Unidad 3B
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Monti, A., 2004 AMBIENTE NATURAL I Unidad 3: La tierra, un planeta dinámico (Parte B) I. Contenidos generales Origen del universo y sistema solar. Forma, edad y estructura interna de la tierra. Deriva continental y Tectónica de placas. Distribución de continentes y cuencas oceánicas. Margenes de placas y bordes continentales. Movimientos relativos y estilos estructurales resultantes. Orogénesis, epirogénesis e Isostacia. Magma: génesis y composición. Plutonismo y vulcanismo. Principales materiales constituyentes de la corteza terrestre Cristales y minerales. Minerales formadores de rocas. Procesos formadores y tipos de rocas resultantes: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Clasificación mineralógica y textural de las rocas. II. Objetivos Conocer la estructura interna de la Tierra y vincularla con las teorías de la deriva continental y tectónica de placas. Analizar la dinámica y naturaleza de los distintos procesos endógenos generadores de relieve. Conocer los principales constituyentes minerales de la corteza terrestre. Plantear la relación causal entre magma, minerales y roca. Identificar los elementos definitorios de las rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas. III. Introducción En la sección A de la presente unidad se hizo énfasis en el conocimiento de la estructura interna de la Tierra. Se destacó la relevancia que presenta la interacción de la litosfera con la Astenósfera para explicar la deriva de los continentes, el dinamismo de las placas tectónicas y sus contactos y movimientos relativos más comunes. Asimismo, se hizo hincapié en los diferentes estilos de montañas que se generan en cada uno de los tipos de fronteras tectónicas. En esta segunda parte se tratarán características generales del magma y se establecerá su relación con los minerales. Asimismo, se profundizará en el concepto de sustancia mineral, su clasificación y características físicas. Se planteará la cadena causal magma-mineralroca. Hacia el final de la unidad de esbozarán los procesos geológicos generadores de corteza, la conformación del ciclo geológico y su relación con los tres grandes grupos de rocas. IV. Conceptos teóricos El magma: génesis y composición Ya mencionamos que en ciertos sectores de la astenósfera superior y de la litosfera, las condiciones de presión y temperatura favorecen la fundición de grandes volúmenes de rocas para formar una sustancia líquida a la que se denomina magma. Por lo tanto, en una primera aproximación se podría denominar magma a: “cualquier material móvil, caliente del interior de la tierra, capaz 34 Apuntes teóricos. Segundo módulo-Unidad 3 FHyCS, UNPSJBosco Monti, A., 2004 AMBIENTE NATURAL I de penetrar a través de la corteza terrestre.” En una definición más específica: “una materia rocosa, móvil, caliente, formada totalmente o en parte muy apreciable, de una fase líquida que tiene la composición de una fundición de Silicatos. Puede contener una fase gaseosa o puede consistir completamente de fases cristalinas, sólidas” (Williams, Turner y Gilbert, 1980) Por ende, el magma no es únicamente roca fundida, sino que suele estar conformado por una fase líquida, una gaseosa y una sólida. Así los gases y vapores serán más importantes cuando ese magma se encuentre confinado a alta presión en profundidad, mientras que a medida que asciende por la corteza, la consecuente disminución de la presión favorecerá la liberación de los gases. En casi todos los magmas, la fase líquida consisten principalmente de oxígeno y sílice, con cantidades menores de los otros seis elementos comunes en la corteza. Los elementos químicos son los materiales fundamentales a partir de los cuales están compuestas el resto de las sustancias. En la corteza terrestre han sido hallados un total de 88 elementos, sin embargo, tan sólo 8 elementos componen más del 90% de la corteza. Por ende, las variaciones principales en la composición química se basan en las diferencias entre las proporciones relativas de los 8 elementos mayoritarios. Ellos son: oxígeno, silicio, aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio y magnesio. El resto corresponde a titanio, hidrógeno y fósforo, entre otros. La temperatura del magma varía entre 600 y 1400C dependiendo de la composición química y la profundidad y presión a la que se ha formado dicho magma. Dos ambientes geológicos constituyen los sitios donde se genera la mayor cantidad de magma: 1. márgenes de placas convergentes donde ocurre subducción: La placa litosférica descendente se hunde en la astenósfera. Allí ocurre la fusión de grandes volúmenes de roca debido a: a) incremento de la temperatura por calor generado por la fricción entre ambas placas, el que se suma al calor propio de la astenósfera y b) a la adición de agua desde la corteza oceánica subductada lo que le baja el punto de fusión a las rocas cercanas. Cabe recordar que las rocas que tienen agua en su composición tienen puntos de fusión más bajos que las rocas de igual composición pero sin agua. Los volúmenes más grandes de magma se producen a profundidades cercanas a 100 km aproximadamente, donde la placa subductada pasa de la litosfera a la astenósfera. 