magnetoestratigrafía. principios y aplicaciones

ANLISIS DE CUENCAS, 4CC DEL MAR DANIEL BROULLN DURN

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MAGNETOESTRATIGRAFA. PRINCIPIOS YAPLICACIONES

INTRODUCCINVariedad de tcnicas en el mbito geolgico se han desarrollado a lo largo de la historiapara intentar inferir, con mayor o menor precisin, lo que ha ido pasando a lo largo desta. La precisin a la hora del control temporal es de gran importancia para podercomprender las tasas de cambio de los procesos naturales y determinar as adecuadamentelos procesos que explican las observaciones obtenidas, as como tambin permite unamejor correlacin entre secuencias, tanto de distintos ambientes como de localizacioneslejanas. Debido a la necesidad de ajustes cada vez ms finos para detallar al mximo lahistoria geolgica en cada estudio, han ido perfeccionndose las tcnicas de datacin eintroducindose otras nuevas.La magnetoestratigrafa, que trata las caractersticas magnticas de los cuerpos rocosos(Salvador, 1994), tiene su origen primario varios siglos atrs, puesto que ya en 1269 seescribe el primer tratado cientfico que versa sobre magnetismo, describindose en l lanaturaleza dipolar de un mineral magntico esfrico, definiendo as los dos polos hoyconocidos (Peregrinus, 1904). Puesto que la magnetoestratigrafa se basa principalmenteen las inversiones de polaridad del campo magntico terrestre, este descubrimiento hasido la chispa inicial para su desarrollo.Siglos despus, en 1600, William Gilbert postula que la Tierra es un gran imn, siendo laprimera propiedad fsica atribuida al planeta en conjunto. Sin embargo, no fue hasta 1906cuando se evidenci que el campo magntico terrestre cambiaba, llegando incluso ainvertirse (Brunhes, 1906). Aun as, fue en la dcada de los 50 cuando la comunidadcientfica qued mayormente convencida de ello debido a un estudio de Jan Hospers,donde manifiesta que las inversiones magnticas encontradas en las rocas no son causadaspor un proceso autorreversible, sino que son debidas a cambios de polaridad del campoterrestre (Hospers, 1951). Fue a partir de este punto, dndose cuenta este cientfico de quelos cambios de polaridad podan ser una buena herramienta de correlacin estratigrfica,cuando surge la magnetoestratigrafa propiamente.


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PRINCIPIOSLa posibilidad de uso de esta tcnica estratigrfica reside en la presencia de un campomagntico cambiante generado en el interior del planeta y con un rango de afectacinglobal. En 1919 ya se sugiere que el campo es generado por una dinamo en el ncleoterrestre (Larmor, 1919) y, en los aos que suceden, hasta la actualidad, se ha idoperfeccionando esta teora geodinmica, siendo la ms aceptada hoy en da la denominadateora magnetohidrodinmica (e.g: Gubbins, 1987). El consenso actual sobre lageneracin del campo sugiere que el flujo de la aleacin de hierro lquido dentro delncleo exterior, impulsado por fuerzas de flotacin e influenciado por la rotacin de laTierra, genera grandes corrientes elctricas que inducen un campo magntico (Figura 1)(Gubbins, 2007).

Figura 1. Simulacin 3D del campo magntico terrestre. Glatzmaier, 2000.

El principio bsico de la magnetoestratigrafa viene dado por los cambios que se producenen los polos magnticos que resultan de aproximar nuestro planeta a un dipolo, es decir,las inversiones magnticas. Desde que Brunhes y Matuyama descubrieron a principiosdel siglo XX en sus estudios en rocas las inversiones magnticas, relacionndolas con loscambios de polaridad en el campo magntico terrestre del pasado (Matuyama, 1929), lacausa de ellas es todava desconocida. La teora principal relaciona las inversiones con lainestabilidad interna del fluido del ncleo externo de la Tierra, donde se generanmovimientos convectivos y complejos vrtices. Los procesos de conveccin trmica ycomposicional en el lmite entre el ncleo y el manto influyen en el modelo geodinmicodando lugar a variaciones de un rango temporal superior a 100ka, tanto de intensidadcomo de inclinacin y declinacin (Olson, 2010). Este movimiento organizadoevoluciona caticamente con el campo magntico producido por el crecimiento de la


