UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
ROCHAS METAMÓRFICAS
Álisson Caetano da Silva Fábia Kamilly Andrade Felipe Araújo S. Barbosa
José Carlos Souza Rodrigo Arlégo Cavalcanti
Recife – 2011
2 Álisson Caetano da Silva
Fábia Kamilly Andrade Felipe Araújo Barbosa
José Carlos de Souza Rodrigo Arlégo Cavalcanti
Rochas Metamórficas
Recife - 2011
Trabalho acadêmico solicitado pela professora Drª Kalinny Lafayette como requisito parcial do primeiro exercício escolar na disciplina Fundamentos de Geologia.
3 SUMÁRIO
1. Introdução – página 5
2. Evolução histórica – página 6
3. Fatores condicionantes do metamorfismo – página 6 3.1. Temperatura – página 6
3.2. Pressão – página 7 3.3. Fluidos – página 7 3.4. Tempo – página 7
4. Processos físico-químicos do metamorfismo – página 8 4.1. Tipos de transformações – página 8
4.2. Paragêneses minerais – página 9 4.3. Reações metamórficas – página 9
4.3.1 Reações de inversão a seco – página 10 4.3.2 Reações com produção de fluidos – página 10
4.3.3 Reações com mudanças dos elementos químicos entre os minerais – página 11
5. Tipos de metamorfismo – página 11
5.1. Metamorfismo regional ou dinamotermal – página 11 5.2. Metamorfismo de contato ou termal – página 12 5.3. Metamorfismo cataclástico ou dinâmico – página 13 5.4. Metamorfismo de soterramento – página 13
5.5. Metamorfismo hidrotermal – página 13 5.6. Metamorfismo de fundo oceânico – página 14 5.7. Metamorfismo de impacto – página 14
6. Análise de terrenos metamórficos – página 15 6.1. Grau metamórfico – página 15
6.2. Minerais-índice, isógradas e zonas metamórficas – página 16 6.3. Fáceis metamórficas – página 17
6.3.1. Fáceis grau incipiente, sub-xisto ou zeólita – página 18 6.3.2. Fáceis xisto verde – página 18
6.3.3. Fáceis anfibolito – página 18 6.3.4. Fáceis granulito – página 18
6.3.5. Fáceis hornblenda hornfels – página 18 6.3.6. Fáceis piroxênio hornfels – página 18 6.3.7. Fáceis xisto azul – página 19
6.3.8. Fáceis eclogito – página 19
7. Mineralogia, texturas e estrutura de rochas metamórficas – página 19 7.1. Mineralogia de rochas metamórficas – página 19
7.2. Texturas de rochas metamórficas – página 19 7.3. Estruturas de rochas metamórficas – página 20 8. Nomenclatura – página 20
9. Rochas metamórficas e a tectônica global – página 21 9.1. Metamorfismo em zonas de subducção – página 21
9.2. Metamorfismo em zonas de colisão continental – página 22 10. Conclusão – página 23
11. Referências – página 24
4 LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Pressão litostática e pressão dirigida no metamorfismo regional Figura 2 – Diagrama P-T-t
Figura 3 – Curvas de equilíbrio PxT para distena (1), andalusite (2) e silimanite (3) Figura 4 – Relação entre mudanças texturais e intensidade de metamorfismo Figura 5 – Alterações mineralógicas em função do grau de metamorfismo Figura 6 – Metamorfismo regional
Figura 7 – Intrusão magmática no metamorfismo de contato Figura 8 – Metamorfismo cataclástico
Figura 9 – Metamorfismo de soterramento Figura 10 – Metamorfismo hidrotermal Figura 11 – Metamorfismo de fundo oceânico Figura 12 – Metamorfismo de impacto
Figura 13 – Distribuição das principais fáceis metamórficas no espaço PxT Figura 14 – Minerais-índice, isógradas e zonas metamórficas
Figura 15 – Fáceis metamórficas Figura 16 – Zona de Subducção
5 1. INTRODUÇÃO
Entre os 03 (três) grupos de rochas, o grupo de rochas metamórficas é o de mais difícil compreensão, pois seus processos formadores desenvolvem-se em ambientes inacessíveis à observação direta. Neste caso, no âmago da crosta terrestre.
