La pizarra es una roca sedimentaria clástica de grano fino formada a partir de lodo que es una mezcla de escamas de minerales arcillosos ( filosilicatos de aluminio hidratados, p. ej. caolín, Al2Si2O5(OH)4) y fragmentos diminutos (partículas del tamaño de limo) de otros minerales, especialmente cuarzo y calcita . [ 1 ] La pizarra se caracteriza por su tendencia a dividirse en capas delgadas ( láminas ) de menos de un centímetro de espesor. Esta propiedad se llama fisibilidad . [1] La pizarra es la roca sedimentaria más común. [2]
El término esquisto a veces se aplica de manera más amplia, esencialmente como sinónimo de lutita , en lugar de en el sentido más estricto de lutita fisible rica en arcilla. [3]
La lutita suele presentar distintos grados de fisibilidad. Debido a la orientación paralela de las escamas minerales arcillosas de la lutita, esta se rompe en capas delgadas, a menudo astilladas y normalmente paralelas a los planos de estratificación que de otro modo serían indistinguibles . [4] Las rocas no fisionables de composición y tamaño de partícula similares (menos de 0,0625 mm) se describen como lutitas (1/3 a 2/3 de partículas de limo) o arcillositas (menos de 1/3 de limo). Las rocas con tamaños de partícula similares pero con menos arcilla (más de 2/3 de limo) y, por lo tanto, más arenosas son limosas . [4] [5]
Las lutitas son típicamente de color gris y están compuestas de minerales arcillosos y granos de cuarzo. La adición de cantidades variables de componentes menores altera el color de la roca. Los colores rojo, marrón y verde son indicativos de óxido férrico ( hematita - rojos), hidróxido de hierro ( goethita - marrones y limonita - amarillo), o minerales micáceos ( clorita , biotita e illita - verdes). [4] El color cambia de rojizo a verdoso a medida que el hierro en estado oxidado ( férrico ) se convierte en hierro en estado reducido ( ferroso ). [6] La lutita negra resulta de la presencia de más del uno por ciento de material carbonoso e indica un entorno reductor. [4] Las lutitas de color azul pálido a azul verdoso suelen ser ricas en minerales de carbonato . [7]
Las arcillas son el componente principal de las lutitas y otras lutitas. Los minerales arcillosos representados son principalmente caolinita , montmorillonita e illita. Los minerales arcillosos de las lutitas del Terciario Tardío son esmectitas expandibles , mientras que en rocas más antiguas (especialmente en lutitas del Paleozoico medio a temprano ) predominan las illitas. La transformación de esmectita a illita produce sílice , sodio , calcio , magnesio , hierro y agua. Estos elementos liberados forman cuarzo autigénico , sílex , calcita , dolomita , ankerita , hematita y albita , todos minerales traza a menores (excepto cuarzo) que se encuentran en las lutitas y otras lutitas. [4] Una lutita típica está compuesta de aproximadamente 58% de minerales arcillosos, 28% de cuarzo, 6% de feldespato , 5% de minerales carbonatados y 2% de óxidos de hierro . [8] La mayor parte del cuarzo es detrítico (parte de los sedimentos originales que formaron la pizarra) en lugar de autóctono (cristalizado dentro de la pizarra después de la deposición). [9]
Las lutitas y otras lutitas contienen aproximadamente el 95 por ciento de la materia orgánica de todas las rocas sedimentarias. Sin embargo, esto equivale a menos del uno por ciento en masa en una lutita promedio. Las lutitas negras, que se forman en condiciones anóxicas , contienen carbono libre reducido junto con hierro ferroso (Fe 2+ ) y azufre (S 2− ). El sulfuro de hierro amorfo , junto con el carbono, produce la coloración negra. [4] Debido a que el sulfuro de hierro amorfo se convierte gradualmente en pirita , que no es un pigmento importante, las lutitas jóvenes pueden ser bastante oscuras debido a su contenido de sulfuro de hierro, a pesar de un contenido de carbono modesto (menos del 1%), mientras que un color negro en una lutita antigua indica un alto contenido de carbono. [7]
La mayoría de las lutitas son de origen marino [10] y el agua subterránea en las formaciones de lutitas suele ser muy salina . Hay evidencia de que la lutita actúa como un medio semipermeable, permitiendo el paso del agua mientras retiene las sales disueltas. [11] [12]
