Temario: I. Definición de metamorfismo. Condiciones del proceso. Factores del metamorfismo. II. III. IV. Tipos de metamorfismo. Rocas metamórficas, composición química y mineralógica. Reacciones metamórficas. V. Metasomatismo. VI. Principio de facies metamórficas.
I. Definición de metamorfismo. El metamorfismo se refiere a los cambios (predominantemente en estado sólido) mineralógicos, texturales y composicionales que sufre una roca preexistente bajo condiciones de presión, temperatura y fluidos. Estos cambios ocurren en condiciones que se encuentran por encima de etapas de diagénesis y por debajo de procesos de fusión avanzada. Winter (2001) Es importante señalar que los productos del metamorfismo no solo se van a poder definir en términos de una temperatura o una presión dada, sino que también dependerán de la composición mineralógica y la textura inicial de la roca preexistente.
I. Condiciones del metamorfismo. Hablar de las condiciones que limitan el metamorfismo es poco preciso. El límite se encuentra establecido en condiciones de P y T por encima de diagénesis (límite entre procesos sedimentarios y metamórficos) y por debajo de condiciones de fusión del protolito (limite entre procesos metamórficos e ígneos). Límites de temperatura Como consenso general se estima que el metamorfismo comienza en un rango de 100 a 150ºC para la mayoría de los tipos inestables de protolitos. Sin embargo existen procesos diagenéticos que se extienden hasta los 200ºC. Con el límite superior ocurre la misma imprecisión. Las rocas granitoides comienzan a fundir a temperaturas cercanas a 600ºC (dependiendo del contenido de H 2 O), pero existen condiciones de metamorfismo de alto grado y ultrametamorfismo que alcanzan temperaturas por encima de los 700ºC.
I. Condiciones del metamorfismo. Límites de presión Para determinar las condiciiones límites de presión del metamorfismo se presentan mayores imprecisiones. A bajas presiones, pero con un anormalmente alto gradiente geotérmico, puede suministrar suficiente temperatura para iniciar metamorfismo. Por otro lado se han encontrado xenolitos mantelares (kimberlíticos) metamorfizados, que registran presiones por encima de 4 Gpa. Sin embargo los límites prácticos que abarcan el estudio de las principales rocas metamórficas no exceden los 3 Gpa.
I. Factores del metamorfismo. Debido a que el metamorfismo ocurre cuando la roca es expuesta a condiciones físicas y químicas significativamente diferentes a las que inicialmente la formaron, cualquier parámetro que pueda causar cambios en el ambiente, puede propiciar el metamorfismo. Estos parámetros incluyen: temperatura, presión y la naturaleza de las fases fluidas.
I. Factores del metamorfismo. Temperatura: Es el principal agente de metamorfismo. Provee la energía que propicia las reacciones de transformación de una fase mineral a otra, recristalización y desvolatilización (deshidratación y descarbonatación). El incremento de temperatura se propicia principalmente por soterramiento (gradiente geotérmico) o por efecto de la intrusión de un cuerpo ígneo caliente. La recristalización resulta en un crecimiento del tamaño de grano del mineral. Este efecto es particularmente significativo en protolitos de grano fino. Este agente es significativo en metamorfismos de tipo regional y de contacto.
I. Factores del metamorfismo. Presión: La presión en las rocas se debe a dos procesos fundamentalmente: a) Por carga litostática (presión de confinamiento) que causan fuerzas compresionales que actúan de igual forma en todas las direcciones. b) Por esfuerzos tectónicos direccionales, los cuales generan fuerzas dirigidas en una dirección preferencial, y que traen como consecuencia algunos rasgos como la foliación, esquistosidad y el plegamiento. Estos esfuerzos pueden ser tensionales, compresionales o de cizalla
I. Factores del metamorfismo. Presión: La presión (a igual que el gradiente geotérmico) se incrementa con la profundidad. Esta envuelto principalmente con metamorfismo de tipo regional
I. Factores del metamorfismo. Fluidos químicamente activos Poseen una marcada influencia en las reacciones metamórficas. El agua de poros presente en las rocas es el fluido más común envuelto en el metamorfismo. Existen otros fluidos menos comunes como CO 2 y CH 4 entre otros. El agua permite la removilización de iones a través de la roca sólida propiciando la recristalización (neocristalización) de fases más estables. El intercambio de iones entre minerales permite la formación de fases minerales nuevas (ejemplo: Granates). Se puede dar transformaciones por efecto de los fluidos reactivos con un mínimo cambio químico global entre el protolito y la roca metamórfica (isoquímico). Sin embargo, cuando un cambio químico sustancial acompaña al metamorfismo (aloquímico) el proceso es llamado metasomatismo.
