7.3: Tectónica de Placas y Metamorfismo
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Todos los procesos importantes del metamorfismo con los que estamos familiarizados se pueden entender en el contexto de procesos geológicos relacionados con la tectónica de placas. Las relaciones entre la tectónica de placas y el metamorfismo se resumen en la Figura\(\PageIndex{1}\), y con más detalle en las Figuras 7.3.2, 7.3.3, 7.3.4 y 7.3.6.
La mayor parte del metamorfismo regional tiene lugar dentro de la corteza continental. Si bien las rocas pueden ser metamorfoseadas a profundidad en la mayoría de las áreas, el potencial de metamorfismo es mayor en las raíces de las cadenas montañosas donde existe una fuerte probabilidad de entierro de roca sedimentaria relativamente joven a grandes profundidades, como se representa en la Figura\(\PageIndex{2}\). 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 metros sobre el nivel del mar) y también enterradas a grandes profundidades. Considerando que el gradiente geotérmico normal (la tasa de incremento de temperatura con profundidad) es de alrededor de 30°C por kilómetro, la roca enterrada a 9 kilómetros bajo el nivel del mar en esta situación podría estar cerca de 18 kilómetros por debajo de la superficie del suelo, y es razonable esperar temperaturas de hasta 500°C. Las rocas metamórficas formadas allí probablemente se folien debido a la fuerte presión direccional (compresión) de las placas convergentes.
En una cresta oceánica que se extiende, la corteza oceánica recientemente formada de gabro y basalto se aleja lentamente del límite de la placa (Figura\(\PageIndex{3}\)). El agua dentro de la corteza se ve obligada a elevarse en el área cercana a la fuente de calor volcánico, y esto atrae más agua desde más lejos, lo que finalmente crea un sistema convectivo donde el agua de mar fría es arrastrada hacia la corteza y luego nuevamente hacia el 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 clorito y serpentina. Debido a que este metamorfismo se produce a temperaturas muy por debajo de la temperatura a la que se formó originalmente la roca (~1200°C), se le conoce como metamorfismo retrógrado. La roca que se forma de esta manera se conoce como piedra verde si no está foliada, o verenschista si lo es. El clorito ((Mg 5 Al) (AlSi 3) O 10 (OH) 8) y la serpentina ((Mg, Fe) 3 Si 2 O 5 (OH) 4) son ambos “minerales hidratados” lo que significa que tienen agua (como OH) en sus fórmulas químicas. Cuando posteriormente se subduce la corteza oceánica metamorfoseada, el clorito y la serpentina se convierten en nuevos minerales no hidratados (por ejemplo, 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 a bajar al manto caliente. Pero debido a que la corteza oceánica es ahora relativamente fría, especialmente a lo largo de su superficie superior del fondo marino, no se calienta rápidamente, y la roca subductora permanece varios cientos de grados más fría que el manto circundante (Figura\(\PageIndex{4}\)). Un tipo especial de metamorfismo ocurre bajo estas condiciones de muy alta presión pero relativamente baja temperatura, produciendo un mineral anfíbol conocido como glaucófano (Na 2 (Mg 3 Al 2) Si 8 O 22 (OH) 2), que es azul en color, y es un componente importante de una roca conocida como blueschist.
Probablemente nunca hayas visto o incluso oído hablar de blueschist; eso no es sorprendente. ¡Lo que es un poco sorprendente es que cualquiera lo haya visto! La mayoría de las formas de esquista azul en las zonas de subducción, continúa subduciéndose, se convierte en eclogita a unos 35 kilómetros de profundidad, y luego finalmente se hunde profundamente en el manto, para no volver a ser vista porque esa roca eventualmente se derretirá. En sólo unos pocos lugares del mundo, donde el proceso de subducción ha sido interrumpido por algún otro proceso tectónico, ha subducido parcialmente la roca eschista azul que regresó a la superficie. Uno de esos lugares es el área alrededor de San Francisco; la roca es conocida como el Complejo Franciscano (Figura\(\PageIndex{5}\)).
