sábado, 21 de marzo de 2009

METAMORFISMO


Definición "metamorfismo": Cambio de las rocas por la acción de temperatura y/o presión. En el momento rocas sedimentarias, ígneas o metamórficas sufren temperaturas mayores de 200°C y/o presiones altas se transforman a rocas metamórficas:
>cambio de la textura
>cambio de los minerales

1. Introducción
Rocas metamórficas son productos del metamorfismo o es decir de la transformación de una roca por recristalización y por cristalización de nuevos minerales estables bajo las condiciones metamórficas manteniendo el estado sólido. La transformación es causada por un aumento de la temperatura y/o por deformación (deformación puede producir calor de fricción). Meteorización y diagénesis o es decir la solidificación de una roca sedimentaria no pertenece al metamorfismo.
Generalmente los procesos metamórficos actúan en profundidades relativamente altas con respecto a la superficie. Casos especiales del metamorfismo con respecto a su posición son el metamorfismo por ondas de choque (catáclasis) causadas por el choque de grandes meteoritos con la superficie terrestre y el efecto calorífico de un corriente de lava a la roca encajante. Grado metamórfico, zonas metamórficas y facies metamórficas son los conceptos básicos y comunes para describir y clasificar los procesos metamórficos. El grado metamórfico se refiere a la intensidad del metamorfismo, que ha influido en una roca. Generalmente el grado metamórfico nombra la temperatura o la presión máxima del metamorfismo.
Las zonas metamórficas se distinguen en base de un mineral determinado o de un grupo de minerales. Por ejemplo la zona de granate se caracteriza por la apariencia de granate y la zona de sillimanita se caracteriza por la apariencia de sillimanita.


Las facies metamórficas se distinguen a través de grupos de minerales, que se observan en rocas de composición basáltica. Las zonas y facies metamórficas se determinan a través de la identificación de los grupos de minerales formados simultáneamente. La composición de algunos minerales metamórficos, que se puede analizar por una microsonda, y la textura pueden indicar las condiciones de temperatura y presión características para el grado metamórfico.
El grado metamórfico (por ejemplo los grados metamórficos según WINKLER) nombra las condiciones de temperatura y presión máximas, que han influidas en la roca. Pero metamorfismo no es estático, más bien es caracterizado por condiciones de temperatura, presión y estrés (esfuerzo elástico) cambiándose. La historia de las condiciones de temperatura y presión, que han actuado en la roca durante un evento metamórfico, se llama en ingles 'metamorphic p-T-path'. Este puede indicar varios parámetros como las fuentes de calor, que causan las variaciones de temperatura, la posición estructural local de la roca y el gradiente del transporte tectónico.

1.1 Los factores, que contribuyen al metamorfismo
Los factores principales son las variaciones en la temperatura y en la presión, el esfuerzo elástico (de compresión, ‘deviatoric stress’) y la migración de los fluidos. Estos factores son factores externos y pueden efectuar cambios en la mineralogía, en el quimismo de los minerales y en el quimismo total de la roca. Un otro factor importante es el quimismo total de la roca. Puesto que la misma combinación de factores externos causará distintos cambios en rocas de diferente composición química.
La temperatura es el factor más importante en procesos metamórficos, puesto que la mayoría de las reacciones metamórficas se debe a variaciones de la temperatura. Las variaciones de temperatura hacen necesario un aporte calorífero a la roca. La fuente calorífera puede ser un cuerpo intrusivo cercano, un arco magmático relacionado con una zona de subducción o una fuente calorífera regional profunda como el calor derivado del manto por ejemplo. Además la descomposición radioactiva de elementos influye la estructura térmica de la Tierra.
La presión de carga es el segundo factor importante, es causado por la masa de las rocas sobreyacentes y depende de la profundidad y de la densidad de las rocas sobreyacentes.

Por ejemplo una pila rocosa de 1km de potencia de - granito ejerce una presión de carga de 264bar, - basalto ejerce una presión de carga de 294bar, - peridotita (ultramáfica, de olivino, típica para el manto superior) ejerce una presión de carga de 323bar, - agua ejerce una presión de carga de 98bar.

El desarrollo de la temperatura y presión (factores p-t)
Metamorfismo progrado. Si una roca de partida es llevada desde condiciones inferiores de ºT y p típicas para su formación a condiciones elevadas de ºT y p típicas para el metamorfismo, se habla de un metamorfismo progrado. El metamorfismo progrado está acompañado por la liberación de los constituyentes volátiles de la roca como de H2O, CO2, O2 y S expresándose en reacciones de deshidratación y descarbonatización. Por ejemplo el metamorfismo de un basalto formado en la superficie terrestre, que mediante de la formación de la cordillera haya sido transportado a grandes profundidades terrestres. A partir de 12km de profundidad y a T = 300°C se transforma en una pizarra verde y con un descenco mayor hasta más de 35km de profundidad se convierte en una eclogita, que se compone principalmente de omfacita (piroxeno mixto de jadeita y augita) y granate.

