Tema 1 - Estratigrafía y sedimentología: definiciones, desarrollo histórico, relación con otras disciplinas, principios fundamentales y objetivos PDF

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introduccion y resumen al analisis de la estratigrafia ...

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T1. Estratigrafia y sedimentología: Definiciones, desarrollo histórico,.. I. Armenteros

Tema 1 Estratigrafía y Sedimentología: Definiciones, desarrollo histórico, relación con otras disciplinas, principios fundamentales y objetivos 1. Introducción La Estratigrafía surge como respuesta al estudio de las rocas sedimentarias, que constituyen las ¾ partes de la superficie terrestre. Junto con las rocas ígneas y metamórficas contienen las claves para conocer la Historia de la Tierra. Sin embargo, las rocas sedimentarias son únicas en cuanto al tipo de información que proveen: fósiles, texturas y estructuras sedimentarias. Las características de las rocas sedimentarias son insustituibles para conocer la paleogeografía terrestre a lo largo de la historia. En otro orden, cabe destacar la enorme importancia económica de las rocas sedimentarias (petróleo, carbón, uranio, evaporitas, arcillas, fosforitas, etc.).

El estudio del registro estratigráfico de las rocas sedimentarias forma el cuerpo de las ciencias de la Estratigrafía y Sedimentología que son la base para el estudio de las rocas sedimentarias. 2. Definición y concepto de Estratigrafía y Sedimentología

La Estratigrafía es la rama de la Geología que trata de las rocas estratificadas, y se centra principalmente en el orden y la posición relativa de las rocas estratificadas de la corteza terrestre. Una definición más completa en la que se expresan claramente sus objetivos y contenido es la recogida en Corrales et al., (1977): “Se define como el estudio e interpretación de los procesos registrados en las sucesiones sedimentarias que van a permitir, además de conocer la naturaleza y la disposición de las rocas estratificadas, la correlación tanto de los materiales como de los sucesos y la ordenación temporal correcta de la secuencia de materiales y sucesos”. En esta definición está implícito el papel de la Sedimentología, como disciplina que se encarga de estudiar los procesos registrados en las rocas sedimentarias. Sus objetivos (ver Fig. 1) principales se centran en: -Determinación de la sucesión de rocas estratificadas -Establecimiento de unidades estratigráficas (división y catalogación del registro sedimentario) y de su distribución geográfica. -Correlaciones de las unidades estratigráficas. -Interpretación de ambientes sedimentarios y reconstrucciones paleogeográficas. -Establecimiento de sus relaciones de edad.

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-Análisis de la formación y evolución de cuencas sedimentarias. -Reconstrucción histórica de la Tierra. Fases del estudio estratigráfico: (i) Descripción de los estratos en el registro local (ii) Correlación de las sucesiones estratigráficas locales. (iii) Análisis sedimentológico y reconstrucciones paleogeográficas. (iv) Análisis de cuencas sedimentarias (v) Incorporar los nuevos datos al acervo de la Historia de la Tierra.

Fig. 1. Esquema gráfico de los objetivos de la Estratigrafía (según Vera, 1994).

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Sedimentología: Es el estudio de la clasificación, origen e interpretación de los sedimentos y rocas sedimentarias. Su separación de la Estratigrafía no es clara, y puede decirse que es una parte de la Estratigrafía. Se aplica tanto a materiales antiguos como modernos, terrestres como acuáticos. El futuro de la Sedimentología descansa en la cuantificación de los procesos sedimentarios, sean físicos, químicos o biológicos. Objetivos de la Sedimentología: (i) Estudia las propiedades físicas, químicas y biológicas. (ii) Estudia los procesos que generan estas propiedades (iii) Provee con ello las bases para interpretar la paleoclimatología, paleogeografía y paleoecología. Las escalas del estudio sedimentológico son función del tipo de observación (Fig. 2): (i) Escala megascópica: provincias terrestres, cuencas marinas, geosinclinales,.. (ii) Escala macroscópica: estudio de afloramientos, muestras de mano y testigos de sondeo a los que se aplican métodos físicos y químicos simples. (iii) Escala microscópica: se basa en el uso de microscopio y otras herramientas sensibles para el reconocimiento de las partículas elementales.

