TRABAJO PRÁCTICO Nº 5 ANÁLISIS TEXTURAL DE ARENAS: TAMIZADO I - Introducción Pocos temas en el campo de la Sedimentología han sido investigados más ampliamente que las texturas sedimentarias. Este fuerte interés en las texturas sedimentarias se ha logrado aparentemente por la convicción de muchos trabajadores de que son una herramienta valorable para el análisis ambiental (Boggs, 1992), ya que está estrechamente relacionado a las fuerzas físicas que son activas durante el transporte y la depositación. El tamaño, forma y el arreglo (entramado o fábrica) de los granos silicoclásticos han sido examinados y reexaminados por décadas en un esfuerzo de establecer a través de estudios empíricos y experimentales la validez de esta suposición. Desafortunadamente, este objetivo de interpretación ambiental es difícil de conseguir y el investigador que intenta el uso de las texturas sedimentarias como herramienta para tal fin afronta muchos problemas. Sin embargo, la textura es un atributo fundamental de las rocas sedimentarias silicoclásticas. Junto a otras propiedades ayuda a caracterizar y distinguirlas de otros tipos de rocas y a su correlación. Además, la textura afecta a propiedades tales como porosidad, permeabilidad, densidad, conductividad eléctrica y transmisibilidad sónica. Estas propiedades derivadas son de particular interés a los geólogos petroleros, hidrólogos y geofísicos. La textura sedimentaria abarca 3 propiedades fundamentales de la rocas sedimentarias: tamaño de grano, forma de los granos (forma, redondez y textura superficial o microrelieve), y fábrica (empaquetamiento y orientación de granos). El tamaño de grano y la forma son propiedades de los granos individuales. La fábrica es una propiedad de los agregados de granos. II - Tamaño de Grano Escalas de tamaño de grano: El rango de las partículas silicoclásticas naturales van de arcillas a bloques. Debido a este amplio rango de tamaños, las escalas de grados más útiles para expresar tamaños son las escalas logarítmicas o geométricas que tienen una proporción fija entre los elementos sucesivos de las series. La más usada ampliamente es la escala Udden-Wentworth (Wentworth, 1922). Cada valor en esta escala es dos veces más grande que el valor precedente o 1/2 del mayor, dependiendo del sentido de dirección (Fig. 1.2 del TP Nº1). La escala de Udden-Wentworth se extiende desde 256 mm y está dividida en 4 categorías mayores de tamaños (arcillas, limos, arenas y gravas). Debido a que la magnitud de cada clase de tamaño en la escala es diferente y debido a que muchas de las clases son fracciones de milímetros, se hace difícil trabajar en gráficos con esta escala. Este problema puede ser evitado en parte graficando el logaritmo en base 10 de los tamaños en mm. Este procedimiento produce divisiones de tamaños pero estas divisiones se representan en fracciones. La escala phi (Φ) es una escala logarítmica en base 2 que supera este problema de las clases texturales en números quebrados, permitiendo expresar las clases textuales en números enteros. La escala está basada en la relación:

Ф = - log2 S donde Φ es el tamaño del grano y S es el tamaño de grano en mm. Los equivalentes de tamaños Φ y mm se muestran en la figura 1.2. Note que un incremento en el valor absoluto de los números phi negativos indican incremento en el tamaño en mm, mientras que un incremento en el número positivo de phi indica un decrecimiento en el tamaño de grano.

III - Medida del Tamaño de Grano Métodos Varios métodos de medida de tamaño de grano de partículas silicoclásticas están disponibles; la elección del método depende del tamaño de las partículas y su estado de consolidación (Tabla 5.1). Algunas de estas técnicas de medición han sido usadas por varias décadas, otras son comparativamente nuevas.