No caso de rochas ígneas e sedimentares, é possível observar, respectivamente, a consolidação das lavas provenientes da câmara magmática pelo processo de vulcanismo e os processos de transporte e deposição de sedimentos característicos do processo de formação de rochas sedimentares. No entanto, a formação de rochas metamórficas restringe-se ao âmago da crosta terrestre, dificultando seu estudo.
Assim, o que se conhece sobre metamorfismo deve-se à interpretação de feições observadas nas rochas deste tipo expostas à superfície e aos estudos que reproduzem, em laboratório, as condições do interior da crosta.
Além disso, as rochas metamórficas são originárias de outras rochas preexistentes - como sedimentares, ígneas ou até mesmo outras metamórficas - em resposta às mudanças nas condições de temperatura e pressão no interior da crosta terrestre, o que exige conhecimento abrangente de conceitos como mineralogia, processos físico-químicos, texturais e estruturais para caracterização das mesmas.
Tal caracterização será apresentada nos capítulos que se seguem.
6 2. EVOLUÇÃO HISTÓRICA
As primeiras observações sobre rochas metamórficas se devem a Giovanni Arduino, que em 1779, encontrou evidências da transformação de calcário em mármore nos Alpes italianos.
Quase simultaneamente, James Hutton reconheceu que alguns micaxistos na Escócia representavam rochas sedimentares argilosas modificadas no interior da crosta por causa do aumento de pressão e temperatura.
Em 1830, Charles Lyell cunhou o termo “metamorfismo” para descrever o processo formador dessas rochas e, em 1877, Harry Rosenbusch estudou as rochas metamórficas da auréola de contato de uma intrusão ígnea.
George Barrow, em 1893, identificou a distribuição de minerais que registram o aumento da intensidade do metamorfismo de folhelhos nas terras altas da Escócia.
Na Noruega, no início do século XX, Viktor Goldschmidt verificou que os primeiros metamórficos não se associavam ao acaso, mas de acordo com determinadas combinações, estudando sua formação e estabilidade com enfoque termodinâmico.
Em seguida, Pentti Eskola aplicou princípios de equilíbrio químico a associações minerais em terrenos metamórficos, concluindo que elas refletem as condições de temperatura e pressão do metamorfismo.
Esses estudos aceleram desenvolvimentos da petrologia metamórfica na segunda metade do século XX, permitindo a modelagem da evolução de terrenos metamórficos e otimização no trabalho com esse tipo de rocha pela mineração e construção civil, principalmente.
3. FATORES CONDICIONANTES DO METAMORFISMO
Metamorfismo é o conjunto de processos geológicos que leva à formação das rochas metamórficas. Para que esse processo ocorra são necessários alguns fatores condicionantes, sendo os principais a temperatura, pressão, presença de fluidos e tempo de duração do processo que a rocha é submetida.
3.1 Temperatura
A temperatura é um dos fatores mais importantes para a formação das rochas metamórficas. Influencia diretamente no metamorfismo, através das elevadas temperaturas que mudam as propriedades dos minerais encontrados nas rochas.
As principais fontes de calor na Terra são encontradas em profundidades elevadas no manto e no núcleo ou geradas por desintegração radioativa, calor este armazenado em regiões da litosfera como resultado de decaimento radioativo.
Dentre os processos de transferência de calor do interior da Terra para a superfície, destaca-se o sistema motor da tectônica de placas, através do qual material mantélico (proveniente do manto) de alta temperatura é trazido à superfície junto à cadeia meso-oceânica. Já na crosta continental, as intrusões ígneas, que são movimentos de massas rochosas, de elevadas temperaturas, fornecem grande quantidade de calor para as rochas encaixantes (termo usado na Geologia para designar rochas mais antigas).
A unidade de temperatura é dada em graus Celsius (ºC).
3.2 Pressão
Como o processos m terra, e as rochas encont pressões variadas. Existem confinante) e dirigida.
A pressão litostátic superiores. É uma pressão não causa deformações ace
Já a pressão dirigida por conseqüência, gera um deformações.