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. Dichos cuerpos de magma, a temperaturas de alrededor de 1000°C, calientan la roca circundante, lo que lleva al metamorfismo de contacto (Figura\(\PageIndex{6}\)). Debido a que esto ocurre a profundidades relativamente poco profundas, 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 (típicamente metros a decenas de metros) en comparación con la extensión del metamorfismo regional en otros escenarios (decenas de miles de kilómetros cuadrados).
El metamorfismo regional también tiene lugar dentro de las cadenas montañosas de arco volcánico, y debido al calor extra asociado con el vulcanismo, el gradiente geotérmico suele ser un poco más empinado en estos entornos (en algún lugar entre 40° y 50°C por kilómetro). Como resultado, los grados más altos de metamorfismo pueden tener lugar más cerca de la superficie que en otras áreas (Figura\(\PageIndex{6}\)).
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\(\PageIndex{7}\)). Las tres líneas punteadas pesadas de este diagrama representan los gradientes geotérmicos de la Tierra bajo diferentes condiciones. En la mayoría de las zonas, la tasa de incremento de temperatura con profundidad es de 30°C por kilómetro. En otras palabras, si baja 1,000 metros a 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 promedio de la superficie es de aproximadamente 10 °C, por lo que a una profundidad de 1,000 metros, 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 punteada verde en la Figura\(\PageIndex{7}\). A una profundidad de 10 kilómetros, la temperatura es de aproximadamente 300°C y a 20 kilómetros es de unos 600°C.
En áreas volcánicas, el gradiente geotérmico es más como 40° a 50°C por kilómetro, por lo que la temperatura a una profundidad de 10 kilómetros 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 suele ser inferior a 10°C por kilómetro. Los diversos tipos de metamorfismo descritos anteriormente se representan en la Figura\(\PageIndex{7}\) con las mismas letras (a a a e) utilizadas en las Figuras 7.3.1 a 7.3.4 y 7.3.6.
A modo de ejemplo, si observamos el metamorfismo regional en zonas con gradientes geotérmicos típicos, podemos ver que el entierro en el rango de 5 kilómetros a 10 kilómetros nos coloca en la zona de zeolita [1] y mineral arcilloso (ver Figura\(\PageIndex{7}\)), lo que equivale a la formación de pizarra. A 10 a 15 kilómetros, nos encontramos en la zona verenschista (donde se formaría clorito en roca volcánica máfica) y micas muy finas en barro, para producir fillita. A 15 a 20 kilómetros, se forman micas más grandes para producir esquisto, y a 20 a 25 kilómetros se forman anfíboles, feldespato y cuarzo para producir gneis. Más allá de una profundidad de 25 kilómetros en este escenario, cruzamos la línea de fusión parcial para granito (o gneis) con agua presente, y así podemos esperar que se forme migmatita.
La figura\(\PageIndex{7}\) muestra los tipos de roca que podrían formarse a partir de barro en varios puntos a lo largo de la curva del gradiente geotérmico “típico” (línea verde punteada). Al observar el gradiente geotérmico para regiones volcánicas (línea amarilla punteada en la Figura\(\PageIndex{7}\)), estime las profundidades a las que se esperaría encontrar los mismos tipos de roca que se forman a partir de un padre de barro.
- Pizarra
- Phyllita
- Esquisto
- Gneis
- Migmatita
Consulte el Apéndice 3 para las respuestas del Ejercicio 7.3.
Descripciones de imagen
Descripción de la\(\PageIndex{2}\) imagen de la figura: Metamorfismo regional que ocurre debajo de una cordillera por colisión continente-continente. El gradiente geotérmico típico para pizarra es de 100°C, para fillita 200°C, para esquisto 300°C, para gneis °C, para migmatita 500°C. [Volver a la figura\(\PageIndex{2}\)]