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dinamo electromagntica, pudiendo voltearse en la direccin opuesta causando as lasinversiones (Jovane, 2013). Existen tambin teoras totalmente distintas para tratar deexplicar las inversiones, como por ejemplo las basadas en impactos extraterrestres(Muller, 1986).Aunque el uso ms extendido y exitoso ha sido en los sedimentos y rocas sedimentarias,la metodologa de este campo puede ser aplicada a cualquier sucesin de rocasestratificadas. En las rocas gneas y sedimentos con alta velocidad de deposicin, lamagnetoestratigrafa ofrece con gran detalle el comportamiento del campo geomagntico(Gubbins, 2007).La presencia de minerales magnticos tanto en rocas como en sedimentos permite questos registren los paleocampos. Este grabado de la seal paleomagntica que permaneceen el tiempo (aunque tambin puede perturbarse) se denomina magnetismo remanentenatural (NRM) y se diferencian varios tipos de magnetizacin natural remanente.En primer lugar, la magnetizacin termorremanente (TRM), la cual es adquirida cuandouna roca en formacin se enfra por debajo de la temperatura de Curie (temperatura porencima de la cual un cuerpo pierde su magnetizacin) de sus minerales magnticos,quedando sus dominios magnticos bloqueados por millones de aos a temperaturaambiente en la direccin del campo presente en el instante del enfriamiento (Figura 2)(Langereis, 2010). Esta propiedad, caracterizada en rocas gneas desde principio del sigloXX, ha sido fundamental junto con otras tcnicas para determinar la edad de la cortezaocenica, ya que los basaltos generados con el rpido enfriamiento del magma expulsadopor las dorsales ocenicas son buenos registradores del campo magntico, as comotambin ha sido esencial en la confirmacin de la expansin del fondo ocenico.

Figura 2. Anomalas magnticas de la corteza ocenica. Negro: polaridad normal (actualidad); blanco: polaridadinversa. Modificado de Langereis, 2010.


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Otro tipo de magnetizacin natural es la denominada magnetizacin remanente detrtica(o deposicional) (DRM). Tanto rocas sedimentarias como sedimentos no consolidadospresentan esta propiedad magntica debido al alineamiento de los granos magnticos conel campo geomagntico del momento de su deposicin. Generalmente sucede a medidaque caen a travs de la columna de agua, pero tambin se alinean en sedimentos saturadosde agua (Walker, 2005). La alineacin fsica de las partculas magnticas termina en laetapa diagentica tarda, cuando el movimiento de las partculas incrustadas quedarestringido durante la deshidratacin y la consolidacin de los sedimentos (Figura 3).Muchas otras fuerzas afectan a este proceso, como la gravedad, las corrientes, labioturbacin, etc. Debido a diferentes tamaos y formas de grano as como a diferentespropiedades magnticas especficas, la interaccin de las distintas fuerzas mecnicascontrola el bloqueo final de las partculas de una forma muy compleja, pero, a pesar deello, la remanencia magntica detrtica de los sedimentos es de los registros ms tilesdel comportamiento del campo magntico terrestre a lo largo de la historia, ya que por logeneral, al tener los sedimentos una deposicin continua durante largos intervalos detiempo, proporcionan un registro bastante completo de la direccin y la intensidad delcampo, pudiendo adems ser esencial para la datacin de sedimentos comparando con lasescalas de polaridad magntica (Evans, 2003), desarrolladas ms adelante.La estratigrafa magntica, por tanto, se basa en la idea de que la magnetizacin registradaen una roca refleja estos comportamientos variables del campo geomagntico gracias alos minerales magnticos que sufren estos procesos. Utiliza por tanto las edades de lasinversiones de polaridad para definir horizontes estratigrficos y poder realizar ascorrelaciones, puesto que proporcionan puntos de conexin comunes entre secciones, yaque el cambio de polaridad se registra a nivel global y al mismo tiempo.

Figura 3. Adquisicin de DRM por parte de las partculas sedimentarias. B: direccin del campo. Evans, 2003.


