TRABAJO PRÁCTICO 6 ESTRUCTURAS SEDIMENTARIAS

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1 TRABAJO PRÁCTICO 6 ESTRUCTURAS SEDIMENTARIAS Introducción La estructura en las rocas sedimentarias, al igual que la textura y la composición, es una propiedad inherente de las mismas. La estructura se refiere al ordenamiento y discontinuidades entre las partes de la roca. Una vez estudiada la física de las partículas en movimiento, podemos examinar cómo los principios se manifiestan en las propiedades de las rocas mismas, particularmente en las estructuras sedimentarias macroscópicas. Las estructuras sedimentarias o las combinaciones de estructuras son a menudo el mejor indicio de los paleoambientes sedimentarios debido a que tipos particulares de estructuras resultan de procesos depositacionales particulares. Las estructuras sedimentarias pueden clasificarse de acuerdo a su contemporaneidad, o no, con el sedimento. Aquellas que se forman en el momento de la sedimentación se las clasifica como estructuras primarias, mientras que aquellas formadas posteriormente a la depositación son clasificadas como estructuras secundarias. Algunas estructuras dependen de la textura: las óndulas y la estratificación entrecruzada se forman en sedimentos granulares del tamaño de las arenas. La estructura lineación por corriente se manifiesta en ciertas areniscas a lo largo de planos de estratificación. Las grietas de desecación y estructuras almohadilladas se originan en ciertos fangos y arenas respectivamente. Otras estructuras son dependientes de la composición: ciertas estratificaciones rítmicas (depósitos de sal) y la estratificación estromatolítica (restringida a calizas y dolomías) son ejemplos de ello. I - Estructuras Físicas Las estructuras físicas (inorgánicas) son características sedimentarias formadas por procesos físicos sin la influencia de organismos. Las más importantes de éstas son las estructuras sedimentarias primarias, las cuales son estructuras mecánicas formadas durante la depositación o muy poco tiempo antes o después de la consolidación del sedimento. Las estructuras primarias comprenden todo lo relacionado con la estratificación: la forma externa del estrato, su continuidad y uniformidad del espesor, la estructura interna y ordenamiento del mismo, los hieroglifos o marcas existentes en los planos interestratales y a aquellas estructuras producidas por deformación de sedimentos aún en estado plástico. No incluyen características formadas durante la diagénesis. a) Estratificación plana: Es la estructura sedimentaria más simple. Las capas horizontales simples se forman prácticamente en todos los ambientes sedimentarios y bajo una variedad de condiciones, por lo que se necesitan más detalles descriptivos para interpretarlas. La estratificación es tan común en las rocas sedimentarias que su origen es a menudo pasado por alto debido a que se asume como inevitable. Tres mecanismos básicos pueden formar la estratificación plana: sedimentación desde suspensión, acreción horizontal de una carga de lecho en movimiento debido a un cambio en la competencia de un flujo e invasión en el lado de sotavento de un obstáculo. Las capas planas representan a menudo una depositación rápida, usualmente en un evento hidrodinámico simple. La estratificación plana delgada (menos de 1 cm de espesor) se llama usualmente laminación. Varios mecanismos pueden formar láminas. El ejemplo clásico es la alternancia de capas claras y oscuras, tales como los varves glaciares. También ocurre en alternancias de diferente composición mineral, como los residuos de minerales pesados entre las arenas cuarzosas de playa. La laminación también ocurre por alternancia de tamaños de grano causada por cambios en la fuerza de la corriente durante la depositación. En algunos casos, la laminación aparente no es una característica primaria sino un bandeamiento secundario debido a efectos diagenéticos. La falta de estratificación plana usualmente es resultado de bioturbación, depositación desde dispersiones de sedimentos concentradas o rápida depositación desde una suspensión. b) Formas de lecho generadas por corrientes unidireccionales: Cuando un flujo alcanza la velocidad suficiente como para movilizar/erodar las partículas del sustrato, los sedimentos son transportados en un conjunto de estructuras sobre la superficie del lecho llamadas formas de lecho. Si éstas son más tarde soterradas y preservadas, pueden observarse las estructuras sedimentarias primarias. Los estudios en canales de laboratorio (artificiales o flume) han mostrado que hay una secuencia predecible de formas de lecho que dependen de la velocidad, tamaño de grano y la profundidad de flujo (Figs. 7.1 y 7.2). En arenas que son más finas que 0,7 mm (arenas gruesas y menores), se forman en primera medida las óndulas. Normalmente tienen una longitud de onda de 10 a 20 mm o menor, y su altura es inferior a algunos centímetros. A medida que el flujo se incrementa, las óndulas agradan hasta que forman ondas de arena y finalmente dunas, las cuales tienen un espaciado de 0,5 a 10 m o más y alturas de decenas de centímetros a un metro o más. 48

