Unidad Nro 3 Geoquimica de Procesos Sedimentarios

Geoquímica de los procesos sedimentarios

Cuando las rocas ígneas y metamórficas están expuestas al agua y a los agentes atmosféricos en la superficie terrestre, los minerales que ellos contienen se desintegran o se descomponen selectivamente y a velocidades variadas. Las reacciones químicas originadas por el agua y los gases atmosféricos que causan la descomposición de los minerales constituyen la denominada meteorización o intemperismo químico. Los productos de la meteorización química con sisten: 1) Los compuestos formados formados durante la solución de los minerales primarios, 2) Los iones y moléculas que se disuelven d isuelven en el agua y 3) Los minerales resistentes en las rocas que han sido liberados por la descomposición de sus vecinos más susceptibles al intemperismo.

En resumen, los gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn) y ciertos otros gases (H 2, hidrocarburos, N2, etc) son liberados en la atmósfera. Los compuestos recién formados (óxidos, (óxidos, hidróxidos, minerales de arcillas, etc) etc) pueden acumularse en el lugar del intemperismo junto con los granos de minerales inalterables (cuarzo, micas, feldespatos) feldespatos) y fragmentos de rocas descompuestos (guijarros, cantos,  bloques) formando un manto residual o regolito llamado también saprolito. 1

Posteriormente la modificación del saprolito ayuda a la formación de suelos, el cual sostiene a las raíces de las plantas y la fauna que se alimenta de estas plantas. Sin embargo, últimamente los saprolitos son removidos por la erosión a través del transporte del material  por acción de la gravedad o por las acciones de las lluvias o el viento. Por lo tanto, desde la perspectiva geológica, la meteorización química es el inicio de la migración de las masas de sedimentos desde los continentes hacia la cuenca de sedimentación en los océanos. La meteorización química es también el inicio de los ciclos geoquímicos de los elementos, los cuales son liberados desde sus rocas originales en solución para un viaje a los océanos donde ellos residen por períodos de tiempo, ya que después ellos reingresan a la corteza terrestre en forma de rocas sedimentarias. En resumen, el intemperismo químico no sólo consiste en la descomposición de las rocas, sino también afecta la composición química de las aguas y causa la dispersión de los iones desde los depósitos metálicos y no metálicos. También

contribuye a la calidad del

ambiente en la superficie terrestre para el sustento de la vida, por ello, la geoquímica está abocada a estudiar ¿cómo los procesos geoquímicos naturales son perturbados por las actividades antropogénicas?, para predecir los efectos de estos cambios en la calidad del ambiente y dar la alarma cuando los cambios resultantes en el ambiente global son  potencialmente nocivos para la vida. 1.-Meteorización:

Es la destrucción de las rocas que afloran en la superficie por acción de los agentes meteóricos. Esta destrucción se sitúa en situ y consiste en la desintegración y descomposición de los minerales y rocas no estables. Los agentes de la meteorización son el agua en sus tres estados, las variaciones de temperatura, el oxígeno, el gas carbónico del aire, la vitalidad de los organismos. a. Meteorización física: Produce la desintegración en la roca, sin afectar su composición química o mineralógica. La mayoría de las rocas son porosas, no bien consolidadas y ceden con facilidad a la desintegración.

2

Termoclastía:

Los cambios de temperatura conllevan a una dilatación y contracción alternada, que resulta de la mayor temperatura en el día y del enfriamiento por la noche. Esto origina esfuerzos internos, debido a los diferentes coeficientes de dilatación de los constituyentes de las rocas, lo que produce grietas y el rompimiento de las rocas. Este tipo de meteorización es importante en climas extremados con gran oscilación térmica entre el día y la noche (como el desierto).

Gelifracción:

Es la rotura de las rocas aflorantes a causa de la presión que ejercen sobre ellas los cristales de hielo en grietas o poros de las rocas. El agua, al congelarse, aumenta su volumen en un 9%. Si se encuentra en el interior de las rocas, ejerce una gran  presión sobre las paredes internas que acaba, tras la repetición, por fragmentarlas.

