El metamorfisme (paraula composta pels mots grecs metá, canvi, i morphé, forma) defineix el conjunt de transformacions minerals i texturals que experimenten les roques a l’interior de la Terra com a resposta a una variació de les condicions de pressió i temperatura i ocasionalment de l’acció dels esforços tectònics. Aquestes transformacions tenen lloc en estat sòlid, sense fusió. Aquests canvis afecten roques sedimentàries, ígnies i metamòrfiques i impliquen la formació de nous minerals gràcies als mecanismes que es descriuen més endavant.

Els límits del metamorfisme no estan establerts de forma concreta. El criteri emprat per a definir si una roca és o no metamòrfica ve indicat per l’aparició de determinats minerals segons cada grup composicional de roca. Aproximadament el límit tèrmic inferior, el que separa els processos diagenètics (propis de les roques sedimentàries) dels metamòrfics se situa al voltant dels 200-300ºC. El límit de temperatura superior coincideix amb l’inici de la fusió. La temperatura estimada per a aquest límit va dels 650ºC fins als 1100ºC i depèn de la composició de la roca, la pressió i de la quantitat d’aigua present en el sistema. La fusió parcial d’una roca en arribar a aquest límit s’anomena anatèxia i les roques que en resulten són les migmatites.

Les variables que controlen el metamorfisme són:

• la temperatura: és una variable lligada a la calor, que normalment augmenta amb la profunditat. La distribució de la calor en l’escorça no és uniforme i està governada per: a) la calor que prové del nucli i del mantell, b) la calor generada per la desintegració d’elements radioactius (U, K, Th) presents a les roques riques en feldspats, moscovita i biotita, i c) la calor transportada a partir de magmes ascendents. Per a representar aquesta variació s’usen les corbes geotèrmiques en diagrames de pressió/temperatura. El gradient geotèrmic normal de l’escorça és 3ºC/100m. La calor es transmet per: conducció (col·lisions moleculars), convecció (associada al moviment del medi), advecció (un tipus de convecció) i radiació (emanació d’energia electromagnètica d’un cos a un medi més fred).

• la pressió: és la força per unitat de superfície. Hi ha diferents tipus de pressió, els més rellevants dels quals pel metamorfisme són la litostàtica, la de fluids i la d’esforços tectònics. Les dues primeres són isòtropes, és a dir, exerceixen una força igual en totes les direccions i per tant no causen deformació en les roques. La pressió litostàtica fa referència en la major part dels casos a la profunditat ja que és causada pel pes de la columna de roques suprajacents. La pressió litostàtica en general augmenta 1kbar/3km.

• el temps: com que la transmissió de calor no és immediata, el temps té repercussions en els processos metamòrfics. Així, el metamorfisme regional (les característiques del qual es desenvolupen més endavant) té una durada d’entre 10-100 Ma, mentre que el de contacte (que també s’explica) del voltant d’1Ma.

• els fluids: en les roques metamòrfiques, els fluids estan o bé com a film primíssim entre les vores dels grans (fase fluida intersticial) o formant part dels minerals hidratats. Ells són els responsables de transportar la calor (afavoreix les reaccions químiques) i els components. Els més comuns són l’aigua, l’anhídrid carboni (CO), el CH₄ i el N₂.

Tenint en compte aquests factors, els processos geològics que poden provocar metamorfisme per augment de la temperatura i de la pressió són: a) l’ascensió del mantell a les dorsals, b) intrusions plutòniques, c) processos extensius (rift), d) increment d’isòtops radioactius, e) processos erosius, f) subducció, h) sedimentació, compactació i enterrament, i g) plecs i encavalcaments

Tipus de metamorfisme

S’estableixen diferents tipus de metamorfisme segons el criteri usat. Aquí es presenten tots perquè són nomenclatures que s’utilitzen indistintament