I. Factores del metamorfismo. Grado metamórfico: Es un término conveniente que expresa el incremento general del metamorfismo sin especificar la relación exacta entre presión y temperatura. Metamorfismo de bajo grado Metamorfismo de alto grado Rocas que son sometidas a Rocas que son sometidas a pequeños cambios en las severas condiciones de presión condiciones de presión y y temperatura, propiciando temperatura, propiciando grandes cambios entre el ligeros cambios entre el protolito y la roca metamórfica protolito y la roca metamórfica final. final. Progresivo y Retrogrado?
II. Tipos de metamorfismo. Según lo establecido por la Subcomisión de Sistemática en Rocas Metamórficas de la USGS, los tipos de metamorfismo se pueden clasificar en: Metamorfismo de Contacto Metamorfismo Regional Metamorfismo orogénico Metamorfismo de soterramiento Metamorfismo de piso oceánico Metamorfismo cataclástico Metamorfismo de impacto o choque
II. Tipos de metamorfismo. Metamorfismo de Contacto: Propiciado por el contacto entre un cuerpo ígneo intrusivo caliente y el protolito (roca caja). El agente de metamorfismo fundamental es la temperatura. Generalmente se acompaña de metasomatismo. Presenta una estructura característica denominada Aureola de Contacto donde existe un gradiente de temperatura desde el plutón intrusivo hacia la roca caja. La fábrica textural característica se denomina Hornfels (grano fino, con distribución parcialmente azarosa). Se pueden presentan mineralizaciones importantes. Zonas de Skarn (contacto ígneo con cuerpo carbonático) que producen variedades de minerales silici - cálcicos.
II. Tipos de metamorfismo. Metamorfismo de Contacto:
II. Tipos de metamorfismo. Metamorfismo Regional: Metamorfismo que afecta cuerpos rocosos que abarcan una gran extensión areal (decenas de kilómetros). Existe tres tipos fundamentales: a) metamorfismo orogénico; b) metamorfismo de soterramiento; y c) metamorfismo de piso oceánico.
II. Tipos de metamorfismo. Metamorfismo orogénico: El metamorfismo orogénico esta asociado con márgenes de placa convergentes (arcos de islas, arcos continentales, zonas de colisión continental). Se encuentra asociado a la formación de cinturones orogénicos. Es de naturaleza dinamo-termal, combinando grandes gradientes geotérmicos y deformación. Suele estar acompañado de sucesivos episodios de metamorfismos y deformación que se sobreimponen unos sobre otros, generando los denominados complejos de polimetamorfismos.
II. Tipos de metamorfismo. Metamorfismo de soterramiento (Coombs, 1961): Es un metamorfismo de bajo grado que ocurre en las cuencas sedimentarias como consecuencia del soterramiento y subsidencia de la columna de sedimentos. No se presentan estructuras de deformación significativas. Se generan minerales metamórficos de bajo grado (zeolitas, prehnita, pumpellita) en vetas y asociados a material opalino. Suele estar acompañado de metasomatismo.
II. Tipos de metamorfismo. Metamorfismo de piso oceánico (Miyashiro et al., 1971): Es un metamorfismo que afecta la corteza oceánica en la zonas de expansión de piso oceánico. Se caracteriza por altas temperaturas y una baja presión. Las rocas presentan una considerable alteración metasomática. Notable perdida de Ca y Si y ganancia de Mg y Na (intercambio entre roca basáltica y la química del agua de mar).
