Master de Profesor de Educación Secundaria Obligatoria y Bachillerato, Formación Profesional y Enseñanzas de Idioma (Módulo Específico de Biología y Geología) Complementos de Geología Ángel Carmelo Prieto Colorado Física de la Materia Condensada, Cristalografía y Mineralogía Facultad de Ciencias Universidad de Valladolid
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
Metamorfismo: rocas metamórficas Debido a la actividad tectónica de la litosfera terrestre, las rocas ígneas y sedimentarias formadas en ambientes concretos y bajo condiciones ambientales precisas, pueden ser sometidas a nuevas condiciones con presión y temperatura diferentes a las de su formación original (protolito), excluyendo los procesos diagenéticos propios de rocas sedimentarias. Bajo las nuevas condiciones, y frecuentemente bajo la acción de esfuerzos tectónicos (ligados, por ejemplo, a la formación de cadenas montañosas), las rocas preexistentes se transforman textural, estructural y mineralógicamente en estado sólido, dando lugar a las rocas metamórficas.
Situación de las rocas Metamórficas dentro del Ciclo Geológico de las rocas
Su característica fundamental es el presentar textura blástica (recristalización en estado sólido), y en los casos de haber suf r i do defor mación, fábr icas anisótropas. Sus características petrográficas son especialmente complicadas, dados los procesos de transformación en estado sólido que han sufrido, generalmente acompañados de intensa deformación. Las condiciones metamórficas de P y T pueden ser muy variadas, por tanto, ro ca s de la m isma composición presentan minerales y texturas distintas en función de la intensidad de las condiciones metamórficas o grado metamórfico.
Condiciones P-T-profundidad del Metamorfismo
Se diferencian las rocas de metamorfismo en grados: muy bajo: de 100 a 200-250 C bajo: de 200-250 a 400-450 C C medio: de 400-450 a 600-650 C alto: más de 600-650 C La intensidad de las condiciones metamórficas también se describe mediante el concepto de facies metamórfica, que alu de al conjunto de rocas formadas en unos rangos de condiciones de P-T dados, que toman como referencia las condiciones de formación de las rocas de composición basáltica y se desarrollan diagnósticos de asociaciones minerales para unas condiciones de P-T, concretas.
Variabilidad de las condiciones Metamórficas El origen de la variabilidad de las condiciones metamórficas radica en la Tectónica de Placas y en la distorsión de la geoterma terrestre estable.
Cuando una cuenca de sedimentación se encuentra en los límites de una placa litosférica que subduce, se introducen en la tierra hasta grandes profundidades, incluso decenas de Km. Comparado con la superficie de la tierra, la T y P litoestática, alcanzada a estas profundidades es de cientos de ºC y hasta decenas de kbar ó miles de MPa, respectivamente. Esto impone unas condiciones físico-químicas tales que los minerales y asociaciones minerales que forman las rocas sedimentarias no sean estables y se producen reacciones químicas entre los minerales de las rocas parentales para formar nuevas asociaciones minerales. Se reconstituye la materia totalmente, o lo que es lo mismo, la roca recristaliza. La roca así recristalizada es una roca metamórfica.
Distorsión de Geotermas: Tectónica de Placas
El proceso de recristalización afecta no sólo a las rocas de la pila sedimentaria que se introduce en el interior de la Tierra. También afecta a las rocas de su basamento, o sea, a las rocas preexistentes sobre las que se depositaron las rocas sedimentarias y que también son introducidas en el interior de la Tierra. E s t a s r o c a s s o n, g e n e r a l m e n t e, í g n e a s y /o metamórficas y, dado que sus asociaciones de minerales ígneos son igualmente inestables bajo las nuevas condiciones a que son sometidos, también recristalizan y forman otras rocas metamórficas. La naturaleza de las nuevas asociaciones minerales dependerá de la composición mineral y química de la roca parental (protolito) y de las condiciones de T y P (profundidad) alcanzadas en la recristalización.
Subducción Oceánica Distorsión de Geotermas en los márgenes activos
Facies en los márgenes activos
Subducción en la Litosfera oceánica: Facies en los márgenes activos y evolución de P y T.
