La Formación Marcellus o Marcellus Shale es una unidad de roca sedimentaria de la era Devónica media que se encuentra en el este de América del Norte . Recibe su nombre de un afloramiento distintivo cerca del pueblo de Marcellus , Nueva York , en los Estados Unidos , [3] y se extiende por gran parte de la cuenca de los Apalaches . [4] [5] [6]
El nombre de la unidad utilizado por el Servicio Geológico de Estados Unidos (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 "Marcellus Formation" también es aceptable dentro del estado de Pensilvania. [7] La unidad fue descrita y nombrada por primera vez como "Marcellus shales" por J. Hall en 1839. [8]
El Marcellus consiste predominantemente de esquisto negro y algunos estratos de piedra caliza y concentraciones de pirita de hierro ( Fe S 2 ) y siderita (Fe CO 3 ). [9] Como la mayoría de los esquistos, tiende a partirse fácilmente a lo largo del plano de estratificación, una propiedad conocida como fisibilidad . [9] Los esquistos de color más claro en la parte superior de la formación tienden a partirse 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 del esquisto piriteífero pueden desarrollar la mineralización secundaria de limonita anaranjada (Fe O ( OH )·nH 2 O), y la eflorescencia o floración de azufre de color amarillo pálido , asociada con el drenaje ácido de roca . [11]
La pirita es especialmente abundante cerca de la base, [12] y los contactos superiores de las calizas, pero los microcristales framboidales y los cristales euhedrales de pirita se encuentran 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). [16]
El contenido orgánico total medido de Marcellus varía de menos del 1% en el este de Nueva York, a más del 11% en la parte central del estado, [17] [18] y la pizarra puede contener suficiente carbono para soportar la combustión . [19] Las pizarras negras más ricas en materia orgánica pueden ser bituminosas , pero son demasiado antiguas para contener carbón bituminoso formado a partir de plantas terrestres. [20] En la geología del petróleo , estas pizarras negras son una roca fuente importante que llenó los depósitos de petróleo convencionales en las formaciones suprayacentes, son un depósito de gas de esquisto no convencional y son un sello impermeable que atrapa los depósitos de gas natural convencionales subyacentes . [21] Al oeste, la formación puede producir petróleo líquido ; más al norte, el calentamiento durante un enterramiento más profundo hace más de 240 millones de años convirtió 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, el esquisto de Marcellus se extiende a través de las regiones de Southern Tier y Finger Lakes de Nueva York , en el norte y oeste de Pensilvania , el este de Ohio , a través del oeste de Maryland y en 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 hacia 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 el Marcellus están casi en ángulos rectos, cada uno de ellos generando grietas en la formación que corren perpendiculares al plano de estratificación, que se encuentra casi nivelado. [10] Estas juntas forman acantilados lisos casi verticales , y los planos de unión que se cruzan forman esquinas salientes en las caras 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 parecen 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 hasta 0,3 m (1 pie) de espesor, pero no produjeron un combustible valioso, a pesar del considerable esfuerzo invertido en extraerlo de las colinas circundantes. [30] Las algas y las plantas marinas probablemente formaron el carbón falso. El carbón verdadero se forma a partir de plantas terrestres, que solo comenzaron a aparecer en Marcellus y 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 franja de este a oeste que atraviesa la ciudad de Syracuse [14] sea 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 2700 m (8900 pies) debajo de la superficie en el sur de Pensilvania. [25]
Los estratos volcados están expuestos en secciones de los Apalaches plegados de Ridge-and-Valley , [23] incluyendo exposiciones en los flancos y el eje del Sinclinorio Broad Top en el centro sur de Pensilvania. [12] Los estratos expuestos son casi horizontales en la meseta de Allegheny, [34] pero volcados para formar estratos ligeramente volcados que se encuentran a lo largo del frente de Allegheny . [35] Desde Wind Gap, Pensilvania hacia el sur, la inclinación de los estratos se hace más pronunciada, volviéndose vertical en Bowmanstown en el río Lehigh . [30] Cerca de allí, en el área de Lehigh Gap de Pensilvania, el Marcellus está extensamente fallado , [36] y los estratos están volcados abruptamente, con un ángulo de inclinación inversa de hasta 40° al sur. [30]
