Manual de Campo Para La Descripcion y Caracterizacion de Macizos Rocosos

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Mercedes Ferrer Luis l. Gonzalez de Vallejo •

Manual de campo para la

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caracterización de

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Impreso en pepet ecológico

Imprime: Soluciones Gráficas Chile, S.L.L. C/. Chile, 27

28016 MADRID

Tel./Fax: 91 359 57 55

NIPO: 657-07·026-8 ISBN: 84-7840-708-1

Depósito Legal: M-43285-1999

Ninguna parte de este libro puede ser reproducida o transmitida en cualquier forma o por cualquier medio, electrónico, mecánico, incluido fotografias, grabación o por cualquier otro sistema de almacenar informa- ción sin el previo permiso escrito del autor o editor. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (Art. 270 y siguientes del Código Penal).

Macizo rocoso cuarcítico fracturado. Sierra de Albarracín.

Foto: M. Ferrer. Portada:

624.12

1 Macizo rocoso. 2 Mecánica roca. 3 Propiedad física. 4 Propiedad geotécnica. 5 Manual. l. Instituto Geológico

y

Minero de España, ed. 11. González de Vallejo, L.I., dir. téc. 111. Ferrer Gijón, M., superv. téc.

134 pgs.; 24 cm.

ISBN: 84--7840-708-1 - (Guías

y

Manuales; 4)

MANUAL de campo para la descripción

y

caracterización de macizos rocosos en afloramientos

I

Luis l. González de Vallejo, dir. téc., Ferrer Gijón, M., superv. téc. - 2ª ed. - Madrid: Instituto Geológico y Minero de España, 2007.

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Copyrighted rn alerial

3

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DESCRIPCIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES .. . . .

3

3.2 .

1. Tipos de d

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3.1. CARACTERIZACIÓN DE LA MATRIZ ROCOSA 21

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7

3. CARACTERIZACIÓN DE MACIZOS ROCOSOS.. . .. .... ... 21

2.

SISTEMÁTICA O PROCEDIMIENTO A SEGUIR . . .. . . . . . . ... . . . . . . . . ...

1

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2 .2.

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20

1.2 .

MATRIZ ROCOSA, DISCONTINUIDADES Y MACIZO ROCOSO 11

2 . S

I

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DE MAC

I

ZOS ROCOSOS EN

AFLORAMIENTOS

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1

3

2.

1 .

INTRODUCCIÓN . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . .. .. . . .. . . . . . . .. . .. .

1

3

1.1.

DEFINICIÓN DE ROCAY SUELO 8

1. INTRODUCCIÓN

7 Pág.

PRESENTACIÓN

5 ÍNDICE

(4)

4 4. CLASIFI

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ÓN GEOMECÁNICA DE MACIZOS ROCOSOS

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4.

1. I

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4 BIBLIOGRAFfA

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8

1 APÉNDICE

1 :

FOTOGRAFÍAS

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: E

JEMPLOS DE CLASIFICACIONES GEO

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FOTOGRAFIA

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3.3 .

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2 .

2 . Descripción de

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53

(5)

Copyrighted material

5

José Pedro Calvo Sorando

Director General del Instituto Geológico y Minero de España El IGME, como organismo dedicado al estudio y aplicación de las Ciencias y

Tecnologías de la Tierra, pretende con esta edición la difusión de una metodologia

que ayudará a los profesionales en el desarrollo sistemático y completo de los

trabajos de campo destinados a la evaluación geotécnica de los macizos rocosos. Este Manual presenta la sistemática para la descripción, medida y tratamiento de

los datos de campo geológicos y geomecánicos necesarios para definir los

parámetros representativos y característicos del macizo rocoso. A partir de estos

datos y de la aplicación de clasificaciones geomecánicas junto con los criterios de

resistencia y rotura se pueden obtener los parámetros básicos para los proyectos

de ingeniería de rocas.

