Metamorfismo y rocas metamórficas

El metamorfismo es la transformación sin cambio de estado de la estructura o composición química o mineral de una roca cuando queda sometida a condiciones de presion o temperatura distintas a las que la originaron o cuando recibe una inyección de fluidos. 

El metamorfismo puede producirse en cualquier tipo de roca existente con anterioridad, cuando cambian las condiciones en las que la roca era estable. La presión aumenta cuando la roca cambia de profundidad, y la temperatura lo hace por proximidad a un magma. Ambos procesos suelen darse conjuntamente, aunque también pueden ocurrir por separado.

Lo más habitual es que las rocas no pierdan ni reciban sustancias químicas, de modo que la mayor parte de los cambios que se producen en el metamorfismo son mineralógicos: la roca en su conjunto está formada por los mismos elementos químicos, pero distribuidos de forma distinta, en minerales diferentes.

El metamorfismo se produce en condiciones intermedias entre la sedimentación y el magmatismo. A poca profundidad no se producen cambios en la estructura de la roca, pero sí la litificación de los sedimentos. El final de la litificación y el principio del metamorfismo se identifican por la aparición de ciertos minerales característicos, concretamente por la aparición de la antracita y la desaparición del petróleo (línea muerta). El límite superior del metamorfismo está marcado por la presencia de rocas mixtas, las migmatitas, algunos de cuyos componentes se han fundido, mientras que otros no lo han hecho.

Físico-química del metamorfismo

Un sistema fisicoquímico es un conjunto de elementos relacionados, que se diferencian entre sí por su composición química, estructura o estado de agregación. Se puede poner como ejemplo sencillo el agua que ocupa un espacio determinado, que puede encontrarse en estado sólido, líquido y gaseoso. Cada uno de los componentes del sistema, en este caso cada uno de los estados del agua, puede transformarse en los otros, y de hecho esas transformaciones ocurren continuamente. El sistema alcanza el equilibrio, en unas condiciones determinadas, cuando las concentraciones de sus componentes se estabilizan, aunque siguen transformándose los unos en los otros; lo que ocurre en esas condiciones de equilibrio es que cada elemento del sistema se transforma en otros al mismo ritmo que se crea a partir de ellos.

Si las condiciones en las que se encuentra el sistema (presión, temperatura) cambian, también cambia la proporción de sus elementos, hasta que se alcanza un nuevo estado de equilibrio, diferente del inicial.

Las rocas y los minerales son también sistemas fisicoquímicos, aunque algo más complejos que el ejemplo del agua. Las rocas están formadas por uno o varios minerales, caracterizados por su composición y por su estructura. En unas condiciones dadas de presión y temperatura la roca está formada por una proporción determinada de minerales (que se están transformando unos en otros, aunque a una velocidad extremadamente lenta), pero si esas condiciones cambian las proporciones de los minerales que la forman cambiarán hasta que se alcance un nuevo equilibrio, en el que la roca estará formada por una proporción diferente de minerales o por minerales distintos.

Lo más sencillo es considerar un único mineral, formado a su vez por una única sustancia química. Un ejemplo de este caso sería el carbono puro, que puede cristalizar en dos sistemas diferentes: en el hexagonal plano, dando lugar al grafito, y en el cúbico, dando lugar al diamante. Además, el carbono podría encontrarse en estado líquido o en estado gaseoso.

Un diagrama de fases representa los estados de equilibrio de este sistema en diferentes condiciones de presión y temperatura. La figura de la derecha representa, por ejemplo, las fases en las que se puede encontrar el carbono puro. En las condiciones representadas por el punto A (1000 K, aproximadamente 0,003 GPa), todo el carbono se encuentra en forma de grafito; si la presión aumenta, hasta alcanzar las condiciones representadas en el punto B (1000 K, 1 GPa), las rocas contendrán una mezcla de grafito y diamante, mientras que si llegan a alcanzar las condiciones del punto C (1000 K, 100 GPa) todo el carbono se encontrará en forma de diamante.

