Metamorfismens resultat beror på tryck, temperatur och mängden vätska som är inblandad, och det finns många miljöer med unika kombinationer av dessa faktorer. Vissa typer av metamorfism är karakteristiska för specifika plattektoniska miljöer, men andra är det inte.
Burial metamorfism inträffar när sediment begravs tillräckligt djupt för att värmen och trycket gör att mineralerna börjar omkristalliseras och att nya mineraler växer fram, men lämnar inte berget med ett bladliknande utseende. När det gäller metamorfa processer sker begravningsmetamorfism vid relativt låga temperaturer (upp till ~300 °C) och tryck (100-tals meter djup). För det obearbetade ögat är metamorfa förändringar kanske inte alls synliga. Jämför den bergart som är kommersiellt känd som Black Marinace Gold Granite (figur 10.24) – men som i själva verket är ett metakonglomerat – med metakonglomeratet i figur 10.10. Metakonglomeratet som bildats genom nedgrävningsmetamorfism uppvisar inte någon av den foliation som har utvecklats i metakonglomeratet i figur 10.10.
En anmärkning om kommersiella bergartsnamn
Namn som ges till bergarter som säljs som byggnadsmaterial, särskilt för bänkskivor, återspeglar kanske inte den faktiska bergarten. Det är vanligt att man använder termerna granit och marmor för att beskriva bergarter som varken är det ena eller det andra. Även om dessa termer kanske inte ger korrekt information om bergarten skiljer de i allmänhet naturlig bergart från syntetiska material. Ett exempel på ett syntetiskt material är det som kallas kvarts, som omfattar malda kvartskristaller samt harts. Om du råkar vara på marknaden för bänkskivor av sten och är orolig för att få en naturprodukt är det bäst att ställa många frågor.
Regional metamorfism
Regional metamorfism hänvisar till storskalig metamorfism, till exempel vad som händer med kontinentalskorpan längs konvergerande tektoniska marginaler (där plattor kolliderar). Kollisionerna resulterar i bildandet av långa bergskedjor, som de längs Nordamerikas västkust. Kollisionens kraft gör att bergarter viks, bryts och staplas på varandra, så det finns inte bara tryckkraft från kollisionen, utan även från vikten av de staplade bergarterna. Ju djupare stenarna befinner sig i stapeln, desto högre tryck och temperaturer och desto högre grad av metamorfism uppstår. Bergarter som bildas genom regional metamorfism kommer troligen att vara bladformade på grund av det starka riktningsmässiga trycket från konvergerande plattor.
Himalayas bergskedja är ett exempel på där regional metamorfism sker på grund av att två kontinenter kolliderar (figur 10.25). Sedimentära bergarter har både skjutits upp till stora höjder – nästan 9 km över havet – och även begravts på stora djup. Med tanke på att den normala geotermiska gradienten (temperaturökningen med djupet) är cirka 30 °C per kilometer i jordskorpan, kan bergarter som begravts till 9 km under havsytan i den här situationen befinna sig nära 18 km under markytan, och det är rimligt att förvänta sig temperaturer på upp till 500 °C. Lägg märke till sekvensen av bergarter som från, börjar med skiffer högre upp där trycket och temperaturerna är lägre, och slutar med migmatit i botten där temperaturerna är så höga att en del av mineralerna börjar smälta. Dessa bergarter är alla bladiga på grund av den starka kompressionskraften från de konvergerande plattorna.
Seafloor (Hydrothermal) Metamorphism
På en oceanisk spridningsrygg rör sig den nyligen bildade oceaniska jordskorpan av gabbro och basalt långsamt bort från plattagränsen (figur 10.26). Vatten i skorpan tvingas stiga i området nära den vulkaniska värmekällan och drar till sig mer vatten från längre bort. Detta skapar så småningom ett konvektivt system där kallt havsvatten dras in i jordskorpan, värms upp till 200 °C till 300 °C när det passerar genom jordskorpan och sedan släpps ut igen på havsbotten nära åsen.
Passagen av detta vatten genom den oceaniska skorpan vid dessa temperaturer främjar metamorfa reaktioner som förändrar de ursprungliga olivin- och pyroxenmineralerna i berget till klorit ((Mg5Al)(AlSi3)O10(OH)8) och serpentin ((Mg, Fe)3Si2O5(OH)4). Klorit och serpentin är båda hydratiserade mineral som innehåller vatten i form av OH i sina kristallstrukturer. När metamorfoserad havsskorpa senare subduceras omvandlas klorit och serpentin till nya icke-vattenhaltiga mineral (t.ex, granat och pyroxen) och det vatten som frigörs vandrar in i den överliggande manteln, där det bidrar till smältningen.
Den låggradiga metamorfism som sker vid dessa relativt låga tryck och temperaturer kan förvandla mafiska magmatiska bergarter i oceanskorpan till grönsten (Figur 10.27), en icke-folierad metamorf bergart.
Subduktionszonsmetamorfism
I subduktionszoner, där havslitosfären pressas ner i den heta manteln, finns en unik kombination av relativt låga temperaturer och mycket höga tryck. De höga trycken är förväntade med tanke på kraften i kollisionen mellan tektoniska plattor och det ökande litostatiska trycket när den subducerande plattan tvingas djupare och djupare ner i manteln. De lägre temperaturerna beror på att även om manteln är mycket varm är havslitosfären relativt kall och en dålig värmeledare. Det innebär att det tar lång tid för den att värmas upp, den kan vara flera hundra grader kallare än den omgivande manteln. I figur 10.28 lägger du märke till att isotermerna (linjer med samma temperatur, streckade linjer) dyker djupt ner i manteln tillsammans med den subducerande plattan, vilket visar att det finns områden med relativt låg temperatur djupare ner i manteln.
