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PRINCIPIOS DE GEOQUÍMICA (5531)

TEMA 7. Metamorfismo y rocas metamórficas

Temario:

I. Definición de metamorfismo. Condiciones del proceso. Factores delmetamorfismo.

II. Tipos de metamorfismo.

Prof. Grony Garbán G. (2013)

III. Rocas metamórficas, composición química y mineralógica.

IV. Reacciones metamórficas.

V. Metasomatismo.

VI. Principio de facies metamórficas.



I. Definición de metamorfismo.

El metamorfismo se refiere a los cambios (predominantement e en estadosólido) mineralógicos, texturales y composicionales que s ufre una rocapreexistente bajo condiciones de presión, temperatura y fl uidos. Estoscambios ocurren en condiciones que se encuentran por encima de etapas dediagénesis y por debajo de procesos de fusión avanzada. Winter (2001)

Es importante señalar que los productos del metamorfismo no solo se van a poder


Es importante señalar que los productos del metamorfismo no solo se van a poderdefinir en términos de una temperatura o una presión dada, sino que tambiéndependerán de la composición mineralógica y la textura inicial de la rocapreexistente.



I. Condiciones del metamorfismo.

Hablar de las condiciones que limitan el metamorfismo es poco preciso. El límite seencuentra establecido en condiciones de P y T por encima de diagénesis (límiteentre procesos sedimentarios y metamórficos) y por debajo de condiciones de fusióndel protolito (limite entre procesos metamórficos e ígneos).

Límites de temperatura


Como consenso general se estima que el metamorfismo comienza en un rango de100 a 150ºC para la mayoría de los tipos inestables de protolitos. Sin embargoexisten procesos diagenéticos que se extienden hasta los 200ºC.Con el límite superior ocurre la misma imprecisión. Las rocas granitoidescomienzan a fundir a temperaturas cercanas a 600ºC (dependiendo del contenidode H2O), pero existen condiciones de metamorfismo de alto grado yultrametamorfismo 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 presentanmayores imprecisiones. A bajas presiones, pero con un anormalmente alto gradientegeotérmico, puede suministrar suficiente temperatura para iniciar metamorfismo. Porotro lado se han encontrado xenolitos mantelares (kimberlíticos) metamorfizados,que registran presiones por encima de 4 Gpa. Sin embargo los límites prácticos que


que registran presiones por encima de 4 Gpa. Sin embargo los límites prácticos queabarcan 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 expuest a acondiciones físicas y químicas significativamente difere ntes a las queinicialmente la formaron, cualquier parámetro que pueda ca usar cambios en elambiente, puede propiciar el metamorfismo. Estos parámetr os incluyen:temperatura, presión y la naturaleza de las fases fluidas.





Temperatura:

• Es el principal agente de metamorfismo . Provee la energía que propicia lasreacciones de transformación de una fase mineral a otra, rec ristalización ydesvolatilización (deshidratación y descarbonatación) .

•El incremento de temperatura se propicia principalmente por soterramiento


•El incremento de temperatura se propicia principalmente por soterramiento(gradiente geotérmico) o por efecto de la intrusión de un cue rpo ígneocaliente.

•La recristalización resulta en un crecimiento del tamaño de g rano del mineral.Este efecto es particularmente significativo en protolito s de grano fino.

•Este agente es significativo en metamorfismos de tipo regio nal y de contacto.




Presión:

• La presión en las rocas se debe a dos procesos fundamentalmen te:a) Por carga litostática (presión de confinamiento) que cau san fuerzas

compresionales que actúan de igual forma en todas las direcc iones.b) Por esfuerzos tectónicos direccionales, los cuales gener an fuerzas

dirigidas en una dirección preferencial, y que traen como consecuencia


dirigidas en una dirección preferencial, y que traen como consecuenciaalgunos rasgos como la foliación, esquistosidad y el plegam iento.Estos esfuerzos pueden ser tensionales, compresionales o de cizalla




Presión:

• La presión (a igual que el gradiente geotérmico) se incremen ta con laprofundidad.