El desarrollo completo de los trabajos de campo en afloramientos de roca

permite obtener la información necesaria para evaluar el comportamiento de los

macizos rocosos, así como para diseñar adecuadamente las fases de investigación

más avanzadas y la interpretación de los resultados obtenidos en las mismas. El bajo coste de estos trabajos en comparación con los métodos de reconocimiento

en profundidad (perforaciones, técnicas geofísicas, etc.) y la relevancia de los resultados hace que los trabajos de campo deban constituir la fase preliminar de los reconocimientos, con claras ventajas económicas

y

conceptuales.

La caracterización de campo de los macizos rocosos es una labor necesaria en todos los estudios geológico-geotécnicos que implican el conocimiento de las propiedades y características geomecánicas de dichos materiales.

Esta segunda edición del Manual de campo para la Descripción

y

Caracterización

de Macizos Rocosos en afloramientos responde a la demanda por parte de

diferentes colectivos relacionados con los estudios de campo que en él se describen. En esta nueva publicación se han incluido las actualizaciones necesarias con respecto a la anterior edición.

(6)

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(7)

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8

Los suelos, según su acepción geotécnica, son agregados naturales de partículas

minerales granulares y cohesivas separables por medios mecánicos de poca

energía o por agitación en agua.

Los suelos se originan por la acción del conjunto de los procesos geológicos

Rocas Ígneas: plutónicas y volcánicas

Rocas Sedimentarias: detríticas y no detríticas

Rocas Metamórficas

De una forma simplificada las rocas pueden clasificarse en los siguientes grupos,

basándose en la composición, relaciones geométricas de sus partículas (textura)

y características genéticas:

El caso de las rocas, la composición y propiedades son altamente variables, con-

firiendo a los materiales naturales un carácter heterogéneo, discontinuo y anisó-

tropo. Además, las rocas están afectadas por procesos geológicos y ambientales

(fracturación, alteración, etc.) que hacen que la reproducción de su comporta-

miento en el laboratorio sea una labor difícil, debido también a los problemas

asociados a la obtención de muestras representativas y a la escala de trabajo,

entre otros.

La composición de la mayoría de los materiales de construccron, tales como

metales y hormigones, es uniforme y homogénea hasta el extremo de que las

propiedades mecánicas de estos materiales, una vez que están emplazados, son

virtualmente las mismas que se obtienen en ensayos de laboratorio.

Las rocas son agregados naturales compuestos de partículas de uno o más mine-

rales, con fuertes uniones cohesivas permanentes, que constituyen masas geo-

lógicamente independientes y cartografíables. 1.1. DEFINICIÓN DE ROCA Y SUELO

De las diferentes fases que incluye la investigación y caracterización geomecáni-

ca completa de los macizos rocosos (descripciones de campo, ensayos e investi-

gaciones in situ, ensayos de laboratorio, etc.), la observación, descripción y toma

de datos superficiales en afloramientos es la de mejor relación coste-beneficio,

siendo necesaria, además, para el diseño de las siguientes fases de la investiga-

ción. Las descripciones detalladas de campo sirven, además, para la correcta

interpretación y extrapolación de los resultados obtenidos en los ensayos in situ

y de laboratorio.

das adicionales a los parámetros geológicos. De ahí, la necesidad de establecer

una sistemática que homogeneice criterios y facilite la comunicación entre todos

los profesionales que tengan que realizar los trabajos de descripción de macizos

(8)

9

Figura 1. Procesos en relación con la formación de suelos y rocas sedimentarias (Agueda et al, 1977).

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(10)

1

Macizo rocoso es el conjunto de matriz rocosa y discontinuidades. La presencia

de discontinuidades de diverso tipo confiere al macizo rocoso un carácter

heterogéneo y un comportamiento no continuo, condicionado por la naturaleza,

frecuencia y orientación de los planos de discontinuidad, y condiciona su

comportamiento geomecánico e hidráulico.

Discontinuidad es cualquier plano de origen mecánico o sedimentario en un

macizo rocoso, generalmente con una resistencia a la tracción muy baja o nula.

