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1. INTRODUCCIN
En Geologa y en particular en la Tectnica/Geodinmica interna,
existen en la naturaleza fe-nmenos que todos los alumnos, desde la
ense-
anza bsica hasta la universidad, tienen dificul-tad en
visualizar y comprender. Uno de los mscomplejos es, sin duda, la
instalacin en nivelesestratigrficos superiores (por intrusin) de
cuer-pos, sean estos magmticos o salinos que en las
270 Enseanza de las Ciencias de la Tierra, 2001 (9.3)
EXPERIMENTACIN ANALGICA SOBRE EL DESARROLLO DE UN DIAPIROY LA
DEFORMACIN PRODUCIDA EN LAS ROCAS ENCAJANTES
Experimental tectonics about the diapiric phenomena and
associated tectonic structureson the country rocks
Paulo Emanuel Fonseca (*/**), Luisa Pinto Ribeiro (**), Ricardo
Caranova (**) y Patrcia Filipe (**)
RESUMEN
En este artculo se pretende mostrar como la tectnica
experimental permite simular fenmenosgeolgicos, contribuyendo a una
relacin mayor entre profesores y alumnos en asuntos relativos ala
geologia y despertando el inters de los estudiantes por las
Ciencias de la Tierra. El fenmeno dediapirismo, aqui simulado, es
relativamente frecuente en la naturaleza, y puede observarse en
variaslocalidades de Portugal. Como ejemplos tenemos el diapiro
magmtico de Sintra y los diapiros sali-nos del Algarve y del borde
W del Macizo Calcrio Estremeo (Valle Tifnico de Caldas da Rain-ha).
La realizacin de este experimento permite observar el fenmeno desde
las fases iniciales, conla formacin del cuerpo diaprico, y el
desarrollo progresivo de estructuras en las rocas encajantesque
caracterizan este proceso. Pondremos especial atencin en la
observacin de este tipo de es-tructuras, discutiendo adems el
proceso de intrusin, la preparacin del experimento y los
materia-les utilizados. Esta actividad fue realizada en LATTEX
(Laboratrio de Tectonofsica e TectnicaExperimental), Unidad de
Investigacin de la Facultad de Ciencias de la Universidad de
Lisboa, ypretende informar a los profesores de geologia, para que
puedan, con sus alumnos, preparar estasexperiencias en las
clases.
ABSTRACT
The purpose of this paper is to show how experimental tectonics
could simulate geological phe-nomenas and so how this kind of work,
involving students and teachers, could contribute to themotivation
of the younger for the Earth Sciences. The diapiric phenomena,
simulated in this work,are frequent in nature and it could be
observed in several places, as in Sintra (magmatic diapirism)where
an igneous intrusion occurs, in Algarve and in the West border of
the Macio Calcrio Es-tremenho (Caldas da Rainha thifonic valley).
The last cases related to salt diapiric phenomena. Theaim of the
experiments is to observe the phenomena since the initial stages
with the formation of thediapiric body and the generation of the
tectonic structures associated on the country rocks,
verycharacteristic of this kind of mechanism. The ductile and
fragile structures are the main observa-tion targets as the
discussion of the entire process and preparation and the materials
used in theexperiment. This simulation was performed in LATTEX
(Laboratrio de Tectonofsica e TectnicaExperimental), an
Investigation Unit of the Faculdade de Cincias da Universidade de
Lisboa, thathave as one of the main goals prepare and trained the
future Geologic teachers in this kind of expe-rimental
activities.
Palabras clave: Tectnica experimental, materiales analgicos,
fenmenos diapricos, fallas normales einversas, pliegues.Keywords:
Experimental tectonics, analogic materials, diapiric phenomena,
normal and reverse faults, folding.
* LATTEX-Labo. Tectonofsica e Tectnica Experimental e Depart. de
Geologia, FCUL, Ed. C2, 5 Piso, Campo Grande, 1749-016Lisboa,
Portugal; e-mail: [email protected]
**Depart. de Geologia, FCUL, Ed. C2, 5 Piso, Campo Grande, 1700
Lisboa, Portugal
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situaciones ms simples rompen los estratos se-dimentarios. Con
los experimentos que se descri-ben a continuacin, acompaados de
explicacio-nes sencillas y didcticas, se contribuye a unamejor
visualizacin de los fenmenos de diapi-rismo.