Los geólogos clasifican la formación de esquisto Marcellus y las lutitas de grano fino cercanas a la mitad de la Formación Mahantango como formadoras de pendientes . [37] Los lechos de esquisto Marcellus y Mahantango que se inclinan entre 60° y 75° hacia el oeste forman las pendientes orientadas al oeste de Tonoloway Ridge en el flanco oeste del anticlinal de Cacapon Mountain en el Panhandle oriental de Virginia Occidental . [38] En la rama oriental de este anticlinal, los lechos de estas lutitas que se inclinan hacia el este en un ángulo menos profundo también forman las pendientes pronunciadas en el lado este de Warm Springs Ridge . [38]
El Marcellus se erosiona fácilmente y también se encuentra debajo de áreas bajas entre algunas crestas de los Apalaches, formando valles lineales de relieve moderado. Estas superficies de lecho rocoso suelen estar 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 del Marcellus y las lutitas Hamilton suprayacentes son profundos, libres de piedras y muy adecuados para la agricultura . [10] El muestreo del suelo formado en el lecho rocoso de Marcellus mostró que la mineralogía dominante consistía en cuarzo , ilita , montmorillonita , moscovita y biotita , con fases de todorokita y trona que aparecen a profundidades más cercanas al lecho rocoso. [39]
Los lechos volcados de la pizarra blanda también capturan arroyos y ríos con segmentos relativamente rectos en valles de rumbo como el arroyo Aquashicola y el arroyo McMichael al pie de The Poconos , [30] y la sección larga y recta del río Lost en Virginia Occidental. [40] Debajo de Port Jervis, Nueva York , la cresta Walpack 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 estatal de Pensilvania - Nueva Jersey durante 40 km (25 mi) hasta el final de la cresta en Walpack Bend en el Área de Recreación Nacional Delaware Water Gap . [1] [41] El Minisink es un valle enterrado donde el Delaware fluye en un lecho de till glacial que enterró el lecho rocoso erosionado de Marcellus durante el último período glacial . Este valle enterrado continúa a lo largo del curso del río 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 , Marcellus es la unidad más baja del Grupo Hamilton de la era Devónica , y se divide en varias subunidades. En el primer Servicio Geológico de Pensilvania , iniciado en 1836, Henry Darwin Rogers clasificó a Marcellus como la "pizarra negra cadente inferior", a la que numeró "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 formular nombres geológicos basados en características observadas que pueden variar de un lugar a otro o necesitar revisión en el futuro, y a favor de la nomenclatura basada en la ubicación donde "la roca o el grupo recibirá su nombre del lugar donde se desarrolla mejor". [45] Sus argumentos resultaron persuasivos, y el nombre basado en la ubicación para este y muchos otros nombres de grupos que publicó basados 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, la formación Marcellus Shale se ubicó debajo del Grupo Hamilton en la base de la división Erie del sistema de Nueva York, pero esta taxonomía está obsoleta. [41]
En la práctica actual, la lutita Marcellus (abr. Dm o Dms) se clasifica como la unidad basal del Grupo Hamilton (Dh), [17] que se encuentra debajo del miembro de este grupo, la Formación Mahantango (Dmh), en Pensilvania [46] y Maryland. En Nueva York, la Mahantango, también de edad Devónica media, se divide aún más. Allí, la Marcellus está separada de la Formación Skaneateles suprayacente, una lutita oscura más clástica y fosilífera, por la delgada capa de caliza Stafford o Mottville. [47] [48]
En Virginia Occidental, el Marcellus puede estar separado de las lutitas pardas del Mahantango por capas de arenisca y concreciones ocasionales , [49] o puede estar directamente debajo de la Formación Harrel del Devónico Tardío más joven (o sus equivalentes laterales) debido a una discordancia , [50] que representa una brecha en el registro geológico debido a un período de erosión o no deposición. En el este de Ohio, el Grupo Hamilton también se encuentra discordantemente debajo del Miembro de Lutitas Rhinestreet de la Formación West Falls , otra lengua de lutitas negras transgresora con características similares al Marcellus. [51]
