20Fósiles y paleoambientes

Sobre una losa de arenisca gris hay tres pistas: el rastro que un trilobites abrió en el fango, las ondulaciones que dejó una corriente y una madriguera que un gusano excavó y abandonó. Ninguna de ellas es un animal entero y, sin embargo, juntas dicen que esta ladera fue en otro tiempo el fondo de un mar, lo bastante somero para que el oleaje lo removiera, lo bastante salado para que vivieran en él trilobites. Los fósiles son los restos y las huellas de la vida pasada, y los geólogos los leen dos veces: como relojes que datan la roca, y como testigos del lugar donde se formó. Este capítulo sigue a un ser vivo desde su muerte hasta el cajón del coleccionista, abre los raros depósitos en los que sobreviven incluso los cuerpos blandos, y después lee el ambiente de un mar desaparecido, con cifras, en la cobertera de las colinas de Varden.

Lo que ya sabes

De los volúmenes escolares: fósil, molde, contramolde e icnofósil; cómo el enterramiento y los minerales convierten una concha en piedra; la sucesión de los fósiles a lo largo del tiempo. Del volumen de primer año: las facies sedimentarias y los medios sedimentarios, las turbiditas, los arrecifes y los ooides; las biozonas, los fósiles guía y los datos de primera aparición; la compactación, la descompactación, la ley de Athy y el espesor sólido de una capa; el cemento; el espacio de acomodación. De capítulos anteriores: las transgresiones y regresiones, el nivel del mar a largo plazo y los eventos anóxicos oceánicos (Capítulo 19). Cómo evolucionan las especies, y cómo se clasifican los animales y las plantas, corresponde a los libros de biología.

20.1 De la muerte al fósil

La mayoría de los seres vivos no dejan nada tras de sí. Las bacterias y los carroñeros consumen las partes blandas en días o años, las corrientes rompen y dispersan las duras, y los ácidos de los suelos y de las aguas intersticiales disuelven lo que queda. Un fósil es lo que sobrevive a todo esto, y sobrevive además al enterramiento, al calentamiento y al levantamiento de la roca que lo contiene.

Definición 20.1 (Tafonomía; potencial de preservación)

La tafonomía es el estudio de lo que les ocurre a los restos de un organismo desde su muerte hasta su descubrimiento como fósil: descomposición, carroñeo, transporte, enterramiento y los cambios químicos de la diagénesis. El potencial de preservación de un organismo, o de una de sus partes, es la probabilidad de que pase por estas etapas y sobreviva en la roca.

Cada etapa quita algo, añade algo o cambia algo. La descomposición y el carroñeo eliminan los tejidos blandos; los minerales del agua intersticial rellenan los poros de un hueso o sustituyen el aragonito de una concha, añadiendo materia que el animal nunca tuvo; el calentamiento altera las moléculas orgánicas que quedan. Loron clasifica todos estos cambios post mortem en tres clases, ganancia, pérdida y alteración, y los escribe como una sola ecuación para el cambio de cualquier rasgo medible entre un organismo y su fósil. La figura siguiente recorre las etapas y lo que cada una se lleva.

Los volúmenes escolares llamaban fósil a cualquier resto o huella de vida pasada conservado en una roca. Las dos clases se comportan de forma tan distinta en la roca que merecen nombres propios.

Definición 20.2 (Fósil corporal; icnofósil)

Un fósil corporal es una parte del cuerpo de un organismo, o el molde o contramolde de esa parte: una concha, un hueso, un diente, una hoja y, en depósitos raros, un tejido blando. Un icnofósil es una estructura que un organismo hizo con su actividad en un sedimento o una roca, o sobre ellos: una pisada, un rastro, una madriguera, una perforación, una pauta de alimentación.

Un icnofósil forma parte del sedimento en el que se excavó: una corriente que lo moviera lo destruiría. Registra por tanto las condiciones del lugar exacto donde vivía su autor, cosa que una concha, fácil de arrastrar por el fondo, no siempre hace. Los icnofósiles se nombran como los organismos, con un género y una especie, pero el nombre describe la estructura, no el animal: la misma madriguera puede excavarla varias clases de animales, y un solo animal puede dejar varias clases de huella.

Enterramiento frente a destrucción

La carrera entre el enterramiento y la destrucción puede plasmarse en un modelo sencillo. Los restos que yacen en el fondo se destruyen a un ritmo constante $k$, la probabilidad por unidad de tiempo de que sean comidos, rotos o disueltos; están a salvo una vez que los cubre un espesor $h$ de sedimento; y el sedimento se acumula a la velocidad $s$.

Proposición 20.3 (Enterramiento antes de la destrucción)

Con estas hipótesis, la probabilidad de que un resto llegue a estar a salvo es

$$P = e^{-kh/s}.$$

Depende de las tres magnitudes solo a través de la razón entre el tiempo hasta el enterramiento, $h/s$, y el tiempo medio de supervivencia en el fondo, $1/k$.

Ejemplo 20.4 (Una concha en un fondo tranquilo)

Supóngase que una concha sobrevive en el fondo 20 años de media, $k = 0.05\,\mathrm{yr}^{-1}$, y que está a salvo bajo $h = 0.1\,\mathrm{m}$ de fango. Con $s = 1\,\mathrm{mm}\,\mathrm{yr}^{-1}$ el tiempo hasta el enterramiento es de 100 años y $P = e^{-5} = 0.0067$: sobrevive menos de una concha de cada cien. Con $1\,\mathrm{cm}\,\mathrm{yr}^{-1}$, $P = e^{-0.5} = 0.61$. Una tormenta que vierte $0.3\,\mathrm{m}$ de arena en un día lo entierra todo de una vez, y entonces $P$ es cercana a uno. Las cifras son supuestas, pero la lección no: los fósiles se concentran donde el sedimento llega deprisa o en capas repentinas.

