Formación Marcellus
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Formación Marcellus Rango estratigráfico : Devónico medio
MarcellusShaleBank1.jpg
Exposición de lutitas de Marcellus sobre Marcellus, NY Las juntas verticales crean escarpados acantilados.
EscribeFormación geológica
Unidad deGrupo Hamilton
SubunidadesVer: miembros nombrados
SubyaceFormación Mahantango y Esquisto Millboro
SuperposicionesHuntersville Chert , Needmore Shale y Onondaga Formation
Espesorhasta 900 pies (270 m) [1]
Litología
PrimarioEsquisto
OtroPizarra , piedra caliza , piedra arenisca
Localización
RegiónCuenca de los Apalaches del
este de América del Norte
Grado600 millas (970 km) [2]
Sección de tipo
Nombrado paraMarcellus, Nueva York
Nombrado porJames Hall , 1839

La Formación de Marcelo o de la pizarra de Marcelo es un Devónico medio de edad unidad de roca sedimentaria que se encuentra en el este de América del Norte . El nombre de un afloramiento distintivo cerca del pueblo de Marcellus , Nueva York , en los Estados Unidos , [3] se extiende a lo largo de gran parte de la Cuenca de los Apalaches . [4] [5] [6]

El nombre de unidad utilizado por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) incluye Marcellus Shale y Marcellus Formation . [7] El término "Marcellus Shale" es el nombre preferido en la mayor parte de la región de los Apalaches, aunque el término "Formación Marcellus" también es aceptable en el Estado de Pensilvania. [7] La unidad fue descrita y nombrada por primera vez como las "lutitas Marcellus" por J. Hall en 1839. [8]

Descripción

El Marcellus consiste predominantemente de pizarra negra y algunos lechos de piedra caliza y concentraciones de pirita de hierro  ( Fe S 2 ) y siderita  (Fe CO 3 ). [9] Como la mayoría de las lutitas, tiende a dividirse fácilmente a lo largo del plano del lecho, una propiedad conocida como fisibilidad . [9] Las lutitas de colores más claros en la parte superior de la formación tienden a dividirse en pequeños fragmentos de bordes delgados después de la exposición. [10] Estos fragmentos pueden tener moho manchas de la exposición de la pirita al aire, y pequeña de yeso  ( CaSO 4 · 2 H 2 O ) cristales de la reacción entre pirita y partículas de piedra caliza. [10] Las exposiciones frescas de la lutita piriteífera pueden desarrollar la mineralización secundaria de limonita naranja  (Fe O ( OH ) · nH 2 O) y la eflorescencia o floración de azufre de color amarillo pálido , asociada con el drenaje ácido de la roca . [11]

Fragmentos por debajo de la exposición de pizarra fisible de Marcellus black en Marcellus, NY

La pirita es especialmente abundante cerca de la base, [12] y los contactos superiores de las calizas, pero los microcristales framboidales y los cristales euédricos de pirita se encuentran en todos los depósitos ricos en orgánicos. [13] El Marcellus también contiene uranio , [14] [15] y la desintegración radiactiva del uranio-238  ( 238 U) lo convierte en una roca fuente de gas radón radiactivo ( 222 Rn). [dieciséis]

El contenido orgánico total medido del Marcellus varía desde menos del 1% en el este de Nueva York hasta más del 11% en la parte central del estado, [17] [18] y la lutita puede contener suficiente carbono para soportar la combustión . [19] Las lutitas negras más ricas en materia orgánica pueden ser bituminosas , pero son demasiado antiguas para contener carbón bituminoso formado a partir de plantas terrestres. [20] En geología del petróleo , estas lutitas negras son una importante fuente de roca que llenó los reservorios de petróleo convencionales en las formaciones suprayacentes, son un reservorio de gas de lutita no convencional y son una capa impermeable.sello que atrapa los reservorios de gas natural convencionales subyacentes . [21] Hacia el oeste, la formación puede producir petróleo líquido ; un calentamiento adicional al norte durante el enterramiento más profundo hace más de 240 millones de años se quebró este aceite en gas. [17] [22]

Extensión geográfica

El Marcellus se encuentra en toda la región de la meseta de Allegheny en la cuenca de los Apalaches del norte de América del Norte. En los Estados Unidos, Marcellus Shale atraviesa las regiones de Southern Tier y Finger Lakes de Nueva York , en el norte y oeste de Pensilvania , el este de Ohio , a través del oeste de Maryland y en la mayor parte de Virginia Occidental extendiéndose a través de la línea estatal hasta el extremo occidental de Virginia . [23] El lecho rocoso de Marcellus en el este de Pensilvania [24] se extiende a través del río Delaware.en el extremo occidental de Nueva Jersey . [1] También existe en el subsuelo de una pequeña porción de Kentucky y Tennessee . [25] Debajo del lago Erie , se puede encontrar cruzando la frontera hacia Canadá , donde se extiende entre Port Stanley y Long Point hasta St. Thomas en el sur de Ontario .[26] [27]

Afloramientos en Nueva York

Delaware River sobre Walpack Bend, donde deja el valle enterrado erosionado del lecho rocoso de Marcellus Shale

El Marcellus aparece en afloramientos a lo largo del margen norte de la formación en el centro de Nueva York. Allí, los dos planos de articulación en el Marcellus están casi en ángulos rectos, cada uno de los cuales crea grietas en la formación que corren perpendiculares al plano de la cama, que se encuentra casi a nivel. [10] Estas juntas forman acantilados casi verticales lisos , y los planos de las juntas que se cruzan forman esquinas salientes en las paredes rocosas. [10] Una vez expuestas, las caras desgastadas pierden la mayor parte de su carbono orgánico, [28] pasando de negro o gris oscuro a un tono más claro de gris.

