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Caliza

La piedra caliza ( carbonato de calcio CaCO 3 ) es un tipo de roca sedimentaria carbonatada que es la principal fuente del material calizo . Está compuesto principalmente por los minerales calcita y aragonita , que son diferentes formas cristalinas de CaCO 3 . La piedra caliza se forma cuando estos minerales precipitan en agua que contiene calcio disuelto. Esto puede ocurrir a través de procesos tanto biológicos como no biológicos, aunque los procesos biológicos, como la acumulación de corales y conchas en el mar, probablemente hayan sido más importantes durante los últimos 540 millones de años. [1] [2] La piedra caliza a menudo contiene fósiles que proporcionan a los científicos información sobre entornos antiguos y sobre la evolución de la vida. [3]

Alrededor del 20% al 25% de la roca sedimentaria es roca carbonatada y la mayor parte es piedra caliza. [4] [3] La roca carbonatada restante es principalmente dolomita , una roca estrechamente relacionada, que contiene un alto porcentaje del mineral dolomita , CaMg(CO 3 ) 2 . La piedra caliza de magnesio es un término obsoleto y mal definido que se utiliza de diversas formas para la dolomita, para la piedra caliza que contiene una cantidad significativa de dolomita ( piedra caliza dolomítica ) o para cualquier otra piedra caliza que contenga un porcentaje significativo de magnesio . [5] La mayor parte de la piedra caliza se formó en ambientes marinos poco profundos, como plataformas o plataformas continentales , aunque se formaron cantidades más pequeñas en muchos otros ambientes. Gran parte de la dolomita es dolomita secundaria, formada por alteración química de la piedra caliza. [6] [7] La ​​piedra caliza está expuesta en grandes regiones de la superficie de la Tierra y, debido a que la piedra caliza es ligeramente soluble en el agua de lluvia, estas exposiciones a menudo se erosionan para convertirse en paisajes kársticos . La mayoría de los sistemas de cuevas se encuentran en un lecho de roca caliza.

La piedra caliza tiene numerosos usos: como materia prima química para la producción de cal utilizada para el cemento (un componente esencial del hormigón ), como agregado para la base de carreteras, como pigmento blanco o relleno en productos como pasta de dientes o pinturas , como acondicionador del suelo. y como complemento decorativo popular para los jardines de rocas . Las formaciones de piedra caliza contienen alrededor del 30% de los yacimientos de petróleo del mundo . [3]

Descripción

Este depósito de piedra caliza en el karst de los Alpes Dináricos cerca de Sinj , Croacia , se formó en el Eoceno .

La piedra caliza se compone principalmente de los minerales calcita y aragonito , que son diferentes formas cristalinas de carbonato de calcio ( CaCO 3 ). La dolomita , CaMg(CO 3 ) 2 , es un mineral poco común en la piedra caliza, y la siderita u otros minerales carbonatados son raros. Sin embargo, la calcita de la piedra caliza suele contener un pequeño porcentaje de magnesio . La calcita en piedra caliza se divide en calcita con bajo contenido de magnesio y con alto contenido de magnesio, con la línea divisoria colocada en una composición de 4% de magnesio. La calcita con alto contenido de magnesio conserva la estructura mineral de calcita, que es distinta de la dolomita. La aragonita no suele contener una cantidad significativa de magnesio. [8] Por lo demás, la mayor parte de la piedra caliza es químicamente bastante pura, con sedimentos clásticos (principalmente cuarzo de grano fino y minerales arcillosos ) que constituyen menos del 5% [9] al 10% [10] de la composición. La materia orgánica suele constituir alrededor del 0,2% de una piedra caliza y rara vez supera el 1%. [11]

La piedra caliza a menudo contiene cantidades variables de sílice en forma de pedernal o fragmentos esqueléticos silíceos (como espículas de esponja , diatomeas o radiolarios ). [12] Los fósiles también son comunes en la piedra caliza. [3]

La piedra caliza suele ser de color blanco a gris. La piedra caliza que es inusualmente rica en materia orgánica puede ser de color casi negro, mientras que las trazas de hierro o manganeso pueden darle a la piedra caliza un color blanquecino a amarillo o rojo. La densidad de la piedra caliza depende de su porosidad, que varía desde el 0,1% para la caliza más densa hasta el 40% para la creta. La densidad oscila correspondientemente entre 1,5 y 2,7 ​​g/ cm3 . Aunque relativamente blanda, con una dureza de Mohs de 2 a 4, la piedra caliza densa puede tener una resistencia al aplastamiento de hasta 180 MPa . [13] A modo de comparación, el hormigón suele tener una resistencia al aplastamiento de aproximadamente 40 MPa. [14]

Aunque las calizas muestran poca variabilidad en la composición mineral, muestran una gran diversidad en textura. [15] Sin embargo, la mayor parte de la piedra caliza consiste en granos del tamaño de arena en una matriz de lodo carbonatado. Debido a que las calizas suelen ser de origen biológico y generalmente están compuestas de sedimento que se deposita cerca de donde se formó, la clasificación de la piedra caliza generalmente se basa en su tipo de grano y contenido de lodo. [9]

Granos

Ooides de una playa en Joulter's Cay, Bahamas
Ooides en piedra caliza de la Formación Carmel (Jurásico Medio) del suroeste de Utah.
Vista en sección delgada de una piedra caliza del Jurásico Medio en el sur de Utah , EE. UU. Los granos redondos son ooides ; el más grande tiene 1,2 mm (0,05 pulgadas) de diámetro. Esta piedra caliza es una oosparita.

