دگرگونی ناحیه ای چیست و چگونه رخ می دهد؟

دگرگونی ناحیه ای (Regional metamorphism) ایجاد تغییرات کانی شناسی و بافتی در سنگ‌های یک ناحیه بسیار وسیع است که بر اثر افزایش فشار و دمای ناشی از حرکات تکتونیکی صفحات لیتوسفر بر سنگ‌ها وارد می‌آید و آن‌ها را دگرگون می‌کند. سنگ‌های حاصل از این فرایندها، سنگ‌های دگرگونی ناحیه‌ای نامیده می‌شوند. اسلیت، فیلیت، شیست، گنس، گرانولیت و مرمر از جمله سنگ‌هایی هستند که بر اثر دگرگونی ناحیه ای شکل می‌گیرند. این دگرگونی در مقیاس گسترده رخ می‌دهد و خاص نوارهای کوهزایی است. عامل اصلی و اساسی این دگرگونی، فشار جهت دار است. با کوهِ سنگ همراه باشید…

دگرگونی ناحیه ای چیست؟

با حرکت صفحات لیتوسفر، در محل بر خورد صفحات (مناطق فرورانش) و در کمربندهای کوهزایی، به دلیل فشار و گرمای ناشی از حرکت و برخورد، سنگ‌های مناطق برخورد، دستخوش دگرگونی‌هایی می‌شوند که دگرگونی ناحیه ای نام دارد. نام دیگر این دگرگونی، دگرگونی کوهزایی یا دیناموترمال متامورفیسم (Dynamo thermal metamorphism) است. دیناموترمال متامورفیسم در منطقه‌ای به وسعت چند هزار کیلومتر مربع رخ می‌دهد. بنابراین، فشار و حرارت، در مقیاس وسیع به سنگ‌ها وارد می‌آید.

فشار جهت دار (P) و دما (T) دو عامل اصلی در دگرگونی ناحیه‌ای هستند. سنگ‌هایی که تحت تأثیر این دگرگونی هستند، تحت تأثیر هر دو عامل فشار و گرما قرار می‌گیرند. بنابراین، این سنگ‌ها تقریباً همواره با دگرشکلی و چین خوردگی همراهند و معمولاً ترکیب کانی شناسی و بافت‌شان تغییر می‌کند. نیروهای کوهزایی در لایه های سطحی، موجب خرد شدگی، چین خوردگی و روراندگی می‌شوند. همین نیروها در اعماق بیشتر، موجب جابجایی کانی‌ها، تبلور مجدد آن‌ها و فابریک‌های آنیزوتروپ می‌گردند.

در دگرگونی Dynamo thermal فاکتور حرارت، تبلور مجدد را تسهیل می‌کند؛ اما فاکتور تنش فشاری، نه تنها تبلور مجدد را ترویج می کند، بلکه عاملی قدرتمند در تغییر شکل سنگ‌ها و تولید ساختارهای جدید محسوب می‌شود. این تنش باعث ایجاد بافت و ساختارهایی جدید در سنگ‌ها می‌شود که معمولاً عمود بر جهت بیشترین تنش و موازی با حدأقل تنش شکل می‌گیرند. بنابراین، از روی جهت ساختارهای موجود در سنگ های یک منطقه که تحت دگرگونی ناحیه ای قرار دارند، می‌توان جهت فشار وارد بر منطقه را تعیین کرد.

محدودۀ فشار و دما در دگرگونی ناحیه ای

دگرگونی دیناموترمال بر اثر فشارهای کم تا زیاد رخ می‌دهد. دما نیز به علت اصطکاک و برخورد ناشی از حرکات صفحات است. بنابراین، حرارتی که در دگرگونی دیناموترمال وجود دارد، ارتباطی با توده‌های نفوذی ماگماها ندارد؛ اما ممکن است در برخی نقاط، وجود توده‌های نفوذی در زیر زمین، به افزایش دما کمک کند. در هر صورت، محدودۀ فشار و دما در دگرگونی ناحیه ای به صورت زیر است:

محدودۀ فشار: فشار کم تا فشار زیاد؛ معمولاً 2 – 30 کیلوبار.

محدودۀ دما: 150 – 800 درجۀ سانتیگراد.

