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1 Antecedentes teóricos y prácticos de rocas
sedimentarias
1.1 Introducción
Las rocas sedimentarias proveen un panorama fascinante de las condiciones superficiales del pasado en la Tierra. Esto debido a que ellas se forman en o cerca de la superficie y no han sido fundidas o fuertemente alteradas por las altas presiones y temperaturas que producen las rocas ígneas y metamórficas. Los restos de plantas y animales son incorporados en los sedimentos que posteriormente se transformaran en rocas. Estos serán preservados, por lo que proveen un registro de la vida y las condiciones climáticas que existieron en el pasado en la Tierra.
La formación de rocas sedimentarias envuelve numerosos procesos. Las rocas expuestas en superficie (ígneas, metamórficas o sedimentarias) reaccionan con la atmósfera e hidrosfera produciendo una pérdida de partículas llamadas sedimentos. Estos sedimentos son erosionados por el agua, viento y hielo y ayudados por la gravedad son transportados, normalmente, lejos de su punto de origen. Los sedimentos se acumulan en capas, junto con depósitos minerales provenientes de soluciones y restos de organismos y plantas que vivieron en o cerca del área de depositación. Posteriores cambios físicos y químicos transforman las capas de sedimentos en rocas sedimentarias. Por lo tanto, las rocas sedimentarias son formadas a partir de sedimentos en o cerca de la superficie de la Tierra por una combinación de procesos físicos, químicos y biológicos.
Procesos de meteorización y erosión de los sedimentos a partir de la roca madre, luego ocurre su posterior transporte y depositación en cuencas sedimentarias.
Las rocas sedimentarias constituyen el 75% del total de afloramientos en la Tierra. Sus espesores promedios son de 1,5 km en los continentes, 5 km en el talud continental y 3 km en el piso oceánico, con un máximo de 15 km aproximadamente en algunas localidades. Las rocas sedimentarias más comunes son las lutitas (60%), areniscas (20%) y calizas (20%). La erosión de rocas sedimentarias antiguas puede aportar minerales de mena a cuencas depositacionales, los cuales pueden ser concentrados en cantidades suficientes bajo condiciones favorables de transporte, selección y depositación para formar yacimientos
económicamente viables. Se pueden reconocer yacimientos singenéticos, los que se forman simultáneamente con la roca, pueden originarse por procesos químicos (calizas, yeso, fosfatos, sal) o por procesos mecánicos (placeres de oro). Yacimientos diagenéticos, los que se forman después de la depositación de los sedimentos debido a cambios impuestos por altas temperaturas y presiones (carbón). Yacimientos epigenéticos, los que son derivados de otra parte, luego de la depositación de los sedimentos. Ellos son concentrados por la circulación de aguas subterráneas o fluídos hidrotermales.
1.2 Procesos formadores de sedimentos
Los sedimentos están compuestos de tres mayores tipos de materiales: partículas de rocas y minerales provenientes del rompimiento de materiales antiguos, partículas producidas por la actividad vital de plantas y animales, y cristales precipitados de soluciones saturadas en o cerca de la superficie de la Tierra. Los sedimentos en cualquier lugar de la Tierra pueden estar compuestos por una combinación de estos tres componentes.
1.2.1 Meteorización de materiales antiguos
Cuando los materiales antiguos (rocas, sedimentos, o conchas de organismos) quedan expuestos en la superficie de la Tierra interactúan con la atmósfera y la hidrosfera. Como resultado de esta interacción las diferentes especies minerales que conforman las rocas expuestas se desestabilizan produciéndose un conjunto de cambios físicos y químicos que agrupamos bajo el nombre de meteorización. Por lo tanto, entendemos por meteorización la rotura o la disgregación de una roca sobre la superficie de la Tierra, en la que se forma un manto de roca alterada, regolito, que permanece in situ. Por otra parte, la erosión incluye la denudación o degradación, es decir, la meteorización y el transporte del material. La meteorización entonces, al reducir la consistencia de las masas pétreas, abre el camino a la erosión.
