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Sedimento terrígeno

Los sedimentos terrígenos se derivan de la meteorización y erosión química y física de las rocas continentales y consisten principalmente en lodo , arena y limo transportados al...

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Los sedimentos terrígenos se derivan de la meteorización y erosión química y física de las rocas continentales y consisten principalmente en lodo , arena y limo transportados al océano por los ríos . Su composición se basa principalmente en fragmentos de roca y minerales de silicato como cuarzo , feldespato y minerales arcillosos . Los sedimentos terrígenos se encuentran mayoritariamente cerca de los continentes, en ambientes costeros y plataformas continentales . Los sedimentos de grano más fino, como la arcilla, pueden ser transportados a las llanuras abisales de aguas profundas . [ 1 ] Pueden acumularse en una amplia variedad de ambientes deposicionales , incluyendo ambientes fluviales , costeros , eólicos y marinos profundos . Esto refleja diversos mecanismos de transporte, como ríos, viento , glaciares y corrientes de turbidez . [ 2 ]

Origen y transporte de sedimentos terrígenos

Diagrama esquemático simplificado del transporte de sedimentos terrígenos.

La meteorización de rocas ígneas , sedimentarias y metamórficas puede generar sedimentos terrígenos. [ 1 ] [ 3 ] La creación, el transporte, la deposición y la litificación de sedimentos terrígenos en rocas sedimentarias constituyen una parte importante del ciclo de las rocas . [ 4 ] La meteorización y la erosión son dos procesos que generan sedimentos terrígenos. [ 5 ] [ 6 ] Las rocas se meteorizan una vez que son exhumadas. [ 1 ] Los mecanismos de erosión y transporte de sedimentos son el agua, el viento, los glaciares o la gravedad hacia el océano u otro depocentro localizado . [ 7 ]

meteorización química

La meteorización química se refiere a la disolución de rocas por ácidos débiles presentes en el agua. [ 8 ] [ 9 ] La meteorización química puede alterar los sedimentos derivados de la tierra al transformar minerales primarios en minerales secundarios como las arcillas. Un ejemplo de este proceso es la meteorización química del feldespato potásico en caolinita [ 10 ] [ 11 ] . En general, la disolución incongruente es más común en la naturaleza y produce arcillas como producto de la disolución [ 12 ] [ 11 ] . La alteración química en los sedimentos puede aumentar la madurez de los sedimentos y liberar iones disueltos. [ 13 ] El ácido carbónico se forma a partir de la disolución del dióxido de carbono de la atmósfera en el agua de lluvia para producir ácido carbónico. [ 14 ] El agua de lluvia enriquecida con ácido carbónico precipitada cae y corre sobre minerales de silicato o carbonato expuestos creando una carga fluvial totalmente disuelta (meteorización congruente) o una carga parcialmente disuelta (meteorización incongruente). [ 11 ] También es posible en algunos entornos la producción de ácido sulfúrico como resultado de la oxidación de minerales de azufre que conduce a la meteorización de minerales carbonatados [ 15 ] . Otros ácidos orgánicos también son capaces de disolver rocas. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] Los cambios climáticos (cambios en los patrones de precipitación y temperatura a largo plazo ) afectan la tasa de meteorización química en una región determinada. El aumento de la precipitación y el aumento de la temperatura (a través del aumento de gases de efecto invernadero o el aumento de la irradiancia solar ) producen tasas más altas de meteorización química. [ 19 ] La edad funciona como un inverso a las tasas de meteorización química, lo que significa que a medida que los suelos y sedimentos envejecen, la tasa de disolución de minerales disminuye debido a la disminución de materiales reactivos. [ 20 ] [ 21 ] El área superficial de los granos de sedimento aumenta con la disminución del tamaño del grano a medida que los componentes inestables del grano se disuelven. La meteorización de los sedimentos terrígenos proporciona los iones de sal que le dan al océano su salinidad.[ 8 ] [ 1 ] La acumulación de cationes y aniones de sal se produce enel agua de mar, donde su tiempo de residencia puede abarcar cientos de años o miles de años. [ 8 ] [ 22 ]

meteorización física

La meteorización física se refiere a la fragmentación de rocas grandes en piezas más pequeñas [ 8 ] [ 10 ] . La ruptura física del material de la roca madre expone roca nueva, no meteorizada, a la atmósfera, donde puede comenzar a meteorizarse. La tectónica juega un papel crítico en el levantamiento de nueva litosfera para que quede expuesta a la meteorización. El aumento del levantamiento tectónico funciona como una relación directa con las tasas de meteorización química, [ 23 ] lo que resulta en una mayor producción de sedimentos terrígenos. También hay evidencia de que el régimen climático es importante para determinar las tasas de meteorización química [ 24 ] [ 25 ] .

