Formación Marcellus

La Formación Marcellus o Lutita Marcellus es una unidad de roca sedimentaria del Devónico Medio que se encuentra en el este de Norteamérica. Recibe su nombre de un afloramiento distintivo cerca del pueblo de Marcellus, Nueva York , ^{[ 3 ]} y se extiende por gran parte de la Cuenca de los Apalaches . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

El Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) utiliza los nombres de unidades como Marcellus Shale y Marcellus Formation . ^{[ 7 ]} El término "Marcellus Shale" es el nombre preferido en la mayor parte de la región de los Apalaches, aunque el término "Marcellus Formation" también es aceptable en el estado de Pensilvania. ^{[ 7 ]} La unidad fue descrita y nombrada por primera vez como "Marcellus shales" por J. Hall en 1839. ^{[ 8 ]}

El Marcellus se compone predominantemente de lutita negra y algunos estratos de caliza , así como concentraciones de pirita de hierro ( FeS₂ ) y siderita (FeCO₃ ) . ^{[ 9 ]} _{Al igual que la mayoría de las} lutitas, tiende a fracturarse fácilmente a lo largo del plano de estratificación, una propiedad conocida como _fisibilidad . [ ^{9 ] Las} lutitas de color más claro en la parte superior de la formación tienden a fracturarse en pequeños fragmentos de bordes delgados después de la exposición. _[ ^{10 ] Estos} fragmentos pueden presentar manchas de óxido debido a la exposición de la pirita al aire y pequeños cristales de yeso ( CaSO₄ · 2H₂O ) provenientes de la reacción entre la pirita y las partículas de caliza. [ ^{10 ] Las} _{exposiciones recientes} de la lutita piriteífera pueden desarrollar la mineralización secundaria de limonita naranja (Fe₂O ( OH ) ·nH₂O ₎ y la eflorescencia o floración de azufre de color amarillo pálido , asociada con el drenaje ácido de rocas . ^{[ 11 ]}    

La pirita es especialmente abundante cerca de la base, ^{[ 12 ]} y los contactos superiores de las calizas, pero los microcristales framboidales y los cristales euhedrales de pirita se encuentran en todos los depósitos ricos en materia orgánica. ^{[ 13 ]} El Marcellus también contiene uranio , ^{[ 14 ] [ 15 ]} y la desintegración radiactiva del uranio-238  ( ²³⁸ U ) lo convierte en una roca fuente de gas radón radiactivo  ( ²²² Rn). ^{[ 16 ]}

El contenido orgánico total medido de Marcellus varía desde menos del 1% en el este de Nueva York hasta más del 11% en la parte central del estado, ^{[ 17 ] [ 18 ]} y la lutita puede contener suficiente carbono para sustentar la combustión . ^{[ 19 ]} Las lutitas negras más ricas en materia orgánica pueden ser bituminosas , pero son demasiado antiguas para contener carbón bituminoso formado a partir de plantas terrestres. ^{[ 20 ]} En geología del petróleo , estas lutitas negras son una roca madre importante que llenó los yacimientos de petróleo convencionales en las formaciones suprayacentes, son un yacimiento de gas de lutita no convencional y son un sello impermeable que atrapa los yacimientos de gas natural convencionales subyacentes . ^{[ 21 ]} Hacia el oeste, la formación puede producir petróleo líquido ; más al norte, el calentamiento durante un enterramiento más profundo hace más de 240 millones de años craqueó este petróleo en gas. ^{[ 17 ] [ 22 ]}

La formación Marcellus se encuentra en toda la región de la meseta de Allegheny, en la cuenca norte de los Apalaches de América del Norte. En Estados Unidos, la lutita Marcellus se extiende por las regiones de Southern Tier y Finger Lakes de Nueva York , en el norte y oeste de Pensilvania , el este de Ohio , el oeste de Maryland y la mayor parte de Virginia Occidental , extendiéndose a través de la frontera estatal hasta el extremo oeste de Virginia . ^{[ 23 ]} El lecho rocoso de Marcellus en el este de Pensilvania ^{[ 24 ]} se extiende a través del río Delaware hasta el extremo oeste de Nueva Jersey . ^{[ 1 ]} También existe en el subsuelo de una pequeña porción de Kentucky y Tennessee . ^{[ 25 ]} Debajo del lago Erie , se puede encontrar cruzando la frontera hacia Canadá , donde se extiende entre Port Stanley y Long Point hasta St. Thomas en el sur de Ontario . ^{[ 26 ] [ 27 ]}