2 Figura 7.1. Secuencia de formas de lecho producidas por el incremento en las condiciones de velocidad del flujo (Blatt et al en Prothero y Schwab 1996) Con el incremento de la velocidad de flujo, las dunas se destruyen y el flujo turbulento, el cual estaba fuera de fase con las formas de lecho, cambia a un flujo mantiforme, que está en fase con las formas de lecho. Tiene lugar un transporte de sedimento intenso a través de lechos planos, que son producidos por depositación de areniscas con laminación plano-paralela. A velocidades aún mayores, estos lechos planos son reemplazados por antidunas. Su característica fundamental es que sus crestas están en fase con las ondas de superficie, de manera que migran por acreción sobre el lado corriente arriba de la duna. Finalmente, a más altas velocidades de flujo, las antidunas son aplanadas y reemplazadas por chutes y pools (Fig. 7.1). Figura 7.2. Cambios en las formas de lecho como resultado de diferentes velocidades de flujo y tamaño de grano (Lewis 1984 en Prothero y Schwab 1996) c) Formas de lecho generadas por flujo multidireccional: Aunque se forman de diferente manera, las óndulas de ola en playa son similares a las óndulas de corriente. Los granos más gruesos son dejados en la playa y las arenas más finas son lavadas a mar abierto, de manera que las arenas de playa son muy bien seleccionadas. Las óndulas de olas son usualmente simétricas (o sólo levemente asimétricas) con las crestas agudas y los senos redondeados. Otras formas de olas están confinadas a regiones con mareas. Los estratos cruzados están orientados en dos direcciones, a menudo con planos de reactivación (pequeñas superficies erosionales entre los estratos cruzados) causados por mareas reversas durante el ciclo mareas. Esto se conoce como estratificación en hueso de arenque. Las características más distintivas de las regiones mareales son causadas por la mezcla de arena y arcilla en corrientes asimétricas. Lentes pequeños en capas de arcilla se llaman estratificación lenticular (Fig. 7.3a). Si la mezcla produce menos capas de arcilla en un sustrato arenoso, el diseño se llama estratificación flaser (Fig. 7.3c). Una mezcla igual de arena y arcilla (Fig. 7.3b) caracteriza a la estratificación ondulosa. Las arenas transportadas por el viento se comportan diferentes de las arenas transportadas por el agua, aunque las 49

3 óndulas se asemejen superficialmente. Normalmente las óndulas de viento se componen de arenas más gruesas que las del sustrato sobre el cual migran y sus cretas están compuestas por partículas más gruesas que sus senos. Las óndulas de olas muestran condiciones opuestas en estas dos características. Otra diferencia mayor es que las óndulas de viento no están limitadas por profundidades de flujo somero que restringe a las óndulas de corriente, de manera que las dunas eólicas pueden ser enormes (metros a decenas de metros de altura). Figura 7.3. Estratificación con mezcla de arena y arcilla. a) Estratificación lenticular. b) Estratificación ondulosa. c) Estratificación flaser. Tomado de Portero y Schwab (1996) d) Estructuras en los planos de estratificación: Estas estructuras se forman en la interfase entre las capas, generalmente en la superficie expuesta de una capa depositada recientemente antes de su soterramiento final. Tales estructuras pueden ser extremadamente útiles debido a que indican direcciones de corriente y deformaciones postdepositacionales del sedimento. Las marcas de base, encontradas en la base de la capa, son generalmente moldes de depresiones que se han formado en la capa subyacente por corriente. La marca de base más común es el turboglifo (flute cast) o marca de desbaste, producido por la corriente misma. Otra clase de marcas de base son las marcas de labrado (tool mark), indentación de un sustrato arcilloso cohesivo hecho por cualquier objeto. Según el dibujo del labrado estas estructuras reciben