Concepto de Estratigrafía

Ciencia que estudia los estratos.

Estrato: Cuerpo generalmente tabular de roca o sedimento, con litología homogénea o gradual, que se ha depositado durante un intervalo de tiempo determinado (Fig. 1).

Ciencia geológica que trata del estudio e interpretación de todos los procesos registrados en las rocas sedimentarias con el fin de conocer la naturaleza, origen y disposición de las rocas estratificadas, la correlación y la ordenación temporal, tanto de materiales como de procesos.

Principios Fundamentales de la Estratigrafía

1. Principio de la Horizontalidad Original y Continuidad Lateral de los Estratos (Steno, 1669)

Los estratos en el momento de su sedimentación son horizontales y paralelos a la superficie de depósito (horizontalidad original) y quedan delimitados por dos planos que muestran continuidad lateral (Fig. 2).

• Limitaciones: Estratos lenticulares, inclinados, cuñas (Fig. 3). Estratos ligados a un ambiente sedimentario. Límites geográficos.

2. Principio de la Superposición de Estratos (Steno, 1669)

En una sucesión de estratos, los situados más abajo son los más antiguos y los más altos los más modernos (Fig. 4).

• Limitaciones: Secciones estratigráficas plegadas (Fig. 5). Terrazas fluviales (Fig. 6). Rellenos kársticos (cuevas) (Fig. 7).

3. Principio del Actualismo o Uniformismo (Hutton, 1788; Lyell, 1830)

(Fig. 8)

Los procesos que han tenido lugar a lo largo de la historia de la Tierra han sido uniformes (uniformismo) y semejantes a los actuales (actualismo). El presente (Cuaternario) es la clave del pasado.

• Limitaciones: Variaciones en el ritmo e intensidad de los procesos geológicos.

4. Principio de la Sucesión Faunística (Smith, 1799; Cuvier)

Los organismos fósiles se suceden en un orden definido y determinado, de manera que cada período puede reconocerse por sus fósiles característicos; es decir, los estratos que contienen los mismos fósiles son de la misma edad.

Es la base de la zonación paleontológica y, por tanto, de la datación relativa y de la correlación estratigráfica mediante criterios paleontológicos.

• Limitaciones: Fósiles alóctonos.

5. Principio de la Simultaneidad de Procesos (Catastrofismo Actualista) (Hsü, 1983)

En la naturaleza ocurrieron procesos normales, como los que observamos en la actualidad, pero además hubo otros procesos raros y eventuales (eventos) que mayoritariamente se corresponden con las grandes catástrofes. Eventos: criterio de correlación (Fig. 9).

Objetivos de la Estratigrafía

1. Identificación y caracterización de los materiales estratificados: Levantamiento de series estratigráficas con separación de tramos en función de los parámetros de las facies (litología, texturas, estructuras, propiedades geofísicas y geoquímicas, fósiles).
2. Delimitación de unidades litoestratigráficas: (Volúmenes de rocas sedimentarias de litología similar) en función de los criterios de polaridad vertical y lateral (posición relativa).
3. Ordenación relativa de las unidades litoestratigráficas definidas: Deducción de la continuidad o discontinuidad de los procesos sedimentarios que las originaron.
4. Interpretación genética de las unidades litoestratigráficas: Conocimiento de las condiciones sedimentarias reinantes de principio a fin de la sedimentación. Sedimentología (interpretación de medios sedimentarios).
5. Establecimiento de la sección estratigráfica local (para una región concreta): Observación de la geometría de los cuerpos sedimentarios. Deducción de las relaciones laterales.
6. Correlación de secciones estratigráficas (a nivel de cuenca sedimentaria).
7. Datación de los materiales y definición de unidades bio y cronoestratigráficas.
8. Análisis de cuencas: Geometría, génesis y evolución de la cuenca sedimentaria, y marco paleogeográfico.
9. Aplicaciones.

Evolución, Estado Actual y Perspectivas de Futuro

1ª. Fundación de la Geología y Establecimiento de Principios (S. XVII-XVIII)

• Principios fundamentales: Steno (1669), Hutton (1788), Smith (1799).
• Primeras escalas estratigráficas: Moro (1687-1764), Arduino (1713-1795), Lehmann (1719-1767), Buffon (1707-1788), Werner (1749-1817).
• Controversias geológicas: Plutonistas (Hutton) versus Neptunistas (Werner) (Fig. 10); Uniformistas o Actualistas versus Catastrofistas; Evolucionistas versus Fijistas y Creacionistas.
• Bases de la bioestratigrafía, cronoestratigrafía y geología histórica: Smith (1769-1839), Cuvier (1769-1832), Brogniart (1770-1847).