El modelo muestra también por qué el registro está sesgado. Un gusano de cuerpo blando, cuyo tiempo medio de supervivencia en el fondo es de días y no de decenios, tiene un valor de $k$ cientos de veces mayor que una concha gruesa, y por tanto una probabilidad exponencialmente menor. La mayor parte del registro fósil está formada por animales con concha y por restos microscópicos. Tyler y Kowalewski midieron cuánto pierde una comunidad en su camino hacia la roca. En 51 estaciones de un fondo marino costero contaron 135 especies vivas de invertebrados, 150 especies entre las conchas y los esqueletos que yacían muertos en el fondo, y 112 que tienen además registro fósil. Los muertos superan a los vivos porque las conchas del fondo se acumularon a lo largo de muchos años, procedentes de animales que ya no viven allí. Los detritívoros y los carnívoros, en su mayoría de cuerpo blando, son los que menos probabilidades tienen de conservarse; aun así, los principales grupos ecológicos de la comunidad viva se encontraron todos entre los muertos.

20.2 Ventanas de preservación excepcional

Definición 20.5 (Lagerstätte)

Un Lagerstätte (plural Lagerstätten) es un depósito sedimentario que conserva fósiles de calidad excepcional, en particular los tejidos blandos, no biomineralizados, que la descomposición destruye casi en todas partes; un depósito así se llama también Konservat-Lagerstätte.

Los Lagerstätten son raros, pero buena parte de lo que se sabe de los animales de cuerpo blando procede de ellos, y la primera gran radiación de los animales, en el Cámbrico, se entiende mejor gracias a ellos.

El esquisto de Burgess

En 1909 Charles Walcott dibujó en su libreta de campo un pequeño artrópodo que había encontrado en el esquisto de Burgess, en la Columbia Británica. Más tarde recogió cientos de ejemplares de él, Waptia, en un único intervalo de unos $2\,\mathrm{m}$ de espesor, el Phyllopod Bed; su descripción moderna se basa en más de 1800 ejemplares conservados en dos museos. El esquisto de Burgess, de unos 508 millones de años, se depositó en aguas más profundas, frente a un escarpe submarino abrupto. Entre sus fósiles hay animales sin concha, conservados como películas aplastadas de carbono, a menudo cuerpos enteros. Esa preservación está ligada al enterramiento en fangos pobres en oxígeno que los animales no bioturbaban y que las corrientes no removían: las pérdidas de la figura anterior se detuvieron de inmediato.

Solnhofen

Las calizas de grano fino de Solnhofen y Eichstätt, en Baviera, se depositaron en lagunas a comienzos del Titoniense, la última edad del Jurásico, que empezó hace $149.2\,\mathrm{Ma}$. Son la localidad tipo de doce ejemplares de Archaeopteryx, de numerosos pterosaurios y de peces cuyos tejidos blandos e incluso patrones de color sobreviven. Los fósiles son allí raros, pero su preservación es extraordinaria. Se han propuesto varias condiciones, quizá actuando juntas: aguas de fondo unas tres veces más saladas que el agua de mar o muy alcalinas, que frenan la descomposición bacteriana; tapetes bacterianos que sellaban los cadáveres; aguas de fondo sin oxígeno, que mantenían alejados a los carroñeros; y tormentas que removían el fango calcáreo y enterraban deprisa los cadáveres. Cada una de ellas alarga el tiempo de supervivencia $1/k$ o acorta el tiempo hasta el enterramiento $h/s$.

Los fósiles como relojes

El volumen de primer año construyó la biozona, un conjunto de estratos definido por sus fósiles, y el fósil guía que la reconoce. ¿Qué precisión tiene ese reloj? Una zona de ammonites jurásica puede durar alrededor de un millón de años: la primera zona del Toarciense, datada con edades uranio–plomo de capas de ceniza de Argentina, abarca de 183.73 a $182.77\,\mathrm{Ma}$. Las zonas se dividen en horizontes, y en el Jurásico Superior un horizonte de ammonites dura en promedio $165\,\mathrm{kyr}$. Todos los esqueletos de Archaeopteryx proceden de una sola zona que contiene cinco horizontes, de modo que el ave se conoce a lo largo de unos 0.7 a 1 millón de años. Los fósiles, sin embargo, solo dan un orden; las edades en años proceden de capas de ceniza datadas por uranio y plomo, y de ciclos sedimentarios. Las mismas capas de ceniza sitúan la base del Toarciense en $183.73$, con una incertidumbre de $+0.35$ y $-0.50\,\mathrm{Myr}$, donde la tabla internacional da $184.2\,\mathrm{Ma}$.

20.3 Los fósiles como testigos del ambiente

Para leer un ambiente en un fósil, un geólogo supone que el organismo vivía donde viven sus parientes actuales, y que los procesos que actúan hoy sobre el sedimento actuaban entonces de la misma manera.

Definición 20.6 (Actualismo)

El actualismo es el método que interpreta los registros geológicos del pasado mediante los procesos, y las relaciones entre los organismos y su ambiente, que pueden observarse hoy.

En 1830 Charles Lyell dio al primer volumen de sus Principles of Geology el subtítulo «un intento de explicar los cambios pasados de la superficie de la Tierra por referencia a causas que actúan en la actualidad». El método tiene límites. Muchos grupos están extinguidos, y su modo de vida debe deducirse de su forma y del sedimento que los rodea; y un ambiente del pasado puede no tener un equivalente exacto hoy.