En unas determinadas condiciones de presión y temperatura se pueden formar ciertos tipos de minerales, pero no otros diferentes. El conjunto de rocas metamórficas que tienen la misma composición química global y la misma composición mineralógica se denomina facies metamórfica. Cada facies metamórfica es, por lo tanto, el sistema fisicoquímico posible en unas determinadas condiciones, de modo que cuando se observa un determinado tipo de rocas metamórficas se puede deducir el rango de presiones y temperaturas a las que se formaron. Recíprocamente, en unas determinadas condiciones de presión y temperaturas solo se pueden formar un cierto tipo de rocas metamórficas, correspondientes a una determinada facies.

Por ejemplo, observando la figura anterior, se puede apreciar que si encontramos en el campo zeolitas, podremos deducir que se formaron en unas condiciones de metamorfismo de baja intensidad (menos de 300º C, menos de 0,4 GPa), mientras que las eclogitas, por ejemplo, deben haberse formado a mayor temperatura y, sobre todo, a mucha mayor presión.  También se puede observar que un metamorfismo térmico (de muy alta temperatura, pero de baja presión) dará lugar a la formación de sanidinita, pero no de granulita, que necesita una presión más alta para formarse.

La caracterización de las facies metamórficas se hace mediante la identificación de ciertos minerales índices, que solo se forman en unas condiciones de presión y temperatura muy concretas.

Factores que intervienen en el metamorfismo

Como se ha visto hasta ahora, la presión y la temperatura son los factores que más influyen en el desarrollo de los procesos metamórficos, aunque también se ven afectados por la presencia de fluidos.

La presión aumenta con la profundidad a un ritmo aproximado de 0,3 Kg/cm² por kilómetro en la corteza continental, aunque ese gradiente varía de unas zonas a otras: es máximo en los bordes destructivos y más bajo en los constructivos. Su magnitud depende de varios componentes: la presión de confinamiento, que incluye el peso de la columna de rocas en un punto determinado (presión litostática) y la fuerza ejercida por los fluidos contenidos en las rocas (presión de fluidos), además de la presión tectónica, que es ejercida en dirección horizontal y que se debe al plegamiento.

La temperatura aumenta también con la profundidad, aunque solo lo hace regularmente en los primeros kilómetros de la litosfera. El gradiente geotérmico medio es de 30º C/km, pero es muy variable: oscila entre los 6º C/km en las fosas oceánicas hasta los 90º C/km en las dorsales. También se puede producir un aumento de la temperatura como consecuencia del rozamiento, en las zonas de falla, o debido a la proximidad de un magma.

Los fluidos proporcionan agua e iones disueltos que hacen posibles las reacciones químicas. La presencia de fluidos por sí sola no es suficiente para que tenga lugar el metamorfismo, pero sí que lo facilita.

Efectos del metamorfismo sobre las rocas

Los cambios de presión y de temperatura alteran la estructura y la composición de los minerales que constituyen las rocas de varios modos distintos:

• Deshidratación: el aumento de la presión y de la temperatura provocan la pérdida de agua presente en la roca. En una primera fase se pierde el agua se pierde el agua de los poros, y más adelante, si el proceso continúa, se elimina el agua que forma parte de los cristales del mineral.


• Recristalización: el aumento de la temperatura permite el movimiento de las partículas que forman los minerales y hace posible la formación de nuevos cristales. También se produce recristalización como consecuencia de reacciones químicas que transforman unos minerales en otros.


• Reorientación:la presión dirigida que se ejerce durante el metamorfismo provoca que los cristales se orienten perpendicularmente a la dirección de la fuerza que soportan.

Tipos de metamorfismo

Pueden distinguirse dos grandes tipos de metamorfismo: el que se produce sin relación con los bordes de placa y el que ocurre en los bordes de placa.

El metamorfismo de impacto tiene lugar exclusivamente en las zonas donde se ha producido el impacto de un meteorito. En esos lugares la temperatura alcanza valores muy altos durante unos breves instantes. El resultado es la formación de minerales vítreos y brechas que se producen al pulverizarse las rocas.

