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Silicificación

Fósiles silicificados de la Formación Road Canyon del Pérmico Medio, Glass Mountains, Texas. En geología, la silicificación es un proceso en el que fluidos ricos en sílice se fi...

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Fósiles silicificados de la Formación Road Canyon del Pérmico Medio, Glass Mountains, Texas.

En geología, la silicificación es un proceso en el que fluidos ricos en sílice se filtran en los huecos de los materiales terrestres , por ejemplo, rocas, madera, huesos, conchas, y reemplazan los materiales originales con sílice (SiO₂ ) . La sílice es un compuesto natural y abundante que se encuentra en materiales orgánicos e inorgánicos , incluyendo la corteza y el manto terrestres . Existen diversos mecanismos de silicificación. En la silicificación de la madera, la sílice penetra y ocupa grietas y huecos en la madera, como vasos y paredes celulares. [ 1 ] La materia orgánica original se conserva durante todo el proceso y se descompone gradualmente con el tiempo. [ 2 ] En la silicificación de carbonatos , la sílice reemplaza a los carbonatos en el mismo volumen. [ 3 ] El reemplazo se logra mediante la disolución de los minerales de la roca original y la precipitación de sílice. Esto lleva a la eliminación de los materiales originales del sistema. [ 3 ] [ 4 ] Dependiendo de las estructuras y la composición de la roca original, la sílice podría reemplazar solo componentes minerales específicos de la roca. El ácido silícico (H₄SiO₄ ) en los fluidos enriquecidos en sílice forma cuarzo , ópalo o calcedonia lenticulares, nodulares, fibrosos o agregados que crecen dentro de la roca. [ 5 ] La silicificación ocurre cuando las rocas o los materiales orgánicos están en contacto con agua superficial rica en sílice, enterrados bajo sedimentos y susceptibles al flujo de agua subterránea , o enterrados bajo cenizas volcánicas. La silicificación a menudo se asocia con procesos hidrotermales . [ 1 ] La temperatura para la silicificación varía en diversas condiciones: en condiciones de enterramiento o agua superficial, la temperatura para la silicificación puede ser de alrededor de 25°−50°; mientras que las temperaturas para las inclusiones fluidas silíceas pueden llegar hasta 150°−190°. [ 6 ] [ 7 ] La ​​silicificación podría ocurrir durante una etapa sindeposicional o postdeposicional, comúnmente a lo largo de capas que marcan cambios en la sedimentación, como discordancias o planos de estratificación . [ 5 ] [ 8]]

Fuentes de sílice

Diagrama simplificado que explica las fuentes de sílice para la silicificación. Los fitolitos presentes en pastos, esponjas y diatomeas son las fuentes biogénicas de sílice. Los fitolitos suelen proporcionar sílice de origen continental, mientras que las esponjas y las diatomeas son fuentes marinas. La sílice litológica llega a la superficie mediante procesos volcánicos, mientras que la meteorización de rocas preexistentes libera sílice en el agua.

Las fuentes de sílice se pueden dividir en dos categorías: sílice en materiales orgánicos e inorgánicos. La primera categoría también se conoce como sílice biogénica , un material omnipresente en animales y plantas. La segunda categoría es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre. [ 9 ] Los minerales de silicato son los componentes principales del 95 % de las rocas identificadas actualmente. [ 10 ]

Biología

La sílice biogénica es la principal fuente de sílice para la diagénesis. Un ejemplo destacado es la presencia de sílice en los fitolitos de las hojas de las plantas, como las gramíneas y las equisetáceas . Algunos sugieren que la sílice presente en los fitolitos puede funcionar como mecanismo de defensa contra los herbívoros, ya que su presencia en las hojas dificulta la digestión, perjudicando así su aptitud. [ 11 ] Sin embargo, la evidencia sobre los efectos de la sílice en el bienestar de los animales y las plantas aún es insuficiente.

Además, las esponjas son otra fuente biogénica de sílice natural en animales. Pertenecen al filo Porifera en el sistema de clasificación. Las esponjas silíceas se encuentran comúnmente con capas sedimentarias silicificadas , por ejemplo, en la Formación Yanjiahe en el sur de China. [ 12 ] Algunas de ellas se presentan como espículas de esponja y se asocian con cuarzo microcristalino u otros carbonatos después de la silicificación. [ 12 ] También podrían ser la principal fuente de lechos precipitados, como lechos de sílex o sílex en maderas petrificadas. [ 12 ]

