Het resultaat van metamorfisme hangt af van druk, temperatuur, en de hoeveelheid vloeistof die erbij betrokken is, en er zijn vele settings met unieke combinaties van deze factoren. Sommige vormen van metamorfisme zijn kenmerkend voor specifieke plaattektonische omgevingen, maar andere niet.
Begraven metamorfisme treedt op wanneer sedimenten zo diep begraven zijn dat de hitte en druk mineralen doen herkristalliseren en nieuwe mineralen doen aangroeien, maar het gesteente niet met een gefolieerd uiterlijk achterlaat. Metamorfisme bij de aardbodem vindt plaats bij relatief lage temperaturen (tot ~300 °C) en drukken (tot 100 m diepte). Met het blote oog zijn de metamorfe veranderingen soms helemaal niet zichtbaar. Vergelijk het gesteente dat in de handel bekend staat als Black Marinace Gold Granite (figuur 10.24) – maar dat in feite een metaconglomeraat is – eens met het metaconglomeraat in figuur 10.10. Het door begravingsmetamorfisme gevormde metaconglomeraat vertoont geen enkele van de foliatie die zich in het metaconglomeraat van figuur 10.10 heeft ontwikkeld.
Een opmerking over commerciële gesteentenamen
Namen die worden gegeven aan gesteenten die worden verkocht als bouwmateriaal, vooral voor aanrechtbladen, geven mogelijk niet het werkelijke gesteentetype weer. Het is gebruikelijk om de termen graniet en marmer te gebruiken om gesteenten te beschrijven die geen van beide zijn. Hoewel deze termen misschien geen nauwkeurige informatie geven over het soort gesteente, maken zij over het algemeen wel onderscheid tussen natuurlijk gesteente en synthetische materialen. Een voorbeeld van een synthetisch materiaal is het materiaal dat kwarts wordt genoemd, dat zowel gemalen kwartskristallen als hars omvat. Als je toevallig in de markt voor stenen aanrechtbladen en zijn bezorgd over het krijgen van een natuurlijk product, is het het beste om veel vragen te stellen.
Regionaal metamorfisme
Regionaal metamorfisme verwijst naar grootschalige metamorfose, zoals wat er gebeurt met de continentale korst langs convergente tektonische marges (waar platen met elkaar in botsing komen). De botsingen resulteren in de vorming van lange bergketens, zoals die langs de westkust van Noord-Amerika. De kracht van de botsing zorgt ervoor dat gesteenten worden geplooid, gebroken en op elkaar gestapeld, zodat er niet alleen de drukkende kracht van de botsing is, maar ook van het gewicht van de gestapelde gesteenten. Hoe dieper de gesteenten in de stapel liggen, hoe hoger de druk en de temperatuur, en hoe hoger de graad van metamorfisme die optreedt. Gesteenten die ontstaan uit regionaal metamorfisme zijn waarschijnlijk gefolieerd vanwege de sterke richtingsdruk van convergerende platen.
Het Himalaya-gebergte is een voorbeeld van waar regionaal metamorfisme plaatsvindt omdat twee continenten op elkaar botsen (figuur 10.25). Sedimentaire gesteenten zijn zowel tot grote hoogten gestuwd – bijna 9 km boven zeeniveau – als tot grote diepten begraven. Aangezien de normale geothermische gradiënt (de snelheid waarmee de temperatuur met de diepte toeneemt) in de korst ongeveer 30°C per kilometer bedraagt, zou gesteente dat tot 9 km onder de zeespiegel is begraven in deze situatie bijna 18 km onder het grondoppervlak kunnen liggen, en is het redelijk om temperaturen tot 500°C te verwachten. Let op de opeenvolging van gesteenten, beginnend met leisteen hogerop waar de druk en de temperatuur lager zijn, en eindigend in migmatiet onderaan waar de temperaturen zo hoog zijn dat sommige mineralen beginnen te smelten. Deze gesteenten zijn alle gefolieerd als gevolg van de sterke samendrukkingskracht van de convergerende platen.
Seafloor (Hydrothermal) Metamorphism
Bij een oceanische spreidingsrug beweegt recent gevormde oceanische korst van gabbro en basalt zich langzaam weg van de plaatgrens (figuur 10.26). Het water in de korst wordt gedwongen te stijgen in het gebied dicht bij de bron van vulkanische hitte, waardoor meer water van verder weg wordt aangezogen. Hierdoor ontstaat uiteindelijk een convectief systeem waarbij koud zeewater de korst wordt ingetrokken, verhit tot 200 °C à 300 °C terwijl het door de korst gaat, en vervolgens weer wordt losgelaten op de zeebodem in de buurt van de bergrug.
