2.4 Metamorfe bergarter

Bergarter som forvandles

Det greske ordet metamorfose betyr «å forvandles». Og det er nettopp det som skjer med metamorfe bergarter: en allerede eksisterende bergart -- vi kaller den protolitten -- utsettes for nye forhold av trykk og temperatur, og forvandles til noe nytt. Men her er det avgjørende: bergarten smelter ikke. Smelter den, er vi tilbake til magmatiske bergarter.

Hva skjer egentlig under metamorfosen? Mineralene rekrystalliserer til større krystaller, helt nye mineraler dannes som er stabile under de nye forholdene, teksturen og strukturen endres -- men den kjemiske sammensetningen bevares stort sett. Metamorfose skjer i et temperaturvindu mellom rundt 200 grader og bergartens smeltepunkt. Under 200 grader skjer det for lite; over smeltepunktet får vi magma i stedet.

Kort sagt: metamorfose er omdanning av bergarter i fast tilstand som følge av endringer i temperatur, trykk eller kjemisk miljø.

Tre krefter som forvandler stein

Hva er det som driver forvandlingen? Tre faktorer samarbeider.

Den første er temperatur. Den øker med dypet langs den geotermiske gradienten, rundt 25--30 grader per kilometer, og gir energien som trengs for kjemiske reaksjoner og rekrystallisering.

Den andre er trykk, og her må vi skille mellom to typer. Litostatisk trykk er overlagringstrykket fra bergmassene over, og det øker med dypet og virker likt i alle retninger. Rettet trykk (differensialtrykk) virker derimot sterkere i én retning, og oppstår ved tektonisk deformasjon. Det er det rettede trykket som gir bergarten en foliert, lagdelt tekstur -- mineralene presses til å stille seg på rekke.

Den tredje faktoren er fluider -- vann og $CO_2$ som beveger seg gjennom berget. De akselererer de kjemiske reaksjonene og kan både tilføre og fjerne grunnstoffer.

Tre måter å metamorfosere på

Metamorfose skjer ikke alltid på samme måte. Det finnes tre hovedtyper, avhengig av hvilke krefter som dominerer.

Regional metamorfose er den vanligste. Den skjer over enorme områder, hundrevis til tusenvis av kvadratkilometer, og er knyttet til fjellkjededannelse. Her virker både høyt trykk og høy temperatur, og det rettede trykket gir folierte bergarter med tydelig skifrighet eller gneis-bånding.

Kontaktmetamorfose skjer rundt magmakropper, altså intrusjoner. Her er det først og fremst varmen fra magmaet som driver omdanningen, mens det rettede trykket er lavt. Resultatet er en sone -- en aureole -- rundt intrusjonen, ofte med ikke-folierte bergarter.

Dynamisk metamorfose skjer langs forkastninger og skjærsoner, der det rettede trykket er svært høyt. Den kan gi mylonitt, en finknust bergart.

Nøkkelbegrepet her er foliasjon: en parallell orientering av plate- eller nåleformede mineraler som gir en lagdelt eller skifrig tekstur. Foliasjon dannes under rettet trykk og er typisk for regional metamorfose.

Et galleri av metamorfe bergarter

La oss møte de vanligste metamorfe bergartene, sortert etter om de er folierte eller ikke.

De folierte bergartene kommer fra regional metamorfose, og de danner en flott serie med økende metamorfosegrad. Skifer (slate) er finkornet med fullkommen kløv, dannet ved lav grad fra leirstein. Fyllitt ligger et hakk høyere, med en silkeaktig glans og glimmerkrystaller synlige under lupe. Glimmerskifer har medium grad, tydelige glimmerkrystaller og kan inneholde granat. Og øverst troner gneis med høy metamorfosegrad, kjent på sin karakteristiske bånding av lyse og mørke mineraler. Gneisens protolitt kan ha vært granitt eller sedimentære bergarter.

De ikke-folierte bergartene mangler den parallelle orienteringen. Marmor er metamorf kalkstein -- rekrystallisert kalsitt som fortsatt bruser med syre. Kvartsitt er metamorf sandstein, nesten ren kvarts og svært hard. Og hornfels er en finkornet, hard bergart dannet ved kontaktmetamorfose.

La oss identifisere en ukjent bergart. Den viser tydelig bånding med vekslende lyse og mørke lag. De lyse lagene inneholder kvarts og feltspat, de mørke biotitt og amfibol, og krystallene er mellomstore til store. Båndingen av lyse og mørke mineraler er karakteristisk for gneis. De mellomstore til store krystallene viser høy metamorfosegrad, og den folierte teksturen avslører regional metamorfose med rettet trykk. Bergarten er altså gneis: protolitten -- kanskje granitt eller sedimentære bergarter -- ble utsatt for høyt trykk og temperatur i en fjellkjede, og mineralene orienterte seg i bånd vinkelrett på trykkretningen.

Oppsummering

Metamorfose er omdanning av en bergart (protolitten) i fast tilstand, drevet av temperatur, trykk og fluider -- uten at bergarten smelter. Vi skiller mellom litostatisk trykk (likt i alle retninger) og rettet trykk, som gir foliasjon. Det finnes tre typer: regional metamorfose ved fjellkjeder (folierte bergarter), kontaktmetamorfose rundt intrusjoner, og dynamisk metamorfose langs forkastninger.

De folierte bergartene danner en serie med økende grad: skifer, fyllitt, glimmerskifer og gneis. De ikke-folierte inkluderer marmor (fra kalkstein), kvartsitt (fra sandstein) og hornfels. Ved å lese tekstur og mineralinnhold kan vi, som med gneisen, slå fast både bergartstypen og dannelseshistorien.