Petrología IgneaPetrología IgneaOrigen de los MagmasOrigen de los Magmas

Maestría en Ciencias GeológicasMaestría en Ciencias GeológicasSemestre Febrero a Julio 2009Semestre Febrero a Julio 2009

Dr. Juan Alonso Ramírez FernándezDr. Juan Alonso Ramírez Fernández

El Interior de la TierraEl Interior de la TierraCorteza:Corteza:Corteza OceánicaCorteza Oceánica

Delgada: 10 kmDelgada: 10 km

Estratigrafía +/- uniformeEstratigrafía +/- uniforme

= = suite ofiolítica:suite ofiolítica: SedimentosSedimentos pillow lavaspillow lavas sheeted dikessheeted dikes Gabro masivoGabro masivo ultramaficos (Manto)ultramaficos (Manto)

Corteza ContinentalCorteza ContinentalGruesa: 20-90 km promedio ~35 kmGruesa: 20-90 km promedio ~35 km

Composición muy variableComposición muy variable Promedio ~ granodioritaPromedio ~ granodiorita

Manto:Manto:Peridotita (ultramáfica)Peridotita (ultramáfica)

SuperiorSuperior a 410 km (olivino a 410 km (olivino espinela) espinela) Capa de Baja Velocidad Capa de Baja Velocidad 60-220 km60-220 km

Zona de Transición Zona de Transición la velocidad aumenta ~ la velocidad aumenta ~ rápidamenterápidamente 660 espinela 660 espinela perovskita perovskita

SiSiIVIV Si SiVIVI

Manto InferiorManto Inferior incremento gradual de la incremento gradual de la velocidadvelocidad

El Interior de la TierraEl Interior de la Tierra

Núcleo: Núcleo: Aleación de Fe-NiAleación de Fe-Ni

Núcleo ExteriorNúcleo Exterior es líquidoes líquido No hay ondas SNo hay ondas S

Núcelo InteriorNúcelo Interior es sólidoes sólido

El Interior de la TierraEl Interior de la Tierra

Variación de las ondas P y S con la profundidad. Subdivisiones Composicionales a la izquierda, subdivisiones reológicas a la derecha. Por Kearey and Vine (1990), Global Tectonics. © Blackwell Scientific. Oxford.

Abundancia de los siete elementos, que componen el 97% de la masa de la Tierra. An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter , Prentice Hall.

Gradiente de PresiónGradiente de Presión

P se incrementa = P se incrementa = ghgh Aprox. lineal a lo largo del Aprox. lineal a lo largo del

MantoManto ~ 30 MPa/km~ 30 MPa/km 1 GPa en la base de la 1 GPa en la base de la

cortezacorteza Núclo: Núclo: se incr. más rápido se incr. más rápido

por la densidadpor la densidadDziewonski and Anderson (1981). Phys. Earth Planet. Int., 25, 297-356. © Elsevier Science.

Fuentes de Calor Fuentes de Calor en la Tierraen la Tierra

1.1. Calor residual de la acreción Calor residual de la acreción temprana y por la diferenciación de temprana y por la diferenciación de la Tierrala Tierra

Sigue llegando a la superficie.Sigue llegando a la superficie.

1.1. Calor residual de la acreción Calor residual de la acreción temprana y por la diferenciación de temprana y por la diferenciación de la Tierra.la Tierra.

Sigue llegando a la Sigue llegando a la superficie.superficie.

2.2. Calor por el decaimiento radiactivo Calor por el decaimiento radiactivo de nucleidos inestables.de nucleidos inestables.

Fuentes de Calor Fuentes de Calor en la Tierraen la Tierra

Gradiente GeotérmicoGradiente Geotérmico

Figure 1-11(new). Estimates of oceanic (blue curves) and continental shield (red curves) geotherms to a depth of 300 km. The thickness of mature (> 100Ma) oceanic lithosphere is hatched and that of continental shield lithosphere is yellow. Data from Green and Falloon ((1998), Green & Ringwood (1963), Jaupart and Mareschal (1999), McKenzie et al. (2005 and personal communication), Ringwood (1966), Rudnick and Nyblade (1999), Turcotte and Schubert (2002).