Imagen esquemática del proceso llevado a cabo en la gelifracción

3

Descompresión:

Expansión y el agrietamiento que se producen en rocas que se han formado a gran  profundidad, al encontrarse en la superficie donde la presión es mucho menor. Este efecto producido en las rocas principalmente plutónicas, por los cambios de temperatura, se piensa que, esto ocurre, apoyado al menos en parte a la gran reducción de la presión de confinamiento que se produce cuando la roca que las cubrían es erosionada, el cuerpo comienza a expandirse y separarse en lajas (fracturas paralelas a la superficie) en un proceso denominado descompresión, que a su vez forman fracturas conocidas como diaclasas o juntas de descompresión que  permiten la penetración del agua hasta zonas profundas y así comienza el proceso de meteorización mucho antes que afloren en superficie.

Haloclastía:

Rotura de las rocas por la acción de la sal. La sal se encuentra en los poros y fisuras de las rocas y al recristalizar y aumentar de volumen aumenta la presión que ejercen sobre las paredes internas con lo que se puede ocasionar la ruptura.

 b. Meteorización química: Es la descomposición de los componentes de las rocas y de las estructuras internas de los minerales, dando lugar a nuevos minerales. Debido a este proceso las rocas se descomponen en sustancias que son estables en el ambiente intempérico, por consiguiente los productos de la meteorización química se mantendrán

4

en

equilibrio (no se alterarán)

mientras no se modifique el ambiente en que se

formaron. Los procesos químicos de la meteorización se intensifican al aumentar los siguientes factores: 

Temperatura



Humedad



Concentración de iones de H



Grado de fracturamiento de las rocas



Grado de cohesión



Grado de finura del mineral que es atacado



tamaño de las partículas,

Hidratación:

Es el proceso por medio del cual un mineral anhidro absorbe el agua y se combina químicamente con las moléculas

minerales, para formar nuevos minerales

hidratados. Es uno de los procesos, junto con la hidrólisis, considerado como el más importante en la descomposición de las rocas. La hidratación implica

la

incorporación de moléculas de agua en la estructura mineral. Este proceso se expone mejor con la transformación de la anhidrita en yeso, según la siguiente reacción: CaSO4 + 2H2O------------> CaSO 4.2H2O (Anhidrita)

(Yeso)

Oxidación:

Proceso mediante el cual un mineral adiciona a su constitución molecular elementos de oxígeno o del ión oxidrilo (-OH). ( hematita) Fe2 O3+ H2O----------> 2HFeO 2 (goethita)

La oxidación es un proceso químico que se produce cuando el oxígeno se combina con el hierro para formar el óxido férrico (Fe2O3). Las reacciones de oxidación son características de un ambiente con abundante oxígeno. Un ambiente acuoso es esencial para acelerar el proceso oxidante. 5

Desde luego, los minerales más afectados por la oxidación son aquellos que contienen hierro o manganeso, de los cuales por descomposición, en presencia del oxígeno y agua, resultan los óxidos e hidróxidos. Ejemplo: Cuando el oxígeno se combina con el hierro, la hematita (Fe2O3) se forma: +3

4Fe  + 3O2 -> 2Fe2O3 La pirita (FeS2) se descompone por oxidación en ambientes húmedos y produce H2SO4 (ácido sulfúrico y hematita); 2Fe S2 + 4H2O + 15/2 O2 -> Fe2O3 +4H2SO4 Hidrólisis: +

-

Consiste en las reacciones de los iones de H y OH  del agua con los iones de los minerales -destruyendo sus composiciones atómicas- en este caso, los silicatos se disuelven formando productos secundarios. La hidrólisis será tanto más fuerte cuanto mayor sea la concentración de iones de H, es decir, cuanto más ácida sea la solución. La hidrólisis se produce cuando los feldespatos y hornblenda entran en contacto con el agua. Ellos forman arcilla, un mineral nuevo.

