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• javier

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Capítulo 10: Metamorfismo

Basalto fresco y basalto meteorizado: cuál es el reino del metamorfismo?

Capítulo 10: Metamorfismo • La IUGS ha propuesto la siguiente definición: “Metamorfismo es un proceso esencialmente subsolidus que provoca cambios en la mineralogía y/o textura (por ej.: tamaño de grano) y a menudo también induce cambios en la composición química de una roca. Estos cambios se deben a condiciones físicas y/o químicas que difieren de aquellas normalmente presentes en la superficie del planeta y en zonas de cementación y diagénesis debajo de ésta. El metamorfismo puede coexistir con la fusión parcial.” Deformación por sí sola no cuenta si no hubo recristalización o cristalización de nuevas fases.

Capítulo p 10: Metamorfismo Los cambios químicos del metamorfismo son mínimos y más que nada referidos a movilización de fluidos o cambios en la presión parcial de aquéllos en el sistema. sistema C d los Cuando l agentes t que provocan ell metamorfismo generan, además de cambios mineralógicos de ajuste a nuevas P y T, T grandes cambios en el volumen y quimismo de la roca, el pproceso es denominado metasomatismo

Los límites del Metamorfismo • El metamorfismo de baja temperatura pasa gradualmente d l a la l diagenesis di i Como p procesos, son difíciles de distinguir g ) El metamorfismo comienza entre 100100-150oC para los tipos más inestables de protolitos (rocas originales) ) Algunas zeolitas son consideradas diagenéticas y otras metamórficas – límite bastante arbitrario )

)

laumontita, analcima, laumontita analcima heulandita, heulandita carpolita, carpolita paragonita, paragonita prehnita, prehnita pumpellita, lawsonita, glaucofano o stilpnomelano (!!!!)

Los límites del Metamorfismo • El límite de alta T grada en la fusión – en qué punto del proceso consideramos que se convirtió en roca ígnea? • En el rango de T y P en que las rocas se funden coexisten sólidos y líquidos • Xenolitos Xenolitos,, restitas y otros enclaves son típicos del ambiente ígneo, pero la distinción con aquellos ligados al metamorfismo es muy oscura y discutible • Migmatitas (“rocas mezcladas”) son gradacionales con rocas ígneas: porciones félsicas en migmatitas… diques delgados o precipitados de (o recristalizados por) fluidos a lo largo de fracturas?

Agentes g y cambios metamórficos • Temperatura Temperatura:: típicamente el factor más importante del metamorfismo

Figure 1-9. Rangos estimados de las geotermas normales oceánicas y continentales hasta una profundidad de 100 km, usando los límites superiores e inferiores basados en flujos de calor medidos en o cerca de la superficie. Sclater et al. (1980), Earth. Rev. Geophys. Space Sci., 18, 269311.

Agentes y cambios metamórficos El incremento de temperatura tiene varios efectos 1) Promueve la recristalización → incrementa el tamaño de grano ( (menor t tamaño ñ = mayor sup. específica ífi = menor estabilidad) t bilid d) 2) Conduce las reacciones que consumen minerales inestables para producir nuevas fases estables en las nuevas condiciones 3) Permite superar las barreras cinéticas y de activación que impiden alcanzar el equilibrio luego de la diagénesis (di é i produce (diagénesis d condiciones di i muy inestables). i bl ) Las asociaciones minerales tienden por ello a simplificarse con la T en incremento.

Agentes y cambios metamórficos • Presión )

Los gradientes “normales” pueden p eden ser perturbados en varias formas: Œ

Œ

Alta T/P por ascenso de las geotermas

en areas de actividad plutonica o rifting

Baja T/P por descenso de geotermas en zonas de subduccion Œ

Estas perturbaciones suelen ser transitorias y el ggradiente vuelve a su estado “normal”

Contacto:

6060-70 ° C/ km

Regional Presion baja:

3535-45 ° C/ km

Regional Presion media:

2020-25 ° C/ km

Regional Presion alta:

1010-15 ° C/ km

Figure 21-1. Campos de gradientes metamórficos para algunas áreas metamórficas asociadas a cinturones orogénicos antiguos. Turner (1981). Metamorphic Petrology: Mineralogical, Field, and Tectonic Aspects. McGraw-Hill.