Gradiente Gradiente GeotérmicoGeotérmico

Pattern of global heat flux variations compiled from observations at over 20,000 sites and modeled on a spherical harmonic expansion to degree 12. From Pollack, Hurter and Johnson. (1993) Rev. Geophys. 31, 267-280.

Cross-section of the mantle based on a seismic tomography model. Arrows represent plate motions and large-scale mantle flow and subduction zones represented by dipping line segments. EPR =- East pacific Rise, MAR = Mid-Atlantic Ridge, CBR = Carlsberg Ridge. Plates: EA = Eurasian, IN = Indian, PA = Pacific, NA = North American, SA = South American, AF = African, CO = Cocos. From Li and Romanowicz (1996). J. Geophys. Research, 101, 22,245-72.

Figure 1-9. Estimated ranges of oceanic and continental steady-state geotherms to a depth of 100 km using upper and lower limits based on heat flows measured near the surface. After Sclater et al. (1980), Earth. Rev. Geophys. Space Sci., 18, 269-311.

Placas Tectónicas – Génesis Placas Tectónicas – Génesis ÍgneaÍgnea

1.1. DorsalesDorsales

2.2. Rifts IntracontinentalesRifts Intracontinentales

3. 3. Arcos InsularesArcos Insulares

4.4. Márgenes Márgenes Continentales ActivasContinentales Activas

5.5. Cuencas de Tras ArcoCuencas de Tras Arco

6.6. Ocean Island BasaltsOcean Island Basalts

7.7. Actividad MisceláneaActividad Miscelánea kimberlitas, carbonatitas, kimberlitas, carbonatitas,

anortositas...anortositas...

GENERACION DE MAGMASGENERACION DE MAGMAS

Lavas basálticas llegan a la superficie con Lavas basálticas llegan a la superficie con temperaturas de ca. 1200 °C, mientras que las temperaturas de ca. 1200 °C, mientras que las riolíticas alcanzan de 700 a 900 °C. La fusión no riolíticas alcanzan de 700 a 900 °C. La fusión no es sólo un proceso directo asumiendo solo la es sólo un proceso directo asumiendo solo la influencia de un gradiente geotérmico normal (ca. influencia de un gradiente geotérmico normal (ca. 20 °C). Existen condiciones anómalas para 20 °C). Existen condiciones anómalas para explicar la generación de magmas silicatados a explicar la generación de magmas silicatados a partir de rocas silicatadas en el Manto y en la partir de rocas silicatadas en el Manto y en la Corteza Inferior.Corteza Inferior.

Muestras del MantoMuestras del Manto OfiolitasOfiolitas

Slabs de corteza oceánica y Manto SuperiorSlabs de corteza oceánica y Manto Superior Fallas de obducciónFallas de obducción

Muestras de zonas de fractura oceánicaMuestras de zonas de fractura oceánica Nódulos y Nódulos y xenolitosxenolitos en basaltos en basaltos Xenolitos en KimberlitasXenolitos en Kimberlitas

Chimeneas con diamantes, provenientes del Chimeneas con diamantes, provenientes del Manto conteniendo numerosos xenolitos. Manto conteniendo numerosos xenolitos.

15

10

5

00.0 0.2 0.4 0.6 0.8

Wt.

% A

l 2O3

Wt.% TiO2

DunitaHarzburgita

Lherzolita

Basalt tholeiitico

Fusión

Par

cial

Residuum

LherzolitaLherzolita es la roca fértil e inalterada del Manto. es la roca fértil e inalterada del Manto.DunitaDunita y y harzburgiteharzburgite son residuos refractarios después de la son residuos refractarios después de la

extracción del basalto. extracción del basalto.

Brown and Mussett, A. E. (1993), Brown and Mussett, A. E. (1993), The Inaccessible Earth: An The Inaccessible Earth: An Integrated View of Its Structure Integrated View of Its Structure and Composition. and Composition. Chapman & Chapman & Hall/Kluwer.Hall/Kluwer.

