Metamorfismens resultat afhænger af tryk, temperatur og mængden af væske, og der findes mange miljøer med unikke kombinationer af disse faktorer. Nogle typer af metamorfisme er karakteristiske for specifikke pladetektoniske indstillinger, men andre er det ikke.
Burial metamorfisme opstår, når sedimenter er begravet dybt nok til, at varme og tryk får mineralerne til at begynde at omkrystallisere og nye mineraler til at vokse, men ikke efterlader bjergarten med et bladformet udseende. Som metamorfe processer er, finder begravelsesmetamorfisme sted ved relativt lave temperaturer (op til ~300 °C) og tryk (100-vis af m dybde). For det blotte øje er de metamorfe forandringer måske slet ikke synlige. Sammenlign den bjergart, der er kommercielt kendt som Black Marinace Gold Granite (Figur 10.24) – men som i virkeligheden er et metakonglomerat – med metakonglomeratet i Figur 10.10. Metaconglomeratet dannet ved begravelsesmetamorfisme viser ikke noget af den foliering, der har udviklet sig i metaconglomeratet i figur 10.10.
En note om kommercielle stennavne
Navne, der gives til sten, der sælges som byggematerialer, især til bordplader, afspejler måske ikke den faktiske stentype. Det er almindeligt at bruge betegnelserne granit og marmor til at beskrive bjergarter, som hverken er det ene eller det andet. Selv om disse betegnelser måske ikke giver nøjagtige oplysninger om bjergartstypen, skelner de generelt mellem naturlige bjergarter og syntetiske materialer. Et eksempel på et syntetisk materiale er det, der omtales som kvarts, som omfatter malede kvartskrystaller samt harpiks. Hvis du tilfældigvis er på markedet for bordplader af sten og er bekymret for at få et naturprodukt, er det bedst at stille mange spørgsmål.
Regional metamorfisme
Regional metamorfisme henviser til metamorfisme i stor skala, som f.eks. det, der sker med kontinentalskorpen langs konvergerende tektoniske rande (hvor plader støder sammen). Kollisionerne resulterer i dannelsen af lange bjergkæder, som dem langs den nordamerikanske vestkyst. Kraften fra kollisionen får bjergarter til at blive foldet, knækket og stablet på hinanden, så der er ikke kun en trykkraft fra kollisionen, men også fra vægten af de stablede bjergarter. Jo dybere stenene befinder sig i stakken, jo højere er trykket og temperaturen, og jo højere er graden af metamorfisme, der forekommer. Bjergarter, der dannes ved regional metamorfisme, vil sandsynligvis være folieret på grund af det stærke retningsbestemte tryk fra konvergerende plader.
Himalaya-bjergkæden er et eksempel på, hvor der sker regional metamorfisme, fordi to kontinenter støder sammen (figur 10.25). Sedimentære bjergarter er både blevet skubbet op til store højder – næsten 9 km over havets overflade – og også begravet til store dybder. Hvis man tager i betragtning, at den normale geotermiske gradient (den hastighed, hvormed temperaturen stiger med dybden) er ca. 30 °C pr. kilometer i jordskorpen, kan bjergarter, der er begravet til 9 km under havniveau i denne situation, være tæt på 18 km under jordoverfladen, og det er rimeligt at forvente temperaturer på op til 500 °C. Bemærk den rækkefølge af bjergarter, der fra, begyndende med skifer højere oppe, hvor tryk og temperaturer er lavere, og slutter med migmatit i bunden, hvor temperaturerne er så høje, at nogle af mineralerne begynder at smelte. Disse bjergarter er alle folieret på grund af den stærke komprimerende kraft fra de konvergerende plader.
Seafloor (Hydrothermal) Metamorphism
På en oceanisk spredningsryg bevæger den nyligt dannede oceaniske skorpe af gabbro og basalt sig langsomt væk fra pladegrænsen (Figur 10.26). Vand i skorpen tvinges til at stige op i området tæt på kilden til den vulkanske varme og trækker mere vand ind længere væk fra området. Dette skaber til sidst et konvektivt system, hvor koldt havvand trækkes ind i skorpen, opvarmes til 200 °C til 300 °C, mens det passerer gennem skorpen, og derefter frigives igen på havbunden nær højderyggen.