Las partículas finas que componen la pizarra pueden permanecer suspendidas en el agua mucho tiempo después de que se hayan depositado las partículas más grandes de arena. Como resultado, las pizarras se depositan típicamente en aguas de movimiento muy lento y a menudo se encuentran en lagos y depósitos lagunares , en deltas de ríos , en llanuras aluviales y en alta mar debajo de la base de las olas . [13] Se encuentran depósitos gruesos de pizarra cerca de antiguos márgenes continentales [13] y cuencas de antepaís . [14] Algunas de las formaciones de pizarra más extendidas fueron depositadas por mares epicontinentales . Las pizarras negras [8] son comunes en los estratos cretácicos en los márgenes del océano Atlántico , donde se depositaron en cuencas con sillín limitadas por fallas asociadas con la apertura del Atlántico durante la ruptura de Pangea . Estas cuencas eran anóxicas, en parte debido a la circulación restringida en el estrecho Atlántico y en parte porque los mares cretácicos muy cálidos carecían de la circulación de agua de fondo fría que oxigena los océanos profundos en la actualidad. [15]
La mayor parte de la arcilla debe depositarse en forma de agregados y flóculos, ya que la tasa de sedimentación de las partículas individuales de arcilla es extremadamente lenta. [16] La floculación es muy rápida una vez que la arcilla encuentra agua de mar altamente salina. [17] Mientras que las partículas individuales de arcilla tienen un tamaño inferior a 4 micrones, los grupos de partículas de arcilla producidos por la floculación varían en tamaño desde unas pocas decenas de micrones hasta más de 700 micrones de diámetro. Los flóculos comienzan siendo ricos en agua, pero gran parte del agua se expulsa de los flóculos a medida que los minerales de arcilla se unen más estrechamente con el tiempo (un proceso llamado sinéresis ). [18] La peletización de arcilla por organismos que se alimentan por filtración es importante cuando se inhibe la floculación. Los alimentadores por filtración producen un estimado de 12 toneladas métricas de pellets de arcilla por kilómetro cuadrado por año a lo largo de la Costa del Golfo de EE . UU . [19]
A medida que los sedimentos continúan acumulándose, los sedimentos más antiguos y enterrados más profundamente comienzan a sufrir diagénesis . Esto consiste principalmente en la compactación y litificación de las partículas de arcilla y limo. [20] [21] Las primeras etapas de la diagénesis, descritas como eogénesis , tienen lugar a profundidades poco profundas (unas pocas decenas de metros) y se caracterizan por bioturbación y cambios mineralógicos en los sedimentos, con solo una ligera compactación. [22] La pirita puede formarse en lodo anóxico en esta etapa de la diagénesis. [8] [23]
El enterramiento más profundo se acompaña de mesogénesis , durante la cual tiene lugar la mayor parte de la compactación y litificación. A medida que los sedimentos se someten a una presión cada vez mayor de los sedimentos suprayacentes, los granos de sedimento se mueven hacia disposiciones más compactas, los granos dúctiles (como los granos minerales de arcilla ) se deforman y el espacio poroso se reduce. [24] Además de esta compactación física, la compactación química puede tener lugar mediante solución de presión . Los puntos de contacto entre los granos están bajo la mayor tensión y el mineral deformado es más soluble que el resto del grano. Como resultado, los puntos de contacto se disuelven, lo que permite que los granos entren en contacto más cercano. [21]
Es durante la compactación que la lutita desarrolla su fisibilidad, probablemente a través de la compactación mecánica del marco abierto original de partículas de arcilla. Las partículas se orientan fuertemente en capas paralelas que le dan a la lutita su estructura distintiva. [25] La fisibilidad probablemente se desarrolla temprano en el proceso de compactación, a una profundidad relativamente baja, ya que la fisibilidad no parece variar con la profundidad en formaciones gruesas. [26] Las lascas de caolinita tienen menos tendencia a alinearse en capas paralelas que otras arcillas, por lo que es más probable que la arcilla rica en caolinita forme lutitas no fisionables que la lutita. Por otro lado, las lutitas negras a menudo tienen una fisibilidad muy pronunciada ( lutitas de papel ) debido a la unión de moléculas de hidrocarburos a las caras de las partículas de arcilla, lo que debilita la unión entre partículas. [27]