LherzolitaLherzolita: Es una : Es una peridotitaperidotita con con Olivino > Opx + CpxOlivino > Opx + Cpx

OlivinoOlivino

ClinopiroxenoClinopiroxenoOrthopiroxenoOrthopiroxeno

LherzolitaLherzolitaH

arzb

urgi

taW

ehrlita

Websterita

OrthopiroxenitaOrthopiroxenita

ClinopiroxenitaClinopiroxenita

Websterita de Olivino

PeridotitasPeridotitas

PiroxenitasPiroxenitas

90

40

10

10

DunitaDunita

IUGSIUGS

Diagrama de fases para la Diagrama de fases para la lherzolita:lherzolita:

PlagioclasaPlagioclasa somera (< 50 km)somera (< 50 km)

EspinelaEspinela 50-80 km50-80 km

GranateGranate 80-400 km80-400 km

Si Si VI coord. VI coord. > 400 km> 400 km

Fase de Al =Fase de Al =

Phase diagram of aluminous lherzolite with melting interval (gray), sub-solidus reactions, and Phase diagram of aluminous lherzolite with melting interval (gray), sub-solidus reactions, and geothermal gradient. After geothermal gradient. After Wyllie, P. J. (1981). Geol. Rundsch. 70, 128-153.Wyllie, P. J. (1981). Geol. Rundsch. 70, 128-153.

¿Como se funde el Manto? ¿Como se funde el Manto? 1) 1) Incrementando la temperaturaIncrementando la temperatura

2) 2) Bajando la presiónBajando la presión Ascenso AdiabáticoAscenso Adiabático del Manto sin pérdida de calor. del Manto sin pérdida de calor. La Fusión de decompresión La Fusión de decompresión puede fundir a un 30 %. puede fundir a un 30 %.

3) 3) Agregando volátilesAgregando volátiles (especialmente (especialmente HH22OO))

Solidus seco de perditota comparedo con peridotitas saturadas en H2O.

Magmas Magmas pueden pueden ser creados ser creados en condiciones realesen condiciones reales

Límites divergentes Límites divergentes donde el Manto donde el Manto asciende en las dorsales centro-oceánicas. asciende en las dorsales centro-oceánicas. Ascenso adiabático Ascenso adiabático Fusión de Fusión de

decompresióndecompresión Hot spotsHot spots Localización puntual Localización puntual MetasomatismoMetasomatismo

Importante en Importante en zonas de subducciónzonas de subducción y y otros ambientes.otros ambientes.

La capacidad de formar una película interconectada depende La capacidad de formar una película interconectada depende del del ángulo dihedral (ángulo dihedral ()), que es una propiedad del líquido., que es una propiedad del líquido.

Ilustración del ángulo dihedral de las Ilustración del ángulo dihedral de las gotas de líquido que se forman en los gotas de líquido que se forman en los contactos de los granos. contactos de los granos. Hunter (1987)Hunter (1987) In In I. Parsons (ed.), Origins of Igneous I. Parsons (ed.), Origins of Igneous Layering. Reidel, Dordrecht, pp. 473-504.Layering. Reidel, Dordrecht, pp. 473-504.

Magmas PrimariosMagmas Primarios Formados a profundidad, sin modificación Formados a profundidad, sin modificación

subsecuentes por crisatlización fraccionada o subsecuentes por crisatlización fraccionada o asimilación. asimilación.

CriteriosCriterios Mayor Mg# Mayor Mg# (100Mg/(Mg+Fe))(100Mg/(Mg+Fe)), por lo general > , por lo general >

68, > 8% MgO, > 400 ppm Ni, > 1000 ppm Cr.68, > 8% MgO, > 400 ppm Ni, > 1000 ppm Cr. Resultados experimentales de fundidos de Resultados experimentales de fundidos de

lherzolita. lherzolita. Mg# = 66-75Mg# = 66-75 Cr > 1000 ppmCr > 1000 ppm Ni > 400-500 ppmNi > 400-500 ppm

Magmas PrimitivosMagmas Primitivos

En un complejo geológico son los magmas En un complejo geológico son los magmas menos modificados por diferenciación menos modificados por diferenciación después de su generación. Tienen los valores después de su generación. Tienen los valores mas altos de #Mg, MgO, Ni y Cr de todo el mas altos de #Mg, MgO, Ni y Cr de todo el complejo.complejo.