Subducción Oceánica Distorsión de Geotermas en los márgenes activos
Aunque las rocas metamórficas tienen asociaciones de minerales distintas de las que caracterizan a las rocas parentales (ígneas, sedimentarias o metamórficas), existen algunas excepciones. Si las rocas parentales estaban constituidas por un solo mineral, por ejemplo calcita en las calizas ó cuarzo en la arenisca cuarzosa, la nueva roca metamórfica estará constituida por el mismo mineral calcita dando mármol y el cuarzo, cuarcitas. En cualquier caso, habrán sufrido recristalización, lo que significa que los granos minerales individuales de cuarzo o de calcita no son los mismos que los que existían en la roca parental.
Por otro lado, el proceso de introducción de pilas sedimentarias en el interior de la tierra solo es posible si existen fuerzas que lo lleven a cabo. Estas fuerzas geodinámicas suponen la existencia de campos de esfuerzos anisótropos mediante presiones dirigidas que imprimen a las rocas deformación. La deformación es patente por estructuras con fracturas, pliegues, foliaciones,... y por la orientación preferencial de los granos minerales crecidos antes o durante la deformación de la roca en su recristalización.
Estos granos minerales adquieren una forma no esférica y se orientan con sus dimensiones mayores alineadas perpendicularmente al esfuerzo principal mayor, dado lugar a foliaciones, observables como superficies de exfoliación: pizarrosidad. Por tanto, los tipos de rocas metamórficas dependen de la composición mineralógica y química de la roca parental (protolito), de las condiciones de T y P alcanzadas durante la recristalización, y de la deformación sufrida.
Evolución de T y P en la colisión continental
Evolución de T y P en mono- y polimetamorfismo
Evolución de T y P en zonas de subducción, colisión y arcos magmáticos
Clasificación de las rocas metamórficas La clasificación de las rocas metamórficas se basa en: la composición química y mineralógica. el origen de la roca original o protolito las características de textura, estructura y fábrica Mediante el criterio composicional, se pueden d if e re n c i ar g r a n d e s g r u p o s, co m o r o ca s d e composición máfica (rocas ígneas máficas como gabros) y ultramáfica (peridotitas), pelítica (sedimentarias detríticas arcillosas) y gneísica (ígneas ácidas como granitos y riolitas, y sedimentarias de tipo areniscas arcósicas), carbonáticas (calizas y dolomías) y calcosilicatadas (car b o n at a d a s impurificadas con arcillas y margas).
Tipos de metamorfismo Metamorfismo Regional Orogénico de enterramiento de fondo oceánico Metamorfismo local Térmico (de contacto ó pirometamorfismo, hidrotermal, de lámina caliente, de incendio y de rayo) de dislocación de impacto
Los tipos más importantes de metamorfismo, son el metamorfismo regional y el de contacto. Las rocas del metamorfismo regional se forman en áreas orogénicas amplias que afectan a grandes sectores de la litosfera y a lo largo de cientos de km, presentando foliaciones e importantes deformaciones. Por ejemplo, una lutita de la placa litosférica que subduce y se introduce en el interior de la tierra, los minerales arcillosos reaccionan, se destruyen y forman otros minerales. La textura cambia, ya que los nuevos minerales tienen cristales mayores que los anteriores y se orientan según superficies de aplastamiento orientadas con el campo de fuerzas que actúa en la subducción, perpendicular al esfuerzo mayor.
Estas transformaciones de una lutita producen nuevas rocas, como pizarra, a temperaturas entre 200-300ºC, filita, de 300 a 400ºC) o esquisto, de 400 a 600ºC. La superficie paralela a la cual se oriental los minerales se denomina pizarrosidad o esquistosidad, aunque de forma general se conoce como foliación. A favor de estas superficies la roca muestra una debilidad mecánica que permite que sea exfoliable en capas finas. Si la roca es un granito, se produce un gneis y si fuese un basalto, se producen esquistos verdes, anfibolitas, granulitas, esquistos azules, y eclogitas. Si la roca es una peridotita, se pro duce una serpentinita.