•Esta envuelto principalmente con metamorfismo de tipo regi onal





Fluidos químicamente activos

• Poseen una marcada influencia en las reacciones metamórfic as.

• El agua de poros presente en las rocas es el fluido más común en vuelto en elmetamorfismo. Existen otros fluidos menos comunes como CO 2 y CH4 entreotros .


otros .

•El agua permite la removilización de iones a través de la roca s ólidapropiciando la recristalización (neocristalización) de fas es más estables . Elintercambio de iones entre minerales permite la formación d e fases mineralesnuevas (ejemplo: Granates).

• Se puede dar transformaciones por efecto de los fluidos reac tivos con unmínimo cambio químico global entre el protolito y la roca met amórfica(isoquímico). Sin embargo, cuando un cambio químico sustan cial acompaña almetamorfismo (aloquímico) el proceso es llamado metasomatismo .




Grado metamórfico:Es un término conveniente que expresa el incremento general delmetamorfismo sin especificar la relación exacta entre pres ión y temperatura.

Metamorfismo de bajo grado Metamorfismo de alto grado

Rocas que son sometidas a Rocas que son sometidas a


Rocas que son sometidas apequeños cambios en lascondiciones de presión ytemperatura, propiciandoligeros cambios entre elprotolito y la roca metamórficafinal.

Rocas que son sometidas aseveras condiciones de presióny temperatura, propiciandograndes cambios entre elprotolito y la roca metamórficafinal.

Progresivo y Retrogrado?




Según lo establecido por la Subcomisión de Sistemática en Ro casMetamórficas de la USGS, los tipos de metamorfismo se pueden clasificar en:

•Metamorfismo de Contacto

•Metamorfismo RegionalMetamorfismo orogénico


Metamorfismo orogénicoMetamorfismo de soterramientoMetamorfismo de piso oceánico

•Metamorfismo cataclástico

Metamorfismo de impacto o choque




Metamorfismo de Contacto :

• Propiciado por el contacto entre un cuerpo ígneo intrusivo c aliente y elprotolito (roca caja).

•El agente de metamorfismo fundamental es la temperatura.

•Generalmente se acompaña de metasomatismo .


•Generalmente se acompaña de metasomatismo .

•Presenta una estructura característica denominada “Aureo la de Contacto”donde existe un gradiente de temperatura desde el plutón int rusivo haciala roca caja.

•La fábrica textural característica se denomina Hornfels (g rano fino, condistribución parcialmente azarosa).

•Se pueden presentan mineralizaciones importantes. Zonas de Skarn(contacto ígneo con cuerpo carbonático) que producen varie dades deminerales silici - cálcicos.




Metamorfismo de Contacto :




II. Tipos de metamorfismo.Metamorfismo Regional :

• Metamorfismo que afecta cuerpos rocosos que abarcan una gra nextensión areal (decenas de kilómetros).

• Existe tres tipos fundamentales: a) metamorfismo orogénico; b)metamorfismo de soterramiento; y c) metamorfismo de piso oceánico.


Metamorfismo orogénico:

•El metamorfismo orogénico esta asociado con márgenes de pla caconvergentes (arcos de islas, arcos continentales, zonas de colisióncontinental) .

•Se encuentra asociado a la formación de cinturones orogénic os.




•Es de naturaleza dinamo-termal, combinando grandes gradien tesgeotérmicos y deformación.

•Suele estar acompañado de sucesivos episodios de metamorfi smosy deformación que se sobreimponen unos sobre otros, generan do losdenominados complejos de polimetamorfismos.


Metamorfismo de soterramiento (Coombs, 1961):

•Es un metamorfismo de bajo grado que ocurre en las cuencassedimentarias como consecuencia del soterramiento y subsi dencia dela columna de sedimentos.

•No se presentan estructuras de deformación significativas .




