Las rocas metamórficas surgen de la transformación de rocas existentes en nuevos tipos de rocas en un proceso llamado metamorfismo . La roca original ( protolito ) está sometida a temperaturas superiores a 150 a 200 °C (300 a 400 °F) y, a menudo, a una presión elevada de 100 megapascales (1000 bar ) o más, provocando profundos cambios físicos o químicos. Durante este proceso, la roca permanece mayoritariamente en estado sólido, pero se recristaliza gradualmente hasta obtener una nueva textura o composición mineral. [1] El protolito puede ser una roca ígnea , sedimentaria o metamórfica existente.
Las rocas metamórficas constituyen una gran parte de la corteza terrestre y forman el 12% de la superficie terrestre. [2] Se clasifican por su protolito, su composición química y mineral y su textura . Pueden formarse simplemente al estar enterrados profundamente bajo la superficie de la Tierra, donde están sujetos a altas temperaturas y a la gran presión de las capas de roca superiores. También pueden formarse a partir de procesos tectónicos como colisiones continentales, que provocan presión horizontal, fricción y distorsión. La roca metamórfica se puede formar localmente cuando la roca se calienta mediante la intrusión de roca fundida caliente llamada magma desde el interior de la Tierra. El estudio de las rocas metamórficas (ahora expuestas en la superficie de la Tierra debido a la erosión y el levantamiento) proporciona información sobre las temperaturas y presiones que ocurren a grandes profundidades dentro de la corteza terrestre.
Algunos ejemplos de rocas metamórficas son el gneis , la pizarra , el mármol , el esquisto y la cuarcita . En la construcción de edificios se utilizan baldosas de pizarra [3] y cuarcita [4] . El mármol también es apreciado para la construcción de edificios [5] y como medio para la escultura. [6] Por otro lado, el lecho de esquisto puede representar un desafío para la ingeniería civil debido a sus pronunciados planos de debilidad. [7]
Las rocas metamórficas forman una de las tres grandes divisiones de tipos de rocas. Se distinguen de las rocas ígneas , que se forman a partir de magma fundido , y de las rocas sedimentarias , que se forman a partir de sedimentos erosionados de rocas existentes o precipitados químicamente de masas de agua. [8]
Las rocas metamórficas se forman cuando la roca existente se transforma física o químicamente a temperatura elevada, sin llegar a fundirse en gran medida. La importancia del calentamiento en la formación de rocas metamórficas fue señalada por primera vez por el naturalista escocés pionero James Hutton , a quien a menudo se describe como el padre de la geología moderna. Hutton escribió en 1795 que algunos lechos de roca de las Tierras Altas de Escocia habían sido originalmente rocas sedimentarias, pero habían sido transformadas por el gran calor. [9]
Hutton también especuló que la presión era importante en el metamorfismo. Esta hipótesis fue probada por su amigo James Hall , quien selló tiza en un recipiente a presión improvisado construido a partir del cañón de un cañón y lo calentó en un horno de fundición de hierro. Hall descubrió que esto producía un material muy parecido al mármol , en lugar de la cal viva habitual que se produce al calentar tiza al aire libre. Posteriormente, los geólogos franceses añadieron el metasomatismo , la circulación de fluidos a través de rocas enterradas, a la lista de procesos que contribuyen a provocar el metamorfismo. Sin embargo, el metamorfismo puede tener lugar sin metasomatismo ( metamorfismo isoquímico ) o a profundidades de solo unos pocos cientos de metros, donde las presiones son relativamente bajas (por ejemplo, en el metamorfismo de contacto ). [9]
Los procesos metamórficos cambian la textura o composición mineral de la roca metamorfoseada.
