Caliza
Tipo de roca sedimentaria

Caliza
Roca sedimentaria
Afloramiento de piedra caliza en el parque natural del Torcal de Antequera de Málaga , España
Composición
Carbonato de calcio : calcita cristalina inorgánica o material calcáreo orgánico.

La piedra caliza ( carbonato de calcio CaCO3 ) es un tipo de roca sedimentaria carbonatada que constituye la principal fuente de cal . Está compuesta principalmente por los minerales calcita y aragonita , que son diferentes formas cristalinas de CaCO3 . La piedra caliza se forma cuando estos minerales se precipitan del agua que contiene calcio disuelto. Esto puede ocurrir a través de procesos tanto biológicos como no biológicos, aunque los procesos biológicos, como la acumulación de corales y conchas en el mar, probablemente hayan sido más importantes durante los últimos 540 millones de años. [1] [2] La piedra caliza a menudo contiene fósiles que proporcionan a los científicos información sobre entornos antiguos y sobre la evolución de la vida. [3]

Entre el 20% y el 25% de la roca sedimentaria es roca carbonatada, y la mayor parte de esta es caliza. [4] [3] La roca carbonatada restante es principalmente dolomita , una roca estrechamente relacionada, que contiene un alto porcentaje del mineral dolomita , CaMg(CO 3 ) 2 . La caliza magnésica es un término obsoleto y mal definido que se usa de diversas formas para la dolomita, para la caliza que contiene una cantidad significativa de dolomita ( caliza dolomítica ) o para cualquier otra caliza que contenga un porcentaje significativo de magnesio . [5] La mayor parte de la caliza se formó en entornos marinos poco profundos, como plataformas o plataformas continentales , aunque se formaron cantidades más pequeñas en muchos otros entornos. Gran parte de la dolomita es dolomita secundaria, formada por alteración química de la caliza. [6] [7] La ​​caliza está expuesta en grandes regiones de la superficie de la Tierra y, debido a que la caliza es ligeramente soluble en el agua de lluvia, estas exposiciones a menudo se erosionan para convertirse en paisajes kársticos . La mayoría de los sistemas de cuevas se encuentran en el lecho rocoso de piedra caliza.

La piedra caliza tiene numerosos usos: como materia prima química para la producción de cal utilizada para el cemento (un componente esencial del hormigón ), como agregado para la base de las carreteras, como pigmento blanco o relleno en productos como la pasta de dientes o la pintura, como acondicionador del suelo y como un popular añadido decorativo a los jardines de rocas . Las formaciones de piedra caliza contienen alrededor del 30% de los yacimientos de petróleo del mundo . [3]

Descripción

Este depósito de piedra caliza en el karst de los Alpes Dináricos cerca de Sinj , Croacia , se formó en el Eoceno .

La piedra caliza se compone principalmente de los minerales calcita y aragonito , que son diferentes formas cristalinas de carbonato de calcio ( CaCO3 ) . La dolomita , CaMg(CO3 ) 2 , es un mineral poco común en la piedra caliza, y la siderita u otros minerales de carbonato son raros. Sin embargo, la calcita en la piedra caliza a menudo contiene un pequeño porcentaje de magnesio . La calcita en la piedra caliza se divide en calcita con bajo contenido de magnesio y calcita con alto contenido de magnesio, con la línea divisoria colocada en una composición de 4% de magnesio. La calcita con alto contenido de magnesio conserva la estructura mineral de calcita, que es distinta de la dolomita. El aragonito no suele contener magnesio significativo. [8] La mayoría de la piedra caliza es, por lo demás, químicamente bastante pura, con sedimentos clásticos (principalmente cuarzo de grano fino y minerales arcillosos ) que constituyen menos del 5% [9] al 10% [10] de la composición. La materia orgánica normalmente constituye alrededor del 0,2% de una piedra caliza y rara vez supera el 1%. [11]

La piedra caliza suele contener cantidades variables de sílice en forma de pedernal o fragmentos esqueléticos silíceos (como espículas de esponjas , diatomeas o radiolarios ). [12] Los fósiles también son comunes en la piedra caliza. [3]

La piedra caliza es comúnmente de color blanco a gris. La piedra caliza que es inusualmente rica en materia orgánica puede ser casi negra, mientras que los rastros de hierro o manganeso pueden darle a la piedra caliza un color que va del blanquecino al amarillo o al rojo. La densidad de la piedra caliza depende de su porosidad, que varía del 0,1% para la piedra caliza más densa al 40% para la tiza. La densidad varía correspondientemente de 1,5 a 2,7 g/cm 3 . Aunque relativamente blanda, con una dureza de Mohs de 2 a 4, la piedra caliza densa puede tener una resistencia al aplastamiento de hasta 180 MPa . [13] A modo de comparación, el hormigón normalmente tiene una resistencia al aplastamiento de unos 40 MPa. [14]

Aunque las calizas presentan poca variabilidad en su composición mineral, presentan una gran diversidad en su textura. [15] Sin embargo, la mayoría de las calizas están formadas por granos del tamaño de la arena en una matriz de lodo carbonatado. Debido a que las calizas suelen ser de origen biológico y suelen estar compuestas de sedimentos que se depositan cerca de donde se formaron, la clasificación de las calizas suele basarse en su tipo de grano y contenido de lodo. [9]

Granos

Ooides de una playa en Joulter's Cay, Bahamas
Ooides en piedra caliza de la Formación Carmel (Jurásico Medio) del suroeste de Utah.
Vista en sección delgada de una caliza del Jurásico medio en el sur de Utah , EE. UU. Los granos redondos son ooides ; el más grande tiene 1,2 mm (0,05 pulgadas) de diámetro. Esta caliza es una oosparita.