La modelizacin experimental aqu presentadatiene como
destinatarios a los alumnos de ESO yBachillerato de las asignaturas
de Ciencias Natura-les. Se pretende que los alumnos adquieran
cono-cimientos bsicos sobre las intrusiones de cuerposen estratos
sedimentarios no deformados, su as-pecto durante la intrusin, la
forma como sta serealiza y las deformaciones producidas por
plega-miento y fracturacin.
Se aconseja que este trabajo vaya acompaadode salidas de campo
anteriores y posteriores a surealizacin. Antes, para que los
alumnos observenlos ejemplos naturales que van a simular en el
la-boratrio o la clase. Despus, para que puedancuestionar los
mtodos utilizados durante el expe-rimento, observar algunos
detalles que puedan te-ner lugar durante la simulacin y su
explicacinfinal en el campo.
Para este trabajo, realizado en los alrededoresde Lisboa, se
utiliz como ejemplo natural el Ma-cizo de Sintra, que es, segn
algunos autores(Kullberg 1987; Leal 1990), un diapiro magmti-co. En
otras regiones se pueden utilizar no sloejemplos de diapirismo
magmtico, sino tambinde diapirismo salino.
Los autores ya han sido previamente confron-tados con los
resultados deste trabajo, una vez queestas experiencias han sido
realizadas durantes va-rios aos lectivos por alumnos de Secundaria
ytambin por alumnos universitarios (futuros profe-sores), siendo
los resultados obtenidos extrema-mente positivos.
Los primeros trabajos sobre modelacin expe-rimental en Portugal,
fuern realizados por GeorgeZbyszewski en 1947. Este gelogo,
recientementefallecido y a quin los autores quieren rendir
ho-menaje, desarroll muchos trabajos en el mbitode la Geologia
Estructural y de la Tectnica. Ade-ms, fue pionero en la simulacin
de mecanismosde halocinesis y diapirismo salino, utilizando co-mo
ejemplo natural el Valle Tifnico de Caldas daRainha (Zbyszewski
1947).
2. OBJETIVOS
Es muy frecuente que en muchos centros esco-lares no exista
material pedaggico y didctico deapoyo a los trabajos prcticos de
Geologa y engeneral de las Geociencias. En otros casos,
existematerial muy sofisticado que, en nuestra opinin,es demasiado
complejo para alcanzar los objecti-vos pretendidos por los
programas escolares. Sedeber tener en cuenta que los mejores
trabajosprcticos, posibles de desarrollar, debern estar
acompaados por salidas de campo, visitas de es-tudio a zonas
previamente seleccionadas y cuida-dosamente escogidas para estos
objetivos. Hayque recordar siempre la mxima: - Naturaleza
elLaboratorio Vivo. Pensamos que la mejor tcticaen las clases
prcticas es, despus de transmitidoslos conocimientos bsicos sobre
fenmenos sim-ples que ocurren en nuestro planeta, intentar hacersu
modelizacin de una forma simple e intuitivapara los alumnos.
Mientras las piezas y modelosvendidos por empresas especializadas
son extre-mamante caros y complejos, y no llegan a cumplirlos
objetivos deseados, ni nos muestran la realidadque nos rodea,
pequeas y simples experiencias,como la que vamos a describir pueden
ser realiza-das con xito. Los materiales a utilizar son bara-tos,
de fcil utilizacin y pueden ser encontradoscon facilidad. As, se
pueden utilizar materiales ta-les como arenas, anilina, pegamentos
lquidos,transparencias, cmaras de aire (de moto o bicicle-ta),
globos, cartn, papel de peridico y, finalmen-te, cajas de acrlico
transparente previamente mon-tadas para el experimento, que pueden
sersustituidas por un acuario de pequeas dimensio-nes que no est a
uso.
