Cuadernos Geología Ibérica Vol. 4 Págs. 411-422 Madrid 1977 PROCESOSDIAGENETICOS EN LAS ARENISCAS DEL BUNTSANDSTEIN DE LA CORDILLERA IBERICA Por R. MARFIL *, B. DE LA CRUZ y J. A. DE LA PEÑA * RESUMEN Composicionalmentelos mateí-ialesestudiadosson, en general,arcosasy subarcosas, con cantidades variables de matriz arcillosa, cementadas por dolo- mita> calcita, sílice (opalina o de crecimiento sintaxial sobre los granos de cuarzo), óxidos de hierro y, esporádicamente, baritina. Se abordan los siguientes problemas: 1. Estabilidad de los minerales durante la diagénesis. 2. Diferenciaciónentre matriz primaria, pseudomatrizy cementoarcillo- micáceo. 3. Génesis y orden de aparición de los cementos existentes. 4. Estudio de estructuras y texturas diagenéticas. Finalmente se analiza la distribución espacial de estos procesos, dando los estadios diagenéticos alcanzados en cada área. ABSTRACT Compositionally the materlals studied are generally arkoses and subarkoses, with variable proportions of argillaceous rnatrix, cemented by dolomite, cal- cite, silica (opal or sintaxial overgrowths of grains of quartz), iron oxides and sporadically, baritine. The problems dealt with are the following: 1. Stability of the minerals during diagenesis. 2. Differentiation among primary matrix, pseudomatrix and argillaceous- micaceous cement. 3. Origin and order of appeareance of the cements. 4. Study of diagenetic structures and textures. * Dpto. de Petrología. Universidad Complutense. Madrid. ** Juntade EnergíaNuclear. Madrid. 411 Finally, the spacial distribution of theseprocessesis analyzed and the diagenetic stages, which are reachedin each area,are give. RÉSUMÉ Les matériaux étudiés sont, en général,des arkoseset subarkoses,avec une matrice argileuse en quantité variable; ils sont cimentés par la dolomite, la calcite, la silice( opale ou de croissancesintaxiale autour des grains de quartz), des oxydes de fer et parfois de la barytine. On a étudié les problémessuivants: 1. La stabilité des minérauxdurant la diagenése. 2. La différenciation entre: matrice primaire, pseudomatriceet ciment argilo-micacé. 3. La genése et l’ordre d’apparition des ciments existants. 4. L’étude des structures et textures diagénétiques. Finalement, on analysé la distribution spatiale de ces processus, et on pre- sente les stades diagénétiques atteints dans chaque région. INTRODUCCIÓN Hasta la actualidad las areniscas del Buntsandstein han sido tema de es- tudios estratigráficos, petrológicos y mineralógicos. Ahora bien, el gran auge que ha tomado en los últimos años el estudio de los procesos diagenéticos nos ha llevado a intentar reproducir los estadios por los cualeshan pasadoestas rocas desde el momento de su deposición hasta su emersión y meteorización. La elección de estos materiales como motivo de un estudio tan específico se justifica por la existencia de trabajos previos en que los autores han abor- dado aspectos tales como su procedencia, composición, ambiente de sedi- mentación, etc. SÁNCHEZ et al. (1971), MARFIL et al. (1971), GABALDÓN y DE LA PEÑA (1973), DE LA CRUZ (1976), GARCfA et al. (1976) y LUCAS et al. (1976). Para este estudio se han dispuesto de los datos suministrados por nueve columnas levantadas en afloramientos a lo largo de la Rama Castellana de la Cordillera Ibérica, desde el borde del Sistema Centra hasta Teruel, así como de los correspondientes a varios sondeos efectuados por la Junta de Energía Nuclear en la zona de Mazarete. Como complemento> también se han incorpo- radtVdáfU§ bhtéñldó éiiÁib~érvYcfóné§ e1éctúádá~tn puntos dNpéÑb§dél amplio sectorestudiado,figura 1. Se han seleccionado unas trescientas muestras a las cuales se ha realizado