La mayoría de los granos de caliza son fragmentos esqueléticos de organismos marinos como corales o foraminíferos . [16] Estos organismos secretan estructuras hechas de aragonito o calcita y las dejan atrás cuando mueren. Otros granos de carbonato que componen las calizas son ooides , peloides y calceclastos ( intraclastos y extraclastos  [ca] ). [17]

Los granos esqueléticos tienen una composición que refleja los organismos que los produjeron y el entorno en el que se produjeron. [18] Los granos esqueléticos de calcita con bajo contenido de magnesio son típicos de los braquiópodos articulados , los foraminíferos planctónicos (que flotan libremente) y los cocolitos . Los granos esqueléticos de calcita con alto contenido de magnesio son típicos de los foraminíferos bentónicos (que viven en el fondo), los equinodermos y las algas coralinas . Los granos esqueléticos de aragonita son típicos de los moluscos , las algas verdes calcáreas , los estromatoporoides , los corales y los gusanos tubícolas . Los granos esqueléticos también reflejan períodos y entornos geológicos específicos. Por ejemplo, los granos de coral son más comunes en entornos de alta energía (caracterizados por fuertes corrientes y turbulencias), mientras que los granos de briozoos son más comunes en entornos de baja energía (caracterizados por aguas tranquilas). [19]

Los ooides (a veces llamados oolitos) son granos del tamaño de la arena (de menos de 2 mm de diámetro) que consisten en una o más capas de calcita o aragonita alrededor de un grano central de cuarzo o un fragmento de mineral de carbonato. Es probable que se formen por precipitación directa de carbonato de calcio sobre el ooide. Los pisolitos son similares a los ooides, pero tienen un diámetro mayor a 2 mm y tienden a tener una forma más irregular. La piedra caliza compuesta principalmente de ooides se llama oolita o, a veces, piedra caliza oolítica . Los ooides se forman en entornos de alta energía, como la plataforma Bahama, y ​​los oolitos suelen mostrar estratificación cruzada y otras características asociadas con la deposición en corrientes fuertes. [20] [21]

Los oncolitos se parecen a los ooides pero muestran una estructura interna radial en lugar de estratificada, lo que indica que fueron formados por algas en un entorno marino normal. [20]

Los peloides son granos sin estructura de carbonato microcristalino que probablemente se producen mediante una variedad de procesos. [22] Se cree que muchos son bolitas fecales producidas por organismos marinos. Otros pueden ser producidos por algas endolíticas (perforadoras) [23] u otros microorganismos [24] o por la descomposición de las conchas de los moluscos. [25] Son difíciles de ver en una muestra de piedra caliza, excepto en una sección delgada, y son menos comunes en las calizas antiguas, posiblemente porque la compactación de los sedimentos de carbonato los altera. [23]

Los clastos de cal son fragmentos de caliza existente o sedimentos carbonatados parcialmente litificados . Los intraclastos son clastos de cal que se originan cerca de donde se depositan en la caliza, mientras que los extraclastos provienen de fuera del área de depósito. Los intraclastos incluyen la piedra de uva , que son grupos de peloides cementados entre sí por material orgánico o cemento mineral. Los extraclastos son poco comunes, suelen estar acompañados de otros sedimentos clásticos e indican depósito en un área tectónicamente activa o como parte de una corriente de turbidez . [26]

Lodo

Los granos de la mayoría de las calizas están incrustados en una matriz de lodo carbonatado. Esta es típicamente la fracción más grande de una roca carbonatada antigua. [23] El lodo que consiste en cristales individuales de menos de 5 μm (0,20 milésimas de pulgada) de longitud se describe como micrita . [27] En el lodo carbonatado fresco, la micrita es principalmente pequeñas agujas de aragonito, que pueden precipitarse directamente del agua de mar, [28] ser secretadas por algas, [29] o ser producidas por la abrasión de granos de carbonato en un entorno de alta energía. [30] Esto se convierte en calcita dentro de unos pocos millones de años de deposición. La recristalización posterior de la micrita produce microespato , con granos de 5 a 15 μm (0,20 a 0,59 milésimas de pulgada) de diámetro. [28]

La caliza suele contener cristales de calcita de mayor tamaño, cuyo tamaño oscila entre 0,02 y 0,1 mm (0,79 y 3,94 milésimas de pulgada), que se describen como calcita espárica o esparita . La esparita se distingue de la micrita por un tamaño de grano de más de 20 μm (0,79 milésimas de pulgada) y porque la esparita se destaca bajo una lupa o en una sección delgada como cristales blancos o transparentes. La esparita se distingue de los granos de carbonato por su falta de estructura interna y sus formas cristalinas características. [31]

Los geólogos tienen cuidado de distinguir entre la esparita depositada como cemento y la esparita formada por recristalización de granos de micrita o carbonato. El cemento de esparita probablemente se depositó en el espacio poroso entre los granos, lo que sugiere un entorno de depósito de alta energía que eliminó el lodo carbonatado. La esparita recristalizada no es diagnóstica de un entorno de depósito. [31]

Otras características

Los acantilados de Beachy Head están compuestos de tiza.

Los afloramientos de piedra caliza se reconocen en el campo por su suavidad (la calcita y la aragonita tienen una dureza de Mohs de menos de 4, muy por debajo de los minerales de silicato comunes) y porque la piedra caliza burbujea vigorosamente cuando se deja caer una gota de ácido clorhídrico diluido sobre ella. La dolomita también es blanda, pero reacciona solo débilmente con el ácido clorhídrico diluido, y generalmente se meteoriza hasta un color marrón amarillento opaco característico debido a la presencia de hierro ferroso. Este se libera y se oxida a medida que la dolomita se meteoriza. [9] Las impurezas (como arcilla , arena, restos orgánicos, óxido de hierro y otros materiales) harán que las calizas exhiban diferentes colores, especialmente con superficies meteorizadas .