La presencia de discontinuidades implica un comportamiento no continuo del

macizo rocoso

Matriz Rocosa es el material rocoso exento de discontinuidades, o los bloques

de roca "intacta" que quedan entre ellas. Generalmente se caracteriza por su

peso específico, deformabilidad y resistencia.

1.2. MATRIZ ROCOSA, DISCONTINUIDADES Y MACIZO ROCOSO Resistencia a

Geological

la compresión ISRM Bieniawski

Society Ejemplos

simple (1981) (1973)

(1970) (MPa)

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Blanda

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Mod. dura

25- 50 Mod. dura Baja Esquisto, pizarra

Rocas metamórficas

50 - 100 Dura Dura Media _{granito, gne}esquistosas _r•_ss,. marmol,

arenisca, caliza oorosa

Rocas ígneas y metamorficas

100 - 200 Muy dura Alta duras, arenisca muy

Muy dura _cementada, _caliza,

dolomía

> 200

Extrem.

> 250 Extrem. dura Muy Alta Cuarcita, gabro, basalto

dura

Cuadro 1. Clasificación de las rocas a partir de su resistencia a compresión simple

(11)

12

Figure 3. Transición entre la roca intacta y el macizo rocoso altamente fracturado (Hoek, 1983).

Macizo rocoso

varias discontinuidades

Excavación subterránea

dos discontinuidades

"

una discontinuidad

Roca intacta

Las tensiones naturales (estado tensional).

Los factores geoambientales.

Estructuras tectónicas y sedimentarias no discontinuas en el macizo rocoso (por ejemplo los pliegues).

Además de las propiedades intrínsecas del macizo rocoso asociadas a las carac- terísticas de la matriz rocosa y de las discontinuidades, y que definen en gran

parte su resistencia, existen otros factores que afectan a su comportamiento geo- técnico, como son:

Todos estos factores constituyen, en conjunto, la estructura rocosa, y gobiernan el comportamiento global del macizo rocoso, predominando más uno u otro

componente en función de sus propiedades respectivas y de la escala o ámbito de estudio en el macizo (Figura 3).

También la propia matriz rocosa, a pesar de considerarse mecánicamente conti-

nua, presenta un comportamiento heterogéneo y anisótropo ligado a su fábrica y a su microestructura mineral.

(12)

(13)

14

La descripción y caracterización del macizo rocoso puede ir dirigida hacia distin-

tas aplicaciones geotécnicas como son:

En general, en un macizo rocoso pueden establecerse a simple vista, siempre que el ámbito a describir no sea muy amplio, distintas zonas con diferente aspecto o tipos de materiales rocosos (por ejemplo, zonas con diferente litología, grado de fracturación, grado de meteorización, etc.), lo que permite la división inicial por zonas o niveles que se proceden a describir más en detalle. Esto evita tener que realizar esta zonificación a posteriori, es decir, una vez realizadas las descripcio-

nes y toma de datos y medidas, lo que facilita enormemente el proceso de toma de datos y medidas, tal como se recoge en las etapas descritas anteriormente. No

obstante, en macizos rocosos con pocos afloramientos o con muy amplia exten- sión, puede resultar dificil la división en zonas inicial.

A lo largo de estas etapas van entrando en juego los diferentes factores que caracterizan al macizo rocoso y que definen su comportamiento, corno son las características de la matriz rocosa y discontinuidades, el grado de fracturación y meteorización del macizo, sus propiedades hidrogeológicas, las tensiones a que está sometido, etc.

3) Descripción del macizo rocoso en su conjunto

La fase final del proceso culmina en el conocimiento de las condiciones del macizo en su conjunto a partir de las observaciones y descripciones realiza-

das, pudiendo materializarse en perfiles geológico-geotécnicos y en clasifica-

ciones geomecánicas de los macizos rocosos. Esta última fase requiere una mayor experiencia, e integra el conocimiento de la geología regional y del emplazamiento.

