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SEDIMENTOLOGÍASEDIMENTOLOGÍAPor

Dr. NÉSTOR TEVES RIVAS

Lima, 2011

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Referencias Referencias BibliográficasBibliográficas

Pettijohn J. (1963) Rocas Sedimentarias. Eudeba. Bs. As.

Pomerol Ch. y Fouet R. (1964) Rocas Sedimentarias. Eudeba. Bs. As.

Krumbein – Sloss (1969) Estratigrafía y Sedimentación. UTEHA, Méjico.

Cailleux A. et Tricart J. (1963) Initiation a l´étude des sables et des galets. C.D.U., Paris.

Pérez Mateo, J. (1965) Análisis Mineralógico de Arenas. C.S.I.C. Madrid.

Friedman, G.M. Sanders, J.E. (1978) Principles of Sedimentology. John Wiley & Sons, N.Y.

Blatt, Middleton, Murray (1980) Origin of Sedimentary rocks, Prentice Hall Inc., N.Y.

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SEDIMENTOLOGIASEDIMENTOLOGIAConceptos Fundamentales.-Conceptos Fundamentales.-Sedimentología: Estudia los sedimentos y sus

procesos.Sedimento: Es toda materia suelta que se

deposita por su propio peso (bajo el influjo de la gravedad)

Origen de sedimentos: detrítico o clástico, químico y biológico o no clástico.

Granulometría de sedimentos: Estudia las variaciones de tamaño de grano y sus distribuciones.

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Conceptos Fundamentales

Algunos autores objetan denominación de Sedimentología por ser un término híbrido, ya que proviene del latín sediméntum y del griego logos.

Pettijohn lo involucra en la Petrología Sedimentaria. Se olvida de los sedimentos actuales y procesos que soportan y que mediante su conocimiento estamos entrando con mayor seguridad a la interpretación de los fenómenos del pasado.

Sedimentación restringe el término al proceso de deposición de sedimentos pero no incluiría las propiedades de los sedimentos.

La Petrología Sedimentaria estudia el origen, la historia de los sedimentos. La Petrografía Sedimentaria describe las rocas sedimentarias.

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Conceptos Fundamentales

La sedimentología se basa en un conjunto de métodos o técnicas para el estudio de los sedimentos e interpretación de sus procesos. Sedimentogenesis (Strakhov) es el estudio de la formación, transporte y deposición de los sedimentos.

Sedimento-Estática y Sedimento-Dinámica (Asensio) estudian las propiedades y los procesos que sufren los sedimentos respectivamente.

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Concepto de Sedimento

Del latin Sediméntum.Sedimento es cualquier materia que

habiendo estado en suspensión en un líquido, se posa en el fondo.

Sedimento es toda materia suelta que se deposita por su propio peso o bajo el influjo de la gravedad.

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Antecedentes Históricos

La SEDIMENTOLOGÍA es una ciencia geológica relativamente nueva.

La utilización de sus métodos se remonta a 1850, el geólogo francés Daubrée estudió orientación de cantos en las terrazas del río Rhin, cerca de Strasbourg. Las arenas fueron estudiadas por el geólogo inglés Sorby en 1880.

Lucien Cayeux dio un gran impulso a la Petrografía Sedimentaria en su libro de 1920.

A partir de 1930 tiene un inmenso desarrollo por el interés de los geólogos petroleros, edafólogos y geomorfólogos. Se publican numerosos trabajos en Francia, U.S.A., Rusia, Alemania, Países Bajos y otros.

Auge actual de SEDIMENTOLOGÍA se debe a A. Cailleux quien con los nuevos métodos de estudio de los sedimentos propuestos en su Tesis Doctoral de 1945, ha dado gran impulso a la SEDIMENTOLOGÍA actual.

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Relación con las ciencias geológicas e importancia de

su estudioEs la herramienta de otras ciencias geológicas.Estratigrafía y Geología Estructural: historia de estrato,

evolución de cuencas y montañas y su destrucción. Geomorfología: en el conocimiento de procesos que

influyen en formas de la superficie terrestre (gelivación, concentración de cuarzos) en interpretaciones del pasado.

Geología marina: estudia los sedimentos de los fondos marinos y sus relaciones.