• Segons l’evolució metamòrfica:
  • Prògrad, si hi ha un augment de la temperatura
  • Retrògrad, si la temperatura disminueix
• Segons l’agent principal
  • Tèrmic, quan la temperatura és l’agent principal
  • Dinàmic, quan ho és la pressió d’esforços tectònics
  • Dinamotèrmic, quan la temperatura i la pressió actuen conjuntament
• Segons la localització:
  • regional: es localitza en els límits de placa com les àrees orogèniques, zones de subducció o dorsals oceàniques, és a dir, en zones on es dona un engruiximent o aprimament corticals associats a situacions compressives o distensives. Es relaciona amb el metamorfisme dinamotèrmic. També es considera regional per l’extensió que ocupa, el metamorfisme que es desenvolupa en conques subsidents amb seqüències sedimentàries molt potents
  • de contacte: es localitza al voltant de cossos intrusius i és produït per l’emanació de calor del cos intrusiu cap a la roca encaixant. Les roques afectades conformen l’aureola de contacte que té poca potència. S’associa al metamorfisme tèrmic i les roques que es formen s’anomenen cornianes.
  • hidrotermal: localitzat al llarg de fractures per on circulen fluids a més de 250ºC
  • dinàmic que es troba al llarg de plans de falla o de cisalla. Tal i com indica el seu nom és activat mecànicament. Es formen milonites (si succeeix en el camp de la deformació dúctil) o cataclasites (si la deformació és fràgil)
  • d’impacte: és el produït per la col·lisió de grans meteorits sobre la superfície de la Terra. Està associat a altes pressions i temperatures.
• Segons la intensitat, és a dir, segons les condicions de pressió i temperatura de formació de les roques. S’avalua segons:
  • graus metamòrfics, que fan referència a la temperatura, i es classifiquen en grau molt baix, grau baix, mitjà i alt
  • metamorfisme bàric, que fa referència a la pressió. Per a determinar-ne la classificació es té en compte l’estabilitat dels aluminosilicats, els ambífols glaucofànics i la jadeïta. Pressió alta, intermèdia i baixa
  • fàcies metamòrfiques que es defineixen com un rang de condicions de pressió i temperatura dins del qual és estable una associació mineral per a una determinada composició de roca. En total n’hi ha 11: cornianes albiticoepidòtiques, cornianes hornblèndiques, cornianes piroxèniques, sanidinita, zeolites, prehnita-pumpel·lyïta, esquistos verds, amfibolites, granulites, esquistos blaus i eclogites

(Facies metamòrfiques, modificat de Woudloper, 2008; Link)

Reaccions metamòrfiques

Tal i com s’ha dit al principi, el metamorfisme pot produir canvis texturals, és a dir, afectant a la reorganització dels cristalls, i canvis mineralògics. Les principals reaccions metamòrfiques són: a) les transformacions polimòrfiques, b) les reaccions de transferència neta de massa, c) les exsolucions, d) el bescanvi iònic, e) la deshidratació/descarbonatació, f) la hidratació/carbonatació

Per a que es produeixin aquestes reaccions cal que les fases reactants estiguin pròximes i s’assoleixi l’energia d’activació de la reacció. A més, el desenvolupament d’un cristall respon a tres processos o factors cinètics:

• difusió: és el transport d’àtoms i ions, que pot ser mil·limètric o centimètric. El vehicle de transport és una fase fluida intergranular, i com més grans siguin els cristalls més efectiu és el transport
• nucleació: és la formació dels embrions de la nova fase mineral. Cal que existeixin llocs per nuclear, que normalment són les discontinuïtats dels cristalls previs
• creixement cristal·lí, que depèn de l’èxit de la nucleació i de la difusió. Tal i com es descriu en el punt següent, la relació entre la nucleació i el creixement cristal·lí dona informació sobre el tipus de metamorfisme associat.

Característiques de les roques metamòrfiques

La primera de les característiques determinants d’aquest tipus de roques és que estan formades únicament per cristalls. Per a poder-les classificar més endavant cal fixar-se en: la mineralogia, la fàbrica, la microestructura i la textura

• Mineralogia: degut al fet que les roques metamòrfiques són el resultat de les transformacions en estat sòlid de roques prèvies, el seu contingut mineralògic és molt divers. El més important és el fet que hi ha minerals exclusius de les roques metamòrfiques i són justament aquests que s’empren com a diagnòstics per a determinar que una roca és metamòrfica. Alguns d’aquests minerals són: la clorita, els amfíbols (tremolita, wol·lastonita i la glaucòfana), els granats (espessartina, andradita, almandina, uvarovita, grossulària i pirop), la andalusita, la sil·limanita, la cianita, l’estaurolita i la cordierita.
• Fàbrica: és l’aspecte general de la roca en l’aflorament o en mostra de mà. Es distingeixen dues fàbriques: a) isòtropa si no hi ha orientacions preferents i l’aspecte és compacte; i b) anisòtropa si hi ha un ordenament que causa discontinuïtats
• Microestructura: és la organització dels grans en l’espai. Hi ha dos grans grups segons la fàbrica. En les fàbriques isòtropes hi ha: a) la microestructura granoblàstica, quan els cristalls són equidimensionals; b) la decussada, si hi ha cristalls de forma tabular i prismàtica sense orientar; i c) la cataclàstica, quan s’observen processos de trencament no orientats. En les anisòtropes poden haver discontinuïtats degudes a la mineralogia (laminada, de mida mil·limètrica, o bandada, mida centimètrica) o degudes a la orientació preferent dels cristalls: foliada, elongada, gnèissica, o lineal.
• Textura: que permet saber si el creixement dels cristalls és anterior a la deformació, simultani o posterior, pretectònic, sintectònic o posttectònic, respectivament
  • Segons la mida absoluta són: a) afanítica si els cristalls fan menys de 0,1mm, o b) fanerítica, si són majors. La mida dels cristalls formats furant el metamorfisme de contacte és més petita degut al temps. Els cristalls amb energies d’activació més elevades els és més fàcil créixer a partir de nuclis ja existents que crear-ne de nous, aquests cristalls s’anomenen porfiroblastos, en contraposició als cristalls de la matriu, que els és més fàcil de nuclear i per tant n’hi ha molts més però de mida més petita. Tenint en compte això, la nucleació en metamorfisme de contacte és major perquè normalment se sobrepassa clarament l’energia barrera per nuclear i la textura que en resulta són molt porfiroblastos però de mida petita i s’anomena textura pigallada.
  • Segons la mida relativa són: a) equigranulars si tenen mides semblants, o b) inequigranulars si són de diferents mides. Quan hi ha una gradació és seriada i si hi ha dues poblacions clares es distingeix entre matriu i porfiroblast
  • Segons la forma es distingeix entre: a) l’hàbit, que diferencia entre granoblàstica (cristalls equidimensionals), lepidoblàstica (hàbit tabular), nematoblàstica (hàbit prismàtic); i b) la forma de les cares: idioblàstica, subidioblàstica, xenoblàstica
  • Segons la vora: recta, corbada i saturada, dentada i cavernosa

