Download - Factoresd Del Metamorfismo

1. La temperatura

Propiedades trmicas de las rocas

2. La presin

3. Los fluidos metamrficos

Presin litosttica

Esfuerzos desviatorios

Presin de fluidos

4. EL tiempo como variable del meatmorfismo:

trayectorias P-T-t

Tema 1:

Factores del metamorfismo

w Capacidad calorfica

w Conductividad trmica

w Difusividad trmica

1. La temperatura

Propiedades trmicas de las rocas: capacidad calorfica

T

QC

Capacidad calorfica

DQ: calor suministrado (J)

DT: incremento de temperatura (K)

-1

[C]: J K

1. La temperatura


T

QC

m

C

Tm

Qc

Capacidad calorfica


Capacidad calorfica especfica


m: masa (kg)

-1 -1

[c]: J kg K

-1

[C]: J K

1. La temperatura


T

QC

m

C

Tm

Qc

McCm

M

Tm

QM

Tn

QCm

Capacidad calorfica


Capacidad calorfica especfica

Capacidad calorfica molar


m: masa (kg)

-1 -1

[c]: J kg K

-1 -1

[C ]: J mol Km

-1

[C]: J K

n: nmero de moles (mol)

-1

M: masa molecular (kg mol )

Sustancia Capacidad calorfica

especfica

(J kg-1

K-1

)

Masa

molecular

(kg mol-1

)

Capacidad

calorfica

molar (J mol-1

K-1

)

cobre 390 0.0635 25

plomo 130 0.2072 27

hierro 470 0.0558 26

plata 234 0.1079 25

aluminio 910 0.0270 25

agua 4160 0.0180 75

cuarzo (298 K) 750 0.0601 45

cuarzo (1000 K) 1098 66

magnetita (298 K) 653 0.2314 151

magnetita (1000 K) 890 206

olivino (forsterita) (298 K) 839 0.1407 118

olivino (forsterita) (1000 K) 1244 175

ortopiroxeno (enstatita) (298 K) 818 0.1004 82

ortopiroxeno (enstatita) (1000 K) 1205 121

clinopiroxeno (diopsido) (298 K) 766 0.2166 166

clinopiroxeno (diopsido) (1000 K) 1150 249

plagioclasa (albita) (298 K) 782 0.2623 205

plagioclasa (albita) (1000 K) 1189 312

feldespato potsico (microclina)

(298 K)

726 0.2784 202

feldespato potsico (microclina)

(1000 K)

1113 310

granate (grosularia) (298 K) 732 0.4506 330

granate (grosularia) (1000 K) 1090 491

anfbol (hornblenda) (298 K) 815 0.8125 662

mica (biotita) (298 K) 810 0.4335 351

mica (biotita) (1000 K) 1240 537

1. La temperatura


T1

q

q: flujo de calor

Ley de Fourier

Dd

: gradiente de temperatura

DT=T -T1 2

T2

DT

Dd

q DT

Dd

Propiedades trmicas de las rocas: conductividad trmica

d

Tq

1. La temperatura

-1 -1

l: conductividad trmica (W m K )

l

q: flujo de calor

Ley de Fourier:

: gradiente de temperaturagrad T =DT

Dd

q = -l grad T

1. La temperatura

T1

q

Dd

DT=T -T1 2

T2

l


-1 -1


Sustancia (a 298 K) Conductividad

trmica (W m-1 K-1)

cobre 385

plomo 34.7

hierro 50.2

plata 406

aluminio 205

agua 0.6

cuarzo 7.7

magnetita 5.1

olivino (forsterita) 5.0

ortopiroxeno (enstatita) 4.5

clinopiroxeno (diopsido) 4.7

plagioclasa (albita) 2.1

feldespato potsico (microclina) 2.5

granate (grosularia) 5.5

anfbol (hornblenda) 2.8

mica (biotita) 2.0

1. La temperatura


c

-1 -1


-1 -1

c: capacidad calorfica especfica (J kg K )

-3

r: densidad (kg m )

2 -1

k: difusividad trmica (m s )