Definición 20.7 (Paleoambiente)

Un paleoambiente es el conjunto de condiciones físicas, químicas y biológicas que reinaban donde y cuando se formó una roca: el marco, la profundidad y la energía del agua, su salinidad, su temperatura y su oxígeno, la naturaleza del fondo y la vida sobre él.

¿Dónde vivía el fósil?

La primera pregunta es si los fósiles vivieron donde yacen.

Definición 20.8 (Asociaciones de vida y de muerte; fósiles autóctonos y alóctonos)

Una asociación de vida es un grupo de fósiles de organismos que vivieron juntos, conservados donde y como vivían; una asociación de muerte es un grupo de restos reunidos tras la muerte, que puede mezclar organismos de lugares distintos y de épocas distintas. Un fósil es autóctono si se conserva donde vivía el organismo, y alóctono si fue transportado desde otro lugar antes del enterramiento.

Las pistas son las del transporte. Conchas todavía cerradas, un coral o un bivalvo excavador en su posición de crecimiento, espinas delicadas intactas, todas las edades de una población presentes: los fósiles son probablemente autóctonos. Valvas sueltas clasificadas por tamaño, fragmentos desgastados y rotos, conchas concentradas en la base de una capa granoclasificada: fueron transportados. Una asociación de muerte de conchas, como la del fondo costero anterior, conserva aún la mayor parte de la comunidad, pero reúne muchos años de ella en una sola capa: sus fósiles están promediados en el tiempo.

Salinidad y oxígeno

Algunos animales solo toleran la salinidad del mar abierto: se llaman estenohalinos. Los equinodermos, los cefalópodos, los corales y, en el Paleozoico, los trilobites son grupos estenohalinos típicos; su presencia habla a favor de un agua de mar normal, y su ausencia en una fauna rica puede hablar en contra. Los depósitos de un estuario silúrico de Vietnam contienen restos vegetales, huesos de peces, bivalvos, gasterópodos y ostrácodos, pero ninguno de esos grupos. Los equinodermos faltan también en la biota de Chengjiang, un Lagerstätte de unos 518 millones de años, aunque aparecen en Lagerstätten de mar abierto del Cámbrico: los animales de Chengjiang vivían frente a un delta, donde el agua dulce hacía fluctuar la salinidad.

El oxígeno deja su marca a través de los organismos excavadores. Donde el agua del fondo tiene oxígeno, los animales mezclan el sedimento y destruyen su laminación fina; donde no lo tiene, las láminas sobreviven, faltan las madrigueras y se forma pirita, como en las lutitas negras de los eventos anóxicos oceánicos del Capítulo 19. La misma falta de excavadores protegió los cadáveres del esquisto de Burgess.

Icnofacies

Los icnofósiles son los mejores testigos del fondo, porque no se movieron. Sus autores responden a la energía del agua, a la firmeza del fondo, al alimento y al oxígeno, y las mismas asociaciones de huellas se repiten a lo largo del Fanerozoico.

Definición 20.9 (Icnofacies)

Una icnofacies es una asociación recurrente de icnofósiles que refleja un conjunto de condiciones ambientales; recibe el nombre de una huella característica.

A lo largo de un perfil marino, de la costa a la cuenca profunda, se suceden cuatro icnofacies marinas (figura siguiente). La icnofacies de Skolithos, dominada por madrigueras de habitación verticales, cilíndricas o en U de organismos suspensívoros, con pocas huellas horizontales, es típica de la zona intermareal y de la playa sumergida. La icnofacies de Cruziana, dominada por las madrigueras de sedimentívoros, con las huellas de ramoneadores, carnívoros y suspensívoros, es típica de la plataforma externa: el fondo entre el nivel de base del oleaje de buen tiempo, la profundidad por encima de la cual el oleaje ordinario remueve el sedimento, y el nivel de base del oleaje de tormenta, al que solo llegan las olas de tormenta. La icnofacies de Zoophycos, llamada así por una madriguera que remueve el sedimento en láminas helicoidales alrededor de un eje central, es típica de la plataforma por debajo del nivel de base del oleaje de tormenta y del talud. La icnofacies de Nereites, con sus madrigueras regulares en meandros, en espiral y en red, interpretadas como las trampas y los huertos de animales que encontraban poco alimento, es típica del mar profundo más allá del borde de la plataforma. En las bahías y estuarios salobres, la regla es una icnofacies de Cruziana con pocas especies.

La profundidad no actúa directamente. En un canal de mar profundo, donde las corrientes de turbidez son fuertes, aparecen madrigueras verticales de la icnofacies de Skolithos muy por debajo de cualquier nivel de base del oleaje; y cerca de un delta, donde llegan agua dulce y fango, las huellas de la plataforma externa son más pobres que en otros lugares. Los autores también se desplazaron a lo largo del tiempo: la madriguera Zoophycos vivía en la plataforma en el Paleozoico, en la plataforma inferior y el talud en el Mesozoico, y en el mar profundo en el Cenozoico. Una icnofacies registra las condiciones del fondo, de las que la profundidad solo se deduce, y la deducción debe tener en cuenta la edad de la roca.

Sobre el terreno — Contar fósiles capa a capa

Un paleontólogo que reconstruye un ambiente a partir de una sección levanta cada capa con su litología, su espesor y sus estructuras sedimentarias, y después sus fósiles: qué grupos, cuántos, si las conchas están enteras o rotas, cerradas o abiertas, clasificadas o no, y en qué posición yacen. Los icnofósiles se anotan donde se ven, en las superficies de estratificación y en las caras verticales, con la profundidad que alcanzan las madrigueras. Como una concha puede moverse pero una madriguera no, las dos listas se llevan por separado; el ambiente se lee primero en las huellas, y después se buscan en los fósiles corporales señales de transporte.