Un agente importante de fragmentación es el alternancia de congelamiento y deshielo de agua en una fisura, lo cual puede romper una roca sólida en pedazos. El hielo ocupa un 9% más de volumen que el agua y es un poderosa cuña. Otro agente son las raíces de plantas: una vez que ellas consiguen introducirse en una ruptura, actúan como cuñas cuando crecen y podrán romper parte de la roca.
Los sedimentos derivados del rompimiento físico de otros materiales son llamados sedimentos clásticos (clasto es derivado del griego klastós, que significa “roto en pedazos”). La mayoría de las partículas clásticas son derivadas de la meteorizacion que ocurre en la tierra. Estas partículas están compuestas en parte por sílice por lo que se denominan silicilasticas. Otros tipos de clastos, que no son de sílice ni organicos, pueden ser, por ejemplo, fragmentos de conchas encontrados cerca de la costa, principalmente en áreas tropicales. Al mismo tiempo procesos químicos pueden alterar parte de los minerales presentes. Por ejemplo, cuando los feldespatos de granitos son expuestos a soluciones ácidas, ellos cambian a minerales de arcilla, los cuales se desprenden fácilmente. La combinación de fragmentación física y cambios químicos reducen lentamente la roca a una mezcla de partículas clásticas que pueden tener un rango de tamaño desde bloques hasta arcillas. Los iones solubles producidos por la meteorización son lavados del suelo y transportados por ríos a los océanos y a cuencas en los continentes, donde ellos son depositados por procesos químicos.
minerales más estables durante la meteorización. Consecuentemente, la mayoría de las partículas de las rocas sedimentarias están compuestas de cuarzo, feldespato, calcita, óxidos de hierro, minerales de arcilla y fragmentos de roca.
La composición mineralógica de los sedimentos no siempre permanecerá fija, aun luego de su enterramiento, ya que procesos diagenéticos pueden producir cambios mineralógicos.
1.3.2 Tamaño del grano
Otra de las propiedades de los sedimentos que se puede determinar en una primera instancia es el tamaño de estos. Esto último refleja factores como la cantidad de transporte que han sufrido las partículas, las condiciones energéticas del medio a las que han sido expuestas, la distancia de la fuente de origen, etc. Por ejemplo, bloques de 3 m, no podrán estar a una distancia muy lejana de su fuente de origen. Por el contrario partículas tamaño arcilla, ya han sufrido bastante desgaste y estarán muy lejos de su fuente.
La escala granulométrica de Wentworth ha sido utilizada clásicamente para diferenciar los tipos de sedimentos. Esta clasificación los divide en bloques, guijas, guijarros, gránulos, arenas, limos y arcillas. Términos como fino, medio y grueso son utilizados para subdividir las partículas mencionadas anteriormente. Los términos de la escala de Wentworth sólo se refieren al tamaño de las partículas y no a la composición de estas. Es importante aclarar que una partícula tamaño arcilla no será un mineral de arcilla.
Escala de Wentworth.
En la guía práctica se verán subdivisiones y clasificaciones más avanzadas para los tipos de sedimentos.
1.3.3 Selección
La selección es la propiedad que describe la variabilidad del tamaño de grano en una roca sedimentaria. Aquellas rocas que muestran solo una clase granulométrica bien definida, siendo el tamaño de todas las partículas similar, se dicen bien seleccionadas. Por otra parte, aquellas en que sus constituyentes presentan una gran diversidad de tamaños se denominan mal seleccionadas. La selección de una roca es una propiedad que condiciona fuertemente su porosidad, y por lo tanto su comportamiento frente a la circulación de agua, subsuperficial, subterránea. En la guía práctica se retoma este punto.
1.3.4 Redondeamiento y esfericidad
Las partículas en muchas rocas sedimentarias tienen los bordes redondeados. Esto es debido a que originalmente sus bordes angulosos han sido redondeados por la abrasión durante el transporte. El redondeamiento es un dato morfológico de interés en la tipificación del ambiente de sedimentación de algunas rocas sedimentarias, especialmente las areniscas y conglomerados.