2. márgenes de placas divergentes (zonas de rift): cuando dos placas litosféricas se separan en un margen de rift o divergente asciende astenósfera caliente y plástica para rellenar el espacio dejado por las placas que se apartan. Como ya mencionamos la mayoría de los márgenes de rift se encuentran en las cuencas oceánicas donde se forman las cordilleras centro-oceánicas. Cuando funde una roca silicatada, el magma resultante se expande cerca de un 10%. Por ello frecuentemente el magma tiene menor densidad que la roca de la cual provino. Ello provoca que los magmas tiendan a subir por las fracturas de la corteza, hacia la superficie de la tierra ya que sus densidades son menores que las de las rocas que los rodean. A medida que el magma asciende se enfría y alcanza lugares de la corteza que se encuentran 35 Apuntes teóricos. Segundo módulo-Unidad 3 FHyCS, UNPSJBosco Monti, A., 2004 AMBIENTE NATURAL I a menor presión y comienza la unión de sus componentes químicos, dando lugar a la formación de los minerales, lo que a su vez favorece la solidificación del magma para generar finalmente rocas. Por lo tanto, una roca en sentido muy amplio es: un agregado consolidado de sustancias minerales con distinta composición química, dispuestas de diversos maneras dentro de un cuerpo sólido mayor Los minerales De lo mencionado surge que los minerales son las sustancias que componen las rocas. Pero... ¿ Qué es un mineral según una definición más precisa? Un mineral es una sustancia inorgánica de origen natural que posee una composición química definida y una estructura cristalina ordenada. La primera parte de la definición trata a los minerales como sustancias inorgánicas. Vale decir que las diferencia claramente de las sustancias derivadas de la acción de los organismos vivos. Asimismo, la especificación de los minerales como sustancias naturales elimina de la definición a los materiales que han sido obtenidos por procesos artificiales en la industria o laboratorios químicos. Así, los aspectos fundamentales de la definición son los relacionados con que los minerales poseen composición química definida y una estructura cristalina ordenada. Composición química de los minerales Los elementos químicos son los materiales fundamentales a partir de los cuales están compuestas el resto de las sustancias. Asimismo, los átomos son la unidad fundamental de los elementos. En la corteza terrestre han sido hallados un total de 88 elementos. Sin embargo, tan solo 8 elementos componen más del 90% de la corteza. Ellos son: oxígeno (46,66%), silicio (27,72%), aluminio (8,13%), hierro (5%), calcio (3,63%), sodio (2,83%), potasio (2,59%) y magnesio (2,09%). El resto corresponde a titanio, hidrógeno y fósforo, entre otros. Por definición, los minerales tiene una composición química definida. Una sustancia que presenta dicha característica, está formada por elementos químicos unidos entre si en proporciones definidas. Por ende, la composición puede ser expresada como una fórmula química. Por ejemplo, el cuarzo es un mineral cuya fórmula química es SiO2. A partir de ella se determina que el cuarzo consiste en un átomo de silicio, unido a dos átomos de oxígeno. La mayoría de los minerales son el producto de la combinación de dos a seis elementos simples. Pocos minerales consisten en un sólo elemento. Por ejemplo el oro y la plata son elementos minerales únicos. La combinación química de los elementos ha permitido reconocer 2500 especies minerales diferentes. Estructura cristalina Todos los minerales son sólidos cristalinos. Se dice que una sustancia se encuentra en estado cristalino cuando las partículas que la conforman están dispuestas en forma ordenada y separadas entre si por distancias constantes. Por ejemplo el Cloruro de sodio, comúnmente conocido como sal , aparece en la naturaleza como el mineral Halita. La fórmula química del mismo es NaCl, o lo que es lo