El principal objetivo de este trabajo es la reali-zacin de una
experiencia didctica, e inbuir enlos alumnos y profesores el
espritu crtico y crea-tivo. A esta experiencia se encuentran
asociadosno slo conceptos simples sino tambin conceptosms complejos
como:
a) el concepto de escala y de material anal-gico,
b) los conceptos de intrusin magmtica o dediapirismo salino (en
el caso de sedimentos sali-nos), y de edad relativa de las
estructuras,
c) conceptos como el de las causas actuales (oactualismo) y de
superposicin, dado que la mode-lacin se realiza bajo estratos
sedimentarios super-puestos e inicialmente horizontales,
constituyendouna secuencia sedimentaria (los estratos ms anti-guos
estn ms abajo y los ms recientes en la zo-na superior de la
secuencia)
d) finalmente el concepto de interseccin, quenos indica que las
intrusiones y las fallas son msrecientes que las rocas a las que
estn afectando.
Se pretende tambin con este trabajo una ma-yor compenetracin
profesor/alumno, el incentivoal trabajo en grupo o en equipo y,
finalmente, y loms importante, empezar a conocer a nivel
experi-mental, con el manejo de materiales simples y ba-ratos (como
las arenas de colores) utilizados en larealizacin de la
experiencia, la simulacin de ca-sos reales de la naturaleza.
En el caso natural que se pretende modelizarcon esta experiencia
El Macizo Eruptivo de Sin-tra la mayora de las dudas que los
alumnos tie-nen estn relacionadas con la formacin de algu-nas de
las estructuras circundantes, como laformacin del pliege sinclinal
anular circundante
271Enseanza de las Ciencias de la Tierra, 2001 (9.3)
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y eje arqueado (Alves 1964; Reis1987; Ribeiro etal. 1990). Estas
estructuras se sitan en las proxi-midades de este macizo y se
encuentran bien ex-puestas en las zonas de Praia Grande y
Guincho.Algunas dudas que surgieron en las salidas decampo estaban
relacionadas con la formacin depliegues con flancos invertidos en
las estructurasms prximas del macizo grantico. La formaciny/o la
transicin de estos flancos invertidos a ac-cidentes tectnicos
cabalgantes son tambin du-das frecuentes (Kullberg 1985; Ribeiro et
al.1990).
Hay que recordar, en adicin, que esta expe-riencia permite
visualizar, modelar y representar,en la caja de cristal o acrlico
(donde se realiza lasimulacin), a la escala deseada, un proceso de
de-formacin, a varias profundidades de la cortezacontinental. Como
consecuencia, el nivel que seobserva en la naturaleza (es decir, en
el campo) esun nivel erosivo inferior a los que estn represen-tados
en la caja, o sea, a una profundidad dada dela superficie del
experimento.
Finalmente, es importante resaltar que, aunqueel experimento sea
reproducible con resultados se-mejantes, existen siempre pequeas
diferencias.Estas diferencias, como veremos ms adelante, es-tn
relacionadas con:
1. El espesor inicial de los diferentes estratos,
2. La localizacin intra-estrato de los niveles gua,
3. La velocidad con que se llena el globo y losrespectivos
reajustes entre el globo y los es-tratos sedimentarios,
4. La posicin del globo, ms prximo o msalejado de la esquina de
la caja o del acuario.
Estas pequeas diferencias deben de ser utili-zadas por el
profesor para resaltar el hecho que, aligual que sucede en el
modelo analgico, en la na-turaleza pueden existir diferencias
atribuibles a fe-nmenos semejantes (comparacin de escalas).Por
ejemplo, diferentes velocidades de intrusinpuede originar pliegues
(deformacin lenta o fallasdeformacin rpida).
3. DESCRIPCIN DEL MATERIAL UTILI-ZADO
Para la realizacin del experimento se utilizauna caja de
material acrlico transparente con 19,20 y 17 cm de longitud,
anchura y altura, respecti-vamente. Se pueden utilizar otras
dimensiones, de-pendiendo de la observacin y de la escala
preten-dida. De esta forma el tamao de la caja vara deacuerdo con
la cantidad de material (arena y pol-vos) disponibles para la
ejecucin de esta expe-riencia y del tamao del modelo que se
pretenderepresentar. Opcionalmente se puede tambin uti-lizar una
pequea bomba de acuario y un tubo deplstico de entre 1,5 y 2 metros
de largo (Fig.1).
Para representar el ascenso del cuerpo diapricofu utilizado un
pequeo globo hinchable, que simu-la la intrusin del material
natural (granito o sal).
