miniatura|Representación esquemática dunha reacción metamórfica. Abreviaturas dos minerais: act = actinolita; chl = clorita; ep = epidota; gt = granate; hbl = horneblenda; plag = plaxioclasio. Dous dos minerais representados na figura non participan na reacción (cristais rosas e amarelos) e poden ser o cuarzo e o feldespato potásico. Esta reacción ten lugar na natureza cando unha rocha máfica pasa da facies da anfibolita á facies do xisto verde.|250x250px
miniatura| Unha imaxe de sección fina con polarización cruzada dun granate-mica-xisto de Salangen, Noruega mostrando a forte tensión na textura dos xistos. O cristal negro (isotrópico) é granate, as febras de cor rosa-laranxa-amarela son mica moscovita, e os cristais marróns son mica biotita. Os cristais grises e brancos son cuarzo e (limitado) feldespato. |250x250px
O metamorfismo é a transformación de rochas xa existentes (o protólito ou rocha de partida) orixinando outra rocha de diferente composición mineral ou textura chamada rocha metamórfica. O protólito pode ser unha rocha de calquera tipo: sedimentaria, magmática ou mesmo unha rocha metamórfica preexistente (que dará lugar a outra rocha metamórfica distinta). O metamorfismo ten lugar a temperaturas que pasan dos 150 a 200 °C, e a miúdo a presións elevadas ou en presenza de fluídos quimicamente activos, pero a rocha permanece esencialmente sólida durante todo o proceso de transformación. Pero tanto os cambios á alza coma á baixa da presión e temperatura poden orixinar transformacións metamórficas. As rochas estaban estables nunhas determinadas condicións e deixan de estalo cando estas condicións cambian, producíndose cambios nas rochas que as devolven á estabilidade nas novas condicións. O metamorfismo é distinto da meteorización e da diaxénese, que son cambios que teñen lugar na superficie ou relativamente preto da superficie da Terra.
Hai varias formas de metamorfismo, incluíndo o rexional, de contacto (térmico), hidrotermal, de impacto e dinámico. Diferéncianse nas temperaturas e presións características de cada tipo e na velocidade á que ten lugar e o grao en que interveñen fluídos reactivos. O metamorfismo que ocorre cun incremento das condicións de presión e temperatura denomínase metamorfismo prógrado ou progresivo, mentres que a diminución da temperatura e presión caracterizan o metamorfismo retrógrado ou regresivo.
A petroloxía metamórfica é o estudo das rochas metamórficas e da súa formación. Os petrólogos metamórficos utilizan moito a mecánica estatística e a petroloxía experimental para comprender os procesos metamórficos.
Axentes do metamorfismo Os axentes que interveñen no metaformismo son a calor, a presión, a presenza de fluídos. Tamén inflúen a natureza previa da rocha que vai ser afectada e o tempo: A temperatura que afecta as rochas pode proceder da calor dun magma en migración co que están en contacto as rochas, da fricción entre placas tectónicas, do peso asociado a un enterramento profundo, o cal produce (ademais de presión) unha compactación por recristalización que disipa enerxía en forma de calor. A presión pode ser vertical e derivar do enterramento ou ter outra dirección e deberse á converxencia de placas ou á acción de fallas ou choque de meteoritos. Os fluídos circulantes derivan da diferenciación de magmas ascendentes ou son disolucións acuosas alimentadas desde a superficie pero quentadas en rexións profundas. Aínda que a composición destes fluídos se basea na auga, substancias disoltas nela poden desempeñar un papel fundamental na transformación química das rochas.
