Metamorfism (geoloogia): kivimite struktuuri, tekstuuri ja koostise muutumine

Metamorfism on geoloogias kivimite struktuuri, tekstuuri või koostise muutumine tingimustes, kus kivim jääb põhimõtteliselt tahkesse olekusse. (Kivim on tahke aine kogum, mis koosneb ühest või mitmest maakoore moodustavast mineraalist.) Metamorfism ei ole seega sulamine ja uuestisüttimine, vaid kivimi ehituse ja mineraalide ümberkujunemine suurema temperatuuri, rõhu, deformatsiooni või keemiliselt aktiivsete vedelike mõjul.

Kivimite teaduslikku uurimist nimetatakse petroloogiaks. Petroloogia hõlmab ka metamorfiitseid protsesse, et mõista, kuidas ja miks kivimid oma omadusi muutavad.

Kivimid jagatakse nende päritolu järgi tavaliselt kolme suurde klassi — magmakivimid, settekivimid ja metamorfsed kivimid. Metamorfsed kivimid on tekkinud kuumuse, deformeeriva surve, lõikepinge, kuumade või keemiliselt aktiivsete vedelike või nende kombinatsiooni mõjul. Kõik need muutused toimuvad, samas kui kivim jääb tahkesse olekusse. Teoreetiliselt on kivim algselt tasakaalus oma ümbruse füüsikaliste tingimustega; kui need tingimused muutuvad (näiteks maakoore liikumise või vulkaanilise tegevuse tõttu), taastub tasakaal metamorfismi kaudu, muutes kivimi füüsikalist ja keemilist iseloomu.

Peamised tegurid ja protsessid

Temperatuur: tõus soodustab mineraalide rekristalliseerumist ja uute stabiilsemate mineraalide tekkimist (nt savimineraalid → kloriit → biotiit → amfibool → pürokseen vastavalt kasvavale temperatuurile).
Rõhk: ühtlane (litostaatiline) rõhk ja suunatud (deformeeriv) rõhk mõjutavad mineraalide orientatsiooni ning tekivad foliaatsioon ja kihtistus.
Deformatsioon: nihe ja pinge põhjustavad kivimi mikromurdumist, rekristalliseerumist ja uute strukturaalsete omaduste (nt schistosity) teket.
Vedelikud: hüdrotermilised või muud vedelikud kannavad laiali ione ja soodustavad keemilisi reaktsioone ning mineraalimuutusi.
Keemiline koostis: algse kivimi (protolithi) koostis määrab, milliseid uusi mineraale võib tekkida.

Metamorfismi tüübid

Regionalne (mäestikuline) metamorfism: tekib suurel alal kõrge temperatuuri ja rõhu mõjul, sageli seotud plaattektoonika kokkupuutepiirkondadega (kokkusurutud vöötmetes ja mäestike tekkimisel).
Kontaktmetamorfism: tekib siis, kui kivim kuumeneb läheneva magmakolde mõjul — mõjud on lokaalsemad ja temperatuurikesksed.
Dünaamiline (kitsemõjuline) metamorfism: seotud tugevate mehaaniliste pingete ja nihkega, nt tektooniliste lõhede lähedal; domineerivad deformatsioonist tingitud muutused.
Hüpotermaalne/hüdrotermalne metamorfism: vesilahuste tugev mõju põhjustab keemilisi ümberkorraldusi ja mineraalide transporti.
Kontakt-dünaamiline kombinatsioon: kui korraga esinevad kõrge temperatuur ja tugev deformatsioon (nt magsmakenkides), võivad tekkida keerukad metamorfsed tekstuurid.

Tekstuurid ja tunnused

Metamorfsete kivimite peamised välised ja mikroskoopilised tunnused aitavad neid tuvastada:

Foliatsioon: mineraalikihtide või lamellide tekkimine suunatud rõhu mõjul (näiteks liustunud savikivimist tekkinud lehtkivi ja kihiline schist).
Schistosity ja gneissic banding: schistosity on tugev foliaatsioon koorunud mineraalide tõttu; gneissil on selgelt eristatavad röstid helveste ja plaatide vahel.
Rekristalliseerumine: mineraaliterade kasvu ja joonte ümberkujundamine, mis vähendab algset settekivimi struktuuri.
Index-mineraalid: teatud mineraale (nt garnett, stauroliit, kyaniit, sillimanit) kasutatakse metamorfse temperatuuri ja rõhu ligikaudseks hindamiseks.

