Metamorfoosin lopputulos riippuu paineesta, lämpötilasta ja mukana olevan nesteen määrästä, ja monissa paikoissa on ainutlaatuisia näiden tekijöiden yhdistelmiä. Jotkin metamorfismityypit ovat tyypillisiä tietyille laattatektonisille asetelmille, mutta toiset eivät.
Hautametamorfismia tapahtuu, kun sedimentit hautautuvat tarpeeksi syvälle, jotta lämpö ja paine saavat mineraalit alkamaan uudelleenkiteytyä ja uudet mineraalit kasvamaan, mutta eivät jätä kiveen lehtimäistä ulkonäköä. Metamorfisia prosesseja ajatellen hautametamorfoosi tapahtuu suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa (jopa ~300 °C) ja paineissa (satojen metrien syvyydessä). Paljain silmin metamorfiset muutokset eivät välttämättä näy lainkaan. Verrataan kivilajia, joka tunnetaan kaupallisesti nimellä Black Marinace Gold Granite (kuva 10.24) – mutta joka on itse asiassa metakonglomeraatti – kuvan 10.10 metakonglomeraattiin. Metakonglomeraatissa, joka on muodostunut hautautumismetamorfismin kautta, ei näy mitään sellaista folioitumista, joka on kehittynyt kuvan 10.10 metakonglomeraattiin.
Huomautus kaupallisista kivilajien nimistä
Rakennusmateriaaleina myytäville kivilajeille, erityisesti työtasoille, annetut nimet eivät välttämättä vastaa todellista kivilajia. On yleistä käyttää termejä graniitti ja marmori kuvaamaan kiviä, jotka eivät ole kumpaakaan. Vaikka nämä termit eivät välttämättä anna tarkkaa tietoa kivilajista, ne yleensä erottavat luonnonkiven synteettisistä materiaaleista. Esimerkki synteettisestä materiaalista on kvartsiksi kutsuttu materiaali, joka sisältää jauhettuja kvartsikiteitä sekä hartsia. Jos satut olemaan kivitasojen markkinoilla ja olet huolissasi luonnontuotteen hankkimisesta, kannattaa kysyä paljon kysymyksiä.
Regionalinen metamorfismi
Regionalisella metamorfismilla tarkoitetaan laajamittaista metamorfismia, kuten sitä, mitä tapahtuu mannermaiselle maankuorelle konvergenttien tektonisten reuna-alueiden varrella (laattojen törmäyksessä). Törmäykset johtavat pitkien vuorijonojen muodostumiseen, kuten Pohjois-Amerikan länsirannikolla. Törmäyksen voima saa kivet taittumaan, murtumaan ja pinoutumaan päällekkäin, joten puristusvoima ei johdu ainoastaan törmäyksestä vaan myös pinoutuneiden kivien painosta. Mitä syvemmällä kivet ovat pinossa, sitä korkeammat paineet ja lämpötilat vallitsevat ja sitä korkeampi metamorfoosin aste tapahtuu. Alueellisen metamorfoosin tuloksena syntyneet kivet ovat todennäköisesti liuskeisia, koska lähentyvien laattojen voimakas suuntapaine vaikuttaa niihin.
Himalajan vuoristo on esimerkki alueellisesta metamorfoosista, jota tapahtuu kahden mantereen törmäyksen vuoksi (kuva 10.25). Sedimenttikivet ovat sekä työntyneet suuriin korkeuksiin – lähes 9 km merenpinnan yläpuolelle – että hautautuneet suuriin syvyyksiin. Kun otetaan huomioon, että normaali geoterminen gradientti (lämpötilan nousunopeus syvyyden myötä) on noin 30 °C kilometriä kohti maankuoressa, 9 km:n syvyyteen merenpinnan alapuolelle hautautunut kivi voi tässä tilanteessa olla lähes 18 km:n syvyydessä maanpinnan alapuolella, ja on perusteltua olettaa, että lämpötila on jopa 500 °C. Huomatkaa kivien järjestys, joka alkaa liuskekivestä ylempänä, jossa paineet ja lämpötilat ovat alhaisemmat, ja päättyy migmatiittiin alhaalla, jossa lämpötilat ovat niin korkeat, että osa mineraaleista alkaa sulaa. Nämä kivilajit ovat kaikki folioituneet, koska toisiaan lähentelevien laattojen voimakas puristusvoima on vaikuttanut niihin.
Seafloor (Hydrothermal) Metamorphism
Oseanisen levittäytymisharjun kohdalla hiljattain muodostunut gabrosta ja basaltista koostuva oseaninen kuori liikkuu hitaasti poispäin mannerlaattojen välisestä rajasta (kuva 10.26). Kuoren sisällä oleva vesi joutuu nousemaan vulkaanisen lämmönlähteen läheisyydessä olevalla alueella, jolloin se imee lisää vettä kauempaa. Tämä synnyttää lopulta konvektiosysteemin, jossa kylmä merivesi imeytyy kuoreen, kuumenee 200-300 °C:een kulkiessaan kuoren läpi ja vapautuu sitten uudelleen merenpohjaan lähellä harjujaksoa.
