Geodinámica Interna

1. Introducción

Los procesos geológicos que contribuyen a la formación y transformación de un tipo de roca en otra están determinados por el ciclo de las rocas. El mismo es conducido por: i) la dinámica interna de la Tierra, la cual se manifiesta con la tectónica de placas, a nivel de la litósfera y la astenósfera; y  ii) la dinámica externa, la cual se desarrolla sobre la corteza terrestre.

En esta unidad se estudiará la dinámica interna de la Tierra, la cual engloba a los procesos geológicos endógenos. Dentro de dichos procesos, se estudiarán particularmente el Magmatismo y el Metamorfismo. Estos procesos se originan en el interior de la corteza hasta el manto superior, y son generadores de rocas ígneas y metamórficas respectivamente. Los procesos geológicos endógenos están impulsados por las fuentes de energía del interior de la Tierra y son los que han modelado los continentes y las cuencas oceánicas.

2. Magma

Un magma es un material fundido natural de alta temperatura, formado por una disolución de silicatos con cantidades menores de aluminio, potasio, calcio, sodio, hierro, magnesio y agua.

Estos compuestos están mantenidos en disolución por presión. Constituye una mezcla silicatada fundida con una fase líquida a veces predominante, un cierto número de fases sólidas integradas por cristales en suspensión y una fase gaseosa. La fase líquida es esencialmente una mezcla de silicatos. La fase sólida corresponde a cristales de minerales como olivinos, piroxenos, plagioclasas, etc. la fase gaseosa consiste principalmente de vapor de agua y cantidades menores de CO₂, SO₂, N₂, etc.

La temperatura a la cual fundirán los silicatos para constituir el magma, depende de varios factores. Cada mineral tiene su propio punto de fusión para un ambiente dado. En profundidad el aumento de presión provoca un aumento en la temperatura de fusión de los minerales. Otro de los factores intervinientes es la presencia de agua, que tiene el efecto de reducir el punto de fusión  de los minerales. Así, la temperatura de los magmas varía entre 800° y 1400°C, dependiendo de la profundidad de origen y de su composición. Los magmas pueden generarse a profundidades muy variables, entre 20 y 50 km dentro de la corteza terrestre, y entre 100 y 200 km cuando proceden del manto superior.

La actividad magmática es generadora de rocas y puede manifestarse de dos formas principales:

• ya sea como actividad ígnea intrusiva, en donde el magma se emplaza en profundidad dando origen a cuerpos denominados plutones.

• o como actividad ígnea efusiva, generando erupciones volcánicas. El magma que alcanza la superficie terrestre y entra en contacto directo con aire o agua se denomina lava.

2.1. Tipos de Magmas

La composición inicial de un magma estará en relación al sitio en donde se genere, pudiendo tener un quimismo particular si es formado a expensas de la fusión de rocas del manto superior, de la corteza inferior basáltica o de la superior granítica.

Se considera la existencia de dos grandes tipos de magmas:

• Magmas basálticos (o máficos): son deficitarios en sílice, generan rocas ricas en minerales ferromagnesianos como olivino, piroxenos y plagioclasas cálcicas. Tendría su lugar de origen en la corteza inferior o el manto superior. Se encuentra asociado a bordes de placa divergentes en donde se forman las dorsales centro-oceánicas.

• Magmas graníticos (o félsicos): son ricos en sílice, dan lugar  a rocas compuestas principalmente por cuarzo, feldespato potásico y micas. Este magma provendría de la fusión de rocas de la corteza continental. Se encuentra asociado a bordes de placa convergentes, por fusión parcial de la corteza oceánica (con sedimentos y agua) al subducir la corteza continental.

  También, puede ser considerado un tercer tipo de magma, un magma intermedio o andesítico. Es un magma de composición intermedia entre los basálticos y los graníticos. Se encuentra asociado a zonas de subducción, como la cordillera de los Andes, de dónde toma su nombre debido a la abundancia de rocas que allí se originan a partir de este tipo de magma.
  