Ademais dos axentes anteriores, tamén inflúen no resultado final os seguintes factores: A composición inicial da rocha é importante. Un arenito con gran cantidade de cuarzo suxeito a condicións altas de presión e temperatura converterase nunha cuarcita; pero se a rocha inicial é unha calcaria, converterase nun mármore. O tempo é un factor importante, xa que hai procesos metamórficos que o requiren.miniatura|400px|Diagrama de presión-temperatura do metamorfismo|centro
Procesos metamórficos
miniatura|(Esquerda) Os grans están orientados ao chou antes do metamorfismo. (Dereita) Os grans están aliñados perpendicularmente á tensión aplicada se a rocha foi sometida a tensión durantre o metamorfismo. Esta é a razón polo que moitas rochas metamórficas presentan foliación ou bandas.|250x250px
O metamorfismo é o conxunto de procesos polos cales as rochas existentes se transforman física ou quimicamente a elevada temperatura, sen fundirse en ningún grao. A importancia da calor na formación de rochas metamórficas foi recoñecido primeiramente polo naturalista escocés James Hutton, quen se considera o pai da xeoloxía moderna. Hutton escribiu en 1795 que algunhas capas de rocha das terras altas escocesas foran orixinalmente rochas sedimentarias, pero que se transformaron por estar sometidas a unha gran calor.
Hutton tamén especulou que a presión era importante no metamorfismo. Esta hipótese foi comprobada polo seu amigo, James Hall, quen selou creta nun improvisado recipiente a presión construído a partir do tubo dun canón e quentouno nun forno alto de fundición. Hall atopou que isto producía un material que lembraba fortemente ao mármore, en vez de ao habitual cal vivo producido ao quentar a creta ao aire libre. Seguidamente xeólogos franceses engadiron o metasomatismo como outra causa do metamorfismo, é dicir, a circulación de fluídos cargados de minerais a través das rochas enterradas. Porén, o metamorfismo pode ter lugar sen intervención do metasomatismo (metamorfismo isoquímico) ou a profundidades de só uns poucos centos de metros, onde as presións son relativamente baixas (por exemplo, no metamorfismo de contacto).
Unha rocha pode ser transformada sen fundirse porque a calor causa que rompan os enlaces entre átomos, liberando os átomos para que se movan e formen novos enlaces con outros átomos. O fluído que hai nos poros entre os grans dos minerais é un medio importante onde se intercambian os átomos. Isto permite a recristalización dos minerais existentes ou a cristalización de novos minerais con diferentes estruturas cristalinas ou composicións químicas (neocristalización). A transformación converte os minerais do protólito en formas que son máis estables (próximas ao equilibrio térmico) baixo as condicións de presión e temperatura ás que ten lugar o metamorfismo.
O metamorfismo considérase xeralmente que empeza a temperaturas de 100 a 200 °C. Isto exclúe os cambios diaxenéticos debidos á compactación e litificación, que ten como resltado a formación de rochas sedimentarias. O límite superior das condicións metamórficas está no punto de sólidus da rocha, que é a temperatura á que a rocha empeza a fundir. Nese punto, o proceso pasa a ser de tipo ígneo ou magmático. A temperatura de sólidus depende da composición da rocha, da presión e de se a rocha está saturada de auga ou non. As temperaturas típicas de sólidus van desde 650ª C no granito húmido a unha presión duns poucos centos de megapascais (Mpa) ata uns 1080ª C no basalto húmido á presión atmosférica. As migmatitas son rochas formadas nese límite superior (alto metamorfismo), que conteñen cápsulas e veas de material que empezou a fundir pero que non se segregou completamente do residuo refractario.
O proceso metamórfico pode ocorrer a case calquera presión, desde preto da presión da superficie (por metamorfismo de contacto) ata presións de máis de 1.500 Mpa (16 kbar).