20.4 Leer un mar desaparecido

Los ambientes están uno junto a otro: una playa, un fondo de plataforma externa, una plataforma más profunda. Cuando el mar sube o el fondo se hunde, cada ambiente se desplaza hacia tierra sobre su vecino, y sus depósitos pasan a quedar encima de los del vecino. Una sucesión vertical de facies, sin interrupción, repite así el orden de los ambientes que estaban uno al lado del otro; el volumen de tercer año hace de esta regla, la ley de Walther, su punto de partida. Una columna leída de abajo arriba es una película de la costa desplazándose sobre un lugar.

La cobertera de las colinas de Varden, la región inventada de la serie, ofrece un ejemplo completo. Sus espesores son los del modelo de la región; los fósiles de la figura siguiente se han inventado para ella, pero cada uno se ha elegido de modo que rocas reales de ese tipo puedan contenerlo. A la caliza se le asigna el Toarciense, de 184.2 a $174.7\,\mathrm{Ma}$, y a la lutita del Aaleniense al Calloviense, de $174.7\,\mathrm{Ma}$ a $161.5\,\mathrm{Ma}$.

Ejemplo 20.10 (La base de la cobertera de Varden)

La arenisca contiene rellenos de canal sobre bases erosivas, raíces y fragmentos vegetales, y ningún fósil marino: la depositaron ríos en tierra firme. La caliza oolítica de encima tiene ooides con estratificación cruzada, que crecen al rodar en aguas agitadas, tubos verticales y madrigueras en U de la icnofacies de Skolithos, y fragmentos de concha desgastados, todos alóctonos: un bajío de la playa sumergida, barrido por el oleaje. Entre ambas llegó el mar: el contacto registra una transgresión marina. En el orden de la ley de Walther, a la llanura fluvial le siguió la orilla, y después el bajío.

¿A qué velocidad se rellenó el fondo marino?

Una biozona da una duración, una columna da un espesor, y su cociente es una velocidad. Pero el espesor ha disminuido desde que se depositó el sedimento: el agua de los poros ha sido expulsada, y solo se conservan los granos.

Proposición 20.11 (Velocidad de acumulación de una capa compactada)

Una capa de espesor actual $h$ y porosidad media $\varphi$, depositada durante el tiempo $\Delta t$ con la porosidad $\varphi_0$, se acumuló a la velocidad

$$r = \frac{h\,(1 - \varphi)}{(1 - \varphi_0)\,\Delta t}$$

de sedimento fresco, y a la velocidad $h(1-\varphi)/\Delta t$ de granos, que no depende de $\varphi_0$.

Cuando no se midió la porosidad, la ley de Athy la da a partir de la profundidad. La figura siguiente muestra la ley para cuatro litologías, y el factor $(1 - \varphi(z))/(1 - \varphi_0)$ por el que hay que estirar una capa delgada situada hoy a la profundidad $z$ para obtener su espesor en superficie. La creta y la lutita empiezan con mucha agua y la pierden deprisa: una capa delgada de lutita a $1000\,\mathrm{m}$ era 1.68 veces más gruesa cuando se depositó, y una capa de creta, 2.19 veces.

Ejemplo 20.12 (La lutita de Varden)

En el sinclinal de las colinas de Varden la creta tiene $766\,\mathrm{m}$ de espesor, así que la lutita está entre 766 y $866\,\mathrm{m}$. Con las constantes de la lutita, $\varphi_0 = 0.63$ y $\lambda = 1960\,\mathrm{m}$, el espesor sólido del volumen de primer año es $100 - 0.63 \times 1960 \times (e^{-766/1960} - e^{-866/1960}) = 58.4\,\mathrm{m}$, una porosidad media de 0.416. Devuelta a la superficie con los mismos granos, la capa tiene $148.6\,\mathrm{m}$ de espesor. En los $13.2\,\mathrm{Myr}$ que van desde la base del Aaleniense hasta el techo del Calloviense, la lutita se acumuló a $100/13.2 = 7.6\,\mathrm{m}$ por millón de años tal como está hoy, a $148.6/13.2 = 11.3\,\mathrm{m}$ por millón de años de fango fresco, y a $4.4\,\mathrm{m}$ por millón de años de granos. El espesor actual infravalora la velocidad en un tercio.

La lutita pudo estar en otro tiempo aún más profunda, bajo una creta erosionada después; la corrección es entonces un mínimo. El problema de fin de semana aplica la proposición a la caliza, cuya porosidad se midió.

Ejercicios

Datos para los ejercicios, salvo indicación contraria: ley de Athy $\varphi = \varphi_0 e^{-z/\lambda}$ con $\varphi_0 = 0.63$, $\lambda = 1960\,\mathrm{m}$ (lutita), $0.49$, $3704\,\mathrm{m}$ (arenisca), $0.70$, $1408\,\mathrm{m}$ (creta), $0.51$, $4545\,\mathrm{m}$ (caliza); calcita $2710\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, agua intersticial $1000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$; las edades de la tabla internacional: Toarciense de 184.2 a $174.7\,\mathrm{Ma}$.

Ejercicio 20.1 ★

En 51 estaciones de un fondo costero se encontraron vivas 135 especies de invertebrados, 150 entre las conchas y los esqueletos muertos del fondo, y 112 que tienen además registro fósil. (a) Exprésese el tercer número como fracción de cada uno de los dos primeros. (b) ¿Cómo pueden los muertos superar a los vivos? (c) ¿Qué grupos tróficos esperaría usted que estuvieran infrarrepresentados entre los muertos, y por qué?

