5.4: Estructuras sedimentarias

Las estructuras sedimentarias son texturas visibles o arreglos de sedimentos dentro de una roca. Los geólogos utilizan estas estructuras para interpretar los procesos que hicieron la roca y el entorno en el que se formó. Utilizan el uniformitarismo para comparar generalmente las estructuras sedimentarias formadas en ambientes modernos con contrapartes litificadas en rocas antiguas. A continuación se presenta una discusión resumida de las estructuras sedimentarias comunes que son útiles para interpretaciones en el registro rocoso.

Planos Ropa de Cama

Figura\(\PageIndex{1}\): Estratos horizontales en el sur de Utah.

La estructura sedimentaria más básica son los planos de lecho, los planos que separan las capas o estratos en rocas sedimentarias y algunas volcánicas. Visible en afloramientos expuestos, cada plano de lecho indica un cambio en las condiciones de deposición de sedimentos. Este cambio puede ser sutil. Por ejemplo, si una sección del sedimento subyacente se reafirma, esto puede ser suficiente para crear una forma o una capa que sea diferente del sedimento suprayacente. Cada capa se denomina lecho, o estrato, la unidad más básica de estratigrafía, el estudio de la estratificación sedimentaria.

Figura\(\PageIndex{2}\): Estudiantes de la Universidad de Wooster examinan lechos de piedra caliza ordovícica en el centro de Tennessee.

Como sería de esperar, el espesor del lecho puede indicar la cantidad de deposición de sedimentos y el tiempo. Técnicamente, una cama es un plano de cama más grueso que 1 cm (0.4 in) y la unidad mapeable más pequeña. Una capa más delgada de 1 cm (0.4 in) se llama lámina [22]. Las varvas son planos de cama creados cuando las láminas y los lechos se depositan en ciclos repetitivos, típicamente diarios o estacionalmente [23]. Las varvas son valiosos registros geológicos de historias climáticas, especialmente las que se encuentran en lagos y depósitos glaciares.

Ropa de cama graduada

Figura\(\PageIndex{3}\): Imagen de la secuencia clásica de Bouma. A=Arenisca de grano grueso a fino, posiblemente con una base erosiva. B=Arenisca laminada de grano medio a fino. C=Arenisca ondulada de grano fino. d=Graduación de limotas laminadas a lodos.

La cama graduada se refiere a una secuencia de capas de sedimentos cada vez más gruesas o de grano fino. Las camas graduadas a menudo se desarrollan cuando la deposición de sedimentos ocurre en un ambiente de energía decreciente. Una secuencia de Bouma es lecho clasificado observado en una roca clástica llamada turbidita [24]. Los lechos de secuencia Bouma están formados por flujos de gravedad de sedimentos en alta mar, que son flujos submarinos de sedimentos. Estos flujos de densidad submarina comienzan cuando el sedimento es agitado por un proceso energético y se convierte en una densa suspensión de granos mixtos. El flujo de sedimentos fluye hacia abajo a través de canales submarinos y cañones debido a la gravedad que actúa sobre la diferencia de densidad entre la suspensión más densa y el agua de mar circundante menos densa. A medida que el flujo llega a cuencas oceánicas más profundas, se ralentiza, pierde energía y deposita sedimentos primero en una secuencia Bouma de granos gruesos, seguido de granos cada vez más finos (ver figura).

Régimen de flujo y formas de cama

Figura\(\PageIndex{4}\): Formas de cama por debajo del aumento de las velocidades de flujo.

En sistemas de fluidos, como mover agua o viento, la arena es el grano de sedimento más fácilmente transportado y depositado. Las partículas más pequeñas como el limo y la arcilla son menos móviles por los sistemas de fluidos porque los pequeños granos son atraídos químicamente entre sí y se adhieren al sedimento subyacente. Bajo caudales más altos, el limo fino y el sedimento arcilloso tienden a permanecer en su lugar y los granos de arena más grandes se recogen y mueven.

Las formas de cama son estructuras sedimentarias creadas por sistemas de fluidos que trabajan en sedimentos arenosos [25]. El tamaño de grano, la velocidad de flujo y el régimen o patrón de flujo interactúan para producir formas de cama que tienen características físicas únicas e identificables. Los regímenes de flujo se dividen en regímenes superior e inferior, los cuales se dividen en partes superior, superior, inferior e inferior. La siguiente tabla muestra formas de cama y sus regímenes de flujo asociados. Por ejemplo, la forma de cama de las dunas se crea en la parte superior del régimen de flujo inferior.

