Metamorfismo

En términos modernos, una roca metamórfica es aquella que se forma cuando una roca preexistente, o protolito, sufre un cambio de estado sólido en respuesta a la modificación de su entorno. Este proceso de cambio se llama metamorfismo. Miremos más de cerca los componentes de esta definición.

Por estado sólido, queremos decir que una roca metamórfica no se forma por la solidificación del magma; recuerda que los geólogos consideran que las rocas solidificadas a partir del magma son ígneas.

En cambio, nos referimos a que el metamorfismo produce nuevos minerales que no se presentaban en el protolito y produce una nueva textura (disposición de granos minerales) que es distinta a la del protolito.

Y por modificación del entorno, nos referimos a que el metamorfismo tiene lugar cuando un protolito sufre un aumento o disminución de la temperatura y presión, se comprime y cizalla, o reacciona con “fluidos hidrotermales” (soluciones de agua muy caliente).

Hutton quien fue el primer geólogo que estudió a las rocas metamórficas hizo más que solo notar la existencia de estas; también trató de entender por qué tiene lugar el este proceso.

Debido a que encontró algunas rocas metamórficas adyacentes a intrusiones ígneas, concluyó que el metamorfismo puede tener lugar cuando el calor de una intrusión “calienta” la roca en la que se introduce.

Y debido a que descubrió que las rocas metamórficas pueden ocurrir en amplias regiones en ausencia de intrusiones, especuló que el también puede tener lugar cuando la roca (protolito) se entierra gran profundidad debajo de la superficie de la Tierra.

Desde los días de Hutton hasta el presente, los geólogos han llevado a cabo estudios de campo, experimentos de laboratorio y cálculos teóricos para caracterizar mejor éste proceso metamórfico.

Metamorfismo: Causas y consecuencias

Si alguien pusiera una roca en una mesa frente a tí, ¿cómo sabrías que es metamórfica?

Primeramente, las rocas metamórficas pueden poseer minerales metamórficos, minerales nuevos que crecen dentro de la roca sólida solo bajo temperaturas y presiones metamórficas.

De hecho, el metamorfismo puede producir un grupo de minerales que juntos constituyen lo que los geólogos llaman un “ensamblaje de minerales metamórficos”.

Y segundo, las rocas metamórficas pueden tener una textura metamórfica definida arreglos de granos minerales que no se presentan en otros tipos de rocas.

Comúnmente, la textura se conoce como foliación metamórfica, debido a la alineación paralela de los minerales comúnmente micas y / o la presencia de capas (bandas) alternas de color claro y oscuro.

Cuando se desarrollan minerales y / o texturas metamórficas, una roca metamórfica es muy diferente a su protolito, por ejemplo.

El metamorfismo de la pizarra roja puede producir una roca metamórfica consistente en capas de mica alineados y cristales brillantes de granate (figura 1a)

Mientras que el de una piedra caliza compuesta de fragmentos fósiles cementados puede producir una roca metamórfica que consiste en grandes cristales entrelazados de calcita (Fig. 1b).

El proceso de formación de minerales y texturas metamórficas se da muye lentamente (puede llevar de miles a millones de años) e implica varios procesos, que a veces ocurren solos y otras veces juntos.

Procesos metamórficos

• Recristalización, que cambia la forma y el tamaño de los granos sin cambiar la identidad del mineral que forma los granos (figura 2a).
• Cambio de fase, que transforma un mineral en otro mineral con la misma composición, pero una estructura cristalina diferente. En una escala atómica, el cambio de fase implica la reorganización de los átomos.
• Reacción metamórfica, o neocristalización (Neomorfismo), que da como resultado el crecimiento de nuevos cristales minerales que difieren de los del protolito (figura 2b). Durante la neocristalización, las reacciones químicas digieren los minerales del protolito para producir nuevos minerales en la roca metamórfica.
• Solución por presión, que ocurre cuando una roca es afectada más en una dirección que en otras. Los granos minerales se disuelven donde sus superficies se presionan contra otros granos, produciendo iones que migran a través del agua para precipitar en otros lugares (figura 2c).
• Deformación plástica, que ocurre cuando una roca es sometida a temperaturas y presiones elevadas. En estas condiciones, los granos se comportan como plástico blando y cambian de forma sin romperse (Fig. 2d).

Las rocas sufren metamorfismo cuando están sometidas a calor, presión, compresión y corte, y / o agua muy caliente.