mismo un átomo de sodio (Na) por un átomo de cloro (Cl). Como se puede observar en la figura 1, los átomos están arreglados en filas y columnas ordenadas, donde alternan cloros y sodios desde izquierda a derecha, 36 Apuntes teóricos. Segundo módulo-Unidad 3 FHyCS, UNPSJBosco Monti, A., 2004 AMBIENTE NATURAL I desde arriba hacia abajo y desde adelante hacia atrás. El arreglo ordenado de átomos se denomina estructura cristalina. De modo tal que un cristal se define como: un cuerpo sólido limitado naturalmente por superficies planas, que constituyen la expresión exterior de una ordenación regular de los átomos que se repiten. Propiedades físicas de los minerales Tanto la composición química como la estructura cristalina son dos propiedades fundamentales que distinguen a cada mineral del resto. Sin embargo, obtener la estructura y composición de un mineral es un proceso que conduce a una serie de complicados análisis, los que requieren de costosos equipos de laboratorio. Por ello, los geólogos realizan una primera identificación en el campo, basándose en el reconocimiento visual combinado con el ensayo de algunas propiedades. Las propiedades físicas de los minerales están directamente controladas por la composición química y la estructura cristalina. Por esa razón una observación detallada de las propiedades físicas de una muestra mineral puede permitir la identificación del mineral, como si hubiéramos realizado costosos análisis de composición química y estructura cristalina. Obviamente el reconocimiento de las propiedades físicas no excluye en lo más mínimo los otros análisis, sino que en todo caso precede a estos que se efectúan cuando la profundidad del estudio lo requiere. Por lo tanto, las propiedades físicas de más sencilla determinación son las siguientes. Hábito cristalino: es la forma según la cual el cristal individual crece y/o la manera en la cual los cristales crecen juntos conformando agrupaciones o agregados cristalinos. Los cristales pueden presentar un hábito cúbico, prismático, tabular, etc. En general los cristales poseen como elementos principales caras, aristas y vértices. Las caras de los cristales estarán mejor formadas, cuanto más libre haya sido su desarrollo y más amplio el lugar donde se generaron. Cabe destacar que en la naturaleza no es común encontrar individuos con sus caras cristalinas muy bien desarrolladas. Es frecuente que el crecimiento de cristales se vea impedido por otros cristales adyacentes que están creciendo simultáneamente o que estaban formados con anterioridad. Clivaje y Fractura: es la tendencia que presentan algunos minerales a romperse según capas paralelas, análogamente a lo que ocurre en una cebolla por ejemplo. Un mineral que presenta un clivaje muy marcado es la mica. Siempre el clivaje se presenta paralelo a una cara cristalina. Debido a que el clivaje no es una propiedad de fácil determinación a simple vista, cuando se lo observa el mismo puede ser muy determinativo. Por otra parte, la fractura es la forma en la cual los minerales se rompen según otros planos diferentes a los del clivaje. Algunos minerales no poseen clivaje. Sin embargo la manera en que se rompen es característica y se utiliza para su identificación. Por ejemplo una fractura concoide es la tendencia de un mineral a romperse a lo largo de una fractura suave y curva, como en el caso del cuarzo. La mayoría de los minerales tienden a facturarse según una superficie irregular. Dureza: es la resistencia que opone un mineral a ser rayado por otro mineral u objeto de dureza conocida. La dureza está controlada por la fuerza de la unión química en el mineral. Por ello, la dureza es una propiedad fundamental en cada mineral. En geología práctica, para ensayar la dureza se usa una escala de dureza conformada por 10 minerales muy comunes en la corteza, cada uno de los cuales es más duro que el precedente en la escala. De tal modo el mineral 1 es el más blando y el 10 el más duro. A esta escala se la conoce como Escala de Mohos y esta compuesta por: 37 Apuntes teóricos. Segundo módulo-Unidad 3 FHyCS, UNPSJBosco Monti, A., 2004 1. talco 2. yeso 3. calcita AMBIENTE NATURAL I 4. fluorita 5. apatito 6. ortosa 7. cuarzo 8. topacio 9. corindón 10. diamante Peso específico: es el peso de la sustancia en relación al peso de igual volumen de agua. El peso del mineral está determinado por las propiedades de los elementos que componen el mineral y por cuan apretados están los átomos en la estructura cristalina del mineral. Si bien el peso específico debe ser medido en laboratorio, es posible