5.3: Rocas sedimentarias

La roca sedimentaria se clasifica en dos categorías principales: clástica y química. Las rocas sedimentarias clásticas o detríticas están hechas de trozos de lecho rocoso, sedimento, derivados principalmente por meteorización mecánica. Las rocas clásticas también pueden incluir sedimentos degradados químicamente. Las rocas clásticas se clasifican por forma de grano, tamaño de grano y clasificación. Las rocas químicas sedimentarias se precipitan de agua saturada con minerales disueltos. Las rocas químicas se clasifican principalmente por la composición de minerales en la roca.

Litificación y Diagénesis

La litificación convierte los granos de sedimentos sueltos, creados por la intemperie y transportados por la erosión, en roca sedimentaria clástica a través de tres pasos interconectados. La deposición ocurre cuando la fricción y la gravedad superan las fuerzas que impulsan el transporte de sedimentos, permitiendo que los sedimentos se acumule. La compactación ocurre cuando el material continúa acumulándose en la parte superior de la capa de sedimento, apretando los granos juntos y expulsando el agua. La compactación mecánica es ayudada por fuerzas de atracción débiles entre los granos más pequeños de sedimento. El agua subterránea típicamente transporta agentes cementantes al sedimento. Estos minerales, como la calcita, la sílice amorfa u óxidos, pueden tener una composición diferente a la de los granos de sedimento. La cementación es el proceso de cementación de minerales que recubren los granos de sedimentos y los pegan juntos en una roca fundida.

Figura\(\PageIndex{1}\): Permineralización en madera petrificada

La diagénesis es un proceso acompañante de litificación y es una forma de metamorfismo rocoso a baja temperatura (ver Capítulo 6, Roca Metamórfica). Durante la diagénesis, los sedimentos son alterados químicamente por el calor y la presión. Un ejemplo clásico es la aragonita (CaCo ₃), una forma de carbonato de calcio que conforma la mayoría de las conchas orgánicas. Cuando la aragonita litificada se somete a diagénesis, la aragonita vuelve a la calcita (CaCo ₃), la cual tiene la misma fórmula química pero una estructura cristalina diferente. En rocas sedimentarias que contienen calcita y magnesio (Mg), la diagénesis puede transformar los dos minerales en dolomita (CaMg (CO ₃) ₂). La diagénesis también puede reducir el espacio de poro, o volumen abierto, entre los granos de roca sedimentaria. Los procesos de cementación, compactación y finalmente litificación ocurren dentro del ámbito de la diagénesis, que incluye los procesos que convierten el material orgánico en fósiles.

Rocas sedimentarias detríticas (clásticas)

Las rocas sedimentarias detríticas o clásticas consisten en trozos de sedimentos preexistentes que provienen de roca rocosa erosionada. La mayor parte de esto es sedimento mecánicamente erosionado, aunque algunos clastos pueden ser pedazos de rocas químicas. Esto crea cierta superposición entre las dos categorías, ya que las rocas sedimentarias clásticas pueden incluir sedimentos químicos. Las rocas detríticas o clásticas se clasifican y nombran en función de su tamaño de grano.

Tamaño de grano

La roca detrítica se clasifica según el tamaño de grano del sedimento, el cual se clasifica de grande a pequeño en la escala de Wentworth (ver figura). El tamaño de grano es el diámetro promedio de los fragmentos de sedimentos en sedimentos o rocas. Los tamaños de grano se delinean usando una escala logbase-2 [9; 10]. Por ejemplo, los tamaños de grano en la clase de guijarros son 2.52, 1.26, 0.63, 0.32, 0.16 y 0.08 pulgadas, los cuales se correlacionan respectivamente con gránulos muy gruesos, gruesos, medianos, finos y muy finos. Los fragmentos grandes, o clastos, incluyen todos los tamaños de grano mayores a 2 mm (5/64 in). Estos incluyen cantos rodados, adoquines, gránulos y grava. La arena tiene un tamaño de grano entre 2 mm y 0.0625 mm, aproximadamente el límite inferior de la resolución del ojo desnudo. Los granos de sedimento más pequeños que la arena se llaman limo. El limo es único; los granos se pueden sentir con un dedo o como grano entre los dientes, pero son demasiado pequeños para verlos a simple vista.

