Wynik metamorfizmu zależy od ciśnienia, temperatury i obfitości zaangażowanych płynów, a istnieje wiele ustawień z unikalnymi kombinacjami tych czynników. Niektóre rodzaje metamorfizmu są charakterystyczne dla określonych ustawień tektonicznych płyt, ale inne nie są.
Metamorfizm grobowy występuje wtedy, gdy osady są pochowane na tyle głęboko, że ciepło i ciśnienie powodują, że minerały zaczynają rekrystalizować i nowe minerały rosną, ale nie pozostawiają skały z wyglądem foliacji. Jako proces metamorficzny, metamorfizm pogrzebowy zachodzi w stosunkowo niskich temperaturach (do ~300 °C) i ciśnieniach (100s m głębokości). Dla niewprawnego oka, zmiany metamorficzne mogą nie być w ogóle widoczne. Porównaj skałę znaną w handlu jako złoty granit Black Marinace (Rysunek 10.24), która w rzeczywistości jest metakonglomeratem, z metakonglomeratem przedstawionym na Rysunku 10.10. Metakonglomerat powstały w wyniku metamorfizmu pogrzebowego nie wykazuje żadnego z listowień, które rozwinęły się w metakonglomeracie z Rysunku 10.10.
A Note About Commercial Rock Names
Nazwy nadawane skałom, które są sprzedawane jako materiały budowlane, zwłaszcza na blaty, mogą nie odzwierciedlać rzeczywistego typu skały. Powszechne jest używanie terminów granit i marmur do opisania skał, które nimi nie są. Chociaż terminy te mogą nie dostarczać dokładnych informacji na temat rodzaju skały, to na ogół pozwalają odróżnić skałę naturalną od materiałów syntetycznych. Przykładem materiału syntetycznego jest ten określany jako kwarc, który zawiera zmielone kryształy kwarcu, jak również żywicę. Jeśli zdarzy Ci się być na rynku blatów kamiennych i martwisz się o uzyskanie naturalnego produktu, najlepiej jest zadać wiele pytań.
Metamorfizm regionalny
Metamorfizm regionalny odnosi się do metamorfizmu na dużą skalę, takiego jak to, co dzieje się ze skorupą kontynentalną wzdłuż zbieżnych marginesów tektonicznych (gdzie płyty się zderzają). W wyniku kolizji powstają długie łańcuchy górskie, takie jak te wzdłuż zachodniego wybrzeża Ameryki Północnej. Siła kolizji powoduje, że skały są fałdowane, łamane i układane jedna na drugiej, więc nie tylko siła ściskająca wynika z kolizji, ale także z ciężaru ułożonych na sobie skał. Im głębiej skały znajdują się w stosie, tym wyższe są ciśnienia i temperatury oraz tym wyższy stopień metamorfizmu, który zachodzi. Skały powstałe w wyniku metamorfizmu regionalnego są prawdopodobnie sfałdowane z powodu silnego nacisku kierunkowego zbiegających się płyt.
Pasmo Himalajów jest przykładem miejsca, w którym zachodzi metamorfizm regionalny z powodu zderzenia dwóch kontynentów (rysunek 10.25). Skały osadowe zostały zarówno wyrzucone na duże wysokości – prawie 9 km nad poziom morza – jak i pogrzebane na duże głębokości. Biorąc pod uwagę, że normalny gradient geotermiczny (tempo wzrostu temperatury wraz z głębokością) wynosi w skorupie ziemskiej około 30°C na kilometr, skały pogrzebane na głębokości 9 km poniżej poziomu morza w tej sytuacji mogą znajdować się blisko 18 km pod powierzchnią ziemi i można się spodziewać temperatur sięgających 500°C. Zwróć uwagę na sekwencję skał, która zaczyna się od łupków położonych wyżej, gdzie ciśnienia i temperatury są niższe, a kończy na migmatycie na dnie, gdzie temperatury są tak wysokie, że niektóre minerały zaczynają się topić. Wszystkie te skały są sfałdowane z powodu silnej siły ściskającej zbiegających się płyt.
Seafloor (Hydrothermal) Metamorphism
Na oceanicznym grzbiecie rozprzestrzeniającym się, niedawno uformowana skorupa oceaniczna z gabro i bazaltu powoli oddala się od granicy płyt (Rysunek 10.26). Woda w skorupie jest zmuszana do podnoszenia się w obszarze w pobliżu źródła ciepła wulkanicznego, przyciągając więcej wody z dalszej odległości. Ostatecznie tworzy to system konwekcyjny, w którym zimna woda morska jest wciągana do skorupy, podgrzewana do 200-300 °C podczas przechodzenia przez skorupę, a następnie ponownie uwalniana na dno morskie w pobliżu grzbietu.
