MASTER DE PROFESOR DE EDUCACIÓN SECUNDARIA OBLIGATORIA Y BACHILLERATO, FORMACIÓN PROFESIONAL Y ENSEÑANZAS DE IDIOMAS. Ángel Carmelo Prieto Colorado

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1 MASTER DE PROFESOR DE EDUCACIÓN SECUNDARIA OBLIGATORIA Y BACHILLERATO, FORMACIÓN PROFESIONAL Y ENSEÑANZAS DE IDIOMAS Ángel Carmelo Prieto Colorado Física de la Materia Condensada, Cristalografía y Mineralogía Facultad de Ciencias Universidad de Valladolid

2 Complementos de Geología Tema 4. Materiales y procesos geológicos Definición, estructura y propiedades de la materia cristalina Descriptiva y clasificación de mineral Texturas y clasificación de las rocas Magmatismo: rocas ígneas Sedimentación: rocas sedimentarias Metamorfismo: rocas metamórficas Clasificación e información que aportan los fósiles

3 Magmatismo: rocas ígneas

4 Las rocas igneas son producidas por solidificación de un material fundido o parcialmente fundido, denominado magma, -generalmente silicatado- que resulta de la fusión de rocas profundas en el manto o la corteza terrestres. Cuando estos líquidos silicatados se solidifican por enfriamiento, forman rocas ígneas. La composición del magma y la velocidad de enfriamiento determinan la naturaleza mineral y características texturales de las rocas ígneas. Entre estas características están la forma de los granos minerales y su tamaño. El color es esencialmente el resultado de la abundancia relativa de los distintos minerales que conforman estas rocas.

5 Dos grandes grupos: plutónicas y volcánicas. Los magmas generados en profundidad asciende hacia niveles superficiales como diapiros o siguiendo discontinuidades mecánicas de la litosfera como fracturas. Al ascender, el magma se enfría, aumentando su viscosidad y reduciendo por tanto su capacidad de fluir y ascender. Eventualmente, detiene su ascenso y se emplaza a una determinada profundidad, formando un pequeño cuerpo de magma (cámara magmática). Sucesivas recargas de magma profundo aumentan el tamaño de estas cámaras magmáticas.

6 El enfriamiento lento pero continuo de este magma permite la cristalización de distintos minerales que precipitan del líquido silicatado, formando cristales minerales en suspensión, lo que hace que aumente la viscosidad. Cuando se alcanza temperaturas en torno a 650ºC la mayor parte del líquido ha cristalizado, llegando incluso a cristalizar totalmente y forma una roca ígnea plutónica, a temperaturas inferiores a 600ºC. Como en este caso, el magma solidifica bajo la superficie de la Tierra, también se denominan rocas intrusivas. Si la intrusión es profunda (>3 km) se pueden denominar rocas intrusivas plutónicas. Si la intrusión es más somera (<2-3 km) se denominan rocas intrusivas subvolcánicas.

7 La naturaleza de las asociaciones de minerales que precipitan dependen de la composición del líquido magmático. Cuando éste es rico en Si, Al, Na y K y pobre en Fe, Mg y Ca, las asociaciones de minerales están dominadas por cuarzo, plagioclasa sódica y feldespato alcalino (+/-micas, anfibol, y minerales accesorios como ilmenita, circón etc), formándose rocas ígneas ácidas, de color claro (como el granito). Cuando el líquido es más pobre en Si, Al, Na y K y rico en Fe, Mg y Ca, las asociaciones minerales están dominadas por plagioclasa cálcica, clinopiroxeno, ortopiroxeno y olivino, dando lugar a rocas ígneas básicas de color oscuro (como el gabro).

8 Eventualmente, los cristales en suspensión pueden decantarse, s i l a v i s c o s i d a d d e l m ag m a e s relativamente baja y la densidad de los cristales re lat i vam e nt e alt a, fo r m a n d o ac um u lac i o n e s horizontales (bandas) que definen una "estratificación" de origen magmático. Estas acumulaciones forman complejos ígneos bandeados. Este proceso de decantamiento hace que el líquido se separe de los cristales, acumulándose en las partes superiores de las cámaras magmáticas, lo que a su vez permite el inicio del proceso de cristalización a partir de un líquido distinto del original.