2) Descripción de cada una de las zonas

Tras el establecimiento de las diferentes zonas en el afloramiento se llevará a cabo la descripción por separado de cada una de ellas, pudiendo aparecer

diferencias en la interpretación de las distintas observaciones o medidas que se realicen en una misma zona debido a su variabilidad. Deberá tratar de ser

lo más objetiva y clara posible, utilizando terminología estandarizada, de

manera que distintos observadores lleguen a la misma descripción.

En base a criterios litológicos y estructurales se realizará una división en zonas más o menos homogéneas del afloramiento. El número de zonas que se esta-

blezca y la extensión de las mismas dependerá del grado de heterogeneidad de los materiales y estructuras del macizo rocoso, de la extensión del afloramiento y del grado de detalle y finalidad de la investigación.

ramiento y la de cada uno de sus componentes: rocas, suelos, zonas con agua, discontinuidades singulares, etc. Es recomendable en esta fase incluir cuantos detalles se aprecien, incluso los que puedan considerarse de interés secunda-

rio. Si existe alguna duda sobre las condiciones del afloramiento es recomen-

(14)

15 Caracteristicas generales del macizo rocoso y división en zonas.

La descripción y caracterización de macizos rocosos incluye el estudio de la matriz rocosa, de las discontinuidades y del macizo rocoso en su conjunto, inclu- yendo tanto sus propiedades intrínsecas como los factores externos que los afectan y que condicionan su comportamiento.

En general, el método a seguir parte de una descripción general de los aspectos y características observables a simple vista para, posteriormente, describir y caracterizar con detalle las diferentes zonas observadas; finalmente, a partir de todos los datos obtenidos, se caracteriza y clasifica el macizo rocoso:

2.2. SISTEMÁTICA O PROCEDIMIENTO A SEGUIR

ISRM (1981 ). Suggested methods for rock characterization, testing and moni- toring. Ed 1E.T. Brown. Pergamon Press, 211 pp.

ISRM ( 1981 ). Basic Geotechnical Description of Rock Masses. lnt. J. Rock Mech.

&

Min. Sci.

&

Geomech. Abstr. Vol. 18. Pergamon Press.

8.S. 5930 (1981 }. Code of practice for site investigations. British Standars lnstitution, London.

ISRM (1978). Suggested methods for the quantitative description of disconti-

nuities in rock masses. lnt. Journal of Rock Mech.

&

Min. Sci., vol. 15.

- Working Party of the Geological Society (1977). The description of rock masses for engineering purposes. Quaterly Journal Eng. Geology, nº 10, 355-389. London.

- Working Party of the Geological Society (1972). The preparation of maps and plans in terms of engineering geology. Quaterly Journal Eng. Geology, nº 5, 293-382. London.

a} Condiciones para la cimentación de edificios.

b} Estabilidad de taludes excavados o laderas naturales.

c} Condiciones para construcción de muros y anclajes.

1

d) Terraplenes, pedraplenes, presas de tierras etc.

e) Excavaciohes subterráneas y túneles.

f) Obtención de materiales de construcción.

g} Tratamientos geotécnicos de mejora del terreno.

h} Control de filtraciones y drenajes.

En España no se cuenta con ninguna normativa propia referente a la descripción

de macizos rocosos, Las descripciones se realizan frecuentemente a partir de clasificaciones ~eológicas, considerando, en el mejor de los casos, algunos

aspectos geotécnicos. En el ámbito internacional los métodos recomendados se incluyen a continuación:

(15)

16

Para cada zona diferenciada se dará una breve descripción, donde se incluirán

aspectos relacionados con ta litología, edad, estado de meteorización, fractura-

c)

Descr

i

pc

i

ón general de cada zo

n

a

Se incluirá la situación geográfica y una descripción geológica general, así como

aquellas estructuras diferenciables a gran escala. Se diferenciarán las distintas

zonas.

b)

