8.3Fusion Cortical 2011
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Algunas evidencias de fusin cortical (anatexis):
El empobrecimiento en elementos incompatibles en la corteza
inferior indica extraccin de magmas.
Presencia en magmas de cristales heredados de una fuente ms
antigua (p. ej. zircones).
Grandes volmenes de magma flsico generado en arcos
continentales, slo volmenes menores en arcos insulares.
Los grandes volmenes de magma flsico emplazados en arcos
volcnicos no se pueden generar por diferenciacin de magmabasltico (se requeriran volmenes enormes de magma basltico
parental).
Evidencia isotpica de la contribucin de componentes
enriquecidos; edades modelo de Nd.
8.3. Fusin cortical
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El gradiente geotrmico de una litsfera fanerozoica normal indica que
la corteza debe ser slida (T del moho = 500 - 600C).
Para que ocurra la anatexis se requiere una fuente de calor que perturbe
el gradiente geotrmico.
Figura 8.55. Diagrama P-T mostrando
geotermas tpicas, y la posicin del liquidus
a diferentes contenidos de agua para (a)
rocas pelticas y (b) rocas baslticas. En
ambos casos, la geoterma del fanerozoico
cruza el liquidusa profundidades por debajo
del Moho.
a) b)
Existen varios mecanismos que
pueden perturbar las geotermas y
dar lugar a la generacin de magmas
en niveles corticales.
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Underplat ing
Deep crustal hot zones
Annen et al., 2006, The genesis of intermediate and silicic magmas in deep crustal hot zones: J. Petrol., 47, 505539
Lquidos silcicos e intermedios se generan por:
Liberacin de calor y fluidos del magma
basltico que da lugar a la fusin parcial de la
corteza circundante.
Cristalizacin parcial de los sills baslticos
(generan lquidos residuales ricos en agua)
Sills a profundidad fija Sills a profundidad variable
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A menor tasa de
emplazamiento:
el incremento de la
temperatura es ms
lento.la fraccin y la
composicin del
fundido son ms
homogeneas.
Modelo de zonas
corticales calientes
Evolucin de la tempera-
tura y la fraccin de
fundido con el tiempo
para sills baslticos de 50m de espesor inyectados
en la corteza inferior.
La temperatura inicial es
de 1,285 C y el
contenido inicial de agua
es de 2.5 % en peso.
Tasa de emplazamiento: 1 sill/10 ka = 5 mm/a
Tasa de emplazamiento: 1 sill/25 ka = 2 mm/aAnnen et al. (2006)
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Annen et al. (2006)
Productividad:
Espesor del fundido acumuladodividido entre el espesor total de
basalto emplazado.
Contenido inicial de
agua: 2.5 %
1 sill cada 10 ka
Profundidad de emplazamientofija a 10, 20 y 30 km o variable
entre 20 y 30 km.
Modelo de zonas corticales calientes
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Engrosamiento de la corteza
Puede ser causado por colisin continental, por plegamiento o por flujo de material
cortical. Este engrosamiento transporta material cortical a profundidades y
temperaturas suficientemente altas para causar la fusin parcial.
Las caractersticas son:
El calentamiento es progresivo.
Transferencia de calor por conduccin de calor derivado de fuentes internas (p. ej.,
decaimiento radiactivo) despus del engrosamiento de la corteza.
Tasas de calentamiento bajas (5 - 50 C/Ma),
Tiempos del orden de millones de aos para alcanzar las temperaturas necesarias
para iniciar la fusin.
Una vez rebasada la temperatura del solidus, el tiempo requerido para alcanzar la
fraccin mxima de lquido es corto (~ 1 ao).
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La anatexis se restringe por lo general a
niveles inferiores y medios de la corteza.
Puede ocurrir a profundidades menoresque 10-15 km slo en el caso de
geotermas extraordinarias (HT-LP) que
pueden ocurrir por la extensin (colapso)
de la corteza engrosada, la cual puede ir
acompaada por delaminacin de la
litsfera.
Figura 8.57. a) Colisin continental. b) Cambio en la
posicin de las isotermas durante el proceso decolisin/colapso.
a)b)
Herman et al., 2010, J. Geophys. Res., v. 115
Leucogranitos
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Atherton & Ghani, 2002: Lithos 62, 6585.
Basado en el trabajo de Davies & von Blanckenburg, 1995, Slab breakoff, a model of lithosphere detachment and its test
in the magmatism and deformation of collisional orogens: Earth and Planetary Science Letters, 129, 85102.
