Metamorfismo de ultra alta presión - Ultra-high-pressure metamorphism

El metamorfismo de ultra alta presión se refiere a procesos metamórficos a presiones lo suficientemente altas como para estabilizar la coesita , el polimorfo de alta presión del SiO 2 . Es importante porque los procesos que forman y exhuman rocas metamórficas de ultra alta presión (UHP) pueden afectar fuertemente a la tectónica de placas , la composición y evolución de la corteza terrestre. El descubrimiento de rocas metamórficas UHP en 1984 revolucionó nuestra comprensión de la tectónica de placas. Antes de 1984, había pocas sospechas de que las rocas continentales pudieran alcanzar presiones tan altas.

La formación de muchos terrenos UHP se ha atribuido a la subducción de microcontinentes o márgenes continentales y la exhumación de todos los terrenos UHP se ha atribuido principalmente a la flotabilidad causada por la baja densidad de la corteza continental, incluso en UHP, en relación con el manto de la Tierra. Mientras que la subducción avanza a gradientes térmicos bajos de menos de 10 ° C / km, la exhumación avanza a gradientes térmicos elevados de 10-30 ° C / km.

Definición

Metamorfismo de rocas a presiones ≥ 27 kbar (2,7 GPa) para estabilizar la coesita , el polimorfo de alta presión del SiO 2 , reconocido por la presencia de un mineral de diagnóstico (p. Ej., Coesita o diamante), ensamblaje mineral (p. Ej., Magnesita + aragonita) , o composiciones minerales.

Identificación

Los indicadores petrológicos del metamorfismo UHP generalmente se conservan en eclogita . La presencia de coesita metamórfica, diamante o granate mayorítico es diagnóstica; otros indicadores mineralógicas potenciales de UHP metamorfismo, tales como alfa-PbO 2 estructurados TiO 2 , no son ampliamente aceptadas. También se pueden utilizar conjuntos de minerales, en lugar de minerales individuales, para identificar rocas UHP; estos ensamblajes incluyen magnesita + aragonito. Debido a que los minerales cambian de composición en respuesta a cambios de presión y temperatura, las composiciones minerales pueden usarse para calcular la presión y la temperatura; para la eclogita UHP, los mejores geobarómetros incluyen granate + clinopiroxeno + mica blanca K y granate + clinopiroxeno + cianita + coesita / cuarzo. La mayoría de las rocas UHP se metamorfosearon en condiciones máximas de 800 ° C y 3 GPa . Al menos dos localidades de UHP registran temperaturas más altas: los macizos de Bohemia y Kokchetav alcanzaron 1000-1200 ° C a presiones de al menos 4 GPa.

La mayoría de las rocas UHP félsicas han sufrido un metamorfismo retrógrado extenso y conservan poco o ningún registro de UHP. Comúnmente, solo unos pocos enclaves de eclogita o minerales UHP revelan que todo el terreno fue subducido a las profundidades del manto. Muchos terrenos de granulita e incluso rocas batolíticas pueden haber sufrido un metamorfismo UHP que posteriormente fue borrado.

Distribución global

Los geólogos han identificado terrenos UHP en más de veinte localidades alrededor del mundo en la mayoría de los cinturones orogénicos continentales fanerozoicos bien estudiados ; la mayoría ocurre en Eurasia. La coesita está relativamente extendida, el diamante menos, y el granate mayorítico se conoce solo en localidades raras. El terreno UHP más antiguo tiene 620 Ma y está expuesto en Mali; el más joven tiene 8 millones de años y está expuesto en las islas D'Entrecasteaux de Papúa Nueva Guinea. Un número modesto de orógenos continentales ha sufrido múltiples episodios de UHP.

Los terrenos UHP varían enormemente en tamaño, desde los terrenos gigantes UHP> 30.000 km2 en Noruega y China, hasta cuerpos de pequeña escala de kilómetros. Los terrenos UHP gigantes tienen una historia metamórfica que abarca decenas de millones de años, mientras que los terrenos UHP pequeños tienen una historia metamórfica que abarca millones de años. Todos están dominados por gneis cuarzofeldspáticos con un pequeño porcentaje de roca máfica (eclogita) o roca ultramáfica ( peridotita con granate ). Algunas incluyen secuencias sedimentarias o volcánicas de grietas que se han interpretado como márgenes pasivos antes del metamorfismo.