•Se generan minerales metamórficos de bajo grado (zeolitas, p rehnita,pumpellita) en vetas y asociados a material opalino.

•Suele estar acompañado de metasomatismo.


Metamorfismo de piso oceánico (Miyashiro et al., 1971):

•Es un metamorfismo que afecta la corteza oceánica en la zonas deexpansión de piso oceánico.

•Se caracteriza por altas temperaturas y una baja presión.

•Las rocas presentan una considerable alteración metasomática .




•Las rocas presentan una considerable alteración metasomática .Notable perdida de Ca y Si y ganancia de Mg y Na (intercambio en treroca basáltica y la química del agua de mar).




Metamorfismo cataclástico :

• Metamorfismo que ocurre en áreas que experimentan una consi derabledeformación y esfuerzo (a un tiempo rápido), con un menor efec to derecristalización termal. Se dan en zonas de altos esfuerzos de c izalla.•En las zonas de fallas estructurales se presentan este metamo rfismodinámico (de alto estrés) con procesos de cataclásis (ruptu ra física delmaterial rocoso).•En zonas de un metamorfismo cataclástico intenso se forma una roca de



•En zonas de un metamorfismo cataclástico intenso se forma una roca degrano fino (producto de recristalización por cizallamiento d úctil) conblastopórfidos de feldespatos, denominada Milonita



III. Clasificación de Rocas metamórficas.

Rocas foliadas (o con estructuras lineales)

Rocas No foliadas (o sin estructuras lineales)

Rocas de alto estrés

Son rocas que presentantexturas lineales (foliación,esquistosidad, estructuragnéisica), producto

Rocas que no presentantexturas lineales, por lo queno muestran orientaciónpreferencial en los

Rocas metamórficasasociadas a las zonas defalla o cizalla. Pueden sersin cohesión primaria y con


fundamentalmente de laorientación preferencial deminerales elongados oplanares. En general lasrocas foliadas de bajoestrés son causadas pormetamorfismo regional y eltipo de foliación varía con elgrado metamórfico.

minerales que lasconforman. Un términogeneral para la textura quemuestran estas rocas es detextura granofels. Elhornfels es un tipoparticular de roca no foliada

cohesión primaria (foliadaso no foliadas)




Rocas foliadas


Pizarra (slate) Filita (phyllite) esquisto (schist) nei s o gneis (gneiss)




Rocas no foliadas





Rocas de alto estrés

Rocas sin cohesión primaria

Rocas con cohesión primaria

No foliada Foliada

Brecha de falla Microbrecha Protomilonita Blastomilonita(muy

recristalizada)Cataclasita Milonita-Filonita


recristalizada)Cataclasita Milonita-Filonita

Ultramilonita

Brecha de falla Cataclasita Milonita



III. Clasificación de Rocas metamórficas.Otras rocas metamórficas comunes

Roca característica

Anfibolita Roca generalmente foliada

dominada por hornblenda y

plagioclasa. Protolito máfico

(ígneo) u grauvaca.

Eclogita Roca de alta P,T, constituida

por piroxeno (onfacita) y


por piroxeno (onfacita) y

granate (piropo). Protolito

basáltico

Granulita Roca de metamorfismo de alto

grado. Presencia de

plagioclasa y ortopiroxenos.

Migmatita Roca producto de fusión de

algunos componentes

minerales (leocosomas) con

otros que no se funden

(melanosomas)

