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Procedencia (geología)

Los principales tipos de rocas

La procedencia en geología es la reconstrucción del origen de los sedimentos . La Tierra es un planeta dinámico y todas las rocas están sujetas a transiciones entre los tres tipos principales de rocas: sedimentarias , metamórficas e ígneas (el ciclo de las rocas ). Las rocas expuestas a la superficie se descomponen eventualmente en sedimentos. Se espera que los sedimentos puedan proporcionar evidencia de la historia erosiva de sus rocas fuente originales. El propósito del estudio de procedencia es restaurar la historia tectónica , paleogeográfica y paleoclimática .

En el léxico geológico moderno, el término "procedencia de los sedimentos" se refiere específicamente a la aplicación de análisis de composición para determinar el origen de los sedimentos. Esto se utiliza a menudo en conjunción con el estudio de las historias de exhumación, la interpretación de las redes de drenaje y su evolución, y el modelado progresivo de los sistemas paleoterrestres. En conjunto, estos elementos ayudan a caracterizar el recorrido de "fuente a sumidero" de los sedimentos clásticos desde el interior hasta la cuenca sedimentaria .

Introducción

Procedencia (del francés provenir, "venir de"), es el lugar de origen o la historia más antigua conocida de algo. [1] En geología (específicamente, petrología sedimentaria ), el término procedencia se ocupa de la cuestión de dónde se originan los sedimentos. El propósito de los estudios de procedencia sedimentaria es reconstruir e interpretar la historia de los sedimentos desde las rocas madre en un área de origen hasta los detritos en un lugar de enterramiento. [2] El análisis de procedencia sedimentaria también puede ser una herramienta poderosa para rastrear la evolución del paisaje y los cambios en las vías de dispersión de sedimentos a través del tiempo. [3] El objetivo final de los estudios de procedencia es investigar las características de un área de origen analizando la composición y la textura de los sedimentos. [4] Los estudios de procedencia involucran los siguientes aspectos: "(1) la(s) fuente(s) de las partículas que forman las rocas, (2) los mecanismos de erosión y transporte que movieron las partículas desde las áreas de origen hasta los sitios de depósito, (3) el entorno de depósito y los procesos de depósito responsables de la sedimentación de las partículas (el ambiente de depósito), y (4) las condiciones físicas y químicas del ambiente de entierro y los cambios diagenéticos que ocurren en el sedimento siliciclástico durante el entierro y el levantamiento". [5] Los estudios de procedencia se llevan a cabo para investigar muchas cuestiones científicas, por ejemplo, la historia del crecimiento de la corteza continental, [6] [7] el tiempo de colisión de las placas india y asiática, [8] la intensidad del monzón asiático y la exhumación del Himalaya . [9] Mientras tanto, los métodos de procedencia se utilizan ampliamente en la industria del petróleo y el gas. "Las relaciones entre la procedencia y la cuenca son importantes para la exploración de hidrocarburos porque los marcos de arena de composiciones detríticas contrastantes responden de manera diferente a la diagénesis y, por lo tanto, muestran diferentes tendencias de reducción de la porosidad con la profundidad del entierro". [10]

Fuente de detritos

Toda roca expuesta en la superficie de la Tierra está sujeta a erosión física o química y se descompone en sedimentos de grano más fino. Los tres tipos de rocas (ígneas, sedimentarias y metamórficas) pueden ser fuente de detritos.

Transporte de detritos

Distribución de detritos

Las rocas son transportadas río abajo desde una elevación más alta a una más baja. Las rocas madre y los detritos son transportados por la gravedad, el agua, el viento o el movimiento glacial. El proceso de transporte rompe las rocas en partículas más pequeñas por abrasión física, desde el tamaño de una gran roca hasta el tamaño de arena o incluso arcilla. Al mismo tiempo, los minerales dentro del sedimento también pueden cambiar químicamente. Solo los minerales que son más resistentes a la meteorización química pueden sobrevivir (por ejemplo, minerales ultraestables como el circón , la turmalina y el rutilo ). Durante el transporte, los minerales pueden clasificarse por su densidad y, como resultado, los minerales ligeros como el cuarzo y la mica pueden moverse más rápido y más lejos que los minerales pesados ​​(como el circón y la turmalina).