La pizarra Marcellus se encuentra típicamente depositada sobre la caliza de la Formación Onondaga (Don), que se extiende hasta el final del período Devónico temprano . El contacto entre ellas puede ser agudo, gradual o erosivo. En el suroeste de Ontario, Canadá, al norte del lago Erie , la Marcellus se superpone a la Formación Dundee, un equivalente lateral de la Onondaga. [52] [53] En Pensilvania, la Marcellus forma un contacto conformable agudo con el miembro de piedra caliza Selinsgrove de la Onondaga. [54] También se encuentra una capa delgada de pirita-carbonato en la base de la pizarra negra Marcellus en las exposiciones del centro sur de Pensilvania, sobre una capa delgada de pizarra verde calcárea, que se encuentra sobre la piedra caliza Onondaga. [19]
En el este de Nueva York, el contacto entre Marcellus y Onondaga (donde está presente) es gradual. [55] [56] En el oeste de Nueva York, el miembro Union Springs de Marcellus se superpone de manera conformal al miembro Seneca de Onondaga Limestone, [13] o el miembro estratigráficamente más alto Cherry Valley Limestone puede descansar directamente y de manera discordante sobre Onondaga en ausencia de la pizarra Union Springs. [57] [52] La desaparición local de unidades de Onondaga sugiere que su contacto superior con Marcellus puede ser erosivo. [57] En el condado de Erie en el oeste de Nueva York, tanto el contacto superior como el inferior de Marcellus están erosionados. [58]
En el este de Virginia Occidental, el Marcellus se encuentra sobre el Grupo Onesquethaw, que consiste en la lutita Needmore, de color gris oscuro o verde, calcítica, en su mayoría no fisible, que se gradúa hacia el oeste hasta llegar a Huntersville Chert. [49] Al sur y al oeste, el Grupo Hamilton se gradúa lateralmente hacia la formación de lutita Millboro en el sur de Virginia Occidental y Virginia, [59] que se gradúa hacia la parte inferior de la lutita Chattanooga de Tennessee . [60]
La formación Milboro es gradual con la formación subyacente de esquisto Needmore. [60] Al sur de la línea Mason-Dixon , debido a la dificultad de diferenciar las lutitas Millboro y Needmore con las exposiciones limitadas disponibles, [61] y la incertidumbre inicial en correlación con el estudio de Nueva York, se mapearon 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 a través del rastreo de las exposiciones de Nueva York a través de Pensilvania y Maryland hasta Virginia Occidental, por lo que bajo el principio de prioridad científica , [38] la clasificación Romney ahora está obsoleta; pero sus miembros de esquisto Marcellus y Needmore subyacente todavía se encuentran agrupados en una unidad de mapa indiferenciada (Dmn). [62]
La metabentonita de Tioga o bentonita K –unidad estratigráfica de aproximadamente 0,6 m (2 pies) de espesor que consiste en varias caídas de ceniza volcánica relativamente delgadas y discretas– también se incluye en la base del Marcellus en el este de Pensilvania. [46] En 1843 fue descrita sin ser nombrada por Hall, [64] y pasaron más de 100 años antes de que finalmente fuera nombrada por el 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 el 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 capas, [68] también ha llevado a muchas correlaciones erróneas. [69]
Desde Virginia hasta Nueva York, el Tioga está ampliamente distribuido, recorriendo las partes central y norte de la cuenca de los Apalaches, [70] una extensión superficial que supera los 265.000 km2 ( 102.000 millas cuadradas). [71] Las erupciones explosivas asociadas con la orogenia acadia [72] que se originaron cerca de la actual Virginia central liberaron la ceniza 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 difieren de los sedimentos clásticos redondeados a través del proceso de erosión que los lleva al mar. [69] A medida que la ceniza volcánica se depositaba en el fondo, se mezclaba con estos componentes terrígenos, produciendo una litología distintiva en la roca sedimentaria. [69]
El Tioga puede aparecer en la formación como un lecho o una separación de color 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 la arena. [73] La zona del lecho de cenizas de Tioga consiste en ocho lechos de cenizas etiquetados de acuerdo con su orden estratigráfico de A (más antiguo) a H (más joven), [70] [74] y otro lecho conocido como la zona media gruesa de Tioga. [68] [71] Sus lechos basales se encuentran dentro de los lechos superiores de la caliza Onondaga o la lutita Needmore, y el lecho de cenizas superior dentro de la parte más baja de la lutita Marcellus o Millboro. [59] En el oeste del estado de Nueva York, el lecho de cenizas Tioga B marca el límite entre los miembros Moorehouse y Seneca de la Formación Onondaga, [75] pero en la parte central del estado y la parte sur de la cuenca, los lechos de cenizas están en realidad en Marcellus. [56] [70] [76] Esto indica que la deposición de Marcellus allí comenzó antes, [56] ya que los lechos de cenizas representan una sola época en el tiempo geológico.
