Formação Marcelo - Marcellus Formation

Faixa estratigráfica da Formação Marcelo : Devoniano Médio
MarcellusShaleBank1.jpg
Exposição de xisto de Marcellus acima de Marcellus, NY As juntas verticais criam faces de penhascos íngremes.
Modelo Formação geológica
Unidade de Grupo Hamilton
Subunidades Veja: Membros nomeados
Subjacentes Formação Mahantango e xisto Millboro
Overlies Huntersville Chert , Needmore Shale e Formação Onondaga
Espessura até 900 pés (270 m)
Litologia
Primário Xisto
De outros Ardósia , calcário , arenito
Localização
Região Bacia dos Apalaches do
leste da América do Norte
Extensão 600 milhas (970 km)
Seção de tipo
Nomeado para Marcellus, Nova York
Nomeado por James Hall , 1839

A Formação Marcellus ou Folhelho Marcellus é uma unidade de idade Devoniana Média de rocha sedimentar encontrada no leste da América do Norte . Com o nome de um afloramento característico perto da vila de Marcellus , Nova York , nos Estados Unidos , ele se estende por grande parte da Bacia dos Apalaches .

O nome da unidade usado pelo US Geological Survey (USGS) inclui Marcellus Shale e Marcellus Formation . O termo "Marcellus Shale" é o nome preferido na maior parte da região dos Apalaches, embora o termo "Marcellus Formation" também seja aceitável no estado da Pensilvânia. A unidade foi descrita e nomeada pela primeira vez como "folhelho Marcellus" por J. Hall em 1839.

Descrição

O Marcellus consiste predominantemente de folhelho negro e algumas camadas de calcário e concentrações de pirita de ferro  ( Fe S 2 ) e siderita  (Fe CO 3 ). Como a maioria dos xistos, ele tende a se dividir facilmente ao longo do plano de acamamento , uma propriedade conhecida como fissilidade . Os folhelhos de cor mais clara na porção superior da formação tendem a se dividir em pequenos fragmentos de bordas finas após a exposição. Esses fragmentos podem ter manchas de ferrugem devido à exposição da pirita ao ar e minúsculos cristais de gesso  ( Ca SO 4 · 2 H 2 O ) da reação entre as partículas de pirita e calcário. Exposições recentes do folhelho piriteífero podem desenvolver a mineralização secundária da limonita laranja  (Fe O ( OH ) · nH 2 O) e a eflorescência ou floração amarelo-claro de enxofre , associada à drenagem ácida de rocha .

Muitos pedaços irregulares de rocha em diferentes tamanhos.
Fragmentos abaixo da exposição de físsil Marcellus xisto preto de Marcellus, NY

A pirita é especialmente abundante perto da base e nos contatos superiores dos calcários, mas microcristais framboidais e cristais euédricos de pirita ocorrem em todos os depósitos orgânicos. O Marcellus também contém urânio , e o decaimento radioativo do urânio-238  ( 238 U) o torna uma fonte de gás radônio radioativo ( 222 Rn).

O conteúdo orgânico total medido do Marcellus varia de menos de 1% no leste de Nova York a mais de 11% na parte central do estado, e o xisto pode conter carbono suficiente para suportar a combustão . Os xistos pretos mais ricos em orgânicos podem ser betuminosos , mas são muito velhos para conter carvão betuminoso formado a partir de plantas terrestres. Na geologia do petróleo , esses folhelhos negros são uma importante rocha fonte que preencheu reservatórios de petróleo convencionais em formações sobrepostas, são um reservatório de gás de xisto não convencional e são um selo impermeável que aprisiona reservatórios de gás natural convencionais subjacentes . A oeste, a formação pode produzir petróleo líquido ; outro aquecimento do norte durante o enterro mais profundo mais de 240 milhões de anos atrás rachado este óleo em gás.

Extensão geográfica

O Marcellus é encontrado em toda a região do Planalto Allegheny , no norte da Bacia dos Apalaches da América do Norte. Nos Estados Unidos, o xisto de Marcellus atravessa as regiões de Southern Tier e Finger Lakes de Nova York , no norte e oeste da Pensilvânia , leste de Ohio , através do oeste de Maryland e na maior parte de West Virginia, estendendo-se pela fronteira do estado até o extremo oeste da Virgínia . O leito rochoso de Marcellus no leste da Pensilvânia se estende através do rio Delaware até o extremo oeste de Nova Jersey . Também existe na subsuperfície de uma pequena parte do Kentucky e do Tennessee . Abaixo do Lago Erie , ele pode ser encontrado cruzando a fronteira com o Canadá , onde se estende entre Port Stanley e Long Point até St. Thomas, no sul de Ontário .

Afloramentos em Nova York

Um rio plácido serpenteia por terras agrícolas e florestas.
Rio Delaware acima da curva de Walpack, onde deixa o vale enterrado erodido pelo leito rochoso de Marcellus Shale

O Marcellus aparece em afloramentos ao longo da margem norte da formação no centro de Nova York. Lá, os dois planos conjuntos no Marcelo estão quase em ângulos retos, cada um fazendo rachaduras na formação que correm perpendiculares ao plano de estratificação, que fica quase nivelado. Essas juntas formam penhascos suaves quase verticais , e os planos de junção que se cruzam formam cantos salientes nas faces da rocha. Uma vez expostos, os rostos desgastados perdem a maior parte de seu carbono orgânico, passando de preto ou cinza escuro para um tom de cinza mais claro.