La litificación sigue de cerca a la compactación, ya que el aumento de las temperaturas en profundidad acelera la deposición del cemento que une los granos. La solución a presión contribuye a la cementación, ya que el mineral disuelto de los puntos de contacto deformados se vuelve a depositar en los espacios porosos no deformados. Los minerales arcillosos también pueden alterarse. Por ejemplo, la esmectita se altera a illita a temperaturas de aproximadamente 55 a 200 °C (130 a 390 °F), liberando agua en el proceso. [8] Otras reacciones de alteración incluyen la alteración de la esmectita a clorita y de la caolinita a illita a temperaturas entre 120 y 150 °C (250 y 300 °F). [8] Debido a estas reacciones, la illita compone el 80% de las lutitas precámbricas , frente a aproximadamente el 25% de las lutitas jóvenes. [28]
El destechamiento de la pizarra enterrada se acompaña de telogénesis , la tercera y última etapa de la diagénesis. [22] A medida que la erosión reduce la profundidad del enterramiento, la exposición renovada al agua meteórica produce cambios adicionales en la pizarra, como la disolución de parte del cemento para producir porosidad secundaria . La pirita puede oxidarse para producir yeso . [21]
Las lutitas negras son oscuras, como resultado de ser especialmente ricas en carbono no oxidado . Comunes en algunos estratos del Paleozoico y Mesozoico , las lutitas negras se depositaron en ambientes anóxicos y reductores, como en columnas de agua estancada. [8] Algunas lutitas negras contienen abundantes metales pesados como molibdeno , uranio , vanadio y zinc . [8] [29] [30] [31] Los valores enriquecidos son de origen controvertido, habiéndose atribuido alternativamente al aporte de fluidos hidrotermales durante o después de la sedimentación o a la acumulación lenta de agua de mar durante largos períodos de sedimentación. [30] [32] [33]
En las superficies de estratificación de esquisto a veces se conservan fósiles , huellas o madrigueras de animales e incluso impresiones de gotas de lluvia . Los esquistos también pueden contener concreciones que consisten en pirita, apatita o varios minerales carbonatados. [34]
Las pizarras, sometidas al calor y la presión del metamorfismo, se transforman en una roca metamórfica dura y fisible conocida como pizarra . A medida que aumenta el grado metamórfico, la secuencia es filita , luego esquisto y, por último, gneis . [35]
La pizarra es la roca fuente más común de hidrocarburos ( gas natural y petróleo ). [8] La falta de sedimentos gruesos en la mayoría de los lechos de pizarra refleja la ausencia de fuertes corrientes en las aguas de la cuenca deposicional. Estas podrían haber oxigenado las aguas y destruido la materia orgánica antes de que pudiera acumularse. La ausencia de roca carbonatada en los lechos de pizarra refleja la ausencia de organismos que podrían haber secretado esqueletos carbonatados, probablemente también debido a un ambiente anóxico. Como resultado, alrededor del 95% de la materia orgánica en las rocas sedimentarias se encuentra en las pizarras y otras lutitas. Los lechos de pizarra individuales suelen tener un contenido de materia orgánica de alrededor del 1%, pero las rocas fuente más ricas pueden contener hasta un 40% de materia orgánica. [36]
La materia orgánica de la pizarra se convierte con el tiempo a partir de las proteínas originales, polisacáridos , lípidos y otras moléculas orgánicas en kerógeno , que a las temperaturas más altas que se encuentran a mayores profundidades de enterramiento se convierte aún más en grafito y petróleo. [37]
Antes de mediados del siglo XIX, los términos pizarra , esquisto y esquisto no se distinguían claramente. [38] En el contexto de la minería subterránea de carbón , el esquisto se denominaba frecuentemente pizarra hasta bien entrado el siglo XX. [39] La pizarra negra asociada con vetas de carbón se denomina metal negro. [40]
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