East Kirkton Quarry , o simplemente East Kirkton , es una antigua cantera de piedra caliza en West Lothian , Escocia, ahora un renombrado sitio de fósiles. La cantera es conocida por fósiles terrestres y de agua dulce de aproximadamente 335 millones de años de antigüedad, de la etapa tardía de Viséan del subperíodo del Mississippi ( Período Carbonífero Temprano ). [1] [2] [3] La cantera es una depresión de 200 metros de largo (~650 pies) ubicada en la ciudad de Bathgate . Geográficamente, se encuentra en Bathgate Hills, cerca del centro del valle de Midland , una región rica en fósiles del sureste de Escocia. [4] El sitio está dominado por depósitos de toba volcánica , piedra caliza y sílice de grandes lagos de agua dulce asociados con aguas termales y vulcanismo basáltico (rico en hierro) local . Se exponen tres intervalos geológicos: East Kirkton Limestone (el más antiguo), Little Cliff Shale (en el medio) y Geikie Tuff (el más joven).
La piedra caliza de East Kirkton, en particular, ha producido numerosos fósiles bien conservados de tetrápodos ( vertebrados de cuatro extremidades ) y artrópodos ( invertebrados quitinosos de múltiples patas como milpiés y arácnidos ). East Kirkton había sido ignorado por los paleontólogos desde la década de 1840, pero el coleccionista de fósiles escocés Stan Wood logró adquirir el terreno en 1985, lo que despertó una oleada de interés científico. Nuevas especies de East Kirkton han sido nombradas periódicamente desde 1990, y casi todas estas especies no se han encontrado en ningún otro lugar. Los descubrimientos notables incluyen Westlothiana (uno de los tetrápodos del Misisipi más parecidos a reptiles), Balanerpeton (un temprano representante común de los anfibios del grupo Temnospondyli ) y Pulmonoscorpius (el escorpión terrestre más grande conocido ). El área de East Kirkton representa un entorno poco convencional: bosques secos y lagos ricos en minerales ubicados entre conos de ceniza volcánica . Los animales acuáticos, aunque no son infrecuentes, son menos diversos que los que se encuentran en los bosques de carbón pantanosos y los sedimentos costeros que prevalecen en otros sitios fósiles del Carbonífero escocés. La prevalencia de organismos terrestres representa una tendencia más amplia de disminución de la dependencia de un estilo de vida anfibio durante el Período Carbonífero.
Ya en la década de 1820, East Kirkton era conocido como un sitio enigmático, relevante para amplios debates sobre la naturaleza de los procesos geológicos. [5] A finales del siglo XVIII y principios del XIX, los petrólogos (geólogos que estudian la formación de rocas) se dividieron en dos bandos. Los neptunistas sostenían que la mayoría de las rocas se precipitaban en aguas ricas en minerales, mientras que los plutonistas identificaban el magma como el medio del que se originaban la mayoría de las rocas. Los experimentos con rocas a base de carbonatos (como la piedra caliza) respaldaron las interpretaciones neptunistas de la petrología, mientras que la evidencia de rocas a base de sílice (como el granito ) favoreció las opiniones plutonistas. [6] East Kirkton presentó una contradicción: gruesas capas de carbonato (piedra caliza) entremezcladas con lechos silíceos ( pedernal ) más raros, enfatizando cómo ambos tipos de rocas pueden ocurrir en estrecha sucesión. [5] [7]
El primer geólogo que estudió el sitio fue John Fleming (1825), un neptunista escocés que consideraba que tanto el carbonato como el pedernal derivaban de agua subterránea calentada. [5] Durante las décadas de 1830 y 1840, la cantera arrojó algunos fósiles interesantes de plantas carboníferas y euriptéridos ("escorpiones de mar", un tipo de artrópodo extinto), aunque esto no era infrecuente en las canteras de la zona. [5] [8] [9] [10] El geólogo inglés Samuel Hibbert (1836) discutió la interpretación de Fleming, identificando la piedra caliza como agua dulce debido a la prevalencia de fósiles de plantas y la ausencia de fósiles marinos. Llamó la atención sobre la aparición de toba volcánica en el sitio y atribuyó la sílice y el carbonato a la mineralización de aguas termales. [8]
