Geología regional

El basamento paleoproterozoico del noreste de Sonora es parte de la Provincia Mazatzal del suroeste de Norteamérica, y está representado por el Esquito Pinal (^{Ransome, 1904}; ^{Eisele e Isachsen, 2001}), una unidad metamórfica que en la sierra Los Ajos, al sur del área estudiada, presenta edades de entre 1.64 y 1.69 Ga (^{Anderson and Silver, 2005}; ^{Page et al., 2010}; ^{Solari et al., 2018}). Discordantemente sobre este basamento se tienen rocas sedimentarias paleozoicas (^{Taliaferro, 1933}; ^{González-León, 1986}), así como secuencias volcánicas y rocas intrusivas del Jurásico Medio y Superior. Las rocas del Grupo Bisbee (Jurásico Superior-Cretácico Inferior) se depositaron discordantemente sobre las rocas jurásicas y paleozoicas, y también mediante una discordancia, la base del Grupo Cabullona sobreyace al Grupo Bisbee (^{Taliaferro, 1933}; ^{Rangin, 1977}; ^{González-León et al., 2017a}).

En el sureste de Arizona, la relación discordante entre el Grupo Bisbee y la Formación Fort Crittenden (Cretácico Superior) identificada por ^{Hayes (1970)} se generó debido a un pulso temprano hacia el este de la Orogenia Cordillerana (^{Drewes, 1991}) entre el Campaniano y el Paleoceno (^{Clinkscales y Lawton, 2015}; ^{Amato et al., 2017}), el acortamiento Laramide propicio el desarrollo de las cuencas de antepaís en Sonora, Arizona y Nuevo México denominadas Cabullona, Fort Crittenden y Ringbone (^{Dickinson et al., 1989}; ^{Basabilvazo, 2000}), respectivamente. En un estudio regional reciente sobre la cuenca Cabullona, ^{González-León et al. (2017a)} midieron 6 secciones litoestratigráficas del Grupo Cabullona en el noreste de Sonora, las cuales, aunque no muestran una clara continuidad lateral y vertical entre las columnas obtenidas y no fueron divididas en formaciones, establecen claramente que la sedimentación fluvio-lacustre de este grupo se llevó a cabo entre los ca. 82 y 70 Ma.

Estratigrafía de la Formacion Corral de Enmedio y la Arenisca Camas en la sección Naco

La cuenca Cabullona se formó en el noreste de Sonora contemporáneamente a la migración hacia el este del arco magmático Laramide, localizado al oeste de la cuenca durante el Cretácico Tardío (^{González-León et al., 2017a}). Inicialmente ^{Taliaferro (1933)} describió al Grupo Cabullona en la parte norte de la cuenca (sección Naco de ^{González-León et al., 2017a}) incluyendo a cinco formaciones, de la base a la cima: Snake Ridge, Arenisca Camas, Lutita Packard, Capas Rojas Superiores y Toba Riolítica. Posteriormente ^{González-León y Lawton (1995)} redefinieron a estas unidades como Corral de Enmedio, Arenisca Camas, Lutita Packard, Formación Lomas Coloradas y Conglomerado El Cemento. ^{Almeida y Martínez (1982}) realizaron un estudio palinológico en la secuencia de la cuenca Cabullona, en el cual determinaron una serie de palinomorfos que arrojaron una edad del Campaniano-Maastrichtiano, además definen un ambiente fluviolacustre dominante para estas rocas.

La Formación Corral de Enmedio (Figura 2) corresponde a la base del Grupo Cabullona en la sección Naco, sin embargo, su porción basal no se encuentra expuesta, por lo que el espesor mínimo medido de esta formación fue de 115 m (^{González-León, 1994}; ^{González-León et al., 2017a}). Litológicamente está representada por una alternancia de lodolitas y limolitas heterogéneas cuya coloración varía de gris oscuro a rojizo; también se encuentran intercaladas con calizas con algunas estructuras estromatolíticas u oncolitos. Algunos espesores de la lodolita y limolita alcanzan los 7 metros y son de color gris rojizo, rojo negruzco y púrpura. Además, también está conformada por arenisca con estratificación cruzada y están fuertemente bioturbadas.

