Trabajos de excavación, sostenimiento y cimentación en la formación
eocena "Margas de Pamplona". Las excavaciones y las condiciones
climáticas provocaron un pequeño deslizamiento en la zona de roca más
expuesta y alterada y varios desprendimientos de cuñas de roca, por lo
que hubo que replantearse el refuerzo de algunas zonas y la restricción
de acceso por cuestiones de seguridad. Barrio de Iturrama sur
(Pamplona). A. Aretxabala (2012).
Queridos lectores, como nuestros antepasados, vivimos sobre una formación rocosa que probablemente sea de las más incomprendidas del mundo en lo que a su comportamiento se refiere, el cual, con el incremento en el tamaño y economía de las construcciones y modificaciones en el medio con las nuevas grandes obras de infraestructura, presas, obras lineales, edificación, etc., ha traído muchos aciertos pero también algunos grandes fracasos. La formación eocena conocida como
"Margas de Pamplona" ("
tufa" coloquialmente)
, tanto a nivel microscópico, textural, estructural, como a escala de hectárea o regional, muestra una serie de singularidades que podemos casi ver como un
modelo fractal, al igual que su meteorización y deterioro.
El conocimiento del peculiar comportamiento de unos materiales “evolutivos”, puede dotarnos de herramientas eficientes para que nuestros proyectos no deriven en patologías y perjuicios como los derivados en muchas ocasiones por falta de un conocimiento detallado de las localmente denominadas "tufas": las Margas de Pamplona. Una de dichas herramientas sin duda es acercar el conocimiento y la experiencia a aquellos sectores sociales que interactúan con las margas de Pamplona. Desde que se utilizan como terrenos de edificación, urbanización o se modifican para esculpir el paisaje urbano, configuraciones arquitectónicas o constructivas incompatibles con ese carácter mineralógico evolutivo han surgido en varias ocasiones; incluso hasta el desasosiego de poblaciones enteras desalojadas como resultado de actuaciones desafortunadas en un territorio sustentado por margas eocenas, hay una serie de factores comunes que una vez identificados y diagnosticados, pueden ahorrar esfuerzos y recursos económicos a sectores que demandan un conocimiento más profundo del medio sobre el que actúa, especialmente en una época de disponibilidad limitada, en que la optimización de los recursos adquiere la mayor importancia.
Si observamos los terrenos más representativos en la actual Cuenca de Pamplona y alrededores cuando tenemos en cuenta lo dicho, llegamos a la conclusión que en los últimos 20.000 años el ser humano ha tenido que interactuar con los mismos tipos de suelos y rocas en sus actividades en las diferentes épocas que acompañan a su desarrollo. En muchos casos las modificaciones introducidas en el medio por el propio ser humano han hecho que ciertos tipos de terrenos se hayan expandido a costa de otros.
Hoy, cerca de 350.000 personas nos aglutinamos ya y vivimos sobre ellas solamente en el área metropolitana de la capital de Navarra, Pamplona. Se siguen manifestando patologías geotécnicas, geomecánicas, dinámicas, evolutivas…, en edificaciones, grandes obras hidráulicas, urbanizaciones, obras lineales, etc., no sólo por vicios constructivos o especulativos, se derivan en mucha mayor medida del desconocimiento explícito de algunos de sus peculiares comportamientos evolutivos.
Nuestra interacción con estos materiales depende en gran medida de condiciones naturales muy cambiantes: clima, tectónica, nuevos usos del territorio o una sismicidad natural e inducida que no podemos obviar para llevar a buen éxito nuestras grandes infraestructuras, tal ha sido el caso en estos últimos años cuando atendemos a edificación, urbanizaciones, embalses, líneas de alta velocidad e incluso extracción minera. La perspectiva evolutiva, en relación a los terrenos y su dinámica en la Cuenca de Pamplona y alrededores, que otorgan buen número de edificios patrimoniales desvela una serie de comportamientos inherentes a las mismas y a la configuración e implantación de ciertas edificaciones: localización en valles, laderas, cerca de desmontes y taludes, en cimas topográficas, con cimentaciones diversas y de muy diferentes épocas.
Antonio Aretxabala
Pamplona, 17 de febrero de 2020
1. Resumen
Varios son los factores históricos, mineralógicos, geomecánicos, tecnológicos o medioambientales que han determinado la interacción constructiva en edificación, obra pública o ingeniería civil sobre la formación eocena biarritziense conocida como margas de Pamplona. Si observamos los terrenos más representativos en la actual cuenca de Pamplona y tenemos en cuenta lo dicho, llegamos a la conclusión que en los últimos miles de años el ser humano que habitó la zona, ha tenido que interactuar con los mismos tipos de suelos y rocas en sus actividades en las diferentes épocas que acompañan a su desarrollo. En la figura 1 puede verse su extensión dentro del territorio de la Comunidad de Navarra. El comportamiento geotécnico de la margas de Pamplona considerado desde su dimensión mineralógica hasta la escala regional muestra una serie de características comunes.
Figura 1. Localización geográfica de la formación Margas de Pamplona.
