Chemical and textural characterization of sediments Coahuila and Jalisco state: implications in their deposition environment
Dr. Felipe de Jesús López Saucedo, Dr. José Alberto Batista Rodríguez, J., Ing. Denisse Alejandra Monsiváis Durón, MC. Karla Rosalyne Lira Méndez, Dr. Yuri Almaguer-Carmenates. Escuela Superior de Ingeniería “Lic. Adolfo López Mateos”
Unidad Norte, Universidad Autónoma de Coahuila.
Correo electrónico: felipe.lopez@uadec.edu.mx
CienciAcierta no. 62 abril-junio 2020
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RESUMEN
Se presenta un análisis de las características texturales y composición química de sedimentos de ambiente continental y transicional, de los estados de Coahuila y Jalisco, respectivamente. A partir de dicho análisis se infieren las rocas que constituyen las principales fuentes de suministros de los sedimentos, así como el tiempo de transporte y el grado de selección de los mismos, durante la sedimentación. De acuerdo a los contenidos de Ca, las rocas carbonatadas constituyen las principales fuentes de los sedimentos continentales. Los altos contenidos de Si, indican que las rocas ígneas aportan los sedimentos del ambiente transicional. En este último ambiente, los sedimentos se encuentran pobremente seleccionados y generalmente redondeados, lo cual indica un largo proceso de transporte hasta la cuenca de sedimentación. En el ambiente continental, la selección de los sedimentos es pobre y moderada, los clastos son angulosos y redondeados, indicando tiempos de transportes relativamente cortos y largos.
Palabras clave: sedimentos, clastos, ambiente continental y transicional.
ABSTRACT
An analysis of textural characteristics and chemical composition of sediments continental and transitional environment of the Coahuila and Jalisco states, respectively, is presented. From this analysis, the rocks that constitute the main sources of sediment supplies are inferred, as well as the transport time and the degree of their selection during sedimentation. According to Ca contents, carbonated rocks constitute the main sources of continental sediments. The high Si contents indicate that igneous rocks provide the sediments of the transitional environment. In this latter environment, sediments are poorly selected and generally rounded, which indicates a long transport process to the sedimentation basin. In the continental environment, the sediment selection is poor and moderate, the clasts are angular and rounded, indicating relatively short and long transport times.
Keywords: sediments, clasts, continental and transitional environment.
INTRODUCCIÓN
Los ambientes sedimentarios se definen como las áreas de la superficie de la Tierra donde se depositan y acumulan grandes volúmenes de sedimentos. Estos presentan diferentes características de deposición, clasificándose como: continentales, marinos, y de transición. Cada ambiente incluye una diversidad de sub-ambientes específicos. Por ejemplo, los ambientes sedimentarios continentales pueden ser fluviales, aluviales, lacustres, glaciares y eólicos. Los ambientes sedimentarios de transición se pueden subdividir en: de playas, deltas, estuarios, marismas y albuferas (Tarbuck y Lutgens, 2005; Ye, 2016).
En diferentes regiones de México, se identifican sedimentos y rocas formadas en los tres ambientes mencionados (continental, marino y de transición), cuyas características son el resultado del ambiente de sedimentación, y por ende, de la historia geológica de la región. Específicamente en el noreste del estado de Coahuila, se identifican sedimentos continentales de tipo fluvial y aluvial (González-Sánchez col., 2007), mientras que en el estado de Jalisco, se identifican sedimentos depositados en un ambiente transicional, principalmente de playas (Paiz6anni-Herrera y col., 1999). Ambas regiones presentan diferentes ambientes de sedimentación, cuyas características se asocian a distintas historias geológicas (Omidvar y col., 2016; Puy-Alquiza y col., 2017; Ajdanlijsky y col., 2018; Jorissen y col., 2018; Yue y col., 2018).
En el contexto anterior, la presente investigación, tiene como objetivo caracterizar sedimentos de ambiente continental y transicional del estado de Coahuila y Jalisco, respectivamente, a través de análisis químicos y texturales, para inferir aspectos relacionados con los ambientes de sedimentación.
MATERIALES Y MÉTODOS
El presente trabajo describe el análisis de tres casos de estudio, en los cuales se ubican depósitos aluviales de la sierra de Obayos, municipio Escobedo, Coahuila; depósitos fluviales del río Álamos, en San Juan de Sabinas, Coahuila; y depósitos de playas de Puerto Vallarta, Jalisco (ver Figura 1).