Solución

Solución de Ejercicio 20.1.

(a) $112/135 = 0.830$ y $112/150 = 0.747$. (b) Las conchas muertas del fondo se acumulan durante años o más: incluyen especies que vivieron allí antes, o raramente, o que fueron transportadas, de modo que la asociación de muerte promedia muchas generaciones de la comunidad. (c) Los grupos de cuerpo blando, en particular los detritívoros y los carnívoros como los gusanos: sin esqueleto, se descomponen antes del enterramiento.

Ejercicio 20.2 ★

Un horizonte de ammonites del Jurásico Superior dura en promedio $165\,\mathrm{kyr}$. (a) ¿Cuánto duran cinco horizontes? Compárese con los 0.7 a 1 millón de años dados para Archaeopteryx. (b) La primera zona del Toarciense abarca de 183.73 a $182.77\,\mathrm{Ma}$: ¿cuántos horizontes de duración media contendría? (c) ¿Por qué importan los horizontes, y no las zonas, para seguir la evolución de un linaje?

Solución

Solución de Ejercicio 20.2.

(a) $5 \times 165 = 825\,\mathrm{kyr}$, unos $0.8\,\mathrm{Myr}$, dentro de los 0.7 a 1 millón de años. (b) $183.73 - 182.77 = 0.96\,\mathrm{Myr}$, y $0.96/0.165 = 5.8$: unos seis horizontes. (c) Un linaje cambia en mucho menos de un millón de años; solo los horizontes separan las formas sucesivas, mientras que una zona las agrupa.

Ejercicio 20.3 ★

Nómbrense la icnofacies y el marco de cada conjunto. (a) Rastros de ramoneo en meandros y redes regulares de madrigueras en las bases de turbiditas delgadas. (b) Tubos verticales muy juntos en arena limpia con estratificación cruzada. (c) Abundantes madrigueras horizontales de sedimentívoros y huellas de ramoneo en capas limosas entre arenas de tormenta. (d) Madrigueras helicoidales con spreite en un fango fino y oscuro sin ondulaciones de oleaje, en rocas mesozoicas.

Solución

Solución de Ejercicio 20.3.

(a) Icnofacies de Nereites: el fondo de mar profundo de un sistema turbidítico, más allá del borde de la plataforma, donde el alimento escasea. (b) Icnofacies de Skolithos: zona intermareal o playa sumergida. (c) Icnofacies de Cruziana: plataforma externa, entre los niveles de base del oleaje de buen tiempo y de tormenta. (d) Icnofacies de Zoophycos: en el Mesozoico, la plataforma inferior o el talud, por debajo del nivel de base del oleaje de tormenta.

Ejercicio 20.4 ★

La capa A contiene crinoides, braquiópodos, corales y trilobites; la capa B, de la misma edad, contiene restos vegetales, huesos de peces, unos pocos bivalvos y gasterópodos, y numerosos individuos de solo dos especies de ostrácodos. (a) ¿Qué dice cada una sobre la salinidad de su agua? (b) A la capa B le faltan los grupos de la capa A: ¿por qué esa ausencia es un argumento, mientras que la ausencia de un fósil en una capa no lo es? (c) ¿Qué otras observaciones pondrían a prueba la interpretación de la capa B?

Solución

Solución de Ejercicio 20.4.

(a) La capa A contiene grupos estenohalinos: agua de mar normal. La capa B, pobre en especies pero rica en individuos, con restos vegetales y ninguno de los grupos estenohalinos, sugiere agua salobre, por ejemplo un estuario. (b) Los grupos ausentes son varios, comunes y bien conservados en capas marinas de la misma edad: su ausencia conjunta es una pauta, mientras que un fósil puede faltar por azar o por mala preservación. (c) El sedimento (canales mareales o fluviales, láminas de fango, raíces), los icnofósiles (una icnofacies de Cruziana con pocas especies), y el paso lateral de la capa B a depósitos marinos o fluviales.

Ejercicio 20.5 ★★

Úsese la Proposición 20.3 con la concha del Ejemplo 20.4, $k = 0.05\,\mathrm{yr}^{-1}$ y $h = 0.1\,\mathrm{m}$. (a) Hállese la velocidad de sedimentación con la que la mitad de las conchas llegan a estar a salvo. (b) ¿En qué factor cambia $P$ cuando la velocidad se reduce a la mitad de ese valor? (c) Una concha el doble de gruesa sobrevive el doble de tiempo en el fondo. Con $1\,\mathrm{mm}\,\mathrm{yr}^{-1}$, ¿cuánto más probable es que se conserve? (d) ¿Qué implica esto para las proporciones de conchas finas y gruesas en una asociación fósil?

Solución

Solución de Ejercicio 20.5.

(a) $P = 1/2$ cuando $kh/s = \ln 2$: $s = 0.05 \times 0.1/0.693 = 0.0072\,\mathrm{m}\,\mathrm{yr}^{-1}$, $7.2\,\mathrm{mm}$ al año. (b) Reducir $s$ a la mitad duplica el exponente: $P = (1/2)^2 = 0.25$, la mitad. (c) $k$ se reduce a la mitad: $P = e^{-2.5} = 0.082$ en lugar de $e^{-5} = 0.0067$, $e^{2.5} = 12$ veces más probable. (d) Las conchas gruesas y robustas están sobrerrepresentadas, y tanto más cuanto más lento es el enterramiento.