Acumulación de detritos

Después de una cierta distancia de transporte, los detritos alcanzan una cuenca sedimentaria y se acumulan en un lugar. Con la acumulación de sedimentos, los sedimentos se entierran a un nivel más profundo y pasan por diagénesis , que convierte los sedimentos separados en rocas sedimentarias (es decir, conglomerado , arenisca , lutitas , caliza , etc.) y algunas rocas metamórficas (como la cuarcita ) que se derivaron de rocas sedimentarias. Después de que los sedimentos se meteorizan y erosionan de los cinturones montañosos, pueden ser transportados por arroyos y depositados a lo largo de los ríos como arenas fluviales. Los detritos también pueden transportarse y depositarse en cuencas de antepaís y en abanicos marinos. El registro detrítico se puede recolectar de todos estos lugares y se puede utilizar en estudios de procedencia. [11] [12] [13]

Reelaboración de detritos

Una vez que los detritos se erosionan de la zona de origen, se transportan y depositan en un río, una cuenca de antepaís o una llanura de inundación. Luego, los detritos pueden erosionarse y transportarse nuevamente cuando se producen inundaciones u otros tipos de eventos erosivos. Este proceso se denomina reelaboración de detritos y podría ser problemático para los estudios de procedencia. [18] Por ejemplo, generalmente se considera que las edades del circón U-Pb reflejan el momento de la cristalización del circón a unos 750 °C y el circón es resistente a la abrasión física y a la erosión química. Por lo tanto, los granos de circón pueden sobrevivir a múltiples ciclos de reelaboración. Esto significa que si el grano de circón se reelabora (se vuelve a erosionar) a partir de una cuenca de antepaís (no del área de origen del cinturón montañoso original), perderá información de la reelaboración (el registro de detritos no indicará la cuenca de antepaís como área de origen, pero indicará el cinturón montañoso anterior como área de origen). Para evitar este problema, se pueden recolectar muestras cerca del frente de la montaña, aguas arriba de la cual no hay un almacenamiento significativo de sedimentos. [13]

Desarrollo de métodos de procedencia

El estudio de la procedencia sedimentaria involucra varias disciplinas geológicas, incluyendo mineralogía , geoquímica , geocronología, sedimentología , petrología ígnea y metamórfica . [19] El desarrollo de métodos de procedencia depende en gran medida del desarrollo de estas disciplinas geológicas principales. Los primeros estudios de procedencia se basaron principalmente en análisis de paleocorrientes y análisis petrográficos (composición y textura de arenisca y conglomerado). [20] Desde la década de 1970, los estudios de procedencia cambiaron para interpretar configuraciones tectónicas (es decir, arcos magmáticos, orógenos de colisión y bloques continentales) utilizando la composición de arenisca. [10] De manera similar, las técnicas de geoquímica de rocas a granel se aplican para interpretar la procedencia vinculando las firmas geoquímicas con las rocas fuente y las configuraciones tectónicas. Más tarde, con el desarrollo de métodos de microanálisis químico e isotópico y técnicas geocronológicas (por ejemplo, ICP-MS , SHRIMP ), las investigaciones de procedencia cambiaron para analizar granos minerales individuales. La siguiente tabla tiene ejemplos de dónde se recolectan muestras de estudio de procedencia.

