Paljastumalla…

Ari Brozinski

Kuvittele itsesi seisomaan valtavalle kalliopaljastumalle. Käännät päätäsi ensin vasemmalle, sitten oikealle. Ympärilläsi avautuu uskomaton, huikaisevan kokoinen yhteinäinen kivi.

Ensin kivi näyttää siltä, kuin mikä tahansa kallio. Astut lähemmäs ja tarkastastelet kalliopaljastumaa tarkemmin. Vähitellen alat erottaa massasta yksityiskohtia, kuten värien vaihtelua, erilaisten kerrosten vuorottelua ja taipumista sekä yksittäisiä väritykseltään eroavia paloja muun kiven seassa. Huomaat pian, että kyseessä ei olekaan valtava kivimassa, vaan pienenpienistä osista rakentuva häikäisevän monipuolinen ja monimutkainen kokonaisuus. Olet kiinnittänyt katseesi metamorfiseen kiveen.

Mitä metamorfoosi on?

Metamorfoosi on kiinteässä tilassa tapahtuva prosessi, jossa kiven mineraalit, koostumus ja/tai mikrorakenne muuttuvat. Tämä johtuu pääosin siitä, että kivi pyrkii sopeutumaan sen ympärillä vallitseviin olosuhteisiin, jotka ovat erilaiset kuin ne, joissa se on muodostunut. Lisäksi olosuhteet ovat erilaiset, kuin Maan pinnalla tai diageneettisessä vyöhykkeessä. Diageneettisellä tarkoitetaan niitä kiveä muuttavia prosesseja, jotka tapahtuvat ennen metamorfoosia. Esimerkiksi rapautuminen ja sulaminen ovat diageneettisia prosesseja.

Metamorfinen kivi syntyy siis muutoksen myötä. Tarvitaan jokin prosessi, joka muuttaa  protoliitin eli alkuperäisen kiven metamorfiseksi kiveksi. Protoliittina voi toimia sedimenttikivi, magmakivi tai ennestään metamorfoitunut kivi. Kivessä tapahtuviin muutoksiin vaikuttavat lämpötila, paine, mekaaninen puristus, venytys tai hierto sekä fluidien läsnäolo.

Miten tunnistan metamorfisen kiven?

Metamorfisen kiven voi tunnistaa seuraavista seikoista (Marshak 2004 mukaan):

• Siinä on metamorfinen tekstuuri eli mineraalirakeet ovat kasvaneet kivessä ja sijaitsevat lomittain
• Siitä löytyy metamorfisia mineraaleja, joita voi kehittyä ainoastaan metamorfoosin olosuhteissa, suuressa paineessa ja lämpötilassa
• Kivessä esiintyy ohutta metamorfista kerrallisuutta, joka on lohkopintojen suuntaista.

Mistä sana metamorfinen tulee?

Sana metamorfinen juontaa juurensa kreikan kieleen, jossa sanojen alku- ja loppuosille on omat merkityksensä. Jos etsit sanakirjasta termin meta, huomaat sen tarkoittavan muutosta. Toisaalta morfi merkitsee muotoa, joten yhdistämällä nämä kaksi sanaa saamme kuvaavan termin kiville, jotka ovat kokeneet suuren muutoksen.

Lämpötilan merkitys metamorfoosissa

Pikkupullien metamorfoosi

Leipoessasi pikkupullia teet ensin taikinan, pilkot sen pieniksi paloiksi ja lopulta paistat sen uunissa. Toisin sanoen raaka taikina muuttuu valmiiksi pullaksi. Sama ilmiö tapahtuu kivessä, kun sitä lämmitetään. Silloin sen sisältämät ”ainesosat” muuttuvat ja tuloksena on metamorfinen kivi. Tämä aiheutuu siitä, että lämpötilan kasvaessa, atomien värähtely nopeutuu, jolloin niiden väliset sidokset venyvät. Lämpötilan edelleen kasvaessa saattaa käydä niin, että mineraalien kemialliset sidokset katkeavat ja atomit muodostavat uusia kemiallisia sidoksia muiden atomien kanssa. Prosessin jatkuessa vaihtaa suuri määrä atomeja paikkaansa mineraalirakeissa ja protoliitti alkaa muuttua metamorfiseksi kiveksi.

