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BLOQUE II. LOS MATERIALES QUE COMPONEN LA TIERRA
- Minerales y rocas.
- Rocas ígneas.
- Rocas sedimentarias.
- Rocas metamórficas.
MINERALES Y ROCAS
La corteza terrestre y los océanos son la fuente de una amplia variedad de minerales útiles y esenciales. De hecho, prácticamente todos los productos fabricados contienen materiales obtenidos de los minerales.
Además de los usos económicos de las rocas y los minerales, todos los procesos estudiados por los geólogos son en cierta manera dependientes de las propiedades de esos materiales básicos de la Tierra. Acontecimientos como las erupciones volcánicas, la formación de montañas, la meteorización y la erosión, e incluso los terremotos, implican rocas y minerales. Por consiguiente, es esencial un conocimiento básico de los materiales terrestres para comprender todos los fenómenos geológicos.
Rocas
Una roca es cualquier masa sólida de materia mineral, o parecida a mineral, que se presenta de forma natural como parte de nuestro planeta.
Unas pocas rocas están compuestas casi por completo de un solo mineral:
Ej. Caliza (r. sedimentaria), compuesta de masas impurificadas de calcita.
Sin embargo, la mayoría de las rocas aparecen como agregados *^ de varias clases de minerales:
Ej. Granito (r. ígnea), compuesta por cuarzo, hornblenda y feldespato.
*Aquí el término agregado significa que los minerales están unidos de tal forma que se conservan las propiedades de cada uno.
Unas pocas rocas están compuestas de materia no mineral. Entre ellas las rocas volcánicas obsidiana y pumita, que son sustancias vítreas no cristalinas, y el carbón, que consiste en restos orgánicos sólidos.
Ciclo petrológico: El ciclo de transformación de las rocas
El ciclo de las rocas nos ayuda a entender el origen de las rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas, y a ver que cada tipo está vinculado a los otros por los procesos que actúan sobre y dentro del planeta.
El ciclo petrológico es un modelo conceptual de cómo las rocas se forman, transforman, destruyen y regeneran como respuesta a los factores ambientales y a los procesos que intervienen.
El ciclo petrológico sugiere que las rocas de la Tierra pueden reciclarse una y otra vez, y así ha sucedido a lo largo de los tiempos geológicos. Todas las rocas proceden del manto terrestre (magmas), del espacio (meteoritos), de organismos (restos de animales o plantas), o de la fragmentación y descomposición química de otras rocas (sedimentos).
Las rocas se suelen agrupar en ígneas, metamórficas y sedimentarias, caracterizando los tres ambientes principales que intervienen en el ciclo petrológico; el magmático, el metamórfico y el sedimentario, respectivamente. Los procesos de magmatismo y metamorfismo son endógenos, el de la sedimentación es exógeno.
podremos comprender la evolución de nuestro planeta y los procesos que le han afectado. La historia de la Tierra está grabada en las rocas, de ahí la necesidad de aprender a descifrar la información que estas nos suministran.
Todas estas transformaciones son muy lentas y los procesos son irreversibles. Una roca sirve de materia prima para otra roca, pero nunca se transforma en la misma. Realmente no es un ciclo porque existe una entrada/salida de materiales. Tampoco es cíclico con respecto a la energía porque se gasta.
El ciclo de las rocas según el modelo de la tectónica de placas divide entre los procesos externos e internos. Las rocas sedimentarias se dan en los procesos externos (deposición en bordes continentales), mientras que las rocas ígneas en los internos (márgenes cuencas oceánicas), y las metamórficas tanto en unos como en otros.
Minerales
Los geólogos definen los minerales como cualquier sólido inorgánico natural que posea una estructura interna ordenada y una composición química definida.
Composición de los minerales
Cada uno de los casi 4.000 minerales de la Tierra está exclusivamente definido por su composición química y su estructura interna. En otras palabras, cada muestra del mismo mineral contiene los mismos elementos reunidos en un modelo regular y repetitivo.
En la actualidad se conocen 112 elementos. De ellos, sólo 92 aparecen de forma natural. Algunos minerales, como el oro o el azufre, están compuestos exclusivamente de un elemento. Pero la mayoría consta de una combinación de dos o más elementos, reunidos para formar un compuesto químicamente estable.