Przejście tej wody przez skorupę oceaniczną w tych temperaturach promuje reakcje metamorficzne, które zmieniają pierwotne minerały oliwinu i piroksenu w skale na chloryt ((Mg5Al)(AlSi3)O10(OH)8) i serpentyn ((Mg, Fe)3Si2O5(OH)4). Chloryt i serpentyn są minerałami uwodnionymi, zawierającymi w swojej strukturze krystalicznej wodę w postaci OH. Gdy zmetamorfizowana skorupa oceaniczna ulega później subdukcji, chloryt i serpentyn przekształcają się w nowe minerały nieuwodnione (np, granat i piroksen), a uwolniona woda migruje do płaszcza, gdzie przyczynia się do topnienia.
Niskostopniowy metamorfizm zachodzący przy tych stosunkowo niskich ciśnieniach i temperaturach może przekształcić mafickie skały iglaste w skorupie oceanicznej w greenstone (Rysunek 10.27), niefoliowaną skałę metamorficzną.
Metamorfizm strefy subdukcji
W strefach subdukcji, gdzie litosfera oceaniczna jest wtłaczana w dół do gorącego płaszcza, występuje unikalna kombinacja stosunkowo niskich temperatur i bardzo wysokich ciśnień. Wysokiego ciśnienia można się spodziewać, biorąc pod uwagę siłę kolizji pomiędzy płytami tektonicznymi oraz rosnące ciśnienie litostatyczne, gdy płyta subdukcyjna jest wtłaczana coraz głębiej w płaszcz. Niższe temperatury występują, ponieważ mimo że płaszcz jest bardzo gorący, litosfera oceaniczna jest stosunkowo chłodna i słabo przewodzi ciepło. Oznacza to, że jej ogrzanie zajmie dużo czasu i może być o kilkaset stopni chłodniejsza od otaczającego ją płaszcza. Na rysunku 10.28 zauważ, że izotermy (linie o równej temperaturze, linie przerywane) zagłębiają się w płaszcz wraz z płytą subdukcyjną, pokazując, że regiony o stosunkowo niskiej temperaturze istnieją głębiej w płaszczu.
W tych bardzo wysokociśnieniowych, ale stosunkowo niskotemperaturowych warunkach zachodzi specjalny rodzaj metamorfizmu, w wyniku którego powstaje minerał amfibolowy znany jako glaukofan (Na2(Mg3Al2)Si8O22(OH)2). Glaukofan jest niebieski i stanowi główny składnik skały znanej jako blueschist. Jeśli nigdy nie widziałeś lub nawet nie słyszałeś o blueschiście, to nic dziwnego. Zaskakujące jest to, że ktokolwiek go widział! Większość blueschistu, który tworzy się w strefach subdukcji, nadal ulega subdukcji. Na głębokości około 35 km zamienia się w eklogit, a następnie ostatecznie zapada się głęboko w płaszcz, by nigdy więcej nie zostać zauważona. Tylko w kilku miejscach na świecie proces subdukcji został przerwany, a częściowo subdukowany blueschist powrócił na powierzchnię. Jednym z takich miejsc jest obszar wokół San Francisco. Występujący w tym miejscu blueschist jest częścią zespołu skał znanego jako kompleks franciszkański (Rysunek 10.29).
Metamorfizm kontaktowy
Metamorfizm kontaktowy zachodzi, gdy ciało magmy intruzje do górnej części skorupy ziemskiej. Ciepło jest ważne w metamorfizmie kontaktowym, ale ciśnienie nie jest kluczowym czynnikiem, więc metamorfizm kontaktowy wytwarza niefoliowane skały metamorficzne, takie jak hornfels, marmur i kwarcyt.
Dowolny typ ciała magmowego może prowadzić do metamorfizmu kontaktowego, od cienkiej grobli do dużych zasobów. Rodzaj i intensywność metamorfizmu oraz szerokość aureoli metamorficznej, która rozwija się wokół ciała magmowego, zależy od wielu czynników, w tym od rodzaju skały macierzystej, temperatury intruzji, wielkości ciała i związków lotnych w ciele (rysunek 10.30). Duża intruzja będzie zawierać więcej energii cieplnej i stygnąć znacznie wolniej niż mała, a zatem zapewni dłuższy czas i więcej ciepła dla metamorfizmu. Dzięki temu ciepło będzie mogło sięgać dalej w głąb skały, tworząc większą aureolę. Z intruzji mogą wydzielać się wolatyle i przedostawać się do skały, ułatwiając ogrzewanie i przenosząc składniki chemiczne ze stopu do skały. Tak więc aureole, które tworzą się wokół „mokrych” intruzji są zwykle większe niż te, które tworzą się wokół ich suchych odpowiedników.
Aureole metamorfizmu kontaktowego są zazwyczaj dość małe, od zaledwie kilku centymetrów wokół małych grobli i żłobów, do nawet 100 m wokół dużych zasobów. Metamorfizm kontaktowy może zachodzić w szerokim zakresie temperatur – od około 300 °C do ponad 800 °C. W zależności od dokładnej temperatury i charakteru skały macierzystej powstają różne minerały.
Choć ciała magmy mogą powstawać w różnych warunkach, jednym z miejsc, gdzie magma jest produkowana w dużych ilościach i gdzie może zachodzić metamorfizm kontaktowy, jest obszar wzdłuż granic konwergentnych ze strefami subdukcji, gdzie tworzą się łuki wulkaniczne (rysunek 10.31). Metamorfizm regionalny zachodzi również w takim otoczeniu, a ze względu na dodatkowe ciepło związane z aktywnością magmową, gradient geotermiczny jest tam zazwyczaj bardziej stromy (między ~40 a 50 °C/km). W tych warunkach wyższe stopnie metamorfizmu mogą zachodzić bliżej powierzchni niż w innych obszarach.
Metamorfizm szokowy
Gdy obiekty pozaziemskie uderzają w Ziemię, rezultatem jest fala uderzeniowa. Tam, gdzie obiekt uderza, ciśnienia i temperatury stają się bardzo wysokie w ułamku sekundy. Delikatne” uderzenie może mieć siłę 40 GPa i podnieść temperaturę do 500 °C. Ciśnienie w dolnym płaszczu zaczyna się od 24 GPa (GigaPascali) i wzrasta do 136 GPa na granicy rdzeń-mantyl, więc uderzenie jest jak zanurzenie skały w głąb płaszcza i ponowne jej uwolnienie w ciągu kilku sekund. Nagła zmiana związana z metamorfizmem uderzeniowym odróżnia go od innych rodzajów metamorfizmu, który może rozwijać się przez setki milionów lat, zaczynając i zatrzymując się w miarę zmiany warunków tektonicznych.
Dwie cechy metamorfizmu uderzeniowego to wstrząśnięty kwarc i stożki odłamków. Wstrząśnięty kwarc (Rysunek 10.32 po lewej) odnosi się do kryształów kwarcu, które wykazują uszkodzenia w postaci równoległych linii w całym krysztale. Kryształ kwarcu na Rysunku 10.32 ma dwa zestawy takich linii. Linie te to niewielkie ilości szklistego materiału wewnątrz kwarcu, powstałe w wyniku niemal natychmiastowego stopienia i resolidyfikacji, gdy kryształ został uderzony przez falę uderzeniową. Stożki odłamków to stożkowate pęknięcia w skałach, również powstałe w wyniku fali uderzeniowej (Rysunek 10.32 po prawej). Pęknięcia są zagnieżdżone razem jak stos lodowych stożków.
Metamorfizm dynamiczny
Metamorfizm dynamiczny jest wynikiem bardzo dużych naprężeń ścinających, takich jakie występują wzdłuż stref uskoków. Metamorfizm dynamiczny zachodzi w stosunkowo niskich temperaturach w porównaniu z innymi rodzajami metamorfizmu i polega głównie na zmianach fizycznych, które zachodzą w skale poddanej naprężeniom ścinającym. Oddziałuje on na wąski obszar w pobliżu uskoku, a skały znajdujące się w pobliżu mogą wydawać się nienaruszone.
Przy niższych ciśnieniach i temperaturach metamorfizm dynamiczny powoduje łamanie i rozdrabnianie skał, tworząc skały kataklastyczne, takie jak brekcja uskokowa (Rysunek 10.33). Przy wyższych ciśnieniach i temperaturach, ziarna i kryształy w skale mogą się odkształcać, nie rozpadając się na kawałki (rysunek 10.34, po lewej). Wynikiem długotrwałego dynamicznego metamorfizmu w takich warunkach jest skała zwana mylonitem, w której kryształy zostały rozciągnięte w cienkie wstążki (Rysunek 10.34, po prawej).
.