Metamorfa bergarter

Redaktör: Cecilia Aarnio. Efter Ari Brozinskis artikel Mitä ovat metamorfiset kivet?

Vad innebär metamorfos?

Metamorfa bergarter har fått sitt namn från grekiskans meta och morphe som betyder ändring av form. Metamorfa bergarter är ursprungligen magmatiska eller sedimentära bergarter som har blivit utsatta för en förändring i temperatur- och tryckförhållanden från sin ursprungsmiljö. Genom att modifieras, metamorfoseras, anpassar sig ursprungsbergarten, protoliten, till sin nya omgivning. Omvandlingsprocessen sker alltid i fast tillstånd och resulterar i att bergartens mineralogiska sammansättning förändras och därigenom i att en ny, metamorf bergart bildas.

Metamorfa bergarter bildas således till följd av att tidigare bergarter omvandlas. Omvandlingen av protoliten sker, förutom till följd av nya temperatur- och tryckförhållanden, även genom mekanisk hoptryckning, uttöjning och skjuvning samt till följd av volatila komponenters verksamhet och närvaro.

Kännetecknande drag hos metamorfa bergarter

De vanligaste tecknen på att en bergart har genomgått metamorfos är:

• Mineralnybildning. Mineral som har låga kristallisationstemperaturer omvandlas till mineral med högre kristallisationstemperaturer, läs progressiv och regressiv metamorfos lägre ner.

• Metamorfa mineral. Mineral som i huvudsak bildas till följd av metamorfa processer, är säkra tecken på att en bergart har genomgått metamorfos. Exempel på metamorfa mineral är granat, sillimanit och cordierit.

• Metamorfa strukturer. Olika parallellstrukturer, längs vilka en metamorf bergart låter sig klyvas kallas Foliation. Foliationen kan vara skiffrig, gnejsig eller bandad. Lineation beskriver stavformiga mineralaggregat som är ordnade parallellt med varandra. Ifall bergarten har en massformig struktur är mineralkornen slumpmässigt fördelade och saknar orientering.

• Metamorfa texturer hos bergarter är antingen granoblastiska – alla kristallkorn är av samma storlek, eller porfyroblastiska – större kristaller s.k. porfyroblaster har vuxit in i en fin-medelkornig mellanmassa.

Temperaturens roll inom metamorfa processer

Småbröd metamorfoseras också

När du bakar småbröd börjar du med degen. Då degen är färdig skär du den i bitar och gräddar den i ugnen där den råa degen omvandlas, till följd av den höga temperaturen, till småbröd. Samma händelseförlopp sker då en bergart utsätts för förhöjda temperaturförhållanden och genomgår metamorfos. Bergartens sammansättning förändras till följd av att de kemiska bindningarna mellan atomerna i mineralgittret så småningom brister. Protoliten omvandlas till en metamorf bergart i takt med att nya bindningar konstrueras mellan nya atompar.

Metamorfosens temperaturintervall

Metamorfosens temperaturintervall varierar beroende på det rådande trycket i den metamorfa miljön samt på den omgivande berggrundens sammansättning. Temperaturintervallets översta gräns ligger uppskattningsvis vid 1200- 2000ºC. Som lägst ligger metamorfostemperaturen vid ca 100ºC och i sällsynta fall även lägre. Den största delen av de metamorfa bergarterna bildas mellan 100-750ºC. Ifall en bergart smälter till följd av för hög temperatur, metamorfoseras den inte eftersom bergarter endast genomgår metamorfos i fast tillstånd.

Tryckets roll inom metamorfa processer

Litostostatiskt tryck

Begreppet stress, som betecknas (F/A) eller σ (sigma), används för att beskriva en belastning som riktar sig mot en specifik yta av en kropp. Tryck är emellertid stress som påverkar en kropp lika mycket ifrån alla håll. Det litostatiska trycket symboliseras med P och utövas på en bergartsvolym i litosfären. Trycket i litosfären uppstår främst till följd av tyngden av ovanliggande berggrundslager och ökar successivt mot jordens mitt. En annan faktor som också inverkar på det litostatiska trycket är fluider, såsom vatten och koldioxid, inuti berggrunden. Det fluidgenererade trycket betecknas exempelvis PH2O och PCO2.