Propiedades físicas de los minerales
Forma cristalina. Es la expresión externa de un mineral que refleja la disposición interna ordenada de los átomos. Ej: Pirita
Brillo. Es el aspecto o calidad de la luz reflejada de la superficie de un mineral (metálico, vítreo, perlado, sedoso, resinoso y mate).
Color. Aunque es una característica obvia de un mineral, a menudo es una propiedad poco fiable. Ej: cuarzo por impurezas blanco, rosa, negro, púrpura.
Raya. Es el color de un mineral en polvo y se obtiene frotando a través del mineral con una pieza de porcelana no vidriada denominada placa de raya.
Dureza. Medida de la resistencia de un mineral a la abrasión o al rayado.
Exfoliación y fractura. La exfoliación es la tendencia de un mineral a romperse a lo largo de planos de enlaces débiles (identificados por sus superficies lisas distintivas al romperse un mineral). Los que no exhiben exfoliación se dicen que tienen fractura (ej. Cuarzo).
Peso específico. Es un número que representa el cociente entre el peso de un mineral y el peso de un volumen igual de agua.
Grupos de minerales
-Silicatos:
Los silicatos es la más numerosa en el mundo mineral. Más del 90% de los minerales que forman las rocas son silicatos. Los elementos que los constituyen son los más abundantes en la Litosfera.
A esta clase pertenecen todos aquellos minerales en
cuya estructura tienen un grupo iónico constituido por un
ión silicio (radio iónico = 0´39 Å) y cuatro iones oxígeno
(Si 2 O 7 )(OH) 2 H 2 O, presente en rocas ígneas y se utiliza como mineral índice.
Ciclosilicatos (ciclo: anillo) [Si (^) nO (^) 3n ]-2n^. Los tetraedros forman grupos de tetraedros (3, 4 ó 6) unidos en disposición anular. Los anillos se asocian entre ellos por cationes. Se compensan con Berilio (Be) y con Aluminio (Al), originando un mineral denominado Berilo (Si 6 O 18 )Al 2 Be 3 , que no es muy frecuente pero es importante. Es una estructura laxa, con huecos en los que se introducen iones que están en el fundido en una concentración muy pequeña. Uno de estos iones es el Cr. Los Berilos con Cr originan la Esmeralda. Están en rocas ígneas ácidas y en rocas metamórficas.
- Inosilicatos ( ino : hilo, cadena).
- Piroxenos. Forman cadenas simples, donde cada tetraedro se asocia con sus dos vecinos mediante dos oxígenos de coordinación SiO 6 4-^. Son muy frecuentes en rocas ígneas básicas y ultrabásicas y en rocas metamórficas. Se suelen presentar en forma de prismas.
- Anfíboles. Si además estas cadenas se unen lateralmente compartiendo más oxígenos, se forman cadenas dobles (Si 4 O 11 6-^ ). El más común es la Hornblenda. Se encuentran en rocas ígneas ácidas y básicas, y en rocas metamórficas. Los cationes que unen las cadenas dobles son: Mg, Fe, Ca y Na.
- Filosilicatos ( filo : hoja) [Si 4 O 10 ]4-^. Están constituidos por hojas de tetraedros formando cadenas dobles unidas entre sí. Cada tetraedro comparte 3 vértices con otros tantos tetraedros, originándose una disposición bidimensional. Las hojas se apilan la unas sobre las otras y están unidas por hojas intermedias en las que se asocian radicales [OH]-^.
- Tectosilicatos (tecto: arquitectura) [Si 4 O 8 ]0-^ [SIO 2 ]0-^. Son los denominados silicatos tridimensionales o de estructura en armazón. Cada tetraedro [SiO 4 ]4-^ está unido con sus cuatro vecinos por sus cuatro oxígenos. Todos los oxígenos son de coordinación, no hay ninguna valencia libre. La fórmula de la unidad más simple es SiO 2 0-^ , el cuarzo responde a esta fórmula.
Magmas: el material de las rocas ígneas
A modo de introducción vamos a aclarar que los términos magma y lava aunque tienen por misma descripción roca fundida o líquida no significan lo mismo.