به طور کلی، تغییر شکلی که دگرگونی دیناموترمال بر سنگ‌ها وارد می‌کند، بسته به محدودۀ فشار و حرارت می‌تواند سه حالت داشته باشد:

1. تغییر شکل آواری یا کلاستیک (clastic)
2. تغییر شکل پلاستیک یا خمیری (plastic)
3. تغییر شکل بلاستیک (blastic).

1- تغییر شکل کلاستیک

دگرگونی دیناموترمال، می‌تواند باعث تغییر شکل کلاستیک (شکننده) در سنگ‌ها شود. این فرایند موجب شکستگی، گسیختگی و در موارد شدید، سبب خردایش سنگ‌ها می‌شود. این تغییر شکل و خردشدگی سنگ‌ها معمولاً در ارتباط با گسل خوردگی ها و در نتیجه در مناطق گسلی رخ می‌دهد.

2- تغییر شکل پلاستیک در دگرگونی ناحیه ای

تغییر شکل پلاستیک زمانی اتفاق می‌افتد که سنگ‌ها و کانی‌ها تحت فشار قوی محصور شوند تا با حرکت در امتداد صفحات برش و سر خوردن، بدون آنکه گسیخته شوند، کشیده و جاری شوند و با انسجام کامل در طول حرکت حفظ شود. به عبارت ساده، تغییر شکل پلاستیک، تغییر شکل بدون شکستگی است. سنگ‌ها و کانی‌ها تحت فشار کافی می‌توانند بدون آنکه بشکنند، دفرمه شده و تغییر شکل پیدا کنند. آزمایش‌ها نشان داده است که مواد حساسی مانند سنگ مرمر را می‌توان مجبور کرد بدون از دست دادن انسجام، به داخل فضاهای باز جریان داد و فضاهای باز را پر کرد. این همان تغییر شکل پلاستیک در سنگ‌هاست.

3- تغییر شکل بلاستیک

تغییر شکل بلاستیک عبارت است از فرآیندهای تبلور مجدد تحت عمل اصل ریکه، به این صورت که:

• کانی‌های قبلی عمود بر جهت بیشترین فشار، کشیده می‌شوند.
• کانی‌های جدیدی که به واسطۀ دگرگونی ناحیه‌ای ایجاد شده‌اند، سازگار با شرایط استرس، در همان صفحه رشد می‌کنند. کانی‌های جدید را می‌توان از ویژگی‌هایی مثل کلیواژ و حالتی که انگار سر خورده‌اند، تشخیص داد.

سنگ های دگرگونی ناحیه ای

نیروهای کوهزایی که موجب دگرگونی کوهزایی می شوند، سنگ‌های خاصی را به وجود می آورند. سنگ‌هایی که وجودشان در هر منطقه، نشان از حرکات زمین ساختی در آن منطقه دارد. این سنگ‌ها به ترتیب از دگرگونی ناحیه ای درجه کم تا درجه زیاد عبارتند از:

1. اسلیت
2. فیلیت
3. شیست (شیست سبز، شیست آبی و غیره).
4. آمفیبولیت
5. گنیس
6. گرانولیت
7. اکلوژیت

هر قدر که شدت تنش های فشاری و کششی ناشی از دگرگونی کوهزایی بیشتر شود، کانی‌های موجود در سنگ کشیده‌تر و پهن‌تر می‌شوند. در تصویر زیر، یک شکل شماتیک میکروسکوپی از کانی‌های موجود در سنگ‌های اسلیت (Slate)، شیست (Schist) و گنیس (Gneiss) نشان داده شده است. پروتولیت (سنگ مادر) هر سه سنگ نامبرده، شیل بوده است. اما همانطور که ملاحظه می‌کنید، پهنا، کشیدگی و طویل شدگی کانی‌ها، در گنیس بیشتر شده است. زیرا سنگ مادر (شیل)، درجات بیشتر و طولانی‌تری از دگرگونی (فشار و حرارت) را تحمل کرده است. به جهت‌ کانی‌ها در سنگ مادر و جهت طویل شدگی و شیستوزیته کانی‌ها در سنگ‌های دگرگونی حاصل، توجه نمایید. طویل شدگی در سنگ‌های دگرگونی، عمود بر جهت تنش صورت گرفته است.

