Artículos

 

Análisis por microscopía electrónica de barrido de granos de cuarzo de dunas desérticas y costeras (Desierto de Altar, NW México)

 

Scanning electron microscopy analysis of quartz grains in desert and coastal dune sands (Altar Desert, NW Mexico)

 

JJ Kasper-Zubillaga¹, R Faustinos-Morales²

 

¹ Instituto de Ciencias del Mar y Limnología, Universidad Nacional Autónoma de México, Geología Marina y Ambiental, Circuito Exterior s/n, 04510 México DF, México. E-mail: kasper@icmyl.unam.mx.

² Facultad de Ciencias, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior, 04510 México DF, México.

 

Recibido en mayo de 2006;
Aceptado en diciembre de 2006.

 

Resumen

Un análisis en el microscopio electrónico de barrido se realizó a 570 granos de cuarzo de dunas desérticas y costeras en el noroeste de México. Nuestro objetivo principal es el de presentar una nueva aplicación en el uso de diagramas ternarios con límites logísticos de confianza en datos normalizados basados en rasgos superficiales del cuarzo (datos cerrados). Esto se realizó para demostrar que los rasgos superficiales del cuarzo de dunas desérticas y costeras no son significativamente diferentes a pesar de que hay ciertos procesos dominantes (mecánicos, químicos) que producen estos rasgos superficiales en el cuarzo de ambos tipos de dunas. Esto puede asociarse con el hecho de que el cuarzo depositado en las dunas no refleja un segundo ciclo de transporte asociado a un ambiente eólico debido a su baja madurez textural, procedencia, cercanía a la roca fuente y poco desgaste superficial del grano. Este estudio indica que los granos de cuarzo de las dunas desérticas muestran rasgos asociados al Delta del Río Colorado y fuentes graníticas que no reflejan de manera precisa los mecanismos eólicos que controlan el transporte de estos granos. Asimismo, algunos granos de cuarzo muestran rasgos superficiales de origen químico posiblemente vinculados a la actividad hidrotermal cerca del Delta del Río Colorado. En general, los granos de cuarzo muestran rasgos superficiales bien definidos. El cuarzo de las dunas costeras muestra rasgos superficiales químicos que indican precipitación de agua sobresaturada en sílice y, en menor grado, muestra rasgos superficiales de origen mecánico. Estas similitudes están asociadas a la mezcla de procesos (mecánicos, químicos) en cuarzo de dunas desérticas y costeras.

Palabras clave: dunas desérticas y costeras, rasgos superficiales del cuarzo, microscopio electrónico de barrido, límites logísticos de confianza, análisis factorial.

 

Abstract

A scanning electron microscopy analysis was performed for 570 quartz grains from desert and coastal dune sands in NW Mexico. Our main goal is to present a new application in the use of ternary diagrams with logistic normal confidence region boundaries of normalized data based on quartz surface textures (i.e., constrained data) of desert and coastal dune sands. This was done to demonstrate that quartz surface textures from desert and coastal dune sands are not significantly different even though there are apparent dominant processes (mechanical, chemical) that produce different surface textures in quartz grains from both dune types. This may be associated with the fact that quartz grains deposited in the dune sands do not reflect a second cycle of transport associated with an aeolian environment because of their low textural maturity, provenance, closeness to the source rock, and little attrition process. This study indicates that quartz grains from the desert dunes display mechanical textures probably associated with the Colorado River Delta and granitic sources that do not reflect accurately the aeolian mechanisms controlling the transport of these grains. Also, some quartz grains display chemical surface textures probably linked to the hydrothermal activity near the Colorado River Delta. In general, quartz grains display conspicuous surface textures. Quartz from coastal dune sands displays chemical surface textures that indicate quartz precipitation from silica-saturated water and, to a lesser extent, it displays mechanical features. These similarities might be associated with the mixing of processes (mechanical, chemical) in quartz from the desert and coastal dune sands.