2. Historia, arquitectura, urbanismo y geotecnia
En muchos casos las modificaciones introducidas en el medio por el propio ser humano han hecho que ciertos tipos de terrenos se hayan expandido a costa de otros. Poco se sabe de cualquier organización del territorio previa al poblado romano, pero tampoco las construcciones, dadas sus características primitivas entonces, debieron atender a cuestiones geotécnicas complejas.
El núcleo originario de la ciudad denominada Iruña se dispuso a partir de la denominada Navarrería, una agrupación de edificios e infraestructuras más o menos ordenadas que crecieron sobre la ciudad romana, la cual se había desarrollado sobre una población indígena. Con el paso del tiempo se constituyó como eje de una calle mayor (actual calle Curia) con un centro marcado por la catedral. La mayor parte de la historia constructiva de Pamplona consiste en que una población básicamente labradora cimenta sus edificios en terrenos de titularidad episcopal. Con el tiempo aparecieron más barrios con pobladores de diferentes lugares, entre los que cabe destacar campesinos francos.
Los nuevos habitantes amoldaron su hábitat a una geomorfología determinante para el trazado urbanístico, destacando el barranco Chapitel que bajaba al río Arga como frontera divisora (figura 2). En cierto modo desde el principio, pero sobre todo con la aparición de los burgos frecuentemente en contienda, también se desarrollaron tanto normas como técnicas que influyeron en la cimentación de edificios de viviendas, religiosos, militares o murallas estratégicas.
Es de destacar en 1216 el pontificado del obispo franco Guillermo de Santonge que por diversos conflictos con la apropiación de tres castillos y varias casas censales por parte del Rey Sancho, excomulgó al monarca, pero a la pronta muerte del pontífice, el rey puso al frente del obispado a su hijo, lo que dio lugar a revueltas y a la destrucción de buena parte de la población que habitaba la zona de San Nicolás donde en la iglesia aún pueden verse sillares de calcarenita calcinados.
El rey Sancho y su hijo el obispo, instauraron una concordia con los vecinos bajo varias condiciones de uso del territorio, entre ellas que los cimientos de piedra de las casas sitas frente al foso y valladar del Burgo no podrían pasar de tres codos de altura, debiendo ser el resto de los muros de madera, sin ventanas, troneras, orificios ni vertido de aguas al foso de San Cernin. Además no podrían alzar fortaleza frente al Burgo, debiendo ser derruidas las existentes; sí podrían alzar y armar libremente el resto de fortificaciones del perímetro exterior. El obispo cedió a su padre (el rey) los castillos y contenciosos el 28 de julio de 1222 (Auñamendi Eusko Entziklopedia. Bernardo Estornés Lasa funtsa). Este caso, como otros de marcado carácter normativo, ejemplifican que los criterios geotécnicos nunca fueron prioritarios, se comenzaron a considerar hasta bien entrado el siglo XX y aún no han permeado muchas de las normativas constructivas, edificatorias o urbanísticas.
Figura 2. Los Burgos de Pamplona hacia 1360-1423. Atlas del patrimonio histórico cultural Fundación Lebrel-Blanco (http://www.lebrelblanco.com). Obsérvese la disposición geomorfológica del barranco Chapitel que determina la separación de los burgos, los conflictos y las primeras normas o leyes urbanísticas y geotécnicas.
Hoy, cerca de 350.000 personas viven casi al completo sobre las hoy sí denominadas margas de Pamplona, solamente en el área metropolitana de la capital de Navarra: Pamplona. Se siguen manifestando patologías geotécnicas, geomecánicas, dinámicas, evolutivas…, en edificaciones, grandes infraestructuras, urbanizaciones, obras lineales, etc., no sólo por normativas urbanísticas a veces no muy adecuadas a la realidad geológica, puesto que sobre papel su consideración es muy reciente respecto de otros condicionantes. También por vicios constructivos o especulativos se derivan dichas patologías en mucha mayor medida, son un claro efecto del desconocimiento explícito de algunos de sus peculiares comportamientos evolutivos.
3. Las margas de Pamplona, rocas evolutivas a toda escala
Las denominadas margas de Pamplona aglutinan una variedad bastante monótona de roca calcárea y arcillosa. Este material puede definirse como roca "problemática" (Alonso et al. 2010) por los cambios extremos de comportamiento ante variaciones estacionales a lo que habría que añadir una doble cara ante algunos ensayos geotécnicos (Aretxabala 1998).
Este tipo de rocas en Francia se denominan “rocas evolutivas (E)” conformando tres subgrupos que tienen una casilla especial en su cuadro de clasificación tecnológica (SETRA y LCPC 1976), Para materiales E1, se dan unas recomendaciones concretas para diferentes usos de cimentación, terraplenados o ataluzados, mientras que para E2 y E3 se indica simplemente que están en estudio, lo cual refleja las dificultades que presenta hacer unas recomendaciones adecuadas a su utilización.
La realidad es que tanto los E2 como E3 se emplean con profusión en todo el mundo. Lo que sucede es que se hacen pocas observaciones detalladas sobre su comportamiento, o al menos son pocas las que se publican, como consecuencia no se gana en experiencia al ritmo deseado.