9 Dado que según precipitan minerales, el líquido residual tiene una composición química distinta de la del líquido original (el originado en zonas profundas y emplazado en el cuerpo plutónico), las rocas que se forman por cristalización de estos líquidos residuales son distintas de las que se forman del líquido original. Esto supone que los procesos que ocurren en el magma en condiciones plutónicas dan lugar a distintas rocas, lo que se conoce como diferenciación magmática. Los procesos son muy variados, desde fraccionación gravitacional, mezcla de magmas, asimilación de rocas del entorno, etc.

10 A veces, los cristales adquieren un tamaño muy grande, formando las denominadas pegmatitas. Estas rocas se for man en los e s tad ios finale s de evo lución magmática profunda, cuando el líquido silicatado residual es escaso y está enriquecido en componentes volátiles (sobre todo H 2 O). Si este líquido se segrega, forma embolsamientos de magma relativamente frío e hidratado que, al cristalizar (temperaturas cercanas a 600 ºC), forma grandes cristales como resultado del efecto positivo que tiene el H 2 O sobre el movimiento (difusión) de los elementos y compuestos que se agregan para formar los minerales. Los minerales (cuarzo, feldespatos, micas, turmalina, etc) son muy vistosos, desarrollando hábitos cristalinos (euhedrales).

11 Al cristalizar los últimos restos de líquidos residuales a temperaturas cercanas a 600 ºC, queda un último residuo muy volátil y rico en H 2 O denominado fluido hidrotermal. Este fluido acuoso (aunque desde el punto de vista físico no es líquido -agua-, ni gaseoso -vapor de agua-, sino un fluido supercrítico que tiene propiedades físicas intermedias entre ambos y migra con facilidad, particularmente siguiendo fracturas en las rocas y forma rocas filonianas hidrotermales (filones de cuarzo) comúnmente mineralizadas con minerales de interés económico (yacimientos minerales de origen hidrotermal).

12 El magma generado en profundidad, o el magma almacenado o diferenciado en una cámara magmática plutónica, puede ascender hasta la superficie de la Tierra, ya sea porque es poco viscoso, porque es sometido a presión, o porque encuentra caminos apropiados (fracturas del terreno). Al salir al exterior, se forman coladas de lava que al solidificar en la superficie de la Tierra produce rocas extrusivas o volcánicas, como el basalto. El rápido enfriamiento de la lava condiciona el poco tiempo que los minerales tienen para cristalizar de la lava, por lo que los pocos granos minerales que pueden formase en estas condiciones serán de tamaño muy pequeno o fino.

13 El resto de la lava que no alcanza a cristalizar forma vidrio volcánico amorfo. Cuando las rocas volcánicas e s tán for madas exclu sivam ente por vi dr io se denominan obsidiana (similar al vidrio, aunque de modo general, no son rocas incoloras). Cuando se forman estas rocas volcánicas, se exsuelven los componentes volátiles diluidos en el líquido silicatado, formando características burbujas (vacuolas) que suelen estar vacías, como en la piedra pómez. En ocasiones, las vacuolas se rellenan por minerales secundarios formados por precipitación a partir de soluciones acuosas (generalmente hidrotermales) que fluyen a veces por entre estas rocas con posterioridad a la solidificación de la lava.