La mayoría de los granos de la piedra caliza son fragmentos esqueléticos de organismos marinos como corales o foraminíferos . [16] Estos organismos secretan estructuras hechas de aragonita o calcita, y dejan estas estructuras cuando mueren. Otros granos de carbonato que componen las calizas son ooides , peloides y calclastos ( intraclastos y extraclastos  [ca] ). [17]

Los granos esqueléticos tienen una composición que refleja los organismos que los produjeron y el entorno en el que se produjeron. [18] Los granos esqueléticos de calcita con bajo contenido de magnesio son típicos de braquiópodos articulados , foraminíferos planctónicos (que flotan libremente) y cocolitos . Los granos esqueléticos de calcita con alto contenido de magnesio son típicos de los foraminíferos bentónicos (que habitan en el fondo), los equinodermos y las algas coralinas . Los granos esqueléticos de aragonito son típicos de moluscos , algas verdes calcáreas , estromatoporoides , corales y gusanos tubulares . Los granos esqueléticos también reflejan períodos y entornos geológicos específicos. Por ejemplo, los granos de coral son más comunes en ambientes de alta energía (caracterizados por fuertes corrientes y turbulencias), mientras que los granos de briozoos son más comunes en ambientes de baja energía (caracterizados por aguas tranquilas). [19]

Los ooides (a veces llamados oolitos) son granos del tamaño de arena (menos de 2 mm de diámetro) que consisten en una o más capas de calcita o aragonita alrededor de un grano central de cuarzo o un fragmento de mineral de carbonato. Es probable que se formen por precipitación directa de carbonato de calcio sobre el ooide. Los pisolitos son similares a los ooides, pero miden más de 2 mm de diámetro y tienden a tener una forma más irregular. La piedra caliza compuesta principalmente de ooides se llama oolita o, a veces, piedra caliza oolítica . Los ooides se forman en ambientes de alta energía, como la plataforma Bahama, y ​​las oolitas generalmente muestran estratificación cruzada y otras características asociadas con la deposición en corrientes fuertes. [20] [21]

Los oncolitos se parecen a los ooides, pero muestran una estructura interna radial en lugar de estratificada, lo que indica que fueron formados por algas en un ambiente marino normal. [20]

Los peloides son granos sin estructura de carbonato microcristalino probablemente producidos mediante una variedad de procesos. [22] Se cree que muchos son gránulos fecales producidos por organismos marinos. Otros pueden ser producidos por algas endolíticas (perforadoras) [23] u otros microorganismos [24] o mediante la descomposición de conchas de moluscos. [25] Son difíciles de ver en una muestra de piedra caliza, excepto en secciones delgadas, y son menos comunes en calizas antiguas, posiblemente porque la compactación de los sedimentos carbonatados las altera. [23]

Los calizos son fragmentos de piedra caliza existente o de sedimentos carbonatados parcialmente litificados . Los intraclastos son calizos que se originan cerca de donde se depositan en la piedra caliza, mientras que los extraclastos provienen de fuera del área de depósito. Los intraclastos incluyen la piedra de uva , que son grupos de peloides cementados entre sí mediante material orgánico o cemento mineral. Los extraclastos son poco comunes, suelen ir acompañados de otros sedimentos clásticos e indican deposición en un área tectónicamente activa o como parte de una corriente de turbidez . [26]

Lodo

Los granos de la mayoría de las calizas están incrustados en una matriz de lodo carbonatado. Esta suele ser la fracción más grande de una roca carbonatada antigua. [23] El lodo que consiste en cristales individuales de menos de 5 μm (0,20 mils) de longitud se describe como micrita . [27] En el lodo carbonatado fresco, la micrita son en su mayoría pequeñas agujas de aragonito, que pueden precipitar directamente del agua de mar, [28] ser secretadas por algas, [29] o producirse por abrasión de granos de carbonato en un ambiente de alta energía. [30] Esto se convierte en calcita a los pocos millones de años de su deposición. Una mayor recristalización de la micrita produce microespato , con granos de 5 a 15 μm (0,20 a 0,59 mils) de diámetro. [28]

La piedra caliza a menudo contiene cristales de calcita más grandes, que varían en tamaño de 0,02 a 0,1 mm (0,79 a 3,94 mils), que se describen como calcita sparry o esparita . La esparita se distingue de la micrita por un tamaño de grano de más de 20 μm (0,79 mils) y porque la esparita se destaca bajo una lupa o en una sección delgada como cristales blancos o transparentes. La espatita se distingue de los granos de carbonato por su falta de estructura interna y sus características formas cristalinas. [31]

Los geólogos tienen cuidado de distinguir entre esparita depositada como cemento y esparita formada por recristalización de granos de micrita o carbonato. El cemento esparita probablemente se depositó en el espacio poroso entre los granos, lo que sugiere un ambiente de depósito de alta energía que eliminó el lodo carbonatado. La esparita recristalizada no es diagnóstica del ambiente de depósito. [31]

Otras características

Los Acantilados Blancos de Dover están compuestos de tiza.

Los afloramientos de piedra caliza se reconocen en el campo por su suavidad (la calcita y el aragonito tienen una dureza de Mohs inferior a 4, muy por debajo de los minerales de silicato comunes) y porque la piedra caliza burbujea vigorosamente cuando se les deja caer una gota de ácido clorhídrico diluido. La dolomita también es blanda, pero reacciona sólo débilmente con el ácido clorhídrico diluido y, por lo general, se desgasta hasta adquirir un color marrón amarillento opaco característico debido a la presencia de hierro ferroso. Este se libera y se oxida a medida que la dolomita se desgasta. [9] Las impurezas (como arcilla , arena, restos orgánicos, óxido de hierro y otros materiales) harán que las calizas muestren diferentes colores, especialmente en superficies erosionadas .

