ARTÍCULOS

Implicancias mecánicas de la diferenciación entre septarias polares y ortogonales.

 

José Sellés-Martínez

Dpto. de Ciencias Geológicas. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Pabellón 2, Ciudad Universitaria. 1428 Buenos Aires. Argentina.

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Resúmen

Numerosos trabajos recientes se han ocupado del análisis e interpretación de la mine-ralogía y la composición isotópica de las septarias y sus sistemas de venas. En ellos se asume que estas últimas tienen su origen en fracturas surgidas durante la contracción del núcleo de la concreción como resultado de los procesos de disecación y sinéresis. Sin embargo, la existencia de distintas geometrías o relaciones de orientación e intersección entre juegos de fracturas no parece haber sido considerada de relevancia. Formas concrecionales generalmente esféricas están asociadas a un sistema de fracturas caracterizado por dos juegos, uno radial y otro concéntrico, la intersección del primero con el segundo genera diseños poligonales, generalmente pentagonales. Las formas elipsoidales presentan a veces sistemas compuestos por dos juegos planares perpendiculares entre si y a la estrati-ficación, conformando un conjunto de prismas de base más o menos cuadrada. Las fracturas en el primer caso no alcanzan el borde de la concreción, acuñándose en el interior de la septaria, mientras que en el segundo cortan a través de ella. En la presente contribución se analizan estas características y se discuten los patrones de esfuerzos que las originan. Se concluye que ambos tipos de septarias, que se propone denominar polares y ortogonales respectivamente, se originan bajo distintas confi-guraciones de esfuerzos. En el caso de las septarias polares, los esfuerzos tensionales que producen ambas redes de fracturas son de origen interno y el campo es isótropo, es decir, los tres ejes de los esfuerzos principales son iguales. El campo superpuesto desde el exterior es también isótropo y no resulta en una modificación apreciable del campo interno, que es el que condiciona la geometría de la fracturación. En el caso de las septarias ortogonales, por el contrario, es el campo externo el que condiciona la geometría de la fracturación, al generar durante la compactación, y por efecto del distinto comportamiento reológico de la concreción y su hospedante, un efecto de boudinage en dos direcciones (denominado generalmente "estructura en tableta de chocolate"). En este caso el campo externo está fundamentalmente controlado por la sobrecarga, que en ausencia de esfuerzos laterales de origen tectónico, puede facilmente conducir a esfuerzos deviatóricos horizontales tensionales, que se verán magnificados por los esfuerzos internos surgidos de la contracción.  El modelo propuesto permite utilizar la morfología de los septarios para evaluar la evolución de las condiciones de esfuer-zos en el hospedante durante la diagénesis y además, dadas las relaciones de los esfuerzos y la confi-guración del campo, con las presiones de fluídos, realizar estimaciones acerca de la presencia de epi-sodios de sobrepresurización y su localización en la columna estratigráfica, datos éstos de relevancia para la determinación de condiciones favorables para la generación, migración y entrampamiento de hidrocarburos y también para el emplazamiento de depósitos minerales de origen diagenético.

Palabras Clave: Diagénesis; Concresiones; Reología; Esfuerzos.

Extended abstract

Septarian nodules display different fracture networks whose significance has not yet been fully explored. Although Richardson (1919) pointed out that many septarians did not follow the classical definition of "radiating cracks uniformly widening towards the center, with a series of concentric cracks usually added, the combination producing a spider-web appearance", but instead, they displayed "the bulk of the interior divided into irregular polygons (...) they really correspond to columns of polygonal section which run vertically through the nodules", his statement did not succeed to produce much investigation on the subject. Research in the following years concentrated in physico-chemical conditions of concretionary growth and whether or not the cracks reflected desiccation, expansion or synaeresis, but not in the significance of the different geometries of fracture systems in the septarian. Surprisingly, most of published definitions of septarians are in agreement with the one Richardson considered unsatisfactory. Illustrations in text books and current use of the term in papers involve several different possibilities that have not been discussed and incorporated to the description and  interpretation of environmental conditions during formation of these structures, although they are surely meaningful on the subject. This paper aims in interpreting the mechanical implications of the two geometries discussed by Richardson (1919) and illustrated in Comite des Techniciens (1966, Figs. 156 and 157) and proposes that their geometrical differences reflect those in the stress field during septarization of the concretion. It is important to underline that fracture sets in "polar" septarians do not reach the outer surface of the concretion, which is usually spheroidal, while those in an "orthogonal" septarian, that is generally ellipsoidal, always cross cut the whole body of the concretion, a feature that is relevant to interpret to relative influence of isotropic internal stress field and anisotropic (vertical flattening, compactive) one. Polar septarians, with two fracture networks, one concentric (spheroidal or polyhedral) and the other planar (defining pyramids with a common apical point at the center of the concretion), are here interpreted to be the result of contraction of the material in the nucleus of the concretion under a highly isotropic stress field. Complete isolation from the external field (represented by overburden load and lateral constriction) may be achieved by at least three mechanisms: isolation by a rigid selvage, isolation because the host is too rigid, or, on the contrary, because it is enough plastic to induce an hydrostatic stress field on the concretion (thus introducing no modifications on the relative magnitude of the stresses in the core). When the stress field is not hydrostatic, compaction goes on before the concretion is completely rigidized and the rheological contrast between concretion and host is relatively important, tough flattening of the concretion will result in tensional stresses. These tensional stresses, externally imposed to the internal isotropic field, develop parallel to layering, being mutually perpendicular and normal to the compactional stress that is vertical. As a result, two sets of fractures develop normal to each other that cross cut the whole concretionary body in a structure known as "chocolate tablet".