Lämpötilarajat

Metamorfoosin tapahtumislämpötilat on määritetty tarkasti, joskin ne vaihtelevat paineesta ja kiven koostumuksesta riippuen. Jonkinlaisena ylärajana metamorfoosille voidaan pitää lämpötilahaarukkaa 1200—2000ºC. Metamorfoosin alalämpötilaa ei ole määritetty tarkasti, mutta jonkinlaisena nyrkkisääntönä voidaan pitää sitä pistettä, jossa alkaa muodostua sellaisia uusia mineraaleja, joita Maan pinnalla ei voi syntyä. Alimmillaan tällainen lämpötila on n. 100ºC tai jopa hieman pienempi. Useimmat metamorfiset kivet ovat syntyneet alimman ja ylimmän lämpötilan välimaastossa, 100—750ºC välillä. Mikäli lämpötila on liian korkea, voi kivi vaihtoehtoisesti osittaissulaa tai sulaa kokonaan.

Paineen merkitys metamorfoosissa

Nemon painekoe

Innokas harrastelijageologi, kapteeni Nemo on lähdössä merille sukellusveneensä (Meritursas) ja miehistönsä kanssa. Matkalla hän haluaa testata painetta, joten yksi miehistön jäsenistä puhaltaa pussillisen vappuilmapalloja ja sitoo ne narulla kiinni sukellusveneen tähystystorniin. Toinen miehistön jäsenistä asentaa painetta ilmaisevan mittalaitteen sukellusveneen runkoon. Asennusten valmistuttua jättää miehistö hyvästit saattajille ja vilkuttaa iloisesti Meritursaan suunnatessa ulapalle painekoetta varten.

Rannikon tuntumassa kapteeni Nemo määrä painotankit täytettäviksi, jolloin Meritursas alkaa vajota kohti pohjaa. Pohjaeliöiden lähestyessä on sukellusveneen miehistö huomannut kaksi asiaa: paine on noussut tasaisesti samalla, kun ilmapallot ovat pienentyneet. Toisin sanoen on ilmapalloihin kohdistunut tasaisesti stressiä niiden joka suunnalta.

Litostaattinen paine

Stressi määritellään tietylle alalle kohdistuvana voimana (F/A) ja siitä käytetään kreikkalaista merkkiä σ (sigma). Paine taas on stressiä, joka tapahtuu yhtäläisesti kaikkialla eli se kohdistaa kiveen yhtä suuren voiman sen jokaiselta puolelta.

Tavallisesti painetta maanpinnan alla olevaan kiveen aiheuttaa sen päällä oleva kivimassa. Kivimassan aiheuttamasta painetta merkitään tunnuksella P tai siitä käytetään nimitystä ”litostaattinen paine”. Myös kiven sisässä olevat fluidit, kuten vesi tai hiilidioksidi saattavat aiheuttaa painetta. Fluidin aiheuttamaa painetta merkitään tunnuksella Pfluidi, PH2O tai PCO2.

Paine kasvaa Maan sisään mentäessä

Lähdettäessä etenemään maanpinnalta kohti planeettamme keskustaa, kasvaa paine noin yhden kilobaarin verran 3,3 kilometrin matkalla. Yleisesti voidaan sanoa, että metamorfoosia tapahtuu jo yhdessä kilobaarissa, mutta se on mahdollista jopa satojen kilobaarien paineessa. Suurin osa maanpinnalla paljastuneista metamorfisista kivistä on kuitenkin peräisin kuoresta ja ylemmästä vaipasta, joten ne ovat enimmäkseen muodostuneet 1—30 kilobaarin paineessa.

Maan pinnalla stabiileilla mineraaleilla on kohtalaisen avoin kiderakenne (eli esim. atomien välillä on runsaasti tilaa). Jos tällaisia mineraaleja altistetaan erittäin suurelle paineelle, alkaa muodostua tiheämpiä mineraaleja ja tapahtuu faasimuunnos, neokristallisaatio tai molemmat.

