Metamorfismo

Metamorfismo

Todas las rocas están compuestas por minerales. Cada mineral es estable dentro de unos valores determinados de presión y temperatura. Si se superan esos valores, se producen modificaciones en la estructura o la composición de los minerales. Por metamorfismo se entiende un conjunto de cambios en la composición mineralógica de la roca y en su textura que ocurren en estado sólido como consecuencia de un incremento de presión, de temperatura o de ambos factores combinados, o por la acción de sustancias químicas que circulan entre los poros de las rocas (sin cambios en su composición química). Estos cambios son el resultado de la adaptación de las rocas a unas nuevas condiciones. Para hablar de metamorfismo es condición indispensable que los cambios mineralógicos no afecten a la composición química global: es decir, los componentes químicos se redistribuyen formando minerales nuevos, pero sin que se produzca adiciones o sustracciones de elementos en la totalidad de la roca. Las rocas que así se originan reciben el nombre de rocas metamórficas, y se han podido formar a partir de rocas sedimentarias, ígneas o, incluso, a partir de otras rocas metamórficas. Roca inicial + presión + temperatura + fluidos = roca metamórfica Durante el metamorfismo, las rocas suelen estar sujetas simultáneamente a los tres factores metamórficos (calor, presión y fluidos químicamente activos); sin embargo, el grado de metamorfismo y la contribución de cada factor varia mucho de un ambiente a otro. El metamorfismo se produce de manera incremental, desde un cambio ligero (grado bajo) a cambios notables (grado alto). La roca metamórfica así formada se parecerá a la roca inicial si los tres agentes que han intervenido (presión, temperatura y fluidos) lo han hecho con escasa intensidad; se dice entonces que la roca inicial ha sufrido un grado de metamorfismo pequeño. Por el contrario, si el grado de metamorfismo ha sido alto, la roca metamórfica no se asemejará a la inicial.

Factores del metamorfismo: Los cambios generados en el metamorfismo vienen condicionados por la variación de factores como la temperatura, la presión y la presencia de fluidos. El incremento de la presión provoca cambios en las propiedades físicas de las rocas, reduce su volumen, favorece la formación de minerales con estructura más densa y facilita su comportamiento plástico. La presión, como la temperatura, también aumenta con la profundidad. La presión a la que está sometida una roca inicial puede ser de dos tipos: presión litostática o de confinamiento, que actúa por igual en todas las direcciones y se debe a la profundidad a la que se encuentre la roca, esto es, al peso de los materiales que tiene por encima y a su alrededor (las rocas enterradas están sometidas a la fuerza, o esfuerzo, ejercida por la carga que tienen encima); y presión dirigida, causada por fuerzas constantes que actúan en una dirección determinada (fuerzas tectónicas direccionales). Lo más frecuente es que esas fuerzas diferenciales

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sean compresivas y actúen para acortar un volumen de la roca. En algunos ambientes, sin embargo, los esfuerzos son tensionales y tienden a alargar, o separar, las masas rocosas. Los esfuerzos diferenciales también pueden cizallar una roca. El cizallamiento es similar al deslizamiento que se produce entre los naipes cuando se sostiene una baraja entre las manos y deslizan aquéllos en direcciones opuestas, cizallando la baraja. También hay que considerar la presión que ejercen los fluidos en los poros de la roca.