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El metasomatismo puede cambiar la composición general de una roca. Los fluidos calientes que circulan a través del espacio poroso de la roca pueden disolver los minerales existentes y precipitar nuevos minerales. Las sustancias disueltas son transportadas fuera de la roca por los fluidos, mientras que los fluidos frescos traen sustancias nuevas. Obviamente, esto puede cambiar la composición mineral de la roca. [10]
Sin embargo, pueden ocurrir cambios en la composición mineral incluso cuando la composición global de la roca no cambia. Esto es posible porque todos los minerales son estables sólo dentro de ciertos límites de temperatura, presión y entorno químico. Por ejemplo, a presión atmosférica, el mineral cianita se transforma en andalucita a una temperatura de aproximadamente 190 °C (374 °F). La andalucita, a su vez, se transforma en silimanita cuando la temperatura alcanza unos 800 °C (1470 °F). Los tres tienen la misma composición, Al 2 SiO 5 . Asimismo, la forsterita es estable en un amplio rango de presión y temperatura en el mármol , pero se convierte en piroxeno a presión y temperatura elevadas en rocas más ricas en silicatos que contienen plagioclasa , con la que la forsterita reacciona químicamente. [11]
Pueden tener lugar muchas reacciones complejas a alta temperatura entre minerales sin que se derritan, y cada conjunto de minerales producido indica las temperaturas y presiones en el momento del metamorfismo. Estas reacciones son posibles debido a la rápida difusión de átomos a temperatura elevada. El fluido de los poros entre los granos minerales puede ser un medio importante a través del cual se intercambian átomos. [10]
El cambio en el tamaño de las partículas de la roca durante el proceso de metamorfismo se llama recristalización . Por ejemplo, los pequeños cristales de calcita en la roca sedimentaria, la caliza y la tiza, se transforman en cristales más grandes en la roca metamórfica de mármol . [12] En la arenisca metamorfoseada, la recristalización de los granos de arena de cuarzo originales da como resultado una cuarcita muy compacta, también conocida como metacuarcita, en la que los cristales de cuarzo, a menudo más grandes, están entrelazados. [13] Tanto las altas temperaturas como las presiones contribuyen a la recristalización. Las altas temperaturas permiten que los átomos e iones de los cristales sólidos migren, reorganizando así los cristales, mientras que las altas presiones provocan la disolución de los cristales dentro de la roca en su punto de contacto. [14]
Las rocas metamórficas se caracterizan por su composición y textura mineral distintivas.
Debido a que cada mineral es estable sólo dentro de ciertos límites, la presencia de ciertos minerales en rocas metamórficas indica las temperaturas y presiones aproximadas a las que la roca experimentó metamorfismo. Estos minerales se conocen como minerales índice . Los ejemplos incluyen silimanita , cianita , estaurolita , andalucita y algo de granate . [15]
Otros minerales, como olivinos , piroxenos , hornblenda , micas , feldespatos y cuarzo , pueden encontrarse en rocas metamórficas, pero no son necesariamente el resultado del proceso de metamorfismo. Estos minerales también pueden formarse durante la cristalización de rocas ígneas. Son estables a altas temperaturas y presiones y pueden permanecer químicamente sin cambios durante el proceso metamórfico. [dieciséis]
Las rocas metamórficas suelen ser más cristalinas que el protolito a partir del cual se formaron. Los átomos en el interior de un cristal están rodeados por una disposición estable de átomos vecinos. Esto falta parcialmente en la superficie del cristal, lo que produce una energía superficial que hace que la superficie sea termodinámicamente inestable. La recristalización en cristales más gruesos reduce el área superficial y, por lo tanto, minimiza la energía superficial. [17]
Aunque el engrosamiento del grano es un resultado común del metamorfismo, la roca que está intensamente deformada puede eliminar la energía de deformación al recristalizarse como una roca de grano fino llamada milonita . Ciertos tipos de rocas, como las ricas en cuarzo, minerales carbonatados u olivino, son particularmente propensas a formar milonitas, mientras que el feldespato y el granate son resistentes a la milonitización. [18]