estimar relativamente el peso del mineral, a partir de comparar su peso con otros objetos de densidad conocida. Color: es la propiedad física más notoria de los minerales, pero no siempre es la más confiable para identificar minerales distintos. Ocurre que los minerales no son absolutamente puros y no aparecen en la naturaleza en cristales perfectos. Tanto las impurezas como la imperfecciones de la estructura cristalina pueden alterar marcadamente el color característico de los minerales. Hay dos términos muy utilizados en la bibliografía para denominar a los minerales según su color. Los minerales de colores claros son denominados félsicos ó fémicos y los de colores oscuros máficos. Raya: es el color del polvo del mineral cuando se raya al mismo sobre un objeto de mayor dureza. Esta propiedad es considerablemente más confiable para la identificación, que el color del propio mineral. Por ejemplo la pirita que es de color amarilla, tiene raya parda, la especularita que tiene color gris metálico, tiene raya roja, la magnetita que es de color negra tiene raya negra. Brillo: es la manera en la cual el mineral refleja la luz. De acuerdo con el aspecto que presenta la superficie del cristal al reflejar la luz el brillo puede ser metálico (similar a un metal), vítreo (similar a un vidrio), graso, resinoso, perlado, etc. Por ejemplo la galena tiene brillo metálico, el cuarzo tiene brillo vítreo, el talco tiene brillo graso. ¿Dónde y cómo se forman los minerales? Las especies minerales que reconocemos en la naturaleza se forman por dos caminos distintos. Unas se pueden forman a partir del enfriamiento lento de un magma en el interior de la corteza. mientras otras pueden originarse por la alteración química de minerales preexistentes, debido a la acción de agentes exógenos como agua de escorrentía o simplemente por el contacto con el oxígeno de la atmósfera. De ese modo, los minerales que directamente cristalizan a partir de un magma se denominan minerales primarios y los que se forman por alteración química de los primarios se llaman minerales secundarios. Veamos ahora como se forman los minerales primarios. Cristalización fraccionada en un magma Cuando un magma comienza a enfriarse dentro de la corteza se produce la unión de sus componentes químicos para formar cristales. Ahora, no todos los minerales cristalizan al mismo tiempo ni a la misma temperatura. Algunos minerales cristalizan primero, a las temperaturas más altas y contienen los porcentajes de sílice más bajos. Los minerales con contenidos de sílice más altos cristalizan más tarde, a temperaturas más bajas. Por ello, a medida que el magma se sigue enfriando, se forman minerales más ricos en sílice como feldespato potásico, plagioclasa sódica y cuarzo. Este fenómeno geológico es conocido como cristalización fraccionada. 38 Apuntes teóricos. Segundo módulo-Unidad 3 FHyCS, UNPSJBosco Monti, A., 2004 AMBIENTE NATURAL I Ello se representa según dos secuencias de reacciones químicas denominadas Serie de reacción de Bowen, la cual esta compuesta en realidad por dos series: a) una serie discontinua o rama izquierda (OPAB) conformada en su gran mayoría por minerales máficos (oscuros) y b) una serie continua o serie de las plagioclasas que constituye la rama derecha de reacciones que agrupa minerales en su gran parte félsicos ó fémicos (claros). Rama OPAB Rama de las plagioclasas olivina piroxeno anfibol biotita plagioclasa cálcica plagioclasa Ca-Na plagioclasa Na-Ca plagioclasa sódica feldespato potásico-muscovita y cuarzo Clasificación mineral En geología se clasifican los minerales de acuerdo con su composición química. Los minerales están divididos en grupos basados en el anión dominante presente en el mineral. Un anión es un átomo que tiene cargas negativas. Los aniones pueden ser simples como en el caso del oxígeno (O2-) o el azufre (S2-) o pueden ser complejos como los sulfatos (SiO4-). Por lo tanto, la sistemática mineral incluye: Óxidos: Sulfuros: Sulfatos: Haluros: Carbonatos: Fosfatos: Silicatos: Elementos nativos: hematita Fe2O3 galena PbS yeso SO4Ca halita NaCl calcita CO3Ca apatito (PO4)3Ca5 cuarzo SiO2 oro Au De todos los grupos mencionados, los Silicatos son el grupo mineral más abundantes de la corteza terrestre, alcanzando el 95% del total. Esta afirmación resulta por demás lógica si recordamos la marcada abundancia del oxígeno y el silicio en la corteza y su tendencia a unirse químicamente. Además de ellos, los Silicatos contienen aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio y potasio, que son los elementos