El espesor máximo de Marcellus varía de 270 m (890 pies) en Nueva Jersey, [1] a 12 m (40 pies) en Canadá. [27] En Virginia Occidental, Marcellus Shale tiene hasta 60 m (200 pies) de espesor. [49] En el extremo este de Pensilvania, tiene 240 m (790 pies) de espesor, [41] adelgazándose hacia el oeste, llegando a tener 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 estratos finalmente "se abren" hacia el oeste porque la deposición fue limitada por el Arco de Cincinnati , [51] [78] el abultamiento que formó la costa oeste de la cuenca. Cuando la formación es relativamente gruesa, se divide en varios miembros y, a medida que la formación continúa espesándose hacia el este, estos miembros se dividen aún más. Algunos investigadores optaron por clasificar a Marcellus como un subgrupo y clasificar algunos de los miembros como formaciones separadas.
Un miembro local de caliza Purcell, de 15 a 30 m (49 a 98 pies) de pizarra calcítica intercalada y piedra caliza, [67] divide el Marcellus en el este de Pensilvania. [46] El Purcell es estratigráficamente equivalente al miembro Cherry Valley Limestone en Nueva York, [79] un packstone bioclástico , [13] que consiste en calizas esqueléticas, con intervalos de lutitas [18] entre su capa inferior de caliza masiva, caliza/ marga nodular gruesa y capa superior de caliza. [80] Otros miembros nombrados incluyen Bakoven Shale, Cardiff Shale, Chittenango shale, arenisca Solsville, pizarra y piedra caliza Union Springs, [81] y pizarra y piedra caliza Stony Hollow. [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 pizarra de color gris negruzco a negro, de estratos delgados, rica en materia orgánica, piritífera, con capas concrecionales de lutita, [80] y delgadas bandas de limo en el fondo. Al este, se convierte en el Miembro Bakoven, una pizarra más oscura y menos orgánica con menos capas de piedra caliza. [18] Al oeste, las capas de Union Springs se adelgazan, y sus calizas superiores se fusionan con el Miembro Cherry Valley calcáreo suprayacente. [18] Aparece una discordancia regional en el oeste de Nueva York, a medida que Union Springs se acerca y se aleja, [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 la lutita de Oatka Creek, rica en materia orgánica, de color gris oscuro a negro. A diferencia de las otras lutitas devónicas de esta región, la lutita gris en la parte superior de Oatka Creek se engrosa gradualmente hacia el oeste, así como hacia el este, [83] donde se divide en el miembro Cardiff, que se encuentra por encima del miembro Chittenango en el centro de Nueva York. [18] Las lutitas negras hollín, ricas en materia orgánica y fisionables conforman el miembro Chittenango. [80] En la base de Chittenango, [84] por encima de la lutita del miembro Bierne, [85] se encuentra el lecho de Halihan Hill, una 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. El Bridgewater es un esquisto limoso oscuro fisible con fósiles relativamente raros. Una delgada zona de concreción se encuentra encima, luego el Solsville gradúa desde un esquisto calcáreo gris, a limolitas arenosas y areniscas finas en la parte superior, con el esquisto gris del esquisto Pecksport y la limolita superponiéndolo. [86]
En el centro sur de Pensilvania, el Marcellus está mapeado con tres miembros, de arriba a abajo: el Miembro Mahanoy (Dmm), una pizarra limosa y limosa de color gris oscuro a negro grisáceo; el Miembro Turkey Ridge (Dmt), una arenisca de grano fino a medio de color verde oliva a gris oscuro; y el Miembro Shamokin (Dms), una pizarra carbonosa fisible de color gris oscuro a negro grisáceo que es calcárea en lugares cerca de la base. [87] El Turkey Ridge se mapea comúnmente en la Formación Mahantango, [88] o se incluye en la Formación Montebello (Dmot), [89] y solo el Shamokin se correlaciona con el Marcellus en hojas de mapa adyacentes. [90] En el extremo este de Pensilvania, el miembro Broadhead Creek, una pizarra 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]