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PREGUNTAS PREGUNTAS



III. Minerales comunes de rocas metamórficas.Nombre de mineral formula clase

Cuarzo SiO2 Tectosilicato

AndalusitaSilimanita

Cianita

Al 2SiO5 Nesosilicato

Cordierita (Mg,Fe) 2Al 4Si5O18.nH2O Ciclosilicato

Piropo Mg 3Al 2Si3O12 Nesosilicato-granate

Clorita (Fe,Mg) 3 (Al,Si) 4O10(OH)2.(Mg,Fe)3(OH)6 Filosilicato-mica

Enstantita MgSiO 3 Inosilicato-piroxeno

Antofilita Fe Mg Si O (OH) Inosilicato -anfíbol


Antofilita Fe2Mg5Si8O22(OH)2 Inosilicato -anfíbol

Talco Mg 3Si4O10(OH)2 Filosilicato

Serpentina* Mg 3Si2O5(OH)4 Filosilicato

Forsterita Mg 2SiO4 Nesosilicato

Estaurolita Fe 2Al 9O6(SiO4)4 (O,OH)2 Nesosilicato

Almandino Fe 3Al 2Si3O12 Nesosilicato-granate

Cummingtonita (Mg,Fe) 7Si8O22(OH)2 Inosilicato-anfíbol

Wollastonita CaSiO 3 Inosilicato-piroxenoide

Grosular Ca 3Al 2Si3O12 Nesosilicato-granate

Zoisita Ca 2Al 3(SiO4)3(OH) Tectosilicato-zeolita

Anortita CaAl 2Si2O8 Tectosilicato-plagioclasa



III. Minerales comunes de rocas metamórficas.

Nombre de mineral formula clase

Diopsido CaMgSi 2O6 Inosilicato-piroxeno

Tremolita Ca 2Mg5Si8O22(OH)2 Inosilicato-anfíbol

Actinolita Ca 2(Fe,Mg)5Si8O22(OH)2 Inosilicato-anfíbol

Hornblenda (Na,Ca) 2(Fe,Mg,Al) 5Si8O22(OH)2 Inosilicato-anfibol

Jadeita NaAlSi 2O6 Inosilicato-piroxeno

Glauocofano Na 2Mg5Si8O22(OH)2 Inosilicato-anfíbol


Albita NaAlSi 3O8 Tectosilicato-plagioclasa

K-feldespato KAlSi 3O8 Tectosilicat-feldespato

Moscovita KAl 2(AlSi 3O10)(OH)2 Filosilicato-mica

Flogopita KMg 3(AlSi 3O10)(OH)2 Filosilicato-mica




Generalidades :

• El cuarzo se encuentra presente en las rocas ricas en síliceprácticamente en todo el rango de condiciones de metamorfis mo.

• Los feldespatos son comunes y abundantes, mostrando las sig uientescaracterísticas:


•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 demetamorfismo. La albita (pura) es característica de metamorfismo de bajogrado, aumentando el contenido de Ca cuando incrementa el gradometamórfico.




Generalidades :

• Los inosilicatos (piroxenos y anfíboles) son comunes y abun dantes enlas rocas metamórficas:

•En términos generales los anfíboles son típicos de rocas metamórficas debaja a moderada temperatura, mientras los piroxenos se asocian a rocas dealtas temperaturas.


altas temperaturas.

• Los filosilicatos son especialmente característico de las rocasmetamórficas:

•Talco, serpentina, cloritas, moscovita y biotita son ampliamente distribuidasen 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 deempaquetamiento compacto se asocian a condiciones de alta p resión:

•La cianita es el polimorfo mas denso, y por lo tanto se asocia acondiciones de metamorfismo de alta presión.•La andalusita es características de rocas de alta temperatura y bajaspresiones.


presiones.•La silimanita se encuentra asociada a rocas de alto grado demetamorfismo (altas P y T).



III. Minerales comunes de rocas metamórficas.Generalidades :

• Los nesosilicatos son abundantes y al ser estructuras deempaquetamiento compacto se asocian a condiciones de alta p resión:

•Los granates se presentan con mucha frecuencia en las rocasmetamórficas.•En rocas de bajo grado la variedad característica es la espersantina(Granate-Mn).


(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 constituye ntescomunes de rocas metamórficas de bajo a medio grado.




Tipos :

• Reacciones polimórficas.