que siguen en abundancia al silicio y al oxígeno. Minerales formadores de rocas Si bien se han reconocido cerca de 2500 especies minerales, sólo un pequeño número de ellas, entre 20 y 30, son abundantes en la actualidad. Los minerales formadores de rocas son los constituyentes más abundantes de las rocas. Al ser los más comunes en la corteza terrestre son las que más comúnmente van a encontrar e identificar. Si los Silicatos son los más abundantes, la mayoría de las rocas estarán conformadas por Silicatos, aunque hay 39 Apuntes teóricos. Segundo módulo-Unidad 3 FHyCS, UNPSJBosco Monti, A., 2004 AMBIENTE NATURAL I dos especies minerales que sin ser Silicatos también participan en elevado porcentaje de la conformación de las rocas. Seis Silicatos o grupos de Silicatos componen casi el 90% de la corteza. Ellos son feldespato, cuarzo, piroxeno, anfibol, mica y olivina. A ellos se pueden sumar otros Silicatos bastante comunes como granate y clorita, pero menos abundantes que los precedentes. Los minerales no Silicatos que son comunes en la corteza y completan la lista de minerales formadores de rocas son calcita y dolomita (carbonatos). Ciclo de las rocas: procesos formadores y tipos de rocas Si entendemos que una roca, en sentido amplio, es un agregado consolidado de sustancias minerales de variada composición, a partir de la observación de los componentes del relieve terrestre resultará relativamente sencillo aceptar que la corteza rígida, fría y frágil del planeta está conformada por rocas y que cada una de éstas a su vez se encuentra conformada por minerales. Por ejemplo, cuando nos paramos frente a una montaña o un acantilado, no sólo podemos preguntarnos acerca de cuantos tipos distintos de rocas lo componen, sino también podemos intentar imaginarnos cuantos millones de pequeños cuerpos cristalinos de distinta composición mineral podríamos reconocer si contáramos con lupas de gran aumento que nos permitieran identificar los minerales que componen esas rocas. De algún modo no sería erróneo definir una montaña o un acantilado como una gran acumulación de minerales!!! Pero intentaremos ser un poco más específicos ya que hay una serie de características particulares en el arreglo y disposición de esos minerales que permiten agrupar las rocas de las que forman parte en tres grandes conjuntos: rocas ígneas, rocas sedimentarias y rocas metamórficas. Ya sabemos que la tierra se formó a partir de un estado fundido a semifundido, por lo que comenzó como una masa mineral que luego de distintos procesos que involucraron ganancias y pérdidas de grandes cantidades de calor en el magma dieron origen a las rocas ígneas. La actividad geológica subsiguiente modificó las rocas ígneas originales para formar rocas sedimentarias y metamórficas. Por lo tanto, mientras las rocas ígneas se forman directamente a partir del enfriamiento y solidificación del magma, las rocas sedimentarias se forman por la litificación de los sedimentos generados a partir de la desintegración físico-química de una roca preexistente, por ejemplo de una roca ígnea. En cambio las rocas metamórficas se forman cuando las rocas ígneas, sedimentarias e inclusive metamórficas previas, recristalizan bajo altas temperaturas y/o presiones, adecuando sus características a las nuevas condiciones. Luego por cambios geológicos puede locales o regionales puede producirse la fusión de la roca metamórfica preexistente, generar magma y de su solidificación posterior conformar una nueva roca ígnea; la que puede volver a ser desintegrada por agentes externos y de ese modo reiniciarse el ciclo. Este ciclo en la bibliografía recibe el nombre de ciclo geológico ó ciclo de las rocas. Pese a que aún no se han tratado en detalle, intuitivamente es posible proponer que las características y aspecto de cada grupo de rocas serán consecuencia directa del lugar y del proceso geológico, endógeno u exógeno, que dominó su conformación. El 95% de la corteza consiste de rocas ígneas y metamórficas. Sin embargo, actualmente la mayor parte de los materiales ígneos-metamórficos está cubierto por una delgada capa de rocas sedimentarias. Pese a ello las rocas ígneas suelen ser fáciles de reconocer ya que constituyen en la actualidad la mayor parte de los relieves montañosos más importantes de la tierra. Nos centraremos a continuación en el estudio en los procesos generadores de rocas ígneas. 40 Apuntes teóricos. Segundo módulo-Unidad 3 FHyCS, UNPSJBosco Monti, A., 2004 AMBIENTE NATURAL I Continuará... 41 Apuntes teóricos. Segundo módulo-Unidad 3 FHyCS, UNPSJBosco