Le rocce metamorfiche si formano, all'interno della crosta terrestre, da una serie di trasformazioni mineralogiche e strutturali che interessano rocce di vario tipo, in risposta a un ambiente fisico (pressione litostatica, temperatura, presenza/assenza e composizione dei fluidi) mutato rispetto a quello in cui le rocce si sono originate. Queste trasformazioni avvengono allo stato solido, cioè senza fusione della roccia, e il vasto campo di pressioni (P) e temperature (T) in cui avvengono è il campo del metamorfismo.
La profondità alla quale le trasformazioni avvengono va da qualche km sotto la superficie fino all'astenosfera. Le profondità minori riguardano parte delle rocce sottoposte a metamorfismo di contatto, metamorfismo di fondo oceanico e metamorfismo di seppellimento. Le profondità massime vengono raggiunte dalle rocce sottoposte a subduzione. A profondità comprese tra circa 10 km e 30-40 km, infine, si collocano le rocce prodotte dal metamorfismo regionale nelle aree di collisione tra placche litosferiche. Si calcola che le rocce metamorfiche costituiscano circa il 27% del volume totale della crosta terrestre.
Le trasformazioni che originano le rocce metamorfiche A livello mineralogico il metamorfismo produce nelle rocce la ricristallizzazione in nuove forme e con nuovi orientamenti dei minerali esistenti e/o la formazione di minerali di nuove specie, in parte esclusive delle rocce metamorfiche. A questi cambiamenti di forma e di specie dei cristalli si dà il nome di blastesi.
A livello strutturale produce cambiamenti più o meno intensi nel "fabric" Il termine "fabric" indica il tipo e l'intensità dell'orientazione preferenziale di granuli minerali o gruppi di granuli in una roccia, visibili alla scala di un affioramento roccioso, di un campione a mano o al microscopio. Comprende quindi sia le strutture a grande scala che le tessiture (o microstrutture). della roccia, con o senza riorientamento dei cristalli. Nel primo caso il fabric prodotto è isotropo (i cristalli sono orientati in modo casuale) nel secondo il fabric è anisotropo (i cristalli sono orientati lungo particolari linee o superfici chiamate rispettivamente lineazioni e foliazioni). Il fabric isotropo è tipico delle rocce metamorfiche sottoposte alla sola pressione litostatica dovuta alla profondità, mentre quello anisotropo è dovuto a una pressione aggiuntiva: la pressione orientata (o stress), dovuta a forze compressive o a sforzi di taglio lungo piani di movimento generati da spinte tettoniche.
Dal protolito alla roccia metamorfica La composizione mineralogica delle rocce metamorfiche non dipende solo dalle variazioni di pressione temperatura e dall'azione dei fluidi. Il metamorfismo è un processo isochimico, vale a dire che si possono generare nuovi minerali nella roccia ma non cambia, se non in modo marginale, il chimismo complessivo, ossia la composizione chimica della roccia di partenza, detta protolito, viene conservata. Come ad ogni protolito corrispondono diverse paragenesi o associazioni di minerali metamorfici nelle diverse condizioni di P-T, così nelle stesse condizioni di P-T ogni protolito darà origine a paragenesi diverse, proprie della sua composizione chimica.
Quindi si può risalire al protolito della roccia metamorfica sia dall'analisi delle sue paragenesi che dalla sua analisi chimica. Un'altra possibilità di riconoscimento è che la roccia metamorfica conservi parte del fabric e/o della mineralogia originarie del protolito, cosa che avviene spesso alle più basse temperature del metamorfismo. In questo caso alla roccia metamorfica si dà il nome del protolito preceduto dal prefisso meta- (ad es. metabasalto, metaconglomerato ecc.).
Il protolito può essere una roccia qualunqueSolo le rocce sedimentarie evaporitiche e alcune rare rocce ignee fortemente alcaline sembrano non avere equivalenti nelle rocce metamorfiche: ignea - intrusiva o effusiva - sedimentaria o già metamorfica per un precedente metamorfismo. L'aggiunta di calore nel processo metamorfico comporta tipicamente il rilascio di volatili (H2O, CO2 ecc.), che sono immagazzinati nei silicati idrati (per es. minerali delle argille, miche, anfiboli), carbonati e altri minerali contenenti componenti volatili. Quindi molte rocce metamorfiche sono tipicamente impoverite in volatili rispetto al loro protoliti.