Afloramientos rocosos en Nueva York

El Marcellus aparece en afloramientos a lo largo del margen norte de la formación en el centro de Nueva York. Allí, los dos planos de diaclasa del Marcellus son casi perpendiculares, cada uno creando grietas en la formación que corren perpendiculares al plano de estratificación, que se encuentra casi horizontal. ^{[ 10 ]} Estas diaclasas forman acantilados lisos casi verticales , y los planos de diaclasa que se cruzan forman esquinas salientes en las caras de la roca. ^{[ 10 ]} Una vez expuestas, las caras erosionadas pierden la mayor parte de su carbono orgánico, ^{[ 28 ]} pasando de negro o gris oscuro a un tono de gris más claro.

Los afloramientos de Marcellus pueden contener capas muy pequeñas que se asemejan al carbón . ^{[ 29 ]} Los afloramientos de Nueva York, y otros más al sur en Pensilvania y Nueva Jersey, fueron excavados extensamente a principios del siglo XIX, a veces a un costo muy elevado, con la falsa esperanza de encontrar vetas de carbón explotables . ^{[ 29 ]} En el condado de Perry, Pensilvania, a lo largo del río Juniata, las capas de carbón falso alcanzan hasta 0,3 m (1 pie) de espesor, pero no produjeron un combustible valioso, a pesar del considerable esfuerzo invertido en extraerlo de las colinas circundantes. ^{[ 30 ]} Las algas marinas y las plantas marinas probablemente formaron el carbón falso. El carbón verdadero se forma a partir de plantas terrestres, que solo comenzaron a aparecer en Marcellus y fósiles posteriores. ^{[ 31 ] [ 32 ]}  

La proximidad a la superficie del lecho rocoso de Marcellus al sur de los afloramientos de Nueva York hace que una franja este-oeste que atraviesa la ciudad de Syracuse ^{[ 14 ]} sea un área de alto riesgo para el radón como contaminante del aire interior . ^{[ 33 ]} Desde los afloramientos superficiales a lo largo de los márgenes norte y este, la formación desciende a profundidades de más de 2700 m (8900 pies) bajo la superficie en el sur de Pensilvania. ^{[ 25 ]}  

Se observan estratos invertidos en secciones de los Apalaches plegados de cresta y valle , ^{[ 23 ]} incluyendo afloramientos en los flancos y el eje del Sinclinorio de Broad Top en el centro-sur de Pensilvania. ^{[ 12 ]} Los estratos expuestos son casi horizontales en la Meseta de Allegheny, ^{[ 34 ]} pero se invierten para formar estratos ligeramente invertidos que se encuentran a lo largo del Frente de Allegheny . ^{[ 35 ]} Desde Wind Gap, Pensilvania , hacia el sur, la inclinación de los estratos se acentúa, volviéndose vertical en Bowmanstown en el río Lehigh . ^{[ 30 ]} Cerca, en el área de Lehigh Gap de Pensilvania, el Marcellus está extensamente fallado , ^{[ 36 ]} y los estratos están muy invertidos, con un ángulo de inclinación inversa de hasta 40° hacia el sur. ^{[ 30 ]}

La lutita de Marcellus y las lutitas de grano fino cerca de la parte media de la Formación Mahantango son clasificadas por los geólogos como formadoras de taludes . ^{[ 37 ]} Los estratos de lutita de Marcellus y Mahantango que se inclinan entre 60° y 75° hacia el oeste forman las laderas orientadas al oeste de Tonoloway Ridge en el flanco occidental del anticlinal de Cacapon Mountain en el Panhandle oriental de Virginia Occidental . ^{[ 38 ]} En el flanco oriental de este anticlinal, los estratos de estas lutitas que se inclinan hacia el este con un ángulo menos pronunciado también forman las empinadas laderas en el lado oriental de Warm Springs Ridge . ^{[ 38 ]}

La formación Marcellus se erosiona fácilmente y también se encuentra bajo áreas bajas entre algunas crestas de los Apalaches, formando valles lineales de relieve moderado. Estas superficies de roca madre suelen estar cubiertas de coluvión proveniente de la erosión de estratos estratigráficamente más altos y resistentes a la erosión que forman el terreno circundante más elevado. ^{[ 12 ]} Los suelos formados a partir de la formación Marcellus y las lutitas Hamilton suprayacentes son profundos, libres de piedras y muy aptos para la agricultura . ^{[ 10 ]} El muestreo de suelo formado sobre la roca madre Marcellus mostró que la mineralogía dominante consistía en cuarzo , illita , montmorillonita , moscovita y biotita , con fases de todorokita y trona que aparecían a profundidades más cercanas a la roca madre. ^{[ 39 ]}