Afloramentos do Marcelo podem conter camadas muito pequenas que se assemelham ao carvão . Os afloramentos de Nova York, e outros mais ao sul na Pensilvânia e Nova Jersey, foram extensivamente escavados no início do século 19, às vezes com grande custo, na falsa esperança de encontrar veios de carvão mineráveis . No condado de Perry, Pensilvânia, ao longo do rio Juniata, as falsas camadas de carvão têm até 0,3 m (1 pé) de espessura, mas não produziam um combustível valioso, apesar do considerável esforço despendido para extraí-lo das colinas circundantes. Algas e plantas marinhas provavelmente formaram o falso carvão. O carvão verdadeiro é formado a partir de plantas terrestres, que só começaram a aparecer em Marcelo e em fósseis posteriores.

A proximidade com a superfície do leito rochoso de Marcellus ao sul dos afloramentos de Nova York torna uma faixa leste-oeste que atravessa a cidade de Syracuse uma área de alto risco para o radônio como poluente do ar interno . A partir das exposições de superfície ao longo das margens norte e leste, a formação desce a profundidades de mais de 2.700 m (8.900 pés) abaixo da superfície no sul da Pensilvânia.

Expressão geomorfológica

Leitos revirados são expostos em seções dos Apalaches dobrados de Ridge-and-Valley , incluindo exposições nos flancos e no eixo do Broad Top Synclinorium no centro-sul da Pensilvânia. Os leitos expostos são quase horizontais no Planalto Allegheny, mas voltados para cima para formar leitos ligeiramente virados encontrados ao longo da Frente Allegheny . De Wind Gap, Pennsylvania em direção ao sul, o mergulho dos steepens camas, tornando-se vertical no Bowmanstown no rio de Lehigh . Perto dali, na área de Lehigh Gap , na Pensilvânia, o Marcellus é extensamente falhado e os leitos são fortemente revirados, com um ângulo de mergulho reverso de até 40 ° ao sul.

O folhelho Marcellus e os folhelhos de granulação fina perto do meio da Formação Mahantango são classificados por geólogos como formadores de taludes . Camadas de xisto de Marcellus e Mahantango mergulhando de 60 ° a 75 ° para o oeste formam as encostas voltadas para oeste de Tonoloway Ridge no flanco oeste do anticlinal da Montanha Cacapon no Panhandle Oriental da Virgínia Ocidental . No limbo leste deste anticlinal, camadas desses folhelhos mergulhando para o leste em um ângulo mais raso também formam as encostas íngremes no lado leste de Warm Springs Ridge .

Bedrock mapa geológico mostrando Marcellus alicerce em Nova York e Pensilvânia

O Marcellus é facilmente erodido e também é encontrado subjacente a áreas baixas entre algumas cristas dos Apalaches, formando vales lineares de relevo moderado. Essas superfícies rochosas são tipicamente cobertas com colúvio da erosão de estratos estratigraficamente mais altos e mais resistentes à erosão que formam o terreno mais alto circundante. Os solos formados a partir do Marcelo e dos folhelhos de Hamilton sobrejacentes são profundos, livres de pedras e bem adequados para a agricultura . A amostragem de solo formada no leito rochoso de Marcellus mostrou que a mineralogia dominante consistia em quartzo , ilita , montmorilonita , muscovita e biotita , com fases de todorokita e trona aparecendo em profundidades mais próximas ao leito rochoso.

Os leitos revolvidos do xisto mole também capturam riachos e rios com segmentos relativamente retos em vales como o Aquashicola Creek e McMichael Creek no sopé do Poconos , e a seção longa e reta do rio Lost na Virgínia Ocidental. Abaixo Port Jervis, Nova Iorque , o Walpack cume desvia o rio Delaware para o Vale de Minisink, onde ele segue a sudoeste greve do camas Marcellus erosão ao longo da Pensilvânia - linha de estado de New Jersey por 40 km (25 milhas) ao final do cume em Walpack Bend na área de recreação nacional de Delaware Water Gap . O Minisink é um vale enterrado onde o Delaware flui em um leito glacial até que enterrou o erodido leito rochoso de Marcellus durante o último período glacial . Este vale enterrado continua ao longo do curso de Marcellus a sudoeste da curva através de Stroudsburg, Pensilvânia , e a nordeste de Port Jervis em direção ao Rio Hudson , ao longo da rota do Canal Delaware e Hudson .

Mapa do nordeste da América do Norte mostrando a Bacia de Illinois, a Bacia de Michigan e, a leste, a Bacia dos Apalaches.
Reconstrução paleogeográfica da área da Bacia dos Apalaches durante a deposição do Marcelo

Estratigrafia

Estratigraficamente , o Marcelo é a unidade mais baixa do Grupo de Hamilton da idade Devoniana e é dividido em várias subunidades. No primeiro Levantamento Geológico da Pensilvânia , iniciado em 1836, Henry Darwin Rogers classificou os Marcellus como "Cadent Lower Black Slate" que ele numerou "No. VIII b." Na primeira Pesquisa Geológica do Estado de Nova York , também iniciada naquele ano, James Hall estabeleceu o termo "Marcellus Shale" em seu relatório de 1839 intitulado " Marcellus Shales in Seneca County " . O professor Hall também argumentou em 1839 contra a formulação de nomes geológicos com base em características observadas que pode variar de lugar para lugar ou precisa de revisão no futuro, e em favor de nomenclatura baseada em localização onde "a rocha ou grupo receberá seu nome do lugar onde é melhor desenvolvido." Seus argumentos se mostraram persuasivos, e o nome baseado em localização para isso, e muitos dos outros nomes de grupos que ele publicou com base em exposições em Nova York, foram adotados na segunda pesquisa da Pensilvânia e agora são amplamente aceitos.