Tämän veden kulkeutuminen valtamerenkuoren läpi näissä lämpötiloissa edistää metamorfisia reaktioita, jotka muuttavat kiven alkuperäiset oliviini- ja pyrokseenimineraalit kloriitiksi ((Mg5Al)(AlSi3)O10(OH)8) ja serpentiiniksi ((Mg, Fe)3Si2O5(OH)4). Kloriitti ja serpentiini ovat molemmat hydratoituneita mineraaleja, joiden kiderakenteessa on vettä OH-muodossa. Kun metamorfoitunut valtameren kuori myöhemmin subduktoituu, kloriitti ja serpentiini muuttuvat uusiksi vedettömiksi mineraaleiksi (esim, granaatti ja pyrokseeni), ja vapautuva vesi kulkeutuu yläpuoliseen vaippaan, jossa se edistää sulamista.
Tällaisissa suhteellisen alhaisissa paineissa ja lämpötiloissa tapahtuva matala-asteinen metamorfoosi voi muuttaa valtamerenkuoren mafiset magmakivet vihreäkiveksi (kuva 10.27), joka on lehtimaton metamorfinen kivi.
Subduktiovyöhykkeen metamorfismi
Subduktiovyöhykkeillä, joilla valtamerten litosfääri pakotetaan alaspäin kuumaan vaippaan, vallitsee ainutlaatuinen yhdistelmä suhteellisen alhaisia lämpötiloja ja erittäin korkeita paineita. Korkeat paineet ovat odotettavissa, kun otetaan huomioon tektonisten laattojen törmäysvoima ja kasvava litostaattinen paine, kun subduktoituva laatta pakotetaan yhä syvemmälle vaippaan. Alhaiset lämpötilat johtuvat siitä, että vaikka vaippa on hyvin kuuma, valtamerten litosfääri on suhteellisen viileä ja huono lämmönjohdin. Tämä tarkoittaa, että sen lämpeneminen kestää kauan ja se voi olla useita satoja asteita viileämpää kuin ympäröivä vaippa. Kuvassa 10.28 huomataan, että isotermit (samalämpöiset viivat, katkoviivat) syöksyvät syvälle vaippaan subduktoituvan laatan mukana, mikä osoittaa, että syvemmällä vaipassa on suhteellisen matalalämpöisiä alueita.
Erityinen metamorfoosityyppi tapahtuu näissä hyvin korkeassa paineessa mutta suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa, jolloin syntyy amfibolimineraali, joka tunnetaan nimellä glaukofaani (Na2(Mg3Al2)Si8O22(OH)2). Glaukofaani on sinistä, ja se on pääkomponentti kalliossa, joka tunnetaan nimellä blueschist. Jos et ole koskaan nähnyt tai edes kuullut blueschistista, se ei ole yllättävää. Yllättävää on se, että kukaan on nähnyt sitä! Suurin osa subduktiovyöhykkeillä muodostuvasta blueschististä on edelleen subduktiossa. Se muuttuu eklogiitiksi noin 35 kilometrin syvyydessä ja uppoaa lopulta syvälle vaippaan, eikä sitä enää koskaan nähdä. Vain muutamissa paikoissa maailmassa subduktioprosessi on keskeytynyt, ja osittain subduktoitunut blueskiitti on palannut pinnalle. Yksi tällainen paikka on San Franciscon alue. Tämän paikan blueschist on osa Franciscan-kompleksiksi kutsuttua kivilajiryhmää (kuva 10.29).
Kontaktimetamorfismi
Kontaktimetamorfismi tapahtuu, kun magmakappale tunkeutuu maankuoren yläosaan. Lämpö on tärkeää kontaktimetamorfismissa, mutta paine ei ole avaintekijä, joten kontaktimetamorfismissa syntyy lehtimättömiä metamorfisia kivilajeja, kuten sarvivälkettä, marmoria ja kvartsiittia.
Kontaktimetamorfismiin voi johtaa minkä tahansa tyyppinen magmakappale, ohuesta dykeestä suureen varastoon. Metamorfoosin tyyppi ja voimakkuus sekä magmakappaleen ympärille kehittyvän metamorfisen aureolin leveys riippuvat useista tekijöistä, kuten maan kivilajista, tunkeutuvan kappaleen lämpötilasta, kappaleen koosta ja kappaleen sisältämistä haihtuvista yhdisteistä (kuva 10.30). Suuri intruusio sisältää enemmän lämpöenergiaa ja jäähtyy paljon hitaammin kuin pieni intruusio, joten metamorfoosiin kuluu enemmän aikaa ja lämpöä. Tällöin lämpö pääsee ulottumaan kauemmaksi maakallioon, jolloin syntyy suurempi aureoli. Haihtuvat aineet voivat liueta tunkeutuvasta sulasta ja kulkeutua maakallioon, mikä helpottaa kuumenemista ja kuljettaa kemiallisia ainesosia sulasta kallioon. Näin ollen ”märkien” intruusioiden ympärille muodostuvat aureolit ovat yleensä suurempia kuin kuivien vastaaviensa ympärille muodostuvat aureolit.