A unidade emprega também empregado os seus
Figura 1 - Pressão lito
Geralmente, a press metamorfismo. Essa combi mudanças químicas em a metamorfismo regional apr
3.3 Fluidos
Também chamados encontrados nos intervalos metamórfico, pois, na ausên
A água é um dos fl solução, e, para além de provoca diversas reações através da água, que irão mineralógicas.
Com o aumento d diminuindo, e consequent minerais hidratados, como com a perda de água trans
metamórficos ocorrem,em sua grande maiori tram-se a diferentes profundidades, estas m dois tipos de pressão atuantes na crosta
ca é provocada pela pressão devido ao pe de mesmo módulo atuante em todas as dire entuadas durante o metamorfismo.
a é produzida pela movimentação de placas ma força com direção vetorial à rocha, produ
ada para pressão, seja litostática ou dirigida s múltiplos.
ostática e pressão dirigida no metamorfismo regional (Font
são e temperatura estão intimamente relacion inação pode levar a fusão de alguns compon alguns minerais pré-existentes, como o q resentado na Figura 1 e conceituado no capítu
de fluidos de circulação, são compostos gaso s das rochas. São de fundamental importân
ncia de fluidos as reações metamórficas seria luidos mais importantes que transporta várias
ser dissolvente de quase todas as substânc químicas. Pode ocorrer, ainda, a migraçã o contribuir, assim, para alterações química da temperatura e da pressão, os intervalo
temente, os fluidos são lentamente expul o é o caso dos minerais de argila tornam-se
sformam-se normalmente em minerais anidr
7 ia, no interior da estão sujeitas a a: litostática (ou eso das camadas eções, e por isso litosféricas, que, uzindo tensões e a, é bária, sendo
te: Fafe)
nadas entre si no nentes da rocha e que acontece no
ulo 5.
osos ou líquidos, ncia no processo am muito lentas.
s substâncias em cias, este fluído ão de materiais, as e até mesmo os da rocha vão lsos. Assim, os mais instáveis e ros (é um termo
8 geral utilizado para designar uma substância de qualquer natureza que não contém, ou quase não contém, água na composição como é o caso de feldspatos e piroxénos).
Devido a esta condicionante, as rochas de alto grau de metamorfismo abrangem muito poucos minerais hidratados, sendo estes muito mais freqüentes nas rochas de baixo metamorfismo.
A água influencia ainda o ponto de fusão dos materiais, podendo assim ocorrer fusão a temperaturas muito mais baixas do que as indispensáveis em ambientes meio secos.
3.4 Tempo
O tempo é um fator de fundamental importância para este tipo de rocha. A formação de uma rocha metamórfica precisa, em geral, de um tempo elevado para sua formação, porém difícil de ser estipulado.
Os fatores condicionantes, anteriormente, mencionados podem variar muito o tempo de formação da rocha, sendo a evolução metamórfica de um determinado terreno retratada por diagramas, ou caminhos P-T-t (pressão – temperatura – tempo), como é apresentado na Figura 2.
Figura 2 - Diagrama P-T-t (Fonte: Livro Decifrando a Terra)
Neste diagrama, a variação das condições metamórficas é expressa com base na pressão litostática (geralmente, com Plit=Pfl) e temperatura (T) ao longo de um caminho que indica a evolução temporal (t) desses parâmetros.
Há ainda que referir que se pensa que as rochas metamórficas são o produto de um longo metamorfismo a alta pressão e a alta temperatura quando apresentam um aspecto granular grosseiro e que as rochas de grão fino serão eventualmente o produto de baixas temperaturas e pressões.
4. Processos físico-químicos do metamorfismo
4.1 Tipos de transformações
O processo de transformação de rocha pré-existente à rocha metamórfica pode ser visto como um processo aberto, fechado ou parcialmente aberto a novos constituintes químicos.
9 Quando este se apresenta como um sistema fechado, considera-se que o metamorfismo foi isoquímico (ou quase isoquímico) ou normal, ou seja, sem qualquer perda ou adição de material à rocha que sofreu metamorfismo.
Embora a rocha seja outra, devido a mudanças de temperatura e pressão, a composição química continua a mesma. São exemplos de rochas metamórficas isoquímicas: arenitos e quartizitos; calcários e mármores; folhelhos e micaxistos.