Las diatomeas , un importante grupo de microalgas que viven en ambientes marinos, contribuyen significativamente a la fuente de sílice diagenética . Tienen paredes celulares hechas de sílice, también conocidas como frústulas de diatomeas . [ 13 ] En algunas rocas sedimentarias silicificadas, se desentierran fósiles de diatomeas. Esto sugiere que las frústulas de diatomeas fueron fuentes de sílice para la silicificación. [ 13 ] Algunos ejemplos son las calizas silicificadas de la Formación Astoria del Mioceno en Washington, la ignimbrita silicificada en el Campo de Géiseres El Tatio en Chile y las rocas sedimentarias silíceas del Terciario en perforaciones de aguas profundas del Pacífico occidental. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] La presencia de sílice biogénica en varias especies crea un ciclo de sílice marino a gran escala que circula sílice a través del océano. Por lo tanto, el contenido de sílice es alto en áreas activas de afloramiento de sílice en los sedimentos marinos profundos. Además, las conchas carbonatadas que se depositan en ambientes marinos poco profundos enriquecen el contenido de sílice en las áreas de la plataforma continental . [ 16 ]

Geología

El componente principal del manto superior de la Tierra es la sílice (SiO₂ ) , lo que la convierte en la fuente primaria de sílice en los fluidos hidrotermales. La SiO₂ es un componente estable. A menudo aparece como cuarzo en rocas volcánicas . Parte del cuarzo derivado de rocas preexistentes aparece en forma de arena y cuarzo detrítico que interactúa con el agua de mar para producir fluidos silíceos. [ 12 ] En algunos casos, la sílice en rocas silíceas está sujeta a alteración hidrotermal y reacciona con el agua de mar a ciertas temperaturas, formando una solución ácida para la silicificación de materiales cercanos. En el ciclo de las rocas , la meteorización química de las rocas también libera sílice en forma de ácido silícico como subproducto . [ 12 ] La sílice de las rocas meteorizadas es arrastrada al agua y se deposita en ambientes marinos poco profundos. [ 17 ]

Mecanismos de silicificación

Este diagrama muestra la mecánica de la silicificación mediante la disolución de los materiales rocosos y la precipitación de sílice. Los fluidos enriquecidos en sílice suelen estar sobresaturados con este elemento, de modo que al filtrarse en los poros, la sílice precipita. Por otro lado, estos fluidos están relativamente subsaturados con otros minerales de la roca, lo que provoca la disolución de dichos minerales. Estos materiales son arrastrados por los fluidos y reemplazados por sílice.

La presencia de fluidos hidrotermales es esencial como medio para las reacciones geoquímicas durante la silicificación. En la silicificación de diferentes materiales, intervienen diferentes mecanismos. En la silicificación de materiales rocosos como los carbonatos, es común la sustitución de minerales mediante alteración hidrotermal; mientras que la silicificación de materiales orgánicos como la madera es únicamente un proceso de permeación. [ 17 ] [ 1 ]

Reemplazo

La sustitución de la sílice implica dos procesos:

1) Disolución de minerales de roca [ 1 ]

2) Precipitación de sílice [ 1 ]

Esto podría explicarse mediante la sustitución de carbonato por sílice. Los fluidos hidrotermales están subsaturados de carbonatos y sobresaturados de sílice. Cuando las rocas carbonatadas entran en contacto con fluidos hidrotermales, debido a la diferencia de gradiente, los carbonatos de la roca original se disuelven en el fluido, mientras que la sílice precipita . [ 1 ] Por lo tanto, el carbonato disuelto se extrae del sistema, mientras que la sílice precipitada se recristaliza en diversos minerales de silicato, dependiendo de la fase de sílice. [ 17 ] La solubilidad de la sílice depende en gran medida de la temperatura y el valor de pH del entorno [ 3 ] donde pH 9 es el valor determinante. [ 1 ] En condiciones de pH inferior a 9, la sílice precipita del fluido; cuando el valor de pH es superior a 9, la sílice se vuelve altamente soluble. [ 3 ]

Penetración

Este diagrama muestra el mecanismo de silicificación de la madera en una célula. La sílice penetra a través de la pared celular. Las estructuras celulares se deterioran gradualmente y la sílice se deposita en toda la célula. Adaptado y modificado de Furuno, 1986 y Fengel, 1991. [ 18 ] [ 19 ]
Izquierda: Brecha hidrotermal silicificada . Las partes blanco grisáceas han sufrido silicificación. Derecha: Diagrama anotado de la imagen de la izquierda, que muestra las características de una brecha silicificada.