En cada caso de estudio se procedió de la siguiente manera:
- En cada afloramiento se colectaron 2 kg de muestra por cada horizonte identificado de acuerdo con la metodología establecida en la NOM-021-SEMARNAT-2000. Posteriormente, las muestras fueron llevadas al laboratorio de Química de la Escuela Superior de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Coahuila (ESI-UAdeC) para su acondicionamiento y resguardo.
- El acondicionamiento de las muestras se desarrolló en el laboratorio de preparación mecánica de la ESI-UAdeC. Las actividades iniciaron secando el material en una estufa marca SHEL LAB, a 108 °C por un intervalo de 8 h, posteriormente, la muestra se homogeneizó y se cuarteó. Para concluir el tratamiento se realizó el tamizado del material. Los tamices que fueron seleccionados para la prueba se colocan en secuencia descendente a partir del tamiz de mayor abertura y por ende el de abertura menor en la parte inferior (malla no. 18, 35, 60, 80, 120, 325). Así mismo, se coloca una bandeja por debajo del último tamiz para colectar el material más fino que se deriva de la separación. El conjunto de tamices se ensambla y se colocan en el sistema RO-TAP. El sistema realiza la vibración en un plano horizontal y por efecto, los materiales se agitan en forma sistemática, lo cual permite desarrollar la clasificación sucesiva de los materiales de acuerdo a su tamaño.
- Para determinar la composición química de los sedimentos se utilizó un espectrómetro de fluorescencia de rayos-x DELTA® (FRX). Esta técnica, permite determinar la concentración de los elementos que están comprendidos entre el magnesio (z = 12) y el uranio (z = 92). En contraste, el sistema de FRX no detecta los elementos de los periodos 1 y 2, debido a la baja energía de sus rayos-x característicos. Sin embargo, el sistema de medición los identifica en un parámetro denominado “EL” (concentración de elementos ligeros, p. ej., C, O, N, etc.). Se seleccionó el material retenido en la malla 80, con partículas menores a 250 μm y mayores a 180 μm, el cual, se homogenizó y cuarteo para obtener una muestra de 90 g. La sub-muestra se depositó en una charola de plástico de 10×13 cm, y cuidadosamente se compactó el material. Posteriormente, se coloca en contacto la ventana de medición del sistema con la muestra, y al cabo de un tiempo de 60 s la concentración de los elementos identificados se registra, la cual es almacenada en la memoria del sistema.
La segunda parte de la metodología se enfoca en el análisis de los tamaños y formas de los clastos que conforman los sedimentos estudiados (arenas y gravas), para sugerir aspectos relacionados con el transporte y acumulación de estos sedimentos. Cuando las corrientes de agua, el viento o las olas transportan los clastos, estos disminuyen sus bordes y esquinas angulosas y cada vez se van redondeando a medida que colisionan con otras partículas. Por lo tanto, se interpreta que el grado de redondez de los clastos está relacionado con el nivel de transporte que han experimentado los mismos. De esta manera, se asume que los clastos redondeados han experimentado mayor transporte que los clastos angulosos o sub-anguloso (Tarbuck y Lutgens, 2005). La metodología para calcular el tamaño y la redondez de los clastos se describe a continuación:
- El cálculo del tamaño y redondez de los clastos se basa en una metodología propuesta por López-Saucedo y col. (2019), basada en análisis de imágenes, cuyos elementos que la conforman se muestran en la Figura 2. El tamaño de los clastos se analizó por medio del diámetro equivalente (de). Este parámetro indica el diámetro del objeto a través de la reproducción de un circulo de la misma área que el objeto (Grau y Heiskanen, 2002). La redondez de los clastos se determina a través del factor de forma (Ff), el cual integra las mediciones del área (A) y perímetro (P) del objeto a través de un cociente (Bailey y col., 2005). La interpretación de este cociente, Ff, indica que los clastos cercanos a 1 representan una redondez cercana a la de un circulo. En contraste, valores menores a 1 indican que la forma de los clastos es angulosa (p. ej., 0.6).
- Para calcular el área y el perímetro, se utiliza la instrucción count/size measure del analizador de imágenes. Esta instrucción permite trazar una línea sobre el contorno del objeto a través del movimiento dirigido por el mouse, como se observa en la Figura 2. Una vez definido el contorno del objeto, el analizador realiza un cálculo equivalente del área y el perímetro en unidades de pixeles. Con base a un patrón de referencia (p. ej., 1 cm = 40 pix) finalmente se reporta el área y perímetro en cm2, y cm, respectivamente.