MACROGEOMETRÍA (espesor, forma y orientación de los cuerpos sedimentarios)

Estratigrafía

Fig. 2. Escalas de estudio de la Sedimentología y relaciones con ciencias afines (Pettijohn, 1975).

Sedimentología

MACRO PETROGRAFÍA

MICRO PETROGRAFÍA

(Propiedades vectoriales: estructuras sedimentarias) (campo)

(Propiedades escalares: composición y texturas) (laboratorio)

Relaciones de la sedimentología con la estratigrafia y petrología sedimentaría (Pettijohn, 1975)

3. Relaciones de la Estratigrafía y la Sedimentología entre sí y con otras ciencias (Fig. 3)

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La Estratigrafía está íntimamente relacionada con la Sedimentología y la Geología Histórica, apoyándose firmemente en la primera y contribuyendo a conformar la segunda, de la que es su llave (Fig. 2). La Sedimentología, que nace a raíz de la elaboración de la teoría del Actualismo como base del estudio de las rocas sedimentarias (Walther, 1893-4), se ha ido separando de la Estratigrafía para configurar un campo propio. Ambas se apoyan en ciencias básicas y presentan complejas relaciones con otras ciencias geológicas.

Fig. 3. Relaciones de la Estratigrafía y la Sedimentología entre sí y con otras ciencias. Según Weller (1960).

Sumario: La sedimentología y la estratigrafía son dos disciplinas fundamentales de la geología. Aunque han sido tratadas independientemente, su mutua relación es bien patente y sus métodos de estudio son en gran parte comunes. Tanto en docencia como en el campo de la investigación suelen ir combinadas. El estudio de ambas representa un continuo de procesos y productos en el espacio y el tiempo. La sedimentología estudia preferentemente la formación de rocas sedimentarias (y sedimentos), en tanto que la estratigrafía se ocupa de las relaciones temporales y espaciales de las capas sedimentarias.

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4. Breve Historia de la Estratigrafía y Sedimentología I. La Antiguedad. •Culturas no occidentales: la Tierra era eterna, no cambiaba o lo hacía cíclicamente. •Culturas occidentales: - Según los griegos la Tierra cambiaba (Heráclito1, 535-475 BC). Ya en el s.VI a. C, los griegos observan conchas marinas en rocas de un acantilado marino. Ya en el s.VI a. C, los griegos observan conchas marinas en rocas de un acantilado marino. -Heródoto (484-425 a. de C.) y después Séneca (3 a. de C.- 65 d. de C.) consideran la existencia de un antiguo golfo marino en Egipto que fue progresivamente colmatado por los efectos del fango arrastrado y depositado por el Nilo. -Aristóteles (384 a 322 a. de C.) y su escuela consideraron un universo eterno y un mundo terrestre estable, sin destrucciones periódicas profundas. -Estratón (335-269 a. de C.): “Todo lo que existe es obra de la naturaleza…”, por lo que se le considera el precursor del método experimental desarrollado posteriormente en los siglos XVI y XVII por Descartes, Galileo, Kepler, Newton, entre otros. -Los romanos siguen la misma idea (Lucrecio, s. I a. C, y Plinio el Viejo, 23-79 AD). •Caída del Imperio Romano: La idea bíblica de la juventud de las rocas domina la cultura. II. La Edad Media. Durante la Edad Media, se rechaza el punto de vista del uniformismo clásico. Los objetos misteriosos hallados en las rocas se denominaron fósiles, de la palabra latina que significa desenterrados; éstos incluían, además, otras formas de origen inorgánico (nódulos y concreciones). Rige el punto de vista bíblico. III. El Renacimiento • Leonardo da Vinci (1452-1519) redescubre el concepto de “uniformitarismo” de los griegos y explica la presencia de conchas marinas en las montañas. IV. Nicolas Steno (1638-1686). Es el introductor de la Geología con su obra “Prodomus”, que es en buena medida una síntesis inductiva, en palabras de Ellenberger (1988). Enunció varias proposiciones; entre ellas, que los fósiles estaban originalmente dentro de un encajante blando. Algunas pasaron a constituir principios básicos de la Estratigrafía: P. de Continuidad Lateral, P. de Horizontalidad original y P. de Superposición.

