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Rocas sedimentarias: ¿cómo se forman y qué nos cuentan sobre el pasado?Nicolás Pérez Consuegra, Andrés Felipe Cala Pérez

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80 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 20, 2016

Nicolás Pérez ConsuegraEstudiante de pregrado en Geociencias en la Universidad de los [email protected]

Andrés Felipe Cala PérezEstudiante de pregrado en Geociencias e Ingeniería Civil en la Universidad de los [email protected]

Rocas sedimentarias: ¿cómo se forman y qué nos cuentan sobre el pasado?

Una de las tareas principales de un geólogo es reconstruir el pa-sado a partir de evidencias que han quedado en las rocas y el registro fósil. Esta tarea es complicada, ya que implica entender procesos que sucedieron hace decenas, cientos y hasta miles de millones de años a partir de evidencia registrada en algunos estratos de rocas sedimentarias. Además, el registro rocoso es in-completo, es decir, no todo el tiempo geológico queda registrado en las rocas, ni todas las rocas representan la misma escala de tiempo geológico.

Las rocas sedimentarias (figura 1) son importantes para reconstruir la historia geológica, ya que son las que preservan la evidencia de vida en el pasado (fósiles) y de los ambientes en los que esos organismos vivían. Estas rocas están constituidas por granos minerales o fragmentos de otras rocas, que fueron ero-sionados de alguna montaña por la acción de agentes como el agua o viento. ¿Cómo era el clima en la época en la que vivieron los dinosaurios? ¿En el pasado habían ríos u otros cuerpos de agua en regiones que hoy en día son desérticas, como la Guajira? ¿Qué procesos controlaban los ecosistemas del pasado? ¿Qué tipo de organismos vivían en cierta zona en el pasado? ¿Qué cadenas montañosas existían en el pasado? Este tipo de preguntas pueden ser resueltas solo mediante el estudio de rocas sedimentarias, que incluye análisis de campo y de laboratorio, como la petrografía, análisis químicos y el estudio de la fauna y flora fósil preservada en las rocas.

Figura 1. Diferentes tipos de rocas sedimentarias. De izquierda a derecha y de arriba abajo: lodolita negra con venas calcáreas, cuarzoarenita de grano medio, concreción fosilífera calcárea, lodolita oscura con presencia de fósiles de amonitas, caliza negra, arena lítica poco consolidada.Fuente: autoría propia

Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 81

Cada vez que el geólogo va al campo y ve una roca sedimenta-ria, sabe que se encuentra frente a una historia de muchos pro-cesos geológicos, como la erosión, el transporte, la deposición, la litificación de los sedimentos y el posterior levantamiento de la roca sedimentaria, que hoy en día permite encontrarla sobre la superficie.

El ciclo de una roca sedimentaria comienza, entonces, cuando el sedimento es generado: un fragmento o grano mineral se des-prende de su roca madre y comienza a ser transportado hacia zonas más bajas por la acción de un agente como el agua de un río, acompañado de la gravedad. Durante el transporte, los sedimentos sufren abrasión física, al chocar contra otros granos en su medio de transporte, que pueden variar desde fondos de canales hasta dunas. Esto causa que los granos se vayan des-gastando y su tamaño vaya disminuyendo con la distancia reco-rrida. Por esta razón, los clastos, o granos más gruesos, tienden a encontrarse en el fondo de los ríos, cerca de las montañas, mientras que sedimentos más finos son comunes en zonas más alejadas de las montañas. Además, la acción de químicos disueltos en el agua puede afectar los fragmentos de rocas o minerales, al punto de transformar su composición. El lugar al que finalmente llegan los sedimentos se conoce como cuenca sedimentaria.