II. Tipos de metamorfismo. Metamorfismo cataclástico: Metamorfismo que ocurre en áreas que experimentan una considerable deformación y esfuerzo (a un tiempo rápido), con un menor efecto de recristalización termal. Se dan en zonas de altos esfuerzos de cizalla. En las zonas de fallas estructurales se presentan este metamorfismo dinámico (de alto estrés) con procesos de cataclásis (ruptura física del material rocoso). En zonas de un metamorfismo cataclástico intenso se forma una roca de grano fino (producto de recristalización por cizallamiento dúctil) con blastopórfidos de feldespatos, denominada Milonita
III. Clasificación de Rocas metamórficas. Rocas foliadas (o con estructuras lineales) Son rocas que presentan texturas lineales (foliación, esquistosidad, estructura gnéisica), producto fundamentalmente de la orientación preferencial de minerales elongados o planares. En general las rocas foliadas de bajo estrés son causadas por metamorfismo regional y el tipo de foliación varía con el grado metamórfico. Rocas No foliadas (o sin estructuras lineales) Rocas que no presentan texturas lineales, por lo que no muestran orientación preferencial en los minerales que las conforman. Un término general para la textura que muestran estas rocas es de textura granofels. El hornfels es un tipo particular de roca no foliada Rocas de alto estrés Rocas metamórficas asociadas a las zonas de falla o cizalla. Pueden ser sin cohesión primaria y con cohesión primaria (foliadas o no foliadas)
III. Clasificación de Rocas metamórficas. Rocas foliadas Pizarra (slate) Filita (phyllite) esquisto (schist) neis o gneis (gneiss)
III. Clasificación de Rocas metamórficas. Rocas no foliadas
III. Clasificación de Rocas metamórficas. Rocas de alto estrés Rocas sin cohesión primaria No foliada Rocas con cohesión primaria Foliada Brecha de falla Microbrecha Protomilonita Blastomilonita Cataclasita Milonita-Filonita (muy recristalizada) Ultramilonita Brecha de falla Cataclasita Milonita
III. Clasificación de Rocas metamórficas. Otras rocas metamórficas comunes Roca Anfibolita Eclogita Granulita Migmatita característica Roca generalmente foliada dominada por hornblenday plagioclasa. Protolito máfico (ígneo) u grauvaca. Roca de alta P,T,constituida por piroxeno(onfacita) y granate (piropo). Protolito basáltico Roca de metamorfismode alto grado. Presencia de plagioclasa y ortopiroxenos. Roca producto de fusión de algunos componentes minerales (leocosomas) con otros queno se funden (melanosomas)
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III. Minerales comunes de rocas metamórficas. Nombre de mineral formula clase Cuarzo SiO 2 Tectosilicato Andalusita Silimanita Cianita Al 2 SiO 5 Nesosilicato Cordierita (Mg,Fe) 2 Al 4 Si 5 O 18.nH 2 O Ciclosilicato Piropo Mg 3 Al 2 Si 3 O 12 Nesosilicato-granate Clorita (Fe,Mg) 3 (Al,Si) 4 O 10 (OH) 2.(Mg,Fe) 3 (OH) 6 Filosilicato-mica Enstantita MgSiO 3 Inosilicato-piroxeno Antofilita Fe 2 Mg 5 Si 8 O 22 (OH) 2 Inosilicato-anfíbol Talco Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 Filosilicato Serpentina* Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 Filosilicato Forsterita Mg 2 SiO 4 Nesosilicato Estaurolita Fe 2 Al 9 O 6 (SiO 4 ) 4 (O,OH) 2 Nesosilicato Almandino Fe 3 Al 2 Si 3 O 12 Nesosilicato-granate Cummingtonita (Mg,Fe) 7 Si 8 O 22 (OH) 2 Inosilicato-anfíbol Wollastonita CaSiO 3 Inosilicato-piroxenoide Grosular Ca 3 Al 2 Si 3 O 12 Nesosilicato-granate Zoisita Ca 2 Al 3 (SiO 4 ) 3 (OH) Tectosilicato-zeolita Anortita CaAl 2 Si 2 O 8 Tectosilicato-plagioclasa