Los afloramientos de Marcellus pueden contener camas muy pequeñas que se asemejan al carbón . [29] Los afloramientos de Nueva York, y otros más al sur en Pensilvania y Nueva Jersey, fueron excavados extensamente a principios del siglo XIX, a veces con grandes gastos, con la falsa esperanza de encontrar vetas de carbón extraíbles . [29] En el condado de Perry, Pensilvania, a lo largo del río Juniata, los lechos de carbón falsos llegan a tener un grosor de hasta 0,3 m (1 pie), pero no produjeron un combustible valioso, a pesar del considerable esfuerzo realizado para extraerlo de las colinas circundantes. [30] Algasy las plantas marinas probablemente formaron el carbón falso. El verdadero carbón se forma a partir de plantas terrestres, que solo comenzaron a aparecer en Marcellus y fósiles posteriores. [31] [32]

La proximidad cercana a la superficie del lecho rocoso de Marcellus al sur de los afloramientos de Nueva York hace que una banda este-oeste que atraviesa la ciudad de Siracusa [14] sea un área de alto riesgo para el radón como contaminante del aire interior . [33] De las exposiciones superficiales a lo largo de los márgenes norte y este, la formación desciende a profundidades de más de 2.700 m (8.900 pies) por debajo de la superficie en el sur de Pensilvania. [25]

Expresión geomorfológica

Los lechos vueltos hacia arriba están expuestos en secciones de los Apalaches plegados de Ridge-and-Valley , [23] incluidas las exposiciones en los flancos y el eje del Broad Top Synclinorium en el centro sur de Pensilvania. [12] Los lechos expuestos son casi horizontales en la meseta de Allegheny, [34] pero volteados para formar lechos ligeramente volcados que se encuentran a lo largo del frente de Allegheny . [35] Desde Wind Gap, Pennsylvania hacia el sur, la pendiente de los lechos se hace más empinada, volviéndose vertical en Bowmanstown en el río Lehigh . [30] Cerca, en Lehigh GapEn el área de Pensilvania, el Marcellus tiene fallas extensas , [36] y los lechos están volcados abruptamente, con un ángulo de inclinación inverso de hasta 40 ° al sur. [30]

Los geólogos clasifican la lutita Marcellus y las lutitas de grano fino cerca del centro de la formación Mahantango como formadoras de taludes . [37] Los lechos de lutitas de Marcellus y Mahantango que se sumergen de 60 ° a 75 ° hacia el oeste forman las laderas orientadas hacia el oeste de Tonoloway Ridge en el flanco occidental del anticlinal de la montaña Cacapon en el Panhandle oriental de Virginia Occidental . [38] En el extremo oriental de este anticlinal, los lechos de estas lutitas que se inclinan hacia el este en un ángulo menos profundo también forman las laderas empinadas en el lado este de Warm Springs Ridge . [38]

Roca firme mapa geológico que muestra Marcelo lecho de roca en Nueva York y Pensilvania

El Marcellus se erosiona fácilmente y también se encuentra debajo de áreas bajas entre algunas crestas de los Apalaches, formando valles lineales de relieve moderado. Estas superficies de lecho rocoso generalmente están cubiertas con coluvión debido a la erosión de estratos estratigráficamente más altos y más resistentes a la erosión que forman el terreno más alto circundante. [12] Los suelos formados por el Marcellus y las lutitas de Hamilton suprayacentes son profundos, libres de piedras y muy adecuados para la agricultura . [10] El muestreo del suelo formado en el lecho rocoso de Marcellus mostró que la mineralogía dominante consistía en cuarzo , illita , montmorillonita , moscovita, y biotita , con fases de todorokita y trona que aparecen en profundidades más cercanas al lecho rocoso. [39]

Los lechos levantados de la pizarra blanda también capturan arroyos y ríos con segmentos relativamente rectos en valles en huelga como Aquashicola Creek y McMichael Creek al pie de The Poconos , [30] y la sección larga y recta del Lost River en West Virginia. [40] A continuación Port Jervis, Nueva York , el Walpack canto desvía el río Delaware en el Valle de Minisink, donde se sigue el suroeste huelga de la erosionado camas Marcellus lo largo de la Pennsylvania - frontera del estado de Nueva Jersey por 40 km (25 millas) al final de la cresta en Walpack Bend en el Área de Recreación Nacional Delaware Water Gap. [1] [41] El Minisink es un valle enterrada donde el Delaware fluye en un lecho de glacial hasta que enterrados los Marcellus lecho de roca erosionada durante el último período glacial . Este valle enterrado continúa a lo largo del rumbo del Marcellus al suroeste desde la curva que atraviesa Stroudsburg, Pensilvania , y al noreste desde Port Jervis hacia el río Hudson , [41] a lo largo de la ruta del canal Delaware y Hudson . [30]

Reconstrucción paleogeográfica del área de la Cuenca de los Apalaches durante la deposición del Marcellus [42]

Estratigrafía

Estratigráficamente , el Marcelo es la unidad más baja del Devónico Hamilton un grupo de edad, y se divide en varias sub-unidades. En el primer Estudio Geológico de Pensilvania , iniciado en 1836, Henry Darwin Rogers clasificó al Marcellus como la "Pizarra Negra Inferior Cadent", que denominó "Núm. VIII b". [43] En el primer estudio geológico del estado de Nueva York , que también comenzó ese año, James Hall estableció el término "Marcellus Shale" en su informe de 1839 titulado " Marcellus Shales en el condado de Seneca " . [44]El profesor Hall también argumentó en 1839 en contra de formular nombres geológicos basados ​​en características observadas que pueden variar de un lugar a otro o necesitar una revisión en el futuro, y a favor de la nomenclatura basada en la ubicación donde "la roca o grupo recibirá su nombre del lugar donde está mejor desarrollado ". [45] Sus argumentos resultaron convincentes, y el nombre basado en la ubicación para esto, y muchos de los otros nombres de grupos que publicó basándose en exposiciones en Nueva York, fueron adoptados en la segunda encuesta de Pensilvania y ahora son ampliamente aceptados.