14 Rocas igneas dentro del ciclo de las rocas

15 Cámaras magmáticas

16 Volcanes y tipos de volcanes

17 Coladas de lava basáltica

18 Lavas cordadas y vidrio volcánico

19 Disyunción columnar en basaltos

20 Diques

21 Chimenea volcánica

22 Cuerpos plutónicos

23 Las Series de reacción de Bowen, permiten explicar la diversidad de rocas ígneas (diferenciación) por cristalización fraccionada de mezclas fundidas de silicatos. Postula dos secuencias de minerales, que consideraba como el orden normal de cristalización en el enfriamiento de un fundido. T Series de Bowen

24 También propone que si un mineral que normalmente se forma en etapas tempranas de cristalización, persiste en una etapa posterior, es porque se produce una reacción entre la porción todavía líquida del fundido y el cristal, y da lugar a un nuevo mineral como fase estable en las condiciones actuales. Las dos series de reacción que sugirió son, respectivamente, las denominadas discontinua y continua, las cuales son independientes entre sí, excepto a bajas temperaturas.

25 Clasificación Para clasificar una roca ígnea se utilizan diagramas ternarios en los que se representan los contenidos o abundancia de los minerales primarios y la abundancia de los elementos químicos. La abundancia (en volumen) de un mineral en una roca se denomina abundancia modal. La moda de una roca es, por tanto, la abundancia volumétrica de sus minerales constituyentes en tantos por cien del volumen (%vol).

26 Los minerales se clasifican en: Minerales primarios (o singenéticos, formados durante procesos magmáticos). Pirogenéticos: Formados directamente a partir del fundido magmático. Minerales de reacción: Se for man por las reacciones de los minerales pirogenéticos con el fundido residual. Minerales xenógenos: formados al asimilarse fragmentos de rocas encajantes en el magma. Minerales secundarios Postmagmáticos: Minerales formados en procesos hidrotermales, metasomáticos o metamórficos que afecten la roca.

27 Desde el punto de vista de su abundancia, los minerales se clasifican en: Minerales principales: Aquellos cuyo contenido es superior al 5% en la roca. Minerales de segundo orden: Son los accesorios mayores con contenidos entre el 2 y 5% en la roca. Minerales accesorios: Su contenido es inferior al 2% de la roca. Para clasificar una roca ígnea con base en su moda, se utilizan diagramas ternarios en los que se representan los contenidos de minerales primarios (no se utilizan los secundarios, formados después de la cristalización del magma).

28 Se utilizan los siguientes parámetros: Q: Polimorfos de SiO 2 (típicamente cuarzo, aunque también tr i d im i ta y cr is tobal i ta e n algu nas ro ca s íg n eas cristalizadas a alta T). A: Feldespato alcalino, incluyendo feldespato potásico (sanidina, ortosa y/o microclina) y albita (término de la serie de las plagioclasas con porcentajes molares de anortita entre 0 y 5 %). P: Plagioclasa (todos los términos de la serie de las plagioclasas con procentajes molares de anortita entre 95 y 100 %) y escapolita. F: Feldespatoides (leucita, pseu do leucita, nefelina, analcima, sodalita, noseana, kalsilita, haiiyna, cancrinita). M: Minerales máficos (micas, anfíboles, piroxenos, olivino), minerales opacos en luz transmitida (magnetita, ilmenita), epidota, allanita, granate, melilita, monticellita, carbonatos primarios y accesorios (circón, apatito, titanita, etc).

29 Desde el punto de vista de las clasificaciones modales, tendremos: los minerales de los grupos Q, A, P y F comprende a los denominados minerales Félsicos, (de "fel" y "si", acronimos de feldespatos, feldespatoides, minerales del Si, (minerales ricos en Si, Al, Ca, Na y K). los minerales del grupo M son denominados Máficos (de "m" y "f", acrónimos de los elementos Mg y Fe, o minerales ferromagnesianos.

30 Cuando M>90, l o s m i n e r ale s máficos son dominantes, las rocas son muy ricas en MgO y FeO y pobres en SiO 2, y denominándose rocas ultramáficas. Se usan estos dos diagramas ternarios, con olivino - ortopiroxeno - clinopiroxeno y olivino - piroxeno - anfibol (hornblenda).