Key words: desert and coastal dune sands, quartz surface textures, scanning electron microscopy (SEM), logistic normal confidence region boundaries (LNCRB), factor analysis.

 

Introducción

Los estudios sobre los rasgos superficiales de los granos de cuarzo mediante microscopía electrónica de barrido han sido ampliamente utilizados para investigar los procesos físicos y químicos que suceden en diversos ambientes sedimentarios (Krinsley y Donahue 1968, Margolis y Krinsley 1974, Middleton y Davis 1979, Mazzullo et al. 1986, Pye y Mazzullo 1994, Moral-Cardona et al. 1997, Al-Hurban y Gharib 2004, Kasper-Zubillaga et al. 2005). Se han realizado algunos estudios sobre las arenas de dunas costeras tropicales para determinar el tipo de transporte, la composición y la depositación de los granos de cuarzo durante su ciclo sedimentario (Krinsley y Donahue 1968, Pye y Mazzullo 1994, Kasper-Zubillaga y Carranza-Edwards 2003). Los efectos de la abrasión mecánica y/o química sobre el cuarzo determinan la textura superficial de este mineral. Por ejemplo, las fracturas concoidales, las superficies lisas, las formas en V de origen mecánico y las estrías lineales o curvas están asociadas con la abrasión mecánica en ambientes marinos y eólicos de energía alta/mediana/baja, mientras que las cavidades de disolución, el grabado y los depósitos de sílice son característicos de una influencia química sobre la morfología del cuarzo en áreas tropicales o saturadas en sílice como las zonas intermareales (Le Ribault 1975, Higgs 1979, Moral-Cardona et al. 1997). En regiones húmedas como la costa oriental de Australia o la parte norte de Nueva Zelanda, los granos relictos de cuarzo de dunas han desarrollado rasgos superficiales de origen químico debido a los procesos de podzolización (Schofield 1970, Pye y Mazzullo 1994, Kasper-Zubillaga et al. 2005). En el presente estudio, es probable que los granos relictos de cuarzo de dunas desérticas y costeras estén más relacionados con procesos mecánicos (transporte fluvial, corrientes paralelas a la costa, vientos) a causa de la sequedad de la región; sin embargo, algunos de los granos de cuarzo de las dunas costeras podrían haber desarrollado rasgos superficiales por procesos químicos debido a su cercanía al agua de mar.

Este estudio presenta una nueva aplicación de los diagramas ternarios con límites logísticos de confianza (LLC) (Weltje 2002) en datos normalizados basados en los rasgos superficiales del cuarzo (i.e., datos cerrados) de dunas desérticas y costeras. Los LLC de una población representan el área dentro de la cual las muestras podrían tener variaciones en relación con la media (Weltje 2002). En este trabajo se muestra cómo los rasgos superficiales de los granos de cuarzo no necesariamente reflejan un segundo ciclo de transporte asociado con un ambiente eólico debido a su baja madurez textural en las dunas. Este trabajo preliminar basado en los rasgos superficiales del cuarzo podría ayudar a elucidar algunos de los mecanismos que producen arenas de dunas, su procedencia, cercanía a la roca fuente y poco desgaste superficial en una zona dominada por el Delta del Río Colorado y rocas graníticas.

 

Área de estudio

El área de estudio se localiza en el Desierto de Altar en Sonora, en el noroeste de México (fig. 1). Se muestrearon las dunas desérticas en las áreas de San Luis Río Colorado y El Pinacate, y las dunas costeras en las áreas del Golfo de Santa Clara y Puerto Peñasco (fig. 1).

Esta región seca tiene una precipitación media anual de menos de 10 cm, y entre 60% y 80% de ésta ocurre de julio a septiembre (Stensrud et al. 1997).