Las presiones dirigidas provocan la reorientación de los cristales prismáticos o laminares, que se dispondrán según planos perpendiculares a la dirección de los esfuerzos. La foliación, o disposición en láminas, característica de muchas rocas metamórficas, tiene este origen. La temperatura es uno de los principales factores que intervienen en el metamorfismo. Provoca cambios mineralógicos que, con frecuencia, son activados por la pérdida de agua y le intervención de fluidos. El intervalo de temperaturas propias del metamorfismo oscila entre un valor mínimo de 150º C, por debajo del cual se sitúan los procesos de diagénesis característicos de las rocas sedimentarias, y un valor máximo que se sitúa en el comienzo de la fusión (entre 700 y 1000º C dependiendo del tipo de roca y de la presión). El aumento de la temperatura que interviene en el metamorfismo se debe, fundamentalmente, a tres causas: • La proximidad de la roca inicial a un foco magmático (que puede encontrarse a más de 1200º C). • El gradiente geotérmico de la corteza terrestre (aumento de la temperatura con la profundidad en el interior de la Tierra), que puede dar lugar a temperaturas de hasta 1000º C. • El rozamiento o fricción que se produce en las fallas cuando dos bloques resbalan, aunque la temperatura alcanzada no suele ser muy elevada. La presencia de fluidos. Fundamentalmente, agua con iones en disolución facilita reacciones metamórficas que tienen como consecuencia cambios mineralógicos. Lo más frecuente es que el fluído sea agua que contenga iones en solución. El agua es abundante, porque la hay en los poros de prácticamente todas las rocas. Además, muchos minerales están hidratados (tienen agua asociada mediante enlaces químicos) y, por tanto, contienen agua dentro de sus estructuras cristalinas. Cuando se produce enterramiento profundo, las rocas se compactan más, reduciendo el volumen de sus poros. Por tanto, el agua es expulsada de la roca y resulta asequible para las reacciones químicas. Además, el calentamiento causa la deshidratación de los minerales y la liberación del agua. El agua que rodea a los

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cristales actúa como un catalizador al ayudar a la migración iónica. En algunos casos, el agua promueve la recristalización de los minerales, que forman configuraciones más estables. En otros casos, el intercambio iónico entre los minerales tiene como consecuencia la formación de minerales completamente nuevos.

Los primeros efectos de la temperatura y la presión son los siguientes: • •

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Brechificación. Es la rotura y trituración de los minerales, que se produce cuando la presión dirigida actúa sobre las rocas. Se presenta en los planos y superficies de falla. Reorientación. Consiste en la disposición de los minerales en bandas paralelas, lo que confiere a la roca una hojosidad denominada esquistosidad, tal como ocurre en las filitas y esquistos. Se debe a la presión dirigida que hace que los minerales, en especial los de forma laminar, se orientes en dirección perpendicular a la fuerza actuante. Deshidratación. Es la pérdida de agua en la estructura de los minerales, causada, esencialmente, por la temperatura. Yeso (CaSO4 x 2 H2O) → anhidrita (CaSO4) + H2O Recristalización. Se trata del crecimiento de los minerales de una roca a partir de otros (de la misma especie) que, a su vez, han decrecido. Este efecto se produce por la temperatura (más de 250ºC) y, en menor escala, por las presiones dirigidas. La recristalización del cuarzo y la calcita en las rocas sedimentarias en que son mayoritarios (la arenisca y la caliza, respectivamente), da origen a las rocas metamórficas cuarcita y mármol, mucho más compactas que las rocas originales. Polimorfismo. Es el cambio de la estructura cristalina de un mineral estable a unas determinadas condiciones de presión y temperatura, cuando varían ambas, por otra estructura más acorde con estas nuevas condiciones sin alterar su composición química. Un caso conocido de polimorfismo lo constituyen el diamante y el grafito; ambos minerales tienen la misma composición química (carbono), pero diferente estructura cristalina, por lo que sus propiedades químicas son iguales, mientras que sus propiedades físicas son distintas. Otro ejemplo son la andalucita, sillimanita y distena (SiO5Al2). Reajustes mineralógicos. Es la formación de nuevos minerales, a partir de otros, debida a la confluencia de los dos agentes al mismo tiempo (presión y temperatura) y a las reacciones químicas que se producen entre esos minerales. Un ejemplo de esto es el proceso que tiene lugar cuando en una roca inicial existen calcita (CaCO3) y cuarzo (SiO2); ambos minerales reaccionan para dar lugar a otro llamado wollastonita (SiO3Ca). La wollastonita es considerada un mineral indicador de metamorfismo. Blastesis. Es un proceso que implica la destrucción de los minerales preexistentes y la formación de otros, de diferente composición, estables en las nuevas condiciones, mediante reacciones específicas por las que se redistribuyen los componentes químicos de la roca. Como resultado de este proceso se forman los denominados blastos, que son granos minerales de formas por lo general muy regulares, y de dimensiones a menudo superiores al tamaño medio de los minerales de la roca. Un ejemplo de blastesis es la reacción que se produce entre el cuarzo y la dolomita para dar piroxeno.

