6.- Rocas y yacimientos sedimentarios detríticos
6.- Rocas y yacimientos sedimentarios detríticos
La sedimentación detrítica tiene lugar, como ya hemos indicado, como consecuencia de la pérdida de energía del medio de transporte, que hace que este se interrumpa, con lo que las partículas físicas que son arrastradas tienden a depositarse por decantación. Se originan así los sedimentos, y a partir de éstos, y mediante el proceso de diagénesis, las rocas sedimentarias detríticas. Entre ambas, rocas y sedimentos, las más comunes son las arenas y areniscas y las rocas arcillosas (lutitas o pelitas). Además, a menudo estos materiales contienen minerales de interés minero, que se depositan conjuntamente con el resto de la roca (caso de los yacimientos de tipo placer), o se introducen en la misma aprovechando su alta porosidad y permeabilidad (caso del agua, del petróleo, del gas natural).
Son la consecuencia directa de la sedimentación de las partículas físicas arrastradas por las aguas, el viento o el hielo. A su vez, es posible diferenciar dos formas de depósito, en función del tamaño y naturaleza de las partículas:
- Las de tamaño superior a 4 micras suelen ser granos minerales, entre los cuales los más comunes son los de cuarzo, seguidos de los de feldespatos, así como fragmentos líticos. En el detalle, en lo que se refiere a la naturaleza de los granos minerales, las posibilidades son prácticamente ilimitadas: granos de otros silicatos (micas, piroxeno, anfíbol...), de óxidos (magnetita, ilmenita, cromita...), incluso de metales nativos, como el oro; estos granos viajan arrastrados por el agua o viento, en suspensión o como carga en fondo, y al disminuir la energía del medio de transporte se depositan casi de inmediato (proceso físico: decantación). A estas partículas las llamamos clastos.
- Las de tamaño inferior a 4 micras suelen corresponder a minerales de la arcilla, y en este caso el transporte se produce en suspensión coloidal, lo que hace que puedan seguir siendo transportados incluso mediante aguas no agitadas. El depósito en este caso se produce por el proceso físico-químico de floculación, que puede tener lugar de forma conjunta y simultánea al depósito físico de las partículas, o con posterioridad, en zonas tranquilas. En el primer caso se origina la matriz de las rocas detríticas, es decir, la componente intergranular fina, arcillosa, de los conglomerados y arenas o areniscas, mientras que en el segundo se da origen a las rocas arcillosas (lutitas, pelitas).
El principal carácter diferenciador de los sedimentos y rocas sedimentarias es su tamaño de grano. En concreto, la escala más utilizada es la de Wenworth, que diferencia entre las variedades gruesas, de diámetro superior a 2 mm (gravas, conglomerados, pudingas, brechas), las de grano intermedio (arenas y areniscas), de diámetro comprendido entre 2 mm y 64 mm, y las de grano fino, entre 64 y 4 mm, y que corresponden a los limos y limolitas (ver figura)
Otro carácter importante es la naturaleza de los clastos, sobre todo en las de mayor tamaño: cuando es variado hablamos de rocas polimícticas, mientras que si corresponden mayoritariamente a un tipo litológico hablamos de roca oligomíctica. Como componentes mayoritarios, en los conglomerados podemos tener fragmentos de rocas, en general cuarcíticos o carbonatados, aunque pueden estar formados por rocas de naturaleza mucho mas variada; en las arenas o areniscas el componente más común es el cuarzo, en general acompañado de feldespatos. Son también relativamente frecuentes las denominadasarenas o areniscas calcáreas bioclásticas, formadas por la acumulación de fragmentos de conchas de lamelibranquios, gasterópodos, etc., en medios costeros (playas).
También suele ser objeto de interés el grado de evolución de los clastos, que se traduce en su forma: los más inmaduros suelen ser angulosos y de baja esfericidad, mientras que los más evolucionados, los que encontramos más lejanos al área fuente, suelen ser mucho más redondeados y de mayor esfericidad, debido al efecto abrasivo del transporte.