4K (AlSi3O8)+4H2O+2CO2------------> Al 4 (Si4 O10) (OH)8+2K 2CO3+8SiO2 ortosa

caolinita

Reducción o reacciones orgánicas:

Es el proceso inverso a la oxidación que sucede gracias a la presencia de materia orgánica enterrada (C, orgánico) y a la actividad de los microorganismos, en regiones exentas de oxígeno libre. Fe2O3nH2O + C ---------------> Fe CO 3 + H2

Carbonatación.

Es el proceso de interacción en un medio acuoso cargado de iones carbonatados y  bicarbonatados con minerales de las rocas, a consecuencia de que éstos últimos se descomponen formando carbonatos. 6

2Mg2 (Si O4) + 4H2O + 2 CO2----------> Mg 6 (Si4O10) + 2Mg (CO3) Olivino

serpentina

magnesita

2.- Productos finales de la meteorización

Los cuatro productos básicos provenientes de la desintegración y descomposición de los minerales silicatos y aluminosilicatos constituyentes de las rocas y de los productos orgánicos son:  (fragmentarios), que pueden ser erosionados y transportados a zonas Pr oductos detríti cos 

de deposición sedimentaria final o temporal por la gravedad, agua, viento y glaciares. Son los minerales no afectados por las reacciones: circón, cuarzo, magnetita, ilmenita, rutilo, granate, esfena, monazita. , que entran en el sistema hidrológicos y se mantienen en forma soluble Productos solu bles  2+

como las sales de K, Na, Ca, Mg, Fe , las cuales reaccionan químicamente para formar sólidos. ,  que también Productos in solubl es 

entran al sistema hidrológico como partículas en

suspensión, que se mantienen como coloidea y reaccionan químicamente para formar masas coloidales, como sílice amorfa, Al2O3, Fe2O3, montmorillonita, illita, clorita, hematita, diáspora, pirolusita. , que se forman por las reacciones orgánicas, constituidas por ácidos Productos or gánicos 

orgánicos, sustancias húmicas, querógenos. 3.-Susceptibilidad de los minerales a la meteorización

La tendencia de los minerales a transformarse, por la acción de agentes meteorizantes en otras especies minerales que están en equilibrio con el medio ambiente, es a veces designada por “potencial de meteorización”. Cuanto mayor sea la temperatur a de formación más alterable resultará el mineral en superficie. Si se ordenan los componentes comunes de las rocas por orden alterabilidad se obtienen las siguientes series:

7

decreciente de su

Plagioclasa cálcica- plagioclasa sódica

feldespato potásico- muscovita- cuarzo

Olivino-piroxeno-anfíbol-biotita En estas series, cada mineral es más resistente a la meteorización que los situados a su izquierda. Hay que observar que éstas son idénticas a las series de Bowen relativas a la cristalización magmática. Puede decirse entonces, que las rocas básicas son más susceptibles a la meteorización que las intermedias, y éstas más que las ácidas. 4.-Procesos de transporte

Los materiales sedimentarios producidos por la meteorización son transportados a un ambiente de sedimentación en dos formas: :  Materiales que se hallan en forma de partículas residuales o sólidos, son Detritos  transportados por tracción por los ríos o como los hidrolíticos o coloides que son transportados por suspensión. Al producirse la deposición en un ambiente de sedimentación  por su peso específico o decantación respectivamente se forman los sedimentos mecánicos (clastos).