Geotecnia: dragado de puertos. Colmatación de represas, mecánica de suelos.

Geología económica: agua, petróleo, carbón, evaporitas, arcillas, materiales de construcción, hierro sedimentario, aluminio.

Geología del petróleo e hidrogeología – arenas movedizas.

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Historia de un Sedimento

Procedencia u origen (detrítico, biológico y químico).

Dispersión del sedimento: determinación de la dirección en la que los sedimentos se alejaron de la fuente y distancia del transporte.

Ambiente de deposición: se ocupa del medio físico – químico en el que se depositaron los sedimentos.

Cambios post-deposicionales: procesos de consolidación de sedimentos y su litificación o diagenesis.

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Origen de SedimentosDETRÍTICO:Cósmicos: proceden del espacio extraterrestre,

meteoritos, polvo cósmico.Sueltos: cenizas volcánicas, sedimentos no

consolidados.Consolidados: sufren desintegración y alteración

química.BIOLÓGICO:Excrementos y coprolitosEsqueletos, dientes, escamas, conchasMateria orgánica.QUÍMICO:Precipitación de sales disueltas – evaporitas.Glauconita.

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PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS

TAMAÑOSELECCIÓNCOLOREMPAQUEFÁBRICAFORMA Y REDONDEZPIVOTABILIDADPOROSIDADPERMEABILIDADGRAVEDAD ESPECÍFICO O DENSIDAD RELATIVACOMPOSICIÓN QUÍMICACOMPOSICIÓN MINERALÓGICA

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TAMAÑOTAMAÑO: en partículas esféricas es el diámetro y en las no esféricas generalmente el largo.

SELECCIÓN ó CLASIFICACIÓNSELECCIÓN ó CLASIFICACIÓN: es la uniformidad en el tamaño de grano o la falta de ella.

COLORCOLOR: depende de contenido mineralógico, incoloros, blancos o de colores pálidos por minerales esenciales como cuarzo, feldespato, calcita, anaranjados, amarillos, rojizos por óxidos de fierro, negros por materia orgánica, verdes por minerales de silicatos ferromagnesianos como clorita, epidota.

EMPAQUEEMPAQUE: es la disposición y el arreglo de las unidades sólidas en que cada componente se sujeta y se mantiene en su lugar, dentro del campo gravitacional de la tierra, por el contacto tangencial con sus vecinos. Se refiere a las relaciones espaciales mutuas existentes entre los granos.

FÁBRICAFÁBRICA: es la orientación de las partículas no esféricas o falta de ella.

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FORMAFORMA: se determina por comparación con figuras geométricas, cubo, prisma, esfera, cilindro, cono, etc.

REDONDEZREDONDEZ: es la relación del promedio de la agudeza de aristas y vértices de un fragmento con el círculo inscrito.

PIVOTABILIDADPIVOTABILIDAD: es la tendencia de un sedimento a empezar el rodamiento.

POROSIDADPOROSIDAD: es la relación entre el volumen de espacios vacíos o poros y el volumen total de la roca. Se expresa en porcentaje.

PERMEABILIDADPERMEABILIDAD: es la facilidad de dejar pasar los fluidos a través de sus poros. Los poros deben estar interconectados. Disminuye con el tamaño de grano.

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GRAVEDAD ESPECÍFICAGRAVEDAD ESPECÍFICA: es la relación entre la densidad de una sustancia y la del agua a la temperatura que se indique.

COMPOSICIÓN QUÍMICACOMPOSICIÓN QUÍMICA: se expresa como óxidos, contenido de sílice, alumina y otros.

COMPOSICIÓN MINERALÓGICACOMPOSICIÓN MINERALÓGICA: los sedimentos pueden presentar uniformidad o ser mezclas de varios minerales. Los minerales pueden ser: alotígenos si han sufrido transporte y provienen de otros lugares y autígenos si se han formado en la cuenca deposicional.

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Propiedades de los SedimentosTAMAÑOTAMAÑO:Si partículas son esféricas su tamaño lo determina el

diámetro. Si son no esféricas se considera el largo, si bien ha habido discrepancias para usar el ancho.