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Migmatización. Tiene lugar cuando las condiciones de presión y temperatura producen la fusión de algunos de los minerales que forman la roca, quedando ésta constituida por una fracción fundida, llamada neosoma, que cristaliza como una roca ígnea (de composición por lo general granítica), y una fracción residual, denominada paleosoma, enriquecida en minerales oscuros, ferromagnesianos, con un punto de fusión más alto. Aumento de la densidad. La presión reduce los huecos que existen en la roca y hace que los minerales adquieran un empaquetamiento más denso.

Efecto de los fluidos en el metamorfismo

El proceso metamórfico por el que los fluidos químicamente activos que circulan en las cercanías de una roca modifican la composición química inicial de sus minerales se llama metasomatismo. La razón de que el matasomatismo no se incluya en el mismo apartado que la presión y la temperatura es que este proceso da lugar a minerales con una composición química diferente a la de los de partida. El metasomatismo consiste, principalmente, en un proceso de sustituciones iónicas o cambio muy ligero en la composición química de un mineral original, debido a que parte de sus átomos son reemplazados por otros de tamaño parecido que se encuentran en los fluidos activos. Ejemplo: transformaciones de las calizas (CaCO3), que son rocas especialmente reactivas y en las que pueden formarse minerales como la dolomita (CO3)2CaMg o la siderita (CO3Fe), al ser sustituido el Ca2+ por Mg2+ o Fe2+.

Tipos de metamorfismo

Los tipos de metamorfismo pueden clasificarse en función de diversos criterios. Así, atendiendo a la composición química de la roca se distingue: • Metamorfismo isoquímico. En el que el proceso metamórfico no cambia la composición química de la roca. • Metamorfismo metasomático o metasomatismo. En el que la composición química de la roca final difiere de la inicial. Se produce porque la presencia de fluidos aporta o elimina ciertos componentes de la roca. Atendiendo al valor que alcanza la presión y la temperatura se distingue: • Metamorfismo dinámico o de presión o cataclástico. Se produce como consecuencia de un incremento de la presión, sin que la temperatura alcance valores importantes. Suele generarse en zonas poco profundas sometidas a presiones dirigidas (en lugares donde se producen fallas). Las transformaciones que se originan son casi exclusivamente de tipo estructural y textural. Es el tipo menos común del metamorfismo y ocurre a lo largo de zonas de falla. Aquí las rocas se rompen y pulverizan conforme las rocas situadas en lo lados opuestos de una falla se trituran al producirse el desplazamiento de ésta. En función de la naturaleza de la roca y de las condiciones de presión y temperatura bajo las que tiene lugar el proceso, éste producirá efectos distintos, debido al diferente comportamiento mecánico de las rocas. En el caso de rocas duras en condiciones de baja presión y temperatura únicamente se producirá una brechificación o trituración de la roca, dando lugar a lo que se denomina brecha o papilla de

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falla (los fragmentos resultantes de la trituración de la roca suelen tener varios centímetros de longitud). Si el comportamiento de la roca es menos rígido, ya sea por su naturaleza, o porque las presiones y temperaturas son más elevadas, se origina una roca parcialmente cementada, que se denomina milonita (los fragmentos son menores, a veces de dimensiones inferiores a 0,1 mm)(Las rocas se deforman dúctilmente, lo que genera granos alargados que proporcionan a menudo a la roca un aspecto foliado o lineado). Cuando la falla afecta a rocas sometidas a altas presiones y temperaturas, la milonización puede ir acompañada de recristalización metamórfica y las rocas resultantes reciben el nombre de blastomilonitas. Metamorfismo de contacto o térmico. Se produce como consecuencia de un incremento de la temperatura, sin que la presión alcance valores importantes. El aumento de temperatura es debido a una intrusión ígnea, o emplazamiento de una masa magmática en una zona (cuando la roca está cerca de una masa ígnea). La roca encajante, situada en la zona de contacto con la masa magmática, se modifica por el incremento de temperatura. Este metamorfismo se limita a dicha zona de contacto y constituye lo que se denomina aureola metamórfica o aureola de contacto. La intensidad de las transformaciones se reduce al distanciarse de la intrusión. En estas condiciones, el metamorfismo solamente supone cambios mineralógicos. Las modificaciones serán de recristalización, blastesis o transformaciones polimórficas. Sólo excepcionalmente el metamorfismo de contacto puede provocar migmatización. El metamorfismo de contacto se desarrolla fundamentalmente en las zonas de orogénesis y en las dorsales, lugares donde la temperatura puede ser alta sin que existan grandes presiones. Las rocas originadas por metamorfismo de contacto se denominan genéricamente corneanas o cornubianitas. Se trata de rocas duras y de aspecto córneo, reconocibles por el pequeño tamaño de sus minerales, la presencia de minerales indicadores y la ausencia de esquistosidad u otras reorientaciones. Coloración oscura. Areniscas → cuarcita caliza → mármol arcillas → corneanas

Metamorfismo regional o termodinámico.