Finalmente, se dispone de la estadística descriptiva para presentar y caracterizar el conjunto de datos que se derivan de las mediciones experimentales. El conjunto de datos adopta un carácter cuantitativo, pluridimensional y continuo. La información se presenta en términos de las medidas de posición central (p. ej., mediana) y medidas de dispersión absoluta (p. ej., valor máximo, mínimo, desviación estándar, etc.) (Montgomery y Runger, 2005).
Características geológicas
Sector Sierra de Obayos
En el área de este sector afloran rocas sedimentarias incluidas en las formaciones Olvido (JokY.Cz), La Casita (JKtLu-Ar), Menchaca (KbevCz-Lu), Barril Viejo (KvhLu-Cz), Padilla (KhCz-Do), La Mula (KhbLu-Cz), Cupido (KhapCz), La Peña (KapCa-Lu) y Aurora (KaCz-Do) (Figura 3; Martínez y col., 2000). Dentro de estas formaciones aparecen yeso, caliza, arenisca, lutita y dolomita, según destacan las siglas Y, Cz, Ar, Lu y Do, respectivamente. Gran parte del área está cubierta por aluviones y coluviones.
Sector Río Álamos
En este sector aflora la Formación Olmos (KmLu-Ar) representada por areniscas y lutitas (Figura 4), la mayor parte del sector está cubierta por aluviones y un conglomerado oligomíctico denominado Sabinas. Este se compone principalmente de clastos de calizas (Martínez y col., 2000).
Sector Puerto Vallarta
En este sector afloran rocas ígneas representadas por granitos y granodioritas y tobas riolíticas, también afloran conglomerados polimícticos y aluviones (Figura 5; Paizanni-Herrera y col., 1999).
Aporte de elementos químicos (Ca, Si, Al y Fe)
En cada sector, las litologías que afloran pueden aportar diferentes concentraciones de elementos químicos, tales como Ca, Si, Al y Fe. En el sector Sierra de Obayos, las formaciones geológicas que afloran están compuestas principalmente por yeso, caliza, arenisca, lutita y dolomía (Martínez y col., 2000). El yeso (CaSO4·2H2O), las calizas, que se componen principalmente de calcita (CaCO3) y las dolomías compuestas por dolomitas (CaMg(CO3)2) constituyen las fuentes principales de Ca. Las areniscas, compuestas principalmente por cuarzo (SiO2) y feldespatos, tales como ortoclasa (KAlSi3O8), albita (NaAlSi3O8) y anortita (CaAl2Si2O8), constituyen fuentes de Si y Al. Las lutitas se componen de arcillas, tales como illita ((K,H3O)(Al, Mg, Fe)2(Si, Al)4O10), caolinita (Al2 Si2O5(OH)4), clorita (Mg,Fe)3(Si,Al)4O10(OH)2·(Mg,Fe)3(OH)6) y montmorrillonita ((Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·nH2O[]), así como ciertas cantidades de cuarzo, feldespatos y micas, tales como moscovita que contiene K y Al, flogopita que contiene K y Mg, lepidolita que contiene Li y Al, margarita que contiene Ca y Al y biotita que contiene K, Mg y Fe (Nichols, 2009). Esta última roca, Lutita, puede constituir una fuente de Al, Si y Fe.[][
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El caso de estudio 1 es un depósito de sedimentos aluviales localizados en un área de la Sierra de Obayos (Figura 1). Este se describe como un depósito de sedimentos en forma de abanico (Tarbuck y Lutgens, 2005), como se observa en el modelo de la Figura 6 (a). En términos generales en este caso de estudio la composición química de los sedimentos indica que la concentración de Ca corresponde adecuadamente con calizas que contienen entre 50 y 90% de CaCO3, como se observa en la Tabla 1.
De acuerdo con la información de la Carta geólogo-minera de Nueva Rosita Coahuila a escala 1: 250,000 (Martínez y col., 2000) los valores y relaciones obtenidas de los elementos químicos se relacionan con el afloramiento mayoritario de rocas sedimentarias carbonatadas y clásticas. Estas rocas están representadas por calizas, lutitas y dolomías, pertenecientes a las formaciones Menchaca, Barril Viejo y Padilla.
En el primer caso de estudio predomina la presencia de gravas, sus tamaños se encuentran en un rango de variación relativamente grande, como se observa en la Tabla 2. Así mismo, se reconoce que la cantidad de datos que hay cercanos a la media de 4.13 cm no es significativa, dado el valor de la curtosis. Más bien, la mayoría de los datos son asimétricos hacia los tamaños gruesos, mayores a 4.13 cm y hasta 8.36 cm. Estos resultados indican que los materiales del caso 1 de estudio se clasifican como pobremente seleccionados.