Los procesos tectónicos como la colisión continental , las fallas y el engrosamiento de la corteza pueden aumentar la producción de sedimentos derivados de la tierra porque todos estos procesos empujan la corteza hacia arriba y crean orógenos . La topografía elevada resultante y las pendientes pronunciadas aumentan la erosión y controlan los gradientes de los ríos en las regiones montañosas. [ 26 ] La actividad tectónica que conduce a la meteorización de las cadenas montañosas moviliza sedimentos de la tierra a diferentes ambientes de deposición marina. Por ejemplo, la erosión de sedimentos del Himalaya alimenta directamente el abanico de Bengala [ 27 ] . Sin tectónica, los continentes serían bajos, las tasas de erosión disminuirían y el suministro de sedimentos terrígenos a los océanos disminuiría [ 26 ] .

Determinación de las fuentes y el destino del transporte de solutos y sedimentos

Las fuentes de solutos y su comportamiento en función del caudal cambiante producido por la meteorización en una cuenca hidrográfica pueden representarse mediante una relación de ley de potencias (suponiendo un estado estacionario ):

do=a∗Rb{\displaystyle C=a*R^{b}}

Donde C es la concentración de soluto, a es la variable característica de la cuenca, R es la escorrentía , que es el caudal normalizado al área de la cuenca, y b es la pendiente de la relación entre la concentración y la escorrentía [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] . La pendiente o valor b puede interpretarse como:

Si b = 0 , entonces el suministro de sedimento y el transporte exhiben un comportamiento quimiostático.

Si b > 0 , entonces el suministro de sedimento excede la capacidad de transporte.

Si b < 0 , entonces la capacidad de transporte supera el suministro de sedimento.

El flujo total de sedimentos hacia el océano se puede calcular mediante la siguiente ecuación (suponiendo un estado estacionario):

Qs=αR3/2A1/2miKT{\displaystyle Qs=\alpha R^{3/2}A^{1/2}e^{KT}}

Donde Qs es el flujo total de sedimentos, α y K son constantes de la zona climática, R es el relieve relativo al nivel del mar , A es el área de captación y T es la temperatura [ 31 ] [ 32 ] .

Ambientes de deposición

Distribución global de sedimentos en el fondo marino

Los sedimentos terrígenos se acumulan principalmente en las plataformas continentales cerca de las masas continentales. [ 1 ] [ 33 ] [ 34 ] La gran acumulación de sedimentos terrígenos forma las plataformas continentales y las playas a lo largo de millones de años de meteorización y erosión. [ 1 ] Los sedimentos terrígenos que se encuentran en el océano profundo son arcillas de grano fino, típicamente arcillas rojas ricas en hierro .

Corrientes de turbidez

Flujo de densidad de sedimentos simplificado en el cañón de Monterey

Los sedimentos terrígenos en la plataforma continental están sujetos a procesos que predominan en ambientes marinos someros como ríos, olas y corrientes de marea. Las corrientes de turbidez son corrientes submarinas impulsadas por la gravedad que se mueven rápidamente ladera abajo y transportan sedimentos cercanos a la costa hacia aguas más profundas. Son uno de los principales mecanismos de transporte ladera abajo del talud continental y hacia cuencas oceánicas profundas. Las corrientes de turbidez mejoran la eficiencia del enterramiento de carbono al transportar sedimentos a ambientes marinos profundos, lo que reduce la exposición al oxígeno y la sedimentación rápida puede aumentar la preservación del carbono a largo plazo [ 35 ] .

dunas eólicas

Las dunas eólicas se forman por sedimentos transportados por el viento. Esto es común en desiertos y zonas costeras porque los minerales siliciclásticos erosionan, transportan y depositan arena para formar dunas y otras formaciones [ 36 ] .