El metamorfismo de enterramiento se da en algunas cuencas sedimentarias, por hundimiento progresivo de los sedimentos depositados en ellas (subsidencia). En esos ambientes llegan a alcanzarse valores de presión de unos 3 Kg/cm², y temperaturas de unos 300º C, lo que representa un grado muy bajo de metamorfismo que da lugar a zeolitas, rocas que aún conservan bien las estructuras sedimentarias.

El dinamometamorfismo se produce en zonas de falla, debido a la presión ejercida por los bloques de roca que se desplazan. El rozamiento produce calor que puede, incluso, llegar a fundir las rocas. El resultado es la formación de rocas fragmentadas que ocupan una anchura variable en el plano de falla, y que recibe el nombre de brecha de falla. Si sus fragmentos son de tamaño microscópico la roca recibe el nombre de milonita.

El metamorfismo térmico se produce en la zona alta de los orógenos y en las proximidades de los puntos calientes, alrededor de las masas de magma que alcanzan la corteza. El calor del magma da lugar a una aureola metamórfica, con zonas identificables por la presencia de minerales índice. Los indicadores de estas zonas, de mayor a menor intensidad son la sillimanita, la andalucita, la biotita y la clorita.

El efecto que el termometamorfismo produce sobre las rocas es, fundamentalmente, la recristalización.

El metasomatismo se denomina también metamorfismo hidrotermal. Se debe al contacto de las rocas con fluidos a alta temperatura, que les aportan nuevos minerales. Como consecuencia, las rocas originarias sufren cambios de composición que pueden ser considerables y que pueden dar lugar a yacimientos minerales de interés. El metasomatismo puede darse en cualquier lugar en el que exista una actividad magmática importante.

En los bordes de placa se dan dos tipos diferentes de procesos metamórficos: el metamorfismo de fondo oceánico y el metamorfismo regional.

El metamorfismo de fondo oceánico tiene lugar en el entorno de las dorsales oceánicas. Se debe a la circulación del agua del mar en las grietas de la corteza recién formada y aún caliente. Es el tipo de metamorfismo más extendido geográficamente.

El metamorfismo regional, denominado también metamorfismo dinamotérmico o termodinamometa-morfismo, se produce siempre en relación con las zonas de subducción o de obducción. Es el tipo de metamorfismo más distribuido, ya que se produce incluso en los continentes, y da lugar a las rocas metamórficas más conocidas, identificables no solo por los minerales que los forman, sino también por una estructura característica, la hojosidad, que se debe a la elevada presión.

La anatexia es el proceso de fusión parcial de rocas preexistentes bajo condiciones de presión y temperatura elevadas, que corresponden más al metamorfismo regional que al de contacto. La fusión parcial de las rocas da lugar a la formación de migmatitas. En estas rocas aparece una parte oscura (melanosoma) que contiene minerales máficos como anfíboles y biotita, y una parte clara (leucosoma), procedente de la fusión de minerales félsicos. Los minerales de tonos intermedios corresponden a los restos inalterados de la roca original.

Intensidad del metamorfismo

La intensidad del metamorfismo sufrido por una roca depende de la magnitud de la presión y la temperatura a las que ha estado sometida. Las rocas que se han formado en condiciones semejantes forman parte de la misma facies metamórfica.

El metamorfismo de mayor intensidad es el metamorfismo regional. Todas las rocas que se forman en esas condiciones poseen una textura característica, la esquistosidad, que consiste en que se rompen a lo largo de superficies aproximadamente paralelas.

El metamorfismo regional puede tener dos modalidades: de alta presión, localizado en el plano de Benioff, y de alta temperatura, que ocurre a poca profundidad.

Las rocas metamórficas

Los procesos de transformación mineral que se producen en las rocas metamórficas se denominan blastesis. En general, la blastesis provoca la desaparición de la textura original de la roca y la aparición de una textura específica, característica del metamorfismo, que recibe el nombre de textura cristalográfica. Las rocas metamórficas pueden presentar cuatro tipos diferentes de texturas cristalográficas, o diferentes combinaciones de esas texturas.