Unidades superpuestas

En la primera encuesta de Nueva York, Marcellus Shale se colocó debajo del Grupo Hamilton en la base de la división Erie del sistema de Nueva York, pero esta taxonomía es obsoleta. [41]

En la práctica actual, Marcellus Shale (abreviado Dm o Dms) se clasifica como la unidad basal del Grupo Hamilton  (Dh), [17] que se encuentra debajo de la Formación Mahantango  (Dmh) miembro de este grupo en Pensilvania [46] y Maryland. . En Nueva York, el Mahantango, también de la edad del Devónico medio, se divide aún más. Allí, el Marcellus está separado de la Formación Skaneateles suprayacente, una lutita oscura más clástica y fosilífera, por el delgado lecho de piedra caliza Stafford o Mottville. [47] [48]

En West Virginia, el Marcelo se puede separar de las pizarras marrones de la Mahantango por ocasionales de arenisca camas y concreciones , [49] o puede estar directamente debajo de la más joven Devónico Formación Harrel (o sus equivalentes laterales) debido a una disconformidad , [ 50] que representa un vacío en el registro geológico debido a un período de erosión o no deposición. En el este de Ohio, el Grupo Hamilton también se encuentra disconforme debajo del miembro de esquisto Rhinestreet de la formación West Falls , otra lengua de esquisto negro transgresora con características similares al Marcellus. [51]

Unidades subyacentes

El Marcellus Shale se encuentra típicamente depositado en la piedra caliza de la Formación Onondaga  (Don), que se extiende hasta el final del período Devónico temprano. El contacto entre ellos puede ser agudo, gradual o erosivo. En el suroeste de Ontario, Canadá, al norte del lago Erie , el Marcellus se superpone a la Formación Dundee, un equivalente lateral del Onondaga. [52] [53] En Pensilvania, el Marcellus forma un contacto afilado y adaptable con el miembro Selinsgrove Limestone de Onondaga. [54] Un carbonato de pirita delgadoEl lecho también se encuentra en la base del esquisto negro Marcellus en las exposiciones del centro sur de Pensilvania, sobre un lecho delgado de esquisto verde calcáreo, que se encuentra sobre la piedra caliza de Onondaga. [19]

En el este de Nueva York, el contacto entre Marcellus y Onondaga (donde está presente) es gradual. [55] [56] En el oeste de Nueva York, el miembro de Union Springs del Marcellus se superpone de manera conforme al miembro Seneca de la piedra caliza Onondaga, [13] o el miembro estratigráficamente más alto de la piedra caliza Cherry Valley puede descansar directa e inconformablemente sobre el Onondaga en ausencia de la lutita de Union Springs. [57] [52] La desaparición local de unidades de Onondaga sugiere que su contacto superior con Marcellus puede ser erosivo. [57] En el condado de Erie en el oeste de Nueva York, tanto el contacto superior como el inferior del Marcellus están erosionados. [58]

En el este de Virginia Occidental, el Marcellus se superpone al Grupo Onesquethaw, que consiste en el gris oscuro o verde, calcítico, en su mayoría no fisible Needmore Shale, que se inclina hacia el oeste en Huntersville Chert. [49] Hacia el sur y el oeste, el Grupo Hamilton clasifica lateralmente en la formación Millboro Shale en el sur de Virginia Occidental y Virginia, [59] que se clasifica en la parte inferior de Chattanooga Shale de Tennessee . [60]

El Milboro es gradacional con la lutita subyacente de la Formación Needmore. [60] Al sur de la línea Mason-Dixon , debido a la dificultad para diferenciar las lutitas Millboro y Needmore con las exposiciones limitadas disponibles, [61] y la incertidumbre inicial en correlación con la prospección de Nueva York, se mapearon como la Formación Romney, una unidad que contiene todos los estratos del Devónico medio, [38] llamado así por una exposición en Romney, Virginia Occidental . [3] Las correlaciones se establecieron en 1916 mediante el seguimiento de las exposiciones de Nueva York a lo largo de Pensilvania y Maryland hasta Virginia Occidental, por lo que bajo el principio de prioridad científica , [38]la clasificación de Romney ahora está obsoleta; pero sus miembros de pizarra Marcellus y Needmore subyacentes todavía se encuentran agrupados en una unidad de mapa indiferenciada (Dmn). [62]

Sección transversal geológica de los estratos del Devónico superior a medio desde Cherry Valley , al suroeste de Nueva York a través de la meseta de Allegheny y luego a lo largo de los Apalaches de Ridge-and-Valley hasta Tennessee . [63] Nótese los grados de Marcellus hasta las lutitas negras de Milboro y Chattanooga. [49]

Camas de fresno Tioga

La metabentonita de Tioga o K- bentonita, unidad estratigráfica de aproximadamente 0,6 m (2 pies) de espesor que consta de varias cascadas de ceniza volcánica discretas y relativamente delgadas, también se incluye en la base del Marcellus en el este de Pensilvania. [46] En 1843 fue descrito sin ser nombrado por Hall, [64] y pasaron más de 100 años antes de que finalmente recibiera el nombre del campo de gas natural en el condado de Tioga, Pensilvania , [65] donde se encontró al perforar pozos de gas. . Es un marcador estratigráfico regional, [59] utilizado por los geólogos para identificar el Marcellus, [66]y correlacionar estratos lateralmente equivalentes. [52] [67] La dificultad para identificar correctamente las más de 80 caídas de cenizas diferentes durante el período Devónico, recolectadas en 15 o más lechos, [68] también ha dado lugar a muchas correlaciones erróneas. [69]

Desde Virginia hasta Nueva York, el Tioga está ampliamente distribuido, atravesando las partes central y norte de la cuenca de los Apalaches, [70] una extensión de área que excede los 265.000 km 2 (102.000 millas cuadradas). [71] Erupciones explosivas asociadas con la orogenia acadiense [72] que se originaron cerca de la actual Virginia central liberaron cenizas a la atmósfera. [65] Se dispersó a través de las cuencas de los Apalaches , Michigan e Illinois por los vientos alisios del sur , porque esta área estaba en el hemisferio sur durante el período Devónico. [71]El origen volcánico de la ceniza se evidencia por su mineralogía distintiva , la ceniza fue depositada directamente sobre el agua, por lo que sus granos angulares de cuarzo se diferencian de los sedimentos clásticos redondeados por el proceso de erosión que los lleva al mar. [69] A medida que la ceniza volcánica se depositó en el fondo, se mezcló con estos componentes terrígenos, produciendo una litología distintiva en la roca sedimentaria. [69]

Exposición de Marcellus a lo largo de la Interestatal 80 en el este de Pensilvania, donde la formación es más gruesa.