Los minerales siliciclásticos se transportan mediante tres métodos: saltación , tracción y suspensión. La saltación es el movimiento de material de grano fino que rebota al ser transportado por aire turbulento. La tracción es el transporte de granos más grandes que ruedan o se deslizan sobre una superficie, lo que generalmente resulta en saltación y erosión. La suspensión es el proceso por el cual el viento eleva y transporta estas partículas finas a gran altura en la atmósfera, a lo largo de grandes distancias. [ 37 ]

Algunos ejemplos comunes serían el desierto del Sahara , la meseta de Loess y los Outer Banks . Muchos de estos ejemplos se crean a partir de diferentes mecanismos de transporte. Las dunas en los desiertos del Sahara suelen ser ricas en cuarzo debido a la erosión de rocas antiguas y al reciclaje de sedimentos más antiguos. [ 38 ] . La meseta de Loess es limo de grano fino que es transportado por el viento y que forma gruesas capas de sedimento lejos de la fuente original [ 39 ] . Por último, la arena de los Outer Banks se originó a partir de material erosionado que es llevado por los ríos a las playas y luego reelaborado para formar las dunas [ 40 ] .  

Ambientes fluviales

Posibles mecanismos de transporte de sedimentos durante el flujo de los ríos.

Los ambientes fluviales son ríos y arroyos que transportan sedimentos desde los continentes hasta los océanos. Este es un vínculo crucial en el ciclo sedimentario de origen a destino. Los ríos son flujos turbulentos de alta energía que erosionan, transportan y depositan sedimentos según la velocidad del flujo y el tamaño del grano [ 41 ] . Los procesos de transporte influyen en las características de los sedimentos, como el tamaño del grano, la clasificación y la composición.

El sedimento puede transportarse mediante dos métodos: carga de fondo o material de fondo y carga en suspensión o sedimento en suspensión. La carga de fondo transporta los sedimentos más gruesos y pesados, como la grava y la arena, mediante rodadura, deslizamiento o saltación. [ 41 ] La carga en suspensión transporta sedimentos más finos, como el limo y la arcilla, a través de la columna de agua, como se muestra en la Figura 4.

Métodos de rastreo del origen de los sedimentos

La tecnología de rastreo de sedimentos comenzó a principios de la década de 1960 con la investigación de patrones de sedimentos, que incluyen tasas de erosión y deposición y acumulación de sedimentos en masa [ 42 ] [ 43 ] . Para determinar el origen y las rutas de transporte de los sedimentos terrígenos, los científicos emplean una variedad de técnicas geoquímicas y biológicas, como isótopos radiogénicos , análisis del tamaño de grano , biomarcadores e isótopos estables específicos de compuestos , patrones de elementos de tierras raras (REE), paleomagnetismo , polen fósil y radionúclidos [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] , entre otros. A menudo, los sistemas lacustres (lagos) son particularmente valiosos porque conservan registros continuos de sedimentos, a diferencia de algunos registros marinos [ 50 ] .

isótopos radiogénicos

Los sedimentos creados por meteorización y erosión frecuentemente conservan firmas isotópicas radiogénicas porque las rocas de diversas ubicaciones geográficas y eras geológicas tienen composiciones isotópicas únicas [ 44 ] . Estas composiciones isotópicas actúan como firmas geoquímicas que reflejan sus regiones de origen en función de la geología local. Al analizar las proporciones isotópicas y compararlas con posibles fuentes continentales, los científicos pueden determinar el origen y las vías de transporte de los sedimentos. [ 51 ] [ 52 ] El rastreo de sedimentos puede utilizar una combinación de trazadores isotópicos, como estroncio (Sr), neodimio (Nd) y plomo (Pb) [ 53 ] . Es posible determinar el origen y el modo de transporte de los sedimentos analizando las proporciones isotópicas radiogénicas en los sedimentos y comparándolas con posibles regiones de origen [ 44 ] [ 49 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] .

Estroncio

Uno de los trazadores más utilizados en la investigación del origen de los sedimentos es la relación deSr87{\displaystyle {\ce {^{87}_Sr}}}aSr86{\displaystyle {\ce {^{86}_Sr}}}(Sr87{\displaystyle {\ce {^{87}_Sr}}}/Sr86{\displaystyle {\ce {^{86}_Sr}}}) [ 49 ] [ 54 ] . Los sedimentos formados a partir de rocas de diversas edades y composiciones tienden a retener estas firmas durante la meteorización y el transporte porque estas rocas desarrollan proporciones variadas deSr87{\displaystyle {\ce {^{87}_Sr}}}aSr86{\displaystyle {\ce {^{86}_Sr}}}[ 49 ] . Por lo tanto, las mediciones de isótopos de estroncio en aguas naturales y sedimentos permiten a los investigadores rastrear el flujo de material terrígino desde la tierra hasta el océano y determinar las fuentes de sedimento [ 54 ] .