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Tabla 5.1. Métodos de medición de los tamaño de grano de un sedimento. Tipo de muestra Grado de muestra Método de análisis

Sedimento no consolidado y roca sedimentaria disgregada

Roca sedimentaria litificada

bloques guijarros guijas

Medición manual de los clastos individuales (eje mayor, intermedio y menor)

gránulos arenas

Tamizado, análisis de tubo de decantación, análisis de imágenes

limos arcillas

Pipeteado, balanza de sedimentación, fotohidrómetro, sedigraph, difractómetro láser (Rayos X), electroresistencia (ej. contador Coulter).

bloques guijarros guijas gránulos arenas limos arcillas

Medición manual de los clastos individuales Medición en secciones delgadas, análisis de imágenes Microscopio electrónico

Sedimentos no consolidados: Las primeras técnicas convencionales para medir el tamaño de grano en sedimentos arenosos no consolidados incluyen el tamizado y los métodos de sedimentación que involucran la medición del tiempo de caída de las partículas en agua en un tubo de decantación (Galehouse, 1971). El tiempo de caída puede ser empíricamente igualado al diámetro de la partícula. Más recientemente, los tubos de decantación automática (llamados analizadores rápidos de sedimentos) han sido desarrollados de manera que permiten la medición rápida y fácil del tamaño de grano. El peso del sedimento acumulado en un platillo en la base de un tubo de decantación, o el cambio de presión de la columna de agua a medida que el sedimento decanta, es medido automáticamente en función del tiempo. Los datos resultantes son registrados simultáneamente en un gráfico X-Y como una curva cumulativa. Cuando la curva está calibrada apropiadamente, el tamaño de grano se puede leer sobre la curva directamente. Mayores avances se han conseguido respecto al análisis rápido de sedimento, alimentando la salida de un analizador directamente a una microcomputadora, la cual con un software apropiado digitaliza los datos. La computadora luego, calcula estadísticamente el tamaño de grano y produce varios tipos de gráficos o cartas. La mayoría de los métodos de medición de tamaños de grano en sedimentos finos (limos finos y arcillas) están basados en la Ley de Stokes, siendo el método de la pipeta (Galehouse, 1971) el más usado (este procedimiento se verá en otro práctico). Debido a que el pipeteado es un proceso laborioso y lento, varias técnicas nuevas automatizadas para la medición de granos finos han sido desarrolladas, la mayoría de las cuales están basadas en la Ley de Stokes. Estos métodos requieren el uso de equipos sofisticados y caros que pueden no estar disponibles en muchos laboratorios de sedimentología. La Balanza de Sedimentación son tipos de tubos de decantación automatizados que trabajan con los mismos principios de los analizadores rápidos de sedimentos para arenas. Un fotohidrómetro (o hidrofotómetro) es un tipo especial de tubo de decantación automatizado que relaciona empíricamente los cambios de intensidad de un rayo de luz pasado a través de una columna de sedimento suspendido con las velocidades de decantación de una partícula y de este modo al tamaño de partícula. El Sedigraph determina el tamaño de la partícula midiendo la atenuación de rayo colimado de Rayos X en función del tiempo y la altura en una suspensión que decantar. Un analizador de tamaño por difracción láser opera sobre el principio que las partículas de un tamaño dado difracta la luz en un ángulo determinado, el ángulo se incrementa con el decrecimiento del tamaño de partícula. Los analizadores de tamaños por electro-resistencia tales como el Contador de Coulter o Electrozona miden el tamaño de grano sobre el principio que una partícula que pasa a través de un campo eléctrico producido en un electrolito desplazará su propio volumen y de este modo causará un cambio en el campo. Estos cambios son medidos como pulsos de voltaje con la magnitud de cada pulso proporcional al volumen de la partícula. Roca sedimentaria consolidada: La técnica convencional para medir granos de tamaño arenas y limos gruesos es la medición en secciones delgadas a través del uso de microscopio petrográfico equipado con el micrómetro ocular. El tamaño de grano obtenido de este modo es el diámetro de la sección de granos orientados al azar, el cual es habitualmente menor que el diámetro máximo de los grano, fenómeno que se conoce con el nombre de efecto Corpúsculo. De este modo los resultados son diferentes a los obtenidos por tamizado, por lo que usualmente son corregidos de alguna manera para hacerlos más parecidos. 35

