La Formación Marcellus o Marcellus Shale es una unidad de roca sedimentaria del Devónico Medio que se encuentra en el este de América del Norte . Llamado así por un afloramiento distintivo cerca del pueblo de Marcellus , Nueva York , en los Estados Unidos , [3] se extiende por gran parte de la Cuenca de los Apalaches . [4] [5] [6]
El uso del nombre de unidad por parte del Servicio Geológico de EE. UU. (USGS) incluye Marcellus Shale y Marcellus Formation . [7] El término "Marcellus Shale" es el nombre preferido en la mayor parte de la región de los Apalaches, aunque el término "Formación Marcellus" también es aceptable en el estado de Pensilvania. [7] La unidad fue descrita y nombrada por primera vez como "lutitas Marcellus" por J. Hall en 1839. [8]
El Marcellus se compone predominantemente de esquisto negro y algunos lechos de piedra caliza y concentraciones de pirita de hierro ( Fe S 2 ) y siderita (Fe CO 3 ). [9] Como la mayoría de las lutitas, tiende a dividirse fácilmente a lo largo del plano del estrato, una propiedad conocida como fisilidad . [9] Las lutitas de colores más claros en la parte superior de la formación tienden a dividirse en pequeños fragmentos de bordes delgados después de la exposición. [10] Estos fragmentos pueden tener manchas de óxido por la exposición de la pirita al aire y pequeños cristales de yeso ( Ca SO 4 ·2 H 2 O ) de la reacción entre la pirita y las partículas de piedra caliza. [10] Las exposiciones recientes de la lutita piriteífera pueden desarrollar la mineralización secundaria de limonita naranja (Fe O ( OH ) · nH 2 O) y la eflorescencia o floración de azufre de color amarillo pálido , asociada con el drenaje ácido de la roca . [11]
La pirita es especialmente abundante cerca de la base [12] y los contactos superiores de las calizas, pero se encuentran microcristales framboidales y cristales euhédricos de pirita en todos los depósitos ricos en materia orgánica. [13] El Marcellus también contiene uranio , [14] [15] y la desintegración radiactiva del uranio-238 ( 238 U) lo convierte en una roca fuente de gas radón radiactivo ( 222 Rn). [dieciséis]
El contenido orgánico total medido del Marcellus varía desde menos del 1% en el este de Nueva York hasta más del 11% en la parte central del estado, [17] [18] y el esquisto puede contener suficiente carbono para sustentar la combustión . [19] Las lutitas negras más ricas en materia orgánica pueden ser bituminosas , pero son demasiado viejas para contener carbón bituminoso formado a partir de plantas terrestres. [20] En geología del petróleo , estas lutitas negras son una roca generadora importante que llenó los yacimientos de petróleo convencionales en formaciones suprayacentes, son un yacimiento de gas de esquisto no convencional y son un sello impermeable que atrapa los yacimientos de gas natural convencionales subyacentes . [21] Al oeste, la formación puede producir petróleo líquido ; El calentamiento más al norte durante un entierro más profundo hace más de 240 millones de años dividió este petróleo en gas. [17] [22]
El Marcellus se encuentra en toda la región de la meseta de Allegheny en la cuenca norte de los Apalaches de América del Norte. En los Estados Unidos, Marcellus Shale atraviesa las regiones de la Región Sur y Finger Lakes de Nueva York , el norte y el oeste de Pensilvania , el este de Ohio , el oeste de Maryland y la mayor parte de Virginia Occidental , extendiéndose a través de la frontera estatal hasta el extremo occidental de Virginia . [23] El lecho rocoso de Marcellus en el este de Pensilvania [24] se extiende a través del río Delaware hasta el extremo occidental de Nueva Jersey . [1] También existe en el subsuelo de una pequeña porción de Kentucky y Tennessee . [25] Debajo del lago Erie , se puede encontrar cruzando la frontera con Canadá , donde se extiende entre Port Stanley y Long Point hasta St. Thomas en el sur de Ontario . [26] [27]
El Marcellus aparece en afloramientos a lo largo del margen norte de la formación en el centro de Nueva York. Allí, los dos planos de unión en Marcellus están casi en ángulo recto, cada uno de los cuales crea grietas en la formación que corren perpendiculares al plano de lecho, que se encuentra casi nivelado. [10] Estas juntas forman acantilados suaves casi verticales , y los planos de juntas que se cruzan forman esquinas salientes en las paredes rocosas. [10] Una vez expuestas, las caras erosionadas pierden la mayor parte de su carbono orgánico, [28] pasando de negro o gris oscuro a un tono de gris más claro.
