Reconstruyendo el pasado geológico por medio del análisis de minerales pesados

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Sonia Alejandra Torres Sánchez*,

Uwe Jenchen**, Carita Augustsson***,

José Rafaek Barboza-Gudiño*

CIENCIA UANL / AÑO 21, No. 87 enero-febrero 2018

Las rocas sedimentarias representan alrededor de 5% del volumen de la corteza terrestre. Sin embargo, 75% de todos los afloramientos rocosos de los continentes están compuestos por este tipo de rocas (Blatt, Middle- ton y Murray, 1972; Boggs, 2009).

Las rocas sedimentarias se forman a partir de la acumulación de sedimentos. Estos sedimentos consisten en fragmentos que fueron desprendidos de una roca parental o de organismos por procesos de meteorización (mecánica o química). El agua, el viento o el hielo glacial suelen ser agentes que sirven para transportar los productos de la meteorización a lugares de sedimentación conocidos como cuencas sedimentarias, donde se acumulan y por procesos de diagénesis forman rocas de tipo sedimentario. Incluso al experimentar aumentos drásticos en la profundidad de enterramiento se pueden formar rocas de tipo metamórfico a partir de las rocas sedimentarias previamente formadas (Raymond, 2002; Mackenzie, 2005).

Los sedimentos tienen orígenes diferentes. Uno de ellos está relacionado con la acumulación de material que es transportado en forma de clastos sólidos derivados de la meteorización mecánica y química, los depósitos de este tipo se denominan detríticos y forman rocas sedimentarias detríticas. Otra fuente principal de los sedimentos es el material soluble producido por meteorización química. Cuando estas sustancias disueltas son precipitadas mediante procesos orgánicos o inorgánicos, el material se conoce como sedimento químico y a las rocas formadas se les denomina sedimentarias químicas (Boggs, 2009).

El factor de que las rocas sedimentarias detríticas estén compuestas por fragmentos, llevó a los investigadores a cuestionarse si era posible identificar la fuente de la cual derivaron. Debido a estas preguntas se desarrollaron las técnicas conocidas como análisis de procedencia, que son empleadas en la industria minera, petrolera, así como en la investigación académica.

El término procedencia se deriva del verbo latino provenire, que significa salir u originarse (Basu, 2003). En petrología, el término procedencia ha sido utilizado para reconocer los factores relacionados a la producción de sedimentos y sedimentos metamorfizados, con referencia específica a la composición de la roca fuente, la fisiografía y el clima del área de origen de donde se deriva el sedimento. La intención de los estudios de procedencia es reconstruir e interpretar la historia del sedimento desde el punto de la erosión inicial de la roca madre hasta el sepultamiento de sus detritos y eventos previos antes del metamorfismo (Pettijohn, Potter, y Siever, 1987).

Los paquetes de sedimentos clásticos son archivos geológicos que registran y preservan firmas de eventos geológicos pasados en provincias de origen, durante el tránsito y depocentro. Sin embargo, durante el tránsito sufren procesos asociados con la intemperie, el transporte, la deposición, el reciclaje y la diagénesis, estos procesos pueden ser repetidos varias veces en la historia de una roca sedimentaria, destruyendo total o parcialmente las propiedades originales de la roca madre (McCann, 1991; Ghosh y Sarkar, 2010; Garzanti et al., 2013). Por lo tanto, la confianza en las propiedades de los minerales más resistentes, y en la distribución de elementos menos móviles y sus relaciones, ha aumentado en todos los estudios de procedencias contemporáneos (Mange-Rajetzky, 1981; Bhatia y Taylor, 1981; Morton, 1985; Roser y Korsch, 1986; 1988; Fedo, Eriksson y Krogstad, 1996; Cullers y Podkovyrov, 2002; Armstrong-Altrin, 2014; Götze, 2009; Morton y Chenery, 2009; Barbera, Critelli y Mazzoleni, 2011; Ali et al., 2014; Imchen, Thong y Pongen, 2014).

En los estudios de procedencia, una de las técnicas más utilizadas es el análisis de minerales pesados. Los minerales pesados son considerados minerales accesorios de alta densidad (> 2.8 g/cm3) que típicamente comprenden 1% de sedimentos siliciclásticos (Mangey Maurer, 1992). El uso de minerales pesados en sucesiones siliciclásticas y metasiliciclásticas ha demostrado ser una poderosa herramienta para determinar la roca fuente, la edad, la composición química e historia de formación de dichos detritos, además de ser ampliamente utilizada en la correlación estratigráfica de sucesiones con ausencia de registro bioestratigráfico.