Las cuencas sedimentarias son depresiones topográficas en las que se depositan sedimentos, y en donde hay un alto potencial de preservación de los mismos. Para que esto ocurra, en una cuenca sedimentaria deben existir procesos de enterramiento (subsidencia tectónica), que hacen que los sedimentos estén protegidos de la erosión y meteorización. Además, los sedimen-tos deben consolidarse (endurecerse), lo cual ocurre gracias a la presión de sedimentos suprayacentes que ayudan a compac-tarlos. También se produce una cementación entre los granos de sedimento, gracias a la precipitación de compuestos (e. g., carbonato de calcio, también conocido como calcita) que se ge-

neran tras el paso de agua, cargada de iones, a través de los poros de la roca.

Una vez los sedimentos pasan por estos procesos, se convier-ten en estratos de rocas sedimentarias. El siguiente proceso, necesario para traer estas rocas a la superficie, en donde los geólogos las pueden estudiar, es un evento de deformación. Normalmente, esto se da con ayuda de fallas que hacen que bloques de rocas que se encuentran enterrados emerjan sobre otras rocas que se hallan cerca de la superficie (figura 2).

Existen diferentes tipos de cuencas sedimentarias que se produ-cen en la tierra por diversos procesos geológicos. Por ejemplo, hay cuencas en sistemas divergentes o extensionales, como las cuencas de rift, es decir, aquellas que se producen por procesos tectónicos que dan lugar a un gran rompimiento en las masas continentales, por ejemplo, cuando Suramérica se separó de lo que es hoy conocido como África. Del mismo modo, existen otros tipos de cuencas, como las extensionales, compresivas y transpresivas. Sin embargo, las peculiaridades que hacen dife-rentes a estas cuencas no son de importancia para el objetivo de este artículo; en cambio, sí lo es la similitud, que hace que en todas estas cuencas se genere espacio de acomodación, en donde los sedimentos, producto de la erosión y meteorización, pueden ser acumulados [2].

¿CÓMO SE DEPOSITAN LOS SEDIMENTOS EN LAS DIFERENTES CUENCAS SEDIMENTARIAS?

Esta es una pregunta que se han hecho los sedimentólogos durante varias décadas. Para entender el registro de las rocas sedimentarias es necesario buscar casos modernos análogos (cuencas sedimentarias activas) y estudiar cuál es la forma de los depósitos sedimentarios, con el propósito de intentar pre-decir cómo se vería una sucesión de rocas formadas en dicho ambiente.

Figura 2. Tipos de fallas. Macizo tectónico (o Horst): ambiente compresivo; fosa tectónica (o Graben): ambiente extensivo. Fuente: modificado de [1]

Macizo tectónico (o Horst ) Fosa tectónica (o Graben)


Estos estudios tienen una gran importancia para entender re-servorios petrolíferos, o de aguas subterráneas, entre otros. Por ejemplo, para saber si hay posibilidades de encontrar petróleo en una unidad rocosa es necesario conocer cómo están conec-tados los estratos arenosos de dicha unidad, lo que finalmente se relaciona con el tipo de ríos que depositaron dichos cuerpos de arena. ¿Qué tan conectados estaban los canales del río que depositó esos sedimentos? ¿Había llanuras de inundación en la cuenca, o el gradiente era muy alto y predominaban sedimentos de grano grueso? Ese es el tipo de preguntas que se hace un geólogo para poder entender las rocas.

Uno de los estudios más importantes de la sedimentología fluvial en las últimas décadas aportó la definición del modelo de facies sedimentarias [3]. Con este modelo era posible entender una se-cuencia de estratos de rocas sedimentarias a partir de compara-ciones con depósitos de ríos modernos. Expongamos un ejemplo simplificado: al encontrar una sucesión de areniscas intercaladas con lodolitas (rocas de grano fino), un geólogo que observe las estructuras sedimentarias de cada tipo de roca podría interpretar el ambiente de deposición de esas rocas, como, por ejemplo, un río meándrico con llanuras de inundación en los costados.

