Metamorfismi (geologia): miten kivet muuttuvat ja miksi

Metamorfismi (geologia): kuinka ja miksi lämpö, paine ja kemialliset nesteet muuttavat kivet — opi prosessit, mineraalit ja kallioperän muodonmuutokset.

Metamorfismi on geologiassa kivien rakenteen, tekstuurin tai koostumuksen muuttumista. (kiinteän aineen kokonaisuus, joka koostuu yhdestä tai useammasta maankuoren muodostavasta mineraalista).

Kallioperän tieteellistä tutkimusta kutsutaan petrologiaksi.

Kalliot jaetaan yleisesti niiden alkuperän mukaan kolmeen pääluokkaan - magmakiviin, sedimenttikiviin ja metamorfisiin kiviin. Ne ovat syntyneet lämmön, deformoivan paineen, leikkausjännityksen, kuumien/kemiallisesti aktiivisten nesteiden tai näiden yhdistelmän vaikutuksesta. Kaikki nämä muutokset tapahtuvat, kun kivi pysyy pääosin kiinteässä tilassa. Teoriassa kivet muodostuvat, kun niitä ympäröivät asiat ovat tasapainossa ympäröivien fysikaalisten olosuhteiden kanssa. Jos olosuhteet muuttuvat maankuoren liikkeiden tai vulkaanisen toiminnan seurauksena, metamorfoosi palauttaa tasapainon ja muuttaa kivimassan fysikaalista luonnetta.

Miten metamorfismi tapahtuu

Metamorfismissa alkuperäinen kivilaji eli protolith reagoi uusiin olosuhteisiin ilman, että koko kivi sulaa. Muutoksen aiheuttajina ovat pääosin:

• Lämpötila: nostaa mineraalien kineettistä energiaa, mikä voi johtaa kiteiden uudelleenjärjestäytymiseen ja uusien mineraalien muodostumiseen.
• Paine: erityisesti suuntapainetta (deformoiva paine), joka muokkaa mineraalien muotoa ja synnyttää foliatiota eli kerroksellisuutta.
• Fluideiksi kutsutut kuumat nesteet ja kaasut: ne kiihdyttävät kemiallisia reaktioita, kuljettavat ioneja ja voivat muuttaa kivin kemiallista koostumusta (metasomaasi).
• Leikkausjännitys: nopea, erotteleva muokkaus erityisesti siirroissa ja vyöhykkeissä (dynaaminen metamorfoosi).

Metamorfismin tyypit

• Alueellinen metamorfismi: tapahtuu suurilla alueilla, kun vuorijonojen muodostuminen ja tektoninen paine altistavat kivet korkeille paineille ja lämpötiloille.
• Kontaktimetamorfismi: paikallista, johtuu magman lämmöstä ympäröivissä kivissä; yleisesti korkea lämpötila mutta vähäinen suuntapaine.
• Dynaaminen (tai deformaatio-) metamorfismi: syntyy siirto- ja vikasuihkuissa, korostuu mekaaninen muokkaus.
• Hydrotermalinen metamorfismi: kuumat, mineraaleja sisältävät nesteet muuttavat kiven kemiaa ja muodostavat usein rikkauksia (esim. kupari-, sinkki-esiintymät).
• Metasomaasi: voimakasta kemiallista muutosta, jossa nesteiden kautta lisätään tai poistetaan aineosia kiviaineksesta.

Metamorfiset olosuhteet ja fasies

Metamorfoosi luokitellaan usein lämpötila- ja painealueiden perusteella (matala–korkea lämpötila, matala–korkea paine) sekä ainekoostumuksen mukaan (metamorfaattiset fasies). Yleisimmät indeksimineraalit, jotka kertovat metamorfisesta asteesta, ovat esimerkiksi:

• Chlorite — matalan asteen metamorfoosi
• Biotiitti — matala–keskitaso
• Garnetti — keskitason metamorfoosi
• Kyanite ja sillimaniitti — korkean paineen ja lämpötilan indikaattorit

Kun lämpötila kasvaa riittävästi, osa kivestä voi sulaa paikallisesti ja syntyy migmatiittia, joka on osittain metamorfinen ja osittain magmainen.