La composición de un afloramiento de roca carbonatada se puede estimar en el campo grabando la superficie con ácido clorhídrico diluido. Esto elimina la calcita y la aragonita, dejando atrás los granos de sílice o dolomita. Estos últimos se pueden identificar por su forma romboédrica . [9]

Cristales de calcita, cuarzo , dolomita o barita pueden revestir pequeñas cavidades ( vugs ) en la roca. Las cavidades son una forma de porosidad secundaria, formada en la piedra caliza existente por un cambio en el ambiente que aumenta la solubilidad de la calcita. [32]

La piedra caliza densa y masiva a veces se describe como "mármol". Por ejemplo, el famoso "mármol" de Portoro en Italia es en realidad una densa piedra caliza negra. [33] El verdadero mármol se produce por recristalización de piedra caliza durante el metamorfismo regional que acompaña al proceso de construcción de montañas ( orogenia ). Se distingue de la piedra caliza densa por su textura cristalina gruesa y la formación de minerales distintivos a partir de la sílice y la arcilla presentes en la piedra caliza original. [34]

Clasificación

Terrazas de piedra caliza travertino de Pamukkale , Turquía .
Formaciones de piedra caliza de cuevas en las cavernas de Luray del norte del valle de Shenandoah

Se utilizan dos esquemas de clasificación principales, el Folk y el Dunham, para identificar los tipos de rocas carbonatadas conocidas colectivamente como piedra caliza.

Clasificación popular

Robert L. Folk desarrolló un sistema de clasificación que pone énfasis principal en la composición detallada de los granos y el material intersticial en las rocas carbonatadas . [35] Según la composición, hay tres componentes principales: aloquímicos (granos), matriz (principalmente micrita) y cemento (esparita). El sistema Folk utiliza nombres de dos partes; el primero se refiere a los granos y el segundo al cemento. Por ejemplo, una piedra caliza compuesta principalmente de ooides, con una matriz cristalina, se denominaría oosparita. Es útil tener un microscopio petrográfico cuando se utiliza el esquema Folk, porque es más fácil determinar los componentes presentes en cada muestra. [36]

clasificación de dunham

Robert J. Dunham publicó su sistema para piedra caliza en 1962. Se centra en la estructura deposicional de las rocas carbonatadas. Dunham divide las rocas en cuatro grupos principales basándose en proporciones relativas de partículas clásticas más gruesas, basándose en criterios como si los granos originalmente estaban en contacto mutuo y, por lo tanto, eran autoportantes, o si la roca se caracteriza por la presencia de constructores de estructuras y esteras de algas. A diferencia del esquema de Folk, Dunham se ocupa de la porosidad original de la roca. El esquema de Dunham es más útil para muestras manuales porque se basa en la textura, no en los granos de la muestra. [37]

Wright (1992) propuso una clasificación revisada. Agrega algunos patrones diagenéticos al esquema de clasificación. [38]

Otros términos descriptivos

Travertino es un término aplicado a los depósitos de carbonato de calcio formados en ambientes de agua dulce, particularmente en cascadas , cascadas y fuentes termales . Estos depósitos suelen ser masivos, densos y con bandas. Cuando los depósitos son muy porosos, de modo que tienen una textura esponjosa, normalmente se los describe como toba . La calcita secundaria depositada por aguas meteóricas sobresaturadas ( agua subterránea ) en cuevas también se describe a veces como travertino. Esto produce espeleotemas , como estalagmitas y estalactitas . [39]

La coquina es una piedra caliza poco consolidada compuesta por trozos desgastados de coral , conchas u otros restos fósiles. Cuando está mejor consolidada se la describe como coquinita . [40]

La tiza es una piedra caliza blanda, terrosa y de textura fina compuesta de pruebas de microorganismos planctónicos como los foraminíferos, mientras que la marga es una mezcla terrosa de carbonatos y sedimentos de silicatos. [40]

Formación

La piedra caliza se forma cuando la calcita o aragonito precipita en agua que contiene calcio disuelto, lo que puede ocurrir mediante procesos tanto biológicos como no biológicos. [41] La solubilidad del carbonato de calcio ( CaCO 3 ) está controlada en gran medida por la cantidad de dióxido de carbono ( CO 2 ) disuelto en el agua. Esto se resume en la reacción:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 → Ca 2+ + 2HCO−3

Los aumentos de temperatura o las disminuciones de presión tienden a reducir la cantidad de CO 2 disuelto y precipitar CaCO 3 . La reducción de la salinidad también reduce la solubilidad del CaCO 3 , en varios órdenes de magnitud para el agua dulce frente al agua de mar.[42]

El agua cercana a la superficie de los océanos de la Tierra está sobresaturada con CaCO 3 en un factor de más de seis. [43] La incapacidad del CaCO 3 para precipitar rápidamente en estas aguas se debe probablemente a la interferencia de los iones de magnesio disueltos con la nucleación de cristales de calcita, el primer paso necesario en la precipitación. La precipitación de aragonito puede suprimirse mediante la presencia de fosfatos orgánicos naturales en el agua. Aunque es probable que los ooides se formen mediante procesos puramente inorgánicos, la mayor parte de la precipitación de CaCO 3 en los océanos es el resultado de la actividad biológica. [44] Gran parte de esto tiene lugar en plataformas carbonatadas .