Las rocas de metamorfismo de contacto son de extensión volumétrica limitada, dado que se forman en los contactos entre cuerpos magmáticos intrusivos (plutones) y rocas encajantes más frías. El magma de estos cuerpos transfiere calor por conducción a las rocas de su alrededor, lo que genera un calentamiento entorno al plutón. Con ello, se producen reacciones químicas entre los minerales de las rocas preexistentes (ígneas, sedimentarias o metamórficas), formando una aureola de rocas metamórficas alrededor del plutón. Dada la mala conductividad térmica de las rocas, se produce un gradiente de temperatura de forma que la temperatura cerca del contacto con el cuerpo ígneo es mayor que la T de zonas alejadas del contacto.
Por ello, las asociaciones minerales formadas cerca del plutón son distintas de las formadas lejos de él, y las rocas neoformadas son distintas. Por ejemplo, si las rocas donde está encajado el plutón son lutitas, se forman corneanas, que contienen asociaciones minerales con andalucita y cordierita, estables bajo las nuevas condiciones de temperatura. Aunque la distribución a lo largo de la aureola de será distinta con cordierita+andalucita cerca del contacto, y a distancia mayor, solo andalucita. Este tipo de rocas no sufre esfuerzos dirigidos especialmente intensos durante la blastesis mineral, p o r l o q u e s u e l e n s e r r o c a s n o f o l i a d a s (exclusivamente blásticas).
Texturas de las rocas metamórficas Las texturas de las rocas metamórficas son cuatro: Textura granoblástica. Los cristales forman un mosaico de granos casi equidimensionales. Los contactos entre granos tienden a formar 120º en puntos donde se juntan tres de ellos (denominados puntos triples). Esto se debe a que esta disposición morfológica en más estable, ya que se minimizan la superficie total de contactos entre granos y la energía de superficie, por comparación con otras disposiciones que implican contactos al azar. Esta textura es común en rocas monominerálicas como cuarcitas y mármoles, así como en rocas de grado metamórfico muy alto como granulitas.
Textura lepidoblástica. Está definida por minerales tabulares (en general filosilicatos, normalmente micas y cloritas) orientados paralelamente según su hábito planar. El hecho de que esta textura presente or ientación preferente de su s co mpo nente s minerales supone que las rocas con esta textura presentan fábrica planar (o plano-lineal), lo que confiere a la roca una anisotropía estructural (foliación) según la cual tiende a exfoliarse. Estas rocas presentan, por tanto, comportamientos mecánicos contrastados según las direcciones perpendicular y paralela a la superficie de foliación. Esta textura es la típica de metapelitas (pizarras, micacitas, esquistos y gneises pelíticos).
Textura nematoblástica. Definida por minerales prismáticos o aciculares (inosilicatos, normalmente anfíboles) orientados paralelamente según su hábito elongado en una dirección. Las rocas con esta textura presentarán fábrica lineal (o plano-lineal), lo que igualmente les confiere una anisotropía estructural (lineación) según la cual las rocas tienden a escindirse. Esta textura es típica de anfibolitas, algunos gneises y mármoles anfibólicos.
Textura porfi doblás tica. Caracterizada por la presencia de blastos de tamaño de grano mayor (porfidoblastos) que el resto de los minerales que forman la matriz en la que se engloban. La matriz por su parte puede tener cualquiera de las texturas anteriores o combinación de ellas. Cualquier tipo de roca metamórfica puede tener esta textura.
Granoblástica Lepidoblástica Neumatoblástica Porfidoblástica
Las 4 texturas aparecen en rocas metamórficas de modo exclusivo. Sin embargo, lo normal es que se presenten combinaciones de dos o más de ellas. La textura global se describe con el nombre de la textura individual dominante, y a posteriori el resto. Granolepidoblástica Granonematoblástica Granoporfidoblástica Hay texturas particulares que dan información sobre los procesos sufridos por las rocas, como las texturas poiquiloblástica, d e f i n i d a, p o r c r i s t a l e s porfidoblásticos que incluyen a otros minerales más pequeños, como en rocas ígneas.