Los afloramientos de Marcellus pueden contener lechos muy pequeños que se asemejan al carbón . [29] Los afloramientos de Nueva York, y otros más al sur en Pensilvania y Nueva Jersey, fueron excavados extensamente a principios del siglo XIX, a veces con un gran gasto, con la falsa esperanza de encontrar vetas de carbón explotables . [29] En el condado de Perry, Pensilvania, a lo largo del río Juniata, los lechos de carbón falsos alcanzan un espesor de hasta 0,3 m (1 pie), pero no produjeron un combustible valioso, a pesar del considerable esfuerzo realizado para extraerlo de las colinas circundantes. [30] Las algas y las plantas marinas probablemente formaron el falso carbón. El verdadero carbón se forma a partir de plantas terrestres, que sólo comenzaron a aparecer en Marcelo y en fósiles posteriores. [31] [32]
La proximidad a la superficie del lecho rocoso de Marcellus al sur de los afloramientos de Nueva York hace que una banda de este a oeste atraviese la ciudad de Syracuse [14] un área de alto riesgo para el radón como contaminante del aire interior . [33] Desde las exposiciones de la superficie a lo largo de los márgenes norte y este, la formación desciende a profundidades de más de 2.700 m (8.900 pies) debajo de la superficie en el sur de Pensilvania. [25]
Los lechos volcados están expuestos en secciones de los Apalaches plegados de Ridge-and-Valley , [23] incluidas exposiciones en los flancos y el eje del Broad Top Synclinorium en el centro sur de Pensilvania. [12] Los lechos expuestos son casi horizontales en la meseta de Allegheny, [34] pero están volteados hacia arriba para formar lechos ligeramente volcados que se encuentran a lo largo del frente de Allegheny . [35] Desde Wind Gap, Pensilvania, en dirección sur, la pendiente de los lechos se hace más pronunciada y se vuelve vertical en Bowmanstown, en el río Lehigh . [30] Cerca de allí, en el área de Lehigh Gap en Pensilvania, el Marcellus tiene muchas fallas , [36] y los lechos están muy volcados, con un ángulo de inclinación inverso de hasta 40° sur. [30]
Los geólogos clasifican la lutita Marcellus y las lutitas de grano fino cerca de la mitad de la Formación Mahantango como formadoras de pendientes . [37] Los lechos de esquisto de Marcellus y Mahantango que se sumergen entre 60° y 75° hacia el oeste forman las laderas orientadas al oeste de Tonoloway Ridge en el flanco oeste del anticlinal de la montaña Cacapon en el Panhandle oriental de Virginia Occidental . [38] En el extremo oriental de este anticlinal, los lechos de estas lutitas que se sumergen hacia el este en un ángulo menos profundo también forman las pendientes empinadas en el lado este de Warm Springs Ridge . [38]
El Marcellus se erosiona fácilmente , y también se encuentra subyacente a zonas bajas entre algunas crestas de los Apalaches, formando valles lineales de relieve moderado. Estas superficies de lecho rocoso generalmente están cubiertas de coluvión proveniente de la erosión de estratos estratigráficamente más altos y más resistentes a la erosión que forman el terreno más alto circundante. [12] Los suelos formados a partir de Marcellus y las lutitas Hamilton suprayacentes son profundos, libres de piedras y muy adecuados para la agricultura . [10] El muestreo de suelo formado en el lecho de roca de Marcellus mostró que la mineralogía dominante consistía en cuarzo , ilita , montmorillonita , moscovita y biotita , con fases de todorokita y trona apareciendo en profundidades más cercanas al lecho de roca. [39]
Los lechos volteados de esquisto blando también capturan arroyos y ríos con segmentos relativamente rectos en valles de ataque como Aquashicola Creek y McMichael Creek al pie de The Poconos , [30] y la sección larga y recta del Lost River en Virginia Occidental. [40] Debajo de Port Jervis, Nueva York , Walpack Ridge desvía el río Delaware hacia el valle Minisink, donde sigue el rumbo suroeste de los lechos erosionados de Marcellus a lo largo de la frontera entre los estados de Pensilvania y Nueva Jersey durante 40 km (25 millas) hasta el final de la cresta en Walpack Bend en el Área Recreativa Nacional Delaware Water Gap . [1] [41] El Minisink es un valle enterrado donde el Delaware fluye en un lecho de glaciar que enterró el lecho de roca erosionado de Marcellus durante el último período glacial . Este valle enterrado continúa a lo largo del curso del Marcellus al suroeste desde la curva a través de Stroudsburg, Pensilvania , y al noreste desde Port Jervis hacia el río Hudson , [41] a lo largo de la ruta del Canal de Delaware y Hudson . [30]
Estratigráficamente , el Marcellus es la unidad más baja del Grupo Hamilton de la edad Devónica y está dividido en varias subunidades. En el primer Servicio Geológico de Pensilvania , iniciado en 1836, Henry Darwin Rogers clasificó el Marcellus como la "Pizarra Negra Inferior Cadent", que numeró como "No. VIII b". [43] En el primer Servicio Geológico del Estado de Nueva York , también iniciado ese año, James Hall estableció el término "Marcellus Shale" en su informe de 1839 titulado " Marcellus Shales in Seneca County " . [44] El profesor Hall también argumentó en 1839 en contra de la formulación nombres geológicos basados en características observadas que pueden variar de un lugar a otro o necesitar revisión en el futuro, y a favor de una nomenclatura basada en la ubicación donde "la roca o grupo recibirá su nombre del lugar donde esté mejor desarrollado". [45] Sus argumentos resultaron persuasivos, y el nombre basado en la ubicación para este, y muchos de los otros nombres de grupo que publicó basándose en exposiciones en Nueva York, fueron adoptados en la segunda encuesta de Pensilvania y ahora son ampliamente aceptados.