Sustancia (a 298 K) l (W m-1

K-1

) c (J kg-1

K-1

) r (kg m-3

) k (m2 s

-1) 10

-6

cobre 385.0 390 8900 111.0

plomo 34.7 130 11300 23.6

hierro 50.2 470 7800 13.7

plata 406.0 234 10500 165.0

aluminio 205.0 910 2750 81.9

agua 0.6 4160 1000 0.1

cuarzo 7.7 750 2650 3.9

magnetita 5.1 653 4700 1.7

olivino (forsterita) 5.0 839 3220 1.9

ortopiroxeno (enstatita) 4.5 818 3200 1.7

clinopiroxeno (diopsido) 4.7 766 3300 1.9

plagioclasa (albita) 2.1 782 2600 1.0

feldespato potsico (microclina) 2.5 726 2560 1.3

granate (grosularia) 5.5 732 3350 2.2

anfbol (hornblenda) 2.8 815 3150 1.1

mica (biotita) 2.0 810 3000 0.8

1. La temperatura

Propiedades trmicas de las rocas: difusividad trmica

Flujo trmico

1. La temperatura

Flujo trmico

q

q

q

q

1. La temperatura

q

q

Valores medios

Las diferencias se deben a:

Ocanos:

Media global:

mW m

0 40 60 85 120 180 240 350

-2

65 mW m-2

100 mW m-2

85 mW m-2

Flujo trmico superficial

1. La temperatura

Continentes:

El calor que fluye desde el manto

El calor generado por desintegracin

radiactiva en la corteza

El calor transportado por cuerpos

gneos

En las cadenas montaosas: erosin

Flujo trmico superficial en los Estados Unidos

1. La temperatura

Flujo trmico superficial en la Pennsula Ibrica

Fernndez et al (1998). Tectonophysics, 291: 29-53

Dos conceptos importantes

Gradiente geotrmico: ritmo al que la temperatura

vara con la profundidad. El gradiente geotrmico es

diferente a diferentes profundidades. Cerca de la

superficie de la Tierra vale:

w 15-30 C/km (gradientes normales)

w 5-60 C/km (gradientes extremos)

Las geotermas estan formadas por segmentos con

diferente gradiente geotrmico.

Geoterma: curva sobre un grfico profundidad-

temperatura que muestra la forma en que la temperatura

vara con la profundidad por debajo de un punto particular

de la superficie de la Tierra en un instante particular de

tiempo.

Las geotermas pueden ser estacionarias o

transitorias.

1

2

1. La temperatura

Gradiente geotrmico y geoterma

Profundidad

(km)

Temperatura

(C)

Diferencia de T

(C/ 10 km)

0 0 208

10 208 187

20 395 153

30 548 116

40 664 87

50 751 68

60 819 56

70 875 45

80 920 37

90 957 34

100 991

Variacin de la temperatura con la profundidad en

una zona continental estable (cratn).

100

80

60

40

20

0

0 200 400 600 800 1000

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

geoterma

Temperatura

Temperatura (C)P

rofu

ndid

ad

(km

)

Gradiente geotrmico

Gradiente geotrmico (C/km)

1. La temperatura

Gradiente geotrmico y geoterma

Gradiente geotrmico superficial en los Estados Unidos

1. La temperatura

Temperatura estimada a 4 km de profundidad en los Estados Unidos

1. La temperatura

pro

fundid

ad

pro

fundid

ad

pro

fundid

ad

pro

fundid

ad

pro

fundid

ad

pro

fundid

ad

pro

fundid

ad

pro

fundid

ad

temperatura

temperatura

temperatura

temperatura

temperatura

temperatura

temperatura

temperatura

w geoterma estacionaria: su forma no cambia con el tiempo

w geoterma transitoria: su forma cambia con el tiempo

t1t1

t1t1

t2t2

t2t2

t3t3

t3t3

t4t4

t4t4

Las geotermas transitorias se deben a perturbaciones

tectnicas o gneas

1. La temperatura

Geoterma estacionaria y transitoria

Geoterma ocenica y continental estables

nDFDS

x

y

z

2. El esfuerzo y la presin

T: traccin (vector)

(misma orientacin que DF)

DSDS0

(n)

T = limDF

nDFDS x

y

z

Dx

Dz

szz

szx

sxx

sxy

sxz

szy

syx

syy

syz

Dyxy

z


T: traccin (vector)


DSDS0

(n)

T = limDF

(x)

T = (s , s , s ) xx xy xz

(y)

