Petrología, geoquímica y diagénesis de sedimentitas y fósiles carbonáticos del Jurásico superior-Cretácico inferior de las cuencas Neuquina y Austral, Argentina

Abstract

El siguiente trabajo de tesis se construyó a partir de tres objetivos fundamentales. En primer lugar, la descripción desde el punto de vista petrográfico, geoquímico y diagenético de los niveles de sedimentitas y fósiles carbonáticos del Jurásico superior- Cretácico inferior representados en las Cuencas Neuquina (Formaciones Vaca Muerta y Chachao) y Austral (Formaciones Springhill y Río Mayer). En segundo término, el análisis del clima en el intervalo Tithoniano- Valanginiano a partir de datos geoquímicos. En última instancia, la correlación entre las cuencas utilizando distintas herramientas metodológicas como contenido faunístico, estratigrafía secuencial y quimioestratigrafía.La metodología utilizada consistió en seis etapas de trabajo: recopilación cartográfica y bibliográfica, labores de campo, análisis de laboratorio (representaron el periodo más extenso e innovador), dos instancias de tareas de gabinete y el procesamiento intelectual de la información.A partir de una minuciosa revisión de antecedentes bibliográficos y cartográficos se seleccionaron dos áreas de estudio: la Plataforma Mendocina, localizada en los alrededores de la ciudad de Malargüe, en el sur de la Provincia de Mendoza, y el sector entre los lagos Argentino y San Martín al sudoeste de la Provincia de Santa Cruz, entre las localidades de El Calafate y Tres Lagos.Las cuatro formaciones estudiadas (Vaca Muerta, Chachao, Springhill y Río Mayer) fueron asignadas a intervalos temporales. En el caso de la Cuenca Neuquina, sobre la base de las biozonas de amonites y en la Cuenca Austral teniendo en cuenta las asociaciones faunísticas. Este acotamiento temporal permitió esbozar una primera correlación entre las dos cuencas.Durante las tareas de campo se realizaron seis perfiles sedimentarios de detalle (Río Salado, Puesto Loncoche y Cuesta del Chihuido en la Cuenca Neuquina, y Subida del Chancho, Río Guanaco y Cerro Hobler en la Cuenca Austral). Posteriormente, se definieron veintisiete facies sedimentarias, las cuales se agruparon según su relación vertical y lateral en diez asociaciones de facies, cinco correspondientes a la Cuenca Neuquina y cinco a la Cuenca Austral. En la Cuenca Neuquina se establecieron las asociaciones de facies de cuenca, rampa externa distal, rampa externa proximal, rampa media distal y rampa media proximal. A partir de ellas se interpretó como ambiente de depositación una rampa carbonática/mixta. Por otro lado, en la Cuenca Austral se definieron las asociaciones de facies de plataforma externa, plataforma interna, shoreface, foreshore y fluvial. A partir de dichas asociaciones se definieron dos ambientes de acumulación: sistema de plataforma marina silicoclástica/mixta y sistema fluvial. A partir del análisis estratigráfico secuencial se concluyó que existen cinco cortejos principales limitados por superficies estratigráficas que pueden ser reconocidas en ambas cuencas. Este análisis permitió una segunda instancia de correlación que resultó coincidente con la primera basada en el contenido faunístico.Se realizó una descripción composicional, tanto elemental como mineralógica, de las unidades estudiadas. Para esta caracterización se llevaron a cabo, según la granulometría y naturaleza (carbonática, silicoclástica o mixta) de las rocas, análisis petrográficos, de tinción de láminas delgadas y de difracción de rayos X.En la Cuenca Neuquina, se estudiaron detalladamente las facies pelíticas, carbonáticas y mixtas. En la fracción pelítica, los minerales más abundantes son cuarzo y calcita, cuya suma siempre supera el 90% de la muestra. El incremento en el contenido de cuarzo en todos los casos coincide con una disminución en la calcita y viceversa. Entre los argilominerales se reconocieron illita, interestratificado illita/esmectita (I/S) y esmectita, además de cantidades menores de caolinita y clorita. Las facies carbonáticas son íntegramente esqueletales. Mineralógicamente, están principalmente compuestas por calcita con bajo contenido de magnesio. En cuanto a la preservación tafonómica, es importante destacar que se reconocieron fragmentos de los mismos géneros fósiles desde totalmente fragmentados hasta con las valvas articuladas y en posición de vida. Las rocas mixtas son escasas, y se diferencian de las carbonáticas por la presencia de pequeños porcentajes de elementos terrígenos. En la Cuenca Austral, se