También se determina el tamaño utilizando tamices, si bien existe reparos. El método del tamizado es observable, puesto que, si los granos son aciculares pasan una malla de menor abertura y son pesadas erróneamente con otras de menor volumen y por consiguiente de tamaño. En los sedimentos muy finos se usa la velocidad de decantación pero es válida si la densidad y forma son constantes.

TÉRMINOS DESCRIPTIVOS DE TAMAÑOComunes Griego Latín

Grava Psefita RuditaArena Psammita ArenitaArcilla Pelita Lutita

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SELECCIÓNSELECCIÓN:

También se denomina clasificación.

Es la uniformidad en el tamaño o falta de ella.

El coeficiente de selección más usado es el índice de Trask que es igual a la raíz cuadrada de la relación entre el tercer y el primer cuartil. Los cuartiles son los tamaños que se leen en abcisas correspondientes a las ordenadas del 75 y el 25% respectivamente.

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COLORCOLOR:

Blancos, incoloros o colores pálidos: corresponde a la mayoría de los minerales esenciales de las rocas sedimentarias.

Negro o gris: el carbono orgánico que no se ha oxidado. Más raro por la pirolusita (Mn O2) y la pirita o marcasita (S2Fe).

Amarillo, rojo, pardo: debido a óxidos de hierro según su grado de hidratación. Así la limonita (Fe2O3.2H2O) es amarillo pardo, la hematita (Fe2O3) es rojo, la goethita [Fe(OH)3] es pardo anaranjado.

Verdes: los compuestos ferrosos como clorita, glauconita.Marrón chocolate: mezcla de hematita y pirolusita.

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FORMA Y REDONDEZFORMA Y REDONDEZ:

La forma se determina por comparación con figuras geométricas (cubo, esfera, cilindro, etc.)

Morfoscopía es la determinación de la forma por comparación visual y Morfometría si se hace con mediciones.

La redondez se determina comparando el fragmento con la esfera ya que posee para un volumen determinado la menor superficie.

La redondez relaciona la agudeza de las aristas y vértices de un fragmento con el círculo.

La forma y redondez sirven para descifrar la historia de un depósito sedimentario.

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PIVOTABILIDAD:PIVOTABILIDAD:

Es la tendencia de un sedimento a iniciar el rodamiento. Kuenen introdujo este término en el Congreso Internacional de Sedimentología (1963)y propuso un instrumento para su determinación que denominó “rock and roll shape sorter” (Clasificador de formas por movimiento vibratorio). Consiste en un semicilindro cuyo eje tiene una pendiente de 1.5º. Los granos caen en botellas que se reemplazan a intervalos dados hasta doce fracciones. La última fracción que permanece en el semicilindro cuando se detiene la máquina es el No. 1. Entre granito meteorizado y redondeados mates se establecía cerca de 80 clases de pivotabilidad.

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EMPAQUE:EMPAQUE:

Consiste en la disposición y arreglo de las unidades sólidas en que cada componente se sujeta y se mantiene en su lugar dentro del campo gravitacional de la Tierra, por el contacto tangencial con sus vecinos. El empaque influye en la porosidad, permeabilidad y peso específico. En esferas de tamaño uniforme el empaque puede ser desordenado o de repetición periódica y geométricamente sistemático. Un caso de enfoque sistemático, el empaque romboédrico, es el más “apretado” que posee la porosidad mínima y es el arreglo de esferas sólidas más compacto posible.

Debido a que es el más estable, la mayoría de sedimentos naturales de casi igual tamaño se acerca a la acomodación romboédrica que contrasta con el empaque cúbico. En el empaque romboédrico la porosidad es 25.95% mientras que en el cúbico llega a 47.64%

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FÁBRICA:FÁBRICA:

Es la orientación de los sedimentos no esféricos o falta de ella

Fábrica anisótropa: si una cantidad considerable de elementos tienden a orientarse con determinada preferencia.

Fábrica isótropa: si no hay orientación definida de los elementos.

La fábrica se debe a la respuesta de los elementos a un campo de fuerzas, normalmente este es el campo de flujo del fluido cuyos sedimentos se han depositado (es fábrica primaria)

Fábrica de deformación: si la orientación de algunos elementos se debe a esfuerzos externos que los hacen rotar como el metamorfismo.