Ejercicio 20.6 ★★

Las capas de ceniza datan la base del Toarciense en Chacay Melehue en $183.73$, $+0.35$, $-0.50\,\mathrm{Myr}$; la tabla internacional da $184.2\,\mathrm{Ma}$. (a) ¿Está el valor de la tabla dentro de la incertidumbre? ¿Por cuánto se sale de la cota superior? (b) La primera zona del Toarciense termina a $182.77\,\mathrm{Ma}$: hállese su duración. (c) Supóngase que esta zona tiene $6\,\mathrm{m}$ de espesor en una sección: ¿cuál es la velocidad de acumulación? (d) ¿Por qué una biozona puede ser la misma en todas partes en el tiempo mientras su espesor varía de un lugar a otro?

Solución

Solución de Ejercicio 20.6.

(a) La cota superior es $183.73 + 0.35 = 184.08\,\mathrm{Ma}$: los $184.2\,\mathrm{Ma}$ de la tabla quedan fuera, por $0.12\,\mathrm{Myr}$. (b) $183.73 - 182.77 = 0.96\,\mathrm{Myr}$. (c) $6/0.96 = 6.25\,\mathrm{m}$ por millón de años. (d) Una biozona se define por fósiles, cuyas apariciones y desapariciones son casi simultáneas en áreas extensas; el espesor de roca depositado durante ese tiempo depende de la velocidad local de acumulación.

Ejercicio 20.7 ★★

En el sinclinal de Varden la arenisca está entre 1046 y $1166\,\mathrm{m}$ bajo el suelo. (a) Hállense su porosidad según la ley de Athy en el techo y en la base, y su porosidad media, redondeada a tres decimales, a partir del promedio de ambas. (b) Hállese su espesor sólido. (c) Restáurese a la superficie con el factor de capa delgada a la porosidad media. (d) La restauración exacta da $147.0\,\mathrm{m}$. ¿Por qué la estimación de capa delgada es algo demasiado grande?

Solución

Solución de Ejercicio 20.7.

(a) $0.49\,e^{-1046/3704} = 0.369$ y $0.49\,e^{-1166/3704} = 0.358$; media $0.364$. (b) $120 \times (1 - 0.364) = 76.3\,\mathrm{m}$. (c) $76.3/(1 - 0.49) = 149.6\,\mathrm{m}$. (d) El factor supone que toda la capa restaurada tiene la porosidad $\varphi_0$ de la superficie; pero una capa de $150\,\mathrm{m}$ de espesor en superficie es menos porosa en su base que en su techo, de modo que los mismos granos ocupan menos de $149.6\,\mathrm{m}$.

Ejercicio 20.8 ★★

Un registro de densidad marca $2573\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ en la caliza de Varden, formada por granos de calcita con agua en los poros. (a) Demuéstrese que la porosidad es $\varphi = (\rho_{\text{grano}} - \rho)/(\rho_{\text{grano}} - \rho_{\text{agua}})$ y calcúlese. (b) A la profundidad media de la caliza en el sinclinal, $956\,\mathrm{m}$, ¿qué predice la ley de Athy con las constantes de la caliza? (c) ¿Qué proceso diagenético puede explicar la diferencia?

Solución

Solución de Ejercicio 20.8.

(a) Un volumen unidad contiene $\varphi$ de agua y $1 - \varphi$ de granos: $\rho = \varphi \rho_{\text{agua}} + (1 - \varphi)\rho_{\text{grano}}$, lo que da la fórmula; $(2710 - 2573)/(2710 - 1000) = 0.080$. (b) $0.51\,e^{-956/4545} = 0.413$. (c) La cementación: la calcita precipitada en los poros, que sufren los carbonatos además de la compactación, elimina mucha más porosidad que el enterramiento por sí solo.

Ejercicio 20.9 ★★

Un acantilado de rocas jurásicas muestra de la base hacia arriba: turbiditas delgadas con meandros regulares y redes de madrigueras; fango oscuro con madrigueras helicoidales con spreite; capas limosas con madrigueras de sedimentívoros entre arenas de tormenta; arena limpia con estratificación cruzada y tubos verticales; después, un carbón con raíces. (a) Interprétese cada parte. (b) ¿Se hizo el agua más profunda o más somera? (c) Nómbrense dos causas que podrían producir esta sucesión, y dígase qué permitiría decidir entre ellas. (d) ¿Por qué un salto brusco de la primera parte a la cuarta, sin las demás, es una advertencia?

Solución

Solución de Ejercicio 20.9.

(a) Turbiditas de mar profundo (icnofacies de Nereites); un fondo jurásico de la plataforma inferior o del talud (Zoophycos); un fondo de plataforma externa entre los niveles de base del oleaje (Cruziana); una playa sumergida (Skolithos); una ciénaga en tierra firme. (b) El agua se hizo más somera hacia arriba: la costa se desplazó hacia el mar. (c) Un descenso del nivel del mar, o un aporte de sedimento más rápido que la subsidencia, como delante de un delta que crece; un descenso se encontraría en la misma época en otras cuencas, un delta sería local y su sedimento llegaría de un solo lado. (d) En una sucesión concordante, los ambientes vecinos se suceden; un salto sobre los intermedios indica una laguna temporal o una falla.