Key Words: Diagenesis; Concretions; Rheology; Stresses.

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INTRODUCCION

Los cuerpos concrecionales, y entre ellos los denominados "nódulos septarios" o simplemente "septaria", han ocupado el interés de los sedimentólogos desde muy temprano en la historia de la Geología. A pesar de ello algunos aspectos de sus mecanismos de crecimiento y ambientes de formación se encuentran aún en debate (Sellés Martínez, 1996). Así, Richardson (1919), al discutir algunas contribuciones relativas al origen de las septarias señala que la definición más difundida en ese momento, que establecía que las mismas están caracterizadas por "una red de fracturas radiales, que se ensanchan uniformemente hacia el centro; a las que se asocia otra serie de fracturas concéntricas" es inadecuada y lleva a confusión. Se basa para ello en sus observaciones con respecto a que "la estructura es raramente radial, las venas no se ensanchan uniformemente y las fracturas concéntricas son todas irregulares". Complementa estas apreciaciones con la descripción de lo que considera una "septaria típica", cuyo interior "está dividido en polígonos irregulares que corresponden a columnas de sección poligonal que se extienden verticalmente a través del nódulo y reproducen el aspecto de una película de arcilla a la que se ha dejado secar"; es decir, reproducen un sistema de grietas de disecación.
La existencia de estas dos morfologías diferentes no parece haber suscitado mayor interés con posterioridad a este comentario, centrándose la discusión en las características del material original y los procesos fisico-químicos que dan origen al nódulo y a su red de fracturas. Es así que la mayoría de las descripciones más popularizadas (e.g. Pettijohn, 1970, González Bonorino & Teruggi, 1965, Collinson, 1994) repiten el esquema de los dos sistemas de fracturas, uno radial y otro concéntrico. Sin embargo, en Comité des Techniciens (1966) a pesar de que el texto reproduce más o menos exactamente la descripción que Richardson considerara inadecuada, se ilustra la definición con dos ejemplos (ver Figs. 156 y 157) que como puede observarse en el esquema de las Figuras 1 y 2, son netamente diferentes y se corresponden claramente con los dos casos ya citados. Existen ademas, aunque no serán discutidas en esta contribución, otras configuraciones de la red de fracturas, cuya interpretación está siendo objeto de estudio por parte del autor. La cuestión se plantearía en este punto alrededor del significado genético de estos tipos morfológicos. ¿Son todos equivalentes y sus diferencias morfológicas no reflejan diferencias equivalentes en sus mecanismos de origen, o por el contrario, son el resultado de procesos distintos que justificarían una descriminación entre uno y otro tipo?. En la presente contribución se discute este punto desde la óptica de la distribución de esfuerzos necesaria para lograr cada uno de los patrones de fracturas observados y se establecen las condiciones ambientales (presión de fluídos, grado de consolidación del hospedante, etc.) que controlarían dicha distribución de esfuerzos.