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V. Siglos XVII y XVIII •Organización y sistematización de los materiales estratigráficos. Las primeras escalas de tiempo. -J. Strachey (primer mapa geológico de Inglaterra) - J. G. Lehman (1719-1767): divide las montañas (rocas) en: (i) primitivas (sin fósiles); (ii) estratificadas o secundarias (con fósiles), que se habían formado durante el diluvio; y (iii) materiales blandos formados después del diluvio. - A. L. Moro (1687-1764): reconoce montañas viejas y montañas jóvenes estratificadas. - G. Arduino (1713-1795): confirmó la división de Lehman más aluviones: a) Rocas primitivas (granitos, esquistos y basaltos); b) Rocas estratificadas secundarias (calizas y pizarras); c) rocas terciarias (rocas sedimentarias muy fosilíferas) -G.C. Fuchel (1722-1773, Alemania): reconoce 9 unidades en el Permo-Trias en el sur de Alemania. •

Neptunistas: la mayoría de las rocas, incluidas las cristalinas, eran precipitados marinos. A. Werner (1750-1817) fue el propulsor y máximo defensor de la teoría. Las inundaciones adicionales explicaban afloramientos insólitos. Estas ideas provocaron un retraso de los estudios sobre filones, pero motivaron, al tiempo, una fuerte oposición.

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Plutonistas: Resaltan el calor terrestre en la formación de rocas cristalinas. G. Arduino (1713-1795) relaciona los basaltos con los volcanes y N. Desmarest (1725-1815) estudia los volcanes de Auvernia y desafía las ideas de la escuela neptunista.

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James Hutton (1726-1797): abandera en Inglaterra nuevas ideas al margen de la polémica continental entre ambas escuelas. Estas siguen el naturalismo clásico; oponen lo natural a lo sobrenatural (ideas catastróficas diluvianas). Es defensor de la filosofía naturalista y del UNIFORMISMO: los procesos antiguos y modernos son iguales (uniformidad), de lo que se deriva que el presente es la clave del pasado. Sin una cierta uniformidad de los procesos, éstos no podrían ser estudiados. Hizo cuidadosas observaciones sobre los procesos de meteorización, erosión y sedimentación, y vio como las rocas en un principio estaban formadas por sedimentos blandos que, debido al enterramiento por los efectos del aumento de presión y temperatura, se transformaban en rocas consolidadas. Eventualmente, estas rocas son levantadas, meteorizadas y erosionadas para dar comienzo a un nuevo ciclo. Ya al final de su vida profesional, reconoció la discontinuidad de Siccar Point entre pizarras silúricas y las areniscas devónicas, lo cual, junto a las observaciones anteriores, le dio pie a pensar en el enorme tiempo que el desarrollo de esta relación estructural entre diversos

Nacido en Éfeso, Jonia, situada en la costa de Asia Menor, es famoso por su doctrina general del cambio como parte esencial de la naturaleza del universo, que se resume en la frase “no te puedes bañar dos veces en el mismo río”.

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conjuntos de estratos llevaba implícito. En definitiva, dedujo la enorme senectud de la Tierra en contra de las ideas bíblicas que regían sobre el origen y evolución de la Tierra. La consecuencia de todo ello fue su teoría sobre el continuo cambio experimentado por la Tierra y la definición por primera vez de la idea del ciclo geológico. En 1795, se publica su “Theory of the Earth”.

Fig. 4. Discontinuidad de Siccar Point (Escocia.