El magma existe debajo de la superficie de la Tierra, y la lava es roca fundida que ha alcanzado la superficie. Pueden tener una composición similar ya que la lava se produce a partir del magma, pero en general ha perdido los materiales que escapan en forma gaseosa, como el vapor de agua.
Origen y formación
Aunque algunos magmas exhiben pruebas de al menos algunos componentes derivado de la fusión de las rocas de la corteza, hoy los geólogos están seguros de que la mayor parte de los magmas se genera por la fusión del manto terrestre. También está claro que la tectónica de placas desempeña un papel importante en la generación de la mayor parte del magma. Las zonas donde más magma se produce son zonas de placa divergentes (en asociación con la expansión del fondo oceánico), y zonas de subducción (la litosfera oceánica desciende al manto). Algunos magmas se generan en las profundidades del manto, donde no recibe la influencia directa de los movimientos de placas.
Para la formación del magma hay que tener en cuenta diversos factores que determinan si las rocas estarán en estado sólido o líquido:
-Papel del calor: las rocas de la corteza inferior y del manto superior se encuentran a unas temperaturas que oscilan entre 1.200 y 1.400 ºC, próximas a los puntos de fusión de las rocas (siguen estando sólidas) y el
Subvolcánica:Filoniana: PórfidoVolcánica: Toba
calor adicional como concentraciones de elementos radiactivos, choque de placas (fricción) son los determinantes para fundir las rocas.
-Papel de la presión: el aumento de la presión de confinamiento reduce la temperatura de fusión de las rocas (a más presión más temperatura para fusionar). La presión de confinamiento hace que nuestro planeta no fuese una bola fundida cubierta por una fina capa exterior sólida.
-Papel de los volátiles: el agua y otras sustancias volátiles actúan al igual que la sal para fundir el hielo. Es decir, las sustancias volátiles hacen que la roca se funda a temperaturas inferiores. Además el efecto de los volátiles se incrementa con el aumento de la presión.
Composición
Los magmas son material completa o parcialmente fundido, que al enfriarse se solidifica y forma una roca ígnea. La mayoría de los magmas constan de tres partes:
- Fase líquida (fundido). Constituida por iones de los elementos que se encuentran en la corteza terrestre. El fundido está formado principalmente por iones de oxígeno y silicio, que se combinan fácilmente formando sílice (SiO 2 ), así como cantidades menores de Al, K, Ca, Na, Fe y Mg.
- Fase gaseosa. Constituida por los gases disueltos de la fase fundida: vapor de agua (H 2 O), dióxido de carbono (CO 2 ), dióxido de azufre (SO 2 ) gases sulfurosos, clorhídrico, etc.
- Fase sólida. Constituida por materiales que, si los hay, están en suspensión de la fase fundida, refractarios (resistentes a fundirse) o minerales que han cristalizado en su fase temprana.
Clasificación química (magmas y rocas ígneas) en función del contenido en SiO 2
- Magmas ácidos. Cuando la proporción de SiO 2 > 63%
- Magmas neutros. Cuando la proporción de SiO 2 de 52% a 63%
- Magmas básicos. Cuando la proporción de SiO 2 de 45% a 52%
- Viscosidad alta: consolida en forma de nubes ardientes o en coladas de material piroclástico.
Cristalización de los magmas: series de Bowen
Recordemos que el hielo se congela a una única temperatura mientras que un magma cristaliza en un intervalo de al menos 200ºC.
El objetivo de Bowen era conocer cómo se originan los minerales de las rocas. Para determinar el origen de los minerales realizó un experimento en el que partió de un magma basáltico creado por él mismo, para ello tomó los 8 elementos más abundantes de la corteza terrestre: O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K., los calentó y fundió dando lugar a un magma.
Observó que iban apareciendo y desapareciendo minerales del magma bajo unas condiciones determinadas. Los minerales son estables bajo unas condiciones de P y Tª, que al variar hacen que se transformen en otros minerales de distinta estructura y composición.
Cuando empieza a descender la temperatura del fundido, se forman cristales y el primero en aparecer es el olivino y la anortita (plagioclasa cálcica).