Soluto:   Son los materiales que se presentan en estado disuelto en forma de sales que son transportados en solución. Al producirse la deposición por precipitación química o  biológica se forman los sedimentos químicos y bioquímicos. 5.- Proceso de sedimentación

Los productos de la meteorización pueden quedarse in situ o trasladarse a diferentes distancias. Las partículas detríticas y las sustancias solubles se sedimentan en un orden determinado llamado “diferenciación sedimentaria” y pueden ser:

Diferenciación mecáni ca:   Es la separación mecánica de los materiales en función de su tamaño, forma y densidad, producida principalmente por corrientes de agua, viento y los glaciares. 8

: Es la precipitación consecutiva de las sustancias que se hallan Diferenciación quími ca  disueltas o como coloides. El orden de precipitación depende de la solubilidad de las sustancias y las condiciones fisicoquímicas de las soluciones: concentración, temperatura, presión, acidez o alcalinidad del medio, etc. Deposición

De la descomposición de una roca (por ejemplo el granito) se forman tres tipos de materiales: sales solubles, minerales hidratados insolubles (arcillas, hidróxidos de aluminio y de hierro) producidos por hidrólisis, y residuos inatacados (cuarzo, fragmentos de roca, etc). La erosión y el transporte separan a estos materiales unos de otros, pues los primeros son en general transportados a mayor distancia que los segundos, y estos, a su vez, a mayor distancia que los terceros. A partir de una roca ígnea se obtienen, por consiguiente, tres tipos contrastados de sedimentos, que difieren no sólo por su estado de división mecánica, sino también en su composición química. Mineralogía general (roca fresca): Cuarzo (SiO2) Plagioclasa-Na (NaAlSi3O8) Feldespato K (KAlSi3O8) Micas: muscovita, biotita Minerales formados por meteorización moderada a extrema: Cuarzo (SiO2) Minerales de arcilla: Illita (K(Al, Mg,Fe)2(Si, Al)4 O10((OH)2(H20)) Caolinita (Al2Si2O5(OH)4) Halloysita (Al2Si2O5(OH)4) Oxihidróxidos de Al y Fe: (Al (OH)3, AlO(OH), Fe2O3;FeOOH, FeOOH.n H2O) Sílice amorfa: SiO2.n H2O

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Los sedimentos formados a partir del material residual son por ejemplo, las arenas de cuarzo (hasta más de 99% de SiO2), los sedimentos arcillosos contienen SiO 2 y Al2O3 (casi 40% de Al2O3 en una arcilla caolinítica), en tanto que los productos de la precipitación de sales pueden tener composiciones diversas: el carbonato de calcio es el más abundante,  pero, además, hay depósitos de sal común, de yeso, anhidrita y otras sales. Los carbonatos son menos solubles que los cloruros y sulfatos, y se precipitan en el fondo de los mares y lagos con sólo leves modificaciones de las condiciones fisicoquímicas (principalmente aumento del PH), mientras que las otras sales están lejos de la saturación y se depositarán únicamente mediante una drástica disminución del solvente, como en la evaporación del cuerpo de agua en zonas áridas. Este proceso de separación de los materiales derivados de la descomposición y desintegración de las rocas y su deposición posterior en masa sedimentarias de diferente composición, se llama diferenciación sedimentaria, por analogía con la diferenciación magmática. Según su comportamiento durante este proceso, Goldschmidt (1925) clasificó los materiales sedimentarios en: a) Resistatos: Minerales resistentes a la meteorización: cuarzo, circón, rutilo,etc.  b) Hidrolizado s: arcillas y minerales análogos (gibbsita), boemita, bauxita. c) Oxidatos: Minerales que forman y que son estables en ambientes oxidantes o reductores. Ejemplos: hidróxidos de Fe y de Mn (goethita, limonita, pirolusita). d) Carbonatos: CaCO3, CaMg CO3 e) Evaporados: NaCl, Ca SO4, Ca SO4. 2H2O, etc. f) Reduzados: pirita, azufre, carbón, petróleo. Durante la diferenciación sedimentaria, estos tipos de materiales no siempre se separan totalmente: en realidad la mayoría de los sedimentos están formados por una mezcla de dos o más tipos de materiales. Por otra parte, sólo una fracción de los minerales de las rocas se descomponen durante la meteorización en sus productos primarios: una buena parte de los feldespatos, micas, anfíboles,etc es transportada y depositada en su estado original, comportándose como si  pertenecieran al grupo de los resistados. Aun cuando la hidrólisis fuera completa, no todo el 10