Por otra parte, una vez que los bordes han sido redondeados, la partícula tenderá a cambiar su aspecto a una forma más esférica. La esfericidad está relacionada con las diferencias existentes entre los distintos diámetros o longitudes de los ejes de la partícula. Por ejemplo, clastos tamaño bloque que son transportados por un río a una playa pueden ser redondeados, pero no esféricos, pero por la acción de las mareas y las olas, estos tenderán a redondearse. Es típico ver en una playa como algunos clastos van y vienen por la acción de las olas.
Se dice que una roca sedimentaria es más madura cuanto más redondeados y seleccionados estén los clastos que la integran. La madurez textural es un índice que refleja el tiempo transcurrido entre la erosión del material detrítico original y su depositación final.
1.4 Transporte y depositación de los sedimentos
En los transportes por viento, glaciares y flujos de barro, la mayoría de los sedimentos son arrastrados como partículas discretas suspendidas en el flujo. En los glaciares las partículas pueden ser llevadas en la parte superior o dentro de estos. El transporte por agua, sin embargo, envuelve una gran variedad de mecanismos físicos y químicos. Las partículas más grandes, como gravas, se deslizaran o rodaran por el piso. Las partículas de arena pueden rebotar por el piso y los limos y arcilla estarán suspendidos dentro del flujo, son estas últimas las que hacen ver turbia el agua. Al mismo tiempo iones son arrastrados invisiblemente en solución dentro del flujo.
Los sedimentos transportados por agua y viento son depositados cuando la energía cinética del flujo decrece. Cuando las partículas son depositadas, se acumulan en capas en la superficie. Las partículas en los flujos de barro son depositadas cuando el agua es perdida por evaporación o infiltración en la tierra. Las partículas transportadas por glaciares son depositadas cuando el hielo se derrite y el material llevado dentro y sobre el glaciar se sitúa en el piso.
- Siliciclásticas, detríticas o terrígenas: se forman por la erosión, transporte y sedimentación de rocas preexistentes
- Orgánicas: son producto de la acumulación de materiales que derivan de la actividad de organismos vivos.
- Químicas: se forman directamente por precipitación química y/o evaporación a partir de soluciones.
Es importante destacar que esta clasificación es en términos generales y puede llevar a algún tipo de confusiones, ya que existen una gran variedad de rocas que son formadas por una mezcla de los procesos mencionados anteriormente.
2.1 Rocas siliciclásticas
Las rocas siliciclasticas son clasificadas usando una combinación de términos que
denotan la textura y composición de las partículas que la componen.
Las rocas que tienen partículas tamaño bloque, guija y guijarro son llamadas conglomerados, si los clastos son redondeados, y brecha, si los clastos son angulosos. Los clastos son el conjunto de granos o partículas que forman la roca. Los conglomerados se pueden diferenciar en dos tipos dependiendo de la proporción entre la matriz y los clastos.
% matriz > % clastos = conglomerado matrizsoportada o paraconglomerado. % matriz < % clastos = conglomerado clastosoportado u ortoconglomerado.
Por otra parte, refiriéndose al tipo de clastos de un conglomerado, estos se pueden dividir en monomícticos, donde el predominio es de un solo tipo de fragmentos líticos o clastos (ejm. granítico), y polimíctico, donde el origen de los clastos es variable (volcánicos, intrusivos, etc.)
Las rocas compuestas por partículas tamaño arena son llamadas areniscas. Si la
arenisca tiene menos que un 15% de matriz, la roca es llamada arenita. Si tiene más
de un 15% de matriz es llamada waca. La matriz son los granos finos como limos y
arcillas que se encuentran situados entre los clastos.
Las rocas compuestas de particulas tamaño limo son llamadas limolitas y las
compuestas por partículas tamaño arcilla, lutitas.