Se produce como consecuencia de un incremento simultáneo de presión y temperatura. Es el más frecuente y afecta a amplias zonas de la corteza continental, de ahí su nombre. Se origina en las zonas de subducción como uno más de los procesos ocurridos en la formación de las montañas. Durante la formación de montañas, grandes cantidades de rocas están sometidas a presiones dirigidas y a elevadas temperaturas asociadas con deformaciones a gran escala. Según los valores

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que alcanzan las presiones y las temperaturas, se distinguen tres tipos de metamorfismo regional: de grado bajo, de grado medio y de grado alto. El aumento de presión produce, fundamentalmente, modificaciones en la disposición estructural y textural: las rocas sufren un aplastamiento que favorece la redistribución de sus minerales en superficies perpendiculares a la dirección del aplastamiento.

Los cambios en la temperatura afectan sobre todo a la mineralogía de la roca, que pueden ser de cuatro tipos fundamentales: recristalización, blastesis, transformaciones polimorfas y migmatización. La mayor parte de las rocas se originan por metamorfismo regional. Si las presiones y las temperaturas son muy elevadas, la roca inicial puede llegar a fundirse parcialmente, originando otras rocas con características intermedias entre las metamórficas y las magmáticas que reciben el nombre de migmatitas. Cuando la roca se funde en su totalidad, se forma el magma y si, además, aquella contenía originalmente cuarzo, ortoclasas y mica, se genera un magma ácido que dará lugar a los llamados granitos de anatexia.

Textura de las rocas metamórficas Por textura de una roca se entiende un conjunto de características relacionadas con la forma, tamaño y disposición de los granos o cristales que la constituyen. La textura depende de los minerales que componen la roca y de los procesos por los que se ha formado. La mayor parte de los cambios ocurridos durante el metamorfismo, como la formación de nuevos minerales, la recristalización y la reorientación de los cristales suponen un cambio en la textura de la roca.

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Las texturas básicas de las rocas metamórficas se establecen en función del tamaño, la forma y, muy especialmente, de la orientación preferencial que puedan presentar los cristales. Así, se distinguen: • Textura con foliación. Aquellas en las que las rocas presentan una disposición en láminas. Los cristales tienen una orientación y se forman y crecen según una dirección preferente, dirección que es perpendicular a la presión máxima. Esta orientación de los minerales origina en las rocas unas zonas o bandas denominadas foliación. Hay varios tipos de foliación dependiendo del grado de metamorfismo y el tamaño de los cristales: Pizarrosa. Se caracteriza por una foliación plana con presencia de cristales muy pequeños, no diferenciables a simple vista. Durante la transformación de una lutita en una pizarra, los minerales arcillosos recristalizan en diminutos cristales de mica. Además, estos cristales planares de mica se alinean de manera que sus superficies planas quedan casi paralelas. Por consiguiente, la pizarra puede separarse fácilmente por medio de los granos de mica originando placas bastante planas. Dado que los granos de mica que forman la pizarra son diminutos, los planos de foliación no suelen ser visibles a simple vista. Esquistosa. Se caracteriza porque la foliación es más ondulada que en la pizarrosa y los cristales son ya visibles a simple vista. Por efecto de la presión y temperatura más alta, los pequeños granos de mica de las pizarras crecerán. Estos cristales de mica, que tienen un diámetro de hasta 1 cm, dan a la roca un aspecto escamoso. Bandeado gneísico. Se caracteriza por la presencia de cristales muy grandes que se distribuyen en bandas alternativas de mica y cuarzo o feldespatos. Durante el metamorfismo de grado alto, las migraciones iónicas pueden ser lo suficientemente grandes como para causar segregaciones minerales. Los silicatos oscuros y claros se separan, dando a la roca un aspecto bandeado. • Textura sin foliación. No todas las rocas metamórficas tienen foliación. Las rocas que no contienen minerales laminares o alargados no presentan disposición en láminas. Sus cristales ,que se suelen formar en el metamorfismo de contacto, no tienen una orientación preferente. La textura no foliada más frecuente es la granoblástica, caracterizada porque los cristales son equidimensionales y forman un mosaico de granos. La textura porfidoblástica, caracterizada por que en ella aparecen grandes cristales formados por difusión atómica a través de un material sólido, rodeados por otros más pequeños. La textura cristaloblástica, propia de minerales recristalizados con formas geométricas o contornos cristalinos definidos.