Al bajar más la temperatura desaparece el olivino y sus cristales reaccionan con la sílice, dando lugar a piroxeno. Por otro lado, la anortita también deja de ser estable y se forma la plagioclasa intermedia.
En su experimento, Bowen partió de un magma basal creado por él mismo, pero en la naturaleza no ocurre esto, ya que no existe un magma de composición única, sino que se conocen 3 tipos de magmas de composición y origen diferente:
- Magma basáltico.
- (^) Toleítico: Se origina en los límites divergentes, en las zonas de las dorsales.
- Alcalino: en los puntos calientes del interior de las placas.
- Magma granítico. Se forma en los límites convergentes y en el interior de las placas.
- (^) Magma andesítico. Se forma en los límites convergentes.
Estos tres magmas se conocen como magmas primarios (ó primitivos), y sufren una serie de procesos de diferenciación magmática originando distintos tipos de magmas, denominados magmas derivados.
Procesos de diferenciación magmática
Los magmas primarios del interior de la Tierra comienzan a ascender lentamente debido a su viscosidad y el fluido se detiene en cámaras magmáticas del interior de la Tierra y a profundidades variables donde se van enfriando.
Aparecen minerales de alto punto de fusión. Como el proceso es lento se forman nuevos minerales y los anteriores no se eliminan del todo.
1.- Cristalización fraccionada.
-Parte fundida.
-Parte sólida. En la que se están formando los minerales.
A medida que varían las condiciones de presión y temperatura, unos minerales cristalizan antes que otros, pero no llegan a desaparecer por completo, sino que aparecen minerales nuevos o recrecen los antiguos a medida que baja la temperatura. Frecuente en plagioclasas. Los materiales se separan en fracciones.
2.- Diferenciación gravitatoria.
Los minerales formados son algo más densos que el fluido y van cayendo hacia el fondo de la cámara, sin posibilidad de reaccionar con el fundido. Se originan rocas con esos minerales que van cambiando de composición. Los primeros son rocas con minerales de alto punto de fusión y los de arriba que van llegando son de bajo punto de fusión. La composición no es la misma.
3.- Transporte gaseoso.
Es lo contrario de la diferenciación gravitatoria. Los gases tienden a ascender a la parte superior de la cámara magmática. Los minerales ligeros (Na, K) son arrastrados hacia arriba y los pesados quedan abajo.
Clasificación de las rocas ígneas
- Textura
- Grado de cristalinidad - Forma de los cristales - Distribución de tamaños -Holocristalinas -Fanerítica -Equigranulares -Hipocristalinas -Afanítica -Inequigranulares -Vítreas
TEXTURAS DE LOS TIPOS DE ROCAS
PLUTÓNICAS
Holocristalinas
FILONIANAS Y SUBVOLCANICAS
Holocristalias/Hipocristalinas
VOLCÁNICAS
Hipocristalinas/Vítreas Granuda Pegmatítica Hipocristalinas Microgranuda Aplítica Vítreas Porfídica Vacuolar
- (^) Estructura
- Masiva • Fluidal
- Planar • Púmica (vesicular)
- Orbicular • Cavernosa (vesicular)
- Gabarros
- Composición química y mineralógica.
- Composición química: en función del contenido en sílice (SiO 2 )
- Rocas ácidas (> 63% SiO 2 )
- Rocas intermedias o neutras (63-52% SiO 2 )
- Rocas básicas (52-45% SiO 2 )
- (^) Rocas ultrabásicas (< 45% SiO 2 )
- Composición mineralógica
- Minerales fundamentales (esenciales). Son principalmente silicatos y se encuentran en la roca en
C. Porfídica D. Vítrea (granos grandes (enfriamiento demasiado
A. Afanítica B. Fanerítica (grano fino) (grano
una proporción > 5% en volumen. Se formaron durante la cristalización.
- Leucocratos o félsicos (minerales claros): cuarzo, feldespatos y feldespatoides.
- Melanocratos o máficos (minerales oscuros): olivino, piroxeno, anfíboles y biotita.
- (^) Minerales accesorios. Se encuentran en la roca en una proporción < 5% en volumen. Circón, apatito, berilo, etc. Se formaron durante la cristalización.
- Minerales accidentales. Son minerales de alteración y no se utilizan.