Figura 2 Columna estratigráfica de la Formación Corral de Enmedio y la Arenisca Camas (modificada de ^{González-León et al., 2017a}). 

Una característica muy importante de la Formación Corral de Enmedio es el gran contenido de gasterópodos, pelecípodos, vértebras de peces, huesos de tortuga, ostrácodos y grandes huesos de dinosaurios, entre otros, que se encuentran muy bien preservados en los estratos de lodolita y limolita, y en estratos lenticulares de caliza. Se ha interpretado que el ambiente de depósito es lacustre, sin embargo, por el contenido de nódulos calcáreos que se presentan en las areniscas y limolitas, se ha sugerido también un ambiente de depósito fluvial (^{González-León y Lawton, 1995}). La Formación Corral de Enmedio está sobreyacida por la Arenisca Camas de origen fluvial, por medio de una discordancia erosional. El espesor de la Arenisca Camas es de 620 m, y está constituida principalmente por arenisca con intercalaciones de limolita y lodolita, con una coloración gris oscuro a claro (Figura 2).

Óxidos mayores

Las concentraciones de óxidos mayores de las areniscas de las unidades estudiadas se presentan en la Tabla 1. La concentración de SiO₂ varia de 64.7 a 72.6% en las muestras de la Formación Corral de Enmedio, y de 62.2 a 81.5% en las muestras de la Arenisca Camas, las primeras tienen contenidos mayores de Al₂O₃ (11.24-13.17) que las segundas (7.73-11.5%). Se observa un empobrecimiento de las concentraciones de K₂O respecto al Na₂O en ambas formaciones, lo que se atribuye a la reducción de feldespato K con respecto a la plagioclasa, así como grandes variaciones en los contenidos de CaO (2.50‒6.98%; 0.49‒12.30%; respectivamente). El enriquecimiento de CaO así como su significante correlación CaO y LOI en las areniscas de estas formaciones (r = 0.90, n = 11; r = 0.97, n = 16; respectivamente), sugiere que los valores de CaO están incorporados en la calcita más que en la plagioclasa. El MgO, MnO, TiO₂ y P₂O₅ son constituyentes menores en las areniscas estudiadas.

Elementos traza y tierras raras

Las concentraciones de elementos trazas incluyendo tierras raras de las areniscas de la Formación Corral de Enmedio y la Arenisca Camas se muestran en las Tablas 2 y 3. Los patrones de elementos traza normalizados con valores de corteza continental superior (Upper Continental Crust, UCC, por sus siglas inglés) se muestran en la gráfica de la Figura 3. En comparación con UCC: a) en el diagrama se observa empobrecimiento de Sc, V, Cr, Co, Ni, Rb, Sr, Nb, Pb y Th en la mayoría de las muestras; b) dos muestras de areniscas de la Formación Corral de Enmedio presentan un ligero enriquecimiento de Sr; c) los contenidos de Y y U están empobrecidos; y d) los contenidos de Zr, Ba y Hf están ligeramente empobrecidas a enriquecidas en las areniscas estudiadas. Destaca la baja correlación de Al₂O₃ contra V, Sc y Cr para las areniscas de la Formación Corral de Enmedio (r= 0.06, 0.26, -0.01, n=11) y la Arenisca Camas (r= -0.40, 0.29, 0.19, n=16) esto sugiere que estos elementos están principalmente hospedados en los filosilicatos (^{Ramachandran et al., 2016}). Un gran número de muestras están enriquecidas en contenidos de Zr con respecto a UCC (190 ppm), con variaciones en rangos muy amplios en la Formación Corral de Enmedio y la Arenisca Camas (121‒737 ppm; 37‒630 ppm; respectivamente).

Figura 3 Diagrama de elementos traza normalizados con Upper Continental Crust (UCC) para areniscas de la Formación Corral de Enmedio y la Arenisca Camas. 