El hecho de que se trate de sedimentos sueltos o de rocas ya consolidadas marca también una diferencia considerable: las gravas y arenas son los materiales sueltos, mientras que los conglomerados (o brechas) y areniscas son rocas compactas, en las que los granos o clastos están más o menos sólidamente cementados. En las variedades más finas, los sedimentos no consolidados reciben el nombre de limos, arcillas o lutitas, mientras que las rocas se denominan limolitas o arcillitas, o, cuando desarrollan una cierta esquistosidad, por aplastamiento, pizarras.
Todas estas diferencias nos llevan a establecer las posibles aplicaciones de cada uno de estos tipos litológicos:
· Las gravas sueltas, sobre todo las de las riveras de ríos, o de canchales de laderas, se utilizan como áridos de construcción, ya sean edificaciones u obras públicas, en hormigones, morteros, o con aglomerantes asfálticos, etc.
· El mismo uso reciben algunas arenas sueltas, fundamentalmente en morteros con cemento o cal.
· En cuanto a las rocas ya consolidadas, las areniscas bien cementadas se han utilizado también en construcción, como "piedra de corte", debido a su fácil labra. No obstante, es una roca a menudo muy problemática por su alterabilidad.
· Otros usos de las arenas y areniscas más puras (arenas silíceas) están en las industrias del vidrio y del silicio.
· Por su parte, las variedades arcillosas se emplean fundamentalmente como materia prima en la industria cerámica. En este caso, la naturaleza de los minerales que componen estas rocas y sus caracteres texturales y estructurales permiten definir su mejor uso dentro de una amplia gama: ladrillería, cerámica estructural, gres, etc.
· Las pizarras, por su parte, como rocas intermedias entre sedimentarias y metamórficas procedentes de la consolidación de lutitas, se emplean para cubiertas (las de mayor calidad) y para solados y zócalos rústicos (las de menor calidad).
Determinados minerales de interés económico que componen las rocas son muy resistentes a la meteorización física y química, pero a menudo en estas rocas no resulta rentable su explotación minera. Esto es debido a dos factores: su baja ley en la misma, y la necesidad de realizar una explotación completa de la roca, incluyendo además un proceso de concentración a menudo problemático. En los yacimientos de tipo placer se produce de forma natural la separación y concentración de estos minerales en sedimentos no consolidados, lo que abarata muy considerablemente su aprovechamiento minero.
Por otra parte, como en el caso anterior tenemos por un lado los placeres en sedimentos recientes, de sistemas fluviales o de playas, y por otro, los llamados paleoplaceres, rocas sedimentarias de origen fluvial o costero que pueden contener concentraciones detríticas del mineral o minerales de interés minero. Los primeros se explotarán en superficie, mediante arranque y carga directos, mientras que los segundos necesitarán una minería de mayor coste, ya sea a cielo abierto o subterránea.
La separación de la fase mineral de interés económico tiene lugar como consecuencia de la meteorización diferencial de los minerales que forman la roca. Como ya sabemos, y en función de factores climáticos y meteorológicos, este proceso hace que la roca se desgrane, por la destrucción de algunos de sus componentes minerales. Los que no se destruyen, por ser resistentes a la meteorización existente en esa área y momento geológico, son arrastrados por el agua o el viento, es decir, se movilizan, pasan a sufrir el proceso de transporte. Es importante resaltar el hecho de que el hecho de que un determinado mineral se meteorice o no depende de las condiciones externas imperantes en cuanto al clima o la composición de la atmósfera. Hasta fechas recientes ha sido objeto de controversia el determinar si la uraninita presente en los yacimientos de tipo placer de la cuenca de Witwatersrand (RSA) tenía origen detrítico o no; en la atmósfera actual eso es impensable, la uraninita en condiciones oxidantes se meteoriza con gran facilidad, liberando U6+. Sin embargo, en la atmósfera del Precámbrico, cuando estos yacimientos se formaron, no había apenas oxígeno, era una atmósfera reductora, en la que la uraninita pudo actuar como mineral detrítico, al no sufrir meteorización.