Métodos de procedencia

En general, los métodos de procedencia se pueden clasificar en dos categorías, que son métodos petrológicos y métodos geoquímicos. Los ejemplos de métodos petrológicos incluyen diagrama ternario QFL, conjuntos de minerales pesados ​​( índice de apatita - turmalina , índice de granate- circón ), conjuntos de minerales arcillosos y cristalinidad de ilita , fósiles y palinomorfos reelaborados y propiedades magnéticas de stock. Los ejemplos de métodos geoquímicos incluyen la datación de circón U-Pb (más el isótopo Hf ), la pista de fisión de circón , la pista de fisión de apatita, los isótopos de Nd y Sr en sedimentos a granel, la química del granate, la química del piroxeno , la química de los anfíboles , etc. A continuación, se incluye una lista más detallada con referencias a varios tipos de métodos de procedencia.

Ejemplos de métodos de procedencia

Composición de areniscas y tectónica de placas

Este método se utiliza ampliamente en estudios de procedencia y tiene la capacidad de vincular la composición de la arenisca con el entorno tectónico. Este método se describe en el artículo de Dickinson y Suczek de 1979. [10] Los modos de estructura detrítica de los conjuntos de areniscas de diferentes tipos de cuencas son una función de los tipos de procedencia regidos por la tectónica de placas. (1) Las arenas cuarzosas de los cratones continentales están muy extendidas en las cuencas interiores, las sucesiones de plataformas, las cuñas miogeoclinales y las cuencas oceánicas abiertas. (2) Las arenas arcósicas de los bloques de basamento elevados están presentes localmente en las fosas de rift y en las cuencas de desgarro relacionadas con las rupturas transformantes. (3) La arena lítica volcanoclástica y las arenas volcanoplutónicas más complejas derivadas de los arcos magmáticos están presentes en trincheras, cuencas de antearco y mares marginales . (4) Las arenas orogénicas recicladas , ricas en cuarzo o sílex más otros fragmentos líticos y derivadas de complejos de subducción , orógenos de colisión y elevaciones del antepaís, están presentes en las cuencas oceánicas de cierre. Los diagramas triangulares que muestran las proporciones estructurales del cuarzo, los dos feldespatos, los líticos de cuarzo policristalino y los líticos inestables de origen volcánico y sedimentario distinguen con éxito los tipos de procedencia clave". [10]

Resolver problemas de procedencia mediante la datación de minerales detríticos

Un ejemplo de diagrama de probabilidad de edad relativa U–Pb [8]

La geocronología y la termocronología se aplican cada vez más para resolver problemas de procedencia y tectónicos. [59] [17] [60] [61] [62] Los minerales detríticos utilizados en este método incluyen circones, monacitas , micas blancas y apatitas. La edad datada de estos minerales indica el momento de la cristalización y múltiples eventos tectono-térmicos. Este método se basa en las siguientes consideraciones: "(1) las áreas de origen se caracterizan por rocas con diferentes historias tectónicas registradas por edades distintivas de cristalización y enfriamiento; (2) las rocas de origen contienen el mineral seleccionado;" [63] (3) El mineral detrítico como el circón es ultraestable, lo que significa que es capaz de sobrevivir a múltiples fases de meteorización física y química, erosión y deposición. Esta propiedad hace que estos minerales detríticos sean ideales para registrar una larga historia de cristalización de un área de origen tectónicamente compleja.