Agentes y cambios metamórficos • Presión litostática (confinamiento) es una presión uniforme (hidrostática) • Presión dirigida = presión desigual en diferentes direcciones • Presión es resuelta en tres componentes del esf er o mutuamente esfuerzo m t amente perpendiculares perpendic lares (σ): σ1 es el esfuerzo principal máximo σ2 es ell esfuerzo f principal i i l intermedio i di σ3 es el esfuerzo principal mínimo

• En condiciones de confinamiento o litostáticas los tres esfuerzos son iguales

Agentes y cambios metamórficos • Esfuerzo: fuerza aplicada sobre una roca en un á / área/sección ió transversall particular i l • Deformación → frágil/fallamiento o dúctil/flujo • El esfuerzo o presión dirigida afecta texturas y pero no la asociación mineral en estructuras, p equilibrio • La energía deformacional, sin embargo, puede superar barreras cinéticas y activar el proceso de eacc ó metamórfica e a ó ca reacción

• La foliación es la respuesta usual a la presión di i id permitiendo dirigida, i i d estimar i la l orientación i i de d σ1 σ1

• σ1 > σ2 = σ3 → foliación f li ió y no lineación li ió • σ1 = σ2 > σ3 → lineación y no foliación • σ1 > σ2 > σ3 → foliación y lineación

Agentes y cambios metamórficos Durante la cizalla el movimiento toma lugar a lo largo de planos que forman un ángulo con σ1

σ1

La cizalla L i ll puede d resolverse l tanto t t por deslizamiento d li i t a lo l largo l de d planos de clivaje como también por flujo. La distinción entre cizalla y aplastamiento puede ser difícil (indicadores cinéticos)

Agentes y cambios metamórficos Fluidos E id i de Evidencia d la l existencia i t i de d fluidos fl id metamórficos: t ó fi ) Inclusiones fluidas ) Los fluidos son necesarios para formar fases hidratadas o carbonatos, carbonatos, promueven la disolución de algunos minerales y favorecen la recristalización de otros ) Las reacciones que involucran volátiles ocurren a T y P qque requieren q ppresiones de fluidos finitas (definirlas (definirlas es importante) importante)

Agentes y cambios metamórficos • Pfluido es la suma de presiones parciales de cada componente (Pfluido = pH2O + pCO2 + …) • Fracciones Molares de los componentes que deben sumar 1.0 (XH2O + XCO2 + … = 1.0) • Origen: los fluidos pueden ser meteóricos, juveniles (origen magmático), material subductado, salmueras sedimentarias o derivados de desgasificación del manto • Gradientes en T, P, Xfluidos → Zonaciones de las asociaciones i i minerales i l • El movimiento de fluidos puede transportar varias especies químicas í i (cationes) ( ti ) en solución l ió a través t é de d considerables id bl distancias, contribuyendo al fenómeno del metasomatismo

Agentes y cambios metamórficos Grado metamórfico S refiere Se fi all caracter mineralógico i ló i de d una roca, asociado i d a su temperatura de metamorfismo: bajo, medio, alto. R Rocas de d la l misma i composición i ió química, í i pero de d distinto di ti t grado pueden exhibir distintas fábricas, pero lo más diagnóstico es la asociación mineral A mayor grado, grado, menor proporción de minerales hidratados o menor concentración de volátiles en estos últimos Concepto de isograda (más adelante)

Tipos de Metamorfismo 1. Clasificación basada en el agente principal o proceso ) Metamorfismo Dinámico P dirigida dominante; deformación + recristalización )

Metamorfismo Térmico T dominante en ambiente de P estática; recristalización + neoformación

)

Metamorfismo Dinamotérmico T y P actúan tú conjuntamente; j t t deformación d f ió + recristalización + neoformación

Tipos de Metamorfismo 2. Clasificación basada en el ambiente ) Metamorfismo de contacto Œ Pirometamorfismo ) Metamorfismo Regional Œ Orogénico g Œ Soterramiento Œ De Piso oceánico ) Metamorfismo Hidrotermal ) Metamorfismo de zona de falla ) Metamorfismo de Impacto (raro)