2.2. Cristalización Magmática

La cristalización de una masa fundida de silicatos, proceso de cambio de líquido a sólido, se efectúa bajo una amplia gama de temperaturas y presiones. En su ascenso hacia los niveles superiores de la corteza, el magma experimenta un enfriamiento paulatino; a medida que esto ocurre, se forman los minerales de más alto grado de cristalización. De esta manera en la primera etapa de cristalización se separaría una primera fase sólida (cristales) y una fase líquida. En este punto podrían darse dos alternativas:

a) Que el líquido residual reaccione con los minerales ya formados, para dar lugar a nuevos minerales a través de una serie de reacciones (Serie de Reacción de Bowen, figura 1). La serie de reacciones que puede producirse tiene dos ramas, una es la denominada continua y según la cual el mineral ya formado cambia gradualmente de composición , mediante la sustitución de iones de un elemento particular presente en el magma, por otro presente en el cristal. Este es el caso de la sustitución de sodio por calcio en la serie de las plagioclasas. Un segundo tipo de reacción es aquella que da lugar a nuevos minerales, químicamente distintos a los de primera generación. Este es el caso de la reacción de los cristales de olivino con el líquido residual para formar piroxenos. Esta constituye la serie de reacción discontinua.

b) Que esa masa sólida de cristales se separe para dar lugar a un determinado tipo de rocas, prosiguiendo la fase líquida su evolución ulterior. A este mecanismo se lo denomina cristalizacion fraccionada.

Los principios de cristalización magmática enunciados explican la posible formación de rocas cada vez más ricas en sílice a expensas de un magma inicial básico, siendo el mecanismo básicamente el siguiente: si a partir de un magma con cristales de olivino, algunos piroxenos y plagioclasas calcicas, se produce la separación de esta fase, se formará una roca máfica de composición básica (peridotita, gabro). El líquido restante estará enriquecido en sílice, aluminio, sodio, potasio; su cristalización dará lugar a rocas félsicas (granito). El componente final del magma será una solución acuosa rica en sílice, que se mantiene fluida a bajas temperaturas, y se depositará en filones rocosos (pegmatitas graníticas).

Los procesos antes descriptos: “series de reacción y cristalizacion fraccionada”, constituyen lo que se denomina diferenciación magmática, proceso por el cual un magma original es separado en fracciones de composición determinada, para formar rocas con mineralogía diferente.

Figura 1 – Series de Reacción de Bowen. Fuente: tomado de Tarbuck, 2005.

2.3. Actividad Ígnea Efusiva: Vulcanismo y productos volcánicos

La actividad volcánica o vulcanismo comprende todos los fenómenos asociados con la descarga en superficie de materiales magmáticos sólidos, fundidos o gaseosos procedentes de chimeneas o fisuras comunicadas con zonas profundas de gran temperatura. Además de la erupción de lava fundida procedentes de los volcanes, la explosión y erosión de los gases produce grandes cantidades de materiales fragmentados llamados piroclastos, los cuales reciben distintos nombres de acuerdo a su tamaño.

• Gases: el vapor de agua es el más abundante, contiene cantidades menores de CO₂, SO₂, N₂ y S. La presencia de gases disueltos favorece la fluidez de la lava y disminuye la temperatura de solidificación.
• Lavas: las lavas pueden ser básicas o ácidas, según el tipo de magma del que provengan. Las lavas básicas poseen temperaturas entre 800 a 1200 °C, son más fluidas que las lavas ácidas debido a su déficit en sílice y a su gran contenido de vapor de agua; al fluir por la superficie constituyen extensos depósitos denominados coladas. Las lavas ácidas son ricas en sílice, son mucho más viscosas y lentas, a veces se consolidan casi sin avanzar; al fluir constituyen coladas poco extensas.
• Piroclastos: son fragmentos de lava proyectados por la explosión de los gases. El tamaño varía de pocos mm a varios m³. En función del orden decreciente de tamaño se pueden clasificar en bombas y bloques, lapilli y cenizas.

2.4. Actividad Ígnea Intrusiva

La mayor parte de los magmas se emplazan en profundidad. Las estructuras que son consecuencia de la ubicación del material ígneo en profundidad se denominan plutones. Dado que todos los plutones se forman debajo de la superficie terrestre, sólo pueden estudiarse después de ascender y de que la erosión los haya dejado expuestos.