Figura\(\PageIndex{1}\): Categorías de tamaño de sedimentos, conocidas como la escala de Wentworth.

Clasificación y Redondeo

La clasificación describe el rango de tamaños de grano dentro de sedimentos o rocas sedimentarias. Los geólogos usan el término “bien ordenados” para describir un rango estrecho de tamaños de grano, y “mal clasificados” para una amplia gama de tamaños de grano (ver figura) [11]. Es importante señalar que los ingenieros de suelos utilizan términos similares con definiciones opuestas; el sedimento bien gradado consiste en una variedad de tamaños de grano, y el sedimento mal clasificado tiene aproximadamente los mismos tamaños de grano.

Figura\(\PageIndex{1}\): Sedimento bien clasificado (izquierda) y Sedimento pobremente clasificado (derecha).

Al leer la historia contada por rocas, los geólogos utilizan la clasificación para interpretar los procesos de erosión o transporte, así como la energía de deposición. Por ejemplo, las arenas sopladas por el viento suelen estar extremadamente bien clasificadas, mientras que los depósitos glaciales suelen estar mal clasificados. Estas características ayudan a identificar el tipo de proceso de erosión que ocurrió. Los sedimentos de grano grueso y las rocas mal clasificadas generalmente se encuentran más cerca de la fuente del sedimento, mientras que los sedimentos finos se llevan más lejos. En un arroyo de montaña que fluye rápidamente, se esperaría ver cantos rodados y guijarros. En un lago alimentado por el arroyo, debe haber depósitos de arena y limo. Si también encuentras grandes cantos rodados en el lago, esto puede indicar la participación de otro proceso de transporte de sedimentos, como el desprendimiento de rocas causado por el acuñamiento de hielo o raíces.

Figura\(\PageIndex{1}\): Grado de redondeo en sedimentos. La esfericidad se refiere a la naturaleza esférica de un objeto, una medida completamente diferente no relacionada con el redondeo.

El redondeo se crea cuando las esquinas angulares de fragmentos de roca se eliminan de un trozo de sedimento debido a la abrasión durante el transporte. Los granos de sedimento bien redondeados se definen como libres de todos los bordes afilados. El sedimento muy angular conserva las esquinas afiladas. La mayoría de los fragmentos de clast comienzan con algunos bordes afilados debido a la estructura cristalina del lecho rocoso, y esos puntos se desgastan durante el transporte. Los granos más redondeados implican un mayor tiempo de erosión o distancia de transporte, o un proceso erosivo más energético. La dureza mineral también es un factor en el redondeo.

Composición y procedencia

La composición describe los componentes minerales que se encuentran en sedimentos o rocas sedimentarias y pueden estar influenciados por la geología local, como la roca fuente y la hidrología. Aparte de la arcilla, la mayoría de los componentes de los sedimentos se determinan fácilmente mediante inspección visual (ver Capítulo 3, Minerales). El mineral sedimentario más comúnmente encontrado es el cuarzo debido a su baja reactividad química y alta dureza, lo que lo hace resistente a la intemperie y su presencia ubicua en el lecho rocoso continental. Otros granos de sedimento comúnmente encontrados incluyen feldespato y fragmentos líticos. Los fragmentos líticos son piezas de roca de grano fino [12], e incluyen astillas de barro, clastos volcánicos o trozos de pizarra.

Figura\(\PageIndex{1}\): Un grano de arena hecho de basalto, conocido como fragmento lítico volcánico microlítico. La caja es de 0.25 mm. La imagen superior es luz polarizada en el plano; la parte inferior es luz de polarización cruzada.

La meteorización de la roca volcánica produce las famosas playas de arena negra (basalto) y verde (olivino) de Hawái, que son raras en otras partes de la Tierra. Esto se debe a que la roca local está compuesta casi en su totalidad de basalto y proporciona una fuente abundante de clastos de color oscuro cargados de minerales máficos. Según la Serie de Disolución Goldich, los clastos con alto contenido de minerales máficos se destruyen más fácilmente en comparación con los clastos compuestos por minerales félsicos como el cuarzo [13].

Figura\(\PageIndex{1}\): Playa hawaiana compuesta por arena verde olivina de meteorización de roca basáltica cercana.