Cuando la cantera dejó de funcionar en 1844, el sitio quedó, en su mayor parte, olvidado como una nota geológica a pie de página. [10] El geólogo escocés Archibald Geikie (1861) determinó que la piedra caliza de "Kirkton" no era una sola unidad, sino dos secuencias distintas, una en la cercana cantera de West Kirkton y la otra en East Kirkton. Apoyó la interpretación de Hibbert, considerando que las canteras de Kirkton representan grandes lagos influenciados por fuentes termales en una antigua llanura volcánica. [7] East Kirkton recibió poca atención en las décadas siguientes, ya que el neptunismo disminuyó en la mayoría de las aplicaciones mientras que el plutonismo se estableció como una teoría científica sólida . El terreno al sur de la cantera se desarrolló para viviendas mientras la cantera permanecía abandonada. [11] [12] La opinión predominante era que, con la excepción de los raros euriptéridos de agua dulce, el contenido fósil de East Kirkton era comparativamente corriente. [1] [10] [13] Un estudio notable en el siglo transcurrido desde el artículo de Geikie fue el de Muir y Walton (1957), quienes revisaron investigaciones anteriores e investigaron la textura microscópica y el origen del carbonato con más detalle. [9]
Las décadas de oscuridad de East Kirkton terminaron en 1984, cuando el coleccionista de fósiles escocés Stan Wood descubrió un cráneo fragmentario de tetrápodo entre las losas de piedra caliza del montón de escombros de la cantera. [11] Según relatos populares, se dio cuenta del montón de escombros mientras arbitraba un partido de fútbol en un campo cercano. Wood compró la cantera abandonada al consejo del distrito de West Lothian el verano siguiente. [14] Wood y el paleontólogo de la Universidad de Cambridge, Timothy R. Smithson, comenzaron la recolección sistemática de fósiles de la cantera de 1985 a 1990. Con la noticia del descubrimiento, un equipo de geólogos de los Museos Nacionales de Escocia (encabezados por WD Ian Rolfe) inició una investigación estratigráfica . en 1987-1992. [15] [1] [10]
Los fósiles descubiertos por Wood incluyen una amplia muestra de artrópodos fósiles terrestres y de agua dulce y de los primeros anfibios de East Kirkton Limestone. [16] Unos años más tarde se encontró una muestra más pequeña de fósiles de peces y plantas en estratos más jóvenes. [10] Wood y sus colegas publicaron sus hallazgos iniciales en una carta de Nature de 1985 . [16] [10] [13] Dos taxones notables mencionados en la carta de 1985 fueron el cosechador más antiguo conocido (un "papá de patas largas", apodado Brigantibunum en 2005) [17] y el anfibio temnospondilo más antiguo conocido (descrito como Balanerpeton en 1993) . [18] East Kirkton es quizás más famoso por Westlothiana , un pequeño tetrápodo descubierto en 1988 e inicialmente reportado como el reptil más antiguo conocido en 1989. [19] [20] Se presentaron las excavaciones de Wood en East Kirkton, y Westlothiana , entonces sin nombre . en el primer episodio de Lost Worlds, Vanished Lives , un documental de la BBC de 1989 presentado por Sir David Attenborough . [14] Westlothiana ha sido posteriormente reinterpretado como un tallo - reptiliomorfo amniota . En otras palabras, era un anfibio estrechamente relacionado con los amniotas (el grupo que contiene los tetrápodos adaptados a la sequía, como los reptiles y los mamíferos , con huevos reforzados y piel engrosada). Gracias a su grado de exhaustividad, Westlothiana sigue estando entre los mejores paradigmas de la transición anfibio-amniota. [21] [22]
East Kirkton fue el tema principal de una conferencia organizada por la Royal Society de Edimburgo en 1992. La conferencia produjo una serie de más de 20 artículos publicados en 1993-94 como "Vulcanismo y biotas terrestres tempranas" (volumen 84, números 3-4 de Transacciones de Ciencias de la Tierra y el Medio Ambiente de la Real Sociedad de Edimburgo). [1] [10] [23] [13] Se han seguido describiendo nuevas especies a partir de las colecciones de Wood y otras expediciones hasta el día de hoy. [13] [24] [25] En 2011, la paleontóloga de Cambridge Jennifer A. Clack nombró una nueva especie de microsaurio de East Kirkton , Kirktonecta milnerae , en honor al sitio. [26] East Kirkton Quarry ha sido designada como Sitio de Geodiversidad Local (LGS) de West Lothian y Sitio de Especial Interés Científico (SEIC). [27]