Los contenidos ΣREE tienen un rango de 95.75 a 144.47 ppm (promedio 116±17, n=11) para las areniscas de la Formación Corral de Enmedio, y 74.47 a 169.41 ppm (promedio 121±27, n=16) para la Arenisca Camas. Los contenidos de ΣREE en ambas unidades no tienen correlación con Al₂O₃ (r= -0.17, n=11; r= 0.08, n=16; respectivamente), ni con Zr (r= 0.33, n=11; r=0.12, n=16; respectivamente), esto implica que las REE no están hospedadas en los minerales de arcilla ni en minerales accesorios como circón (^{Yu et al., 2016}). Sin embargo, los contenidos de ΣREE muestran correlación positiva con TiO₂ (r= 0.59, n=11; r=0.65, n=16; respectivamente), Fe₂O₃ (r= 0.51, n=11; r=0.61, n=16; respectivamente) e Y (r= 0.35, n=11; r=0.70, n=16; respectivamente), sugiriendo como portadores o anfitriones a minerales pesados como ilmenita, magnetita y xenotima (^{Armstrong-Altrin et al., 2015}).

En los diagramas de patrones REE normalizados con condrita (^{McDonough y Sun, 1995}) para las areniscas estudiadas (Figura 4), se observan patrones de enriquecimiento en LREE (La_n/Sm_n: 3.52-4.32; 3.13-4.78; respectivamente), un plano en HREE (Gd_n/Yb_n: 1.24-1.79; 1.17-1.91; respectivamente) con anomalías negativas a positivas de Eu (Eu/Eu*: 0.75-1.11; 0.68-1.19; respectivamente). Las anomalías positivas de Eu se presentan en una muestra de la Formación Corral de Enmedio (CE1, Eu/Eu*: 1.11) y en tres muestras de la Arenisca Camas (CS1, CS2 y CS4, Eu/Eu*:1.27, 1.15, 1.19; respectivamente). El promedio de la anomalía de Eu de las areniscas de la Formación Corral de Enmedio y la Arenisca Camas (0.83±0.1, n=11; 0.84±0.2, n=16; respectivamente) son mayores que el valor de UCC (UCC: 0.63).

Figura 4 Patrones de elementos de tierras raras (REE) normalizados a condrita para areniscas de la Formación Corral de Enmedio y la Arenisca Camas. 

Paleometeorización

La intensidad de meteorización en rocas sedimentarias ya ha sido evaluada investigando la relación entre elementos alcalinos y alcalinotérreos (^{Nesbitt y Young 1982}). Durante la meteorización, óxidos mayores como el Na, Ca y K son fácilmente lixiviados de los perfiles de meteorización, mientras los elementos insolubles como el Al son generalmente fijados en estos (^{Nesbitt et al., 1980}; ^{Nesbitt y Young, 1984}; ^{Taylor y McLennan, 1985}; ^{Roddaz et al., 2006}).

Los índices de meteorización más utilizados y más ampliamente aceptados son: el Índice Químico de Alteración (CIA= [Al₂O₃/ (Al₂O₃+CaO*+Na₂O+K₂O)] × 100; proporción molecular; de ^{Nesbitt y Young, 1982}) y el Índice de Alteración de Plagioclasas (PIA = [(Al₂O₃ ‒ K₂O)/ (Al₂O₃+CaO*+Na₂O‒K₂O)] × 100; ^{Fedo et al., 1995}), por tal motivo son los que se utilizan en este estudio para inferir las condiciones de paleometeorización. El CaO* representa la concentración de Ca solamente en los minerales silicatados. El contenido de CaO* fue calculado usando el método propuesto por ^{McLennan et al. (1993)}, en el cual los valores de CaO fueron aceptados solamente si el CaO < Na₂O, en los casos en que el CaO > Na₂O, se asume que la concentración de estos óxidos es igual.

Los valores CIA y PIA entre ~50-60 indican una meteorización baja, entre ~60-80 una meteorización moderada, y >80 representa una meteorización intensa (^{Nesbitt and Young, 1982}). Los valores CIA y PIA de las muestras de la Arenisca Camas (40-62; 38-65; respectivamente) son ligeramente altos que los de la Formación Corral de Enmedio (44-57; 43-57; respectivamente), revelando que estas últimas fueron derivadas de un área fuente expuesta a bajo grado de meteorización química, mientras que las de la Arenisca Camas revelan una intensidad baja a moderada en el área fuente.