En la formación de margas de Pamplona se distinguen tres niveles principales: un nivel inferior margoso, un nivel intermedio, de margas intercalado con capas de arenisca, y uno superior también margoso.
El estrato inferior ocupa la mayor parte de la formación y se compone de margas grises azuladas masivas que son propensas a la meteorización si se encuentran a la intemperie, al igual que el tramo superior y en menos medida el intermedio. En contacto con la atmósfera se descomponen fácilmente en fragmentos de tamaño centimétrico en pocos días; y en semanas o meses se convierte en un material arcilloso de colores variables. Normalmente cada perfil estudiado de origen natural presenta diferentes grados de meteorización en vertical pudiendo describirse una serie de perfiles tipo con característicos, comportamientos ante cargas o modificados y problemáticas geotécnicas propias. Las margas de Pamplona estudiadas a cuatro escalas: 1-mineralógica, 2-laboratorio, 3-parcela in situ y 4-regional, muestran comportamientos con características comunes estrechamente relacionadas con la dinámica atmosférica y por lo tanto con las variaciones del clima.
3.1. Escala mineralógica
La composición mineral de la marga no meteorizada tiene una proporción significativa de agregados minerales de calcita por encima del 40% y el resto se reparte en cuarzo y filosilicatos, mica, arcillas como ilita, clorita, caolinita, attapulgita y ankerita (cartografía geológica de Navarra escala 1:25.000 hoja 174-II Lumbier) . Los análisis petrográficos muestran más del 80% de minerales de arcilla y calcita con menos del 5% de bioclastos con tamaños que van de 0,02 a 0,25 mm. Los análisis químicos y de difracción por Rayos X de este material proporcionan una composición mineralógica de 51% de calcita, 20% de ilita, 15% de cuarzo, 5% de caolinita, 5% de attapulgita y 4% de ankerita (A. Seco et al., 2010). La figura 3 muestra un análisis de difracción de Rayos X en las margas de Pamplona.
En superficie, hasta unos 2 m de profundidad e incluso más, la calcita puede caer a valores de alrededor del 10%, además estos “materiales evolutivos” (ver por ejemplo SETRA y LCPC 1976) suelen oxidarse dando lugar a un depósito arcilloso marrón de varios centímetros e incluso unos pocos metros; suelen mezclarse con materiales coluviales y también con los de terraza.
La presencia o ausencia de agua es clave para comprender el comportamiento más plástico o más elástico del conjunto, así como la generación de tensiones en su interior que provoca su degradado progresivo hasta la completa transformación en un suelo arcilloso vulnerable a cambios de humedad y de volumen estacionales.
Figura 3. Difractograma representativo para las margas eocenas de Pamplona. Ak: ankerita, Cc: calcita, Cl: clorita, I-M: illita-moscovita, Py: pirita, Q: cuarzo (Larrasoaña 2000).
3.1.1. Implicación de los minerales arcillosos
La función que desempeña cada uno de los minerales que aparecen calificados en la cuarta columna de la siguiente tabla I, aparecen con importancia alta a pesar de su relativa presencia. Si profundizamos más en aspectos mineralógicos de estas arcillas, veremos que tienen unas características cristalográficas peculiares. La illita, por ejemplo es un mineral arcilloso con 80 a 100 m² de superficie específica por gramo, es el mineral arcilloso más abundante con diferencia en las margas, la illita a veces está presente en más de un 30%. La caolinita, presenta valores acotados entre 10 y 20 m² por gramo de superficie específica, y finalmente la clorita 5-50m²/g. Si a ello añadimos la capacidad de cambio real en miliequivalentes intuimos qué es lo que puede suceder si las condiciones de humedad ambiental son fuertemente cambiantes.
Tabla I
Generalmente quien se inicia en la mecánica de suelos y rocas, suele razonar con cierta lógica que la composición de las partículas individuales de un elemento de suelo o macizo constituye una característica importante. Esta creencia es falsa en tanto que existen muy pocas relaciones útiles entre la composición de un suelo o roca y su comportamiento. La naturaleza y disposición de los átomos en una partícula de marga de Pamplona o sus residuales, es decir su composición, tiene una considerable influencia sobre la permeabilidad, resistencia, y transmisión de los esfuerzos, tanto mayor cuanto más finas sean las partículas. Existen ciertos minerales que pueden conferir propiedades no usuales al material que los contiene. Los ejemplos más conocidos en la mecánica de suelos son las arcillas. Confieren a un terreno carácter expansivo-retractivo, también pueden disminuir de forma espectacular el peso específico.
Así pues, conocer la composición es condición necesaria pero no suficiente para entender los fundamentos del comportamiento de las margas con arcillas y en particular la variación de este comportamiento con el tiempo, la presión y las condiciones exteriores. Las partículas de suelo poseen una carga eléctrica, además de manera neta, una partícula de marga puede poseer una carga de distribución, los enlaces cristalinos de una partícula dan lugar a cargas locales. Como la magnitud de la carga eléctrica está en relación directa con el área de la partícula, la influencia de esta carga sobre el comportamiento de la partícula en lo que se refiere a las fuerzas de masa (su peso) estará directamente relacionada con el área por unidad de masa (superficie específica), dato muy importante en la influencia relativa de las cargas eléctricas sobre el comportamiento de cada partícula.