Classificació de les roques metamòrfiques

Per a classificar-les s’han d’usar dos criteris. El primer és el composicional (que dependrà del protòlit) i el segon és el tipus de metamorfisme i la seva intensitat:

• Composició pelítica (protòlit: argiles i llims)
  • regional (de menys a més alt metamòrfic)
    • Pissarra: roca afanítica mat i amb foliació marcada
    • Fil·lita: roca fanerítica (0.1-0.25mm), setinada i foliació marcada
    • Esquist: roca fanerítica i foliació marcada amb o sense porfiroblastos
    • Gneis pelític: roca fanerítica, d’aspecte heterogeni i foliació poc marcada
  • de contacte
    • Cornubianita o corniana pelítica: roca dura de gra fi i sense orientació preferent
  • regional + de contacte
    • Pissarra, fil·lita o esquist pigallats: roques amb porfiroblastos mil·limètrics i arrodonits

• Composició quarsítica (protòlit: gresos rics en quars). No depèn del tipus de metamorfisme
  • Quarsita: roca dura amb més del 75% de quars

• Composició quarsofeldspàtica (protòlit: arcoses, granitoides o riolites)
  • regional
    • Gneis: roca de mida de cristall mitjà o gran foliada. Si el protòlit és sedimentari es diu paragneis i si és igni ortogneis
  • de contacte
    • Corniana quarsofeldspàtica: roca de mida de cristall mitjà o gran sense orientació

• Composició carbonatada (protòlit: calcàries i dolomies). No depèn del tipus de metamorfisme
  • Marbre pur: roca dura amb més del 95% de calcita
  • Marbre impur: roca dura formada per un 95-50% de calcita

• Composició calcosilicatada (protòlit: gresos amb carbonat)
  • regional
    • Roca calcosilicatada: roca amb més d’un 50% de minerals calcosilicatats amb orientació preferent
  • de contacte
    • Corniana calcosilicatada: roca amb més d’un 50% de minerals calcosilicatats sense orientació preferent

• Composició bàsica (protòlit: gabres, basalts, diabases, margues)
  • regional de pressió baixa i intermèdia (de menys a més grau)
    • Metabasita en fàcies zeolita: roca on es preserven les característiques del protòlit i té minerals del grup de les zeolites
    • Metabasita en fàcies prehnita-pumpel·lyïta: roca on es preserven les característiques del protòlit i inclou prehnita i pumpel·lyïta
    • Esquist verd: roca de color verd constituïda per actinolita, clorita i epidota
    • Amfibolita: roca anisòtropa constituïda per amfíbol i plagiòclasi
    • Granulita bàsica: roca massissa constituïda per plagiòclasi, piroxens i granats
  • regional de pressió alta (de menys a més grau)
    • Esquist blau: roca de color blau, anisòtropa amb amfíbols sòdics
    • Eclogita: roca sense plagiòclasi, constituïda per omfacita i granat
  • de contacte (de menys a més grau)
    • Corniana albiticoepidòtica: roca massissa dura constituïda per plagiòclasi, epidota, clorita i actinolita
    • Corniana hornblèndica: roca massissa dura constituïda per plagiòclasi i hornblenda
    • Corniana piroxènica: roca massissa dura constituïda per plagiòclasi i piroxens

• Composició ultrabàsica (protòlit: roques ultramàfiques)
  • regional
    • Serpentinita: roca verdosa i anisòtropa amb més del 90% de serpentinita
    • Talcosquist: roca de color blanc i anisòtropa amb més del 90% de talc
    • Gneis ultramàfic: roca heterogènia i bandada amb més del 90% de minerals màfics
  • de contacte
    • Corniana ultramàfica: roca massissa formada per més del 90% de minerals màfics