Los valores de CIA se muestran en el diagrama ternario Al₂O₃-(CaO+Na₂O)-K₂O (A-CN-K) de ^{Nesbitt y Young (1982)}, el cual es muy útil para mostrar tendencia de meteorización en rocas siliciclásticas (Figura 5). Para objeto de comparación, se muestra la composición promedio de posibles fuentes como riolita, andesita, granitos y granodioritas (^{González-León et al., 2017b}), UCC y PAAS (^{Taylor y McLennan 1985}), y basalto (^{Condie, 1993}). En el diagrama A-CN-K, la totalidad de las muestras estudiadas se grafican paralelas a la línea A-CN (Figura 6). La mayoría de las areniscas de la Formación Corral de Enmedio se grafican cercanas a la línea de feldespatos K y plagioclasas, sugiriendo un bajo grado de meteorización química en el área fuente. Sin embargo, las muestras de la Arenisca Camas presentan una mayor dispersión respecto a la línea mencionada, lo cual sugiere que los sedimentos de la Arenisca Cama se derivan de rocas fuente afectadas por meteorización de baja a moderada.

Figura 5 Diagrama ternario A-CN-K (de ^{Nesbit y Young, 1982}). A: Al₂O₃; CN: CaO* + Na₂O; K: K₂O (proporción molar). 

Figura 6 Diagrama V-Ni-Th*10 para las areniscas del estudio (de ^{Bracciali et al., 2007}). 

La intensidad de meteorización y la composición de rocas siliciclásticas están controladas de manera destacada por el clima y el ambiente tectónico. Una región fuente tectónicamente activa tiene regularmente baja intensidad de meteorización química y una tasa alta de erosión física (^{Nesbitt et al., 1997}). Las arenas producidas bajo condiciones de meteorización en estado sostenido (steady-state weatering) con las mismas zonas mineralógicas expuestas en la región fuente, siempre se graficará como un grupo compacto de datos sobre el diagrama A-CN-K; mientras que las arenas derivadas bajo condiciones de meteorización no permanente o in-sostenida (non-steady-state weatering) y con diferentes zonas mineralógicas fuente, se graficarán como un conjunto de datos más dispersos en el mismo diagrama (^{Nesbitt et al. 1997}). En el presente estudio, los datos para las areniscas de la Formación Corral de Enmedio y la Arenisca Camas muestran una dispersión considerable en el diagrama A-CN-K, sugiriendo que las regiones fuente experimentaron condiciones de meteorización no permanente o no-sostenida y que los sedimentos fueron aportados por zonas con diferente mineralogía (p.e. varios tipos de rocas).

Procedencia

La relación Al₂O₃/TiO₂ de rocas sedimentarias se puede utilizar para inferir procedencia, ya que esta relación no cambia significativamente durante la meteorización, transporte, depósito y diagénesis de sedimentos clásticos (^{Hayashi et al., 1997}), comportándose generalmente de manera muy similar con relación a la roca madre. Para las rocas máficas esta relación varía de 3 a 8 para rocas máficas, entre 8 y 21 para intermedias, y de 21 a 70 para las félsicas (^{Hayashi et al., 1997}). Las areniscas de la Formación Corral de Enmedio y la Arenisca Camas muestran una mayor relación de Al₂O₃/TiO₂ (13-36; 17-44; respectivamente), lo que indica que estos sedimentos predominantemente se derivaron de rocas félsicas, con una menor contribución de rocas de composición intermedia.