El término coloide se emplea para describir una partícula cuyo comportamiento viene controlado por fuerzas de tipo superficial, en lugar de por fuerzas de masa o rozamiento, la cohesión se encontraría en esta dimensión. Una partícula de arcilla es un coloide debido a su pequeño tamaño y forma irregular. Cuanto más pequeña es una partícula mayor es su superficie específica. Se ha propuesto una superficie específica de 25m²/g como límite inferior de la fracción coloidal. Las partículas de limo o mayores tienen superficies específicas menores de 1m²/g, es decir considerablemente inferiores al límite inferior de la fase coloidal. La Montmorillonita por ejemplo citada en varios estudios geotécnicos en la cuenca de Pamplona, presenta 800 m²/g y la caolinita entre 10 y 20. La enorme superficie específica de la Montmorillonita puede comprenderse si se tiene en cuenta que unos 12 g de esta arcilla bastarían para cubrir la superficie de un campo de fútbol.
Una partícula de arcilla en la naturaleza, atrae iones para neutralizar su carga neta. Estos iones atraídos, iones intercambiables o iones de cambio, se disponen alrededor de la partícula con un leve enlace sobre su superficie. La partícula con los iones de cambio es neutra. Las moléculas de agua entran y salen para formar o no parte de la red cristalina en función de la disponibilidad de humedad, amoldándose así a las circunstancias externas inmediatamente. Este fenómeno hace que la importancia de la fracción arcillosa sea fundamental a la hora de comprender la degradación de las margas tanto si su afectación se va hacia el lado húmedo como si lo hace del lado seco. Pequeñas variaciones de humedad (como las que se producen en la extracción o en el riego) producen un auténtico cambio mineralógico que se traduce en:
1- Si el cambio es hacia el lado seco, es decir, si los iones de cambio expulsan el agua necesaria para que las partículas puedan acomodarse a las nuevas condiciones, excavación en marga un día soleado de verano por ejemplo, produce una retracción a nivel molecular que hace aumentar las fuerzas de tracción internas, así, se rompen ciertos enlaces interparticulares en un afán por aumentar de densidad que el cemento natural no resiste.
El proceso se manifiesta por una pérdida de cohesión y un agrietamiento inmediato con desmoronamiento, disgregación y la propensión a recuperar la humedad perdida pero sin los enlaces de unión natural ya desaparecidos, se trata de un fenómeno irreversible.
2- Si el cambio es del lado húmedo, es decir, si a la superficie específica al perder presión de confinamiento se le abren entradas para más moléculas de agua, éstas serán bien recibidas, por ejemplo un día muy lluvioso en invierno, ello se traduce en un aumento de volumen que en este caso rompe los enlaces por compresión y el resultado, el mismo, pero esta vez no se forma polvo, lo que tenemos es un lodazal preparado para perder parte del agua sobrante ya que muchas partículas han quedado otra vez en forma coloidal.
Este proceso se alterna como consecuencia de infinitos amoldamientos a nuevas condiciones. Los cambios de humedad se dan de forma diaria abriendo nuevas vías de acceso hasta el momento sin penetrar que a su vez vuelven a sufrir ciclos diarios y a abrir otras vías de acceso, aparece así un avance hacia el interior de los fragmentos en modelo fractal hasta la total pérdida de cohesión mecánica, apareciendo ésta sustituida por una cohesión eléctrica típica de una arcilla.
No es difícil entrever que unas condiciones ideales de humedad para la manipulación geotécnica o tecnológica y trabajo con las margas de Pamplona extraídas en excavaciones o puestas en obra con las humedades ideales es una casualifad. Articular algunas recomendaciones para mejores resultados tecnológicos y de uso, tanto en extracción como compactación y durabilidad, sería una aportación muy valiosa.
3.1.2 El cemento calcáreo y la pérdida de cohesión
El cemento natural calcáreo, presente en un 30-60% (ver tabla I), constituye con la matriz arcillosa el elemento de cohesión que en estado natural brinda un carácter elástico a las margas. Es el responsable más directo de la resistencia a la compresión de las margas en estado sano. Si a ello añadimos que el tipo de deposición que se dio en el Biarritziense no resalta discontinuidades debidas a estratificación y que una vez consolidadas, los esfuerzos tectónicos que las influyeron no fueron tampoco demasiado grandes, tenemos una formación rocosa que aunque blanda como roca, se presenta masiva y generalmente falta de discontinuidades. Ello le confiere unas cualidades notables como terreno de apoyo directo de cimentaciones, ya que la apertura de zanjas y oquedades para inmediatamente rellenar de hormigón hace que la alteración producida sea despreciable, posteriormente la evolución sigue dentro de los márgenes establecidos por los parámetros naturales durante siglos, por lo que la estabilidad mineralógica, química y mecánica está garantizada si las grandes excavaciones no permanecen meses o años a la intemperie.