2ª. Desarrollo de la Geología y Diversificación (S. XIX)

• Publicación de Principles of Geology (Lyell, 1830).
• Desarrollo de los conceptos de: subsidencia (Elie de Beaumont y Darwin, 1848), geosinclinal (Hall y Dana, 1859-1973), reconstrucciones paleogeográficas (Dana, 1863), isostasia (Airy y Dutton, 1885), eustatismo y variaciones del nivel del mar, como causantes de transgresiones-regresiones (Suess, 1897).
• Primera campaña oceanográfica (Challenger, 1872-1876).

3ª. Nacimiento y Desarrollo de la Estratigrafía (S. XX)

• Publicación por Grabau (1913) del primer tratado de estratigrafía.
• A partir de 1917 se empiezan a utilizar los métodos radiométricos para dataciones absolutas.
• El desarrollo de la exploración petrolífera entre 1920 y 1940 conlleva una espectacular evolución en litoestratigrafía y análisis de cuencas, al incorporar los métodos de geología del subsuelo (sísmicos, magnéticos, etc.) y de geología marina.
• A partir de 1950, la evolución alcanzada por la estratigrafía permite constatar dos tendencias, que han tenido distinto grado de aceptación:
  • a) Tendencia clásica (escuela francesa, europea) que sigue la línea de Gignoux (Géologie stratigraphique, 1960) al dar un enfoque eminentemente histórico y agrupar en una sola disciplina la estratigrafía, la paleogeografía y la geología histórica.
  • b) Tendencia moderna (escuela norteamericana) con un enfoque más dinámico de análisis de facies e interpretación de la geometría de los cuerpos sedimentarios (Dunbar y Rodgers, 1957; Weller, 1960; Hallam, 1981, etc.).

Ramas o Especializaciones de la Estratigrafía

El gran desarrollo de la estratigrafía en los últimos años ha producido la subdivisión de la misma en varias ramas o especializaciones:

• Litoestratigrafía: Estudio de los cuerpos geométricos de rocas estratificadas, su geometría y su génesis.
• Bioestratigrafía: Estudio de la distribución temporal de los fósiles en el registro estratigráfico.
• Cronoestratigrafía: Establecimiento de la edad de las unidades estratigráficas y de una escala estratigráfica mundial.
• Magnetoestratigrafía: Establecimiento de la escala de cambios de polaridad magnética.
• Quimioestratigrafía: Estudio e interpretación de isótopos estables y elementos químicos de las rocas estratificadas.
• Análisis de cuencas: Reconstrucción de la distribución espacial y temporal de las unidades estratigráficas dentro de una cuenca sedimentaria.

Perspectivas de Futuro

Los retos planteados permiten avanzar como perspectivas de futuro de la estratigrafía las siguientes líneas de investigación:

• Estratigrafía de eventos.
• Estratigrafía sísmica y secuencial.
• Estratigrafía dinámica cuantitativa.
• Ciclicidad de secuencias sedimentarias.
• Estratigrafía de alta resolución.
• Estratigrafía y cambio climático.

Relación con Otras Ciencias

(Vera, J.A., 1994)

La Naturaleza del Registro Estratigráfico

Registro Estratigráfico: Conjunto de fenómenos geológicos ordenados temporalmente que quedaron registrados en una sección estratigráfica global.

Concepto abstracto: sucesión ideal que no existe en ningún punto de la Tierra, pero sirve de escala de referencia del tiempo geológico.

La sucesión estratigráfica en cualquier lugar de la superficie terrestre no es más que un registro delgado y fragmentario de los grandes períodos de tiempo de la historia de la Tierra.

El estudio del registro estratigráfico muestra una serie de procesos anómalos eventuales y de gran extensión areal e incluso global.

Eventos: grandes catástrofes (gran explosión volcánica, gran terremoto, cambio climático, cambio nivel del mar, impacto de meteorito, etc.).

La discusión de estos procesos o fenómenos tienen cabida en las ideas actuales del nuevo uniformismo o catastrofismo actualista.

• En la historia de la Tierra existieron fenómenos normales como los que vemos en la actualidad.
• En la historia de la Tierra existieron grandes catástrofes que determinaron los límites de las grandes divisiones geológicas.

Esto significa que los procesos geológicos han actuado y actúan de forma gradual, pero también aparecen eventos violentos de periodicidad irregular, e incluso algunos de carácter catastrófico y global (impacto meteorítico en el límite Cretácico-Terciario o la inundación del Mar Negro, solo hace pocos miles de años).

