Múltiples órdenes de fracturas Riedel en la naturaleza

Por: Shunshan Xu

Resumen 
El artículo explora las múltiples órdenes de fracturas Riedel en la naturaleza, un fenómeno estructural vinculado a zonas de cizalla lateral. Las fracturas Riedel se caracterizan por ángulos específicos respecto al esfuerzo compresivo máximo, formándose patrones en “echelon”. Aunque la literatura previa se ha centrado principalmente en fracturas de una o dos generaciones, este trabajo presenta casos de hasta tres órdenes de fracturas Riedel. Se analizan ejemplos naturales y experimentales, destacando su relación con los cambios en la dirección de los esfuerzos locales (σ1). Estas estructuras, observadas a diversas escalas, desde microscópicas hasta regionales, reflejan procesos tectónicos complejos y su evolución temporal.

Palabras clave: Fractura Riedel, Orden de fractura, Cizalla, Esfuerzo, veta de calcita.

Abstract
The article explores the multiple orders of Riedel fractures in nature, a structural phenomenon associated with lateral shear zones. Riedel fractures are characterized by specific angles relative to the maximum compressive stress, forming “en echelon” patterns. While previous literature has primarily focused on one or two generations of fractures, this work presents cases of up to three orders of Riedel fractures. Natural and experimental examples are analyzed, highlighting their relationship with changes in the direction of local stresses (σ1). These structures, observed at various scales—from microscopic to regional—reflect complex tectonic processes and their temporal evolution.

Keywords: Riedel fracture, Fracture order, Shear, Stress, Calcite vein.

Introducción
La cizalla Riedel se caracteriza por una combinación de fallas que forman parte de sistemas de deslizamiento lateral. Estas fallas suelen estar asociadas con pliegues y fallas en “echelon”, como ocurre con la gran falla de San Andrés en América del Norte, la falla lateral de Tan-Lu y la falla del río Rojo-Ailao Shan en China. Este modelo ha sido ampliamente empleado en investigaciones sobre la estructura de zonas de cizalla.

El concepto de “cizalla Riedel” describe superficies de deslizamiento que se generan en ángulos de entre 10° y 30° con respecto a la dirección del movimiento relativo en un contexto de cizalla simple (Hills, 1963). Los primeros experimentos relacionados con la cizalla simple fueron realizados por Cloos en 1928 mediante modelos de arcilla. Posteriormente, en 1929, Riedel identificó fracturas tensionales y fallas en “echelon” en experimentos con bloques de arcilla, delimitando las zonas de falla por cizallamiento. En 1966, Skempton formalizó la definición de la cizalla Riedel, lo que favoreció su uso generalizado en el ámbito científico.

A lo largo de los años, diversos investigadores han analizado la cizalla Riedel utilizando modelos de arcilla, entre ellos Marques (2001), Moore y Byerlee (1992), Maltman (1987) y Schreurs (1994). Además, los fenómenos relacionados con la cizalla simple han sido corroborados mediante ensayos directos de cizalladura (Cho et al., 2008), pruebas tridimensionales (Bewick et al., 2014) y simulaciones por computadora (Ahlgren, 2001). En la naturaleza, las zonas de cizalla Riedel se han identificado en distintas escalas, desde estructuras regionales (Ahlgren, 2001), estructuras a escalas intermedias (Ortlepp, 2000), afloramientos de campo (Kaz, 2004; Ren et al., 2021), hasta estructuras microscópicas (Maltman, 1987).

En la literatura publicada, generalmente se describen fracturas de cizalla Riedel de una sola generación (dos órdenes). Los informes sobre fracturas de cizalla Riedel de múltiples generaciones (más de dos órdenes) son poco frecuentes. Este artículo presenta múltiples fracturas de cizalla Riedel en la naturaleza y analiza los cambios locales en la dirección de los esfuerzos causados por el cizalla múltiple.

Estructuras Riedel
En estudios de laboratorio y observaciones en el campo, se puede identificar el campo de esfuerzos de cizalla que da lugar a la formación de estructuras geométricas en las rocas de la corteza superior y en los depósitos aluviales (Figura 1). Las zonas principales de desplazamiento se desarrollan de manera paralela a dos áreas de cizalla, mientras que las fallas normales se generan en dirección perpendicular a la máxima extensión y la máxima tensión de tracción. Los planos de cizalla de Riedel (R) forman un ángulo de θ/2 (~15°—20°) con respecto a las zonas principales de falla. El deslizamiento en estos planos sigue el mismo sentido que las zonas principales de desplazamiento, presentando una ruptura en una disposición escalonada con una estructura similar a la formación en echelon.