Además dado que no se trata de una roca dura, los medios de excavación pueden ser mecánicos convencionales la mayor parte de las veces. Los procesos anteriormente descritos en dejan el acceso del agua atmosférica con CO2 disuelto que penetre en la estructura de la roca produciéndose el conocido proceso de solubilización por formación de bicarbonatos a partir del cemento carbonatado: CaCO3+H2O+CO2 → Ca(CO3H)2 compuesto soluble lavado y llevado por el agua en disolución. Vemos que la escala mineralógica es fundamental y que el íntimo contacto con la atmósfera no solamente produce fenómenos de hidratación e hidrólisis, sino que se da una auténtica disolución de carbonatos que hace que los responsables naturales de la cementación del material, se vean mermados, por ello, la suma de procesos de meteorización cambian completamente el comportamiento y las características físico-mecánicas de las margas de Pamplona a escala mineralógica, en el laboratorio, en la parcela para edificación o urbana y también a escala regional. Las margas sanas presentan valores de carbonato cálcico en el entorno del 50% bajando hasta el 10% en las alteradas, asimismo la porosidad en el caso de las margas sanas rondaría el 10% alcanzando valores del 20% y hasta el 40% en el caso de las más alteradas.
3.2. Escala de laboratorio
Podemos generalizar con que las Margas del Pamplona suelen presentar porcentajes de finos (0,008 mm) cercanos al 90%. Son arcillas y a veces limos de baja o media plasticidad (CL, ML), en contadas ocasiones se presentan como arcillas o limos de alta plasticidad CH o MH, los límites líquidos (LL) pueden variar entre 25 y 55 (ver figura 5), densidad de las partículas sólidas de 2,60 a 2,77 g/cm³ y humedades naturales que pueden oscilar entre menos del 1 y más del 25% con un peso específico aparente de entre 1,60 a 2,60 g/cm³. Sus resistencias mecánicas están íntimamente ligadas al grado de meteorización y pueden ir desde casi nulas hasta resistencias a compresión cercanas a los 500 kp/cm² (50 MPa). Podemos afirmar que con valores del índice de hinchamiento (I.H.) en aparato Lambe (UNE-EN 103.600/96) por encima de 0,050 MPa se pueden derivar patologías por fatiga en estructuras ligeras cimentadas de manera superficial. Hemos detectado valores en ocasiones por encima de 0,100 MPa (ver figura 4).
A nivel molecular, como hemos visto, el intercambio de agua es clave cuando hay presencia de minerales arcillosos, todas las arcillas de este planeta son susceptibles de incorporar o expulsar moléculas de agua en su estructura molecular de diferentes maneras.
Así el comportamiento mecánico de las mismas varía con la cantidad de moléculas de H2O incorporadas o expulsadas, obviamente la densidad y por lo tanto el volumen de cada familia de minerales arcillosos se verá afectado de acuerdo a su estructura y a la presencia o ausencia de agua en el entorno. Illita, attapulgita, clorita o caolinita mantienen esta propiedad importante, útil para determinar aspectos paleoclimáticos o para forzar comportamientos tixotrópicos interesantes a través de mezclas que las contengan en diferentes proporciones, tal es el caso en varios sectores industriales, de ingeniería civil, edificación o energéticos.
En el laboratorio la mejor manera de detectar un comportamiento que siempre estará presente en cualquier circunscripción de la Cuenca de Pamplona allá donde se quiera construir o modificar el entorno, es observar los valores de límite líquido (LL) de los residuales que se generan con la meteorización de las margas, pero sobre todo del índice de hinchamiento en aparato Lambe (UNE-EN 103.600/96) puede dar una clara idea de esta cualidad para tomar medidas.
Si observamos la relación entre el límite líquido (LL) y el índice de hinchamiento en Aparato Lambe (I.H.), podemos deducir que las Margas de Pamplona tienen un comportamiento similar al de otras formaciones margosas o lutíticas pero con su singular carácter, de tal manera que las muestras que alcanzan mayores valores del I.H. son también las que alcanzan mayor valor del LL en una relación proporcional que podemos (de momento y a falta de más datos) relacionar con la expresión IH=0,0029LL-0,44 en 15 estudios realizados en la cuenca (ver figura 5).
Figura 4. Valores del índice de hinchamiento en aparato Lambe de 49 muestras tomadas en diferentes lugares y profundidades de las margas de Pamplona.
Figura 5. Valores del límite líquido (LL) y del índice de hinchamiento (I.H.) en aparato Lambe de 16 muestras tomadas en diferentes lugares y profundidades de las margas de Pamplona.
3.3. Parcela in situ
El suelo generado por la meteorización de las margas de Pamplona puede definirse según su consistencia como intermedio-duro (NTE-CTE). Se puede definir también como suelo estable a rígido (Hoek & Bray 1981).
Según avanzamos en profundidad los terrenos conservan el gris original, pasan a margas fracturadas y finalmente a la formación sana masiva con frecuentes capas intermedias de areniscas con cemento calcáreo. La estructura de estos depósitos muestra orientación N120-125ºE con buzamientos subhorizontales, a veces pueden alcanzar localmente inclinaciones cercanas a los 45º.