Sin embargo, investigaciones más recientes [4, 5] se fijaron en un error muy importante que tenía el modelo de facies. La ma-yoría de los análogos modernos, o depósitos de ríos actuales

utilizados en los estudios de facies [3] (figura 3), habían sur-gido en lugares situados fuera de cuencas sedimentarias, que es donde realmente se depositan y preservan los sedimentos [4]. Weissmann y sus colaboradores sugirieron que en vez de estudiar los ríos en zonas de alta erosión, como en valles cerca de las montañas, donde los sedimentos se depositan durante periodos de tiempo cortos y luego son retrabajados, debido a la alta energía, los estudios de facies debían realizarse en las cuencas sedimentarias.

Estas nuevas ideas han llevado a los investigadores a hacer un estudio detallado de la forma como se depositan los sedimen-tos en las cuencas sedimentarias. Por medio de técnicas más modernas, como el análisis de diferentes espectros de onda captados por imágenes satelitales (Landsat), los investigadores lograron ver que, en la mayoría de las cuencas sedimentarias, los ríos se comportan de una manera muy peculiar, en forma de abanicos [4]. Al entrar en una cuenca sedimentaria, un río pasa, de estar confinado en un valle, a un lugar con mucho espacio de acomodación, por lo cual el canal del río tiende a dividirse y a distribuir la carga de sedimento de forma radial (figuras 4 y 5). La división del canal, o bifurcación, se conoce como avulsión, y es el mecanismo por medio del cual los sedimentos son distri-buidos a lo largo de la cuenca sedimentaria [6], y es posible-mente la razón por la cual encontramos depósitos extensos de rocas sedimentarias.

Figura 3. Distintos tipos de ríos estudiados en los modelos de facies de Miall.Fuente: [3]

Río trenzado

Río anastomosado

Río meándrico


Figura 4. Abanico del río Taquaral (Brasil), con crecimiento radial. Fuente: autoría propia, realizado con datos del Landsat 8. Composición en color (RGB) realizada con las bandas 6, 5, 4

Figura 5. Abanico de geomorfología típica ubicado en el desierto de China. Fuente: autoría propia, realizado con datos del Landsat 8. Composición en color (RGB) realizada con las bandas: 6, 5, 4


La tarea de los sedimentólogos, ahora, es entender los depósitos de los ríos y las posibles sucesiones de roca que se esperarían en abanicos fluviales dentro de una cuenca sedimentaria; es decir, actualizar los modelos de facies clásicos [3] con la nueva evidencia. Algunos autores ya están tratando de entender algu-nos patrones repetidos en diferentes abanicos.

Por ejemplo, Weissmann y sus colaboradores propusieron el término sistemas de distribución fluvial (DFS, por la sigla correspondiente a la expresión inglesa distributive fluvial system) para los depósitos en forma de abanico que se presentan en las cuencas sedimentarias [4]. Además, estos autores encontraron que en la mayoría de abani-cos había diferencias en el tamaño de grano a medida que se aleja-ba del ápice del abanico; así, había sedimentos más gruesos en las partes proximales, y sedimentos más finos en las partes distales [7].

Por otro lado, también se ha encontrado que los DFS tienden a progradar, es decir, a avanzar o entrar en la cuenca sedimentaria, lo cual se vería representado en el registro rocoso como una señal de incremento en el tamaño del grano a medida que se asciende estratigráficamente [7].

Estos estudios nos ayudan a entender mejor el registro rocoso a partir de análogos modernos; sin embargo, es necesario tener en cuenta el hecho de que no todos los sedimentos que se de-positan en una cuenca sedimentaria van a convertirse en rocas

sedimentarias. Los efectos del clima pueden causar erosión en una cuenca sedimentaria y hacer que se pierda parte del registro de la misma. Además, durante los procesos de levantamiento de la roca sedimentaria, estas también pueden ser erosionadas, y por lo tanto no las podremos ver.