estudiaron detalladamente las facies pelíticas, silicoclásticas y mixtas. La fracción pelítica está compuesta por cuarzo (que constituye el mineral más abundante) y cantidades menores de calcita y arcillas. Entre los argilominerales predominan illita, caolinita y clorita, y en menor medida esmectita e interestratificado I/S. Entre las psamitas y psefitas, la composición es principalmente lítica volcánica. Las rocas mixtas se diferencian de las silicoclásticas por la presencia de bivalvos no ostreidos, algas dasycladáceas y belemnites. A partir del análisis de los datos composicionales se definieron las áreas de procedencia de los elementos detríticos. En la Formación Vaca Muerta, los aportes detríticos provendrían del arco magmático, de terrenos volcánicos triásicos y jurásicos tempranos y desde los depósitos de la subyacente Formación Tordillo. La Formación Chachao esta íntegramente compuesta por elementos esqueletales, lo que denota su carácter intracuencal. La fuente del material terrígeno que compone a las formaciones Springhill y Río Mayer sería el Complejo vulcano- sedimentario El Quemado que las subyace. El estudio de la diagénesis se dividió en cuatro partes teniendo en cuenta las características composicionales y granulométricas: fracción pelítica (Cuenca Neuquina y Austral), facies carbonáticas (Cuenca Neuquina), facies silicoclásticas (Cuenca Austral) y fósiles (Cuenca Neuquina y Austral).En la fracción pelítica se determinó el origen detrítico o autigénico de los argilominerales illita e interestratificado I/S. Además, fue posible cuantificar el grado de alteración diagenética de acuerdo al porcentaje de capas expansivas. En la Formación Vaca Muerta (Cuenca Neuquina), una parte de la illita y los interestratificados I/S presentes son consideradas autigénicas. De acuerdo al porcentaje de capas expansivas, los depósitos habrían experimentado mesodiagénesis temprana. En las formaciones Springhill y Río Mayer (Cuenca Austral), los interestratificados I/S y la mayor parte de la illita son autigénicas. A partir del estudio del porcentaje de capas expansivas, se puede concluir que la Formación Río Mayer habría alcanzado un estadio de mesodiagénesis tardía. En la Formación Springhill, por otro lado, no fue posible cuantificar el grado de alteración diagenética con el empleo de argilominerales. En los niveles carbonáticos de las Formaciones Vaca Muerta y Chachao, se identificaron rasgos diagenéticos correspondientes a los procesos de cementación, neomorfismo, piritización, fosfatización, disolución y compactación. Estos procesos corresponden a los estadios de eogénesis y mesogénesis temprana. La diagénesis afecta de manera diferencial a las facies profundas y someras. Mientras en las facies profundas la diagénesis se caracteriza por el escaso desarrollo de los procesos de cementación marina y neomorfismo, en las facies someras se observan rasgos tales como la abundancia de disolución y neomorfismo y la precipitación de cemento drusiforme, características de la acción de procesos diagenéticos meteóricos. En los niveles de psamitas silicoclásticas y mixtas de la Cuenca Austral, se reconocieron rasgos diagenéticos que corresponden a los procesos de: glauconitización, cementación carbonática marina, cementación cuarzosa, autigénesis de arcillas, cementación carbonática de soterramiento, disolución y compactación. Estos procesos se llevaron a cabo durante los estadios de eogénesis, mesogénesis temprana y mesogénesis tardía. Para la Formación Springhill se han establecido sobre la base de los procesos diagenéticos actuantes, tres trenes diagenéticos correspondientes a las facies fluviales, marinas mixtas y marinas silicoclásticas.El estudio de la diagénesis en fósiles estuvo especialmente enfocado en seleccionar los sectores mejor preservados para realizar estudios geoquímicos y quimioestratigráficos. Se llevó a cabo en ejemplares de ostras (Cuenca Neuquina) y belemnites (Cuenca Austral) escogidos sobre la base de sus atributos tafonómicos, tamaño, espaciamiento, abundancia y distribución. A partir de estudios de catodoluminiscencia y microscopía electrónica de barrido, se puede concluir que la diagénesis afecta de manera diferencial a las distintas microtexturas que componen la conchilla de las ostras y belemnites. Los ostras del género Aetostreon sp. reflejan una muy buena preservación en sus capas con crecimiento foliar, mientras que las de crecimiento ?chalky? se ven alteradas. Los belemnites del género Belemnopsis sp. muestran una muy buena preservación