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LA FORMACIÓN DE MINERALES Y ROCAS (1ºBACH)

Rita González de Prada Profesora de I.E.S. de Bio-Geo

1.La composición de la Tierra

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La corteza y el manto terrestre (el núcleo es metálico) están formados por materia mineral, es decir, por rocas de distinta naturaleza y en diferente estado físico

. Las rocas que aparecen en las grandes formaciones geológicas de la Tierra, son agregados de una o varias especies de minerales, formados en un mismo proceso natural.

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Existen rocas formadas por un sólo mineral: Como por ejemplo las rocas calizas (formadas por el mineral calcita)

Calcita (espato de Islandia)

Roca caliza

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Otras rocas están formadas por varios minerales: Como por ejemplo el granito que está formado por tres minerales cuarzo, feldespato ortosa y mica negra o biotita.

GRANITO

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. Los minerales (que pueden considerarse la unidad básica de la materia de la Tierra) son un tipo especial de sustancia sólida en la que los átomos están unidos mediante enlaces químicos según una determinada ordenación en el espacio.

1.1.Elementos que constituyen las rocas

El análisis de las rocas de la corteza terrestre demuestra que están constituidas en un 98,6% por 8 elementos geoquímicos:

1. Oxígeno (46,6%) 5.Calcio (3,6%) 2. Silicio (27,7%) 6. Sodio (2,8%) 3. Aluminio (8,1%) 7. Potasio (2,6%) 4. Hierro (5%) 8. Magnesio (2,1%)

1.2. ¿Qué es un mineral?

Se consideran minerales todas aquellas sustancias que tienen las siguientes propiedades:

. Son sólidas, inorgánicas, se han formado mediante un proceso natural, tienen una composición química relativamente homogénea y definida, son estables y tienen estructura cristalina.

La mayoría de los minerales están constituidos por varios elementos químicos, como el cuarzo, compuesto por silicio y oxígeno (SiO2).

El cobre y el azufre son minerales compuestos por un solo elemento químico.

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Estos elementos químicos que componen la materia mineral, pueden encontrarse en forma de moléculas, átomos o iones.

Pueden estar situados de dos formas:

1. De forma desordenada (mineraloides): Los componentes no se sitúan según formas geométricas definidas. Se dice que tienen estructura amorfa. La limonita es

amorfa 2. De forma ordenada: Los componentes se sitúan ordenados según formas geométricas definidas. Se dice que tienen estructura cristalina. Si esta estructura es observable se llama CRISTAL, si no es observable se llama mineral masivo. Cristales de

amatista 8

Hematites masivo

El ópalo es un mineraloide porque tiene estructura amorfa.

Cuarzo rosa masivo

Cristal de cuarzo “cristal de roca”

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En la materia mineral cristalina los distintos elementos, se disponen en nudos o puntos que se sitúan formando una red tridimensional.

En esta red se define una unidad o estructura básica llamada celdilla unidad, que se repite en las tres direcciones del espacio, millones de veces en cada cristal.

Cada mineral tiene una ordenación interna característica.

1.3. LOS CRISTALES

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A. Definición de la celda unidad

Para definir la celda unidad de una red, se establece un origen de coordenadas en uno de sus nudos y se consideran dos tipos de parámetros:

1. Tres vectores: a, b y c, que parten del origen de coordenadas y cuyo módulo equivale a la distancia mínima a la que se repite un nudo del mismo tipo en las 3 direcciones del espacio.

2. Los tres ángulos: a, b y g, que dichos vectores forman entre sí.

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La repetición tridimensional de la celda unidad, genera las redes cristalinas, que se agrupan en siete sistemas cristalinos: cúbico, tetragonal, hexagonal, trigonal, rómbico, monoclínico y triclínico.

CÚBICO TETRAGONAL HEXAGONAL

TRIGONAL

RÓMBICO

MONOCLÍNICO TRICLÍNICO 12

14 redes cristalinas agrupadas en 7 sistemas cristalinos

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Red cristalina de la halita (NaCl) cristaliza en el sistema cúbico

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B. LA CRISTALIZACIÓN

Para que se formen los cristales es necesario que establezcan enlaces los elementos que constituyen la red cristalina (iones, átomos o moléculas), hecho que tiene lugar en procesos naturales caracterizados por condiciones concretas de presión y temperatura.

