Arenisca

La arenisca es una roca sedimentaria clástica compuesta principalmente de granos de silicato del tamaño de arena (0,0625 a 2 mm). Las areniscas comprenden alrededor del 20-25% de todas las rocas sedimentarias.

La mayor parte de la arenisca está compuesta de cuarzo o feldespato (ambos silicatos) porque son los minerales más resistentes a los procesos de meteorización en la superficie de la Tierra. Al igual que la arena no cementada, la arenisca puede tener cualquier color debido a las impurezas de los minerales, pero los colores más comunes son el tostado, el marrón, el amarillo, el rojo, el gris, el rosa, el blanco y el negro. Dado que los lechos de arenisca a menudo forman acantilados muy visibles y otras características topográficas, ciertos colores de arenisca se han identificado fuertemente con ciertas regiones.

Las formaciones rocosas que se componen principalmente de arenisca generalmente permiten la filtración de agua y otros fluidos y son lo suficientemente porosas para almacenar grandes cantidades, lo que las convierte en valiosos acuíferos y depósitos de petróleo.

La arenisca que contiene cuarzo se puede convertir en cuarcita a través del metamorfismo, generalmente relacionado con la compresión tectónica dentro de los cinturones orogénicos.

Orígenes

Las areniscas son de origen clástico (a diferencia de las orgánicas, como la tiza y el carbón, o las químicas, como el yeso y el jaspe). Los granos de arena de silicato de los que se forman son el producto de la meteorización física y química del lecho rocoso. La meteorización y la erosión son más rápidas en áreas de alto relieve, como arcos volcánicos, áreas de ruptura continental y cinturones orogénicos.

La arena erosionada es transportada por los ríos o por el viento desde sus áreas de origen hasta los ambientes de depósito donde la tectónica ha creado un espacio de alojamiento para que se acumulen los sedimentos. Las cuencas de antearco tienden a acumular arenas ricas en granos líticos y plagioclasas. Las cuencas intracontinentales y fosas a lo largo de los márgenes continentales también son entornos comunes para la deposición de arena.

A medida que los sedimentos continúan acumulándose en el ambiente depositacional, la arena más vieja es enterrada por sedimentos más jóvenes y sufre diagénesis. Esto consiste principalmente en la compactación y litificación de la arena. Las primeras etapas de diagénesis, descritas como eogénesis, tienen lugar a poca profundidad (unas pocas decenas de metros) y se caracterizan por bioturbación y cambios mineralógicos en las arenas, con solo una ligera compactación. La hematita roja que da su color a las areniscas de lecho rojo probablemente se formó durante la eogénesis. El enterramiento más profundo se acompaña de mesogénesis, durante la cual tiene lugar la mayor parte de la compactación y litificación.

La compactación tiene lugar a medida que la arena se ve sometida a una presión cada vez mayor de los sedimentos superpuestos. Los granos de sedimento se mueven en arreglos más compactos, los granos dúctiles (como los granos de mica) se deforman y el espacio poroso se reduce. Además de esta compactación física, la compactación química puede tener lugar a través de una solución a presión. Los puntos de contacto entre los granos están sometidos a la mayor tensión y el mineral filtrado es más soluble que el resto del grano. Como resultado, los puntos de contacto se disuelven, lo que permite que los granos entren en contacto más cercano.

La litificación sigue de cerca a la compactación, ya que el aumento de las temperaturas en profundidad acelera la deposición del cemento que une los granos. La solución a presión contribuye a la cementación, ya que el mineral disuelto en los puntos de contacto tensos se vuelve a depositar en los espacios porosos no tensos.

La compactación mecánica tiene lugar principalmente a profundidades inferiores a 1000 metros (3300 pies). La compactación química continúa a profundidades de 2000 metros (6600 pies) y la mayor parte de la cementación se lleva a cabo a profundidades de 2000 a 5000 metros (6600 a 16 400 pies).