Régimen de flujo (parte)	Forma de cama	Descripción
Inferior (más bajo)	Cama plana	Lecho plano inferior, laminaciones planas
Inferior (inferior)	Ondulaciones	Capas inclinadas pequeñas (con respecto al flujo) que sumergen el flujo descendente
Inferior (superior)	Dunas	Lechos transversales inclinados más grandes, ±ondulaciones, flujo descendente de inmersión
Superior (inferior)	Cama plana	Capas planas, pueden incluir granos alineados (líneas de división)
Superior (superior)	Antídunas	Dunas inversas difíciles de preservar sumergiendo poco a poco el flujo ascendente
Superior (superior)	Chutas/albercas (raras)	Erosional, no es realmente una forma de cama; rara vez se encuentra preservada

Camas Planas

Figura\(\PageIndex{5}\): Las líneas sutiles a través de esta arenisca (que tienden desde la parte inferior izquierda hasta la parte superior derecha) son lineaciones de separación.

Los lechos planos creados en el régimen de flujo inferior son como planos de cama, en una escala más pequeña. Las capas planas y paralelas se forman como pilas de sedimentos arenosos y se mueven sobre las capas inferiores. Incluso los sistemas de fluidos que no fluyen, como los lagos, pueden producir lechos planos de sedimentos. Los lechos planos en el régimen de flujo superior son creados por fluidos de flujo rápido. Pueden parecer idénticos a los lechos de régimen de flujo inferior; sin embargo, generalmente muestran lineaciones de separación, ligeras alineaciones de granos en hileras e hileras, causadas por altas tasas de transporte de sedimentos que solo ocurren en los regímenes de flujo superior.

Ondulaciones

Figura\(\PageIndex{6}\): Ondulación de corriente moderna en arena de los Países Bajos. El flujo crea un lado empinado hacia abajo de la corriente. En esta imagen, el flujo es de derecha a izquierda.

Las ondulaciones son conocidas por varios nombres: marcas de ondulación, travesaños ondulados o laminaciones cruzadas onduladas. Las crestas u ondulaciones en el lecho se crean a medida que los granos de sedimento se apilan en la parte superior del lecho plano. A excepción de las dunas, la escala de estos lechos se mide típicamente en centímetros. Ocasionalmente, grandes flujos como arrebatos de lagos glaciares pueden producir ondas de hasta 20 m (66 pies).

Figura\(\PageIndex{7}\): Un flujo bidireccional crea esta ondulación simétrica de onda. De rocas en Nomgon, Mongolia. Tenga en cuenta que las crestas de las ondas han sido erosionadas por los flujos posteriores en algunos lugares.

Primero descrito científicamente por Hertha Ayrton [26], las formas onduladas están determinadas por el tipo de flujo y pueden ser de cresta recta, sinuosas o complejas. Ondulaciones asimétricas se forman en un flujo unidireccional. Las ondas simétricas son el resultado de un flujo oscilante de ida y vuelta típico de las zonas de oscilación intermareales. Las ondas trepadoras se crean a partir de altas tasas de sedimentación y aparecen como capas superpuestas de formas onduladas (ver figura).

Figura\(\PageIndex{8}\): Depósito de ondulación trepadora de la India.

Dunas

Figura\(\PageIndex{9}\): Dunas de lecho cruzado litificadas del país alto del Parque Nacional Zion, Utah. La complejidad de los planos de cama resulta de la red tridimensional de antiguos flujos de dunas.

Las dunas son versiones muy grandes y prominentes de ondulaciones y ejemplos típicos de grandes camas cruzadas [27]. La ropa de cama cruzada ocurre cuando las ondas o las dunas se apilan una encima de la otra, interrumpiendo y/o cortando las capas subyacentes. Las dunas de arena del desierto son probablemente la primera imagen evocada por esta categoría de forma de cama.

El geólogo británico Agnold (1941) consideró solo a Barchan y a las dunas lineales de Seif como las únicas verdaderas formas de dunas. Otros trabajadores han reconocido dunas transversales y estelares así como dunas parabólicas y lineales ancladas por plantas que son comunes en las zonas costeras como otros tipos de dunas.

Figura\(\PageIndex{10}\): La moderna duna de arena en Marruecos.

Las dunas son la estructura sedimentaria más común que se encuentra dentro de los flujos canalizados de aire o agua. La mayor diferencia entre las dunas fluviales y las dunas formadas por aire (desérticas) es la profundidad del sistema de fluidos. Dado que la profundidad de la atmósfera es inmensa en comparación con un canal de río, las dunas del desierto son mucho más altas que las que se encuentran en los ríos. Algunos famosos paisajes de dunas con forma de aire incluyen el desierto del Sahara, el Valle de la Muerte y el Desierto de Gobi [28].

