Ciclos sedimentarios

¿Qué son los ciclos sedimentarios?

Los ciclos sedimentarios son el conjunto de etapas por las que pasan ciertos elementos minerales presentes en la corteza terrestre. Estas fases implican una secuencia de transformaciones formando una serie temporal circular que se repite en períodos largos.

Estos son ciclos biogeoquímicos en los que el almacenamiento del elemento ocurre fundamentalmente en la corteza terrestre. Entre los elementos minerales que son objeto de ciclos sedimentarios están el azufre, el calcio, el potasio, el fósforo y los metales pesados.

El ciclo comienza con la exposición de las rocas que contienen dichos elementos desde las profundidades de la corteza hacia la superficie o cerca de ella. Luego, estas rocas son sometidas a meteorización y sufren procesos de erosión ante la acción de factores atmosféricos, hidrológicos y biológicos.

El material erosionado es transportado por el agua, la gravedad o el viento para posteriormente ocurrir la sedimentación o deposición del material mineral en el sustrato. Estas capas de sedimentos se van acumulando a lo largo de millones de años y sufren procesos de compactación y cementación.

De esta forma ocurre la litificación de los sedimentos, es decir, su transformación nuevamente en roca sólida a grandes profundidades. Además, en las fases intermedias de los ciclos sedimentarios ocurre también una fase biológica que consiste en la solubilización y absorción por parte de organismos vivos.

Dependiendo del mineral y las circunstancias, pueden ser absorbidos por plantas, bacterias o animales, pasando a las redes tróficas. Luego los minerales serán excretados o liberados por la muerte del organismo.

Características de los ciclos sedimentarios

– Repetición de secuencias. Presentan una sucesión ordenada y repetitiva de capas sedimentarias. Cada ciclo muestra un patrón similar que se repite verticalmente en el registro estratigráfico.

– Estratificación bien definida. Se observan en forma de estratos o capas superpuestas. Cada estrato representa un episodio de sedimentación distinto.

– Cambios en el ambiente de deposición. Reflejan variaciones en condiciones como el nivel del mar (transgresiones y regresiones marinas), clima, energía del medio (corrientes, oleaje, viento) y actividad tectónica.

– Granocreciente o granodecreciente. Muchos ciclos muestran una variación sistemática en el tamaño del grano: granodecreciente (materiales gruesos en la base y finos hacia arriba), y granocreciente (materiales finos en la base y gruesos hacia arriba).

– Cambios en la composición. Puede variar el tipo de sedimento (arcillas, limos, arenas, gravas). Cambios en contenido fósil o estructuras sedimentarias.

– Duración variable. Pueden ser ciclos cortos (estacionales o anuales, como varvas glaciares), o largos (relacionados con cambios climáticos o tectónicos de millones de años).

– Relación con factores externos. Los ciclos sedimentarios suelen estar controlados por cambios climáticos, movimientos tectónicos, variaciones eustáticas (nivel global del mar) y cambios en el aporte de sedimentos.

Etapas de los ciclos sedimentarios

• Exposición. Las rocas formadas a ciertas profundidades en la corteza terrestre se ven sometidas a distintos procesos diastróficos (fracturas, plegamientos y elevaciones) que terminan llevándolas a la superficie o cerca de esta. De esta forma quedan expuestas a la acción de factores ambientales (edáficos, atmosféricos, hidrológicos o biológicos). El diastrofismo es producto de los movimientos de convección del manto terrestre. Estos movimientos también generan fenómenos volcánicos que exponen rocas de forma más dramática.
• Meteorización. Una vez expuesta la roca, sufre la meteorización (descomposición en fragmentos menores) sufriendo o no cambios de composición química o mineralógica. La meteorización es un factor clave en la formación del suelo y puede ser física, química o biológica.
  • Física. Los factores que provocan la ruptura de la roca no alteran su composición química, solo variables físicas como volumen, densidad y tamaño. Estos factores pueden ser agentes físicos como la presión y la temperatura. En el primer caso, la liberación de presión y su ejercicio son causas de rupturas de las rocas. Por ejemplo, al aflorar desde las profundidades de la corteza, se liberan de presión, se expanden y agrietan. Por su parte, las sales acumuladas en las grietas ejercen también presión al recristalizar, profundizando las fracturas. Además, las variaciones de temperaturas diarias o estacionales, provocan ciclos de expansión y contracción que terminan rompiendo las rocas.

• • Química. En este caso actúan agentes químicos. Entre ellos están el oxígeno, el vapor de agua y el dióxido de carbono, que provocan diversas reacciones químicas (oxidación, hidratación, carbonatación y disolución) que afectan la cohesión de la roca y la transforman.
  • Biológica. Los agentes biológicos actúan por una combinación de factores físicos y químicos, incluyendo entre los primeros las presiones, fricciones y otros. Y como agentes químicos están las secreciones de ácidos, álcalis y otras sustancias. Por ejemplo, las plantas son agentes de meteorización muy efectivos, rompiendo las rocas con sus raíces, tanto por la acción física del crecimiento radical como por las secreciones que emiten.
• Erosión. La erosión actúa tanto directamente sobre la roca como sobre los productos de la meteorización, incluido el suelo formado. Implica el transporte del material erosionado, siendo el mismo agente erosivo el medio de transporte, y puede ser tanto eólica como hídrica. También se señala la erosión gravitatoria, cuando ocurren desplazamientos y desgaste del material en pendientes pronunciadas. En el proceso erosivo el material se fragmenta en partículas minerales aun menores, susceptibles de transporte a grandes distancias.