Unidades sobrepostas

Na primeira pesquisa de Nova York, o xisto Marcellus foi colocado abaixo do Grupo Hamilton na base da divisão Erie do sistema de Nova York, mas esta taxonomia está obsoleta.

Na prática atual, o Folhelho Marcellus (abrev. Dm ou Dms) é classificado como a unidade basal do Grupo Hamilton  (Dh), situado abaixo do  membro da Formação Mahantango (Dmh) deste grupo na Pensilvânia e em Maryland. Em Nova York, o Mahantango, também de idade devoniana média, está ainda mais dividido. Lá o Marcelo é separado da Formação Skaneateles sobrejacente, um xisto escuro mais clástico e fossilífero, pelo fino leito de pedra calcária Stafford ou Mottville.

Na Virgínia Ocidental, o Marcellus pode ser separado dos folhelhos marrons do Mahantango por camadas de arenito ocasionais e concreções , ou pode estar diretamente abaixo da Formação Harrel Devoniana Tardia (ou seus equivalentes laterais) por causa de uma desconformidade , que representa uma lacuna no registro geológico devido a um período de erosão ou não deposição. No leste de Ohio, o Grupo Hamilton também se encontra desconfortavelmente abaixo do Membro de Xisto Rhinestreet da Formação West Falls , outra língua de xisto negra transgressiva com características semelhantes às do Marcelo.

Unidades subjacentes

O xisto Marcellus é normalmente encontrado depositado no calcário da Formação Onondaga  (Don), que se estende até o final do período Devoniano Inferior . O contato entre eles pode ser acentuado, gradativo ou erosivo. No sudoeste de Ontário, Canadá, ao norte do Lago Erie , o Marcellus se sobrepõe à Formação Dundee, um equivalente lateral do Onondaga. Na Pensilvânia, o Marcellus forma um contato agudo e conformável com o membro da pedra calcária Selinsgrove do Onondaga. Um fino leito de pirita-carbonato também é encontrado na base do xisto negro Marcellus nas exposições do centro-sul da Pensilvânia, acima de um fino leito de xisto verde calcário, que fica sobre o calcário Onondaga.

No leste de Nova York, o contato entre Marcellus e Onondaga (quando presente) é gradativo. No oeste de Nova York, o membro da Union Springs de Marcellus se sobrepõe de forma conformada ao membro Seneca do calcário Onondaga, ou o membro estratigraficamente mais alto do calcário Cherry Valley pode repousar direta e inconformadamente sobre o Onondaga na ausência do xisto de Union Springs. O desaparecimento local de unidades do Onondaga sugere que seu contato superior com o Marcelo pode ser erosivo. No condado de Erie, no oeste de Nova York, tanto o contato superior quanto o inferior do Marcellus foram erodidos.

No leste da Virgínia Ocidental, o Marcellus recobre o Grupo Onesquethaw, consistindo do xisto Needmore Shale cinza escuro ou verde, calcítico, principalmente não-fóssil, que se inclina para o oeste em Huntersville Chert. Ao sul e oeste, o Grupo Hamilton gradua-se lateralmente na formação Millboro Shale no sul da Virgínia Ocidental e na Virgínia, que se inclina na parte inferior do Chattanooga Shale do Tennessee .

O Milboro é gradacional com o xisto da Formação Needmore subjacente. Ao sul da linha Mason-Dixon , devido à dificuldade em diferenciar os folhelhos Millboro e Needmore com as exposições limitadas disponíveis, e a incerteza inicial em correlação com o levantamento de Nova York, eles foram mapeados como a Formação Romney, uma unidade contendo todos os Estratos Devonianos, nomeados em homenagem a uma exposição em Romney, West Virginia . As correlações foram estabelecidas em 1916 através do rastreamento das exposições de Nova York na Pensilvânia e Maryland até a Virgínia Ocidental, portanto, sob o princípio da prioridade científica , a classificação de Romney está obsoleta; mas seu Marcellus e os membros de folhelho Needmore subjacentes ainda são encontrados agrupados em uma unidade de mapa indiferenciada (Dmn).

Seção transversal geológica de estratos devonianos superiores a médios de Cherry Valley , Nova York a sudoeste através do Planalto Allegheny e, em seguida, ao longo dos Apalaches de Ridge-and-Valley até Tennessee . Observe os graus de Marcellus até os xistos pretos Milboro e Chattanooga.