En speciell typ av metamorfism äger rum under dessa förhållanden med mycket högt tryck men relativt låg temperatur, vilket ger upphov till ett amfibolmineral som är känt som glaucofan (Na2(Mg3Al2)Si8O22(OH)2). Glaukofan är blått och den viktigaste beståndsdelen i en bergart som kallas blueschist. Om du aldrig har sett eller ens hört talas om blueschist är det inte förvånande. Det som är förvånande är att någon har sett den! Det mesta av den blåskiffer som bildas i subduktionszoner fortsätter att subduceras. Den förvandlas till eklogit på cirka 35 km djup och sjunker så småningom djupt ner i manteln för att aldrig mer synas. På endast ett fåtal platser i världen har subduktionsprocessen avbrutits och delvis subducerad blueschist har återvänt till ytan. En sådan plats är området kring San Francisco. Blueschist på denna plats är en del av en uppsättning bergarter som kallas Franciscan-komplexet (figur 10.29).
Kontaktmetamorfism
Kontaktmetamorfism sker när en magmakropp tränger in i den övre delen av jordskorpan. Värme är viktigt vid kontaktmetamorfism, men trycket är inte en nyckelfaktor, så kontaktmetamorfism producerar icke-folierade metamorfa bergarter som hornfels, marmor och kvartsit.
Alla typer av magmakroppar kan leda till kontaktmetamorfism, från en tunn dyke till ett stort lager. Metamorfismens typ och intensitet, och bredden på den metamorfa aureolen som utvecklas runt magmakroppen, beror på ett antal faktorer, bland annat typen av landberg, temperaturen hos den inträngande kroppen, kroppens storlek och de flyktiga föreningarna i kroppen (figur 10.30). En stor intrusion kommer att innehålla mer värmeenergi och kommer att svalna mycket långsammare än en liten, och kommer därför att ge längre tid och mer värme för metamorfism. Detta kommer att göra det möjligt för värmen att sträcka sig längre in i landberget och skapa en större aureole. Volatila ämnen kan frigöras från den inträngande smältan och färdas in i landberget, vilket underlättar uppvärmningen och för med sig kemiska beståndsdelar från smältan in i berget. Således tenderar aureoler som bildas runt ”våta” intrusioner att vara större än de som bildas runt deras torra motsvarigheter.
Kontaktmetamorfiska aureoler är vanligtvis ganska små, från bara några centimeter runt små dyk och sills, till så mycket som 100 meter runt ett stort lager. Kontaktmetamorfism kan äga rum inom ett brett temperaturintervall – från cirka 300 °C till över 800 °C. Olika mineraler kommer att bildas beroende på den exakta temperaturen och landbergets beskaffenhet.
Och även om magmakroppar kan bildas i en mängd olika miljöer, är en plats där magma produceras i riklig mängd, och där kontaktmetamorfism kan äga rum, längs konvergerande gränser med subduktionszoner, där vulkaniska bågar bildas (figur 10.31). Regional metamorfism äger också rum i denna miljö, och på grund av den extra värme som är förknippad med den magmatiska aktiviteten är den geotermiska gradienten vanligtvis brantare i dessa miljöer (mellan ~40 och 50 °C/km). Under dessa förhållanden kan högre grader av metamorfism äga rum närmare ytan än vad som är fallet i andra områden.
Shockmetamorfism
När utomjordiska objekt träffar jorden blir resultatet en chockvåg. Där objektet träffar blir trycket och temperaturen mycket höga på en bråkdel av en sekund. En ”mild” nedslag kan träffa med 40 GPa och höja temperaturen upp till 500 °C. Trycket i den nedre manteln börjar vid 24 GPa (GigaPascal) och stiger till 136 GPa vid gränsen mellan kärnan och manteln, så nedslaget är som att störta stenen djupt ner i manteln och släppa ut den igen inom några sekunder. Den plötsliga förändring som är förknippad med chockmetamorfism gör att den skiljer sig mycket från andra typer av metamorfism som kan utvecklas under hundratals miljoner år och som börjar och slutar i takt med att de tektoniska förhållandena förändras.
Två kännetecken för chockmetamorfism är chockad kvarts och splitterkoner. Chockad kvarts (figur 10.32 till vänster) avser kvartskristaller som uppvisar skador i form av parallella linjer genom hela kristallen. Kvartskristallen i figur 10.32 har två uppsättningar av dessa linjer. Linjerna är små mängder glasartat material i kvartsen, som bildats genom nästan omedelbar smältning och återförening när kristallen träffades av en chockvåg. Splitterkoner är kägelformade sprickor i stenarna, som också är resultatet av en chockvåg (figur 10.32 till höger). Sprickorna är inordnade i varandra som en stapel av glasskoner.
Dynamisk metamorfism
Dynamisk metamorfism är resultatet av mycket höga skjuvspänningar, som till exempel uppstår längs förkastningszoner. Dynamisk metamorfism sker vid relativt låga temperaturer jämfört med andra typer av metamorfism, och består huvudsakligen av de fysiska förändringar som sker i en bergart som utsätts för skjuvspänning. Den påverkar ett smalt område nära förkastningen, och bergarter i närheten kan verka opåverkade.
Vid lägre tryck och temperaturer kommer dynamisk metamorfism att ha effekten att bergarter bryts och slipas, vilket skapar kataklastiska bergarter som förkastningsbreccia (figur 10.33). Vid högre tryck och temperaturer kan korn och kristaller i berget deformeras utan att brytas i bitar (figur 10.34, vänster). Resultatet av långvarig dynamisk metamorfism under dessa förhållanden är en bergart som kallas mylonit, där kristallerna har sträckts ut till tunna band (figur 10.34, höger).