III. Minerales comunes de rocas metamórficas. Nombre de mineral formula clase Diopsido CaMgSi 2 O 6 Inosilicato-piroxeno Tremolita Ca 2 Mg 5 Si 8 O 22 (OH) 2 Inosilicato-anfíbol Actinolita Ca 2 (Fe,Mg) 5 Si 8 O 22 (OH) 2 Inosilicato-anfíbol Hornblenda (Na,Ca) 2 (Fe,Mg,Al) 5 Si 8 O 22 (OH) 2 Inosilicato-anfibol Jadeita NaAlSi 2 O 6 Inosilicato-piroxeno Glauocofano Na 2 Mg 5 Si 8 O 22 (OH) 2 Inosilicato-anfíbol Albita NaAlSi 3 O 8 Tectosilicato-plagioclasa K-feldespato KAlSi 3 O 8 Tectosilicat-feldespato Moscovita KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(OH) 2 Filosilicato-mica Flogopita KMg 3 (AlSi 3 O 10 )(OH) 2 Filosilicato-mica
III. Minerales comunes de rocas metamórficas. Generalidades: El cuarzo se encuentra presente en las rocas ricas en sílice prácticamente en todo el rango de condiciones de metamorfismo. Los feldespatos son comunes y abundantes, mostrando las siguientes características: La albita se encuentra en un amplio rango de condiciones metamórficas. El microclino es más común que la ortosa. La anortita es rara en rocas metamórficas. La composición de las plagioclasas son indicadores sensibles del grado de metamorfismo. La albita (pura) es característica de metamorfismo de bajo grado, aumentando el contenido de Ca cuando incrementa el grado metamórfico.
III. Minerales comunes de rocas metamórficas. Generalidades: Los inosilicatos (piroxenos y anfíboles) las rocas metamórficas: son comunes y abundantes en En términos generales los anfíboles son típicos de rocas metamórficas de baja a moderada temperatura, mientras los piroxenos se asocian a rocas de altas temperaturas. Los filosilicatos son especialmente característico de las rocas metamórficas: Talco, serpentina, cloritas, moscovita y biotita son ampliamente distribuidas en las rocas metamórfica. Los minerales de arcillas son susceptibles a recristalización.
III. Minerales comunes de rocas metamórficas. Generalidades: Los nesosilicatos son abundantes y al ser estructuras de empaquetamiento compacto se asocian a condiciones de alta presión: La cianita es el polimorfo mas denso, y por lo tanto se asocia a condiciones de metamorfismo de alta presión. La andalusita es características de rocas de alta temperatura y bajas presiones. La silimanita se encuentra asociada a rocas de alto grado de metamorfismo (altas P y T).
III. Minerales comunes de rocas metamórficas. Generalidades: Los nesosilicatos son abundantes y al ser estructuras de empaquetamiento compacto se asocian a condiciones de alta presión: Los granates se presentan con mucha frecuencia en las rocas metamórficas. En rocas de bajo grado la variedad característica es la espersantina (Granate-Mn). En metamorfismo regional, la especie común es el almandino. Para metamorfismos del alto grado la especie predominante es el piropo. Los minerales del grupo de la zoisita - epidota son constituyentes comunes de rocas metamórficas de bajo a medio grado.
