Evolución geoquímica de cuencas evaporíticas terciarias: implicaciones en la composición isotópica disuelto en el océano durante el terciario

Abstract

Esta memoria trata de la evolución geoquímica de cuencas evaporíticas terciarias y de su utilidad en la reconstrucción de la evolución isotópica (delta(34)S y delta(18)O) del sulfato disuelto en el océano durante el Terciario. Para ello se ha dividido el texto en tres partes principales:

Parte 1. Se tratan los aspectos metodológicos y se describen las técnicas empleadas. El microanálisis de inclusiones fluidas mediante Cryo-SEM-EDS, permite el análisis cuantitativo de los solutos en inclusiones fluidas congeladas de tamaños de hasta 15 delta m. Los electrolitos analizados son los componentes mayoritarios presentes en las salmueras atrapadas. Na, K. Mg, Ca, Cl y SO(4). La precisión del método varia según los casos, pero es inferior al 6% para todos ellos salvo para el Cl (<15%). Con el objeto de ampliar el número de elementos analizados a minoritarios y traza, se han realizado análisis mediante otra técnica, LA-ICP-MS, demostrándose que ambas técnicas son complementarias.

También se describe la metodología empleada en el análisis isotópico, en especial el funcionamiento de las líneas de extracción de gases y la manipulación de las muestras. Otra parte fundamental es la descripción del funcionamiento de las simulaciones numéricas y sus fundamentos teóricos. Todos los datos analíticos obtenidos de forma sistemática a lo largo de las secuencias evaporíticas son comparados con simulaciones numéricas en diferentes escenarios. Estas comparaciones permiten refinar un modelo de evolución de las cuencas evaporiticas durante la precipitación de las evaporitas, en especial de las halitas. De esta forma se obtienen los parámetros fundamentales en la evolución hidrológica de la cuenca: el índice de restricción, que indica lo abierta o cerrada que está la cuenca a los aportes externos, y las proporciones de recarga, que son las proporciones aproximadas de los distintos tipos de aguas que llegan a la cuenca (continentales, marinas, reciclajes, etc.).

Las composiciones isotópicas también están introducidas en los modelos, de forma que una vez determinados el índice de restricción y las proporciones de recarga puede ajustarse la evolución isotópica de las unidades evaporíticas. Al establecerse el carácter marino de la totalidad o de parte de las unidades, éstas pueden ser utilizadas para deducir la composición isotópica de las salmueras y del océano original del que proceden. Los datos de composición isotópica del mar, obtenidos a partir de estas unidades están corregidos de los fraccionamientos provocados por cristalización o por variaciones en el índice de restricción de la cuenca. Por otra parte pueden detectarse otros fenómenos que modifican la composición isotópica, tales como la sulfato-reducción bacteriana o el reciclaje de evaporitas previamente formadas. En el caso del reciclaje puede llegar a cuantificarse de forma aproximada.

Parte II. En esta parte se aplica la metodología descrita a diferentes cuencas evaporíticas. a) Cuenca surpirenaica (subcuenca navarra). En este caso ya existen trabajos anteriores en los que se aplica la metodología descrita y en los que se muestra el carácter marino de la unidad halítica inferior (UHI) y el carácter continental de la unidad halítica superior (UHS). En esta memoria se aplica de forma complementaria el estudio de inclusiones fluidas al estudio de las zonas estériles en los yacimientos de silvita de Subiza (Navarra). Se determina el carácter primario de la silvita y el origen sinsedimentario de las zonas estériles.

b) Cuenca surpirenaica (subcuenca catalana). Ésta tiene apones fundamentalmente marinos, si bien se pone de manifiesto la importante influencia del reciclaje de los yesos marginales durante la precipitación de la halita. Esta influencia queda registrada en las composiciones isotópicas más pesadas de la subcuenca catalana respecto de la navarra. Ambas subcuencas siguen una evolución paralela, aunque la mayor influencia continental en la subcuenca catalana parece sugerir una menor conexión entre ambas subcuencas. Para ambas subcuencas se deduce la composición isotópica del mar durante el Eoceno superior.

c) Fosa Renana (Cuenca de Mulhouse. Alsacia). La evolución de esta cuenca durante la precipitación de la Sal IV es fundamentalmente continental como indican la evolución de solutos en las inclusiones fluidas, composiciones isotópicas y determinaciones (87)Sr/(86)Sr. Es posible la existencia de una influencia marina en la base de la Sal IV, cerca de la llamada zona fosilífera, si bien no se preserva según evoluciona el medio. En esta cuenca se ponen de manifiesto procesos de mezclas de aguas de diferentes orígenes y en proporciones variables en el tiempo. También se identifican procesos redox con reequilibración del oxígeno del sulfato con el oxígeno disuelto en la salmuera. Eslos procesos provocan el enriquecimiento de la delta(18)O hasta valores de +/- 22º/ºº y parecen estar relacionados a una mayor actividad bacteriana en la cuenca. Los datos obtenidos no permiten deducir la composición isotópica del mar durante el Oligoceno.