En la silicificación de la madera, la sílice se disuelve en fluidos hidrotermales y se filtra en la lignina de las paredes celulares. La precipitación de sílice de los fluidos produce su deposición dentro de los huecos, especialmente en las paredes celulares. [ 1 ] [ 18 ] Los fluidos descomponen los materiales celulares, pero la estructura permanece estable debido al desarrollo de minerales. Las estructuras celulares se reemplazan lentamente por sílice. La penetración continua de fluidos silíceos da lugar a diferentes etapas de silicificación, es decir, primaria y secundaria. La pérdida de fluidos con el tiempo conduce a la cementación de la madera silicificada mediante la adición tardía de sílice. [ 20 ]

La velocidad de silicificación depende de algunos factores:

1) Tasa de rotura de las células originales [ 20 ]

2) Disponibilidad de fuentes de sílice y contenido de sílice en el fluido [ 1 ] [ 3 ]

3) Temperatura y pH del ambiente de silicificación [ 1 ] [ 3 ]

4) Interferencia de otros procesos diagenéticos [ 3 ] [ 21 ]

Estos factores afectan el proceso de silicificación de muchas maneras. La tasa de ruptura de las células originales controla el desarrollo de la estructura mineral y, por lo tanto, el reemplazo de sílice. [ 20 ] La disponibilidad de sílice determina directamente el contenido de sílice en los fluidos. Cuanto mayor sea el contenido de sílice, más rápida podría ser la silicificación. [ 1 ] El mismo concepto se aplica a la disponibilidad de fluidos hidrotermales. La temperatura y el pH del ambiente determinan las condiciones para que ocurra la silicificación. [ 3 ] [ 21 ] Esto está estrechamente relacionado con la profundidad de enterramiento o la asociación con eventos volcánicos. La interferencia de otros procesos diagenéticos a veces puede crear perturbaciones en la silicificación. El tiempo relativo de la silicificación con respecto a otros procesos geológicos podría servir como referencia para futuras interpretaciones geológicas. [ 1 ] [ 18 ] [ 20 ] [ 21 ]

Ejemplos

rocas volcánicas

En la bahía de Conception, en Terranova, costa sureste de Canadá, una serie de rocas volcánicas vinculadas del Precámbrico al Cámbrico fueron silicificadas. Las rocas consisten principalmente en flujos riolíticos y basálticos, con tobas cristalinas y brechas intercaladas. La silicificación regional tuvo lugar como un proceso de alteración preliminar antes de que ocurrieran otros procesos geoquímicos. [ 22 ] La fuente de sílice cerca del área fue de fluidos silíceos calientes de flujo riolítico en condiciones estáticas. [ 22 ] Una porción significativa de sílice apareció en forma de cuarzo calcedónico blanco, vetas de cuarzo y cristales de cuarzo granular. [ 22 ] Debido a la diferencia en las estructuras de las rocas, la sílice reemplaza diferentes materiales en rocas de ubicaciones cercanas. La siguiente tabla muestra el reemplazo de sílice en diferentes localidades: [ 22 ]

Rocas metamórficas

En el manto de Semail de Omán, en los Emiratos Árabes Unidos, se encontró serpentinita silicificada. La presencia de tales características geológicas es bastante inusual. Se trata de una alteración pseudomórfica donde el protolito de serpentinita ya estaba silicificado. [ 23 ] Debido a eventos tectónicos, la serpentinita basal se fracturó y el agua subterránea se filtró a lo largo de las fallas, formando una circulación a gran escala de agua subterránea dentro de los estratos. [ 23 ] Mediante disolución hidrotermal, la sílice precipitó y cristalizó alrededor de los huecos de la serpentinita. [ 24 ] Por lo tanto, la silicificación solo se puede observar a lo largo de las vías del agua subterránea. [ 24 ] La silicificación de la serpentinita se formó en condiciones donde el flujo de agua subterránea y la concentración de dióxido de carbono son bajos. [ 23 ] [ 24 ]

Carbonatos

Los carbonatos silicificados pueden aparecer como capas de roca carbonatada silicificada, [ 3 ] o en forma de karst silicificado. La Cuenca de Madrid del Paleógeno en el centro de España es una cuenca de antepaís resultante del levantamiento alpino , un ejemplo de carbonatos silicificados en capas de roca. La litología consiste en unidades de carbonato y detritos que se formaron en un ambiente lacustre. Las unidades de roca están silicificadas donde se encuentran sílex, cuarzo y minerales opalinos en las capas. [ 25 ] Es concordante con los lechos evaporíticos subyacentes , también datados en edades similares. Se encontró que hubo dos etapas de silicificación dentro de los estratos de roca. [ 25 ] La etapa más temprana de silicificación proporcionó mejores condiciones y sitio para la precipitación de sílice. El origen de la sílice aún es incierto. [ 25 ] No se ha detectado sílice biogénica en los carbonatos. Sin embargo, se encuentran películas microbianas en los carbonatos, lo que podría sugerir la presencia de diatomeas. [ 25 ]