Lämpötila ja paine yhdessä

Metamorfoosin tapahtuminen tarkoittaa usein paineen ja lämpötilan yhteisvaikutusta. Yhteisvaikutusta on helppo havainnollistaa nk. faasidiagrammin avulla. Faasidiagrammia käytetään graafisesti esittämään kemiallisen systeemin eri faasien rajoja. Rajoihin vaikuttavat lämpötila, paine ja kemiallinen koostumus.

Esimerkiksi faasidiagrammin käytöstä sopii hyvin alumiinisilikaatti (Al2SiO5). Paineesta ja lämpötilasta riippuen voi Al2SiO5 esiintyä kolmena eri mineraalina: andalusiittina, sillimaniittina tai kyaniittina. Kullekin mineraalille on olemassa omat stabiilisuuskenttänsä eli rajat, joiden sisällä lämpötila ja paine voivat vaihdella ilman, että mineraali muuttuu. Jos otamme maan sisästä protoliitin, jonka koostumus on Al2SiO5 ja viemme sen olosuhteisiin, jossa paine on 2kbar ja lämpötila 450ºC, alkaa muodostua andalusiittia. Mikäli paine ja/tai lämpötila kasvavat, alkaa vastaavasti muodostua sillimaniitti- tai kyaniittikiteitä.

Fluidit

Metamorfiset reaktiot tapahtuvat yleensä hydrotermisten fluidien läsnä ollessa. Tavallisia fluideja ovat vesi (H2O) ja hiilidioksidi (CO2). Hydrotermiset fluidit voivat käsittää perinteiset aineen olomuodot eli nesteen ja höyryn, mutta ne voivat esiintyä myös nk. superkriittisessä olomuodossa, jolloin neste- tai höyryfaasia ei voida erottaa. Superkriittinen fluidi käyttäytyy höyryn tavoin tunkeutuen kiven jokaiseen rakoon, mutta se reagoi nesteen tavoin kiven kanssa. Kiven joutuessa kosketuksiin fluidien kanssa tapahtuu kemiallinen reaktio, jonka tuloksena kivestä saattaa esimerkiksi liueta mineraaleja fluidin joukkoon.

Esimerkki metamorfisesta reaktiosta:

Fluidien rooli metamorfoosissa on hyvin tärkeä sillä monet metamorfiset reaktiot vaativat toteutuakseen fluideja. Lisäksi fluidit voivat nopeuttaa reaktioita ja ne voivat ioneja kuljettamalla vaikuttaa kiven kemialliseen koostumukseen metamorfoosin aikana. Prosessia, jossa kiven kemiallinen koostumus muuttuu fluidien vuoksi, kutsutaan metasomaoosiksi.

Fluideja voi joutua kiveen kolmella tapaa (Marshak 2004):

• pohjavedestä
• magmasta (magma on noustessaan kuljettanut fluideja mukanaan)
• metamorfisen reaktion tuloksena.

Miten metamorfoosi ilmenee?

Kataklastisuus ja uudelleen kiteytyminen

Metamorfoosia voi tapahtua myös niin, että kiven mineralogia ei muutu. Esimerkiksi Kataklastisella metamorfoosilla tarkoitetaan kiven mekaanista murentumista sekä hienontumista ja sitä voi kohdistua minkä tyyppiseen kiveen tahansa. Uudelleen kiteytymisessä taas kidehilan ja mineraalirakeiden väliset siteet järjestäytyvät uudelleen ilman, että murenemista tapahtuu. Toisin sanoen rakeiden muoto ja koko muuttuvat, mutta mineraalit säilyvät ennallaan. Esimerkiksi hiekkakiven uudelleen kiteytyessä kvartsihiekkarakeet kasvavat suuremmiksi kvartsikiteiksi kietoutuen tiiviisti toistensa ympärille.