Se sabe que los plutones aparecen en una gran variedad de tamaños y formas. Algunos de los tipos más comunes se ilustran en la figura 3. Algunas de esas estructuras tienen una forma tabular, mientras que otros son bastante masivos. También algunos de estos cuerpos atraviesan estructuras existentes, como capas de roca sedimentaria; otros se forman cuando se inyecta el magma entre las capas sedimentarias. Debido a estas diferencias, los cuerpos ígneos intrusivos se clasifican generalmente según su forma como tabulares o masivos y por su orientación con respecto a la roca caja.

Se dice que los plutones son discordantes si atraviesan las estructuras existentes y concordantes si se forman en paralelo a estructuras como los estratos sedimentarios. Como puede verse en la figura 3, los plutones están muy relacionados con la actividad volcánica. Muchos de los mayores cuerpos intrusivos son los restos de cámaras magmáticas que en el pasado alimentaron volcanes.

• Plutones Masivos: son grandes masas de rocas ígneas de forma irregular e indefinida. Estos cuerpos están localizados en los núcleos o partes centrales de las regiones montañosas y su posición es paralela al eje de las mismas. Su composición es preferentemente ácida a mesosilícas. Los más comunes de este tipo son.
• Batolitos: son cuerpos cuyas dimensiones superan los 100 km² de extensión areal. Constituyen los cuerpos de rocas ígneas más grandes que se conocen y están rodeados por una zona de intenso metamorfismo.
• Stocks: son similares a los batolitos pero de menor extensión areal que estos.

• Plutones Tabulares: son cuerpos de roca que se generan a partir de inyecciones del magma en fisuras de las rocas circundantes. De la relación existentes entre la intrusión y las rocas encajantes, los cuerpos se dividen en:

• Concordantes:

  1.    Sills: son cuerpos tabulares, de poco espesor, que se forman cuando el magma intruye en un ambiente cercano a la superficie. Se introducen a lo largo de planos de estratificación.

  2.    Lacolitos: son cuerpos de forma lenticular que se intruyen entre las capas y alzaron sobre sí a las rocas suprayacentes dándole forma de domo.

• Discordantes:

  1.    Diques: es una intrusión fisural, de forma tabular, cuya potencia es pequeña respecto a su longitud que puede extenderse por varios kilómetros.

3. Rocas Ígneas

Rocas Ígneas son aquellas que se forman por el enfriamiento y la consolidación del magma.

Las rocas ígneas comprenden a aquellas consolidadas en profundidad en el interior de la corteza, denominadas ígneas intrusivas (plutónicas, magmáticas, o endógenas, todos son sinónimos) y a las producidas por magma que llega a superficie, llamadas ígneas volcánicas (o efusivas). Un grupo intermedio, instaladas a baja profundidad, forman las rocas subvolcánicas (hipoabisales o filonianas).

Las rocas ígneas constituyen alrededor del 80% de la masa cortical terrestre.

3.1. Clasificación de Rocas Ígneas

Como se vio anteriormente, la cristalización del magma es compleja. No obstante, es posible clasificar las rocas ígneas en función de su composición mineral y de las condiciones bajo las cuales se formaron. El ambiente durante la cristalización puede deducirse de manera aproximada del tamaño y la ordenación de los granos minerales, una propiedad denominada textura. Por consiguiente, las rocas ígneas se clasifican por su textura y composición mineral.

La asociación de minerales que presenta una roca ígnea, constituye el criterio básico para establecer su clasificación. En base a ello se pueden establecer tipos fundamentales de rocas ígneas: las rocas félsicas o ácidas, ricas en sílice, aluminio, sodio y potasio, que presentan colores claros. Las rocas máficas o básicas, ricas en hierro, magnesio y calcio, que presentan colores oscuros. Según el criterio enunciado se reconocen:

1. Rocas Ácidas: más del 65% de sílice.
2. Rocas Mesosilícas: 65% a 52% de sílice.
3. Rocas Básicas: 52% a 45% de sílice.
4. Rocas Ultrabásicas: menos del 45% de sílice.

El primer criterio mineralógico para la clasificación de las rocas ígneas lo da la presencia o ausencia de cuarzo, y su abundancia cuando existe. El segundo lo constituye el predominio de ortoclasa o plagioclasas.

Figura 5 - Mineralogía de las rocas ígneas comunes y de los magmas a partir de los que se forman. Tomado de Tarbuck, 2005.