Los estratos volcados de la lutita blanda también capturan arroyos y ríos con segmentos relativamente rectos en valles de rumbo como el arroyo Aquashicola y el arroyo McMichael al pie de los Poconos , ^{[ 30 ]} y la larga y recta sección del río Lost en Virginia Occidental. ^{[ 40 ]} Debajo de Port Jervis, Nueva York , la cresta de Walpack desvía el río Delaware hacia el valle de Minisink, donde sigue el rumbo suroeste de los estratos erosionados de Marcellus a lo largo de la línea estatal de Pensilvania-Nueva Jersey durante 40 km (25 mi) hasta el final de la cresta en Walpack Bend en el Área Recreativa Nacional Delaware Water Gap . ^{[ 1 ] [ 41 ]} El Minisink es un valle enterrado donde el Delaware fluye en un lecho de till glacial que enterró el lecho rocoso erosionado de Marcellus durante el último período glacial . Este valle enterrado continúa a lo largo del rumbo del Marcellus hacia el suroeste desde la curva a través de Stroudsburg, Pensilvania , y hacia el noreste desde Port Jervis hacia el río Hudson , ^{[ 41 ]} a lo largo de la ruta del canal Delaware y Hudson . ^{[ 30 ]}  

Estratigráficamente , el Marcellus es la unidad más baja del Grupo Hamilton de edad Devónica y se divide en varias subunidades. En el primer Servicio Geológico de Pensilvania , iniciado en 1836, Henry Darwin Rogers clasificó el Marcellus como la "Pizarra Negra Inferior Cadent", a la que numeró como "N.º VIII b". ^{[ 43 ]} En el primer Servicio Geológico del Estado de Nueva York , también iniciado ese año, James Hall estableció el término "Esquisto Marcellus" en su informe de 1839 titulado " Esquistos Marcellus en el Condado de Seneca " . ^{[ 44 ]} El profesor Hall también argumentó en 1839 en contra de formular nombres geológicos basados ​​en características observadas que pueden variar de un lugar a otro o necesitar revisión en el futuro, y a favor de una nomenclatura basada en la ubicación donde "la roca o grupo recibirá su nombre del lugar donde esté mejor desarrollado". ^{[ 45 ]} Sus argumentos resultaron persuasivos, y el nombre basado en la ubicación para este, y muchos de los otros nombres de grupos que publicó basados ​​en exposiciones en Nueva York, fueron adoptados en el segundo estudio de Pensilvania y ahora son ampliamente aceptados.

Unidades subyacentes

La lutita de Marcellus se encuentra típicamente depositada sobre la caliza de la Formación Onondaga  (Don), que se extiende hasta el final del período Devónico Inferior . El contacto entre ellas puede ser abrupto, gradual o erosivo. En el suroeste de Ontario, Canadá, al norte del lago Erie , la Marcellus se superpone a la Formación Dundee, un equivalente lateral de la Onondaga. ^{[ 52 ] [ 53 ]} En Pensilvania, la Marcellus forma un contacto concordante abrupto con el miembro de caliza Selinsgrove de la Onondaga. ^{[ 54 ]} También se encuentra una delgada capa de pirita-carbonato en la base de la lutita negra de Marcellus en los afloramientos del centro-sur de Pensilvania, sobre una delgada capa de lutita verde calcárea, que yace sobre la caliza Onondaga. ^{[ 19 ]}

En el este de Nueva York, el contacto entre Marcellus y Onondaga (donde está presente) es gradual. ^{[ 55 ] [ 56 ]} En el oeste de Nueva York, el miembro Union Springs de Marcellus se superpone concordantemente al miembro Seneca de la Caliza Onondaga, ^{[ 13 ]} o el miembro estratigráficamente más alto de la Caliza Cherry Valley puede descansar directa y discordantemente sobre Onondaga en ausencia de la lutita Union Springs. ^{[ 57 ] [ 52 ]} La desaparición local de unidades de Onondaga sugiere que su contacto superior con Marcellus puede ser erosivo. ^{[ 57 ]} En el condado de Erie , en el oeste de Nueva York, tanto el contacto superior como el inferior de Marcellus se han erosionado. ^{[ 58 ]}

