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Procedencia (geología)

Los principales tipos de rocas.

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

En el léxico geológico moderno, "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 junto con el estudio de historias de exhumaciones, la interpretación de redes de drenaje y su evolución, y la modelización avanzada de sistemas paleoterrestres. En combinación, estos ayudan a caracterizar el viaje "de la fuente al 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 aborda 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 objetivo final de los estudios de procedencia es investigar las características de un área fuente mediante el análisis de la composición y textura de los sedimentos. [3] Los estudios de procedencia involucran los siguientes aspectos: "(1) la(s) fuente(s) de las partículas que componen las rocas, (2) los mecanismos de erosión y transporte que movieron las partículas desde las áreas de origen a los sitios de depósito, ( 3) el entorno de depósito y los procesos de depósito responsables de la sedimentación de las partículas (el entorno de depósito), y (4) las condiciones físicas y químicas del entorno de entierro y los cambios diagenéticos que se producen en los sedimentos siliciclásticos durante el entierro y el levantamiento". [4] Se realizan estudios de procedencia para investigar muchas cuestiones científicas, por ejemplo, la historia de crecimiento de la corteza continental, [5] [6] el tiempo de colisión de las placas india y asiática, [7] la intensidad del monzón asiático y la exhumación del Himalaya [8] 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 las estructuras de arena con 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". [9]

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 se transportan río abajo desde una elevación más alta a una elevación más baja. Las rocas madre y los detritos son transportados por la gravedad, el agua, el viento o el movimiento de los glaciares. El proceso de transporte rompe las rocas en partículas más pequeñas mediante abrasión física, desde el tamaño de una gran roca hasta el tamaño de arena o incluso arcilla. Al mismo tiempo, los minerales del sedimento también pueden modificarse químicamente. Sólo los minerales que son más resistentes a la intemperie química pueden sobrevivir (por ejemplo, los minerales ultraestables circón , turmalina y rutilo ). Durante el transporte, los minerales se pueden clasificar según su densidad y, como resultado, los minerales ligeros como el cuarzo y la mica pueden transportarse 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 llegan a una cuenca sedimentaria y se acumulan en un lugar. Con la acumulación de sedimentos, los sedimentos quedan enterrados a un nivel más profundo y pasan por diagénesis , que convierte los sedimentos separados en rocas sedimentarias (es decir, conglomerado , arenisca , fango , piedra caliza , etc.) y algunas rocas metamórficas (como la cuarcita ) que se derivaron de rocas sedimentarias. Una vez que los sedimentos son meteorizados y erosionados de los cinturones montañosos, pueden ser transportados por corrientes y depositados a lo largo de los ríos como arenas de río. Los detritos también pueden transportarse y depositarse en cuencas de antepaís y en abanicos marinos. El registro detrítico puede recogerse de todos estos lugares y utilizarse en estudios de procedencia. [10] [11] [12]

Reelaboración de detritos

Después de que los detritos se erosionan del área de origen, se transportan y depositan en un río, una cuenca de antepaís o una llanura aluvial. Luego, los detritos pueden erosionarse y transportarse nuevamente cuando ocurren inundaciones u otros tipos de eventos de erosión. Este proceso se denomina reelaboración de detritos. Y este proceso podría resultar problemático para los estudios de procedencia. [17] Por ejemplo, generalmente se considera que las edades del circón U-Pb reflejan el tiempo de cristalización del circón a aproximadamente 750 °C y el circón es resistente a la abrasión física y a la intemperie química. Por lo tanto, los granos de circón pueden sobrevivir a múltiples ciclos de reelaboración. Esto significa que si el grano de circón se vuelve a trabajar (se vuelve a erosionar) desde una cuenca de antepaís (no desde el área de origen del cinturón montañoso original), perderá información de reelaboración (el registro detrítico no indicará la cuenca de antepaís como área de origen, pero indicará la zona anterior). cinturón montañoso como área fuente). Para evitar este problema, se pueden recolectar muestras cerca del frente de la montaña, aguas arriba de donde no hay un almacenamiento significativo de sedimentos. [12]

Desarrollo de métodos de procedencia.