La concentración de los minerales tiene lugar como consecuencia de su diferencia de densidad respecto al resto de minerales arrastrados por el medio de transporte: estos minerales suelen ser metálicos, con lo que su densidad es muy superior a la del resto. Ello condiciona que se concentren en puntos concretos del curso fluvial (figura), o que el viento deje de arrastrarlos antes que al resto, o que se concentren preferencialmente en determinados puntos de una playa.
En cuanto a los minerales que solemos encontrar formando este tipo de yacimientos, tenemos que mencionar en primer lugar a los metales nobles nativos: oro, plata y platino son, sin duda, los más conocidos. En este caso, además, el oro en particular se acreciona para dar origen a las pepitas, aumentando su tamaño con el grado de evolución a lo largo del transporte. Otros minerales comunes en estos yacimientos son: casiterita, ilmenita, rutilo, monacita, granate, entre otros. También algunas gemas, como el diamante, el rubí o el zafiro, pueden aparecer en este tipo de yacimientos.
Pepita de oro
Las rocas detríticas, y en particular las areniscas, a menudo contienen concentraciones de minerales de interés minero que no se han depositado conjuntamente con la roca, sino que se han introducido con posterioridad en la misma, aprovechando sus características de alta porosidad y permeabilidad. El origen concreto de estas concentraciones puede ser muy variado: desde la posibilidad de que se trate de fluidos mineralizados relacionados con procesos volcánicos que se infiltran en la porosidad de la roca, en la que se produce el depósito de los minerales (caso de los mineralizaciones de tipo Almadén, que vemos en el tema 11), hasta casos en los que determinados puntos de la formación arenosa actúan como trampa para iones metálicos. Estos se depositarían preferencialemente en esos puntos al ser arrastrados en disolución por las aguas que circulan por esa formación: caso de los yacimientos de uranio de tipo "roll-front", en los que las trampas corresponden a áreas locales con condiciones reductoras, relacionadas con la concentración de materia orgánica (restos vegetales, fundamentalmente), que favorecen la reducción del ión U6+, muy móvil en condiciones atmosféricas, a U4+, mucho menos móvil. Lafigura adjunta muestra un esquema de este tipo de yacimientos.
En cualquier caso, los más conocidos e importantes son las denominadas "formaciones de cobre en capas rojas", entre las que destacan, por su importancia económica, las de los distritos de Kupferschiefer (Polonia), White Pine en Michigan (EEUU) y el cinturón cuprífero africano (Zambia-Zaire). El origen de estas mineralizaciones es controvertido, aunque en ningún caso se consideran como sedimentarios puros, sino diagenéticos, en relación con cuencas de tipo aulacógeno (rifts abortados).
Las rocas detríticas gruesas (arenas/areniscas, gravas/conglomerados) están formadas, como sabemos, por granos, de formas más o menos regulares, lo que hace que entre estos granos exista una altaporosidad, en la que a menudo podemos encontrar fluidos, sobre todo agua, pero además otros, como petróleo o gas natural.
La presencia de los correspondientes fluidos en la roca obedece a distintos procesos: el agua puede ser de infiltración de agua de lluvia, o transportada por un río bajo su cauce visible, o almacenada durante el depósito de la roca en forma de fase intergranular. Los hidrocarburos naturales, por su parte, proceden de la liberación de la roca madre en la que se forman, y consecuente migración, hasta acumularse en estas rocas (rocas almacén).
Los parámetros litológicos que definen la posibilidad de aprovechar el fluido son dos: la porosidad y la permeabilidad.
La porosidad es el volumen de huecos de la roca, y define la posibilidad de ésta de almacenar más o menos cantidad de fluido. Se expresa por el porcentaje de volumen de poros respecto al volumen total de la roca (porosidad total o bruta).
