TEMA 7: METAMORFISMO Y ROCAS METAMÓRFICAS
OBJETIVOS 1. Conocer la definición de metamorfismo.
2. Poder explicar en que condiciones ocurre el metamorfismo. Factores que lo favorecen. 3. Conocer la composición química y mineralógica de las rocas metamórficas más comunes. 4. Conocer y poder explicar algunos criterios químicos que permitan establecer el tipo de roca o
material precursor de una roca metamórfica dada (casos sencillos).
5. Saber la importancia que tiene la presencia de una sustancia volátil en una reacción metamórfica desde el punto de vista de la termodinámica.
6. Saber como se divide el campo del metamorfismo y cuales son los factores que determinan cada una de dichas divisiones.
7. Para sistemas metamórficos sencillos, poder establecer el tipo de metamorfismo que ha ocurrido a partir de datos termodinámicos.
8. Conocer la definición de metasomatismo. Tener idea del origen de las soluciones que causan el metasomatismo.
METAMORFISMO Y ROCAS METAMÓRFICAS
PROTOLITO METAMORFISMO PRODUCTO
Rocas: Ígneas, Sedimentarias Rocas Metamórficas
Proceso de metamorfismo
El metamorfismo ocurre en el interior de la corteza, es el conjunto de reacciones (en estado sólido) que afectan a una roca ígnea o sedimentaria, sometida a nuevas condiciones de presión, temperatura y actividad química diferentes a las prevalecieron durante el proceso que las originó.
Rocas metamórficas:
Las rocas metamórficas son el resultado de la recristalización parcial o total (manteniendo el estado sólido) de los minerales en las rocas preexistentes, por efecto de la temperatura, la presión y actividad química. Como resultado del metamorfismo se originan nuevos minerales, algunos permanecen sin cambio y pueden generarse en muchos casos nuevas texturas que son características de las rocas metamórficas.
Composición: Por lo general, se acepta que el metamorfismo es un proceso isoquímico, no hay introducción de componentes en el sistema (externos a la roca) y se produce solo por cambios de presión y temperatura. La composición química de la nueva roca que resulta del metamorfismo es aproximadamente igual a la del sustrato original.
En determinadas situaciones, las reacciones en el ambiente de metamorfismo van acompañadas por la introducción de componentes extraños a la roca debido a la acción de fluidos calientes que contienen otras especies químicas. Como resultado la nueva roca formada tiene una composición química diferente a la roca original, en este caso el proceso recibe el nombre de METASOMATISMO.
Los factores del metamorfismo.
En el metamorfismo se produce el cambio en una o varias de las condiciones de origen de las rocas, presión, temperatura, actividad química de fluidos y fuerzas deformantes. Durante el metamorfismo las rocas están sujetas al efecto de estos cuatro parámetros, sin embargo, el grado de metamorfismo y la contribución de cada uno de estos parámetros varían de un ambiente a otro.
1.- Presión: La presión aumenta de forma gradual con la profundidad, debido al peso de la columna de rocas que se sitúa en la parte superior (presión litostática o presión de confinamiento). El enterramiento y los movimientos tectónicos (colisión continental, zonas de subducción) pueden hacer variar la presión a la que está sometida una roca. También es importante considerar la Presión de poros que ejercen los fluidos contenidos en los poros de los sedimentos o de las rocas que se están compactando. Se refiere a presión local por salida de fluidos. Tanto la presión litostática como la de poros son producto de fuerzas no direccionales.
Consecuencias del aumento de la presión:
Al aumentar la presión, los minerales presentes en las rocas están sujetos a esfuerzos que tienden a comprimirlos, como consecuencia ocurre la recristalización en estructuras atómicas más compactas o más empacadas y de mayor densidad en comparación al mineral original. Por efecto de la presión los minerales de las rocas son comprimidos, lo que origina esfuerzos diferenciales en los bordes de los granos, como consecuencia ocurre fusión localizada en las áreas donde los esfuerzos son mayores y reprecipitación en las zonas de menor esfuerzo. La mayor evidencia del efecto de la presión durante el metamorfismo son los minerales orientados perpendiculares a la dirección de la fuerza direccional actuante
2.- Temperatura: La temperatura aumenta con la profundidad debido al gradiente geotérmico (30 ºC/km), pero puede verse afectada por otros procesos, como la existencia zonas del manto más calientes (zonas de dorsal, puntos calientes), ascenso de magmas, proximidad de intrusiones ígneas y fricción tectónica. La temperatura provee la energía para las reacciones químicas, es el principal agente del metamorfismo. El incremento de la temperatura conduce a las rocas a un comportamiento viscoplásticos que produce cambios en la textura de las rocas, lo que lleva a que puedan ser deformadas bajo la acción de esfuerzos dirigidos.