Implicaciones e importancia

Las rocas UHP registran presiones mayores que las que prevalecen dentro de la corteza terrestre. La corteza terrestre tiene un grosor máximo de 70 a 80 km y las presiones en la base son <2,7 GPa para densidades de la corteza típicas. Por lo tanto, las rocas UHP provienen de las profundidades del manto de la Tierra . Se han identificado rocas UHP de una amplia variedad de composiciones como terrenos metamórficos regionales y xenolitos .

Los xenolitos ultramáficos UHP de afinidad del manto proporcionan información (por ejemplo, mineralogía o mecanismos de deformación) sobre los procesos activos en las profundidades de la Tierra. Los xenolitos UHP de afinidad cortical proporcionan información sobre los procesos activos en las profundidades de la Tierra, pero también información sobre qué tipos de rocas corticales alcanzan una gran profundidad en la Tierra y qué tan profundas son esas profundidades.

Los terrenos UHP metamórficos regionales expuestos en la superficie de la Tierra proporcionan información considerable que no está disponible en los xenolitos. El estudio integrado realizado por geólogos estructurales , petrólogos y geocronólogos ha proporcionado datos considerables sobre cómo se deformaron las rocas, las presiones y temperaturas del metamorfismo y cómo la deformación y el metamorfismo variaron en función del espacio y el tiempo. Se ha postulado que los pequeños terrenos UHP que experimentaron cortos períodos de metamorfismo se formaron temprano durante la subducción del continente, mientras que los terrenos gigantes UHP que experimentaron largos períodos de metamorfismo se formaron tarde durante la colisión continental.

Formación de rocas UHP

Las rocas metamórficas de eclogita-facies HP a UHP se producen por subducción de rocas de la corteza a la corteza inferior a las profundidades del manto para un metamorfismo extremo en los gradientes térmicos bajos de menos de 10 ° C / km. Todas estas rocas ocurren en los márgenes de las placas convergentes, y las rocas UHP solo ocurren en orógenos de colisión. Existe un acuerdo general de que la mayoría de los terrenos UHP bien expuestos y bien estudiados se produjeron por el entierro de rocas de la corteza a profundidades del manto de> 80 km durante la subducción . La subducción del margen continental está bien documentada en varios orógenos de colisión, como el orógeno Dabie, donde se conservan las secuencias sedimentarias y volcánicas del margen pasivo del Bloque Sur de China, en el margen continental árabe debajo de la ofiolita de Samail (en las montañas Al Hajar , Omán) , y en el margen australiano actualmente subduciendo debajo del Arco de Banda . La subducción de sedimentos ocurre debajo de los arcos volcanoplutónicos en todo el mundo y se reconoce en las composiciones de los arcos lavas. La subducción continental puede estar en marcha debajo del Pamir . La erosión por subducción también ocurre debajo de los arcos volcanoplutónicos en todo el mundo, llevando rocas continentales a las profundidades del manto al menos a nivel local.

Exhumación de rocas UHP

Los procesos específicos por los cuales los terrenos UHP fueron exhumados a la superficie de la Tierra parecen haber sido diferentes en diferentes lugares.

Si la litosfera continental se subduce debido a su unión a la litosfera oceánica descendente, la fuerza de tracción de la losa hacia abajo puede exceder la resistencia de la losa en algún momento y lugar, y se inicia el estrechamiento de la losa . La flotabilidad positiva de la losa continental, en oposición principalmente al empuje de la cresta, puede impulsar la exhumación de la corteza en subducción a una velocidad y modo determinados por la geometría de la placa y la reología de los materiales de la corteza. La región noruega del gneis occidental es el arquetipo de este modo de exhumación, que se ha denominado "educción" o inversión por subducción.

Si una placa que se somete a inversión por subducción comienza a girar en respuesta a condiciones de contorno cambiantes o fuerzas corporales, la rotación puede exhumar rocas UHP hacia niveles de la corteza. Esto podría ocurrir si, por ejemplo, la placa es lo suficientemente pequeña como para que la subducción continental cambie marcadamente la orientación y la magnitud de la tracción de la losa o si la placa está siendo consumida por más de una zona de subducción tirando en diferentes direcciones. También se ha propuesto un modelo de este tipo para el terreno UHP en el este de Papua Nueva Guinea, donde la rotación de la microplaca Woodlark está causando una grieta en la cuenca Woodlark ).