Trycket ökar in mot kärnan med ungefär en kilobar för varje 3,3 km. Den metamorfa miljön börjar där trycket når 1 kilobar och sträcker sig ner till områden där trycket närmar sig flera 100 kilobar. De flesta metamorfa bergarterna som har påträffats vid jordytan är trots allt formade i jordskorpan och i övre manteln, vilket avspeglar ett tryck på 1-30 kilobar. Mineral som är stabila vid jordytan (t.ex. kvarts) har ett relativt rymligt kristallgitter, dvs. atomerna är orienterade med stora mellanrum. I fall dylika mineral utsätts för väldigt höga tryckförhållanden, förtätas mineralen (likt ballongen i bilden ovan) och omkristalliserar.

Temperaturens och tryckets samverkan inom metamorfa processer

Temperatur och tryck samverkar alltsomoftast i metamorfa processer. För att åskådliggöra denna samverkan används s.k. fasdiagram. Dessa används, förutom för att beskriva variationer i temperatur- och tryckförhållandena i litosfären, även för att beskriva förändringar som sker i bergarternas kemiska sammansättningar då de utsätts för nya temperatur- och tryckförhållanden.

Vad händer exempelvis i en protolit bestående av aluminiumsilikater, Al2SiO5, då temperatur- och tryckförhållandena förändras i dess omgivning? Al2SiO5 förekommer som tre olika mineral beroende på temperatur och tryck: andalusit, sillimanit och kyanit. Var och en av dessa mineral är stabila inom specifika temperatur- och tryckintervall. Om vi då för in en protolit som är rik på aluminiumsilikater i en omgivning där temperatur- och tryckförhållandet är 450ºC och 2 kbar, omvandlas dess mineralsammansättning till andalusit (se bilden ovan). Ifall temperaturen och/eller trycket ökar bildas sillimanit och kyanit på motsvarande sätt.

Ett mineral i en bergart kan således fungera som ett slags temperatur- och tryckmätare. Mineralet berättar oss vilka temperatur- och tryckförhållanden det har kristalliserat i och därigenom även på vilket djup och hur intensiv metamorfosen har varit. På basis av temperaturförhållanden indelas metamorfosens intensitet i: låg metamorfos (200-320ºC), intermediär metamorfos (320-600ºC) samt i hög metamorfos (över 600ºC).

Upplösning av bergarter till följd av tryck

Till följd av riktat tryck, kan mineralen i en bergart lösa upp sig partiellt. Upplösningen kräver fluiders närvaro och inträffar där belastningen är störst. Fluiderna lösgör joner från mineralgittren och transporterar dem till punkter där trycket är lägre. Så småningom formas nya mineral där jonerna samlas.

Differentialstress

Då stressen inte är lika i alla riktningar kallas den differentialstress. Sammanpressningen eller uttöjningen kan exempelvis vara kraftigare i liggande plan än i stående plan. Differentialstress förkommer huvudsakligen i två varianter – normalstress och skjuvstress. Då bergarten utsätts för normalstress pressas den antingen ihop eller så töjs den ut. Processen bakom skjuvstress kan emellertid jämföras med processen som sker då man exempelvis för handen fram och tillbaka över en kortpacke – korten gnider mot varandra och fördelas i olika riktningar.

Plastisk deformation

Ifall en bergart utsätts för differentialstress och defromeras utan att brista, kallas formändringen plastisk deformation. Deformationen sker vanligtvis i samband med höga temperturförhållanden, då mineralen låter sig formas i olika riktningar likt modellera. Plastiska deformationer är långsamma och inte reversibla, i motsats till elastiska defomationer. Vid plastisk deformation sker varken sprickbildning eller ändring i bergartens mineralogiska sammansättning.