Ejercicio 20.10 ★★★

Un animal de cuerpo blando sobrevive en el fondo un año de media ($k = 1\,\mathrm{yr}^{-1}$), y una concha, un siglo; ambos están a salvo bajo $h = 0.1\,\mathrm{m}$. (a) Compárense sus probabilidades de preservación a 1, 10 y $100\,\mathrm{mm}\,\mathrm{yr}^{-1}$. (b) Hállese la velocidad con la que se conserva un cuerpo blando de cada cien. (c) ¿Es plausible una velocidad así durante meses seguidos? ¿Qué clase de depósito entierra el fondo más deprisa? (d) ¿Qué hipótesis de la Proposición 20.3 falla para un depósito así, y cómo se comporta la fórmula cuando falla?

Solución

Solución de Ejercicio 20.10.

(a) El tiempo hasta el enterramiento es $h/s$ = 100, 10 y $1\,\mathrm{yr}$. Cuerpo blando: $e^{-100} \approx 4 \times 10^{-44}$, $e^{-10} = 4.5 \times 10^{-5}$, $e^{-1} = 0.37$. Concha ($k = 0.01\,\mathrm{yr}^{-1}$): $e^{-1} = 0.37$, $e^{-0.1} = 0.90$, $e^{-0.01} = 0.99$. (b) $s = kh/\ln 100 = 0.1/4.605 = 0.022\,\mathrm{m}\,\mathrm{yr}^{-1}$, $22\,\mathrm{mm}$ al año. (c) Difícilmente, durante meses; pero una capa de tormenta, una turbidita o una caída de ceniza entierran el fondo en horas. (d) La velocidad de sedimentación constante: el tiempo hasta el enterramiento es entonces mucho más corto que $h/s$ con la velocidad media, y $P = e^{-kT}$, con $T$ el tiempo real hasta el enterramiento, tiende a uno cuando $T$ es mucho menor que $1/k$.

Ejercicio 20.11 ★★★

(a) Demuéstrese que el factor de capa delgada $(1 - \varphi(z))/(1 - \varphi_0)$ se deduce de la Proposición 20.11. (b) Aplíquese a la profundidad media de la lutita de Varden, $816\,\mathrm{m}$, para restaurar los $100\,\mathrm{m}$ de lutita. (c) Compárese con los $148.6\,\mathrm{m}$ exactos del Ejemplo 20.12, y explíquese el signo de la diferencia. (d) Demuéstrese que la velocidad de granos, a diferencia de la velocidad de sedimento fresco, puede compararse entre una lutita y una caliza sin saber lo porosa que era cada una al depositarse.

Solución

Solución de Ejercicio 20.11.

(a) Una capa delgada $\mathrm dz$ a la profundidad $z$ contiene los granos $(1 - \varphi(z))\,\mathrm dz$; en superficie ocupan $\mathrm dz_0$ con $(1 - \varphi_0)\,\mathrm dz_0 = (1 - \varphi(z))\,\mathrm dz$. (b) $\varphi = 0.63\,e^{-816/1960} = 0.415$; $(1 - 0.415)/0.37 = 1.581$, así que $158.1\,\mathrm{m}$. (c) $9.5\,\mathrm{m}$ de más: como en el Ejercicio 20.7, la capa restaurada no es uniformemente tan porosa como su superficie. (d) La velocidad de granos, $h(1-\varphi)/\Delta t$, solo usa el espesor y la porosidad actuales, ambos medidos.

Ejercicio 20.12 ★★★

Supóngase que los horizontes de ammonites del Toarciense duran $165\,\mathrm{kyr}$ en promedio, como los del Jurásico Superior. (a) ¿Cuántos horizontes contendrían los $180\,\mathrm{m}$ de la caliza de Varden? (b) ¿Qué espesor de caliza representa hoy un horizonte, y qué espesor de sedimento fresco, sabiendo que la capa tenía $338\,\mathrm{m}$ de espesor al depositarse? (c) Para estar seguro de encontrar todos los horizontes, un geólogo muestrea a no más de la mitad de ese espesor actual: ¿qué espaciado es ese, y cuántas muestras? (d) ¿Por qué podrían faltar algunos horizontes aun así?

Solución

Solución de Ejercicio 20.12.

(a) $9.5/0.165 = 57.6$ horizontes. (b) $180/57.6 = 3.1\,\mathrm{m}$ de caliza hoy, $338/57.6 = 5.9\,\mathrm{m}$ de sedimento fresco. (c) Como mucho $1.5\,\mathrm{m}$: $180/1.5 = 120$ intervalos, 121 muestras. (d) Interrupciones de la sedimentación, capas sin ammonites, y horizontes condensados en unos pocos centímetros donde el sedimento llegaba despacio.

Problema 20.1

Problema de fin de semana — El mar jurásico de las colinas de Varden

Este problema lee el ambiente y la historia de la cobertera de Varden, con la columna de la Sección 20.4 y los datos de los ejercicios. La cobertera buza $12{}^{\circ}$ en los flancos de los pliegues; en el sinclinal la atraviesa un sondeo.

Parte I — Las rocas y su espesor.

1. En terreno llano sobre un flanco, la caliza aflora en una anchura de $866\,\mathrm{m}$, medida perpendicularmente a la dirección. Hállese su espesor real.
2. La lutita aflora en $481\,\mathrm{m}$. Hállese su espesor.
3. ¿Qué unidad es la más antigua, y según qué principio?
4. En el sondeo, la lutita empieza a $766\,\mathrm{m}$, la caliza a $866\,\mathrm{m}$ y la arenisca a $1046\,\mathrm{m}$ bajo el suelo. Compruébense los espesores.
5. La creta está cortada por la superficie del terreno. ¿Qué puede decirse de su espesor cuando se retiró el mar cretácico?
6. Hállese la porosidad de la creta en la superficie y en la base de la creta en el sondeo.

Parte II — Ambientes.

