Premios ICOG a la excelencia académica 1ª edición, 2018.

Autor: Antonio Polo Sánchez (Universidad de Salamanca).

Tutores: Antonio M. Álvarez-Valero, Juan Carlos Gonzalo Corral (Área de Petrología y Geoquímica, Departamento de Geología, Universidad de Salamanca).

 

RESUMEN

Los procesos de formación de caldera dependen de varios factores geológicos aún no conocidos con detalle. El estudio petrográfico integrado con el resto de disciplinas geológicas constituye una herramienta importante para poder entenderlos mejor. Los resultados de acuerdo con sus microtexturas, mineralogía y con ayuda de la información bibliográfica clasifican las muestras de estudio en tres categorías principales (Pre-caldera, Sin-caldera y Post-caldera). La caldera de Los Frailes (Cabo de Gata, Almería) permite este estudio debido a la buena preservación de sus registros volcánicos. En este lugar se han hallado varios patrones comunes extrapolables a cualquier otra caldera, destacando los siguientes. Los materiales Pre-caldera destacan por presentar una microtextura esencialmente fragmentaria, abundancia de microcristales, que junto con su composición dacítica, indican erupciones de alta explosividad. El episodio de colapso (Sin-caldera) se caracteriza por el predominio de brechas en cuyos fragmentos se aprecian microtexturas fluidales y golfos de corrosión que representan un desequilibrio entre los fenocristales y el fundido residual producido durante la evacuación del magma.  Finalmente, la fase Post-caldera destaca por la presencia de múltiples puntos de salida representada por la intercalación de depósitos fragmentarios con frecuentes truncaciones de plagioclasa; con coladas de lava con microtexturas fluidales y diferentes grados de reacción fenocristales-mesostasis.

Palabras clave: Explosividad Volcánica, Microtextura, Colapso de Caldera, Múltiples salidas.

INTRODUCCIÓN

En vulcanología se entiende como caldera la morfología resultante asociada al hundimiento de un edificio volcánico como consecuencia del vaciamiento de la cámara magmática que lo alimenta en profundidad, de manera que la estructura del edificio previo ya no se sostiene ni estructural ni isostáticamente.

El término caldera, uno de los pocos términos utilizados en castellano en la literatura internacional, fue definido en 1825 por el geólogo alemán Leopold von Buch en su libro PhysikaZische Beschreibung der Canarischen Inseln (Barrera Morate, 2015), en el cual, tras sus estudios realizados sobre todo en la caldera de Taburiente (La Palma) y en la caldera de Las Cañadas (Tenerife), pudo establecer un proceso volcánico como causante de la formación de estas estructuras (Barrera Morate, 2015).

La formación de una caldera constituye uno de los procesos más impresionantes y más devastadores en cuanto a actividad volcánica a lo largo del tiempo geológico. Durante un solo evento, cuya duración puede oscilar desde días hasta semanas, pueden expulsarse hasta 2000 km3 de magma (Gregg et al., 2012). Las erupciones asociadas a estos procesos suelen presentar altos índices de explosividad.

Durante su formación, intervienen diversos factores como las dimensiones de la cámara magmática, el exceso de presión debido al relleno de ésta, o el colapso del techo y del edificio previo; entre otros. Estos factores son aún objeto de debate y pese a que varios modelos han sido propuestos (e.g Geyer et al, 2014; Gregg et al, 2013; Gregg et al., 2012; Holohan et al., 2005), aún no se ha podido determinar con exactitud su formación.

Este trabajo consiste en un estudio petrográfico de detalle, que junto con la composición del magma y su contexto geodinámico correspondiente, darán como resultado posibles patrones comunes que sirvan para establecer el origen y el funcionamiento de esta caldera en particular y potencialmente extrapolables a otros tipos de caldera de similares característica geológicas.

La caldera utilizada como referencia es Los Frailes (Almería) (Fig.1), cuya actividad volcánica tuvo lugar a lo largo del Mioceno (Mattei et al, 2014; Duggen et al, 2004; Zeck et al 2000; Bellon et al, 1983). Los materiales utilizados provienen de la Colección del Área de Petrología y Geoquímica del Departamento de Geología de la Universidad de Salamanca. Una vez estudiados, las distintas muestras se reagruparon en tres categorías: Pre-caldera, Sin-caldera y Post-caldera. Dentro de ellas se destacan los rasgos petrográficos y similitudes observadas, contrastando además esta información con la de trabajos previos (e.g. Fernández Soler, 1987; Fernández Soler, 1996; Fernández Soler y Muñoz, 1988).