Los patrones de REE y la magnitud de la anomalía de Eu en las rocas sedimentarias pueden ser considerados un importante indicio para descifrar las firmas de las rocas de origen (^{Taylor y McLennan, 1985}; ^{Madhavaraju y Lee, 2010}; ^{Armstrong-Altrin et al., 2013}). Los patrones de REE normalizados a condrito de las muestras estudiadas son fraccionados, con patrones de LREE enriquecidas y de HREE suaves con anomalías negativas a positivas de Eu (Figura 4), sugiriendo que el área de aporte originalmente era de composición félsica. Una muestra de la Formación Corral de Enmedio y tres de la Arenisca Camas muestran anomalías positivas de Eu. Esto puede ser debido al enriquecimiento de granos de plagioclasa de fuentes volcánicas en la proximidad al área fuente (^{Bhatia, 1985}; ^{McLennan, 1989}). Aun cuando los patrones de REE de ambas formaciones son similares, las diferencias aparecen en la abundancia de los elementos trazas sensibles a la procedencia. Los elementos Ti, Sc, V y Na principalmente se asocian a líticos de granos volcánicos máficos y sus abundancias en las rocas siliciclásticas sugieren aporte de materiales de arco de isla y continental (^{Bhatia y Crook, 1986}; ^{McLennan et al., 1990}). Las concentraciones de Sc, V, Cr, Co y Ni son más altas en la Formación Corral de Enmedio en comparación con la Areniscas Camas; mientras que las relaciones La/Sc, Th/Sc, La/Co, Th/Co y Cr/Th (Tabla 4), se presentan a la inversa, más altas en la Arenisca Camas que en la Formación Corral de Enmedio, esto sugiere que el aporte de sedimentos de rocas félsicas es mayor en las areniscas de la primera unidad.

La composición de la roca fuente para las areniscas de estas formaciones se puede evaluar utilizando diagramas ternarios V-Ni-Th*10, ya que son útiles para inferir el aporte relativo de materiales félsicos y máficos en la cuenca sedimentaria. En el diagrama de la Figura 6, las areniscas estudiadas se sitúan más cerca del vértice Th*10, lo que sugiere una naturaleza félsica de las rocas fuente. Además, en la gráfica bivariada La/Th vs. Hf (Figura 7), también utilizada para discriminar entre diversas composiciones de roca fuente (^{Floyd y Leveridge, 1987}), puede verse que la mayoría de las areniscas son graficadas en la fuente félsica, con pocas muestras ubicadas en el arco andesítico y campos de sedimentos antiguos.

Figura 7 Diagrama La/Th vs. Hf para las areniscas de la Formación Corral de Enmedio y la Arenisca Camas (de ^{Floyd y Leveridge, 1987}). 

Otro de los índices utilizados para identificar las características de la roca fuente en la relación Ba/Ti y La/(Cr+Ni) (^{Boger et al., 2017}). La relaciónes de Ba/Ti y La/(Cr + Ni) aumentan con los materiales félsicos, sin embargo, los sedimentos derivados de fuentes máficas generalmente muestran valores más bajos. En el diagrama La/(Cr+Ni) contra Ba/Ti (Figura 8), la mayoría de las areniscas de la Formación Corral de Enmedio representan un solo grupo, sin embargo, muchas muestras de la Arenisca Camas indican una mayor dispersión con mayores relaciones La/(Cr+Ni), lo que sugiere que la Arenisca Camas tiene una firma más félsica que la Formación Corral de Enmedio.

Figura 8 Diagrama La/(Cr+Ni) vs. Ba/Ti para las areniscas de la Formación Corral de Enmedio y la Arenisca Camas (^{de Boger et al., 2017}). 

^{González-León et al. (2017a)} realizaron un estudio geocronológico U-Pb sobre circones detríticos separados de la arenisca de la Formación Corral de Enmedio, sus resultados indican abundantes circones jurásicos (~50%), seguidos por circones cretácicos (~35%) y en menor cantidad por circones proterozoicos (~15%). Este estudio proporciona información importante sobre la composición de rocas fuente de la Formación Corral de Enmedio. Se compararon los patrón es de REE promedio de areniscas de ambas formaciones con los patrones de REE de las rocas fuentes expuestas más cercanas al área de estudio, específicamente las rocas volcánicas (riolita y andesita; Formación Tarahumara) y plutónicas (granito y granodiorita) del arco Laramídico del Cretácico (^{González-León et al., 2017b}), rocas volcánicas (riolita) y plutónicas (granito) del arco Jurásico (González-León, datos no publicados), el granito del bloque Caborca (^{Iriondo et al., 2004}) y el Esquisto Pinal de la Provincia Mazatzal (^{Madhavaraju et al., 2017}) (Figuras 9a, 9b). El patrón promedio de REE de la Formación Corral de Enmedio es comparable con los patrones de las rocas volcánicas (riolita y andesita) y plutónicas (granito y granodiorita) del arco Laramídico del Cretácico, rocas volcánicas y plutónicas del arco Jurásico y granito del bloque Caborca. Así mismo, el patrón REE promedio de la Arenisca Camas muestra patrones REE similares a las riolitas y granitos del arco Laramídico y rocas volcánicas y plutónicas del arco Jurásico y granito del bloque Caborca.