Consecuencias del aumento de la temperatura:
El aumento de la temperatura provee mayor energía de activación para la recristalización de los minerales. También produce mayor difusión de los iones y esto aumenta la eficiencia de las transformaciones metamórficas. Los minerales que contienen componentes volátiles (H2O, CO2) son menos estables y se produce la pérdida de estos componentes, por lo que los minerales recristalizados pueden ser menos ricos en volátiles dependiendo de la intensidad del metamorfismo.
Extensión
Budines
Compresión
Pliegues
Cizalla
Fracturas
4.- Actividad Química de Fluidos
Cuando ocurre adición o sustracción de material el proceso es METASOMATISMO
Durante el metasomatismo, a diferencia del metamorfismo que es Isoquímico, ocurren cambios en la composición química, pero el volumen molar se mantiene. El Metasomatismo es ISOVOLUMÉTRICO. Esto en general ocurre asociado a las últimas etapas de la consolidación magmática, donde se produce la emisión de fluidos con una composición rica en volátiles que pueden reaccionar con la roca caja. Este fenómeno también se produce por la circulación de aguas subterráneas que se calientan por la proximidad de un magma.
aguas meteóricas subterráneas que se calientan por la proximidad de un magma
aguas juveniles o magmáticas asociadas a la última etapa de la diferenciación magmática
El conocimiento de los intervalos de presión y temperatura en los que se producen las reacciones de transformación ha permitido establecer las facies metamórficas (conjunto de rocas metamórficas recristalizadas en un mismo intervalo de presión y temperatura).
Las facies metamórficas se pueden agrupar en:
Facies de alta presión: aumento de la presión manteniendo bajas temperaturas. Características de zonas de colisión continental reciente, o del prisma de acreción en las zonas de subducción. Facies de Esquistos azules y Eclogitas.
Facies de alta temperatura: aumento de la temperatura y manteniendo bajas presiones. Características de las zonas próximas a una intrusión plutónica (metamorfismo de contacto). Facies de Albita- epidoto, hornbléndicas-piroxénicas, y sanidínicas, según aumentamos la temperatura).
Facies intermedias: aumento simultáneo de presión y temperatura. Características del metamorfismo regional. Facies de Zeolitas, Esquistos verdes, Anfibolita, y Granulita.
1. Límite metamorfismo-diagénesis
2. Límite metamorfismo-magmatismo (curva del granito y curva del basalto) Magmas de diferente composición cristalizan.
3. Lado izquierdo de la curva de fusión del granito No ocurre fusión de la roca
4. Región entre la curva de fusión del granito y la del basalto región donde ocurre anatexis, que depende de la composición del material rocoso sometido a este proceso y a la presencia o ausencia de volátiles.
5. Campo del metamorfismo
6. Línea de la izquierda es el gradiente geotérmico mínimo de la corteza basado en una T = 300 °C a una profundidad de 30 Km.
Reacciones metamórficas.
Las reacciones en el metamorfismo cuando se producen por cambios en presión y temperatura, se pueden considerar como un sistema cerrado (los elementos que intervienen son componentes ya existentes en la roca). Estas reacciones quedan registradas en los minerales de las roca y nos indican las condiciones en que ha tenido lugar el metamorfismo.
Reacciones en estado sólido: Al desestabilizarse un mineral y reorganizarse su estructura, salen componentes que tienden a ingresar en minerales en formación por difusión en estado sólido.
Ejemplo: reacción por difusión sólida de plagioclasa e hipersteno para dar granate y horblenda.
Un ejemplo que nos marca el paso a un metamorfismo de alta presión es la transformación de la albita en jadeita y cuarzo:
NaAlSi3O8 Î NaAlSi2O6 + SiO2 Albita Jadeita Cuarzo
Un caso especial de reacciones en estado sólido son las transformaciones polimorfas en las que sólo se produce un cambio estructural en el mineral sin cambio de composición. El ejemplo típico es el triplete de minerales formado por la Andalucita, la Silimanita y la Cianita de composición los tres Al2SiO5.
La andalucita es la forma que cristaliza a alta temperatura y baja presión, la cianita a alta presión y baja temperatura, y la sillimanita a alta presión y temperatura.