En el primer estudio de Nueva York, Marcellus Shale se colocó debajo del Grupo Hamilton en la base de la división Erie del sistema de Nueva York, pero esta taxonomía es obsoleta. [41]
En la práctica actual, Marcellus Shale (abreviado Dm o Dms) se clasifica como la unidad basal del Grupo Hamilton (Dh), [17] que se encuentra debajo de la Formación Mahantango (Dmh), miembro de este grupo en Pensilvania [46] y Maryland. . En Nueva York, el Mahantango, también de la edad del Devónico Medio, está aún más dividido. Allí, el Marcellus está separado de la Formación Skaneateles suprayacente, una lutita oscura más clástica y fosilífera, por el delgado lecho de piedra caliza Stafford o Mottville. [47] [48]
En Virginia Occidental, el Marcellus puede estar separado de las lutitas marrones del Mahantango por lechos de arenisca y concreciones ocasionales , [49] o puede encontrarse directamente debajo de la Formación Harrel del Devónico Tardío más joven (o sus equivalentes laterales) debido a una discordancia , [ 50] lo que representa un vacío en el registro geológico debido a un período de erosión o no deposición. En el este de Ohio, el Grupo Hamilton también se encuentra de manera disconforme debajo del miembro de esquisto Rhinestreet de la formación West Falls , otra lengua de esquisto negro transgresor con características similares a las de Marcellus. [51]
Marcellus Shale se encuentra típicamente depositado en la piedra caliza de la Formación Onondaga (Don), que se extiende hasta el final del período Devónico temprano . El contacto entre ellos puede ser agudo, gradual o erosivo. En el suroeste de Ontario, Canadá, al norte del lago Erie , el Marcellus se superpone a la Formación Dundee, un equivalente lateral de la Onondaga. [52] [53] En Pensilvania, Marcellus forma un contacto conformable agudo con el miembro Selinsgrove Limestone de Onondaga. [54] También se encuentra un delgado lecho de pirita-carbonato en la base de la lutita negra Marcellus en las exposiciones del centro sur de Pensilvania, sobre un delgado lecho de lutita verde calcárea, que se encuentra sobre la piedra caliza Onondaga. [19]
En el este de Nueva York, el contacto entre Marcellus y Onondaga (donde están presentes) es gradacional. [55] [56] En el oeste de Nueva York, el miembro Union Springs de Marcellus se superpone conformemente al miembro Séneca de Onondaga Limestone, [13] o el miembro estratigráficamente más alto de Cherry Valley Limestone puede descansar directa e inconformemente sobre Onondaga en ausencia del esquisto Union Springs. [57] [52] La desaparición local de unidades del Onondaga sugiere que su contacto superior con el Marcellus puede ser erosivo. [57] En el condado de Erie, en el oeste de Nueva York, tanto el contacto superior como el inferior del Marcellus están erosionados. [58]
En el este de Virginia Occidental, Marcellus se superpone al Grupo Onesquethaw, que consiste en Needmore Shale, de color gris oscuro o verde, calcítico, en su mayoría no fisible, que desciende hacia el oeste hacia Huntersville Chert. [49] Al sur y al oeste, el Grupo Hamilton desciende lateralmente hacia la formación Millboro Shale en el sur de Virginia Occidental y Virginia, [59] que desciende hacia la parte inferior de Chattanooga Shale de Tennessee . [60]
Milboro es gradacional con la lutita subyacente de la Formación Needmore. [60] Al sur de la línea Mason-Dixon , debido a la dificultad para diferenciar las lutitas Millboro y Needmore con las exposiciones limitadas disponibles, [61] y la incertidumbre inicial en la correlación con el estudio de Nueva York, se cartografiaron como la Formación Romney, una unidad que contiene todos los estratos del Devónico medio, [38] llamada así por una exposición en Romney, Virginia Occidental . [3] Las correlaciones se establecieron en 1916 mediante el seguimiento de las exposiciones de Nueva York a través de Pensilvania y Maryland hasta Virginia Occidental, por lo que, según el principio de prioridad científica , [38] la clasificación de Romney ahora está obsoleta; pero sus miembros Marcellus y los esquistos subyacentes Needmore todavía se encuentran agrupados en una unidad de mapa indiferenciada (Dmn). [62]
La metabentonita de Tioga o bentonita K, una unidad estratigráfica de aproximadamente 0,6 m (2 pies) de espesor que consta de varias caídas de ceniza volcánica discretas y relativamente delgadas , también se incluye en la base del Marcellus en el este de Pensilvania. [46] En 1843 fue descrito sin que Hall lo nombrara, [64] y pasaron más de 100 años antes de que finalmente recibiera el nombre del campo de gas natural en el condado de Tioga, Pensilvania , [65] donde se encontró al perforar pozos de gas. . Es un marcador estratigráfico regional, [59] utilizado por los geólogos para identificar Marcellus, [66] y correlacionar estratos lateralmente equivalentes. [52] [67] La dificultad para identificar correctamente las más de 80 caídas de ceniza diferentes durante el período Devónico, recolectadas en 15 o más lechos, [68] también ha dado lugar a muchas correlaciones erróneas. [69]