En la región, los vientos dominantes soplan de 20% a 60% del tiempo del noroeste y noreste hacia la costa, con velocidades de 2 a 6 m s^-1. En Puerto Peñasco, los vientos del sur que soplan hacia la costa tienen una velocidad de 2 a 4 m s^-1 y ocurren 60% del tiempo en un mes (Pérez-Villegas 1990). Esto fue corroborado durante la época de muestreo (otoño e invierno). Muhs et al. (2003) encontraron que los vientos del noroeste en la zona de las dunas de Los Algodones, cerca de la frontera de México con los Estados Unidos, tienen un potencial de deriva anual de 50 a 150 unidades vectoriales (terminología de Fryberger y Dean 1979), lo cual provoca la migración de dunas hacia el Desierto de Altar en México. Según Lancaster (1989), los vientos del noroeste generan de 25% a 30% del transporte potencial de arena anual en este desierto.

Una corriente paralela a la costa en la parte norte del Golfo de California genera transporte de sedimentos del sureste al noroeste (Fernández-Eguiarte et al. 1990a, b). Por otro lado, las mareas, semidiurnas y de hasta 10 m de amplitud, también redistribuyen el sedimento en la zona costera debido a la influencia que ejercen sobre el transporte de arenas (Thompson 1968, Cupul 1994).

Las descargas fluviales de los ríos Colorado y Sonoyta afectan la composición y distribución de las dunas de arena. Aunque el Colorado ya no es un río activo que descargue agua y sedimentos al Golfo de California, su delta domina el abastecimiento de arena a los campos de dunas del Desierto de Altar (Merriam 1969, Blount y Lancaster 1990, Kasper-Zubillaga et al. 2006). El Río Sonoyta fluye intermitentemente a través de la parte sur del Desierto de Altar (fig. 1).

De acuerdo con Blount y Lancaster (1990), las dunas desérticas y costeras son lineales, transversales y media luna.

 

Metodología

Durante el otoño de 2002, se recolectaron 19 muestras de arenas de las dunas desérticas y costeras en Sonora (México). Las muestras fueron tomadas de la cresta y el costado de la duna. Se llevó a cabo un análisis del tamaño de las partículas en un analizador por difracción láser (Coulter LS230). El tamaño de grano se determinó para las fracciones finas y medianas. Los granos de cuarzo fueron separados a mano del resto de los sedimentos utilizando una aguja pequeña, y se recubrieron con una capa de oro mediante un aparato Fine Coat JFC-1100. Se utilizó un microscopio electrónico de barrido (modelo JEOL-JSM-6360LV) para observar 30 granos por muestra (tabla 1). El análisis por conteo de puntos de los granos de cuarzo se realizó al azar, escogiendo diferentes granos. Rasgos dominantes como formas en V de origen mecánico, fracturas concoidales, superficies lisas, estrías lineales o curvas, cavidades de disolución, grabado y precipitación de sílice, de cada grano, fueron considerados para el conteo, con base en los trabajos de Krinsley y Donahue (1968), Moral-Cardona et al. (1997, 2005) y Gutiérrez-Mas et al. (2003). Dichos rasgos fueron considerados como la yuxtaposición de texturas para cada grano sobre otras texturas menores (placas invertidas, arcos escalonados, fracturas concoidales lisas). Se tomaron microfotografías de cada grano observado.

Para graficar los diagramas ternarios con LLC, se normalizaron los datos a 100% para cada muestra (n = 30 granos) (tabla 2). Los LLC fueron computarizados utilizando el algoritmo desarrollado por Weltje (2002).

En el diagrama ternario, el vértice A representa (I) las formas mecánicas en V más (II) las estrías lineales o curvas asociadas con ambientes acuosos de alta energía (i.e., zona de oleaje de la playa). El vértice B representa (III) las fracturas concoidales más (IV) las superficies lisas asociadas con ambientes acuosos de alta energía (litoral y fluvial) y transporte eólico, respectivamente. El vértice C representa (V) las cavidades de disolución y grabado más (VI) la precipitación de sílice asociada con la disolución química y la precipitación por el agua (Krinsley y Donahue 1968, Moral-Cardona et al. 2005). Éste fue un planteamiento general para distinguir los procesos que controlan la textura superficial del cuarzo, y el estudio se limitó a los rasgos más conspicuos en la superficie de los granos.

