Skały przeobrażone.

Skały przeobrażone nazywane też skałami metamorficznymi powstają ze skał magmowych i osadowych, które pod wpływem wysokiego ciśnienia i procesów chemicznych przeobrażają swoją budowę wewnętrzną, skład chemiczny, bądź skład mineralny. Skały powstałe w wyniku procesów metamorfizujących charakteryzują się całkowicie odmiennymi własnościami strukturalnymi i teksturalnymi w zależności w zależności od warunków w jakich zachodziły te procesy, jak i od składu chemicznego pierwotnych skał.
Wyróżniamy kilka mechanizmów prowadzących do ich powstania:
- metamorfizm kontaktowy (termiczny) - wywołany działaniem wysokiej temperatury na skały leżące w pobliżu magmy.
Gdy w sąsiedztwie krzepnącej magmy ciepło przenika w otaczające skały zachodzi metamorfizm kontaktowy zmienionych metamorficznie skał. Jego zasięg zależy od rodzaju skał otaczających oraz rodzaju intruzji, z której przenika ciepło. Intruzje zasadowe mają wyższą temperaturę, wobec czego skutki przeobrażenia nimi wywołanego mają większy zasięg w porównaniu z intruzjami skał kwaśnych.
Skały magmowe w wyniku metamorfizmu termicznego ulegają zmianom dopiero w wyższym stadium przeobrażenia. W skałach zasadowych pirokseny np. zmieniają się w hornblendę na skutek reakcji miedzy chlorytem, magnetytem i plagioklazami, a w wysokim stopniu przeobrażenia mogą z powrotem przechodzić w piroksen. W skałach kwaśnych przekrystalizowaniu podlegają skalenie i kwarc, hornblenda przeobraża się w biotyt, a w najwyższym stadium w augit.

- metamorfizm dynamiczny (dyslokacyjny) - występuje w rejonach objętych ruchami skorupy ziemskiej, które wywierają duże ciśnienie na skały. Głównym czynnikiem metamorfizmu dyslokacyjnego jest ciśnienie kierunkowe związane z ruchem mas skalnych. W następstwie nacisku kinetycznego dochodzi do kruszenia skał i tworzenia się brekcji tektonicznych (kataklazytów i mylonitów).
Powstawanie brekcji tektonicznych jest procesem destrukcyjnym, nie prowadzącym do powstania nowych minerałów. Serie zbudowane ze skał o różnej podatności na działanie stressu, np. przewarstwiające się piaskowce, łupki ilaste, margle itp. dają wskutek metamorfizmu dyslokacyjnego na przemian kataklazyty i lupki z przekrystalizowanymi składnikami.

- metamorfizm regionalny (termodynamiczny) - związany jest z przeobrażeniami skał na dużej głębokości, dzięki czemu działa na nie równocześnie wysoka temperatura i wysokie ciśnienie. rodzaj metamorfizmu obejmujący najwięcej rodzajów skał wyjściowych, oraz zachodzący na największych obszarach, nawet do wielu tysięcy km². Zachodzi w warunkach podwyższonej temperatury i ciśnienia, zarówno hydrostatycznego, jak i ciśnienia kierunkowego działającego w płytkich strefach litosfery. Metamorfizm regionalny zachodzi w wyniku pogrążania się rozległych kompleksów skalnych w głąb litosfery, np. podczas kompakcji i osiadania osadów na dnach zbiorników sedymentacyjnych (czas spokoju tektonicznego poprzedzający fałdowanie), oraz jak i w czasie fałdowań w strefach orogenicznych. Wraz z głębokością rośnie temperatura i ciśnienie. Zatem przeobrażenia zachodzą w bardzo rozległym zakresie PT (temperatury od 200 do 1000 °C i ciśnienia od 0,1 do 1,5 GPa). Warunki te odpowiadają określonym facjom metamorficznym jak np. facji zeolitowej, glaukofanowej, zieleńcowej, amfibolitowej i granulitowej. Poniżej strefy objętej m.r. zachodzą procesy klasyfikowane jako ultrametamorfizm, natomiast występujące i powstałe tam skały nazywają się migmatytami.

Wyróżniamy również kilka stref w jakich zachodzą przeobrażenia.

- Epi - najpłytsza. Charakteryzuje się działaniem dużych ciśnień kierunkowych, małego ciśnienia hydrostatycznego oraz niskiej temperatury. Stress decyduje o wykształceniu się wyraźnej tekstury kierunkowej(łupkowej) . W strefie tej

powstają takie skały jak: łupki serycytowe, chlorytowe, serpentynity, zieleńce.