31 Cuando M<90, las rocas son máficas, intermedias o félsicas (ricas en feldespatos) 1a cuarzolitao silexita 1b granitoidesricos en cuarzo 2 granito de feldespato alcalino;con bajo índice de color: alaskita 3a sienogranito 3b monzogranito, adamellita 4 granodiorita 5 tonalita, cuarzodiorita; con bajo índice de color: trondjemita 6* cuarzo- sienita de feldespato alcalino 6 sienita de feldespato alcalino 6' sienita feldespatoidal de feldespato alcalino; pulaskita 7* cuarzosienita 7 sienita 7' sienita feldespatoidal; miaskita 8* cuarzo- monzonita 8 monzonita 8' monzonita feldespatoidal 9* cuarzo- monzodiorita, cuarzo- monzogabro 9 monzodiorita, monzogabro 9' monzodiorita o monzogabro feldespatoidal 10* cuarzodiorita, cuarzogabro 10 gabro (%An en plagioclasa > 50%) diorita (%An en plagioclasa < 50%) 10' gabro o diorita feldespatoidal 11 sienita nefelínica, foyaita, lujavrita 12 plagifoyaita 13 essexita 14 theralita, teschenita si Qene analcima 15 foidolita

32 Cuando M<90, las rocas son máficas, intermedias o félsicas (ricas en feldespatos) gabro pegmatita granito

33 La distinción entre gabros y dioritas (campo 10) y otras rocas relacionadas (campos 9', 9, 9*, 10', 10* y 14) se hace mediante el contenido molar de anortita de la plagioclasa, con MO o SEM): An 50 Gabro An < 50 Diorita. Si no se puede determinar el contenido de anortita porque este alterada o en maclas mal definidas, se utiliza el valor de M: M 30 Gabro. M < 30 Diorita. diorita gabro

34 Para las rocas máficas (gabroicas) se utilizan también los siguientes diagramas:

35 Para las rocas volcánicas lávicas se utiliza el diagrama Q-A-P-F riolita obsidiana basalto piedra pomez

36 Imagenes de basalto: de visu, MO con luz natural y polarizada cruzada y SEM.

37 Las rocas volcánicas piroclásticas (explosivas) deben contener fragmentos volcánicos no removidos, o sea, no transportados por agentes externos como viento, agua, etc., en una proporción mayor del 75%. Aquellas rocas que contienen fragmentos volcánicos con evidencias de haber sido transportados por algún medio se denominan epiclásticas.

38 Desde el punto de vista del índice de color se utiliza el porcentaje de minerales máficos M' (= M con excepción de moscovita, apatito y carbonatos primarios). Hololeucocrática: 0-10% Leucocrática: 10-35% Mesocrática: 35-65% Melanocrática: 65-90% Holomelanocrática: %

39 Para las rocas volcánicas lávicas se utiliza el diagrama TAS (Total Alkalis vs Silica), que no utiliza términos modales si no químicos: rocas ultrabásicas, básicas, intermedias, y ácidas, en función de la abundancia de SiO 2 en porcentajes en peso.

40 Características texturales De los cinco tipos texturales básicos, las rocas ígneas pueden presentar texturas secuenciales, vítreas y clásticas. Las clásticas son exclusivas de las rocas volcánicas fragmentales, las vítreas de las rocas volcánicas lávicas y las secuenciales de las rocas plutónicas, subvolcánicas y volcánicas lávicas. Establecido su patrón textural básico, hay que describir las características geométricas y morfológicas de los c o m p o n e nt e s, a t r av é s d e l a cristalinidad, granularidad, hábito y forma cristalina, de modo que podamos dar un concepto general y/0 particular de textura que englobe los parámetros morfológicos y geométricos citados.

41 Cristalinidad Proporciones relativas de vidrio y cristales. Los términos aplicables son los siguientes: Holocristalina: Compuestas del 100% de cristales. Holohialina: Compuestas del 100% de vidrio. Hipocristalina, hipohialina o hialocristalina: Compuestas por proporciones variables de vidrio y cristales. Debe indicarse las proporciones relativas de ambos. Típicamente, las rocas holohialinas e hipohialinas son volcánicas, mientras que las holocristalinas son todas las plutónicas y subvo lcánicas y parte de las volcánicas.