de los rostros, pero poseen alta luminiscencia en sectores como la línea apical y el alveolo.Sobre la base del estudio geoquímico de los restos fosilíferos, se definió el potencial de preservación isotópico de las muestras de ambas especies y se caracterizó el agua de mar (temperatura, salinidad, profundidad y oxigenación) en la cual estos organismos vivieron.Los elementos mayoritarios y minoritarios fueron estudiados mediante fluorescencia de rayos X, ICP-AES e ICP-MS. La mayoría de las muestras analizadas se encuentran dentro de los rangos estipulados para el taxón y la época, aunque existe una cantidad menor que presenta enriquecimientos o empobrecimientos diagenéticos. A pesar de esto, no existen correlaciones entre los elementos o relaciones elementales y los datos isotópicos que puedan ser vinculadas con la diagénesis. De esta forma, se concluye que dichas alteraciones no condicionaron los valores isotópicos. A partir de los resultados isotópicos se calcularon paleotemperaturas y paleosalinidades, caracterizando a los mares de las dos cuencas como cálidos (con temperaturas entre 24 y 25 ºC) y euhalinos (con salinidades entre 31 y 35 g/l). Por medio del estudio de las tierras raras e itrio se realizaron importantes observaciones sobre alteraciones diagenéticas, niveles de oxigenación y profundidad de las aguas. A partir del cálculo de enriquecimientos en las MREY, se caracterizó a los valores como primarios (sin alteración diagenética). La anomalía negativa de Ce registrada en todas las muestras de las dos cuencas, refleja que existieron condiciones óxicas en las aguas donde las especies fósiles tuvieron su ciclo de vida. Sobre la base del estudio de los patrones de REY y las anomalías elementales se corroboró que los organismos de la Cuenca Austral vivieron y precipitaron sus conchillas en ambientes más profundos que los de la Cuenca Neuquina. Con los datos de δ13C, δ18O y δ13CORG, se confeccionaron curvas quimioestratigráficas. El análisis de las mismas aportó importante información sobre anomalías isotópicas y facilitó la correlación entre las cuencas.A partir del análisis de las curvas quimioestratigráficas de δ13C se reconoció la excursión isotópica positiva conocida como ?anomalía Weissert? (final del Valanginiano temprano y comienzo del Valanginiano tardío) en los afloramientos de ambas cuencas. En la Cuenca Neuquina se observó con valores máximos de ∼2-3?VPDB, en los niveles de la Formación Chachao. En la Cuenca Austral, por otro lado, es identificada hacia el tope de la Formación Río Mayer inferior y se presenta con un valor máximo de apenas -0,56?VPDB. En este caso, fue definida como ?anomalía fantasma? debido al carácter negativo de la misma, (dado por la precipitación de las conchillas en aguas profundas) y a que el evento es reconocible gracias a la correlación entre curvas de δ13C. El evento Weissert fue restringido en ambas cuencas por su contenido fosilífero y posibilitó la comparación de las secciones estudiadas con otras contemporáneas en diferentes cuencas del mundo.Sobre la base del análisis de las curvas quimioestratigráficas de δ13CORG se pudo concluir que en las secciones Río Salado y Puesto Loncoche, existe una buena correlación con los resultados obtenidos con el material fosilífero, sobre todo hacia el sector de la curva correspondiente al Tithoniano.A partir del análisis integrado de los datos composicionales, geoquímicos y quimiestratigráficos se arribó a conclusiones sobre el paleoclima. Durante el periodo Tithoniano- Valanginiano se habría producido un ?greenhouse? a nivel global que habría elevado la temperatura de las aguas. Este evento habría extendido el clima ecuatorial más allá de los trópicos, restringiendo las condiciones frías a unas pocas regiones polares y equilibrando la temperatura de las aguas en estas dos cuencas, separadas por unos 2000 km en sentido norte- sur. El clima durante el intervalo estudiado habría sido cálido y árido, con eventuales períodos con condiciones húmedas denominados ?episodios de cambio ambiental?. Estos episodios se ven reflejados en las variaciones más importantes de las curvas quimioestratigráficas de δ13C, pero no en la composición de los depósitos, que tendría como principal factor de control a los cambios relativos en el nivel del mar. El análisis quimioestratigráfico aporta la tercera herramienta de correlación entre cuencas, ya que existe un marcado paralelismo entre las curvas quimioestratigráficas de δ13C de los perfiles sedimentarios Puesto Loncoche (Cuenca Neuquina) y Río Guanaco (Cuenca Austral). El análisis de las curvas quimioestratigráficas, el contenido fosilífero y las superficies estratigráficas constituyen una herramienta eficiente que permitió establecer la evolución temporal comparada del intervalo Tithoniano- Valanginiano en las cuencas Neuquina y Austral. A modo de conclusión, es posible aseverar que existieron en ambas cuencas historias depositacionales y diagenéticas distintas que compartieron un mismo contexto climático.