• • Eólica. La acción erosiva del viento se ejerce tanto por el arrastre como por el desgaste, que a su vez ejercen las partículas arrastradas sobre otras superficies.
  • Hídrica. Actúa tanto por la acción física del impacto del agua de lluvia o de las corrientes superficiales, como por la acción química. Un ejemplo extremo de efecto erosivo de las precipitaciones es la lluvia ácida, especialmente en rocas calcáreas.
• Transporte. Las partículas minerales son transportadas por agentes como el agua, el viento o la gravedad a grandes distancias. Es importante tomar en cuenta que cada medio de transporte tiene una capacidad de carga definida en cuanto a tamaño y cantidad de partículas. Por gravedad pueden desplazarse incluso rocas grandes aun escasamente meteorizadas, mientras que el viento transporta partículas muy pequeñas. Además, el medio condiciona la distancia, ya que la gravedad transporta rocas grandes a cortas distancias, mientras que el viento desplaza pequeñas partículas a distancias enormes. El agua, por su parte, puede transportar una amplia gama de tamaños de partículas, incluidas grandes rocas. Este agente puede llevar las partículas a distancias cortas o sumamente largas, dependiendo del caudal.
• Sedimentación y acumulación. Es la deposición del material transportado debido a la disminución de la velocidad del medio de transporte y a la gravedad. En este sentido, puede ocurrir sedimentación fluvial, de marea o sísmica. Como el relieve de la Tierra es un gradiente que va desde máximas altitudes hasta el fondo marino, es aquí donde ocurre la mayor sedimentación. A medida que transcurre el tiempo, se acumulan las capas de sedimentos una sobre otra.

• Solubilización, absorción y liberación biológica. Una vez ocurrida la meteorización, es factible que ocurra la disolución de los minerales liberados y su absorción por los seres vivos. Esta absorción puede efectuarse por plantas, bacterias o directamente por animales. Las plantas son consumidas por herbívoros y estos por carnívoros, y todos por los descomponedores, pasando los minerales a formar parte de redes tróficas. Asimismo, existen bacterias y hongos que absorben directamente los minerales, e incluso animales, como las guacamayas, que consumen arcillas.
• Litificación. El ciclo se completa con la fase de litificación, o formación de nueva roca. Esto sucede cuando los minerales se sedimentan formando sucesivas capas que se acumulan ejerciendo enormes presiones. Los estratos a mayor profundidad en la corteza se compactan y cementan formando roca sólida, y estas capas nuevamente se verán sometidas a los procesos diastróficos.
  • Compactación. Producto de la presión ejercida por las capas de sedimentos que se van apilando en las sucesivas fases de sedimentación, las capas inferiores se compactan. Esto implica que los poros o espacios que existen entre las partículas de sedimentos se reducen o desaparecen.
  • Cementación. Este proceso consiste en el depósito de sustancias cementantes entre las partículas. Estas sustancias, como calcita, óxidos, sílice y otros, cristalizan y cementan el material conformando roca sólida.

