Başkalaşım kayaçları

Başkalaşım kayaçları ya da metamorfik kayaçlar, magmatik ve tortul kayaçların çeşitli etkilerle (örneğin basınç, sıcaklık) değişime uğraması sonucu oluşurlar. Mermer, başkalaşım kayaçlarına bir örnek olarak verilebilir. Gnays, elmas ve şist de bu kayaçlara verilebilecek diğer örneklerdir.

Metamorfik kayaçlar, "kayaç biçiminde değişim" anlamına gelen metamorfizma adı verilen bir süreçte mevcut kayaç türlerinin dönüşümünden kaynaklanır. Orijinal kaya (protolit), maruz kaldığı yüksek sıcaklıklar (150 ila 200 °C) ve basınç ( veya daha fazla) etkisiyle derin fiziksel veya kimyasal değişime uğrar. Protolit, tortul, magmatik veya mevcut bir metamorfik kaya da olabilir.

Metamorfik kayalar, Dünya'nın kabuğunun büyük bir bölümünü ve kara yüzeyinin %12'sini oluşturur. Bu kayalar, dokuya, kimyasal ve mineral birleşimine (metamorfik fasiyes) göre sınıflandırılır. Genellikle Dünya yüzeyinin altında, yüksek sıcaklıklara ve kaya katmanlarının yüksek basıncına maruz bırakılarak oluşurlar. Ayrıca, kıtasal çarpışmalar gibi yatay basınç, sürtünme ve bozulma gibi tektonik süreçler sonucunda da oluşabilirler. Metamorfik kayaçların incelenmesi, (erozyon ve yükselme sonrasında Dünya yüzeyinde ortaya çıkar), Dünya kabuğunda büyük derinliklerde meydana gelen sıcaklıklar ve basınçlar hakkında bilgi sağlar. Metamorfik kayaçların bazı örnekleri; gnays, arduvaz, mermer, şist ve kuvarsittir.

Yüksek basınç altında kayalar sıkışarak yapraklanmaya uğrar, yüksek sıcaklık altında ise aynı kimyasal bileşime sahip olan mineraller başka minerallere dönüşür. Örneğin, kil, mika ve kireç taşı metamorfizma sonucunda mermer şekline dönüşür.

Metamorfik mineraller, sadece metamorfizma süreciyle ilişkili yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda oluşan minerallerdir. İndeks mineralleri olarak bilinen bu mineraller arasında silimanit, kyanit, stavrolite, andalüzit ve biraz garnet bulunur.

Olivinler, piroksenler, amfiboller, mikalar, feldispatlar ve kuvars gibi diğer mineraller, metamorfik kayaçlarda bulunabilir. Ancak bu mineraller, zorunlu olarak metamorfizma sürecinin sonucu değildir. Bu mineraller magmatik kayaçların kristalizasyonu sırasında oluşurlar. Yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda stabildirler ve metamorfik süreç sırasında kimyasal olarak değişmeden kalabilirler. Bununla birlikte, tüm mineraller sadece belirli sınırlar içinde stabildir ve metamorfik kayaçlarda bazı minerallerin varlığı, oluşum şartlarının yaklaşık sıcaklık ve basınçlarını gösterir.

İleri derecede metamorfizmaya uğrayan kayalar, aynı zamanda kristalli bir yapı gösterir. Bunlara kristalen şistler (İngilizce "crystalline schists") ya da kristalli şistler de denilir.

Metamorfizma sürecinde tortul kayaçların parçacık boyutundaki değişimine yeniden kristalleşme denir. Örneğin, küçük bir kalsit tortul kayaçtaki kristaller, metamorfik bir dönüşümle daha büyük kristallerle karakterize olan kireç taşı veya tebeşir haline dönüşebilir. Benzer şekilde, metamorfize edilmiş kumtaşında, orijinal kuvars kum tanelerinin yeniden kristalleştirilmesi, daha büyük kuvars kristallerinin birbirine kenetlendiği ve metakuvarzit olarak da bilinen çok sıkı bir yapıya sahip olan kuvarsit ile sonuçlanır. Hem yüksek sıcaklıklar hem de basınçlar, yeniden kristalleşmeye katkıda bulunur. Yüksek sıcaklıklar, katı kristallerdeki atomların ve iyonların göç etmesine izin verir, böylece kristalleri yeniden düzenlerken, yüksek basınçlar kristallerin temas noktalarında çözülmesine neden olur.