- Mezo- gł. od 10 - 20 km. Charakteryzuje się silnym stressem, dużym ciśnieniem hydrostatycznym oraz podwyższoną temperaturą (300-500 stopni Celsjusza). W wyniku oddziaływania tych czynników następuje rekrystalizacja minerałów, a także powstają minerały o dużej gęstości (staurolit, granaty itp.)
Skały należące do tej strefy mają teksturę grubo łupkową. Skały jakie tu powstają to gnejsy, kwarcyty, marmury, amfibolity

- Kata - Charakteryzuje się dużym ciśnieniem hydrostatycznym i wysoką temperaturą (500-800 stopni Celsjusza) aż do powstania faz ciekłych. W tych warunkach tworzą się skały o słabo zaznaczonych równoległym ułożeniu ziarn minerałów, na ogół wyraźnie ziarniste o teksturach przejściowych do tekstur charakterystycznych dla skał głębinowych.
Przemiany metamorficzne sprawiają, że skały o podobnym składzie chemicznym uzyskują różny skład mineralny zależnie od temperatury i ciśnienia. Ze składu mineralnego zatem można odczytać warunki metamorfizmu. Próbę rozwiązania tego zagadnienia podjął P. Eskola (1921) wprowadzając pojęcie facji mineralnej, która w odniesieniu do skał metamorficznych określona została jako facja metamorfizmu. Skały powstające to : eklogit, granulit, gnejs.

Minerały skałotwórcze skał metamorficznych

W skałach metamorficznych spotykamy minerały będące również minerałami głównymi w skałach magmowych i osadowych. Należy do nich m in. kwarc, skalenie (potasowe jak i sodowo - wapniowe) oraz minerały z grupy mik (bioty i muskowit). Ponadto występują minerały z grupy chlorytów np.: serpentyny, chryzotyle, talk; z grupy amfiboli np.: aktynolit, glaukofan; z grupy piroksenów: augit, diopsyd. Z krzemianów wyspowych pospolicie spotykane są takie minerały jak sillimanit, andaluzyt, cyjanit(dysten). Z grupy granatów spotka się staurolit, kordieryt a z grupy epidotu wyróżniamy np.: epidot, zoizyt.

Przegląd skał metamorficznych

Fyllity i łupki to słabo przeobrażone skały ilaste i mułowcowe. Fyllity odznaczają się szeregiem cech pośrednich między skałami ilasto - mułowcowymi a typowymi łupkami krystalicznymi. Ich barwa jest generalnie ciemno szara, często jednak bywają zabarwione obecnością charakterystycznych minerałów np: serycytu i muskowitu (jedwabisto - srebrzyście połyskujące), chlorytu (szarozielone), rozproszonego hematytu (czerwone). Fyllity odznaczaj się wyraźną foliacją. Skała łupie się na cienkie płytki. Tzw. łupki dachówkowe (odmiana łupków fyllitowych) niegdyś stosowane do wyrobu dachówek. Foliacja jest podkreślona przez na przemian ległe ułożenie warstewek kwarcu i minerałów blaszkowych. Struktura fyllitów jest drobnoblastyczna. Skład mineralny: serycyt, chloryt i kwarc. Minerały poboczne to: węglany (kalcyt, dolomit), skalenie (albit, mikroklin) lub biotyt.

Łupki grafitowe - facjalnie pokrewne fyllitom. Intensywnie czarne ze względu na

rozproszony w nich grafit. (Brudzą palce). Pod względem tekstury i składu mineralnego

podobne do fyllitów.

Łupki krystaliczne - duża i zróżnicowana z uwagi na skład mineralny grupa skał. Wszystkie skały z tej grupy łatwo pękają na cienkie i stosunkowo zwięzłe płytki. Makroskopowo widoczne jest zróżnicowanie składu mineralnego w na przemian ległych ciemnych i jasnych warstewkach. Przykłady najczęściej spotykanych odmian łupków krystalicznych:

Łupki chlorytowe - Minerałem dominującym jest w tych skałach chloryt nadający im ciemnozielone zabarwienie. Słabo zwięzłe, niekiedy plastyczne. Na zwietrzałych powierzchniach często rdzawobrunatne. Obok chlorytu występuje kwarc, albit i epidot rzadziej węglany, biotyt, aktynolit. Powstają w wyniku metamorfizmu żelazistych osadów ilasto - mułowcowych.

Łupki talkowe - bladozielonkawe, niekiedy srebrzyste (zawierające serycyt), tłuste w dotyku , słabo zwięzłe z wyraźną teksturą łupkową. Obok dominującego talku mogą zawierać, chloryt, aktynolit, serpentyn, magnezyt i dolomit, niekiedy miki. Powstają z przeobrażenia skał ultrazasadowych.