Ejemplos de ciclos sedimentarios

• Ciclo sedimentario del azufre. El azufre es un componente esencial de determinados aminoácidos, como la cistina y la metionina, y de vitaminas como la tiamina y la biotina. Su ciclo sedimentario incluye una fase gaseosa. Este mineral ingresa al ciclo por la meteorización de rocas (pizarras y otras rocas sedimentarias), descomposición de materia orgánica, actividad volcánica y aportes industriales. También la minería, la extracción de petróleo y la quema de combustibles fósiles son fuentes de azufre. Las formas del azufre en estos casos son sulfatos (SO4) y sulfuro de hidrógeno (H2S); los sulfatos están en el suelo y disueltos en el agua. Los sulfatos son absorbidos y asimilados por las plantas a través de sus raíces y pasan a las redes tróficas. Al morir los organismos, actúan las bacterias, hongos y otros descomponedores, liberando el azufre en forma de sulfuro de hidrógeno, que pasa a la atmósfera. El sulfuro de hidrógeno es rápidamente oxidado al mezclarse con oxígeno, formando sulfatos que precipitan al suelo.
  • Bacterias de azufre. En los lodos de pantanos y en la descomposición de la materia orgánica en general, actúan bacterias anaeróbicas. Estas procesan el SO4 generando H2S gaseoso que se libera a la atmósfera.
  • Lluvia ácida. Se forma debido a precursores como el H2S, emitidos a la atmósfera por la industria, las bacterias de azufre y erupciones volcánicas. Estos precursores reaccionan con el vapor de agua y forman SO4, que luego precipita.
• Ciclo sedimentario del calcio. El calcio se encuentra en rocas sedimentarias formadas en fondos marinos y lacustres por aportes de organismos provistos de conchas calcáreas. Igualmente, hay calcio libre ionizado en el agua, como en los océanos a profundidades mayores de 4.500 m, donde el carbonato de calcio está disuelto. Las rocas ricas en calcio, como la caliza, la dolomita y la fluorita, entre otras, son meteorizadas y liberan calcio. El agua de lluvia disuelve el CO2 atmosférico dando como resultado ácido carbónico, que facilita la disolución de la roca caliza, liberando HCO 3- y Ca 2+. El calcio en estas formas químicas es arrastrado por el agua de lluvia hasta ríos, lagos y océanos. Este es el catión más abundante en el suelo, de donde lo absorben las plantas, y los animales lo toman de las plantas o directamente disuelto en el agua. El calcio forma parte esencial de las conchas, exoesqueletos, huesos y dientes, por lo que al morir es reintegrado al ambiente. En el caso de los océanos y lagos se sedimenta en el fondo, y los procesos de litificación forman nuevas rocas calcáreas.
• Ciclo sedimentario del potasio. Es un elemento fundamental en el metabolismo celular, porque cumple un papel relevante en la regulación osmótica y en la fotosíntesis. Es parte de los minerales del suelo y rocas, siendo los suelos arcillosos ricos en este mineral. Los procesos de meteorización liberan iones potasio solubles en agua que pueden ser absorbidos por las raíces de las plantas. El ser humano también agrega potasio al suelo como parte de las prácticas de fertilización de cultivos. A través de los vegetales, el potasio se distribuye en las redes tróficas, para luego, con la acción de los descomponedores, volver al suelo.
• Ciclo sedimentario del fósforo. Las principales reservas de fósforo están en el sedimento marino, suelos, rocas fosfatadas y guano (excremento de aves marinas). Su ciclo sedimentario se inicia con rocas fosfatadas, que al meteorizarse y erosionarse, liberan fosfatos. Asimismo, el ser humano incorpora cantidades adicionales de fósforo al suelo al aplicar abonos o fertilizantes. Los compuestos fosforados son arrastrados junto con el resto de los sedimentos por la lluvia hacia las corrientes de agua, y de allí al océano. Estos compuestos en parte sedimentan y otra se incorpora a las redes tróficas marinas. Uno de los bucles del ciclo ocurre cuando el fósforo disuelto en el agua de mar es consumido por el fitoplancton, y este a su vez por peces. Luego, los peces son consumidos por aves marinas, cuyas excretas contienen grandes cantidades de fósforo (guano). El guano lo emplea el ser humano como abono orgánico para proveer fósforo a los cultivos. El fósforo que permanece en el sedimento marino sufre los procesos de litificación, formando nuevas rocas fosfatadas.
• Ciclo sedimentario de metales pesados. Entre los metales pesados hay algunos que cumplen funciones esenciales para la vida, como el hierro, y otros que pueden ser tóxicos, como el mercurio. Entre los metales pesados hay más de 50 elementos, como arsénico, molibdeno, níquel, zinc, cobre y cromo. Algunos, como el hierro, son abundantes, pero la mayoría se encuentra en cantidades relativamente pequeñas. Por otra parte, en la fase biológica de su ciclo sedimentario pueden acumularse en los tejidos vivos (bioacumulación). En este caso, al no ser fáciles de desechar, su acumulación se incrementa a lo largo de las cadenas alimenticias causando serios problemas de salud.
  • Fuentes. Los metales pesados provienen de fuentes naturales, por meteorización de rocas y erosión de suelos. También hay importantes aportes antrópicos, a través de emisiones industriales, quema de combustibles fósiles y basura electrónica.
  • Ciclo sedimentario general. En términos generales, los metales pesados siguen un ciclo sedimentario que parte de su fuente principal, la litosfera, y transitan por la atmósfera, la hidrosfera y la biosfera. Los procesos de meteorización liberan los metales pesados al suelo y de ahí pueden contaminar el agua o invadir la atmósfera mediante el polvo arrastrado por el viento. La actividad volcánica también contribuye a la emisión de metales pesados a la atmósfera, y la lluvia los arrastra del aire al suelo y de este a los cuerpos de agua. Fuentes intermedias forman bucles en el ciclo debido a las actividades humanas ya mencionadas y al ingreso de los metales pesados a las redes tróficas.

Referencias

1. Calow, P. (Ed.). The encyclopedia of ecology and environmental management.
2. Christopher, R., Fielding, C.R. A review of recent research in fluvial sedimentology. Sedimentary Geology.
3. Margalef, R. Ecología. Ediciones Omega.
4. Miller, G., TYLER, J.R. Ecología y medio ambiente. Grupo Editorial Iberoamérica.
5. Odum, E.P., Warrett, G.W. Fundamentos de ecología. Quinta edición. Thomson.