O processo inverso ao metamorfismo isoquímico é o metassomatismo, que consiste em variações composicionais intensas, resultantes, principalmente, da ação de fase fluida reagente, isto é, proveniente de gases ou líquidos. A rocha transformada a partir de reações metassomáticas é denominada metassomatito. Um exemplo de rocha metamórfica metassomática é o gnaisse.
Os processos metassomáticos podem se apresentar em qualquer tipo de rocha desde que ocorra conflito geoquímico entre fluido e rocha e em condições termodinâmicas adequadas para as reações de substituição de minerais. Existem ambientes preferenciais de metassomatismo, como, por exemplo, regiões de falhas, de chaminés vulcânicas e de encaixantes de intrusivas ricas em fluidos sobre elevadas temperaturas.
No entanto, a grande maioria dos ambientes metamórficos comporta-se como um sistema parcialmente aberto, ocorrendo trocas livres de fluidos com o meio ou entre o protolito e a rocha metamórfica resultante.
4.2 Paragêneses minerais
A assembléia mineral de uma rocha se refere ao conjunto de minerais que constituem a mesma e - quando são formados nas mesmas condições termodinâmicas de pressão, temperatura e pressão voláteis – definem a paragênese mineral da rocha.
O conceito de paragênese mineral é essencial para o estudo de prospecção, procurando, não pelo mineral que se deseja encontrar, mas por um dos minerais da associação paragenética. Um exemplo é a prospecção de kimberlitos e lamproítos, rochas matrizes de diamantes. Como os diamantes são muito raros, sua prospecção é feita indiretamente através dos minerais que ocorrem em sua paragênese.
O estabelecimento da paragênese de uma rocha metamórfica permite delimitar seu grau metamórfico e situá-la numa fácies metamórfico, conceitos estes apresentados mais adiante.
4.3 Reações metamórficas
As reações metamórficas correspondem aos equilíbrios reversíveis (termodinamicamente) controlados pela pressão, temperatura, textura, composição e fase fluida a que a rocha está submetida. Estas reações são mais eficientes em rochas porosas, de granulação fina, constituídas de minerais hidratados, submetidas a elevadas temperaturas e que sofreram deformação na presença de fase fluida abundante, podendo estas reações ser classificadas em três grandes categorias: reações de inversão a seco, reações com produção de fluidos e reações com mudanças de elementos químicos entre os minerais, descritas a seguir.
10 4.3.1 Reações de inversão a seco
Este tipo de reação, que ocorre na ausência de uma fase fluida, é pouco numerosa, correspondendo aos casos de mudanças na estrutura, em sua maioria. Um exemplo típico desta reação envolve o silicato de alumina, que pode apresentar três polimorfos em função da temperatura e da pressão:
• andalusite: que se forma a baixas pressões;
• distena: que se forma a média e alta pressão;
• silimanite: que se forma a alta temperatura.
Os três polimorfos são apresentados a seguir, na Figura 3, por um diagrama temperatura-pressão, que regista os campos de estabilidade dos três silicatos de alumina com um ponto triplo, o qual todos eles são estáveis. Os valores de pressão e temperatura do ponto triplo variam de autor para autor, mas, geralmente, se situa nos 600ºC e 6kb.
Figura 3- Curvas de equilíbrio PxT para distena (1), andalusite (2) e silimanite (3) (Fonte: Dicionário Enciclopédico de Geociências)
Os polimorfos da sílica também podem ilustrar uma situação idêntica. Por aumento de pressão o quartzo transforma-se em coesite mais stishovite, enquanto que por aumento de temperatura origina tridimite mais cristobalite.
4.3.2 Reações com produção de fluidos
Neste tipo de reação, que acontece na maior parte dos casos a alta temperatura, dois minerais reagem entre si para gerar espécies novas e um fluido, CO
2 ou H
2O, segundo a composição das fases em presença. Um exemplo deste tipo de reação acontece com os minerais muscovita e quartzo, gerando Sil-silimanita, feldspato potássico e água, segundo a equação abaixo.
O H SiO Al O KAlSi SiO
OH O Si
KAl3 3 10( )2 + 2 ↔ 3 8 + 2 5 + 2 (1)