Muchos tipos de rocas metamórficas muestran una estratificación distintiva llamada foliación (derivada de la palabra latina folia , que significa "hojas"). La foliación se desarrolla cuando una roca se acorta a lo largo de un eje durante la recristalización. Esto hace que los cristales de minerales laminares, como la mica y la clorita , giren de modo que sus ejes cortos sean paralelos a la dirección de acortamiento. Esto da como resultado una roca con bandas o foliada, donde las bandas muestran los colores de los minerales que las formaron. La roca foliada a menudo desarrolla planos de escisión . La pizarra es un ejemplo de roca metamórfica foliada, que se origina a partir de esquisto , y normalmente muestra una división bien desarrollada que permite que la pizarra se divida en placas delgadas. [19]
El tipo de foliación que se desarrolla depende del grado metamórfico. Por ejemplo, a partir de una lutita , la siguiente secuencia se desarrolla al aumentar la temperatura: la lutita se convierte primero en pizarra, que es una roca metamórfica foliada de grano muy fino, característica de un metamorfismo de muy bajo grado. La pizarra a su vez se convierte en filita , que es de grano fino y se encuentra en áreas de metamorfismo de bajo grado. El esquisto es de grano medio a grueso y se encuentra en áreas de metamorfismo de grado medio. El metamorfismo de alto grado transforma la roca en gneis , que es de grano grueso a muy grueso. [20]
Las rocas que estuvieron sujetas a una presión uniforme desde todos los lados, o aquellas que carecen de minerales con hábitos de crecimiento distintivos, no serán foliadas. El mármol carece de minerales laminares y generalmente no está foliado, lo que permite su uso como material para escultura y arquitectura.
Las rocas metamórficas son una de las tres grandes divisiones de todos los tipos de rocas, por lo que existe una gran variedad de tipos de rocas metamórficas. En general, si se puede determinar el protolito de una roca metamórfica, la roca se describe agregando el prefijo meta- al nombre de la roca protolítica. Por ejemplo, si se sabe que el protolito es basalto , la roca se describirá como metabasalto. Asimismo, se describirá como metaconglomerado una roca metamórfica cuyo protolito se sabe que es un conglomerado . Para que una roca metamórfica se clasifique de esta manera, el protolito debe ser identificable a partir de las características de la roca metamórfica misma y no inferirse de otra información. [21] [22] [23]
Según el sistema de clasificación del Servicio Geológico Británico , si todo lo que se puede determinar sobre el protolito es su tipo general, como sedimentario o volcánico, la clasificación se basa en el modo mineral (los porcentajes de volumen de diferentes minerales en la roca). Las rocas metasedimentarias se dividen en rocas ricas en carbonatos (metacarbonatos o rocas de calcsilicato) o rocas pobres en carbonatos, y estas últimas se clasifican además según la abundancia relativa de mica en su composición. Esto varía desde psammita con bajo contenido de mica , pasando por semipelita hasta pelita con alto contenido de mica . Las psamitas compuestas principalmente de cuarzo se clasifican como cuarcitas. Las rocas metaígneas se clasifican de manera similar a las rocas ígneas, por su contenido de sílice , desde roca meta-ultramáfica (que tiene muy bajo contenido de sílice) hasta roca metafélsica (con un alto contenido de sílice). [22]
Cuando no se puede determinar la moda mineral, como suele ser el caso cuando la roca se examina por primera vez en el campo , la clasificación debe basarse en la textura. Los tipos de textura son:
Un hornfels es un granofels que se sabe que resulta del metamorfismo de contacto. Una pizarra es una roca metamórfica de grano fino que se divide fácilmente en placas delgadas pero que no muestra capas de composición obvias. El término se utiliza sólo cuando se sabe muy poco sobre la roca que permitiría una clasificación más definida. Las clasificaciones texturales pueden llevar prefijos para indicar un protolito sedimentario ( para- , como paraesquisto) o un protolito ígneo ( orto- , como ortogneis). Cuando no se sabe nada sobre el protolito, se utiliza el nombre textural sin prefijo. Por ejemplo, un esquisto es una roca de textura esquistosa cuyo protolito es incierto. [22]