تشکیل هر هفت سنگ‌ نامبرده در بالا همزمان با چین خوردگی رخ می‌دهد؛ اما برای شکل گیری کامل آن‌ها، مدت زمانی طولانی‌تر از چین خوردگی لازم است. به این ترتیب که شیستوزیته همزمان با چین خوردگی رخ می‌دهد اما تبلور کانی‌ها، بخصوص رشد پورفیروبلاست‌ها بعد از چین خوردگی نیز ادامه دارد. هر یک از سنگ‌های دگرگونی ناحیه ای که در بالا معرفی و نام برده شد، در ادامه توضیح داده شده است. همچنین در مورد رشد پورفیروبلاست‌ها و چرخش آن‌ها همزمان با تکتونیک توضیحاتی ارائه شده است.

1- اسلیت، سنگ دگرگونی ناحیه ای درجه ضعیف

اسلیت سنگ دانه ریزی است که از دگرگونی رسوبات دانه ریزتر به وجود می‌آید. رسوبات پلیتی، معمول‌ترین رسوباتی هستند که تحت دگرگونی ناحیه ای، می‌توانند به اسلیت تبدیل شوند. اسلیت در فرانسه با نام آردواز شناخته می‌شود. در فارسی نیز به آن سنگ لوح گفته می‌شود. در کشور ما ایران، از قدیم از سنگ لوح به عنوان سنگ کف برای سنگفرش کردن باغ، ویلا و بوستان‌ها استفاده می‌شود. کانی‌های اصلی اسلیت عبارتند از:

• میکای سفید
• کلریت
• کوارتز

اسلیت های سبز رنگ معرف حضور ⁺Fe² و اسلیت‌های قرمز رنگ معرف حضور ⁺Fe³ هستند. اسلیت‌های پیریت دار سیاه رنگ هستند. وجود مواد آلی نیز رنگ اسلیت را تیره و سیاه می‌کند.

کلیواژ اسلیتی، از اختصاصات مهم اسلیت هاست. کلیواژ اسلیتی عبارتست از قرار گرفتن کانی‌های بسیار دانه ریز ورقه ای (میکا و کلریت) به موازات یکدیگر و در امتداد سطوح شیستوزیته. گاهی نیز رگه‌های نازک کوارتز کلیواژ اسلیتی را مشخص می‌کند.

2- فیلیت

با افزایش درجۀ دگرگونی ناحیه ای، بر اثر حرارت بیشتر و مداومت شرایط دگرگونی یا تداوم فعالیت سیالات، اسلیت‌ها به فیلیت تبدیل می‌شوند. از نظر کانی شناسی، فیلیت مشابه اسلیت است؛ اما فیلیت دانه درشت‌تر است. به عبارت دیگر، همان کانی‌هایی که در اسلیت‌ها وجود دارد، در فیلیت هم وجود دارد؛ اما اندازه کانی‌ها در فیلیت درشت‌تر است.

3- شیست

شیست به سنگ‌های دگرگونی فولیاسیون داری گفته می‌شود که کانی‌های آن با چشم غیر مسلح قابل تشخیص است. شیست‌ها فراوان‌ترین سنگ‌های حاصل از دگرگونی ناحیه ای هستند و درجۀ دگرگونی‌شان بیشتر از فیلیت است. شیست‌ها از سنگ‌های مختلفی حاصل می‌شوند و به همین خاطر، انواع مختلفی دارند:

• شیست های حاصل از رسوبات رسی
• شیست های حاصل از سنگ های کوارتز – فلدسپاتی
• کالک شیست ها
• شیست‌های سبز
• پرازینیت
• شیست‌های منیزیم دار
• شیست‌های آبی

شیست های حاصل از رسوبات رسی

سنگ مادر این شیست‌ها، رسوبات رسی هستند. در رس‌ها، عنصر Al فراوان است. میکا نیز فراوان‌ترین کانی شیست‌های حاصل از رسوبات رسی است. فراوانی حضور میکا را مرتبط با فراوانی Al در سنگ مادر و همچنین شرایط تشکیل و پایداری میکا می‌دانند.