•Reacciones de transferencia neta sólido-sólido

•Reacciones de desvolatilización


•Reacciones de intercambio iónico

•Reacciones de oxido-reducción




Tipos :

• Reacciones polimórficas: es un tipo especial de reacción sólido-sólido, dondeexiste un cambio de estructura cristalina sin que represente un cambio químicoen las fases minerales. Ejemplo: Silimanita-Cianita-Andalusita





Tipos :

• Reacciones de transferencia neta sólido-sólido: reacciones que ocurren entrefases minerales sólidas de distinta composición. Si la reacción es “continua”,productos y reactantes pueden coexistir en un rango amplio de condiciones deP y T (ejemplo: soluciones sólidas). Si la reacción es “discontinua”, losproductos y reactantes solo pueden coexistir en condiciones de P y T deequilibrio.


Mg2SiO4 + SiO2 → 2 MgSiO3Forsterita Cuarzo Enstantita

NaAlSi2O6 + SiO2 → NaAlSi3O8Jadeita Cuarzo Albita

Mg3Si4O10(OH)2 + 4MgSiO3 → Mg7Si8O22(OH)Talco antofilitaEnstantita




Tipos :

•Reacciones de desvolatilización: son reacciones metamórficas que ocurrenconsumiendo o liberando especies volátiles. Las reacciones típicas envuelvenH2O (deshidratación) y CO2 (descarbonatación), pero se pueden incluir especiescomo O2, H2, CH4, F, Cl, SO2

CaMg(CO ) + 2SiO → CaMgSi O + 2CO


CaMg(CO3)2 + 2SiO2 → CaMgSi2O6 + 2CO2Dolomita Cuarzo Diposido Dióxido de carbono

KAl2(AlSi3O10)(OH)2 + SiO2 → KAlSi3O8 + Al2SiO5 + H2OMuscovita Cuarzo K-feld Al-silicato Al-silicato




Tipos :

•Reacciones de intercambio iónico: estas reacciones envuelven el intercambiorecíproco de componentes entre dos o más minerales. Aunque el intercambiopuede envolver aniones, se concentra el estudio en intercambio de cationes.

Fe3Al2Si3O12 + K(Mg, Fe2+)3(Si3Al)O10(OH, F)2 = Mg3Al2Si3O12 + K(Mg, Fe2+)3(Si3Al)O10(OH, F)2


Fe3Al2Si3O12 K(Mg, Fe )3(Si3Al)O10(OH, F)2 Mg3Al2Si3O12 K(Mg, Fe )3(Si3Al)O10(OH, F)2

Granate (almandino) Biotita (rica en Mg) Granate (Piropo) Biotita (rica en Fe)




Tipos :

•Reacciones de oxido-reducción: reacciones que envuelven cambios en elestado de oxidación de iones y iones complejo que naturalmente se presentancon más de un estado de oxidación. Fe2+-Fe3+ es quizás el ión más importanteen el ámbito geológico.

6Fe O → 4Fe O + O


6Fe2O3 → 4Fe3O4 + O2Hematita

Cuarzo

Magnetita Oxigeno

Fe3O4 + SiO2 → Fe2SiO4 + O2Magnetita OxigenoFayalita




Reacciones y quimiografía :

•Los diagramas quimiográficos son una excelente ayuda geométrica que nospermite conceptualizar la relación entre la composición química de la roca y elensamblaje mineral estable en el equilibrio.

MgO SiO2Forsterita Enstantita

Periclasa Cuarzo


T1, P1 T2, P2




Reacciones y quimiografía :•Diagramas AKF:A= Al2O3 + Fe2O3 –Na2O-K2O-CaOK= K2OF= FeO + MgO+ MnO





Reacciones y quimiografía :•Diagramas ACF:A= Al2O3C= CaOF= FeO + MgO





Reacciones y quimiografía :•Diagramas AFM:A= Al2O3M= MgOF= FeO


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PREGUNTAS PREGUNTAS



V. Metasomatismo.

Definición :El metasomatismo se define como un metamorfismo que se acompaña decambios en la composición total de la roca. Debido a que los volátiles sonliberados y movilizados durante el metamorfismo, se puede excluir los cambiosen el contenido de volátiles como parte de este proceso, siendo los cambiosquímicos del metasomatismo restringido a la redistribución de especies novolátiles. 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 decomposiciones fuertemente contrastantes se yuxtaponen y los elementos seredistribuyen fácilmente. Entre los ejemplos más comunes se presentan:

• Plutones someros, particularmente donde magmas silíceos entran en contactocon rocas carbonáticas o ultramáficas y los fluidos circulan a través de lossistemas de fracturas abiertas.