Agentes que controlan el metamorfismo

Temperatura

Cuando calientas una roca lo suficiente sin llegar a la fusión (derretimiento), el ensamblaje mineral y la textura cambia y se convierte en una roca metamórfica.

¿Por qué? Piensa en lo que sucede con los átomos en un grano mineral a medida que el grano se calienta.

El calor hace que los átomos vibren rápidamente, estirando y doblando enlaces químicos que bloquean a los átomos a sus vecinos.

Si los enlaces se extienden demasiado y se rompen, los átomos se separan de sus vecinos originales, se mueven ligeramente y forman nuevos enlaces con otros átomos.

La repetición de este proceso conduce a la reorganización de los átomos dentro de los granos, o a la migración de los átomos dentro y fuera de los granos, un proceso llamado difusión de estado sólido.

Como consecuencia, tiene lugar la recristalización y / o neocristalización, lo que permite que un conjunto metamórfico de minerales crezca en roca sólida.

El metamorfismo tiene lugar a temperaturas entre aquellas en las que se produce la diagénesis (rocas sedimentarias) y las que causan la fusión.

En términos generales, esto significa que la mayoría de las rocas metamórficas que se encuentran en afloramientos se forman a temperaturas entre 250 ° C y 850 ° C.

Presión

Cuando te metes en una piscina o en el mar, el agua te aprieta (presión) por igual en todos lados, en otras palabras, tu cuerpo siente presión.

La presión puede hacer que un material colapse hacia adentro es decir se contraiga.

Por ejemplo, si llevas un globo lleno de aire hasta una profundidad de 10 m en un lago, el globo se vuelve significativamente más pequeño.

La presión puede tener el mismo efecto en los minerales.

Cerca de la superficie de la Tierra, los minerales con estructuras de cristal relativamente abiertas pueden ser estables.

Sin embargo, si sometes estos minerales a una presión extrema, los átomos se juntan más y se forman minerales más densos.

Tales transformaciones implican cambios de fase y / o neocristalización.

Cambios debido a la presión y temperatura

Hasta ahora, se ha considerado los cambios en la presión y la temperatura como fenómenos separados.

Pero en la Tierra, la presión y la temperatura varían con el aumento de la profundidad.

Por ejemplo, a una profundidad de 8 km, la temperatura en la corteza alcanza aproximadamente 200 °C y la presión alcanza aproximadamente 2.3 kbar.

Si una roca se entierra lentamente a una profundidad de 20 km, como puede suceder durante la orogenia, la temperatura alrededor de la roca aumenta a más de 500 °C, y presión a 5.5 kbar.

Los experimentos y cálculos muestran que la “estabilidad” de ciertos minerales (la capacidad de un mineral para formarse y sobrevivir) depende tanto de la presión como de la temperatura.

Cuando la presión y la temperatura aumentan, el ensamblaje mineral original en una roca se vuelve inestable, y se forma un nuevo ensamblaje a partir de minerales que son estables.

Por lo tanto, una roca metamórfica formada a 8 km no contiene los mismos minerales que una roca metamórfica formada a 20 km.

Compresión, cizallamiento y desarrollo de orientación preferencial

Imagina que acabas de construir un castillo con unas cajas de papel y, posteriormente pones un bloque encima para aplastarlo.

La estructura colapsa porque la presión hacia abajo que se aplica excede el empuje proporcionado por el aire en otras direcciones.

Podemos decir que hemos sometido las cajas a compresión (Fig. 3a). Por lo tanto, las cajas quedan aplastadas (más largas que anchas) (Fig 3b).

El cizallamiento, por el contrario, mueve una parte de un material de lado, en relación con el otro.

Si, por ejemplo, colocas una baraja de cartas en una mesa, luego aplicas una presión inclinada, cortarás la baraja (Fig. 3c).

Cuando las rocas se someten a compresión y cizallamiento a temperaturas y presiones elevadas, pueden cambiar de forma sin romperse.

A medida que cambia de forma, la textura interna de una roca también cambia.

Por ejemplo, los granos platy (en forma de panqueque) se vuelven paralelos entre sí, y los granos alargados (en forma de cigarro) se alinean en la misma dirección.

Los granos tanto laminados como alargados son granos desiguales, lo que significa que la dimensión de un grano no es la misma en todas las direcciones; por el contrario, los granos equant (equi-dimensionales) tienen aproximadamente las mismas dimensiones en todas las direcciones (figura 3d).

La alineación de minerales desiguales en una roca da como resultado una orientación preferencial (figura 3e).