De passage van dit water door de oceanische korst bij deze temperaturen bevordert metamorfe reacties die de oorspronkelijke olivijn- en pyroxeenmineralen in het gesteente veranderen in chloriet ((Mg5Al)(AlSi3)O10(OH)8) en serpentijn ((Mg, Fe)3Si2O5(OH)4). Chloriet en serpentijn zijn beide gehydrateerde mineralen, die water in de vorm van OH in hun kristalstructuren bevatten. Wanneer gemetamorfoseerde oceaankorst later wordt gesubducteerd, worden het chloriet en serpentijn omgezet in nieuwe niet-waterhoudende mineralen (bijv, granaat en pyroxeen) en het vrijkomende water migreert naar de bovenliggende mantel, waar het bijdraagt aan het smelten.
Het laaggradige metamorfisme dat bij deze relatief lage drukken en temperaturen optreedt, kan mafische stollingsgesteenten in oceaankorst veranderen in greenstone (figuur 10.27), een niet-gefolieerd metamorf gesteente.
Subductiezonemetamorfisme
Bij subductiezones, waar oceaanlithosfeer naar beneden in de hete mantel wordt gedrukt, is er een unieke combinatie van relatief lage temperaturen en zeer hoge drukken. De hoge drukken zijn te verwachten, gezien de kracht van de botsing tussen tektonische platen, en de toenemende lithostatische druk naarmate de subductieplaat dieper en dieper in de mantel wordt geduwd. De lagere temperaturen zijn er omdat, hoewel de mantel zeer heet is, de lithosfeer van de oceaan relatief koel is en een slechte warmtegeleider. Dat betekent dat het lang duurt voordat deze opwarmt, en enkele honderden graden koeler kan zijn dan de omringende mantel. In figuur 10.28 zie je dat de isothermen (lijnen van gelijke temperatuur, stippellijnen) samen met de subductieplaat diep in de mantel duiken, waaruit blijkt dat dieper in de mantel regio’s met relatief lage temperatuur bestaan.
Een speciaal soort metamorfisme vindt plaats onder deze omstandigheden van zeer hoge druk maar relatief lage temperatuur, waarbij een amfiboolmineraal ontstaat dat bekend staat als glaucofaan (Na2(Mg3Al2)Si8O22(OH)2). Glaucofaan is blauw en het belangrijkste bestanddeel van een gesteente dat bekend staat als blauwschist. Als je nog nooit blauwschist hebt gezien of er zelfs maar van hebt gehoord, is dat niet verwonderlijk. Wat wel verbazend is, is dat iemand het gezien heeft! Het meeste blauwschist dat in subductiezones wordt gevormd, blijft gesubducteerd worden. Het verandert in eclogiet op ongeveer 35 km diepte, en zinkt dan uiteindelijk diep weg in de mantel, om nooit meer gezien te worden. Op slechts enkele plaatsen in de wereld werd het subductieproces onderbroken, en keerde gedeeltelijk gesubducteerde blauwschist terug naar de oppervlakte. Een van die plaatsen is het gebied rond San Francisco. De blauwschist op deze plaats maakt deel uit van een reeks gesteenten die bekend staat als het Franciscan Complex (figuur 10.29).
Contactmetamorfisme
Contactmetamorfisme treedt op wanneer een magmalichaam in het bovenste deel van de korst binnendringt. Hitte is belangrijk bij contactmetamorfisme, maar druk is geen sleutelfactor, zodat contactmetamorfisme niet-verbladerde metamorfe gesteenten oplevert, zoals hoornsteen, marmer en kwartsiet.