شیست های حاصل از سنگ های کوارتز – فلدسپاتی

این سنگ‌ها از دگرگون شدن رسوبات آرنی و سنگ‌های آذرین سیلیس‌دار ایجاد می‌شوند. فراوان‌ترین کانی های این سنگ، کوارتز و فلدسپات است.

کالک شیست از سنگ های دگرگونی ناحیه ای

از دگرگونی ضعیف سنگ‌های آهکی و دولومیتی رس‌دار، سنگی به نام کالک شیست ایجاد می‌شود. کالک شیست‌ها همچنین از دگرگون شدن شیل‌های غنی از کلسیم نیز به وجود می‌آیند. کانی‌های اصلی و مهم کالک شیست‌ها عبارتند از:

• میکا
• کوارتز
• آلبیت

شیست سبز

شیست سبز را می‌توان یکی از شناخته شده‌ترین و رایج‌ترین سنگ دگرگونی ناحیه ای دانست. این سنگ، از دگرگونی سنگ های بازیک و نیمه بازیک، در درجات حرارت پایین شکل می‌گیرد. کانی اصلی تشکیل دهندۀ شیست سبز، سبز رنگ هستند. این کانی‌ها عبارتند از:

• کلریت
• اپیدوت
• اکتینولیت

در شیست سبز، بلورهای کوارتز چندان زیاد نیست. اما اگر سنگ مادر آن، توف باشد، بلورهای کوارتز آن زیاد و همراه با بیتوتیت است.

پرازینیت

پرازینیت نوعی شیست سبز است که در آن سه کانی کلریت، اپیدوت و اکتینولیت با نسبت مساوی وجود دارند. این سنگ فاقد کوارتز است؛ اما کمی آلبیت دارد.

شیست های منیزیم دار

پریدوتیت‌ها و سایر سنگ‌های اولترابازیک، در درجات کم و متوسط دگرگونی ناحیه ‌ای، در محیط آبدار ممکن است دگرگون شوند و شیست‌های منیزیم‌دار ایجاد کنند.

شیست های آبی

از دگرگونی گری وَک‌ها، بازالت‌های زیردریایی و سنگ‌های سری افیولیتی در محل دراز گودال‌های اقیانوسی، سنگ‌هایی به نام شیست آبی شکل می‌گیرد. این سنگ غنی از گلوکوفان است و در شرایط فشار بالا و دمای پایین شکل می‌گیرد. رنگ آبی این شیست‌ها به دلیل وفور آمفیبول سدیم‌دار است.

4- آمفیبولیت، سنگ دگرگونی ناحیه ای درجه متوسط

آمفیبولیت اساساً از هورنبلند و پلاژیوکلاز تشکیل شده است. سنگ‌هایی که بر اثر دگرگونی ناحیه ای درجه متوسط، می‌توانند به آمفیبولیت تبدیل شوند عبارتند از:

• سنگ های بازیک
• آهک‌ها
• دولومیت‌ها
• مارن

5- گنیس

گنس‌ها سنگ‌های دگرگونی فلدسپات داری هستند که با داشتن فولیاسیون مشخص می‌شوند. گنیس‌ها انواع مختلفی دارند از جمله: گنیس‌های چشمی، نواری، هموژن و هتروژن.

6- گرانولیت

گرانولیت‌ها سنگ‌های متبلور، ریز دانه با بلورهای هم اندازه و توده‌ای هستند. این سنگ فولاسیون ندارد و در درجات درگرگونی شدید، در دما و فشار بالا شکل می‌گیرد. رنگ آن سفید خاکستری و گلی متمایل به سبز است. حضور گرانولیت، نشان دهندۀ درجۀ بالای دگرگونی ناحیه ای است. کانی‌های موجود در این سنگ، بی آب هستند. بافت آن گرانولار بوده و فولیاسیون ندارد.

7- شارنوکیت

شارنوکیت را می‌توان یک گرانیت هیپرستن دار در نظر گرفت. این سنگ در شرایط حرارت بالا و فشار بالا، در حد رخسارۀ گرانولیت شکل می‌گیرد.