En Marcellus se han encontrado inclusiones relativamente escasas de fauna marina fosilizada, [46] pero estos fósiles siguen siendo importantes para la paleontología. Por ejemplo, Marcellus contiene la colección diversa más antigua conocida de moluscos de concha fina que aún tienen una microestructura de concha bien preservada. [93] También es donde las goniatites , un nadador con concha extinto similar a un calamar, hacen su primera aparición en el registro fósil. [94] La vida en la tierra también entra en el registro fósil en Marcellus, con los troncos de coníferas sin ramas que flotaron hacia el mar para ser preservados en la pizarra negra. [31] [32]
Los fósiles de Marcellus incluyen especímenes del gran braquiópodo parecido a una almeja Spinocyrtia. [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] con los moldes parcialmente llenos de limonita ; también se han encontrado moldes de braquiópodos y bivalvos (almejas) en la pizarra. [98] Los tentaculítidos cónicos pequeños se encuentran comúnmente en el Miembro Chittenango. [80] El lecho de Halihan Hill contiene estiliolínidos y macrofauna que incluye braquiópodos, briozoos parecidos a corales , pequeños bivalvos y gasterópodos (caracoles), [13] incorporados después del recambio faunístico cuando la fauna de Emsian y Eifelian Schoharie/Onondaga fue reemplazada por la fauna de Givetian Hamilton. [84]
El miembro Solsville contiene bivalvos, gasterópodos y braquiópodos bien conservados. [86] Estos mariscos vivían en la zona bentónica en el fondo de ambientes marinos marginales a marinos abiertos que existían al oeste del antiguo Delta de Catskill . [99] El registro fósil en este miembro muestra que la base estaba dominada por alimentadores de depósito , mientras que las capas superiores estaban dominadas por alimentadores de filtración . [99] Esto se puede correlacionar con la litología: los sedimentos más finos de las pizarras en la base de este miembro contendrían abundante materia orgánica adherente para alimentadores de depósito, pero tenderían a ensuciar las branquias de los alimentadores de filtración cuando están suspendidos; los sedimentos más gruesos de las areniscas en la parte superior habrían contenido menos materia orgánica para sostener a los alimentadores de depósito. [99] Debajo de Solsville, en la base de Otsego en el este de Nueva York, se encuentra un lecho de coral ; otro lecho de coral se puede ver en la parte superior de Marcellus cerca de Berna, Nueva York . [100]
En la caliza del Miembro Cherry Valley se encuentra una diversa fauna de conodontes parecida a la anguila , [101] que también es conocida por su rica fauna de cefalópodos nautiloides y goniatitas . [80] Originalmente llamada Caliza Goniatita , [102] produce sus restos fosilizados con conchas que pueden tener 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 enrolladas y rectas de varios tipos de cefalópodos adultos grandes. Este lecho carece de fósiles juveniles, lo que indica que si su comportamiento era similar al del calamar moderno, esta puede haber sido un área donde estos cefalópodos devónicos 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 de roca. [104] En Cherry Valley, los taxones no se repiten; en cambio, cada capa delgada de 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 , Marcellus se encuentra 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 la bentonita en la parte superior del Onondaga en 390 ± 0,5 millones de años. [106]
La datación relativa de la edad del Marcellus sitúa su formación en la subdivisión Cazenovia de la etapa faunística Givetiense , o hace 391,9 a 383,7 millones de años ( Ma ). [81] El miembro Union Springs, en la base del Marcellus en Nueva York, ha sido datado al final del Eifeliense , la etapa que precedió inmediatamente al Givetiense. [107] Las lutitas oscuras anóxicas en la formación marcan el Evento Kačák , [108] un evento anóxico marino de la etapa Eifeliense tardía también asociado con un evento de extinción . [109] En 2012, Read y Erikson también describieron la formación como Eifeliense. [110]
Aunque la pizarra negra es la litología dominante , también contiene pizarras 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 desprovistas de 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 las rotaciones de fauna .