Ciertas reacciones liberan el agua estructural contenida en algunos minerales, por ejemplo:
(Mg,Fe)5Al2Si3O10(OH)2 + KAlSi3O8 Î K(Fe,Mg)AlSi3O10(OH)2 + SiO2 + H2O
Clorita Ortosa Biotita Cuarzo
Reacciones con el agua intergranular: Son reacciones que tienen lugar entre los minerales y una fase fluida. Esta agua con iones disueltos va a acelerar ciertas reacciones (se producen más rápido que por difusión en estado sólido). Un ejemplo de estas reacciones son las de sustitución:
CaCO3 + SiO2 (disuelto en Agua) Î CaSiO3 + CO2 (disuelto en Agua) Calcita cuarzo wolastonita
AMBIENTE METAMÓRFICO.
Tipos de metamorfismo.
Metamorfismo Regional de Bajo Grado: Pizarras y Filitas
Desarrollo de foliación tipo pizarra y filita: Los minerales de arcilla pueden transformarse en pirofilita o clorita que crecen orientadas en planos perpendiculares a la dirección del esfuerzo. Se originan rocas metamórficas como pizarra y filita.
PIZARRA:Los cristales no pueden ser observados a simple vistan ni con la ayuda de una lupa. Corresponde a una roca de un grado de metamorfismo bajo, principalmente del metamorfismo de lutitas.
FILITA:Presenta una textura mas cristalina que las pizarras, se distingue por presentar un brillo satinado como resultado del crecimiento de cristales de micas por metamorfismo de arcillas. Los minerales no pueden observarse a simple vista pero si se observan con una lupa.
Ejemplo:
En pizarras y filitas
Al2Si2O5(OH)4 Î (calor) Al2Si4O10(OH)2 + Al2O3 + 3H2O (T~405ºC, P~680 Atm)
Pizarras
Filitas
Metamorfismo Regional de Grado Intermedio: Esquistos
Desarrollo de esquistosidad: En este ambiente se puede dar paso a otros minerales como micas, feldespatos y cuarzo, que se presentan orientados en planos y entremezclados. Se originan rocas metamórficas llamadas esquistos.
ESQUISTOS: Roca metamórfica en la cual la foliación es el resultado del arreglo paralelo de cristales de minerales planares tales como moscovita, biotita, clorita y talco. Minerales como los feldespatos son poco comunes. Los esquistos son clasificados sobre la base del mineral más abundante: esquistos cloríticos, esquistos moscovíticos, esquistos grafitosos, esquistos micáceos. Pueden ser el producto de metamorfismo de rocas como granitos, basaltos, areniscas y lutitas. Los minerales pueden observarse a simple vista.
Esquistos
Metamorfismo Regional de Grado Alto: gneises.
Desarrollo de bandeamiento: los minerales oscuros como biotita y anfíboles se segregan en bandas separadas de los minerales claros como cuarzo o feldespatos. En este ambiente se originan rocas metamórficas llamadas gneis.
GNEIS:Es una roca metamórfica en la cual el metamorfismo de como resultado rocas compuestas por bandas de minerales de diferente composición. Estas rocas son el resultado de un metamorfismo de alto grado y pueden ser originadas del metamorfismo de rocas como granitos, riolitas, rocas sedimentarias o rocas metamórficas de menor grado de metamorfismo. Los minerales pueden observarse a simple vista.
K2Al4(AlSi3O10)2(OH)4+ 4K+ Î 6KAlSi3O8 + 4H+ + 3SiO2
Moscovita Feldespato-K
K(Fe,Mg)AlSi3O10(OH)2 + 3SiO2 Î KAl3Si3O8 + 3(Mg,Fe)SiO3 + H2O
Gneis
Metamorfismo Local: Esencialmente existen dos tipos. De contacto, típico de alta temperatura y baja presión (en contacto con cuerpos ígneos) y cataclástico de alta presión y baja temperatura asociado a zonas de falla).
Metamorfismo de contacto (altas temperaturas y bajas presiones)
Los magmas emplazados en ambientes cercanos a la superficie causan metamorfismo de contacto dentro de la zona de metamorfismo regional. Como resultado, los núcleos de muchos cinturones de montañas consisten en cuerpos ígneos intrusivos rodeados de rocas metamórficas con alto grado de metamorfismo.