Metamorfsete kivimite näited

Lehtkivi: madala astme metamorfismist tekkinud tihedalt kihtunud kivim settekivimitest (nt savikivi).
Schist (sherst): keskmise astme metamorfism, kus esinevad nähtavad kihid ja läikivad lehed (biotiit, muskoviit).
Gneiss: kõrge astme metamorfist tekkinud röstiline kihtistus, tavaline algmaterjaliks granitne või settekivimid.
Marmor: metamorfiseerunud lubjakivi, tuntud ehituskivina ja skulptuuride materjalina.
Kvartsit: metamorfiseerunud kvartsirikas liivakivi, väga kõva ja vastupidav.

Metamorfse astme ja facies kontseptsioon

Metamorfne aste viitab temperatuuri ja rõhu tasemele, milles muutused toimusid (madalast kuni kõrgeni). Metamorfne facies on tööriist, millega geoloogid rühmitavad kivimeid ja mineraale vastavalt nende tekketingimustele — see aitab tõlgendada maakoore tingimusi minevikus.

Protolith ja retrogradatsioon

Metamorfseid kivimeid uurides on oluline teada protoliiti ehk algset kivimi tüüpi (magmaatiline, settekivim või varasem metamorfsus). Kui tingimused maakoores hiljem langevad (jahenemine, rõhu langus), võib toimuda retrograde metamorfism — mõningane kõrgemate tingimustega tekkinud mineraalide muundumine tagasi madalama astme mineraalideks, sageli vedelike juuresolekul.

Miks metamorfism on oluline

See annab infot maa koorikuliikumiste ja mäestike tekkemehhanismide kohta.
Metamorfsed protsessid kontrollivad looduslike ressursse: paljud mineraalivarud (nt vase-, plaatina- ja väärismetallide kontsentratsioonid) on seotud metamorfsete ja hüdrotermiliste protsessidega.
Metamorfsed kivimid (marmor, kvartsit, gneiss) on olulised ehitus- ja dekoratiivmaterjalid.

Kuidas määrata, kas kivim on metamorfne

Vaatlus: foliaatsioon, kihtistus, suuremad mineraalikooslused.
Mineraalsete index-ehk tunnusmineraalide olemasolu.
Petroloogilised uurimismeetodid: kivimi mikroskoopia, keemiline analüüs ja sise-fraktsioonide uurimine.

Kokkuvõtlikult on metamorfism protsess, mis muudab kivimite mehaanilisi, tekstuurilisi ja keemilisi omadusi ilma sulamiseta. Selle mõistmine aitab tuvastada maakoore ajaloolisi tingimusi, selgitada geoloogilisi protsesse ja leida majanduslikult olulisi setmeid ja mineraale.

Küsimused ja vastused

K: Mis on metamorfism geoloogias?

V: Metamorfism on kivimite struktuuri, tekstuuri või koostise muutumise protsess, mis on tingitud erinevatest teguritest.

K: Mida nimetatakse kivimite teaduslikuks uurimiseks?

V: Kivimite teaduslikku uurimist nimetatakse petroloogiaks.

K: Kuidas liigitatakse kivimeid nende päritolu järgi?

V: Kivimeid liigitatakse nende päritolu järgi kolme suurde klassi - vulkaanilised, settekivimid ja metamorfsed.

K: Millised tegurid põhjustavad kivimite metamorfismi?

V: Tegurid, mis põhjustavad kivimites metamorfismi, on soojus, deformeeriv surve, nihkepinge, kuumad/keemiliselt aktiivsed vedelikud või nende kombinatsioon.

K: Mis juhtub kivimassi füüsikalise iseloomuga, kui toimub metamorfism?

V: Metamorfismi toimumisel muutub kivimassi füüsikaline iseloom, jäädes samas sisuliselt tahkesse olekusse.

K: Millal kujunevad kivimid teooria kohaselt?

V: Teooria kohaselt tekivad kivimid siis, kui neid ümbritsevad asjad on tasakaalus ümbritsevate füüsikaliste tingimustega.

K: Mis põhjustab kivimites metamorfismi?

V: Maakoores toimuvad liikumised või vulkaaniline tegevus võivad muuta tingimusi, põhjustades metamorfismi, et taastada tasakaal ja muuta kivimassi füüsikalist iseloomu.