Elk type magmalichaam kan tot contactmetamorfisme leiden, van een dun dijkje tot een grote voorraad. Het type en de intensiteit van het metamorfisme, en de breedte van de metamorfe aureool die zich rond het magma-lichaam ontwikkelt, zal afhangen van een aantal factoren, waaronder het type landgesteente, de temperatuur van het intrusielichaam, de grootte van het lichaam, en de vluchtige verbindingen binnen het lichaam (figuur 10.30). Een grote intrusie zal meer thermische energie bevatten en veel langzamer afkoelen dan een kleine, en zal dus een langere tijd en meer warmte voor metamorfisme bieden. Hierdoor zal de hitte zich verder in het landgesteente kunnen uitstrekken, waardoor een grotere aureool ontstaat. Vluchtige stoffen kunnen uit de binnendringende smelt oplossen en in het landgesteente terechtkomen, waardoor de verhitting wordt vergemakkelijkt en chemische bestanddelen uit de smelt in het gesteente worden overgebracht. De aureolen die zich rond “natte” intrusies vormen, zijn dus meestal groter dan de aureolen die zich rond hun droge tegenhangers vormen.
Contactmetamorfe aureolen zijn doorgaans vrij klein, van slechts enkele centimeters rond kleine dijken en sills, tot wel 100 m rond een grote voorraad. Contactmetamorfisme kan plaatsvinden over een breed temperatuurbereik – van ongeveer 300 °C tot meer dan 800 °C. Afhankelijk van de precieze temperatuur en de aard van het landgesteente worden verschillende mineralen gevormd.
Hoewel magmastromen in een verscheidenheid van omgevingen kunnen worden gevormd, is één plaats waar magma in overvloed wordt geproduceerd, en waar contactmetamorfisme kan plaatsvinden, langs convergente grenzen met subductiezones, waar vulkanische bogen worden gevormd (Figuur 10.31). Regionaal metamorfisme vindt ook plaats in deze omgeving, en vanwege de extra warmte die gepaard gaat met de magmatische activiteit is de geothermische gradiënt meestal steiler in deze omgevingen (tussen ~40 en 50 °C/km). Onder deze omstandigheden kan dichter aan de oppervlakte een hogere graad van metamorfisme plaatsvinden dan in andere gebieden.
Shock Metamorphism
Wanneer buitenaardse objecten de aarde raken, is het resultaat een schokgolf. Waar het object inslaat, worden de druk en de temperatuur in een fractie van een seconde zeer hoog. Een “zachte” inslag kan inslaan met 40 GPa en temperaturen tot 500 °C doen stijgen. De druk in de ondermantel begint bij 24 GPa (GigaPascal), en loopt op tot 136 GPa op de grens tussen kern en mantel, zodat de inslag het gesteente als het ware diep in de mantel dompelt en binnen enkele seconden weer loslaat. De plotselinge verandering die gepaard gaat met schokmetamorfisme maakt het heel anders dan andere soorten metamorfisme die zich over honderden miljoenen jaren kunnen ontwikkelen, beginnend en eindigend naarmate de tektonische omstandigheden veranderen.
Twee kenmerken van schokmetamorfisme zijn geschokte kwarts, en versplinterende kegels. Geschokte kwarts (figuur 10.32 links) verwijst naar kwartskristallen die beschadigingen vertonen in de vorm van parallelle lijnen doorheen een kristal. Het kwartskristal in figuur 10.32 heeft twee sets van deze lijnen. De lijnen zijn kleine hoeveelheden glasachtig materiaal in het kwarts, gevormd door bijna onmiddellijk smelten en oplossen toen het kristal door een schokgolf werd getroffen. Versplinteringskegels zijn kegelvormige breuken in de gesteenten, ook het resultaat van een schokgolf (Figuur 10.32 rechts). De breuken zijn in elkaar genesteld als een stapel ijshoorntjes.
Dynamisch metamorfisme
Dynamisch metamorfisme is het resultaat van zeer hoge afschuifspanningen, zoals die voorkomen langs breukzones. Dynamisch metamorfisme treedt op bij relatief lage temperaturen in vergelijking met andere soorten metamorfisme, en bestaat voornamelijk uit de fysische veranderingen die optreden in een gesteente dat onder afschuifspanning staat. Het beïnvloedt een smal gebied in de buurt van de breuk, en gesteenten in de buurt kunnen onaangetast lijken.
Bij lagere drukken en temperaturen zal dynamisch metamorfisme het effect hebben van het breken en vermalen van gesteente, waardoor cataclastische gesteenten zoals breukbreccia ontstaan (figuur 10.33). Bij hogere drukken en temperaturen kunnen korrels en kristallen in het gesteente vervormen zonder in stukken te breken (figuur 10.34, links). Het resultaat van langdurig dynamisch metamorfisme onder deze omstandigheden is een gesteente dat myloniet wordt genoemd, waarin kristallen tot dunne linten zijn uitgerekt (figuur 10.34, rechts).