Tabla 1. Composición química de los sedimentos del caso de estudio 1.
El grado de redondez de los clastos es de 0.80 en promedio, como se observa en la Figura 7(a). El análisis de los resultados sugiere que el 66% de los valores de redondez (Ff) se concentran en el intervalo de 0.52 a 0.85, con un valor máximo de 0.91, y mínimo de 0.52 como se observa en la Figura 7 (b). La interpretación de estos resultados indica que los clastos son angulosos, y que los materiales sufrieron transporte durante una distancia corta antes de su depósito, característico de un ambiente sedimentario aluvial (Tarbuck y Lutgens, 2005; Gao y col., 2018).
El caso de estudio 2 es un depósito de sedimentos fluviales del río Álamos, en San Juan de Sabinas, Coahuila (Figura 1). Este se describe como una porción plana y baja de un valle fluvial sujeta a inundación periódica, es decir una llanura de inundación (Tarbuck y Lutgens, 2005), como se observa en el modelo de la Figura 6 (b). En términos generales, para este ambiente fluvial, la concentración de Ca predomina respecto a la concentración de Si, Al y Fe. No obstante, frente a la variación del Ca se reconoce que su contenido es similar a las calizas con contenidos de CaCO3 entre 10 y 50%, como se muestra en la Tabla 3.
Básicamente, esto se debe a la presencia de rocas sedimentarias en la zona estudiada, que de acuerdo con la carta geólogo-minera de Nueva Rosita Coahuila a escala 1: 50,000, se reconoce la presencia de la Formación Eagle Ford constituida por lutitas y calizas. El afloramiento del depósito sedimentario se conforma de aluviones (Qhoal) que es material detrítico transportado y depositado por corrientes de agua. Así mismo, se observan los valores de Si, Al, Fe en concentraciones altas, las cuales pueden estar relacionadas con la composición de los clastos del Conglomerado Sabinas, ya que estos se encuentran cementados por sílice, carbonatos y óxidos de hierro (Martínez y col., 2000).
En el segundo caso de estudio también predomina la presencia de gravas (88.28%), sus tamaños se encuentran en un rango de variación relativamente grande, como se observa en la Tabla 4. Así mismo, se reconoce que la cantidad de datos que hay cercanos a la media de 2.95 cm es significativa, dado el valor de la curtosis. Así mismo, los datos son asimétricos hacia los tamaños gruesos, mayores a 2.95 cm y hasta 8.78 cm. Estos resultados sugieren que los materiales estudiados en este caso de estudio, pueden considerarse como moderadamente seleccionados.
Tabla 4. Tamaño de los clastos del caso de estudio 2.
El grado de redondez de los clastos es de 0.87 en promedio, como se observa en la Figura 7(a). El análisis de los resultados sugiere que el 72% de los valores de redondez (Ff) se concentra en el intervalo de 0.66 a 0.92, con un valor máximo de 0.97, y mínimo de 0.66 como se observa en la Figura 7 (c). Finalmente, los resultados sugieren que los materiales están vinculados con un grado alto de transporte, los cuales han desarrollado un recorrido largo entre la fuente de suministro de los sedimentos de la cuenca, hasta la zona de llanura de inundación.
El tercer caso de estudio es un depósito de sedimentos de playa (Figura 1), ubicados en un área de línea de costa, en la cual ha ocurrido la acumulación de sedimento, en una zona de desembocadura de un río. Este tipo de depósito pertenece a un ambiente transicional (Tarbuck y Lutgens, 2005). En la Figura 6 (c) se ilustra el modelo correspondiente a dicho ambiente. En términos generales, para este ambiente, la composición química de los sedimentos (p. ej., arena) se caracteriza por alto contenido de silicio (Si). Este resultado predomina por la presencia de rocas ígneas intrusivas y volcánico-sedimentarias, que se reconocen en la carta geólogo-minera de Puerto Vallarta a escala 1:250,000 (Paizanni-Herrera y col., 1999). En esta zona aflora el Batolito Puerto Vallarta en forma de complejos ígneos, troncos, apófisis y diques (Figura 5). También afloran rocas volcánicas intermedias que se correlacionan con el vulcanismo del Complejo Volcánico Inferior de la Sierra Madre Occidental. Los elementos Al, Fe, y Ca, alcanzan valores altos en la muestra, como se indica en la Tabla 5. Dichos elementos son muy abundantes en el magma que dan origen a las rocas ígneas. Sin embargo, un aspecto importante de la composición química de las rocas ígneas es su contenido en sílice (SiO2), aludiendo que el Si y el O son los dos elementos más abundantes en las rocas ígneas (Tarbuck y Lutgens, 2005). A este respecto, la Tabla 5 integra el cálculo de SiO2, el cual se obtiene a partir de la conversión del contenido de silicio a su equivalente en óxido a través del factor gravimétrico.