Neokristallisaatio eli uusi kiteytyminen

Neokristallisaatiossa syntyy uusia mineraaleja ja ne ovat koostumukseltaan sellaisia, joita kivessä ei ennen metamorfoosia ollut. Neokristallisaatiossa vaikuttaa yksi tai useampi kemiallinen reaktio, jotka hajottavat protoliitin mineraaleja tuottaen uusia, metamorfisia mineraaleja. Neokristallisaatiossa atomit ”vaeltavat” kiinteiden kiteiden läpi liueten tai saostuen mineraalirakeiden välisillä rajapinnoilla. Fluidit voivat vaikuttaa tähän prosessiin.

Paineliukeneminen

Paineliukenemista tapahtuu, kun kiveä puristetaan epätasaisesti kohtalaisen alhaisessa paineessa ja lämpötilassa. Paineliukeneminen vaatii toteutuakseen fluideja sillä paineen ollessa riittävän suuri, liukenevat mineraalirakeet osittain tuottaen ioneja, jotka vaeltavat fluidin lävitse saostuakseen muualla. Paineliukenemista tapahtuu mineraalin niillä pinnoilla, joihin paine kohdistuu ja toisaalta uusia mineraaleja muodostuu pienemmän paineen alueilla.

Differentiaalistressi

Differentiaalistressissä kiveen kohdistuva voima jakautuu epätasaisesti eli puristus tai venytys voi olla suurempaa esimerkiksi vaakatasossa, kuin pystytasossa. Differentiaalistressi voidaan kahteen tyyppiin: normaalistressiin ja hiertostressiin.

Normaalistressissä kiveen kohdistuu puristusta tai venytystä. Hiertostressiä voi havainnollistaa vaikka setelitukulla. Jos asetat paksun pinon seteleitä pöydälle päällekkäin ja liikutat kättäsi kohtisuoraan pöydän päällä niin, että setelit leviävät, kohdistat niihin hiertostressiä.

Plastinen deformaatio

Kiven joutuessa differentiaalistressin alaiseksi metamorfisissa olosuhteissa, voi se muuttaa muotoaan ilman, että se särkyy. Tällöin puhutaan plastisesta deformaatiosta. Plastista deformaatiota tapahtuu lämpötilan kohotessa, jolloin mineraalit voivat käyttäytyä muovailuvahan tavoin venyen tai puristuen stressin suunnasta riippuen. Plastisen deformaation yhteydessä ei muodostu rakoja eikä mineraalien koostumus muutu. Kiven plastinen deformaatio on hidas prosessi.

Metamorfoosin luokittelu

Metamorfisia kiviä voi muodostua monenlaisissa olosuhteissa. Maan pinnan läheisyydessä metamorfoituneisiin kiviin on kohdistunut pienempi paine ja lämpötila, kuin syvemmällä metamorfoituneisiin kiviin. Tutkimalla metamorfoituneiden kivien tekstuureja ja rakenteita saadaan viitteitä siitä, minkälaisissa olosuhteissa ne ovat muodostuneet.

Kivissä olevien mineraalien voidaan ajatella olevan eräänlaisia lämpö- ja painemittareita, jotka kertovat tapahtumaolosuhteista. Lämpötila ja paine ilmaisevat metamorfoosin astetta ja niiden yhteisvaikutuksesta käytetään myös nimitystä metamorfoosin intensiteetti.

Metamorfoosi voidaan jaotella lämpötilan mukaan alhaiseen asteeseen (200—320ºC), keskiasteeseen (320—600 ºC) sekä korkeaan asteeseen (yli 600 ºC).

Progradinen ja retrogradinen metamorfoosi

Sellaista metamorfoosia, joka tapahtuu paineen ja lämpötilan kasvaessa, nimitetään progradiseksi metamorfoosiksi. Sen aikana uudelleen kiteytyminen ja neokristallisaatio tuottavat aiempaa karkearakeisempia mineraaleja ja mineraaliseurueita, jotka ovat stabiileja uusissa olosuhteissa. Paineen ja lämpötilan edelleen kasvaessa vapautuu metamorfisissa reaktioissa fluideja, mistä johtuen korkean asteen kivet ovat ”kuivempia”, kuin alhaisen asteen kivet.