Los geólogos utilizan la procedencia para discernir la fuente original de sedimento o roca sedimentaria. La procedencia se determina analizando la composición mineral y los tipos de fósiles presentes, así como las características texturales como la clasificación y el redondeo. La procedencia es importante para describir la historia tectónica [14], visualizar formaciones paleogeográficas [15], desentrañar la historia geológica de una zona o reconstruir supercontinentes pasados [16].

En la arenisca de cuarzo, a veces llamada arenita de cuarzo (SiO ₂), la procedencia se puede determinar utilizando un mineral clasto raro y duradero llamado circón (ZrSiO ₄). El circón, o silicato de circonio, contiene trazas de uranio, que pueden ser utilizadas para la datación por edad del lecho rocoso fuente que aportó sedimento a la roca arenisca litificada (ver Capítulo 7, Tiempo geológico).

Clasificación de rocas clásticas

Figura\(\PageIndex{1}\): Megabreccia en el Cañón Titus, Parque Nacional Valle de la Muerte, California.

Las rocas clásticas se clasifican según el tamaño de grano de su sedimento [17]. Las rocas de grano grueso contienen clastos con un tamaño de grano predominante mayor que la arena. Por lo general, los granos de sedimento más pequeños, denominados colectivamente masa terrestre o matriz, llenan gran parte del volumen entre los clastos más grandes y mantienen los clastos juntos. Los conglomerados son rocas que contienen clastos redondeados gruesos, y las brechas contienen clastos angulares (ver figura). Tanto los conglomerados como las brechas suelen estar mal ordenados.

Figura\(\PageIndex{1}\): Imagen ampliada de granos de arena esmerilados y redondeados soplados por el viento

Las rocas de grano medio compuestas principalmente de arena se llaman arenisca, o a veces arenita si están bien clasificadas. Los granos de sedimento en arenisca pueden tener una amplia variedad de composiciones minerales, redondez y clasificación. Algunos nombres de arenisca indican la composición mineral de la roca. La piedra arenisca de cuarzo contiene predominantemente granos de sedimentos de cuarzo. Arkose es arenisca con cantidades significativas de feldespato, generalmente mayores al 25%. La arenisca que contiene feldespato, que envejece más rápidamente que el cuarzo, es útil para analizar la historia geológica local. Greywacke es un término con definiciones contradictorias [18]. Greywacke puede referirse a arenisca con una matriz fangosa, o arenisca con muchos fragmentos líticos (pequeñas piezas de roca).

Figura\(\PageIndex{1}\): El esquisto de Rochester, Nueva York. Observe la fisilidad delgada en las capas.

Las rocas de grano fino incluyen lodo, esquisto, limo y piedra arcillosa. Mudstone es un término general para rocas hechas de granos de sedimentos más pequeños que la arena (menos de 2 mm). Las rocas que son fisionables, es decir, se separan en láminas delgadas, se llaman esquisto. Las rocas compuestas exclusivamente por limo o sedimento arcilloso, se denominan limotas o arcillosas, respectivamente. Estos dos últimos tipos de rocas son más raros que la lutita o el esquisto.

Figura\(\PageIndex{1}\): Laminaciones de arcillas del Lago Glacial Missoula.

Los tipos de roca que se encuentran como una mezcla entre las clasificaciones principales se pueden nombrar usando el componente menos común como descriptor. Por ejemplo, una roca que contiene algo de limo pero en su mayoría arena y grava redondeadas se llama conglomerado limoso. La roca rica en arena que contiene pequeñas cantidades de arcilla se llama arenisca arcillosa.

Químico, Bioquímico y Orgánico

Las rocas químicas sedimentarias están formadas por procesos que no involucran directamente la meteorización mecánica y la erosión. La meteorización química puede contribuir a los materiales disueltos en el agua que finalmente forman estas rocas. Los sedimentos bioquímicos y orgánicos son clásticos en el sentido de que están hechos de piezas de material orgánico que son depositadas, enterradas y litificadas; sin embargo, generalmente se clasifican como producidas químicamente.