T = (s , s , s ) yx yy yz

(z)

T = (s , s , s ) zx zy zz

ns: esfuerzo (tensor

de segundo orden)

DFDS x

y

z

Dx

Dz

szz

szx

sxx

sxy

sxz

szy

syx

syy

syz

Dyxy

z

T: traccin (vector)


DSDS0

(n)

T = limDF

s =

szz

szx

sxx

sxy

sxz

szy

syx

syy

syz

(x)

T = (s , s , s ) xx xy xz

(y)

T = (s , s , s ) yx yy yz

(z)

T = (s , s , s ) zx zy zz


s =

szz

szx

sxx

sxy

sxz

szy

syx

syy

syz

Los esfuerzos en la diagonal principal son

esfuerzos normales

Los esfuerzos fuera de la diagonal principal son

esfuerzos de cizalla

2. La presin

Esfuerzo

s ,s y s son los esfuerzos principales1 2 3

s =

s3

0

s1

0 0

0

0 s2

0

Dos definiciones tiles:Elipsoide de esfuezoEjes principales

x

x'

y

y

z

y'

Esfuerzo medio: s = (s + s + s )/3m 1 2 3

Propiedad importante: el tensor de esfuerzos siempre se puede escribir

de forma que todos los esfuerzos de cizalla sean cero ejes principales.

Esfuerzo diferencial: s = s - s d 1 3

Esfuerzo: ejes principales2. La presin

sxx

sxy

syy

syx

s1

s2

Stwe (2002), Fig 5.1, p 198.

x

Esfuerzo = Esfuerzo istropo + Esfuerzo desviatorio

Esfuerzo istropo

Esfuerzo desviatorio

(esfuerzo normal medio)

s = m

1

3(s + s + s )

xx yy zz

s =

s -szz m

szx

s -sxx m

sxy

sxz

szy

syx

s -syy m

syz

s =

sm

0

sm

0 0

0

0 sm

0

s = s + s

2. La presin

Descomposicin del tensor de esfuerzos

Presin

Presin hidrosttica

La presin es el esfuerzo normal medio

La presin es el esfuerzo normal medio en el caso en el que s = s = sxx yy zz

(estado hidrosttico)

A >15 km de profundidad...

...las rocas soportan esfuerzos diferenciales muy pequeos

antes de ceder (fluir) 1-50 MPa

MPa MPa MPa

2. La presin

s =

s = P m

= 475 MPa Presin mecnica

= +

10 100

8 80470 -547510 100

6 60475 0475

8 80480 54756 60

2. La presin

T sd

sd

sd

z z zz

Geoterma

Resistencia del Qtz

a la cizalla dctil

Deformacin

lenta

Stwe (2002), Fig 5.13, p 219.

MohoMoho Moho

Tansicin

frgil-dctil

Deformacin

rpida

Resistencia del Ol

a la cizalla dctil

c

a

cal a

g

Resis

ten

ia a

l

izl

fril

Resistencia de la corteza continental

2. La presin

Presin litosttica y presin de fluidos

La presin es una fuerza por unidad de superficie y se

mide en pascales (Pa) en el Sistema Internacional

2. La presin


Presin litosttica

P =rghl

3r = densidad (kg/m )

h = profundidad (m)

2g = aceleracin de la gravedad (m/s )

P

z

gradiente

litosttico

P Pf l

P 1/3 Pf l

5-10 km

gradiente

hidrosttico



Presin litosttica Presin de fluidos (P )f

P = (P -P )e l f

Presin efectiva

Si P < 0 fracturacin hidrulicae

Normalmente P =P en condiciones metamrficasf l

P =rghl

3r = densidad (kg/m )

h = profundidad (m)

2g = aceleracin de la gravedad (m/s )



Pf

Pl

2. La presin


P

z

gradiente

litosttico

P Pf l

P 1/3 Pf l

5-10 km

gradiente

hidrosttico


Evidencias de fluidos metamrficos

Las rocas metamrficas contienen minerales hidratados y carbonatados.

CalcitaMoscovita

Tremolita

Calcita (Cal): CaCO3

Tremolita (Tr): Ca Mg Si O (OH)2 5 8 22 2 Moscovita (Ms): K Al Si O (OH)2 6 6 20 4



Durante las reacciones de desvolatilizacin los fluidos permanecen en contacto con la roca.

