Geología física

Todos los procesos importantes de metamorfismo con los que estamos familiarizados pueden estar directamente relacionados con procesos geológicos causados por la tectónica de placas. Las relaciones entre la tectónica de placas y el metamorfismo se resumen en la Figura 7.14, y con más detalle en las Figuras 7.15, 7.16, 7.17 y 7.19.

La mayor parte del metamorfismo regional tiene lugar dentro de la corteza continental. Mientras que las rocas pueden metamorfosearse en profundidad en la mayoría de las áreas, el potencial de metamorfismo es mayor en las raíces de las cadenas montañosas donde hay una fuerte probabilidad de enterramiento de roca sedimentaria relativamente joven a grandes profundidades, como se muestra en la Figura 7.15. Un ejemplo sería la Cordillera del Himalaya. En este límite convergente continente-continente, las rocas sedimentarias han sido empujadas a grandes alturas (casi 9.000 m sobre el nivel del mar) y también enterradas a grandes profundidades. Teniendo en cuenta que el gradiente geotérmico normal (la tasa de aumento de la temperatura con la profundidad) es de alrededor de 30°C por kilómetro, la roca enterrada a 9 km por debajo del nivel del mar en esta situación podría estar cerca de 18 km por debajo de la superficie del suelo, y es razonable esperar temperaturas de hasta 500°C. Las rocas metamórficas formadas allí probablemente se foliarán debido a la fuerte presión direccional de las placas convergentes.

En una cresta oceánica en expansión, la recién formada corteza oceánica de gabro y basalto se aleja lentamente del límite de la placa (Figura 7.16). El agua dentro de la corteza se ve forzada a elevarse en el área cercana a la fuente de calor volcánico, y esto atrae más agua de más lejos, lo que eventualmente crea un sistema convectivo en el que el agua fría del mar se introduce en la corteza y luego vuelve a salir al fondo marino cerca de la cresta. El paso de esta agua a través de la corteza oceánica a 200° a 300°C promueve reacciones metamórficas que cambian el piroxeno original en la roca a clorita y serpentina. Debido a que este metamorfismo tiene lugar a temperaturas muy por debajo de la temperatura a la que se formó originalmente la roca (~1200°C), se conoce como metamorfismo retrógrado. La roca que se forma de esta manera se conoce como piedra verde si no está foliada, o lista verde si lo está. El clorito ((Mg5Al) (AlSi3)O10 (OH) 8)y la serpentina ((Mg, Fe)3Si2O5 (OH) 4) son ambos «minerales hidratados», lo que significa que tienen agua (como OH) en sus fórmulas químicas. Cuando la corteza oceánica metamorfoseada se subduce más tarde, el clorito y la serpentina se convierten en nuevos minerales no hidratados (p. ej., granate y piroxeno) y el agua que se libera migra al manto suprayacente, donde contribuye a la fusión del flujo (Capítulo 3, sección 3.2).

En una zona de subducción, la corteza oceánica es forzada hacia el manto caliente. Pero debido a que la corteza oceánica ahora está relativamente fría, especialmente a lo largo de su superficie superior del fondo marino, no se calienta rápidamente, y la roca en subducción permanece varios cientos de grados más fría que el manto circundante (Figura 7.17). Un tipo especial de metamorfismo tiene lugar bajo estas condiciones de presión muy alta pero de temperatura relativamente baja, produciendo un mineral anfibólico conocido como glaucofano (Na2(Mg3Al2)Si8O22(OH)2), que es de color azul, y es un componente importante de una roca conocida como blueschist.

Si nunca has visto o incluso oído hablar de blueschist, no es sorprendente. ¡Lo sorprendente es que alguien lo haya visto! La mayoría de las formas blueschistas en zonas de subducción, continúan siendo subductas, se convierten en eclogita a unos 35 km de profundidad, y finalmente se hunden profundamente en el manto, para nunca volver a verse. En solo unos pocos lugares del mundo, donde el proceso de subducción ha sido interrumpido por algún proceso tectónico, la roca blueschista parcialmente subducta ha regresado a la superficie. Uno de esos lugares es el área alrededor de San Francisco; la roca se conoce como el Complejo Franciscano (Figura 7.18).

El magma se produce en los límites convergentes y se eleva hacia la superficie, donde puede formar cuerpos de magma en la parte superior de la corteza. Estos cuerpos magmáticos, a temperaturas de alrededor de 1000°C, calientan la roca circundante, lo que lleva a un metamorfismo de contacto (Figura 7.19). Debido a que esto sucede a profundidades relativamente bajas, en ausencia de presión dirigida, la roca resultante normalmente no desarrolla foliación. La zona de metamorfismo de contacto alrededor de una intrusión es muy pequeña (normalmente de metros a decenas de metros) en comparación con la extensión del metamorfismo regional en otros entornos (decenas de miles de kilómetros cuadrados).

El metamorfismo regional también tiene lugar dentro de las cadenas montañosas de arco volcánico, y debido al calor adicional asociado con el vulcanismo, el gradiente geotérmico es típicamente un poco más pronunciado en estos entornos (entre 40° y 50°C/km). Como resultado, se pueden producir grados más altos de metamorfismo más cerca de la superficie que en otras áreas (Figura 7.19).

Otra forma de entender el metamorfismo es mediante el uso de un diagrama que muestra la temperatura en un eje y la profundidad (que es equivalente a la presión) en el otro (Figura 7.20). Las tres líneas punteadas pesadas en este diagrama representan los gradientes geotérmicos de la Tierra bajo diferentes condiciones. En la mayoría de las áreas, la tasa de aumento de la temperatura con la profundidad es de 30°C/km. En otras palabras, si baja 1.000 m hacia una mina, la temperatura será aproximadamente 30°C más cálida que la temperatura promedio en la superficie. En la mayor parte del sur de Canadá, la temperatura media de la superficie es de aproximadamente 10°C, por lo que a 1.000 m de profundidad, será de aproximadamente 40°C. Eso es incómodamente caliente, por lo que las minas profundas deben tener sistemas de ventilación efectivos. Este gradiente geotérmico típico se muestra mediante la línea de puntos verdes de la Figura 7.20. A 10 km de profundidad, la temperatura es de unos 300°C y a 20 km es de unos 600°C.

En áreas volcánicas, el gradiente geotérmico es más parecido a 40° a 50°C / km, por lo que la temperatura a 10 km de profundidad está en el rango de 400° a 500°C. A lo largo de las zonas de subducción, como se describió anteriormente, la corteza oceánica fría mantiene bajas las temperaturas, por lo que el gradiente es típicamente inferior a 10°C/km. Los diversos tipos de metamorfismo descritos anteriormente se representan en la Figura 7.20 con las mismas letras (a a e) utilizadas en las Figuras 7.14 a 7.17 y 7.19.

A modo de ejemplo, si observamos el metamorfismo regional en áreas con gradientes geotérmicos típicos, podemos ver que el entierro en el rango de 5 a 10 km nos coloca en la zona mineral de zeolita y arcilla (ver Figura 7.20), que es equivalente a la formación de pizarra. A 10 km a 15 km, estamos en la zona de greenschist (donde se formaría clorita en roca volcánica máfica) y micas muy finas en roca fangosa, para producir filita. A 15 km a 20 km, las micas más grandes se forman para producir esquisto, y a 20 km a 25 km se forman anfiboles, feldespatos y cuarzo para producir gneis. Más allá de los 25 km de profundidad en este entorno, cruzamos la línea de fusión parcial para el granito (o gneis) con agua presente, por lo que podemos esperar que se forme migmatita.