estudio petrográfico en lámina delgada previa tinción de faldespatos y carbo- natos. Las muestras cuyo cementoy/o matriz presentabanproblemas de reconocimiento han sido estudiadas mediante difracción de rayos X. También se han realizadoanálisisquímicos. A modo de resumen de los datos ya publicados en los trabajos citados, los materiales que se estudian son composicionalmente arcosas y subarcosas, ob- servándose hacia el este de la zona un incremento en el porcentaje de estas últimas y un mayor contenido en matriz arcillosa. Sus colores dominantes son pardos (IOYR a SYR) y rojos (IOR) subordinados. Frecuentemente hay zonas gris-verdosas (5Y a 5GY) afectando irregularmente a las anteriores. 412 ESTABILIDAD DE LOS MINERALES EN LA DIAGÉNESIS En el cuadro 1 se ha hechouna representacióngráfica para poder tener una ideade conjunto de los tres procesosque afectana los minerales(corro- sión, neoformacióny transformación).Los valoresgráficos sólo son semicuan- titativamenteválidos para cadamineral, no siendo comparablesentre distin- tos minerales. El fenómenomás frecuenteobservadoen estasareniscasfeldespáticases el de la corrosión de los componentes del esqueleto (cuarzo, feldespatos, micas, turmalina,circón, etc.)por el cementocarbonático,figura 2, y/o por la matriz arcillosa en menor proporción. En orden de importancia> el segundo fenó- meno observado es el de la neo formación de los componentes del esqueleto ya citados que da lugar a parte de la cementación de estas rocas y que, por tanto, describiremos más adelante. El fenómenode la transformaciónes el observado menos frecuentemente, ya que afecta a minerales presentes en una menor proporción, tales como algunas micas, minerales de la matriz y algunos feldespatos potásicos. La escasez de plagioclasas en estas rocas nos hace pensar que aunque su trans- formación a minerales de arcilla tuvo lugar fundamentalmente durante la hipergénesis también continuó durante la diagénesis.La interrogación que figura en el cuadro 1 se debe a que las transformacionesdiagenéticasde las plagioclasas han alcanzado su etapa final y no quedan casi relictos que per- mitan reconocer los procesos. Hemos observado que la corrisión de los cuarzosy feldespatosestáprodu- cida fundamentalmentepor carbonatos,siendomás intensoe[ procesoen los cuarzospolicristalinos y en los feldespatosmaclados. Fig. 1. Esquemade situación de la zona estudiada 413 ueo-J‘ex ~ 4LjJz o — o -Jmct1—<1) Li 414 Los datos suministradospor las transformacionesde las micas son de los más iníportantes para conocer el ambiente diagenético. Los procesos obser- vados por nosotros han sido los siguientes: a) Moscovita —* Illita. b) Corrosión de moscovitay biotita por carbonatosa travésde los planos de exfoliación. e) Minerales de arcilla —* Moscovita. U) Biotita Clorita. e) Biotita -~ Oxidos de hierro. J) Biotita —> Glauconita. g) Corrosión de biotita por sílice. Li) Minerales de arcilla —> Biotita. Según DAPPLE5 (1967) en el estadio redoxomórfico tendría lugar la reacción: oxidación (1) Miotita ~—.--* Oxidos de hierro + Minerales arcilla (illita-caolinita) reducción pasandola biotita, enpresenciade carbonatosy enambientedébilmentereduc- tor, a clorita. Por otro lado, en un ambientedébilmentealcalino (pH = 8) la biotita es establey puedeneoformarsesi existeun ambientereductor(1). Hay autores,cornoMILLER (1957) y el mismo DAPPLES (1967),que citanbiotitas auti- génicas a partir de illita y caolinita en ~onas reducidasdentro de areniscas rojas a favor de restos carbonosos, en cuyo caso se forma más aquélla que la moscovita. Tal vez las zonas donde nosotrosencontramosneoformaciónde biotita con preferenciasobrela moscovita se debaprecisamentea la