Figura 1: Morfología característica de un nódulo septario en el que se destacan dos juegos de venas, uno radial (que define piramides de sección poligonal), y uno concéntrico poliédrico que trunca estas pirámides. (Modificado de la Fig. 156 de Comité des Techniciens, 1966).
Figure 1: Characteristic morphology of septarian nodule that shows two veins systems: radial and concentric poliedric. (Modified from  Comité des Techniciens, 1966, Fig. 156)

Figura 2: Morfología característica de un nódulo septario con dos juegos de venas que se cortan perpendicularmente (Modificado de la Fig. 157 de Comité des Techniciens, 1966).
Figure 2: Characteristic morphology of septarian nodule with two perpendicular veins systems (Modified from Comité des Techniciens, 1966, Fig. 157)

LAS REDES SEPTARIAS

Son numerosos los trabajos que se han ocupado del análisis e interpretación de la textura, la mineralogía y la composición isotópica de las septarias y sus sistemas de venas (véase bibliografía en Aso, 1991 o Sellés Martínez, 1996), sin embargo, no se encuentra en ellos discusión acerca de las condiciones dinámicas de desarrollo del conjunto de fracturas que los caracterizan, asumiéndose en general un origen por contracción del núcleo de la concreción sin mayores detalles, haciéndose eco de la interpretación ya citada de Richardson (1919). Recientemente, Aso (1991) realiza un análisis de las relaciones entre la forma de las septarias, sus redes de fracturas y sus mecanismos de formación. No incluye en su discusión la influencia de los campos de esfuerzos externos, ya que se concentra exclusivamente en tratar de diferenciar entre redes surgidas de procesos de contracción (desecación y/o sinéresis) o de expansión (hidratación) y concluye que el proceso que da origen a las grietas es siempre la desecación, con participación subordinada de la sinéresis, en un modelo que a criterio del presente autor es considerado demasiado simple.
Tal como se ha señalado en la Introducción, dos son las configuraciones de los sitemas de fracturas septarias  que serán analizadas en la presente contribución, a las que se propone denominar "polares" y "ortogonales" en función de sus características geométricas, que se reseñan a continuación.

Las septarias polares
Este caso, paradigmático en la literatura, resulta del desarrollo de dos juegos de fracturas, uno radial y otro concéntrico o poliédrico (Fig. 1), en una disposición que se propone aquí denominar polar, en cuanto la estructura de la septaria está organizada alrededor de un punto, o polo, que es su centro geométrico. Las fracturas del juego radial son planas y la separacion entre las paredes disminuye hacia el exterior del cuerpo concrecional, extinguiendose la fractura antes de alcanzarlo, mientras que el juego concéntrico suele ser bastante irregular. Ejemplos típicos pueden encontrarse en Comite des Techniciens (1966, Fig. 156) y en Boles et al. (1985, Fig.  3).

El sistema ortogonal
En este caso, denominado ortogonal (Fig. 2), se presentan dos juegos de fracturas planas, que se extienden con sus caras paralelas desde el techo a la base de la septaria, delimitando prismas de base más o menos cuadrada. En Richardson (1919) y en Comite des Techniciens (1966, ver Fig. 157) pueden encontrarse ejemplos de este tipo.
Si bien no existe una relación unívoca entre las formas externas de los septarios y sus redes de fracturas, si puede decirse que, en general, los septarios con patrones polares tienen forma esférica, mientras que los ortogonales presentan una forma discoidal o elipsoidal oblada. En la Figura 3 se ilustra sin embargo otro ejemplo en el que coexisten dos sistemas de fracturas radiales con una forma general elipsoidal oblada, poniendo en evidencia que la diferenciación señalada, como tantas otras en la Geología, dista de ser absoluta y pueden encontrarse tipos mixtos o intermedios, cuyo significado deberá interpretarse en el contexto particular en que se desarrollan.

Figura 3: Nódulo septario en el cual coexisten un sistema de venas de tipo polar con una forma prolada (Concreción de origen desconocido).
Figure 3: Septarian nodule witht a polar veins system and a prolate shape (Concretion of unknown origin).

INTERPRETACION DINAMICA DE LAS REDES DE FRACTURAS

Septo proviene del griego y significa tabique, es decir que las septarias (originalmente denominadas nódulos septarios) están caracterizadas por una ornamentación de tabiques, los que resultan de la fracturación de un material inicialmente contínuo y constituyen una red de venas masivas o de espacios con crecimientos drusoidales en sus paredes. Estos tabiques no serán analizados en el presente Capítulo en función de su composición minerálogica e isotópica, tema que tal como se señaló ha sido encarado por numerosos investigadores, sino desde el punto de vista de los campos de esfuerzos que les habrían dado origen.

