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Geoqumica de los procesos sedimentarios

Cuando las rocas gneas y metamrficas estn expuestas al agua y a los agentes

atmosfricos en la superficie terrestre, los minerales que ellos contienen se desintegran o se

descomponen selectivamente y a velocidades variadas.

Las reacciones qumicas originadas por el agua y los gases atmosfricos que causan la

descomposicin de los minerales constituyen la denominada meteorizacin o intemperismo

qumico. Los productos de la meteorizacin qumica consisten:

1) Los compuestos formados durante la solucin de los minerales primarios,

2) Los iones y molculas que se disuelven en el agua y

3) Los minerales resistentes en las rocas que han sido liberados por la descomposicin

de sus vecinos ms susceptibles al intemperismo.

En resumen, los gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn) y ciertos otros gases (H2,

hidrocarburos, N2, etc) son liberados en la atmsfera.

Los compuestos recin formados (xidos, hidrxidos, minerales de arcillas, etc) pueden

acumularse en el lugar del intemperismo junto con los granos de minerales inalterables

(cuarzo, micas, feldespatos) y fragmentos de rocas descompuestos (guijarros, cantos,

bloques) formando un manto residual o regolito llamado tambin saprolito.

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Posteriormente la modificacin del saprolito ayuda a la formacin de suelos, el cual

sostiene a las races de las plantas y la fauna que se alimenta de estas plantas. Sin embargo,

ltimamente los saprolitos son removidos por la erosin a travs del transporte del material

por accin de la gravedad o por las acciones de las lluvias o el viento.

Por lo tanto, desde la perspectiva geolgica, la meteorizacin qumica es el inicio de la

migracin de las masas de sedimentos desde los continentes hacia la cuenca de

sedimentacin en los ocanos. La meteorizacin qumica es tambin el inicio de los ciclos

geoqumicos de los elementos, los cuales son liberados desde sus rocas originales en

solucin para un viaje a los ocanos donde ellos residen por perodos de tiempo, ya que

despus ellos reingresan a la corteza terrestre en forma de rocas sedimentarias.

En resumen, el intemperismo qumico no slo consiste en la descomposicin de las rocas,

sino tambin afecta la composicin qumica de las aguas y causa la dispersin de los iones

desde los depsitos metlicos y no metlicos. Tambin contribuye a la calidad del

ambiente en la superficie terrestre para el sustento de la vida, por ello, la geoqumica est

abocada a estudiar cmo los procesos geoqumicos naturales son perturbados por las

actividades antropognicas?, para predecir los efectos de estos cambios en la calidad del

ambiente y dar la alarma cuando los cambios resultantes en el ambiente global son

potencialmente nocivos para la vida.

1.-Meteorizacin:

Es la destruccin de las rocas que afloran en la superficie por accin de los agentes

metericos. Esta destruccin se sita en situ y consiste en la desintegracin y

descomposicin de los minerales y rocas no estables. Los agentes de la meteorizacin son

el agua en sus tres estados, las variaciones de temperatura, el oxgeno, el gas carbnico del

aire, la vitalidad de los organismos.

a. Meteorizacin fsica:

Produce la desintegracin en la roca, sin afectar su composicin qumica o

mineralgica. La mayora de las rocas son porosas, no bien consolidadas y ceden

con facilidad a la desintegracin.

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Termoclasta:

Los cambios de temperatura conllevan a una dilatacin y contraccin alternada, que

resulta de la mayor temperatura en el da y del enfriamiento por la noche. Esto

origina esfuerzos internos, debido a los diferentes coeficientes de dilatacin de los

constituyentes de las rocas, lo que produce grietas y el rompimiento de las rocas.

Este tipo de meteorizacin es importante en climas extremados con gran oscilacin

trmica entre el da y la noche (como el desierto).

Gelifraccin:

Es la rotura de las rocas aflorantes a causa de la presin que ejercen sobre ellas los

cristales de hielo en grietas o poros de las rocas. El agua, al congelarse, aumenta su

volumen en un 9%. Si se encuentra en el interior de las rocas, ejerce una gran

presin sobre las paredes internas que acaba, tras la repeticin, por fragmentarlas.