El Tioga puede aparecer en la formación como un lecho o partición gris, marrón, negro u oliva, [69] que consiste en toba cristalina gruesa o lutita tobácea, [65] finamente laminada, con escamas de mica del tamaño de arena. [73] La zona del lecho de ceniza de Tioga consta de ocho lechos de ceniza etiquetados según su orden estratigráfico de A (el más antiguo) a H (más joven), [70] [74] y otro lecho conocido como la zona media gruesa de Tioga. [68] [71] Sus lechos basales se encuentran dentro de los lechos superiores de Onondaga Limestone o Needmore Shale, y el lecho de cenizas superior dentro de la parte inferior de Marcellus o Millboro Shale. [59]En el estado occidental de Nueva York, el lecho de ceniza B de Tioga marca el límite entre los miembros de Moorehouse y Seneca de la formación Onondaga, [75] pero en la parte central del estado y la parte sur de la cuenca, los lechos de ceniza son en realidad en el Marcellus. [56] [70] [76] Esto indica que la deposición del Marcellus allí comenzó antes, [56] ya que los lechos de cenizas representan una sola época en el tiempo geológico.

Espesor

El espesor máximo del Marcellus varía de 270 m (890 pies) en Nueva Jersey, [1] a 12 m (40 pies) en Canadá. [27] En Virginia Occidental, el Marcellus Shale tiene hasta 60 m (200 pies) de espesor. [49] En el extremo oriental de Pensilvania, tiene 240 m (790 pies) de espesor, [41] se adelgaza hacia el oeste y se vuelve de solo 15 m (49 pies) a lo largo del río Ohio , y solo unos pocos pies en el condado de Licking, Ohio. . [77] El adelgazamiento, o convergencia estratigráfica , de este a oeste se debe a la disminución del tamaño de grano en los depósitos clásticos , que ingresaron a la cuenca desde el este. [67]Los lechos finalmente "pellizcan" hacia el oeste porque la deposición estaba limitada por el Arco de Cincinnati , [51] [78] la protuberancia que formaba la costa oeste de la cuenca. Donde la formación es relativamente gruesa, se divide en varios miembros y, a medida que la formación continúa espesándose hacia el este, estos miembros se dividen aún más. Algunos trabajadores optaron por clasificar a Marcellus como un subgrupo y clasificar a algunos de los miembros como formaciones separadas.

Miembros de la Formación Marcellus de Oeste a Este en Nueva York
Búfalo Rochester  Siracusa UticaAlbany

Esquisto de Oatka Creek

Cardiff
gris oscuro
pizarra

Esquisto Pecksport(Mt. Marion Fm.)
Esquisto y arenisca de Solsville
Esquisto de BridgewaterOtsego
Esquisto negro de ChittenangoBerna
Caliza Cherry ValleyStony Hollow
pizarra y piedra caliza
(Séneca Mb.)
(Onondaga Fm.)		Esquisto y piedra caliza de Union Springs
(Onondaga Fm.)Esquisto y piedra caliza de Union Springs
Tabla que muestra la correlación aproximada entre los
miembros nombrados de la Formación Marcellus de oeste a este en el centro del estado de Nueva York. [18] [47]

Miembros nombrados

Un miembro local de piedra caliza de Purcell, de 15 a 30 m (49 a 98 pies) de esquisto calcítico y piedra caliza intercalados, [67] divide el Marcellus en el este de Pensilvania. [46] El Purcell es estratigráficamente equivalente al miembro de Cherry Valley Limestone en Nueva York, [79] una piedra de empaquetadura bioclástica , [13] que consta de calizas esqueléticas, con intervalos de lutita [18] entre su capa inferior de caliza masiva, caliza nodular gruesa / marga y capa superior de piedra caliza. [80] Otros miembros nombrados incluyen el esquisto de Bakoven, el esquisto de Cardiff, el esquisto de Chittenango, la arenisca de Solsville, el esquisto y la piedra caliza de Union Springs, [81]y piedra caliza y pizarra Stony Hollow. [82] Union Springs, Cherry Valley y Oatka Creek se fusionan debajo del lago Erie, en Bell Shale, Rockport Quarry Limestone y Arkona Shale de Ontario. [52]

The Union Springs es una lutita de color gris negruzco a negro, rica en materia orgánica, piritífera, de estratificación fina, con capas de hormigón de lutita [80] y delgadas bandas de limo en la parte inferior. Hacia el este, se convierte en el miembro de Bakoven, una lutita más oscura y menos orgánica con menos capas de piedra caliza. [18] Hacia el oeste, los lechos de Union Springs son delgados, con sus calizas superiores fusionándose con el miembro calcáreo de Cherry Valley suprayacente . [18] Aparece una discordancia regional en el oeste de Nueva York, a medida que Union Springs entra y sale, [18] y luego reaparece en el noroeste de Pensilvania y el noreste de Ohio entre Onondaga y Cherry Valley. [52]

En el oeste y el centro de Nueva York, el miembro superior es el esquisto Oatka Creek, de color gris oscuro a negro, rico en materia orgánica. A diferencia de las otras lutitas del Devónico en esta región, la lutita gris en la parte superior de Oatka Creek se espesa gradualmente hacia el oeste, así como hacia el este, [83] donde se divide en el miembro de Cardiff que se encuentra sobre el miembro de Chittenango en el centro de Nueva York. . [18] El miembro de Chittenango está compuesto por lutitas negras hollín, fisionables y ricas en materia orgánica. [80] En la base del Chittenango, [84] sobre el esquisto del Miembro Bierne, [85] se encuentra Halihan Hill Bed, una piedra caliza bioclástica altamente bioturbada . [13]