Una vista aérea de una nube de precipitación de merlán en el lago Ontario.

El origen del lodo carbonatado [30] y los procesos mediante los cuales se convierte en micrita [45] continúan siendo un tema de investigación. El lodo carbonatado moderno está compuesto principalmente por agujas de aragonito de alrededor de 5 μm (0,20 mils) de longitud. Las agujas de esta forma y composición son producidas por algas calcáreas como Penicillus , lo que las convierte en una posible fuente de barro. [46] Otra posibilidad es la precipitación directa del agua. En aguas poco profundas se produce un fenómeno conocido como merlán , en el que aparecen en la superficie del agua vetas blancas que contienen micrita dispersa. No está claro si se trata de aragonito recién precipitado o simplemente material removido del fondo, pero hay cierta evidencia de que las pescadillas son causadas por la precipitación biológica de aragonito como parte de una floración de cianobacterias o microalgas . [47] Sin embargo, las proporciones de isótopos estables en los lodos carbonatados modernos parecen ser inconsistentes con cualquiera de estos mecanismos, y la abrasión de los granos de carbonato en ambientes de alta energía se ha propuesto como una tercera posibilidad. [30]

La formación de piedra caliza probablemente ha estado dominada por procesos biológicos a lo largo del Fanerozoico , los últimos 540 millones de años de la historia de la Tierra. La piedra caliza puede haber sido depositada por microorganismos en el Precámbrico , antes de hace 540 millones de años, pero los procesos inorgánicos probablemente fueron más importantes y probablemente tuvieron lugar en un océano más sobresaturado en carbonato de calcio que el océano moderno. [48]

Diagénesis

La diagénesis es el proceso en el que los sedimentos se compactan y se convierten en roca sólida . Durante la diagénesis de los sedimentos carbonatados, se producen importantes cambios químicos y de textura. Por ejemplo, la aragonita se convierte en calcita con bajo contenido de magnesio. La diagénesis es el origen probable de los pisolitos , partículas en capas concéntricas que varían de 1 a 10 mm (0,039 a 0,394 pulgadas) de diámetro que se encuentran en algunas piedras calizas. Los pisolitos superficialmente se parecen a los ooides, pero no tienen núcleo de materia extraña, encajan estrechamente y muestran otros signos de que se formaron después de la deposición original de los sedimentos. [49]

Nódulo de pedernal dentro de piedra caliza blanda en Akçakoca , Turquía
Estilolitas en piedra caliza

La silicificación ocurre temprano en la diagénesis, a pH y temperatura bajos, y contribuye a la preservación de los fósiles. [50] La silicificación se produce mediante la reacción: [50]

Los fósiles a menudo se conservan con exquisito detalle como pedernal. [50] [51]

La cementación se produce rápidamente en los sedimentos carbonatados, normalmente en menos de un millón de años después de su deposición. Se produce cierta cementación mientras los sedimentos aún están bajo el agua, formando terrenos duros . La cementación se acelera después de la retirada del mar del entorno de depósito, a medida que el agua de lluvia se infiltra en los lechos de sedimentos, a menudo en tan solo unos pocos miles de años. A medida que el agua de lluvia se mezcla con el agua subterránea, la aragonita y la calcita con alto contenido de magnesio se convierten en calcita con bajo contenido de calcio. La cementación de espesos depósitos de carbonato por el agua de lluvia puede comenzar incluso antes de que el mar se retire, ya que el agua de lluvia puede infiltrarse a más de 100 kilómetros (60 millas) en los sedimentos debajo de la plataforma continental. [52]

A medida que los sedimentos carbonatados están cada vez más profundamente enterrados bajo sedimentos más jóvenes, aumenta la compactación química y mecánica de los sedimentos. La compactación química se realiza mediante solución a presión de los sedimentos. Este proceso disuelve los minerales de los puntos de contacto entre los granos y los vuelve a depositar en el espacio poroso, reduciendo la porosidad de la piedra caliza de un alto valor inicial de 40% a 80% a menos del 10%. [53] La solución a presión produce estilolitos distintivos , superficies irregulares dentro de la piedra caliza en las que se acumulan sedimentos ricos en sílice. Estos pueden reflejar disolución y pérdida de una fracción considerable del lecho de piedra caliza. A profundidades superiores a 1 km (0,62 millas), la cementación funeraria completa el proceso de litificación. La cementación funeraria no produce estilolitas. [54]

Cuando los lechos suprayacentes se erosionan, acercando la piedra caliza a la superficie, tiene lugar la etapa final de la diagénesis. Esto produce porosidad secundaria a medida que parte del cemento se disuelve por el agua de lluvia que se infiltra en los lechos. Esto puede incluir la formación de cavidades revestidas de cristal dentro de la piedra caliza. [54]

La diagénesis puede incluir la conversión de piedra caliza en dolomita mediante fluidos ricos en magnesio. Existe evidencia considerable de reemplazo de piedra caliza por dolomita, incluidos límites de reemplazo definidos que atraviesan el lecho. [55] El proceso de dolomitización sigue siendo un área de investigación activa, [56] pero los posibles mecanismos incluyen la exposición a salmueras concentradas en ambientes cálidos ( reflujo evaporativo ) o la exposición a agua de mar diluida en ambientes de deltas o estuarios ( dolomitización de Dorag ). [57] Sin embargo, la dolomitización de Dorag ha caído en desgracia como mecanismo de dolomitización, [58] y un artículo de revisión de 2004 lo describe sin rodeos como "un mito". [56] El agua de mar ordinaria es capaz de convertir la calcita en dolomita, si el agua de mar se hace fluir regularmente a través de la roca, como por el flujo y reflujo de las mareas (bombeo de marea). [55] Una vez que comienza la dolomitización, avanza rápidamente, de modo que hay muy poca roca carbonatada que contenga una mezcla de calcita y dolomita. La roca carbonatada tiende a ser casi toda calcita/aragonita o casi toda dolomita. [57]