Imagen esquemtica del proceso llevado a

cabo en la gelifraccin

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Descompresin:

Expansin y el agrietamiento que se producen en rocas que se han formado a gran

profundidad, al encontrarse en la superficie donde la presin es mucho menor.

Este efecto producido en las rocas principalmente plutnicas, por los cambios de

temperatura, se piensa que, esto ocurre, apoyado al menos en parte a la gran

reduccin de la presin de confinamiento que se produce cuando la roca que las

cubran es erosionada, el cuerpo comienza a expandirse y separarse en lajas

(fracturas paralelas a la superficie) en un proceso denominado descompresin, que a

su vez forman fracturas conocidas como diaclasas o juntas de descompresin que

permiten la penetracin del agua hasta zonas profundas y as comienza el proceso

de meteorizacin mucho antes que afloren en superficie.

Haloclasta:

Rotura de las rocas por la accin de la sal. La sal se encuentra en los poros y fisuras

de las rocas y al recristalizar y aumentar de volumen aumenta la presin que ejercen

sobre las paredes internas con lo que se puede ocasionar la ruptura.

b. Meteorizacin qumica:

Es la descomposicin de los componentes de las rocas y de las estructuras internas

de los minerales, dando lugar a nuevos minerales. Debido a este proceso las rocas se

descomponen en sustancias que son estables en el ambiente intemprico, por

consiguiente los productos de la meteorizacin qumica se mantendrn en

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equilibrio (no se alterarn) mientras no se modifique el ambiente en que se

formaron.

Los procesos qumicos de la meteorizacin se intensifican al aumentar los

siguientes factores:

Temperatura

Humedad

Concentracin de iones de H

Grado de fracturamiento de las rocas

Grado de cohesin

Grado de finura del mineral que es atacado

tamao de las partculas,

Hidratacin:

Es el proceso por medio del cual un mineral anhidro absorbe el agua y se combina

qumicamente con las molculas minerales, para formar nuevos minerales

hidratados. Es uno de los procesos, junto con la hidrlisis, considerado como el

ms importante en la descomposicin de las rocas. La hidratacin implica la

incorporacin de molculas de agua en la estructura mineral. Este proceso se

expone mejor con la transformacin de la anhidrita en yeso, segn la siguiente

reaccin:

CaSO4 + 2H2O------------> CaSO4.2H2O

(Anhidrita) (Yeso)

Oxidacin:

Proceso mediante el cual un mineral adiciona a su constitucin molecular elementos

de oxgeno o del in oxidrilo (-OH).

( hematita) Fe2 O3+ H2O----------> 2HFeO2 (goethita)

La oxidacin es un proceso qumico que se produce cuando el oxgeno se combina

con el hierro para formar el xido frrico (Fe2O3). Las reacciones de oxidacin son

caractersticas de un ambiente con abundante oxgeno. Un ambiente acuoso es

esencial para acelerar el proceso oxidante.

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Desde luego, los minerales ms afectados por la oxidacin son aquellos que

contienen hierro o manganeso, de los cuales por descomposicin, en presencia del

oxgeno y agua, resultan los xidos e hidrxidos.

Ejemplo: Cuando el oxgeno se combina con el hierro, la hematita (Fe2O3) se forma:

4Fe+3

+ 3O2 -> 2Fe2O3

La pirita (FeS2) se descompone por oxidacin en ambientes hmedos y produce

H2SO4 (cido sulfrico y hematita);

2Fe S2 + 4H2O + 15/2 O2 -> Fe2O3 +4H2SO4

Hidrlisis:

Consiste en las reacciones de los iones de H+ y OH

- del agua con los iones de los

minerales -destruyendo sus composiciones atmicas- en este caso, los silicatos se

disuelven formando productos secundarios. La hidrlisis ser tanto ms fuerte

cuanto mayor sea la concentracin de iones de H, es decir, cuanto ms cida sea la

solucin.

La hidrlisis se produce cuando los feldespatos y hornblenda entran en contacto con

el agua. Ellos forman arcilla, un mineral nuevo.

