ANÁLISIS 3D DEL RETROCABALGAMIENTO DE SAN VICENTE (BORDE SUR DEL SISTEMA CENTRAL) MEDIANTE DATOS OBTENIDOS POR DRONE

TIERRA Y TECNOLOGÍA Nº 58 | DOI: https://dx.doi.org/10.21028/ncl.2021.11.11 Autora: Nuria Comas López. Geóloga colegiada nº 7930. Email: comaslopeznuria@gmail.com

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RESUMEN

En este trabajo se presenta un análisis estructural y geomorfológico del retrocabalgamiento de San Vicente, un gran ejemplo de acomodación de la deformación alpina en el borde sur del Sistema Central Hispano-Portugués (SPCS) en su contacto con la cuenca Cenozoica de Madrid. Este conforma un par anticlinal-sinclinal que, junto al cabalgamiento al N del sinclinal, dibujan una estructura en pop-down muy apretada con transportes tectónicos hacia el NO, retrovergentes respecto al cabalgamiento principal. El flujo de trabajo se ha basado en el empleo de drones para la captura de imágenes, seguida de una reconstrucción en 3D para su posterior interpretación, cuyo fin es la obtención un modelo geológico en 3D. Los resultados confirman que esta metodología puede ser un complemento a los estudios cartográficos tradicionales que aporta nuevas soluciones a las problemáticas heredadas de la perspectiva en 2D, la inaccesibilidad a determinadas zonas o incluso a la falta de tiempo o medios para realizar una cartografía de calidad.

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

El uso de los drones podría constituir una herramienta muy potente y novedosa en la investigación geológica, ya sea por su accesibilidad a lugares o afloramientos remotos o por la mejor interpretación y globalización de estructuras de gran superficie y complejidad. La incipiente tecnología de los drones aporta resultados de alta precisión frente a otro tipo de herramientas de las que se pudieran obtener resultados similares. Además, e implementando el modelado 3D a los resultados obtenidos mediante los drones se puede conseguir suplir pérdidas de información y errores en la interpretación de estudios con soluciones en dos dimensiones, aplicados a una ciencia cuya expresión resulta ser en tres dimensiones.

La deformación alpina en el borde sur del sector intermedio del SPCS se concentra en el cabalgamiento sobre la cuenca de Madrid (de Vicente et al., 2019). Este se corresponde con el borde sur de la gran estructura en pop-up de escala cortical que presenta el SPCS, y que se desarrolló durante la orogenia alpina (Oligoceno- Mioceno Inferior). Los materiales mesozoicos de la cobertera se adaptaron a esta deformación sin despegues respecto al basamento. En la zona de estudio podemos encontrar una de las estructuras más ilustrativas de esta acomodación, en el retrocabalgamiento de San Vicente y sus pliegues en materiales mesozoicos.

El presente estudio trata de valorar los beneficios y mejoras derivadas del uso de los drones en el análisis de la cartografía geológica, como método complementario a las prácticas tradicionales. Para ello, mediante la fotointerpretación en tres dimensiones de los resultados obtenidos mediante UAS (Unmaned Aerial Systems), se pretende corroborar la utilidad de esta técnica novedosa en la mejora de la cartografía de estructuras de una cierta complejidad tectónica, como es el LIG (Lugar de Interés Geológico) Cabalgamiento y sección del Cretácico y Paleógeno en el Arroyo de San Vicente (Torrelaguna) (TM005) y por consecuente la comprensión e interpretación de los procesos geológicos responsables.