Fluiders betydelse i metamorfa processer

De vanligaste litosfäriska fluiderna, vatten (H2O) och koldioxid (CO2), förekommer i jordskorpan i vätskeform och gasform, men även i ett s.k. superkritiskt tillstånd som både vätska och gas samtidigt. Åtminstone en liten mängde fluider finns praktiskt taget i alla bergarter och eftersom fluider bidrar till att material rör sig lättare, bidrar fluider även till att metamorfosen sker lättare. Fluiderna trappar således i de flesta fall upp metamorfosens intensitet och bearbetar bergarternas kemiska sammansättning genom att bidra med tillskott och/eller förlust av grundämnen.

Fluiderna i berggrunden har sitt ursprung i tre huvudsakliga källor:

• Grundvattenreservoarer
• Magma i astenosfären (stigande magma transporterar med sig fluider)
• Fluidbildande metamorfa reaktioner

Metasomatos

Utbyte av grundämnen mellan en bergart och dess omgivning kallas metasomatos. Metasomatiska processer sker vanligen till följd av att kemiskt aktiva gaser och vattenlösningar, s.k. hydrotermala fluider, bearbetar berggrunden. Metasomatos och metamorfos sker ofta i samband med varandra.

Progressiv och regressiv metamorfos

Mineralnybildning är ett av de vanligaste tecknen på att en bergart har genomgått metamorfos.

Till exempel om en lera, som innehåller lermineral med låga kristallisationstemperaturer (illit, kaolin och montmorillonit), metamorfoceras till följd av att temperatur- och tryckförhållandena stiger till exempelvis 450°C och 1 kilobar, omvandlas leran till den metamorfa bergarten fyllit, bestående av mineral med höga kristallisationstemperaturer (albit och klorit).

Leran genomgår i detta exempel en s.k. progressiv metamorfos eftersom lermineralen omvandlades till mineral med högre temperatur- och trycktåligheter. Skulle metamorfosen ha skett i den motsatta riktningen, d.v.s. högtemperaturmineral omvandlas till lågtemperaturmineral, skulle processen ha kallats en regressiv metamorfos.

Metamorfa facies

Ett metamorft facies är ett begränsat temperatur- och tryckintervall där en magmatisk eller sedimentär bergart är i jämvikt med sin omgivning. Ifall förhållandet förändras över en viss punkt tenderar bergarten att modifieras, metamorfoseras, till en ny mineralogisk sammansättning som befinner sig i jämvikt med den nya omgivningen, d.v.s. bergarten övergår i ett nytt facies. Förutom temperatur- och tryckförhållandena återspeglar således fälten inom ett faciesdiagram även protoliternas kemiska sammansättningar. Ett fält kan därför innehålla flera olika bergarter med olika sammansättningar.

Faciesgränserna är tämligen diffusa. I takt med att PT-förhållandena ändras, förändras bergarternas egenskaper så småningom. Vart och ett faciesfält är namngivet enligt, inom ett fält, vanligt förekommande mineral eller bergarter. Exempelvis innehåller grönskifferfacies i många fall gröna kloritmineral samt amfibolitfacies amfiboler såsom hornblände.

Den geotermiska gradienten

Den successiva temperaturtillväxten mot jordklotets mitt kallas den geotermiska gradienten. Medelvärdet på den geotermiska gradienten är vanligen 30ºC/km. Det är emellertid nödvändigt att beakta att den geotermiska gradienten ändrar inom olika plattektoniska miljöer. Exempelvis kan den geotermiska gradienten stiga upptill 50 ºC/km i områden där den kontinentala skorpan har förtunnats till följd av kontinentalspridning. Däremot, kan gradienten vara under 20ºC/km i landskap, såsom i Finland, där litosfären är gammal och tjock.