Figura 1. Panorámica de la caldera de Los Frailes (Foto de Juan Carlos Gonzalo, 2017)

 CONTEXTO GEOLÓGICO

La caldera de Los Frailes (Fig. 1), se encuentra situada en el complejo volcánico del Cabo de Gata (Fig. 2), en el sureste de la península ibérica, concretamente al sur de la falla de Carboneras (Fernández Soler, 1987). Esta región de la Cordillera Bética, se encuentra afectada por varios sistemas de fallas. La familia más importante presenta una dirección NE-SW, coherente con la falla de Carboneras. A esta familia, aparece un sistema de fallas perpendiculares dando como resultado un compartimento en bloques cuya deformación afectó fundamentalmente a materiales del basamento alpino, dando simultáneamente  los episodios volcánicos.

La zona volcánica del Cabo de Gata se formó mediante tres periodos de actividad a lo largo del Mioceno (Mattei et al, 2014; Duggen et al, 2004; Zeck et al 2000; Bellon et al, 1983). La caldera de Los Frailes (Fig 3), se desarrolló durante el segundo episodio y fue creada a partir de dos ciclos principales. Cada uno de ellos comenzaba con un evento inicial de alta explosividad, el cual generaba depósitos de tobas, seguidos de depósitos de colada y cenizas de nubes ardientes; finalizando con fases subvolcánicas formadoras de domos. Estos dos ciclos se encuentran representados por dos litologías principales, cuya diferencia principal se encuentra en la mineralogía de los fenocristales. Su distribución resulta de la siguiente manera (Fernández Soler, 1987).

Figura 2. Localización de los Frailes dentro del Complejo de Cabo de Gata (según Fernández Soler, 1987)

El Grupo inferior o Frailes-1, se caracteriza por el predominio de andesitas anfibólicas. Este ciclo destaca por su discontinuidad, ya que las distintas unidades eruptivas  se encuentran separadas por niveles sedimentarios. El grupo Frailes-1 está compuesto por brechas autoclásticas, coladas piroclásticas de bloques y cenizas; y coladas piroclásticas de pómez con depósitos de “surge” asociados (Fernández Soler, 1987).

El Grupo superior o Frailes-2, está compuesto por andesitas piroxénicas muy homogéneas, sin separaciones de otros niveles ya que a diferencia del ciclo anterior, fue una fase de construcción continua. La superposición sobre el grupo inferior se desarrolló mediante una discontinuidad marcada por niveles sedimentarios y zonas de erosión y alteración marina, muy visibles en las rocas anfibólicas del grupo inferior. Los materiales representativos de este ciclo son coladas de lava con bases autoclásticas en algunas zonas, además de coladas piroclásticas de bloques y cenizas con depósitos de “surge” asociados (Fernández Soler, 1987).

Fgura 3. Mapa y corte la caldera de Los Frailes (según Arribas, 1993). Los materiales representados en azul pertenecen al ciclo Frailes-1, mientras que los representados en verde pertenecen al ciclo Frailes-2.

RESULTADOS E INTERPRETACIÓN

Los resultados petrográficos de este trabajo combinados con los de geoquímica y geodinámica de la literatura arrojan nueva información sobre los mecanismos volcánicos que formaron la caldera. Los patrones principales son:

  1. Pre-caldera

Las rocas Pre-caldera de Los Frailes comprenden materiales cuyo rango composicional oscila desde riolíticos a andesiticos piroxénicos. En su mayor parte son rocas volcanoclásticas muy alteradas (Fernández Soler, 1996). 

Petrográficamente destacan por presentar escasos fenocristales de plagioclasa, anfíbol y biotita. La mesostasis se encuentra fragmentada y alterada a palagonita donde se observan también minerales opacos accesorios (Fig. 4 C). Por lo tanto serían mayoritariamente andesitas anfibólicas (Fernández Soler, 1996). Una consecuencia destacada de los procesos de alteración de estos materiales es la presencia de pseudomorfos de fenocristales, ahora compuestos por carbonato (Fig 4 A y B). También destaca la silicificación que rellena las vacuolas. Estos rasgos secundarios dificultan la interpretación de este evento.

No obstante, la gran abundancia de microcristales en la mesostasis y su pequeño tamaño señalan una alta velocidad de nucleación de cristales frente a una baja velocidad de crecimiento. El aspecto fragmentario que presenta la mesostasis apunta a procesos predominantemente explosivos, probablemente de carácter estromboliano, durante la fase Pre-Caldera.

Figura 4. Materiales Pre-caldera (A y B, pseudomorfo de anfíbol. C, microtextura general de los materiales Pre-caldera)
  1. Sin-Caldera (Ciclo Frailes-1)

La fase Sin-caldera se encuentra dentro de la primera unidad del ciclo Frailes-1, está representada por brechas autoclásticas y domos. Las brechas se componen de fragmentos de coladas lávicas, con estructura fluidal y poco desarrollo de disyunción columnar (Fernández Soler, 1996).

Se distingue por tratarse de andesitas anfibólicas brechificadas con texturas fluidales, compuestas por fenocristales de plagioclasa, anfíbol y algunos minerales opacos (Fig. 5 A y C). La plagioclasa suele presentar zonación y el anfíbol golfos de corrosión. Aparte de los fenocristales, destacan vesículas de tamaño medio (orden de centenas de micras) rellenas por silicificaciones (Fig. 5 A y D) y la aparición en menor proporción de vacuolas pequeñas (orden de decenas de micras) con alta esfericidad. La mesostasis está compuesta también por microlitos de plagioclasa y anfíbol orientados. Esta microtextura representa distintos fragmentos de coladas lávicas que componen las brechas y que según la literatura podría representar también el flujo ascendente del magma parental (Fernández Soler, 1996)

La concentración de vacuolas en algunas zonas (Fig. 5 D) sugiere mayor explosividad respecto a los materiales Pre-caldera, asociada posiblemente a la fase de ascenso de magma de forma simultánea al vaciamiento del reservorio. La presencia de golfos de corrosión en los fenocristales de hornblenda (Fig. 5 B y C) está relacionada con reacciones entre el fenocristal y el fundido residual que tuvieron lugar durante el ascenso.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5. Materiales Sin-caldera (A, Silicificaciones y orientación de fenocristales. B, Golfos de corrosión en hornblenda. C, Microtextura fluidal y golfos de corrosión en hornblenda. D, Silicificaciones y concentración de vacuolas con textura fluidal)
  1. Transición Sin-caldera/Post-caldera (Ciclo Frailes-1)

La transición hacia la fase Post-caldera estaría representada por las rocas piroclásticas de la unidad Frailes-1 (Fernández Soler, 1996). Dentro de esta fase, se distinguen las coladas de pómez y los depósitos de surge (Fernández Soler, 1996).

Las coladas de pómez, de composición andesítica-dacítica muy rica en biotita y hornblenda (Fernández Soler, 1996), se distinguen por presentar fragmentos líticos de composición andesítica, fragmentos de rocas vítreas con cierto aplastamiento (Fig. 6 B) y fragmentos de pumita de composición dacítica con texturas de flujo (Fig. 6 C), además de fenocristales de biotita y hornblenda. En la biotita se observan criterios de deformación, concretamente kink-bands (Fig. 6 A). Otro rasgo destacable es la aparición de vacuolas de gran tamaño y subangulosas, además de la aparición de enclaves holocristalinos juveniles (Fig. 6 B). Los fragmentos líticos y pumíticos procedentes del encajante, junto con los kink-bands indican una explosividad aún más alta que la que tuvo lugar durante el episodio Sin-caldera. Estos criterios sugieren, que las coladas de pómez se formarían aún durante la fase Sin-caldera, probablemente durante erupciones de explosividad notable asociadas a la evacuación del magma debido al exceso de presión existente dentro de la cámara magmática.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6. Coladas de pómez de la fase de transición (A. Kink bands de Biotita. B. Microtextura de las coladas de pómez. C, Fragmentos de pumita orientados. D, enclave holocristalino juvenil)

En los depósitos de tipo oleada destacan la presencia de fenocristales de hornblenda, plagioclasa con roturas y olivino escaso. En algunas zonas, los fragmentos se encuentran muy próximos entre sí permitiendo deducir la morfología del fenocristal de origen. La mesostasis está constituida por microcristales de plagioclasa, los cuales no definen orientación. También se observan vacuolas de menor tamaño que en las coladas de pómez (Fig. 7). La petrografía indica una mayor fragmentación, que junto con la posición estratigráfica de estos materiales, a techo de las coladas de pumita y su discontinuidad lateral, indican surges de nubes de cenizas (ash cloud surge deposits) ligados a las coladas de pómez.

Figura 7. Microtextura de los depósitos de surge de la fase de transición.
  1. Post-caldera (Ciclo Frailes-1)

El final del ciclo Frailes-1 está representado por niveles foliados intrusivos que cortan los domos y brechas autoclásticas Sin-caldera, así como las coladas de pómez de la fase de transición, dando contactos muy netos y bordes de enfriamiento (Fig. 8 C, D y E).