Con el progreso continuo de la acción de cizalla, los extremos de los planos de cizalla de Riedel se curvan y rotan de manera gradual hasta alinearse de manera paralela con las fallas normales, lo que resulta en desplazamientos de fallas normales con un pequeño componente lateral. Además, los planos conjugados de cizalla de Riedel (R’) forman un ángulo de 90°–θ/2 (60°—75°) con respecto a las zonas principales de falla, mostrando un patrón de movimiento de deslizamiento opuesto al de las zonas principales.

Por otro lado, en dirección perpendicular al esfuerzo compresivo principal, pueden desarrollarse ejes de pliegues o fallas inversas. En sus etapas iniciales, los ejes de pliegues forman un ángulo de 45° con respecto a las zonas principales de falla. Sin embargo, a medida que la falla principal se sigue desarrollando, estos ejes de pliegues se rotan hasta quedar alineados con el plano de las fallas inversas.

Estos fenómenos estructurales relacionados con la cizalla lateral son indicativos de procesos tectónicos que ocurrieron en distintos períodos de tiempo. Además, pueden combinarse entre sí para dar lugar a sistemas de zonas de cizalla complejas y de gran extensión (Mann, 2007).

Ejemplos de múltiples órdenes de fracturas de Riedel
La Figura 2 muestra ejemplos de múltiples órdenes de fracturas de Riedel. En las subfiguras 2(a) y 2(b), se observan tres generaciones de fracturas de Riedel rellenas con calcita que se desarrollaron en una zona de cizalla dextral. En la primera etapa, se formaron dos fracturas de tipo Riedel (R1). Con el progreso de la deformación, estas fracturas R1 se activaron, dando lugar a la formación de una serie de fracturas Riedel de segundo orden (R2), las cuales son fracturas dextrales. Finalmente, la actividad de las R2 generó fracturas extensionales de tercer orden (T3).

En la subfigura 2(c) también se identifican tres generaciones de fracturas en la zona de cizalla sinistral (izquierda). En una curva de la fractura Riedel R1, el tipo de fractura P se vincula con R1, formando zona de compresión, dentro del cual se pueden observar las fracturas P2. El ángulo de interacción entre las fracturas R2 y R1 es de 22°. Una serie de fracturas R2 presenta una geometría en echelon. Las fracturas R2 están conectadas entre sí mediante fisuras de extensión T3.

El último ejemplo proviene de los modelos analógicos presentados por Schreurs (1994). Estos experimentos analizaron el fallamiento lateral en áreas de deformación por cizalla dextral distribuida. Las fallas laterales dextrales (cizallas Riedel sintéticas; R1 en la Figura 2d) se forman a una deformación por cizalla de aproximadamente= 0.09-0.14, con una orientación que varía entre 23° y 35° con respecto a la dirección de cizalla aplicada. Con el progreso de la cizalla, las fallas tempranas continúan activas mientras se generan nuevas fallas. Además, se formaron sistemas de fallas laterales sinistrales espaciadas de manera uniforme, con una orientación cercana a los 60° (fallas cruzadas o fallas antitéticas de ángulo menor: R’2 en la Figura 2e).

Explicaciones sobre cambio de σ1

Según la teoría de Coulomb, las fracturas Riedel ocurren en ángulos de ±(45° – Ф/2), donde Ф es el ángulo de fricción interna, respecto al esfuerzo compresivo máximo (σ1). Esto permite determinar la evolución de σ1 en función de la orientación inicial de los conjuntos de fallas recién formados (Figura 3).

En el caso de los cizallamientos iniciales R y R’, σ1 se encuentra en un plano horizontal, aproximadamente a 45° de la dirección de cizallamiento impuesta. Según la Figura 3, el esfuerzo principal máximo inicial σ1-1 es de 135° (orden 1). Si el cizallamiento de primera generación R1 actúa como la cizalla principal, determinará la orientación de las fracturas subsiguientes. Tras la actividad del cizallamiento R1 (orden 2), el esfuerzo principal máximo σ1-2 se sitúa en 150°, lo que implica una rotación de σ1 de 15° en sentido horario. Este cizallamiento genera las fracturas R2 y R’2.

De manera similar, si el cizallamiento de tercera generación R2 permanece activo, σ1-3 alcanzará los 165°. Por lo tanto, la diferencia de σ1 entre el primer y el tercer cizallamiento será de 30°, con una rotación en sentido horario. Este cizallamiento genera las fracturas R3 y R’3. Por otro lado, si el cizallamiento antiRiedel R’ permanece activo, la diferencia de σ1 entre el primer y el tercer cizallamiento también será de 30°, pero con una rotación en sentido antihorario.