• La textura granoblástica consiste en que la roca está formada por minerales cuyos cristales son de tamaño parecido en todas las direcciones, con tendencia a adquirir forma hexagonal.




• La textura lepidoblástica se caracteriza por minerales con cristales alargados, orientados paralelamente entre sí.




• La textura nematoblástica consiste en que los minerales tienen forma de aguja y adoptan una disposición orientada, situándose en paralelo.




• La textura porfidoblástica consta de una matriz formada por minerales de pequeño tamaño entre los que aparecen otros de tamaño mucho mayor, los pórfidos.

Los esfuerzos tectónicos que sufren las rocas durante el metamorfismo provocan también la aparición de  estructuras planares, definidas por la orientación de sus minerales, que reciben el nombre de microestructuras. La esquistosidad es la característica de determinadas rocas de dividirse en hojas o "lajas" en la dirección perpendicular a la del esfuerzo que soportan. Su aparición no supone, necesariamente, que se haya producido metamorfismo, pero sí que la roca ha estado sometida a un esfuerzo dirigido.

La foliación se da cuando las capas de la roca tienen composición diferente, y son más irregulares que en el caso de la esquistosidad. Las rocas que la presentan han sufrido metamorfismo, que ha provocado la recristalización de sus minerales.

La lineación es otra microestructura característica de las rocas metamórficas. Se caracteriza por la presencia de estructuras lineales, debidas a que la roca está formada por minerales en forma de aguja o a la intersección de planos de cristalización.

Los micropliegues son deformaciones de pequeña amplitud que se producen en rocas con esquistosidad que tienen minerales diferentes.

La esquistosidad es una de las características más distintitvas de las rocas sedimentarias, por lo que se utiliza para clasificarlas.

Composición de las rocas metamórficas

Desde el punto de vista de la composición, se distinguen cuatro grupos de rocas en los que se incluyen todas las rocas metamórficas:

• La serie ultramáfica procede de rocas como peridotitas y piroxenitas, formadas fundamentalmente por olivino y piroxenos. Las rocas metamórficas a las que dan lugar son las serpentinas.
• La serie máfica se forma a partir de rocas como andesita o basalto e incluye anfibolitas, esquistos verdes, esquistos con glaucofana y, en condiciones extremas, eclogitas.
• Las rocas de la serie pelítico grauváquica se forman a partir de rocas sedimentarias compuestas por cuarzo, feldespatos y silicatos laminares. Constituyen una serie muy bien definida, en la que se aprecia perfectamente la intensidad del metamorfismo que ha tenido lugar. La serie empieza con las arcillas, que realmente pueden considerarse un sedimento, y a medida que va aumentando la presión que soportan, se forman lutitas, pizarras, esquistos y finalmente gneises. Condiciones más rigurosas ya superan el ámbito metamórfico, y dan lugar a granitos de anatexia.
• Las rocas de la serie calcosilicatada se forman a partir de rocas carbonatadas como calizas y dolomías, que dan lugar a mármoles.

Principales rocas metamórficas 

Las pizarras son rocas de la serie pelítico-grauváquica de grano fino y esquistosidad muy bien definida debida a la disposición paralela de minerales laminares como clorita o moscovita. Se producen como resultado de un metamorfismo regional de grado bajo de arcillas, y pueden contener hidrocarburos, lo que hace que en algunos casos se haya intentado aprovechar esos recursos mediante una técnica conocida como "fracking". El fracking consiste en inyectar en la roca agua y ciertos productos químicos a presión, lo que hace salir el gas  y el petróleo que pueda haber en ella. Se trata de una técnica muy discutida desde el punto de vista ambiental, porque no se conocen bien los efectos negativos que puede provocar, como contaminación o inestabilización del terreno, a pesar de lo cual hay un considerable número de proyectos en marcha.

Los esquistos también son rocas de la serie pelítico-grauváquica, formadas por un metamorfismo de mayor intensidad que el responsable de la formación de las pizarras. Son rocas de grano medio a grueso, formadas por minerales apreciables a simple vista. No conservan texturas sedimentarias, y en ellos la materia orgánica se ha transformado en grafito. Se rompen en capas con relativa facilidad debido a que los minerales planares que los forman, fundamentalmente micas, están dispuestos paralelamente entre sí.