La textura de las rocas comprende las características de tamaño, forma y disposición de los componentes cristalinos y amorfos. Describe las relaciones espaciales de los minerales considerados como integrantes de un agregado, y es el resultado de los procesos normales de enfriamiento y cristalización parcial o completa del magma. La textura es una característica importante porque revela datos sobre el ambiente en el que se formó la roca. Hay tres factores que contribuyen a la textura de las rocas ígneas: 1-la velocidad a la cual se enfría el magma; 2-la cantidad de sílice presente, y 3-la cantidad de gases disueltos en el magma.

1. Tamaño del grano: las rocas ígneas presentan gran variedad en el tamaño de sus granos, en un extremo figuran las rocas vítreas y en el otro las pegmatitas, en las que los cristales pueden alcanzar gran desarrollo. Aquellas rocas en las que todos los granos, o más de la mitad, son tan pequeños que no son visibles a simple vista se llaman afaníticas; y las que presentan más de la mitad de sus granos visibles se denominan faneríticas.

2. Forma: cuando los minerales están totalmente limitados por caras planas se dice que son euhedrales, si las caras cristalinas se desarrollan parcialmente se dice que son subhedrales y si no desarrollan forma cristalinas son anhedrales.
3. Grado de cristalinidad: se refiere a la relación existente entre componentes cristalinos y amorfos. Son holocristalinas cuando están totalmente cristalizadas; merocristalina, si están constituida por cristales y vidrio; y holohialinas si están totalmente constituida por vidrio.
4. Relaciones mutuas entre los cristales: se refiere a las relaciones espaciales de los minerales entre sí, considerados como integrantes de un agregado. Cuando todos los cristales que componen una roca ígnea poseen tamaño similar se dice que la misma es equigranular, por ejemplo: Granito. Si los cristales son de diferente tamaño, la roca es inequigranular, por ejemplo: Riolita.

Las rocas ígneas más comunes son:

• Granito (roca intrusiva, félsica) ; Riolita (es la equivalente efusiva del granito)
• Diorita (roca intrusiva, intermedia); Andesita (es la equivalente efusiva de la diorita)
• Gabro (roca intrusiva máfica); Basalto (es la equivalente efusiva del gabro).

Figura 6 - Clasificación de los principales grupos de rocas ígneas según su composición mineral y su textura. Fuente: modificado de Tarbuck, 2005.

4. Rocas Metamórficas

Las rocas metamórficas son aquellas que se originan por la transformación mineralógica y/o estructural de rocas preexistentes (conservando el estado sólido), debido a que las condiciones físicas y/o químicas que rigen a cierta profundidad son distintas de aquella bajo las cuales se formó.

Todas las rocas metamórficas tienen una roca madre: la roca a partir de la cual se formaron.

4.1. Tipos de Metamorfismo

• Metamorfismo regional: en este tipo de metamorfismo las condiciones termodinámicas están dadas por presiones y temperaturas altas. Se localiza en extensas áreas de la corteza terrestre, relacionadas en espacio y tiempo con los procesos orogénicos, a lo largo de los bordes de placa convergentes.

• Metamorfismo de contacto: la acción de la temperatura es intensa mientras que las presiones son débiles. Está directamente asociado a intrusiones magmáticas, las que aportan el calor suficiente para la transformación. Alrededor de las mismas se desarrollan las llamadas aureolas de metamorfismo, con distribución más o menos concéntricas, producto del lento enfriamiento del magma y de la distancia, ya que la temperatura que afecta a las rocas preexistentes es menor a medida que se aleja de la fuente de calor. El producto metamórfico resultante va a depender de dos factores: composición de la roca encajante y proximidad de la fuente térmica. El nombre aplicado a la amplia variedad de rocas metamórficas compactas y no foliadas formadas durante el metamorfismo de contacto es el de corneanas.