Efecto de los fluidos hidrotermales

Las reacciones metamórficas suelen tener lugar en presencia de fluidos hidrotermales (soluciones de agua muy caliente).

Pero ¿De dónde viene el agua en los fluidos hidrotermales? Parte de ella estaba originalmente unida a minerales en el protolito, ya que las reacciones metamórficas pueden liberar tal agua en su entorno.

Otra arte puede ingresar en el protolito desde una intrusión ígnea cercana, o descender desde depósitos de agua subterránea superpuestos.

Notablemente, bajo presiones y temperaturas extremadamente altas, el agua de los fluidos hidrotermales no está en estado líquido ni gaseoso, sino que se encuentra en un estado “supercrítico”, lo que significa que tiene características tanto de gas como de líquido.

Por lo tanto, los fluidos reaccionan químicamente con la roca y aceleran las reacciones metamórficas, porque los átomos involucrados en las reacciones pueden migrar más rápido a través de un fluido que a través de un sólido, y los fluidos hidrotermales proporcionan agua que puede ser absorbida por los minerales durante las reacciones metamórficas.

Finalmente, los fluidos que pasan a través de una roca pueden recoger algunos iones disueltos y soltar otros y así pueden cambiar la composición química general de una roca durante metamorfismo.

El proceso de cambiar la composición química de una roca por reacciones con fluidos hidrotermales se denomina metasomatismo.

Tipos de metamorfismo y ambientes metamórficos

Hasta ahora, se ha tratado la naturaleza de los cambios que ocurren durante el metamorfismo, los agentes del metamorfismo (calor, presión, compresión y cizallamiento, y fluidos hidrotermales), los tipos de rocas que se forman y los conceptos de grado metamórfico y facies metamórficas.

Con este trasfondo, veamos ahora los entornos geológicos donde ocurre el metamorfismo, visto desde la perspectiva de la teoría de la tectónica de placas.

Debido a la amplia gama de posibles entornos metamórficos, el metamorfismo se produce en una amplia gama de condiciones en la corteza.

Las condiciones bajo las cuales se produce no son las mismas en todos los entornos geológicos.

Esto se debe a que el gradiente geotérmico (la relación entre la temperatura y la profundidad), la medida en que las rocas soportan la compresión y el cizallamiento donde ocurren los procesos metamorficos y el grado en que las rocas interactúan con los fluidos hidrotermales dependen del entorno geológico.

Metamorfismo térmico o de contacto

Imagina un magma caliente que se eleva desde una gran profundidad debajo de la superficie de la Tierra y se introduce en una roca más fría a poca profundidad.

El calor fluye desde el magma hacia la roca de la pared y como consecuencia, el magma se enfría y se solidifica mientras que la roca caja se calienta.

Además, los fluidos hidrotermales circulan a través de la intrusión y la roca de caja.

Como consecuencia del calor y los fluidos hidrotermales, la roca de la caja sufre metamorfismo.

Es así que las rocas metamórficas de mayor grado se forman cercanas al Plutón, mientras que el grado metamórfico disminuye a medida que se aleja del Plutón.

La aureola distintiva de la roca metamórfica que se forma alrededor de una intrusión ígnea se llama aureola metamórfica o aureola de contacto.

El ancho de una aureola depende del tamaño y la forma de la intrusión, y de la cantidad de circulación hidrotérmica: las intrusiones más grandes producen aureolas más anchas.

El metamorfismo local causado por la intrusión ígnea puede denominarse metamorfismo térmico.

Debido a que este tipo tiene lugar sin la aplicación de compresión o cizalla, las aureolas están conformadas por hornfels, una roca metamórfica no foliada.

El metamorfismo de contacto se produce en cualquier lugar donde se produzca la intrusión de plutones.

En el contexto de la teoría de la tectónica de placas, los plutones se inmiscuyen en la corteza en los límites de placas convergentes y divergentes, y durante la construcción de montañas que tiene lugar donde los continentes colisionan.

Metamorfismo dinámico

Las fallas son superficies sobre las cuales una pieza de corteza se desliza, o cizalla.

Cerca de la superficie de la Tierra (en los 10 a 15 km superiores) este movimiento puede fracturar la roca, dividirla en fragmentos angulares o incluso aplastarla hasta convertirla en polvo.

Pero a profundidades mayores, la roca se comporta como plástico blando cuando se produce el movimiento a lo largo de la falla.

Durante este proceso, los minerales en la roca se recristalizan.