4K (AlSi3O8)+4H2O+2CO2------------> Al4 (Si4 O10) (OH)8+2K2CO3+8SiO2

ortosa caolinita

Reduccin o reacciones orgnicas:

Es el proceso inverso a la oxidacin que sucede gracias a la presencia de materia

orgnica enterrada (C, orgnico) y a la actividad de los microorganismos, en

regiones exentas de oxgeno libre.

Fe2O3nH2O + C ---------------> Fe CO3 + H2

Carbonatacin.

Es el proceso de interaccin en un medio acuoso cargado de iones carbonatados y

bicarbonatados con minerales de las rocas, a consecuencia de que stos ltimos se

descomponen formando carbonatos.

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2Mg2 (Si O4) + 4H2O + 2 CO2----------> Mg6 (Si4O10) + 2Mg (CO3)

Olivino serpentina magnesita

2.- Productos finales de la meteorizacin

Los cuatro productos bsicos provenientes de la desintegracin y descomposicin de los

minerales silicatos y aluminosilicatos constituyentes de las rocas y de los productos

orgnicos son:

Productos detrticos (fragmentarios), que pueden ser erosionados y transportados a zonas

de deposicin sedimentaria final o temporal por la gravedad, agua, viento y glaciares. Son

los minerales no afectados por las reacciones: circn, cuarzo, magnetita, ilmenita, rutilo,

granate, esfena, monazita.

Productos solubles, que entran en el sistema hidrolgicos y se mantienen en forma soluble

como las sales de K, Na, Ca, Mg, Fe2+

, las cuales reaccionan qumicamente para formar

slidos.

Productos insolubles, que tambin entran al sistema hidrolgico como partculas en

suspensin, que se mantienen como coloidea y reaccionan qumicamente para formar masas

coloidales, como slice amorfa, Al2O3, Fe2O3, montmorillonita, illita, clorita, hematita,

dispora, pirolusita.

Productos orgnicos, que se forman por las reacciones orgnicas, constituidas por cidos

orgnicos, sustancias hmicas, quergenos.

3.-Susceptibilidad de los minerales a la meteorizacin

La tendencia de los minerales a transformarse, por la accin de agentes meteorizantes en

otras especies minerales que estn en equilibrio con el medio ambiente, es a veces

designada por potencial de meteorizacin. Cuanto mayor sea la temperatura de

formacin ms alterable resultar el mineral en superficie.

Si se ordenan los componentes comunes de las rocas por orden decreciente de su

alterabilidad se obtienen las siguientes series:

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Plagioclasa clcica- plagioclasa sdica feldespato potsico- muscovita- cuarzo

Olivino-piroxeno-anfbol-biotita

En estas series, cada mineral es ms resistente a la meteorizacin que los situados a su

izquierda. Hay que observar que stas son idnticas a las series de Bowen relativas a la

cristalizacin magmtica.

Puede decirse entonces, que las rocas bsicas son ms susceptibles a la meteorizacin que

las intermedias, y stas ms que las cidas.

4.-Procesos de transporte

Los materiales sedimentarios producidos por la meteorizacin son transportados a un

ambiente de sedimentacin en dos formas:

Detritos: Materiales que se hallan en forma de partculas residuales o slidos, son

transportados por traccin por los ros o como los hidrolticos o coloides que son

transportados por suspensin. Al producirse la deposicin en un ambiente de sedimentacin

por su peso especfico o decantacin respectivamente se forman los sedimentos mecnicos

(clastos).

Soluto: Son los materiales que se presentan en estado disuelto en forma de sales que son

transportados en solucin. Al producirse la deposicin por precipitacin qumica o

biolgica se forman los sedimentos qumicos y bioqumicos.

5.- Proceso de sedimentacin

Los productos de la meteorizacin pueden quedarse in situ o trasladarse a diferentes

distancias.

Las partculas detrticas y las sustancias solubles se sedimentan en un orden determinado

llamado diferenciacin sedimentaria y pueden ser:

Diferenciacin mecnica: Es la separacin mecnica de los materiales en funcin de su

tamao, forma y densidad, producida principalmente por corrientes de agua, viento y los

glaciares.