Metamorfik kayaçlar içindeki tabakalaşma, yapraklanma (Latince folia kelimesinden türetilmiş, "yapraklar" anlamına gelir) olarak adlandırılır ve yeniden kristalleşme sırasında bir kaya bir eksen boyunca kısaltılırken meydana gelir. Bu, mika ve klorit gibi minerallerin platy veya uzatılmış kristallerinin uzun eksenleri kısalma yönüne dik olacak şekilde döndürülmesine neden olur. Bu, bantları oluşturan minerallerin renklerini gösteren şeritli veya yapraklı bir kaya ile sonuçlanır.

Dokular, yapraklı ve yapraksız olmak üzere 2 kategoriye ayrılır. Yapraklı kaya, kayayı bir düzlemde deforme ederek bazen bir bölünme düzlemi yaratan diferansiyel stresin bir ürünüdür. Örneğin, kayrak, şistten kaynaklanan yapraklı bir metamorfik kayadır. Yapraksız kayanın düzlemsel gerilme modelleri yoktur.

Her taraftan tekdüze bir baskıya maruz kalan veya belirgin büyüme alışkanlıklarına sahip mineralleri olmayan kayalar yapraklanmayacaktır. Bir kayanın diferansiyel strese maruz kaldığı durumlarda, gelişen yapraklanma türü metamorfik dereceye bağlıdır. Örneğin; bir çamurtaşı ile başlayarak aşağıdaki dizi, artan sıcaklıkla gelişir: Kayrak çok ince taneli, yapraklı bir metamorfik kayadır, çok düşük dereceli metamorfizmanın karakteristiği iken, fillit ince taneli ve düşük dereceli metamorfizma alanlarında bulunur; şist orta ile iri taneli ve orta dereceli metamorfizma alanlarında bulunur ve gnays kaba ve çok iri taneli, yüksek dereceli metamorfizma alanlarında bulunur. Mermer genellikle yapraklı değildir, bu da heykel ve mimari için bir malzeme olarak kullanılmasına izin verir.

Metamorfizmanın bir diğer önemli mekanizması, mineraller arasında erimeden meydana gelen kimyasal reaksiyonlardır. İşlemde atomlar mineraller arasında değiş tokuş edilir ve böylece yeni mineraller oluşur. Birçok karmaşık yüksek sıcaklık reaksiyonu meydana gelebilir ve üretilen her mineral topluluğu bize metamorfizma sırasındaki sıcaklıklar ve basınçlar hakkında bir ipucu sağlar.

Metasomatizm, bir metamorfizma süreçlerinde sıklıkla meydana gelen bir kayanın dökme kimyasal bileşimindeki köklü değişikliktir. Diğer çevreleyen kayalardan kimyasalların girmesinden kaynaklanmaktadır. Su, bu kimyasalları büyük mesafelerde hızla taşıyabilir. Suyun oynadığı rol nedeniyle, metamorfik kayaçlar genellikle orijinal kayada bulunmayan birçok element içerir ve başlangıçta mevcut olanlardan yoksundur. Yine de yeniden kristalleşmenin meydana gelmesi için yeni kimyasalların eklenmesi gerekli değildir.

Temaslı başkalaşım çevresindeki katı kayaya (ülke kayası) enjekte edildiğinde meydana gelen değişikliklere verilen addır. Oluşan değişiklikler magmanın kayayla temas ettiği her yerde en büyüktür çünkü sıcaklıklar bu sınırda en yüksektir ve mesafe oluştukça sıcaklık azalır. Temaslı başkalaşımda en önemli etmenler, sıcaklık ile magma veya yan kayacın akışkan içeriğidir. Soğutma magmasından oluşan magmatik kayanın etrafında 'Temaslı başkalaşım halesi' adı verilen başkalaşım bölgesi bulunur. Hale temas alanından uzak mesafedeki başkalaşmamış kayaya kadar tüm derecelerde başkalaşmayı gösterebilir. Önemli cevher minerallerinin oluşumu, temas bölgesinde veya yakınında metasomatizm süreci ile ortaya çıkabilir.