Adicionalmente, se realizó un análisis factorial (modo R) a fin de interpretar los procesos mecánicos y/o químicos que controlan la morfología y los rasgos superficiales de los granos de cuarzo de las dunas desérticas y costeras. Este análisis permite seleccionar las texturas superficiales dominantes de los granos mediante la transformación de variables en factores (Swan y Sandilands 1995, Voudouris et al. 1997). Los análisis estadísticos se llevaron a cabo utilizando la paquetería Statistica.

 

Resultados

Las arenas de San Luis Río Colorado, El Pinacate, Golfo de Santa Clara y Puerto Peñasco son de grano fino a medio y de moderadamente a bien clasificadas. Las arenas de dunas desérticas promediaron 2.33 Φ, mientras que las costeras promediaron 1.71 Φ, con promedios de clasificación de 0.74 y 0.71 Φ, respectivamente (Kasper-Zubillaga y Carranza-Edwards 2005). Se construyó un diagrama ternario con LLC al 95% para la media de los conteos normalizados para las arenas de dunas desérticas (n = 10) y costeras (n = 9) (fig. 2a). Para evaluar el efecto de tendencias inesperadas en las muestras graficadas en el diagrama ternario, las muestras C4c, P1c y P5f (dunas desérticas), y G1f y G2c (dunas costeras) fueron retiradas de los conjuntos de datos de dunas desérticas y costeras, respectivamente (fig. 2b), a fin de determinar la mejor localización de las poblaciones medias más realistas de ambos conjuntos. Se puede observar, a partir de la media, que 45% de los granos de cuarzo de las dunas desérticas se localizan cerca del vértice de las fracturas concoidales y superficies lisas, mientras que 40% de los granos de cuarzo de las dunas costeras se encuentran cerca del vértice de los rasgos de origen químico (fig. 2a, b). La dispersión menor en los LLC de las muestras de cuarzo de dunas desérticas, en comparación con la dispersión mayor de las de dunas costeras se debe a la gran cantidad de muestras de cuarzo provenientes de las dunas desérticas, lo que produce una mejor estimación de la localización de la media (Weltje, com. pers.). Las observaciones individuales afuera de los LLC para el cuarzo de dunas desérticas y costeras están asociadas con la variación natural de los rasgos superficiales de los granos de ambos tipos de dunas (fig. 2a). El traslape entre los LLC de las dunas desérticas y costeras sugiere una mezcla de procesos mecánicos y químicos que producen diferentes texturas superficiales en el cuarzo. Los patrones de dispersión y traslape que llenan la mayor parte del diagrama ternario también han sido demostrados para los datos composicionales de arenas de río, en los que las regiones pronosticadas en los diagramas ternarios se extienden más allá de los datos de dispersión y los puntos "anómalos" representando una composición diferente que los demás datos analizados (Robinson y Johnsson 1997, Weltje 2002).

El análisis factorial (modo R) agrupó sólo los rasgos superficiales lisos y los parámetros del tamaño de grano como las cargas positivas más significativas representadas en dos factores, probablemente debido a la dominancia de los procesos mecánicos en las texturas superficiales globales del cuarzo de las dunas del Desierto de Altar (tabla 3). El segundo factor agrupó las estrías lineales o curvas y las fracturas concoidales. El tercer factor no agrupó ninguna variable (tabla 3, fig. 3).