Para que se forme un cristal se necesita: 1. Espacio suficiente para poder crecer sin interferencias. 2. Tiempo para que puedan establecerse los enlaces.

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1. Por consolidación de magmas:

En los magmas, los elementos constituyentes de los minerales se encuentran dispersos en un medio líquido.

Un ejemplo de este proceso es el olivino

C. FORMAS EN QUE SE PRODUCE LA CRISTALIZACIÓN

El enfriamiento produce la unión de los elementos en las redes cristalinas sólidas de los diferentes minerales.

Así se forman los minerales de las rocas magmáticas. 16

2. Por precipitación de sustancias disueltas

Los iones que están en una disolución acuosa pueden enlazarse y formar cristales (precipitar), bien por evaporación del disolvente, bien por un cambio en las condiciones físico-químicas de la disolución que afecta a la solubilidad del soluto. Se da en rocas sedimentarias.

La calcita de las estalactitas.

El yeso de antiguas lagunas

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3. Por SUBLIMACIÓN

El proceso por el cual se forman los minerales a partir de un gas se denomina sublimación.

Mina de Ijen (Indonesia)

En las regiones volcánicas crecen cristales de azufre alrededor de las fumarolas que llevan gases sulfurosos

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4. Por TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO

Son modificaciones de cristales ya existentes que tienen lugar cuando un mineral ya cristalizado, queda expuesto a un cambio en las condiciones físico-químicas, que desestabiliza su red cristalina (rocas metamórficas).

Algunos de sus componentes se desprenden y otros se vuelven a unir en otros lugares de la red: recristalización. El resultado es un mineral diferente.

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D. 1. LA NUCLEACIÓN DE CRISTALES

La nucleación es el inicio del proceso de cristalización, la cual empieza a partir de una diminuta estructura inicial llamada germen o núcleo, a partir de la cual el cristal pueda crecer.

•Nucleación homogénea: Cuando la partícula es de la misma composición y estructura del cristal que se va a formar.

•Nucleación heterogénea: Cuando el núcleo es una sustancia diferente y preexistente que favorece su cristalización. Las partículas extrañas quedan incluidas dentro del nuevo cristal como impurezas o inclusiones.

D. CRISTALOGÉNESIS

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El crecimiento: Es la adición de nuevos constituyentes al núcleo inicial. Estos elementos se van disponiendo en filas paralelas, que se unen para formar planos reticulares, que se van disponiendo unos sobre otros para formar las caras del cristal.

D.2. EL CRECIMIENTO DE CRISTALES

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D.3. LAS VARIACIONES EN LA CRISTALIZACIÓN Y SUS EFECTOS.

A. Isomorfismo: Durante la formación de la red de un mineral, se producen sustituciones de elementos, con tamaño y propiedades muy parecidas, que no altera la red cristalina.

Durante el proceso de cristalización es muy frecuente que ocurran variaciones en las condiciones del medio, que alteren: a. la composición química del mineral, b. su estructura, o c. la apariencia externa de sus cristales.

EFECTOS: Isomorfismo, polimorfismo, imperfecciones y asociaciones de cristales.

Da lugar a minerales isomórfos, misma estructura pero con composiciones químicas variables en función de la cantidad de sustituciones que presentan. 22

Serie isomórfica de las plagioclasas: formadas por silicatos de calcio y sodio con proporciones variables de ambos elementos. Los extremos son la albita y la anortita.

SERIE DE LAS PLAGIOCLASAS (Feldespatos de sodio y calcio)

ALBITA (Feldespato sódico)

ANORTITA (Feldespato cálcico)

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B. Polimorfismo: Las distintas condiciones físico químicas determinan que se formen minerales polimorfos.

Minerales polimorfos: Estructuras cristalinas diferentes pero la misma composición química.

A elevada presión y temperatura

el carbono cristaliza en el sistema cúbico y forma el diamante.

En condiciones más moderadas

cristaliza en el sistema hexagonal y forma el grafito.

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C. Imperfecciones:

Irregularidades en las caras de un cristal, por un crecimiento incorrecto. Dislocaciones: Aparición de nuevas filas de elementos cuando en el plano anterior no existían, o escalones en las caras, o falta de aristas o vértices....