Los karsts son cuevas carbonatadas formadas por la disolución de rocas carbonatadas como calizas y dolomitas . Suelen ser susceptibles a las aguas subterráneas y se disuelven en ellas. Los karsts silicificados y los depósitos de cuevas se forman cuando los fluidos silíceos penetran en los karsts a través de fallas y grietas. [ 17 ] La Caliza Mescal del Proterozoico Medio del Grupo Apache en el centro de Arizona es un ejemplo clásico de karst silicificado. Una parte de los carbonatos es reemplazada por sílex en la diagénesis temprana y la parte restante se silicifica completamente en etapas posteriores. [ 17 ] La fuente de sílice en los carbonatos suele estar asociada con la presencia de sílice biogenética; sin embargo, la fuente de sílice en la Caliza Mescal proviene de la meteorización de basaltos suprayacentes , que son rocas ígneas extrusivas con alto contenido de sílice. [ 17 ]

Maderas silicificadas

La silicificación de la madera suele ocurrir en condiciones terrestres, pero a veces puede darse en ambientes acuáticos. [ 18 ] La silicificación de aguas superficiales puede producirse mediante la precipitación de sílice en manantiales termales enriquecidos con sílice. En la costa norte del centro de Japón, el manantial termal de Tateyama tiene un alto contenido de sílice que contribuye a la silicificación de la madera caída y los materiales orgánicos cercanos. La sílice precipita rápidamente de los fluidos y el ópalo es la principal forma de sílice. [ 1 ] Con una temperatura de alrededor de 70  °C y un valor de pH de alrededor de 3, el ópalo depositado está compuesto por esferas de sílice de diferentes tamaños dispuestas aleatoriamente. [ 1 ]

Silicificación temprana

Ópalo incrustado en jaspe

El magma máfico dominó el fondo marino hace aproximadamente 3900 millones de años durante la transición Hádico - Arcaico . [ 26 ] Debido a la rápida silicificación, comenzó a formarse la corteza continental félsica . [ 27 ] En el Arcaico, la corteza continental estaba compuesta por tonalita-trondhjemita-granodiorita (TTG), así como por suites de granito- monzonita - sienita . [ 27 ]

El monte Goldsworthy, en el cratón de Pilbara, ubicado en Australia Occidental, alberga uno de los primeros ejemplos de silicificación con una secuencia de rocas metasedimentarias clásticas del Arcaico , que revela el ambiente superficial de la Tierra en sus inicios con evidencia de silicificación y alteración hidrotermal. Se ha descubierto que las rocas desenterradas tienen una composición mineral dominante de SiO2. [ 8 ] La sucesión estuvo sujeta a un alto grado de silicificación debido a la interacción hidrotermal con agua de mar a bajas temperaturas. [ 8 ] Los fragmentos líticos fueron reemplazados por cuarzo microcristalino y los protolitos se alteraron durante la silicificación. [ 8 ] Las condiciones de silicificación y los elementos presentes sugieren que la temperatura superficial y el contenido de dióxido de carbono fueron altos durante la sindeposición, la postdeposición o ambas. [ 8 ]

El cinturón de rocas verdes de Barberton en Sudáfrica, específicamente el Supergrupo Eswatini de alrededor de 3,5–3,2 Ga, es un conjunto de rocas volcánico-sedimentarias silicificadas bien conservadas. Con una composición que varía de ultramáfica a félsica, las rocas volcánicas silicificadas se encuentran directamente debajo de la capa de sílex estratificado. Las rocas están más silicificadas cerca del contacto con el sílex estratificado, lo que sugiere una relación entre la deposición de sílex y la silicificación. [ 28 ] Las zonas alteradas por sílice revelan que las actividades hidrotermales, como la circulación del agua de mar, circulan activamente las capas de roca a través de fracturas y fallas durante la deposición del sílex estratificado. [ 29 ] El agua de mar se calentó y, por lo tanto, arrastró materiales silíceos de origen volcánico subyacente. Los fluidos enriquecidos en sílice provocan la silicificación de las rocas al filtrarse en materiales porosos en la etapa sindeposicional en condiciones de baja temperatura. [ 29 ] [ 30 ]

Véase también

Referencias

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