VI. El siglo XIX • William Smith (1769-1839). Fue un ingeniero inglés coleccionista de fósiles y constructor de canales. Se opuso a la idea werneriana o neptunista y observó que las secuencias de rocas diferían regionalmente. Establece el Principio de la sucesión faunística al darse cuenta que cada unidad rocosa tiene su propio conjunto fósil irrepetible. En 1815 realiza primer mapa geológico moderno, y fue un pionero de la geología aplicada. • La sistematización del registro estratigráfico. • En Inglaterra y parcialmente en Europa continental se establecen las grandes divisiones del registro estratigráfico, conocidas ahora. En Inglaterra se definen el Cámbrico (definido por A. Sedwick en 1835), Ordovícico (en principio incluido en el Silúrico y definido por Lapwoth en 1879), Silúrico (definido por R.I. Murchison en 1835) Devónico (definido por R.I. Murchison y A. Sedwick en 1839) y Carbonífero (W. D. Conybeare y I. Phillips, 1822). El Pérmico fue definido en Rusia por Murchison en 1841. Se define en Inglaterra la subdivisión del Mesozoico, conocida actualmente. En los Alpes de Suiza, Francia e Italia, Alexandre von Humbold definió el Jurásico (1799), en tanto que el Cretácico fue reconocido en Francia por d’Halloy en 1822. •Las revoluciones de la vida sobre la Tierra • G. Cuvier (1769-1832) y Brongniart (1808-1812): descifran las rocas terciarias de la Cuenca de París. Cuvier fue capaz de conciliar la idea bíblica con el registro fósil real. Es

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considerado el fundador de la anatomía comparada y de la paleontología de vertebrados. Es el padre de la idea catastrofista de extinciones sucesivas y de nueva aparición de vida, lo cual estaba en consonancia con la teoría catrastrofista de aquel tiempo. • Charles Lyell (1797-1875) - Extiende las ideas de Hutton un siglo después. Arguye sobre la uniformidad de las leyes y procesos naturales (actualismo) y sobre la uniformidad de las tasas (gradualismo). Rechaza las ideas catastróficas. La Tierra tiene una historia cíclica, no direccional, aunque el registro fósil ya parecía indicar que las formas complejas de vida seguían a las más sencillas. Define los sistemas como agrupaciones fundamentales de estratos. Cabe destacar su obra en tres volúmenes “Principles of Geology” (1830-1833). • Otros acontecimientos importantes del siglo XIX - Se define el concepto de facies y se enuncia (J. Walther) la “Ley de Correlación de facies”. - Se establece el concepto de geosinclinal (J. Dana, 1873). - Aparición del petróleo (1859, Pensilvania) - 50 años después de Smith se formula la explicación evolucionista de Darwin (1859). - Viaje del Challenger (1872-1876). VII. El siglo XX: El nacimiento de la Estratigrafía • 1913: Publicación del tratado de Grabau, que marca el nacimiento de la Estratigrafía. • Desarrollo de la prospección petrolífera (1920-1940). • Mediados de siglo: dos escuelas estratigráficas: - Escuela francesa: enfoque histórico de la estratigrafía (Gignoux, 1960) - Escuela americana: análisis de facies y cuerpos rocosos (Shrock, Krumbein, Sloss, Dunbar y Rodgers...) • Década de los 50 y 60: Gran desarrollo de la Sedimentología (modelos de facies) • Teoría de la Tectónica de Placas (T. Wilson, 1966): Nuevas bases en la relación tectónicasedimentación). • Estratigrafía interpretativa (“depositional systems”): nace del establecimiento de unidades estratigráficas “dinámicas” que se definen como un conjunto tridimensional de litofacies, genéticamente ligadas por procesos y medios tanto activos como inferidos (Escuela de Tejas). • Estratigrafía sísmica; análisis estratigráfico de rango mayor que significa una aproximación geológica a la interpretación estratigráfica de los datos sísmicos. 5.- Principios de la Estratigrafía y Sedimentología • 1. P. de la horizontalidad original de las capas: La mayoría de los estratos yacían originalmente próximos a la horizontal en la corteza terrestre.