Además de esta porosidad total, se define como porosidad útil la correspondiente a huecos interconectados, es decir, el volumen de huecos susceptibles de ser ocupados por fluidos. Este concepto de porosidad útil está directamente relacionado con el de permeabilidad. La diferencia entre porosidad total y porosidad útil expresa el agua (o fluido en general) inmovilizado dentro de la roca, y recibe la denominación de "agua irreductible" de la roca.
La porosidad útil es, en general, inferior en un 20-50% a la total, dependiendo, sobre todo, del tamaño de grano de la roca: cuanto menor sea este tamaño de grano, más baja será la porosidad útil respecto a la total. También influye la forma de los granos (ver figura).
La Permeabilidad representa la facilidad con la que una roca o formación permite a un fluido de viscosidad dada atravesarla. Viene definida por la fórmula de D'Arcy:
K dp -nV
V = - ---- x ----- , y por tanto K= - -------
n dL d p/dL
V = - ---- x ----- , y por tanto K= - -------
n dL d p/dL
donde:
v = q/A= velocidad del fluido o flujo a través de unidad de área medida en cm/sg o en cm3 x seg-1 x cm-2
K = permeabilidad
N = viscosidad medida en centiposises (1 poise= 1 g x cm-1 x seg-1)
dp/dL = gradiente de presión del fluido en la dirección del movimiento, en atmósferas/cm3.
En estas condiciones, la unidad de medida de la permeabilidad es el Darcy, generalmente demasiado grande para los almacenes de hidrocarburos, por lo que se utiliza el milidarcy (md).
Este parámetro depende, fundamentalmente, del tamaño medio y de la forma de los granos que constituyen la roca (ver figura).
Si el fluido es homogéneo, y no produce ninguna acción importante sobre la roca, se habla de permeabilidad absoluta; pero si en la roca existen varios fluidos, como es el caso de un yacimiento petrolífero, en el que podemos tener petróleo, agua y gas, se producen interferencias entre ellos que dan origen a permeabilidades efectivas para cada uno de los fluidos diferentes de sus permeabilidades absolutas.
Se define así como permeabilidad efectiva de un fluido la expresión de la propiedad de una roca o formación de ser atravesada por ese fluido en presencia de uno o varios otros fluidos. Depende por un lado de las características de la roca, y por otro, de las proporciones o porcentajes respectivos de los distintos fluidos presentes.
La permeabilidad relativa corresponde a la relación entre permeabilidad absoluta y efectiva. Para un fluido dado, varia en función directa con la saturación de ese fluido en la roca, y se expresa en tanto por uno de movilidad de un fluido respecto a otro.
En un sistema agua-crudo, la permeabilidad relativa del crudo es máxima, y muy próxima a 1, cuando la saturación del crudo es máxima (100 a 70-80%), y es mínima, mientras que la del agua se hace máxima, para baja saturación en crudo.
Como expresa la figura, la permeabilidad relativa del crudo decrece rápidamente con la disminución de la saturación en éste, pero la del agua permanece muy baja o nula hasta saturación en agua del orden del 45%. A partir de ese momento, crece muy rápidamente hasta alcanzar el valor 1 para una saturación del 100%.
En términos de producción, esto se traduce en que en un yacimiento petrolífero con bajo contenido inicial en agua, se podrá extraer petróleo sin agua; al ir aumentando el grado de extracción, al alcanzar una saturación en crudo del orden del 50-55%, se extraerá una mezcla de crudo y agua, en la que la proporción de la segunda irá aumentando progresivamente, hasta un valor de saturación en agua del 80-90%, momento en que solamente se extraerá agua (ver figura).
En definitiva, la permeabilidad condiciona el ritmo de extracción, así como los límites reales de la zona de la trampa que es posible explotar, lo que explica su importancia en el estudio de los almacenes de hidrocarburos.
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