EQUIPO Y SOFTWARES

• Drone DJI Mavic Air. Cámara con sensor CMOS 1/2.3, apertura de f/2.8 y 12 Mpx. Resolución máxima del vídeo de 4k a 30 fotogramas (Fig. 1). Peso de 430 gramos, autonomía de vuelo de 21 minutos, altitud máxima de vuelo de 5000 metros sobre el nivel del mar y vuelo estable con velocidades de viento de hasta 36 km/h de vientos.
• Aplicación gratuita Pix4dcapture para la planificación de vuelos de drone para mapeo y modelado 3D. Vuelo en línea o sin conexión. Parámetros personalizables: altitud de vuelo, ángulo de la cámara, solape frontal y lateral de las imágenes, velocidad de vuelo, tamaño de la misión. Se puede escoger entre varios tipos de misiones (rejilla simple, rejilla doble, poligonal, circular y vuelo libre). Supervisión en vivo de la misión.
• Plataforma DroneDeploy (fotogrametría en la nube). La compañía de softwares DroneDeploy cuenta con una plataforma para el procesamiento de las imágenes mediante IA (Inteligencia Artificial). Esta plataforma permite cargar hasta 10.000 imágenes a la vez. Genera mapas en 2D (ortomosaicos, modelos digitales del terreno, mapas topográficos), modelos 3D y panorámicas 360º. Permite importar puntos de control, definir el sistema de proyección y los límites del proyecto.

ESTADO DE LA CUESTIÓN Y POSIBILIDADES DEL EQUIPO EN ESTE TIPO DE ESTUDIOS GEOLÓGICOS

El beneficio derivado de la mejora de la resolución en los mapas 2D es la indiscutible mejora en la calidad de las interpretaciones. Sin embargo, la posesión de modelos 3D de alta precisión no solo conlleva a una mejora en la calidad de los resultados o interpretaciones, sino que abre múltiples posibilidades en estudios geológicos a cualquier escala.

Los drones comienzan a ganar terreno en todo tipo de análisis geológicos, debido a la gran variedad de tecnologías que permiten incorporar como sensores láser, radar, sónar, cámaras, y a la creciente capacidad de las empresas para fabricarlas (Fernández y Gutiérrez; 2016). La utilización de los UAV’s y la fotogrametría se puede aplicar en cualquier rama de la geología. En la restauración geomofológica, se ha utilizado para obtención de topografías y monitorización topográfica de las restauraciones donde los drones se están utilizando como alternativa de mayor precisión, calidad, rapidez y menor coste que los métodos tradicionales como el TLS (Zapico et al., 2020). En la paleontología se han empleado con la finalidad de conservar los yacimientos fósiles y promocionar el geoturismo responsable (Fernández y Gutiérrez; 2016). O incluso en la estratigrafía, por ejemplo, para la caracterización de una sucesión fluvial en 3D (Puig et al., 2019). En el caso que acomete este estudio, la geología estructural, estas herramientas facilitan la interpretación de estructuras complejas mediante su representación en 3 dimensiones. Un ejemplo es el estudio de Hansman y Ring (2019) en el que presentan un análisis 3D de la estructura del anticlinal de Jabal Hafit mediante el mismo flujo de trabajo realizado en el presente estudio.

La principal ventaja de estos métodos son la obtención de medidas tanto en 2 dimensiones como en 3 de gran precisión y de forma mucho más rápida o eficiente que en campo, medidas longitudinales reales teniendo en consideración la topografía, así como medidas de volumen cuya problemática es inabarcable o poco exacta en campo. A su vez mediante el modelo 3D se consiguen mediciones desde cualquier punto del modelo, de la orientación de la estratificación, así como de planos de falla, trazas de falla, discontinuidades, flancos de pliegues, entre otros, de forma mucho más real que en medidas in situ, que suelen ser aparentes o suelen llevar asociadas una incertidumbre al realizarse en superficies irregulares. Se pueden conseguir orientaciones tan representativas como permita la extensión del plano dentro del modelo, así como tantas orientaciones como cambios de orientación presente el plano. Es por ello por lo que este tipo de métodos ayuda de forma directa a la identificación y caracterización de todo tipo de “escenarios” morfoestructurales y a la conexión e integración de estos dentro de estructuras complejas.