El gneis es la roca de la serie pelítico-grauváquica que corresponde a una mayor intensidad de metamorfismo: se forman en condiciones de metamorfismo regional intenso, que transforma la moscovita en ortosa. Son rocas de grano medio a grueso, formadas por cuarzo, ortosa y biotita, que pueden perder la esquistosidad, pero conservan una estructura orientada bien definida por la disposición de los cristales negros de biotita. Se distingue entre ortogneis, que procede de rocas magmáticas, y el paragneis, que se ha formado a partir de rocas sedimentarias.

La anfibolita está formada fundamentalmente por hornblenda y plagioclasa, y presenta una foliación menos marcada que los esquistos. Las eclogitas son rocas parecidas en composición a basaltos y gabros, formadas por metamorfismo de alto grado en ausencia de agua. Sus principales minerales son el granate y los piroxenos.

La cuarcita es el resultado del metamorfismo regional o de contacto de areniscas ricas en cuarzo. No presenta foliación, y se posee cristales de tamaño grande. El mármol, por su parte, posee las mismas características (cristales de grano grueso, sin foliación) porque se ha formado en las mismas condiciones, pero partiendo de rocas carbonatadas, como calizas o dolomías.

Las corneanas son rocas formadas como resultado de metamorfismo de contacto, por lo que tienen grano fino y no presentan foliación.

Metamorfismo y tectónica

Las condiciones que se dan en los bordes constructivos son baja presión, temperatura no muy elevada y presencia de fluidos ricos en minerales. En estas condiciones el metamorfismo que se produce es el de fondo oceánico. El proceso más importante que tiene lugar en él es la sustitución de los minerales máficos por otros estables a menor temperatura.

En los bordes destructivos se producen fenómenos metamórficos muy complejos, destacando la existencia de dos "cinturones" de metamorfismo de diferentes condiciones. El cinturón más externo se caracteriza por alta presión y temperatura relativamente baja, y se localiza en la zona de contacto entre las placas. El segundo es una zona de metamorfismo de contacto, de alta temperatura y baja presión, producido por el ascenso del magma que se ha producido debido a la subducción.

En estas zonas también se produce metamorfismo de enterramiento asociado a los depósitos sedimentarios de las fosas oceánicas.

Las zonas de intraplaca y los bordes pasivos también son ambientes metamórficos. En ellas se producen, por una parte, metamorfismo de enterramiento, que tiene lugar en las zonas más bajas de la corteza continental por efecto del peso de los sedimentos y por otra metamorfismo de contacto, resultado de la intrusión de masas de magma. En los bordes pasivos, además, se encuentran fallas transformantes en las que se produce dinamometamorfismo.

Yacimientos metamórficos

El metamorfismo provoca la transformación de los yacimientos minerales ya existentes, pudiendo formar algunos minerales nuevos de interés económico. Entre ellos se encuentran los siguientes ejemplos:

• Grafito: se forma a partir de materia orgánica, y se utiliza en diferentes aplicaciones industriales, como la producción de fibra de carbono.
• Talco: es el resultado del metamorfismo de minerales magnésicos. Se usa como relleno en el papel, en lacas y pinturas, en cosmética, industria cerámica y fabricación de gomas y plásticos.
• El esmeril es una mezcla de corindón y magnetita formada por metabolismo de contacto que se usa como abrasivo para pulir metales.
• El asbesto está formado por fibras minerales asociadas a anfibolitas o serpentinas. Se utilizó como aislante, formando el amianto, pero dejó de utilizarse para este propósito al descubrirse su carácter cancerígeno.
• El granate es un mineral semiprecioso que se utiliza en joyería. Se encuentra asociado a rocas de la serie pelítica: esquistos, micacitas y gneises.
• Los silicatos de aluminio como la andalucita, la sillimanita o la distena se usan en cerámica y como materiales refractarios de alto grado.