Colisin, ruptura de la placa en subduccin
Volcanismo
puede generarse
tanto en el manto
litosfrico como
en la base de la
corteza
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Efecto de migracin de magmasy formacin de plutones
Se muestran las curvas de reaccin relevantes
para la facies granultica.
And: andalusita; Ky: cianita; Ms: muscovita; Pl:
plagioclasa; Qtz: cuarzo; Kfs: feldespato
potsico; Als: aluminosilicato; V: vapor; Sil:
sillimanita; Hbl: hornblenda; Opx:
ortopiroxeno; Cpx: clinopiroxeno; L: lquido;
Grt: granate.
El plutonismo de larga duracin
genera una geoterma con rpido
incremento de la T en la corteza
superior, as como condiciones
casi isotrmicas en la corteza
media e inferior que resultan delefecto de amortiguamiento trmico
de las reacciones de fusin por
deshidratacin.
La migracin de magmas y la
construccin de plutones hacenque toda la corteza media e
inferior alcancen temperaturas de
~800 C y que los 12 km inferiores
de la corteza sean fundidos
parcialmente, dejando un residuo
granultico.
Depine et al., 2008, Near-isothermal conditions in the middle and lower crustinduced by melt migration: Nature, 452
Condiciones de formacin de granulitas
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Condiciones de fusin
Mnimo a P =1kb (0.1GPa), T=720C
Eutctico a partir de P~3.6 kbar (0.36GPa)Eutctico a 10 kb (1 GPa), T =620C
Figura 8.58. Sistema Ab-Or-Qz a 0.1-3.0 GPa, mostrando las
curvas cotctica ternarias y los mnimos eutcticos. Se
muestra el efecto en la posicin del mnimo de la presin y
de los contenidos de An, B y F. La composicin de la
mayora de los granitoides se muestra en el rea sombreada.Winter (2001)
Sistema grantico
Temperaturas en la base de la corteza:
300-400C en escudos continentales
500-600C en reas jvenes orognicas
>650-750C en zonas de rift
La composicin de los magmasgenerados por fusin cortical es
grantica (en sentido amplio).
A este grupo de rocas se las llama
tambin granitoides, trmino que se
refiere a un amplio rango decomposiciones flsicas.
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Reacciones de fusin por deshidratacin
Estudios experimentales y geoqumicos indican que
el mecanismo ms probable de generacin de
magmas granticos anatcticos son las reacciones
de fusin por deshidratacin en rocas corticalessecas, que contengan minerales hidratados.
Se requiere que todas las fases participantes
en la reaccin estn en contacto entre s.
La liberacin de fluidos genera un aumento en
el volumen del sistema. La sobrepresinresultante promueve el fracturamiento, el cual
hace que aumente la permeabilidad de la
roca, facilitando la segregacin del lquido.
La composicin de los magmas generados de
esta forma es controlada por
la mineraloga de la fuente, la contribucin relativa de los minerales
que entran al lquido (tipo de reaccin de
fusin),
el grado de fusin,
la disolucin de fases accesorias, y
el tiempo de residencia del lquido encontacto con el residuo slido.
Figura 8.59. Diagrama de fases P-T simplificado. Las
reas en color azul indican la generacin de fundido.
Winter (2001) An Introduction to Igneous and
Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
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Condiciones de fusin
Figura 8.61. Cantidad de lquido generado durante la
fusin de rocas corticales con muscovita y biotita.
Clarke (1992); Vielzeuf and Holloway (1988);
Winter (2001)
Figura 8.60. Condiciones P-T para fusin
por deshidratacin de rocas que contienen:
A: Muscovita
B: Biotita
C. Hornblenda
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Fertilidad de las rocas
Figura 62. Variacin en la fraccin de magma (vol.%) en
funcin de la temperatura para diferentes rocas corticales quefunden en ausencia de fluidos.
Fracciones (0.2-0.4) requeri-
das para generar la mayora
de las comp. granticas
La composicin del protolito
determina la temperatura a la
que inicia la fusin y el
porcentaje mximo de lquido
que se puede generar por
fusin parcial.
El porcentaje mximo de
fusin depender adems de
la temperatura que alcance la
roca.
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Los minerales presentes, la
proporcin en que entran allquido y la secuencia en que
se agotan determinan la
composicin del lquido
generado.
Fertilidad de las rocas
Figura 8.63. Fusin parcial por
deshidratacin (experimental) de rocas
metamorfizadas de comoposicin: lutita,
tonalita, y basalto.
C i i d i
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F. P. por deshidratacin en sist. subsaturado en agua
F. P. en sistema saturado en agua
Sistema subsaturado en agua
Lquidos con composicin de Grani to-
trondhjemita- tonal i taal avanzar el grado defusin. De protolito basltico de bajo K; granate
residual, no plagioclasa residual.