La cantera East Kirkton conserva hasta 19 m (62 pies) de estratos de la parte media-inferior de la formación volcánica Bathgate Hills. Es equivalente en el tiempo a las rocas de la parte superior (Miembro Hopetoun) de la Formación West Lothian Oil-Shale, expuesta al norte de Linlithgow . [28] Ambas formaciones son parte del grupo Strathclyde más amplio [29] (denominado informalmente Oil-Shale Group) [10] que se encuentra en todo el valle de Midland de Escocia. [30] [29] [31]
En comparación con estratos equivalentes de esquisto bituminoso, se estima que East Kirkton pertenece al Brigantiano ( etapa global de Viséan más alta ) del subperíodo del Mississippi (la parte inferior del período Carbonífero). Esto la situaría cerca del final de la etapa regional dinantiana . [10] En términos numéricos, el sitio puede tener entre 330 [32] y 338 [33] millones de años, con una estimación común de 335 millones de años. [10] [23]
East Kirkton es uno de los muchos depósitos de piedra caliza geográficamente restringidos que afloran en una tangente norte-sur entre Bathgate y Linlithgow. [8] [28] La cercana cantera West Kirkton es un depósito de piedra caliza marina ligeramente más joven. [7] [28] West Kirkton no logró producir ningún fósil significativo, ya que había sido rellenado y remodelado cuando Stan Wood comenzó sus excavaciones en 1985. [14]
Las rocas de East Kirkton se sumergen (inclinan) en la pared oeste de la cantera. Los estudios de magnetómetro y resistividad revelan una pequeña falla de norte a sur justo al oeste de la cantera. El desplazamiento vertical de los estratos a lo largo de la falla habría sido responsable de traer sedimentos de grano fino a la superficie. La falla indica que la naturaleza localizada del sitio es una consecuencia de procesos tectónicos modernos más que de una antigua deposición restringida. [12]
Se pueden encontrar tres intervalos geológicos distintivos en la cantera: Geikie Tuff (el más joven/más alto), Little Cliff Shale (en el medio) y East Kirkton Limestone (el más antiguo/más bajo). El área mejor expuesta es un afloramiento de 15 m (49 pies) de espesor en el borde noroeste de la cantera. Aquí, los tres intervalos se subdividen en una serie de unidades delgadas, etiquetadas del 1 al 88 desde la parte superior del afloramiento (el punto más joven) hasta la parte inferior del afloramiento (el punto más antiguo). [10]
La toba Geikie (unidades 1 a 31), como su nombre lo indica, se compone principalmente de toba volcánica de color verde amarillento . Los fósiles, aunque abundantes en unas pocas capas, tienen una diversidad y preservación limitadas. Incluyen principalmente escamas de peces, fragmentos de plantas y caparazones de ostrácodos (diminutos crustáceos bivalvos ). También se encuentran nódulos de piedra de hierro . La toba Geikie tiene más de 4 m (13 pies) de espesor en el afloramiento principal, aunque puede alcanzar los 8 m (26 pies) de espesor en los pozos exploratorios . [10] Las secciones estratigráficas obtenidas a través de perforaciones han demostrado que la toba está cubierta por basalto . [10] [12]
Los pseudomorfos de cristales de olivino y plagioclasa indican que la toba es de naturaleza basáltica . Los granos volcánicos son gruesos y redondeados, ordenados en capas lenticulares discontinuas con lechos graduados . Esto sugiere que el material volcánico no fue suministrado directamente por un flujo piroclástico , un aumento de base o una caída de ceniza . Más bien, fue arrastrado como escombros de depósitos de cenizas más antiguos, que se depositaron bajo el agua junto con madera y otros fragmentos no volcánicos. Lo más probable es que el área haya experimentado pequeñas erupciones intermitentes de conos de ceniza , que proporcionaron ceniza basáltica o lava como predecesor del material de toba. [15] [34]
