Exercicis: Les roques metamòrfiques i el cicle litològic

Què és el metamorfisme? Diferencia'l de la diagènesi i de la fusió, indicant l'interval de condicions en què té lloc.

Anomena els tres factors del metamorfisme i explica com actua cadascun sobre els minerals de la roca.

Què és la foliació i quin tipus de pressió (litostàtica o dirigida) la produeix? Posa un exemple de roca foliada.

Què és la recristal·lització dels minerals durant el metamorfisme i en què es diferencia de la fusió de la roca?

Distingeix pissarra i esquist pel seu aspecte i pel seu grau metamòrfic. Què passa amb la mida de les miques en passar d'una a l'altra?

Què és el metamorfisme de contacte i on es produeix? Quina estructura forma al voltant d'una intrusió ígnia?

Què són les cornianes i quines característiques presenten (gra fi, duresa, absència de foliació)? A partir de quines roques es generen?

Què és una milonita i en quin tipus de zones es forma? Quin procés de deformació la produeix?

Ordena la sèrie següent segons el grau metamòrfic creixent sobre una lutita: gneis, fil·lita, pissarra i esquist. Explica quins canvis texturals i mineralògics acompanyen l'augment de grau.

Distingeix metamorfisme regional, de contacte i dinàmic, i relaciona cadascun amb un context concret de la tectònica de plaques.

Quina roca metamòrfica procedeix de la transformació del granit i quina de la calcària? Per què el marbre rarament presenta foliació encara que es formi sota pressió dirigida?

El metamorfisme regional acompanya les orogènies. Explica per què la compressió i l'enterrament de grans gruixos de roques eleven alhora la pressió i la temperatura.

Amb un gradient geotèrmic mitjà de $30\ \text{°C/km}$, estima a quina profunditat s'assoleixen els $300\ \text{°C}$ propis del metamorfisme de baix grau, i comenta quines limitacions té aquest càlcul (gradients variables, circulació de fluids).

A l'aurèola d'un granit, les pissarres passen a cornianes amb andalucita i, a prop del contacte, amb cordierita. Explica la disposició en zones concèntriques de l'aurèola metamòrfica i què representa cada mineral.

Les serpentinites procedeixen de la hidratació de roques ultramàfiques com les peridotites. Explica què són les roques ultramàfiques, on es formen originàriament i quin context geològic indica la seva presència a la superfície.

Distingeix pissarrositat i esquistositat: en quin grau metamòrfic apareix cadascuna, quins minerals les defineixen i com es reconeixen a la mostra de mà.

Un estudiant de geologia afirma el següent en observar l'esquema del cicle litològic: «Perquè es formi una roca metamòrfica (3) és imprescindible que la roca passi prèviament per la fase de sedimentació (2) a partir d'una d'ígnea (1); a més, tot magma (4) s'origina directament per la fusió d'una roca metamòrfica prèvia (3)».

1. a) A partir de la dinàmica de plaques en un orogen de col·lisió, rebat de manera raonada ambdues afirmacions dissenyant «dreceres» o trajectòries alternatives entre els dipòsits litològics que demostrin que el cicle no és una seqüència tancada ni unidireccional.
2. b) Si la roca metamòrfica 3 procedeix directament d'una roca ígnia 1 sense passar per l'estat sedimentari 2 (roca ortoderivada), quins criteris petrològics, geoquímics o de fàbrica permetrien distingir-la al camp d'una roca paraderivada (originada a partir de 2)?
3. c) En el trànsit de 3 a 4 per anatexi cortical, el fos generat no aconsegueix sortir a la superfície i cristal·litza en profunditat donant lloc a 1. Prediu la roca plutònica resultant si el protòlit era una metapel·lita rica en alumini i explica quina textura desenvoluparà a causa de la velocitat de refredament.

Al llarg d'un transecte de 40 km en una serralada orogènica, un equip de geologia cartografia en lutites metamorfitzades la primera aparició de diversos minerals índex en direcció est-oest: clorita (km 0), biotita (km 11), granat almandina (km 21), estaurolita (km 29), cianita (km 34) i sil·limanita (km 38).

1. a) Interpreta el tipus de metamorfisme i el gradient de pressió i temperatura (P/T) representat; dedueix en quin sentit avançava el soterrament tectònic i la polaritat tèrmica de l'orogen.
2. b) Al km 32, intercalada entre esquistos amb estaurolita, apareix una capa potent de quarsita composta per un 98 % de quars i traces de moscovita. Un estudiant dedueix que aquesta capa correspon a una zona de grau metamòrfic molt baix perquè no té estaurolita ni granat. Rebat la seva conclusió recorrent als conceptes de fàcies metamòrfica i composició química del protòlit.
3. c) Si al km 39 s'observa al microscopi que la sil·limanita es disposa com a sobrecreixement i reemplaçament directe de prismes de cianita, dedueix la trajectòria P-T (horària de descompressió i escalfament continuat o refredament isobàric) soferta per aquest sector cortical durant l'orogènesi.