Un método más sofisticado (y caro) de medir el tamaño de las partículas en secciones delgadas es aquel que usa el análisis de imágenes (Ehrlich et al., 1984; Mazzullo y Kennedy, 1985). Con este sistema, una cámara de TV con una tubo especial de visión montado en el microscopio petrográfico Ave@ establece el límite de los granos como unidades pixeladas. Los pixels son cuadrados digitalizados electrónicamente definidos por dos coordenadas espaciales (x, y). Un factor de conversión se utiliza para convertir los datos de pixeles cuadrados a micrómetros cuadrados, de los cuales se calcula el diámetro de las partículas. IV - Tamizado Una vez desagregada, la roca sedimentaria se encuentra en condiciones de ser analizada por su granulometría o distribución textural. Se define como densidad de distribución textural o simplemente textura, al porcentaje o frecuencia con que se presenta cada tamaño de grano en un sedimento. El tamizado es un procedimiento analítico aplicado a materiales cuyo rango de tamaños varía entre 16 mm y 0,0625 (o sea entre - 4 Φ y + 4 Φ, o arena muy fina y guija). Este rango textural es dividido en intervalos de tamaños, que son elegidos según los tamices disponibles para este propósito. Los granos que permanecen en cada tamiz después del proceso de tamizado son más grandes que el ancho de la malla del tamiz donde fueron retenidos, pero menores que el tamiz inmediato superior que pasaron. Cada tamiz se identifica con un número denominado malla y su abertura se expresa por el número de agujeros por pulgada cuadrada. La malla se relaciona aproximadamente con la abertura efectiva expresada en mm (A) mediante la relación: A=25,4 N - L, siendo L el espesor del alambre y N el número de tamiz que corresponde. La Tabla 5.2 muestra los valores de conversión de tamiz (Tyler y ASTM) a mm. El requerimiento más importante para el tamizado en seco es que la muestra compuesta de granos individuales (un pre-tratamiento de la muestra es necesario si posee cemento) esté bien seca (12 horas de secado seguido de 20 minutos en un desecador). El peso adecuado de una muestra a analizar es de unos 25 g aproximadamente para materiales entre 2 y 1/16 mm. El tiempo de tamizado depende de la cantidad de material grueso cargado en el tamiz más grueso y de la forma que éstos se sacuden para ayudar al pasaje de los granos. Wentworth (1926) estudió las diferencias entre la eficiencia de un tamizado en distintos tiempos, llegando a la conclusión que 10 minutos son suficientes para una muestra de 25 g. La frecuencia de cada grado o clase textural se obtiene extrayendo el material cuidadosamente y pesando cada fracción. Tabla 5.2. Principales escalas de tamaños y series de mallas de tamices utilizados (Corrales Zarauza et al., 1977)

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DESARROLLO DEL TRABAJO PRÁCTICO Nº 5    

Objetivos Aprendizaje de métodos y técnicas de laboratorio en la separación de las arenas. Utilización de equipamientos de laboratorio. Identificar las fracciones principales que componen a las arenas mediante su separación. Aplicaciones más comunes de la separación de arenas. Materiales

Cátedra Muestras de arena Estufa Pinzas Vasos de aluminio Espátulas Cartulinas Balanza de precisión Desecador de silica Conjunto de tamices Tamizador Lupa de mesada