El estudio de la procedencia sedimentaria involucra varias disciplinas geológicas, entre ellas la mineralogía , la geoquímica , la geocronología, la sedimentología , la petrología ígnea y metamórfica . [18] El desarrollo de métodos de procedencia depende en gran medida del desarrollo de estas disciplinas geológicas convencionales. Los primeros estudios de procedencia se basaron principalmente en análisis de paleocorrientes y análisis petrográficos (composición y textura de arenisca y conglomerado). [19] Desde la década de 1970, los estudios de procedencia cambiaron para interpretar entornos tectónicos (es decir, arcos magmáticos, orógenos de colisión y bloques continentales) utilizando composición de arenisca. [9] De manera similar, las técnicas de geoquímica de rocas en masa se aplican para interpretar la procedencia que vincula las firmas geoquímicas con las rocas fuente y los entornos tectónicos. Posteriormente, con el desarrollo de métodos de microanálisis químico e isotópico y técnicas geocronológicas (por ejemplo, ICP-MS , SHRIMP ), las investigaciones de procedencia pasaron a analizar granos minerales individuales. La siguiente tabla tiene ejemplos de dónde se recolectan muestras de estudios de procedencia.

Métodos de procedencia

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

Ejemplos de métodos de procedencia

Composición de arenisca 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. [9] Los modos de estructura detrítica de conjuntos de arenisca de diferentes tipos de cuencas son una función de los tipos de procedencia regidos por la tectónica de placas. (1) Las arenas cuarzosas de cratones continentales están muy extendidas en cuencas interiores, sucesiones de plataformas, cuñas miogeoclinales y cuencas oceánicas abiertas. (2) Las arenas arcósicas de los bloques de sótanos elevados están presentes localmente en depresiones y en cuencas de ruptura relacionadas con rupturas transformantes. (3) En fosas, cuencas de antearco y mares marginales están presentes arenas líticas volcánicas y arenas vulcano- plutónicas más complejas derivadas de arcos magmáticos . (4) Las arenas orogénicas recicladas , ricas en cuarzo o sílex además de otros fragmentos líticos y derivadas de complejos de subducción , orógenos de colisión y levantamientos de antepaís, están presentes en las cuencas oceánicas cercanas. Los diagramas triangulares que muestran las proporciones estructurales de cuarzo, los dos feldespatos, las líticas cuarzosas policristalinas y las líticas inestables de ascendencia volcánica y sedimentaria distinguen con éxito los tipos de procedencia clave". [9]

Resolución de problemas de procedencia mediante la datación de minerales detríticos

Un ejemplo de diagrama de probabilidad de edad relativa U-Pb [7]

La geocronología y la termocronología se aplican cada vez más para resolver problemas de procedencia y tectónica. [58] [16] [59] [60] [61] Los minerales detríticos utilizados en este método incluyen circones, monacitas , micas blancas y apatitas. La edad de estos minerales indica el momento de la cristalización y múltiples eventos tectonotérmicos. Este método se basa en las siguientes consideraciones: "(1) las áreas fuente se caracterizan por rocas con diferentes historias tectónicas registradas por cristalización distintiva y edades de enfriamiento; (2) las rocas fuente contienen el mineral seleccionado;" [62] (3) El mineral detrítico como el circón es ultraestable, lo que significa que es capaz de sobrevivir a múltiples fases de meteorización, erosión y deposición física y química. 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 . [16] El gráfico superior muestra la distribución de edades del circonio detrítico de la cuenca del antepaís. El gráfico inferior muestra la distribución de la edad del circón en el 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, Tethyan Himalaya, Greater Himalaya y Lesser Himalaya ), 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 de Tethyan tiene un pico de edad de ~500 Myr, 1000 Myr y 2600 Myr, el Gran Himalaya tiene picos de edad de ~1200 Myr y 2500 Myr, y la secuencia del Himalaya Menor tiene una edad alcanza su punto máximo a ~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 de Amile se asemeja a la distribución de edades del Himalaya Menor. Tiene alrededor de 20 granos con una edad de ~ 1800 Myr ( Paleoproterozoico ) y alrededor de 16 granos producen 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 producidas hace del Paleoproterozoico y Arcaico son del cratón indio . Entonces, la historia es: la placa india colisiona 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 de ablación láser ( LA-MC-ICPMS ).