Desde Virginia hasta Nueva York, el Tioga está ampliamente distribuido, atravesando las partes central y norte de la cuenca de los Apalaches, [70] una extensión de área que excede los 265.000 km 2 (102.000 millas cuadradas). [71] Las erupciones explosivas asociadas con la orogenia acadia [72] que se originaron cerca de la actual Virginia central liberaron las cenizas a la atmósfera. [65] Se dispersó a través de las cuencas de los Apalaches , Michigan e Illinois por los vientos alisios del sur , porque esta área estaba en el hemisferio sur durante el período Devónico. [71] El origen volcánico de la ceniza se evidencia por su mineralogía distintiva : la ceniza se depositó directamente sobre el agua, por lo que sus granos angulares de cuarzo se diferencian de los sedimentos clásticos redondeados a través del proceso de erosión que los lleva al mar. [69] A medida que la ceniza volcánica se depositó en el fondo, se mezcló con estos componentes terrígenos, produciendo una litología distintiva en la roca sedimentaria. [69]
El Tioga puede aparecer en la formación como un lecho o separación gris, marrón, negro u oliva, [69] que consiste en toba cristalina gruesa o lutita tobácea, [65] finamente laminada, con escamas de mica del tamaño de arena. [73] La zona del lecho de cenizas de Tioga consta de ocho lechos de cenizas etiquetados según su orden estratigráfico desde A (el más antiguo) hasta H (el más joven), [70] [74] y otro lecho conocido como zona gruesa media de Tioga. [68] [71] Sus lechos basales se encuentran dentro de los lechos superiores de Onondaga Limestone o Needmore Shale, y el lecho de cenizas superior dentro de la parte más baja de Marcellus o Millboro Shale. [59] En el oeste del estado de Nueva York, el lecho de cenizas B de Tioga marca el límite entre los miembros Moorehouse y Séneca de la Formación Onondaga, [75] pero en la parte central del estado y en la parte sur de la cuenca, el lecho de cenizas En realidad, las camas están en el Marcellus. [56] [70] [76] Esto indica que la deposición del Marcellus allí comenzó antes, [56] ya que los lechos de cenizas representan una única época en el tiempo geológico.
El espesor máximo del Marcellus varía desde 270 m (890 pies) en Nueva Jersey, [1] hasta 12 m (40 pies) en Canadá. [27] En Virginia Occidental, Marcellus Shale tiene hasta 60 m (200 pies) de espesor. [49] En el extremo oriental de Pensilvania, tiene 240 m (790 pies) de espesor, [41] se adelgaza hacia el oeste y alcanza solo 15 m (49 pies) de espesor a lo largo del río Ohio , y solo unos pocos pies en el condado de Licking, Ohio. . [77] El adelgazamiento, o convergencia estratigráfica , de este a oeste es causado por la disminución del tamaño de grano en los depósitos clásticos , que ingresaron a la cuenca desde el este. [67] Los lechos finalmente "pellizcan" hacia el oeste porque la deposición estaba limitada por el Arco de Cincinnati , [51] [78] el abultamiento que formaba la costa oeste de la cuenca. Cuando la formación es relativamente espesa, se divide en varios miembros y, a medida que la formación continúa engrosándose hacia el este, estos miembros se dividen aún más. Algunos trabajadores optaron por clasificar a Marcellus como un subgrupo y clasificar a algunos de sus miembros como formaciones separadas.
Un miembro local de piedra caliza de Purcell, de 15 a 30 m (49 a 98 pies) de lutita calcítica y piedra caliza intercaladas, [67] divide el Marcellus en el este de Pensilvania. [46] Purcell es estratigráficamente equivalente al miembro Cherry Valley Limestone en Nueva York, [79] una piedra de empaque bioclástica , [13] que consiste en calizas esqueléticas, con intervalos arcillosos [18] entre su capa inferior de piedra caliza masiva, piedra caliza nodular gruesa/ margas , y capa superior de caliza. [80] Otros miembros nombrados incluyen Bakoven Shale, Cardiff Shale, Chittenango shale, Solsville arenisca, Union Springs esquisto y piedra caliza, [81] y Stony Hollow esquisto y piedra caliza. [82] Union Springs, Cherry Valley y Oatka Creek se fusionan debajo del lago Erie, en Bell Shale, Rockport Quarry Limestone y Arkona Shale de Ontario. [52]
Union Springs es una lutita de color gris negruzco a negro, rica en materia orgánica, piritífera, de lecho fino, con capas concrecionarias de lutita, [80] y finas bandas de limo en el fondo. Hacia el este, se convierte en el miembro Bakoven, una lutita más oscura y menos orgánica con menos capas de piedra caliza. [18] Hacia el oeste, los lechos de Union Springs son delgados, con sus calizas superiores fusionándose con el miembro calcáreo suprayacente de Cherry Valley. [18] Aparece una disconformidad regional en el oeste de Nueva York, a medida que Union Springs entra y sale, [18] y luego reaparece en el noroeste de Pensilvania y el noreste de Ohio, entre Onondaga y Cherry Valley. [52]
En el oeste y centro de Nueva York, el miembro superior es el esquisto Oatka Creek, de color gris oscuro a negro, rico en materia orgánica. A diferencia de las otras lutitas del Devónico en esta región, la lutita gris en la parte superior de Oatka Creek se espesa gradualmente hacia el oeste, así como hacia el este, [83] donde se divide en el miembro de Cardiff que se encuentra sobre el miembro de Chittenango en el centro de Nueva York. . [18] Las lutitas negras ricas en materia orgánica, fisibles y con hollín constituyen el Miembro Chittenango. [80] En la base de Chittenango, [84] sobre la lutita del miembro Bierne, [85] se encuentra Halihan Hill Bed, una piedra caliza bioclástica altamente bioturbada . [13]