En general, la profundidad del frente de intemperie varía mucho de unas zonas a otras de la cuenca.
Figura 6. Valores del peso específico (p.e. en t/m³) de 223 muestras tomadas en diferentes lugares y profundidades de las margas de Pamplona. Obsérvese la regularidad que se puede observar a partir de los 4 m de profundidad. También la lógica tendencia a presentar mayores valores con la profundidad.
La uniformidad litológica y de algunos parámetros mecánicos como el peso específico (figura 6) es una característica a destacar, por lo tanto cabría esperar algo similar desde el punto de vista de un comportamiento geotécnico; sin embargo no es así, los notables cambios de espesor de las zonas alteradas con respecto a las sanas y la presencia de niveles blandos intercalados en la zona más superficial, que además de variar su comportamiento con las estaciones ha sido la que históricamente ha venido usando el ser humano para cimentación de edificios o modelado urbanístico, aconsejan adjudicar a la formación el adjetivo de errática desde el punto de vista geotécnico.
Si nos fijamos en la figura 7 correspondiente al estudio geomecánico realizado para la restauración del Palacio del Condestable de Pamplona en 2005, podemos ver que a partir de los 4 m hay una relación de incremento de la resistencia mecánica que se asemeja al de toda la cuenca como también se puede ver en la figura 8 donde se representa lo mismo pero para 218 muestras de diferentes lugares.
Figura 7. Variación de la resistencia a la compresión de 9 muestras de margas de Pamplona extraídas bajo el Palacio del Condestable de Pamplona.
Figura 8. Variación de la resistencia a la compresión de 218 muestras de margas de Pamplona extraídas en diferentes zonas de la cuenca de Pamplona.
3.4 Escala regional
La cuenca de Pamplona es una depresión morfológica enmarcada entre los relieves calcáreos de la sierra de Sarvil y la estructura diapírica de Anoz al oeste (asociadas a la Falla de Pamplona o Estella) y la cuenca de Lumbier al este. El límite norte coincide con los crestones de calcarenitas y margas que van de Erice a Arre posiblemente originados por el Cabalgamiento de Roncesvalles y el sur lo forman las sierras del Perdón y el cabalgamiento de la Sierra de Alaiz como parte del Cabalgamiento Frontal Pirenaico. La cuenca en sentido geológico que no morfológico, sería mucho más amplia que la actual.
Mucho más dilatado en el tiempo podrían detectarse comportamientos evolutivos a esta escala regional. Los fenómenos de cambios importantes en la mecánica general responderían fundamentalmente a esfuerzos de origen tectónico, pero también climático, especialmente cuando la cuenca de Pamplona atraviesa episodios climáticos con notables cambios en las precipitaciones. El seguimiento de intervalos de precipitaciones copiosos o sequías prolongadas durante años, cotejado con un cierto tipo de sismicidad, sugiere que también a escala regional los materiales podrían manifestar reajustes tensionales como lo hacen en las escalas inferiores que hemos visto. El sondeo de Astráin, detectó bajo el Triásico de nuevo materiales del Eoceno y Paleoceno, lo que sugiere la existencia de una unidad alóctona de la que la cuenca de Pamplona formaría parte. El desplazamiento en la zona de las potasas (hacia el sur) podría haber llegado a 15 km. Estaría relacionado con la orogénesis alpina, cuya fase principal tuvo lugar en esta zona al final del Oligoceno. Posteriormente en el Mioceno se produjo una reactivación de la misma como sugiere el estudio de las terrazas de El Perdón y cerca de la estructura diapírica de Anoz (Ibero y Etxauri).
Los parámetros geomecánicos como la resistencia a compresión o el peso específico no parecen mostrar variaciones destacables dependiendo de la localización geográfica considerada. Es decir, la cercanía o lejanía a accidentes tectónicos o contactos mecánicos como los descritos no influyen en el comportamiento geotécnico de las margas de Pamplona (figura 9).
Figura 9. Variación prácticamente nula del valor del peso específico de las margas de Pamplona según su situación geográfica (Latitud y Longitud).
No obstante la ya comentada susceptibilidad de las margas alteradas para generar cambios de volumen en función de las condiciones de humedad ambiental y que como veremos afectan a edificaciones situadas independientemente de su latitud o longitud en la cuenca, muestra lógicamente, cómo la pérdida de calcita superficial y el aumento de la componente arcillosa en las zonas más someras es una constante.
Figura 10. Variación del índice de hinchamiento (I.H.) en función de la profundidad de las 49 muestras que se han estudiado (ver figura 4) en diferentes lugares de la cuenca de Pamplona.
La figura 10 muestra los datos de la figura 4 en relación a la profundidad. Cuanto más superficial se considere la muestra en cualquier lugar de la cuenca de Pamplona, las margas eocenas serán más vulnerables para generar patologías relacionadas con esta conocida propiedad que depende del clima, tal y como sucedió en los sucesivos periodos de sequía como el de 1993-1995 y 2004-2005 y en los de excesivas precipitaciones como 2013 también con deslizamientos.