7. ¿Qué dicen los crinoides, braquiópodos, belemnites y ammonites de la caliza fina sobre su agua?
8. ¿Qué icnofacies forman sus huellas, y en qué parte del perfil?
9. ¿Qué registran sus capas de conchas rotas con bases netas?
10. La lutita es oscura, laminada en algunos puntos, con pirita y pocas madrigueras. ¿Qué dice eso sobre el agua del fondo?
11. Sus capas más claras contienen madrigueras helicoidales con spreite. ¿Qué icnofacies, y qué marco?
12. ¿Forman los ammonites de la lutita parte de una asociación de vida del fondo? Explíquese.

Parte III — Tiempo y velocidades. Las capas más bajas de la caliza contienen los ammonites de la primera zona del Toarciense, las más altas los de la última, y la lutita empieza con la primera zona del Aaleniense.

13. ¿Cuánto tardó en acumularse la caliza?
14. ¿A qué velocidad, tal como está hoy la caliza?
15. El registro de densidad del sondeo marca $2573\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ en la caliza. Hállese su porosidad.
16. El fango calcáreo se deposita con una porosidad de 0.51. Hállese el espesor del sedimento fresco.
17. Hállese la velocidad de sedimento fresco.
18. Hállese la velocidad de granos.
19. Compárese con la lutita del Ejemplo 20.12. ¿Qué sugiere el cambio de velocidad sobre el aporte de carbonato?

Parte IV — El mar sobre Varden.

20. Léase la columna de la arenisca a la creta. ¿Avanzó o retrocedió el mar?
21. En la curva a largo plazo de Haq y otros, el nivel del mar global estaba unos 41, 57 y $86\,\mathrm{m}$ por encima del actual a 184, 174 y $162\,\mathrm{Ma}$. ¿Cuánto subió durante la caliza, durante la lutita, y en total?
22. Supóngase que el fondo pasó de $5\,\mathrm{m}$ de agua en el bajío a $60\,\mathrm{m}$ en el techo de la lutita. Hállese el espacio de acomodación creado desde la base de la caliza hasta el techo de la lutita, contando los espesores frescos de ambas unidades, y su velocidad media.
23. ¿Qué parte puede explicar la subida global? ¿Qué produjo el resto?
24. En resumen: ¿a qué velocidad se acumuló el fango calcáreo de la caliza de Varden cuando se depositó?

Solución

Solución de Problema 20.1.

1. $866 \sin 12{}^{\circ} = 866 \times 0.2079 = 180.0\,\mathrm{m}$. 2. $481 \times 0.2079 = 100.0\,\mathrm{m}$. 3. La arenisca, por superposición: los flancos buzan solo $12{}^{\circ}$, así que las capas no están invertidas y la más baja es la más antigua. 4. $866 - 766 = 100\,\mathrm{m}$ y $1046 - 866 = 180\,\mathrm{m}$. 5. Al menos $766\,\mathrm{m}$ allí; su techo original está erosionado, así que su espesor completo se desconoce. 6. 0.70 en superficie; $0.70\,e^{-766/1408} = 0.406$ a $766\,\mathrm{m}$. 7. Son grupos estenohalinos: el agua tenía la salinidad del mar abierto. 8. Una icnofacies de Cruziana: la plataforma externa, entre los niveles de base del oleaje de buen tiempo y de tormenta. 9. Tormentas: sus olas llegaban al fondo, rompían las conchas y las depositaban en capas de base erosiva. 10. El agua del fondo era pobre en oxígeno: pocos excavadores, láminas conservadas, formación de pirita. 11. La icnofacies de Zoophycos, en el Mesozoico la plataforma inferior o el talud, por debajo del nivel de base del oleaje de tormenta; con oxígeno suficiente a veces para los excavadores. 12. No: los ammonites nadaban en el agua de encima; sus conchas se hundieron o derivaron hasta el fondo tras la muerte y forman una asociación de muerte. 13. $184.2 - 174.7 = 9.5\,\mathrm{Myr}$. 14. $180/9.5 = 18.9\,\mathrm{m}$ por millón de años. 15. $(2710 - 2573)/(2710 - 1000) = 0.080$. 16. $180 \times (1 - 0.080)/(1 - 0.51) = 338\,\mathrm{m}$. 17. $338/9.5 = 35.6\,\mathrm{m}$ por millón de años. 18. $180 \times 0.92/9.5 = 17.4\,\mathrm{m}$ por millón de años. 19. La lutita daba 11.3 y $4.4\,\mathrm{m}$ por millón de años: la velocidad de granos se redujo unas cuatro veces. El carbonato del bajío y de la plataforma dejó de llegar a medida que el fondo se hacía más profundo, y solo lo alcanzaba una lenta lluvia de fango. 20. Avanzó: ríos, después un bajío, un fondo de plataforma externa, un fondo por debajo del nivel de base del oleaje de tormenta, y después el mar abierto de la creta. La columna registra una transgresión. 21. $57 - 41 = 16\,\mathrm{m}$ durante la caliza, $86 - 57 = 29\,\mathrm{m}$ durante la lutita, $45\,\mathrm{m}$ en total. 22. $(60 - 5) + 338 + 148.6 = 542\,\mathrm{m}$, en $184.2 - 161.5 = 22.7\,\mathrm{Myr}$: $23.9\,\mathrm{m}$ por millón de años. 23. $45/542 = 0.083$: alrededor del $8\,\%$, y menos si la carta de ciclos exagera la amplitud. El resto procedió de la subsidencia del fondo. 24. El fango calcáreo de la caliza de Varden se acumuló a unos $36\,\mathrm{m}$ por millón de años cuando se depositó.