A les dorsals oceàniques, la circulació hidrotermal transforma els basalts i dics subvolcànics a temperatures de 200 °C a 400 °C i pressions inferiors a 0,2 GPa. Els sondejos profunds del fons oceànic revelen que les roques pateixen una hidratació massiva (> 3,0 % en pes d'aigua estructural) i reemplaçament dels seus minerals primaris per l'associació actinolita + clorita + epidota + albita.

1. a) Justifica per què es desenvolupa aquesta paragènesi mineral de fàcies d'esquistos verds sota condicions de pressió confinant tan baixes, destacant el paper químic i tèrmic de l'aigua de mar escalfada en comparació amb un metamorfisme regional orogènic.
2. b) En els fluids de les fonts hidrotermals («fumaroles negres») el magnesi dissolt es redueix pràcticament a zero, mentre que el calci, el ferro, el manganès i el silici augmenten de manera dràstica respecte a l'aigua marina normal. Interpreta aquest intercanvi iònic i explica per què el metamorfisme hidrotermal del fons oceànic és un embornal geoquímic indispensable per al balanç global de sals als oceans.
3. c) Prediu quines conseqüències tindrà la deshidratació progressiva d'aquesta escorça oceànica alterada quan subdueixi milions d'anys més tard sota una placa continental, relacionant-ho amb la sismicitat en el pla de Benioff i la fusió parcial a la falca de mantell supradjacent.

En una mateixa unitat geològica tectònicament coalescent, dues roques A i B han estat sotmeses amb certesa al mateix pic metamòrfic (P ≈ 0,7 GPa, T ≈ 500 °C). Tanmateix, l'anàlisi petrogràfica revela associacions minerals totalment diferents:

• Roca A: actinolita + epidota + clorita + albita.

• Roca B: quars + moscovita + biotita + granat (almandina) + estaurolita incipient.

1. a) Basant-te en el concepte de fàcies metamòrfica d'Eskola, determina en quina fàcies es troben ambdues roques i justifica com dues roques amb associacions minerals completament dispars poden pertànyer a una mateixa fàcies metamòrfica.
2. b) Dedueix la naturalesa litològica del protòlit de cada roca (tria i argumenta entre: basalt toleític, lutita argil·losa rica en alumini i calcària pura), justificant quins elements químics majors presents en cada roca van condicionar el desenvolupament dels seus minerals diagnòstics.
3. c) Si un augment en la deformació regional eleva les condicions fins a 1,2 GPa i 650 °C, prediu quina nova associació mineral diagnòstica reemplaçarà la Roca A (fàcies d'amfibolites / transició a eclogites) i raona quin dels dos protòlits permetrà registrar millor les condicions del pic de pressió mitjançant microanàlisi de granats zonats.

A les serralades de tipus alpí apareixen cinturons amb esquistos blaus (amb glaucofan, epidota i fengita) associats localment a eclogites amb pirop i onfacita.

1. a) Justifica quina relació geotèrmica (temperatura/profunditat) caracteritza l'ambient de formació dels esquistos blaus i raona per què les zones de subducció activa són l'únic marc geodinàmic terrestre capaç de generar pressions superiors a 1,2 GPa a temperatures inferiors a 400 °C.
2. b) Al microscopi petrogràfic, els cristalls de glaucofan d'aquests esquistos mostren corones perimètriques d'alteració formades per actinolita i clorita. Dedueix quina trajectòria P-T-t (pressió-temperatura-temps) explica aquesta textura i argumenta per què la presència d'esquistos blaus ben conservats en superfície requereix mecanismes d'exhumació tectònica ràpida i no pas una simple denudació erosiva lenta.
3. c) Per què l'absència d'esquistos blaus en escuts d'edat arcaica (> 2500 Ma) s'interpreta com una prova que el règim geodinàmic de la Terra primitiva era significativament diferent del de la tectònica de plaques amb subducció freda actual?

En una mateixa sèrie metamòrfica regional afectada per l'orogènesi varisca, dues capes sedimentàries adjacents d'1 m de gruix han experimentat idèntiques condicions de grau mitjà (T ≈ 550 °C, P ≈ 0,5 GPa):

• Capa 1: originada a partir d'una lutita pelítica (rica en Al2O3 i K2O, molt pobra en CaO).

• Capa 2: originada a partir d'una marga (rica en CaO, CO2 i SiO2).

1. a) Prediu quins minerals índex apareixeran a la Capa 1 i quins a la Capa 2; justifica per què minerals típics del metamorfisme regional com l'estaurolita o el granat almandina no es desenvoluparan a la Capa 2 malgrat compartir el mateix grau metamòrfic.
2. b) Per datar l'esdeveniment metamòrfic, es realitza un estudi geocronològic a la Capa 1: la datació U-Pb en nuclis de zircó dona una edat de 520 Ma, mentre que la datació 40Ar/39Ar en moscovites de la mateixa mostra dona 315 Ma. Interpreta aquesta discordança basant-te en els conceptes de «temperatura de tancament isotòpic» i «mineral heretat», deduint quina de les dues dates es relaciona amb el metamorfisme orogènic i si aquesta data correspon exactament al seu clímax.
3. c) Dissenya una estratègia analítica d'observació petrogràfica i microquímica (per exemple, amb microsonda electrònica en làmines primes polides) que permeti comprovar si les vores dels zircons van patir recreixement metamòrfic durant l'esdeveniment de 315 Ma.

