Clase 3 Unab 2016

Geología General ICO-232 CLASE 3 Capítulo I. Fundamentos de Geología y Estructura de La Tierra I.3 Minerales, naturaleza del magma y cristalización Martes 27 de septiembre de 2016 Miguel Ortiz Labarca

ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

HOY 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Minerales Silicatos Magma Tipos de magmas Generación de magmas Cristalización y textura de las rocas ígneas


1. LOS MINERALES


Definición de Mineral Sólido, natural, inorgánico, homogéneo, de estructura interna ordenada y composición química definida (aunque levemente variable) Cl Na

Cristal de Halita, NaCl (sal común)


Celda cristalina de un cristal de Halita compuesto exclusivamente por átomos de cloro y sodio. No solo los átomos definen el tipo de mineral, sino que también lo hace el tipo de celda cristalina en que estos se ordenen.

¿Dónde se forman los minerales? En general, a partir de la cristalización de solutos desde una solución. Ejemplos de soluciones en el medio geológico:  Océanos y lagos  Evaporitas  Fluidos Hidrotermales  Magmas  Gases Volcánicos  Impactitas ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

¿Cómo cristaliza un mineral? Formación a partir de los componentes de un líquido (o gas). El mineral que se forme dependerá de la composición del líquido (disponibilidad de diversos solutos) y su forma o pureza dependerá del tiempo que tome la reacción.

En la naturaleza esto puede ocurrir de varias maneras: a partir de evaporación en salares, en fumarolas volcánicas, desde fluidos hidrotermales o bien a partir de un magma. Analizaremos

aquellos minerales que se forman a partir de magmas o fundidos silicatados, principalmente los minerales del Grupo de los Silicatos. ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

Abundancias promedio de elementos en la corteza terrestre


Grupos de minerales Calcita Dolomita Cuarzo Feldespato potásico Biotita Piroxeno Anfibola Olivino Galena Pirita Esfalerita Hematita Magnetita Corindón Yeso Anhidrita Halita Fluorita Plata Oro Grafito/Diamante ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.


Celda Cristalina Arreglo atómico de uno o más elementos químicos en una estructura ordenada que conforman un mineral. La forma y tipo de enlace de la celda cristalina condiciona la naturaleza del mineral, incidiendo en su forma cristalográfica, su hábito, su simetría externa, su resistencia, presencia y tipo de clivaje, dureza, etc. Dado que es un medio “altamente ordenado” le confiere características ópticas muy favorables para estudiarlos usando microscopios especializados (polarizante).

Estructura cristalina y forma externa

Planos de clivaje en una cara basal de un cristal de anfíbola

El orden atómico interno incide en la forma macroscópica y en las anisotropías del mineral. En este caso se muestra como

anfíbolas y piroxenos poseen distintas direcciones de clivaje como resultado de se componen por arreglos tetraédricos distintos (cadena simple v/s cadena doble). ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

Imagen SEM mostrandoplanos de clivaje de un cristal de anfíbola. Es posible observar los planos formando ángulos agudos (56º)

Propiedades físicas de los minerales Son resultado de la naturaleza interna de la celda cristalina y sus constituyentes. • Forma cristalina • Clivaje v/s Fractura • Dureza • Tenacidad • Raya • Fusibilidad • Propiedades eléctricas y magnéticas • Color, Brillo, olor, sabor


Escala de dureza de Mohos Escala creciente: 1. 2. 3. 4.

Talco Yeso Calcita Fluorita

5. Apatito 6. Ortoclasa 7. Cuarzo 8. Topacio 9. Corindón 10.Diamante

•Escala de durezas relativa entre diversos minerales comunes. •Esta propiedad puede ser muy útil en el reconocimiento de cada uno de ellos. ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

Distintos minerales con habito cristalino. Estas formas son características y permiten su reconocimiento y clasificación.

Cristales de Biotita

Cristal de olivino

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Cristal de Granate Andradita

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Propiedades Ópticas Dado que los cristales constituyen un medio homogéneo y de alta pureza para la luz, es posible reconocerlos y estudiarlos utilizando un microscopio polarizante, bajo el cual muestran diversos efectos ópticos que nos permiten reconocerlos.

Cristal de anfíbola con clivaje característico a 120º

Además, es posible estudiar las relaciones entre los minerales de una roca siendo capaces de distinguir aquellos minerales que se encuentran o no en equilibrio químico, o bien aquellos que se encuentran alterados o reemplazados por otros minerales, o incluso observar la deformación de los componentes.