Las arenas blancas, las arenas coloreadas, elpolvo de cemento y
de hematita son los materialesutilizados para simular el
comportamiento de las ro-cas encajantes (country rocks) del
diapiro. Los pol-vos con colores ms fuertes (aunque en el
experi-mento se utilizaron polvos de cemento y hematita,tambien
pueden utilizarse polvos culinarios, talescomo azafrn, pimentn,
chocolate, canela y carl )son utilizados como marcadores o niveles
gua, delas estructuras que se van formando durante la reali-zacin
del experimento. La eleccin de estos mate-riales esta relacionada
con sus propriedades reolgi-cas que, a grandes rasgos son
semejantes a las queexisten en la corteza superficial, donde
predominaun comportamiento frgil de las rocas (rocas com-petentes).
Como es de esperar las estructuras desa-rrolladas son ms
espectaculares en las rocas sedi-mentarias encajantes, tanto en el
ejemplo naturalcomo en sus equivalentes analgicos.
4. DESCRIPCIN DE LOS EXPERIMENTOS
Para realizar el experimento se coloc en el fon-do de la caja de
material acrlico un globo conecta-do cuidadosamente a la bomba de
aire (bomba deacuario) con ayuda de cinta adesiva. Si
queremosrealizar una repeticin del experimento se puedeoptar por
soplar directamente el globo, que fue elcriterio utilizado. Para
una mejor observacin de lasestructuras se coloc el globo muy prximo
a unode los vrtices de la caja, con el fin de poder obser-var en
dos secciones perpendiculares el desarrollocontinuo de las mismas
durante la ascencin deldiapiro. En el fondo de la caja y sobre el
globo secoloc un estrato de silicona (PDMS-SGM36, fa-bricado por
Dow Corning) de aproximadamente 7mm de espesor. La utilizacin de
este material es
272 Enseanza de las Ciencias de la Tierra, 2001 (9.3)
Fig. 1 Material utilizado para la preparacin delexperimento: un
acuario o caja de material acrli-co, un globo, un tubo de plstico
de acuario, cintaadhesiva y una bomba de acuario (opcional).
Parauna mejor observacin de las estructuras y por eco-noma de
material (arena y polvos), se recomiendaque el tamao de la caja no
sea muy grande.
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opcional y sirve exclusivamente para que el levan-tamiento
producido por la ascencin del cuerpo dia-prico sea contnua y d
lugar a un levantamientouniforme de los estratos suprayacentes. No
obstan-te, la eliminacin de este nivel exige: i) la utiliza-cin de
arena muy seca y desagregada; ii) situar elglobo muy prximo al
vrtice de la caja.
Sobre la silicona se colocan estratos consecuti-vos de arena,
intercalados con finos estratos de pol-vo de hematita y cemento
(Fig. 2). Los estratos sedistribuyen por toda la caja, poniendo
especial cui-dado en que esten bien formados en los bordes de
lacaja, donde sern utilizados como nivel gua.
Despus de la colocacin de todos los estratosde arena y polvo, el
modelo final presenta un espe-sor de, aproximadamente, 6 a 8 cm
(Fig. 3 a 8). Deeste modo, los niveles de arena situados ms
abajotendrn caractersticas ms plsticas (dctiles),mientras que los
niveles gua de grano ms finosern los potenciales generadores de
fallas (estruc-turas frgiles).
273Enseanza de las Ciencias de la Tierra, 2001 (9.3)
Fig. 5 Continuando con el hinchado del globo pormedio del tubo
de plstico, se desarrollan cabalga-mientos de alto y bajo ngulo en
diversas zonas, de-pendiendo de la proximidad de la zona de
empuje.
Fig.6 Detalle de la fotografia anterior mostrandolos
cabalgamientos de bajo ngulo, que se forma-rn en la zona ms elevada
de la estructura. Se ob-servan tambin pliegues con engrosamiento
decharnela y pliegues con el flanco inverso laminadopor accidentes
posteriores.
Fig. 3 Los estratos de material ms grueso nodeben exceder los 2
centmetros. Los estratos finosde marcadores cinemticos (polvo de
cemento,azafrn y caril) no deben exceder los 2 milmetros.Los
estratos debern tener el aspecto ms homog-neo y contnuo posible.