Discusión

Diagramas ternarios

Texturas del cuarzo de dunas desérticas

Las gráficas de la media y de dispersión hacia el vértice B para el cuarzo de las dunas desérticas sugieren que la mayoría de los granos observados en las muestras C1f, C2c, C5f, C6c, P3f, P6c y P8f (fig. 2a, tabla 2) probablemente se originaron en ambientes de alta energía, como la cuenca del Río Colorado y las fuentes graníticas en la parte norte de los campos de dunas de El Pinacate (Krinsley y Donahue 1968, Carriquiry et al. 2001). Esto se debe a que, al igual que el ambiente de playa, un ambiente fluvial ejerce un transporte hidraúlico muy energético que genera las fracturas concoidales (Gutiérrez-Mas et al. 2003). En el presente estudio las fracturas concoidales dominantes fueron irregulares (fig. 4), las cuales son distintivas de un ambiente de alta energía (Krinsley y Donahue 1968). No obstante, algunos granos podrían haber sido expuestos a ciclos previos de transporte y sedimentación, como aquellos que exhiben fracturas concoidales y superficies lisas (fig. 4) que indican un primer periodo de alta energía fluvial y luego un periodo de transporte eólico que produce bordes lisos. Asimismo, los granos con estrías lisas y pulidas (fig. 4) podrían haber sido transportados por el viento después de un periodo de energía fluvial altamente abrasiva (Krinsley y Margolis 1969, Margolis y Kennet 1971, Higgs 1979). Esto sugiere que los rasgos superficiales de estas muestras estuvieron sujetos a cortos periodos de abrasión por el viento probablemente debido a su cercanía a las rocas fuentes de la cuenca del Río Colorado y las fuentes graníticas cerca de las dunas de El Pinacate. Algunas muestras (P6c) mostraron placas invertidas que podrían ser resultado de la acción del viento (Al-Hurban y Gharib 2004) (fig. 4); sin embargo, la mayoría de los granos de cuarzo adquiere su morfología de los ambientes fluviales de alta energía.

Las muestras C4c, P1c y P5f se inclinan hacia el vértice C (fig. 2a), lo que sugiere que el cuarzo de estos sitios ha sido expuesto a una mezcla de procesos mecánicos y químicos. Los procesos químicos podrían estar asociados con la presencia de fluidos hidrotermales cerca del Delta del Río Colorado (i.e., central hidrotérmica Cerro Prieto) que generan cuarzo con cavidades de disolución y grabado y precipitación de sílice (fig. 4). Esta interpretación es sustentada por granos de cuarzo químicamente alterados sujetos a una acción hidrotermal artificial con cloruro de sodio durante 247 h (Krinsley y Donahue 1968).

A fin de observar cualquier cambio en la forma y/o posición de los LLC estimados en el diagrama ternario en relación con las muestras y los vértices A, B y C, se desecharon las muestras C4c, P1c y P5f debido a su tendencia inesperada en la gráfica (fig. 2b). La eliminación de estas muestras provoca un desplazamiento de los LLC hacia el vértice B simplemente porque las muestras restantes son mejores estimadores de la localización de la media situada en el área de dominancia de los rasgos superficiales de origen mecánico (fig. 2b).

De esta discusión se puede afirmar que los ambientes de alta energía como la cuenca del Río Colorado y fuentes graníticas, han aportado cuarzo que ha estado expuesto a colisiones hidraúlicas (fluviales). No obstante, también se observaron granos de cuarzo con rasgos superficiales de origen químico posiblemente vinculados a la actividad hidrotermal cerca del área de San Luis Río Colorado. Además, la mayoría de los granos de cuarzo de las dunas desérticas podrían haber adquirido sus texturas superficiales de un primer ciclo de transporte y depositación que no refleja de manera precisa los mecanismos eólicos que afectan las dunas de arena, probablemente por su cercanía a la roca fuente y poco desgaste superficial.

Texturas del cuarzo de dunas costeras

Las gráficas de la media y de dispersión hacia el vértice B para el cuarzo de las dunas costeras sugieren que la mayoría de los granos observados en las muestras G4c, G3f, G6c, Pe1c, Pe2f, Pe3c y Pe6f (fig. 2a, tabla 2) estuvieron expuestas a alteración química probablemente asociada con su cercanía al agua de mar. Los rasgos de origen químico de los granos de cuarzo de las dunas costeras posiblemente son producidos por ambientes sobresaturados en sílice de zonas intermareales y por abrasión química de granos de cuarzo de ambientes húmedos (LeRibault 1975, Higgs 1979, Pye y Mazzullo 1994, Moral-Cardona et al. 1997) (fig. 5). Para este estudio, sólo el primer mecanismo podría generar rasgos químicos asociados con la morfología del cuarzo. Esta interpretación es apoyada por los vientos dominantes que soplan hacia la costa del suroeste hasta 60% del tiempo durante un mes, transportando arena de playa hacia las dunas, y por la presencia de restos de concha en las dunas costeras, lo cual indica una fuente de arena de playa que controla la composición de las arenas de las dunas costeras especialmente en Puerto Peñasco (Kasper-Zubillaga et al. 2006)