Más al este, la homogénea Cardiff se divide en los miembros de esquisto Bridgewater, Solsville y Pecksport, desde la base hasta la cima. Bridgewater es un esquisto limoso oscuro fisible con fósiles relativamente raros. Arriba se encuentra una delgada zona de concreción, luego Solsville pasa de una lutita calcárea gris a limolitas arenosas y areniscas finas en la parte superior, con la lutita gris de Pecksport y la limolita superpuestas. [86]
En el centro sur de Pensilvania, el Marcellus está mapeado con tres miembros, de arriba a la base: el miembro Mahanoy (Dmm), una lutita limosa y limolita de color gris oscuro a negro grisáceo; el Miembro de Turkey Ridge (Dmt), una arenisca de grano fino a medio de color oliva a gris oscuro; y el miembro Shamokin (Dms), una lutita carbonosa fisible de color gris oscuro a negro grisáceo que es calcárea en lugares cercanos a la base. [87] La Cordillera Turkey se mapea comúnmente en la Formación Mahantango, [88] o se incluye en la Formación Montebello (Dmot), [89] y solo Shamokin se correlaciona con Marcellus en hojas de mapas adyacentes. [90] En el extremo oriental de Pensilvania, el miembro de Broadhead Creek, una lutita limosa de color gris oscuro con concreciones de piedra caliza arcillosa de color gris oscuro, aparece sobre Stony Hollow y Union Springs, en una capa de hasta 275 m (902 pies) de espesor. [91]
Hay inclusiones relativamente escasas de fauna marina fosilizada encontradas en Marcellus, [46] pero estos fósiles siguen siendo importantes para la paleontología. Por ejemplo, Marcellus contiene la colección diversa más antigua conocida de moluscos de caparazón fino que aún tienen una microestructura de concha bien conservada. [93] También es donde las goniatitas , un nadador con caparazón extinto similar a un calamar, hacen su primera aparición en el registro fósil. [94] La vida en tierra también entra en el registro fósil del Marcellus, con los troncos de coníferas sin ramas que flotaban mar adentro para ser preservados en el esquisto negro. [31] [32]
Los fósiles de Marcellus incluyen especímenes del gran braquiópodo Spinocyrtia, parecido a una almeja. [95] En la formación se encuentran moldes externos de crinoideos , animales parecidos a plantas relacionados con las estrellas de mar, también conocidos como "lirios de mar", [96] , [97] con los moldes parcialmente llenos de limonita ; También se han encontrado mohos braquiópodos y bivalvos (almejas) en el esquisto. [98] Las pequeñas tentaculítidas cónicas se encuentran comúnmente en el Miembro de Chittenango. [80] El lecho de Halihan Hill contiene estilolínidos y macrofauna que incluyen braquiópodos, briozoos similares a corales , pequeños bivalvos y gasterópodos (caracoles), [13] incorporados después del recambio de fauna cuando la fauna de Emsian y Eifelian Schoharie/Onondaga fueron reemplazadas por la fauna de Givetian Hamilton. . [84]
El miembro de Solsville contiene bivalvos, gasterópodos y braquiópodos bien conservados. [86] Estos mariscos vivían en la zona bentónica en el fondo de los ambientes marinos marginales a abiertos que existían al oeste del antiguo delta de Catskill . [99] El registro fósil en este miembro muestra que la base estaba dominada por organismos que se alimentaban de depósitos , mientras que las capas superiores estaban dominadas por organismos que se alimentaban por filtración . [99] Esto puede correlacionarse con la litología: los sedimentos más finos de las lutitas en la base de este miembro contendrían abundante materia orgánica adherente para los alimentadores de depósitos, pero tenderían a ensuciar las branquias de los alimentadores filtrantes cuando están suspendidos; los sedimentos más gruesos de las areniscas en la parte superior habrían contenido menos materia orgánica para sustentar los alimentadores de depósitos. [99] Debajo del Solsville, en la base del Otsego en el este de Nueva York, se encuentra un lecho de coral ; Se puede ver otro lecho de coral en la cima del Marcellus, cerca de Berna, Nueva York . [100]
Una fauna diversa de conodontes parecida a una anguila se encuentra en la piedra caliza del miembro de Cherry Valley, [101] que también es conocida por su rica fauna de cefalópodos nautiloide y goniatita . [80] Originalmente llamada piedra caliza goniatita , [102] produce sus restos fosilizados con conchas que pueden medir más de 0,3 m (1 pie) de ancho. [43] También contiene el "Cementerio de cefalópodos" en el valle Schoharie del este de Nueva York, una acumulación inusual de abundantes conchas rectas y enrolladas de varios tipos de cefalópodos adultos grandes. Este lecho carece de fósiles juveniles, lo que indica que si su comportamiento era similar al de los calamares modernos, esta puede haber sido un área donde estos cefalópodos del Devónico se reprodujeron y murieron. [103] Este intervalo estratigráfico también proporciona un excelente ejemplo de epíboles de incursión , que son apariciones y desapariciones repentinas de taxones fósiles en secciones relativamente delgadas de la unidad rocosa. [104] En Cherry Valley, los taxones no reaparecen; en cambio, cada delgado lecho de piedra caliza concrecionaria contiene diferentes especies de goniatitas. [104] Cherry Valley y Union Springs también contienen anarcestida bien conservada . [105]
En la escala de tiempo geológica , el Marcellus ocurre en la época del Devónico medio , del período Devónico , en la era Paleozoica , del eón Fanerozoico . La datación radiométrica de una muestra de Marcellus de Pensilvania situó su edad en 384 millones de años, y una muestra de bentonita en la cima del Onondaga en 390 ± 0,5 millones de años. [106]