d) Cuenca Precarpática. Se pone de manifiesto la importancia del reciclaje durante la precipitación de toda la unidad halitica. La fuente de solutos es mayoritariamente marina, al principio de la precipitación de halita, y se pone de manifiesto un incremento notable del reciclaje de evaporitas. La composición isotópica de los sulfatos intercalados entre halita y de los yesos marginales es muy semejante. Se plantea el reciclaje de los sulfatos precipitados en el margen activo de la cuenca como posible fuente de solutos. A partir de los datos obtenidos y una vez determinada la influencia del reciclaje, se deduce una composición isotópica para el mar durante el Badeniense.

e) Cuenca de Lorca. Las conclusiones de los estudios preexistentes sobre inclusiones fluidas se ven confirmadas por los nuevos datos isotópicos obtenidos. Se diferencia en la unidad salina un tramo inferior de origen marino, con variaciones en el índice de restricción y apones continentales puntuales que provocan ligeras variaciones isotópicas. Por encima se distingue un tramo superior, de origen continental, con una evolución isotópica que se interpreta por el reciclaje de diferentes proporciones de sulfatos de la propia cuenca y sulfatos de origen Triásico. A partir de los datos de la unidad salina (tramo inferior) se deduce la composición isotópica del mar messiniense.

f) Cuenca de Caltanissetta. Los datos de inclusiones fluidas preexistentes y los realizados para esta memoria diferencian un tramo halltico inferior, de origen marino, y un tramo superior, separado por sulfatos de K y Mg, que muestra su carácter marino, pero con influencias del reciclaje de evaporitas de la propia cuenca. Se ha determinado la evolución isotópica de dos sondeos diferentes, siendo los resultados iguales para ambos, y en concordancia con los resultados de las inclusiones fluidas. A partir del tramo marino se obtiene un rango para la composición isotópica delta(34)S del océano messiniense que coincide con la deducida en la cuenca de Lorca. Las delta(18)O obtenidas son aproximadamente +3 º/ºº más pesadas e incompatibles con las deducidas en Lorca. Se propone la existencia de procesos redox generalizados de forma semejante a como sucede en medios actuales de origen marino.

Parte III. En esta parte se realizan diversas consideraciones sobre la evolución del sulfato disuelto en el océano. A partir de los datos obtenidos en diferentes cuencas evaporíticas, se concluye que el déficit de sulfato (respecto a la evaporación del mar actual), común a muchas cuencas evaporíticas, no se debe a cambios globales en la composición del océano sino a variaciones locales dentro de las propias cuencas evaporíticas. Procesos de dolomitización o la entrada de salmueras ricas en Ca son las responsables del descenso en la concentración de sulfato. Una de las consecuencias directas del déficit de sulfato es la precipitación de silvita como mineral primario a partir de la evaporación de agua marina. En cuanto a la composición isotópica., se insiste en la necesidad de conocer con exactitud el origen marino de las evaporitas empleadas para deducir la evolución isotópica del sulfato disuelto en el océano. La metodología empleada en trabajos anteriores en la que se utilizan evaporitas de orígenes diversos, y en ocasiones desconocidos, provocan la imprecisión de las curvas de evolución isotópica deducidas. La metodología presentada en esta memoria permite el refinamiento de dichas curvas y la obtención de datos precisos sobre la composición isotópica del sulfato disuelto en el océano.

The subject of this thesis is the geochemical evolution of tertiary evaporitic basins and their use in reconstructing the isotopic evolution (delta(34)S y delta(18)O) of sulphate dissolved in the ocean during the Tertiary.

Part 1: The methodology is discussed and the techniques employed are described. Microanalysis using Cryo-SEM-EDS allows the quantitative analysis of frozen fluid inclusions up lo 15 mili-micres in size. The major solutes analysed from the trapped brine are Na. K, Mg, Ca, CI and SO. To analyse minor and trace elements, diverse analyses have been carried out using another technique, LA-ICP-MS. Thus demonstrating that, these techniques complement each other.

The methodology used in isotopic analysis and numerical simulations, how they work and their theoretical bases are also described. The analytical data are compared with numerical simulations that reproduce different scenarios. Thus a model of the evaporitic basins evolution during precipitation can be refined. From these models fundamental parameters in the basins hydrological evolution have been obtained: restriction index and recharge proportions.

The isotopic compositions are also introduced into the models so the isotopic evolution of the evaporitic units can be adjusted. Once the marine origin has been established, the model is used to deduce the brine's isotopic composition and that of the original ocean.

Part II: In this section the methodology discussed above is applied to various evaporitic basins.

- Southpyrenean basin (Navarran sub-basin, Spain) - Southpyrenean basin (Catalonian sub-basin, Spain) - Rhine Graben (Mulhouse basin, Alsace, France) - pre-Carpathian basin (Poland) - Lorca basin (Murcia, Spain) - Caltanissetta basin (Sicily, ltaly)

Part III: According to the data obtained from different evaporitic basins it is concluded that the sulphate deficit - in respect to the evaporation of today's seawater - common in many evaporitic basins is not due to global changes in the oceans composition but rather lo local variations within the evaporitic basins. Regarding the isotopic compositions, it is important lo assure the exact marine origin of the evaporates that are used to deduce the isotopic evolution of sulphate dissolved in the ocean. The methodology presented in this thesis allows isotopic curves to be refined.