Canteiros de cinzas Tioga

Metabentonita de Tioga ou K- bentonita - unidade estratigráfica com cerca de 0,6 m (2 pés) de espessura que consiste em várias quedas de cinzas vulcânicas relativamente finas e discretas - também está incluída na base do Marcellus no leste da Pensilvânia. Em 1843, ele foi descrito sem ser nomeado por Hall, e mais de 100 anos se passaram antes que fosse finalmente nomeado para o campo de gás natural no condado de Tioga, Pensilvânia , onde foi encontrado durante a perfuração de poços de gás . É um marcador estratigráfico regional, usado por geólogos para identificar o Marcelo e correlacionar estratos lateralmente equivalentes. A dificuldade em identificar corretamente as mais de 80 quedas de cinzas diferentes durante o período Devoniano, coletadas em 15 ou mais leitos, também levou a muitas correlações incorretas.

Da Virgínia a Nova York, o Tioga é amplamente distribuído, percorrendo as partes central e norte da bacia dos Apalaches, em uma extensão de área superior a 265.000 km 2 (102.000 sq mi). Erupções explosivas associadas à orogenia Acadian, originadas perto da atual região central da Virgínia, liberaram as cinzas na atmosfera. Foi dispersado pelas bacias dos Apalaches , Michigan e Illinois pelos ventos alísios do sul , porque esta área estava no hemisfério sul durante o período Devoniano. A origem vulcânica das cinzas é evidenciada por sua mineralogia distinta - a cinza foi depositada diretamente sobre a água, então seus grãos angulares de quartzo diferem dos sedimentos clásticos arredondados pelo processo de erosão que os leva para o mar. À medida que as cinzas vulcânicas assentavam no fundo, eram misturadas com esses componentes terrígenos, produzindo uma litologia distinta na rocha sedimentar.

Exposição Marcellus ao longo da Interestadual 80 no leste da Pensilvânia, onde a formação é mais espessa.

O Tioga pode aparecer na formação como um leito cinza, marrom, preto ou verde-oliva, ou divisão, consistindo de tufo de cristal grosso ou xisto tuffáceo, finamente laminado, com flocos de mica do tamanho de areia. A zona do leito de cinzas de Tioga consiste em oito leitos de cinzas rotulados de acordo com sua ordem estratigráfica de A (mais antigo) a H (mais novo), e outro leito conhecido como zona grossa média de Tioga. Seus leitos basais são encontrados dentro dos leitos mais altos do Onondaga Limestone ou Needmore Shale, e o leito superior de cinzas na parte mais baixa do Marcellus ou Millboro Shale. No oeste do estado de Nova York, o Tioga Ash Bed B marca a fronteira entre Moorehouse e Seneca Membros da Formação Onondaga, mas na parte central do estado, e na parte sul da bacia, os bancos de cinzas estão na verdade no Marcellus . Isso indica que a deposição do Marcelo ali começou mais cedo, já que os leitos de cinzas representam uma única época no tempo geológico.

Espessura

A espessura máxima do Marcellus varia de 270 m (890 pés) em Nova Jersey a 12 m (40 pés) no Canadá. Na Virgínia Ocidental, o xisto de Marcellus tem até 60 m (200 pés) de espessura. No extremo leste da Pensilvânia, tem 240 m (790 pés) de espessura, diminuindo para oeste, tornando-se apenas 15 m (49 pés) de espessura ao longo do Rio Ohio e apenas alguns pés no Condado de Licking, Ohio . O desbaste, ou convergência estratigráfica , de leste para oeste é causado pela diminuição do tamanho do grão nos depósitos clásticos , que entraram na bacia pelo leste. As camadas finalmente "comprimem" para o oeste porque a deposição foi limitada pelo Arco de Cincinnati , a protuberância que formava a costa oeste da bacia. Onde a formação é relativamente espessa, ela é dividida em vários membros, e como a formação continua a engrossar para o leste, esses membros são divididos ainda mais. Alguns trabalhadores optaram por classificar o Marcelo como um subgrupo e alguns dos membros como formações separadas.

Membros da Formação Marcellus do Ocidente ao Oriente em Nova York
Búfalo  Rochester   Siracusa  Utica Albany

Xisto de Oatka Creek

Cardiff
cinza escuro
xisto

Xisto Pecksport (Mt. Marion Fm.)
Xisto e arenito de Solsville
Xisto de Bridgewater Otsego
Xisto preto chittenango Berna
Pedra calcária Cherry Valley Xisto
e calcário Stony Hollow
(Seneca Mb.)
(Onondaga Fm.)
Xisto e calcário Union Springs
(Onondaga Fm.) Xisto e calcário Union Springs
Tabela mostrando a correlação aproximada entre
membros nomeados da Formação Marcellus de oeste a leste no centro do estado de Nova York.

Membros nomeados

Um membro local de calcário Purcell, de 15 a 30 m (49 a 98 pés) de xisto calcítico e calcário intercalados, divide o Marcellus no leste da Pensilvânia. O Purcell é estratigraficamente equivalente ao membro do Cherry Valley Limestone em Nova York, um packstone bioclástico , consistindo de calcários esqueléticos, com intervalos de xisto entre sua camada inferior de calcário maciço, calcário nodular espesso / marlstone e camada superior de calcário. Outros membros nomeados incluem o xisto Bakoven, o xisto Cardiff, o xisto Chittenango, o arenito Solsville, o xisto e calcário Union Springs e o xisto e calcário Stony Hollow. Union Springs, Cherry Valley e Oatka Creek se fundem sob o Lago Erie, formando Bell Shale, Rockport Quarry Limestone e Arkona Shale de Ontário.