En el este de Virginia Occidental, el Marcellus se superpone al Grupo Onesquethaw, que consiste en la lutita Needmore, de color gris oscuro o verde, calcítica y mayormente no fisionable, que pasa gradualmente hacia el oeste al sílex de Huntersville. ^{[ 49 ]} Al sur y al oeste, el Grupo Hamilton pasa gradualmente de forma lateral a la formación de lutita Millboro en el sur de Virginia Occidental y Virginia, ^{[ 59 ]} que pasa gradualmente a la parte inferior de la lutita Chattanooga de Tennessee . ^{[ 60 ]}

La formación Milboro es transicional con la lutita subyacente de la Formación Needmore. ^{[ 60 ]} Al sur de la línea Mason-Dixon , debido a la dificultad de diferenciar las lutitas de Milboro y Needmore con los afloramientos limitados disponibles, ^{[ 61 ]} y la incertidumbre inicial en la correlación con el estudio de Nueva York, se cartografiaron como la Formación Romney, una unidad que contiene todos los estratos del Devónico Medio, ^{[ 38 ]} nombrada por un afloramiento en Romney, Virginia Occidental . ^{[ 3 ]} Las correlaciones se establecieron en 1916 al rastrear los afloramientos de Nueva York a través de Pensilvania y Maryland hasta Virginia Occidental, por lo que bajo el principio de prioridad científica , ^{[ 38 ]} la clasificación de Romney ahora está obsoleta; pero sus miembros Marcellus y la lutita subyacente de Needmore todavía se encuentran agrupados en una unidad cartográfica indiferenciada  (Dmn). ^{[ 62 ]}

Lechos de fresno Tioga

La metabentonita de Tioga o K- bentonita —unidad estratigráfica de aproximadamente 0,6 m (2 pies) de espesor que consiste en varias caídas de ceniza volcánica discretas y relativamente delgadas— también se incluye en la base de Marcellus en el este de Pensilvania. ^{[ 46 ]} En 1843 fue descrita sin ser nombrada por Hall, ^{[ 64 ]} y pasaron más de 100 años antes de que finalmente fuera nombrada por el campo de gas natural en el condado de Tioga, Pensilvania , ^{[ 65 ]} donde fue encontrada al perforar pozos de gas . Es un marcador estratigráfico regional, ^{[ 59 ]} utilizado por los geólogos para identificar Marcellus, ^{[ 66 ]} y correlacionar estratos lateralmente equivalentes. ^{[ 52 ] [ 67 ]} La dificultad para identificar correctamente las más de 80 caídas de ceniza diferentes durante el período Devónico, recolectadas en 15 o más capas, ^{[ 68 ]} también ha llevado a muchas correlaciones erróneas. ^{[ 69 ]}  

^{Desde Virginia hasta Nueva York ,} el Tioga se distribuye ampliamente, recorriendo las partes central y norte de la cuenca de los Apalaches, ^{[ 70 ]} una extensión areal que supera los 265.000 km² (102.000 millas cuadradas ) . ^{[ 71 ]} Las erupciones explosivas asociadas con la orogenia acadiana ^{[ 72 ]} originadas cerca del centro de Virginia actual liberaron la ceniza a la atmósfera. ^{[ 65 ]} Fue dispersada a través de las cuencas de los Apalaches , Michigan e Illinois por los vientos alisios del sur , porque esta área estaba en el hemisferio sur durante el período Devónico. ^{[ 71 ]} El origen volcánico de la ceniza se evidencia por su mineralogía distintiva : la ceniza fue depositada directamente sobre el agua, por lo que sus granos de cuarzo angulares difieren de los sedimentos clásticos redondeados por el proceso de erosión que los lleva al mar. ^{[ 69 ]} A medida que la ceniza volcánica se depositaba en el fondo, se mezclaba con estos componentes terrígenos, produciendo una litología distintiva en la roca sedimentaria. ^{[ 69 ]}   