Metamorfismo de contacto • Adyacente a intrusiones ígneas • Efectos térmicos (± (± metasomáticos) del magma caliente que intruye rocas más frías y someras • Ocurre sobre una amplio rango de presiones, incluídas las más bajas • Forma típicamente una aureola de contacto, contacto, tanto más extendida cuanto mayor es el desequilibrio entre plutón y encajante

Metamorfismo de contacto El tamaño y forma de una aureola está controlada por: )

)

La naturaleza del plutón Œ Tamaño Œ Temperatura Œ Forma Œ Composición Œ Orientación La naturaleza de la roca de caja Œ Composición Œ Profundidad y grado metamórfico previo a la intrusión Œ Permeabilidad

Metamorfismo de contacto Se reconoce más fácilmente cuando un plutón se introduce en un encajante somero en un ambiente esencialmente estático → Hornfels (granofels) comúnmente con texturas y estructuras relícticas

Progressive thermal metamorphism of slate. From Best (1982). Igneous and Metamorphic Petrology. W. H. Freeman. San Francisco.

Progressive thermal metamorphism of slate. From Best (1982). Igneous and Metamorphic Petrology. W. H. Freeman. San Francisco.

Progressive thermal metamorphism of slate. From Best (1982). Igneous and Metamorphic Petrology. W. H. Freeman. San Francisco.

Metamorfismo de contacto Sin embargo, las rocas polimetamórficas son comunes,, usualmente representadas p ppor ciclos orogénicos seguidos o precedidos de eventos de contacto • Filitas (o pizarras) maculosas y moteadas • Debido a: ) Retraso en la migración del magma respecto del pico metamórfico ) Una fase separada de magmatismo (pre(pre- o postectónico?metamórfico) ó i ? ó fi )

Metamorfismo de contacto Pirometamorfismo M altas Muy lt temperaturas t t a muy bajas b j presiones, i generadas por cuerpos volcánicos o subvolcánicos b l á i También desarrolladas en xenolitos Buchitas

Metamorfismo Regional Metamorfismo Regional sensu lato lato:: es el que afecta a ggrandes masas de roca cubriendo una extensión lateral muy amplia Tres tipos principales: ) Orogénico ) De soterramiento ) De Piso oceánico

Metamorfismo Regional Metamorfismo Orogénico es el que se asocia a g de placas p convergentes g ((AI,, MCA,, ZCC)) márgenes Los términos “metamorfismo regional”y metamorfismo orogénico”son frecuentemente aplicados como sinónimos

• Dinamotérmico: uno o más episodios de orogenias con gradientes geotermales elevados y deformación (P dirigida) combinados producto característico • Las rocas foliadas son el p

Metamorfismo Regional Metamorfismo Orogenico g

Figure 21-6. Schematic model for the sequential (a → c) development of a “Cordilleran-type” or active continental margin orogen. The dashed and black layers on the right represent the basaltic and gabbroic layers of the oceanic crust. From Dewey and Bird (1970) J. Geophys. Res., 75, 2625-2647; and Miyashiro et al. (1979) Orogeny. John Wiley & Sons.

Metamorfismo Regional Metamorfismo Orogénico Metamorphism p

Metamorfismo Regional Metamorfismo Orogénico • Alzamiento y erosión • El metamorfismo a menudo continúa luego de que finalizan las fases de deformación principales ) El patrón metamórfico es más sencillo que el estr ct ral (centrado en unn domo térmico estructural central:: grado metamórfico, aporte calórico, central engrosamiento y alzamiento al amiento cortical máximos) má imos) • El grado metamórfico aumenta siempre hacia la zona expuesta del d l núcleo ú l ígneoígneo í -metamórfico ó fi From Understanding Earth, Press and Siever. Freeman.