Sedimento a granel Nd y Sr

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

Depender de las propiedades del sistema de isótopos radiactivos Sm-Nd puede proporcionar una estimación de la edad de las rocas generadoras sedimentarias. Se ha utilizado en estudios de procedencia. [31] [33] [63] [64] 143 Nd se produce por 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). [64] . CHUR se refiere al depósito uniforme de condríticas. Entonces ϵNd es función de T (tiempo). La evolución del isótopo Nd en el manto y la corteza se muestra en la figura de la derecha. La línea en negrita del gráfico superior (a) muestra la evolución de la tierra en masa o CHUR (reservorio uniforme condrítico). El gráfico inferior (b) muestra la evolución de la corteza terrestre y el manto en masa (CHUR), 143Nd/144Nd se transforma en εNd. [65] Normalmente, la mayoría de las rocas tienen valores de εNd en el rango de -20 a +10. El valor εNd calculado de las rocas se puede correlacionar con las rocas fuente para realizar estudios de procedencia. Además, se han utilizado isótopos Sr y Nd para estudiar tanto la procedencia como la intensidad de la meteorización. [33] El Nd no se ve afectado principalmente por el proceso de intemperismo, pero el valor de 87Sr/86Sr se ve más afectado por la intemperización química. [66] [67]

Adquisición de datos de laboratorio e instrumentos.

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

Para elegir la adquisición de datos de laboratorio adecuada para la procedencia de los sedimentos, se debe tener en cuenta el tamaño del grano. En el caso de conglomerados y cantos rodados, como se conserva la paragénesis mineral original , se pueden utilizar casi todos los métodos analíticos para estudiar la procedencia. [68] Para los sedimentos de grano más fino, como siempre pierden información paragenética, sólo 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 tres categorías siguientes: (1) análisis de la composición en masa 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, la medición de elementos principales, trazas y de tierras raras (REE) se realiza mediante el uso de instrumentos como espectroscopia de absorción atómica (AAS), fluorescencia de rayos X (XRF), análisis de activación de neutrones (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 tres grupos siguientes: (1) Técnicas microscópicas-morfológicas, que se utilizan para observar la forma, el color y las estructuras internas de los minerales. Por ejemplo, microscopio electrónico de barrido (SEM) y detector de catodoluminiscencia (CL). [69] [70] (2) Técnicas geoquímicas de grano único, que se utilizan para adquirir composición química y variaciones dentro de los minerales. Por ejemplo, espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente por ablación con láser (ICP-MS) . [71] (3) Datación radiométrica de minerales de un solo grano, que puede determinar las propiedades geocronológicas y termocronológicas de los minerales. Por ejemplo, datación U/Pb SHRIMP y datación con sonda láser 40Ar/39Ar . [72]

Problemas y limitaciones de los estudios de procedencia.

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

Durante el recorrido de los detritos transportados desde el área de origen hasta la cuenca, los detritos están sujetos a erosión, transporte, mezcla, deposición, diagénesis y reciclaje. El complicado proceso puede modificar la litología de los padres tanto compositivamente como textualmente. Todos estos factores plantean ciertos límites a nuestra capacidad para restaurar las características de las rocas generadoras a partir de las propiedades del registro detrítico producido. Los siguientes párrafos presentan brevemente los principales problemas y limitaciones de los estudios de procedencia. [73]

Área de fuente candidata

Para correlacionar los sedimentos (registro detrítico) con el área de origen, es necesario elegir varias áreas de origen posibles para comparar. En este proceso, es posible que se pase por alto la posible zona fuente de donde procede el sedimento y no se elija como zona fuente candidata. Esto podría causar una mala interpretación en la correlación del sedimento con la fuente más adelante.