El Tioga puede aparecer en la formación como un lecho o separación gris, marrón, negro u oliva, ^{[ 69 ]} que consiste en toba cristalina gruesa o lutita tobácea, ^{[ 65 ]} finamente laminada, con escamas de mica del tamaño de arena. ^{[ 73 ]} La zona de lecho de ceniza Tioga consta de ocho lechos de ceniza etiquetados según su orden estratigráfico de A (más antiguo) a H (más joven), ^{[ 70 ] [ 74 ]} y otro lecho conocido como la zona gruesa media de Tioga. ^{[ 68 ] [ 71 ]} Sus lechos basales se encuentran dentro de los lechos más superiores de la Caliza Onondaga o Lutita Needmore, y el lecho de ceniza más superior dentro de la parte más inferior de la Lutita Marcellus o Millboro. ^{[ 59 ]} En el oeste del estado de Nueva York, el lecho de ceniza Tioga B marca el límite entre los miembros Moorehouse y Seneca de la Formación Onondaga, ^{[ 75 ]} pero en la parte central del estado y la parte sur de la cuenca, los lechos de ceniza se encuentran en realidad en el Marcellus. ^{[ 56 ] [ 70 ] [ 76 ]} Esto indica que la deposición del Marcellus allí comenzó antes, ^{[ 56 ]} ya que los lechos de ceniza representan una sola época en el tiempo geológico.

Miembros designados

Un miembro local de caliza Purcell, de 15 a 30 m (49 a 98 pies) de lutita calcítica y caliza intercaladas, ^{[ 67 ]} divide el Marcellus en el este de Pensilvania. ^{[ 46 ]} El Purcell es estratigráficamente equivalente al miembro de caliza Cherry Valley en Nueva York, ^{[ 79 ]} un packstone bioclástico , ^{[ 13 ]} que consiste en calizas esqueléticas, con intervalos de lutita ^{[ 18 ]} entre su capa inferior de caliza masiva, caliza nodular gruesa/ marga y capa superior de caliza. ^{[ 80 ]} Otros miembros nombrados incluyen la lutita Bakoven, la lutita Cardiff, la lutita Chittenango, la arenisca Solsville, la lutita y caliza Union Springs, ^{[ 81 ]} y la lutita y caliza Stony Hollow. ^{[ 82 ]} Las formaciones Union Springs, Cherry Valley y Oatka Creek se fusionan bajo el lago Erie, formando las formaciones Bell Shale, Rockport Quarry Limestone y Arkona Shale de Ontario. ^{[ 52 ]}  

La formación Union Springs es una lutita rica en materia orgánica, piritífera, de estratificación delgada, de color gris negruzco a negro, con capas concrecionarias de lodolita, ^{[ 80 ]} y finas bandas de limo en la base. Hacia el este, se convierte en el Miembro Bakoven, una lutita más oscura y menos orgánica con menos capas de caliza. ^{[ 18 ]} Hacia el oeste, los estratos de Union Springs se adelgazan, y sus calizas superiores se fusionan con el Miembro Cherry Valley calcáreo suprayacente. ^{[ 18 ]} Una discordancia regional aparece en el oeste de Nueva York, a medida que las lentes de Union Springs entran y salen, ^{[ 18 ]} y luego reaparece en el noroeste de Pensilvania y el noreste de Ohio entre Onondaga y Cherry Valley. ^{[ 52 ]}

En el oeste y centro de Nueva York, el miembro superior es la lutita de Oatka Creek, rica en materia orgánica, de color gris oscuro a negro. A diferencia de las otras lutitas devónicas de esta región, la lutita gris en la parte superior de Oatka Creek se engrosa gradualmente hacia el oeste, así como hacia el este, ^{[ 83 ]} donde se divide en el miembro Cardiff que se encuentra sobre el miembro Chittenango en el centro de Nueva York. ^{[ 18 ]} Lutitas negras hollín, fisibles y ricas en materia orgánica componen el miembro Chittenango. ^{[ 80 ]} En la base del Chittenango, ^{[ 84 ]} sobre la lutita del miembro Bierne, ^{[ 85 ]} se encuentra el lecho de Halihan Hill, una caliza bioclástica altamente bioturbada . ^{[ 13 ]}

Más al este, la formación homogénea de Cardiff se divide en los miembros de lutita Bridgewater, Solsville y Pecksport, de base a cima. La formación Bridgewater es una lutita limosa oscura fisible con fósiles relativamente escasos. Una delgada zona concrecional se encuentra por encima, luego la formación Solsville pasa gradualmente de una lutita calcárea gris a limolitas arenosas y areniscas finas en la parte superior, con la lutita gris de la formación Pecksport y limolita suprayacentes. ^{[ 86 ]}