El destechamiento de areniscas enterradas se acompaña de telogénesis, la tercera y última etapa de la diagénesis. A medida que la erosión reduce la profundidad del entierro, la exposición renovada al agua meteórica produce cambios adicionales en la arenisca, como la disolución de parte del cemento para producir una porosidad secundaria.

Componentes

Granos marco

Los granos del marco son fragmentos detríticos del tamaño de la arena (0,0625 a 2 milímetros (0,00246 a 0,07874 pulgadas) de diámetro) que constituyen la mayor parte de una arenisca. La mayoría de los granos estructurales están compuestos de cuarzo o feldespato, que son los minerales comunes más resistentes a los procesos de meteorización en la superficie de la Tierra, como se ve en la serie de disolución de Goldich. Los granos del marco se pueden clasificar en varias categorías diferentes en función de su composición mineral:

• Los granos de la estructura de cuarzo son los minerales dominantes en la mayoría de las rocas sedimentarias clásticas; esto se debe a que tienen propiedades físicas excepcionales, como dureza y estabilidad química. Estas propiedades físicas permiten que los granos de cuarzo sobrevivan a múltiples eventos de reciclaje, al mismo tiempo que permiten que los granos muestren cierto grado de redondeo. Los granos de cuarzo evolucionan a partir de rocas plutónicas, que son de origen félsico, y también de areniscas más antiguas que han sido recicladas.
• Los granos de estructura feldespática son comúnmente el segundo mineral más abundante en las areniscas. El feldespato se puede dividir en feldespatos alcalinos y feldespatos de plagioclasa, que se pueden distinguir bajo un microscopio petrográfico.

• Rango de feldespato alcalino en composición química de KAlSi ₃ O ₈ a NaAlSi ₃ O ₈.

• El rango de plagioclasa feldespato en composición va desde NaAlSi ₃ O ₈ hasta CaAl ₂ Si ₂ O ₈.

• Los granos de estructura lítica (también llamados fragmentos líticos o clastos líticos) son piezas de roca fuente antigua que aún tienen que desgastarse hasta convertirse en granos minerales individuales. Los fragmentos líticos pueden ser cualquier roca ígnea, metamórfica o sedimentaria de grano fino o grueso, aunque los fragmentos líticos más comunes que se encuentran en rocas sedimentarias son clastos de rocas volcánicas.
• Los minerales accesorios son todos los demás granos minerales en una arenisca. Estos minerales generalmente constituyen solo un pequeño porcentaje de los granos en una arenisca. Los minerales accesorios comunes incluyen micas (moscovita y biotita), olivino, piroxeno y corindón. Muchos de estos granos accesorios son más densos que los silicatos que constituyen la mayor parte de la roca. Estos minerales pesados ​​suelen ser resistentes a la intemperie y se pueden utilizar como indicador de la madurez de las areniscas a través del índice ZTR. Los minerales pesados ​​comunes incluyen circón, turmalina, rutilo (de ahí ZTR), granate, magnetita u otros minerales densos y resistentes derivados de la roca madre.

Matriz

La matriz es un material muy fino, que está presente en el espacio intersticial de los poros entre los granos de la estructura. La naturaleza de la matriz dentro del espacio poroso intersticial da como resultado una clasificación doble:

• Las arenitas son areniscas texturalmente limpias que están libres o tienen muy poca matriz.
• Las wackes son areniscas texturalmente sucias que tienen una cantidad significativa de matriz.

Cemento

El cemento es lo que une los granos de la estructura siliciclástica. El cemento es un mineral secundario que se forma después de la deposición y durante el enterramiento de la arenisca. Estos materiales cementantes pueden ser minerales de silicato o minerales no de silicato, como la calcita.