Little Cliff Shale (unidades 21 a 36) es el intervalo más delgado expuesto en el sitio. Alcanza su mayor espesor (aproximadamente 1,85 mo 6,07 pies) cerca de la mitad del muro oeste de la cantera. Los sedimentos de Little Cliff Shale incluyen lutitas de color gris azulado intercaladas con toba verdosa. Los fósiles y la piedra de hierro son más comunes que en Geikie Tuff, con la adición de cutícula de escorpión y una mayor diversidad de restos de plantas y peces. [15] [10]
La piedra caliza de East Kirkton (unidades 36 a 88) es, con diferencia, la secuencia más espesa, fosilífera y geológicamente diversa de la cantera. [10] La mayoría de las capas son piedra caliza laminada (en capas delgadas) , con una textura de grano fino de esferulitas calcáreas (granos en forma de cuentas). En algunas capas pueden aparecer lechos de esquisto negro , piedra caliza tobácea gruesa, sílice ( pedernal y calcedonia ), pirita , yeso y toba. [9] [15] [10] Los fósiles de tetrápodos, artrópodos y plantas abundan en toda la piedra caliza. Por el contrario, los peces están ausentes más allá de la unidad 36 y los ostrácodos están restringidos en su mayoría a horizontes con esquisto negro. Muchos lechos laminados están deformados o alabeados y son comunes las costras estromatolíticas y los filamentos de algas. [10] Se pueden ver pequeñas características de hundimiento en algunas capas, probablemente correspondientes a la pendiente entre las partes poco profundas y profundas del lecho de un lago. [9] [35] El lecho del lago probablemente estaba privado de oxígeno, según marcadores geoquímicos de trazas de metales y una ausencia de bioturbación (perturbación mediada por animales). [15] [36] Se desconoce el verdadero espesor de la piedra caliza, pero unos 9 m (30 pies) están expuestos en el afloramiento principal. [10]
Los datos de isótopos estables ayudan a precisar el origen de minerales como la sílice y la pirita en la piedra caliza. Las proporciones de isótopos de hidrógeno y oxígeno indican que los lechos de pedernal precipitaron a partir de agua meteórica calentada a alrededor de 60 °C (140 °F), con una cantidad menor de reciclaje mineral después de la deposición. Las moléculas de azufre en la pirita son bastante livianas, lo que se argumenta que la formación de cristales estuvo mediada por la actividad bacteriana. Sin embargo, la pirita también era lo suficientemente pesada como para implicar un suministro constante de azufre-34 , probablemente procedente de lechos de yeso más antiguos calentados por la actividad magmática. [37] Tanto la sílice como la pirita respaldan interpretaciones históricas de una influencia hidrotermal en la piedra caliza de East Kirkton. [15] [37] Otra hipótesis, basada en las tendencias de los isótopos de estroncio , es que el calor y el agua subterránea alcalina son subproductos de reacciones químicas entre los minerales de toba y las moléculas de dióxido de carbono que se filtran a través del agua meteórica (como la lluvia). [38]
Contrariamente a sugerencias anteriores, [5] [8] [7] [15] los minerales calcáreos de East Kirkton Limestone (principalmente calcita ) probablemente no sean de origen directamente hidrotermal. [9] [36] [35] Sin embargo, East Kirkton es un modelo útil para la formación de piedra caliza de agua dulce rica en esferulitas en entornos volcánicos. [9] [35] La mayoría de las calizas con esferulitas dependen de una alta proporción de partículas de arcilla , pero la arcilla constituye sólo una pequeña porción de la piedra caliza de East Kirkton. La interpretación predominante es que la formación de esferulita en East Kirkton sigue una vía de mineralización compleja. [9] [36] [35]