Alumnos Planilla de laboratorio Calculadora

Procedimiento previo  Se tara un vaso de aluminio previamente lavado y secado en la estufa.  En el caso de una muestra no consolidada (arena), la misma será cuarteada hasta obtener aproximadamente 25 g., posteriormente se la coloca en un vaso de aluminio, se seca en la estufa durante 12 horas a 100ºC y luego es puesta en el desecador durante 20 minutos.  En el caso de una roca sedimentaria (arenisca), la muestra debe ser desagregada (se requiere un pre– tratamiento si la muestra contiene cemento) y luego tratada como muestra no consolidada. Análisis por el método de tamizado en seco Los datos se anotan en la planilla de laboratorio provista junto con el TP (Tabla 5.3). 1. Seleccionar el conjunto de tamices y fondo necesarios para realizar la separación, se apilan de acuerdo a un orden descendente (el número más grande abajo, fracción más fina, y el más pequeño arriba, fracción más gruesa) sobre el fondo. 2. Lavar, secar, tarar y colocar en el desecador tantos vasos de aluminio + uno de acuerdo al conjunto de tamices que se utilizarán en el análisis. 3. Pesar un vaso con la muestra total inicial. 4. Verter el contenido en el conjunto de tamices seleccionados y llevarlos al tamizador. 5. Tamizar durante 10 minutos. 6. Remover las fracciones de cada tamiz con ayuda de un pincel (nunca se debe aplicar objetos punzantes en las mallas, ni pinceles cuya cerda sea de diámetro comparable a la malla, ya que deforman los agujeros permanentemente). Verter cuidadosamente cada fracción sobre una cartulina o papel y luego colocarla en cada uno de los vasitos de aluminio. 7. Pesar cada fracción + vasito y registrar en la tabla 5.3 8. Por diferencia entre los pesos del vaso+muestra y el vaso solo se obtiene el peso retenido en cada tamiz, en consecuencia la fracción granulométrica correspondiente. 9. Realizar los cálculos respectivos (véase tabla 5.3). Informe El informe debe contener: - La metodología, equipamientos, materiales de laboratorio utilizados y datos referidos a la muestra: localidad y características. - El porcentaje de error cometido en el procedimiento y sus posibles causas. - Las características texturales de la muestra y la fracción de mayor porcentaje.

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Tabla 5.3. Planilla de laboratorio Vaso Abertura del tamiz nº Tara (g) nº mm Φ A

Vaso + fracción clástica B

Fracción clástica B–A (g)

Fracción %

Fracción % cumulativa

BIBLIOGRAFÍA Boggs, S.Jr, 1992. Petrology of Sedimentary Rocks. Macmillan Publishing Company. New York. 707 pp. Corrales Zarauza , I., Rosell Sanuy, J., Sanchez de la Torre, L., Vera Torres, J. y Vilas Minondo, L. 1977. Estratigrafía. Editorial Rueda. Madrid. 718 pp. Ehrlich, R., S.J. Crabtree, S.K. Kennedy y R.L. Cannon. 1984. Petrographic image analysis, I. Analysis of reservoir pore complexes. Journal of Sedimentary Petrology, v. 54: 1365-1378. Füchtbauer, H., 1974. Sediments and Sedimentary Rocks 1. Sedimentary Petrology, Part II. E. Schweizerbart´sche Verlag., Sttutgart. 464 pp. Galehouse, J.S., 1971. Sedimentation analysis, In Carver, R.E. (Ed.), Procedures in sedimentary petrology. John Wiley & Sons. New York,: 69-94. Mazzullo, J. y Kennedy, S.K. 1985. Automated measurement of the nominal sectional diameters of individual sedimentary particles. Journal of Sedimentary Petrology 55: 593-595 Müller, G, 1967. Methods in Sedimentary Petrology. Sedimentary Petrology, Part I. E. Schweizerbart´sche Verlag., Sttutgart, 283 pp. Wentworth, C.K ., 1922. A scale of grade and class terms for clastic sediments. Journal of Geology, 30: 377-392. Wentworth, C.K., 1926. Methods of Mechanical Analysis of Sediments. University of Iowa Studies in Natural History Vol. II, No. II. 38