Más al este, el Cardiff homogéneo se divide en los miembros de esquisto de Bridgewater, Solsville y Pecksport, desde la base hasta la parte superior. El Bridgewater es una lutita limosa oscura fisionable con fósiles relativamente raros. Una delgada zona de concreto se encuentra arriba, luego el Solsville clasifica desde una lutita calcárea gris a limolitas arenosas y areniscas finas en la parte superior, con la lutita gris de la lutita de Pecksport y la lutita sobre ella. [86]

En el centro-sur de Pensilvania, el Marcellus está mapeado con tres miembros, de arriba a abajo: el miembro Mahanoy (Dmm), una lutita y limolita limosa de color gris oscuro a negro grisáceo; el miembro de la cresta de Turquía (Dmt), una arenisca de grano fino a medio de color oliva a gris oscuro; y el miembro de Shamokin (Dms), una lutita carbonácea fisible de color gris oscuro a negro grisáceo que es calcárea en lugares cercanos a la base. [87] La Cordillera de Turquía se mapea comúnmente en la Formación Mahantango, [88] o se incluye en la Formación Montebello (Dmot), [89] y solo el Shamokin se correlaciona con el Marcellus en hojas de mapa adyacentes. [90]En el extremo oriental de Pensilvania, el miembro de Broadhead Creek, una lutita limosa de color gris oscuro con concreciones de piedra caliza lutita de color gris oscuro, aparece sobre Stony Hollow y Union Springs, en una capa de hasta 275 m (902 pies) de espesor. [91]

Ilustración de un fósil de cefalópodo ( Goniatites vanuxemi) de la Formación Marcellus. [92]

Fósiles

Hay inclusiones relativamente escasas de fauna marina fosilizada encontradas en el Marcellus, [46] pero estos fósiles siguen siendo importantes para la paleontología. Por ejemplo, el Marcellus contiene la colección diversa más antigua conocida de moluscos de caparazón delgado que aún tiene una microestructura de caparazón bien conservada. [93] También es donde las goniatitas , un nadador extinto con caparazón similar a un calamar, hacen su primera aparición en el registro fósil. [94] La vida en la tierra también entra en el registro fósil en el Marcellus, con los troncos de árboles de coníferas sin ramas que flotaron hacia el mar para ser preservados en la pizarra negra. [31] [32]

Los fósiles de Marcellus incluyen especímenes del gran braquiópodo Spinocyrtia, parecido a una almeja. [95] Los mohos externos de crinoideos , animales parecidos a plantas relacionados con las estrellas de mar, también conocidos como "lirios marinos", [96] se encuentran en la formación, [97] con los moldes parcialmente llenos de limonita ; También se han encontrado mohos braquiópodos y bivalvos (almejas) en la lutita. [98] Los pequeños tentaculítidos cónicos se encuentran comúnmente en el miembro de Chittenango. [80] El lecho de Halihan Hill contiene estiliolínidos y macrofauna, incluidos braquiópodos, briozoos parecidos a los corales, pequeños bivalvos y gasterópodos (caracoles), [13] incorporados después de la renovación de la fauna cuando la fauna de Emsian y Eifelian Schoharie / Onondaga fueron reemplazadas por la fauna de Givetian Hamilton. [84]

El miembro de Solsville contiene bivalvos, gasterópodos y braquiópodos bien conservados. [86] Estos mariscos vivían en la zona bentónica en el fondo de los ambientes marinos marinos a marinos abiertos que existían al oeste del antiguo Delta de Catskill . [99] El registro fósil de este miembro muestra que la base estaba dominada por alimentadores de depósitos , mientras que las capas superiores estaban dominadas por alimentadores de filtro . [99]Esto puede estar correlacionado con la litología: los sedimentos más finos de las lutitas en la base de este miembro contendrían abundante materia orgánica adherente para los alimentadores de depósitos, pero tenderían a ensuciar las branquias de los alimentadores de filtración cuando se suspenden; los sedimentos más gruesos de las areniscas en la parte superior habrían contenido menos materia orgánica para sustentar los alimentadores de depósitos. [99] Debajo del Solsville, en la base del Otsego en el este de Nueva York, se encuentra un lecho de coral ; se puede ver otro lecho de coral en la cima del Marcellus cerca de Berna, Nueva York . [100]

Una diversa fauna de conodontes parecida a una anguila se encuentra en la piedra caliza del miembro de Cherry Valley, [101] que también es conocida por su rica fauna de cefalópodos nautiloides y goniatita . [80] Originalmente llamada piedra caliza goniatita , [102] produce sus restos fosilizados con conchas que pueden tener más de 0,3 m (1 pie) de ancho. [43] También contiene el "Cefalópodo" en el valle de Schoharie.del este de Nueva York, una acumulación inusual de abundantes conchas rectas y enrolladas de varios tipos de cefalópodos adultos grandes. Este lecho carece de fósiles juveniles, lo que indica que si su comportamiento fue similar al del calamar moderno, esta pudo haber sido un área donde estos cefalópodos del Devónico se reprodujeron y murieron. [103] Este intervalo estratigráfico también proporciona un excelente ejemplo de epiboles de incursión , que son apariciones y desapariciones repentinas de taxones fósiles en secciones relativamente delgadas de la unidad de roca. [104] En Cherry Valley, los taxones no vuelven a aparecer; en cambio, cada capa fina de piedra caliza concrecionaria contiene diferentes especies de goniatitas. [104]Cherry Valley y Union Springs también contienen anarcestida bien conservada . [105]

La edad

En la escala de tiempo geológico , el Marcelo ocurre en la época del Devónico Medio , del período Devónico , en la era Paleozoica , del eón Fanerozoico . La datación radiométrica de una muestra de Marcellus de Pensilvania situó su edad en 384 millones de años, y una muestra de la bentonita en la parte superior del Onondaga en 390 ± 0,5 millones de años. [106]