En la secuencia reconstruida de formación de esferulitas, los lagos de agua dulce reciben altas concentraciones de minerales alcalinos disueltos y ácidos microbianos. Estas condiciones favorecen la precipitación de calcita fibrosa, que se acumula en hebras de material orgánico como algas o cianobacterias en la parte poco profunda de un lago. La calcita fibrosa actúa como base para bolas radiantes de calcita botrioidal (grumosa). Incluso una vez que las algas mueren y se asientan, la calcita continúa acumulándose en costras y cúpulas en el lecho del lago. Las concentraciones fluctuantes de minerales provocan una corrosión constante y una reprecipitación de la calcita. La acción de las olas rompe las costras de calcita en granos más pequeños, que periódicamente son arrastrados hacia partes más profundas del lago. Este suministro periódico de granos de esferulita es responsable de la apariencia laminada de la piedra caliza, alternando entre bandas microscópicas de arcilla oscura y material orgánico, y bandas más gruesas (aunque todavía estrechas) de calcita. [36] [35] La diagénesis (calor y presión subterráneos) fractura y calienta la calcita después de la deposición, introduciendo huecos y una mayor reprecipitación dentro de los moldes de las cadenas de algas. [9] [35]
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Durante Dinantian, el valle de Midland habría sido una zona de rift de tierras bajas subtropicales . Las fallas y los flujos de lava enfriados habrían contribuido al paisaje al desviar ríos y represar lagos, [39] al igual que la progradación de los sistemas deltaicos más al este. [40] Algunos de los lagos pueden haber llenado cráteres volcánicos, formando lagos de cráteres bajos (también conocidos como maars ). La mayoría de los volcanes individuales eran pequeños pero numerosos, destacando las erupciones basálticas y freáticas junto con las aguas termales. Los entornos equivalentes modernos incluyen el sistema de volcanes alrededor del canal de Mozambique y la Chaîne des Puys en Francia. [39]
Hacia el norte y el este había un gran sistema de lago o estuario conocido por los geólogos como lago Cadell. Fue responsable de la deposición de la mayoría de los sedimentos que componen la Formación West Lothian Oil-Shale. Una extensión de tierras altas volcánicas secas se encontraba al oeste de East Kirkton. Estas tierras altas, formalmente conocidas como Clyde Plateau , carecían por completo de cualquier forma de deposición de piedra caliza. La piedra caliza de East Kirkton se depositó en un momento y lugar en la intersección entre estos dos ambientes, cuando la meseta seca en expansión comenzó a desplazar al lago salobre, permitiendo el desarrollo de un ecosistema ribereño en el área de Bathgate. [29] [35]
East Kirkton estaba ubicado cerca del ecuador en Viséan. El clima era cálido y semiárido , volviéndose gradualmente más húmedo a medida que avanzaba el Carbonífero. [41] [39] [28] [42] Las precipitaciones fueron lo suficientemente frecuentes como para sustentar bosques y ecosistemas lacustres, pero lo suficientemente infrecuentes como para disuadir a los bosques de carbón y permitir la deposición de yeso. [39] [28] [42] Las condiciones más húmedas de Geikie Tuff pueden corresponder a la expansión de un lago más grande en el área de East Kirkton. [28] El pedernal y la pirita, junto con fósiles de plantas permineralizadas, pueden indicar que las aguas termales prevalecieron durante la deposición de la piedra caliza de East Kirkton. [28] [43]
Todos los fósiles de tetrápodos de East Kirkton se han conservado en sedimentos acuáticos de la piedra caliza de East Kirkton. La mayoría de los fósiles provienen de losas de piedra caliza esferulítica laminada (unidades 70 e inferiores), aunque los especímenes mejor conservados provienen de una fina capa de esquisto negro (unidad 82). Los fósiles de peces no se encuentran junto a los fósiles de tetrápodos, lo que sugiere que los tetrápodos vivían en o alrededor de cuerpos de agua menos profundos que los que sustentaban a los peces de agua dulce locales. [44]
Las especies de tetrápodos de East Kirkton son todas endémicas , aunque algunos grupos más amplios ( dendrerpetóntidos , aistópodos , " antracosaurios ", etc.) se pueden encontrar en otras localidades del Carbonífero. Notablemente ausentes están los adelogyrinidos , Crassigyrinus , Doragnathus y lisorofianos , todos los cuales se consideran completamente acuáticos. [15] [44] La ausencia de lisorofianos podría explicarse por la edad de East Kirkton, que es mucho más antigua que los miembros acuáticos conocidos del grupo. [44] Los amniotas verdaderos también están ausentes y solo se ha descubierto un fósil de microsaurio. [26] La rareza de los microsaurios puede deberse a factores geográficos más que ambientales, ya que se conocen pocos fósiles del grupo en otros sitios británicos. En general, East Kirkton tiene un carácter más terrestre que otros sitios fósiles escoceses, aunque algunas especies acuáticas o semiacuáticas ciertamente también habitaban el área. [44]