La composición de un afloramiento de roca carbonatada se puede estimar en el campo grabando la superficie con ácido clorhídrico diluido. Esto elimina la calcita y la aragonita, dejando atrás los granos de sílice o dolomita. Estos últimos se pueden identificar por su forma romboédrica . [9]

Los cristales de calcita, cuarzo , dolomita o barita pueden revestir pequeñas cavidades ( vugs ) en la roca. Los vugs son una forma de porosidad secundaria, formada en la piedra caliza existente por un cambio en el entorno que aumenta la solubilidad de la calcita. [32]

La piedra caliza densa y maciza se describe a veces como "mármol". Por ejemplo, el famoso "mármol" de Portoro, en Italia, es en realidad una piedra caliza negra densa. [33] El mármol verdadero se produce por recristalización de la piedra caliza durante el metamorfismo regional que acompaña al proceso de formación de montañas ( orogenia ). Se distingue de la piedra caliza densa por su textura cristalina gruesa y la formación de minerales distintivos a partir de la sílice y la arcilla presentes en la piedra caliza original. [34]

Clasificación

Terrazas de piedra caliza travertina de Pamukkale , Turquía .
Formaciones de piedra caliza en cuevas de las cavernas de Luray en el norte del valle de Shenandoah

Se utilizan dos esquemas de clasificación principales, el Folk y el Dunham, para identificar los tipos de rocas carbonatadas conocidas colectivamente como piedra caliza.

Clasificación popular

Robert L. Folk desarrolló un sistema de clasificación que pone énfasis principalmente en la composición detallada de los granos y el material intersticial en las rocas carbonatadas . [35] Según la composición, hay tres componentes principales: aloquímicos (granos), matriz (principalmente micrita) y cemento (esparita). El sistema Folk utiliza nombres de dos partes; la primera se refiere a los granos y la segunda al cemento. Por ejemplo, una piedra caliza que consiste principalmente en ooides, con una matriz cristalina, se denominaría oosparita. Es útil tener un microscopio petrográfico cuando se utiliza el esquema Folk, porque es más fácil determinar los componentes presentes en cada muestra. [36]

Clasificación de Dunham

Robert J. Dunham publicó su sistema para la piedra caliza en 1962. Se centra en la estructura deposicional de las rocas carbonatadas. Dunham divide las rocas en cuatro grupos principales basándose en proporciones relativas de partículas clásticas más gruesas, basándose en criterios como si los granos estaban originalmente en contacto mutuo y, por lo tanto, eran autoportantes, o si la roca se caracteriza por la presencia de formadores de armazón y esteras de algas. A diferencia del esquema de Folk, Dunham se ocupa de la porosidad original de la roca. El esquema de Dunham es más útil para muestras manuales porque se basa en la textura, no en los granos de la muestra. [37]

Wright (1992) propuso una clasificación revisada que añade algunos patrones diagenéticos al esquema de clasificación. [38]

Otros términos descriptivos

Tiza de los acantilados blancos de Dover ( Grupo Chalk ), Inglaterra

El término travertino se aplica a los depósitos de carbonato de calcio formados en ambientes de agua dulce, en particular cascadas , cascadas y fuentes termales . Dichos depósitos suelen ser masivos, densos y bandeados. Cuando los depósitos son muy porosos, de modo que tienen una textura similar a una esponja, normalmente se los describe como toba . La calcita secundaria depositada por aguas meteóricas sobresaturadas ( agua subterránea ) en cuevas también se describe a veces como travertino. Esto produce espeleotemas , como estalagmitas y estalactitas . [39]

La coquina es una caliza poco consolidada compuesta por trozos desgastados de coral , conchas u otros restos fósiles. Cuando está mejor consolidada, se la describe como coquinita . [40]

La tiza es una piedra caliza blanda, terrosa y de textura fina compuesta por los restos de microorganismos planctónicos como los foraminíferos, mientras que la marga es una mezcla terrosa de carbonatos y sedimentos de silicato. [40]

Formación

La caliza se forma cuando la calcita o la aragonita precipitan del agua que contiene calcio disuelto, lo que puede ocurrir a través de procesos tanto biológicos como no biológicos. [41] La solubilidad del carbonato de calcio ( CaCO 3 ) está controlada en gran medida por la cantidad de dióxido de carbono ( CO 2 ) disuelto en el agua. Esto se resume en la reacción:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 → Ca 2+ + 2HCO−3

Los aumentos de temperatura o las disminuciones de presión tienden a reducir la cantidad de CO2 disuelto y precipitar CaCO3 . La reducción de la salinidad también reduce la solubilidad del CaCO3 en varios órdenes de magnitud para el agua dulce en comparación con el agua de mar. [42]

Las aguas cercanas a la superficie de los océanos de la Tierra están sobresaturadas con CaCO3 por un factor de más de seis. [43] La falla del CaCO3 para precipitar rápidamente de estas aguas se debe probablemente a la interferencia de los iones de magnesio disueltos con la nucleación de los cristales de calcita, el primer paso necesario para la precipitación. La precipitación de aragonito puede verse suprimida por la presencia de fosfatos orgánicos naturales en el agua. Aunque los ooides probablemente se formen a través de procesos puramente inorgánicos, la mayor parte de la precipitación de CaCO3 en los océanos es el resultado de la actividad biológica. [44] Gran parte de esto tiene lugar en plataformas de carbonato .

Una vista aérea de una nube de precipitación de evento blanqueador en el lago Ontario.