Passage af dette vand gennem den oceaniske skorpe ved disse temperaturer fremmer metamorfe reaktioner, der ændrer de oprindelige olivin- og pyroxenmineraler i bjergarten til klorit ((Mg5Al)(AlSi3)O10(OH)8) og serpentin ((Mg, Fe)3Si2O5(OH)4). Klorit og serpentin er begge hydrerede mineraler, som indeholder vand i form af OH i deres krystalstrukturer. Når metamorfoseret havskorpe senere subduceres, bliver chlorit og serpentin omdannet til nye ikke-hydratholdige mineraler (f.eks, granat og pyroxen), og det vand, der frigives, vandrer ind i den overliggende kappe, hvor det bidrager til smeltning.
Den lavgradsmetamorfisme, der finder sted ved disse relativt lave tryk og temperaturer, kan omdanne mafiske magmatiske bjergarter i havskorpen til grønsten (Figur 10.27), en ikke-bladet metamorf bjergart.
Subduktionszone-metamorfisme
I subduktionszoner, hvor havets litosfære presses ned i den varme kappe, er der en unik kombination af relativt lave temperaturer og meget høje tryk. De høje tryk er forventelige på grund af kollisionskraften mellem tektoniske plader og det stigende litostatiske tryk, efterhånden som den subducerende plade tvinges dybere og dybere ned i kappen. De lavere temperaturer skyldes, at selv om kappen er meget varm, er havets lithosfære relativt kold og en dårlig varmeleder. Det betyder, at det vil tage lang tid at varme op og kan være flere hundrede grader koldere end den omgivende kappe. I figur 10.28 bemærker man, at isotermerne (linjer med samme temperatur, stiplede linjer) dykker dybt ned i kappen sammen med den subducerende plade, hvilket viser, at der findes områder med relativt lav temperatur dybere inde i kappen.
En særlig type metamorfisme finder sted under disse forhold med meget højt tryk, men relativt lave temperaturer, og der dannes et amfibolmineral kendt som glaucophan (Na2(Mg3Al2)Si8O22(OH)2). Glaucophan er blåt og den vigtigste bestanddel af en bjergart, der er kendt som blueschist. Hvis du aldrig har set eller hørt om blueschist, er det ikke overraskende. Det, der er overraskende, er, at nogen har set det! Det meste af den blueschist, der dannes i subduktionszoner, fortsætter med at blive subduceret. Det bliver til eklogit i ca. 35 km dybde og synker så til sidst dybt ned i kappen for aldrig at blive set igen. Kun få steder i verden er subduktionsprocessen blevet afbrudt, og delvist subduceret blueschist er vendt tilbage til overfladen. Et af disse steder er området omkring San Francisco. Blueschisten på dette sted er en del af et sæt bjergarter, der er kendt som Franciscan-komplekset (Figur 10.29).
Kontaktmetamorfisme
Kontaktmetamorfisme sker, når et magmalegeme trænger ind i den øverste del af jordskorpen. Varme er vigtig ved kontaktmetamorfisme, men tryk er ikke en nøglefaktor, så kontaktmetamorfisme producerer ikke-foliede metamorfe bjergarter som hornfels, marmor og kvartsit.
Alle typer magmakroppe kan føre til kontaktmetamorfisme, fra en tynd dyke til et stort lager. Typen og intensiteten af metamorfismen og bredden af den metamorfe aureol, der udvikler sig omkring magmakroppen, vil afhænge af en række faktorer, herunder typen af landbjergart, temperaturen i det indtrængende legeme, legemets størrelse og de flygtige forbindelser i legemet (Figur 10.30). En stor intrusion vil indeholde mere termisk energi og vil afkøle meget langsommere end en lille, og vil derfor give længere tid og mere varme til metamorfisme. Dette vil gøre det muligt for varmen at strække sig længere ind i landjorden, hvilket skaber en større aureole. Flygtige stoffer kan opløses fra den indtrængende smelte og bevæge sig ind i bjergarten, hvilket fremmer opvarmningen og fører kemiske bestanddele fra smelten ind i bjergarten. Således har aureoler, der dannes omkring “våde” intrusioner, tendens til at være større end dem, der dannes omkring deres tørre modstykker.