8- اکلوژیت درجه بالاترین سنگ درگرگونی ناحیه ای

رخساره اکلوژیت با فشارهای بسیار بالا و دماهای متوسط ​​تا زیاد مشخص می‌شود که معمولاً در مناطق فرورانش در اعماق زیاد تشکیل می‌شوند. اکلوژیت یک سنگ های دگرگونی است که اساساً از دو کانی گارنت پیروپ و پیروکسن امفاسیت تشکیل شده است. رخسارۀ اکلوژیت معرف حد بالای دگرگونی ناحیه ای است. اکلوژیت به صورت قطعات بیگانه در کیمبرلیت یا در برخی بازالت‌ها دیده می‌شود.

کانی های ردیاب در دگرگونی دیناموترمال

یک سری از کانی‌ها در تمامی سنگ‌ها، اعم از آذرین، رسوبی و دگرگونی دیده می‌شوند. یک سری کانی‌ها فقط خاص سنگ های رسوبی هستند. برخی از آن‌ها نیز فقط در سنگ‌های دگرگونی وجود دارند و حضور آن‌ها، معرف دگرگون بودن سنگ است. با همۀ این‌ها، شش کانی وجود دارند که در یک ناحیۀ دگرگون شده، به ما کمک می‌کنند تا میزان تغییرات شدت دگرگونی را در ناحیۀ دگرگونی بررسی کنیم. این شش کانی با عنوان کانی‌های ردیاب شناخته می‌شوند و عبارتند از:

کلریت- بیوتیت- گرونا (گارنت)- استروتید- دیستن- سیلیمانیت

می‌توانیم افزایش درجات دگرگونی را به کمک این شش کانی ردیاب مشخص کنیم. نکته مهم در استفاده از کانی‌های ردیاب این است که:

• کانی‌های جدید در هر زون باید درشت بلور باشند.
• ترکیب شیمیایی سنگ های پلیتی در درجات مختلف ثابت و یکنواخت باشد.

کانی های ردیاب و سنگ‌های دگرگونی میزبان‌شان، می‌توانند به ما در ردیابی قدرت نیروهای تکتونیکی (زمین ساختی) کمک کنند. به این ترتیب، زمین شناسان می‌توانند نیروهای زمین ساختی منطقه را ترسیم کنند. زمین شناسان از کانی‌های شاخص برای شناسایی درجه دگرگونی استفاده می‌کنند. کانی‌های شاخص فقط در شرایط دما و فشار خاصی تشکیل می‌شوند. به عنوان مثال، کلریت نشانگر دگرگونی درجه پایین است، در حالی که گارنت درجه بالاتر را پیشنهاد می‌کند.

درجه دگرگونی به شدت دگرگونی یک سنگ اطلاق می‌شود که توسط عواملی مانند دما، فشار و مدت زمان دگرگونی تعیین می‌شود. معمولاً به دگرگونی درجه پایین، درجه متوسط ​​و درجه بالا طبقه بندی می‌شود.

گلولۀ برفی در دگرگونی ناحیه ای!

کانی‌های مختلف نسبت به عملکرد فشار و دمای دگرگونی ناحیه ای، حساسیت‌های مختلفی دارند. همین تفاوت در حساسیت کانی‌ها، باعث واکنش و رفتارهای متفاوت آن‌ها می‌شود. در نتیجه، برخی از آن‌ها به صورت گسیختگی تغییر شکل می‌دهند، در حالی که برخی دیگر با انعطاف‌پذیری و تبلور مجدد، دراز و کشیده می‌شوند. در یک فرایند دگرگونی ناحیه‌ای معمولی، به احتمال زیاد هر سه فرآیند بالا به طور همزمان رخ دهد. یعنی گسیختگی، محو شدن جزئی یا کامل کانی‌ها و ساختارهای قدیمی، و تبلور مجدد با هم اتفاق می‌افتد.