Bir kaya, magmatik bir hücum ile temas ettiğinde, daha sık sertleşir ve daha kaba kristalleşir. Bu tip birçok değişmiş kayalara eskiden Boynuz kaya (hornstone) denirdi. Hornfels yani 'Boynuz kaya' terimi genellikle jeologlar tarafından ince taneli, kompakt olanları belirtmek için kullanılır. Bir şeyl koyu killi boynuz kayalara dönüşebilir; küçük kahverengimsi biyotit plakalarıyla dolu, marn veya saf olmayan kireç taşı gri, sarı veya yeşilimsi rengi kireç-silikat-boynuz kaya veya silisli mermere, sert ve kıymıklı bir hâle ve bol ojit, granat, wollastonite ile kalsitin önemli bir bileşen olduğu diğer minerallerle bu şekilde dönüşebilir. Bir diyabaz veya andezit yeni boynuz kaya ve biyotit gelişimi ile orijinal feldispatın kısmi yeniden kristalleşmesi sonucu bir diyabaz boynuz kayası ve andezit boynuz kayası olabilir. Diğer bir örnek; Çakmaktaşı ince kristalli bir kuvars kayası hâline gelebilir, kumtaşları kırıntılı yapılarını kaybeder ve kuvarsit adı verilen bir metamorfik kayaç da ki küçük kuvars taneleri mozaik hâle dönüşür.

Kaya orijinal olarak yapraklanmış (foliasyon) veyahut da şeritlenmiş ise (örneğin, bir lamine kumtaşı veya bir yapraklı kireçli-şist) karakteri yok edilmeyebilir ve şeritli bir boynuz kaya ürünüdür. Fosiller bile tamamıyla yeniden kristalize olmuş olsalar da şekillerini koruyabilirler ve birçok temasla değiştirilmiş lavlarda hala veziküller görülebilir fakat içerikleri orijinal olarak mevcut olmayan mineralleri oluşturmak için genellikle yeni kombinasyonlara girebilir. Bununla birlikte, termal yapılar çok derinse küçük yapılar genellikle tamamen ortadan kalkar. Böylece bir şist içindeki küçük kuvars taneleri, çevresindeki kil parçacıkları ile kaybolur veyahut da harmanlanır ve lavların ince öğütülmüş kütlesi tamamen yeniden yapılandırılmış olur.

Bu şekilde yeniden kristalleştirme ile sıklıkla çok farklı tiplerde tuhaf kayaçlar üretilir. Böylece şeyller iyolit kayaya geçebilir veyahut da orijinal şeylin alüminli içeriğinden türetilen iri andalüzit, stavrolite, garnet, kyanit ve silimanit kristalleri gösterebilir. Genellikle eş zamanlı oluşan önemli miktarda mika (hem muskovit hem de biyotit) oluşur ve elde edilen ürün birçok şist türüne çok benzerdir. Genellikle kireçtaşları eğer saf ise kaba kristalleri mermere dönüşür ancak orijinal kayada granat, epidot, idokraz, wollastonit gibi mineraller içinde kil veya kum karışımı varsa bu duruma engeldir. Büyük ölçüde ısıtıldığında kumtaşları, büyük berrak kuvars tanelerinden oluşan kaba kuvarsitlere dönüşebilir. Bu çok yoğun değişim aşamaları magmatik kayaçlarda çok yaygın olarak görülmez, bunun nedenleri de yüksek sıcaklıklarda oluşan mineralleri o kadar kolay dönüştürülmez veya kolay bir şekilde yeniden kristalize olmaz.

Bazı durumlarda kayalar erimiştir ve koyu camsı üründe küçük spinel, sillimanit ve iyolit kristalleri ayrılabilir. Şeyller bazen bazalt daykları ile değiştirilir ve feldspatik kum taşları tamamen vitrifiye (camsı hâl) edilebilir. Kömür seviyesinin yakılması veya hatta sıradan bir fırın tarafından bile şeyllerde de benzer değişiklikler meydana gelebilir.

Ayrıca, her birinde bulunan kimyasalların diğerine değiş-takas edildiği veyahut da diğerine sokulduğu, volkanik magma ve tortul ülke kayaları arasında metasomatizm eğilimi de vardır. Örneğin, Granitler şeyl parçalarını ya da bazalt parçalarını emebilirler. Bunun sonucunda magmatik veya tortul kayaç özellikleri barındırmayan skan adı verilen 'hibrit kayalar' ortaya çıkar. Bazen yayılan bir granit, magma etrafındaki kayalara nüfuz eder, eklemlerini ve yatak düzlemlerini vb. bölgeleri kuvars ve feldspat ile kaplar. Bu genelde çok az rastlanan bir durumdur ancak örnekleri vardır ve büyük çapta gerçekleşebilir.