diversos nombres. La arcilla con exposición subaérea también produce estructuras sedimentarias que pueden ser muy útiles para identificar ambientes sedimentarios. Las más familiares son las grietas de desecación y las marcas de lluvia. Debido a que las grietas normalmente se curvan hacia arriba, son buenos indicadores de tope de la capa. En estratos deformados estructuralmente, el tope no es necesariamente obvio. En tales casos, es crucial encontrar estructuras geopetales. II - Estructuras Deformacionales El sedimento puede ser depositado tan rápidamente que los estratos son inestables y la gravedad tiende a rotarlos y deformarlos. Si hay suficiente agua poral, la masa total puede liquidificarse como arena movediza y deformarse. Si una masa de sedimento se desliza (muy común en las pendientes de ambientes marinos), el sedimento puede deformarse internamente. Todos estos procesos producen estructuras deformacionales distintivas. Los más comunes son los calcos de carga, formas irregulares, bulbosas formadas cuando un material más denso se hunde en un medio menos denso. A veces se transforman en pseudonódulos. Las protuberancias en forma de lenguas de arcilla en el sedimento blando sobreyacente se conocen como estructuras en llama o calcos flamígeos. Finalmente, la deformación de sedimento blando produce una estratificación convoluta. Estas estructuras se forman inmediatamente después de la depositación; sin embargo no implican fuerzas estructurales regionales. La laminación convoluta debería estar asociada a otras características diagnósticas de deformación de sedimento blando. III - Estructuras sedimentarias biogénicas Las estructuras sedimentarias formadas por organismos se conocen como trazas fósiles o icnofósiles. Más allá de su importancia como objetos paleontológicos, las trazas fósiles son indicios útiles de las condiciones depositacionales. Ciertas trazas fósiles características han sido claramente asociadas a profundidades y condiciones de sustrato específicas. Estas asociaciones se conocen como icnofacies. Así tenemos icnofacies Skolithos, Cruziana, Zoophycos Nereites y otras, de acuerdo al tipo de traza y el sustrato donde se preservan. 50

4 IV - Estructuras de origen secundario Algunas clases de estructuras que ocurren en las rocas sedimentarias claramente son posteriores a la depositación y se denominan estructuras sedimentarias secundarias. La mayoría de estas estructuras son de origen químico, formadas por precipitación de sustancias minerales en los poros de las rocas semiconsolidadas o consolidadas o por procesos de reemplazamiento químico. Algunas estructuras secundarias involucran presión y disolución. a) Concreciones: son las más comunes, compuestas típicamente por calcita; sin embargo se conocen concreciones de dolomita, hematita, siderita, chert, pirita y yeso. Las concreciones se forman por precipitación alrededor de un centro, constituyendo una masa globular. En su interior pueden mostrar bandeamiento concéntrico alrededor de un centro o no. La mayoría de las concreciones parecen haberse formado por precipitación mineral en los espacios porales del sedimento. b) Nódulos: cercanos a las concreciones. Son cuerpos pequeños, irregularmente redondeados. Generalmente no presentan estructura interna. Los minerales comunes que forman nódulos son: chert, apatita, anhidrita, pirita o manganeso. Algunos nódulos (de manganeso o fosforita) se forma actualmente en el fondo marino y son sindepositacionales en origen (deberían llamarse concreciones). Otros nódulos (nódulos de chert en calizas) son claramente postdepositacionales. Éstos últimos parecen formarse por reeemplazamiento parcial o completo de la roca huésped más que por simple precipitación mineral en un espacio poral. c) Cristales de arena: son cristales euhedrales a subhedrales muy grandes de calcita, baritina o yeso que son rellenados por inclusiones de arena detrítica. Las rosetas son agregados cristalinos rellenos de arena, radiales simétricos o clusters de cristales que se asemejan a una rosa. d) Bandeamiento de color: comúnmente conocido como Liessengang, es un tipo de laminación rítmica como resultado de la precipitación de óxido de hierro en sedimentos saturados de fluidos. e) Estilolitas: son grietas tipo suturas o agujas en rocas normalmente de estratificación gruesa y homogénea. La sutura resulta de la penetración irregular de la roca a cada lado de la sutura y normalmente están remarcadas por concentraciones de constituyentes insolubles tales como minerales arcillosos, óxidos