• Metamorfismo dinámico: las presiones son intensas y las temperaturas débiles. Se caracteriza por la acción predominante de presiones orientadas. Este tipo de metamorfismo está asociado a zonas de falla y deformaciones mecánicas en la corteza. El movimiento a lo largo de una zona de falla, fractura y pulveriza las rocas, el resultado es una roca poco consistente denominada brecha de falla que está compuesta por fragmentos de roca rotos y aplastados.
• Metamorfismo de profundidad: se produce en asociación con acumulaciones muy gruesas de estratos sedimentarios en una cuenca subsidente. Aquí, se pueden alcanzar las condiciones metamórficas de grado bajo en las capas inferiores. La presión de confinamiento y el calor geotérmico provocan la recristalización de los minerales y modifican la textura o la mineralogía de la roca sin deformación apreciable.
• Metamorfismo hidrotermal: es una alteración química que ocurre cuando los fluidos calientes, ricos en iones circulan a través de las fisuras y las fracturas que se desarrollan en la roca. Este tipo de metamorfismo está estrechamente relacionado con la actividad ígnea, ya que proporciona el calor necesario para hacer circular estas soluciones ricas en iones. Por tanto, el metamorfismo hidrotermal suele producirse en regiones en las que hay grandes plutones.
  

4.2. Factores del metamorfismo

• Factores Internos: incluyen todas las propiedades que dependen de la constitución primaria de la roca original y que controlan su proceso de transformación y son:

• Factores Externos: también llamados factores físicos, incluyen a la presión y a la temperatura. Estos factores controlan las transformaciones mineralógicas e influyen sobre el comportamiento mecánico de la roca, se pueden clasificar en:

4.3. Tipos de texturas

Del mismo modo que se empleara el término textura en las rocas ígneas, se empleará también en rocas metamórficas. Las rocas metamórficas presentan texturas típicas de este tipo de rocas.

• Texturas foliadas: se denomina foliación o esquistosidad a las estructuras de las rocas de origen metamórfico por las cuales estas pueden ser fragmentadas según superficies aproximadamente paralelas. Presentan un comportamiento anisótropo. La fuerte presión que actúa sobre la roca original, produce una compactación de esta y, forma capas y hojas dispuestas en bandas más o menos paralelas en los minerales. Esta disposición de minerales que no son equidimensionales consiste de orientación: (a) paralela, (b) en lentes o (c) en bandas de cristales minerales con hábito prismático o planar. Existen varios tipos de foliación, dependiendo del grado de metamorfismo y de la mineralogía de la roca original.

• Textura pizarrosa: presenta muy buena foliación. Los planos de separación son lisos y ásperos, no distinguiéndose minerales a simple vista.

• Textura esquistosa: su separación en planos es buena, pero estos presentan superficies más rugosas. La recristalización es más avanzada por lo cual los minerales son reconocibles a simple vista.

• Textura gnéisica: es una textura bandeada, en la cual se alternan capas delgadas de minerales máficos y félsicos (bandas de minerales claros y oscuros).

4.4. Secuencia y Serie

Determinar la secuencia de una roca metamórfica significa identificar el tipo de roca que le dio origen. También se le llama protolito (tipo de roca original).

·         Secuencia Para: la roca proviene de una sedimentaria.

·         Secuencia Orto: la roca proviene de una ígnea.

4.5. Principales Minerales

Las rocas metamórficas presentan minerales comunes a rocas ígneas (como cuarzo, feldespatos, micas, anfíboles) y otros comunes a rocas sedimentarias (como calcita, dolomita). Además, presentan minerales que son propios de estas rocas: talco (silicato hidratado de Mg), granate (silicato de Fe, Al, Ca, Mg), clorita (silicato hidratado de Al, Mg, Fe), serpentina (silicato hidratado de Mg), grafito (carbono con impurezas).

4.6. Principales Rocas Metamórficas

Pizarras: posee textura pizarrosa, presenta contenidos de materia orgánica. Son de colores verdes a negros.

Filitas: posee textura esquistosa muy buena, se observan los minerales a simple vista.

Esquistos: posee textura esquistosa, sus colores son variables. El nombre se los da el mineral más abundante, por ej: esquisto micáceo, esquisto granatífero.

Gneiss: posee textura gnéisica (bandeada), distinguiéndose por una alternancia de minerales claros y oscuros.

Mármol: posee textura granoblástica, frecuentemente presenta bandas producto de impurezas. Proviene del metamorfismo de calizas o dolomías.

Metacuarcita: son rocas compactas de textura granoblástica, constituida por granos de cuarzo recristalizado.

Figura 9 – Principales rocas metamórficas. Fuente: tomado de Tarbuck, 2005