Łupki mikowe - Ich barwa jest niejednolita, najczęściej srebrzystoszara, Wyraźna laminacja kwarcowo (jasnoszara), mikowa (ciemniejsza). Obok dominującego w składzie mineralnym kwarcu i mik spotykamy chloryty, skalenie, granaty.

Kwarcyty - skały jasne, niemal białe, szare lub różowe , niekiedy smużyste. Dominującym
składnikiem jest w nich kwarc, ponadto można spotkać muskowit, skalenie, chloryt. Kwarcyty powstają ze skał osadowych bogatych w krzemionkę co sprawia, że są to najtwardsze skały na ziemi. Są skałami masywnymi. skała metamorficzna, która powstała przez przeobrażenie piaskowców i mułowców zbudowanych niemal wyłączne z okruchów kwarcu. W Polsce kwarcyty występują głównie w masywach metamorficznych Sudetów.

Obok kwarcytów metamorficznych wyróżniane są także kwarcyty osadowe (piaskowce kwarcytowe), będące skałami okruchowymi, te kwarcyty złożone są w 95% z ziaren kwarcu bardzo ściśle do siebie przylegających, spojonych krzemionką. Do kwarcytów osadowych należą kambryjskie kwarcyty Gór Świętokrzyskich, tworzące gołoborza w paśmie Łysogór.

Kwarcyty bywają jasnoszare, szaroniebieskie, brązowe lub żółtoczerwone.

Budowa ich jest tak zbita, że oddzielnych ziaren kwarcu nie zobaczymy gołym okiem, ani nie wyczujemy pod palcami. Kwarcyty są niesłychanie odporne na obróbkę mechaniczną. Na tym polu mają one przewagę nad tak twardą skałą jak np. granit.

Mają zastosowanie w przemyśle materiałów ogniotrwałych oraz jako tłuczeń w budownictwie drogowym.

Marmur - skała metamorficzna powstała z przeobrażenia wapieni, rzadziej dolomitów. Składa się głównie z krystalicznego kalcytu lub dolomitu (marmur dolomitowy). Niewielka część geologów definiuje jako marmur wyłącznie skały węglanowe przeobrażone w warunkach głębokiego metamorfizmu strefy kata (temperatury 500-700 °C, wysokie ciśnienie), skały przeobrażone w strefach niższego metamorfizmu (epi i mezo) nazywając wapieniem krystalicznym. Przeważnie jednak terminu „wapień krystaliczny” używa się w przypadku skał metamorficznych jako synonimu marmuru dla każdej skały węglanowej poddanej metamorfizmowi.

Od starożytności stosowany jako cenny materiał budowlany, rzeźbiarski oraz architektoniczny. Znane marmury wydobywa się w Carrarze we Włoszech i na chorwackiej wyspie Brač. Marmury wydobywa się przy użyciu różnych urządzeń tnących, nie stosuje się materiałów wybuchowych, gdyż prowadzą one do spękania skał i drastycznej redukcji bloczności złoża, co uniemożliwia wydobycie bloków na tyle dużych by pociąć je na płyty okładzinowe lub przeznaczyć na rzeźby. Marmury spękane i odpady z produkcji pełnowartościowego marmuru wykorzystuje się do produkcji lastriko lub grysu marmurowego. Marmury zbudowane z dolomitu są podstawą wytwarzania tabletek magnezu.

W Polsce marmur wydobywany jest wyłącznie w Sudetach, przede wszystkim w Masywie Śnieżnika, gdzie występuje w dwóch odmianach kolorystycznych, jako „Biała Marianna” (na górze Krzyżnik) i „Zielona Marianna”. Innym złożem marmuru jest złoże marmuru szarego z odcieniem niebieskawym w Sławniowicach. Eksploatuje się także dolomity przeobrażone (nazywane przez większość geologów marmurem lub dolomitem krystalicznym) w Rędzinach.

W Polsce istnieje również pojęcie „marmur techniczny”, który odnosi się według polskiej normy i niektórych publikacji technicznych również do węglanowych skał osadowych, które przyjmują poler (pod wpływem polerowania ich powierzchnia staje się silnie błyszcząca). Jest to nazwa naukowo nieprawidłowa, ale silnie zakorzeniona w polskim kamieniarstwie. Tego typu „marmury” wydobywane są licznie w Górach Świętokrzyskich. W okresie przedwojennym niektórzy właściciele kopalń wapienia nadawali im handlową nazwę „marmurów kieleckich” - w celu podniesienia ich rangi. Kolejne tzw. „wolne” interpretacje doprowadziły do pojawienia się określeń: „marmur dębnicki”, „marmur chęciński” itp. Należy jednak pamiętać, że marmur i wapień należą do zupełnie odmiennych grup skał pod względem ich pochodzenia.