Cristales de fluorita imperfectos

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D. Asociaciones de cristales:

La formación de un único núcleo y un único cristal aislado es muy complicada. Por el contrario es frecuente que en el proceso de crecimiento se creen agregados cristalinos, unión de cristales formados a partir de diferentes núcleos.

Geodas: agregado de cristales formado en el interior de una cavidad.

26 Geoda gigante de yeso en Pulpí (Almería)

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Drusas: agregado irregular de varias especies de minerales.

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Maclas: agregado que compone una estructura simétrica.

Macla de aragonito

Macla de pirita

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1.4. PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS MINERALES

Las propiedades físicas de los minerales están determinadas por su composición química y por su estructura cristalina.

Las propiedades físicas que poseen son de varios tipos:

1. PESO ESPECÍFICO: Es la relación que existe entre el peso de un fragmento de un mineral y el peso de un volumen igual de agua a 4ºC. Nos da una idea de su densidad.

La baritina es un mineral bastante denso con un peso específico de hasta 4,5 gr/cc.

Diferentes formas de barita o baritina 30

El peso específico depende de la distancia a la que se encuentren los átomos, y por tanto también de su estructura cristalina.

El grafito y el diamante, son minerales que tienen la misma composición química (carbono puro), pero distinta estructura interna.

Red cúbica del diamante

Tiene mayor peso específico el diamante que el grafito.

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2. DUREZA

La dureza de un mineral es la resistencia que ofrece a ser rayado. Depende del tipo de enlace que exista entre los átomos de su estructura cristalina.

Escala de Mohs : •Se rayan con la uña: 1 . Talco y 2 . Yeso •Se raya con un clavo de hierro: 3 . Calcita •Se raya con el vidrio: 4 . Fluorita •Se rayan con la lima de acero: 5 . Apatito •Se raya con el cuarzo: 6 . Ortosa •Rayan al vidrio: 7 . Cuarzo y 8 . Topacio

9 . Corindón y 10 . Diamante

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Dureza 1. Talco Dureza 2. Yeso

Dureza 3. Calcita Dureza 4. Fluorita

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6. Ortosa

8. Topacio

5. Apatito 7. Cuarzo

9. Corindón 10. Diamante 34

Es el color del polvo que queda al rayar un mineral, o bien al rayar con él una superficie de porcelana, es específico de cada mineral.

3. EL COLOR DE LA RAYA

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4. FRACTURA Y EXFOLIACIÓN (dependen de su estructura interna)

Cuando se golpea y rompe un mineral, la superficie de fractura puede presentar distintos aspectos:

1. Que presente superficies planas: En este caso se dice que el mineral presenta exfoliación, la cual puede ser laminar como en el caso de la mica, o formando cubos como en el caso de la galena, o romboedros en el caso de la calcita.

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2. Que presenten un determinado aspecto, que se denomina fractura, la cuál puede ser: a. concoidea b. fibrosa c. irregular d. terrosa

Sílex (cuarzo)

Talco Asbesto Azufre

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5. EL BRILLO

Es el aspecto que presenta la superficie del mineral cuando refleja la luz.

Tipos de brillo:

GRASO: como el de la halita

MATE: sin brillo, como la hematites (oligisto).

METÁLICO: Como el de la pirita.

VÍTREO: como el del cuarzo.

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NACARADO: Con apariencia de madreperla, como el de la mica blanca o moscovita y el del talco.

RESINOSO:Con apariencia de resina, como el de la blenda acaramelada o esfalerita.

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6. EL COLOR

Algunos minerales presentan un único color característico que sirve para su identificación: - como el rojo bermellón del cinabrio. - el amarillo latón de la pirita. - el verde oliva del olivino.

Sin embargo, un mineral puede tener diferentes colores, debido a impurezas:

El cuarzo puede ser además de incoloro (cristal de roca), rosa, morado (amatista), blanco (cuarzo lechoso), marrón (cuarzo ahumado),...

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DIFERENTES COLORES DE FLUORITAS

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Si en un mineral la luz se propaga a igual velocidad en cualquier dirección, se dice que es monorrefringente. Algunos minerales propagan la luz más rápido en una dirección que en otra: dividen en dos el rayo de luz que los atraviesa, son birrefringentes.