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POROSIDAD:POROSIDAD: Es la relación del volumen de poros o espacios vacíos al volumen

total de la roca. Comúnmente se expresa en porcentaje. Existen variaciones en las rocas respecto al tamaño de los poros

individuales y al arreglo de los poros entre ellos mismos. Estas variaciones son: Primarias: controlados por el ambiente deposicional, el grado

de uniformidad del tamaño de las partículas y la naturaleza de los materiales constituyentes.

Secundarias: ocurren después de la deposición como fracturamiento y desmenuzamiento, disolución, redeposición y cementación, compactación por aumento de carga.

Relación entre porosidad y tamaño de grano

Tipo de sedimento Porosidad (%)Arena gruesa 39 a 41Arena media 41 a 44Arena fina 44 a 49

Limoarenoso fino 50 a 54

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PERMEABILIDAD:PERMEABILIDAD:

Es la facilidad a dejar pasar fluidos. Depende de los poros que estén interconectados.

La permeabilidad se expresa por la velocidad del flujo Q (cm3 de fluido por segundo) que pasa a través de una muestra de roca cilíndrica de sección F (cm2) y de L largo (cm). Como la velocidad de flujo depende también de la diferencia de presión P (en atmósferas) y de la viscosidad del fluido M (en centipoises), la relación es la siguiente:

La unidad de medida es el Darcy. Un medio poroso tiene la permeabilidad de un Darcy cuando un

centímetro cúbico de fluido, de un centipoise de viscosidad, que llena completamente los vacíos del medio, fluye 1 cm de largo por 1 cm2 de sección bajo una presión de una atmósfera.

Se usa el milidarcy (md) que es la milésima parte del Darcy. Las arenas petrolíferas tiene una permeabilidad que varía entre

uno y más de tres mil milidarcys.

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GRAVEDAD ESPECÍFICA O DENSIDAD RELATIVA:GRAVEDAD ESPECÍFICA O DENSIDAD RELATIVA:

Es la relación entre la densidad de una sustancia y la densidad del agua a la temperatura que se indique.

La determinación se realiza con el picnómetro que consiste en una botellita de volumen conocido, se llena con agua, se introduce el fragmento de peso conocido y se determina el volumen desalojado.

Más comúnmente es conocido como peso específico.

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COMPOSICIÓN MINERALÓGICA:COMPOSICIÓN MINERALÓGICA:

Los minerales de las rocas sedimentarias pertenecen a dos grupos principales detríticos y químicos. Los detríticos se forman por meteorización de la roca generadora y son mecánicamente transportados y depositados, los químicos son precipitados de soluciones. En general los sedimentos detríticos son documentos de procedencia y de dispersión, los químicos son documentos del medio ambiente.

Los términos alotígeno y autígeno se emplean para describir de una manera general los dos grupos principales de minerales. Los alotígenos proceden de otro sitio y son llevados al lugar de deposición. Los autígenos son generados en el lugar donde se les encuentra en la actualidad.

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COMPOSICIÓN QUÍMICA:COMPOSICIÓN QUÍMICA:

Se determina por análisis químicos y se expresa por lo general en función de óxidos.

La composición química de los sedimentos clásticos varía ampliamente. Está relacionada con el tamaño del grano. Las fracciones más gruesas son más ricas en sílice y más pobres en óxidos de hierro y potasio que las más finas. Las fracciones más finas (arcillas) son ricas en óxidos de aluminio, hierro y potasio.

La alteración es también factor importante en lo que se refiere a madurez. Esta se relaciona con el grado de diferenciación o evolución de un sedimento respecto a la roca madre de la que procede.

También hay cambios químicos post deposicionales por diagénesis y litificación (cementación) y metamorfismo.

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Escala granulométricaEs la subdivisión en clases estadísticas de una escala continua de

tamaños por razones de análisis estadístico, en la cual las subdivisiones mantienen alguna relación simple entre sí.

Diferencia de tamaños es enorme, un bloque de un metro de largo es un millón de veces más grande que arcilla de una micra. La variación en una escala linear es inapropiada. Se usa escala geométrica, un milímetro entre bloques es insignificante pero entre arena es valiosa. Por eso escala natural de clasificación geométrica es logarítmica.