El Tiempo como Variable Geológica

La Estratigrafía es una ciencia de carácter histórico.

Conceptos del Tiempo

• Dimensión física.
• Duración o velocidad de un proceso.
• Cíclico: Etapa en un proceso repetitivo, fases del proceso.
• Histórico: Situación de un proceso o fenómeno en el continuo temporal del pasado.

Premisas para Percibir el Tiempo

• Cambio: Es necesario que se produzca un cambio y ser conscientes del antes y del después del cambio.
• Facies: Los cambios han de dejar evidencias, huellas, documentos: estratos.
• Sucesión causal: Es necesario que exista una lógica interna que permita establecer un orden en la sucesión temporal.

Tipos de Tiempo Geológico

• Tiempo Geológico: Desde el principio al fin del planeta Tierra (GEO). Concreto, relativo, subjetivo e histórico.
• Tiempo Pre-geológico: Desde el inicio de la dimensión tiempo a inicio de la Tierra. Astrofísica, Astronomía.
• Tiempo Post-geológico: Desde fin de la Tierra hasta fin dimensión tiempo.

Obstáculos Relacionados con el Concepto de Tiempo Geológico

• Fijismo: Visión estática de la Tierra.
• Creacionismo: Todo procede del acto de la Creación.
• Amplitud extraordinaria de su intervalo de variación: 10^-18 sg (long. onda rayos X) – 10¹⁶ sg (Hª Tierra).
• Gran magnitud de las escalas:
  • Escala humana: horas, semanas, meses, años.
    • Acontecimiento de hace 1 hora: reciente.
    • Acontecimiento de hace 90 años: muy viejo.
    • Acontecimiento de hace 1.000 años: antiguo.
  • Escala geológica: millones de años, miles de millones de años.
    • Acontecimiento de hace 10 millones de años: reciente, moderno.
    • Acontecimiento de hace 3.000 millones de años: antiguo.
• Lentitud de la mayoría de los procesos geológicos a escala humana: Alpes: 15-20 Ma (0,3% Hª Tierra). Un Cuatrimestre: 0,4% Hª persona.

En el registro estratigráfico quedan reflejados desde procesos de muy corta duración, pero de gran intensidad, hasta procesos normales de larga duración.

Al utilizar en la escala del tiempo geológico como unidad básica el millón de años, a los procesos que duran horas, días, años o pocos miles de años, se les llama instantáneos.

El Tiempo Geológico es casi vacío de acontecimientos. Es abstracto (Fig. 1).

Edades Relativas

Identifican cada proceso por su menor o mayor edad respecto a los otros. Orden en que se suceden los procesos geológicos. Escala relativa del tiempo geológico (Fig. 2).

Permiten establecer relaciones de edad entre las rocas, fósiles, estratos, etc., sin dar una valoración numérica.

Permiten la correlación cronológica de estratos, discontinuidades, etc., entre series estratigráficas.

Métodos de Datación Relativa

Para establecer las edades relativas se utilizan estructuras sedimentarias, secuencias de estratificación, disconformidades, estructuras tectónicas, fósiles, etc.

• Métodos Estratigráficos: Se basan en el estudio de las sucesiones estratigráficas. Las edades relativas se establecen, fundamentalmente, aplicando los principios generales de la Estratigrafía y ordenando los resultados de los procesos (materiales) en una escala cronoestratigráfica. Los principios de Superposición de estratos, Horizontalidad original y Continuidad lateral permiten la ordenación relativa de estratos o conjuntos de estratos de más antiguos a más modernos.

Importante: Establecer la POLARIDAD de la sucesión estratigráfica. La polaridad marca el sentido en el que transcurre el tiempo.

Niveles o capas guía: Superficies isócronas.

• Métodos Paleontológicos: Se basan en el principio de la Sucesión faunística: Los organismos se van sucediendo en el tiempo según un orden determinado. Las capas con fósiles idénticos tienen la misma edad.

El Principio de la Sucesión faunística o de la Correlación permite establecer la ordenación relativa mediante fósiles. A partir de la distribución de las especies, se pueden delimitar unidades bioestratigráficas, que representan intervalos de tiempo sucesivo y reconocible en otras series estratigráficas.

Fósiles característicos: Mínima dispersión temporal y máxima dispersión geográfica.

Cuando se establece una serie estratigráfica local y se representa gráficamente, la ordenación resultante es de tiempo relativo, ya que no se tienen magnitudes de valoración del tiempo.

Aplicación de criterios de edades relativas en un corte estratigráfico (VERA, 1994).

Edades Absolutas

Si lo que conocemos es un intervalo de tiempo, con magnitud (años o múltiplos de años), desde que sucedió un proceso hasta la actualidad, habremos obtenido una edad absoluta.