• El cemento de sílice puede consistir en minerales de cuarzo u ópalo. El cuarzo es el mineral de silicato más común que actúa como cemento. En la arenisca donde hay cemento de sílice presente, los granos de cuarzo se adhieren al cemento, lo que crea un borde alrededor del grano de cuarzo llamado sobrecrecimiento. El crecimiento excesivo conserva la misma continuidad cristalográfica del grano de la estructura de cuarzo que se está cementando. El cemento de ópalo se encuentra en areniscas ricas en materiales volcánicos y muy raramente en otras areniscas.
• El cemento de calcita es el cemento de carbonato más común. El cemento de calcita es una variedad de cristales de calcita más pequeños. El cemento se adhiere a los granos de la estructura y cementa los granos de la estructura.
• Otros minerales que actúan como cementos incluyen: hematites, limonita, feldespatos, anhidrita, yeso, barita, minerales de arcilla y minerales de zeolita.

La arenisca que pierde su aglomerante de cemento debido a la meteorización se vuelve gradualmente friable e inestable. Este proceso puede revertirse un poco mediante la aplicación de ortosilicato de tetraetilo (Si(OC ₂ H ₅) ₄) que depositará dióxido de silicio amorfo entre los granos de arena. La reacción es la siguiente.Si(OC ₂ H ₅) ₄ (l) + 2 H ₂ O (l) → SiO ₂ (s) + 4 C ₂ H ₅ OH (g)

Espacio poroso

El espacio poroso incluye los espacios abiertos dentro de una roca o un suelo. El espacio poroso de una roca tiene una relación directa con la porosidad y la permeabilidad de la roca. La porosidad y la permeabilidad están directamente influenciadas por la forma en que se empaquetan los granos de arena.

• La porosidad es el porcentaje del volumen aparente que está habitado por intersticios dentro de una roca determinada. La porosidad está directamente influenciada por el empaquetamiento de granos esféricos de tamaño uniforme, reorganizados de empaquetamiento suelto a empaquetamiento más apretado en las areniscas.
• La permeabilidad es la velocidad a la que el agua u otros fluidos fluyen a través de la roca. Para el agua subterránea, la permeabilidad de trabajo se puede medir en galones por día a través de una sección transversal de un pie cuadrado bajo un gradiente hidráulico unitario.

Tipos de arenisca

Las areniscas generalmente se clasifican contando puntos una sección delgada usando un método como el Método Gazzi-Dickinson. Esto arroja los porcentajes relativos de cuarzo, feldespato y granos líticos y la cantidad de matriz arcillosa. La composición de una arenisca puede proporcionar información importante sobre la génesis de los sedimentos cuando se utiliza con un fragmento triangular de cuarzo, feldespato, lítico (diagramas QFL). Sin embargo, los geólogos no han podido ponerse de acuerdo sobre un conjunto de límites que separan las regiones del triángulo QFL.

Las ayudas visuales son diagramas que permiten a los geólogos interpretar diferentes características de una arenisca. Por ejemplo, un gráfico QFL se puede marcar con un modelo de procedencia que muestra el probable origen tectónico de las areniscas con varias composiciones de granos estructurales. Asimismo, el gráfico de etapas de madurez textural ilustra las diferentes etapas por las que pasa una arenisca a medida que aumenta el grado de procesamiento cinético de los sedimentos.

• Un gráfico QFL es una representación de los granos del marco y la matriz que está presente en una arenisca. Esta carta es similar a las utilizadas en petrología ígnea. Cuando se traza correctamente, este modelo de análisis crea una clasificación cuantitativa significativa de las areniscas.
• Un gráfico de procedencia de arenisca generalmente se basa en un gráfico QFL, pero permite a los geólogos interpretar visualmente los diferentes tipos de lugares en los que se pueden originar las areniscas.
• Un gráfico de etapa de madurez textural muestra las diferencias entre areniscas inmaduras, submaduras, maduras y supermaduras. A medida que la arenisca madura, los granos se vuelven más redondeados y hay menos arcilla en la matriz de la roca.