O Union Springs é um xisto rico em orgânicos, piritífero, com camadas finas, cinza-escuro a preto com camadas concrecionárias de argilito e faixas de silte finas na parte inferior. A leste, torna-se o Membro Bakoven, um xisto mais escuro e menos orgânico com menos camadas de calcário. A oeste, os leitos de Union Springs são estreitos, com seus calcários superiores se fundindo com o calcário sobreposto Cherry Valley Member. Uma discordância regional aparece no oeste de Nova York, à medida que as lentes Union Springs entram e saem, e então reaparece no noroeste da Pensilvânia e no nordeste de Ohio, entre Onondaga e Cherry Valley.

No oeste e no centro de Nova York, o membro superior é o xisto de Oatka Creek rico em orgânicos, de cinza escuro a preto. Ao contrário dos outros xistos Devonianos nesta região, o xisto cinza no topo do Oatka Creek engrossa gradualmente para o oeste, bem como para o leste, onde se divide no membro Cardiff situado acima do membro Chittenango no centro de Nova York. Os xistos pretos fuliginosos, ricos em produtos orgânicos, constituem o Membro Chittenango. Na base do Chittenango, acima do xisto Bierne Member, encontra-se o Halihan Hill Bed, um calcário bioclástico altamente bioturbado .

Mais a leste, o Cardiff homogêneo se divide em membros de xisto Bridgewater, Solsville e Pecksport, da base ao topo. O Bridgewater é um xisto sedoso escuro físsil com fósseis relativamente raros. Uma fina zona concrecionária encontra-se acima, então o Solsville gradua de um xisto calcário cinza a siltitos arenosos e arenitos finos no topo, com o xisto cinza do xisto Pecksport e siltsone cobrindo-o.

No centro-sul da Pensilvânia, o Marcellus é mapeado com três membros, do topo à base: The Mahanoy Member (Dmm), um xisto siltoso cinza escuro a preto acinzentado e siltito; o Turkey Ridge Member (Dmt), um arenito de granulação fina a médio verde oliva a cinza escuro; e o Membro Shamokin (Dms), um xisto carbonáceo fissil cinza escuro a preto acinzentado que é calcário em lugares próximos à base. O Turkey Ridge é comumente mapeado na Formação Mahantango, ou incluído na Formação Montebello (Dmot), e apenas o Shamokin se correlaciona com o Marcellus nas folhas de mapa adjacentes. No extremo leste da Pensilvânia, o membro Broadhead Creek, um xisto siltoso cinza escuro com concreções de calcário sombreado cinza escuro, aparece acima de Stony Hollow e Union Springs, em uma camada de até 275 m (902 pés) de espessura.

Ilustração de um fóssil de Cefalópode ( Goniatites vanuxemi) da Formação Marcelo.

Fósseis

Existem inclusões relativamente esparsas de fauna marinha fossilizada encontradas no Marcelo, mas esses fósseis ainda são importantes para a paleontologia. Por exemplo, o Marcellus contém a coleção diversificada mais antiga conhecida de moluscos de casca fina ainda com microestrutura de casca bem preservada. É também onde os goniatitas , um nadador de concha extinto semelhante a uma lula, fazem sua primeira aparição no registro fóssil. A vida na terra também entra no registro fóssil no Marcelo, com os troncos de coníferas sem galhos que flutuaram para o mar para serem preservados no xisto negro.

Os fósseis de Marcellus incluem espécimes do grande braquiópode Spinocyrtia. Moldes externos de crinóides , animais parecidos com plantas aparentados com estrelas do mar, também conhecidos como "lírios do mar", são encontrados na formação, com os moldes parcialmente preenchidos com limonita ; moldes de braquiópode e bivalves (moluscos) também foram encontrados no xisto. Pequenos tentaculitídeos cônicos são comumente encontrados no Membro Chittenango. O leito da Colina Halihan contém estiliolinídeos e macrofauna, incluindo braquiópodes, briozoários semelhantes a corais , pequenos bivalves e gastrópodes (caracóis), incorporados após a renovação da fauna quando a fauna Emsian e Eifelian Schoharie / Onondaga foram substituídas pela fauna Givetian Hamilton.

O membro de Solsville contém bivalves, gastrópodes e braquiópodes bem preservados. Esses moluscos viviam na zona bentônica no fundo da margem marinha para abrir ambientes marinhos que existiam a oeste do antigo Delta de Catskill . O registro fóssil neste membro mostra que a base era dominada por alimentadores de depósito , enquanto as camadas superiores eram dominadas por alimentadores de filtro . Isso pode ser correlacionado à litologia: os sedimentos mais finos dos folhelhos na base desse membro conteriam matéria orgânica aderente abundante para os alimentadores do depósito, mas tenderiam a sujar as guelras dos alimentadores do filtro quando suspensos; os sedimentos mais grossos dos arenitos no topo teriam contido menos matéria orgânica para sustentar os alimentadores de depósito. Abaixo do Solsville, na base do Otsego, no leste de Nova York, um leito de coral é encontrado; outro leito de coral pode ser visto no topo do Marcellus perto de Berne, Nova York .