Erittäin korkean metamorfoosiasteen kivet eivät esimerkiksi sisällä kiillettä sillä sen esiintymisen mahdollistavaa OH –ryhmää ei enää ole. Korkeimman asteen kivet sisältävätkin tyypillisesti vedettömiä mineraaleja, kuten maasälpää, kvartsia, pyrokseenia ja granaattia. Kiilteen hävitessä kivi menettää myös liuskeisuuteensa, mutta siihen voi kehittyä gneissimäinen suuntautuneisuus.

Laskevassa paineessa ja lämpötilassa tapahtuvaa metamorfoosia kutsutaan retrogradiseksi. Koska progradiset reaktiot ovat kuluttaneet vettä, ei retrogradista metamorfoosia voi tapahtua, ellei kiveen lisätä vettä. Näin ollen retrogradista metamorfoosia tapahtuu vain, jos kiveen joutuu fluideja. Retrogradista metamorfoosia voi tapahtua esimerkiksi hiertovyöhykkeessä.

Mineraali-isogradit

Paljastumaa tutkittaessa saatetaan huomata, että sen eri osissa nähdään eriasteisia metamorfisia kiviä. Tämä johtuu siitä, että erilaisissa metamorfisissa olosuhteissa syntyy erilaisia mineraaleja. Tietyn metamorfoosiasteen tunnistamista helpottavat nk. indeksimineraalit, joita syntyy vain tietynlaisissa lämpötila- ja paineolosuhteissa. Indeksimineraalien esiintymistä voidaan kuvata graafisesti PT-diagrammilla, jossa eri kenttiä yhdistävät viivat eli isogradit esittävät rajoja, joissa uusia mineraaleja syntyy (eli on siirrytty toisenlaisiin metamorfisiin olosuhteisiin). Isogradia pitkin liikuttaessa pysyttelee metamorfoosin aste samana. Jokin tietty metamorfinen vyöhyke rajautuu kahden isogradin väliin.

Fasiesluokittelu

Metamorfisia kiviä voidaan luokitella myös nk. fasiesluokittelun avulla. Fasiesluokittelu perustuu ajatukseen, että kiven metamorfisen mineralogian määrää paineen ja lämpötilan lisäksi protoliitin kemiallinen koostumus.

Muista diagrammeista fasiesluokittelu eroaa siinä, että jokainen diagrammin paine-/lämpötilakentän alue heijastelee protoliitin koostumusta. Näin ollen yksi metamorfinen fasies voi sisältää useita erilaisia kiviä, joiden koostumukset eroavat toisistaan. Syntyitä kiviä yhdistävät ainoastaan lämpötila- ja paineolosuhteet.

Reuna-alueiden rajat eivät ole teräviä, vaan siirryttäessä uuusiin PT-olosuhteisiin, muutuvat kiven ominaisuudet vähitellen.

Eri fasiekset on nimetty niille ominaisen ominaisuuden tai mineraalin mukaan. Esimerkiksi vihreäliuskefasieksessa esiintyy usein vihreää kloriittimineraalia ja amfiboliittifasieksen kivet voivat sisältää sarvivälkettä (joka on amfiboli).

Geoterminen gradientti fasiesluokittelussa

Maankuoressa alaspäin liikuttaessa nousee lämpötila kohtalaisen tasaisesti, n. 30ºC kilometrin matkalla. Jos esimerkiksi haluaisimme paistaa makkaraa Maan sisässä, tulisi meidän matkata runsas 7 km, jotta lenkkimme kypsentyisi kunnolla. Jonkinlainen suojavaruste olisi tosin tarpeen sillä muuten hiillostuisimme itsekin makkaran ohella.