Metamorfismo retrogrado. Si una roca de partida es llevada desde condiciones superiores de T y p típicas para su formación a condiciones metamórficas inferiores de T y p, se habla de un metamorfismo retrogrado. Por ejemplo la transformación de una peridotita de olivino y piroxeno formada en el manto superior bajo condiciones de formación elevadas en una serpentinita principalmente de diferentes minerales del grupo de la serpentina como el crisolito y la antigorita, cuya temperatura de formación es limitada a T = 500 a 600°C por la descomposición térmica de la serpentina.

Metamorphic p-T-path. El grado metamórfico (por ej. los grados metamórficos según WINKLER) nombra las condiciones de temperatura y presión máximas, que han influidas en la roca. Pero metamorfismo no es estático, más bien es caracterizado por condiciones de temperatura, presión y estrés (esfuerzo elástico) cambiándose. La historia de las condiciones de temperatura y presión, que han actuado en la roca durante un evento metamórfico, se llama en ingles ‘metamorphic p-T-path’. Este puede indicar varios parámetros como las fuentes de calor, que causan las variaciones de temperatura, la posición estructural local de la roca y el gradiente del transporte tectónico.

La fuerza elástica (esfuerzo elástico o ‘deviatoric stress’) se refiere al componente de presión dirigido, que no es del mismo valor en todas las direcciones. Normalmente el esfuerzo elástico tiene valores pequeños de 5-10bar hasta 100bar. El esfuerzo elástico puede deformar la roca, en que actúa: puede alinear los minerales, formar la foliación o la esquistosidad de la roca metamórfica o causar rotaciones de minerales. Por consiguiente el esfuerzo elástico produce las texturas dirigidas (‘fabric’) de una roca metamórfica como de un esquisto, de un gneis o de una milonita. Además los fluidos, que pasan por la roca, la presión, que ejercen estos fluidos y la interacción de los fluidos con los minerales o con la roca son factores importantes.
El quimismo total o la composición química de la roca expresado por los contenidos en óxidos de elementos también es de importancia. Puesto que en rocas de diferente composición química cristalizarán distintos minerales metamórficos bajo las mismas condiciones de temperatura y presión.
Por ejemplo con una temperatura T = 550°C y una presión p = 5 kbar (+/- 15km de profundidad) una roca arcillosa se convertirá en un esquisto micaceo, mientras que una caliza se convertirá en un mármol. La cuarcita compuesta de SiO2 puro puede derivarse de una arenisca de puro cuarzo, como puede encontrárselo en la playa o puede derivársela de un silex, lo que es una roca sedimentaria de precipitación de sílice. Los esquistos de cuarzo y feldespato o el gneis se componen principalmente de SiO2 - Al2O3 - CaO - K2O - Na2O - H2O. La roca de partida puede ser una arenisca con feldespato, una arcosa, una grauvaca o una roca magmática ácida, es decir de composición granítica o granodiorítica. Las pelitas son de composición SiO2 - Al2O3 - FeO - MgO - K2O - Na2O - H2O. A grado metamórfico medio se convierten en esquistos micaceos, a grado metamórfico alto se convierten en gneises. En pelitas calcáreas y en margas cristalizan minerales metamórficos ricos en calcio como coisita, lawsonita y margarita.

1.2 Límites del metamorfismo

El limite inferior del metamorfismo o es decir el limite entre diagénesis y el metamorfismo (de soterramiento) se pone a T = 200°C. Los cambios mineralógicos y de textura en una roca, que ocurren a T<200°c> pirofilita’ como significativa para distinguir entre diagénesis y metamorfismo. Tampoco para el limite superior existe una sola definición. En este caso se consideran la temperatura, que corresponde al inicio de la fundición de una roca como determinante para el limite superior del metamorfismo. La temperatura de fundición de una roca depende entre otros factores de su composición. Un granito empieza a fundirse a T = 625-650°C, mientras que un basalto se funde inicialmente a T = 850-900°C con p = 2-3kbar. Como limite superior se podría elegir la temperatura máxima de T = 900-1000°C.