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Recientemente, la magnetoestratigrafa ha adquirido un significado ms amplio,incluyendo muchos otros tipos de mediciones magnticas dentro de una secuenciaestratigrfica. Ahora ya no slo se establecen correlaciones con la ayuda de los lmites delos grandes perodos de una polaridad preponderante, sino tambin dentro de estos seestablecen correlaciones gracias a la medicin de otras propiedades magnticas (Jovane,2013), como son la susceptibilidad, la coercitividad de los minerales, etc, que son de granayuda para la determinacin de la composicin, tamao de minerales magnticos u otrosparmetros, y que desembocan a su vez en estudios paleoambientales entre otros,ampliando as el rango de estudio de esta disciplina y su definicin.

ESCALAS DE TIEMPO DE POLARIDAD GEOMAGNTICAA comienzos del siglo XX, a partir de la combinacin de las edades isotpicasradiognicas con las formaciones geolgicas surge la Escala de Tiempo Geolgico (GTS)(Holmes, 1913). Esta escala es el marco para descifrar y entender la larga y complejahistoria del planeta y su desarrollo viene determinado por la fusin de una escalacronoestratigrfica (escala basada en unidades de tiempo relativo) y otra cronomtrica(Figura 4) (Gradstein, 2012), desembocando as en una lista de eventos ordenadossituados en un contexto espacio-temporal.

Figura 4. Esquema desarrollo GTS. Modificado de Gradstein, 2012.

Una de las herramientas ms importantes para la ayuda al ensamblaje de la GTS es laEscala de Tiempo de Polaridad Geomagntica (GPTS). La utilidad de esta escala resideen la correlacin a nivel global de secuencias estratigrficas mediante patrones depolaridades normales e inversas observados en las mediciones (Opdyke, 1996).


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En la dcada de los 50 varios cientficos comenzaron a darse cuenta de que los cambiosen la polaridad del campo magntico registrados en las rocas podan ser una buenaherramienta de correlacin estratigrfica incluso a nivel mundial. Pero fue en 1963cuando las primeras GPTS surgieron gracias a estudios combinados de polaridad y edad(con la nueva tcnica de datacin basada en el decaimiento radiactivo de potasio a argn)en flujos de lava distribuidos globalmente (Cox, 1963). Cox separ periodos de polaridaddominante en funcin de si el paleocampo registrado tena una direccin similar a la delcampo actual (polaridad normal) o bien totalmente inversa (polaridad inversa) y nombra estas unidades como pocas, adjuntando a cada una el nombre de ilustres cientficosestudiosos del geomagnetismo (Brunhes, Matuyama y Gauss, aadindose ms tarde aGilbert) y reconociendo adems la existencia de perodos ms cortos de polaridaddominante, denominados en primera instancia eventos (Cox, 1964).Con la realizacin de nuevos estudios y la obtencin de nuevos datos, as como con lamejora en las tcnicas de datacin, rpidamente esta primera escala evolucion.Basndose en el patrn especular de anomalas magnticas de la corteza ocenicaHeirtzler et al. (1968) ampliaron el rango temporal de la escala, definiendo as nuevaspocas y eventos. Durante bastantes aos esta escala, con alguna modificacin paraintentar tener un mayor control de las edades e intentar incrementar la resolucin, fue elpilar fundamental para las correlaciones paleomagnticas, sobre todo, en estudios a nivelde la corteza ocenica. Pero debido a la limitada edad de la corteza ocenica, una vezanalizadas en detalle sus anomalas magnticas se dio paso a estudios en tierra para laampliacin del rango temporal de la GPTS (Tauxe, 2010).Distintas calibraciones fueron llevadas a cabo a lo largo del siglo con ayuda de labioestratigrafa, las dataciones radiomtricas, etc, pero el avance ms importante seprodujo en la dcada de los 90 con la generacin de la escala de tiempo de polaridadastronmica (APTS), donde cada inversin fue datada individualmente con granprecisin, a diferencia de las escalas anteriores, donde se interpolaba entre puntos decalibracin radioisotpica (Langereis, 2010).


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Figura 5. Evolucin de la GPTS. Langereis, 2010.