Principali tipi di protoliti e loro trasformazioni metamorfiche Tenendo presente che le rocce hanno uno spettro composizionale continuo e quindi ogni distinzione in classi è un artificio per semplificarne la trattazione, si possono distinguere in base alla composizione chimica 7 tipologie di base di protoliti, ciascuna con i propri minerali e le proprie paragenesi metamorfiche: Rocce ultramafiche Sono le rocce ignee a più alto contenuto di minerali ferro-magnesiaci (peridotiti, pirosseniti ecc.), composte da pirosseno e olivina e senza o con pochi feldspati. Alle più alte temperature metamorfiche danno origine a rocce composte dagli stessi minerali più eventuale spinello e Mg-Fe-granati, mentre a temperature inferiori contengono combinazioni di serpentino, talco, brucite, clorite, tremolite, magnetite e, dove la fugacità di CO2 è adeguata per la stabilizzazione, anche a dolomite o magnesite.
Rocce mafiche Sono essenzialmente le rocce ignee basiche (gabbri-basalti) ma anche, in alcuni casi, dolomie argillose e marne. Nelle corrispondenti rocce metamorfiche sono abbondanti i silicati ricchi in Mg-Fe-Ca, come actinolite, orneblenda, pirosseno, granato, epidoto, plagioclasio, clorite e pumpellyite. Gli equivalenti metamorfici di questi protoliti sono spesso chiamati in letteratura con il nome comprensivo di metabasiti. Rocce quarzo-feldspatiche o felsiche Sono sia le rocce magmatiche felsiche (granitoidi in senso esteso ed equivalenti effusivi) che le arenarie litiche e feldspatiche. Oltre al quarzo e ai feldspati, le corrispondenti rocce metamorfiche contengono minori quantità di biotite, clorite, anfibolo, pumpellyite, stilpnomelano e ossidi di ferro-titanio. Occorre precisare che, senza la presenza di fabric relitti o l'osservazione di strutture critiche sul campo, è impossibile discriminare il protolito di origine tra le diverse rocce intrusive ed effusive, i tufi, le ossidiane e i differenti tipi di arenaria. Rocce pelitiche Sono le rocce sedimentarie ricche di argilla, come le argilliti e le siltiti. Le corrispondenti rocce metamorfiche (metapeliti) sono caratterizzate da silicati ricchi di alluminio, come i polimorfi di Al2SiO5 (andalusite, sillimanite, cianite), cordierite, granato almandino e staurolite. Il quarzo è quasi sempre presente con abbondanti miche - sia biotite che miche chiare - che sono assenti solo alle più alte temperature, dove sono sostituite da combinazioni di alcali feldspato, polimorfi di Al2SiO5, ossidi di ferro-titanio e pirosseni. In alcune metapeliti è presente anche la grafite.
Rocce calcaree Sono i calcari e le dolomie più o meno puri. In assenza di quarzo e altri silicati calcite e dolomite sono stabili in un ampio spettro di P-T, subendo solo una ricristallizzazione, ma all'aumentare dei silicati si passa alla categoria successiva.
Rocce a silicati di calcio Sono rocce carbonatiche impure per la presenza di argilla e/o quarzo o rocce carbonatiche metasomatizzate in un'aureola di contatto (skarn). Le corrispondenti rocce metamorfiche contengono carbonati di Ca, Mg, Fe e localmente Mn più numerosi silicati ricchi in calcio come il granato grossularia-andradite, la vesuvianite, i minerali del gruppo dell'epidoto, le soluzioni solide diopside-hedembergite, la wollastonite e la tremolite.
Rocce ferruginose Comprendono le rocce precambriane delle cosiddette banded iron formations e le selci marine. Le selci metamorfosate sono composte da quarzo e quantità accessorie di silicati di Fe-Mn, come il granato spessartite, l'epidoto piemontite e il pirosseno riebeckite.