Este fenómeno ha sido muy amortiguado tras la inclusión desde el año 2000 de los estudios geotécnicos obligatorios (NTE) en que este aspecto de la variabilidad de volumen en las margas alteradas o en los suelos era una de las recomendaciones más importantes, por lo que sobre todo a partir de 2007 con la entrada en vigor del Código Técnico de la Edificación (CTE) prácticamente todas las edificaciones se prepararon para puentear el efecto en el sector de la edificación.
A escala regional y con respecto al tiempo, la cuenca de Pamplona parece estar afectada no solamente por movimientos superficiales derivados de las condiciones de humedad ambiental, en las capas más profundas podría estar sucediendo otro tipo de reajustes para adecuarse a las variaciones en la presión de poro.
Un seguimiento de las precipitaciones desde el año hidrológico 1990-1991 hasta el 2017-2018 cotejado con la ocurrencia de sismos con magnitud mbLg del catálogo del IGN mayor de 3 (M>3), sugiere que a esta mayor escala también podría haber una cierta relación entre los cambios notables de humedad a nivel regional y el reajuste de los contactos entre las formaciones rocosas, tanto en zonas marginales de la cuenca como en el interior de la misma.
Hemos detectado cuatro periodos (figura 11) de sismicidad destacable con las características comentadas y con enjambres sísmicos caracterizados por ser precedidos de años de sequía prolongada o lluvias que marcaron récords:
El primer periodo P1 corresponde a la sequía que afectó a toda Iberia entre 1990 y 1995 y que en la estación de Pamplona del Gobierno de Navarra con datos que facilita AEMET muestra valores por debajo de la media anual hasta la llegada de finales de 1995 y principios de 1996: lluvias copiosas en unos meses. El segundo periodo P2 corresponde al llenado del embalse de Itoiz y curiosamente 2004 es uno de los años más secos de la serie en la cuenca de Pamplona. Está precedido por dos años de disminución notable de las precipitaciones desde el quinto año más lluvioso de la serie 2002-2003. El tercer periodo P3 es el de 2012-2013 cuando se superaron los 1300 l/m² con más de 500 desde octubre a febrero. A este año 2013 se le llamó
“el año de los terremotos”.
Finalmente el último periodo P4 corresponde a una caída desde el récord de precipitaciones en 2013 hasta el sexto año más seco de la serie, 2016-2017. P1 y P4 corresponderían ambos a épocas de descenso importante de la cantidad de precipitaciones, en ambos casos la zona que muestra más reajustes corticales es el N de la Cuenca, es de destacar una importante sismicidad de fondo en la zona de Olave en ambos casos solamente que en 1996 disponíamos de menor capacidad de medida. También es de destacar en P1 el terremoto M4 localizado bajo la cuenca en Gazolaz.
Sobre P2 habría que apuntar que se trataría de una sismicidad relacionada con el cambio de presión de poro inducida por el llenado del embalse de Itoiz y destacaríamos que el enjambre detectado desde que comienza el llenado en 2004 consta de más de medio millar de eventos de los que sobresalen el de Lizoáin y el de Nagore de septiembre de 2004 mbLg4,5 y mbLg4.0 según el IGN, aparecen en el catálogo de la norma de construcción sismorresistente francesa (Departamento de los Pirineos Occidentales) francesa con su escala de magnitud local ML (Richter) como ML5,3 y ML5,2 respectivamente.
Figura 11. Los cuatro periodos de variación notable de precipitaciones en la cuenca de Pamplona, medidos en la estación de medición de Pamplona (Gobierno de Navarra) y la ocurrencia de enjambres sísmicos posteriores.
P3 es el periodo más claro con unos 400 eventos de los que habría que destacar el de Etxauri M4,1 y el de Salinas M4,2 ambos sentidos en toda la zona metropolitana así como muchos otros en la zona sur. Hay que subrayar que este enjambre afecta a la zona de El Perdón al sur de la cuenca.
En 2017 P4 otra vez en la zona de Olave
comienza de golpe el 10 de marzo con un importante sismo M4,2 de intensidad VI (USGS) a las 7:45 h de la mañana; genera una aceleración horizontal del terreno de 0,16g en el acelerógrafo de Pamplona, situado a 12 km del epicentro y otro ese mismo día M3,4 sobre las 15:30h con intensidad III-IV. La serie se extiende hasta finales de 2017 con medio centenar de sismos de los cuales la tercera parte son sentidos por la población.
Sea como sea, quedan años de estudio para verificar que las variaciones bruscas de humedad debidas a periodos de precipitaciones importantes o muy escasos no solamente afectan a la parte más somera de los terrenos que el ser humano ha venido utilizando para cimentación, infraestructuras o urbanizaciones, sino que por otros mecanismos relacionados con la variación de la presión de poros pueden afectar a capas profundas.