This PhD work has three objectives. First, the description of sedimentary levels and carbonate fossil levels of upper Jurassic-lower Cretaceous from Neuquén basin (Vaca Muerta and Chachao Formations) and Austral basin (Springhill and Río Mayer Formations) through petrography, geochemistry and diagenesis. Second, the analysis of climatic features of the Tithonian-Valanginian interval through geochemistry data. Third, the correlation between the two basins through methodological tools like sequence stratigraphy, chemostatigraphy and fossils content. This work was done in six methodology steps: cartographic and bibliographic compilation, field activities, laboratory analysis (that is where the most extensive and innovative work has been done), two instances of office activities and intellectual processing of information. From the bibliographic and cartographic data, two areas of study were selected: Mendoza Shelf, near Malargüe city, in the south of the Mendoza Province, and the area between Argentino and San Martín Lakes, between El Calafate City and Tres Lagos City. The four studied formations (Vaca Muerta, Chachao, Springhill and Río Mayer) were assigned temporal intervals. As for Neuquén Basin, on the basis of ammonite biozones and for Austral Basin, taking into account the fossil associations. These temporal assignations allowed to outline the first correlation between both basins. During field activities, six detailed sedimentary logs were done (Río Salado, Puesto Loncoche and Cuesta del Chihuido in Neuquén Basin, and Subida del Chancho, Río Guanaco and Cerro Hobler in Austral Basin). Later, twenty-seven sedimentary facies were defined and after that, these facies were grouped according to vertical and lateral relation in ten facies association (five from Neuquén basin and five from Austral Basin). The facies association of basins, distal outer ramp, proximal outer ramp, distal middle ramp and proximal middle ramp were recognized in Neuquén Basin. A depositional environment of mixed/carbonate ramp was defined through these facies association. On the other hand, in Austral Basin, the facies associations of outer platform, inner platform, shoreface, foreshore and fluvial were defined. Two depositional environments were defined for these facies associations: siliciclastic/mixed platform and fluvial system. Five system tracks limited by stratigraphic boundaries were recognized in both basins as from sequence stratigraphy analysis. From these analyses, a second correlation in concordance with the first was done. The formations were described to know their elemental and mineralogical composition. For this characterization, petrographic analysis, staining of thin sections and X ray diffraction were done according to grain size and composition (siliciclastic, carbonate or mixed). In the Neuquén Basin, carbonates, silts and mixed facies were studied in detail. In the pelitic fraction, quartz and calcite are the most abundant minerals; between them they reach 90% of the sample. The increase in quartz content always coincides with a decrease in calcite and vice versa. In the clay fraction: illite, smectite and interstratified illite/smectite are the most abundant type of clay. In addition, there are smaller amounts of kaolinite and chlorite. The carbonates facies are composed by skeletal elements. Regarding the mineralogy, they are mainly composed of low-magnesium calcite. In respect of the taphonomic preservation, the fragments of the same fossil genera were recognized from totally fragmented to articulated and in life position. The mixed rocks are scarce, and differ from the carbonates by the presence of small percentages of terrigenous elements. In the Austral Basin, siliciclastics, silts and mixed facies were studied in detail. In the pelitic fraction, quartz is the most abundant mineral; in addition, there are smaller amounts of calcite and clays. In the clay fraction: illite, kaolinite and chlorite are the most abundant clays, and smectite and interstratified illite/smectite (I/S) are less abundant. Regarding