El sistema polar
Los sistemas de fracturas radiales estarían señalando que el cambio de volúmen del núcleo de la concreción se ha producido en forma isótropa. Esto implica que los esfuerzos originados en la contracción son iguales en todas direcciones y que además no existe superposición de esfuerzos externos no hidrostáticos. Ello requiere el aislamiento del nodulo con respecto a la sobrecarga, que puede alcanzarse de tres maneras: I-El horizonte hospedante se encuentra sobrepresurizado durante el proceso de formación de la septaria y el campo es hidrostático debido a la alta fluídez del material que rodea a la septaria. II-A pesar de que de que el hospedante ha alcanzado un estado de rigidez suficiente (cementación) como para anular la posibilidad de compensar la sobrecarga con la constricción lateral, es el propio esqueleto rígido el que produciendo un efecto de "cúpula" sobre la septaria, la protege. III-La concreción que dará origen a la septaria posee una cáscara externa más rígida que su núcleo y es esta cáscara la que actúa como aislante de los esfuerzos externos. En cualquiera de los tres casos el úcleo plástico puede así contraerse sin ser afectado por los esfuerzos externos y desarrollar su red de fracturas bajo la influencia única de las tensiones internas.

El sistema ortogonal
Esta disposición de las fracturas se asimila a la que, en el análisis de la deformación tectónica tradicional, se define como "tableta de chocolate" (Ramsay & Huber, 1987). En estos casos, el esfuerzo vertical (producto de la sobrecarga) es más importante que cualquiera de los dos esfuerzos principales horizontales (que son tensionales en términos de esfuerzos deviatóricos) y por ello la extensión se da en dirección paralela a la estratificación. La pérdida del aislamiento hidraúlico se habria producido más o menos rapidamente antes de la litificación definitiva del hospedante. De esta forma la sobrecarga produce la compactación del sedimento y del nódulo que hospeda, el que es aplastado y fracturado en forma traccional como resultado de su propia contracción volumétrica y/o de su mayor rigidez con respecto al hospedante. El mecanismo sería equivalente al de boudinage de un horizonte relativamente rígido en una matríz plástica.

CONCLUSIONES

En los párrafos anteriores se ha señalado la posibilidad de que la morfología de las septarias pueda vincularse a las distribuciones de esfuerzos en el hospedante y/o en el interior del nódulo durante su crecimiento.
Las septarias polares están caracterizadas por un juego de fracturas que irradian desde un punto central (polo) cuya intersección con un juego de fracturas esféricas (o más propiamente poliédricas) concéntricas a dicho polo produce un diseño poligonal sobre la superficie de éstas últimas. Las septarias ortogonales presentan dos juegos de fracturas ortogonales, las que generalmente se desarrollan perpendicularmente a la estratificación. Estos rasgos permitirían identificar escenarios de formación diferentes, en el primero la septaria se habría producido por disecación gradual del núcleo de la concreción en un ambiente hidrostático que, al aislar el campo de esfuerzos interno del externo, permite la preservación de la forma original de la concreción. En el segundo la presión vertical de la sobrecarga condiciona el proceso, produciendo el aplastamiento de la concreción y su fracturación, en un medio en el cual la presión de poros es insuficiente para preservar las condiciones hidrostáticas.
Estas características permitirían diferenciar distintas historias diagenéticas para aquellos horizontes portadores de uno u otro tipo de concreciones. Asismismo, en niveles en los que ellos pudieran coexistir permitirían establecer edades relativas entre uno y otro tipo, correspondiendo los septarios polares a una etapa en la cual la presión de fluídos es aún anormalmente alta y suficiente como para impedir la compactación y los ortogonales y axiales a otra en la cual la compactación del sedimento hospedante afecta a las concreciones preexistentes. Esto proveería además criterios adicionales para la interpretación de los análisis isotópicos que frecuentemente se presentan contradictorios con las observaciones texturales y las interpretaciones basadas en escenarios de crecimiento en los cuales la variación de la presión de fluídos y su influencia en la morfología y composición de los cuerpos concrecionales no son tenidas en cuenta en la medida necesaria.

Agradecimientos

Se desea agradecer al Dr. Andreis y a un árbitro anonimo, por sus sugerencias e indicaciones, las que permitieron mejorar sensiblemente el manuscrito original.
Se agradece a la Universidad de Buenos Aires su apoyo económico (Subsidio UBACYT EX158).

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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3. COLLINSON, J., 1994. Sedimentary deformational structures En J. Maltmann (Ed.), The Geological Deformation of Sediments: 95-126. Chapmann and Hall. London        [ Links ]

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5. GONZALEZ BONORINO, F. & M. TERUGGI, 1965. Lexico Sedimentologico. Centro de Estudiantes de Ciencias Naturales, Buenos Aires. 164 pp.         [ Links ]

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8. RICHARDSON, W.A., 1919. On the origin of septarian structure. Mineralogical Magazine 56: 327-337.         [ Links ]

9. SELLES MARTINEZ, J., 1996. Concretion morphology, classification and genesis. Earth Sciences Reviews (in press).         [ Links ]

Recibido: 18 de octubre de 1995.
Aceptado: 15 de noviembre de 1996.