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• 2. P. de continuidad lateral los estratos: Las capas son lateralmente extensas y mantienen su espesor. • 3. P. de superposición de estratos (definido por Steno, 1669; generalizado por Hutton, s. XVIII): Toda capa superpuesta a otra es más moderna que aquella. • 4. P. de polaridad: el techo de una capa puede ser reconocido por el estudio de las estructuras sedimentarias.

• 5. P. de los fragmentos incluidos: los fragmentos de capas más viejas pueden ser incluidos en capas más jóvenes y no al contrario (hay excepciones) (ver Fig. 1-5 de Dabrio y Hernando, 2003). • 6. P. de relación de corte: Un rasgo que corta a una capa es más moderno que aquella (ver Fig. 1-4 de Dabrio y Hernando, 2003). • 7. P. de la sucesión faunística (Smith, finales del XIX): las capas o sucesiones de ellas pueden ser reconocidas por su contenido faunístico (v.gr., las capas con el mismo contenido fósil pertenecen a la misma edad) • 8. P. del Uniformismo y actualismo. Fue definido por Hutton a finales del XVIII y su difusión se debe a Playfair (matemático contemporáneo suyo) y Lyell (que vivió en el XIX). - Son dos principios separados: Uniformismo: Las leyes y procesos naturales han permanecido “uniformes” a lo largo del tiempo geológico (no es del todo cierto). Actualismo: Los fenómenos que hoy están actuando han producido los mismos efectos en el pasado. Es el principio básico de la sedimentología, ya que el estudio de los procesos actuales y sus efectos sirve de base para la interpretación del registro fósil. •9. P. (o Ley) de “correlación de facies”, establecida por Johannes Walther (1839-94): Las facies superpuestas, siempre suponiendo que estén en continuidad de depósito, fueron depositadas en medios sedimentarios adyacentes en el mismo orden. Es también básico en los estudios sedimentológicos.

Fig.5. Ley de correlación de las facies de Walter (1894) (según esquema de Dabrio y Hernando, 2003).

Existen además otra serie de fenómenos que sin llegar a constituir principios son dignos de tener en cuenta a la hora de realizar interpretaciones del registro estratigráfico. Entre estos, caben mencionarse los fenómenos de la “persistencia de facies” (i.e., ciertos tipos de facies que representan ambientes sedimentarios específicos son especialmente abundantes en algunos

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periodos de la historia de la Tierra), de “la discontinuidad del registro estratigráfico” (i.e., es un hecho empírico que el proceso de sedimentación es por naturaleza discontinuo), de “la interdependencia de sucesos” (i.e., los sucesos que se producen sobre la superficie terrestre están en cierto modo relacionados entre sí) y de “la isocronía de los cambios de tendencia” (i.e., si se produce un cambio en la tendencia de una sucesión sedimentaria, éste suele ser isócrono para toda la cuenca) (ver detalles en Dabrio y Hernando, 2003: pp. 12-16). Referencias generales Boggs, S., 1987. Principies of Sedimentology and Stratigraphy. Merrill Pub. Co.784 pp. Corrales, L.; Rosell, J.; Sanchez De La Torre, L.; Vera, J. A. & Vilas, L. 1977. Estratigrafia. Editorial Rueda, Madrid, 718 pp. (Capítulo 1). Dabrio, C.J. & Hernando, S. 2003. Estratigrafía. Colección Geociencias. Facultad de Ciencias Geológicas, Universidad Complutense de Madrid, Madrid, 382 pp. (Capítulo 1. Concepto de Estratigrafía.). Ellenberger, F., 1989: Historia de la Geología. Volumen 1 De la Antigüedad al siglo XVII. MEC (Madrid)Editorial Labor, Barcelona, 282 pp. Krumbein, W.C. & Sloss, L.L., 1994. Estratigrafía y Sedimentación, 778 pp. UTEHA, México (Capítulo 2). Prothero, D. R., 1990. Interpreting the stratigraphic record. W.H. Freeman & Company, New York, 410 pp. (Capítulo 1). Vera Torres, J. A., 1994. Estratigrafía. Principios y Métodos. Ed. Rueda Madrid, 806 pp. (Capítulo 1).

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