La edad relativa de las citas Marcelo coloca su formación en la subdivisión de Cazenovia del Givetiense etapa de fauna , o 391,9 a 383,7 millones de hace años ( Ma ). [81] El miembro de Union Springs, en la base del Marcellus en Nueva York, ha sido fechado al final del Eifelian , la etapa que precedió inmediatamente al Givetian. [107] anóxicas pizarras oscuras en la formación marcan el Evento Kačák , [108] un tardío Eifeliense - etapa marina evento anóxico también asociado con un evento de extinción . [109]En 2012, Read y Erikson también describieron la formación como Eifeliana. [110]

Nomenclatura estratigráfica generalizada para los estratos del Devónico medio en la Cuenca de los Apalaches . [59]

Interpretación del entorno deposicional

Aunque la lutita negra es la litología dominante , también contiene lutitas más claras y capas de piedra caliza intercaladas debido a la variación del nivel del mar durante su deposición hace casi 400  millones de años . [72] La pizarra negra se depositó en aguas relativamente profundas desprovistas de oxígeno y es escasamente fosilífera . La mayoría de los fósiles están contenidos en los miembros de piedra caliza, y el registro fósil en estas capas proporciona importantes conocimientos paleontológicos sobre la rotación de la fauna .

Al principio de la orogenia acadiense , cuando las montañas acadienses se estaban elevando, las lutitas negras y grises del Grupo Hamilton comenzaron a acumularse a medida que la erosión de las montañas depositaba sedimentos terrígenos de la tierra en el mar. [17] El Marcellus Shale se formó a partir de los primeros depósitos en una depresión relativamente profunda, carente de sedimentos y de oxígeno ( anóxica ), que se formó paralelamente a la cadena montañosa. [111] Estos fragmentos clásticos de roca fueron transportados en arroyos trenzados hasta el antiguo delta de Catskill , un delta de un río probablemente similar al actual.Delta del Níger de África. [112]

Las partículas más pequeñas permanecieron suspendidas más tiempo en este mar epeírico , fluyendo mar adentro como turbiditas en una avalancha submarina lenta pero persistente. Finalmente se detuvieron en el fondo de la proa de Acadia en la Cuenca de los Apalaches , [113] a cientos de metros de la costa, a profundidades que pueden haber sido 150 m (490 pies) o más bajo la superficie. [13] Alternativamente, la cuenca puede haber sido tan poco profunda como 50 m (160 pies) o menos, si el agua tibia estaba lo suficientemente estratificada como para que el agua superficial rica en oxígeno no se mezclara con el agua anóxica del fondo. [114] La deposición de Marcellus produjo una transgresiónpizarra negra, [51] porque se depositó en condiciones de profundización cuando el piso de la cuenca descendió a medida que las montañas se elevaban. [115]

Sección transversal geológica generalizada de magnafacies del delta de Catskill en el oeste de Pensilvania y el este de Ohio . [63] Los depósitos clásticos entraron en la Cuenca de los Apalaches desde el este, donde la roca sedimentaria resultante es más gruesa.

Las facies de pizarra oscura del Marcellus se formaron a partir de flysch , un lodo fino depositado en aguas profundas; el mar cada vez más profundo que depositó el Marcellus cortó el suministro de carbonatos que forman la piedra caliza y los sedimentos de flysch de grano fino enterraron los lechos de piedra caliza de Onondaga . [116] [117] La materia orgánica, probablemente dominada por el plancton , también se depositó en el fondo, pero el proceso normal de descomposición aeróbica se inhibió en el ambiente anaeróbico , preservando así el carbono orgánico. [118] [119] El uranio también se incorporó en estos lodos orgánicos sindeposicionalmente, [14]lo que significa que fue depositado al mismo tiempo, en lugar de ser introducido a la formación más tarde. [120] La materia orgánica eliminó los oligoelementos del agua de mar, [28] incluidos los elementos sensibles a redox uranio, renio , molibdeno , osmio , cromo y selenio . [121]

El Marcellus se depositó durante el desarrollo de las plantas terrestres , cuando el oxígeno atmosférico estaba aumentando, lo que resultó en una reducción del dióxido de carbono en la atmósfera y el agua de mar donde se depositó. [122] Los miembros nombrados de Marcellus reflejan dos secuencias deposicionales compuestas, [123] con un ciclo ascendente de engrosamiento general que continúa en la base de la Formación Mahantango suprayacente. [37] La intercalación de elementos de lutita y piedra caliza más livianos se atribuye a oscilaciones relativamente a corto plazo en la profundidad de la cuenca. [124] Más tarde, las secuencias de depósito de aguas profundas formaron la Formación Brallier y la Formación Harrell suprayacentes . [113]

Recursos económicos

Gas natural

El esquisto contiene reservas de gas natural en gran parte sin explotar , y su proximidad a los mercados de alta demanda a lo largo de la costa este de los Estados Unidos lo convierte en un objetivo atractivo para el desarrollo y la exportación de energía . [125]

Artículo principal: Tendencia del gas natural de Marcellus
Producción de pozos de gas en el juego de gas de Marcellus Shale

La tendencia del gas natural de Marcellus, que abarca 104,000 millas cuadradas y se extiende a lo largo de Pensilvania y Virginia Occidental, y hacia el sureste de Ohio y el norte del estado de Nueva York, es la fuente más grande de gas natural en los Estados Unidos, y la producción seguía creciendo rápidamente en 2013. La Marcellus es un ejemplo de gas de esquisto , gas natural atrapado en esquisto de baja permeabilidad, y requiere el método de terminación de pozo de fracturación hidráulica para permitir que el gas fluya hacia el pozo. El aumento en la actividad de perforación en Marcellus Shale desde 2008 ha generado tanto beneficios económicos como preocupaciones ambientales y, por lo tanto, una controversia considerable.