Kontaktmetamorfe aureoler er typisk ret små, fra blot et par centimeter omkring små dykes og sills til op til 100 m omkring et stort lager. Kontaktmetamorfisme kan finde sted over et bredt temperaturinterval – fra omkring 300 °C til over 800 °C. Forskellige mineraler vil blive dannet afhængigt af den nøjagtige temperatur og landbjergarternes beskaffenhed.
Og selv om magmablokke kan dannes i en række forskellige omgivelser, er et sted, hvor magma produceres i rigelige mængder, og hvor kontaktmetamorfisme kan finde sted, langs konvergerende grænser med subduktionszoner, hvor der dannes vulkanske buer (Figur 10.31). Regional metamorfisme finder også sted i disse omgivelser, og på grund af den ekstra varme, der er forbundet med den magmatiske aktivitet, er den geotermiske gradient typisk stejlere i disse omgivelser (mellem ~40 og 50 °C/km). Under disse forhold kan højere grader af metamorfisme finde sted tættere på overfladen, end det er tilfældet i andre områder.
Shock Metamorphism
Når extraterrestriske objekter rammer Jorden, er resultatet en chokbølge. Der, hvor objektet rammer, bliver trykket og temperaturen meget høje på en brøkdel af et sekund. Et “blidt” nedslag kan ramme med 40 GPa og hæve temperaturen op til 500 °C. Trykket i den nedre kappe starter ved 24 GPa (GigaPascal) og stiger til 136 GPa ved grænsen mellem kerne og kappe, så nedslaget er som at kaste stenen dybt ned i kappen og frigive den igen i løbet af få sekunder. Den pludselige ændring, der er forbundet med stødmetamorfisme, gør den meget forskellig fra andre typer af metamorfisme, der kan udvikle sig over hundreder af millioner af år og starte og stoppe, efterhånden som de tektoniske forhold ændrer sig.
To kendetegn ved stødmetamorfisme er chokkvarts og splintkegler. Chokkvarts (Figur 10.32 til venstre) henviser til kvartskrystaller, der viser skader i form af parallelle linjer i hele krystallet. Kvartskrystallen i figur 10.32 har to sæt af disse linjer. Linjerne er små mængder glasagtigt materiale i kvartsen, der er dannet af næsten øjeblikkelig smeltning og resolidificering, da krystallen blev ramt af en chokbølge. Splintkogler er kegleformede brud i stenene, som også er resultatet af en chokbølge (Figur 10.32 til højre). Bruddene er indlejret i hinanden som en stak iskegler.
Dynamisk metamorfisme
Dynamisk metamorfisme er resultatet af meget høje forskydningsspændinger, som f.eks. forekommer langs brudzoner. Dynamisk metamorfisme forekommer ved relativt lave temperaturer sammenlignet med andre typer af metamorfisme og består overvejende af de fysiske ændringer, der sker i en bjergart, der udsættes for forskydningsspænding. Den påvirker et snævert område nær forkastningen, og bjergarter i nærheden kan synes upåvirkede.
Ved lavere tryk og temperaturer vil dynamisk metamorfisme have den virkning, at bjergarten brydes og slibes og skaber kataklastiske bjergarter som f.eks. forkastningsbreccia (Figur 10.33). Ved højere tryk og temperaturer kan korn og krystaller i bjergarten deformere sig uden at gå i stykker (Figur 10.34, venstre). Resultatet af langvarig dynamisk metamorfisme under disse betingelser er en bjergart kaldet mylonit, hvor krystaller er blevet strakt i tynde bånd (Figur 10.34, højre).