the sandstones and conglomerates, the lithic composition is the most abundant. Mixed rocks differ from siliciclastic ones due to the presence of not-oysters bivalves, dasycladacean algae and belemnites. Provenance areas of the detrital elements were defined from the analysis of compositional data. In the Vaca Muerta Formation, the detrital input would come from the magmatic arc, Triassic- early Jurassic volcanic lands and of the underlying Tordillo Formation. The Chachao Formation is integrally composed of skeletal elements, which denote its basinal characteristics. The source of the terrigenous material that makes up the Springhill and Río Mayer formations would be the El Quemado volcano-sedimentary complex. The study of the diagenesis was divided in four parts taking into account the compositional and grain size characteristics: pelitic fraction (Neuquén and Austral Basins), carbonate facies (Neuquén Basin), siliciclastic facies (Austral Basin) and fossils (Neuquén and Austral Basins). In the pelitic fraction, the detrital or authigenic origin of the illite and interstratified I/S were determined. In addition, the degree of diagenetic alteration was quantified according to the percentage of expansive layers. In the Vaca Muerta Formation (Neuquén Basin), a part of the illite and all the interstratified I/S were considered authigenic. According to the percentage of expansive layers, the deposits would have reached early mesodiagenesis. In the Springhill and Río Mayer formations (Austral Basin), the interstratified I/S and most of the illite are authigenic. From the study of the percentage of expansive layers, it can be concluded that the Rio Mayer Formation would have reached a stage of late mesodiagenesis. In the Springhill Formation, on the other hand, it was not possible to quantify the degree of diagenetic alteration with the use of clay minerals. In the carbonate levels of the Vaca Muerta and Chachao Formations, diagenetic features corresponding to the cementation, neomorphism, piritization, phosphatization, dissolution and compaction processes were identified. These processes were carried out during the stages of eogenesis and early mesogenesis. Diagenesis affects differentially the deep and shallow facies. In the deep facies, the diagenesis was characterized by the low development of the processes of marine cementation and neomorphism. On the other hand, the shallow facies were characterized by the abundance of dissolution and neomorphism and precipitation of drusiform cement (these characteristics are typical of the action of meteoric diagenetic processes). In the siliciclastics and mixed sandstones levels of the Austral Basin, diagenetic features corresponding to the glauconitization, marine carbonate cementation, quartz cementation, clay authigenesis, burial carbonate cementation, dissolution and compaction processes were identified. These processes were carried out during the stages of eogenesis, early mesogenesis and late mesogenesis. For the Springhill Formation, three diagenetic trains corresponding to the fluvial, mixed marine and siliciclastic marine facies were established, on the basis of the active diagenetic processes. The study of fossil diagenesis was especially focused on selecting the best preserved sectors for geochemical and chemostratigraphic studies. It was carried out on oyster (Neuquén Basin) and belemnites (Austral Basin) specimens selected as from their taphonomic attributes, size, equidistance, abundance and distribution. From studies of cathodoluminescence and scanning electron microscopy, it can be concluded that the diagenesis affects differently the diverse micro textures that compose the shell of oysters and belemnites. The oysters of the genus Aetostreon sp. reflect a very good preservation in their layers with foliated growth, while those of "chalky" growth are altered. In the case of Belemnites of the genus Belemnopsis sp. show a very good preservation of the rostra, but they have high luminescence in sectors such as the apical line and the alveolar groove. From the geochemical study of the fossiliferous fragments, the potential of isotopic preservation was defined in both species, and the sea in which these organisms lived was characterized water (temperature, salinity, depth and oxygenation). Major and minor elements were studied by X-ray fluorescence, ICP-AES and ICP-MS. Most of the analyzed samples are within the stipulated ranges for the taxon and the temporal interval values, although there is a smaller amount