REQUISITOS Y RESTRICCIONES PARA LA UTILIZACIÓN DE DRONES EN TRABAJOS DE CAMPO

1. Conocer la normativa vigente. En el momento de realización de los vuelos, la normativa señalaba que dependiendo del uso y del peso/tamaño del drone, se distinguían diferentes requerimientos como, por ejemplo, la posesión de una licencia de piloto de drones. Pese a ello, la normativa se actualiza y cambia con el tiempo. Desde el 31 de diciembre de 2020 es aplicable una nueva legislación, la normativa Europa de UAS, que entre otros cambios afecta a cualquier drone independientemente de su peso/tamaño o uso. Por ello es importante estar actualizado al respecto.
2. Permisos o restricciones de la zona a sobrevolar. Consultar la plataforma ENAIRE drones de la AESA (Agencia Estatal de Seguridad Aérea). Es una base de datos en la que se puede consultar la zona de interés a volar. Se presentan delimitadas las áreas que se encuentran bajo algún tipo de espacio aéreo protegido y te informa de las restricciones o requisitos bajo este, así como los permisos a pedir.
3. Material adecuado. Material para la optimización del tiempo de vuelo como son varias baterías de vuelo. Soporte plano y rígido para zona de despegue y aterrizaje, que aseguran el buen uso del drone. Aplicación para planificación de las misiones. Tarjeta de lectura rápida para el almacenamiento interno. Materiales de repuesto en caso de deterioro del equipo, como por ejemplo hélices. Herramienta GPS de alta precisión para toma de puntos de control.
4. Planificación de los vuelos. Buscar zonas de despegue-aterrizaje propicias y creación de misiones de vuelo mediante softwares de planificación.
5. Climatología adecuada a la hora de realizar los vuelos. las condiciones climáticas deben de ser óptimas, es decir, ausencia de lluvia y viento y temperatura (dependiendo del tipo de drone) no superior a cierto valor.

METODOLOGÍA SEGUIDA

La metodología llevada a cabo se ha desarrollado en tres fases. La recopilación y consulta de información sobre el terreno y sobre la planificación de los vuelos, la realización de dichos vuelos y recopilación de información in situ y, por último, procesado de datos y análisis de los resultados.

De forma preliminar, se realizó una primera visita a la zona de campo con el objeto de comprobar que existían zonas accesibles y propicias para el despegue y aterrizaje de las misiones. Estas zonas debían de cumplir una serie de condiciones: encontrarse en llano, lejos de objetos metálicos y líneas de tensión para evitar interferencias magnéticas y despejada de obstáculos en un radio de 2 metros.

La primera fase consistió en la realización de un estudio aeronáutico de seguridad. Se consultó las restricciones estipuladas por la AESA (Agencia Estatal de Seguridad Aérea). En el caso del retrocabalgamiento de San Vicente, se localiza bajo un espacio aéreo protegido, es decir, con una serie de restricciones para sobrevolar la zona:

• Se encontraba dentro del área de seguridad del aeródromo de La Cabrera C.I., aeródromo destinado a emergencias, se realizó un Formulario de coordinación con el aeródromo, en el que se especificaba la franja horaria, fechas y área límite, en la cual se iban a realizar los vuelos.
• Es una zona de uso militar. Se consultó el AIP (Aeronautical Information Publication) en vigor, para evitar los horarios en los que la zona estaba restringida a despliegues de uso militar.

La segunda fase consistió en la planificación de las misiones y su ejecución. Como se muestra en la figura 2, se realizaron 7 vuelos en los que se intentó que cubrieran superficies de elevación homogénea, es decir, con el mínimo desnivel posible para obtener resoluciones homogéneas en todos los puntos del área. Se establecieron parámetros personalizados en la aplicación pix4dcapture, teniendo en cuenta el tipo de modelo que se quería crear a posteriori. En el caso del retrocabalgamiento se crearon 7 misiones a partir de rejillas simples y con un solape lateral del 70% (mínima superposición necesaria). La altura a la que se realizaron los vuelos fue de 100 metros sobre el punto de despegue. Se evaluó la opción de vuelos a menor altura ya que a menor distancia a la superficie se consigue una mayor resolución, ahora bien, el número de vuelos tendría que aumentar pues se consigue una menor área de captación. Debido al tiempo limitado para la realización del proyecto (apartado específico dentro del trabajo de fin de grado) se optó por una menor resolución, no por ello restó calidad a los resultados.

Los vuelos se realizaron en dos épocas diferentes, en invierno y en primavera debido al confinamiento durante la crisis sanitaria de la COVID-19. Por lo que, las imágenes diferían en cuanto a sus propiedades, lo que dificultó su ensamblaje. Debido a este impedimento se tuvo que realizar una etapa de filtrado en la que se descartaron algunas imágenes de los primeros vuelos. Para la realización del modelo se utilizaron 926 imágenes, de las 1198 iniciales.