Existen clasificaciones especiales para rocas metamórficas con un protolito volcánico o formadas a lo largo de una falla o mediante circulación hidrotermal . Se utilizan algunos nombres especiales para rocas de protolito desconocido pero composición modal conocida, como mármol, eclogita o anfibolita . [22] También se pueden aplicar nombres especiales de manera más general a rocas dominadas por un solo mineral, o con una composición, modo u origen distintivo. Los nombres especiales que todavía se utilizan ampliamente incluyen anfibolita, esquisto verde , filita, mármol, serpentinita , eclogita, migmatita , skarn , granulita , milonita y pizarra. [23]
La clasificación básica puede complementarse con términos que describan el contenido o la textura de los minerales. Por ejemplo, un metabasalto que muestra una esquistosidad débil podría describirse como un metabasalto gneísico, y una pelita que contiene abundante estaurolita podría describirse como una pelita de estaurolita. [22] [23]
Una facies metamórfica es un conjunto de conjuntos distintivos de minerales que se encuentran en rocas metamórficas que se formaron bajo una combinación específica de presión y temperatura. El conjunto particular depende en cierta medida de la composición de ese protolito, de modo que (por ejemplo) la facies de anfibolita de un mármol no será idéntica a la facies de anfibolita de una pelita. Sin embargo, las facies se definen de manera que se pueda asignar a una facies particular roca metamórfica con una gama de composiciones tan amplia como sea práctica. La definición actual de facies metamórficas se basa en gran medida en el trabajo del geólogo finlandés Pentti Eskola , con refinamientos basados en trabajos experimentales posteriores. Eskola se basó en los esquemas zonales, basados en minerales índice, de los que fue pionero el geólogo británico George Barrow . [24]
La facies metamórfica generalmente no se considera al clasificar rocas metamórficas según el protolito, el modo mineral o la textura. Sin embargo, algunas facies metamórficas producen rocas de carácter tan distintivo que el nombre de facies se utiliza para la roca cuando no es posible una clasificación más precisa. Los principales ejemplos son la anfibolita y la eclogita . El Servicio Geológico Británico desaconseja firmemente el uso de granulita como clasificación de rocas metamorfoseadas a facies de granulita. En cambio, dicha roca a menudo se clasifica como granofels. [22] Sin embargo, este enfoque no es universalmente aceptado. [23]
Las rocas metamórficas constituyen una gran parte de la corteza terrestre y forman el 12% de la superficie terrestre. [2] La corteza continental inferior es principalmente roca metamáfica y pelita que han alcanzado la facies de granulita . La corteza continental media está dominada por rocas metamórficas que han alcanzado la facies de anfibolita. [25] Dentro de la corteza superior, que es la única parte de la corteza terrestre que los geólogos pueden tomar muestras directamente, las rocas metamórficas se forman sólo a partir de procesos que pueden ocurrir a poca profundidad. Estos son el metamorfismo de contacto (térmico) , el metamorfismo dinámico (cataclástico) , el metamorfismo hidrotermal y el metamorfismo de impacto . Estos procesos ocurren relativamente localmente y generalmente alcanzan solo las facies de baja presión, como las facies hornfels y sanidinita . La mayoría de las rocas metamórficas se forman por metamorfismo regional en la corteza media e inferior, donde la roca alcanza las facies metamórficas de mayor presión. Esta roca se encuentra en la superficie sólo donde un extenso levantamiento y erosión han exhumado roca que antes estaba mucho más profunda en la corteza. [26]
La roca metamórfica está ampliamente expuesta en cinturones orogénicos producidos por la colisión de placas tectónicas en límites convergentes . Aquí la roca anteriormente profundamente enterrada ha salido a la superficie por el levantamiento y la erosión. [27] La roca metamórfica expuesta en los cinturones orogénicos puede haber sido metamorfoseada simplemente por estar a grandes profundidades debajo de la superficie de la Tierra, sometida a altas temperaturas y a la gran presión causada por el inmenso peso de las capas de roca superiores. Este tipo de metamorfismo regional se conoce como metamorfismo funerario . Esto tiende a producir roca metamórfica de baja ley. [28] Mucho más común es la roca metamórfica formada durante el proceso de colisión. [29] La colisión de placas provoca altas temperaturas, presiones y deformaciones en las rocas a lo largo de estos cinturones. [30] La roca metamórfica formada en estos entornos tiende a mostrar una esquistosidad bien desarrollada. [29]