Figura 9 a) El patrón de REE de las areniscas de la Formación Corral de Enmedio es comparado con los valores promedios de REE para los datos de granitos del Bloque Caborca (^{Iriondo et al., 2004}), Esquito Pinal de la Provincia Mazatzal (^{Madhavaraju et al., 2017}), rocas Jurásicas volcánicas y plutónicas (^{González-León, datos no publicados}), rocas volcánicas (riolita y andesita) y plutónicas (granito y granodiorita) de arco Laramídico del Cretácico (^{González-León, 2017b}) para identificar las rocas fuente probable y b) El patrón de REE de las areniscas de la Arenisca Camas es comparado con los valores promedios de REE para los datos de granitos del Bloque Caborca (^{Iriondo et al., 2004}), Esquito Pinal de la Provincia Mazatzal (^{Madhavaraju et al., 2017}), rocas Jurásicas volcánicas y plutónicas (González-León, datos no publicados), rocas volcánicas (riolita y andesita) y plutónicas (granito y granodiorita) de arco Laramídico del Cretácico (^{González-León, 2017b}) para inferir los rocas fuentes probables. 

El cálculo de mezcla ha sido utilizado para identificar la composición de la roca fuente (^{Hegde y Chavadi, 2009}; ^{Raza et al. 2012}, ^{Madhavaraju, 2015}; ^{Armstrong-Altrin et al., 2015}). Se tomaron los resultados de geocronología U-Pb de circones detríticos de la Formación Corral de Enmedio como información básica para los cálculos de mezcla. Además, los datos publicados de REE en la Formación Tarahumara (riolitas (R) y andesitas (A); ^{González-León et al., 2017b}), rocas plutónicas (granito, G) del arco Laramídico del Cretácico (LC), las rocas volcánicas y plutónicas del Jurásico (J) (González-León, datos no publicados) y el granito proterozoico del bloque Caborca (P) (^{Iriondo et al., 2004}) son tomados como los miembros finales para el modelamiento geoquímico. Los datos de REE de las rocas fuente de la Formación Corral de Enmedio y la Arenisca Camas y su mezcla se muestran en la Tablas 5 y 6. El patrón de REE modelado de las rocas fuente para la Formación Corral de Enmedio se puede representar con una mezcla de 10% P (granito proterozoico del bloque Caborca), 50% J (arco jurásico) y 40% LC (arco laramídico) (Figura 10a), mientras que la concentración promedio de la Arenisca Camas se caracteriza por una mezcla de 20% P, 40% J, y 40% LC (Figura 10b). Se compararon los relaciones de elementos como (La/Yb)_n, (Gd/Yb)_n y Eu/Eu* para obtener mejores valores en la modelación. El resultado del cálculo de mezclas, patrones de REE y varios diagramas bivariados y ternarios sugieren que la Formación Corral de Enmedio recibió aporte de sedimentos de una fuente dominantemente félsica con un menor de rocas intermedias, mientras que la Arenisca Camas recibió sedimentos de una fuente dominantemente félsica.

Figura 10 a) Diagrama de patrón de REE modelado de la roca fuente para las Formación Corral de Enmedio y b) Diagrama de patrón de REE modelado de la roca fuente para la Arenisca Camas. P: Rocas Proterozoico, J: Rocas del arco Jurásico, y LC: Rocas del arco Laramídico del Cretácico.