existenciade dichas condiciones,ya que éstasse dan fundamentalmenteen areniscasgris- verdosas. La aparición de clorita en arcosas grises asociadascon carbonatosy su escasez en las arcosas rojas más oxidadas parece indicar que la clorita es más estable que la biotita en un ambiente de precipitación de carbonatos. La moscovita es más estable en los tramosrojos, pudiendoneoformarsea partir de illita y/o caolinita en medio oxidante, donde la biotita es inestable y se altera a óxidos de hierro. En el cuadro 1 se observa que el mineral más estable en el ambiente diagenético ha sido la moscovita, ya que es el único en el que domina la neoformaciónsobre los demásprocesos. Turmalinas y circones, aunque minerales de alta resistencia, aparecen con estabiiidad algo inferior a la de la moscovita, ya que en ellos domina la co- rroslon sobre la neoformación. Dc otros minerales accesorios, tales como apatito, rutilo, epidota,etc., por su escasa presencia no disponemos de datos suficientes para dar su estabili- dad en la diagénesis. Ej. PROBI.EMA DL LA MATRIZ De acuerdo con diversos autores, consideramos el tamaño de la matriz de cualquier origen en menor de 30 It. Dicha matriz puede ser primaria (sin- .;‘tdimentaria) o secundaria (diagenética). liemos considerado que la cuantificación de la matriz, así como su identi- 415 ficación composicionales un problemaimportante a resolver, pues no sólo permitirá clasificar las areníscasestudiadascomo maduraso inmaduras(FOLK, 1956 y MCBRIDE, 1963)> o incluirlas como «grauvacastexturales»(DIcKINSoN, 1970), sino tambiénun mejor conocimientode los procesosdiagenéticossufri- dos por ellas. Paraeste trabajoutilizamos la nomenclaturade DIcKINSON (1970) para los distintos tipos de matriz por considerarlaadecuadaal caso, clara y con un gran sentido genético.Según estecriterio hemos reconocidoque los compo- nentes Fundamentalesdc la ínatriz de las arcosasdescritasla forman clastos lábiles (esquistosmicáceos,pizarrasarcillosas>fragmentosde rocasvolcánicas> etc.) deformadospor compactacióny presión-solución,todo lo cual da lugar a una pseudomatriz, figura 3. El producto de alteración díagenéticade feldespatos(plagioclasasfunda- mentalmente),fragmentosde rocas sedimentarias(ortopizarrasy areniscas) y fragmentosde rocasvolcánicas,todos los cualesse transformanen caolinita y/o illita, originan lo que podríamos denominar epimatriz, pues textural- mente tiene los caracteresrequeridos para tal denominación.Este tipo de matriz tiene similar importanciacuantitativaque la anterior. Menos abundantese reconocela presenciade ortomatriz, la cual es difí- cil de diferenciar de la epimatriz cuandose han borrado las texturas relictos. Su génesisse debea la recristalizacióndel material fino sedimentado(matriz primaria o protoinatriz). Por último, la neoformaciónde micas origina un cemento micáceo,el cual tiene hábito cristalino monomineral y composición de illita-moscovita en los nivelesrojos y de biotita en los gris-verdosos. Resumiendo,podemos decir que estas arcosaseran areniscas«limpias», menos del 15 9’o de matriz en el momento de su deposición, existiendo tres tipos fundamentales de alteración diagenética que contribuirían al incremento de la misma y que en un orden temporal serían: a) Reemplazamientos que puedenser pseudomorfoscíe granosdetríticos enteros o sustituciones parciales de los mismos. b) Deformación de granosdel esqueleto>tales como esquistosmicáceos, micas,microlitos de fragmentosde rocas volcánicas,etc. c) Neoformación de minerales arcillo-micáceos en huecos. Todos estoshechosnos conducena una «grauvaquización»(KUENEN, 1966) de las arcosas estudiadas, aunque más adelante veremos que la existencia de cementación