En la última fase, para la realización del modelo se utilizó una prueba gratuita del programa DroneDeploy. Este fue elegido debido a que, entre los mejores softwares de fotogrametría especializados en drones, la prueba gratuita no estaba limitada a un número de imágenes ni se necesitaba un gran solape entre vuelos para unos resultados de calidad. Previamente se utilizaron diferentes softwares fotogramétricos como Pix4dmapper o Agisoft Metashape, en los cuales el proceso no es automatizado y se deben imponer ciertos parámetros dentro del estudio, sin embargo, debido a la gran cantidad de imágenes a procesar, la necesidad de un ordenador con mayor memoria RAM y a la limitación del tiempo se terminó optando por la plataforma del software DroneDeploy, cuyo proceso está automatizado.

Por último, se procedió a la interpretación de la estructura tectónica, materiales y geomorfología del retrocabalgamiento mediante el modelo 3D y usando de forma complementaría el ortomosaico y MDT (Modelo Digital del Terreno) obtenidos en el proceso. Una vez identificadas las litologías, así como las trazas de las fallas y pliegues, se realizó una cartografía geológica de la zona, que posteriormente mediante la herramienta gratuita de Microsoft, Paint 3D, se aplicó como adhesivo, sobre el modelo 3D.

PROBLEMA GEOLÓGICO ACOMETIDO

 El área de estudio limita con los términos municipales de Torrelaguna al SE, Redueña al SW, y La Cabrera, hacia el NW, cuyos núcleos poblacionales quedan fuera del área de estudio. Estos municipios se encuentran al N de Madrid, dentro de la provincia y comunidad Autónoma de Madrid.

Según la división estructural para el basamento Varisco del SPCS propuesta por Capote et al., (1982), el área de estudio se sitúa en la terminación hacia el NE del complejo de Guadarrama. Esta zona coincide a su vez con la zona centro- ibérica, Bellido et al., (1981), desde un punto de vista metamórfico y teniendo en cuenta la extensión de los cuerpos intrusivos. Más específicamente se encuentra en el borde Sur de este dominio, quedando inmediatamente al oeste de la zona de cizalla extensional de la Berzosa (límite con el sector oriental del varisco del Sistema Central) (Fig. 3).

El SPCS, se puede considerar una cadena alpina intraplaca de piel gruesa, polifásica y de doble vergencia (estructura en pop-up cortical), en la que el basamento aparece claramente implicado en la deformación (de Vicente et al., 2004). La cadena es asimétrica, con un gran cabalgamiento al S sobre la cuenca Cenozoica de Madrid, que concentra la deformación, mientras que, al N, en el contacto con la cuenca Cenozoica del Duero, está más distribuida con un estilo tectónico de piel fina con basamento implicado

Durante la deformación alpina en el basamento se reactivaron fallas previas (Tardi-Variscas) y heterogeneidades originadas en el Varisco (de Vicente et al., 2004), mientras que los sedimentos de la cobertera (Mesozoico-Eoceno) acomodaron dicha deformación, mediane pliegues y cabalgamientos de piel gruesa con vergencias NW y SE, lo que conformó algunas cuencas intramontanas dentro de la cadena (p- ej- pop down del Lozoya).

En base a las directrices de las estructuras formadas durante la orogenia alpina, el máximo acortamiento se orientó según NO-SE, acomodando una compresión generalizada N-S (pirenaica) mediante un proceso de partición de la deformación (de Vicente et al., 2018).  Por último, se desarrolló el encajamiento de la red fluvial, condicionada en gran medida tectónicamente, y por tanto el modelado geomorfológico cuaternario.

En la zona de estudio se encuentran dos grandes retrocabalgamientos, de dirección E-O a NE-SO y transporte tectónico hacia el N-NO. El cabalgamiento principal (más al norte) superpone el basamento Varisco a las formaciones Mesozoicas-Cenozoicas (Capote et al., 1990). Esta disposición macroestructural es muy frecuente entre la Falla de Berzosa y el Domo de Hiendelaencina (ambas estructuras Variscas) (de Vicente y Muñoz-Martín, 2012) (Fig. 4). La edad de la deformación, deducible a partir del relleno sedimentario de la Cuenca Cenozoica de Madrid, fue Oligoceno-Mioceno Inferior (de Vicente et al., 2007).