Liquidos y residuos de la fusión de la pirolitaLiquidos y residuos de la fusión de la pirolita

Green and Ringwood (1967).Green and Ringwood (1967). Earth Planet. Sci. Lett.Earth Planet. Sci. Lett. 2, 151-160. 2, 151-160.

FUSION PARCIALFUSION PARCIAL

Fusión parcial:Fusión parcial: generación de magma en generación de magma en porcentaje menor que la roca total. Tipos:porcentaje menor que la roca total. Tipos: Fusión en equilibrio o en lotes (batch). Fusión en equilibrio o en lotes (batch). Se Se

genera un líquido en equilibrio con el residuo genera un líquido en equilibrio con el residuo hasta que el magma se segrege. Sistema hasta que el magma se segrege. Sistema cerrado.cerrado.

Fusión fraccionada.Fusión fraccionada. El líquido abandona el El líquido abandona el sistema inmediatamente. No hay reacciones. sistema inmediatamente. No hay reacciones.

Fusión en un 30 – 40% dan una picrita Fusión en un 30 – 40% dan una picrita ultramáfica y komatiita, con un residuo ultramáfica y komatiita, con un residuo olivínico.olivínico.

Fusión de un 5 – 10 % dan basaltos, con un Fusión de un 5 – 10 % dan basaltos, con un residuo que se empobrece paulatinamente residuo que se empobrece paulatinamente en granate (espinela), Cpx y finalmente en en granate (espinela), Cpx y finalmente en Opx.Opx.

FUSIÓN PARCIAL EN EQUILIBRIOFUSIÓN PARCIAL EN EQUILIBRIOSistema MgSistema Mg22SiOSiO22-CaMgSi-CaMgSi22OO66-SiO-SiO22

FUSIÓN PARCIAL EN EQUILIBRIOFUSIÓN PARCIAL EN EQUILIBRIO

Modelando la Fusión Parcial en EquilibrioModelando la Fusión Parcial en EquilibrioFusión en Lotes o en Equilibrio (Batch melting): El líquido continua

reaccionando, en equilibrio, con el sólido en el lugar de la fusión, hasta que el lote de magma escapa.

Concentración relativa de los elementos en el líquido:

CL/C0 = 1/[F + DRS -F DRS ] o bien

CL/C0 = 1/[DRS + F(1 - DRS)] Donde:

CL = Concentración del elemento en el líquido

C0= Concentración del elemento en el sólido original

DRS = ΣXD, X es la fracción en peso del mineral y D su coeficiente de partición cristal-líquido.

F = Fracción en peso del líquido generado.

Concentración relativa del elemento traza en el residuo:

CS/C0 = DRS/[DRS + F(1 - DRS)]

CS = Concentración del elemento en el sólido residual= Concentración del elemento en el sólido residual

Modelando la Fusión Parcial en EquilibrioModelando la Fusión Parcial en Equilibrio

Modelando la Fusión Parcial en EquilibrioModelando la Fusión Parcial en Equilibrio

FUSIÓN PARCIAL EN DESEQUILIBRIOFUSIÓN PARCIAL EN DESEQUILIBRIOSistema MgSistema Mg22SiOSiO22-CaMgSi-CaMgSi22OO66-SiO-SiO22

De L a H el líquido obtenido es de la composición M siempre. Cuando se llega a H, no hay Cpx, y se genera un líquido MA. Pero se requiere un incremento de 75 °C (1295 °C).

Fusión fraccionada: cada alicuota de líquido es removida de la roca fuente (sistema abierto)

Concentración del elemento traza en el líquido:

CL/C0 = 1/D0(1 - PF/D0)(1/P - 1)

F = Fracción del líquido removido

D0 = Coeficiente D total para las fases sólidas antes de la fusión,

P = Coeficiente D total para las fases minerales que se han fundido y que hacen ahora el líquido.