Metamorfismo Regional Metamorfismo Orogénico • Patrones polimetamórficos complejos (varios episodios de metamorfismo y deformación) • Colisión continental: patrones más complejos aún (sumar el margen pasivo y sedimentos epicontinentales acarreados por uno de los continentes) • Batolitos está usualmente presentes en las zonas de mayor grado metamórfico (el metamorfismo es regional de alta T/P por alto flujo térmico no de contacto!!) • Si los plutones son muy cercanos y las aureolas se sobrelapan : metamorfismo regional de contacto

Metamorfismo Regional Metamorfismo de soterramiento (Coombs, 1961) • Sinclinal de Southland - Nueva Zelanda: columna espesa (> 10 km) de rocas volcaniclásticas Mesozoicas • Deformación D f ió débil débil, sin i intrusiones i t i ígneas í • Composiciones volcánicas ricas en vidrio y fases de alta T: muy reactivas y suceptibles de metamorfización • Efectos metamórficos atribuídos a T y P crecientes ppor enterramiento y a hidrotermalismo (Met. (Met. Hidrotermal) Hidrotermal) • Campo de diagénesis hasta bajo grado metamórfico (zeolitas,, prehnita, pumpellita, laumontita, etc). (zeolitas

Metamorfismo Regional El metamorfismo de soterramiento acontece en áreas g u orogénesis g sin deformación significativa • Restringido a grandes y espesas columnas de roca poco disturbadas disturbadas, lejanas de los márgenes de placa activos ) )

G lf dde Méji Golfo Méjico? Méjico? Cuña sedimentaria de Bengala? (Ganges – Brahmaputra) > 22 km; k 250250-300oC en lla base b (P ~ 00.6 6 GP GPa))

Metamorfismo Regional Metamorfismo de Piso Oceánico afecta la corteza oceánica en las dorsales mesomeso-oceánicas • Metasomatismo y alteración hidrotermal considerables con pérdida de Ca y Si y ganancia considerables, de Mg y Na • Rocas R ricas i en cloritaclorita l i -cuarzo, composición i ió alta l en Mg y baja en Ca • Intercambios entre basaltos y agua de mar caliente • Otro Ot ejemplo j l dde metamorfismo t fi hid t hidrotermal l

Tipos de Metamorfismo Metamorfismo de zona de falla y Metamorfismo de p impacto ) Altas tasas de deformación con sólo menor recristalización ) Metamorfismo de impacto en cráteres de meteoritos ) Ambos tipos se correlacionan con el metamorfismo dinámico, dinámico, basado en procesos

(a) Zona de falla somera con brecha de falla (b) Zona Z de d falla f ll más profunda (expuesta por erosion) con flujo dúctil y formación de milonitas El término “falla” incluye zonas o fajas de cizalla de varios km de ancho

Metamorfismo progradante y retrogradante • Progrado: incremento en el grado metamórfico con el tiempo, a medida que una roca es sometida a condiciones metamórficas cada vez más severas • Retrogrado: Grado decreciente a medida que una roca se enfría y se recupera de un evento metamórfico

La condición progresiva del metamorfismo • Una roca metamórfica de alto grado expuesta en superficie, pasó probablemente a través de una secuencia de asociaciones minerales en equilibrio según progresaban (aumentaban) las condiciones metamórficas desde su protolito nono-metamórfico • La distribución zonal de rocas metamórficas preservadas en una secuencia geográfica sugiere que cada roca preserva generalmente la mineralogía coincidente con el máximo grado metamórfico que experimentó (OJO (OJO – petrografía!!! petrografía!!!))

La condición progresiva del metamorfismo El metamorfismo retrogradante es de menor importancia (bordes de retrogradación de minerales de alta T) • Las reacciones progradantes son endotérmicas, por l tanto lo t t fácilmente fá il t conducidas d id por T en aumento t • Las reacciones de devolatilización (deshidratación) son más á fáciles fá il de d lograr l que las l que reintroducen i d volátiles • La geotermometría y la petrología experimental indican que las composiciones minerales son las que coinciden con las equilibradas a mayor T

Protolitos - Tipos Se agrupan las rocas sedimentarias e ígneas en seis grupos geoquímicos distintos (la química es el dato más importate para reconocer el protolito) 1 Ultramáfico 1. Ult áfi – muy altos lt Mg, M F Fe, Ni Ni, C Cr 2. Máficos - alto Fe, Mg, Ca 3. Pelítico (arcilloso) - alto Al, K, Si g CO2 4. Carbonático Carbonático-- alto Ca, Mg, 5. Cuarzoso – casi pura SiO2. 6 Cuarzo 6. Cuarzo--feldespático - alto Si, Si Na, Na K, K Al OJO: Las categorías varían gradacionalmente (ejemplo: areniscas inmaduras)