that presents diagenetic enrichment or impoverishment. Nonetheless, there are no correlations between elements or elemental relationships and isotopic data that can be linked to diagenesis. In this way, it is concluded that these alterations did not condition the isotopic values. From the isotopic results, paleotemperatures and paleosalinities were calculated, characterizing the seas of the two basins as warm (with temperatures between 24 and 25 ºC) and euhaline (with salinity between 31 and 35 g/l). Through the study of rare earth elements and yttrium, important observations were made on diagenetic alterations, levels of oxygenation and depth of water. From the calculation of enrichments in the MREY, values were characterized as primary (without diagenetic alteration). The waters where the fossil species had their life cycle were defined as oxic given that they present negative anomalies of Ce recorded in all samples of the two basins. Through the study of REY spiders and elemental anomalies, it was corroborated that the organisms of the Austral Basin lived and precipitated their shells in deeper environments than those of the Neuquén Basin. Chemostatigraphic curves were made with the data of δ13C, δ18O y δ13CORG. The analysis of chemostratigraphic curves provides important information about isotopic anomalies and facilitated the correlation between basins. From the analysis of the chemoestratigraphic curves of δ13C, the positive isotopic excursion known as "Weissert anomaly" was recognized in the outcrops of both basins. In the Neuquén Basin it was observed with maximum values of ~2-3‰VPDB, in the levels of the Chachao Formation. In the Austral Basin, on the other hand, the anomaly was identified towards the top of the Lower Rio Mayer Formation and it was recognized with a maximum value of only -0.56‰VPDB. In this case, it was defined as a "ghost anomaly" due to the negative value (given the precipitation of the shells in deep water) and because the event was recognized thanks to the very good correlation between δ13C curves. The Weissert event was restricted in both basins from the end of the early Valanginian to the beginning of the late Valanginian through its fossil content. This correlation made it possible to compare the sections studied with other contemporary basins around the world. From the analysis of the chemoestratigraphic curves of δ13CORG, it was possible to conclude that in the sections Río Salado and Puesto Loncoche, there is a good correlation with the results obtained with the fossiliferous material, especially towards the section of the curve corresponding to the Tithonian. On the other hand, on the central portion of the Vaca Muerta Formation, in the last levels corresponding to the Tithonian, we defined an anomaly (with less intensity than the Weissert) that can be observed both in the chemostatigraphic curves of δ13CORG, as in those of δ13C. This event was called "Tithonian anomaly". Conclusions about the paleoclimate were reached through the integrated analysis of the compositional, geochemical and chemostratigraphic data. During the TithonianValanginian interval there would have been a greenhouse that would have raised the global temperature of the waters. This event would have extended the equatorial climate beyond the tropics, restricting cold conditions to a few polar regions and balancing the temperature of the waters in these two latitudinally distant basins. The climate during the interval studied would have been warm and arid, with short periods of dry conditions called "episodes of environmental change". The most important variations of the chemoestratigraphic curves of δ13C were reflected in these episodes. In contrast, the compositions of the deposits do not reflect these changes and it would have been controlled by the relative changes in the level of the sea. The third correlation tool among basins was provided by the chemostratigraphic analysis since there is a marked parallel between the δ13C chemostratigraphic curves of the Puesto Loncoche (Neuquén Basin) and Río Guanaco (Austral Basin) sedimentary profiles. In conclusion, it is possible to assert that there existed in both basins different depositional and diagenetic histories that shared the same climatic context. The analysis of the chemostatigraphic curves, the fossil content and the stratigraphic surfaces constitute an efficient tool that allowed establishing the comparative temporal evolution of the TithonianValanginian interval in the Neuquén and Austral basins.