Miden la magnitud tiempo en unidades físicas: Ma. Proporcionan edades numéricas.

Determinan el tiempo que hace que ocurrió un fenómeno geológico con respecto al presente: Escala absoluta del tiempo geológico.

Para medidas expresadas en millones de años, no se utilizan puntos de referencia para iniciar la cuenta. Para medidas de cientos o miles de años, se recurre a una fecha de referencia, el año 1950, indicándose con las siglas b.p. (before present) que la cifra dada se cuenta desde esta fecha hacia atrás.

Métodos de Datación Absoluta

Fundamento: Encontrar un fenómeno que sea función matemática del tiempo con las características o requisitos del principio del reloj: Movimiento continuo. Ritmo definido y constante. Velocidad independiente del medio. Escala de medida adecuada.

Métodos No Radiactivos

• Dendrocronológico (Fig. 3): Se basa en los anillos de crecimiento de los árboles. Cada año añaden un anillo con dos partes: Primavera (grueso y claro) y Finales Verano (delgado y oscuro). Se van encadenando los anillos en diferentes árboles, partiendo de uno con edad conocida. Secuencia dendrocronológica (hasta ahora se ha obtenido una escala continua de más de 11.000 años).
• Varvas Glaciares (Figs. 4 y 5): Pares de láminas claras y oscuras (mm-cm) que se forman cada año en lagos de frente glaciar. Lámina clara: Mayor tamaño de grano (Primavera-Otoño). Lámina oscura: Menor tamaño de grano (Invierno). Se van encadenando las varvas glaciares en diferentes lagos. Secuencia de varvas glaciares (unos 9.000 años. Nivel 0: Suecia).

Métodos Radiactivos

Los elementos químicos se presentan bajo formas diferentes, todas ellas con el mismo número de protones, pero con variación en el de neutrones. Además, pueden aparecer como: formas estables o isótopos estables (sin cambio a lo largo del tiempo) o como isótopos radioactivos, que son inestables (cambios continuos desde su formación) y son los que interesan para los métodos radiométricos.

Ejemplo: En el caso del carbono, el ¹²C es un isótopo estable y además la forma mayoritaria, el ¹³C es un isótopo estable y el ¹⁴C es un isótopo radioactivo.

Fundamentos de los Métodos Radiactivos

La utilización de isótopos radiactivos para la datación de materiales geológicos se basa en aceptar que:

• Su desintegración comienza en el momento de formación de la roca (en rocas ígneas coincide con la solidificación; en rocas sedimentarias el momento se toma desde que el elemento deja de estar en contacto con la atmósfera o hidrosfera).
• Cada isótopo radiactivo ha estado desintegrándose a una velocidad fija desde la formación de la roca en la que aparece.
• Cualquier muestra radiactiva tiene una intensidad de desaparición de núcleos originales proporcional al número de núcleos presentes en la reacción.
• La cantidad residual de elementos radiactivos primarios (Elementos Padre) es proporcional a la cantidad de las sustancias radiogénicas derivadas (Elementos Hijo). Con el tiempo, el número de Hijos crece y el número de Padres decrece.

Premisas para la Datación Radiactiva

• Conocer la constante de desintegración (λ): constante de proporcionalidad de la desintegración de N átomos en el tiempo t (dN/dt = -λN).
• Seguridad de las técnicas analíticas.
• Que el elemento radiactivo sea relativamente común.
• Que su vida media (periodo de semidesintegración: tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los núcleos de una muestra) sea adecuada al intervalo de tiempo a medir (Fig. 6).
• Distinción de los elementos Hijos de otros ya presentes desde el origen.
• Que la muestra sea representativa del sistema estudiado.
• Que se haya comportado como un sistema cerrado, sin pérdida o adición externa de Padres o Hijos.

Inconvenientes de la Datación Radiactiva

• Escape de elementos Hijos de los minerales.
• Hay pocos materiales con composición mineralógica idónea.
• El grado de precisión disminuye con la edad de la roca.
• Económicos.