Ms z K s+A S+Qt f l iO +H O2 5 2

Cal+Qtz Wo+CO2

Las rocas metamrficas contienen minerales hidratados y carbonatados.



Las rocas metamrficas contienen minerales hidratados.

Inclusiones fluidas (H O >> CO > CH >> N ).2 2 4 2

Durante las reacciones de desvolatilizacin los fluidos permanecen en contacto con la roca.

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0

50

100

150

200

250

101

102

103

104

105

106

pre

si

n(b

ar)

temperatura (C)

punto crtico

curva de ebullicin

Volumen molar del lquido

Volumen molar del vapor

volu

men

mola

r(c

m3/m

ol)

220 bar

375 C

o

lquid

gas

Curva de ebullicin del agua

El agua es el fluido ms importante

durante el metamorfismo


Comportamiento del agua durante el metamorfismo


curvas de volumenmolar constante

3(cm /mol)

curva de ebullicin punto crtico

Pro

fun

did

ad

(km

)Pre

si

n (

kb

ar)

Temperatura C

0.5

1.0

1.5

2.0

1

20

100 300 500 700 900

0

C1

/k

m

30

C/k

m

3

4

5

6

7

82.5

40

60

80

100

104

018

1000

Fluido supercrtico

Vapor

Agua lquida


Propiedades sorprendentes del agua en condiciones metamrifocas

El agua no hierve (es un fluido supercrtico).

La difusividad del agua es similar a la de un gas.

La densidad del agua en estas condiciones es ms comparable a la de un

lquido que a la de un gas.

La viscosidad del agua es muy baja. Por ejemplo, a una profundidad de 12 km -5 -3

(3 kbar) y 800 C, la viscosidad del agua es de 710 Pas, comparada con 10

en superficie (20 C y 1 atm). En condiciones metamrficas, la viscosidad del

agua es ms parecida a la de un gas que a la de un lquido.

El agua se comporta de manera muy poco ideal en la mayor parte de las

condiciones metamrficas (su actividad en mucho menor que 1).

La constante dielctrica del agua es mucho menor que en superficie, lo que

hace que su comportamiento como disolvente cambie radicalmente, de polar a

no polar (es decir, de ser buen disolvente de sustancias inorgnicas a ser buen

disolvente de sustancias orgnicas).

-14

La constante de disociacin del agua no vale 10 en condiciones metamrficas, -18

sino que tiene un valor cercano a 10 , lo que significa que pH=7 no implica

neutralidad en esas condiciones, sino condiciones bastante cidas (pH=9 es el

pH neutro).


CO HH O

2

CH4

CO2

CO No hay fluidosen esta rea

CO -H O-O2 2 2

CO -H O-CH4

22

H O-CH -H S2 4 2

Lmite del grafito

La naturaleza de los fluidos metamrficos, 1

Especies voltiles en fluidos con C-O-H-S

1100C

0.5 GPa (=5 kbar)


400

CH4

CO2

CO

H O2

H S2

H2

0

50

100

600

Pro

po

rci

n r

ela

tiva

(%

)

800 1000

Especiacin de los fluidos en una

roca metamrfica con grafito0.2 GPa (= 2 kbar)



T (C)

Especies no voltiles

Iones disueltos

Especies disueltas

Neutras: NaCl, KCl, CaCl , MgCl | SiO2 | 2 2

Cloruros de Al, Fe, Zn, Pb, Cu y Ag

- + + 2+ 2+ +

Cargadas: Cl , CaCl , MgCl , Mg , Ca , H

- 3- 2-

Aniones: Cl | HCO , SO4

+ + 2+ 2+ 3+ -

Cationes: Na , K , Ca , Mg | Si | Al , Fe, Zn, Pb, Cu, Ag



4. El tiempo como variable del metamorfismo:

trayectorias P-T-t

t5

t5

tiempo=0 Ma

tiempo=10 Ma

Pre

si

n

M

xim

a

tem

pe

ratu

ra

Temperatura

roca 1

roca 2

roca 3

roca 4

tiempo=20 Ma

tiempo

30 Ma

t1

t2

t3

t4

t6

t6

ABCD

t4

Mxima

presin

t2

t3

t1

geoterma estacionaria

geoterma transitoria

T1

1

1

12

2

2

2

T

z z

1 12

2

4. Trayectorias PTt

Modelos de engrosamiento cortical

20000

5

10

15

20P

resi

n (

kb

ar)

