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Diagénesis

Una forma de diagénesis es la permineralización , en la que los organismos enterrados son reemplazados por minerales. Estos trilobites ( Lloydolithus ) fueron reemplazados por pirita durante un tipo específico de permineralización llamado piritización .
Permineralización en vértebras de Valgipes bucklandi

La diagénesis ( / ˌ d . ə ˈ ɛ n ə s ɪ s / ) es el proceso que describe los cambios físicos y químicos en los sedimentos causados ​​primero por las interacciones agua-roca, la actividad microbiana y la compactación después de su deposición . El aumento de la presión y la temperatura sólo empiezan a desempeñar un papel a medida que los sedimentos quedan enterrados mucho más profundamente en la corteza terrestre . [1] En las primeras etapas, la transformación de sedimentos poco consolidados en roca sedimentaria ( litificación ) va simplemente acompañada de una reducción de la porosidad y de la expulsión de agua ( sedimentos arcillosos ), mientras que sus principales conjuntos mineralógicos permanecen inalterados. A medida que la roca avanza a mayor profundidad debido a una mayor deposición superior, su contenido orgánico se transforma progresivamente en kerógenos y betunes .

El proceso de diagénesis excluye la alteración de la superficie ( meteorización ) y el metamorfismo profundo . No existe un límite claro entre diagénesis y metamorfismo , pero este último ocurre a temperaturas y presiones más altas . Las soluciones hidrotermales, las aguas subterráneas meteóricas, la porosidad de las rocas, la permeabilidad , las reacciones de disolución/ precipitación y el tiempo son factores influyentes.

Después de la deposición, los sedimentos se compactan al quedar enterrados bajo sucesivas capas de sedimentos y cementados por minerales que precipitan de la solución . Los granos de sedimento, fragmentos de rocas y fósiles pueden ser reemplazados por otros minerales (p. ej. calcita , siderita , pirita o marcasita ) durante la diagénesis. La porosidad suele disminuir durante la diagénesis, excepto en casos raros como disolución de minerales y dolomitización .

El estudio de la diagénesis en rocas se utiliza para comprender la historia geológica que han sufrido y la naturaleza y tipo de fluidos que han circulado a través de ellas. Desde un punto de vista comercial, estos estudios ayudan a evaluar la probabilidad de encontrar varios depósitos de minerales y hidrocarburos económicamente viables.

El proceso de diagénesis también es importante en la descomposición del tejido óseo. [2]

Papel en la antropología y la paleontología

Tallo crinoideo originalmente calcítico (en sección transversal) diagenéticamente reemplazado por marcasita en una concreción de siderita ; Carbonífero Inferior .

El término diagénesis, que literalmente significa "a través de generaciones", [3] se utiliza ampliamente en geología . Sin embargo, este término se ha filtrado en el campo de la antropología , la arqueología y la paleontología para describir los cambios y alteraciones que tienen lugar sobre el material esquelético (biológico). Específicamente, la diagénesis "es el entorno físico, químico y biológico acumulativo; estos procesos modificarán las propiedades químicas y/o estructurales originales de un objeto orgánico y regirán su destino final, en términos de preservación o destrucción". [4] [5] Para evaluar el impacto potencial de la diagénesis en huesos arqueológicos o fósiles , es necesario evaluar muchos factores, comenzando con la composición elemental y mineralógica del hueso y el suelo envolvente, así como el entorno de enterramiento local (geología, climatología , aguas subterráneas ). [5]

La naturaleza compuesta del hueso, que comprende un tercio orgánico (principalmente proteína de colágeno ) y dos tercios mineral ( fosfato cálcico principalmente en forma de hidroxiapatita ), hace que su diagénesis sea más compleja. [6] La alteración ocurre en todas las escalas, desde la pérdida y sustitución molecular, pasando por la reorganización de los cristalitos, la porosidad y los cambios microestructurales, y en muchos casos, hasta la desintegración de la unidad completa. [7] Se han identificado tres vías generales de diagénesis ósea:

  1. Deterioro químico de la fase orgánica.
  2. Deterioro químico de la fase mineral.
  3. Ataque (micro)biológico del composite. [8]

Son los siguientes:

  1. The dissolution of collagen depends on time, temperature, and environmental pH.[8] At high temperatures, the rate of collagen loss will be accelerated, and extreme pH can cause collagen swelling and accelerated hydrolysis.[8] Due to the increase in porosity of bones through collagen loss, the bone becomes susceptible to hydrolytic infiltration where the hydroxyapatite, with its affinity for amino acids, permits charged species of endogenous and exogenous origin to take up residence.[2]
  2. The hydrolytic activity plays a key role in the mineral phase transformations that expose the collagen to accelerated chemical- and bio-degradation.[8] Chemical changes affect crystallinity.[2][9] Mechanisms of chemical change, such as the uptake of F or CO2−
    3
    may cause recrystallization where hydroxyapatite is dissolved and re-precipitated allowing for the incorporation or substitution of exogenous material.[2][9]
  3. Once an individual has been interred, microbial attack, the most common mechanism of bone deterioration, occurs rapidly.[8] During this phase, most bone collagen is lost and porosity is increased.[2] The dissolution of the mineral phase caused by low pH permits access to the collagen by extracellular microbial enzymes thus microbial attack.[8]

Role in hydrocarbon generation

When animal or plant matter is buried during sedimentation, the constituent organic molecules (lipids, proteins, carbohydrates and lignin-humic compounds) break down due to the increase in temperature and pressure. This transformation occurs in the first few hundred meters of burial and results in the creation of two primary products: kerogens and bitumens.

It is generally accepted that hydrocarbons are formed by the thermal alteration of these kerogens (the biogenic theory). In this way, given certain conditions (which are largely temperature-dependent) kerogens will break down to form hydrocarbons through a chemical process known as cracking, or catagenesis.

Un modelo cinético basado en datos experimentales puede capturar la mayor parte de la transformación esencial en la diagénesis, [10] y un modelo matemático en un medio poroso de compactación para modelar el mecanismo de disolución-precipitación. [11] Estos modelos han sido intensamente estudiados y aplicados en aplicaciones geológicas reales.

La diagénesis se ha dividido, basándose en la génesis de los hidrocarburos y del carbón, en: eodiagénesis (temprana), mesodiagénesis (media) y telodiagénesis (tardía). Durante la etapa temprana o de eodiagénesis, las lutitas pierden agua de poro, se forman pocos o ningún hidrocarburo y el carbón varía entre lignito y subbituminoso . Durante la mesodiagénesis se produce la deshidratación de los minerales arcillosos , se produce el desarrollo principal de la génesis del petróleo y se forman carbones bituminosos de alta a baja volatilidad. Durante la telodiagénesis, la materia orgánica se agrieta y se produce gas seco; Se desarrollan carbones semiantracita . [12]

La diagénesis temprana en sedimentos acuáticos recién formados está mediada por microorganismos que utilizan diferentes aceptores de electrones como parte de su metabolismo. La materia orgánica se mineraliza, liberando dióxido de carbono gaseoso (CO 2 ) en el agua intersticial que, dependiendo de las condiciones, puede difundirse en la columna de agua. Los diversos procesos de mineralización en esta fase son la nitrificación y desnitrificación , la reducción con óxido de manganeso , la reducción con hidróxido de hierro , la reducción de sulfato y la fermentación . [13]

Papel en la descomposición ósea.