El origen del lodo carbonatado, [30] y los procesos por los cuales se convierte en micrita, [45] siguen siendo un tema de investigación. El lodo carbonatado moderno está compuesto principalmente de agujas de aragonito de alrededor de 5 μm (0,20 milésimas de pulgada) de longitud. Las agujas de esta forma y composición son producidas por algas calcáreas como Penicillus , lo que la convierte en una fuente plausible de lodo. [46] Otra posibilidad es la precipitación directa del agua. Un fenómeno conocido como blanqueamientos ocurre en aguas poco profundas, en el que aparecen vetas blancas que contienen micrita dispersa en la superficie del agua. No se sabe con certeza si se trata de aragonito recién precipitado o simplemente de material removido del fondo, pero hay alguna evidencia de que los blanqueamientos son causados ​​por la precipitación biológica de aragonito como parte de una floración de cianobacterias o microalgas . [47] Sin embargo, las proporciones de isótopos estables en el lodo carbonatado moderno parecen ser inconsistentes con cualquiera de estos mecanismos, y la abrasión de los granos de carbonato en entornos de alta energía se ha propuesto como una tercera posibilidad. [30]

La formación de caliza probablemente ha estado dominada por procesos biológicos a lo largo del Fanerozoico , los últimos 540 millones de años de la historia de la Tierra. La caliza puede haber sido depositada por microorganismos en el Precámbrico , antes de hace 540 millones de años, pero los procesos inorgánicos fueron probablemente más importantes y probablemente tuvieron lugar en un océano más sobresaturado en carbonato de calcio que el océano moderno. [48]

Diagénesis

La diagénesis es el proceso en el que los sedimentos se compactan y se convierten en roca sólida . Durante la diagénesis de los sedimentos carbonatados, se producen cambios químicos y texturales significativos. Por ejemplo, la aragonita se convierte en calcita con bajo contenido de magnesio. La diagénesis es el origen probable de los pisolitos , partículas en capas concéntricas que varían de 1 a 10 mm (0,039 a 0,394 pulgadas) de diámetro que se encuentran en algunas calizas. Los pisolitos se parecen superficialmente a los ooides pero no tienen núcleo de materia extraña, encajan firmemente y muestran otros signos de que se formaron después de la deposición original de los sedimentos. [49]

Nódulo de sílex en piedra caliza blanda en Akçakoca , Turquía
Estilolitos en piedra caliza

La silicificación ocurre temprano en la diagénesis, a bajo pH y temperatura, y contribuye a la preservación de fósiles. [50] La silicificación tiene lugar a través de la reacción: [50]

CaCO 3 + yo 2 Oh + CO 2 + yo 4 SiO 4 ⟶ SiO 2 + California 2 + + 2 OHC 3 − + 2 yo 2 Oh {\displaystyle {\ce {CaCO3 + H2O + CO2 + H4SiO4 -> SiO2 + Ca^2+ + 2HCO3- + 2 H2O}}}

Los fósiles se conservan a menudo con un detalle exquisito en forma de sílex. [50] [51]

La cementación se produce rápidamente en los sedimentos carbonatados, normalmente en menos de un millón de años desde su deposición. Parte de la cementación se produce mientras los sedimentos todavía están bajo el agua, formando suelos duros . La cementación se acelera después de la retirada del mar del entorno de deposición, a medida que el agua de lluvia se infiltra en los lechos sedimentarios, a menudo en tan solo unos pocos miles de años. A medida que el agua de lluvia se mezcla con el agua subterránea, la aragonita y la calcita con alto contenido de magnesio se convierten en calcita con bajo contenido de calcio. La cementación de depósitos carbonatados gruesos por el agua de lluvia puede comenzar incluso antes de la retirada del mar, ya que el agua de lluvia puede infiltrarse más de 100 km (60 millas) en los sedimentos debajo de la plataforma continental. [52]

A medida que los sedimentos carbonatados se entierran cada vez más profundamente bajo sedimentos más jóvenes, aumenta la compactación química y mecánica de los sedimentos. La compactación química se produce por solución a presión de los sedimentos. Este proceso disuelve los minerales de los puntos de contacto entre los granos y los redeposita en el espacio poroso, reduciendo la porosidad de la piedra caliza de un alto valor inicial del 40% al 80% a menos del 10%. [53] La solución a presión produce estilolitas distintivas , superficies irregulares dentro de la piedra caliza en las que se acumulan sedimentos ricos en sílice. Estas pueden reflejar la disolución y la pérdida de una fracción considerable del lecho de piedra caliza. A profundidades superiores a 1 km (0,62 millas), la cementación del entierro completa el proceso de litificación. La cementación del entierro no produce estilolitas. [54]

Cuando los estratos suprayacentes se erosionan, acercando la piedra caliza a la superficie, se produce la etapa final de la diagénesis. Esto produce una porosidad secundaria , ya que parte del cemento se disuelve por el agua de lluvia que se infiltra en los estratos. Esto puede incluir la formación de cavidades revestidas de cristales dentro de la piedra caliza. [54]

La diagénesis puede incluir la conversión de caliza en dolomita por fluidos ricos en magnesio. Hay evidencia considerable de reemplazo de caliza por dolomita, incluyendo límites de reemplazo agudos que atraviesan la estratificación. [55] El proceso de dolomitización sigue siendo un área de investigación activa, [56] pero los posibles mecanismos incluyen la exposición a salmueras concentradas en ambientes cálidos ( reflujo evaporativo ) o la exposición a agua de mar diluida en ambientes de delta o estuario ( dolomitización de Dorag ). [57] Sin embargo, la dolomitización de Dorag ha caído en desuso como mecanismo para la dolomitización, [58] con un artículo de revisión de 2004 que la describe sin rodeos como "un mito". [56] El agua de mar común es capaz de convertir calcita en dolomita, si el agua de mar se lava regularmente a través de la roca, como por el reflujo y el flujo de las mareas (bombeo de mareas). [55] Una vez que comienza la dolomitización, avanza rápidamente, de modo que hay muy poca roca carbonatada que contenga calcita y dolomita mezcladas. La roca carbonatada tiende a ser casi toda calcita/aragonita o casi toda dolomita. [57]