Las rocas sedimentarias químicas inorgánicas están hechas de minerales precipitados a partir de iones disueltos en solución y creados sin la ayuda de organismos vivos. Las rocas sedimentarias químicas inorgánicas se forman en ambientes donde la concentración de iones, los gases disueltos, las temperaturas o las presiones están cambiando, lo que hace que los minerales cristalicen.

Las rocas sedimentarias bioquímicas se forman a partir de conchas y cuerpos de organismos submarinos. Los organismos vivos extraen componentes químicos del agua y los utilizan para construir conchas y otras partes del cuerpo. Los componentes incluyen aragonita, un mineral similar y comúnmente reemplazado por calcita, y sílice.

Las rocas sedimentarias orgánicas provienen de material orgánico que ha sido depositado y litificado, generalmente bajo el agua. Los materiales de origen son restos vegetales y animales que se transforman a través del entierro y el calor, y terminan como carbón, petróleo y metano (gas natural).

Química Inorgánica

Figura\(\PageIndex{1}\): Llanura cubierta de sal conocida como Bonneville Salt Flats, Utah.

Las rocas sedimentarias químicas inorgánicas se forman cuando los minerales precipitan de una solución acuosa, generalmente debido a la evaporación del agua. Los minerales precipitados forman diversas sales conocidas como evaporitas. Por ejemplo, las salinas de Bonneville en Utah se inundan de lluvias invernales y se secan cada verano, dejando atrás sales como el yeso y la halita. El orden de deposición de los depósitos de evaporitas es opuesto a su orden de solubilidad, es decir, a medida que el agua se evapora y aumenta la concentración mineral en solución, los minerales menos solubles precipitan antes que los minerales altamente solubles. El orden de deposición y los porcentajes de saturación se representan en la tabla, teniendo en cuenta que el proceso en la naturaleza puede variar de los valores derivados de laboratorio [19].

Tabla después [20].

Secuencia mineral	Porcentaje de agua de mar restante después de la evaporación
Calcita	50
Yeso/anhidrita	20
Halita	10
Varias sales de potasio y magnesio	5

Figura\(\PageIndex{1}\): Ooides de Joulter's Cay, Bahamas

Figura\(\PageIndex{1}\): Torres de toba caliza a lo largo de las orillas del Lago Mono, California.

El agua saturada con carbonato de calcio precipita masas porosas de calcita llamadas toba. La toba se puede formar cerca del agua de desgasificación y en lagos salinos. Las cascadas aguas abajo de los manantiales a menudo precipitan toba ya que el agua turbulenta mejora la desgasificación del dióxido de carbono, lo que hace que la calcita sea menos soluble y hace que precipite. Los lagos salinos concentran el carbonato de calcio a partir de una combinación de acción de las olas causando desgasificación, manantiales en el lecho del lago y evaporación. En el salado Lago Mono en California, las torres de toba quedaron expuestas después de que se desviara el agua y bajara los niveles del lago.

Figura\(\PageIndex{1}\): Terrazas de travertino de Mammoth Hot Springs, Parque Nacional Yellowstone, Estados Unidos

Los depósitos en cuevas como estalactitas y estalagmitas son otra forma de precipitación química de la calcita, en una forma llamada travertino. La calcita precipita lentamente del agua para formar el travertino, que a menudo muestra bandas. Este proceso es similar al crecimiento mineral en grifos en el fregadero o ducha de tu hogar que proviene del agua dura (rica en minerales). El travertino también se forma en aguas termales como Mammoth Hot Spring en el Parque Nacional Yellowstone.

Figura\(\PageIndex{1}\): Bandas alternas de lodo rico en hierro y sílice, formado como oxígeno combinado con hierro disuelto.

Los depósitos de formación de hierro bandeado comúnmente se formaron temprano en la historia de la Tierra, pero este tipo de roca sedimentaria química ya no se está creando. La oxigenación de la atmósfera y los océanos provocó que los iones de hierro libres, que son solubles en agua, se oxidaran y precipitaran de la solución. El óxido de hierro se depositó, generalmente en bandas alternadas con capas de chert.

Figura\(\PageIndex{1}\): Un tipo de pedernal, que se muestra con una corteza desgastada más ligera.