• Capas, lentes o cuerpos con composición contrastante en rocas queexperimentan metamorfismo: cuerpos de rocas ultramáficas embebidos encuerpos carbonáticos o pelíticos o en sedimentos carbonáticos o pelíticos.

•Vetas donde los fluidos se equilibran con un tipo de roca y posteriormentemigran hacia una roca de composición contrastante a través de sistemas defracturas.



V. Metasomatismo.

Condiciones :

La susceptibilidad de la roca a sufrir metasomatismo depende tanto de lamineralogía de esta, su forma estructural y de las características del fluido. Unejemplo clásico se tiene con la capacidad de reacción de los carbonatos y laformación de cuerpos de Skarns Ca, Mg----------Si


Es importante destacar que la actividad hidrotermal y el metasomatismogeneralmente se encuentran ligados.

CaMg(CO3)2 + 2SiO2 → CaMgSi2O6 + 2CO2Dolomita Cuarzo Diposido Dióxido de carbono

CaCO3 + SiO2 → CaSiO3 + CO2Calcita Cuarzo Wollastonita Dióxido de carbono



V. Metasomatismo.

Procesos :

Se pueden mencionar fundamentalmente dos proceso de transferencia demasas que distinguen el metasomatismo:

1) Difusión: proceso por el cual los componentes se mueven de un medio aotro, tanto en un sólido (difusión de red) o en un fluido estacionario. La difusiónes promovida por la generación de gradientes de potencial químico (µ). Cuando


la difusión de componentes se da en direcciones opuestas en un intercambioreciproco, se conoce como “Bimetasomatismo”.

2) Infiltración: se refiere a una transferencia pasiva de masa de especies desolutos en un medio de fluido en movimiento. Es promovida por gradientesexternos de presiones en los fluidos que causan que los fluidos se muevan,permitiendo mayor extensión en la transferencia de masa que la generada por ladifusión.



V. Metasomatismo.

Metasomatismo en rocas ultramáficas :

Roca caja(roca pelítica)


BtCltActTlcAnt (núcleo de serpentina)

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)

3Mg2SiO4 + SiO2 + H2O → 2H4Mg3Si2O9Forsterita Cuarzo Agua Antigorita



VI. Facies metamórficas.

Definición :

Una facies metamórfica es un grupo de rocas caracterizadas por conjuntodefinido de minerales que, bajo las condiciones de su formación, alcanzaron elequilibrio perfecto entre ellos. La composición mineral cualitativa y cuantitativaen las rocas de una facies dada varia gradualmente en correspondencia con lasvariaciones en la composición química de las rocas (Eskola , 1920)





Tipos :

•Facies de alta presión: las facies de los esquistos azules y la eclogitadesarrollan ensamblajes mineralógicos de bajo volumen molar característicosde altas presiones. En zonas de subducción son típicas estas facies.

•Facies de presión media: las facies de los esquistos verdes, la anfibolita y lagranulita 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 lapresión es baja.

•Facies de bajo grado: las facies de la zeolita y la prehnita-pumpelyita (faciesde los sub-esquistos verdes), son típicas de rocas con un metamorfismoinsipiente.




Tipos :





Evolución P-T :





Series de facies:

Secuencias progresivas através de terrenosmetamórficos, donde seobserva la evolución dellas distintas faciesmetamórficas comorespuesta a cambios


respuesta a cambiosprogresivos de lascondiciones de P y T deunas facies particulares.

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