Uma fauna diversificada de conodontes semelhante à enguia ocorre no calcário do Membro do Vale das Cerejas, que também é conhecido por sua rica fauna de cefalópodes nautilóides e goniatitas . Originalmente chamado de calcário goniatita , ele produz seus restos fossilizados com conchas que podem ser maiores que 0,3 m (1 pé) de diâmetro. Ele também contém o "Cemitério dos Cefalópodes" no Vale Schoharie, no leste de Nova York, um acúmulo incomum de conchas retas e enroladas abundantes de vários tipos de grandes cefalópodes adultos. Este leito não possui fósseis juvenis, indicando que se seu comportamento era semelhante ao da lula moderna, esta pode ter sido uma área onde esses cefalópodes devonianos se reproduziram e morreram. Este intervalo estratigráfico também fornece um excelente exemplo de epíbolas de incursão , que são aparições e desaparecimentos repentinos de taxa fóssil em seções relativamente delgadas da unidade rochosa. No Vale da Cereja, os táxons não voltam a ocorrer; em vez disso, cada camada de calcário concrecionário delgado contém diferentes espécies de goniatitas. Cherry Valley e Union Springs também contêm anarcestida bem preservada .

Era

Na escala de tempo geológico , o Marcellus ocorre no Devoniano Médio época, do Devoniano período , no Paleozóico era , do Phanerozoic eon . A datação radiométrica de uma amostra de Marcellus da Pensilvânia colocou sua idade em 384 milhões de anos, e uma amostra da bentonita no topo do Onondaga em 390 ± 0,5 milhões de anos.

A datação de idade relativa de Marcelo situa sua formação na subdivisão Cazenóvia do estágio faunístico de Givetian , ou 391,9 a 383,7 milhões de anos atrás ( Ma ). O membro da Union Springs, na base do Marcellus em Nova York, foi datado do final do Eifelian , a etapa que imediatamente precedeu o Givetian. Anóxicas xistos escuras no ponto de formação do Evento Kačák , um tardio Eifeliano - fase marinho evento anóxica também associada com um evento de extinção . Em 2012, Read e Erikson também descreveram a formação como Eifelian.

Nomenclatura estratigráfica generalizada para os estratos do Devoniano Médio na Bacia dos Apalaches .

Interpretação do ambiente deposicional

Embora o xisto negro seja a litologia dominante , ele também contém xistos mais claros e camadas de calcário intercaladas devido à variação do nível do mar durante sua deposição há quase 400  milhões de anos . O xisto negro foi depositado em águas relativamente profundas, desprovidas de oxigênio , e é apenas esparsamente fossilífero . A maioria dos fósseis está contida nos membros do calcário, e o registro fóssil nessas camadas fornece importantes insights paleontológicos sobre a renovação da fauna .

No início da orogenia Acadian , à medida que as Montanhas Acadian estavam se erguendo, os xistos pretos e cinzas do Grupo Hamilton começaram a se acumular à medida que a erosão das montanhas depositava sedimentos terrígenos da terra para o mar. O xisto de Marcellus foi formado a partir dos primeiros depósitos em um vale relativamente profundo, sem sedimentos e sem oxigênio ( anóxico ), que se formou paralelamente à cadeia de montanhas. Esses fragmentos clásticos de rocha foram carregados em riachos entrelaçados para o antigo delta de Catskill , um delta de rio provavelmente semelhante ao atual delta do Níger na África.

Partículas menores permaneceram suspensas por mais tempo neste mar epeírico , fluindo ao largo da costa como turbiditos em uma lenta mas persistente avalanche subaquática. Eles finalmente pararam na parte inferior da proa Acadiana na Bacia dos Apalaches , a centenas de metros da costa, em profundidades que podem ter sido de 150 m (490 pés) ou mais abaixo da superfície. Alternativamente, a bacia pode ter sido tão rasa quanto 50 m (160 pés) ou menos, se a água quente for suficientemente estratificada para que a água de superfície rica em oxigênio não se misture com a água anóxica do fundo. A deposição de Marcellus produziu um xisto negro transgressivo , porque foi depositado em condições de aprofundamento quando o fundo da bacia desmoronou com o aumento das montanhas.

Seção transversal geológica generalizada de magnafacies Catskill Delta no oeste da Pensilvânia e leste de Ohio . Depósitos clásticos entraram na Bacia dos Apalaches pelo leste, onde a rocha sedimentar resultante é mais espessa.

Os escuro xisto fácies do Marcelo foram formados a partir de flysch , uma lama fina depositada em águas profundas; o mar profundo que depositou o Marcelo cortou o suprimento de carbonatos que formam o calcário e os sedimentos flysch de granulação fina enterraram os leitos de calcário Onondaga . A matéria orgânica, provavelmente dominada pelo plâncton , também se depositou no fundo, mas o processo normal de decomposição aeróbia foi inibido no ambiente anaeróbio , preservando assim o carbono orgânico. O urânio também foi incorporado nessas lamas orgânicas sindeposicionalmente, o que significa que foi depositado ao mesmo tempo, em vez de ser introduzido na formação posteriormente. A matéria orgânica eliminou oligoelementos da água do mar, incluindo os elementos sensíveis a redox , urânio, rênio , molibdênio , ósmio , cromo e selênio .

O Marcellus foi depositado durante o desenvolvimento das plantas terrestres , quando o oxigênio atmosférico foi aumentando, resultando na redução do dióxido de carbono na atmosfera e da água do mar onde foi depositado. Os membros nomeados do Marcellus refletem duas sequências deposicionais compostas, com um ciclo ascendente de engrossamento geral que continua na base da Formação Mahantango sobreposta. O entrelaçamento de xisto mais leve e membros de calcário é atribuído a oscilações de relativamente curto prazo na profundidade da bacia. Posteriormente, as sequências deposicionais em águas profundas formaram a Formação Brallier e a Formação Harrell .