Chert, otra roca sedimentaria química comúnmente encontrada, generalmente se produce a partir de sílice (SiO ₂) precipitada de aguas subterráneas. La sílice es altamente insoluble en la superficie de la Tierra, razón por la cual el cuarzo es tan resistente a la intemperie química. El agua subterránea profunda se somete a presiones y temperaturas más altas, lo que ayuda a disolver la sílice en una solución acuosa. A medida que el agua subterránea se eleva hacia la superficie o emerge en la superficie, la sílice se precipita, a menudo como agente cementante o en nódulos. Por ejemplo, las bases de los géiseres en el Parque Nacional Yellowstone están rodeadas de depósitos de sílice llamados geiserita o sinterización. La sílice se disuelve en agua que es calentada térmicamente por una fuente de magma relativamente profunda. El Chert también se puede formar bioquímicamente y se discute en la subsección Bioquímica. Chert tiene muchos sinónimos, algunos de los cuales pueden tener valor de gema como jaspe, pedernal, ónix y ágata, debido a sutiles diferencias de colores, rayas, etc., pero chert es el término más general utilizado por los geólogos para todo el grupo.

Figura\(\PageIndex{1}\): Ooides formando un oolito.

Las oolitas se encuentran entre las pocas formas de piedra caliza creadas por un proceso químico inorgánico, similar a lo que ocurre en la deposición de evaporitas. Cuando el agua está sobresaturada con calcita, el mineral precipita alrededor de un núcleo, un grano de arena o fragmento de concha, y forma pequeñas esferas llamadas ooides (ver figura). A medida que la evaporación continúa, los ooides continúan construyendo capas concéntricas de calcita a medida que ruedan en suaves corrientes.

Bioquímica

Las rocas sedimentarias bioquímicas no son tan diferentes de las rocas sedimentarias químicas; también se forman a partir de iones disueltos en solución. Sin embargo, las rocas sedimentarias bioquímicas se basan en procesos biológicos para extraer los materiales disueltos del agua. La mayoría de los organismos marinos macroscópicos utilizan minerales disueltos, principalmente aragonita (carbonato de calcio), para construir partes duras como conchas. Cuando los organismos mueren, las partes duras se asientan como sedimentos, que se entierran, compactan y cementan en roca.

Figura\(\PageIndex{1}\): Caliza fosilífera (con braquiópodos y briozoos) de la Formación Kope de Ohio. La imagen inferior es una sección de la roca que ha sido grabada con ácido para enfatizar los fósiles.

Esta extracción y secreción bioquímica es el principal proceso de formación de piedra caliza, la roca sedimentaria no clástica que ocurre con mayor frecuencia. La piedra caliza está compuesta principalmente de calcita (CaCo ₃) y a veces incluye dolomita (CaMGCO ₃), un pariente cercano. La calcita sólida reacciona con ácido clorhídrico por efervescencia o efervescencia. La dolomita solo reacciona al ácido clorhídrico cuando se muele en polvo, lo que se puede hacer rayando la superficie de la roca (ver Capítulo 3, Minerales).

Figura\(\PageIndex{1}\): primer plano sobre coquina.

La piedra caliza se presenta en muchas formas, la mayoría de las cuales provienen de procesos biológicos. Arrecifes coralinos enteros y sus ecosistemas se pueden conservar con exquisito detalle en roca caliza (ver figura). La piedra caliza fosilífera contiene muchos fósiles visibles. Un tipo de piedra caliza llamada coquina se origina en arenas de playa hechas predominantemente de conchas que luego fueron litificadas. La coquina está compuesta por conchas poco cementadas y fragmentos de conchas. Puedes encontrar playas como esta en ambientes tropicales modernos, como las Bahamas. La tiza contiene altas concentraciones de conchas de un microorganismo llamado coccolitóforo. La micrita, también conocida como lodo de calcita microscópica, es una piedra caliza de grano muy fino que contiene microfósiles que solo se pueden ver con un microscopio.

Formas biogenéticas de cerda en el fondo del océano profundo, creadas a partir de sedimentos bioquímicos hechos de conchas orgánicas microscópicas. Este sedimento, llamado exudado, puede ser calcáreo (a base de carbonato de calcio) o silíceo (a base de sílice) dependiendo del tipo de conchas depositadas. Por ejemplo, las conchas de los radiolarios (zooplancton) y las diatomeas (fitoplancton) están hechas de sílice, por lo que producen exudado silíceo.