Lämpötilan nousunopeutta alaspäin maankuoressa liikuttaessa kutsutaan geotermiseksi gradientiksi. Hyvä keskiarvo geotermiselle gradientille on 30ºC/km, mutta se vaihtelee varsin paljon laattatektonisen ympäristön mukaan. Esimerkiksi alueilla, jossa mantereellinen litosfääri on ohentunut laattojen erkanemisesta johtuen, voi geoterminen gradientti olla jopa 50 ºC/km. Toisaalta, alueilla, jossa mantereellinen litosfääri on vanhaa ja paksua (kuten Suomen kallioperässä) geoterminen gradientti voi olla niinkin alhainen, kuin 20 ºC/km.

Subduktiovyöhykkeillä paine kasvaa lämpötilaa nopeammin sillä alas työntyvä laatta lämpenee hitaasti. Geoterminen gradientti on tällöin loiva. Kontaktimetamorfoosissa taas tilanne on päinvastainen: kuuma magmaintruusio lämmittää ympäröivän kiven tulikuumaksi, mutta paine ei; tuloksena on jyrkkä geoterminen gradientti.

Metamorfooseja on jaoteltu monella tapaa ja tässä yhteydessä esitellään IUGS-SCMR –ohjeistukseen pohjautuva luokittelu (ks. kuva alla), joka on selkeä ja helposti sisäistettävissä.

Alueellista metamorfoosia tapahtuu laajoilla alueilla ja se vaikuttaa suureen kivimassaan.

Alueellinen metamorfoosi liittyy laattatektonisiin prosesseihin, kuten esim. valtamerten keskiselänteisiin (laatat erkanevat) tai vuorijonojen muodostumiseen (laatat törmäävät). Alueelliseen metamorfoosiin kuuluvat mm. Orogneinen, hautautumis- ja merenpohjan metamorfoosi.

Orogeninen metamorfoosi tapahtuu alueellisesti ja se liittyy vuorijonojen muodostumisen eri vaiheisiin laajoilla lämpötila- ja painealueilla. Orogeniseen metamorfoosiin liittyy puristusta ja venytystä.

Hautautumismetamorfoosia tapahtuu useimmiten alueellisesti ja se kohdistuu syvälle hautauneisiin kiviin. Hautautumismetamorfoosiin ei yleensä liity deformaatiota tai magmatismia.

Merenpohjissa tapahtuva metamorfoosi liittyy valtamerten keskiselänteillä vallitsevaan jyrkkään geotermiseen gradienttiin ja sitä voi tapahtua sekä alueellisesti, että paikallisesti. Merenpohjan metamorfoosia tapahtuu, kun kuumat vesipitoiset fluidit kiertävät kivissä. Merenpohjan metamorfoosiin liittyy myös metasomatoosia eli kiven kemiallisen koostumuksen muuttumista.

Kontaktimetamorfoosia esiintyy sekä mantereilla ja merellisessä ympäristössä maanpinnan läheisistä tulivuorista aina vaipan yläosiin saakka.  Kontaktimetamorfoosissa ylöspäin liikkuvat magmat vaikuttavat paikallisesti ympäröivään isäntäkiveen aiheuttaen metamorfoosia. Kontaktimetamorfoosiin voi liittyä myös deformaatiota ja sen yhteydessä syntyy nk. metamorfinen aureoli. Metamorfisesta aureolista voidaan tunnistaa eriasteisia metamorfisia kiviä, jotka muuttuvat etäännyttäessä lämmönlähteestä (magmasta).

Pyrometamorfoosi on kontaktimetamorfoosin tyyppi, jonka ominaispiirre on erittäin korkea lämpötila ja hyvin alhainen paine. Tällaiset olosuhteet voivat syntyä tulivuorissa tai niiden alapuolella.

Dynaaminen metamorfoosi on paikallista ja sitä esiintyy siirros- tai hiertovyöhykkeillä. Dynaamisessa metamorfoosissa kivien raekoko tavallisesti pienenee ja tuloksena syntyy myloniitteja sekä kataklasteja.

Shokkimetamorfoosia tapahtuu paikallisesti ja sen aiheuttaa planetaarisen objektin törmäysvoimasta syntynyt shokkiaalto. Toisin sanoen tapahtuu shokkimetamorfoosia meteoriitin törmätessä maahan.