En el centro-sur de Pensilvania, la formación Marcellus se cartografía con tres miembros, de arriba a abajo: el Miembro Mahanoy  (Dmm), una lutita limosa y limolita de color gris oscuro a negro grisáceo; el Miembro Turkey Ridge  (Dmt), una arenisca de grano fino a medio de color oliva a gris oscuro; y el Miembro Shamokin  (Dms), una lutita carbonácea fisible de color gris oscuro a negro grisáceo que es calcárea en lugares cerca de la base. ^{[ 87 ]} La formación Turkey Ridge se cartografía comúnmente en la Formación Mahantango, ^{[ 88 ]} o incluida en la Formación Montebello  (Dmot), ^{[ 89 ]} y solo la formación Shamokin se correlaciona con la formación Marcellus en hojas de mapas adyacentes. ^{[ 90 ]} En el extremo este de Pensilvania, el Miembro Broadhead Creek, una lutita limosa de color gris oscuro con concreciones de caliza lutítica de color gris oscuro, aparece sobre Stony Hollow y Union Springs, en una capa de hasta 275 m (902 pies) de espesor. ^{[ 91 ]}  

En el Marcellus se encuentran inclusiones relativamente escasas de fauna marina fosilizada, ^{[ 46 ]} pero estos fósiles siguen siendo importantes para la paleontología. Por ejemplo, el Marcellus contiene la colección diversa más antigua conocida de moluscos de concha delgada que aún conservan una microestructura de concha bien preservada. ^{[ 93 ]} También es donde Goniatites , un nadador con concha extinto similar a un calamar, hace su primera aparición en el registro fósil. ^{[ 94 ]} La vida terrestre también entra en el registro fósil en el Marcellus, con los troncos de árboles de coníferas sin ramas que flotaron hacia el mar y se conservaron en la lutita negra. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

Los fósiles de Marcellus incluyen especímenes del gran braquiópodo con forma de almeja Spinocyrtia . ^{[ 95 ]} Moldes externos de crinoideos , animales con forma de planta relacionados con las estrellas de mar también conocidos como "lirios de mar", ^{[ 96 ]} se encuentran en la formación, ^{[ 97 ]} con los moldes parcialmente llenos de limonita ; también se han encontrado moldes de braquiópodos y bivalvos (almejas) en la lutita. ^{[ 98 ]} Pequeños tentaculítidos cónicos se encuentran comúnmente en el Miembro Chittenango. ^{[ 80 ]} El lecho de Halihan Hill contiene estiliolínidos y macrofauna que incluye braquiópodos, briozoos con forma de coral , pequeños bivalvos y gasterópodos (caracoles), ^{[ 13 ]} incorporados después del recambio faunístico cuando la fauna de Schoharie/Onondaga del Emsiense y Eifeliense fue reemplazada por la fauna de Hamilton del Givetiense . ^{[ 84 ]}

El miembro Solsville contiene bivalvos, gasterópodos y braquiópodos bien conservados. ^{[ 86 ]} Estos moluscos vivían en la zona bentónica en el fondo de ambientes marinos marginales a abiertos que existían al oeste del antiguo delta de Catskill . ^{[ 99 ]} El registro fósil en este miembro muestra que la base estaba dominada por detritívoros , mientras que las capas superiores estaban dominadas por filtradores . ^{[ 99 ]} Esto puede correlacionarse con la litología: los sedimentos más finos de las lutitas en la base de este miembro contendrían abundante materia orgánica adherida para los detritívoros, pero tenderían a ensuciar las branquias de los filtradores cuando estuvieran suspendidos; los sedimentos más gruesos de las areniscas en la parte superior habrían contenido menos materia orgánica para sustentar a los detritívoros. ^{[ 99 ]} Debajo del Solsville, en la base del Otsego en el este de Nueva York, se encuentra un lecho de coral ; otro lecho de coral se puede ver en la parte superior del Marcellus cerca de Berne, Nueva York . ^{[ 100 ]}

Una fauna diversa de conodontos con forma de anguila se encuentra en la caliza del Miembro Cherry Valley, ^{[ 101 ]} que también es conocida por su rica fauna de cefalópodos nautiloideos y goniatíticos . ^{[ 80 ]} Originalmente llamada Caliza Goniatítica , ^{[ 102 ]} produce sus restos fosilizados con conchas que pueden ser más grandes de 0,3 m (1 pie) de diámetro. ^{[ 43 ]} También contiene el "Cementerio de Cefalópodos" en el Valle Schoharie del este de Nueva York, una acumulación inusual de abundantes conchas enrolladas y rectas de varios tipos de grandes cefalópodos adultos. Este lecho carece de fósiles juveniles, lo que indica que si su comportamiento era similar al de los calamares modernos, esta pudo haber sido un área donde estos cefalópodos del Devónico se reproducían y morían. ^{[ 103 ]} Este intervalo estratigráfico también proporciona un excelente ejemplo de epiboles de incursión , que son apariciones y desapariciones repentinas de taxones fósiles en secciones relativamente delgadas de la unidad de roca. ^{[ 104 ]} En Cherry Valley, los taxones no se repiten; en cambio, cada capa delgada de piedra caliza concrecionaria contiene diferentes especies de goniatites. ^{[ 104 ]} Cherry Valley y Union Springs también contienen anarcestida bien conservadas . ^{[ 105 ]}  