42 Granularidad: Relaciona tamaños absolutos y relativos de cristales. Abarca tres conceptos distintos: Qué se puede distinguir o no de visu Faneríticas (generalmente >0.1 mm): Todos los cristales y componentes pueden distinguirse de visu. Afanítica (generalmente <0.1 mm): No todos los cristales pueden distinguirse y se debe recurrir al microscopio. Cuando son reconocibles al microscopio se denominan microcristalina, y criptocristalina, cuando no lo son. Tamaños absolutos de los cristales y componentes. Se diferencian los siguientes tamaños. Muy grueso: > 16 mm Grueso: 16-4 mm Medio: 4-1 mm Fino: mm Muy fino: mm Ultra fino: <0.01 mm

43 El tercero de los conceptos a considerar es Tamaños relativos de los cristales: Equigranulares: Los cristales de los distintos minerales son aproximadamente de mismo tamaño de grano. Inequigranulares: Los cristales presentan tamaños variados. Existen distintas variedades de este tipo de texturas, siendo una de las más comunes la textura porfídica, que supone cristales relativamente grandes (denominados fenocristales) englobados en una matriz de grano más fino. Esta textura además da nombre a un tipo de roca ígnea, los pórfidos. Porfizo cuarcifero

44 Hábito y formas cristalinas los términos aplicables a las formas desarrolladas por los cristales son: idiomorfos, hipidiomorfos y xenomorfos, segun tengan desarrolladas o no, todas las caras, siendo términos equivalentes a: Ehuédricos (Euhedrales, Idiomorfos, Automorfos) Subhédricos (Subhedrales, Subhidiomorfos, Hipidiomorfos, Hipoautomorfos) Anhédricos (Anhedrales, Alotriomorfos, Xenomorfos) Las texturas determinadas por la forma de los cristales son: Panidiomórfica, Hipidiomórfica y Alotriomórfica En cuanto a los hábitos cristalinos, los más comunes son: ecuante o equidimensional, tabular, laminar, prismático y acicular.

45 Textura global y particulares Los diferentes tipos de disposición y relación entre los componentes de las rocas son muy variados. La terminología es relativamente complicada pero podemos dar algunos nombres g e n erale s que invo lucran lo s co nce p to s anter iore s de cristalinidad, granularidad y formas cristalinas. Por ejemplo, una relación textural podría ser granular hipidiomorfa, lo cual significa que todos los cristales son aproximadamente del mismo tamaño, y en parte presentan caras cristalinas y en parte no. De las texturas particulares, puede destacarse las poiquilíticas, donde unos cristales de tamaño mayor engloban a otros menores, o las gráficas y mirmequíticas, muy comunes en granitos y formadas por intercrecimientos más o menos regulares de cuarzo y feldespatos; las texturas vesiculares o vacuolares, comunes en rocas volcánicas lávicas, que implican la existencia de espacios rellenos o no por minerales y que se forman por concentración de gases volcánicos en la lava.

46 Texturas de de rocas ígneas plutónicas

47 Rocas igneas comunes En resumen, las rocas ígneas plutónicas son por definición holocristalinas, esto es, sus componentes s o n to d o s m i n e r ale s (n o ex i s t e v i d r i o ) q u e generalmente pueden observarse visualmente sin ayuda del microscopio (faneríticas). Las texturas presentes son muy variadas, desde tamaño de grano muy grueso (>30 mm), grueso (5-30 mm), medio (1-5 mm) a fino (<0.1-1 mm), y de equigranulares (los cristales de los minerales son aproximadamente de mismo tamaño) a fuertemente inequigranulares (e.g. porfídicas), etc. La clasificación de las rocas plutónicas se basa en las proporciones relativas de sus componentes principales, los cuales son función de la composición original del magma. Los grandes grupos son: Acidas e intermedias, Básicas y Ultrabásicas.