dolomítica ha detenido, y en algunos casos borrado, este efecto de enriquecimiento en matríz. NATURALEZA Y GÉNESIS DE LOS CEMENTOS Nos referimosa todoslos cementospresentesen estasrocassalvo al arcillo- micáceo que ya hemos tratado anteriormente por estar implicado en el pro- blemna de la matriz. Por nrdcn delmportanciacuant,tat¡vwsepi5n los datos obtenidosen los análisis modales, los cementos presentes y sus características composicionales y texturales son los siguientes: Cemento carbonático. Fundamentalmente dolomita, a menudo ferrífera (alrededor del 10 % de FeO en las más ricas). Presenta texturas macrocrista- 416 linas poiquilotópicasenglobandolos granosdetríticos y en menor proporción mosaicos inequigranularescon contactosrectos entre los cristales, estando distribuida en parches irregulares. La calcita es mucho más escasa,presentandotextura en mosaico a favor de grietas y fracturas y otras veces texturas rómbicasdifusascon los contornos enfatizados por óxidos de hierro, figura 4, como consecuencia de procesos de dedolomitización. En los sondeos se han encontrado varios niveles de costras calcáreas con texturas pisolíticas. Cementoferruginoso. Principalmentehematitesy geothita; a veces algu- na alteracióna limonita. Texturalmentepresentatres formascaracterísticas: a) Película sobre los granos detríticos. b) Depósitosen poros y microfracturascon hábitosfibrososy botroidales. c) Absorbidos sobre los minerales de arcilla. Cementosilíceo. Se presentacomo cuarzo,ópalo y como formas fibrosas (calcedonia). El cemento de cuarzo tiene una textura sintaxial sobre granos detríticos pudiendo diferenciarse perfectamenteambas zonas gracias a la película de óxidos de hierro interpuesta, figura 5. Cuando el crecimiento está muy desarrollado,los cristales llegan a dar un mosaico con contactos rectos. En algunos niveles de la base, donde los depósitos son más potentes, se observan contactos suturados. El ópalo rellana poros y se distribuye en parches dispersos Las formas fibrosas son muy escasas y parecen sustituir fragmentos de rocas volcánicas. Cemenlofeldespático. Se traduce en delgadas y nítidas películas sobrelos granos subredondeados de feldespato potásico detríticos, dando tendencias idioniorfas, figura 6. Cementode baritina. Es muy escasoy se presentaasociadoal cemento dolomítico. Se encuentrapuntualmentey tiene texturaen mosaicomacrocris- talino. Hemos intentadoestablecerla genésisde todos estoscementospartiendo de una secuencia que ha sido determinada mediante el estudio de las rela- ciones de fábrica, la cual parece ser: Goethita-hematites, cuarzo secundario, feldespato secundario, dolomita-baritina,ópalo, micas y calcita-limonita. Durante la diagénesis temprana el hierro sufre reacciones redoxomórficas que, según DAPPLE5 (1967), son las responsables del color final de la roca. Los depósitos estudiados tienen un valor medio de óxidos de hierro de 3,3 ¾en muestras rojas y pardas y en 2,0 ¾ en las gris-verdosas; siendo el valor máximo encontrado, en el caso de las rojas, de 9 ¾. Nosotros, MARFIL et al. (1971), ya abordamos la diferenciación entre los lechos rojos y pardos de las areniscasestudiadas,por ello nos limitaremos aquí a describir los caracteresde los gris-verdososy la génesis de todos ellos. Cuando las reacciones redoxomórficas se llevan a cabo en un ambiente oxigenado, como ocurre en nuestros depósitos, y llegan los óxidos de hierro como detritos, absorbidos por los minerales de arcilla, o bien como iones ferrosos transportados por aguas subterráneas poco oxigenadas, se origina principalmente goethita y hematites, dando colores pardos y rojos respectiva- mente inmediatamente después de la sedimentación. La