En la escala de tiempo geológica , el Marcellus se ubica en la época del Devónico Medio , del período Devónico , en la era Paleozoica , del eón Fanerozoico . La datación radiométrica de una muestra de Marcellus de Pensilvania arrojó una edad de 384 millones de años, y una muestra de la bentonita en la cima del Onondaga, de 390 ± 0,5 millones de años. ^{[ 106 ]}

La datación relativa de la edad del Marcellus sitúa su formación en la subdivisión Cazenovia del piso faunístico Givetian , o hace 391,9 a 383,7 millones de años ( Ma ). ^{[ 81 ]} El miembro Union Springs, en la base del Marcellus en Nueva York, se ha datado al final del Eifeliense , el piso que precedió inmediatamente al Givetian. ^{[ 107 ]} Las lutitas oscuras anóxicas en la formación marcan el Evento Kačák , ^{[ 108 ]} un evento anóxico marino del piso Eifeliense tardío también asociado con un evento de extinción . ^{[ 109 ]} En 2012, Read y Erikson también describieron la formación como Eifeliense. ^{[ 110 ]} 

Aunque la lutita negra es la litología dominante , también contiene lutitas más claras y capas de caliza intercaladas debido a la variación del nivel del mar durante su deposición hace casi 400 millones de años . ^{[ 72 ]} La lutita negra se depositó en aguas relativamente profundas desprovistas de oxígeno y es escasamente fosilífera . La mayoría de los fósiles se encuentran en los miembros de caliza, y el registro fósil en estas capas proporciona información paleontológica importante sobre los cambios faunísticos . 

Al comienzo de la orogenia acadiana , mientras las montañas acadianas se elevaban, las lutitas negras y grises del Grupo Hamilton comenzaron a acumularse a medida que la erosión de las montañas depositaba sedimentos terrígenos de la tierra al mar. ^{[ 17 ]} La lutita de Marcellus se formó a partir de los primeros depósitos en una fosa relativamente profunda, con escasez de sedimentos y oxígeno ( anóxica ), que se formó paralela a la cadena montañosa. ^{[ 111 ]} Estos fragmentos clásticos de roca fueron transportados por arroyos trenzados hasta el antiguo delta de Catskill , un delta fluvial probablemente similar al actual delta del Níger en África. ^{[ 112 ]}

Las partículas más pequeñas permanecieron suspendidas durante más tiempo en este mar epicontinental , fluyendo mar adentro como turbiditas en una avalancha submarina lenta pero persistente. Finalmente, se depositaron en el fondo de la fosa acadiana en la cuenca de los Apalaches , ^{[ 113 ]} a cientos de metros de la costa, a profundidades que pudieron haber sido de 150 m (490 pies) o más bajo la superficie. ^{[ 13 ]} Alternativamente, la cuenca pudo haber sido tan poco profunda como 50 m (160 pies) o menos, si el agua cálida estaba suficientemente estratificada como para que el agua superficial rica en oxígeno no se mezclara con el agua anóxica del fondo. ^{[ 114 ]} La deposición de Marcellus produjo una lutita negra transgresiva , ^{[ 51 ]} porque se depositó en condiciones de profundización cuando el fondo de la cuenca descendió a medida que las montañas se elevaban. ^{[ 115 ]}    