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Diferenciacin qumica: Es la precipitacin consecutiva de las sustancias que se hallan

disueltas o como coloides.

El orden de precipitacin depende de la solubilidad de las sustancias y las condiciones

fisicoqumicas de las soluciones: concentracin, temperatura, presin, acidez o alcalinidad

del medio, etc.

Deposicin

De la descomposicin de una roca (por ejemplo el granito) se forman tres tipos de

materiales: sales solubles, minerales hidratados insolubles (arcillas, hidrxidos de aluminio

y de hierro) producidos por hidrlisis, y residuos inatacados (cuarzo, fragmentos de roca,

etc).

La erosin y el transporte separan a estos materiales unos de otros, pues los primeros son

en general transportados a mayor distancia que los segundos, y estos, a su vez, a mayor

distancia que los terceros.

A partir de una roca gnea se obtienen, por consiguiente, tres tipos contrastados de

sedimentos, que difieren no slo por su estado de divisin mecnica, sino tambin en su

composicin qumica.

Mineraloga general (roca fresca): Cuarzo (SiO2)

Plagioclasa-Na (NaAlSi3O8)

Feldespato K (KAlSi3O8)

Micas: muscovita, biotita

Minerales formados por meteorizacin moderada a

extrema:

Cuarzo (SiO2)

Minerales de arcilla:

Illita (K(Al, Mg,Fe)2(Si, Al)4 O10((OH)2(H20))

Caolinita (Al2Si2O5(OH)4)

Halloysita (Al2Si2O5(OH)4)

Oxihidrxidos de Al y Fe: (Al (OH)3, AlO(OH),

Fe2O3;FeOOH, FeOOH.n H2O)

Slice amorfa: SiO2.n H2O

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Los sedimentos formados a partir del material residual son por ejemplo, las arenas de

cuarzo (hasta ms de 99% de SiO2), los sedimentos arcillosos contienen SiO2 y Al2O3

(casi 40% de Al2O3 en una arcilla caolintica), en tanto que los productos de la precipitacin

de sales pueden tener composiciones diversas: el carbonato de calcio es el ms abundante,

pero, adems, hay depsitos de sal comn, de yeso, anhidrita y otras sales.

Los carbonatos son menos solubles que los cloruros y sulfatos, y se precipitan en el fondo

de los mares y lagos con slo leves modificaciones de las condiciones fisicoqumicas

(principalmente aumento del PH), mientras que las otras sales estn lejos de la saturacin y

se depositarn nicamente mediante una drstica disminucin del solvente, como en la

evaporacin del cuerpo de agua en zonas ridas.

Este proceso de separacin de los materiales derivados de la descomposicin y

desintegracin de las rocas y su deposicin posterior en masa sedimentarias de diferente

composicin, se llama diferenciacin sedimentaria, por analoga con la diferenciacin

magmtica. Segn su comportamiento durante este proceso, Goldschmidt (1925) clasific

los materiales sedimentarios en:

a) Resistatos: Minerales resistentes a la meteorizacin: cuarzo, circn, rutilo,etc.

b) Hidrolizados: arcillas y minerales anlogos (gibbsita), boemita, bauxita.

c) Oxidatos: Minerales que forman y que son estables en ambientes oxidantes o

reductores. Ejemplos: hidrxidos de Fe y de Mn (goethita, limonita, pirolusita).

d) Carbonatos: CaCO3, CaMg CO3

e) Evaporados: NaCl, Ca SO4, Ca SO4. 2H2O, etc.

f) Reduzados: pirita, azufre, carbn, petrleo.

Durante la diferenciacin sedimentaria, estos tipos de materiales no siempre se separan

totalmente: en realidad la mayora de los sedimentos estn formados por una mezcla de dos

o ms tipos de materiales.