Principales Métodos Radiométricos

• Potasio-Argón (K-Ar): De los tres isótopos del potasio (³⁹K, ⁴⁰K y ⁴¹K), el ⁴⁰K es radioactivo y su desintegración produce ⁴⁰Ca (89%) y ⁴⁰Ar (11%), al tiempo que emite partículas β y γ. Como el ⁴⁰Ca no se puede diferenciar del común (muy frecuente en la naturaleza), se utiliza el ⁴⁰Ar.
  • Vida media: 1.300 Ma.
  • Intervalo de aplicación: 50.000 a 3.000 Ma.
  • Materiales: Minerales con ⁴⁰K (moscovita, biotita, hornblenda, glauconita). Rocas volcánicas, plutónicas o metamórficas. Rocas sedimentarias (evaporitas, arcillas).
• Rubidio-Estroncio (Rb-Sr): El ⁸⁷Rb es radioactivo y se descompone dando como elemento hijo el ⁸⁷Sr, emitiendo partículas β.
  • Vida media: 48.000 Ma.
  • Intervalo de aplicación: Cualquier edad. Más utilizado para > 100 Ma.
  • Materiales: Minerales con ⁸⁷Rb (moscovita, biotita, glauconita, feldespatos, hornblendas). Rocas volcánicas, plutónicas o metamórficas. Rocas sedimentarias (minerales autígenos). Meteoritos.
• Plomo (Uranio-Torio-Plomo) (U-Th-Pb):
  • ²³⁸U → ²⁰⁶Pb + 8 ⁴He
  • ²³⁵U → ²⁰⁷Pb + 7 ⁴He
  • ²³²Th → ²⁰⁸Pb + 6 ⁴He (En desuso)

  En las tres cadenas se emiten partículas α.

  • Vida media ²⁰⁶Pb: 4.530 Ma.
  • Vida media ²⁰⁷Pb: 713 Ma.
  • Intervalo de aplicación: Cualquier edad. Más utilizado para Precámbrico (> 590 Ma).
  • Materiales: Minerales con ²³⁸U y/o ²³⁵U (silicatos: circón; óxidos: uraninita; fosfatos: carnotita). Rocas volcánicas, plutónicas o metamórficas. Rocas sedimentarias (minerales pesados). Rocas lunares.
• Carbono-14 (¹⁴C): A diferencia de los anteriores, data la fecha de muerte del organismo con material radiactivo (Fig. 7).
  • Vida media: 5.750 años.
  • Intervalo de aplicación: 0 – 70.000 años (fiable hasta 35.000 años).
  • Materiales: Restos carbonosos. Caparazones. Huesos. Telas. Cerámica. Materia orgánica de sedimentos.
• Huellas de Fisión: La desintegración espontánea (fisión) del ²³⁸U produce núcleos hijos de ⁹⁶U y ¹⁴⁰U, que penetran como proyectiles en las redes cristalinas de los minerales, arrancando electrones de los átomos próximos y generando unos surcos lineales: huellas de fisión (Fig. 8).
  • Intervalo de aplicación: < 23 Ma.
  • Materiales: Minerales con ²³⁸U (circón, apatito, epidota, granate). Rocas volcánicas del Mioceno y Cuaternario.

Escalas del Tiempo Geológico

Escala Cronoestratigráfica

Unidades: Conjunto de estratos que se han depositado durante un intervalo de tiempo determinado. Unidades materiales, tridimensionales (Fig. 9).

Ejemplo Reloj de arena: Unidad cronoestratigráfica: Cantidad de arena (nº de granos).

Escala Cronoestratigráfica: Ordena las rocas en el tiempo. No tiene expresión numérica. Es una escala relativa del tiempo geológico.

Unidades (jerarquía): Cronozona < Piso < Serie < Sistema < Eratema.

Escala Geocronológica

Unidades: Intervalo de tiempo durante el que se ha formado una unidad cronoestratigráfica. Unidades temporales intangibles (Fig. 10).

Ejemplo Reloj de arena: Unidad geocronológica: Tiempo que tarda en pasar la arena (nº de minutos).

Escala Geocronológica: Ordena el tiempo. No tiene expresión numérica. Es una escala relativa del tiempo geológico.

Unidades (jerarquía): Cronozona < Edad < Época < Período < Era.

Escala Geocronométrica

Unidades: Tiempo geológico de igual duración y con expresión numérica.

Unidades geocronométricas: Ma, múltiplos y submúltiplos.

Escala Geocronométrica: Tiene expresión numérica. Es una escala absoluta del tiempo geológico.

Comparación de las Tres Escalas

(Fig. 11)

EJEMPLO: El período Carbonífero (U. Geocronológica) es el tiempo durante el cual se depositaron las rocas del sistema Carbonífero (U. Cronoestratigráfica) que duró 72 Ma, o que transcurrió entre los 290 y los 362 Ma (U. Geocronométrica).

Calibrado de la Escala del Tiempo Geológico

Trata de añadir edades absolutas (valores numéricos en Ma) a las escalas relativas.

Objetivo principal: Que cada límite de las unidades relativas tengan la misma edad en toda la Tierra.

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