Planchar

Las lutitas negras también contienen mineral de hierro que se utilizó en el desarrollo económico temprano de la región, y uranio y pirita, que son peligros ambientales. En la base del Marcellus, en el lecho de pirita - carbonato entre la pizarra negra carbonácea y un lecho de pizarra calcárea verde, [19] la pirita, el carbonato y el agua subterránea reaccionaron para formar yeso y óxido de hierro gossan . [126] Hasta donde pudo penetrar el agua subterránea necesaria para la conversión, el carbonato de pirita se convirtió en un mineral de hierro de hematita marrón utilizable. a lo largo de los afloramientos y cerca de la superficie del lecho rocoso. [30] El mineral de hierro Marcellus se extrajo activamente en el centro sur de Pensilvania desde su descubrimiento a fines del siglo XVIII, hasta que fue reemplazado por los ricos yacimientos de mineral de la Cordillera de Hierro de Minnesota a principios del siglo XX. [127] El mineral se localizó y trabajó fácilmente en pozos y pozos poco profundos, pero una vez que se eliminaron los depósitos superiores utilizables, o si un pozo de la mina entraba en el lecho demasiado por debajo de la superficie, solo se encontraron depósitos piríticos no convertidos inutilizables. [19]

El mineral de hematita se convirtió en arrabio en altos hornos de piedra a carbón que se construyeron en toda la región del río Juniata cerca de los depósitos de mineral trabajable del Marcellus y otras formaciones. [127] Los productos de hierro de esta área, conocidos como "Hierro Juniata", se produjeron durante el período comprendido entre la Revolución Americana y la Guerra Civil Americana . Estos altos hornos eran importantes para la economía de la región en ese momento, [128] pero el fríoLos hornos de piedra empleados típicamente eran ineficientes y consumían cantidades significativas de madera de los bosques de frondosas cercanos, lo que finalmente condujo a su desaparición. [129] Un horno típico usaba 2.400 kg (5.300 lb) de mineral de hematita y 7.3 m 3 (200 imp bu) de carbón vegetal para producir 910 kg (2.010 lb) de arrabio, [19] y podía producir varios miles de libras por día , que requirió la tala de más de 4.000 m 2 (1 acre) de bosque por día. [130]

El mineral del Marcellus variaba en grosor, volviéndose demasiado delgado e incluso desapareciendo por completo en lugares entre los lechos trabajables. [19] [131] La calidad del mineral también varió, [19] y no siempre fue rentable fundir , ya que varios hornos construidos cerca de las minas de mineral de hierro en Marcellus fueron abandonados antes de que los recursos minerales y madereros utilizados para alimentarlos se convirtieran en escaso. [131]

El mineral encontrado intercalado en la pizarra pizarrosa negra contenía una proporción relativamente alta de carbono que se quemó en el horno y azufre , que produjo un hierro utilizable pero " rojo-corto ". [132] El hierro rojo-corto tiene las propiedades indeseables de oxidarse más fácilmente y una tendencia a agrietarse, especialmente cuando se calienta a un estado al rojo vivo. [133] En algunos lugares de Pensilvania, la calidad del mineral era bastante buena, con vetas relativamente profundas que contenían un 45% de hierro y muy poco azufre. [19] En Virginia, el mineral de Marcellus contenía ocasionalmente zinc , que producía una llama verde característica en el horno a medida que se consumía, pero depositaba una masa dura de óxido de zinc impuro.conocido como cadmia , que se acumuló con el tiempo cerca de la parte superior del conducto de humos y tuvo que ser eliminado periódicamente para mantenerlo sin obstrucciones. [134]

Pigmentos de hierro

El drenaje que reaccionó con las inclusiones de pirita también depositó una forma de hierro pantanoso cerca de varios afloramientos del Marcellus. En el siglo XIX, el mineral de hierro de estos depósitos se utilizó como pigmento de pintura mineral. Después de calentarlo en un horno y molerlo finamente, se mezcló con aceite de linaza y se usó para pintar madera exterior en graneros, puentes cubiertos y vagones de ferrocarril. [30] Además del hierro del pantano, en varios lugares inclinados en el este de Pensilvania se encontró hematita marrón sobre el lecho rocoso de Marcellus enterrado bajo el suelo. Estos depósitos también fueron excavados y utilizados para pintura mineral durante ese tiempo. [41]Un lecho de mineral de pintura de hematita también se encuentra casi directamente debajo del Marcellus, pero en realidad es parte de la Formación Oriskany subyacente. [30]

Ferruginoso

Los nativos americanos creían que las "aguas ferruginosas" ricas en hierro que emanaban de los manantiales de chalybeate cerca de la base del Marcellus en Bedford, Pensilvania, tenían poderes curativos. El Bedford Springs Hotel era un spa mineral construido en 1802 alrededor de una serie de manantiales minerales, incluido uno de ellos, su "manantial de hierro". El hotel Chalybeate Springs, construido cerca en 1851 alrededor de otros tres manantiales minerales, incluido otro manantial de chalybeate, [135] se convirtió en un "centro turístico para inválidos". [136] Las aguas ricas en hierro se prescribieron para la anemia y las complicaciones relacionadas. [137] Ambos manantiales minerales contienen hierro en forma decarbonato de hierro , [136] que da a estas aguas un "sabor ligeramente a tinta". [137]

Otros usos

El Marcellus también se ha utilizado localmente para agregado de lutitas y relleno común , [12] aunque las lutitas piríticas no son adecuadas para este propósito debido al drenaje ácido de la roca y la expansión volumétrica. [138] En el siglo XIX, este esquisto se usó para pasarelas y caminos, [20] y se consideró un " metal de carretera " superior porque los fragmentos de grano fino se compactaban firmemente, pero drenaban bien después de una lluvia. [30]

Las lutitas pizarrosas oscuras pueden tener la hendidura y la dureza necesarias para ser trabajadas, y se extrajeron de pizarra para techos de baja calidad en el este de Pensilvania durante el siglo XIX. Las pizarras de Marcellus eran inferiores a la pizarra de la Formación Martinsburg extraída más al sur, y la mayoría de las canteras fueron abandonadas, con la última operación significativa en el condado de Lancaster. [30] La pizarra negra Marcellus también se extrajo en el condado de Monroe, Pensilvania, para las pizarras escolares utilizadas por los estudiantes en las escuelas rurales del siglo XIX. [30]