Sistema saturado en agua
Lquidos con composicin de Granito
Granodior i ta Tonali taal avanzar el grado de
fusin. Protolito basltico (alto K, con Plg,anfbol, biotita), intermedio o peltico.
Figura 8.64. Lquidos producidos experimentalmente
por fusin parcial de rocas con composicin basltica
Composicin de magmas anatcticosEfecto de voltiles
Sisson et al., 2005, Contrib. Mineral. Petrol.,148, 635661.
Lquidos exp.
700 MPa de
basalto de alto K
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Fi 8 66 M d l d i l i t d
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Ascenso de magmas
Compactacin y
flotacinAscenso por flotacin a travs
de roca encajonante msdensa, muy viscosa y dctil
(deformacin dctil)
Porcentaje crtico de lquido:
30-50%.
V de ascenso ~ 0.150 m/ao
Tiempo de ascenso: 104-105 a
Flujo poroso y diquesAscenso a travs de diques
(deformacin frgil) que
pueden alimentar una cmara
que crece por desplazamientode la roca encajonante (dctil)
o por fracturas de dilatacin
(frgil).
Segregacin a 1-5 % F
V de ascenso ~ 0.11 m/s
Tiempo de ascenso: horas o
dasVigneresse (2004)
Figura 8.66. Modelos de segregacin y emplazamiento de magmas
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La tasa de calentamiento determina la tasa de produccin de lquido y por lo
tanto influye en la composicin de los lquidos generados.
Una alta tasa de deformacin favorece el fracturamiento, permitiendo la
segregacin en corto tiempo de fracciones de magma muy pequeas (1-5%)
(Modelo viejo: segregacin por flotacin, porcentaje crtico de lquido de 30-50%)
Altas tasas de fusin (p. ej. underplating) y las reacciones de fusin pordeshidratacin, aumentan temporalmente la permeabilidad de la roca.
La segregacin puede ocurrir prcticamente a cualquier valor de fraccin de
magma. La fraccin de magma a la que ocurra la segregacin definir
- el grado de fusin,- el grado de disolucin de fases accesoriasy
- el tiempo de residencia del magma en contacto con el residuo,
y por lo tanto la composicin de la roca generada.
Influencia de los modelos de generacin y ascenso
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Como la fusin cortical ocurre a temperaturas relativamente bajas y en algunos
casos en tiempos muy cortos, no siempre se alcanza el equilibrio entre lquido y
residuo. El equilibrio est gobernado principalmente por la tasa de segregacin yla tasa de fusin. El equilibrio es favorecido por:
Fusin cortical en equilibrio
Proceso lento de generacin de magmas, en escalas tiempo de 105a
106Ma
Tasa de segregacin baja entre lquido y residuo (lquido permanece
en contacto con el residuo un tiempo suficientemente largo para
alcanzar el equilibrio)
Alta temperatura (que incrementa la tasa de difusin)
En estos casos se pueden emplear las ecuaciones de fusin parcial para
el modelado de la composicin de lquidos.
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NOTA:
Algunos elementos estncontenidos en minerales accesorios como componentes
estructurales esenciales:
Zr, Hf, Th, U en zircn
REE, Y,Th,U en apatita
LREE, Th, U en monacita y alanita
Y, REE, U, Th, Zr, en xenotime, etc.
En rocas granticas, en estos minerales accesorios estn contenidos:65 a 95% de Y y REE (excepto Eu)
75 - 95% de Th,
95% de U
La presencia de estos accesorios causa un comportamiento no Henrynianode
REE, Y, Th y U durante los procesos de fusin parcial.
La concentracin de esos elementos est determinada por la solubilidad de
las fases accesorias en el lquido (no por coeficientes de particin).
Esto hace que esos elementos no sean adecuados para el modelado
geoqumico basado en ecuaciones de fraccionamiento de elementos traza.
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Fusin cortical en desequilibrio
Proceso de generacin de magmases rpido.
Tasa de segregacin entre lquido y
residuo es alta.
Baja temperatura (tasa de difusin
baja inhibe que se alcance el
equilibrio).
Coeficiente de particin efectivo = 1.
La composicin de los lquidos
estar determinada por la solubilidadde las fases en el lquido y/o por la
accesibilidad de las fases.Figura 8.67. Relacin entre la temperatura y las tasas
de difusin y segregacin. Cuando la tasa de
segregacin es mayor que la tasa de difusin se
generan lquidos en desequilibrio con el residuo
(Sawyer, 1991).