Temperatura (C)


al comienzo del metamorfismo

geotermas transitorias

durante el metamorfismo

trayectoria P-T-t

de la roca 3

mxima presin

m

xim

a te

mp

era

tura

t6

t5

t4

t3t

2

t1

t0

400 600 800 1000

g4g3

g2

g1g5

g6

4. Trayectorias PTt

Trayectoria presin-temperatura-tiempo

20000

5

10

15

20P

resi

n (

kb

ar)

Temperatura (C)

mxima presin

Asociacin

mineral

normalmente

conservada

odargrter omsifromatem

odarg

orp

om

sifro

mat

em

m

xim

a te

mp

era

tura

tfinal

tmaxP

tmaxT

t0

400 600 800 1000

4. Trayectorias PTt

Metamorfismo progrado y retrgrado

10

20

30

40

0

5

10

15

20

0

200

400

600

800

pre

si

n(k

bar)

tempe

ratura

(C)

Tiempo

(ma)

4. Trayectorias PTt

Trayectoria PTt en tres dimensiones

2000

0

5

10

15

20P

resi

n (

kb

ar)

Temperatura (C)



trayectoria P-T-t

de la roca 1

roca 2

roca 3

roca 4

400 600 800 1000

4. Trayectorias PTt

Lnea piezotrmica

2000

0

5

10

15

20P

resi

n (

kb

ar)

Temperatura (C)



trayectoria P-T-t

de la roca 1

roca 2

tTmax1

tTmax2

tTmax3

tTmax4

roca 3

roca 4

400 600 800 1000

4. Trayectorias PTt

Lnea piezotrmica

2000

0

5

10

15

20P

resi

n (

kb

ar)

Temperatura (C)



lnea

piezotrmica

trayectoria P-T-t

de la roca 1

roca 2

tTmax1

tTmax2

tTmax3

tTmax4

roca 3

roca 4

400 600 800 1000

4. Trayectorias PTt

Lnea piezotrmica

2000

0

5

10

15

20P

resi

n (

kb

ar)

Temperatura (C)

lnea

piezotrmica

tTmax1

tTmax2

tTmax3

tTmax4

roca 3

roca 4

400 600 800 1000

4. Trayectorias PTt

Lnea piezotrmica

roca 1

roca 2

Trayectoria presin-temperatura-tiempo:

Curva P-T descrita por un volumen de roca particular a lo largo de

su evolucin durante un episodio de metamorfismo. Cada punto

sobre la curva corresponde a un instante de tiempo diferente.

Pico trmico o clmax metamrfico:

Punto sobre la trayectoria P-T-t correspondiente a la temperatura

mxima alcanzada por cada volumen de roca.

Las asociaciones minerales conservadas en las rocas metamrficas

suelen corresponder a este punto de la trayectoria P-T-t.

Geoterma metamrfica:

Curva que resulta de unir los puntos correspondientes a los picos

trmicos de todas las rocas de un terreno metamrfico.

OJO!: no es una geoterma en el sentido estricto de la palabra, ya

que une puntos con una coordenada temporal distinta. Otros

autores la denominan gradiente geotrmico de campo o lnea

piezo-trmica.

4. Trayectorias PTt

Pgina 1Pgina 2Pgina 3Pgina 4Pgina 5Pgina 6Pgina 7Pgina 8Pgina 9Pgina 10Pgina 11Pgina 12Pgina 13Pgina 14Pgina 15Pgina 16Pgina 17Pgina 18Pgina 19Pgina 20Pgina 21Pgina 22Pgina 23Pgina 24Pgina 25Pgina 26Pgina 27Pgina 28Pgina 29Pgina 30Pgina 31Pgina 32Pgina 33Pgina 34Pgina 35Pgina 36Pgina 37Pgina 38Pgina 39Pgina 40Pgina 41Pgina 42Pgina 43Pgina 44Pgina 45Pgina 46Pgina 47Pgina 48Pgina 49Pgina 50Pgina 51Pgina 52

Download - Factoresd Del Metamorfismo

Top Related