Orgánico

Bajo las condiciones adecuadas, piezas intactas de material orgánico o material derivado de fuentes orgánicas se conservan en el registro geológico. Aunque no se deriva del sedimento, este material orgánico litificado se asocia con estratos sedimentarios y se crea por procesos similares: entierro, compactación y diagénesis. Los depósitos de estos combustibles se desarrollan en áreas donde el material orgánico se acumula en grandes cantidades. Los exuberantes pantanos pueden crear condiciones propicias para la formación de carbón. Los sedimentos marinos ricos en materiales orgánicos y poco profundos pueden convertirse en depósitos de petróleo y gas natural altamente productivos. Consulte el Capítulo 16, Energía y Recursos Minerales, para una mirada más profunda a estas fuentes de energía derivadas de fósiles.

Figura\(\PageIndex{1}\): Carbón antracita, el grado más alto de carbón.

Clasificación de Rocas Químicas Sedimentarias

Figura\(\PageIndex{1}\): Gyprock, una roca hecha del yeso mineral. De la formación castellana de Nuevo México.

En contraste con el sedimento detrítico, las rocas sedimentarias químicas, bioquímicas y orgánicas se clasifican en función de la composición mineral. La mayoría de estos son monominerálicos, compuestos por un solo mineral, por lo que el nombre de la roca suele asociarse con el mineral identificativo. Las rocas químicas sedimentarias que consisten en halita se llaman sal de roca. Las rocas hechas de piedra caliza (calcita) es una excepción, teniendo elaboradas subclasificaciones e incluso dos métodos de clasificación competidores: Clasificación Folk y Clasificación Dunham [11; 21]. La Clasificación Folclórica se ocupa de los granos de roca y generalmente requiere de un microscopio petrográfico especializado. La clasificación Dunham se basa en la textura de roca, que es visible a simple vista o usando una lente manual y es más fácil para aplicaciones de campo. La mayoría de los geólogos carbonatados utilizan el sistema Dunham.

Figura\(\PageIndex{1}\): Carta de identificación de rocas sedimentarias

Referencias

9. Udden, J. A. Composición mecánica de sedimentos clásticos. Geol. Soc. Am. Toro. 25, 655—744 (1914).

10. Wentworth, C. K. Escala de términos de grado y clase para sedimentos clásticos. J. Geol. 30, 377—392 (1922).

11. Folk, R. L. Petrografía de rocas sedimentarias. Univ. Texas, Hemphill, Austin, Tex 182, (1974).

12. Dickinson, W. R. Interpretando modos detríticos de graywacke y arkose. J. Sedimento. Res. 40, (1970).

13. Affolter, M. D. Sobre la naturaleza de los fragmentos líticos volcánicos: Definición fuente y evolución. (2004).

14. Dickinson, W. R. & Suczek, C. A. Tectónica de placas y composiciones de arenisca. AAPG Bol. 63, 2164—2182 (1979).

15. Johnson, C. L. et al. Respuesta sedimentaria a colisión arco-continente, Pérmico, sur de Mongolia. Geological Society of America Papeles Especiales 436, 363—390 (2008).

16. Cawood, P. A., Nemchin, A. A., Strachan, R., Prave, T. & Krabbendam, M. Cuenca sedimentaria y registro de circón detrítico a lo largo de Laurentia Oriental y Báltica durante el montaje y desintegración de Rodinia. J. Geol. Soc. Londres 164, 257—275 (2007).

17. Grabau, A. W. Sobre la clasificación de rocas sedimentarias. (1904).

18. R. H. Dott, J. Wacke, Graywacke y Matrix: ¿Qué enfoque para la clasificación de areniscas inmaduras? Revista de Investigación Sedimentaria 34, (1964).

19. Borchert, H. & Muir, R. O. Depósitos de sal: origen, metamorfismo y deformación de evaporitas. (Van Nostrand, 1964).

20. Boggs, S. J. Principios de sedimentología y estratigrafía. (Pearson, 2011).

21. Dunham, R. J. Clasificación de rocas carbonatadas según texturas deposicionales. (1962).