Se ha producido as una constante y firme evolucin en la mejora de la GPTS (Figura 5)pero todava existe una extensa parte por desarrollar y afinar en mayor medida.Los primeros trminos creados para definir a las diferentes unidades y subunidades depolaridad en el mbito geocronolgico, poca y evento, fueron sustituidos por ladenominacin hoy en da preponderante a travs de un acuerdo internacional(Anonymous, 1979), cron y subcron respectivamente. En la Tabla 1 se muestran losdiversos trminos usados en la actualidad tanto para referirse a tiempo como paraunidades magnetoestratigrficas as como el rango temporal que puede ocupar cada unade ellas.

Tabla 1. Terminologa en estratigrafa magntica. Gradstein, 2004.

Periodos cortos de polaridad opuesta dentro de un cron son denominados subcron ycriptocron en funcin de su duracin y a los largos periodos de polaridad dominante seles denomina megracron y supercron (Jovane, 2013).Adems del etiquetado para las unidades de polaridad mediante nombres de cientficosilustres y trminos geogrficos, en la GPTS se utiliza una nomenclatura numrica definida


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principalmente por Cande & Kent (1992) (Figura 5). La principal caracterstica reside enel nombramiento de los crons en base a las anomalas magnticas de la corteza ocenica,utilizndose la letra C para el Cenozoico y la M para el Mesozoico precediendo al nmerode la anomala, seguido de la letra n o r en funcin de la normalidad o inversalidad de lapolaridad dominante (ej: para el periodo normal de la anomala 2, C2n). Para identificara los subcrons dentro de cada cron se aade adems .nmero, comenzando por el msreciente, seguido de n o r igualmente (ej: para el periodo de polaridad de la anomala 4 elprimer subcron de polaridad inversa que contiene se denominara C4r.1r). En ltimainstancia, para nombra a los periodos ms cortos dentro de un cron o subcron, definidoscomo criptocrons (Cande, 1992), se aade -nmero al cron o subcron segn donde seencuentre, comenzando tambin por el ms reciente.El desarrollo de la GPTS, su correcta calibracin y su constante revisin para unaconstante mejora la hacen una herramienta de correlacin y datacin con un granpotencial a nivel mundial tanto en ambientes marinos como terrestres.

CASO DE ESTUDIO: MAGNETOESTRATIGRAFA DE LA CUENCA DEDERYUGIN. IMPLICACIONES PALEOAMBIENTALESEn este apartado se ilustrar el uso integrado de la magnetoestratigrafa como unaherramienta de datacin y de correlacin as como determinante en la interpretacinambiental a partir de un testigo sedimentario en el marco del estudio llevado a cabo porChou et al. (2011) en el Mar de Okhotsk, caracterstico por ser un mar marginal el cualse hiela casi por completo en el periodo invernal y por jugar un papel importante en loscambios climticos regionales y globales (Yamazaki, 2013).El estudio tiene como objetivo principal realizar adecuadamente la magnetoestratigrafade un testigo obtenido en la Cuenca de Deryugin, para observar las variaciones secularesdel campo magntico, tanto en direccin como en intensidad. Adems de ello, seproponen la construccin de un modelo de edad para poder inferir las condicionespaleoambientales y paleoclimticas, intentando determinar el origen de los sedimentosdel testigo.Para la consecucin de los objetivos dividieron el testigo en varias secciones y semuestrearon con la ayuda de U-channels, midiendo distintas propiedades magnticas.


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Inicialmente tomaron medidas de la susceptibilidad magntica (magnetizacin queadquiere un mineral al ser afectado por un campo magntico) y de la NRM, para luegopasar a las medidas magnticas artificiales. Este orden en la medicin es debido a quela NRM se pierde una vez aplicados los campos necesarios para obtener las propiedadesartificiales. Por tanto, a continuacin obtuvieron la magnetizacinremanente anhistertica (ARM) y la magnetizacin remanente isotrmica (IRM). Laprimera es una magnetizacin remanente inducida mediante la aplicacin de unasecuencia ascendente de campos asimtricos alternos decrecientes (Dekkers, 1997), locual genera una magnetizacin progresiva neta de todas las partculas cuya sensibilidad alos campos magnticos (coercitividad) sea menor que el campo aplicado (Mohamed,2006). La segunda es tambin una magnetizacin adquirida artificialmente mediante laaplicacin de una secuencia creciente de campos continuos. Se obtuvo adems el campodestructivo medio (MDF), campo alterno que es necesario aplicar para reducir laremanencia a la mitad, y la IRM de saturacin (IRMs), valor de campo a partir del cualtodos los minerales estn magnetizados.La IRMs es determinante a la hora de inferir el tipo de mineral magntico que contiene lamuestra, siendo en este caso el valor encontrado de campo el tpico de la magnetita(Figura 6A), dominando as este mineral todas las muestras del estudio. Adems, el MDFcorrobora este resultado, ya que el valor que obtuvieron es tpico de la magnetita (Figura6B).