Tekstuurit ja yleisiä metamorfisia kiviä

Metamorfiset kivet voivat olla foliatisoituneita (kerrostuneet, kiteet suuntautuneet) tai ei-foliatisoituneita (saksetaatio tai yhtenäinen rakenne). Tyypillisiä esimerkkejä:

• Liuskekivi/slate — hyvin hienerakeinen, matalan asteen metamorfismista.
• Phyllite — kiiltävä pinta ja hieno foliatie, hieman korkeampi aste kuin liuskekivessä.
• Schist — selkeästi foliatisoitunut, näkyvät salmiakkimaiset mineraalikiteet (esim. biotiitti, muskovite).
• Gneissi — korkean asteen folioitunut kivi, selkeä karkea vuorottelevien vaaleiden ja tummien kerrosten kanssa.
• Marmori — metamorfoitunut kalkkikivi, rakenne kiteinen ja usein käytössä rakennuskivenä.
• Kvartsiitti — metamorfoitunut kvartsipitoinen kivi (esim. kvartsisandstone), hyvin kovaa ja tiivistä.

Miten tunnistaa metamorfoosin jälkiä

Kenttätutkimuksessa merkit voivat olla:

• Mineralogiset muutokset: ilmenevät uusina mineraaleina tai suurina kiteiksi kasvaneina mineraaleina.
• Tekstuurimuutokset: foliatie, kiven pakkaantuminen tai uusien kiteiden kasvu.
• Rakenneviat ja siirrokset: dynaamisen metamorfismin merkit.
• Värimuutokset ja kiilto: esimerkiksi marmorin valkoisuus tai phylliten kiilto.

Aikaskaala ja palautuminen

Metamorfismi tapahtuu yleensä hyvin hitaasti, usein miljoonien vuosien aikana. Kun olosuhteet palaavat matalammiksi, kivi voi käydä läpi retrogradisen metamorfismin, jossa osa korkeammassa asteessa syntyneistä mineraaleista muuttuu takaisin vakaampiin matalan asteen muotoihin — tämä edellyttää usein nesteiden läsnäoloa, koska kemialliset reaktiot ovat hitaampia jäähtyvässä kivessä.

Merkitys ja hyödyntäminen

Metamorfinen kivilajisto kertoo menneistä olosuhteista ja tektonisista tapahtumista — esimerkiksi vuorijonoihin liittyvistä subduktio- ja kokoonpuristumisprosesseista. Metamorfinen prosessi muodostaa myös taloudellisesti tärkeitä esiintymiä, kuten monia metallirikasteita ja rakennusmateriaaleja (marmori, kvartsitiili, gneissi).

Yhteenveto: Metamorfismi muuttaa kiven fysikaalista ja kemiallista luonnetta lämmön, paineen ja reaktiivisten nesteiden vaikutuksesta. Muutos tapahtuu pääosin kiinteässä tilassa ja tuloksena syntyy monimuotoinen joukko kivilajeja ja tekstuureja, jotka kertovat maankuoren historiallisista prosesseista.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä metamorfismi on geologiassa?

K: Mitä kutsutaan kivien tieteelliseksi tutkimukseksi?

K: Miten kivet luokitellaan niiden alkuperän mukaan?

K: Mitkä tekijät aiheuttavat metamorfismia kivissä?

K: Mitä tapahtuu kivimassan fysikaaliselle luonteelle, kun metamorfoosi tapahtuu?

K: Milloin kalliot muodostuvat teorian mukaan?

K: Mikä aiheuttaa metamorfoosin tapahtumista kivissä?

Hae kirjaimella