Para referirse a la composición de las partículas se le puede agregar un adjetivo al
termino textural utilizado. Por ejemplo una arenisca compuesta de partículas de
cuarzo se denomina cuarzoarenita. Esto último es tratado en detalle en la guía
práctica.
2.2 Rocas biogénicas u organogénicas
Las rocas biogénicas son clasificadas de acuerdo a su composición, textura, y en el caso de calizas cristalinas por el tamaño de los cristales. Las calizas, rocas compuestas de calcita (CaCO 3 ), presentan un problema en su clasificación, ya que pueden caer dentro del grupo de las rocas biogénicas o de las rocas químicas, dependiendo de cual sea el origen del material carbonatado, si la precipitación química o la actividad de organismos. Por otra parte, también se puede dar el caso que se tenga una mezcla de precipitación in situ y acumulación de fragmentos de organismos. Las calizas bioclásticas o coquinas están compuestas de clastos de conchas de organismos marinos. Este tipo de roca, su composición y clasificación son tratadas en detalle en la guía práctica.
Bajo la denominación colectiva de las rocas sedimentarias organógenicas se presentan todas las rocas sedimentarias combustibles, como los depósitos carbonáceos respectivamente y los depósitos kerogenos.
2.2.1 Los depósitos carbonáceos
Los depósitos carbonáceos se componen de la materia orgánica, generalmente vegetal o sus derivados subsecuentemente producidos y a menudo de minerales y componentes volátiles como agregados. A los depósitos carbonáceos pertenecen la turba, el lignito pardo, el lignito y el carbón o la hulla respectivamente. Las sustancias ricas en hidrocarburos producidos por destilación son los kerogenos.
El material de partida para los depósitos carbonáceos son las plantas como los equisetos, los licopodios, los juncos, las cañas, los arbustos, los musgos pantanosos entre otros. Las plantas crecieron en pantanos y lagos de agua dulce, que en parte se inundaron ocasionalmente por mares llanos en un clima subtropical hasta tropical. Con la ausencia de aguas subterráneas circulantes la descomposición normal de los restos vegetales, que se basa en la presencia de oxígeno, termina enseguida bajo la cobertura de sedimentos y de otros restos vegetales y se forman gases como el dióxido de carbono y el metano. Bajo las condiciones no completamente anaeróbicas puede formarse la turba.
La turba
La turba se constituye de fragmentos de madera en una matriz de trozos desintegrados vegetales pequeños típicos para las marismas y los pantanos. Los fragmentos vegetales están atacados por los residuos no completamente descompuestos de la vegetación muerta de las marismas o los pantanos, como por las bacterias, los hongos y otros organismos. Las aguas subterráneas estancadas protegen la materia vegetal residual a descomponerse completamente. La turba se caracteriza por la presencia de celulosa libre y por un contenido en agua mayor al 70%. La turba forma masas de color amarillo claro hasta café o negro de restos vegetales, que están impregnados con agua.
Los lignitos
El lignito es una roca combustible con un contenido de agua menor al 75% del volumen y un contenido en restos vegetales, que fueron transformados debido a la carbonización. En el lignito se puede reconocer macroscópicamente algunos trozos de madera, de hojas y de frutos.
Carbón de llama 45-40% carbón de llama para gas 40-35% carbón para gas 35-28% carbón graso 28-19% carbón de fragua 19-14% hulla magra 14-10% antracita < 10%
Los carbones situados arriba de la antracita se denominan colectivamente las hullas bituminosas.
En los yacimientos de carbón comúnmente las capas de hullas están estratificadas con la pizarra combustible y con otras rocas sedimentarias estériles. Independientemente de su estado de carbonización se distinguen los cuatro litotipos siguientes, que varían en el material vegetal de partida y en su entorno de sedimentación:
- Hulla brillante: de fractura concoidea, con muchas grietas encaradas en ángulo recto a la estratificación, se descompone en fragmentos en forma de bloques, no tiñe en negro, en capas principalmente continuas, raramente en forma de lentejones.
- Hulla mate: de superficies ásperas, forma fragmentos gruesos, no tiñe de color negro, forma estratos de carbón de brillo mate hasta graso y de color gris hasta negro hasta varios decímetros de espesor.
- Hulla fibrosa: de color negro hasta gris negroso, de brillo sedoso, con textura fibrosa y porosa, fácilmente triturable, tiñe de color negro, forma estratos y lentejones delgados.
- Hulla semibrillante: no tiñe, forma capas alternas de rayas finas situadas entre la brillante y la hulla mate de espesores menor de 3mm, tipo de carbón más importante con respecto a su volumen.
Algunos yacimientos de hulla son las cuencas de Ruhr (carbonífero) y de Saar (carbonífero) en Alemania, en el macizo central francés y los depósitos de carbón de Lota cerca de Concepción en Chile.
2.2.2 Las rocas de kerogeno
El kerogeno se define como un complejo de materia vegetal y animal diagenéticamente transformada en el estado sólido y de origen sapropélico. Según BREYER se trata de los constituyentes de las rocas sedimentarias, que ni son solubles en soluciones acuosas alcalinas, ni en los solventes orgánicos comunes. Kerogenita se refiere a un depósito con un contenido suficientemente alto en kerogeno para poder producir petróleo mediante la destilación.
2.2.2.1 La sapropelita
La sapropelita es un sapropel solidificado (sapropel = barro o lodo con un contenido variable
de materia orgánica no identificable en un ambiente acuático sin oxígeno), que por destilación destructiva genera petróleo.
2.2.2.2 La arcilla bituminosa
La arcilla bituminosa es una sapropelita con un contenido variable en materia orgánica (10 - 67%), que por destilación destructiva fue transformado a petróleo.
2.2.3 Esquisto bituminoso o pizarra negra
Bajo los esquistos bituminosos se reúnen las rocas arcillosas, las arcillas esquistosas, las rocas de silt y también las calizas con un contenido elevado (mayor de 10%) en material orgánico de origen vegetal y animal.
2.3 Rocas químicas
2.3.1 Carbonatos
Como se mencionó anteriormente, las calizas también pueden tener un origen químico, ya que la calcita puede precipitar directamente del agua de mar. Por ejemplo, una caliza oolítica se forma en ambientes someros, con aguas turbulentas, donde un pequeño núcleo de fragmentos de concha o fragmento de roca es temporalmente enterrado y alrededor de él comienzan a crecer capas de calcita.
La dolomita se forma por reemplazamiento metasomático de la calcita en zonas enriquecidas en magnesio.
En el caso de la costa de Chile, la formación de rocas carbonatadas es muy escasa. Esto tiene una directa relación con el marco geotectónico y la formación de un arco volcánico en nuestro país. La alta pendiente que existe entre los Andes y el Pacífico y la poca distancia entre ambos, implica un gran aporte de sedimentos siliciclásticos a las zonas de acumulación de sedimentos y la baja acumulación de material carbonatado.
2.3.2 Evaporitas
A pesar de que se pueden distinguir evaporitas terrestres de evaporitas marinas, en este capítulo sólo mencionaremos las evaporitas terrestres como introducción al entendimiento de los procesos formadores de estos depósitos tan frecuentes en el norte de Chile.
2.3.2.1 Evaporitas terrestres
Aparte del contenido muy diferente en sales, la composición de las aguas superficiales difiere de la composición del agua del mar en la proporción de sus iones. Los iones esenciales del agua dulce son HCO 3 -^ , Ca2+^ y SO 4 2-^. Las evaporitas terrestres pueden formar incrustaciones de sal, salitrales y salares. Los minerales más importantes de las evaporitas terrestres son:
aragonito CaCO 3 calcita CaCO 3
salitre sódico NaNO 3 , salitre potásico KNO 3 ,
kernita Na 2 B 4 O 7 ×4H 2 O bórax Na 2 B 4 O 7 ×10H 2 O