UDDEN (1898) usó razones 2, ½ y después .

WENTWORTH(1922) basó su escala granulométrica en las mismas razones.

KRUMBEIN (1934) propuso la escala PHI (Ø) ATTERBERG (1905) propuso escala geométrica, decimal y cíclica.

Escala granulométrica se presenta en cuadros pero un gráfico es más objetivo.

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Escala PHI (Ø)Krumbein (1934) propuso la escala PHI (Ø).Se basó en que los límites de las clases de Udden

se pueden expresar como una potencia de dos.Propuso emplear el logaritmo (en base 2) del

diámetro en lugar del diámetro. Con el fin de evitar números negativos en la categoría de arenas y más finas, el logaritmo se multiplica por -1.

PHI = -log2diámetro (mm)

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Escala granulométrica de Wentworth

CLASESTAMAÑO

mmUNIDADE

S PHIESPAÑO

LINGLES

BLOQUES

BOULDERS > 256 > - 8

RIPIOS COBBLES 256 – 64 - 6GRAVAS PEBBLES 64 – 4 - 2SABULA

SGRANULES 4 – 2 - 1

ARENA MUY

GRUESA

VERY COARSE

SAND

2 – 1 0

ARENA GRUESA

COARSE SAND

1 – 0,5 1

ARENA MEDIA

MEDIUM SAND

0,5 – 0,25 2

ARENA FINA

FINE SAND 0,25 – 0,125

3

ARENA MUY FINA

VERY FINE SAND

0,125 – 0,062

4

LIMO SILT 0,062 – 0,004

8

ARCILLA CLAY < 0,004 > 8

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Escala granulométrica de Cailleux - Tricart

CLASES TAMAÑO mm

FORMAESPAÑO

LFRANCES

BLOQUES

BLOCS---- 200----

-----20-----

-----2------

----0,2------

---0,02-----

----0,002----

VARIABLE

GRAVAS FRAGMENTS ANGULOSOCANTOS CAILLOUX INTERMEDIOCANTOS GALETS REDONDEAD

O

SÁBULAS GRANULES VARIABLE

GRAVILLA

GRAVILLON VARIABLE

ARENA SABLE VARIABLEARENA FINA SABLON VARIABLE

LIMO LIMON ANGULOSOARCILLA

SPRÉCOLLOID

ES ET COLLOIDES

ANGULOSO

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Representación gráfica de granulometría de SedimentosDiagramas Representativos

HISTOGRAMASCURVAS DE FRECUENCIASCURVAS DE FRECUENCIAS ACUMULADAS O

ACUMULATIVAS.HISTOGRAMASEn abcisa se colocan grados sucesivos de escala

granulométricaEn ordenada se colocan las masas de las fracciones

granulométricas correspondientes.La altura de la columna es proporcional a la

cantidad en cada clase. La cantidad es por peso o por número.

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CURVAS DE FRECUENCIASSe une los puntos medios de cada columna

del histograma con una línea curva.

CURVAS ACUMULATIVASLa curva acumulativa o de frecuencias

acumuladas se construye colocando en ordenadas para cada dimensión de tamiz, la suma de los residuos de los tamices más finos o más gruesos.

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Representación matemática de diagramas representativosSi en abcisas van las dimensiones y en ordenadas los residuos

de los tamices habrá un error sistemático porque cada ordenada depende no sólo de la granulometría sino de la distancia entre tamices sucesivos.

Representación correcta si en vez de ∆M (residuo en cada tamiz) colocamos la relación ∆M (siendo ∆X la diferencia entre mallas sucesivas). ∆X Los resultados son comparables si ∆X tiende a cero.

Histograma tiende a curva representativa (curva de frecuencia) de función y’ = lim ∆M = dM = ƒ’(x) que es derivada de la función y = ƒ(x),

∆X dXrepresentando la masa total de sedimentos más finos (o más gruesos) para un valor X del tamiz.