A escala microscópica, los niveles están compuestos por fenocristales de anfíbol, plagioclasa, piroxeno en menor proporción y microlitos de plagioclasa. La textura general es fluidal con algunas áreas algo más brechoides. Esta orientación de flujo, excelentemente representada en los cristales de anfíbol y plagioclasa, representa la “foliación” de estos niveles (Fig. 8 A y B).

Pese a que representan la fase Post-caldera, no tienen relación con las andesitas piroxénicas de ciclo Frailes-2, también Post-caldera. Esto es debido a que no se observan relaciones estructurales y la composición es diferente. Lo cual descarta también que se traten de conductos de alimentación de este ciclo.

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
Figura 8. Niveles foliados Post-caldera (A, Textura fluidal. B, Textura fluidal en detalle. C, Contacto del nivel foliado con los materiales Sin-caldera. D. Detalle de la orientación de los niveles foliados. E. Detalle de los bordes vítreo y afanítico)
  1. Post-caldera (Ciclo Frailes-2)

Dentro del ciclo Frailes-2, compuesto esencialmente por andesitas piroxénicas, se pueden distinguir tres grupos petrográficos.

El Grupo 1 se diferencia por presentar fenocristales de gran tamaño de piroxeno intercrecidos con plagioclasa (Fig. 9 A). La mesostasis vítrea, con microcristales de plagioclasa de diverso tamaño, suele ser caótica. No obstante, algunas regiones presentan texturas más fluidales (Fig. 9 B). Finalmente, cabe destacar que las rocas de este grupo se encuentran poco vesiculadas, lo cual apunta hacia episodios efusivos. Este grupo incluiría las coladas de lava iniciales, definidas por su vesiculación escasa y por su alta proporción de matriz con textura fluidal (Fernández Soler, 1996) y representaría un fenómeno de reactivación de la caldera.

 
 
 
 
 
 
Figura 9. Microtexturas Grupo 1 de la fase Post-caldera del ciclo Frailes-2 (A, Intercrecimiento Piroxeno-Plagioclasa. B, Detalle de la mesostasis)

El Grupo 2 se caracteriza por poseer cierta brechificación (Fig. 10 A). La composición mineralógica de los fenocristales es piroxeno, plagioclasa y escaso olivino. La plagioclasa presenta secciones truncadas y angulosas (Fig. 10 B), lo cual apunta a fenómenos explosivos. La mesostasis se compone de pequeños microlitos de plagioclasa, abundantes minerales opacos y vidrio escaso. Este grupo se correspondería con las brechas cuya formación está relacionada con procesos autoclásticos asociados a erupciones de tipo estromboliano (Fernández Soler, 1996), probablemente también asociados a la reactivación.

 
 
 
 
 
 
Figura 10. Microtexturas Grupo 2 de la fase Post-caldera del ciclo Frailes-2 (A, Brechificación. B, Cristal de plagioclasa truncado)

El Grupo 3 destaca por su vesiculación. Las vacuolas son de gran tamaño (orden de miles de micras), subangulosas y algunas de ellas se encuentran rellenadas por minerales secundarios (Fig. 11 A). La mineralogía de los fenocristales es plagioclasa y piroxeno, este último con sus bordes corroídos (Fig. 11 B). La mesostasis vítrea contiene microcristales de plagioclasa con textura fluidal en algunos dominios. De acuerdo con la literatura, correspondería con las coladas superiores, formadas por andesitas basálticas con un alto grado de vesiculación y una menor proporción de matriz (Fernández Soler, 1996). La principal divergencia respecto a las coladas del primer grupo radica en las vacuolas con una mayor concentración en las coladas superiores. Además de la presencia de golfos de corrosión, sobretodo en el piroxeno; y una mayor alteración, en concreto silicificaciones en los bordes de las vacuolas. 

 
 
 
 
 
 
Figura 11. Microtexturas Grupo 3 de la fase Post-caldera del ciclo Frailes-2 (A, Vesiculación con silicifación secundaria en los bordes de las vacuolas. B, Fenocristales de plagioclasa y piroxeno)

Un proceso de múltiples salidas del magma, donde se forman domos, domos efluyentes y brechas asociadas; en distintos centros, cuyas erupciones generalmente no son explosivas, excepto ciertos episodios responsables de las brechas del ciclo Frailes-2, está en línea con todas estas observaciones descritas (Ver también Fernández Soler y Muñoz, 1988).