Recursos economicos

Gás natural

O xisto contém reservas de gás natural em grande parte inexploradas e sua proximidade com os mercados de alta demanda ao longo da costa leste dos Estados Unidos o torna um alvo atraente para o desenvolvimento e exportação de energia .

Produção de poços de gás no jogo de gás de xisto de Marcellus

A tendência do gás natural Marcellus, que abrange 104.000 milhas quadradas e se estende pela Pensilvânia e West Virginia, e no sudeste de Ohio e no interior do estado de Nova York, é a maior fonte de gás natural nos Estados Unidos, e a produção ainda estava crescendo rapidamente em 2013. Marcellus é um exemplo de gás de xisto , gás natural preso em xisto de baixa permeabilidade e requer o método de completação de poço de fraturamento hidráulico para permitir que o gás flua para o poço. O aumento da atividade de perfuração no xisto de Marcellus desde 2008 gerou benefícios econômicos e preocupações ambientais - e, portanto, uma controvérsia considerável.

Ferro

Os xistos negros também contêm minério de ferro, que foi usado no início do desenvolvimento econômico da região, e urânio e pirita, que são riscos ambientais. Na base do Marcelo, no leito de pirita - carbonato entre o xisto negro carbonáceo e um leito de xisto calcário verde, pirita, carbonato e água subterrânea reagiram para formar óxido de ferro gossano e gesso . Na medida em que a água subterrânea necessária para a conversão pudesse penetrar, o carbonato de pirita foi convertido em um minério de ferro hematita marrom utilizável ao longo dos afloramentos e próximo à superfície rochosa. O minério de ferro Marcellus foi explorado ativamente no centro-sul da Pensilvânia desde sua descoberta no final do século 18, até que foi suplantado pelas ricas camadas de minério da Cordilheira do Ferro de Minnesota no início do século 20. O minério foi facilmente localizado e trabalhado em poços e poços rasos, mas uma vez que os depósitos superiores utilizáveis ​​foram removidos, ou se um poço de mina entrou no leito muito abaixo da superfície, apenas depósitos piríticos não convertidos inutilizáveis ​​foram encontrados.

O minério de hematita foi convertido em ferro-gusa em altos-fornos de pedra a carvão que foram construídos em toda a região do Rio Juniata , perto dos depósitos de minério trabalháveis ​​de Marcelo e outras formações. Os produtos de ferro dessa área, conhecidos como "Juniata Iron", foram produzidos durante o período entre a Revolução Americana e a Guerra Civil Americana . Esses altos-fornos eram importantes para a economia da região na época, mas os altos- fornos de pedra fria normalmente empregados eram ineficientes e consumiam quantidades significativas de madeira das florestas de madeira de lei próximas, o que acabou levando ao seu desaparecimento. Um forno típico usava 2.400 kg (5.300 lb) de minério de hematita e 7,3 m 3 (200 imp bu) de carvão para produzir 910 kg (2.010 lb) de ferro-gusa e poderia produzir vários milhares de libras por dia, o que exigia mais de 4.000 m 2 (1 acre) de floresta diariamente.

O minério do Marcelo variava em espessura, tornando-se inutilmente fino e até mesmo desaparecendo totalmente nos lugares entre as camadas utilizáveis. A qualidade do minério também variava e nem sempre era lucrativo fundi-lo , pois vários fornos construídos perto das minas de ferro em Marcelo foram abandonados antes que os recursos de minério e madeira usados ​​para alimentá-los se tornassem escassos.

O minério encontrado intercalado no xisto de ardósia preta continha uma proporção relativamente alta de carbono que foi queimado na fornalha, e enxofre , que produziu um ferro utilizável, mas " vermelho-curto ". O ferro vermelho-curto tem as propriedades indesejáveis ​​de oxidar mais facilmente e uma tendência a rachar, especialmente quando aquecido a um estado incandescente. Em alguns locais da Pensilvânia, a qualidade do minério era muito boa, com veios relativamente profundos contendo 45% de ferro e muito baixo teor de enxofre. Na Virgínia, o minério de Marcellus ocasionalmente continha zinco , que produzia uma chama verde característica na fornalha à medida que era consumido, mas depositava uma massa dura de óxido de zinco impuro conhecido como cádmia , que se acumulava com o tempo próximo ao topo da chaminé, e teve que ser removido periodicamente para mantê-lo desobstruído.

Pigmentos de ferro

A drenagem que reagiu com as inclusões de pirita também depositou uma forma de ferro do brejo próximo a vários afloramentos do Marcelo. No século 19, o minério de ferro desses depósitos era usado como pigmento de tinta mineral. Depois de ser aquecido em um forno e finamente moído, era misturado com óleo de linhaça e usado para pintar madeira externa em celeiros, pontes cobertas e vagões de trem. Além do ferro do pântano, em vários locais inclinados no leste da Pensilvânia, hematita marrom foi encontrada no leito de rocha de Marcellus enterrado sob o solo. Esses depósitos também foram escavados e usados ​​para pintura mineral naquela época. Uma camada de minério de tinta hematita também é encontrada quase diretamente abaixo do Marcelo, mas na verdade é parte da Formação Oriskany subjacente.