Figura 6. A) IRM de saturacin. B) MDF de la NRM. Modificado de Chou, 2011.

Para realizar el modelo de edad de gran precisin compararon las paleointensidadesobtenidas a travs de un ndice NRM/ARM con las de otros estudios ya datadas, as comotambin compararon la susceptibilidad magntica con la de otro estudio de un testigo dela misma zona, tambin datado.


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El anlisis de la NRM de las muestras mediante los diagramas de Zijderveld (Zijderveld,1967) para obtener las paleoinclinaciones y paleodeclinaciones desemboc en laobtencin de los lmites entre los cambios de polaridad, localizando as crons, subcrons yexcursiones magnticas (intentos de cambio de polaridad del campo magntico),pudiendo ser representados en funcin del tiempo una vez hubieron obtenido el modelode edad (Figura 7).

Figura 7. Magnetoestratigrafa del testigo. Modificado de Chou, 2011

Finalmente consiguen inferir las condiciones paleoambientales y paleoclimticasmediante la comparacin de la susceptibilidad magntica y la relacinARM/susceptibilidad magntica con la variacin isotpica del oxgeno (Figura 8).Determinan que en las pocas de glaciacin el aporte de minerales magnticos es mayor(mayores valores de susceptibilidad magntica) y de mayor tamao de grano (menorrelacin ARM/susceptibilidad) y determinan adems la zona de donde provienen ascomo la corriente que los transporta. Por el contrario, en los periodos interglaciaresobservan un menor aporte de minerales magnticos y de un menor tamao de grano,determinando que mayoritariamente provienen de una zona distinta y que adems sontransportados por otra corriente.


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Figura 8. Comparacin de ARM/susceptibilidad con la variacin isotpica del oxgeno. Chou, 2011.

CONCLUSIONESDesde el desarrollo de la magnetoestratigrafa a mediados del siglo pasado y con suconstante mejora gracias al desarrollo de la tecnologa, es actualmente una herramientamuy potente, pero todava con diversas carencias.En contraste con muchos otros marcadores estratigrficos, esta disciplina puededesarrollar estudios globales debido a la simultaneidad de los cambios de polaridadmagntica en todo el planeta. Es adems independiente de facies y litologa pudiendo portanto utilizarse para correlacionar diversos ambientes. Tiene tambin la ventaja de que enestudios de rango temporal amplio las inversiones se dan a tiempos geolgicamente cortos(unos pocos miles de aos) pudiendo dar as una buena sensibilidad en los estudios. Sueletenerse una resolucin constante independientemente de la edad, al contrario que lastcnicas radiomtricas, que suelen tener un error proporcional a la edad de la roca osedimento (Gubbins, 2007). Pero principalmente, la mayor ventaja respecto a muchasotras tcnicas, es la no destructividad de las muestras.La falta de capacidad para resolver problemas en zonas donde existen discordancias y portanto puede desaparecer por completo una zona de polaridad magntica, deriva en elcambio por otras tcnicas, como las bioestratigrficas, aunque recientemente suelenintegrarse ambas disciplinas en muchos estudios para adquirir un potencial mayor.Existen adems diversos problemas a la hora de obtener algunas variables magnticasdebidos a mltiples factores (procesos diagenticos, bioturbacin, etc). Adems, por lo


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general, es necesario el uso de otras tcnicas para obtener una correcta calibracin de lasedades.En definitiva, al igual que la gran parte de las tcnicas presenta ventajas e inconvenientes,pero el creciente uso en multitud de estudios en diferentes ambientes demuestra que lascontinuas mejoras logradas a lo largo del tiempo pesan ms que las carencias quepresenta, evidencindose la ampliacin del rango que abarca esta disciplina en estudioscomo el analizado en este trabajo.

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