Ocurrencia

Alrededor del 20% al 25% de la roca sedimentaria es roca carbonatada, [3] y la mayor parte es piedra caliza. [17] [3] La piedra caliza se encuentra en secuencias sedimentarias de hasta 2.700 millones de años. [59] Sin embargo, las composiciones de las rocas carbonatadas muestran una distribución desigual en el tiempo en el registro geológico. Aproximadamente el 95% de los carbonatos modernos están compuestos de calcita y aragonita con alto contenido de magnesio. [60] Las agujas de aragonito en el lodo de carbonato se convierten en calcita con bajo contenido de magnesio en unos pocos millones de años, ya que esta es la forma más estable de carbonato de calcio. [28] Las antiguas formaciones carbonatadas del Precámbrico y Paleozoico contienen abundante dolomita, pero la piedra caliza domina los lechos carbonatados del Mesozoico y Cenozoico . La dolomita moderna es bastante rara. Hay evidencia de que, mientras que el océano moderno favorece la precipitación de aragonito, los océanos del Paleozoico y del Cenozoico medio a tardío favorecieron la precipitación de calcita. Esto puede indicar una menor relación Mg/Ca en el agua del océano de esa época. [61] Este agotamiento de magnesio puede ser una consecuencia de una expansión más rápida del fondo marino , que elimina el magnesio del agua del océano. El océano moderno y el océano del Mesozoico han sido descritos como "mares de aragonito". [62]

La mayor parte de la piedra caliza se formó en ambientes marinos poco profundos, como plataformas o plataformas continentales . Estos entornos forman sólo alrededor del 5% de las cuencas oceánicas, pero la piedra caliza rara vez se conserva en los taludes continentales y en los entornos de aguas profundas. Los mejores ambientes para la deposición son las aguas cálidas, que tienen una alta productividad orgánica y una mayor saturación de carbonato de calcio debido a concentraciones más bajas de dióxido de carbono disuelto. Los depósitos de piedra caliza modernos casi siempre se encuentran en áreas con muy poca sedimentación rica en sílice, lo que se refleja en la relativa pureza de la mayoría de las piedras calizas. Los organismos de los arrecifes son destruidos por el agua fangosa y salobre de los ríos, y los granos de carbonato son triturados por granos de silicato mucho más duros. [63] A diferencia de la roca sedimentaria clástica, la piedra caliza se produce casi en su totalidad a partir de sedimentos que se originan en el lugar de deposición o cerca de él. [64]

El Capitán , un antiguo arrecife de piedra caliza en Texas

Las formaciones calizas tienden a mostrar cambios bruscos de espesor. Grandes formaciones parecidas a montículos en una formación de piedra caliza se interpretan como arrecifes antiguos , que cuando aparecen en el registro geológico se denominan biohermos . Muchos son ricos en fósiles, pero la mayoría carece de cualquier estructura orgánica conectada como la que se ve en los arrecifes modernos. Los restos fósiles están presentes como fragmentos separados incrustados en una amplia matriz de barro. Gran parte de la sedimentación muestra indicios de ocurrir en las zonas intermareales o supramareales, lo que sugiere que los sedimentos llenan rápidamente el espacio de alojamiento disponible en la plataforma o plataforma. [65] La deposición también se ve favorecida en el margen mar adentro de plataformas y plataformas, donde hay afloramientos de aguas profundas del océano ricas en nutrientes que aumentan la productividad orgánica. Los arrecifes son comunes aquí, pero cuando faltan, se encuentran bancos de ooides. Los sedimentos más finos se depositan cerca de la costa. [66]

La falta de calizas de aguas profundas se debe en parte a la rápida subducción de la corteza oceánica, pero es más bien el resultado de la disolución del carbonato de calcio en las profundidades. La solubilidad del carbonato de calcio aumenta con la presión y aún más con concentraciones más altas de dióxido de carbono, que se produce por la materia orgánica en descomposición que se deposita en las profundidades del océano y que no se elimina mediante la fotosíntesis en las profundidades oscuras. Como resultado, hay una transición bastante brusca del agua saturada con carbonato de calcio al agua insaturada con carbonato de calcio, la lisoclina , que ocurre en la profundidad de compensación de calcita de 4.000 a 7.000 m (13.000 a 23.000 pies). Por debajo de esta profundidad, las pruebas de foraminíferos y otras partículas esqueléticas se disuelven rápidamente, y los sedimentos del fondo del océano pasan abruptamente de un exudado carbonatado rico en restos de foraminíferos y cocolitos ( exudado Globigerina ) a un lodo silícico sin carbonatos. [67]

Mønsted es la mina de piedra caliza más grande del mundo.

En casos raros, las turbiditas u otros sedimentos ricos en sílice entierran y preservan los depósitos de carbonato bentónicos (océano profundo). Las calizas bentónicas antiguas son microcristalinas y se identifican por su entorno tectónico. Los fósiles suelen ser foraminíferos y cocolitos. No se conocen calizas bentónicas anteriores al Jurásico, probablemente porque el plancton con capa de carbonato aún no había evolucionado. [68]

Las calizas también se forman en ambientes de agua dulce. [69] Estas calizas no se diferencian de las calizas marinas, pero tienen una menor diversidad de organismos y una mayor fracción de sílice y minerales arcillosos característicos de las margas . La Formación Green River es un ejemplo de una importante formación sedimentaria de agua dulce que contiene numerosos lechos de piedra caliza. [70] La piedra caliza de agua dulce es típicamente micrítica. Los fósiles de carofita (stonewort), una forma de alga verde de agua dulce, son característicos de estos ambientes, donde los carofitos producen y atrapan carbonatos. [71]

Las calizas también pueden formarse en ambientes de depósito de evaporitas . [72] [73] La calcita es uno de los primeros minerales que precipita en evaporitas marinas. [74]

La piedra caliza y los organismos vivos.

Arrecife de coral en Nusa Lembongan , Bali, Indonesia

La mayor parte de la piedra caliza se forma por las actividades de organismos vivos cerca de los arrecifes, pero los organismos responsables de la formación de los arrecifes han cambiado a lo largo del tiempo geológico. Por ejemplo, los estromatolitos son estructuras en forma de montículo en calizas antiguas, interpretadas como colonias de cianobacterias que acumularon sedimentos carbonatados, pero los estromatolitos son raros en calizas más jóvenes. [75] Los organismos precipitan la piedra caliza directamente como parte de sus esqueletos e indirectamente eliminando dióxido de carbono del agua mediante la fotosíntesis y disminuyendo así la solubilidad del carbonato de calcio. [71]

La piedra caliza muestra la misma variedad de estructuras sedimentarias que se encuentran en otras rocas sedimentarias. Sin embargo, las estructuras más finas, como las laminaciones , a menudo son destruidas por las actividades excavadoras de los organismos ( bioturbación ). La laminación fina es característica de la piedra caliza formada en los lagos de playa , que carecen de organismos excavadores. [76] Las calizas también muestran características distintivas, como estructuras de geopétalos , que se forman cuando conchas curvas se depositan en el fondo con la cara cóncava hacia abajo. Esto atrapa un espacio vacío que luego puede llenarse con esparita. Los geólogos utilizan estructuras de geopétalos para determinar en qué dirección estaba hacia arriba en el momento de la deposición, lo que no siempre es obvio en formaciones de piedra caliza muy deformadas. [77]

La cianobacteria Hyella balani puede perforar piedra caliza; al igual que el alga verde Eugamantia sacculata y el hongo Ostracolaba implexa . [78]

Montículos de barro micrítico

Los montículos de barro micricítico son domos subcirculares de calcita micrítica que carece de estructura interna. Los ejemplos modernos tienen hasta varios cientos de metros de espesor y un kilómetro de ancho, y tienen pendientes pronunciadas (con ángulos de pendiente de alrededor de 50 grados). Pueden estar compuestos por peloides arrastrados por las corrientes y estabilizados por pastos Thalassia o manglares . Los briozoos también pueden contribuir a la formación de montículos al ayudar a atrapar sedimentos. [79]

Los montículos de lodo se encuentran en todo el registro geológico y, antes del Ordovícico temprano , eran el tipo de arrecife dominante tanto en aguas profundas como poco profundas. Es probable que estos montículos de barro sean de origen microbiano. Tras la aparición de organismos formadores de estructuras de arrecifes, los montículos de lodo quedaron restringidos principalmente a aguas más profundas. [80]

Arrecifes organicos

Los arrecifes orgánicos se forman en latitudes bajas, en aguas poco profundas, a no más de unos pocos metros de profundidad. Son estructuras complejas y diversas que se encuentran a lo largo del registro fósil. Los organismos formadores de estructura responsables de la formación de arrecifes orgánicos son característicos de diferentes períodos geológicos: los arqueociátidos aparecieron a principios del Cámbrico ; éstas dieron paso a las esponjas a finales del Cámbrico ; las sucesiones posteriores incluyeron estromatoporoides, corales, algas, briozoos y rudistas (una forma de molusco bivalvo). [81] [82] [83] La extensión de los arrecifes orgánicos ha variado a lo largo del tiempo geológico, y probablemente fueron más extensos en el Devónico medio, cuando cubrían un área estimada en 5.000.000 km 2 (1.900.000 millas cuadradas). Esto es aproximadamente diez veces la extensión de los arrecifes modernos. Los arrecifes del Devónico fueron construidos en gran parte por estromatoporoides y corales tabulados , que fueron devastados por la extinción tardía del Devónico . [84]

Los arrecifes orgánicos suelen tener una estructura interna compleja. Los fósiles de cuerpos enteros suelen ser abundantes, pero los ooides y los interclastos son raros dentro del arrecife. El núcleo de un arrecife suele ser masivo y no estratificado, y está rodeado por un astrágalo de mayor volumen que el núcleo. El astrágalo contiene abundantes intraclastos y suele ser floatstone , con un 10% o más de granos de más de 2 mm de tamaño incrustados en una matriz abundante, o rudstone , que son en su mayoría granos grandes con matriz escasa. El talud se transforma en lodo planctónico de carbonato de grano fino y luego en lodo no carbonatado lejos del arrecife. [81]

Paisaje de piedra caliza

El Garrote de Hércules , una alta roca de piedra caliza en Polonia ( el castillo de Pieskowa Skała al fondo)
El cenote Samulá en Valladolid , Yucatán , México
Formaciones de La Zaplaz en las montañas Piatra Craiului , Rumania .