La datación por edad relativa del Marcellus sitúa su formación en la subdivisión Cazenovia de la etapa faunística del Givetiano , o hace 391,9 a 383,7 millones de años ( Ma ). [81] El miembro de Union Springs, en la base del Marcellus en Nueva York, ha sido fechado al final del Eifeliano , etapa que precedió inmediatamente al Givetiano. [107] Las lutitas oscuras anóxicas en la formación marcan el evento Kačák , [108] un evento anóxico marino de etapa tardía de Eifelian también asociado con un evento de extinción . [109] En 2012, Read y Erikson también describieron la formación como Eifelian. [110]
Aunque la litología dominante es la lutita negra , también contiene lutitas más claras y capas de piedra caliza intercaladas debido a la variación del nivel del mar durante su deposición hace casi 400 millones de años . [72] La pizarra negra se depositó en aguas relativamente profundas y sin oxígeno , y es escasamente fosilífera . La mayoría de los fósiles están contenidos en los miembros de piedra caliza, y el registro fósil en estas capas proporciona importantes conocimientos paleontológicos sobre los cambios de fauna .
A principios de la orogenia acadia , a medida que las montañas Acadias se elevaban, las lutitas negras y grises del Grupo Hamilton comenzaron a acumularse a medida que la erosión de las montañas depositaba sedimentos terrígenos de la tierra en el mar. [17] Marcellus Shale se formó a partir de los primeros depósitos en una depresión relativamente profunda, privada de sedimentos y oxígeno ( anóxica ), que se formó paralela a la cadena montañosa. [111] Estos fragmentos clásticos de roca fueron transportados en arroyos trenzados al antiguo delta de Catskill , un delta fluvial probablemente similar al actual delta del Níger en África. [112]
Las partículas más pequeñas permanecieron suspendidas por más tiempo en este mar epiírico , fluyendo mar adentro como turbiditas en una lenta pero persistente avalancha submarina. Finalmente llegaron a descansar en el fondo de la profundidad acadia en la cuenca de los Apalaches , [113] a cientos de metros de la costa, a profundidades que pueden haber sido 150 m (490 pies) o más debajo de la superficie. [13] Alternativamente, la cuenca puede haber sido tan poco profunda como 50 m (160 pies) o menos, si el agua cálida estaba suficientemente estratificada para que el agua superficial rica en oxígeno no se mezclara con el agua anóxica del fondo. [114] La deposición de Marcellus produjo una lutita negra transgresora , [51] porque se depositó en condiciones cada vez más profundas cuando el fondo de la cuenca cayó a medida que las montañas se elevaban. [115]
Las facies de esquisto oscuro del Marcellus se formaron a partir de flysch , un lodo fino depositado en aguas profundas; el mar cada vez más profundo que depositó el Marcellus cortó el suministro de carbonatos que forman la piedra caliza y los sedimentos de flysch de grano fino enterraron los lechos de piedra caliza de Onondaga . [116] [117] La materia orgánica, probablemente dominada por el plancton , también se depositó en el fondo, pero el proceso normal de descomposición aeróbica se inhibió en el ambiente anaeróbico , preservando así el carbono orgánico. [118] [119] El uranio también se incorporó a estos lodos orgánicos de forma sindeposicional, [14] lo que significa que se depositó al mismo tiempo, en lugar de introducirse en la formación más tarde. [120] La materia orgánica extrajo oligoelementos del agua de mar, [28] incluidos los elementos sensibles al redox uranio, renio , molibdeno , osmio , cromo y selenio . [121]
El Marcellus se depositó durante el desarrollo de las plantas terrestres , cuando el oxígeno atmosférico aumentaba, lo que provocaba una reducción del dióxido de carbono en la atmósfera y en el agua de mar donde se depositaba. [122] Los miembros nombrados de Marcellus reflejan dos secuencias deposicionales compuestas, [123] con un ciclo ascendente de engrosamiento general que continúa hasta la base de la Formación Mahantango suprayacente. [37] La intercalación de miembros más ligeros de esquisto y piedra caliza se atribuye a oscilaciones de relativamente corto plazo en la profundidad de la cuenca. [124] Secuencias de depósito de aguas profundas posteriores formaron la Formación Brallier y la Formación Harrell superpuestas . [113]
El esquisto contiene reservas de gas natural en gran medida sin explotar , y su proximidad a los mercados de alta demanda a lo largo de la costa este de Estados Unidos lo convierte en un objetivo atractivo para el desarrollo y la exportación de energía . [125]
La tendencia de gas natural Marcellus, que abarca 104.000 millas cuadradas y se extiende a lo largo de Pensilvania y Virginia Occidental, y hasta el sureste de Ohio y el norte del estado de Nueva York, es la mayor fuente de gas natural en los Estados Unidos, y la producción seguía creciendo rápidamente en 2013. Marcellus es un ejemplo de gas de esquisto , gas natural atrapado en esquisto de baja permeabilidad, y requiere el método de fracturación hidráulica para completar el pozo para permitir que el gas fluya hacia el pozo. El aumento de la actividad de perforación en Marcellus Shale desde 2008 ha generado tanto beneficios económicos como preocupaciones ambientales y, por lo tanto, una controversia considerable.