El metamorfismo de contacto da origen a rocas metamórficas llamadas contactitas. Entre las principales se encuentran el hornfels y las tactitas. La composición mineralógica de estas rocas depende de la composición de la roca caja y el magma que intrusiona, la presión juega un papel insignificante, por lo tanto las rocas carecen de foliación o bandeado.
Metamorfismo de contacto alrededor de una intrusión hipotética de granito. Las areniscas y lutitas se transformaron en hornfels de grano fino.
La caliza impura fue convertida en tactita (con la formación de nuevos minerales)
HORNFELS: Roca de cristales finos derivadas del metamorfismo de rocas sedimentarias como lutitas (minerales de arcilla). Producto de la recristalización o el resultado de reacciones químicas entre dos o mas minerales durante la cristalización. Producto del metamorfismo de contacto (altas temperaturas y bajas presiones). Formadas adyacentes a intrusiones ígneas en lutitas. Las reacciones metamórficas que ocurren para la formación del horfels son similares a las vistas para la formación de pizarras y filitas en el metamorfismo regional.
TACTITAS: Análogo al hornfels, pero desarrollado en calizas impuras que contienen minerales de arcilla y cuarzo. Los cristales son de mayor tamaño en comparación al hornfels. Producto del metamorfismo de contacto (alta temperatura y baja presión). Formadas adyacentes a intrusiones ígneas en calizas impuras.
Reacciones metamórficas para la formación de tactitas:
CaCO3 +SiO2 Î CaSiO3 + CO2 Calcita
MgCa(CO3)2 + 2SiO2 Î MgCa(SiO3)2 + CO2 Dolomita Diopsido
3MgCa(CO3)2 + SiO2 + H2O Î Mg3Si4O10(OH)2 + 3CO2 + 3CaCO3 Dolomita Talco
METAMORFISMO CATACLÁSTICO (altas presiones y bajas temperaturas, forma cataclasitas)
Ocurre en zonas cercanas a la superficie de la tierra, donde las rocas son sometidas a esfuerzos y la roca puede ser fracturada y cizallada, el material suelto que se origina se denomina BRECHA DE FALLA. La naturaleza de la roca original puede reconocerse por los fragmentos que no son destruidos.
A veces la deformación asociada con la zona de falla ocurre a grandes profundidades, en estas condiciones las rocas son deformadas por efecto del comportamiento dúctil del material rocoso, la roca formada es una MILONITA (puede ocurrir recristalización de minerales a muy pequeña escala, típico de espejo de falla).
La MILONITA es una roca de grano fino o textura vítrea resultado de la granulación extrema de rocas de grano grueso, con poca alteración química. Fragmentos de la roca original pueden estar presentes en la matriz de grano fino o vítrea.
Cataclasitas
A: Brecha de falla, formada a niveles poco profundos de la corteza.
B: Zona de Falla con milonita, formada a mayor profundidad
ROCAS METAMÓRFICAS NO FOLIADAS
ejemplo las areniscas (cuarzo) y las calizas (calcita, dolomita). Las principales rocas metamórficas no foliadas son: Metaconglomerado, Cuarcita y Mármol
META CONGLOMERADO:Roca producto del metamorfismo de conglomerados, los minerales se encuentran de forma alargada y aplanada, presentando cierta alineación como resultado de los esfuerzos, auque no se llega a desarrollar foliación.
CUARCITA: Roca metamórfica no foliada compuesta principalmente por cuarzo, la cuarcita pura es derivada de cuarzo-areniscas, pero algunas cuarcitas pueden contener hasta aproximadamente un 40% de otros minerales. Los espacios porosos en estas rocas pueden estar rellenos de cuarzo recristalizado. Dependiendo del grado de metamorfismo pueden observarse texturas reliquias del protolito sedimentario.
MÁRMOL: Roca metamórfica no foliada producto del metamorfismo de calizas. Presenta una estructura cristalina y generalmente los cristales pueden ser observados a simple vista. Dependiendo del grado de metamorfismo pueden presentar estructuras reliquias de la caliza original (protolito). Si el metamorfismo ocurre a temperaturas y presiones relativamente bajas se pueden observar texturas reliquias como fósiles. Con el aumento de la temperatura y la presión que lleva a un incremento en el grado de metamorfismo no se observan texturas reliquias de los carbonatos. Solo se observan cristales de calcita producto de la recristalización.
COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS ROCAS METAMÓRFICAS
Puede corresponder a la composición química de cualquier roca ígnea o sedimentaria. El metasomatismo puede producir una composición diferente.