Curva acumulativa se construye colocando en ordenadas para cada dimensión de tamices X1, X2, X3, …… Xn la suma de los residuos de los tamices más finos o más gruesos

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Diagramas Representativas: Histograma y Curva

Acumulativa

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Características de las distribuciones de frecuencia

Característica

Denominación técnica

Terminología de Udden

Medida estadísticas a

“Promedio” Medida de la tendencia central

Ingrediente principal o máximo

Mediana o porcentil 50

“Selección” Dispersión Cantidad de grados granulométricos; índice de selección

Coeficiente de selección

Simetría Asimetría Predominancia de mezclas gruesas o finas

Coeficiente de asimetríaSk = Q1Q3/(Md2)

Agudeza Curtosis Cantidad en el intervalo máximo plus

Coeficiente de curtosisK = (Q3-Q1)/2(P90-P10)

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Características de los Histogramas

UNI – BI o POLIMODALESMUCHAS O POCAS CLASESSIMÉTRICO O NOPREDOMINIO DE TAMAÑOS GRUESOS O FINOS

ESTAS CARACTERÍSTICAS REFLEJAN LAS CONDICIONES DE DEPOSICIÓN.

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PLAYA DE VENTANILLAEstación 1

Análisis Granulométrico:

Medidas fundamentales:

Ф (mm)

ƒ ∑

0,50 0,00 100,00

0,42 0,24 99,76

0,25 13,22 86,54

0,177 45,06 41,48

0,149 25,24 16,24

0,125 7,24 9,00

0,088 6,50 2,50

< 0,088 2,50 0,00Q1 0,155

Md 0,19Q3 0,223

P10 0,13

P90 0,262

Indice Trask 1,199

Sk 0,937

K 0,257

Clase Arena fina

Clasificación Buena

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PRÁCTICA DE GRANULOMETRÍA DE SEDIMENTOS

Ф (mm) ƒ ∑0,426 0,00 100,00

0,297 2,40 97,60

0,149 67,60 30,00

0,074 27,60 2,40

< 0,074 2,40 0,00

DUNA PAMPA LA JOYA

CANTERA HUALLANCAФ (mm) ƒ ∑

6,35 0,00 100,00

4,76 12,20

2,00 28,90

0,84 10,10

0,59 2,30

0,426 2,10

0,25 2,00

0,177 4,40

0,149 8,50

0,074 22,40

< 0,074 7,10

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DISTRIBUCIONES BIMODALESLos análisis granulométricos indican lo que Udden denominó

máximos secundarios. Si hay un máximo secundario el sedimento es bimodal. Las gravas y cantos rodados son generalmente bimodales. Las arenas tienden a un solo máximo.

Fraser (1935) señaló que un río por lo general deposita sólo material de un intervalo de tamaño muy limitado (gravas) durante las avenidas y posteriormente tamaños más finos (arenas) por infiltraciones.

Plumley (1948) indicó que si consideramos dos tamaños de esferas las menores suficientemente pequeñas para estar contenidas entre las mayores, el peso en porciento de la fraccion menor variaría entre 22 y 32% de la muestra, dependiendo del empaque. Las gravas naturales tienen como promedio, el 20% de los materiales en la moda secundaria y grados estrechamente relacionados.

Hough (1942) sugirió que existe una falta de materiales en los grados entre las arenas y las gravas, en el intervalo entre 2 y 4 mm. Algunas rocas están sometidas a desintegración granular y producen arenas mientras que otras se rompen en bloques produciendo gravas.

La mezcla incompleta de dos tamaños de materiales que han sido transportados por diferentes agentes naturales.

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DISTRIBUCIONES BIMODALESCont…Deficiencia entre 1 y 2 mm en sedimentos de playa,

mayores transportados por olas de tormenta y menores por olas normales de buen tiempo.

En sedimentos eólicos hay deficiente entre 1/8 y 1/16 mm. advertida por Udden

Rogers, Krueger y Krog , experiencia en molino de abrasión con arenas y encontraron deficiencia entre 0,25 mm y 0,05 mm. Las mayores eran la muestra original y las menores las esquirlas rotas de vértices y aristas por la abrasión.

Tanner trabajó con 400 muestras y encontró deficiencia entre 0.11 mm y 0,05 mm.

Spencer encontró deficiencia en 0.03 mm.Teves analizando muestras en la Ría de Foz, al norte de

España encontró deficiencia entre 0.01 mm y 0.02 mm.


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