 

¿CÓMO ESTUDIAR MINERALES PESADOS?

Para estudiar los minerales pesados con eficacia, éstos se preparan en concentrados, los cuales se obtienen disgregando la roca a estudiar hasta obtener fragmentos separados de la fracción. Posteriormente, con la fracción fina a muy fina (0.063- 0.125mm) se separa la fracción densa mediante técnicas que incluyen drenaje, magnetismo, tamizado y el uso de líquidos densos o líquidos “pesados”, como el bromoformo o tetrabromoetano, con gravedad específica de 2.8 g/cm3 y 2.97 g/cm3, respectivamente, densidades que pueden ser ajustables con etanol. Alternativamente, el politungstato sódico no tóxico con densidades ajustables. Los minerales pesados se hunden en estos líquidos, lo cual permite su completa segregación de los componentes menos densos (Mangey Maurer, 1992; figura 1a,b).

La mineralogía óptica ofrece una visión general de los minerales pesados, debido a que tienen propiedades ópticas que permiten su identificación, como el color natural y de interferencia, el ángulo de extinción, el pleocroísmo, entre otras. Con disponibilidad de instrumentos sofisticados como la difracción de rayos X (XRD), la espectrometría de fluorescencia de rayos-X (XRF), el microscopio electrónico de barrido (SEM), la microsonda electrónica (EDS–SEM), la catodoluminiscencia (CL), el multicolector de ablación láser (MC– ICP–MS), la microsonda iónica de alta resolución (SHRIMP) se obtendrá mayor información, resolución y precisión del análisis.

Las técnicas que analizan a un solo grano pueden subdividirse en tres grupos: (1) las microscópico-morfológicas (incluyendo microscopía electrónica de barrido y catodoluminscencia) usan variaciones de forma, color y estructuras internas como zonificación y fracturas en una determinada fase mineral para restringir diferentes orígenes (Lihou y Mange-Rajetzky, 1996; Seyedolali et al., 1997; Dunkl, Di Gulio y Kuhlemann, 2001; figura 1c); (2) las geoquímicas de un solo grano (microscopía electrónica y análisis ICP-MS por ablación con láser) permiten determinar la composición química y su variabilidad entre los granos de una determinada fase mineral con fines de discriminación de procedencia, huellas litológicas y termobarométricas (Morton, 1991; Von Eynatten y Gaupp, 1999; Zack et al., 2002), y las de (3) datación radiométrica de minerales detríticos simples para la datación geocronológica (figura 1c) y termocronología (Sircombe, 1999; Rahl et al., 2003; Von Eynatten y Wijbrans, 2003).

 

¿QUÉ INFORMACIÓN BRINDAN LOS MINERALES PESADOS?

Existen minerales pesados muy diversos en las rocas; se pueden reconocer más de cincuenta tipos. Un rasgo importante es que la paragénesis de muchos de estos minerales pesados está restringida a ciertas condiciones dinamotérmicas; por tanto, las concentraciones de minerales pesados son útiles como indicadores de la génesis de los sedimentos dependiendo de la química primaria y el nivel de erosión del terreno fuente (Stattegger, 1976). Por consiguiente, la información obtenida por medio de la caracterización óptica y química de minerales pesados, provee información acerca de las posibles áreas alimentadoras de las cuencas sedimentarias (Felicka, 2000; Bradley et al., 2014).

Por ejemplo, si en una muestra se encuentran minerales asociados a rocas metamórficas, como glaucofana o cordierita, se puede inferir que el área fuente es una unidad geológica de origen metamórfico, y no un área de origen ígneo. Por otra parte, si al realizar análisis isotópicos en un circón de una muestra se obtiene una edad de 1000 millones de años, entonces la roca que dio origen a ese mineral debe tener la misma edad.

Según las bases de la geología, las rocas se distribuyen de manera finita en la superficie de la Tierra. Por lo tanto, si observamos el mapa geológico de una región, por ejemplo el noreste de México, veremos que el territorio está conformado por diversas unidades litológicas, restringidas a un área específica.