Forma de los yacimientos de las rocas ígneas
Hay dos tipos de yacimientos que se diferencian según hayan sido materiales formados por actividad intrusiva, o bien, materiales formados por actividad extrusiva.
-Materiales formados por actividad ígnea intrusiva
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.
Los cuerpos ígneos intrusivos se clasifican generalmente según su forma como tabulares ( tabula = mesa) 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.
Así pues, en resumen, un plutón es una cámara magmática enfriada y convertida en roca. Un plutón es un material intrusivo y que se observan en superficie debido a movimientos tectónicos que los levantan y/o por erosión de los materiales que están por encima. Para clasificar a un plutón nos basaremos en la forma, tamaño y relación con la roca encajante.
Tipos de plutones:
Por definición, un volcán es una montaña formada por lava, materiales piroclásticos o ambos. Un volcán se origina al salir material del interior de la Tierra por un punto o por fisuras y acumulándose material ígneo alrededor de una boca formando el denominado cono volcánico. Hay cuatro tipos básicos de conos:
- Cono de cinder o de escoria. Son de pequeño tamaño constituidos por materiales fragmentados (piroclasto). Tienen una altura de hasta 400 metros, se erosionan con facilidad y tienen una pendiente de unos 30º.
- Volcán en escudo. Constituido por lavas muy fluidas. Pendiente de 5-6º. Están activos durante mucho tiempo, y están constituidos sólo por coladas de lava. Son los volcanes típicos de Hawai (los más característicos). El Mauna Loa tiene 4. metros sobre tierra y 5.000 metros bajo tierra, por tanto es la montaña más alta del mundo y no el Everest con sus 8.848 m. Presenta un cráter muy grande denominado caldera.
- Estrato volcán. Cono constituido por alternancia de capas de piroclastos y coladas de lava. Suelen ser altos y simétricos. Están activos durante mucho tiempo.
- Domos. De pequeña altura, se originan al salir material muy visc oso que se acumula en la boca formando una cúpula.
Según el lugar donde se formen los volcanes distinguimos dos tipos: volcanes puntuales y volcanes fisurales.
-Volcanes puntuales. Se forman en los límites convergentes de placas. Son los volcanes clásicos, en los que la efusión se produce por un punto. Un volcán puntual consta de chimenea, cráter y cono volcánico y en algunos casos tienen chimeneas adventicias. Cuando el cráter sobrepasa el kilómetro se habla ya de caldera.
Las calderas se originan por distintos mecanismos:
Caldera de explosión Son circulares y tienen un diámetro entre 1-5 km. Se originan por la explosión debido al acumulo de lavas viscosas en la parte
superior de un edificio volcánico. El magma se acumula en la parte superior de la cámara y va solidificando y cuando entra en erupción se destruye la parte superior para que salgan los gases. En los casos de lavas más viscosas se forma una nube ardiente de gas y material piroclástico. También se llaman coladas de piroclastos. Estas nubes son arrasadoras porque van a altas velocidades debido a la energía no sólo de los gases sino también la energía potencial debido a la altura, lo que hace que la lava vaya a velocidades de 200-300 Km./h. Después de la explosión en la que se ha destruido parte del edificio queda una depresión, una caldera. Estos volcanes son activos durante mucho tiempo y el ciclo puede repetirse con varias explosiones.
Caldera de hundimiento Tiene un diámetro de 20 km. Se originan cuando parte del volcán se hunde en la cámara magmática al ir quedando vacía. Puede ocurrir de dos formas:
- Lenta calderas de subsidencia. Volcanes de Hawai. Hundimiento a la vez que salida del magma.
- Rápida calderas de colapso.
Caldera de erosión Es el tipo al que se debe el nombre de caldera por la caldera de Taburiente en La Palma. En ésta, la lluvia ha erosionado el material volcánico formando un valle en cuya parte superior hay una zona semicircular a la que llamaron caldera.
Caldera de deslizamiento Cuando el edificio volcánico es tan alto que sedimenta por uno de sus lados.
-Volcanes fisurales. Se forman en los límites divergentes de placas. La lava sale a través de una grieta o fisura de gran longitud, ocupando grandes extensiones de terrenos. No forman edificios volcánicos.