Si una placa de subducción consiste en una capa flotante débil encima de una capa con flotabilidad negativa más fuerte, la primera se desprenderá en la profundidad donde la fuerza de flotabilidad excede la tracción de la losa y se extruirá hacia arriba como una hoja semi-coherente. Este tipo de delaminación y apilamiento se propuso para explicar la exhumación de rocas UHP en el macizo de Dora Maira en Piamonte , Italia, en el orógeno Dabie y en el Himalaya. Además se demostró con experimentos analógicos. Este mecanismo es diferente del flujo en un canal de subducción en que la hoja de exhumación es fuerte y permanece sin deformar. Se sugirió una variante de este mecanismo, en el que el material de exhumación sufre un plegado, pero no una ruptura total, para el orógeno de Dabie, donde las líneas de estiramiento relacionadas con la exhumación y los gradientes en la presión metamórfica indican la rotación del bloque de exhumación;

La flotabilidad de un microcontinente ralentiza localmente el retroceso y acentúa la caída de la litosfera máfica en subducción. Si la litosfera máfica a ambos lados del microcontinente continúa retrocediendo, una porción flotante del microcontinente puede desprenderse, permitiendo que la porción retardada de la losa máfica retroceda rápidamente, dejando espacio para que la corteza continental UHP se exhuma y retroceda. extensión de arco. Este modelo fue desarrollado para explicar los ciclos repetidos de subducción y exhumación documentados en los orógenos del Egeo y Calabria-Apenino. La exhumación de UHP por retroceso de la losa aún no se ha explorado ampliamente numéricamente, pero se ha reproducido en experimentos numéricos de colisiones al estilo de los Apeninos.

Si el material continental se subduce dentro de un canal confinado, el material tiende a experimentar una circulación impulsada por las tracciones a lo largo de la base del canal y la flotabilidad relativa de las rocas dentro del canal; el flujo puede ser complejo, generando cuerpos similares a napas o caóticamente mezclados. El material dentro del canal puede exhumarse si:

  1. la introducción continua de material nuevo en el canal impulsada por la tracción de la placa de subducción empuja el material viejo del canal hacia arriba;
  2. la flotabilidad en el canal excede la tracción relacionada con la subducción y el canal es empujado hacia arriba por el manto astenosférico que se entromete entre las placas; o
  3. un penetrador fuerte aprieta el canal y extruye el material en su interior.

Es poco probable que la flotabilidad por sí sola lleve la exhumación de rocas UHP a la superficie de la Tierra, excepto en las zonas de subducción oceánica. Es probable que se detengan y se esparzan las rocas UHP en el Moho (si la placa suprayacente es continental) a menos que se disponga de otras fuerzas para forzar las rocas UHP hacia arriba. Algunos terrenos UHP pueden ser material coalescente derivado de la erosión por subducción. Este modelo se sugirió para explicar el terreno UHP del norte de Qaidam en el oeste de China. Incluso los sedimentos subducidos pueden elevarse como diapiros desde la placa subductora y acumularse para formar terrenos UHP.

Los estudios de geodinámica numérica sugieren que tanto los sedimentos subducidos como las rocas cristalinas pueden elevarse a través de la cuña del manto diapíricamente para formar terrenos UHP. Se ha invocado el ascenso diapírico de un cuerpo continental subducido mucho más grande para explicar la exhumación del terreno UHP de Papua Nueva Guinea. Este mecanismo también se utilizó para explicar la exhumación de rocas UHP en Groenlandia. Sin embargo, la cuña del manto por encima de las zonas de subducción continental es fría como los cratones, lo que no permite el ascenso diapírico de los materiales de la corteza. La fundación de las porciones gravitacionalmente inestables de la litosfera continental transporta localmente rocas cuarzofeldspáticas al manto y puede estar en curso debajo del Pamir.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

  • Coleman, RG y Wang, X. (Editores), 1995. Metamorfismo de presión ultra alta. Cambridge University Press, 528 págs.
  • Hacker, BR y Liou, JG (Editores), 1998. Cuando los continentes chocan: geodinámica y geoquímica de rocas de ultra alta presión. Editores académicos Kluwer, 323 págs.
  • Liou, JG y Ernst, WG (Editores), 2000. Metamorfismo y geodinámica de presión ultra alta en cinturones orogénicos de tipo colisión. Sociedad Geológica de América, Serie de libros internacionales, volumen 4, 293 págs.
  • Hacker, BR, McClelland, WC y Liou, JG (Editores), 2006. Metamorfismo de presión ultra alta: Subducción continental profunda. Documento especial 403 de la Sociedad Geológica de América, 206 págs.