Neodimio

Los isótopos de neodimio (Nd) también se utilizan ampliamente en el rastreo de sedimentos. La composición isotópica del neodimio se expresa típicamente utilizando la notación épsilon (εNd), que refleja desviaciones de una referencia estándar y varía según las características geológicas de las regiones de origen [ 51 ] [ 57 ] .

Isótopos radiogénicos de Nd (Dakota del Norte143{\displaystyle {\ce {^{143}_Nd}}}/Dakota del Norte144{\displaystyle {\ce {^{144}_Nd}}}) son particularmente útiles porque conservan la firma geoquímica de sus rocas fuente y se utilizan ampliamente para rastrear la procedencia de los sedimentos y los procesos de mezcla [ 56 ] [ 57 ] [ 43 ] [ 58 ] . Diferentes regiones geológicas exhiben valores de εNd distintos, lo que permite a los científicos distinguir entre fuentes de sedimentos [ 48 ] [ 49 ] . Los isótopos radiogénicos de Nd no se fraccionan significativamente durante la meteorización y el transporte, lo que los convierte en indicadores confiables de la composición de la roca fuente. Sin embargo, los estudios han demostrado que los isótopos estables de Nd pueden exhibir un fraccionamiento menor bajo ciertas condiciones de meteorización, pero esto no afecta en gran medida su uso en el análisis [ 58 ] .

Dirigir

Los isótopos de plomo (Pb) se utilizan para rastrear tanto las fuentes naturales como antropogénicas de los sedimentos. Las variaciones en las proporciones de isótopos de Pb surgen de la desintegración radiactiva del uranio y el torio en las rocas fuente, produciendo firmas geoquímicas distintivas [ 59 ] . Además de las fuentes naturales derivadas de la meteorización de las rocas, los isótopos de plomo pueden indicar perturbaciones antropogénicas como la contaminación industrial, la actividad minera y el uso histórico de gasolina con plomo [ 60 ] . Estas firmas de origen humano permiten a los investigadores detectar contaminación y cambios ambientales dentro de los registros de sedimentos [ 59 ] .

Los elementos de tierras raras (REE) son un grupo de metales traza químicamente similares que incluyen los lantánidos desde el lantano (La) hasta el lutecio (Lu). Aunque se presentan en bajas concentraciones (concentraciones de nanogramos por gramo), sus patrones de abundancia relativa en los sedimentos pueden reflejar la composición de las rocas fuente originales [ 61 ] [ 62 ] .

Los REE se adsorben en minerales arcillosos y otras superficies de partículas finas de sedimentos durante la meteorización y la erosión. Sus patrones de distribución se mantienen con frecuencia porque son relativamente resistentes a los cambios químicos durante el transporte. Por lo tanto, es posible identificar la dispersión de sedimentos utilizando diferencias en los patrones de elementos de tierras raras, como la abundancia relativa de REE ligeros frente a pesados ​​o anomalías en elementos como el cerio y el europio [ 61 ] .

Biomarcadores

Los biomarcadores son moléculas orgánicas derivadas de fuentes biológicas específicas que pueden conservarse en sedimentos durante largos períodos de tiempo. Algunos biomarcadores se originan en plantas terrestres, suelos o microbios, lo que indica que la materia orgánica continental se ha incorporado a sedimentos marinos o lacustres [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] .

La materia orgánica terrígena se rastrea frecuentemente utilizando sustancias como lípidos de cera de hojas , fenoles de lignina y otras sustancias húmicas producidas por plantas [ 63 ] [ 64 ] . La presencia de estas moléculas en sedimentos marinos o costeros puede revelar la contribución de material terrestre transportado por ríos, viento o procesos costeros, ya que están vinculados a ciertas fuentes biológicas [ 63 ] . Los biomarcadores específicos, como los compuestos derivados de la lignina , son indicadores ampliamente utilizados del aporte terrestre porque son relativamente resistentes a la degradación [ 64 ] . Los biomarcadores también pueden proporcionar información sobre las condiciones ambientales en el momento de la deposición. Por ejemplo, las variaciones de isótopos de carbono pueden distinguir entre diferentes tipos de plantas y condiciones climáticas [ 64 ] . Los biomarcadores se utilizan a menudo junto con trazadores geoquímicos para comprender mejor las fuentes y las vías de transporte de los sedimentos terrígenos [ 63 ] .

Referencias

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