Concentración del elemento traza en el residuo sólido:

CS/C0 = [1/(1 - F) ] x (1 - PF/D0)1/P

FUSIÓN PARCIAL EN DESEQUILIBRIO O FUSIÓN PARCIAL EN DESEQUILIBRIO O RAYLEIGHRAYLEIGH

FUSIÓN PARCIAL EN FUSIÓN PARCIAL EN DESEQUILIBRIO O DESEQUILIBRIO O RAYLEIGHRAYLEIGH

Cambios en P y la Cambios en P y la concentración de concentración de volátiles cambian volátiles cambian significativamente la significativamente la línea cotéctica y la línea cotéctica y la posición invariable de posición invariable de la composición del la composición del primer líquido.primer líquido.

CAMBIOS EN LA COMPOSICION DE LOS MAGMAS CAMBIOS EN LA COMPOSICION DE LOS MAGMAS

EN LA FUSION PARCIALEN LA FUSION PARCIAL

CAMBIOS EN LA COMPOSICION DE LOS MAGMAS EN LA FUSION PARCIALCAMBIOS EN LA COMPOSICION DE LOS MAGMAS EN LA FUSION PARCIAL

Cambios en P hacen cambiar la composición del líquido.Cambios en P hacen cambiar la composición del líquido. Incrementando CO2 (fugacidad) empobrece en SiO2.Incrementando CO2 (fugacidad) empobrece en SiO2. Incrementando H2O enriquece en SiO2 y empobrece en álcalis. Incrementando H2O enriquece en SiO2 y empobrece en álcalis.

Cambio en el eutectico con el Cambio en el eutectico con el incremento de presión de 1 a 3 GPa. incremento de presión de 1 a 3 GPa. Kushiro (1968), Kushiro (1968), J. Geophys. Res.J. Geophys. Res., 73, , 73, 619-634.619-634.

Datos de REE para basaltos oceánicos Datos de REE para basaltos oceánicos

Diagrama de REE de OIB’s y MORB´s. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Diagrama de REE de OIB’s y MORB´s. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Data from Sun and McDonough (1989).Data from Sun and McDonough (1989).

Incrementándose la incompatibilidadIncrementándose la incompatibilidad

Concentración de las REE (normalizados a condritas) en líquidos producidos a diferentes valores Concentración de las REE (normalizados a condritas) en líquidos producidos a diferentes valores de F a partir de una lherzolita de granate por medio del modelo de fusión en lotes. Rollinson 1993.de F a partir de una lherzolita de granate por medio del modelo de fusión en lotes. Rollinson 1993.

COMPORTAMIENTO DE LAS REECOMPORTAMIENTO DE LAS REE

Incrementándose la incompatibilidadIncrementándose la incompatibilidad

Concentración de las REE Concentración de las REE (normalizados a condritas) en (normalizados a condritas) en líquidos producidos a diferentes líquidos producidos a diferentes valores de F a partir de una valores de F a partir de una lherzolita de granate por medio lherzolita de granate por medio del modelo de fusión en lotes. del modelo de fusión en lotes. Winter (2001) An Introduction to Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.Petrology. Prentice Hall.

Desde el espacio es obvio que la Tierra tiene dos características fisiográficamente diferentes: oceános (71%) y continentes (29%)

Topografía global

from: http://www.personal.umich.edu/~vdpluijm/gs205.html

CORTEZA

GENERACION DE MAGMAS EN LA GENERACION DE MAGMAS EN LA CORTEZA CONTINENTALCORTEZA CONTINENTAL

Corteza es muy heterogéneaCorteza es muy heterogénea Proceso de fusión se le conoce como Anatexis.Proceso de fusión se le conoce como Anatexis. Se involucra mayormente el agua, especialmente Se involucra mayormente el agua, especialmente

en la fusión de deshidratación de rocas con en la fusión de deshidratación de rocas con minerales hidratados.minerales hidratados.

El agua es esencial para la generación de los El agua es esencial para la generación de los grandes volúmenes de magmas félsicos en la grandes volúmenes de magmas félsicos en la Corteza Continental.Corteza Continental.