Le strutture delle rocce metamorfiche Oltre che da specifiche paragenesi o associazioni di minerali, le rocce metamorfiche sono caratterizzate anche da specifiche strutture, utilizzate come criterio per la loro classificazione. Per "struttura" si intende la disposizione di parti di una massa rocciosa irrispettiva della scala di osservazione, incluse le interrelazioni tra le parti, la loro forma e le caratteristiche interne. I prefissi micro-, meso- e mega- sono utilizzati per definire rispettivamente la scala microscopica, la scala del campione a mano e dell'affioramento roccioso e la scala più ampia di un corpo roccioso. È in parte sinonimo di fabric, termine specifico per indicare il tipo e il grado di orientazione preferenziale di granuli minerali o gruppi di granuli nella roccia. Le strutture delle rocce metamorfiche forniscono informazioni essenziali sul tipo di ambiente tettonico nelle quali si sono formate e sulla natura del metamorfismo. La definizione dei termini in questo paragrafo segue le raccomandazioni della Sottocommissione sulla Sistematica delle Rocce Metamorfiche (SSMR) dello IUGS (International Union of Geological Sciences) Fettes D., Desmons J. - Metamorphic rocks: a classification and glossary of terms. Recommendations of the International Union of Geological Sciences Subcommission on the Systematics of Metamorphic Rocks (2007) - Cambridge University Press.
Layering: viene di solito usato nella lingua inglese (si potrebbe tradurre con bandaggio, listatura o struttura a bande, strati, lamine). È una sequenza di domìni rocciosi tabulari subparalleli, diversi per composizione, normalmente di spessore da millimetrico a centimetrico.
Foliazione: qualunque aspetto strutturale planare penetrativo o che si presenta ripetitivamente in un corpo roccioso: layering fine, orientazione preferenziale di minerali inequanti (lamellari, tabulari, prismatici, appiattiti per deformazione e ricristallizzazione) o di aggregati lenticolari di granuli minerali ecc. La roccia può presentare più foliazioni e queste possono essere piegate o deformate. Scistosità: è un tipo di foliazione prodotto dalla deformazione e/o ricristallizzazione della roccia risultante in un'orientazione preferenziale dei granuli minerali inequanti, specialmente di quelli lamellari (miche, cloriti ecc.), sconfina nello slaty cleavage quando la roccia è ricca di fillosilicati e i granuli sono così piccoli da non potersi distinguere ad occhio nudo.
Clivaggio: un tipo di foliazione consistente in una sequenza regolare di superfici parallele o subparallele strettamente spaziate prodotte da deformazione e lungo le quali la roccia si divide preferenzialmente. Esistono diversi tipi di clivaggio: Slaty cleavage: una foliazione sviluppatasi indipendentemente dalla stratificazione del protolito e costituita da una disposizione strettamente parallela di fogli di fillosilicati a grana finissima; Fracture cleavage: un clivaggio definito da una regolare sequenza strettamente spaziata di fratture; Crenulation cleavage: un clivaggio collegato a un micropiegamento (crenulazione) di una preesistente foliazione.
Struttura gneissica: un tipo di foliazione a scala del campione a mano prodotta da deformazione e ricristallizzazione e definita da: (1) layering irregolare o poco definito; (2) aggregati lenticolari o a forma d'occhio di granuli minerali (tessitura occhiadina, tessitura flaser); (3) minerali inequanti presenti in scarsa quantità e che comunque definiscono una scistosità poco svviluppata. Lineazione: qualunque struttura lineare ricorrente ripetitivamente o in modo penetrativo in una roccia. Possono essere presenti più di un tipo di lineazione e queste possono essere piegate o distorte.
Giunto: una singola frattura in una roccia con o senza piccole quantità (< 1 cm) di dilatazione o spostamento di taglio. Differenziazione metamorfica: ridistribuzione di granuli minerali e/o componenti chimici in una roccia come risultato di processi metamorfici; ne aumentano l'anisotropia senza cambiare la composizione chimica complessiva.