Las facies de lutita oscura de Marcellus se formaron a partir de flysch , un lodo fino depositado en aguas profundas; el mar cada vez más profundo que depositó Marcellus cortó el suministro de carbonatos que forman la caliza y los sedimentos de flysch de grano fino enterraron los estratos de caliza de Onondaga . ^{[ 116 ] [ 117 ]} La materia orgánica, probablemente dominada por plancton , también se depositó en el fondo, pero el proceso normal de descomposición aeróbica se inhibió en el ambiente anaeróbico , preservando así el carbono orgánico. ^{[ 118 ] [ 119 ]} El uranio también se incorporó en estos lodos orgánicos sindeposicionalmente, ^{[ 14 ]} lo que significa que se depositó al mismo tiempo, en lugar de ser introducido a la formación posteriormente. ^{[ 120 ]} La materia orgánica extrajo oligoelementos del agua de mar, ^{[ 28 ]} incluyendo los elementos sensibles al redox uranio, renio , molibdeno , osmio , cromo y selenio . ^{[ 121 ]}

El Marcellus se depositó durante el desarrollo de las plantas terrestres , cuando el oxígeno atmosférico aumentaba, lo que resultó en una reducción del dióxido de carbono en la atmósfera y en el agua de mar donde se depositó. ^{[ 122 ]} Los miembros nombrados del Marcellus reflejan dos secuencias deposicionales compuestas, ^{[ 123 ]} con un ciclo general de granoclasificación ascendente que continúa en la base de la Formación Mahantango suprayacente. ^{[ 37 ]} La intercalación de miembros de lutita y caliza más ligeros se atribuye a oscilaciones relativamente a corto plazo en la profundidad de la cuenca. ^{[ 124 ]} Secuencias deposicionales posteriores de aguas profundas formaron la Formación Brallier y la Formación Harrell suprayacentes . ^{[ 113 ]}

Las lutitas fisionables también se erosionan fácilmente , lo que plantea desafíos adicionales para la ingeniería civil y ambiental .

Las exposiciones derivadas de la construcción de carreteras mediante el método de corte y relleno en Virginia y Pensilvania han dado lugar a un drenaje ácido localizado de rocas debido a la oxidación de las inclusiones de pirita. ^{[ 139 ]} La lutita recién expuesta en la cara de corte se erosiona rápidamente, permitiendo la entrada de aire y agua a la roca no excavada, lo que produce escorrentía superficial ácida tras las precipitaciones. ^{[ 140 ]} La escorrentía ácida altera los ecosistemas acuáticos , y el suelo altamente ácido contaminado por esta escorrentía no permite el crecimiento de vegetación, lo que resulta antiestético y puede provocar problemas de erosión del suelo . ^{[ 139 ]}

La descomposición natural de la lutita en fragmentos más pequeños puede afectar la estabilidad de las laderas , lo que requiere pendientes menos pronunciadas que implican la remoción de mayor cantidad de material durante los trabajos de corte y relleno, agravando así el problema del drenaje ácido de la roca. El material cortado no puede utilizarse como relleno bajo carreteras y estructuras debido a la expansión volumétrica, lo que agrava el problema. ^{[ 66 ]} Los estratos de ceniza de Tioga contienen arcilla bentonítica , que también representa un riesgo de deslizamiento en la roca sin excavar. ^{[ 66 ]}

Los daños a las estructuras construidas sobre rellenos que consisten en esquisto pirítico de Marcellus han sido causados ​​por la expansión de la escorrentía _de ácido sulfúrico  (H₂SO₄ _{) que} reacciona con la calcita  (CaCO₃ ) en el esquisto para producir yeso (CaSO₄ ₎ , que tiene el doble de volumen molar . ^{[ 141 ]} Otros minerales de sulfato que pueden producirse por reacciones con pirita incluyen anhidrita , melanterita , rozenita , jarosita y alunita . ^{[ 138 ]} Las reacciones han generado una presión de levantamiento del orden de 500 kPa (10 000 libras por pie cuadrado), pero pueden ser capaces de generar cuatro veces esta presión suficiente para levantar los cimientos en un edificio de 5 pisos. ^{[ 138 ]} La piedra caliza , que se utiliza para neutralizar el drenaje ácido, puede en realidad exacerbar el problema de expansión al promover reacciones sulfato-sulfato que forman los minerales taumasita y etringita , que tienen volúmenes molares aún mayores. ^{[ 138 ]}  

La perforación de pozos a través de las lutitas del Grupo Hamilton en el subsuelo puede ser problemática. La formación Marcellus tiene una densidad relativamente baja , y estas lutitas pueden no ser químicamente compatibles con algunos fluidos de perforación . La lutita es relativamente frágil y puede fracturarse bajo presión, lo que provoca un problema en la circulación del fluido de perforación a través del pozo, conocido como pérdida de circulación. La formación también puede estar subpresurizada, lo que complica aún más el proceso de perforación. ^{[ 51 ]}

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