Esquema de clasificación de Dott

El esquema de clasificación de areniscas de Dott (1964) es uno de los muchos esquemas utilizados por los geólogos para clasificar las areniscas. El esquema de Dott es una modificación de la clasificación de las areniscas de silicato de Gilbert, e incorpora los conceptos duales de madurez textural y composicional de RL Folk en un solo sistema de clasificación. La filosofía detrás de la combinación de los esquemas de Gilbert y RL Folk es que es más capaz de "retratar la naturaleza continua de la variación textural desde la lutita hasta la arenita y desde la composición de grano estable a la inestable". El esquema de clasificación de Dott se basa en la mineralogía de los granos del marco y en el tipo de matriz presente entre los granos del marco.

En este esquema de clasificación específico, Dott ha establecido el límite entre arenita y wackes en una matriz del 15%. Además, Dott también divide los diferentes tipos de granos estructurales que pueden estar presentes en una arenisca en tres categorías principales: cuarzo, feldespato y granos líticos.

• Las arenitas son tipos de arenisca que tienen menos del 15% de matriz de arcilla entre los granos del marco.
  • Las arenitas de cuarzo son areniscas que contienen más del 90% de granos silíceos. Los granos pueden incluir fragmentos de roca de cuarzo o pedernal. Las arenitas de cuarzo son areniscas texturalmente maduras a supermaduras. Estas arenas de cuarzo puro resultan de la extensa meteorización que ocurrió antes y durante el transporte. Esta meteorización eliminó todo menos los granos de cuarzo, el mineral más estable. Por lo general, están afiliados a rocas que se depositan en un entorno cratónico estable, como playas eólicas o entornos de plataforma. Las arenitas de cuarzo emanan del reciclaje múltiple de granos de cuarzo, generalmente como rocas generadoras sedimentarias y menos regularmente como depósitos de primer ciclo derivados de rocas ígneas o metamórficas primarias.
  • Las arenitas feldespáticas son areniscas que contienen menos del 90% de cuarzo y más feldespato que fragmentos líticos inestables y minerales accesorios menores. Las areniscas feldespáticas son comúnmente inmaduras o submaduras. Estas areniscas se encuentran en asociación con plataformas cratónicas o estables. Las areniscas feldespáticas se derivan de rocas cristalinas primarias de tipo granítico. Si la arenisca es predominantemente plagioclasa, entonces es de origen ígneo.
  • Las arenitas líticas se caracterizan por un contenido generalmente alto de fragmentos líticos inestables. Los ejemplos incluyen clastos volcánicos y metamórficos, aunque los clastos estables como el pedernal son comunes en las arenitas líticas. Este tipo de roca contiene menos del 90 % de granos de cuarzo y más fragmentos de roca inestables que los feldespatos. Son comúnmente inmaduros a submaduros texturalmente. Están asociados a conglomerados fluviales y otros depósitos fluviales, o en conglomerados marinos de aguas más profundas. Se forman en condiciones que producen grandes volúmenes de material inestable, derivado de rocas de grano fino, en su mayoría lutitas, rocas volcánicas y rocas metamórficas.
• Las wackes son areniscas que contienen más del 15% de matriz arcillosa entre los granos de la estructura.
  • Los wackes de cuarzo son poco comunes porque las arenitas de cuarzo son texturalmente maduras a supermaduras.
  • Los wackes feldespáticos son areniscas feldespáticas que contienen una matriz superior al 15%.
  • El wacke lítico es una arenisca en la que la matriz supera el 15%.
• Las areniscas de Arkose son más del 25 por ciento de feldespato. Los granos tienden a ser mal redondeados y menos clasificados que los de las areniscas de cuarzo puro. Estas areniscas ricas en feldespato provienen de terrenos graníticos y metamórficos que se erosionan rápidamente, donde la meteorización química está subordinada a la meteorización física.
• Las areniscas de grauvaca son una mezcla heterogénea de fragmentos líticos y granos angulosos de cuarzo y feldespato o granos rodeados por una matriz arcillosa de grano fino. Gran parte de esta matriz está formada por fragmentos relativamente blandos, como esquisto y algunas rocas volcánicas, que se alteran químicamente y se compactan físicamente después del entierro profundo de la formación de arenisca.