2+

hierro pasa a formar parte de los oxidados, pues una cierta proporción del Fe   queda formando parte de las arcillas. 6.-Diagénesis

La diagénesis lleva implícitamente cambios químicos y físicos que, en general, conducen al endurecimiento de sedimentos y su conversión en roca (litificación). El proceso se inicia enseguida de la deposición y continúa mientras las condiciones del ambiente no se alteren en exceso. El primer fenómeno diagenético es la compactación por expulsión del agua original del sedimento. La compactación es importante en los sedimentos pelíticos (arcillas y limos), no así en las arenas y gravas. A la compactación sigue la cementación, el más común de los productos cementantes es el CaCO3  que se precipita de las aguas que circulan por los poros de las rocas clásticas (arenas, gravas y limos). Otros cementos comunes son el hidróxido de Fe y la sílice. Otro fenómeno es la cristalización de las partículas de la matriz, como se denomina al material detrítico fino que rellena los intersticios entre los granos de las areniscas. Las  partículas, que son en su mayor parte de arcilla, mica, cuarzo y feldespatos, crecen lo suficiente para entrelazarse y dar cohesión a la trama. Los propios granos de arena-cuarzo, feldespato, turmalina,etc-pueden también crecer dentro del sedimento: el caso más típico es el del cuarzo, alrededor de cuyos granos crece una zona que, al ligar los granos vecinos, convierte a las arenas cuarzosas en una roca muy dura (cuarcita). Otro fenómeno diagenético es el reemplazo químico de un componente por otro. Un ejemplo típico es la dolomitización, o reemplazo de parte del CaCO3  de una caliza sedimentaria por dolomita (CaMg (CO3)2), fenómeno propio de ambientes marinos de aguas tibias.

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7.-Composición química de las rocas sedimentarias

La diferenciación sedimentaria, por el hecho de ocurrir en los ambientes físicos y químicos más diversos, es más efectiva que las diferenciaciones magmáticas y metamórficas en el  proceso de separar las sustancias químicas unas de las otras y formar productos de diversa composición. La composición química de los sedimentos comunes oscila entre extremos muy diferenciados, como son las calizas (formadas algunas casi exclusivamente de CaCO3), las cuarcitas y cherts (SiO2 a veces casi pura), las arcillas ( que en algunos casos extremos pueden estar formadas casi exclusivamente por caolín H4Al2Si2O7), sales de diferentes tipos, etc, La tabla nro. 1 muestra la composición promedio de los tipos de rocas sedimentarias más comunes. Tabla Nro.1: Composición química promedio de las rocas sedimentarias

areniscas grauvacas lutitas

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tillitas calizas

8.2

chert

arcillas pelagicas

89.9

54.9

0.2

0.8 16.6

SiO2

74.30

66.7

54.8

58.9

TiO2

0.40

0.6

0.8

0.8

Al2O3

6.50

13.5

15.9

15.9

2.2

3.7

Fe2O3 FeO MnO MgO CaO

1.80 0.90 0.05 1.50 4.90

1.6 3.5 0.1 2.1 2.5

3.6 2.9 0.1 2.9 4.7

3.3 3.7 0.1 3.3 3.2

1 0.7 0.1 7.7 40.5

2.3 ------0.1 0.5 0.3

Na2O

0.50

2.9

1.2

2.1

-------

0.7

1.3

K 2O

1.70

2

3.5

3.9

-------

0.7

2.7

H2O

2.20

2.4

5

3

-------

1.2

9.2

P2O5

0.10

0.2

0.15

0.2

0.1

0.9

0.7

CO2

4.40

1.2

3.7

0.6

35.5

-------

--------

S/SO3

0.50

0.3

0.3

0.1

3.1

--------

--------

7.7 -------2 3.4 0.7