De acuerdo con Prost y Prost (2017) el contenido en SiO2 oscila por debajo del 45% en las rocas ultramáficas, y un porcentaje por encima del 70% se relaciona con rocas félsicas, como se observa en la Figura 8. El porcentaje de SiO2 de las rocas ígneas varía en realidad de una manera sistemática, en función de otros elementos. Por ejemplo, en el caso de estudio 1 y 2 comparativamente presentan bajo contenido en sílice, 23.27% (± 1.82%) y 23.97% (± 0.66%), respectivamente; mientras que el contenido de calcio es sustancialmente grande (Tarbuck y Lutgens, 2005).
Por el contrario, en el caso de estudio 3, las rocas presentan alto contenido en sílice, como se observa en la Tabla 5, en contraste con la baja concentración de Ca que se presenta en cantidades pequeñas (1.12%) y enriquecidas en aluminio (9.08%) con respecto al caso de estudio 1 y 2. Por consiguiente, la composición química de una roca ígnea puede deducirse directamente de su contenido en sílice (Tarbuck y Lutgens, 2005).
Tabla 5. Composición química y mineralógica de los sedimentos del caso de estudio 3
En el tercer caso de estudio predomina la presencia de arenas (70%) y gravas (30%), los tamaños de las gravas se encuentran en un rango de variación relativamente grande, como se observa en la Tabla 6. Así mismo, se reconoce que la cantidad de datos que hay cercanos a la media de 3.84 cm es significativa, dado el valor de la curtosis. Así mismo, los datos son asimétricos hacia los tamaños gruesos, mayores a 3.84 cm y hasta 5.56 cm. Estos resultados indican que los materiales estudiados en el caso 3 de estudio, se consideran muy pobremente seleccionados.
Tabla 6. Tamaño de los clastos del caso de estudio 3.
El grado de redondez de los clastos es de 0.95 en promedio, como se observa en la Figura 7(a). El análisis de los resultados sugiere que el 82% de los valores de redondez (Ff) se concentran en el intervalo de 0.89 a 0.97, con un valor máximo de 0.98, y mínimo de 0.89 como se observa en la Figura 7 (d). La interpretación de los resultados indica que la duración del transporte que han experimentado los materiales a través de las corrientes de agua y aire turbulentas es notablemente grande. Así mismo, se logra interpretar, que la meteorización y el transporte de los materiales es sustancial y prolongado. Esta acción deriva la destrucción gradual de los minerales más débiles (p. ej., el calcita-CaCO3) y el reconocimiento de los materiales más resistentes que recorren en un ambiente turbulento, como el cuarzo (SiO2). Por esta razón, la concentración de Ca en estos materiales es baja (indicando la meteorización de minerales como CaCO3), y la concentración de Si es alta, indicando la presencia importante de SiO2 en los materiales, como se observa en la Figura 6(c).
CONCLUSIONES
El análisis de la composición química de los sedimentos revela que, en los dos casos de estudios en ambiente continental, prevalecen los contenidos de Ca con respecto a los de Fe, Si y Al, lo cual se relaciona con las rocas carbonatadas, que constituyen las principales fuentes de suministro de estos sedimentos. En el ambiente transicional predominan los sedimentos con altos contenidos de Si, relacionados con las rocas ígneas que constituyen sus principales fuentes de aporte. De acuerdo al análisis textural, relacionado con el tamaño de los clastos, en el ambiente continental hubo una pobre y moderada selección de los materiales durante la sedimentación. En el caso del ambiente transicional, los materiales se encuentran pobremente seleccionados. En el ambiente continental, el grado de redondez de los clastos, también presenta un comportamiento más complejo, es decir, pueden ser angulosos y redondeados, destacando distancias cortas y largas de las fuentes de suministros. Los clastos del ambiente transicional se clasifican como redondeados e indican grandes distancias de las fuentes de suministros.
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