7. LA REFRINGENCIA: Manera en que se propaga la luz a través de los cristales de los minerales .

Birrefringencia de la calcita variedad

“espato de Islandia”

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Un caso curioso de propagación de la luz es el caso de la ulexita ( borato de sodio y calcio), llamada piedra televisión, porque proyecta hacia su superficie la imagen que hay detrás (fibra óptica natural).

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8. LA LUMINISCENCIA

Propiedad de emitir luz que tienen algunos minerales, sin estar incandescentes. Aparece cuando se somete a los minerales a la acción de diversas radiaciones (como la luz U.V.).

Si la luminiscencia continúa cierto tiempo después de haber cesado la fuente de excitación, hablamos de minerales fosforescentes.

(Fluorescencia enminerales.wmv)

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Cuando los cristales crecen sin interferencias, adoptan formas relacionadas con su estructura interna. La forma general de los cristales de un mineral se llama hábito y algunas veces es útil para la identificación del mismo.

Tipos de hábitos: Columnar: Como los del corindón o los del cuarzo. Foliado: Similar a hojas como la moscovita. Radial: Fibras radiadas que terminan en superficies redondas como la antimonita. Acicular: En forma de agujas como el rutilo.

9. EL HÁBITO

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10. EL MAGNETISMO

Es la capacidad que tienen algunos minerales de ser atraídos por un imán o de atraer como él. También depende de su estructura interna. Esto le ocurre a la magnetita.

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11. LA TENACIDAD

Se llama así a la propiedad mecánica que representa resistencia que opone a ser roto, molido, doblado o desgarrado ("ausencia de fragilidad“).

La jadeíta (inosilicato) permite tallas sofisticadas gracias a su elevada tenacidad.

Determinados minerales muy duros, como el diamante, presentan una elevada fragilidad al golpe, lo que condiciona su utilización.

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12. PROPIEDADES ELÉCTRICAS

Algunos cristales de minerales pueden adquirir carga eléctrica: 1. Al ser calentados: piroelectricidad. 2. Al ser sometidos a presión: piezoelectricidad.

La turmalina es un mineral piroeléctrico y piezoeléctrico que se usa mucho en electrónica.

El cuarzo es piezoeléctrico, tiene aplicación en aparatos de encendido electrónico, reguladores de la frecuencia de los aparatos de radio, relojes de cuarzo, etc.. 48

1.5. PROPIEDADES QUÍMICAS

Ejemplos de propiedades químicas son la capacidad de disolverse en agua, el sabor (la halita y la silvina tienen sabor salado), y el olor.

Las propiedades químicas dependen de la composición del mineral, y no de su estructura interna.

El azufre tiene un olor muy característico

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2. LOS AMBIENTES PETROGENÉTICOS

La dinámica de las placas crea zonas en la litosfera cuyas condiciones posibilitan la formación de las rocas.

Estas zonas son los ambientes petrogenéticos, y son tres:

2.1. Ambiente petrogenético magmático

2.2. Ambiente petrogenético metamórfico

2.3. Ambiente petrogenético sedimentario

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2.1. Ambiente petrogenético magmático

Se da en regiones litosféricas donde se forman magmas. Éstos ascienden hacia la superficie y se consolidan dando lugar a las rocas magmáticas.

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Condiciones para que las rocas se fundan:

Para que se forme magma se tienen que dar algunas de estas circunstancias:

-Un aumento de la temperatura: . Debido a fricción de placas tectónicas . Debido al emplazamiento profundo de las rocas . Debido a la llegada de un penacho térmico del manto

http://www.bioygeo.info/Animaciones/ConvectionTectonics.swf

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http://www.bioygeo.info/Animaciones/MagmaMelting.swf

-Una disminución de la presión . Debida a una fractura de la litosfera . Debida a un emplazamiento de rocas calientes en un zona menos profunda

-Una entrada de fluidos, sobre todo de agua, en las rocas calientes. El agua reacciona con los componentes de los minerales, desestabiliza sus estructuras cristalinas reduciendo la temperatura de fusión.

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PRINCIPALES REGIONES CON AMBIENTE MAGMÁTICO

1. Bordes divergentes: Dorsales y rift intracontinentales La separación de las placas abre fisuras en la corteza que hacen descender la presión de las rocas calientes del manto superior y las funden.