Cuarcita

Cuando la arenisca se somete al gran calor y presión asociados con el metamorfismo regional, los granos de cuarzo individuales se recristalizan, junto con el material cementante anterior, para formar la roca metamórfica llamada cuarcita. La mayor parte o la totalidad de la textura original y las estructuras sedimentarias de la arenisca son borradas por el metamorfismo. Los granos están tan fuertemente entrelazados que cuando la roca se rompe, se fractura a través de los granos para formar una fractura irregular o concoide.

Los geólogos habían reconocido en 1941 que algunas rocas muestran las características macroscópicas de la cuarcita, aunque no hayan sufrido metamorfismo a alta presión y temperatura. Estas rocas han estado sujetas solo a temperaturas y presiones mucho más bajas asociadas con la diagénesis de la roca sedimentaria, pero la diagénesis ha cementado la roca tan completamente que es necesario un examen microscópico para distinguirla de la cuarcita metamórfica. El término ortocuarcita se usa para distinguir dicha roca sedimentaria de la metacuarcita producida por metamorfismo. Por extensión, el término ortocuarcita ocasionalmente se ha aplicado de manera más general a cualquier arenita de cuarzo cementada con cuarzo. La ortocuarcita (en sentido estricto) suele tener un 99 % de SiO ₂con cantidades muy pequeñas de óxido de hierro y minerales resistentes a trazas como circón, rutilo y magnetita. Aunque normalmente hay pocos fósiles presentes, se conservan la textura original y las estructuras sedimentarias.

La distinción típica entre una ortocuarcita verdadera y una arenisca de cuarzo ordinaria es que una ortocuarcita está tan cementada que se fracturará a través de los granos, no alrededor de ellos. Esta es una distinción que se puede reconocer en el campo. A su vez, la distinción entre una ortocuarcita y una metacuarcita es el inicio de la recristalización de los granos existentes. La línea divisoria se puede colocar en el punto donde los granos de cuarzo colados comienzan a ser reemplazados por pequeños granos de cuarzo nuevos, sin colar, produciendo una textura de mortero que se puede identificar en secciones delgadas bajo un microscopio polarizador. Con el aumento del grado de metamorfismo, una mayor recristalización produce una textura de espuma, caracterizada por granos poligonales que se encuentran en uniones triples y luegotextura porfiroblástica, caracterizada por granos gruesos e irregulares, incluidos algunos granos más grandes (porfiroblastos).

Usos

La piedra arenisca se ha utilizado desde tiempos prehistóricos para la construcción, obras de arte decorativas y herramientas. Se ha empleado ampliamente en todo el mundo en la construcción de templos, iglesias, viviendas y otros edificios, y en la ingeniería civil.

Aunque su resistencia a la intemperie varía, la arenisca es fácil de trabajar. Eso lo convierte en un material de construcción y pavimentación común, incluso en el hormigón asfáltico. Sin embargo, algunos tipos que se han utilizado en el pasado, como la piedra arenisca Collyhurst utilizada en el noroeste de Inglaterra, han tenido poca resistencia a la intemperie a largo plazo, por lo que es necesario repararlos y reemplazarlos en edificios más antiguos. Debido a la dureza de los granos individuales, la uniformidad del tamaño de los granos y la friabilidad de su estructura, algunos tipos de arenisca son excelentes materiales para hacer muelas, para afilar hojas y otros implementos. La piedra arenisca no friable se puede utilizar para fabricar muelas para moler grano, por ejemplo, piedra arenisca.

Se ha propuesto un tipo de arenisca de cuarzo puro, la ortocuarcita, con más del 90-95 por ciento de cuarzo, para su nominación a Global Heritage Stone Resource. En algunas regiones de Argentina, la fachada de piedra ortocuarcita es una de las principales características de los bungalows estilo Mar del Plata.