de hierro o materia orgánica fina. Son consideradas como formadas por presión y disolución. f) Estructura de cono en cono: consiste en un nido de conos concéntricos pequeños, compuestos en la mayoría de los casos por carbonato cálcico. Normalmente ocurren en capas delgadas de calcita fibrosa, asociadas a concreciones. V - Clasificación Se han propuesto varios métodos para clasificar las diferentes clases de estructuras sedimentarias. Las estructuras pueden ser clasificadas puramente sobre la base de sus características morfológicas o descriptivas o sobre la base del modo de origen supuesto. Ninguno de estos métodos es completamente satisfactorio. La clasificación descriptiva provee poca o ninguna información sobre la génesis de las estructuras; también es bastante engorroso introducir todas las estructuras en unas pocas categorías descriptivas. Por otro lado, las clasificaciones genéticas son subjetivas y pueden ser confusas. Algunas estructuras pueden formarse por más de un proceso o por mezcla de procesos y por lo tanto ser clasificada en diferentes categorías genéticas. Pettijohn y Potter (1964) propusieron un sistema de clasificación simple para las estructuras primarias, basándose en sus características morfológicas principalmente: a) Formas externas de la estratificación b) Ordenamiento interno y estructura de la estratificación c) Marcas irregulares en los planos de estratificación d) Deformaciones y perturbaciones de la estratificación Algunas estructuras no se ubican fácilmente en algunos grupos, mientras que otras podrían ser incluidas en más de un grupo (por ejemplo: cavidades originadas por gusanos en el plano de estratificación o en el seno del estrato). a) Formas externas de la estratificación: Las propiedades fundamentales de un estrato o unidad sedimentaria comprenden: 1- espesor 2- dimensión lateral 3- estructura interna Debido a que las secuencias estratigráficas pueden ser descriptas independientemente de su ordenamiento interno, la estructura interna es usada en otra sección de la clasificación. Es factible clasificar una secuencia de estratos en varios grupos que varían desde aquellos de carácter regular y ordenado, hasta aquellos de máxima irregularidad y desorden. Las clases que fueron propuestas son: 51

5 Clase A: 1- Estratos de espesores constantes o aproximadamente constantes 2- Estratos de espesores lateralmente uniformes 3- Estratos continuos Clase B: 1- Estratos de espesores desiguales 2- Estratos de espesores lateralmente uniformes 3- Estratos continuos Clase C: 1- Estratos de espesores desiguales 2- Estratos de espesores lateralmente variables 3- Estratos continuos Clase D: 1- Estratos de espesores desiguales 2- Estratos de espesores lateralmente variables 3- Estratos discontinuos b) Ordenamiento interno y estructura de la estratificación En este grupo de estructuras se incluyen tanto estructuras clásticas como no clásticas. Los diferentes tipos de estratificación y estructuras consideradas en las clases A, B, C y D se dan en sedimentos clásticos como resultado de la depositación producida por fluídos en movimientos. En cambio, los de la clase E corresponden a sedimentos no clásticos. Clase A: Maciza. Clase B: Laminada. 1- Laminada paralela. 2- Laminada entrecruzada (simple y múltiple). Clase C: Gradada. Clase D: Imbricada (gravas) y otros tipos de entramado. Clase E: Estructuras de crecimiento (calizas estromatolíticas, arrecifes, travertinos, etc.) Un estrato puede ser macizo, es decir sin estructura interna. Aquellos estratos con laminación reflejan las fluctuaciones de las condiciones físicas reinantes durante la deposición. En materiales del tipo de las arenas, la laminación aparece inclinada con respecto a las superficies limitantes de los estratos siendo más común en facies de areniscas y calcarenitas (estratificación cruzada). Su desarrollo ocurre tanto en pequeña como en gran escala. La gradación consiste en una variación de la textura en el sentido vertical de depositación. Hay tres alternativas, de base a techo: 1. disminución del tamaño de grano o gradación normal; 2. aumento del tamaño de grano o gradación inversa; 3. sin cambios o no gradada. Aunque la estratificación cruzada y la estratificación gradada se forman separadamente, existen algunos estratos donde aparecen juntas. c) Marcas e irregularidades en los planos de estratificación Muchos planos de estratificación muestran una gran variedad de estructuras que se clasifican de acuerdo a su ubicación en el techo, base o interior del estrato. etc. Clase A: En la base del estrato 1- Estructuras de Carga (calco de carga) 2- Estructuras de corriente (marcas de desbaste y marcas labradas) 3- Marcas producidas por organismos (calcos tubulares, calcos de huellas; fucoides) Clase B: Dentro del estrato (lineación por corriente) Clase C: En el techo del estrato 1- Óndulas u ondulitas 2- Marcas de erosión (marcas de escurrimiento, calco en herradura) 3- Hoyos y pequeñas marcas (hoyos de burbujeo, marcas de lluvias, etc) 4- Grietas de desecación, calcos de grietas de desecación, calcos de cristales de hielo, calcos de cristales de sal, 5- Marcas producidas por organismos (rastros, pisadas, perforaciones, etc): icnitas. 52