acumulación de mate- ria orgánica en a 1gunas zonas y su evolución condicionan fenómenos de reduc- 417 chin que se reflejan en coloracionesgris-verdosasy en la aparición de mine- rales, tales como pirita, calcopirita y covelina. Durante el estadiolocomórfico tendría lugar una silicificación seguidadel crecimientosecundariode feldespatospotásicosy de cementacióndolomítica. La precipitación de cuarzocomo sobrecrecimientode granosdetríticos es la forma más frecuente de cementación silícea. La fuente de la sílice es inor- gánica a favor de fenómenosde disoluciónpor presión,alteración de feldes- patos y transformacionesde mineralesde arcilla. Para algunos autoresel contactosuturadoentre cuarzosadyacentesindi- caría que por presión-disoluciónha habido interpenetración,sin embargo, SJPPEL (1968) dice que este hecho está relacionado con la fuerza del creci- miento secundario.TRURNIT (1968) pone varios ejemplos de disolución por presión e incluso de contactosestilolíticos en los cantos de cuarcita de los materialesy zona estudiadospor nosotros. Nuestrasobservacionespetrográ- ficas confirman que la génesis de los contactossuturadosestá fundamental- menterelacionadacon la presiónde carga.Además,suaparicióndominanteen la base parece apoyar esta idea. La presenciade formas fibrosas de cuarzo sustituyendoa la matriz lo consideramoscomo un procesolocomórfico temprano tal vez coetáneocon los crecimientossecundariosde cuarzo. Aunque es frecuente la inclusión de la feldespatizaciónen estadiosmás avanzados de diagénesis (filomórfico), en nuestro caso hay evidencias textu- ralesde ser anterior a la cementacióndolomíticaque suponemoslocomórfica en gran parte. Su presencia en los tramos superiores de las columnas se debe a la mayor actividad química de los fluidos intersticiales a causa de la influen- cia de la transgresión del Trías medio. Las condiciones dadas por GARRELS y MACKENZLE (1971) para la neoformación del feldespato potásico (fuerte concen- tración de sílice disuelta, una relación K4jH~ elevada, temperatura moderada y ambientealcalino) parecenconcordarperfectamentecon el aínbientediage- nético sufrido por las areniscasfeldespatizadas. La cementacióndolomíticaes posteriora la silicificación y feldespatización produciendola corrosiónde ambas.La fuerzade cristalizacióndc los carbo- natos actúa sobre las fracturas,maclasy clivajes de cuarzos, feldespatosy micas detríticas,convirtiendoarcosascon esqueletodensoen otras con esque- leto quebrantado.En algunaszonasdel cementodolomítico se conservanper- fectamentelos fantasmasde los granosdetríticospreexistentes,figura 7. Cuan- do existe matriz ésta también ha sido reemplazadapor dolomita. Dada la localizaciónpreferentede estecementoen ios tramos altos de las columnas cabepensaren quesu génesisestárelacionadacon la influencia de las aguas del mar del Muschelkalk. La cementaciónpor baritina no es un fenómenoraro en los depósitosarcó- sicos. SI-IOEMAKER et al. (1959) la citan en arcosas de grano grueso, siendo el bario un elementoimportantecomo asociadoa los niveles mineralizadosde Uranio. Según WALDSC 1-1 MIOT (1941) este cementose asociacon los carboná- ticos, siendonormalmenteel último en precipitar.En nuestrocaso se confir- man dichas relacionescon eí uranio y con el cementodolomítico. El cementoopalino es raro en rocasantiguasy no esestableen los últimos estadiosde la diagénesis.Su presenciaen las rocasque estudiamospuedeser debidaa la existenciade algún efecto inhibidor que impide su recristalización a cuarzo,o bien a un origen telogenético.La ausenciade corrosión del ópalo 418 por los carbonatosnos hacepensarque la cementaciónopalina seaposterior a la carbonática. En el estadio filomórfico