Estas unidades de roca han sido clasificadas de acuerdo a los procesos que las formaron, ya sean volcánicos, plutónicos, metamórficos o sedimentarios. Además de que en muchos casos se conoce previamente su composición mineral y su edad. De esta manera, los mapas geológicos son fundamentales para discriminar las posibles áreas fuente de una muestra con contenido de minerales pesados.

Otras áreas en la que los análisis de minerales pesados son de utilidad

Exploración de yacimientos minerales

Por ejemplo, las arenas ricas en minerales pesados son la principal fuente de rutilo (TiO2) utilizado para materia prima en la industria de pigmentos, a través de la recuperación de los minerales ilmenita (Fe2+TiO3), y leucoxeno (a la alteración del producto de la ilmenita), de circón (ZrSiO4). Otros minerales pesados producidos como coproductos de algunos depósitos son silimanita, cianita, estaurolita, monacita y el granate. La monacita [(Ce, La, Nd, Th) PO4] es una fuente de elementos de tierras raras. Como el torio, éstos se utilizan en el subdesarrollo de energía nuclear (Dunkl, Di Gulio y Kuhlemann, 2001).

Industria petrolera

El análisis de minerales pesados complementa la correlación bioestratigráfica tradicional de los reservorios clásticos. Diversos procesos dan lugar a cambios estratigráficos en la composición de los sedimentos, incluyendo el levantamiento del área fuente, los cambios climáticos, la extensión del almacenamiento aluvial en la llanura de inundación y la interacción entre diferentes sistemas de deposición. El análisis de minerales pesados es una técnica confiable y probada para la correlación de sucesiones clásticas debido a que proporciona una comprensión detallada de los efectos de los procesos que alteran la señal de procedencia durante el ciclo sedimentario, como la diagénesis.

Geología forense

El examinador necesita un amplio conocimiento de la geología y mapas geológicos y de suelos para responder preguntas. Por ejemplo, si el suelo de un cuerpo no coincide con el lugar donde se encuentra el cuerpo, ¿desde dónde se movió el cuerpo? Análogamente, los examinadores pueden comparar dos muestras, una asociada con el sospechoso y la otra recogida de la escena del crimen, para ver si tenían una fuente común: ¿el suelo del zapato del sospechoso se compara con el tipo de suelo recogido en la escena del crimen?

En estudios recientes, investigadores del Instituto de Geología, de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí y de la Facultad de Ciencias de la Tierra de la Universidad Autónoma de Nuevo León estudiaron el basamento metamórfico paleozoico de la Sierra Madre Oriental en el noreste de México (Barboza-Gudiño et al., 2011; Torres et al., 2015; figura 2a), con el objetivo de entender las distribución de las rocas y conocer su fuente principal antes del metamorfismo relacionado con el cierre del supercontinente Pangea.

Al estudiar estas rocas se encontró un mineral pesado conocido como zircón, los investigadores pudieron determinar dos fuentes principales de edades a) grenvillianas (1250-920 Ma) y b) panafricanas (730-530 Ma) (Torres et al., 2015; Torres, s.a.). Estas edades indican que podrían proceder del bloque de corteza de Oaxaquia y de los bloques de Yucatán y Florida (figura 2b), así como otras posibles áreas relacionadas al paleo-continente Gondwana. Sustentándose el origen de estas rocas a la porción noroccidental de Gondwana, debido al acercamiento de los megacontinentes durante el cierre de la Pangea.

 

CONCLUSIONES

Estudios como el que se presentó demuestran que a partir del análisis de minerales pesados es posible proponer hipótesis paleogeográficas que expliquen la distribución de los continentes a lo largo del tiempo. Estos estudios tienen implicaciones en el entendimiento de las orogénesis, la generación de cuencas sedimentarias y de sistemas fluviales del pasado.

Las asociaciones de minerales pesados brindan información única, que no es proporcionada por otro tipo de análisis; sin embargo, esta información se encuentra codificada, así que sólo el uso de las técnicas adecuadas y propiamente aplicadas podrá resolver el problema.

*Universidad Autónoma de San Luis Potosí

**Universidad Autónoma de Nuevo León

***Universitetet i Stavanger, Noruega.

Contacto: soniatorressan@hotmail.com

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