48 Acidas e intermedias. Rocas compuestas por minerales de colores claros, ricos en sílicio y/o sin Fe-Mg (denominados leucocráticos o félsicos), como cuarzo, feldespato potásico y plagioclasas más bien sódicas. Los tipos más comunes son el granito, la granodiorita, y la tonalita. Estas rocas se caracterizan por presentar colores claros, en general en tonos de grises, pudiendo distinguirse el cuarzo y los feldespatos como minerales fundamentales. Otros minerales presentes en cantidades variables, pero siempre subordinadas respecto de los anteriores, son moscovita, biotita, anfíbol, óxidos (magnetita, ilmenita), apatito, zircón.

49 Básicas. Rocas compuestas por minerales de colores oscuros, en general pobres en silicio y ricos en Fe-Mg (denominados melanocratos, máficos o ferromagnesianos), como biotita, anfíboles, piroxenos, olivino y oxídos de Fe-Ti. El tipo más común es el gabro. Estas rocas se caracterizan por ser de colores oscuros, en general negras o en tonos de verde, no suelen presentar cuarzo en abundancia (a veces ni siquiera existe) ni feldespato potásico. El único mineral de color claro que puede distinguirse es la plagioclasa, que será de composición cálcica.

50 Ultrabásicas. Rocas compuestas exclusivamente por minerales feromagnesianos (olivino y piroxenos esencialmente), muy oscuras. El tipo más común es la peridotita. Son rocas muy oscuras, negras o verdosas, no presentando minerales claros excepto pequeñas cantidades de plagioclasa cálcica. Este tipo de rocas suelen presentarse en la naturaleza relativamente transfor madas. Los minerales primarios (olivino y piroxenos) se alteran a minerale s de tipo ser pentina (filosilicatos hidratados) durante procesos que afectan a la roca una vez formada, transformándola en una roca metamórfica (serpentinitas).

51 La clasificación de las rocas ígneas volcánicas pueden ser holocristalinas (100% de cristales), holohialinas (100% de vidrio) o hipohialinas (mezcla de cristales y vidrio). Cuando presentan cristales, suelen ser rocas con texturas porfídicas, pudiendo observarse los fenocristales con tamaños y formas variadas inmersos en la matriz de grano fino a muy fino (o afanítica: microcristalina si se pueden distinguir cristales con el microscopio o criptocristalina si no es así). La clasificación petrográfica de las rocas volcánicas se basa igualmente en las proporciones relativas de los minerales más abundantes. Sin embargo, el hecho de presentar matriz cripto- o microcristalina y/o vidrio dificulta su clasificación petrográfica, por lo que con más frecuencia que en las plutónicas, se utilizan clasificaciones de tipo químico.

52 Acidas. Son rocas rocas constituidas por minerales claros, leucocratos (cuarzo, feldespatos), que en el caso de ser una roca no holohialina suelen presentarse como fenocristales. Los tipos más comunes son las riolitas y dacitas. El color de estas rocas puede o no ser claro, ya que la matriz puede imprimirles un color más o menos oscuro. Básicas. Son rocas constituidas por minerales oscuros máficos (olivino, piroxenos, anfíboles) y plagioclasas cálcicas. Estos minerales suelen encontrarse como fenocristales. La matriz suele ser de color oscuro debido a la presencia de abundantes microcristales de óxidos. Los tipos más abundantes son basaltos y andesitas.

53 Por otra parte, un grupo importante de rocas volcánicas ácidas son rocas fragmentales (llamadas piroclásticas), for madas a partir del material proyectado violentamente al exterior durante eventos explosivos. Este tipo de rocas se denominan en general tobas volcánicas. En general, las rocas volcánicas suelen ser muy porosas y a veces muy permeables (sobre todo las piroclásticas), por lo que se presentan más o menos transformadas debido a los procesos volcánicos tardíos que las afectan, tales como circulación de gases volcánicos, aguas termales etc, formándose minerales secundarios, como zeolitas (tectosilicatos hidratados), que frecuentemente cristalizan en las vacuolas.

54 Ángel Carmelo Prieto Colorado Física de la Materia Condensada, Cristalografía y Mineralogía Facultad de Ciencias Universidad de Valladolid