54 Rift intracontinental

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2. Bordes convergentes: Zonas de subducción La fricción y hundimiento hacia el manto de la placa que subduce, causan una liberación masiva del agua contenida en sus rocas.

Esta agua facilita la fusión de las rocas calientes del manto, y el magma generado asciende a la superficie, provocando una intensa actividad plutónica o volcánica.

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3. Zonas de intraplaca: Penachos térmicos del manto profundo que ascienden en los puntos calientes, originan magmas muy fluidos que salen a través de grietas y originan volcanes.

Formación de las Islas Hawai

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También pueden formarse magmas al abrirse grietas de distensión en la litosfera del interior de placas divergentes, como parece ser el caso de las islas Canarias.

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AMBIENTES MAGMÁTICOS

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2.2. Ambiente petrogenético metamórfico

El ambiente metamórfico se da en zonas con temperatura más o menos elevada y presiones más o menos intensas

Metamorfismo: procesos que cambian la composición o disposición de los minerales en las rocas debido a el cambio en las condiciones de presión y temperatura.

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1. Bordes divergentes (dorsales): El intenso magmatismo de estas zonas genera aumentos de temperatura e inclusiones de fluidos hidrotermales en las rocas circundantes que las metamorfiza.

REGIONES CON AMBIENTE METAMÓRFICO

2. Fallas transformantes: La fricción de las placas en estas zonas produce altas presiones y temperaturas en las rocas.

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3. Bordes convergentes : Los esfuerzos compresivos de estas zonas, unidos a la presencia de magmas ascendentes producen aumentos de temperatura y presión que afectan a grandes volúmenes de rocas (metamorfismo regional).

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4. Regiones de intraplaca: Solo se produce metamorfismo en las zonas próximas a los focos magmáticos de los puntos calientes y en las rocas del fondo de las cuencas oceánicas.

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2.3. Ambiente petrogenético sedimentario

Propio de regiones de la litosfera denominadas cuencas sedimentarias (depresiones cóncavas en las que se produce la acumulación de sedimentos).

El fondo de estas cuencas sufre un continuo hundimiento, (subsidencia), que permite la acumulación de abundantes capas de sedimentos.

Los sedimentos más profundos sufren el proceso de diagénesis, convirtiéndose en rocas sedimentarias.

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REGIONES CON AMBIENTE SEDIMENTARIO

A. Cuencas sedimentarias en bordes divergentes : En el fondo de los rift intracontinentales que cesan su actividad (aulacógenos).

B. Cuencas sedimentarias en bordes convergentes : En las zonas de subducción aparecen las cuencas sedimentarias más importantes.

Las hay de tres tipos: B.1. Las situadas entre el arco insular y el continente

Depósito sedimentario

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B.2. Las situadas en las fosas de los bordes de tipo andino: que acaban formando el orógeno costero.

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B.3. Las situadas en el fondo marino entre dos masas continentales que se aproximan: que acaban constituyendo los orógenos de colisión.

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C. Cuencas sedimentarias en zonas de intraplaca: Las principales se localizan en los fondos marinos de los márgenes de una masa continental situada dentro de una placa y en el interior de los continentes.

3. RELACIÓN ENTRE AMBIENTES PETROGENÉTICOS

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Los ambientes petrogenéticos y las rocas que los forman no son unidades aisladas.

Están muy relacionados ya que todos están producidos o influidos por la dinámica de las placas litosféricas y por los procesos del modelado debidos a la interacción de las rocas con la atmósfera y la hidrosfera.

El concepto de “Ciclo de las Rocas”, fue propuesto por J.Hutton en el siglo XVIII, y enunciado por C.Lyell en el XIX. Fue el primer intento por encadenar todos los procesos petrogenéticos.

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CICLO DE LAS ROCAS

Secuencia continua y cíclica de procesos en los que unas rocas se van transformando en otras.

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Meteorización de las rocas en superficie

EROSIÓN Y TRANSPORTE

Depósito de SEDIMENTOS

Enterramiento y Compactación

Deformación y METAMORFISMO

Solidificación del MAGMA

Fusión

Ascenso

ROCAS SEDIMENTARIAS

ROCAS METAMÓRFICAS

ROCAS MAGMÁTICAS

CICLO DE LAS ROCAS

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