A principios de la orogenia acadia , a medida que se elevaban las montañas acadias , 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 al mar. [17] La lutita de Marcellus se formó a partir de los primeros depósitos en una depresión relativamente profunda, carente 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 durante más tiempo en este mar efímero , fluyendo mar adentro como turbiditas en una avalancha submarina lenta pero persistente. Finalmente, se posaron en el fondo del abismo acadiense en la cuenca de los Apalaches , [113] a cientos de metros de la costa, a profundidades que pueden haber sido de 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 pizarra negra transgresora , [51] porque se depositó en condiciones de profundización cuando el fondo de la cuenca descendió 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 de descomposición aeróbica normal se inhibió en el entorno 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 eliminó oligoelementos del agua de mar, [28] incluidos los elementos sensibles a la oxidación -reducción uranio, renio , molibdeno , osmio , cromo y selenio . [121]
El Marcellus se depositó durante el desarrollo de las plantas terrestres , cuando el oxígeno atmosférico estaba aumentando, lo que resultó en una reducción del dióxido de carbono en la atmósfera y el agua de mar donde se depositó. [122] Los miembros nombrados del Marcellus reflejan dos secuencias deposicionales compuestas, [123] con un ciclo ascendente de engrosamiento general que continúa en la base de la Formación Mahantango suprayacente. [37] La intercalación de miembros de esquisto y piedra caliza más livianos se atribuye a oscilaciones relativamente de corto plazo en la profundidad de la cuenca. [124] Las secuencias deposicionales de aguas profundas posteriores formaron la Formación Brallier suprayacente y la Formación Harrell . [113]
El esquisto contiene reservas de gas natural en gran parte sin explotar , y su proximidad a los mercados de alta demanda a lo largo de la costa este de los Estados Unidos lo convierte en un objetivo atractivo para el desarrollo y la exportación de energía . [125]
La formación de gas natural Marcellus, que abarca 104.000 millas cuadradas y se extiende a través de Pensilvania y Virginia Occidental, y hasta el sudeste de Ohio y el norte del estado de Nueva York, es la mayor fuente de gas natural en los Estados Unidos, y la producción todavía estaba 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 terminación de pozo de fracturación hidráulica 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 pizarras negras también contienen mineral de hierro que se utilizó en el desarrollo económico temprano de la región, y uranio y pirita que son peligros ambientales. En la base de Marcellus, en el lecho de pirita - carbonato entre la pizarra negra carbonosa y un lecho de pizarra calcárea verde, [19] la pirita, el carbonato y el agua subterránea reaccionaron para formar óxido de hierro gossan y yeso . [126] Hasta donde pudo 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 de Marcellus se extrajo activamente en el centro sur de Pensilvania desde su descubrimiento a fines del siglo XVIII, hasta que fue reemplazado por los ricos lechos de mineral de la Cordillera de Hierro de Minnesota a principios del siglo XX. [127] El mineral se localizaba y se trabajaba fácilmente en pozos y galerías poco profundas, pero una vez que se retiraban los depósitos superiores utilizables, o si un pozo de mina penetraba en el lecho demasiado debajo de la superficie, solo se encontraban depósitos piríticos inutilizables y sin convertir. [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 explotables de Marcellus y otras formaciones. [127] Los productos de hierro de esta zona, conocidos como "hierro de Juniata", se produjeron durante el período comprendido entre la Revolución estadounidense y la Guerra Civil estadounidense . Estos altos hornos eran importantes para la economía de la región en ese momento, [128] pero los altos hornos de piedra en frío que se empleaban normalmente eran ineficientes y consumían cantidades significativas de madera de los bosques de frondosas cercanos, lo que finalmente provocó 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 para producir 910 kg (2.010 lb) de arrabio, [19] y podía producir varios miles de libras por día, lo que requería talar más de 4.000 m 2 (1 acre) de bosque diariamente. [130]
El mineral de Marcellus variaba en espesor, volviéndose intrabajable y hasta desapareciendo por completo en lugares entre los estratos trabajables. [19] [131] La calidad del mineral también variaba, [19] y no siempre era rentable fundirlo , ya que varios hornos construidos cerca de minas de hierro en Marcellus fueron abandonados antes de que los recursos de mineral y madera utilizados para alimentarlos escasearan. [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 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 conocido como cadmia , que se acumulaba con el tiempo cerca de la parte superior del conducto de humos y tenía que eliminarse periódicamente para mantenerlo despejado. [134]