IV. Reacciones metamórficas. Tipos: Reacciones polimórficas. Reacciones de transferencia neta sólido-sólido Reacciones de desvolatilización Reacciones de intercambio iónico Reacciones de oxido-reducción
IV. Reacciones metamórficas. Tipos: Reacciones polimórficas: es un tipo especial de reacción sólido-sólido, donde existe un cambio de estructura cristalina sin que represente un cambio químico en las fases minerales. Ejemplo: Silimanita-Cianita-Andalusita
IV. Reacciones metamórficas. Tipos: Reacciones de transferencia neta sólido-sólido: reacciones que ocurren entre fases minerales sólidas de distinta composición. Si la reacción es continua, productos y reactantes pueden coexistir en un rango amplio de condiciones de P y T (ejemplo: soluciones sólidas). Si la reacción es discontinua, los productos y reactantes solo pueden coexistir en condiciones de P y T de equilibrio. Mg 2 SiO 4 + SiO 2 2 MgSiO 3 Forsterita Cuarzo Enstantita NaAlSi 2 O 6 + SiO 2 NaAlSi 3 O 8 Jadeita Cuarzo Albita Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 + 4MgSiO 3 Mg 7 Si 8 O 22 (OH) Talco Enstantita antofilita
IV. Reacciones metamórficas. Tipos: Reacciones de desvolatilización: son reacciones metamórficas que ocurren consumiendo o liberando especies volátiles. Las reacciones típicas envuelven H 2 O (deshidratación) y CO 2 (descarbonatación), pero se pueden incluir especies como O 2, H 2, CH 4, F, Cl, SO 2 CaMg(CO 3 ) 2 + 2SiO 2 CaMgSi 2 O 6 + 2CO 2 Dolomita Cuarzo Diposido Dióxido de carbono KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(OH) 2 + SiO 2 KAlSi 3 O 8 + Al 2 SiO 5 + H 2 O Muscovita Cuarzo K-feld Al-silicato Al-silicato
IV. Reacciones metamórficas. Tipos: Reacciones de intercambio iónico: estas reacciones envuelven el intercambio recíproco de componentes entre dos o más minerales. Aunque el intercambio puede envolver aniones, se concentra el estudio en intercambio de cationes. Fe 3Al 2Si 3O 12 + K(Mg, Fe 2+ ) 3(Si 3Al)O 10(OH, F) 2 = Mg 3Al 2Si 3O 12 + K(Mg, Fe 2+ ) 3(Si 3Al)O 10(OH, F) 2 Granate (almandino) Biotita (rica en Mg) Granate (Piropo) Biotita (rica en Fe)
IV. Reacciones metamórficas. Tipos: Reacciones de oxido-reducción: reacciones que envuelven cambios en el estado de oxidación de iones y iones complejo que naturalmente se presentan con más de un estado de oxidación. Fe 2+ -Fe 3+ es quizás el ión más importante en el ámbito geológico. 6Fe 2 O 3 4Fe 3 O 4 + O 2 Hematita Magnetita Oxigeno Fe 3 O 4 + SiO 2 Fe 2 SiO 4 + O 2 Magnetita Cuarzo Fayalita Oxigeno
IV. Reacciones metamórficas. Reacciones y quimiografía: Los diagramas quimiográficos son una excelente ayuda geométrica que nos permite conceptualizar la relación entre la composición química de la roca y el ensamblaje mineral estable en el equilibrio. Periclasa Cuarzo MgO Forsterita Enstantita SiO 2 T1, P1 T2, P2
IV. Reacciones metamórficas. Reacciones y quimiografía: Diagramas AKF: A= Al2O3 + Fe2O3 Na2O-K2O-CaO K= K2O F= FeO + MgO+ MnO
IV. Reacciones metamórficas. Reacciones y quimiografía: Diagramas ACF: A= Al2O3 C= CaO F= FeO + MgO
IV. Reacciones metamórficas. Reacciones y quimiografía: Diagramas ACF: A= Al2O3 C= CaO F= FeO + MgO
IV. Reacciones metamórficas. Reacciones y quimiografía: Diagramas AFM: A= Al2O3 M= MgO F= FeO
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V. Metasomatismo. Definición: El metasomatismo se define como un metamorfismo que se acompaña de cambios en la composición total de la roca. Debido a que los volátiles son liberados y movilizados durante el metamorfismo, se puede excluir los cambios en el contenido de volátiles como parte de este proceso, siendo los cambios químicos del metasomatismo restringido a la redistribución de especies no volátiles. Winter, 2001 Durante el metasomatismo los minerales que conforman el protolito son parcialmente o totalmente reemplazados por nuevos minerales
V. Metasomatismo. Condiciones: El metasomatismo es desarrollado ampliamente en situaciones donde rocas de composiciones fuertemente contrastantes se yuxtaponen y los elementos se redistribuyen fácilmente. Entre los ejemplos más comunes se presentan: Plutones someros, particularmente donde magmas silíceos entran en contacto con rocas carbonáticas o ultramáficas y los fluidos circulan a través de los sistemas de fracturas abiertas. Capas, lentes o cuerpos con composición contrastante en rocas que experimentan metamorfismo: cuerpos de rocas ultramáficas embebidos en cuerpos carbonáticos o pelíticos o en sedimentos carbonáticos o pelíticos. Vetas donde los fluidos se equilibran con un tipo de roca y posteriormente migran hacia una roca de composición contrastante a través de sistemas de fracturas.