A pesar de la dificultad que presenta la determinación del protolito, es posible determinar la naturaleza de la roca original a partir de la composición química, aunque la roca este completamente recristalizada y su estructura original este completamente destruida.
Algunos criterios químicos que pueden ser utilizados para establecer un origen sedimentario de la roca metamórfica:
1. Un exceso de Al, el cual puede aparecer como termino C, cuando la norma es calculada. Si C excede al 5%, se puede sospechar de un origen sedimentario, si C >10 el origen sedimentario es cierto.
2. Si K2O >> Na2O, combinado con MgO >> CaO, es una forma característica de sedimentos argiláceos, específicamente de los que contienen cantidades apreciables de ilita y montmorillonita.
3. Si SiO2 es alto (> 80%), o cuando es mayor del 50% en el termino Q de la norma, sugiere un origen de arenisca o chert.
4. La presencia de grafito, sugiere una roca sedimentaria.
Elementos traza en las rocas metamórficas
Los datos sobre elementos trazas en rocas metamórficas son limitados y las generalizaciones son pocas. Sobre la base de consideraciones teóricas se puede predecir el comportamiento del elemento traza de acuerdo a las reglas de Goldschmidt (camuflaje, admisión y captura):
COMPOSICIÓN MINERALÓGICA DE LAS ROCAS METAMÓRFICAS
La composición química es muy variable. La composición mineralógica no es muy compleja. Esto se debe a que las rocas metamórficas son formadas bajo un amplio intervalo de temperaturas y presiones. Aunque no ocurren cambios en la composición química, la composición mineralógica, estable bajo ciertas condiciones de T y P, pueden ser reemplazados por otro arreglo mineralógico al cambiar las condiciones de T y P. Lo poco complejo de la composición mineralógica es consecuencia de que muchos minerales son estables bajo un amplio intervalo de composición y condiciones de T y P.
Silicatos comunes en las rocas metamórficas:
Cuarzo SiO2
grosularia Ca3Al2(SiO4)3. Se forma por metamorfismo de contacto. También se
puede formar por metamorfismo regional. Andalusita/Silimanita/Cianita(*) Al2SiO5
Gránate Piropo(*) Mg3Al2(SiO4)3. Se forma en muchas rocas metamórficas de origen
pelítico (esquistos en sentido amplio, gneises). Dependiendo de la variedad composicional, puede ser producto de metamorfismo de distintos grados.
Gránate Almandino Fe3Al2(SiO4)3
Clorita Mg5Al(AlSi3O10)(OH)8. Grupo de minerales típicos metamóficos
Enstatita MgSiO3
Talco Mg3Si4O10(OH)2 Filosilicato característico de las rocas metamórficas.
Se forma por metamorfismo de silicatos de magnesio como el olivino, piroxeno o anfíbol.
Serpentina Mg3Si2O5(OH)4 Son productos de metasomatismo de silicatos
magnésicos, especialmente olivino, piroxenos y anfíboles.
Forsterita Mg2SiO4
Estaurolita (Fe, Mg, Zn)2Al9(Si, Al)4O22OH2. Típico de metamorfismo Regional.
Anortita CaAl2Si2O8 La anortita es rara en as roca metamórficas, el
aluminosilicato de Ca presente es el Epidoto.
Diópsido CaMgSi2O6
Tremolita Ca2Mg5Si8O22(OH)2. Se forma por metamorfismo a partir de
sedimentos ricos en dolomita y en cuarzo, es un indicador del grado del metamorfismo ya que a elevadas temperaturas se convierte en diópsido
Jadeita NaAlSi2O6. Asociada a la serpentina y a rocas alcalinas
metamórficas. Normalmente con pizarras en formas estratificadas y nodulares.
Glaucofana Na2 (Mg,Fe)3 Al2 Si8O22(OH)2. Metamorfismo de baja temperatura y
alta presión, facies de esquistos azules
Albita NaAlSi3O8 Presente bajo un amplio intervalo de condiciones del
metamorfismo.
Feldespato-K KAlSi3O8 Se presenta principalmente como microclino en lugar de
ortosa, debido a que las condiciones del metamorfismo favorecen la cristalización de la forma mas ordenada.
Moscovita KAl2(AlSi3O10)(OH)2
Wollastonita CaSiO3. Metamorfismo de contacto o metasomatismo de calizas
silíceas o cualquier otra roca calcárea.
Flogopita K(Mg,Fe,Mn)3Si3AlO10(F,OH)2). Típico de metamorfismo de contacto