La figura de la derecha es un ejemplo de diagrama de probabilidad de edad relativa U–Pb . [17] El gráfico superior muestra la distribución de la edad del circón detrítico de la cuenca del antepaís. El gráfico inferior muestra la distribución de la edad del circón del interior (área de origen). En los gráficos, n es el número de granos de circón analizados. Entonces, para la formación Amile de la cuenca del antepaís, se analizan 74 granos. Para el área de origen (dividida en 3 niveles tectónicos, Himalaya Tethyan, Himalaya Mayor e Himalaya Menor ), se analizan 962, 409 y 666 granos respectivamente. Para correlacionar los datos del interior y del antepaís, veamos primero el registro del área de origen, la secuencia Tethyan tiene un pico de edad en ~500 Myr, 1000 Myr y 2600 Myr, el Himalaya Mayor tiene picos de edad en ~1200 Myr y 2500 Myr, y la secuencia del Himalaya Menor tiene picos de edad en ~1800 Ma y 2600 Ma. Simplemente comparando el registro de la cuenca del antepaís con el registro del área de origen, podemos ver que la formación Amile se asemeja a la distribución de edad del Himalaya Menor. Tiene alrededor de 20 granos con una edad de ~1800 Myr ( Paleoproterozoico ) y alrededor de 16 granos con una edad de ~2600 Myr ( Arqueano ). Entonces podemos interpretar que los sedimentos de la formación Amile se derivan principalmente del Himalaya Menor, y las rocas del Paleoproterozoico y Arqueano son del cratón indio . Entonces la historia es: la placa india choca con el Tíbet, las rocas del cratón indio se deforman y se involucran en el cinturón de empuje del Himalaya (por ejemplo, la secuencia del Himalaya Menor), luego se erosionan y se depositan en la cuenca del antepaís.

La geocronología U-Pb de circones se realizó mediante espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente con multicolector por ablación láser ( LA-MC-ICPMS ).

Sedimentos a granel de Nd y Sr

Un ejemplo de gráficos de datos isotópicos de Nd y Sr que se utilizan en estudios de procedencia

Dependiendo de las propiedades del sistema de isótopos radiactivos Sm–Nd puede proporcionar una estimación de la edad de las rocas fuente sedimentarias. Se ha utilizado en estudios de procedencia. [32] [34] [64] [65] 143 Nd se produce por la desintegración α de 147 Sm y tiene una vida media de 1,06×10 11 años. La variación de 143 Nd/ 144 Nd es causada por la desintegración de 147 Sm. Ahora la relación Sm/Nd del manto es mayor que la de la corteza y la relación 143 Nd/ 144 Nd también es mayor que en el manto que en la corteza. La relación 143 Nd/ 144 Nd se expresa en notación εNd (DePaolo y Wasserbur 1976). [65] . CHUR se refiere a Yacimiento Uniforme Condrítico. Entonces ϵNd es una función de T (tiempo). La evolución del isótopo Nd en el manto y la corteza se muestra en la figura de la derecha. El gráfico superior (a), la línea en negrita muestra la evolución de la tierra a granel o CHUR (reservorio uniforme condrítico). El gráfico inferior (b) muestra la evolución de la corteza y el manto de la tierra a granel (CHUR), 143Nd/144Nd se transforma en εNd. [66] Normalmente, la mayoría de las rocas tienen valores de εNd en el rango de -20 a +10. El valor de εNd calculado de las rocas se puede correlacionar con las rocas fuente para realizar estudios de procedencia. Además, los isótopos Sr y Nd se han utilizado para estudiar tanto la procedencia como la intensidad de la meteorización. [34] El Nd no se ve afectado principalmente por el proceso de meteorización, pero el valor de 87Sr/86Sr se ve más afectado por la meteorización química. [67] [68]

Adquisición de datos y instrumentos de laboratorio

Microsonda de iones de alta resolución y sensibilidad (SHRIMP II) en la Universidad de Curtin, Australia Occidental

Para seleccionar la adquisición de datos de laboratorio adecuada para la procedencia del sedimento, se debe tener en cuenta el tamaño del grano. En el caso de los conglomerados y los cantos rodados, como se conserva la paragénesis mineral original , se pueden utilizar casi todos los métodos analíticos para estudiar la procedencia. [69] En el caso de los sedimentos de grano más fino, como siempre pierden información paragénica, solo se puede utilizar una gama limitada de métodos analíticos.

Los enfoques de adquisición de datos de laboratorio para el estudio de procedencia se dividen en las siguientes tres categorías: (1) analizar la composición a granel para extraer información petrográfica, mineralógica y química, (2) analizar grupos específicos de minerales como minerales pesados ​​y (3) analizar granos minerales individuales sobre propiedades morfológicas, químicas e isotópicas.