Cristales de olivino, mostrando fractura.

La descripción objetiva de las rocas bajo microscopio polarizado de secciones delgadas se denomina Petrografía. Cristal de plagioclasa, con macla de carlsbad


Tamaño y carga de los cationes y aniones mayores

De aquí podemos ver que no todos los iones son iguales . Por esto, para que un ión pueda ingresar a una determinada posición dentro de la celda cristalina deberá cumplir con condiciones de carga y tamaño. Por ejemplo, algunas plagioclasas poseen Ca2+ en su estructura, sin embargo este calcio puede ser reemplazado total o parcialmente por Na1+, pues tienen un radio atómico muy parecido, aún cuando las cargas no son iguales (2+ v/s 1+). Luego de este cambio el mineral de plagioclasa cambiará su química levemente, sin salir de su estado solido, simplemente por sustitución. En este mismo ejemplo y para mantener la carga eléctrica del mineral neutra, debe ocurrir una nueva sustitución asociada a la de Na por Ca, en la que iones de Si 4+ son reemplazados por iones de Al3+, neutralizando así la carga eléctrica. El resultado es un mineral eléctricamente neutro y de composición levemente diferente ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo

I. Miguel Ortiz L.

CONCEPTO DE SOLUCIÓN SOLIDA: Algunos minerales pueden variar su composición levemente, sin afectar o distorsionar su celda cristalina. El cambio ocurre por sustitución de cationes. En ese caso, dependiendo del grado de sustitución (1%, 20% 90% o 100%) tendremos distintos minerales de química levemente variable pero de igual estructura cristalina y casi las mismas características macroscópicas. Al conjunto de estos minerales se les denomina solución sólida. Los

cationes que sustituyen deberán cumplir con ciertas reglas como por ejemplo

tener una valencia y tamaño atómico similar al elemento que se sustituye, por lo que no se puede dar cualquier tipo de sustitución. •Este fenómeno permite reconocer una infinita gama de minerales entre un extremo (A) y otro (B) de la solución sólida. •Un reemplazo típico es el que se da en el Grupo de las Plagioclasas, donde cada mineral queda determinado por la proporción Na +/Ca+.

Miembro extremo 100% A

100% B

SOLUCIÓN SÓLIDA


Solución solida en el grupo de los Feldespatos Feldespato rico en potasio

NO EXISTEN EN LA NATURALEZA

Plagioclasa rica en Sodio

Plagioclasa rica en calcio


1.1 LOS SILICATOS


1.1- Los Silicatos • Son los minerales más comunes en la corteza terrestre • Les llamamos minerales formadores de roca • Su formación está condicionada por la composición del

fundido que les da srcen • Poseen una unidad cristalina básica común en ellos, el: Tetraedro de sílice SiO44-


Grupos de Silicatos Dependiendo de la abundancia relativa de los elementos químicos disponibles y de las condiciones de presión y temperatura, se formarán distintos tipos de silicatos mediante diferentes arreglos de los tetraedros. La proporción Oxígeno/Silicio será la principal responsable de determinar el tipo grupo de silicato a formar.



Grupos Estructurales de los Silicatos

Dependiendo de la cantidad de silicio disponible en el fundido (respecto al oxígeno), se favorecerá la formación de uno u otro grupo estructural. Si existe poco silicio (razón Si:O) se favorecen la formación de tetraedros independientes (sorosilicatos), y si existe abundante sílice se favorecen formas cada vez más complejas hasta llegar a formar arreglos o retículos tridimencionales (tectosilicatos).

Nombres que usaremos p ara los silicatos en el curso

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Ejemplos de silicatos comunes y el grupo cristalino en el que cristalizan. Notar entonces que los olivinos, los cuales se componen por tetraedros aislados, se forman a partir de fundidos pobres en sílice, mientras que hacia debajo de la tabla los minerales se forman a partir de fundidos cada vez más silíceos como las micas y el cuarzo.