La diagénesis altera las proporciones de colágeno orgánico y componentes inorgánicos (hidroxiapatita, calcio, magnesio) del hueso expuesto a las condiciones ambientales, especialmente la humedad. Esto se logra mediante el intercambio de constituyentes naturales del hueso, su depósito en huecos o defectos, la adsorción sobre la superficie del hueso y la lixiviación del hueso. [2] [14]

Ver también

Referencias

  1. ^ Marshak, Stephen (2009). Fundamentos de geología (3ª ed.). W. W. Norton & Company . ISBN 978-0393196566.
  2. ^ abcdef Hedges, RE (2002). "Diagénesis ósea: una descripción general de los procesos". Arqueometría . 44 (3): 319–28. doi : 10.1111/1475-4754.00064 .
  3. ^ Diccionario de inglés Oxford.
  4. ^ Wilson, Lyn; Pollard, A. Mark (2002). "¿Aquí hoy, mañana se fue? Experimentación integrada y modelado geoquímico en estudios de cambio diagenético arqueológico". Cuentas de la investigación química . 35 (8): 644–651. doi :10.1021/ar000203s. PMID  12186569. S2CID  20545137.
  5. ^ ab Zapata J, Pérez-Sirvent C, Martínez-Sánchez MJ, Tovar P (octubre de 2006). "Diagénesis, no biogénesis: dos ejemplos esqueléticos tardorromanos". La ciencia del medio ambiente total . 369 (1–3): 357–68. Código Bib : 2006ScTEn.369..357Z. doi :10.1016/j.scitotenv.2006.05.021. PMID  16828844.
  6. ^ Nicholson RA (1996). "Degradación ósea, medio funerario y representación de especies: desacreditar los mitos y un enfoque basado en experimentos". Revista de Ciencias Arqueológicas . 23 (4): 513–533. doi :10.1006/jasc.1996.0049.
  7. ^ Nielsen-Marsh CM (2000). "Patrones de diagénesis en hueso I: los efectos de los entornos del sitio". Revista de Ciencias Arqueológicas . 27 (12): 1139-1150. doi :10.1006/jasc.1999.0537.
  8. ^ abcdef Collins MJ, Nielsen, Marsh CM, Hiller J, Smith CI, Roberts JP, et al. (2002). "La supervivencia de la materia orgánica en los huesos: una revisión". Arqueometría . 44 (3): 383–394. doi : 10.1111/1475-4754.t01-1-00071 .
  9. ^ ab de Sousa DV, Eltink E, Oliveira RA, Félix JF, Guimarães LM (diciembre de 2020). "Procesos diagenéticos en huesos fósiles del Cuaternario de cuevas de piedra caliza tropicales". Informes científicos . 10 (1): 21425. Código bibliográfico : 2020NatSR..1021425D. doi :10.1038/s41598-020-78482-0. PMC 7722736 . PMID  33293631. 
  10. ^ Abercrombie HJ, Hutcheon IE, Bloch JD, Caritat PD (1994). "Actividad de la sílice y reacción esmectita-illita". Geología . 22 (6): 539–542. Código Bib :1994Geo....22..539A. doi :10.1130/0091-7613(1994)022<0539:saatsi>2.3.co;2.
  11. ^ Fowler AC, Yang XS (2003). "Mecanismos de disolución/precipitación para la diagénesis en cuencas sedimentarias". J. Geophys. Res . 108 (B10): 2269. Código bibliográfico : 2003JGRB..108.2509F. CiteSeerX 10.1.1.190.4424 . doi :10.1029/2002jb002269. 
  12. ^ Foscolos AE, Powell TG, Gunther PR (1976). "El uso de minerales arcillosos e indicadores geoquímicos orgánicos e inorgánicos para evaluar el grado de diagénesis y potencial generador de petróleo de las lutitas". Geochimica et Cosmochimica Acta . 40 (8): 953–966. Código bibliográfico : 1976GeCoA..40..953F. doi :10.1016/0016-7037(76)90144-7.
  13. ^ Lovley DR (junio de 1991). "Reducción disimilatoria de Fe (III) y Mn (IV)". Revisiones microbiológicas . 55 (2): 259–87. doi : 10.1128/MMBR.55.2.259-287.1991 . PMC 372814 . PMID  1886521. 
  14. ^ Vass, AA (2001). "Más allá de la tumba: comprender la descomposición humana" (PDF) . Microbiología hoy . 28 .