I subduktionszoner där trycktillväxten är snabbare än temperaturökningen, till följd av att den subducerande oceanplattan uppvärms förhållandevis långsamt, stiger den geotermiska gradienten väldigt långsamt. I områden där det förekommer kontaktmetamorfos är förhållandet det motsatta – den heta magmaintrusionen upphettar kraftigt den omgivande berggrunden medan trycket bibehålls konstant. Detta bidrar till att den geotermala gradienten stiger snabbt.

Olika typer av metamorfos

Olika metamorfa bergarter bildas i olika metamorfa miljöer. Nära jordytan metamorfoserars magmatiska och sedimentära bergarter under relativt låga temperatur- och tryckförhållanden medan bergarter som befinner sig djupt nere i jordskorpan metamorfoseras under högre temperatur och tryck. Genom att studera metamorfa bergarters texturer, strukturer och mineralsammansättningar får vi insikt och kunskap om deras bildningsmiljöer.

Regional metamorfos

Den regionala metamorfosen har som namnet säger en stor utbredning och omfattar stora geologiska massor i jordskorpan. Metamorfosförloppet sker i samband med plattektoniska processer, såsom särgående i spridningszoner samt bergskedjeveckning i kollisionszoner, vilket bidrar till att det ofta förekommer ett riktat tryck (stress) i den regionala metamorfosmiljön. De följande metamorfostyperna tillhör den regionala metamorfosen:

• Orogen metamorfos sker i samband med bergsveckning under höga temperaturer och tryckförhållanden. Bergarterna pressas ihop och töjs ut.
• Diagenes. Efter att sediment avlagras, kan de med tiden omvandlas till fast berggrund. I samband med diagenes kompakteras sedimentlagrens understa skikt till följd av de övre lagrens pressande verkan. Deformation och magmatism förekommer sällan.
• Metamorfos på havsbottnen sker såväl regionalt som lokalt vid oceanernas mittryggar. Heta vattenlösningar cirkulerar i berggrunden och omfördelar metasomatiskt bergarternas kemiska sammansättning.

Kontaktmetamorfos

Då metamorfa, sedimentära och mer sällan magmatiska bergarter kommer i kontakt med en het magmatisk kropp, uppstår i kontakten ett tillstånd av hög temperatur och relativt lågt tryck. Detta leder till att fluider drivs ut från kontakten in i den omgivande bergarten där de infiltreras och bildar en metamorf aureol. I den metamorfa aureolen uppstår ofta högtemperaturmineral med stora kristaller eftersom deras tillväxt gynnas av de cirkulerande fluiderna. Även ovanliga mineral uppstår i samband med kontaktmetamorfos. Detta beror på att den intruderande magman ofta innehåller gaser med relativt stora koncentrationer sällsynta grundämnen.

Pyrometamorfos är ett slags kontaktmetamorf process som sker i höga temperaturförhållanden och väldigt låga tryckförhållanden. Dylika miljöer uppstår exempelvis inuti och vid roten av vulkaner.

Dynamisk eller kataklastisk metamorfos

I de översta delarna av ett tektoniskt aktivt område, där såväl temperaturen som trycket är relativt låga, spelar det riktade trycket en avgörande roll på bergarternas omvandling. Bergarterna i området deformeras längs med specifika zoner, s.k. kross- eller skjuvzoner. Krosszoner är spröda förkastningszoner i jordskorpans övre delar längs med vilka en betydande förskjutning har ägt rum.

Rivningsbreccia bildas ofta i krosszoner. Skjuvzoner är plastiska förkastningszoner och de uppstår i områden där en betydande förskjutning har ägt rum i jordskorpans nedre delar. Skjuvzoner uppträder som både små och stora formationer. Myloniter som bildas i samband med skjuvzoner är i de flesta fall såpass söndermalda att det inte går att identifiera deras mineralsammansättning med blotta ögat.

Impaktmetamorfos

Impaktmetamorfos uppstår i samband med att meteoriter träffar jordytan med en hög hastighet. Denna typ av metamorfos är exempelvis vanligt förekommande på månen. I Norden kan man bäst studera impaktmetamorfa formationer i Siljanringen i sydcentrala Sverige.