Rocas metamórficas más comunes Pizarra y filita Rocas pelíticas de g rano muy fino a fino. Compuestas por filosilicatos (micas blancas, clorita,...) y cuarzo (si es muy abundante puede denominarse entonces cuarzofilita); los feldespatos (albita y feldespato potásico) también suelen estar presentes. Estas rocas presentan foliación por orientación preferente de los minerales planares (filosilicatos), y son fácilmente fisibles.
Pizarra Filita
Esquisto Roca pelítica de grano medio a grueso, con foliación marcada, denominada esquistosidad. Los granos minerales pueden distinguirse a simple vista. Los componentes más abundantes son moscovita, biotita, plagioclasas sódicas, clorita, granates, polimorfos del silicato de aluminio (andalucita, silimanita, distena), etc. A veces pueden tener altas concentraciones de grafito, tomando un color oscuro, al igual que las pizarras y filitas.
Esquisto
Gneiss Rocas cuarzofeldespática de grano grueso a medio, con foliación menos marcada que en los esquistos debido a la menor proporción de filosilicatos (moscovita y/o biotita). Para definir una roca como gneis debe contener más de un 20% de feldespatos. Su origen es diverso, pudiendo derivar tanto de rocas ígneas (ortogneisses) como sedimentarias (paragneisses). Algunos se producen en condiciones de alto grado por fusión parcial de esquistos u otros gneises, son gneiss migmatíticos.
Gneiss
Anfibolita Roca compuestas esencialmente por anfíboles (en general hornblenda) y plagioclasa de composición variable. La esquistosidad no suele estar muy desarrollada, aunque los prismas de anfibol suelen estar orientados linealmente, generando lineación. Proceden en su mayoría de rocas ígneas básicas (ortoanfibolitas) y margas (paraanfibolita)..
Anfibolita
Mármol Roca de grano fino a grueso compuesta esencialmente por carbonatos (calcita y/o dolomita) metamórficos. Normalmente, sin foliación, debido a la ausencia de minerales planares. Su estructura es variada, abundando la masiva y bandeada, con textura característica granoblástica. De color muy variado, desde blanco, gris, rosa a verde. Resultan de la recristalización de rocas calizas de cualquier tipo, por lo que no pue den obser varse los componentes originales como bioclastos, oolitos, etc. Los mármoles no deben confundirse con calizas esparíticas sedimentarias, que sí presentan los componentes originales, aunque más o menos modificados por los procesos diagenéticos. De hecho, gran parte de las rocas que comercialmente se conocen con el nombre de mármol, son rocas carbonatadas sedimentarias.
Mármol Rosa Mármol Blanco
Cuarcita Roca de grano medio a fino, constituida esencialmente por cuarzo (más del 80 %) y algo de micas y/o feldespatos. Las cuarcitas derivan de rocas sedimentarias detríticas ricas en cuarzo (areniscas cuarcíticas) con las que no deben confundirse. Son rocas masivas o bandeadas, sin foliación marcada y textura granoblástica deformada o no.
Cuarcita
Corneana Roca no esquistosa desarrollada por metamorfismo de contacto sobre rocas originariamente pelíticas. La composición es similar a la de los esquistos, pero presentan algunas diferencias mineralógicas, como cordierita y andalucita. La textura es granoblástica, la estructura generalmente masiva, de fábrica no orientada. De modo genérico se d e no m i n a n co r n e á n i ca s a la s r o ca s d e l metamorfismo de contacto.
Corneana
Serpentinita Roca compuesta esencialmente por minerales del grupo de la serpentina (antigorita, crisotilo, lizardita...), con proporciones variadas de clorita, talco, y carbonatos (calcita, magnesita). Son rocas generalmente masivas, aunque pueden presentar cierto bandeado composicional. Proceden de rocas ultrabásicas, constituidas esencialmente por olivino y piroxenos, hi dratadas durante el proceso m e t a m ó r f i c o. E s t a s r o c a s s o n c o n o c i d a s comercialmente como mármoles verdes, aunque en sentido estricto no son mármoles.
Serpentinita
Ángel Carmelo Prieto Colorado Física de la Materia Condensada, Cristalografía y Mineralogía Facultad de Ciencias Universidad de Valladolid