از میان کانی‌های موجود در یک سنگ، اصولاً پورفیروبلاست‌ها نسبت به کانی‌هایی که به صورت دانه ریز در زمینۀ سنگ یافت می‌شوند، استحکام بیشتری داشته و در مقابل تغییر شکل، مقاومت زیادی از خود نشان می‌دهند. یک مثال در این مورد، وجود گارنت در زمینه‌ای از میکای دانه ریز است. گارنت به عنوان یک کانی سخت و مقاوم، در برابر نیروهای فشارشی ناشی از حرکات تکتونیکی و دگرگونی دینامیکی از خود مقاومت نشان می‌دهد؛ در حالیکه میکاها به راحتی تحت تأثیر این تنش فشاری خم می‌شوند. اگر کانی پورفیروبلاست گارنت در حین رشد، بر اثر فشار نیروهای تکتونیکی دچار چرخش نیز شود، این حالت، با عنوان “گلولۀ برفی گارنت” شناخته می‌شود.

رشد در سایۀ گلولۀ برفی!

کانی‌های زمینه که در اطراف گارنت قرار دارند، در پناه کانی پورفیروبلاست (که مستحکم است) قرار می‌گیرند و اندکی از فشار مصون می‌مانند. در این صورت، کانی‌های مذکور کمی درشت‌تر از کانی‌های زمینه خواهند بود. به این پدیده “رشد در سایه” می‌گویند. این رخداد باعث می‌شود که گلوله برفی گارنت، یک آرایش مارپیچی را نشان دهد.

بنابراین، اصطلاح گارنت چرخ دنده (Pinwheel garnet) و گارنت گلوله برفی (snowball garnet) برای آن دسته از گارنت‌هایی استفاده می‌شود که به نظر می‌رسد تحت تأثیر دگرگونی ناحیه ای، چرخانده شده‌اند. این گارنت‌ها به صورت پراکنده در سنگ‌های دگرگونی فولیاسیون (ورقه ورقه شده) دیده می‌شوند. اگرچه حضور این گارنت‌ها در سنگ‌های مختلف، به طور متفاوتی تفسیر شده است، اما اجماع بر این است که آن‌ها در حین رشد دچار چرخش شده‌اند. گارنت به دلیل سختی و استحکام بیشتر، بی آنکه تغییر شکل دهد، رشد کرده و بزرگ‌تر می‌شود. پدیدۀ گلوله برفی گارنت را می‌توان در یک عبارت کوتاه، اینگونه توصیف کرد: چرخش ماده صلب کوچک (در اینجا گارنت) در یک ماتریس (زمینه) شکل‌پذیر تغییر شکل‌دهنده.

اگر در یک سنگ دگرگونی ناحیه ای، پدیدۀ گلوله برفی و رشد در سایه را مشاهده کنیم، نتیجه می‌گیریم که دگرگونی آن سنگ “سِن تکتونیک” بوده است. یعنی دگرگونی سنگ همزمان با تکتونیک رخ داده است.

گارنت انواع مختلی دارد. گارنت نوعِ آلماندین، در سنگ‌های دگرگونی ناحیه‌ای مثل میکاشیت‌ها، آمفیبولیت و گرانولیت‌ها شکل می‌گیرد. گارنت نوعِ پیروپ در اکلوژیت‌ها (سنگ‌های دگرگونی فشار بالا) ایجاد می‌شود.

دگرگونی ناحیه ای چه نتیجه ای در پی دارد؟

صفحات زمین همواره در حرکت هستند؛ در برخی مناطق صفحات از هم دور می‌شوند و در منطقه‌ای دیگر، صفحه‌ای به صفحۀ دیگر نزدیک شده و به آن برخورد می‌کند. این حکمت خلقت و آفرینش است و همانطور که خداوند در قرآن مجید فرموده است: کوهها در حرکت اند…

نتیجۀ این حرکت‌ها و نتیجۀ دگرگونی کوهزایی، به وجود آمدن سنگ‌ها و کانی‌های زیبا و باارزش است که در زندگی روزمرۀ ما تأثیر بسزایی دارند. شکل گیری سنگ قیمتی گارنت و سنگ مرمر که جزء سنگ های لوکس قرار دارند، تنها دو نمونه از این نتایج هستند. قیمت سنگ مرمر به دلیل تحمل فشار و حرارت ناشی از دگرگونی، همواره بالاتر از سایر سنگ های ساختمانی است. زیرا این فشار و حرارت، سنگ را زیباتر کرده و بر مقاومت و استحکام آن می‌افزاید. البته مرمر تحت تأثیر فرایند دگرگونی مجاورتی نیز ایجاد می‌شود.