La piedra caliza es parcialmente soluble, especialmente en ácido, y por lo tanto forma muchos accidentes geográficos erosivos. Estos incluyen pavimentos de piedra caliza , baches , cenotes , cuevas y quebradas. Estos paisajes de erosión se conocen como karsts . La piedra caliza es menos resistente a la erosión que la mayoría de las rocas ígneas , pero más resistente que la mayoría de las demás rocas sedimentarias . Por tanto, suele asociarse a colinas y tierras bajas , y se presenta en regiones con otras rocas sedimentarias, típicamente arcillas. [85] [86]

Las regiones kársticas que se encuentran encima de un lecho de piedra caliza tienden a tener menos fuentes visibles sobre el suelo (estanques y arroyos), ya que el agua superficial drena fácilmente hacia abajo a través de las juntas de la piedra caliza. Mientras se drena, el agua y el ácido orgánico del suelo lentamente (durante miles o millones de años) agrandan estas grietas, disolviendo el carbonato de calcio y llevándolo en solución . La mayoría de los sistemas de cuevas se encuentran a través de un lecho de roca caliza. El enfriamiento del agua subterránea o la mezcla de diferentes aguas subterráneas también crearán condiciones adecuadas para la formación de cuevas. [85]

Las calizas costeras suelen ser erosionadas por organismos que perforan la roca por diversos medios. Este proceso se conoce como bioerosión . Es más común en los trópicos y se conoce en todo el registro fósil . [87]

Bandas de piedra caliza emergen de la superficie de la Tierra en forma de islas y afloramientos rocosos, a menudo espectaculares. Los ejemplos incluyen el Peñón de Gibraltar , [88] el Burren en el condado de Clare, Irlanda; [89] Malham Cove en North Yorkshire y la Isla de Wight , [90] Inglaterra; el Gran Orme en Gales; [91] en Fårö cerca de la isla sueca de Gotland , [92] la escarpa del Niágara en Canadá/Estados Unidos; [93] Pico Notch en Utah; [94] el Parque Nacional de la Bahía de Ha Long en Vietnam; [95] y las colinas alrededor del río Lijiang y la ciudad de Guilin en China. [96]

Los Cayos de Florida , islas frente a la costa sur de Florida , están compuestos principalmente de piedra caliza oolítica (los Cayos Inferiores) y esqueletos carbonatados de arrecifes de coral (los Cayos Superiores), que prosperaron en la zona durante los períodos interglaciales cuando el nivel del mar era más alto que Actualmente. [97]

Se encuentran hábitats únicos en los alvares , extensiones extremadamente planas de piedra caliza con mantos de suelo delgados. La mayor extensión de este tipo en Europa es Stora Alvaret en la isla de Öland , Suecia. [98] Otra zona con grandes cantidades de piedra caliza es la isla de Gotland, Suecia. [99] Enormes canteras del noroeste de Europa, como las del Monte San Pedro (Bélgica/Países Bajos), se extienden a lo largo de más de cien kilómetros. [100]

Usos

Los templos megalíticos de Malta, como Ħaġar Qim , están construidos íntegramente de piedra caliza. Se encuentran entre las estructuras independientes más antiguas que existen. [101]
La Gran Pirámide de Giza , una de las Siete Maravillas del Mundo Antiguo, tenía una cubierta exterior hecha enteramente de piedra caliza.

La piedra caliza es una materia prima que se utiliza en todo el mundo de diversas formas, incluida la construcción, la agricultura y como material industrial. [102] La piedra caliza es muy común en la arquitectura, especialmente en Europa y América del Norte. Muchos monumentos en todo el mundo, incluida la Gran Pirámide y su complejo asociado en Giza, Egipto , estaban hechos de piedra caliza. Se construyeron, y se siguen construyendo, tantos edificios en Kingston, Ontario , Canadá, que recibe el sobrenombre de "Ciudad de piedra caliza". [103] La piedra caliza, metamorfoseada por el calor y la presión, produce mármol, que se ha utilizado para muchas estatuas, edificios y mesas de piedra. [104] En la isla de Malta , una variedad de piedra caliza llamada caliza Globigerina fue, durante mucho tiempo, el único material de construcción disponible, y todavía se utiliza con mucha frecuencia en todo tipo de edificios y esculturas. [105]

La piedra caliza se puede procesar en muchas formas diferentes, como ladrillo, cemento, en polvo/triturada o como relleno. [102] La piedra caliza está fácilmente disponible y es relativamente fácil de cortar en bloques o tallar más elaborada. [101] Los antiguos escultores americanos valoraban la piedra caliza porque era fácil de trabajar y buena para los detalles finos. Volviendo al período Preclásico Tardío (entre 200 y 100 a. C.), la civilización maya (México antiguo) creó esculturas refinadas utilizando piedra caliza debido a estas excelentes propiedades de tallado. Los mayas decorarían los techos de sus edificios sagrados (conocidos como dinteles ) y cubrirían las paredes con paneles de piedra caliza tallada. Talladas en estas esculturas había historias políticas y sociales, y esto ayudó a comunicar los mensajes del rey a su pueblo. [106] La piedra caliza es duradera y resiste bien la exposición, lo que explica por qué sobreviven muchas ruinas de piedra caliza. Sin embargo, es muy pesado ( densidad 2,6 [107] ), lo que lo hace poco práctico para edificios altos y relativamente caro como material de construcción.