Pye y Mazzullo (1994) indicaron que la mayoría del cuarzo en dunas controladas por clima tropical ha estado sujeto a una precipitación secundaria y disolución de sílice. En nuestro estudio, el clima actual no parece jugar un papel en la disolución y precipitación de sílice en los granos de cuarzo de las dunas costeras. Esto se hace evidente por los bajos valores del índice químico de alteración, CIA= (Al₂O₃/Al₂O₃ + CaO + Na₂O + K₂O) x 100 (Nesbitt y Young 1996), para las dunas costeras que van de 48.6 a 54.7 (Kasper-Zubillaga et al. 2006). En contraste, en otras regiones costeras como Australia y Nueva Zelanda, los granos de cuarzo de dunas muestran rasgos superficiales de origen químico, tales como cavidades de disolución, grabado y hasta precipitación de sílice en forma de diatomeas debido a la gran humedad y tasas de precipitación y a las zonas intermareales saturadas en sílice (Pye y Mazzullo 1994, Kasper-Zubillaga et al. 2005). Asimismo, la sobresaturación en sílice podría ser consecuencia de la precipitación de sílice durante periodos de la caida de polvo con lluvia en áreas con una precipitación relativamente alta (Whalley et al. 1987).

Se eliminaron las muestras G1f y G2c de las gráficas debido a su tendencia inesperada en el diagrama ternario. Esto resultó en una dispersión de los LLC hacia los vértices B y C, ya que las muestras restantes son mejores estimadores de la localización de la media (fig. 2b).

El cuarzo de las dunas costeras posee más rasgos de origen químico que de origen mecánico asociados con agua de mar. Estos granos de cuarzo podrían haber derivado de ambientes saturados en sílice de las zonas intermareales y haber estado expuestos a abrasión química, y reflejan de manera más precisa la influencia del agua en las características de las texturas superficiales.

Análisis estadístico para todo el conjunto de datos

En el análisis factorial (modo R), el factor 1 indica que las superficies lisas están vinculadas al tamaño medio de los granos de cuarzo. Esto sugiere que los granos de cuarzo gruesos son más susceptibles a desgaste y rompimiento que los finos. Cuando el cuarzo ha sido reducido a tamaños más finos mantiene las superficies lisas generadas durante el transporte eólico. Esta observación es sustentada por el experimento de desgaste eólico de Whalley et al. (1987), en el cual se reduce el tamaño de granos de cuarzo después de varias horas de agitación en un tubo de ensayo mediante un flujo constante de aire. En este experimento se reducen substancialmente los tamaños del cuarzo, hasta granos de tamaño limo después de 48 h de fricción mecánica. Además, algunos granos de cuarzo muestran superficies lisas después de haber sido reducidos (Whalley et al. 1987). Es probable que el tamaño de los granos de cuarzo del Desierto de Altar se haya reducido después de un transporte fluvial y eólico, el cual también produce texturas superficiales lisas.

El factor 2 sugiere que las estrías lineales o curvas y las fracturas concoidales están inversamente correlacionadas debido a su signo de carga negativo y a que su presencia o ausencia es dominada por la energía impartida a los granos.

 

Agradecimientos

Este estudio forma parte del proyecto 139156-T de CONACYT (México). Agradecemos a Y Hornelas-Orozco (Instituto de Ciencias del Mar y Limnología, UNAM) los análisis al microscopio electrónico de barrido.

Traducido al español por Christine Harris.

 

Referencias

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