Segregacin
lquido residuo
Difusin de elementos traza
TASA
TEMPERATURA
Difusin > SegregacinL iquidos en equi li brio
Segregacin > Difusin
L iquidos en desequi li bri o
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Clasificacin de granitoides
Figura 8.68. Clasificacin de granitoides por ambiente tectnico
Magma grantico Lquidos del mantoacrecionados
(underplating)
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Granitos de dorsal ocenica Granitos de arco Granitos de intraplaca
Granitos de intraplaca(corteza adelgazada)
Granitos sin-colisionales Granitos post-colisionales
Figura 69. Composicin de los diferentes tipos de granitoides
Tomado de Pearce et al. (1984)
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La composicin de los granitoides es definida
por:
- la composicin de la(s) fuente(s) que
participa(n)
- el tipo de reaccin de fusin
- el grado de fusin
- los procesos de diferenciacin
(mezcla, asimilacin, cristalizacin)
C d d
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Tipo deGranitoide
M(Manto)
I(gneo)
S(Sedimentario)
A(Anorognico)
SiO2 54-70% 54-76% 65-74% 70-78%
K2O/Na
2O Bajo Bajo Alto Na
2O alto
Ca, Sr Alto Alto en rocas mficas Bajo BajoMolarAl/(Ca+Na+K)
BajoBajo, metaluminosoa
dbil. eraluminosoAlto, peraluminoso Variable, peralcalino
Fe3+/Fetotal Bajo Moderado Bajo Variable
Cr, Ni Bajo Bajo Alto Bajo
18
O < 9 < 9 > 9 Variable87Sr/86Sr < 0.705 0.706 - 0.712 > 0.707 0.704 - 0.712
Composicinqumica
Bajo Rb, Th, U, LIL,
y HFS
Alto LILE/HFSE;
medio Rb, Th, U
Variable LILE/HFSE,
alto Rb, Th, U
Bajo LILE/HFSE; alto
Fe/Mg, Ga/Al, REE, Zr, F, Cl
Mineraloga Hbl, Px, Ilm, Mt Bt, Anf, Px, Mt, Ilm Bt, Ilm, muscovitacordierita, silicatos
de Al(silimanita,andalusita), granate,turmalina.No magnetita
Minerales ricos en Fe (annita,fayalita, hedenbergita,
granate). Mt, Ilm. En rocasperalcalinas: egirina,ribequita, arfvedsonita.
Petrognesis Zona desubduccin, dorsal,
intraplaca
ocenica;
"plagiogranito"
Zona de subduccin,
fusin cortical,
fuente gnea mfica aintermedia
Zona de subduccin,
fusin cortical,
fuente sedimentaria
Anorognico, zona de rift,
fusin cortical, fuentegranultica
Composicin de granitoides
I t
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Istopos
Figura 8.71. Composicin isotpica de granitoides
tipo I y tipo S del Lachlan Fold Belt, y miembros
extremos que participan en un modelo de mezcla de
tres componentes (Keay et al.,1997) .
Las rocas anatcticas heredan la composicin isotpica de la fuente cortical.
La composicin isotpica de granitoides indica que por lo general no se tienen magmas
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La composicin isotpica de granitoides indica que por lo general no se tienen magmas
anatcticos puros, sino una mezcla entre magmas de la corteza (25-66%) y magmas
derivados del manto.
Figura 8.73. Modelado del proceso de mezcla
entre varias fuentes corticales y el manto
empobrecido para reproducir la composicin
de granitoides jursicos del macizo Gyeonggi,
Corea (Jwa, 2004).
Figura 8.72. Composicin isotpica de
Sr y Nd de rocas granticas de
localidades de Europa,
Australia,Norteamrica y China.
Vigneresse (2004)
Modelado del proceso de fusin parcial
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Modelado del proceso de fusin parcialGranitos sinmetamrficos, Cinturn metamrfico Hidaka, Japn
Tonalita tipo I
Metabasita
Granulita mfica con Grt y 2Px (restita)
Mineraloga residual de granulitas
aflorantes: 19% Opx, 19% Cpx, 24%
Hbl,34% Plg, 3% Grt, 0.01% espinela y
apatito.
Tonalita tipo S
Metasedimento (peltico-psamtico)
Grt-Opx-granulita (restita)
Mineraloga residual de granulitas
aflorantes: 30% Opx, 20% Grt, 37% Plg,
3% Kfs, 5% Ilm, 0.01% de Circn,
Monacita, Ap.
Anlisis de rocas metamrficasCoeficientes de particin adecuados !! Shimura et al., 2004
Clasificacin de granitoides
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Clasificacin de granitoides