Recientes investigaciones a partir de modelos digitales de eleva-ción, o DEM, por sus siglas en inglés, demostraron que tan sólo el ~16% de la superficie de los continentes son cuencas sedimenta-rias (figura 6). El restante ~84% de la superficie de los continentes corresponde a zonas de altos topográficos en donde predominan los procesos erosivos; allí los sedimentos tienden a fluir, en lugar de acumularse. Esta conclusión es impresionante, ya que si se asume que estos porcentajes han sido parecidos desde la mayor parte de la historia de la tierra (por lo menos desde que tenemos actividad fluvial), es claro que el registro sedimentario sólo nos da información de pequeñas áreas continentales del planeta durante un tiempo determinado.

¿Qué tan validas son nuestras conclusiones acerca del pasado si estas se basan en un registro sedimentario tan incompleto? La respuesta a esta pregunta es esquiva y quizá solo sirva como argumento a favor de las habilidades de abstracción del geólo-go. Algo seguro es que al mirar cualquier expresión del registro sedimentario debemos contar con la objetividad necesaria para reconstruir el pasado a partir de información tan limitada. •

Figura 6. Ubicación y proporción de las cuencas terrestres.Fuente: Modificado de [8]

Cuencas terrestres

Sin datos disponibles

−10 322m 0m 7 211m

Backarc

Foreland

Forearc

Strike–Slip

Intracratonic

Extensional

Pasive margin

Tectónica Batimetría/Elevación Cuencas en litosfera continental

Porcentaje de litosfera continentalPorcentaje de superficie continental

Zonas altas 84 %

Cuencas 41 %

Zonas altas 59 %

Cuencas 16 %

49 %

29 %

10 %

7 % 4 %1 %

46 %

18 %

11 %

10 %

10 %3 %2 %


GLOSARIO

1. Erosión: proceso mediante el cual una roca madre se va gradualmente destituyendo por acción de procesos super-ficiales como el flujo de agua o viento, este tiene como requisito el posterior movimiento (transporte) de estos se-dimentos.

2. Meteorización: desgastamiento de una roca producto del contacto con la atmosfera terrestre o su biota. Esta se ca-racteriza por su cualidad in-situ y por ende no debe ser confundida con la erosión.

3. Rio meándrico: rio que forma un patrón sinusoidal debido a procesos de sedimentación y depositación en sus mean-dros (surcos), el rio amazonas es de los ejemplos más ca-racterísticos de este tipo de ríos.

REFERENCIAS

[1] Fossen H. Structural geology. Oxford: Cambridge University

Press; 2016.

[2] Ingersoll R, Busby C, Azor A. Tectonics of Sedimentary Basins,

with revised nomenclature. En: Tectonics of sedimentary basins:

recent advances. Chichester: John Wiley & Sons, Ltd; 2011.

[3] Miall A. The geology of fluvial deposits. Sedimentary facies, basin

analysis, and petroleum geology. Berlin: Springer-Verlag; 1996.

[4] Weissmann GS, Hartley AJ, Nichols GJ, Scuderi LA, Olson M,

Buehler H et al. Fluvial form in modern continental sedimentary

basins: Distributive fluvial systems. Geology 2010; 38(1): 39-42.

[5] Weissmann GS, Hartley AJ, Scuderi LA, Nichols GJ, Owen A,

Wright S et al. Fluvial geomorphic elements in modern se-

dimentary basins and their potential preservation in the rock

record: A review. Geomorphology 2015; 250: 187-219.

[6] Slingerland R, Smith ND. River avulsions and their deposits. Annual

Review of Earth and Planetary Sciences 2004; 32(1): 257-285.

[7] Weissmann GS, Hartley AJ, Scuderi LA, Nichols GJ, Davidson

SK, Owen A et al. Prograding distributive fluvial systems: Geo-

morphic models and ancient examples. En: New frontiers in

paleopedology and terrestrial paleoclimatology: paleosols and

soil surface analog systems. Tulsa: SEPM; 2013.

[8] Nyberg B, Howell JA. Is the present the key to the past? A glo-

bal characterization of modern sedimentary basins. Geology

2015; 43(7): 643-646.

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