A medida que el flujo de aire mueve los sedimentos, los granos se acumulan en la superficie de barlovento de la duna (frente al viento). El ángulo del lado de barlovento es típicamente menos profundo que el lado de sotavento (a favor del viento), que tiene granos cayendo sobre él. Esta diferencia en pendientes se puede observar en una sección transversal de lecho e indica la dirección del flujo en el pasado. Por lo general, hay dos estilos de camas de dunas: los cruzados más comunes con superficies curvas de barlovento y los cruzados planos más raros con superficies planas de barlovento.

En lugares de marea con fuertes flujos de entrada y salida, las dunas pueden desarrollarse en direcciones opuestas. Esto produce una característica llamada herringbone cross-bedding.

Figura\(\PageIndex{11}\): Cruzado en espiga de la Formación Mazomanie, Cámbrico superior de Minnesota.

Figura\(\PageIndex{12}\): Estratificación de cruz cómica, vista como líneas onduladas a lo largo de la mitad de esta cara rocosa. El mejor ejemplo está justo encima del lápiz en el centro.

Otra variante de formación de dunas ocurre cuando vientos muy fuertes, con fuerza de huracanes, agitan partes del fondo marino generalmente inalterado. Estos lechos se llaman estratificación cruzada hummocky y tienen una arquitectura 3D de cerros y valles, con capas inclinadas y declinadas que coincide con las formas de dunas.

Antídunas

Figura\(\PageIndex{13}\): Formación de antidunas en Urdaibai, España.

Las antidunas se llaman así porque comparten características similares con las dunas, pero están formadas por un proceso diferente y opuesto [29]. Mientras las dunas se forman en regímenes de flujo inferior, las antidunas provienen de regímenes de flujo superior de flujo rápido. En ciertas condiciones de caudales altos, el sedimento se acumula aguas arriba de una sutil inmersión en lugar de viajar aguas abajo (ver figura). Las antidunas se forman en fase con el caudal; en los ríos, están marcadas por rápidos en la corriente. Las antídunas rara vez se conservan en el registro rocoso porque los altos caudales necesarios para producir los lechos también aceleran la erosión.

Bioturbación

Figura\(\PageIndex{14}\): Lodstone dolomítico bioturbado de Kentucky.

La bioturbación es el resultado de organismos que excavan a través de sedimentos blandos, lo que altera las capas del lecho. Estos túneles se rellenan y finalmente se conservan cuando el sedimento se convierte en roca. La bioturbación ocurre con mayor frecuencia en ambientes marinos poco profundos y puede usarse para indicar la profundidad del agua [30].

Grietas

Figura\(\PageIndex{15}\): Grietas de lodo litificado de Maryland.

Las fisuras de lodo ocurren en sedimentos ricos en arcilla que se sumerge bajo el agua y luego se seca. El agua llena huecos en la estructura cristalina de la arcilla, haciendo que los granos de sedimento se hinchen. Cuando este sedimento anegado comienza a secarse, los granos de arcilla se contraen. La capa de sedimento forma grietas poligonales profundas con aberturas cónicas hacia la superficie [31], las cuales se pueden ver de perfil. Las grietas se llenan de nuevo sedimento y se convierten en vetas visibles que atraviesan la roca litificada. Estos lechos de arcilla secos son una fuente importante de astillas de barro, pequeños fragmentos de barro o esquisto, que comúnmente se convierten en inclusiones en arenisca y conglomerado. Lo que hace que esta estructura sedimentaria sea tan importante para los geólogos es que solo se forman en ciertos entornos depositacionales, como las llanuras de marea que se forman bajo el agua y luego se exponen al aire. Las grietas de sinéresis son similares en apariencia a las grietas de lodo pero mucho más raras; se forman cuando los sedimentos de arcilla subacuosos (subacuosos) se contraen [32].

Marcas de Suela

Figura\(\PageIndex{16}\): Esta flauta moldeada muestra una dirección de flujo hacia la parte superior derecha de la imagen, como se ve por el bulto que se pega hacia abajo de la capa superior. El molde de flauta habría sido desmenuzado en una capa de roca debajo que ha sido eliminada por la erosión, dejando la capa arenosa de arriba para rellenar el molde de flauta.

Las marcas de suela son pequeñas características que se encuentran típicamente en los depósitos fluviales. Se forman en la base de una cama, la suela y encima de la cama subyacente. Pueden indicar varias cosas sobre las condiciones de deposición, como la dirección del flujo o la dirección ascendente estratigráfica (ver sección Estructuras Geopetales). Los moldes de flauta o marcas de frotamiento son surcos tallados por las fuerzas del flujo de fluido y las cargas de sedimentos. La parte aguas arriba del flujo crea surcos pronunciados y aguas abajo los surcos son menos profundos. Posteriormente, los surcos se llenan con sedimentos superpuestos, creando un molde del hueco original [33].