Gnejsy są zazwyczaj skałami jasnymi, niekiedy różowo - czarnymi. Makroskopowo są średnio lub gruboblastyczne, niekiedy porfirowate. Skały te wykazują wyraźną łupkowatość , często teksturę oczkową lub słojową, rzadziej ołówkową. Charakterystyczna jest laminacja wyznaczona przez warstwy mikowe (cieńsze i ciemniejsze) oraz warstwy skaleniowo - kwarcowe o zróżnicowanej grubości, często z oczkami lub słojami większych skalni. Główne minerały to skalenie i kwarc, ponadto może występować biotyt, hornblenda (zwłaszcza w odmianach ołówkowych), muskowit, chloryt, piroksen. Gnejsy mogą utworzyć się zarówno ze skał osadowych (paragnejsy) jak i skał magmowych (ortognejsy).

Zieleńce to skały barwy szaro- lub ciemnozielonej, masywne lub złupkowacone. Główne minerały to epidot, chloryt, albit, aktynolit. Minerały poboczne i akcesoryczne w tych skałach to kwarc, biotyt, węglany, magnetyt, apatyt, tytanit. Makroskopowo są drobnoblastyczne. Najczęściej powstają jako produkt metamorfizmu wylewnych skał zasadowych typu bazaltów i ich tufów. Mogą również powstawać w wyniku metamorfizmu skał gabrowych i diabazów, bądź skał osadowych typu margli.

Amfibolity to skały najczęściej barwy ciemnozielonej, ciemnoszarej a niekiedy prawie czarnej. Ich struktura jest drobno lub średnioblastyczna, tekstura masywna, często uporządkowana, podkreślona ułożeniem słupków hornblendy. Główne minerały tych skał to amfibole i plagioklazy. Pobocznie mogą występować kwarc, biotyt, epidot, pirokseny, granat. Amfibolity są produktami średniego stopnia metamorfizmu skał klasy gabra i bazaltu, diorytoidów oraz ich tufów i tufitów.

Fyllit - drobnoziarnisty łupek krystaliczny należący do skał metamorficznych. Jest zwykle koloru szarego lub szarozielonego. Składa się głównie z kwarcu i serycytu oraz mniejszych ilości chlorytu, albitu, biotytu i pyłu grafitowego. Struktura może być granolepidoblastyczna, rzadziej granoblastyczna, tekstura jest łupkowa. Występuje tu charakterystyczna podzielność na cienkie płytki z widocznymi warstewkamimikowo-chlorytowymi oraz kwarcowymi lub kwarcowo-skaleniowymi, znaczącymi laminację. Warstewki te często powyginane są w mikrofałdy.

Fyllity powstały w facji zieleńcowej metamorfizmu regionalnego ze skał osadowych i są do nich podobne, ale odznaczają się większą łupkowatością oraz zmienionym składem mineralnym.

W Polsce fyllity występują przede wszystkim w Sudetach oraz w głębokim podłożu północno-wschodniej Polski.

Serpentynity powstają w wyniku przeobrażenia ultrazasadowych skał magmowych. Ich barwa jest ciemnozielona, zielonoczarna, brunatna znane są również odmiany plamiste. Struktura tych skał jest drobnoblastyczna, tekstura zaś zbita i bezkierunkowa. Dominującymi minerałami w tej grupie skał są serpentynity: chryzotyl lub lizardyt. Pospolicie spotykane są również relikty oliwinów oraz akcesorycznie chromit, magnetyt. Pozostałe minerały akcesoryczne to magnezyt, pirokseny, talk, chloryt. Proces serpentynizacji zachodzi w temp. 200 - 400 C w obecności H₂O i CO₂ gdzie minerały serpentynu i magnezytu powstają według reakcji:

4MgSiO₄+4H₂O+2CO₂=Mg₆Si₄O₁₀(OH)₈ +2MgCO₃

Znaczenie gospodarcze skał metamorficznych

Masywne skały metamorficzne typu np.: amfibolity, serpentynity są wykorzystywane jako kamień drogowy i budowlany. Skały drobnoblatyczne jak fyllity, łupki chlorytowe i talkowe są stosowane jako proszki mineralne w charakterze nośników i środków ochrony roślin. Łupki talkowe i chlorytowe - produkcja materiałów ogniotrwałych oraz izolacyjnych.

Bibliografia

• Maria Plewa; Geologia inżynierska w inżynierii środowiska; Politechnika Krakowska; Kraków 1999

• Zdzisław Krzowski; Geologia dla inżynierów budownictwa lądowego; Politechnika Lubelska; Wydawnictwa uczelniane 1999

---