A les zones axials d'orògens col·lisionals (com el Sistema Central ibèric) afloren complexos migmatítics amb estructures estromàtiques, on alternen bandes mil·limètriques clares (leucosSubstring mesos o leucosomes quars-feldespàtics amb textura granuda) i bandes fosques (melanosomes foliats rics en biotita, cordierita i sil·limanita). Un informe tècnic conclou que «el leucosoma es va formar per la injecció de vetes de magma basàltic mantèl·lic a través de les fractures d'un gneis previ».

1. a) Rebat la conclusió de l'informe: justifica, a partir de les reaccions de deshidratació de miques i del concepte de mínim eutèctic en el sistema quars-feldespat, per què leucosoma i melanosoma són el resultat complementari d'un procés d'anatexi «in situ» a expenses d'un protòlit cortical fèlssic.
2. b) Si la taxa de fusió parcial augmenta del 15 % al 40 % a causa d'un engrossiment cortical prolongat, prediu el canvi de comportament reològic que experimentarà la roca i descriu com aquest fenomen condueix a la segregació i ascens de magmes granítics peraluminosos cap a nivells corticals superiors.
3. c) Dedueix quines característiques mineralògiques i refractàries presentarà el residu no fos (restita) que queda retingut a l'escorça profunda o englobat com a xenòlit en els plutons granítics resultants.

El cicle litològic no és un circuit tancat i equilibrat, sinó un sistema dissipatiu acoblat a la màquina tèrmica i tectònica terrestre. Considera les observacions globals següents:

1) L'escorça oceànica basàltica té densitats de 2,9 a 3,0 g/cm³ i es recicla gairebé del tot al mantell, sense superar els 200 Ma d'antiguitat.

2) L'escorça continental té una densitat mitjana de 2,7 g/cm³ i preserva roques de més de 3800 Ma.

3) En cadenes de col·lisió activa, la taxa de denudació erosiva pot assolir de 2 a 5 mm/any.

1. a) A partir d'aquestes dades, justifica per què l'escorça continental actua com un reservori acumulatiu i pateix una diferenciació geoquímica irreversible cap a composicions més riques en sílice i elements incompatibles al llarg del temps geològic, en lloc de destruir-se al mantell.
2. b) Modela el mecanisme de retroalimentació acoblada entre orogènesi, clima i cicle litològic: explica com la meteorització química de silicats en orògens recents altera la composició atmosfèrica global i com la descàrrega per erosió superficial desencadena l'ascens isostàtic i l'exhumació de roques de l'escorça profunda.
3. c) En una falla transformant continental pura (sense component de convergència ni divergència), prediu quines transformacions litològiques del cicle seran dominants (pel que fa al tipus de metamorfisme i deformació de roques) i quines estaran pràcticament absents en comparació amb un límit convergent, justificant la teva resposta segons el règim tèrmic i d'esforços existent.

Repte del tema. Biografia litològica del teu entorn.

Quina història geològica expliquen els materials del teu entorn quotidià? Actuaràs com a consultor ambiental elaborant una «biografia petrològica» de la teva zona en quatre fases:

1. Mapeig digital i mostreig: Accedeix al visor cartogràfic GEODE de l'IGME (Instituto Geológico y Minero de España). Localitza el teu municipi i identifica dues litologies presents en el substrat geològic. Afegeix una tercera roca d'ús ornamental o constructiu fotografiada al teu carrer o edifici.

2. Classificació petrogràfica: Dissenya una taula comparativa on classifiquis les tres mostres (han de representar els grups igni, sedimentari i metamòrfic), detallant la seva textura observable, composició mineralògica estimada i ambient genètic de formació.

3. Modelització del cicle litològic: Elabora un diagrama de flux que relacioni les teves tres roques dins del cicle petrogenètic, justificant les transformacions termodinàmiques ($P$ i $T$) o processos exògens necessaris perquè unes derivin en d'altres.

4. Dictamen de sostenibilitat: Redacta una proposta raonada (màxim $1,5$ pàgines) en la qual valoris la idoneïtat i l'impacte ambiental de l'aprofitament de les roques locals enfront de materials prefabricats d'importació.

Es valorarà:

• Precisió en l'extracció i interpretació de les dades cartogràfiques del visor oficial de l'IGME.

• Correcció conceptual en la classificació textural i genètica de les tres litologies.

• Coherència científica en integrar i relacionar les roques seleccionades en el cicle litològic.

• Solidesa argumentativa en la proposta ambiental i de sostenibilitat territorial.