Las rocas metamórficas de los cinturones orogénicos muestran una variedad de facies metamórficas. Cuando tiene lugar la subducción , el basalto de la losa en subducción se metamorfosea en facies metamórficas de alta presión. Inicialmente sufre un metamorfismo de bajo grado a metabasalto de las facies de zeolita y prehnita-pumpellyita , pero a medida que el basalto se subduce a mayores profundidades, se metamorfosea a la facies de esquisto azul y luego a la facies de eclogita . El metamorfismo en la facies de eclogita libera una gran cantidad de vapor de agua de la roca, lo que impulsa el vulcanismo en el arco volcánico suprayacente . La eclogita también es significativamente más densa que el esquisto azul, lo que provoca una mayor subducción de la losa hacia las profundidades del manto terrestre . El metabasalto y el esquisto azul pueden conservarse en cinturones metamórficos de esquisto azul formados por colisiones entre continentes. También pueden conservarse por obducción sobre la placa suprayacente como parte de ofiolitas . [31] Las eclogitas se encuentran ocasionalmente en sitios de colisión continental, donde la roca subducida regresa rápidamente a la superficie, antes de que pueda convertirse en facies de granulita en el manto superior caliente. Muchas muestras de eclogita son xenolitos traídos a la superficie por la actividad volcánica. [32]
Muchos cinturones orogénicos contienen cinturones metamórficos de mayor temperatura y menor presión. Estos pueden formarse mediante el calentamiento de la roca por magmas ascendentes de arcos volcánicos, pero a escala regional. La deformación y el engrosamiento de la corteza en un cinturón orogénico también pueden producir este tipo de rocas metamórficas. Estas rocas alcanzan las facies de esquisto verde , anfibolita o granulita y son las más comunes de las rocas metamórficas producidas por metamorfosis regional. La asociación de una zona metamórfica exterior de alta presión y baja temperatura con una zona interior de rocas metamórficas de baja presión y alta temperatura se denomina cinturón metamórfico emparejado . Las islas principales de Japón muestran tres cinturones metamórficos pareados distintos, correspondientes a diferentes episodios de subducción. [33] [34]
La roca metamórfica también está expuesta en complejos de núcleos metamórficos , que se forman en la región de extensión de la corteza terrestre. Se caracterizan por fallas de ángulo bajo que exponen domos de roca metamórfica de corteza media o inferior. Estos fueron reconocidos y estudiados por primera vez en la provincia de Cuenca y Cordillera del suroeste de América del Norte, [35] pero también se encuentran en el sur del Mar Egeo , en las Islas D'Entrecasteaux y en otras áreas de extensión. [36]
Los escudos continentales son regiones de rocas antiguas expuestas que forman los núcleos estables de los continentes. Las rocas expuestas en las zonas más antiguas de los escudos, de la edad Arcaica (más de 2.500 millones de años), pertenecen en su mayor parte a cinturones de granito y piedra verde. Los cinturones de piedra verde contienen rocas metavolcánicas y metasedimentarias que han sufrido un grado relativamente leve de metamorfismo, a temperaturas de 350 a 500 °C (662 a 932 °F) y presiones de 200 a 500 MPa (2000 a 5000 bar). Se pueden dividir en un grupo inferior de metabasaltos, incluidas las raras metakomatiitas ; un grupo intermedio de meta-rock intermedio y meta-rock félsico; y un grupo superior de roca metasedimentaria. [37]
Los cinturones de piedra verde están rodeados por terrenos de gneis de alta calidad que muestran un metamorfismo altamente deformado, de baja presión y alta temperatura (más de 500 °C (932 °F)) en las facies de anfibolita o granulita. Estos forman la mayor parte de la roca expuesta en los cratones Arcaicos. [37]
Los cinturones de granito y piedra verde están invadidos por un grupo distintivo de rocas graníticas llamado conjunto tonalita - trondhjemita - granodiorita o TTG. Estas son las rocas más voluminosas del cratón y pueden representar una fase temprana importante en la formación de la corteza continental. [37]