Aparición

Alrededor del 20% al 25% de la roca sedimentaria es roca carbonatada, [3] y la mayor parte de esta es piedra caliza. [17] [3] La piedra caliza se encuentra en secuencias sedimentarias de hasta 2.7 mil millones de años. [59] Sin embargo, las composiciones de las rocas carbonatadas muestran una distribución desigual en el tiempo en el registro geológico. Alrededor del 95% de los carbonatos modernos están compuestos de calcita con alto contenido de magnesio y aragonito. [60] Las agujas de aragonito en el lodo carbonatado se convierten en calcita con bajo contenido de magnesio en unos pocos millones de años, ya que esta es la forma más estable de carbonato de calcio. [28] Las formaciones carbonatadas antiguas del Precámbrico y el Paleozoico contienen abundante dolomita, pero la caliza domina los lechos carbonatados del Mesozoico y el Cenozoico . La dolomita moderna es bastante rara. Hay evidencia de que, mientras que el océano moderno favorece la precipitación de aragonito, los océanos del Paleozoico y del Cenozoico medio a tardío favorecían la precipitación de calcita. Esto puede indicar una menor relación Mg/Ca en el agua del océano de aquellos tiempos. [61] Esta disminución del magnesio puede ser una consecuencia de una expansión más rápida del fondo marino , que elimina el magnesio del agua del océano. El océano moderno y el océano del Mesozoico han sido descritos como "mares de aragonito". [62]

La mayor parte de la piedra caliza se formó en ambientes marinos poco profundos, como plataformas o plataformas continentales . Dichos ambientes forman solo alrededor del 5% de las cuencas oceánicas, pero la piedra caliza rara vez se conserva en los taludes continentales y en ambientes de aguas profundas. Los mejores ambientes para la deposición son las aguas cálidas, que tienen una alta productividad orgánica y una mayor saturación de carbonato de calcio debido a las menores concentraciones de dióxido de carbono disuelto. Los depósitos de piedra caliza modernos casi siempre se encuentran en áreas con muy poca sedimentación rica en sílice, lo que se refleja en la relativa pureza de la mayoría de las calizas. Los organismos de los arrecifes son destruidos por el agua fangosa y salobre de los ríos, y los granos de carbonato son molidos por granos de silicato mucho más duros. [63] A diferencia de la roca sedimentaria clástica, la piedra caliza se produce casi en su totalidad a partir de sedimentos que se originan en el lugar de deposición o cerca de él. [64]

El Capitán , un antiguo arrecife de piedra caliza en Texas

Las formaciones de piedra caliza tienden a mostrar cambios abruptos en el espesor. Las grandes características similares a montículos en una formación de piedra caliza se interpretan como arrecifes antiguos , que cuando aparecen en el registro geológico se denominan biohermas . Muchos son ricos en fósiles, pero la mayoría carece de cualquier estructura orgánica conectada como la que se ve en los arrecifes modernos. Los restos fósiles están presentes como fragmentos separados incrustados en una amplia matriz de lodo. Gran parte de la sedimentación muestra indicios de ocurrir en las zonas intermareales o supramareales, lo que sugiere que los sedimentos llenan rápidamente el espacio de alojamiento disponible en la plataforma o plataforma. [65] La deposición también se ve favorecida en el margen marino de las plataformas y plataformas, donde hay afloramiento de agua oceánica profunda rica en nutrientes que aumentan la productividad orgánica. Los arrecifes son comunes aquí, pero cuando faltan, se encuentran en su lugar bancos ooides. Los sedimentos más finos se depositan cerca de la costa. [66]

La falta de calizas en aguas profundas se debe en parte a la rápida subducción de la corteza oceánica, pero es más bien el resultado de la disolución del carbonato de calcio en profundidad. La solubilidad del carbonato de calcio aumenta con la presión y aún más con concentraciones más altas de dióxido de carbono, que se produce por la materia orgánica en descomposición que se deposita en las profundidades del océano y que no se elimina mediante la fotosíntesis en las profundidades oscuras. Como resultado, hay una transición bastante brusca de agua saturada con carbonato de calcio a agua no saturada con carbonato de calcio, la lisoclina , que se produce a la profundidad de compensación de calcita de 4.000 a 7.000 m (13.000 a 23.000 pies). Por debajo de esta profundidad, las pruebas de foraminíferos y otras partículas esqueléticas se disuelven rápidamente, y los sedimentos del fondo del océano pasan abruptamente de un lodo carbonatado rico en foraminíferos y restos de cocolitos ( lodo de Globigerina ) a un lodo silícico que carece de carbonatos. [67]

Mønsted es la mina de piedra caliza más grande del mundo.

En casos raros, las turbiditas u otros sedimentos ricos en sílice entierran y preservan depósitos de carbonato bentónico (de las profundidades del océano). Las calizas bentónicas antiguas son microcristalinas y se identifican por su entorno tectónico. Los fósiles suelen ser foraminíferos y cocolitos. No se conocen calizas bentónicas prejurásicas, probablemente porque el plancton con caparazón de carbonato aún no había evolucionado. [68]

Las calizas también se forman en ambientes de agua dulce. [69] Estas calizas no son diferentes a las calizas marinas, pero tienen una menor diversidad de organismos y una mayor fracción de sílice y minerales arcillosos característicos de las margas . La Formación Green River es un ejemplo de una formación sedimentaria de agua dulce prominente que contiene numerosos lechos de piedra caliza. [70] La piedra caliza de agua dulce es típicamente micrítica. Los fósiles de carófito (stonewort), una forma de alga verde de agua dulce, son característicos de estos ambientes, donde los carófitos producen y atrapan carbonatos. [71]

Las calizas también pueden formarse en entornos deposicionales de evaporitas . [72] [73] La calcita es uno de los primeros minerales que precipitan en las evaporitas marinas. [74]