Para el análisis de la composición a granel, las muestras se trituran, se pulverizan y se desintegran o se funden. Luego, se realizan mediciones de elementos mayores, trazas y tierras raras (REE) utilizando instrumentos como espectroscopia de absorción atómica (AAS), fluorescencia de rayos X (XRF), análisis de activación neutrónica (NAA), etc.

Los sedimentos del tamaño de arena se pueden analizar mediante métodos de grano único. Los métodos de grano único se pueden dividir en los siguientes tres grupos: (1) Técnicas microscópicas-morfológicas, que se utilizan para observar la forma, el color y las estructuras internas de los minerales. Por ejemplo, el microscopio electrónico de barrido (SEM) y el detector de catodoluminiscencia (CL). [70] [71] (2) Técnicas geoquímicas de grano único, que se utilizan para adquirir la composición química y las variaciones dentro de los minerales. Por ejemplo, la espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente por ablación láser (ICP-MS) . [72] (3) Datación radiométrica de minerales de grano único, que puede determinar las propiedades geocronológicas y termocronológicas de los minerales. Por ejemplo, la datación SHRIMP U/Pb y la datación por sonda láser 40Ar/39Ar . [73]

Problemas y limitaciones de los estudios de procedencia

Pasos principales (centro), procesos de modificación (derecha) y factores de control (izquierda) de la evolución del sedimento.

Durante el recorrido de los detritos desde la zona de origen hasta la cuenca, estos están sujetos a erosión, transporte, mezcla, deposición, diagénesis y reciclaje. Este complicado proceso puede modificar la litología de las rocas madre tanto en términos de composición como de texto. Todos estos factores imponen ciertos límites a nuestra capacidad para restaurar las características de las rocas madre a partir de las propiedades del registro detrítico producido. Los párrafos siguientes presentan brevemente los principales problemas y limitaciones de los estudios de procedencia. [74]

Área de origen del candidato

Para correlacionar los sedimentos (registro detrítico) con el área de origen, es necesario elegir varias áreas de origen posibles para la comparación. En este proceso, es posible que se pase por alto el área de origen posible de donde proviene el sedimento y no se la elija como área de origen candidata. Esto podría provocar una interpretación errónea en la correlación posterior entre el sedimento y la fuente.

Tamaño del grano

El tamaño del grano podría causar una mala interpretación de los estudios de procedencia. Durante el transporte y la deposición, los detritos están sujetos a descomposición mecánica, alternancia química y clasificación. Esto siempre da como resultado un enriquecimiento preferencial de materiales específicos en un cierto rango de tamaño de grano, y la composición del sedimento tiende a ser una función del tamaño de grano. Por ejemplo, las proporciones SiO2 /Al2O3 disminuyen con la disminución del tamaño de grano porque el filosilicato rico en Al se enriquece a expensas de la fase rica en Si en los detritos de grano fino. Esto significa que el cambio de composición del registro detrítico podría reflejar el efecto de la clasificación del tamaño de grano y no solo el cambio de procedencia. [75] Para minimizar la influencia de la clasificación sedimentaria en el método de procedencia (como el método isotópico Sr-Nd), solo se recogen como muestras areniscas de grano muy fino a grano fino, pero se pueden utilizar areniscas de grano medio cuando no hay alternativas disponibles. [76]

Mezcla de detritos

La mezcla de detritos de múltiples fuentes puede causar problemas a la hora de correlacionar el registro detrítico final con las rocas fuente, especialmente cuando las vías de dispersión son complejas e implican el reciclaje de sedimentos depositados previamente. Por ejemplo, si un registro detrítico contiene granos de circón con una edad de mil millones de años que fueron transportados por ríos que fluyeron a través de dos áreas fuente que contienen circones que también tienen mil millones de años, no sería posible determinar cuál de las dos áreas fuente aguas arriba fue la fuente de los detritos de circón, basándose únicamente en la edad.

