aplicada, es más probable que muchas de estas grietas se deslicen y redistribuyan la tensión que la que se inicie una nueva grieta. El diagrama de Mohr que se muestra proporciona un ejemplo visual. Para un estado de tensión dado en la tierra, si existe una falla o grieta orientada entre −α/4 y +α/4, esta falla se deslizará antes de que se alcance la resistencia de la roca y se forme una nueva falla. Si bien las tensiones aplicadas pueden ser lo suficientemente altas como para formar una nueva falla, los planos de fractura existentes se deslizarán antes de que ocurra la fractura.
Una idea importante al evaluar el comportamiento de la fricción dentro de una fractura es el impacto de las asperezas , que son las irregularidades que sobresalen de las superficies rugosas de las fracturas. Dado que ambas caras tienen protuberancias y piezas que sobresalen, no toda la cara de la fractura toca la otra cara. El impacto acumulativo de las asperezas es una reducción del área real de contacto , lo cual es importante a la hora de establecer fuerzas de fricción. [7]
A veces, es posible que los fluidos dentro de la fractura provoquen la propagación de la fractura con una presión mucho menor que la requerida inicialmente. La reacción entre ciertos fluidos y los minerales que componen la roca puede reducir la tensión requerida para la fractura por debajo de la tensión requerida en el resto de la roca. Por ejemplo, el agua y el cuarzo pueden reaccionar para formar una sustitución de moléculas de OH por las moléculas de O en la red mineral de cuarzo cerca de la punta de la fractura. Dado que el enlace OH es mucho menor que el del O, reduce efectivamente la tensión de tracción necesaria para extender la fractura. [7]
En ingeniería geotécnica, una fractura forma una discontinuidad que puede tener una gran influencia en el comportamiento mecánico (resistencia, deformación, etc.) de masas de suelo y roca, por ejemplo, en la construcción de túneles , cimientos o taludes .
Las fracturas también juegan un papel importante en la explotación de minerales. Un aspecto del sector energético upstream es la producción a partir de yacimientos fracturados naturalmente. Hay un buen número de yacimientos fracturados naturalmente en Estados Unidos y, durante el siglo pasado, han proporcionado un impulso sustancial a la producción neta de hidrocarburos del país.
El concepto clave es que, si bien las rocas frágiles y de baja porosidad pueden tener muy poca capacidad natural de almacenamiento o flujo, la roca está sujeta a tensiones que generan fracturas, y estas fracturas en realidad pueden almacenar un volumen muy grande de hidrocarburos, capaces de recuperarse a temperaturas muy altas. tarifas. Uno de los ejemplos más famosos de un yacimiento prolífico fracturado naturalmente fue la formación Austin Chalk en el sur de Texas. La tiza tenía muy poca porosidad y aún menos permeabilidad. Sin embargo, las tensiones tectónicas con el tiempo crearon uno de los yacimientos fracturados más extensos del mundo. Al predecir la ubicación y la conectividad de las redes de fracturas, los geólogos pudieron planificar pozos horizontales para cruzar tantas redes de fracturas como fuera posible. Mucha gente atribuye a este campo el nacimiento de la verdadera perforación horizontal en un contexto de desarrollo. Otro ejemplo en el sur de Texas son las formaciones de piedra caliza de Georgetown y Buda.
Además, el reciente aumento en la prevalencia de yacimientos no convencionales es en realidad, en parte, producto de fracturas naturales. En este caso, estas microfracturas son análogas a las grietas de Griffith; sin embargo, a menudo pueden ser suficientes para proporcionar la productividad necesaria, especialmente después de las terminaciones, para hacer que lo que solían ser zonas marginalmente económicas sean comercialmente productivas con éxito repetible.
Sin embargo, si bien las fracturas naturales a menudo pueden ser beneficiosas, también pueden actuar como peligros potenciales al perforar pozos. Las fracturas naturales pueden tener una permeabilidad muy alta y, como resultado, cualquier diferencia en el equilibrio hidrostático en el pozo puede generar problemas de control del pozo. Si se encuentra un sistema de fractura natural de mayor presión, la rápida velocidad a la que el fluido de formación puede fluir hacia el pozo puede hacer que la situación se intensifique rápidamente hasta convertirse en una explosión, ya sea en la superficie o en una formación subsuperficial más alta. Por el contrario, si se encuentra una red de fracturas de menor presión, el fluido del pozo puede fluir muy rápidamente hacia las fracturas, provocando una pérdida de presión hidrostática y creando la posibilidad de una explosión de una formación más arriba en el pozo.
Desde mediados de la década de 1980, el modelado por computadora en 2D y 3D de redes de fallas y fracturas se ha convertido en una práctica común en las Ciencias de la Tierra. [8] Esta tecnología se conoció como modelado "DFN" (red de fracturas discretas), [9] posteriormente modificada a modelado "DFFN" (red de fracturas y fallas discretas). [10]
La tecnología consiste en definir la variación estadística de diversos parámetros como tamaño, forma y orientación y modelar la red de fracturas en el espacio de forma semiprobabilística en dos o tres dimensiones. Los algoritmos informáticos y la velocidad de cálculo se han vuelto suficientemente capaces de capturar y simular las complejidades y variabilidades geológicas en tres dimensiones, manifestadas en lo que se conoció como el "Protocolo DMX". [11]
Una lista de términos relacionados con fracturas: [7] [12]