Las lutitas negras también contienen mineral de hierro que se utilizó en los inicios del desarrollo económico de la región, y uranio y pirita , que son peligrosos para el medio ambiente. En la base del Marcellus, en el lecho de pirita y carbonato entre la lutita negra carbonosa y un lecho de lutita calcárea verde, [19] la pirita, el carbonato y el agua subterránea reaccionaron para formar óxido de hierro gossan y yeso . [126] Hasta donde podía penetrar el agua subterránea necesaria para la conversión, el carbonato de pirita se convirtió en un mineral de hierro de hematita marrón utilizable a lo largo de los afloramientos y cerca de la superficie del lecho rocoso. [30] El mineral de hierro Marcellus se extrajo activamente en el centro sur de Pensilvania desde su descubrimiento a finales del siglo XVIII, hasta que fue suplantado por los ricos yacimientos de mineral de Iron Range de Minnesota a principios del siglo XX. [127] El mineral se localizaba y extraía fácilmente desde pozos y pozos poco profundos, pero una vez que se eliminaban los depósitos superiores utilizables, o si un pozo de mina entraba en el lecho demasiado por debajo de la superficie, solo se encontraban depósitos piríticos no convertidos e inutilizables. [19]
El mineral de hematita se convertía en arrabio en altos hornos de piedra alimentados con carbón que se construyeron en toda la región del río Juniata, cerca de los depósitos de mineral viables de Marcellus y otras formaciones. [127] Los productos de hierro de esta zona, conocidos como "Juniata Iron", se produjeron durante el período comprendido entre la Revolución Americana y la Guerra Civil Americana . Estos altos hornos eran importantes para la economía de la región en ese momento, [128] pero los altos hornos de piedra en frío que normalmente se empleaban eran ineficientes y consumían cantidades significativas de madera de los bosques de frondosas cercanos, lo que finalmente condujo a su desaparición. [129] Un horno típico utilizaba 2.400 kg (5.300 lb) de mineral de hematita y 7,3 m 3 (200 imp bu) de carbón vegetal para producir 910 kg (2.010 lb) de arrabio, [19] y podía producir varios miles de libras por día. , lo que requirió la tala de más de 4.000 m 2 (1 acre) de bosque por día. [130]
El mineral del Marcellus variaba en espesor, volviéndose imposible de trabajar e incluso desapareciendo por completo en lugares entre los lechos trabajables. [19] [131] La calidad del mineral también variaba, [19] y no siempre era rentable fundirlo , ya que varios hornos construidos cerca de las minas de mineral de hierro en Marcellus fueron abandonados antes de que los recursos de mineral y madera utilizados para alimentarlos se convirtieran en escaso. [131]
El mineral encontrado intercalado en la pizarra negra contenía una proporción relativamente alta de carbono que se quemaba en el horno, y azufre , que producía un hierro utilizable pero " rojo-corto ". [132] El hierro rojo corto tiene las propiedades indeseables de oxidarse más fácilmente y una tendencia a agrietarse, especialmente cuando se calienta a un estado al rojo vivo. [133] En algunos lugares de Pensilvania, la calidad del mineral era bastante buena, con vetas relativamente profundas que contenían 45% de hierro y muy poco azufre. [19] En Virginia, el mineral de Marcellus contenía ocasionalmente zinc , que producía una llama verde característica en el horno a medida que se consumía, pero depositaba una masa dura de óxido de zinc impuro conocida como cadmia , que se acumulaba con el tiempo cerca de la parte superior del conducto de humos, y debía retirarse periódicamente para mantenerlo libre de obstrucciones. [134]
El drenaje que reaccionó con las inclusiones de pirita también depositó una forma de hierro pantanoso cerca de varios afloramientos del Marcellus. En el siglo XIX, el mineral de hierro de estos depósitos se utilizaba como pigmento de pintura mineral. Después de calentarlo en un horno y molerlo finamente, se mezcló con aceite de linaza y se usó para pintar madera exterior en graneros, puentes cubiertos y vagones de ferrocarril. [30] Además del hierro del pantano, en varios lugares inclinados en el este de Pensilvania se encontró hematita marrón sobre el lecho de roca Marcellus enterrada bajo el suelo. Estos depósitos también fueron excavados y utilizados para pintura mineral durante esa época. [41] También se encuentra un lecho de mineral de pintura de hematita casi directamente debajo del Marcellus, pero en realidad es parte de la Formación Oriskany subyacente. [30]
Los nativos americanos creían que las "aguas ferruginosas" ricas en hierro que emanaban de los manantiales de chalybeate cerca de la base del Marcellus en Bedford, Pensilvania, tenían poderes curativos. El Bedford Springs Hotel era un balneario mineral construido en 1802 alrededor de una serie de manantiales minerales, incluido uno de ellos, su "manantial de hierro". El hotel Chalybeate Springs, construido cerca en 1851 alrededor de otros tres manantiales minerales, incluido otro manantial de Chalybeate, [135] se convirtió en un "resort para inválidos". [136] Las aguas ricas en hierro se recetaban para la anemia y las complicaciones relacionadas. [137] Ambos manantiales minerales contienen hierro en forma de carbonato de hierro disuelto , [136] lo que le da a estas aguas un "sabor ligeramente a tinta". [137]