Tamaño de grano

El tamaño del grano podría provocar una interpretación errónea de los estudios de procedencia. Durante el transporte y la deposición, los detritos están sujetos a degradación mecánica, alternancia química y clasificación. Esto siempre resulta en un enriquecimiento preferencial de materiales específicos en un cierto rango de tamaño de grano, y la composición del sedimento tiende a ser función del tamaño de grano. Por ejemplo, las proporciones SiO 2 /Al 2 O 3 disminuyen al disminuir el tamaño del 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 en la composición del registro detrítico podría reflejar el efecto de la clasificación del tamaño del grano y no solo el cambio de procedencia. [74] Para minimizar la influencia de la clasificación sedimentaria en el método de procedencia (como el método isotópico Sr-Nd), solo se recolectan como muestras areniscas de grano muy fino a fino, pero se pueden usar areniscas de grano medio cuando no hay alternativas disponibles. [75]

Mezcla de detritos

La mezcla de detritos de múltiples fuentes puede causar problemas con la correlación del registro detrítico final con las rocas fuente, especialmente cuando las vías de dispersión son complejas e implican el reciclaje de sedimentos previamente depositados. Por ejemplo, si un registro detrítico contiene granos de circonio con una edad de mil millones de años que fueron transportados por ríos que fluyen a través de dos áreas de origen que contienen circones que también tienen mil millones de años, no sería posible determinar cuál de las dos fuentes aguas arriba áreas 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. [76] La variación de los minerales arcillosos en el registro detrítico puede no reflejar la variación de la roca de procedencia, sino el efecto del entierro. Por ejemplo, los minerales arcillosos se vuelven inestables a gran profundidad, la caolinita y la esmectita se vuelven inestables. Si hay una tendencia creciente a la baja de los componentes de ilita en un núcleo de perforación, no podemos concluir que los registros detríticos tempranos indiquen una roca madre con mayor rendimiento de ilita, sino posiblemente como resultado del entierro y la alternancia de minerales [76].

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, la configuración estructural del interior es importante para la interpretación del registro detrítico. La configuración estructural del interior se estima mediante trabajos de mapeo de campo. Los geólogos trabajan a lo largo de los valles fluviales y atraviesan cinturones montañosos (cinturones de empuje), localizan fallas importantes y describen la estratigrafía principal delimitada 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, durante este proceso se hacen muchas suposiciones, por lo que los entornos estructurales del interior son siempre suposiciones. Y estas suposiciones pueden afectar la interpretación del registro detrítico. A continuación se muestra un ejemplo: la figura de la derecha muestra un sistema clásico de cinturón de cabalgamiento y cuenca de antepaís, la falla de cabalgamiento transporta rocas suprayacentes a la superficie y rocas de diversa litología se erosionan y 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 es transportada por el empuje 2. Los registros detríticos se almacenan en la estratigrafía de la cuenca del antepaís. Dentro de la estratigrafía, la capa rosa se correlaciona 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 cuando usamos la otra suposición, no pudimos saber si el registro de la capa rosa indica actividad del empuje 2 o 3.

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

El uso combinado de múltiples métodos de procedencia (por ejemplo, petrografía , análisis de minerales pesados , geoquímica de minerales, geoquímica de rocas enteras, geocronología y análisis de captura de drenaje) puede proporcionar información valiosa para todas las etapas de la exploración y producción de hidrocarburos . [77] [78] En la etapa de exploración, los estudios de procedencia pueden mejorar la comprensión de la distribución y la calidad del yacimiento. Estos afectarán las posibilidades de éxito del proyecto de exploración; En la etapa de desarrollo, se utilizan ampliamente técnicas mineralógicas y químicas para estimar la zonificación del yacimiento y la correlación de la estratigrafía. [79] 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 disminución de pozos resultantes de la variabilidad espacial en la diagénesis y las facies deposicionales [77].

Ver también

Referencias

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