La piedra caliza fue más popular a finales del siglo XIX y principios del XX. En algunas zonas, las estaciones de ferrocarril, los bancos y otras estructuras de esa época estaban hechas de piedra caliza. Se utiliza como fachada en algunos rascacielos, pero sólo en placas delgadas para cubrir, en lugar de bloques sólidos. En los Estados Unidos, Indiana, sobre todo el área de Bloomington , ha sido durante mucho tiempo una fuente de piedra caliza extraída de alta calidad, llamada piedra caliza de Indiana . Muchos edificios famosos de Londres están construidos con piedra caliza de Portland . Las casas construidas en Odesa , Ucrania, en el siglo XIX estaban construidas en su mayoría con piedra caliza y los extensos restos de las minas ahora forman las Catacumbas de Odesa . [108]

La piedra caliza también fue un bloque de construcción muy popular en la Edad Media en las áreas donde se produjo, ya que es dura, duradera y comúnmente se encuentra en exposiciones superficiales de fácil acceso. Muchas iglesias y castillos medievales de Europa están hechos de piedra caliza. La piedra de cerveza era un tipo de piedra caliza popular para los edificios medievales del sur de Inglaterra. [109]

La piedra caliza es la materia prima para la producción de cal, conocida principalmente por el tratamiento de suelos, la purificación de agua y la fundición de cobre. La cal es un ingrediente importante utilizado en las industrias químicas. [110] La piedra caliza y (en menor medida) el mármol reaccionan a las soluciones ácidas, lo que hace que la lluvia ácida sea un problema importante para la preservación de los artefactos hechos con esta piedra. Muchas estatuas de piedra caliza y superficies de edificios han sufrido graves daños debido a la lluvia ácida. [111] [112] Asimismo, la grava de piedra caliza se ha utilizado para proteger lagos vulnerables a la lluvia ácida, actuando como un agente amortiguador del pH . [113] Los productos químicos de limpieza a base de ácido también pueden dañar la piedra caliza, que solo debe limpiarse con un limpiador neutro o alcalino suave . [114]

Se prepara una placa de piedra caliza con un mapa negativo de Moosburg en Baviera para una impresión litográfica .
Bolsa de plástico "hecha principalmente de piedra caliza"

Otros usos incluyen:

Muchas formaciones de piedra caliza son porosas y permeables, lo que las convierte en importantes yacimientos de petróleo . [124] Alrededor del 20% de las reservas de hidrocarburos de América del Norte se encuentran en rocas carbonatadas. Los yacimientos de carbonato son muy comunes en el Medio Oriente rico en petróleo, [59] y los yacimientos de carbonato contienen aproximadamente un tercio de todas las reservas de petróleo del mundo. [125] Las formaciones de piedra caliza también son fuentes comunes de minerales metálicos, porque su porosidad y permeabilidad, junto con su actividad química, promueven la deposición de mineral en la piedra caliza. Los depósitos de plomo y zinc de Missouri y los Territorios del Noroeste son ejemplos de depósitos de mineral alojados en piedra caliza. [59]

Escasez

La piedra caliza es una importante materia prima industrial que tiene una demanda constante. Esta materia prima ha sido fundamental en la industria siderúrgica desde el siglo XIX. [126] Las empresas nunca han tenido escasez de piedra caliza; sin embargo, se ha convertido en una preocupación ya que la demanda continúa aumentando [127] y sigue teniendo una gran demanda en la actualidad. [128] Las principales amenazas potenciales al suministro en el siglo XIX fueron la disponibilidad y accesibilidad regional. [126] Los dos principales problemas de accesibilidad fueron el transporte y los derechos de propiedad. Otros problemas fueron los altos costos de capital en plantas e instalaciones debido a las regulaciones ambientales y el requisito de permisos de zonificación y minería. [104] Estos dos factores dominantes llevaron a la adaptación y selección de otros materiales que se crearon y formaron para diseñar alternativas a la piedra caliza que se adaptaran a las demandas económicas. [126]

La piedra caliza fue clasificada como una materia prima crítica y, con el riesgo potencial de escasez, impulsó a las industrias a buscar nuevos materiales y sistemas tecnológicos alternativos. Esto permitió que la piedra caliza dejara de clasificarse como crítica a medida que aumentaba la producción de sustancias de reemplazo; El mineral minette es un sustituto común, por ejemplo. [126]

Seguridad y salud en el trabajo

La piedra caliza en polvo como aditivo alimentario se considera generalmente segura [130] y no se considera un material peligroso. Sin embargo, el polvo de piedra caliza puede irritar levemente las vías respiratorias y la piel, y el polvo que entra en los ojos puede causar abrasiones corneales . Debido a que la piedra caliza contiene pequeñas cantidades de sílice, la inhalación de polvo de piedra caliza podría provocar silicosis o cáncer . [129]

Estados Unidos

La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal ( límite de exposición permisible ) para la exposición a la piedra caliza en el lugar de trabajo en 15 mg/m 3 (0,0066 gr/pie cúbico) de exposición total y 5 mg/m 3 (0,0022 gr/ pie cúbico). pies cúbicos) exposición respiratoria durante una jornada laboral de 8 horas. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 10 mg/m 3 (0,0044 gr/pie cúbico) de exposición total y 5 mg/m 3 (0,0022 gr/pie cúbico) de exposición respiratoria. durante una jornada laboral de 8 horas. [131]

Pintada

Eliminar los graffitis de la piedra caliza erosionada es difícil porque es un material poroso y permeable. La superficie es frágil, por lo que los métodos habituales de abrasión corren el riesgo de provocar una pérdida grave de la superficie. Debido a que es una piedra sensible a los ácidos, algunos agentes de limpieza no se pueden utilizar debido a sus efectos adversos. [132]

Galería

Ver también

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