Aunque pocas de las especies de peces de East Kirkton se han descrito formalmente, la información disponible sugiere que el lago East Kirkton albergaba un ecosistema diverso de agua dulce. Los tipos de cuerpo observados en los peces de East Kirkton incluyen depredadores generalistas fusiformes (con forma de atún) y durofagos de cuerpo profundo ( Eurynotus ). La fauna de peces es comparable a la de otros sitios en las lutitas bituminosas del Mississippi en Escocia. Sólo el Granton Shrimp Bed , un ambiente completamente marino, carece de peces de agua dulce y tetrápodos. [52]
Además de los fósiles corporales directos de peces, también se encuentran coprolitos en varias capas cerca de la transición Little Cliff Shale-East Kirkton Limestone. Son comunes los pequeños coprolitos con forma de perdigón, bala y cigarro, que a menudo contienen caparazones de ostrácodo y, en un caso, fragmentos de hueso. Una masa irregular, que contiene ostrácodos y fragmentos de plantas, puede ser una regurgitación. Los coprolitos alargados en espiral son más raros y habrían sido producidos por elasmobranquios similares a los tiburones modernos. Los tetrápodos pueden haber producido coprolitos irregulares o en forma de hebras, aunque no se pueden excluir los peces. Los grandes euriptéridos omnívoros, como Hibbertopterus , o, menos probablemente, grandes peces rizodontes , produjeron racimos masivos de granos fosfatados . [53]
Además de los artrópodos , otros invertebrados identificados incluyen los ostrácodos de agua dulce ( Carbonita ) y los bivalvos ( Curvirimula ?). [10] Los ostrácodos probablemente formaron la base de la cadena alimentaria acuática, ya que se han encontrado como contenido estomacal en varios peces y fósiles de tetrápodos. [23]
Los fósiles de plantas de East Kirkton son fragmentarios pero diversos, y pequeños fragmentos de fusain (carbón fosilizado) son comunes en la piedra caliza de East Kirkton. [15] [42] El área probablemente era un bosque o un bosque abierto frecuentado por incendios forestales . Hay pocas plantas acuáticas aparte de las laminaciones de algas, y los fragmentos de licopsidos (un indicador de bosques pantanosos) sólo son comunes en Geikie Tuff. Los bosques circundantes probablemente estaban más secos durante la deposición de Little Cliff Shale y East Kirkton Limestone. La flora de East Kirkton es bastante típica de la Escocia viséana; la mayoría de las especies encontradas aquí han sido reportadas anteriormente en Midland Valley. [42]
La madera de gimnospermas y las hojas de helecho (particularmente Spathulopteris y Sphenopteridium ) son los fósiles de plantas más comunes en East Kirkton. Estas plantas también abundan en Weaklaw, un depósito de ceniza volcánica de la época de Viséan en East Lothian . No está claro si esta similitud revela una preferencia por áreas volcánicas o simplemente una bioestratigrafía más amplia . [42]
Los fósiles de plantas se han fosilizado a través de varias vías químicas diferentes. En East Kirkton Limestone, las partes robustas de las plantas, como las ramas de gimnospermas y las raíces de Stigmaria , a menudo se conservan mediante permineralización ( petrificación ). Durante la permineralización, el material orgánico original se reemplaza secuencialmente con sílice y/o carbonato transportado por agua subterránea alcalina . Más comúnmente, el calor y la presión comprimen la materia orgánica en películas carbonosas . Estas compresiones carbonificadas de madera y follaje se pueden encontrar prácticamente en todas las capas del sitio. Algunos fósiles están comprimidos y permineralizados, particularmente en las capas superiores (unidades 44 a 48) de la piedra caliza de East Kirkton. [15] [43]