V. Metasomatismo. Condiciones: La susceptibilidad de la roca a sufrir metasomatismo depende tanto de la mineralogía de esta, su forma estructural y de las características del fluido. Un ejemplo clásico se tiene con la capacidad de reacción de los carbonatos y la formación de cuerpos de Skarns Ca, Mg----------Si CaMg(CO 3 ) 2 + 2SiO 2 CaMgSi 2 O 6 + 2CO 2 Dolomita Cuarzo Diposido Dióxido de carbono CaCO 3 + SiO 2 CaSiO 3 + CO 2 Calcita Cuarzo Wollastonita Dióxido de carbono Es importante destacar que la actividad hidrotermal y el metasomatismo generalmente se encuentran ligados.
V. Metasomatismo. Procesos: Se pueden mencionar fundamentalmente dos proceso masas que distinguen el metasomatismo: de transferencia de 1) Difusión: proceso por el cual los componentes se mueven de un medio a otro, tanto en un sólido (difusión de red) o en un fluido estacionario. La difusión es promovida por la generación de gradientes de potencial químico (µ). Cuando la difusión de componentes se da en direcciones opuestas en un intercambio reciproco, se conoce como Bimetasomatismo. 2) Infiltración: se refiere a una transferencia pasiva de masa de especies de solutos en un medio de fluido en movimiento. Es promovida por gradientes externos de presiones en los fluidos que causan que los fluidos se muevan, permitiendo mayor extensión en la transferencia de masa que la generada por la difusión.
V. Metasomatismo. Metasomatismo en rocas ultramáficas: Roca caja (roca pelítica) Ant (núcleo de serpentina) Tlc Act Clt Bt Antigorita (Ant) talco (Talc) actinolita (Act) clorita (Clt) biotita (Bt) Zonación idealizada debido a metasomatismo de cuerpo ultramáfico en una pelíta metamorfizada de bajo grado (Winter, 2001) 3Mg 2 SiO 4 + SiO 2 + H 2 O 2H 4 Mg 3 Si 2 O 9 Forsterita Cuarzo Agua Antigorita
VI. Facies metamórficas. Definición: Una facies metamórfica es un grupo de rocas caracterizadas por conjunto definido de minerales que, bajo las condiciones de su formación, alcanzaron el equilibrio perfecto entre ellos. La composición mineral cualitativa y cuantitativa en las rocas de una facies dada varia gradualmente en correspondencia con las variaciones en la composición química de las rocas (Eskola, 1920)
VI. Facies metamórficas. Tipos: Facies de alta presión: las facies de los esquistos azules y la eclogita desarrollan ensamblajes mineralógicos de bajo volumen molar característicos de altas presiones. En zonas de subducción son típicas estas facies. Facies de presión media: las facies de los esquistos verdes, la anfibolita y la granulita son características de regiones orogénicas (metamorfismo regional) Facies de baja presión: las facies de los hornfels (albita-epidóticos, hornbléndicos, piroxénicos) son típicas de metamorfismo de contacto, donde la presión es baja. Facies de bajo grado: las facies de la zeolita y la prehnita-pumpelyita (facies de los sub-esquistos verdes), son típicas de rocas con un metamorfismo insipiente.
VI. Facies metamórficas. Tipos:
VI. Facies metamórficas. Evolución P-T:
VI. Facies metamórficas. Evolución P-T:
VI. Facies metamórficas. Series de facies: Secuencias progresivas a través de terrenos metamórficos, donde se observa la evolución del las distintas facies metamórficas como respuesta a cambios progresivos de las condiciones de P y T de unas facies particulares.