Rocas metamórficas

Clasificación de las rocas en función de su textura:

Rocas con foliación: •

Pizarra. Es una roca de grano muy fino no observable a simple vista. Presenta una foliación en láminas planas. Compuesta por pequeños cristales de mica (moscovita), clorita y cuarzo. Se forma a partir de lutitas (rocas sedimentarias de grano fino como los limos y las arcillas), por metamorfismo regional de grado bajo.

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Es un roca que marca la transición entre las sedimentarias y las metamórficas. El color depende de los minerales constituyentes, pueden ser verdes – negras. Filita. Es una roca de grano fino, mayor que el de la pizarra pero aun no observable a simple vista. También presenta una foliación en láminas planas, pero posee un brillo más intenso que el de la pizarra. Se forma a partir de las lutitas, por metamorfismo regional de grado bajo. Tiene superficies brillantes, satinadas. Cristales muy finos de moscovita y clorita. Representa la gradación entre pizarras y el esquisto. Esquisto. Es una roca de grano grueso, observable a simple vista. Presenta una foliación ondulada. Se forma a partir de las lutitas, por metamorfismo regional de grado medio. También puede formarse por metamorfismo de rocas volcánicas (basaltos). Contienen más del 20% de minerales planares y alargados que normalmente incluyen micas y anfibol. Pueden tener minerales accesorios (granates, estaurolita, sillimanita, clorita, talco) Gneis. Es una roca de grano grueso en la que los minerales se presentan en bandas alternativamente claras, formadas por cuarzo y feldespatos, y oscuras, formada por micas y anfíboles. No se divide en láminas con la facilidad de las anteriores. Se origina a partir de las lutitas y del granito, por metamorfismo regional de grado medio o alto. Contiene minerales alargados y granulares. Los minerales más comunes son el cuarzo, feldespato potásico y la plagioclasa, y en menor medida micas y horblenda.

Rocas sin foliación •

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Mármol. Es una roca formada por gruesos cristales de calcita. Tiene textura granoblástica. Se forma a partir de rocas sedimentarias carbonatadas, como la caliza y la dolomía, por metamorfismo regional o metamorfismo de contacto. La presencia de impurezas y de minerales diferentes a la calcita puede hacer que su característico color blanco sea sustituido por un bandeado de diversas tonalidades. Cuarcita. Es una roca formada por cristales de cuarzo de tamaño medio o grande. Tiene textura granoblástica. Se forma a partir de areniscas cuarcíferas, por metamorfismo regional de grado medio o alto. Es una roca dura y muy coherente, su color oscila entre blanco y gris. Corneana. Es una roca de grano fino y textura granoblástica. Se forma por metamorfismo de contacto a partir de rocas de naturaleza muy diversa. Rocas compactas. Alabastro. Metamorfismo del yeso. Eclogitas. Rocas formadas a temperatura moderada y presión de carga elevadísima. Pueden originarse a partir de rocas efusivas básicas (basaltos, etc.). Presentan estructura granoblástica y son muy pesadas. Se componen de onfacita (piroxeno alumínico sódico) y el granate rosa. Anfibolitas. Color verde oscuro o negro, constituidas esencialmente por anfibol (horblenda) y plagioclasa intermedia (andesina, oligoclasa). Es frecuente la

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presencia de biotita, granate, epidota, etc. Pueden derivarse de rocas ígneas básicas (gabros, basaltos, dioritas) o de rocas sedimentarias (calizas, margas y dolomías arcillosas). Serpentinas. Rocas de color verde oscuro o negro, formadas principalmente por talco, clorita y minerales serpentínicos. Proceden del metamorfismo metasomático de las peridotitos y también pueden formarse por una actividad hidrotermal intensa en los límites constructivos de placas.

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