Conclusión
El estudio confirma que las múltiples órdenes de fracturas Riedel se forman debido a la interacción dinámica entre esfuerzos tectónicos cambiantes y deformaciones progresivas. La rotación del esfuerzo compresivo máximo (σ1) juega un papel fundamental en la génesis y evolución de estas estructuras, influyendo en la orientación y activación de fracturas subsecuentes. Este trabajo no solo amplía el conocimiento sobre la mecánica de las zonas de cizalla lateral, sino que también destaca la importancia de integrar observaciones de campo y modelos analógicos para comprender la complejidad de estos sistemas tectónicos.

Las fallas de Riedel pueden manifestarse en diversas escalas, pero es fundamental recordar que son fallas secundarias asociadas a una falla principal y no deben emplearse para describir patrones de fallas regionales con múltiples orientaciones. Esto implica que las fallas de Riedel se forman simultáneamente con la falla principal. Sin embargo, es común que algunos geocientíficos interpreten patrones de fallas regionales con diferentes orientaciones como un “modelo de Riedel”, lo cual es una aplicación incorrecta del término. Por ello, resulta crucial comprender el contexto tectónico y la evolución histórica de las estructuras.

Referencias

• Ahlgren, S.G., 2001, The nucleation and evolution of Riedel shear zones as deformation bands in porous sandstone: Journal of Structural Geology, v. 23, p.1203- 1214.
• Bewick, R.P., Kaiser, P.K., Bawden, W.F., Bahrani, N., 2014, DEM Simulation of Direct Shear: 1. Rupture Under Constant Normal Stress Boundary Conditions: Rock Mechanics and Rock Engineering, v. 47 (5), p. 1647-1671.
• Cho, N., Martin, C.D., Sego, D.C., 2008, Development of a shear zone in brittle rock subjected to direct shear: International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, v. 45, p. 1335-1346.
• Cloos, H., 1928, Exiperimente zur inneren Tectonik: Zentralbl. F. Min., v12, p 609- 621.
• Hills, E.S., 1963, Elements of Structural Geology. Methuen & Co. Ltd., London. 
• Katz, Y., Weinberger, R., Aydin, A., 2004, Geometry and kinematic evolution of Riedel shear structures, Capitol Reef National Park, Utah: Journal of Structural Geology, v. 26, p. 491-501.
• Maltman, A., 1987, Shear zones in argillaceous sediments — an experimental study. In: Deformation of Sediments and Sedimentary Rocks (edited by Jones, M.E. &Preston, R.M.F.): Geological Society Special Publication, v. 29, p. 77 -87.
• Mann, P., 2007, Global catalogue, classification and tectonic origins of restraining- and releasing bends on active and ancient strike-slip fault systems// Cunningham W D and Mann P, eds. Tectonics of Strike-slip Restraining and Releasing Bends: Geological Society, London, Special Publications, v. 290(1), p. 13–142.
• Marques, F.O., 2001, Flow and fracturing of clay: analogue experiments in pure shear. Tectonic Modeling: A Volume in Honor of Hans Ramberg: Geological Society of America Bulletin, Memoir, v. 193, p. 261-270.
• Moore, D.E., Byerlee, J., 1992, Relationships between sliding behaviour and internal geometry of laboratory fault zones and some creeping and locked strike-slip faults of California: Tectonophysics, 211, p. 305-316.
• Morrow, C.A. y Byerlee, J.D., 1989, Experimental studies of compaction and dilatancy during frictional sliding on faults containing gouge: Journal of Structural Geology, v. 11(7), p. 815 -825.
• Ortlepp, W.D., 2000, Observation of mining-induced faults in an intact rock mass at depth: International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, v. 37, p. 427- 36.
• Skempton A.W., 1967, Some observations on tectonic shear zones. In: Proccedings of 1st international congress on rock mechanics, vol.1, p. 329-35.
• Schreurs, G., 1994, Experiments on strike-slip faulting and block rotation: Geology, 22, p. 567-570.
• Riedel, W., 1929, Zur mechanik geologischer brucherscheinungen: Zentralblatt fur Mineralogie, Geologie und paleontologie B, p. 354 -368.
• Ren, J., Zhiwen Zhang a , Hailong Gai d , Wenjun Kang, 2021, Typical Riedel shear structures of the coseismic surface rupture zone produced by the 2021 Mw 7.3 Maduo earthquake, Qinghai, China, and the implications for seismic hazards in the block interior: Natural Hazards Research 1, p. 145–152.
• Schreurs, G., 1994, Experiments on strike -slip faulting and block rotation: Geology v. 22, p. 567 -570.

Universidad Nacional Autónoma de México, Campus Juriquilla, Instituto de Geociencias, Boulevard Juriquilla No. 3001, Juriquilla, Qro., Querétaro, CP 76230

Shunshan Xu, Correo electrónico: sxu@geociencias.unam.mx