Figura\(\PageIndex{17}\): Moldes de ranura en la base de un depósito de turbidita en Italia.

Formados de manera similar a los moldes de flauta pero con una forma más regular y alineada, los moldes de ranura son producidos por clastos más grandes o escombros transportados en el agua que raspan a través de la capa de sedimento. Las marcas de herramientas provienen de objetos como palos transportados en el fluido aguas abajo o grabados en relieve en la capa de sedimento, dejando una depresión que luego se llena con nuevo sedimento.

Figura\(\PageIndex{18}\): Un núcleo de perforación que muestra un molde cargado que muestra arena de color claro que se pega en lodo oscuro.

Los moldes de carga, un ejemplo de deformación de sedimentos blandos, son pequeñas indentaciones hechas por una capa superpuesta de granos de sedimentos gruesos o clastos que se inmiscuyen en una capa de sedimento más suave y de grano más fino [34].

Impresiones de gotas de lluvia

Figura\(\PageIndex{19}\): Impresiones de gotas de lluvia de Mississippian sobre ondas de olas de Nueva Escocia.

Como su nombre lo indica, las impresiones de gotas de lluvia son pequeñas fosas o protuberancias que se encuentran en sedimentos blandos. Si bien generalmente se cree que son creados por la lluvia, pueden ser causados por otros agentes como el escape de burbujas de gas [35].

Imbricación

Figura\(\PageIndex{20}\): Los adoquines de este conglomerado se posicionan de manera que se apilan unos sobre otros, lo que ocurrió a medida que el flujo iba de izquierda a derecha.

La imbricación es una pila de clastos grandes y generalmente planos (adoquines, gravas, astillas de barro, etc.) que están alineados en la dirección del flujo de fluido [36]. Los clastos pueden apilarse en filas, con sus bordes sumergidos y superficies planas alineadas para enfrentar el flujo (ver figura). O sus superficies planas pueden ser paralelas a la capa y ejes largos alineados con el flujo. Las imbricaciones son útiles para analizar paleocurrentes, o corrientes encontradas en el pasado geológico, especialmente en depósitos aluviales.

Estructuras Geopetales

Figura\(\PageIndex{21}\): Este fósil bivalvo (almeja) estaba parcialmente lleno de sedimento color canela, parcialmente vacío. Posteriormente los fluidos llenaron el fósil con minerales de calcita blanca. La línea entre el sedimento y la calcita posterior es paleo-horizontal.

Figura\(\PageIndex{22}\): Eubrontes trazan fósiles de Utah, mostrando la dirección geopetal en la imagen.

Las estructuras geopetales [37], también llamadas indicadores de dirección ascendente, se utilizan para identificar qué camino estaba hacia arriba cuando se formaron originalmente las capas de roca sedimentaria. Esto es especialmente importante en lugares donde las capas de roca se han deformado, inclinado o volcado. Se pueden usar grietas de lodo bien conservadas, marcas de suela e impresiones de gotas de lluvia para determinar la dirección hacia arriba. Otras estructuras geopetales útiles incluyen:

• Vugs: Pequeños huecos en la roca que suelen llenarse durante la diagénesis. Si el vacío se llena parcialmente o se llena por etapas, sirve como registro permanente de una burbuja nivelada, congelada en el tiempo.
• Ropa de cama cruzada — En lugares donde ondulaciones o dunas se amontonan una encima de la otra, donde un lecho cruzado interrumpe y/o corta otro debajo, esto muestra una relación transversal que indica dirección hacia arriba.
• Ondulaciones, dunas: A veces las ondulaciones se conservan lo suficientemente bien como para diferenciar entre las crestas (arriba) y los abrevaderos (abajo).
• Fósiles: Fósiles corporales en posición de vida, lo que significa que las partes del cuerpo no están dispersas ni rotas, y rastrear fósiles como huellas (ver figura) pueden proporcionar una dirección hacia arriba. Los arrecifes de coral fosilizados intactos son excelentes indicadores de subida debido a su gran tamaño y su parte superior e inferior fácilmente distinguibles. Índice de fósiles, como amonitas, se puede utilizar para envejecer los estratos de fecha y determinar la dirección ascendente en función de las edades relativas de las rocas.
• Vesículas — Los flujos de lava eliminan el gas hacia arriba. Un aumento de vesículas hacia la parte superior del flujo indica hacia arriba.

Referencias

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