El drenaje que reaccionó con las inclusiones de pirita también depositó una forma de hierro de pantano cerca de varios afloramientos de Marcellus. En el siglo XIX, el mineral de hierro de estos depósitos se utilizó 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 de pantano, en varios lugares inclinados en el este de Pensilvania se encontró hematita marrón sobre el lecho rocoso de Marcellus enterrado debajo del suelo. Estos depósitos también se excavaron y se usaron para pintura mineral durante ese tiempo. [41] También se encuentra un lecho de mineral de pintura de hematita casi directamente debajo de 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 caliza cerca de la base del río 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 Chalybeate Springs Hotel, construido cerca en 1851 alrededor de otros tres manantiales minerales, incluido otro manantial de caliza, [135] se convirtió en un "centro turístico para inválidos". [136] Las aguas ricas en hierro se recetaban para la anemia y complicaciones relacionadas. [137] Ambos manantiales minerales contienen hierro en forma de carbonato de hierro disuelto , [136] lo que les 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 las lutitas piríticas no son adecuadas para este propósito debido al drenaje ácido de la roca y la expansión volumétrica. [138] En el siglo XIX, esta lutita se utilizó para pasarelas y caminos, [20] y se consideró un " metal para caminos " superior porque los fragmentos de grano fino se empaquetaban firmemente, pero drenaban bien después de una lluvia. [30]
Las pizarras oscuras pueden tener la hendidura y la dureza necesarias para ser trabajadas, y se extrajeron para obtener pizarra de baja calidad para techos en el este de Pensilvania durante el siglo XIX. Las pizarras de Marcellus eran inferiores a la pizarra de la Formación Martinsburg extraída más al sur, y la mayoría de las canteras fueron abandonadas, con la última operación significativa en el condado de Lancaster. [30] La pizarra negra de Marcellus también se extrajo en el condado de Monroe, Pensilvania, para las pizarras escolares que usaban los estudiantes en las escuelas rurales del siglo XIX. [30]
Las lutitas carbonosas, como Marcellus, son un posible objetivo para la captura y almacenamiento de carbono para la mitigación del calentamiento global . Debido a que el carbono adsorbe dióxido de carbono (CO 2 ) a una tasa 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 el valor práctico de esta técnica teórica aún no se conoce. [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) por debajo de la superficie para mantener el CO 2 líquido en un estado supercrítico . [21]
Las pizarras 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 un drenaje ácido localizado de roca debido a la oxidación de las inclusiones de pirita. [139] La pizarra recién expuesta en la cara de corte se erosiona 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 soportará la vegetación, que es antiestética y puede provocar problemas de erosión del suelo . [139]
La descomposición natural de la pizarra en fragmentos más pequeños puede afectar la estabilidad de las pendientes , lo que hace necesario que las pendientes sean menos profundas y que se altere más material en los trabajos de corte y relleno, lo que agrava 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 ceniza de Tioga contienen arcilla bentonítica que también presenta un peligro de deslizamiento de tierra en la roca no excavada. [66]
Los daños a las estructuras construidas sobre relleno que consiste en esquisto pirítico de Marcellus han sido causados por la expansión de la escorrentía de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) que reacciona con la calcita (CaCO 3 ) en el esquisto para producir yeso (CaSO 4 ), que tiene el doble del volumen molar . [141] Otros minerales de sulfato que se pueden producir por reacciones con pirita incluyen anhidrita , melanterita , rozenita , jarosita y alunita . [138] Las reacciones han generado una presión de levantamiento 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, puede en realidad exacerbar el problema de expansión al promover reacciones sulfato-sulfato que forman los minerales taumasita y etringita , que tienen volúmenes molares aún mayores. [138]
La perforación de pozos a través de las lutitas del Grupo Hamilton en el subsuelo puede ser problemática. 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 causa un problema en la circulación del fluido de perforación de regreso 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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