En este sistema de retrocabalgamientos, el eje del anticlinal presenta una inmersión hacia el oeste, mientras que, hacia el este, el plano axial conecta con un cabalgamiento, ambos con vergencia hacia el Norte, (de Vicente et al., 2019). En el talud de la carretera M-131, al este de la zona de estudio, se puede observar el retrocabalgamiento, que superpone las pizarras ordovícicas de la Fm Rodada sobre la Fm de Utrillas Cretácica.

Los materiales de la cobertera son sedimentos Cretácicos. Se formaron durante el gran ciclo transgresivo-regresivo del Cretácico Superior a escala global, que dio lugar a sedimentación siliciclástica en ambiente costero y sedimentación carbonática en ambiente de plataforma somera (las facies costeras y siliciclásticas tienen relaciones laterales (Gil et al., 2010). La sedimentación de estos terminaría a principios del Paleógeno con el depósito de los sedimentos detríticos continentales (Bellido y Ruíz 1991).

DATOS APORTADOS AL ESTUDIO ESTRUCTURAL

Mediante las técnicas utilizadas, se llegaron a los siguientes resultados en cuanto a la arquitectura estructural del retrocabalgamiento, cuyos resultados se muestran en la figura 8, siendo el resultado final de las interpretaciones:

• Se ha identificado un par de cabalgamientos imbricados de dirección aproximada NE- SW y de transporte tectónico hacia el N. Estos superponen el basamento metamórfico, sobre una unidad arenosa (Utrillas) de la cobertera, observable en las figuras 5 y 6, cuya interpretación se ha basado en la disposición estratigráfica de los distintos materiales aflorantes y en el bajo ángulo que conforma el contacto tectónico entre ambos. A su vez, este ha sido observado en campo, en el p.k. 6,7 de la carretera desde Torrelaguna a el Berrueco (Fig. 6).
• Se ha observado la existencia de un pliegue anticlinal, cuya vergencia es hacia el N-NO y cuya formación se ha asociado al cabalgamiento observado, formando un pliegue de propagación de falla. Su interpretación queda reflejada en la figura 7. La traza de dicho cabalgamiento continua y termina en el flanco N del anticlinal, por lo que, hace posible la expresión de este en superficie, así como, un cambio más progresivo al sinclinal que se sitúa al N, y cuya vergencia es contraria, hacia el S.
• El modelado geomorfológico de la zona de estudio depende fundamentalmente de las estructuras tectónicas. La formación de valles se ve condicionada y ligada a la traza de las fallas que se encuentran en la zona. Se observa la formación de cluses atravesando el sinclinal, que se corresponden con el arroyo de San Vicente y el arroyo Afrecho, los cuales siguen la traza de fallas en dirección que cortan transversalmente la estructura plegada (tear faults). El arroyo de San Vicente pasa de una dirección norteada atravesando la cuesta norte por la traza de una falla en dirección, a una dirección SW-NE coincidiendo con la traza del retrocabalgamiento.
• En la cuesta norte se sitúa un coluvión que parece ser de tipo gravitacional, tapizando la ladera de gran pendiente. Este ha desplazado el curso del arroyo Afrecho hacia el W.

DISCUSIÓN

Las ortoimágenes han sido utilizadas como herramientas fundamentales para la fotointerpretación, sirviendo como base y apoyo en la cartografía e investigación geológica. Hasta ahora el tipo de ortofoto más utilizada y de mejor calidad, son los PNOA de máxima actualidad. Según el instituto Geográfico Nacional: “El Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA) tiene como objetivo la obtención de ortofotografías aéreas digitales con resolución de 25 ó 50 cm”. Las mediciones e interpretaciones realizadas en ellas muchas veces se ven restringidas a su resolución baja y limitadas por la visualización 2D de estructuras geológicas cuya expresión resulta ser en 3D.

En el presente trabajo se ha obtenido una ortoimagen, un modelo digital del terreno y un modelo 3D (Fig. 9.A, B y C), cuya gran calidad y precisión han sido claves para la interpretación estructural y cartográfica del retrocabalgamiento de San Vicente.

Se ha conseguido una ortoimagen con una resolución de unos 4,3 cm por píxel. Como se muestra en la figura 10, el grado de detalle que se alcanza mediante la ortofoto creada con un drone, supera con creces el detalle alcanzado mediante las ortofotos PNOA de máxima actualidad, pudiendo ser determinante para identificación de cambios litológicos, trazas de fallas, desprendimientos, entre muchos otros, a mayor detalle.

A partir de la nube de puntos densa se extrae el modelo digital del terreno y el modelo 3D. Estos guardan cierta ventaja con respecto a los mapas LIDAR desarrollados también en el proyecto PNOA, siendo la densidad de la nube de puntos de 11,94 puntos por metro cuadrado frente a 1 punto por metro cuadrado que se obtiene a partir de la segunda cobertura en la nube de puntos creada mediante los sensores LIDAR del programa PNOA.

El modelo 3D de gran precisión resulta ser una herramienta muy conveniente para la identificación de accidentes tectónicos a pequeña y gran escala, además de ser clave para la conexión y globalización de estos en el retrocabalgamiento. Además, se han podido caracterizar las dimensiones, orientaciones de trazas de falla, discontinuidades, capas estratificadas y flancos de pliegues, de forma aproximada; los resultados obtenidos son muy próximos a las mediciones realizadas en campo. Las medidas de orientación in situ, en muchos casos, conllevan la incertidumbre de ser datos aparentes, es decir que la medida obtenida no sea representativa del conjunto, por lo que el modelo 3D supone un avance en este aspecto ya que las medidas se pueden realizar teniendo en cuenta el conjunto en toda su extensión, además de poderse visualizar cambios en dicha orientación a lo largo de los planos.

El estudio abarca una amplia extensión de aproximadamente 3km², la obtención de imágenes mediante drone han permitido la optimización del tiempo y de los recursos utilizados.

Debido a la limitación de tiempo, no se han podido realizar estudios en detalle y explotar todas las posibilidades de los modelos en tres dimensiones. No obstante, mediante este ensayo metodológico se ha comprobado que estas herramientas prometen una gran adecuación para estudios técnicos de cualquier ámbito geológico, y en específico de la geología estructural, dejando abierta la posibilidad de nuevos estudios de detalle y de la explotación del recurso.

CONCLUSIONES

Se han llegado a una serie de conclusiones expuestas a continuación:

• La interpretación del retrocabalgamiento de San Vicente es fundamental para la comprensión de la acomodación de la deformación alpina en el contacto entre el SPCS y la cuenca Cenozoica de Madrid, por ser uno de los ejemplos más ilustrativos. La problemática principal que encierra es su complejidad visual. Es por ello por lo que, nuevas metodologías como los drones y la fotogrametría podrían ser la clave para un mejor entendimiento de estructuras geológicas complejas.
• Este tipo de proyectos podría tener una aplicación didáctica, ya que el campo de la tectónica suele ser una de las ramas en las que más se debe de desarrollar la visión espacial para su entendimiento.
• Durante la realización de este estudio se ha comprobado la efectividad de la utilización de drones en campo como herramienta para obtener datos a posteriori o bien para obtenerlos en el momento, gracias a su accesibilidad a todo tipo de zonas y la visión que aporta desde diferentes perspectivas.
• Por último, en la era tecnológica en la que vivimos, cada vez es más necesaria la virtualización de contenido geológico para su divulgación. La creación de un archivo digital de lugares de interés geológico con modelos 3D explicativos pudiera ser una clave para conseguir atribuirle al patrimonio geológico la importancia que se merece.

AGRADECIMIENTOS

Quisiera mostrar mi gratitud a mi tutor Gerardo de Vicente Muñoz, por su confianza, empeño y paciencia, y también a los revisores, Félix Bellido Mulas y Fernando Borrás, por sus comentarios críticos que, sin ninguna duda me han ayudado a mejorar el trabajo. A su vez, a mi instructor de vuelo, Javier Paniagua Aller, por mostrarme lo maravilloso que se ve el mundo desde los cielos.

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