Imagen de la posicin ini-cial, antes del inicio de la
experiencia.
Fig. 4 Primeros incrementos de aire en el globo.Desarrollo de
pequeas estructuras cabalgantes enla periferia de la zona de
interferencia del globo. Si-multaneamente tiene lugar el desarrollo
de fallasnormales (estructuras en graben), en la parte mselevada de
la estructura como resultado del iniciodel empuje (plegamiento de
gran amplitud). Al con-tinuar el hinchado del globo, las
estructuras ante-riores aumentan sus radios de curvatura, con
elconsiguiente aumento de la magnitud de los plie-gues. De igual
modo aumenta el desplazamiento allo largo de las fallas,
desarrolladas anteriormen-te. Ntese que los marcadores cinemticos
(polvosms finos) son extremamente importantes en lacuantificacin
del movimiento, de la deformacin ydesarrollo de las estructuras
frgiles (fallas).
Fig. 2 La arena y el polvo se disponen formandoestratos con
ayuda de una cuchara, procurandoque stos sean regulares. Para ello
se puede exten-der el material con la ayuda de una regla o
cartn.
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El nmero de estratos de arena y polvo de hema-tita y cemento no
es fijo, pudiendo el modelo finalpresentar un nmero mayor o menor
de estratos. Sinembargo, debe destacarse que un mayor nmero
deestratos de arena y consecuentemente de polvos,permite una mejor
observacin de las estructuras re-sultantes de la ascencin del
cuerpo diaprico. De lamisma forma las modificaciones y variaciones
deespesor producen variaciones en la deformacin.
Despus del montaje del modelo descrito ante-riormente se
comienza a inflar el globo de modolento y continuo, observndose la
evolucin delexperimento.
5. RESULTADOS OBTENIDOS Y DESCRIP-CION DEL EXPERIMENTO PASO A
PASO
En este trabajo se han realizado dos experi-mentos diferentes.
Las anotaciones e imgenes
aqu expuestas estan relacionadas con la existenciade estratos de
espesor variable y con diferentes ve-locidades de llenado del globo
.
En el estado inicial, los estratos estn subhori-zontales (Fig. 3
y 8). Durante los primeros impul-sos ascencionales del diapiro,
tiene lugar un des-plazamiento de los estratos (Fig. 8 y
9)directamente sobre el globo, seguido por la la for-macin de
pliegues de gran amplitud (Fig. 4). Conla continuacin del proceso
tiene lugar el desarro-llo de estructuras frgiles discretas
(concretas), ta-les como fallas normales e inversas (Fig. 5).
Lasfallas normales estn relacionadas con la zonacentral del diapiro
y las inversas se forman en laperifera (Fig. 6). As mismo, las
fallas inversas sedesarrollan preferentemente formando sistemas
defallas paralelas entre si (Figs. 5-7, 10 y 11).
274 Enseanza de las Ciencias de la Tierra, 2001 (9.3)
Fig. 8 Esta figura y las siguientes muestran el segun-do grupo
de experimentos realizados, considerandolas dos superfcies de la
caja (sup. A y B). Inicio de laexperiencia con los estratos
contnuos y horizontales.
Fig. 9 Superfcie de observacin B Inicio de ladeformacin.
Desarrollo de las primeras estructu-ras propias de deformacin
frgil, percusoras de laformacin de la fallas posteriores.
Desarrollo deum semi-horst, debido al comienzo del empuje ha-cia
arriba. Las fallas desarrolladas en la zona infe-rior de la
secuencia se propagan hacia la zona mselevada de los estratos.
Fig. 10 Continuacin de la deformacin, debi-da al empuje de la
estructura. Ntese que mien-tras en la parte inferior de la caja
dominan lospliegues, en la superior los estratos presentanfallas
normales e inversas. sta es una oportu-nidad para introducir el
concepto de piso es-tructural.
Fig. 7 Vista superior del modelo. El empuje deldiapiro (en la
fase final) da lugar a una estructuracircular en forma de domo.
Debido a esta estucturalos estratos superficiales se deslizan hacia
las zonasms deprimidas. Tambien se observa como los estra-tos ms
antiguos irrumpen en los ms recientes.