Las dorsales oceánicas son los lugares donde se forma nueva corteza oceánica a medida que las placas tectónicas se separan. El metamorfismo hidrotermal es extenso aquí. Este se caracteriza por metasomatismo por fluidos calientes que circulan por la roca. Esto produce roca metamórfica de facies de esquisto verde. La roca metamórfica, serpentinita , es particularmente característica de estos entornos y representa la transformación química del olivino y el piroxeno en la roca ultramáfica en minerales del grupo de las serpentinas . [38] [29]
El metamorfismo de contacto tiene lugar cuando se inyecta magma en la roca sólida circundante ( roca rural ). [29] Los cambios que ocurren son mayores dondequiera que el magma entre en contacto con la roca porque las temperaturas son más altas en este límite y disminuyen con la distancia desde él. Alrededor de la roca ígnea que se forma a partir del magma que se enfría hay una zona metamorfoseada llamada aureola de contacto . Las aureolas pueden mostrar todos los grados de metamorfismo desde el área de contacto hasta la roca rural no metamorfoseada (sin cambios) a cierta distancia. La formación de minerales importantes puede ocurrir mediante el proceso de metasomatismo en o cerca de la zona de contacto. [39] Las aureolas de contacto alrededor de grandes plutones pueden tener hasta varios kilómetros de ancho. [40]
Los geólogos suelen utilizar el término hornfels para referirse a aquellos productos de metamorfismo de contacto, de grano fino, compactos y no foliados. [41] La aureola de contacto generalmente muestra poca deformación, por lo que los hornfels generalmente carecen de esquistosidad y forman una roca dura y equigranular. Si la roca originalmente estaba bandeada o foliada (como, por ejemplo, una arenisca laminada o un calcoesquisto foliado ) , este carácter no puede borrarse y el producto es un hornfels bandeado. [41] El metamorfismo de contacto cerca de la superficie produce minerales metamórficos distintivos de baja presión, [29] como espinela , andalucita, vesuvianita o wollastonita . [42]
Se pueden inducir cambios similares en las lutitas mediante la quema de vetas de carbón . [41] Esto produce un tipo de roca llamado clinker . [43]
También existe una tendencia al metasomatismo entre el magma ígneo y la roca sedimentaria, por lo que las sustancias químicas de cada uno se intercambian o se introducen en el otro. En ese caso surgen rocas híbridas llamadas skarn . [41] [44]
El metamorfismo dinámico (cataclástico) tiene lugar localmente a lo largo de las fallas . Aquí, el intenso cizallamiento de la roca forma típicamente milonitas. [29]
El metamorfismo de impacto se diferencia de otras formas de metamorfismo en que tiene lugar durante eventos de impacto de cuerpos extraterrestres. Produce raros minerales metamórficos de presión ultraalta, como la coesita y la stishovita . [45] La coesita rara vez se encuentra en la eclogita traída a la superficie en tuberías de kimberlita , pero la presencia de stishovita es exclusiva de las estructuras de impacto. [46]
Las tejas de pizarra se utilizan en la construcción, especialmente como tejas. [3]
La cuarcita es lo suficientemente dura y densa como para que sea difícil extraerla. Sin embargo, algo de cuarcita se utiliza como piedra dimensional , a menudo como losas para pisos, paredes o escaleras. Alrededor del 6% de la piedra triturada, utilizada principalmente para agregados para carreteras, es cuarcita. [4]
El mármol también es apreciado para la construcción de edificios [47] y como medio para la escultura. [6]
El lecho de roca esquistoso puede representar un desafío para la ingeniería civil debido a sus pronunciados planos de debilidad. [7] Puede existir un peligro incluso en terreno no perturbado. El 17 de agosto de 1959, un terremoto de magnitud 7,2 desestabilizó la ladera de una montaña cerca del lago Hebgen , Montana, compuesta de esquisto. Esto provocó un deslizamiento de tierra masivo que mató a 26 personas que acampaban en la zona. [48]
La roca ultramáfica metamorfoseada contiene minerales del grupo serpentino, que incluye variedades de amianto que representan un peligro para la salud humana. [49]
Mármol blanco muy apreciado por su uso en esculturas.