Las lutitas carbonáceas, como Marcellus, son un posible objetivo de captura y almacenamiento de carbono para mitigar el calentamiento global . Debido a que el carbono adsorbe dióxido de carbono  (CO 2 ) a una tasa mayor que el metano  (CH 4 ), el dióxido de carbono inyectado en la formación para el secuestro geológico también podría usarse para recuperar gas natural adicional en un proceso análogo a la recuperación mejorada de metano en lechos de carbón , pero el valor práctico de esta técnica teórica aún no se conoce. [51] Los científicos creen que la adsorción permitiría el secuestro a profundidades menores queabsorción en formaciones salinas profundas, que deben estar al menos 800 m (2600 pies) por debajo de la superficie para mantener el CO 2 líquido en un estado supercrítico . [21]

Problemas de ingeniería

Las lutitas fisionables también se erosionan fácilmente , lo que presenta desafíos adicionales de ingeniería civil y ambiental .

Una plataforma de perforación horizontal para gas natural en la formación Marcellus en el este del condado de Lycoming, Pensilvania .

Las exposiciones de la construcción de caminos de desmonte y relleno en Virginia y Pensilvania han dado como resultado un drenaje de roca ácido localizado debido a la oxidación de las inclusiones de pirita. [139] La lutita recién expuesta en la cara cortada se meteoriza rápidamente, permitiendo que el aire y el agua ingresen a la roca no excavada, lo que resulta en una escorrentía ácida de la superficie después de los eventos de precipitación. [140] La escorrentía ácida altera los ecosistemas acuáticos , y el suelo altamente ácido contaminado por esta escorrentía no sustenta la vegetación, que es antiestética y puede provocar problemas de erosión del suelo . [139]

La descomposición natural de la lutita en fragmentos más pequeños puede afectar la estabilidad del talud , requiriendo taludes menos profundos que requieren más material para ser alterado en el trabajo de desmonte y relleno, exacerbando el problema del drenaje ácido de la roca. El material cortado no se puede utilizar como relleno debajo de carreteras y estructuras debido a la expansión volumétrica, lo que agrava el problema. [66] Los lechos de ceniza de Tioga contienen arcilla bentonita que también presenta un riesgo de deslizamiento de tierra en la roca no excavada. [66]

El daño a las estructuras construidas en el relleno que consiste en lutitas piríticas de Marcellus ha sido causado por la expansión de la escorrentía de ácido sulfúrico  (H 2 SO 4 ) que reacciona con la calcita  (CaCO 3 ) en la lutita para producir yeso  (CaSO 4 ), que tiene el doble de molar. volumen . [141] Otros minerales de sulfato que pueden producirse mediante reacciones con pirita incluyen anhidrita , melanterita , rozenita , jarosita y alunita . [138]Las reacciones han generado una presión de levantamiento del orden de 500 kPa (10,000 libras por pie cuadrado), pero pueden generar cuatro veces esta presión lo suficiente como para levantar los cimientos de un edificio de 5 pisos. [138] La piedra caliza , que se utiliza para neutralizar el drenaje ácido, en realidad puede exacerbar el problema de expansión al promover reacciones sulfato-sulfato que forman los minerales taumasita y etringita , que tienen volúmenes molares aún mayores. [138]

La perforación de pozos a través de las lutitas del Grupo Hamilton en el subsuelo puede ser problemática. El Marcellus tiene una densidad relativamente baja y estas lutitas pueden no ser químicamente compatibles con algunos fluidos de perforación . La lutita es relativamente frágil y puede fracturarse bajo presión, causando un problema en la circulación del fluido de perforación de regreso a través del pozo conocido como pérdida de circulación. La formación también puede estar subpresurizada, lo que complica aún más el proceso de perforación. [51]

Ver también

  • Geología de Nueva Jersey
  • Geología de Pensilvania
    • Lista de formaciones rocosas mapeadas en Pensilvania
  • Geología de Virginia Occidental
  • Cronología interactiva de la producción de gas de la formación Marcellus
  • Asociación de Geólogos del Petróleo de Pittsburgh
  • Gas de esquisto
  • Shale gas en los Estados Unidos

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  141. ^ Hoover, SE; Wang, MC; Dempsey, B. (2004). Daño estructural inducido por lutitas piríticas . Quinta Conferencia Internacional sobre Historias de Casos en Ingeniería Geotécnica, 13 al 17 de abril de 2004, Nueva York, Actas de Nueva York [recurso electrónico]. pag. 7.

enlaces externos

  • Una exploración creativa de la perforación y el desarrollo de gas natural en Marcellus Shale
  • A Marcellus Shale Clearinghouse - Instituto de Investigación Energética y Ambiental de la Universidad Wilkes del Noreste de Pensilvania
  • Afloramientos de las imágenes de la Formación Marcellus con leyendas alojadas en la Universidad Estatal de Pensilvania
  • Mapa de presencia de esquisto de Marcellus de la cuenca del río Susquehanna
  • Publicaciones del PAPG de la Asociación de Geólogos del Petróleo de Pittsburgh, incluido el Marcellus Shale
  • Marcellus Shale vincula mapas y enlaces a sitios gubernamentales y no gubernamentales sobre Marcellus Shale
  • El gas natural cambia el mapa energético Artículo de revisión de tecnología del MIT sobre el potencial de gas de Marcellus Shale (solo una breve sinopsis es gratuita)
  • Campaña Ciudadana por el Medio Ambiente : CAMPAÑAS: Hidro-fracking de gas natural en esquisto
  • FracTracker: Blog y sistema de mapeo y datos de gas de esquisto
  • FrackTrack: Aplicación de mapeo de esquisto de Pennsylvania Marcellus
  • Economista de la región de Marcellus
    • Base de datos de publicaciones de la iniciativa Marcellus Shale de la Universidad Bucknell

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