Fusión parcial de lutitas, tonalitas y basaltos. Los primeros 4 a 10 kbar, el quinto a 7 kbar. Fusión parcial de lutitas, tonalitas y basaltos. Los primeros 4 a 10 kbar, el quinto a 7 kbar. Best & Christiansen.Best & Christiansen.

FUSION CORTICALFUSION CORTICAL

GENERACION DE MAGMAS EN LA GENERACION DE MAGMAS EN LA CORTEZA CONTINENTALCORTEZA CONTINENTAL

En arcos continentales, sobre Litósfera En arcos continentales, sobre Litósfera Oceánica. Fusión por calor del magma Oceánica. Fusión por calor del magma ascendente.ascendente.

Rifts continentales. Fusión por calor del Rifts continentales. Fusión por calor del magma ascendente.magma ascendente.

Corteza engrosada por colisiones Corteza engrosada por colisiones continentales; calentamiento por ajustes en continentales; calentamiento por ajustes en el gradiente geotérmico.el gradiente geotérmico.

Modelos de la estructura termal en un margen convergente. La subducción de Litósfera fría causa la depresión de las isotermas en la región bajo la trinchera, mientras que en la región del arco, estas se elevan. A) Depresión y ascenso de las geotermas. La transición olivino-espinela será a niveles mas someros en la slab. B) Porción superior del arco con generación de magma. C) La subducción provoca un flujo que pone en contacto Manto caliente contra la slab en subducción generando magmas de arco. Moores & Twiss (1995).

ArcoArcoContinental Continental

Modelo de la distribución de temperaturas y litologías en una márgen convergente, que lleva a la predicción de las regiones con fusión parcial bajo condiciones P-T y contenidos de fluidos (CO2 + H2O) apropiados. La zona es de oxidación por el rol de la placa subducida y el aporte de fluidos (H2O+CO2+SO2, Cl, F) de la corteza subducida y del Manto Superior. Tomado de Jackson (1998)

Arco Continental Arco Continental

A) La compresión causa expansiónB) Formación de rocas foliadasC) Fallamiento inversoD) Intrusiones igneasE) UnderplatingF) Expansión termal

Arco Continental Arco Continental

Rifts Rifts Continentales:Continentales:Rift del Africa del Rift del Africa del Este Este

Mapa del Sistema de Rift de Africa del Este (Kampunzu and Mohr, 1991), Magmatic evolution and petrogenesis in the East African Rift system. In A. B. Kampunzu and R. T. Lubala (eds.), Magmatism in Extensional Settings, the Phanerozoic African Plate. Springer-Verlag, Berlin, pp. 85-136. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

Secciones hipotéticas mostrando un modelo para el desarrollo progresivo del Sistema de Rift de Africa del Este.a. Estadio Pre-rift, en el cual un diapiro astenosférico asciende hacia la Litósfera. La fusión por decompresión (achurado verde) produce líquidos alcalinos diversos. Puede ocurrir también la fusión parcial del manto continental litosférico por metasomatismo. Decollements (D1) proporcionan espacio

para el diapiro. b. Estadio del Rifting: desarrollo del rifting continental, erupción de magmas alcalinos (rojo) generalmente provenientes de una fuente astenosférica profunda. Ascenso de material astenosférico fundido puede generar anatexis cortical. En los valles se acumula material volcánico y volcaniclástico. c. Estadio Afar, en el cual el ascenso astenosférico alcanza niveles corticales. Esta es la transición hacia el desarrollo de corteza oceánica. Decollements (D2 and D3) proporcionan mas espacio para

el diapiro ascendente. Kampunzu and Mohr (1991), Magmatic evolution and petrogenesis in the East African Rift system. In A. B. Kampunzu and R. T. Lubala (eds.), Magmatism in Extensional Settings, the Phanerozoic African Plate. Springer-Verlag, Berlin, pp. 85-136 and P. Mohr (personal communication). Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

Rifts Continentales:Rifts Continentales:Rift del Africa del Este Rift del Africa del Este

Metamorfismo regional en una margen de colisión. Tarbuck & Lutgens (2000).

Colisión Continental Colisión Continental