Recristalización miniatura|Mostra de basalto (rocha magmática) mostrando a súa textura fina.|250x250px miniatura|A anfibolita formada por metamorfismo do basalto mostrando unha textura grosa.|250x250px
O cambio no tamaño e orientación dos grans da rocha durante o proceso de metamorfismo chámase recristalización. Por exemplo, os pequenos cristais de calcita das rochas sedimentarias calcaria e creta cambian dando unha rocha con cristais máis grandes, que é a rocha metamórfica mármore. No arenito metamorfizado, a recristalización das areas de cuarzo orixinais dá lugar a unha cuarcita moi compacta, tamén chamada metacuarcita, na cal os cristais de cuarzo, xeralmente máis grandes, están entrelazados. Tanto as altas temperaturas coma as altas presión contribúen á recristalización. A temperatura alta permite que os átomos e ións nos cristais sólidos migren, reorganizando así os cristais, mentres que as presións causan a disolución dos cristais da rocha nos seus puntos de contacto (disolución a presión) e a súa redeposición no espazo acuoso dos poros.
Durante a recristalización, a identidade do mineral non cambia, só a súa textura. A recristalización empeza xeralmente cando as temperaturas acadan a metade do punto de fusión do mineral xeralmente medida na escala Kelvin.
A disolución a presión empeza duranre a diaxénese (o proceso de litificación de sedimentos en rochas sedimentarias) pero complétase durante as etapas iniciais do metamorfismo. Para un protólito de arenito, a liña divisoria entre a diaxénese e o metamorfismo pode situarse no punto en que os grans de cuarzo en tensión empezan a ser substituídos por novos cristais de cuarzo pequenos non tensados, producindo unha textura de morteiro que pode identificarse en sección fina baixo un microscopio de polarización. Ao incrementarse o grao de metamorfismo prodúcese unha maior recristalización con textura de escuma, caracterizada por grans poligonais que se xuntan en unións triplas e despois unha textura porfiroblástica (porfírica), caracterizada por grans irregulares grosos, incluíndo algúns grans grandes (porfiroblastos.)
miniatura|Unha milonita vista no microscopio petrográfico.|250x250px As rochas metamórficas son tipicamente máis cristalinas de gran groso que os protólitos a partir dos cales se formaron. Os átomos no interior dun cristal están rodeados por unha disposición estable de átomos veciños. Isto pérdese parcialmente na superficie do cristal, producindo unha enerxía superficial que fai a superficie termodinamicamente inestable. A recristalización a cristais mais grosos reduce a área superficial e así minimiza a enerxía superficial.
Aínda que o aumento do grosor dos grans é un resultado común do metamorfismo, a roha que é intensamente deformada pode eliminar a enerxía de tensión recristalizando como unha rocha de gran fino chamada milonita. Certos tipos de rocha, como as ricas en cuarzo, minerais carbonatos, ou olivina, son especialmente proclives a formar milonitas, mentres que o feldespato e o granate son resistentes á milonitización.
Cambios de fase
O metamorfismo de cambio de fase consiste na formación dun novo mineral coa mesma fórmula química que un mineral do protólito. Isto implica que se ten que producir unha redistribución dos átomos nos cristais. Un exemplo son os minerais de silicato de aluminio cianita, andalucita e sillimanita. Os tres teñen unha composición idéntica, . A cianita é estable nas condicións reinantes na superficie. Porén, á presión atmosférica, a cianita transfórmase en andalucita cando a temperatura chega a 190 °C. A andalucita, á súa vez, transfórmase en sillimanita cando a temperatura acada os 800 °C. A presións por riba de 400 Mpa (4 kbar), a cianita transfórmase directamente en sillimanita a medida que aumenta a temperatura. Un cambio de fase similar obsérvase ás veces entre a calcita e a aragonita, no que a calcita se transforma en aragonita a presións elevadas e temperaturas relativamente baixas.
Neocristalización
A neocristalización é a creación de novos cristais de mineral diferentes dos do protólito. As reaccións químicas dixiren os minerais do protólito, o que dá lugar a novos minerais. Este é un proceso moi lento que pode tamén implicar a difusión de átomos a través de cristais sólidos.
Un exemplo dunha reacción de neocristalización é a reacción da fayalita co plaxioclasio a elevada presión e temperatura para formar granate. A reacción é: