Propiedades mecánicas y daño microscópico de la arenisca bajo inmersión prolongada en agua de relaves

Por qué importa el agua filtrada de las minas

En todo el mundo, las empresas mineras almacenan grandes volúmenes de desechos finamente triturados, llamados relaves, tras diques de tierra. En la superficie estos estanques parecen tranquilos, pero el agua que contienen está cargada de químicos residuales y metales disueltos. Cuando esa agua se filtra hacia la roca circundante, puede debilitar lentamente los cimientos de las presas y las laderas adyacentes, aumentando el riesgo de colapso. Este estudio plantea una pregunta simple pero crítica: ¿qué le ocurre a una roca común, la arenisca, cuando permanece meses inmersa en agua de relaves?

Cómo se puso a prueba la roca

Los investigadores recogieron agua de relaves de una instalación de almacenamiento en Anshan, China. El agua era débilmente alcalina y rica en iones disueltos como potasio, sodio, calcio y aluminio, ingredientes conocidos por reaccionar con los minerales de la roca. Prepararon entonces cilindros estándar de arenisca e inmersionaron juegos de muestras en esa agua hasta seis meses, manteniendo otras muestras secas como comparación. A intervalos regulares, el equipo midió la velocidad de propagación de ondas sonoras por la roca, su comportamiento frente a deformación y rotura por compresión, y cómo evolucionaban sus poros y microgrietas internas mediante resonancia magnética nuclear (RMN), un método que puede “ver” los espacios llenos de agua dentro de sólidos.

De una roca compacta a una piedra tipo esponja

Los escaneos por RMN revelaron que el agua de relaves remodela gradualmente la estructura interna de la arenisca. Al principio, la roca está dominada por poros muy pequeños. A medida que aumenta el tiempo de inmersión, esos microporos se agrandan a poros medianos y luego grandes, y espacios previamente aislados comienzan a conectarse. Tras seis meses, la porosidad global ha aumentado notablemente y el daño se ha extendido desde la superficie hacia el núcleo siguiendo un patrón de “crecimiento rápido, luego desaceleración y finalmente estabilización”. En lugar de abrir grandes grietas visibles, el agua convierte silenciosamente la roca en una red más porosa y mejor conectada de pequeños vacíos, aflojando el contacto entre granos y haciendo la piedra menos rígida y más deformable.

Fracturas silenciosas y menor resistencia

Las pruebas mecánicas mostraron que esta reconfiguración interna tiene serias consecuencias para la resistencia. Con una inmersión más prolongada, las curvas esfuerzo‑deformación de la arenisca se aplanan, indicando un material más blando con una fase de aplastamiento más larga antes de la falla final. Tanto la rigidez de la roca (módulo elástico) como su capacidad máxima de carga (resistencia a la compresión) caen alrededor de un tercio tras seis meses, con la caída más rápida en el primer a los tres meses. Al mismo tiempo, los sensores de emisión acústica —esencialmente micrófonos para microfracturas internas— registran señales mucho menos numerosas y de menor intensidad en las muestras remojadas a largo plazo. Las rocas secas fallan de forma súbita y ruidosa, liberando pulsos de energía cuando las grietas frágiles las atraviesan. Las rocas debilitadas por el agua fallan más silenciosamente, con granos que se deslizan y cortan entre sí de manera más plástica y menos explosiva.

Relacionando química, grietas y modelos por ordenador

Los autores atribuyen este comportamiento a reacciones químicas entre el agua alcalina de relaves y los minerales feldespáticos de la arenisca. Con el tiempo, los granos de feldespato se disuelven y se transforman en productos similares a arcilla, mientras que los iones disueltos migran y pueden incluso reprecipitar como nuevas capas sobre las superficies de los granos. Estos cambios debilitan el “pegamento” entre granos y redirigen el recorrido de las tensiones a través de la roca. Con un modelo computacional basado en partículas, el equipo reprodujo estos efectos: las cadenas de fuerza —los caminos invisibles por los que se transmiten las cargas— se vuelven más focalizadas y desiguales en la arenisca inmersa, y aumenta el número de microgrietas, especialmente las relacionadas con corte. Un modelo de daño basado en emisión acústica mostró además que el daño crece rápidamente al principio y luego se nivela, reflejando la desaceleración química cuando el sistema se aproxima al equilibrio.

Qué supone esto para las presas de relaves

Para un lector no especialista, la conclusión es que el agua de relaves actúa como un agente corrosivo lento y silencioso sobre la arenisca. Convierte una roca fuerte y frágil en un material más blando y agrietado, reduciendo su resistencia en más de un tercio en medio año y cambiando su modo de rotura. Dado que este debilitamiento progresa rápidamente al principio y luego se estabiliza, los primeros años de exposición pueden ser especialmente críticos para la seguridad de la presa. Al vincular el crecimiento de poros, las reacciones químicas, el ruido de las fracturas y las simulaciones por ordenador, el estudio proporciona a los ingenieros herramientas para estimar la rapidez con la que puede degradarse la roca alrededor de un estanque de relaves —y para incorporar esa pérdida de resistencia dependiente del tiempo en el diseño, la monitorización y la evaluación de riesgo a largo plazo de presas de relaves y laderas próximas.

Cita: Li, M., Yang, B., Hu, J. et al. Mechanical properties and microscopic damage of sandstone under prolonged tailings water immersion. Sci Rep 16, 5789 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36413-5

Palabras clave: presas de relaves, debilitamiento de la arenisca, interacción agua‑roca, residuos mineros, estabilidad de rocas