tendríanlugar los fenómenosde autigénesisde micas (moscovita y biotita), siendo más [recuentes los mismosen los niveles de areniscasmás arcillosas-Estasmicas neoformadastardíamentepresentan un gran idiomorfismo y ausenciade corrosiónpor carbonatos.En cuantoa las condicionesde ambientede neoformaciónde estasmicasya hemoshechorefe- renciaa ellas con anterioridad. Por último, en la etapa de emersión.meteOrizaCiónse produce un reem- plazode dolomitapor calcita,y unacementaciónde calcita que rellenala poro- sidad secundaria.Otro proceso que se da en esta etapa y que se suma al conjunto de las cementacioneses La limonitización que sufren las formasde hierro anteriormente descritas. DtsTRLBUCIÓN ESPACiAL Y TEMPORAL DE LOS CEMENTOS Como síntesisde nuestrasobservacionessobrelos cementosdamos,en el cuadroII, datosen cuantoa sudistribución enel tiempo y en el espacio. CUADRO II TIPO DE CEMENTO DISTRIBUCION TEMPORAL DISTRIBUCION ESPACIAL Ferruginoso Constante Constaate,aumentandohacia el este Cuarzo Silíceo Opalo Constante>con ligero aumento hacia la base Irregular Constante,aumentandohacia el este Irregular Feldespático Constante,aumentandohaciael techo Constante Dolomítico irregular, aumentando hacia el techo Constante,aumentandohacia el oeste Baritina Irregular irregular Micáceo Constante,a favor de nivelesarcillosos Constante, aumentandohaciael este Con respectoa su distribución temporal, la denominaciónde constantese refiere a que un cementoestépresentea lo largo de toda la columna,aunque con porcentajesvariables;es irregular cuandoseconcentraen algunostramos solamente. Del mismo modo, en la distribución espacialun cemento será constantecuando esté presenteen todas las zonase irregular cuando su presenciaestérestringida sólo a algunasde ellas. CONcLUsIONEs Los procesosdiagenéticosmás importantessobreimpuestosa los sedimen- tos estudiadosson la silicíficación, la feldespatizaciórl,la aparición de matriz secundariay la cementacióndolomítica. 419 La estabilidadmineralógicade los componentesfundamentalesse ve afec- tadaen mayor o menorgrado por corroszones, neo formaciones y transforma- ciones, dependiendode las condicionesambientalesen cadaestadiodiagené- tico. El origen de la matriz de las areniscas arcósicas estudiadas es fundamen- talmentediagenético.Su mayor desarrollohacia las áreas más orientalesha conducido a una grauvaquización de estos depósitos. Este proceso ha sido detenido y borrado en partecuandoexiste cementacióndolomítica. La secuenciade la cementaciónque se deducede las relacionestexturales es la siguiente: Goethita-hematites,cuarzosecundario,feldespatosecundario, dolomita-baritina, ópalo, calcita-limonita. Los mineralesque integranel cementoferruginoso(goethita y hematites) y dan lugar a la coloracióndominantepardo-rojizase estabilizarondurantela diagénesis temprana. La coloración gris-verdosa subordinada responde a la existencia de zonas reductoras por acumulación de materia orgánica en ellas, El gradode diagénesisalcanzadoen el conjunto delos depósitosestudiados esmoderado(estadiolocornórfico de DAPPIEs, 1967) si bien haciael Este,don- de aumentael espesorde los sedimentos,se ha llegado en ocasionesa una mayor intensidad favorecida por el incremento de presión litostática y la circulación de fluidos hidrotermalesen la base. BIBLIOGRAFíA CRLIZ, 8. ni Lá (1976): Análisis metalogenéticodel yacimiento de Uranio de Mazarete(Pro- vincia de Guadalajara>.Tesis Doctoral de la Universidad Complutensede Madird. Dsppí,cs,E. C. (1976): Diagénesisof Sandstones.En: Diagenesisin sedmnhents.Develagmenís itt Sedimentolagy,8, Elsevier Publisliing Companv: 91-125. D.ICxINsoN, W. R. 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