Este proceso es conocido como metamorfismo dinámico, porque se produce como consecuencia de cizallamiento solo en condiciones metamórficas, sin requerir un cambio en la temperatura o la presión.

La roca resultante, es una milonita y se caracteriza porque tiene una foliación que es más o menos paralela a la falla

Las milonitas son de grano muy fino, debido a los procesos durante el metamorfismo dinámico que reemplazan a los cristales.

Por lo tanto, las milonitas se pueden encontrar en todos los límites de placa, en grietas y en zonas de colisión.

Metamorfismo regional o dinamotérmico

Durante el desarrollo de las cadenas montañosas, en respuesta a tectónica de margen convergente o colisión continental, las regiones de corteza se aprietan y grandes rebanadas de corteza continental se deslizan a lo largo de las fallas y se mueven hacia arriba sobre otras porciones de la corteza.

Como consecuencia, la roca que alguna vez estuvo cerca de la superficie de la Tierra a lo largo del margen de un continente termina a gran profundidad debajo de la cordillera

En este entorno, el protolito sufre tres cambios: (1) se calienta debido al gradiente geotérmico y debido a la actividad ígnea; (2) soporta una mayor presión debido al peso de la sobrecarga; y (3) se somete a compresión y cizallamiento.

Como resultado de estos cambios, el protolito se transforma en roca metamórfica foliada.

El tipo de roca foliada que se forma depende del grado del metamorfismo: la pizarra se forma a profundidades más superficiales, mientras que el esquisto y el gneis se forman a mayor profundidad.

Dado que el metamorfismo que acabamos de describir implica no solo calor, sino también compresión y cizallamiento, podemos llamarlo metamorfismo dinamotérmico o regional.

Típicamente afecta a una gran región, por lo que los geólogos también lo llaman regional.

La erosión finalmente desgasta a las montañas, exponiendo un cinturón de roca metamórfica que alguna vez se encontraba a gran profundidad.

Tales cinturones pueden tener cientos de kilómetros de ancho y miles de kilómetros de largo.

Metamorfismo por enterramiento

A medida que el sedimento se entierra en una cuenca sedimentaria, la presión aumenta debido al peso de la sobrecarga y también la temperatura aumenta debido al gradiente geotérmico.

A profundidades superiores a aproximadamente 8 a 15 km, dependiendo de la gradiente geotérmica, las temperaturas pueden ser lo suficientemente grandes como para que comiencen las reacciones metamórficas y se formen rocas metamórficas de bajo grado.

El metamorfismo debido solo a las consecuencias de un entierro muy profundo se llama metamorfismo por enterramiento.

Metamorfismo hidrotermal

En las dorsales medio oceánicas, el magma caliente asciende desde la profundidad, por lo que cuando el agua de mar se hunde a través de grietas en la corteza oceánica a lo largo de las dorsales, se calienta y se transforma en fluido hidrotermal.

Este fluido luego se eleva a través de la corteza, cerca de las mismas dorsales, causando metamorfismo hidrotermal afectando al basalto del suelo oceánico

Eventualmente, el fluido escapa a través de las fumarolas hacia el mar; estos respiraderos se llaman fumarolas negras.

Metamorfismo en zonas de subducción

El esquisto azúl es una roca relativamente rara que contiene un inusual anfíbol de color azul.

Los experimentos de laboratorio indican que la formación de este mineral requiere una presión muy alta, pero temperatura relativamente baja.

Tales condiciones no se desarrollan en la corteza continental, por lo general, a la alta presión necesaria para producir anfíbol azul, la temperatura en la corteza continental también es alta

Entonces para descubrir dónde se origina el esquisto azúl, debemos determinar dónde se puede desarrollar alta presión y temperatura relativamente baja.

La teoría de la tectónica de placas proporciona la respuesta a este acertijo.

Los investigadores encontraron que el esquisto azul ocurre solo en los prismas de acresión que se forman en las zonas de subducción.

Metamorfismo de impacto

Cuando los grandes meteoritos chocan contra la Tierra, una gran cantidad de la energía cinética se transforma instantáneamente en calor, y un pulso de la compresión extrema (una onda de choque) se propaga a la Tierra.

El calor puede ser suficiente para derretir o incluso vaporizar rocas en el sitio de impacto y la compresión extrema de la onda de choque causa que el cuarzo en las rocas debajo del sitio de impacto se convierta en un mineral más compacto llamado coesita.

Los cambios en la roca debido a la acción de una onda de choque se conocen como el metamorfismo de impacto o choque.