Kontaktimetamorfiset aureolit ovat tyypillisesti melko pieniä, muutamasta senttimetristä pienten dyykkien ja sillien ympärillä jopa 100 metriin suurten varastojen ympärillä. Kontaktimetamorfoosi voi tapahtua laajalla lämpötila-alueella – noin 300 °C:sta yli 800 °C:een. Erilaisia mineraaleja muodostuu riippuen tarkasta lämpötilasta ja maakiven luonteesta.
Vaikka magmakappaleet voivat muodostua monenlaisissa ympäristöissä, yksi paikka, jossa magmaa syntyy runsaasti ja jossa kontaktimetamorfismia voi tapahtua, on subduktiovyöhykkeiden kanssa konvergenttien rajojen varrella, jossa muodostuu vulkaanisia kaaria (kuva 10.31). Alueellista metamorfismia tapahtuu myös tässä ympäristössä, ja koska magmaattiseen toimintaan liittyy ylimääräistä lämpöä, geoterminen gradientti on tyypillisesti jyrkempi näissä ympäristöissä (~40-50 °C/km). Näissä olosuhteissa korkeamman asteista metamorfismia voi tapahtua lähempänä pintaa kuin muilla alueilla.
Shokkimetamorfismi
Kun maan ulkopuoliset kappaleet törmäävät Maahan, seurauksena on shokkiaalto. Kappaleen osumakohdassa paineet ja lämpötilat nousevat sekunnin murto-osassa hyvin korkeiksi. ”Lempeä” törmäys voi osua 40 GPa:n paineella ja nostaa lämpötilan jopa 500 °C:een. Alemman vaipan paineet alkavat 24 GPa:sta (GigaPascal) ja nousevat 136 GPa:iin ytimen ja vaipan rajalla, joten törmäys ikään kuin syöksisi kiven syvälle vaippaan ja päästäisi sen taas irti muutamassa sekunnissa. Äkillinen muutos, joka liittyy shokkimetamorfismiin, tekee siitä hyvin erilaisen kuin muista metamorfismityypeistä, jotka voivat kehittyä satojen miljoonien vuosien aikana ja käynnistyä ja pysähtyä tektonisten olosuhteiden muuttuessa.
Kaksi shokkimetamorfismiin liittyvää piirrettä ovat shokkikvartsi (shock quartz) ja pirstoutuneet kartiot. Sokkikvartsilla (kuva 10.32 vasemmalla) tarkoitetaan kvartsikiteitä, joissa on vaurioita yhdensuuntaisten viivojen muodossa koko kiteessä. Kuvassa 10.32 olevassa kvartsikiteessä on kaksi sarjaa tällaisia viivoja. Viivat ovat pieniä määriä kvartsin sisällä olevaa lasimaista materiaalia, joka on muodostunut lähes välittömästä sulamisesta ja uudelleen jähmettymisestä, kun kiteeseen osui iskuaalto. Särökartiot ovat kivien sisällä olevia kartiomaisia murtumia, jotka ovat myös seurausta iskuaallosta (kuva 10.32 oikealla). Säröt ovat pinoutuneet toisiinsa kuin pino jäätelötötteröitä.
Dynaaminen metamorfismi
Dynaaminen metamorfismi on seurausta erittäin korkeasta leikkausjännityksestä, jollaista esiintyy esimerkiksi rikkonaisuusvyöhykkeillä. Dynaaminen metamorfoosi tapahtuu muihin metamorfismityyppeihin verrattuna suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa, ja se koostuu pääasiassa fysikaalisista muutoksista, jotka tapahtuvat leikkausjännityksen alaisessa kivessä. Se vaikuttaa kapeaan alueeseen lähellä vikaa, ja lähellä olevat kivet saattavat vaikuttaa muuttumattomilta.
Matalammissa paineissa ja lämpötiloissa dynaaminen metamorfoosi vaikuttaa kallion murtumiseen ja hiontaan, jolloin syntyy kataklastisia kiviä, kuten vikamurtumabreksioita (kuva 10.33). Korkeammissa paineissa ja lämpötiloissa kiven rakeet ja kiteet voivat deformoitua murtumatta kappaleiksi (kuva 10.34, vasemmalla). Pitkään jatkuneen dynaamisen metamorfoosin tuloksena näissä olosuhteissa syntyy myloniitiksi kutsuttu kivi, jossa kiteet ovat venyneet ohuiksi nauhoiksi (kuva 10.34, oikealla).