OLIVINO

(Mg,Fe2+)2SiO4


(Ca,Mg,Fe)2(Si,Al)2O6

PIROXENO


ANFÍBOLA

Ca2(Mg,Fe2+)5Si8O22(OH)2


BIOTITA (mica negra)


K(Mg,Fe2+)3(Si3Al)O10(OH,F)2

FELDESPATOS

(K,Na,Ca,Ba,NH4)(Si,Al)4O8


KAl2(Si3Al)O10(OH)2

MUSCOVITA (mica blanca) ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

CUARZO SiO2


Síntesis Mineral: Sólido, natural, inorgánico, homogéneo, de estructura interna ordenada y composición química definida(aunque variable entre ciertos límites). 4Silicatos: Grupo de minerales formados a partir de tetraedros de sílice (SiO 4) Si, Al, K, Na Principal grupo mineral formadores de roca

Cuarzo Feldespatos

Feldespato Potásico (Ortoclasa) Feldespato Plagioclasa

Muscovita Biotita Anfíbola

P. Sódica (Albita) P. Cálcica (Anortita)

Piroxeno Olivino Fe, Mg, Mn, Ca


2. ORIGEN Y NATURALEZA DEL MAGMA




2.1 El Magma MAGMA : Un magma es un Material Silicatado Fundido (líquido + gases + cristales)

Elementos constituyentes: *Elementos Mayores: O, Si, Al, K, Na, Fe, Mg, Ca, Mn, H

Expresados como óxidos: SiO2, Al2O3, K20, FeO, Fe2O3, MgO, Na2O, CaO, MnO, OH*Elementos Menores Zr, F, P, S, Ti, Ba, Ni, Cu, Au, Ag, Hg, etc. *Elementos Trazas (˂1000 ppm): Ba, La - Lu, Hf, Nd, Sm, Eu,…

La proporción de SiO2 en el magma es fundamental, siendo en general variable entre 33% y 75 %. La principal clasificación de magmas se basa en el contenido de SiO2.

Características físico-mecánicas del magma dependen de su composición química y de factores externos como la temperatura y la presión. Esto definirá parámetros como su Densidad y Viscosidad.

La explosividad de un magma es controlada por la cantidad de gases disueltos en el magma (CO2 y H2O; SO3, HCl…), los que pueden llegar hasta 14 % en volumen.

Cristalización a partir de un magma Imaginemos un fundido silicatado muy caliente. Si se comienza a enfriar los primeros cristales comienzan a nuclearse y luego a crecer. Si la temperatura continúa bajando, comenzará a cristalizar una nueva generación de minerales (con menor punto de fusión) y así hasta que el fundido solo quedan cristales desaparece de diversos yminerales: una roca ígnea. Los primeros minerales en crecer, lo hacen de manera libre flotando en el liquido, mientras que los últimos crecen “apretados” entre los granos minerales que se formaron previamente, por o que tienden a ser más irregulares. Como veremos más adelante el orden en que los silicatos cristalizan a partir de un magma es conocido como la Serie

de Bowen.


2.2 SERIE DE BOWEN

Notar

que un magma no necesariamente “recorre” la serie completa. Su recorrido depende de la composición inicial del magma y de si que los líquidos residuales permanecen o se separan de los sólidos formados en las etapas tempranas.




2.3. Tipos de magmas

Fe, Mg, Mn, Ca

Tres grandes grupos determinados por la abundancia relativa de los elementos químicos presentes en el fundido:

• Magma Basáltico (Máfico): 45-55 % SiO2

T: 1000-1200 ºC, baja viscosidad y pocos volátiles.

• Magma Andesítico (Intermedio): 55-65 % SiO2 T: 800- 1000 ºC.

• Magma Riolítico (Félsico): 65-75 % SiO2 T: 650- 800 ºC, alta viscosidad y muchos volátiles. Si, K, Al, Na,


Tipos de Magmas Dependiendo de la composición de un magma se generan distintos minerales y, por lo tanto, distintas rocas las que reciben diferentes nombres dependiendo de los minerales que le formen y de su textura. El cuadro inferior muestra los nombres de las rocas según cambia la mineralogía y la textura.


Condiciones de estabilidad • Una roca o mejor dicho, los minerales que la componen, son “estables” solo bajo determinadas

condiciones de P y T ¿Qué tan rápido? Concepto de Cinemática de Reacción: “todo toma su tiempo”

El caso más fácil de entender es sistema H2O

Diagrama de fases del H2O

Minerales secos (sin H2O ni CO2)


Minerales con H2O y/o CO2

Un mineral que se encuentre a P, T estables puede fundirse al incorporar volátiles al sistema. Es decir, al incorporar un nuevo componente, el sistema disminuye su punto de fusión. ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.


Concepto de Fusión Parcial Debido a que las rocas son un agregado de minerales, estasNO se funden de una sola vez a una P y T determinadas, como en el caso de cada mineral. Las rocas funden sus componentes por etapas, en un proceso denominadoFusión Parcial

Concepto de FUSION PARCIAL (Partial Melt)


Concepto de Fusión Parcial Rocas “con H2O o CO2”


¿De qué depende la composición química de los magmas? 1.- La roca fuente que genere el fundido: Manto profundo (Olivino) Cuña astenosférica (Olivino) Fusión de corteza continental

2.- El Grado de fusión de la roca fuente: Total Parcial

3.- Evolución desde su formación: Mezcla de magmas Fraccionamiento del magma Asimilación de rocas de la corteza ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

Diferenciación Magmática Un magma de determinada composición puede generar magmas derivados los que poseen una química distinta y que cristalizaran en rocas ígneas diferentes. Roca Primitiva

Magma Parental Primitivo

Magma Parental '

Magma derivado I

Magma Derivado I'

Magma derivado II

Magma Derivado II'

Etc

Etc


Generación de un magma B a partir de uno A. La diferencia entre ambos se debe a la cristalización de minerales los cuales han removido desde el líquido los elementos necesarios para formarse. Por ello, el magma estará empobrecido en los elementos que componen los minerales ya cristalizados.


Procesos de diferenciación magmática La diferenciación magmática son todos aquellos procesos que pueden cambiar progresivamente la química de un magma inicial. Por ejemplo, a partir de un magma basáltico (pobre en sílice) es posible obtener un magma riolítico mediante la diferenciación magmática. Es común decir que los magmas ricos en sílice son magmas “diferenciados”. Algunos de los procesos que pueden diferenciar magmas son: – Cristalización fraccionada – Contaminación y asimilación – Mezcla de magmas ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

Cristalización Fraccionada • Es el proceso más importante de diferenciación magmática. • Los minerales de cristalización temprana tenderán a ser más

ricos, principalmente Ca, Mg y Fe, Mn. • Esto ocasionará en el magma restante un empobrecimiento en estos elementos y por lo tanto un enriquecimiento en los restantes Si, K, Na, Al.


• Si durante el enfriamiento se remueven los minerales

cristalizados, el magma continuará su cristalización sin los elementos removidos, por lo que puede generar mineralogía diferente. • Algunos minerales pueden hundirse en la cámara magmática debido a su mayor densidad, acumulándose en el fondo. Mucho menos común, pero posible, es el flotamiento de otros.


Zonación de la Cámara Magmática!!!


Empobrecido en Fe, Mg, Ca, K



2.4 Magmas Basálticos Resultan de magmatismo derivado de puntos calientes (hot spot), dorsales oceánicas y también de la fusión de la cuña astenosférica en zonas de subducción por la fusión parcial del manto. Los líquidos generados poseen bajos contenidos de SiO2, K2O, NaO, Al2O3, H2O y altos contenidos de FeOT, MgO,-Rocas MnO, CaOcomponen . basálticas la mayoría de la corteza oceánica -Los basaltos y gabros contienen minerales como Ol, Px, y Plg, todos mx anhidros. -Los basaltos eruptan no explosivamente, indicando bajo contenido de volátiles. -Los basaltos poseen baja viscosidad debido al bajo contenido de silice. -Algunos basaltos son portadores de xenolitos mantélicos.

El Manto se puede entender, simplificadamente, como una peridotita de granate, un tipo de roca que contiene Ol, Px y Gt. Por ello su fusión generará líquidos básicos (baja sílice). ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

Generación de Magmas Basálticos


Xenolito mantélico (Harzburgita)

“Trozo de manto” ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

2.5 Generación de magmas Intermedios o Andesíticos • Los magmas andesíticos eruptan principalmente sobre

zonas de subducción, lo que evidencia una relación entre estos procesos. • Las teorías actuales sugieren fusión húmeda parcial del o cuña La adición deastenosférica. pequeñas cantidades de H2O a la cuña • manto

astenosférica puede reducir significativamente las temperaturas de fusión y gatillar el magmatismo en estas zonas. • Los líquidos derivados de la cuña son en su mayoría de composición andesítica, o bien pueden diferenciarse hasta alcanzar dichas composiciones. ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

Generación de magmas Intermedios o Andesíticos


2.6 Magmas Riolíticos • La mayoría de estos magmas provienen generalmente de

la fusión de la Corteza Continental. • Debido a que la Corteza es en promedio andesítica a riolítica la fusión parcial de esta generará líquidos aún más ricos en sílice, permitiendo la generación de magmas muy silíceos como los magmas riolíticos. – Los granitos y riolitas se encuentran en la corteza continental – Las erupciones de magma granítico son explosivas, indicando alto

contenido de volátiles. – Los granitos y riolitas contienen Qz, Fd, Hb, Bt y MSV, los 3 últimos son minerales hidratados. – La fuente de calor más común par generar la fusión es un magma basáltico. ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

Generación de magmas Riolíticos

Típicamente se generan por fusión parcial de la corteza ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

Ascenso y emplazamiento *El ascenso de un magma a través de la corteza es posible gracias a: o

Buyancia o flotabilidad

o

Fracturamiento Stopping oDesplazamientos oAsimilación de la caja o


Margen de subducción

Arco magmático o Arco volcánico

La colisión entre la placa oceánica Nazca y la placa Sudamericana genera el magmatismo de subducción. Al descender entre el manto astenosférico, la corteza oceánica trasporta con ella sedimentos y volátiles (agua) los que se incorporan a la cuña astenosférica disminuyendo el punto de fusión de las rocas allí presentes (mayormente compuestas por olivino). A unos 100 km de profundidad la presión y la temperatura son suficientes para que la adición de volátiles funda total o parcialmente esta región del manto. El magma generado por este proceso asciende a través del manto y luego a través de la corteza continental. Esto genera un magmatismo el cual se distribuye paralelo al margen de placas, geometría que es conocida como arco magmático.


Cuña Astenosférica

plutones

Margen de subducción


3. CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS ÍGNEAS INTRUSIVAS


3. Clasificación de una roca ígnea Algunos aspectos que debemos tomar en cuenta a la hora de describir una roca ígnea intrusiva antes de su clasificación. •Textura: totalmente compuesta de cristales o no. •Fábrica: forma en que se disponen los minerales dentro de la roca. •Grado de cristalinidad: según desarrollo de cristales. •Tamaño de los cristales: •Forma de los cristales: si presentan caras propias o no •Índice de color: porcentaje de minerales máficos •Descripción de cada tipo de mineral: abundancia, color, etc. •Clasificación QAPF (=cuarzo-feldespato potásico-plagioclasa-feldespatoides),

triángulo de Streckaisen) •Observaciones generales


3.1 La Textura • • • •

•

La apariencia final de la roca estará dada por sus consituyentes, es decir por el aspecto de los minerales. Minerales muy desarrollados y visibles formarán rocas de grano grueso y alto grado de cristalinidad. El tamaño de los cristales depende de las condiciones de cristalización (tasa de nucleación, tasa de crecimiento y tasa de enfriamiento del magma). Si un magma se enfría rápidamente, no habrá tiempo suficiente para que los distintos átomos se junten y se enlacen con aquellos con que son afines y formen una celda cristalina o mineral. Si los átomos (o iones) no son capaces de unirse formando celdas, entonces el resultado será una masa amorfa (masa fundamental o vidrio). Por el contrario, si existe tiempo suficiente para el enfriamiento (cientos a miles de años), es posible que cada átomo se organice con otros formando celdas cristalinas y hacerlas crecer adicionando nuevos átomos. Eventualmente, estas celdas alcanzarán tamaños macroscópicos y podremos observar a simple vista una forma cristalina macroscópica, la que es reflejo del orden atómico interno de un determinado mineral. ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.


Textura en las rocas ígneas Su textura depende del tiempo que tuvieron para cristalizar.

INTRUSIVOS Grano grueso Enfriamiento Lento

LAVAS Grano fino Enfriamiento rápido

Roca Intrusiva de grano grueso

Plagioclasa + feldespato potásico + cuarzo + piroxeno

ICO232/ 2ºSemestre I. Miguel2016. OrtizClase3_Capítul L.

Roca ígnea compuesta por cristales bien desarrollados y una masa fundamental afanítica (sin desarrollo de cristales): textura denominada PORFIRICA. Esta implica un enfriamiento lento en un comienzo y luego un enfriamiento repentino al final (x ej. Una lava).


OBSIDIANA

• Agregar foto de roca fina

Masa vítrea (=sin cristales). Posee brillo vítreo y

fractura con coidal nos indica que se formó a partir de un magma enfriado de manera muy rápida, por lo que no alcanzó a formar ningún mineral (es decir solidifica pero no cristaliza). Es un producto volcánico común denominado obsidiana. En este caso la textura es vítrea. ICO232/ 2ºSemestre 2016. Clase3_Capítulo I. Miguel Ortiz L.

• Fin de la clase


Clase 3 Unab 2016

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