Fotograf

í

a y esquema del afloramiento

a)

Identif

i

ca

c

ión del afloramiento

Es muy útil realizar una fotografía o secuencia de fotos del afloramiento y reali-

zar un esquema del mismo, donde se indicarán las características básicas de cada

zona. Se recomienda seguir ta siguiente secuencia:

Posteriormente se llevará a cabo la división en zonas o sectorización del mismo,

diferenciando zonas homogéneas según criterios litológicos, estructurales o de

otro tipo, como presencia de agua, zonas meteorizadas, faltas o zonas de brecha,

etc. y procediendo a una descripción general de cada una.

Nombre (litología).

Edad.

Rasgos estructurales generales (estratificado, fallado, fracturado, masivo,

etc

.

).

Localización.

El primer paso en et estudio de un afloramiento amplio de un macizo rocoso ha

de encaminarse a la identificación del mismo y su descripción general, indican-

do los siguientes datos:

2.2.1. Descripción general del afloramiento y división en zonas

Estos diferentes aspectos son tratados en los capítulos siguientes. Todos ellos

han de valorarse adecuadamente para la caracterización final del macizo rocoso.

Dada la gran variabilidad de tos factores a considerar, es necesario seguir una sis-

temática en ta toma de datos que permita la valoración integral del macizo.

Descripción y caracterización de cada zona.

Descripción general.

Matriz rocosa.

Discontinuidades.

Descripción de los parámetros del macizo rocoso.

(16)

(17)

18

Fígura 4. Estadillo para descripción y división en zonas de macizos rocosos

ZONA 111:

ZONA 11:

DESCRIPCIÓN BÁSICA DE CADA ZONA:

ZONA 1:

DESCRIPCIÓN GEOLÓGICA GENERAL:

FOTO ESQUEMA Fecha: Obsel'Vcldor: Localización: Elemento investigado: Fase de estudio: Tipo de trabajo:

(18)

19

Figura 5. Estadillo para la toma de datos de campo de la matriz y discontinuidades

l-J-+-+-+-1-+-+-~-!-1-++-!-!-++-+-l-+-l-+-1-++-+·!-1-++-+-l-+-l-+-1-++-+-1-+-+-+-11-+-+-+-~~-+-+-f--~~

RELLENOS

R\JGOSIDAD

ESPACIADO CONTIN.

(mm) R'""""'8ul E.:> 1A· CIÓN N" APERTURA (mm)

PROY.,,;TO; ESTACION: HOJA/PLANO:

REALIZADO POR:

FECHA: LOCALIZACIÓN: FOTOS:

LITOLOGIA NATURALEZA POTENCIA FORMACIÓN V EOAO

FORMACIONES NATURALEZA MORFOLOGIA ESPESOR

SUPERFICIALES

ESTRUCTURA PLIEGUES FALLAS OTROS

FAACTURACIÓN BLOQUES Muy grandes Grandes Medios POQUellos Muy pequet\os Muy b<ecllificada

J" Juntwm3 < 1 1 . 3 3-10 10. 30 > 30 >60

RESISTENCIA Extr. Blanda Muy blanda Blanda Media Dura Muy dura Extrem. Owa

MATRIZ ROCOSA

una

_o Navaja

,

Punta martillo Golpe martillo + 1 golpe marlilo Varioo golpes Martillo solo raye

2 J 4 5 6

G·-~ S uc ₁ ₁₁ _i_U _I_V _V _V_I

METEORIZACIÓN

Sana Algo me1eotizaoa Med. Meleorlz. Muy meteorizada Compi. Meteorlz. SUelo residual

HIOROGEOLOGIA ' Sin presencia seco (con CAUOAl

da agua sellales da ogua) H.:m- G-Oteos Flujo ESTIMADO

RESISTENCIA "R" OBSERv1<1.ólONcS:

ESClERÓMETRO

(19)

(20)

21 El pr

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Criterios petrológícos

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1. Identificac

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ón

3. CARACTERIZACIÓN DE MACIZOS ROCOSOS

(21)

Copyrighted ni aterial

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n

o

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roca hace referenc

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Tamaño de grano

El co

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de forma semeja

n

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i

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l

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(Ej.