Bölgesel Metamorfizma, ayrıca Dinamik Metamorfizma olarak da bilinmektedir, geniş bir alanda büyük kaya kütlelerindeki değişikliklere verilen addır. Kayalar, sadece Dünya yüzeyinin altındaki büyük derinliklerde, yüksek yoğun sıcaklıklara maruz kalıp ve yukarıdaki kaya katmanlarının aşırı ağırlıklarının neden olduğu büyük basınca tabii olarak başkalaşıma uğrarlar. Alt kıtasal kabuğun geneli, son magmatik hareketler haricinde, metamorfiktir. Kıtaların çarpışması gibi yatay tektonik hareketler orojenik kuşakları oluşturur ve bunun sonucunda kuşaklar boyunca kayalar yüksek sıcaklıklara, basınçlara ve deformasyona sebebiyet verir. Başkalaşıma uğramış kayaçlar daha sonra yükselir ve erozyona maruz kalırsa uzun kuşaklarda veyahut da yüzeydeki diğer geniş alanlarda oluşabilirler. Metamorfizma süreci, kayanın önceki tarihini açığa çıkarabilecek orijinal özelliğini yok edebilir. Kayanın yeniden kristalleştirilmesi, tortul kayaçlarda bulunan dokuları ve fosilleri yok edecektir. Kayanın yeniden kristalleştirilmesi, tortul kayaçlarda bulunan dokuları ve fosilleri yok etme gücündedir. Metasomatizm ise orijinal hâli değiştirecektir.

Bölgesel Metamorfizma, kayayı daha doygun hâle getirmek için ve aynı zamanda minerallerin düzlemsel bir düzenlemesinden oluşan yapraklı, shistose veya gnays gibi bir doku verme eğilimindedir; böylece mika ve hornblent gibi platy veya prizmatik gibi mineraller en uzun eksenlerine paralel olarak yerleştirilir. Bundan dolayı, bu kayaların çoğu mika taşıyan bölgeler (şistler) boyunca bir yönde kolayca bölünür. Ayrıca gnayslar da minaraller de şeritlere ayrılma eğilimine yöneliktir; bu sebeple, bir mika şistinde çok ince ancak esas olarak baz alınan bir mineralden oluşan kuvars ve mika daykları vardır. Yumuşak veya parçalanabilir minerallerden oluşan mineral tabakaları boyunca, kayalar en kolay şekilde bölünür ve bu yeni bölünmüş numuneler bu mineralle yüz yüze gelecek veya kaplanacak olarak görünür. Buna örnek ise yüze yüze bakan bir mika şistinin tamamen parlayan mika renkli skalalarından oluştuğu düşünülebilir. Bununla beraber, numunelerin kenarında, granüler kuvarsın beyaz yaprak bölümü (folia) görünür olucaktır. Gnayslarda bu alternatif folia bazen şistlerden daha kalın olur ve daha az minimum düzenlidir ama en önemlisi ise daha az mikalıdır; merceksi olabilirler, sonucunda da hızla yok olurlar. Yani gnayslar kural olarak şistlerden daha fazla oranda feldspat içerir ve de daha sert ve az bölünebilirler. Yapraklanmanın bükülmesi veya parçalanması hiçbir şekilde nadir değildir; keskin yüzleri, yok olur veyahut da büzüşür. Gnaysik ve şistozite bantlama (iki ana yapraklanma türü) oluşumu, yükseltilmiş sıcaklıkta yönlendirilmiş basınç ile dokular arasındaki hareketle veya mineral partiküllerinden dolayı, basınç alanı üzerinde kristalleşirken düzenleyici iç akış sayesinde oluşturulur.

Sonuç olarak, ilk başta tortul olan kayalar ve şüphesiz magmatik olan kayalar, şistlere ve gnayslara dönüştürülebilme imkânına sahiptir. Başlangıçta eğer benzer bileşime sahip iseler ve metamorfizma büyükse, birbirinden ayırt etmek çok güç olur. Örnek olarak ise bir kuvars-porfir ve ince bir feldspat kum taşı, hem gri hem de pembe bir mika-şist hâline getirilebilme olanaklarını sunar.