Caliza y organismos vivos

Arrecife de coral en Nusa Lembongan , Bali, Indonesia

La mayor parte de la caliza se forma por las actividades de los organismos vivos cerca de los arrecifes, pero los organismos responsables de la formación de los arrecifes han cambiado a lo largo del tiempo geológico. Por ejemplo, los estromatolitos son estructuras con forma de montículo en calizas antiguas, interpretadas como colonias de cianobacterias que acumularon sedimentos de carbonato, pero los estromatolitos son raros en calizas más jóvenes. [75] Los organismos precipitan la caliza tanto directamente como parte de sus esqueletos, como indirectamente al eliminar dióxido de carbono del agua mediante la fotosíntesis y, por lo tanto, disminuyendo la solubilidad del carbonato de calcio. [71]

La piedra caliza muestra la misma gama de estructuras sedimentarias que se encuentran en otras rocas sedimentarias. Sin embargo, las estructuras más finas, como la laminación , a menudo son destruidas por las actividades de excavación de los organismos ( bioturbación ). La laminación fina es característica de la piedra caliza formada en lagos de playa , que carecen de los organismos excavadores. [76] Las piedras calizas también muestran características distintivas como las estructuras geopétalos , que se forman cuando las conchas curvas se depositan en el fondo con la cara cóncava hacia abajo. Esto atrapa un espacio vacío que luego puede ser llenado por esparita. Los geólogos usan estructuras geopétalos para determinar qué dirección estaba hacia arriba en el momento de la deposición, lo que no siempre es obvio con formaciones de piedra caliza altamente deformadas. [77]

La cianobacteria Hyella balani puede perforar la piedra caliza, al igual que el alga verde Eugamantia sacculata y el hongo Ostracolaba implexa . [78]

Montículos de lodo micrítico

Los montículos de lodo micrítico son domos subcirculares de calcita micrítica que carecen de estructura interna. Los ejemplos modernos tienen hasta varios cientos de metros de espesor y un kilómetro de ancho, y tienen pendientes pronunciadas (con ángulos de pendiente de alrededor de 50 grados). Pueden estar compuestos de peloides arrastrados por corrientes y estabilizados por la hierba Thalassia o los manglares . Los briozoos también pueden contribuir a la formación de montículos al ayudar a atrapar sedimentos. [79]

Los montículos de lodo se encuentran en todo el registro geológico y, antes del Ordovícico temprano , eran el tipo de arrecife dominante tanto en aguas profundas como poco profundas. Es probable que estos montículos de lodo sean de origen microbiano. Tras la aparición de organismos arrecifales constructores de armazón, los montículos de lodo se restringieron principalmente a aguas más profundas. [80]

Arrecifes orgánicos

Los arrecifes orgánicos se forman en latitudes bajas en aguas poco profundas, a no más de unos pocos metros de profundidad. Son estructuras complejas y diversas que se encuentran en todo el registro fósil. Los organismos constructores de armazón responsables de la formación de arrecifes orgánicos son característicos de diferentes períodos geológicos: los arqueociatídos aparecieron en el Cámbrico temprano ; estos dieron paso a las esponjas en el Cámbrico tardío ; las sucesiones posteriores incluyeron estromatoporoides, corales, algas, briozoos y rudistas (una forma de molusco bivalvo). [81] [82] [83] La extensión de los arrecifes orgánicos ha variado a lo largo del tiempo geológico, y probablemente fueron más extensos en el Devónico medio, cuando cubrían un área estimada en 5.000.000 km2 ( 1.900.000 millas cuadradas). Esto es aproximadamente diez veces la extensión de los arrecifes modernos. Los arrecifes devónicos fueron construidos en gran parte por estromatoporoides y corales tabulados , que fueron devastados por la extinción del Devónico tardío . [84]

Los arrecifes orgánicos suelen tener una estructura interna compleja. Los fósiles de cuerpo entero suelen ser abundantes, pero los ooides y los interclastos son raros dentro del arrecife. El núcleo de un arrecife suele ser masivo y no tener estratificación, y está rodeado por un talud que es mayor en volumen que el núcleo. El talud contiene abundantes intraclastos y generalmente es piedra flotante , con un 10% o más de granos de más de 2 mm de tamaño incrustados en una matriz abundante, o piedra rudstone , que es principalmente granos grandes con una matriz escasa. El talud se clasifica a lodo carbonatado planctónico de grano fino, luego a lodo no carbonatado fuera del arrecife. [81]

Paisaje de piedra caliza

El garrote de Hércules , una alta roca caliza en Polonia ( el castillo de Pieskowa Skała al fondo)
El cenote Samulá en Valladolid , Yucatán , México
Formaciones de La Zaplaz en las montañas Piatra Craiului , Rumania .

La piedra caliza es parcialmente soluble, especialmente en ácido, y por lo tanto forma muchas formas de relieve erosivas. Estas incluyen pavimentos de piedra caliza , simas , cenotes , cuevas y gargantas. Estos paisajes de erosión se conocen como karsts . La piedra caliza es menos resistente a la erosión que la mayoría de las rocas ígneas , pero más resistente que la mayoría de las otras rocas sedimentarias . Por lo tanto, generalmente se asocia con colinas y tierras bajas , y se presenta en regiones con otras rocas sedimentarias, típicamente arcillas. [85] [86]

Las regiones kársticas que se encuentran sobre un lecho de roca caliza tienden a tener menos fuentes visibles sobre el suelo (estanques y arroyos), ya que el agua superficial se drena fácilmente hacia abajo a través de las juntas de la piedra caliza. Mientras se drena, el agua y el ácido orgánico del suelo agrandan lentamente (a lo largo de miles o millones de años) estas grietas, disolviendo el carbonato de calcio y llevándolo en solución . La mayoría de los sistemas de cuevas atraviesan un lecho de roca caliza. El enfriamiento del agua subterránea o la mezcla de diferentes aguas subterráneas también creará condiciones adecuadas para la formación de cuevas. [85]