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l

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l

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Por otra parte, la var

i

ación en el color es

un

indicador básico del grado de

l

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l

terac

i

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l

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.

Se hace refere

n

cia a una roca

sana cuando ésta no ha suf

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ido procesos de a

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teració

n

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un color orig

i-

na

l

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aciones

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n

tificables de visu.

El

color de una roca

depende de

l

os minerales que

la componen. Algunos m

i

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n

un color

dist

in

tivo, por ejemplo

el color verde de

l

a c

l

orita, pero en la mayor parte de los

casos contienen sustancias o impurezas que

l

o modifican.

Color

Una vez descritos los minerales, se nombra y clasifica la roca. El sistema reco-

mendado se basa en clasificaciones geológicas enfocadas hacia usos geotécni- cos. En la Figura 6 se incluye la clasificación propuesta por la Sociedad

Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM).

La identificación detallada de los minerales requiere un estudio petrográfico mediante lámina delgada, que se realizará siempre que existan dudas en la iden- tificación de los mismos.

1) Forma general de los granos.

2) Color y transparencia.

3) Presencia o ausencia de exfoliación.

4) Presencia o ausencia de maclado y tipo de macla.

5) Dureza.

Los minerales más comunes que forman las rocas a nivel de muestra se pueden identificar mediante una lupa, siempre que las dimensiones del mineral estén próximas a 1 milímetro como mínimo; con práctica, se pueden reconocer minerales de dimensiones menores. Las observaciones más prácticas son las siguien-

(22)

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5

Las acciones químicas tienen lugar en presencia de agua y están controladas por la temperatura, siendo más abundantes e intensas en regiones climáticas húme- das que en zonas de clima seco. Las más importantes son la oxidación, reduc- Fractura por heladas: El agua que rellena poros y grietas aumenta de volumen al

bajar la temperatura y formarse hielo, pudiendo producir la fractura de tas rocas.

Fonnación de sales: La cristalización de sales en poros o grietas de tas rocas puede dar lugar a la rotura y disgregación.

Capilaridad: Los minerales con estructuras hojosas (micas, yesos) o con fisura-

ción, permiten la penetración de agua, que, frente a cambios de tempera-

tura, puede producir roturas estructurales, al ser el coeficiente de dilatación del agua mayor que el de la roca o mineral.

Hidratación: Determinados tipos de materiales (arcillas, sulfatos) son suscepti- bles de hidratación, de tal forma que aumentan su volumen, produciéndo- se deformaciones importantes que pueden llevar a la fracturación mecáni- ca.

Insolación: En climas áridos las acusadas diferencias térmicas que tienen lugar en

periodos cortos de tiempo, producen tensiones importantes en las rocas,

debidas a la dilatación y contracción sucesivas, que dan lugar a la fractura- ción de las mismas.

Las acciones de origen físico más importantes controladas por el clima, en espe-

cial por la temperatura y la humedad, son:

Las condiciones climáticas, definidas por sus principales variables (temperatura,

humedad, precipitaciones, régimen de vientos), constituyen el principal factor de control en las transformaciones físicas y químicas que afectan a los materiales aflorantes.

La acción y los efectos de la meteorización serán distintos dependiendo del tipo

de material afectado, estando directamente relacionados con la composición mineralógica de ta roca y con sus propiedades texturales y estructurales.

La acción biológica está regida por la presencia y actividad de los seres vivos,

que producen destrucción física y descomposición química en los materiales

rocosos; esta última es más evidente por la acción de los microorganismos.

rocosa a la descomposición de los silicatos y otros minerales, aunque algunos de ellos, como el cuarzo, resisten bien estas acciones. Los procesos de disolución juegan un papel importante en la alteración química de las rocas, especialmente