Diagénesis

La diagénesis podría ser un problema al analizar registros detríticos, especialmente cuando se trata de sedimentos antiguos que siempre están litificados. [77] La ​​variación de minerales arcillosos en el registro detrítico puede no reflejar la variación de la roca de procedencia, sino el efecto del enterramiento. Por ejemplo, los minerales arcillosos se vuelven inestables a gran profundidad, la caolinita y la esmectita se vuelven illita. Si hay una tendencia creciente a la baja de los componentes de illita en un núcleo de perforación, no podemos concluir que el registro detrítico temprano indique una roca fuente con mayor rendimiento de illita, sino posiblemente como resultado del enterramiento y la alternancia de minerales [77].

Supuesto estructural del interior

Influencia de los supuestos estructurales en la interpretación de la procedencia. Las dos secciones transversales de la izquierda son dos supuestos estructurales del interior y la columna de la derecha es una estratigrafía de la cuenca del antepaís que muestra variaciones del registro detrítico. Ma = Millones de años

Como un estudio de procedencia intenta correlacionar el registro detrítico (que se almacena en cuencas) con la estratigrafía del interior , y la estratigrafía del interior está controlada estructuralmente por sistemas de fallas, por lo que el entorno estructural del interior es importante para la interpretación del registro detrítico. El entorno estructural del interior se estima mediante trabajo de mapeo de campo. Los geólogos trabajan a lo largo de los valles de los ríos y atraviesan cinturones montañosos (cinturón de empuje), localizan fallas principales y describen la estratigrafía principal limitada por fallas en el área. Un mapa geológico es el producto del trabajo de mapeo de campo, y se pueden construir secciones transversales interpretando un mapa geológico. Sin embargo, se hacen muchas suposiciones durante este proceso, por lo que los entornos estructurales del interior siempre son suposiciones. Y estas suposiciones pueden afectar la interpretación del registro detrítico. Aquí hay un ejemplo, la figura de la derecha muestra un sistema clásico de cinturón de empuje y cuenca de antepaís, la falla de empuje lleva rocas suprayacentes a la superficie y rocas de varias litologías se erosionan y se transportan para depositarse en la cuenca de antepaís. En el supuesto estructural 1, se supone que la capa rosa existe por encima del empuje 2 y el empuje 3, pero en el segundo supuesto, la capa rosa solo está soportada por el empuje 2. Los registros detríticos se almacenan en la estratigrafía de la cuenca del antepaís. Dentro de la estratigrafía, la capa rosa está correlacionada con la capa rosa del interior. Si utilizamos el supuesto estructural 2, podemos interpretar que el empuje 2 estuvo activo hace unos 12 y 5 millones de años. Pero al utilizar el otro supuesto, no podríamos saber si el registro de la capa rosa indica actividad del empuje 2 o 3.

Estudios de procedencia de sedimentos en la exploración y producción de hidrocarburos

Un uso combinado de múltiples métodos de procedencia (por ejemplo , petrografía , análisis de minerales pesados , geoquímica mineral, geoquímica de roca entera, geocronología y análisis de captura de drenaje) puede proporcionar información valiosa para todas las etapas de exploración y producción de hidrocarburos . [78] [79] En la etapa de exploración, los estudios de procedencia pueden mejorar la comprensión de la distribución y calidad del yacimiento. Estos afectarán la posibilidad de éxito del proyecto de exploración; En la etapa de desarrollo, las técnicas mineralógicas y químicas se utilizan ampliamente para estimar la zonificación del yacimiento y la correlación de la estratigrafía. [80] Al mismo tiempo, estas técnicas de procedencia también se utilizan en la etapa de producción. Por ejemplo, se utilizan para evaluar las variaciones de permeabilidad y la tasa de declive del pozo resultante de la variabilidad espacial en la diagénesis y las facies deposicionales [78]

Véase también

Referencias

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