Las calizas costeras suelen ser erosionadas por organismos que perforan la roca por diversos medios. Este proceso se conoce como bioerosión . Es más común en los trópicos y se conoce en todo el registro fósil . [87]

Bandas de piedra caliza emergen de la superficie de la Tierra en afloramientos rocosos y islas a menudo espectaculares. Algunos ejemplos incluyen el Peñón de Gibraltar , [88] el Burren en el condado de Clare, Irlanda; [89] Malham Cove en North Yorkshire y la Isla de Wight , [90] Inglaterra; Great Orme en Gales; [91] en Fårö cerca de la isla sueca de Gotland , [92] la Escarpa del Niágara en Canadá/Estados Unidos; [93] Notch Peak en Utah; [94] el Parque Nacional de la Bahía de Ha Long en Vietnam; [95] y las colinas alrededor del río Lijiang y la ciudad de Guilin en China. [96]

Los Cayos de Florida , islas frente a la costa sur de Florida , están compuestas principalmente de piedra caliza oolítica (los Cayos Inferiores) y esqueletos carbonatados de arrecifes de coral (los Cayos Superiores), que prosperaron en la zona durante los períodos interglaciares cuando el nivel del mar era más alto que en la actualidad. [97]

Los alvars , extensiones extremadamente planas de piedra caliza con delgados mantos de suelo, son hábitats únicos . La extensión más grande de este tipo en Europa es Stora Alvaret en la isla de Öland , Suecia. [98] Otra área con grandes cantidades de piedra caliza es la isla de Gotland, Suecia. [99] Enormes canteras en el noroeste de Europa, como las del Monte San Pedro (Bélgica/Países Bajos), se extienden por más de cien kilómetros. [100]

Usos

Los templos megalíticos de Malta, como Ħaġar Qim , están construidos íntegramente con piedra caliza y se encuentran entre las estructuras independientes más antiguas que existen. [101]
La Gran Pirámide de Giza , una de las Siete Maravillas del Mundo Antiguo, tenía una cubierta exterior hecha enteramente de piedra caliza.

La piedra caliza es una materia prima que se utiliza globalmente en una variedad de formas diferentes, incluyendo la construcción, la agricultura y como material industrial. [102] La piedra caliza es muy común en la arquitectura, especialmente en Europa y América del Norte. Muchos puntos de referencia en todo el mundo, incluyendo la Gran Pirámide y su complejo asociado en Giza, Egipto , fueron hechos de piedra caliza. Tantos edificios en Kingston, Ontario , Canadá fueron, y continúan siendo, construidos con ella que se le apoda la "Ciudad de Piedra Caliza". [103] La piedra caliza, metamorfoseada por el calor y la presión produce mármol, que se ha utilizado para muchas estatuas, edificios y tableros de mesa de piedra. [104] En la isla de Malta , una variedad de piedra caliza llamada piedra caliza Globigerina fue, durante mucho tiempo, el único material de construcción disponible, y todavía se utiliza con mucha frecuencia en todo tipo de edificios y esculturas. [105]

La piedra caliza se puede procesar en muchas formas diferentes, como ladrillo, cemento, polvo/triturado o como relleno. [102] La piedra caliza está fácilmente disponible y es relativamente fácil de cortar en bloques o en tallas más elaboradas. [101] Los escultores americanos antiguos valoraban la piedra caliza porque era fácil de trabajar y buena para los detalles finos. Volviendo al período Preclásico Tardío (hacia 200-100 a. C.), la civilización maya (México antiguo) creó esculturas refinadas usando piedra caliza debido a estas excelentes propiedades de tallado. Los mayas decoraban los techos de sus edificios sagrados (conocidos como dinteles ) y cubrían las paredes con paneles de piedra caliza tallada. En estas esculturas se tallaban historias políticas y sociales, y esto ayudaba a comunicar mensajes del rey a su pueblo. [106] La piedra caliza es duradera y resiste bien la exposición, lo que explica por qué sobreviven muchas ruinas de piedra caliza. Sin embargo, es muy pesada ( densidad 2,6 [107] ), lo que la hace poco práctica para edificios altos y relativamente cara como material de construcción.

La piedra caliza fue muy popular a finales del siglo XIX y principios del XX. Las estaciones de tren, los bancos y otras estructuras de esa época estaban hechas de piedra caliza en algunas zonas. Se utiliza como fachada en algunos rascacielos, pero solo en placas delgadas para cubrir, en lugar de bloques sólidos. En los Estados Unidos, Indiana, sobre todo la zona de Bloomington , ha sido durante mucho tiempo una fuente de piedra caliza de cantera de alta calidad, llamada piedra caliza de Indiana . Muchos edificios famosos de Londres están construidos con piedra caliza de Portland . Las casas construidas en Odesa , en Ucrania, en el siglo XIX se construyeron principalmente con piedra caliza y los extensos restos de las minas ahora forman las Catacumbas de Odesa . [108]

La piedra caliza también fue un material de construcción muy popular en la Edad Media en las zonas donde se encontraba, ya que es dura, duradera y se encuentra comúnmente en superficies expuestas de fácil acceso. Muchas iglesias y castillos medievales en Europa están hechos de piedra caliza. La piedra de cerveza era un tipo popular de piedra caliza para los edificios medievales en el sur de Inglaterra. [109]

La piedra caliza es la materia prima para la producción de cal, conocida principalmente por tratar suelos, purificar el agua y fundir cobre. La cal es un ingrediente importante utilizado en las industrias químicas. [110] La piedra caliza y (en menor medida) el mármol son reactivos a las soluciones ácidas, lo que hace que la lluvia ácida sea un problema importante para la conservación de los artefactos hechos de esta piedra. Muchas estatuas y superficies de edificios de piedra caliza han sufrido graves daños debido a la lluvia ácida. [111] [112] Asimismo, la grava de piedra caliza se ha utilizado para proteger lagos vulnerables a la lluvia ácida, actuando como un agente amortiguador del pH . [113] Los productos químicos de limpieza a base de ácido también pueden grabar la piedra caliza, que solo debe limpiarse con un limpiador neutro o suave a base de álcali . [114]