  1. Criterios geoquímicos

Integrando las observaciones petrográficas con los datos geoquímicos de Fernández Soler (1996), se deduce lo siguiente.

Los materiales Pre-caldera (Pre-frailes), de composición predominantemente dacítica (Fig. 12), concuerdan con la explosividad sugerida por la petrografía. El ciclo Frailes-1, fundamentalmente de composición andesítica (Fig. 12), indica una menor explosividad con respecto a los materiales Pre-caldera. Esta explosividad apunta al hidromagmatismo como uno de los mecanismos eruptivos principales de esta etapa. Las composiciones más ácidas (dacita) se corresponderían con las coladas pumíticas (Fase de transición) mientras que las composiciones más basálticas incumbirían a los niveles foliados finales (Fase Post-caldera).

El ciclo Frailes-2 presenta una composición andesítica basáltica (Fig. 12), menos viscosa, dando generalmente episodios efusivos. Las observaciones petrográficas son coherentes con estos datos y en este caso un mecanismo de múltiples puntos de salida de magma explicaría todos los fenómenos ocurridos durante esta etapa. 

Figura 12. Composición química de los materiales de Los Frailes (Datos tomados de Fernández Soler, 1996)

CONCLUSIONES

La etapa Pre-caldera se distingue por presentar los materiales más alterados (formación de palagonita, pseudomorfismo de fenocristales, silicificaciones), lo cual dificulta su interpretación petrográfica. No obstante, en secciones menos alteradas se observa generalmente una mesostasis con aspecto fragmentario y abundancia de microcristales que apuntan a un enfriamiento rápido que junto con la composición,  predominantemente dacítica, apuntan a fenómenos esencialmente explosivos.

En la fase de colapso o Sin-caldera, los materiales suelen presentar texturas brechoides, cuyos fragmentos suelen presentar texturas fluidales, las cuales se observan tanto en los fenocristales como en la mesostasis, esto junto con los frecuentes golfos de corrosión indican un flujo ascendente de magma hacia la superficie durante el cual los gases se concentraron dando fenómenos altamente explosivos. La presencia de golfos de corrosión indica que durante el ascenso, los minerales ya cristalizados reaccionaron con el fundido residual.

Teniendo en cuenta los materiales de la fase de transición, donde se han apreciado kink bands en biotita, fragmentos líticos y pumíticos con texturas fluidales y fragmentos vítreos aplastados, se pone en evidencia la alta explosividad durante esta etapa, debida probablemente a una actividad de tipo hidromagmática.

El periodo Post-caldera se caracteriza por presentar un modelo multi-vent o de múltiples puntos de salida. Esto es debido a la gran diversidad de materiales asociados a este periodo además del amplio rango composicional. Durante esta etapa podemos observar fenómenos efusivos representados por diversas coladas de lavas, las cuales generalmente presentan microtexturas fluidales, definidas en algunas ocasiones también por los fenocristales. La presencia de criterios microtexturales relacionados con la residencia del magma en profundidad, como son diferentes grados de reacción de los fenocristales con la mesostasis apunta hacia una residencia temporal del magma en distintas cámaras situadas próximas a la superficie. La intercalación de estos materiales con materiales asociados a fenómenos explosivos, cuya microtextura suele ser más fragmentaria con fenocristales truncados, indica distintos puntos de salida del magma con diferentes condiciones (hidromagmáticas, strombolianas…) explicando por tanto la diversidad de estilos eruptivos.

 AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mis tutores esta gran oportunidad que me han dado, además de su paciencia conmigo. A Gabriel Gutiérrez Alonso (Área de Geodinámica Interna, Universidad de Salamanca) y Miguel López Plaza (Área de Petrología y Geoquímica, Universidad de Salamanca) por proveerme pautas y herramientas muy útiles durante la redacción y presentación de este trabajo. A Ester Boixereu i Vila (Dirección de Investigación en Recursos Geológicos) por su atención y ayuda durante la revisión. A Domingo Gimeno Torrente (Departamento de Geoquímica Petrologia i Prospecció Geològica, Facultat de Geologia, Universitat de Barcelona) por su revisión, la cual nos ha permitido notables mejoras en este trabajo. A Juan Piñeiro (Delegado del Ilustre Colegio Oficial de Geólogos en Castilla y León) por facilitarme la oportunidad de realizar esta publicación. Y finalmente, al Ilustre Colegio Oficial de Geólogos por haberme otorgado este premio que me ha permitido publicar en su revista.

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