Los agentes del metamorfismo son: la presión, la temperatura y los fluidos circulantes químicamente activos.
Durante el metamorfismo se forman unos minerales estables a las nuevas condiciones de presión y temperatura llamados indicadores. El paso a estos minerales puede ser debido a un cambio polimorfo y por la reacción entre dos minerales.
Los minerales residuales estables son aquellos que siguen siendo estables en las nuevas condiciones de presión y temperatura (las anteriores al metamorfismo).
Los minerales residuales metaestables son aquellos anteriores al metamorfismo que no son estables a las nuevas condiciones de presión y temperatura pero que permanecen por no haberse transformado todavía (debido a una lenta velocidad de reacción).
Las rocas metamórficas adquieren una textura que las diferencia de las otras.

Efectos de la temperatura:
La temperatura aumenta con la profundidad, esto es a lo que se llama gradiente geotérmico (hasta los 30 kms.).
Un lugar de gradiente geotérmico alto son las dorsales y uno bajo las zonas de subdución.
También puede aumentar la temperatura por estar próxima a una intrusión magmática y por la fricción con una falla.
Algunos minerales, debido a la temperatura, aumentan de volumen, otros expulsan volátiles (CO2 o H2O). Se forman minerales a partir de reacciones endotérmicas.
Aumenta la velocidad de reacción cuanta más temperatura

Efectos de la presión:
La presión aumenta con la profundidad.
La presión de confinamiento es la suma de la presión litostática (o de carga de todos los materiales que están encima) más la presión de fluidos (en poros y rocas), suele ser agua y petroleo.
La presión se mide en kilobares (Kb), un bar = una atmósfera.
Para que se inicie el metamorfismo la presión tiene que ser de dos kilobares.
Existe otro tipo de presión; la presión dirigida es aquella producida por esfuerzos tectónicos en una determinada dirección.

Efectos de la presión litostática:
Deshidratación de los minerales: perdida del agua de la estructura mineral.
Recristalización: se producen en las zonas de menor presión y la cristalización en las zonas de mayor presión por disolución
Formación de materiales más densos.
Efectos de las presiones dirigidas:
Los minerales se orientan de manera perpendicular en la dirección del esfuerzo, aparecen planos de exfoliación, pizarrosidad y esquistosidad (estos dos últimos borran los planos de estratificación).
Se produce recristalización.
Hay una formación de minerales densos pero que están orientados.

Físico-química de los procesos metamórficos:
Un diagrama de fases representa las zonas de estabilidad (presión y temperatura) de las distintas fases minerales.
Los minerales son fases estables en determinadas situaciones de presión y temperatura.
En un diagrama de fases el paso de un mineral a otro puede ser de dos tipos:
A- Por transformación polimórfica.
B- Por reacción de dos minerales.
Los minerales que son muy sensibles al cambio de temperatura se les llama termómetro geológico y los que son muy sensibles al cambio de presión se les llama barómetro geológico.
Termómetro geológico barómetro geológico
La paragénesis mineral es la asociación de varias fases minerales estables en un mismo intervalo de presión y temperatura. Conociendo esta, podemos saber las condiciones de presión y temperatura a la que ha estar sometido la roca.
Según aumenta el metamorfismo va aumentando el tamaño de grano de los minerales que se forman.
PIZARRA -> ESQUISTO -> GNEIS

La blastesis es el proceso de crecimiento y formación de los cristales.
Se observan dos clases de metamorfismo:
A- Progresivo: es igual que el metamorfismo pero sin ser tan alto.
B- Retrometamorfismo: es el que se produce al aumentar la serie de presión y temperatura.

Tipos de metamorfismo:
Para clasificar los tipos de metamorfismo se puede hacer mirando las diferencias de presión y temperatura.

Existen básicamente:
Metamorfismo dinámico:
Es aquel que ocurre en zonas poco profundas de la corteza, es esencialmente mecánico. Se produce por la trituración y calentamiento de las rocas a lo largo
De los planos de falla, en los que se producen movimientos relativos entre los bloques.
El proceso de trituración se llama brechificación o cataclasis. El tipo de rocas que se forman son brechas de falla (roca formada por fragmentos distinguibles unos de otros), puede ocurrir que la roca se triture mucho y quede de un tamaño muy pequeño (como si fuera harina), entonces se le llama milonita de falla. Se forman en el plano de falla. En este tipo domina la presión.

Metamorfismo de enterramiento:
Se produce por la presión de las rocas suprayacentes sobre las rocas enterradas.
La presión no es muy alta pero es suficiente para reorientar a los minerales y en ocasiones para propiciar el crecimiento de minerales de estructura laminar u hojosa. Estas rocas tienen una exquistosidad de carga.