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Durante la deformacin progresiva de las rocasencajantes puede
tener lugar la rotacin de blo-ques a lo largo de los planos de
falla, asi como eldesarrollo de estructuras ms complejas, del
tipohorst y graben, hacia el techo de la secuencia as-cendente.
Debe destacarse que algunas de las fallas pre-sentan pliegues
asociados que pueden ser utiliza-dos como criterios cinemticos para
deducir sumovimiento (ver, por ejemplo, Fig. 14). Las fallasse
propagan hacia las estratos ms superficiales,presentando en stos un
desplazamiento menor.Durante el proceso diaprico los estratos de la
pe-riferia del domo sufren un aumento de espesor, de-sarrollandose
varias series de pliegues en profun-didad (Figs. 1215).
Durante el experimento debe observarse cuida-dosamente el
desarrollo de los pliegues asociadosa las fallas (para su
utilizacin como criterios ci-nermticos) y el desplazamiento de los
estratos aun lado y otro del plano de falla. Debe destacarse
275Enseanza de las Ciencias de la Tierra, 2001 (9.3)
Fig. 15 En la fase final de la experiencia se ob-serva la
irrupcin final del globo en superficie atravs de toda la secuencia
sedimentaria intensa-mente deformada.
Fig 14 Detalle de la fase final de la experienciacon la formacin
de pliegues con numerosos flan-cos inversos, completamente
laminados y transfor-mados en cabalgamientos de bajo ngulo.
Tambinse observan engrosamientos de charnelas e inclusode algunos
estratos.Fig. 12 Es importante que la escala est siempre
presente para que se puedan obtener conclusionespara los
trabajos de campo que se realizarn pos-teriormente a la fase
experimental. Las dimensio-nes de los pliegues y problems de escala
debenser discutidos con los alumnos. Una vez ms se ob-servan
pliegues en las zonas ms profundas y fallasen las zonas ms
superficiales del modelo.
Fig. 13 Aspecto de la experiencia observandosedos dimensiones en
el espacio, seccines A y B.Vista tridimensional del mdulo.
Fig 11 Se observa el desarrollo de pliegues conun elevado radio
de curvatura en las proximida-des de la intrusin y la fracturacin y
fallamientoen los estratos formados por polvos ms finos (=estratos
ms resistentes). Se observa todava elengrosamiento de algunos
niveles de arenas enlas secuencias sedimentarias inferiores.
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que las estructuras observadas en este modelo ana-lgico son
semejantes a las que los propios alum-nos pueden encontrar en el
campo.
De esta forma, consideramos que la tectnicaexperimental es una
herramienta importante paracomprender la formacin de estructuras
geolgicas.
6. CONCLUSIONES
La realizacin de experimentos del tipo delaqu propuesto permite
una participacin activa delos estudiantes, surgiendo numerosas
cuestiones amedida que el experimento progresa. Adems, esimportante
que estos experimentos estn precedi-dos por la observacin directa
en el campo de es-tructuras desarrolladas en condiciones
naturales.Los gelogos saben que en la gran mayora de loscasos los
problemas surgen en el campo, donde seencuentran tambin las
respuestas, pero pasandomuchas veces por procesos de laboratorio
y/o ana-lticos ms o menos complejos. Consideramos quedespus de la
realizacin del experimento y de lacomprensin de todos sus aspectos,
una nueva vi-sita de campo a las localidades iniciales debe
per-mitir una mejor valoracin del significado de lasestructuras,
quedando ahora los alumnos prepara-dos para poder responder a
muchas de las pregun-tas que inicialmente tendran una difcil
explica-cin. De este modo y con materiales muy simples,se obtiene
una fcil visualizacin, alcanzando bue-nos resultados y estimulando
a los alumnos en lacomprensin de las Ciencias de la Tierra.
Adems,experiencias de este tipo sustituyen con gran ven-taja los
modelos estticos de pliegues y fallas, queson caros y difciles de
comprender.
AGRADECIMENTOS
Los autores desean agradecer la colaboracinPatrcia Marta, Rui
Rosado y Srgio Santos, alum-nos de la asignatura de Metodologia de
la Geolo-gia. Nuestros agradecimientos a Alberto Marcospor la
revisin crtica y cuidada del manuscrito.
7. - BIBLIOGRAFIA
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