Chalybeate

Acredita-se que as "águas ferruginosas" ricas em ferro que emanam das nascentes de chalybeate perto da base do Marcellus em Bedford, Pensilvânia, tenham poderes de cura pelos nativos americanos. O Bedford Springs Hotel era um spa mineral construído em 1802 em torno de uma série de fontes minerais, incluindo uma delas, sua "fonte de ferro". O Chalybeate Springs Hotel, construído nas proximidades em 1851 em torno de três outras fontes minerais, incluindo outra fonte chalybeate, tornou-se um "resort para inválidos". As águas ricas em ferro foram prescritas para anemia e complicações relacionadas. Ambas as fontes minerais contêm ferro na forma de carbonato de ferro dissolvido , o que dá a essas águas um "sabor levemente escuro".

Outros usos

O Marcellus também tem sido usado localmente para agregado de xisto e preenchimento comum , embora os folhelhos piríticos não sejam adequados para este propósito devido à drenagem ácida de rocha e expansão volumétrica. No século 19, esse xisto era usado para passarelas e estradas e era considerado " metal de estrada " superior porque os fragmentos de granulação fina compactados firmemente, embora drenassem bem depois de uma chuva.

Os xistos de ardósia escura podem ter a clivagem e a dureza necessárias para serem trabalhados e foram extraídos para a construção de ardósia de baixo grau no leste da Pensilvânia durante o século XIX. As ardósias do Marcellus eram inferiores às ardósias da Formação Martinsburg extraídas mais ao sul, e a maioria das pedreiras foi abandonada, com a última operação significativa no condado de Lancaster. A ardósia preta Marcellus também foi extraída no condado de Monroe, na Pensilvânia, para lousas escolares usadas por alunos em escolas rurais do século XIX.

Os xistos carbonáceos, como o Marcellus, são um possível alvo para captura e armazenamento de carbono para mitigação do aquecimento global . Como o carbono adsorve dióxido de carbono  (CO 2 ) a uma taxa maior do que o metano  (CH 4 ), o dióxido de carbono injetado na formação para sequestro geológico também pode ser usado para recuperar gás natural adicional em um processo análogo à recuperação aprimorada de metano em leito de carvão , mas o valor prático desta técnica teórica ainda não é conhecido. Os cientistas acreditam que a adsorção permitiria o sequestro em profundidades mais rasas do que a absorção em formações salinas profundas, que devem estar pelo menos 800 m (2.600 pés) abaixo da superfície para manter o CO 2 líquido em um estado supercrítico .

Problemas de engenharia

Os xistos físseis também são facilmente erodidos , apresentando desafios adicionais de engenharia civil e ambiental .

Uma plataforma de perfuração horizontal para gás natural na formação Marcellus no leste do condado de Lycoming, Pensilvânia .

As exposições de cortes e aterros na construção de estradas na Virgínia e na Pensilvânia resultaram na drenagem de rocha ácida localizada devido à oxidação das inclusões de pirita. O xisto recém-exposto na face do corte sofre intemperismo rapidamente, permitindo que o ar e a água entrem na rocha não escavada, resultando em escoamento superficial ácido após eventos de precipitação. O escoamento ácido perturba os ecossistemas aquáticos , e o solo altamente ácido contaminado por esse escoamento não suportará a vegetação, o que é feio e pode levar a problemas de erosão do solo .

A decomposição natural do xisto em fragmentos menores pode afetar a estabilidade do talude , exigindo taludes mais rasos que exigem que mais material seja perturbado no trabalho de corte e aterro, exacerbando o problema de drenagem ácida de rocha. O material cortado não pode ser usado como preenchimento sob estradas e estruturas devido à expansão volumétrica, agravando o problema. Os leitos de cinzas de Tioga contêm argila de bentonita que também apresenta risco de deslizamento de terra na rocha não escavada.

Danos às estruturas construídas em aterro consistindo de folhelho pirítico de Marcellus foram causados ​​pela expansão do escoamento do ácido sulfúrico  (H 2 SO 4 ) reagindo com a calcita  (CaCO 3 ) no xisto para produzir gesso  (CaSO 4 ), que tem o dobro do molar volume . Outros minerais de sulfato que podem ser produzidos por reações com pirita incluem anidrita , melanterita , rozenita , jarosita e alunita . As reações geraram uma pressão elevada da ordem de 500 kPa (10.000 libras por pé quadrado), mas podem ser capazes de gerar quatro vezes essa pressão o suficiente para elevar as fundações em um edifício de 5 andares. O calcário , que é usado para neutralizar a drenagem ácida, pode realmente exacerbar o problema de expansão ao promover reações sulfato-sulfato que formam os minerais taumasita e etringita , que têm volumes molares ainda maiores.

A perfuração de poços através dos folhelhos do Grupo Hamilton na subsuperfície pode ser problemática. O Marcellus tem uma densidade relativamente baixa e esses folhelhos podem não ser quimicamente compatíveis com alguns fluidos de perfuração . O xisto é relativamente frágil e pode fraturar sob pressão, causando um problema na circulação do fluido de perfuração de volta através do poço conhecido como circulação perdida. A formação também pode ser subpressurizada, complicando ainda mais o processo de perfuração.

Veja também

Referências

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