Por otra parte, slo una fraccin de los minerales de las rocas se descomponen durante la

meteorizacin en sus productos primarios: una buena parte de los feldespatos, micas,

anfboles,etc es transportada y depositada en su estado original, comportndose como si

pertenecieran al grupo de los resistados. Aun cuando la hidrlisis fuera completa, no todo el

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hierro pasa a formar parte de los oxidados, pues una cierta proporcin del Fe2+

queda

formando parte de las arcillas.

6.-Diagnesis

La diagnesis lleva implcitamente cambios qumicos y fsicos que, en general, conducen al

endurecimiento de sedimentos y su conversin en roca (litificacin).

El proceso se inicia enseguida de la deposicin y contina mientras las condiciones del

ambiente no se alteren en exceso.

El primer fenmeno diagentico es la compactacin por expulsin del agua original del

sedimento. La compactacin es importante en los sedimentos pelticos (arcillas y limos), no

as en las arenas y gravas.

A la compactacin sigue la cementacin, el ms comn de los productos cementantes es el

CaCO3 que se precipita de las aguas que circulan por los poros de las rocas clsticas

(arenas, gravas y limos). Otros cementos comunes son el hidrxido de Fe y la slice.

Otro fenmeno es la cristalizacin de las partculas de la matriz, como se denomina al

material detrtico fino que rellena los intersticios entre los granos de las areniscas. Las

partculas, que son en su mayor parte de arcilla, mica, cuarzo y feldespatos, crecen lo

suficiente para entrelazarse y dar cohesin a la trama.

Los propios granos de arena-cuarzo, feldespato, turmalina,etc-pueden tambin crecer dentro

del sedimento: el caso ms tpico es el del cuarzo, alrededor de cuyos granos crece una

zona que, al ligar los granos vecinos, convierte a las arenas cuarzosas en una roca muy

dura (cuarcita).

Otro fenmeno diagentico es el reemplazo qumico de un componente por otro. Un

ejemplo tpico es la dolomitizacin, o reemplazo de parte del CaCO3 de una caliza

sedimentaria por dolomita (CaMg (CO3)2), fenmeno propio de ambientes marinos de

aguas tibias.

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7.-Composicin qumica de las rocas sedimentarias

La diferenciacin sedimentaria, por el hecho de ocurrir en los ambientes fsicos y qumicos

ms diversos, es ms efectiva que las diferenciaciones magmticas y metamrficas en el

proceso de separar las sustancias qumicas unas de las otras y formar productos de diversa

composicin. La composicin qumica de los sedimentos comunes oscila entre extremos

muy diferenciados, como son las calizas (formadas algunas casi exclusivamente de

CaCO3), las cuarcitas y cherts (SiO2 a veces casi pura), las arcillas ( que en algunos casos

extremos pueden estar formadas casi exclusivamente por caoln H4Al2Si2O7), sales de

diferentes tipos, etc, La tabla nro. 1 muestra la composicin promedio de los tipos de rocas

sedimentarias ms comunes.

Tabla Nro.1: Composicin qumica promedio de las rocas sedimentarias

areniscas grauvacas lutitas tillitas calizas chert

arcillas

pelagicas

SiO2 74.30 66.7 54.8 58.9 8.2 89.9 54.9

TiO2 0.40 0.6 0.8 0.8 0.2 0.8

Al2O3 6.50 13.5 15.9 15.9 2.2 3.7 16.6

Fe2O3 1.80 1.6 3.6 3.3 1 2.3 7.7

FeO 0.90 3.5 2.9 3.7 0.7 ------- --------

MnO 0.05 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 2

MgO 1.50 2.1 2.9 3.3 7.7 0.5 3.4

CaO 4.90 2.5 4.7 3.2 40.5 0.3 0.7

Na2O 0.50 2.9 1.2 2.1 ------- 0.7 1.3

K2O 1.70 2 3.5 3.9 ------- 0.7 2.7

H2O 2.20 2.4 5 3 ------- 1.2 9.2

P2O5 0.10 0.2 0.15 0.2 0.1 0.9 0.7

CO2 4.40 1.2 3.7 0.6 35.5 ------- --------

S/SO3 0.50 0.3 0.3 0.1 3.1 -------- --------