Navarra es una zona de actividad sísmica moderada y peculiar, los terremotos siempre han estado con nosotros; el hecho de que de vez en cuando se nos olviden no hace que la acumulación de esfuerzos se detenga. Por otro lado las respuestas o reacciones nuestras ante sus deslumbrantes manifestaciones de fuerza, dependerán, como lo han hecho, de nuestra manera de vivir y de cada época. Las normas de construcción sismorresistente, no han sido, no son, y nunca serán suficientes.
Por lo tanto, un fenómeno de incremento de las presiones intersticiales con una mantenida disminución de las presiones efectivas, puede indicar el hecho de que el estímulo contribuya a ser una causa complementaria a un fenómeno de lubricación y cambio de esfuerzos debidos a cambios en la presión de fluidos, tal fue el caso artificial sucedido en 2004 con el llenado de Itoiz.
La Cuenca de Pamplona está limitada por el noreste por las estructuras pirenaicas del entorno del macizo de Oroz-Betelu, que al cabalgar hacia el S.O. origina el surco subsidente de Arre, provoca así el desplazamiento de las sales del Keuper, acumulándose en la estructura de Noáin a Zuasti, dando posteriormente lugar a las diapiros de Iza y Anoz. El fenómeno que puedan jugar esos domos como cuerpos solubles y de baja densidad en un medio más denso sería otra cuestión interesante a estudiar e investigar. Cierto es que las fuerzas isostáticas, la erosión o el levantamiento cortical por pérdida de peso debida a la erosión juegan un papel fundamental, y tarde o temprano la transferencia de esfuerzos de Coulomb se reparte entre las piezas del sistema (las fallas), pero no es menos verdad que un pequeño cambio en la presión de poros puede modificar esa transferencia de esfuerzos, lo cual supone que el agua juega un papel primordial en la configuración espacial y temporal de la sismicidad.
Cuando ocurre un terremoto, éste puede aumentar los esfuerzos de Coulomb entre las fallas colindantes, lo que aumenta a su vez el momento de ocurrencia del próximo. Sobre todo si la falla sobre la que influye está cerca. El agua en este caso sería el detonante del cambio en la distribución y transferencia de los esfuerzos. La transferencia de esfuerzos, se ha venido identificando como un mecanismo importante en la generación de terremotos. Dicho mecanismo está basado en el bien conocido criterio de rotura de Coulomb (
CRC); en el caso de que esperemos un tipo de rotura como es la ocurrencia de un terremoto, tendríamos que:
CRC = t - u (q - P) > 0
indicando que un valor positivo de
CRC puede generar la fractura. Aquí
t define el esfuerzo cortante y
q el normal, sobre el plano (suponiendo que una falla pueda asemejarse a un plano),
q es positivo para la compresión,
u es el coeficiente de fricción y
P la presión de poros, cuyo papel protagonista es reducir el esfuerzo normal efectivo.
Por lo tanto, los terremotos pueden ser desencadenados por cambios de esfuerzos tanto como por el cambio de presión del agua o de poros. Las réplicas posteriores se suelen asociar a cambios en los esfuerzos transferidos usando la misma ley.
La transferencia de esfuerzos estáticos y la interacción entre fallas, satisfacen un papel de mecanismo físico que puede explicar la formación de enjambres, terremotos compuestos, premonitorios, principales, réplicas; los intervalos pueden ser horas, días, meses, años, décadas. En las zonas intraplaca, como en la Sierra del Perdón al sur, Olave al norte o el oeste del área metropolitana de Pamplona, las estructuras heredadas inseparables de las condiciones hidrogeológicas, son fundamentales, lo que hace que sea más complicada la comprensión de las interacciones asociadas exclusivamente a la variación de esfuerzos, pues las tasas de acumulación son muy lentas, y por lo tanto, las condiciones heredadas incluidas las hidrogeológicas, son primordiales para comprender el brote de estos enjambres después de los grandes cambios en las condiciones hídricas y de los cambos en P. Asociados a la traza en superficie de la Falla de Pamplona o Estella se reconocen los diapiros de Salinas de Oro y Arteta. El de Salinas de Oro ha originado una serie de fallas concéntricas y radiales típicas, cuyo carácter sismogenético parece reactivarse de cuando en cuando, y que penetran en la Cuenca. La más importante en esa área es la de Etxauri a la que se le adjudica el
terremoto M4,1 del 23 de abril de 2013 (ver figura 11).
4. Conclusiones
El comportamiento geotécnico de la margas de Pamplona considerado desde su dimensión mineralógica hasta la escala regional, pasando por la escala de laboratorio y la de la parcela urbana, muestra una serie de características comunes que han venido siendo ciertamente incomprendidas en las diferentes épocas históricas. La más importante es el carácter evolutivo de la composición mineralógica y por lo tanto de las propiedades mecánicas.
El factor que impulsa dicha evolución es fundamentalmente el contacto con la atmósfera puesto que estamos tratando con unas rocas muy meteorizables. Podemos detectar que los cambios de humedad afectan a la composición mineralógica, muestran cambios en la mecánica a nivel de muestra de laboratorio de mecánica de suelos y rocas y se manifiestan en las parcelas y urbanizaciones. Es muy probable que a escala regional también los cambios de humedad deriven en reajustes tensionales.