6 d) Deformación y perturbación de la estratificación Los sedimentos suelen tener diversas estructuras atribuibles a la deformación contemporánea, vinculada a procesos no tectónicos tales como asentamiento, descenso gravitacional y deslizamiento. Los efectos producidos por estos mecanismos pueden clasificarse en las siguientes clases: Clase A: Estructuras de carga (calcos de carga, estructuras almohadilladas, etc.). Clase B: Estratificación intraplegada. Clase C: Estructuras de deslizamiento (pliegues, fallas y brechas). Clase D: Estructuras de inyección (diques sedimentarios, filones capas, etc.). Clase E: Estructuras por actividad biológica (estructura tubular, capas removidas, etc.). La clasificación de la figura 7.4 (Boggs, 1992) intenta un listado de las estructuras sedimentarias tanto por lineamientos morfológicos como genéticos. BIBLIOGRAFÍA Boggs, S, Jr Petrology of Sedimentary Rocks. Macmillan Publishing Company. 707 pp. Pettijohn, F.J. y Potter, P.E Atlas and Glossary of primary sedimentary structures. Springer-Verlag. Powers, M.C A new roundness scale for sedimentary particles. Journal of Sedimentary Petrology 23: Prothero, D.R. y Schwab, F Sedimentary Geology. W.H. Freeman and Company. 575 pp. Bibliografía de consulta Corrales Zarauza, I., Rosell Sanuy, J., Sanchez de la Torre, J., Vilas Minondo, L Estratigrafía. Editorial Rueda. Capítulos VI a X. 53

7 DESARROLLO DEL TRABAJO PRÁCTICO N 7 Objetivos Introducción al reconocimiento megascópico de las rocas sedimentarias clásticas, químicas y organógenas. Metodología de descripción y clasificación de las rocas. Materiales Cátedra Muestras de mano de rocas clásticas, piroclásticas, químicas y organógenas Lupa de mano o de mesada Ácido clorhídrico diluido Tabla de colores Bibliografía de consulta Alumnos Regla, escuadra o escalímetro. Escala de Udden-Wentworth Cartillas de comparación: redondez, esfericidad, selección y ordenamiento Actividades Describir y dibujar detalladamente 12 (doce) estructuras primarias: dos mecánicas internas, dos mecánicas externas de techo, dos mecánicas externas de base, dos orgánicas, dos deformacionales y dos secundarias químicas. Realizar una descripción completa de la muestra de mano siguiendo el esquema de descripción propuesto. La descripción debe ser lo más objetiva posible, sin interpretaciones de génesis o paleoambientales. Considere los rasgos que se ven a simple vista y descríbalos detalladamente. Los dibujos deben realizarse en una vista en planta y una de perfil indicando en todos los casos que sea posible dirección y/o sentido del flujo y polaridad de la muestra TEXTURA COMPOSICIÓN SELECCIÓN Tamaño Forma MADUREZ TEXTURAL COLOR ESTRUCTURA SEDIMENTARIA COHESIÓN CLASIFICACIÓN Determinar el tamaño de las partículas (máximo y medio) utilizando la escala de Udden Wentworth. Establecer la presencia de matriz y su abundancia. Definir el entramado (clasto-soporte o matriz-soporte) Mediante lupas y cartillas de comparación establecer las características (redondez y esfericidad) de los granos (Powers 1953) Definir la mineralogía o características químicas de las partículas sedimentarias. Definir la composición del cemento si lo hubiera Determinar la selección con cartillas de comparación Determinar la madurez textural por combinación de la forma de los granos y la selección Utilizar la tabla de colores Disposición u ordenamiento geométrico de los granos sedimentarios dado por los procesos depositacionales y/o postdepositacionales. Determinar la escala, posición y orientación relativa Definir en forma relativa el grado de cohesión entre los granos, matriz y/o cemento: muy coherente, coherente, intermedio, friable, muy friable De acuerdo al tamaño de las partículas y a la principal estructura sedimentaria observada 54

8 Figura 7.4. Clasificación de las estructuras primarias más comunes (Boggs, 1992) 55