El Marcellus también se ha utilizado localmente para agregados de esquisto y relleno común , [12] aunque los esquistos piríticos no son adecuados para este propósito debido al drenaje ácido de la roca y la expansión volumétrica. [138] En el siglo XIX, esta esquisto se usaba para pasarelas y caminos, [20] y se consideraba un " metal para carreteras " superior porque los fragmentos de grano fino se empaquetaban firmemente, pero drenaban bien después de la lluvia. [30]
Las lutitas pizarrosas oscuras pueden tener la división y la dureza necesarias para ser trabajadas, y fueron extraídas de pizarra de baja calidad para techos en el este de Pensilvania durante el siglo XIX. Las pizarras de Marcellus eran inferiores a las pizarras de la Formación Martinsburg extraídas más al sur, y la mayoría de las canteras fueron abandonadas, con la última operación importante en el condado de Lancaster. [30] La pizarra negra Marcellus también se extrajo en el condado de Monroe, Pensilvania, para las pizarras escolares utilizadas por los estudiantes en las escuelas rurales del siglo XIX. [30]
Las lutitas carbonáceas, como las Marcellus, son un posible objetivo para la captura y almacenamiento de carbono para mitigar el calentamiento global . Debido a que el carbono adsorbe dióxido de carbono (CO 2 ) a una velocidad mayor que el metano (CH 4 ), el dióxido de carbono inyectado en la formación para el secuestro geológico también podría usarse para recuperar gas natural adicional en un proceso análogo a la recuperación mejorada de metano en lechos de carbón , pero Aún no se conoce el valor práctico de esta técnica teórica. [51] Los científicos creen que la adsorción permitiría el secuestro a profundidades menores que la absorción en formaciones salinas profundas, que deben estar al menos a 800 m (2600 pies) debajo de la superficie para mantener el CO 2 líquido en un estado supercrítico . [21]
Las lutitas fisionables también se erosionan fácilmente, lo que presenta desafíos adicionales de ingeniería civil y ambiental .
Las exposiciones de la construcción de caminos de corte y relleno en Virginia y Pensilvania han resultado en drenaje ácido localizado de roca debido a la oxidación de las inclusiones de pirita. [139] La lutita recién expuesta en la cara cortada se desgasta rápidamente, permitiendo que el aire y el agua entren en la roca no excavada, lo que resulta en una escorrentía superficial ácida después de los eventos de precipitación. [140] La escorrentía ácida altera los ecosistemas acuáticos , y el suelo altamente ácido contaminado por esta escorrentía no sustentará la vegetación, lo cual es antiestético y puede provocar problemas de erosión del suelo . [139]
La descomposición natural de la lutita en fragmentos más pequeños puede afectar la estabilidad de la pendiente , lo que requiere que las pendientes menos profundas que requieren más material sean perturbadas en los trabajos de corte y relleno, lo que exacerba el problema del drenaje ácido de la roca. El material cortado no se puede utilizar como relleno debajo de carreteras y estructuras debido a la expansión volumétrica, lo que agrava el problema. [66] Los lechos de cenizas de Tioga contienen arcilla de bentonita que también presenta un peligro de deslizamiento de tierra en la roca no excavada. [66]
Los daños a las estructuras construidas sobre un relleno de lutita pirítica Marcellus han sido causados por la expansión de la escorrentía de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) que reacciona con la calcita (CaCO 3 ) de la lutita para producir yeso (CaSO 4 ), que tiene el doble de peso molar. volumen . [141] Otros minerales de sulfato que pueden producirse mediante reacciones con pirita incluyen anhidrita , melanterita , rozenita , jarosita y alunita . [138] Las reacciones han generado una presión de elevación del orden de 500 kPa (10,000 libras por pie cuadrado), pero pueden generar cuatro veces esta presión suficiente para levantar los cimientos de un edificio de 5 pisos. [138] La piedra caliza , que se utiliza para neutralizar el drenaje ácido, en realidad puede exacerbar el problema de expansión al promover reacciones sulfato-sulfato que forman los minerales taumasita y etringita , que tienen volúmenes molares aún mayores. [138]
Perforar pozos a través de las lutitas del Grupo Hamilton en el subsuelo puede ser problemático. El Marcellus tiene una densidad relativamente baja y estas lutitas pueden no ser químicamente compatibles con algunos fluidos de perforación . La lutita es relativamente frágil y puede fracturarse bajo presión, lo que provoca un problema en la circulación del fluido de perforación a través del pozo, conocido como pérdida de circulación. La formación también puede estar subpresurizada, lo que complica aún más el proceso de perforación. [51]
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