Metamorfismo de contacto:
Los plutones ascienden atravesando las rocas encajantes provocando un calentamiento de las mismas, esta elevación de la temperatura llaga más lejos y se mantiene durante mayor tiempo cuanto más grande es el plutón. Cuanto más abajo este el plutón más grande será la aureola.
Alrededor del plutón se forma unas aureolas metamórficas
Que suelen ser corneanas o cornubianitas.
Se distinguen zonas metamórficas, cada zona se caracteriza por tener un mineral índice.
Las aureolas pueden ser:
Clorita Biotita Andalucita Sillimanita + temperatura -
Cada mineral índice marca el comienzo de las zonas metamórficas de la aureola.
Domina la temperatura, también se llama metamorfismo térmico.


Metamorfismo regional:
Tiene varios subtipos de matamorfismos por la acción de la presión y la temperatura.
Alta presión y temperatura baja: se produce en las zonas de subdución, los materiales situados entre las dos placas forman unos materiales mezclados “melange”. Se forman unas rocas llamadas esquistos azules (glaucoma azul). La temperatura es baja porque en las zonas de subdución la corteza oceánica está ya fría porque hace tiempo que se formó en la dorsal.
Alta temperatura y presión baja o intermedia: se produce por encima del plano Benioff como resultado de los procesos magnéticos derivados de la función parcial de la placa subyucente. Aparecen minerales índice y zonas metamórficas como en el de contacto, sólo que en regiones más pequeñas.
Presión y temperatura extremas: se puede producir la fusión total o parcial de la roca, a esto se llama anatexia. Cuando ha sufrido una fusión parcial al consolidarse de nuevo forma un bandeado en el que se pueden distinguir rocas o partes metamórficas y partes procedentes de la fusión, se le llama migmatita.

Concepto de zona, facies e isógrada:
C = Clorita
B = Biotita
A = Almandino (Granate)
E = Estaurolita
D = Distena
S = Sillimanita

Zona: Los minerales indicadores son estables en unas determinadas condiciones de presión y temperatura que nos indican el grado alcanzado por el metamorfismo, los cuales delimitan zonas metamórficas. Son regiones cuyas rocas contienen un mineral indicador determinado el cual señala las condiciones de metamorfismo que alcanzaron las rocas de dicha zona.
Isógrada: son superficies de separación de zonas metamórficas consecutivas, representan superficies donde se alcanzo el mismo grado metamórfico.
Durante el metamorfismo de rocas distintas (calizas, basaltos) no se forman los mismos minerales indicadores que durante el metamorfismo de las arcillas, aunque las condiciones de metamorfismo hayan sido iguales.
Facies: corresponde a un grupo de minerales pertenecientes a una o varias paragénesis minerales formadas según unas condiciones de presión y temperatura determinadas y una composición química dada.
Esta idea se fue complicando, las facies fueron divididas en innumerables subfacies. Al final se ha pasado de hablar de facies a hablar de grados metamórficos: muy bajo, bajo, medio y alto.


Relación con la tectónica de placas del metamorfismo:


Bordes constructivos: Poca presión y temperatura alta. Hay un metamorfismo regional porque abarca grandes zonas. Transforma rocas básicas (basaltos, gabros) en serpentinitas, a este proceso se le llama serpentimización.
Bordes destructivos: presión alta producida en la placa (debajo del plano de Benioff) subyucente con temperaturas bajas. Hay fricción, se forman mezclas y esquistos azules. En la parte superior del plano de Benioff se produce un metamorfismo de temperaturas altas y presión baja o intermedia, es de alta temperatura porque hay magmas.
En Japón es característico que se encuentren cinturones de alta presión y al lado de estos otros de alta temperatura.
Ambos son de metamorfismos regionales. Cuando se produce el cierre completo y hay una colisión, las cordilleras que se forman (Himalaya) tienen rocas metamórficas peor con un metamorfismo dinámico (generado por presión). También puede haber algo de metamorfismo de contacto.
Bordes pasivos: son fallas transformantes, el metamorfismo es dinámico o cataclascítico. Puede haber algo de metamorfismo de contacto cuando hay alguna salida de magma.
Interior de las placas: hay metamorfismo de contacto, relacionado con intrusiones de magma, en zonas próximas a la corteza (10 km.). en las zonas profundas hay presión y temperatura alta, se forman granulitas y eclogitas (50 - 60 kms.). en el interior y en algunos límites puede haber metamorfismo de enterramiento, se produce por la gran cantidad de sedimentos acumulados.

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