Se prepara una placa de piedra caliza con un mapa negativo de Moosburg en Baviera para una impresión litográfica .
Bolsa de plástico "fabricada principalmente a partir de piedra caliza" [ aclaración necesaria ]

Otros usos incluyen:

  • Es la materia prima para la fabricación de cal viva (óxido de calcio), cal apagada (hidróxido de calcio), cemento y mortero . [59]
  • La piedra caliza pulverizada se utiliza como acondicionador del suelo para neutralizar los suelos ácidos ( cal agrícola ). [115]
  • Se tritura para usarse como agregado , la base sólida para muchas carreteras, así como para el hormigón asfáltico . [59]
  • Como reactivo en la desulfuración de gases de combustión , donde reacciona con dióxido de azufre para controlar la contaminación del aire. [116]
  • En la fabricación de vidrio , particularmente en la fabricación de vidrio sódico-cálcico . [117]
  • Como aditivo en pastas de dientes, papel, plásticos, pinturas, azulejos y otros materiales, se utiliza tanto como pigmento blanco como relleno barato. [118]
  • Como polvo de roca , para suprimir las explosiones de metano en las minas de carbón subterráneas. [119]
  • Purificado, se añade al pan y a los cereales como fuente de calcio. [120]
  • Como suplemento de calcio en la alimentación del ganado, por ejemplo para las aves de corral (cuando se muele). [121]
  • Para remineralizar y aumentar la alcalinidad del agua purificada para evitar la corrosión de las tuberías y restablecer los niveles de nutrientes esenciales. [122]
  • En los altos hornos , la piedra caliza se une con la sílice y otras impurezas para eliminarlas del hierro. [123]
  • Puede ayudar a eliminar componentes tóxicos creados por plantas que queman carbón y capas de metales fundidos contaminados. [110]

Muchas formaciones de piedra caliza son porosas y permeables, lo que las convierte en importantes depósitos de petróleo . [124] Alrededor del 20% de las reservas de hidrocarburos de América del Norte se encuentran en roca carbonatada. Los depósitos de carbonato son muy comunes en Oriente Medio, rico en petróleo, [59] y los depósitos de carbonato contienen alrededor de un tercio de todas las reservas de petróleo en todo el mundo. [125] Las formaciones de piedra caliza también son fuentes comunes de minerales metálicos, porque su porosidad y permeabilidad, junto con su actividad química, promueve la deposición de minerales en la piedra caliza. Los depósitos de plomo y zinc de Missouri y los Territorios del Noroeste son ejemplos de depósitos de minerales alojados en piedra caliza. [59]

Escasez

La piedra caliza es una materia prima industrial importante que tiene una demanda constante. Esta materia prima ha sido esencial en la industria del hierro y el acero desde el siglo XIX. [126] Las empresas nunca han tenido escasez de piedra caliza; sin embargo, se ha convertido en una preocupación a medida que la demanda continúa aumentando [127] y sigue siendo alta en la actualidad. [128] Las principales amenazas potenciales para el suministro en el siglo XIX eran la disponibilidad y la accesibilidad regionales. [126] Los dos principales problemas de accesibilidad eran el transporte y los derechos de propiedad. Otros problemas eran los altos costos de capital en plantas e instalaciones debido a las regulaciones ambientales y el requisito de zonificación y permisos de minería. [104] Estos dos factores dominantes llevaron a la adaptación y selección de otros materiales que se crearon y formaron para diseñar alternativas para la piedra caliza que se adaptaran a las demandas económicas. [126]

La piedra caliza se clasificó como materia prima crítica y, con el riesgo potencial de escasez, impulsó a las industrias a encontrar nuevos materiales alternativos y sistemas tecnológicos. Esto permitió que la piedra caliza dejara de clasificarse como crítica a medida que aumentaba la producción de sustancias de reemplazo; el mineral de minette es un sustituto común, por ejemplo. [126]

Seguridad y salud en el trabajo

Escuadra de seguridad NFPA 704
[129]
NFPA 704 diamante de cuatro coloresHealth 1: Exposure would cause irritation but only minor residual injury. E.g. turpentineFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
1
0
0
Caliza

La caliza en polvo como aditivo alimentario se reconoce generalmente como segura [130] y no se considera un material peligroso. Sin embargo, el polvo de caliza puede ser un irritante leve para las vías respiratorias y la piel, y el polvo que entra en contacto con los ojos puede causar abrasiones en la córnea . Debido a que la caliza contiene pequeñas cantidades de sílice, la inhalación de polvo de caliza podría provocar silicosis o cáncer . [129]

Estados Unidos

La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal ( límite de exposición permisible ) para la exposición a la piedra caliza en el lugar de trabajo en 15 mg/m3 ( 0,0066 gr/pie cúbico) de exposición total y 5 mg/ m3 (0,0022 gr/pie cúbico) de exposición respiratoria durante una jornada laboral de 8 horas. El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 10 mg/m3 ( 0,0044 gr/pie cúbico) de exposición total y 5 mg/m3 ( 0,0022 gr/pie cúbico) de exposición respiratoria durante una jornada laboral de 8 horas. [131]

Pintada

Eliminar los grafitis de la piedra caliza erosionada es difícil porque se trata de un material poroso y permeable. La superficie es frágil, por lo que los métodos de abrasión habituales corren el riesgo de provocar una pérdida importante de la superficie. Como se trata de una piedra sensible a los ácidos, no se pueden utilizar algunos agentes de limpieza debido a sus efectos adversos. [132]

Véase también

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Lectura adicional

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Piedra caliza .
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