Di bawah permukaan bumi yang padat, jauh dari jangkauan pandangan, terjadi proses geologi yang luar biasa, sebuah transformasi perlahan yang mengubah batuan yang ada menjadi bentuk dan komposisi baru. Proses ini dikenal sebagai metamorfisme, dan produknya adalah batuan metamorfis. Batuan ini mewakili siklus abadi geologi, di mana batuan beku atau batuan sedimen—atau bahkan batuan metamorfis itu sendiri—bereaksi terhadap lingkungan suhu dan tekanan yang ekstrem.
Studi mengenai batuan metamorfis memberikan wawasan mendalam tentang sejarah termal dan tektonik planet kita. Setiap batuan metamorfis berfungsi sebagai rekaman yang membeku dari kondisi ekstrem yang pernah dialaminya, mengungkapkan kisah-kisah tentang pembentukan pegunungan, penenggelaman lempeng samudra, dan aktivitas fluida hidrotermal di kedalaman kerak bumi.
Metamorfisme bukanlah peleburan. Jika suhu naik cukup tinggi sehingga batuan meleleh, proses yang terjadi adalah magmatisme, dan hasilnya adalah batuan beku. Sebaliknya, metamorfisme terjadi ketika batuan tetap berada dalam keadaan padat (solid state) saat komposisi mineral dan tekstur internalnya berubah secara fundamental.
Batuan metamorfis merupakan komponen kunci dalam siklus batuan, bertransformasi dari protolith (batuan induk) yang sudah ada sebelumnya karena perubahan suhu dan tekanan.
Metamorfisme melibatkan serangkaian perubahan fisik dan kimiawi. Batuan induk, atau protolith, dapat berupa batuan beku, sedimen, atau metamorfis lainnya. Perubahan tersebut didorong oleh ketidakstabilan protolith dalam kondisi termodinamika baru yang berbeda dari kondisi saat ia terbentuk. Ada tiga mekanisme utama yang bekerja dalam metamorfisme:
Ini adalah proses di mana butiran mineral yang ada berubah bentuk dan ukuran tanpa mengubah komposisi mineral secara keseluruhan. Misalnya, batupasir kuarsa yang mengalami metamorfisme akan memiliki butiran kuarsa yang menyatu dan membesar, menghasilkan batuan baru yang lebih padat, yaitu kuarsit. Walaupun komposisinya (SiO₂) tetap sama, teksturnya benar-benar berubah.
Jika suhu dan tekanan mencapai titik tertentu, mineral yang ada dalam protolith menjadi tidak stabil dan bereaksi untuk membentuk mineral baru yang stabil dalam kondisi metamorfik tersebut. Proses ini melibatkan perubahan kimiawi dan struktural. Misalnya, tanah liat (yang kaya akan mineral lempung) dapat bereaksi membentuk mika (seperti muskovit dan biotit) atau garnet. Kehadiran mineral baru ini, sering disebut mineral indeks, sangat penting untuk menentukan derajat atau tingkat metamorfisme yang dialami batuan.
Di bawah tekanan terarah (stres diferensial), butiran mineral dapat berotasi atau berubah bentuk plastis, menyebabkan orientasi sejajar. Perubahan bentuk ini mencakup distorsi mekanis (deformasi) dari butir-butir mineral, yang kemudian menciptakan struktur planar yang khas, dikenal sebagai foliasi. Fenomena ini paling jelas terlihat pada batuan yang kaya akan mineral pipih atau memanjang, seperti mika dan klorit. Deformasi juga dapat menyebabkan pengecilan ukuran butir melalui patahan mikro (kataklasis).
Metamorfisme adalah hasil dari interaksi kompleks tiga agen utama: suhu, tekanan, dan fluida kimia aktif. Peran relatif dari masing-masing agen ini menentukan jenis metamorfisme yang terjadi dan sifat akhir dari batuan yang terbentuk.
Suhu adalah agen yang paling penting karena ia mengendalikan laju reaksi kimia yang mengubah mineral. Sumber panas utama untuk metamorfisme meliputi:
Peningkatan suhu memungkinkan atom-atom dalam struktur kristal bergetar lebih cepat, memecah ikatan kimia yang lemah, dan memungkinkan rekombinasi atom menjadi struktur mineral baru yang lebih stabil pada suhu tinggi. Suhu metamorfisme biasanya berkisar antara 200 °C (batas bawah) hingga 700–800 °C (batas atas, sebelum peleburan).
Tekanan berperan ganda dalam metamorfisme. Penting untuk membedakan antara dua jenis tekanan:
Ini adalah tekanan yang sama dari segala arah, dihasilkan oleh beban batuan di atasnya. Tekanan litostatik hanya bergantung pada kedalaman. Tekanan ini cenderung membuat batuan menjadi lebih kompak, menghilangkan ruang pori, dan membentuk mineral yang memiliki densitas (kepadatan) lebih tinggi dan volume yang lebih kecil.
Ini adalah tekanan yang tidak merata, dengan kekuatan yang lebih besar diterapkan dari satu arah daripada yang lain. Tekanan diferensial terkait erat dengan proses tektonik, seperti tabrakan lempeng. Efek utamanya adalah menyebabkan deformasi batuan dan orientasi mineral pipih atau memanjang tegak lurus terhadap arah tekanan maksimum, menghasilkan foliasi.
Perbedaan antara tekanan litostatik (merata) yang menyebabkan pemadatan volume, dan tekanan diferensial (terarah) yang menyebabkan deformasi dan foliasi.
Air yang mengandung ion terlarut, terutama yang dilepaskan dari mineral yang terhidrasi selama pemanasan, bertindak sebagai katalis yang mempercepat perubahan kimiawi. Fluida ini dapat berupa air pori yang terperangkap dalam batuan sedimen atau air yang dilepaskan dari magma yang mendingin (fluida hidrotermal).
Peran utama fluida:
Fluida yang sangat penting dalam metamorfisme seringkali adalah fluida yang mengandung silika (SiO₂), kalium (K), dan natrium (Na). Intensitas aktivitas fluida sangat menentukan apakah metamorfisme yang terjadi akan bersifat isokimia (komposisi kimia protolith tidak berubah) atau alokimia (komposisi berubah karena metasomatisme).
Klasifikasi metamorfisme didasarkan pada lingkungan geologi di mana perubahan suhu dan tekanan terjadi. Setiap tipe mencerminkan setting tektonik tertentu.
Ini adalah tipe metamorfisme paling luas dan signifikan, terjadi di daerah yang sangat besar, terutama selama peristiwa pembentukan pegunungan (orogeni). Ini dicirikan oleh tekanan diferensial (stres terarah) yang kuat dan peningkatan suhu yang progresif.
Terjadi ketika batuan dipanaskan oleh intrusi magma. Perubahan utamanya didorong oleh suhu, sementara tekanan litostatik tetap relatif rendah.
Metamorfisme ini didorong oleh tekanan geser yang intens dan terarah, yang menyebabkan penghancuran batuan secara mekanis, biasanya tanpa peningkatan suhu yang signifikan.
Terjadi ketika batuan sedimen terkubur sangat dalam di cekungan besar (seperti di dasar cekungan sedimen yang tebal). Kondisi ini dicirikan oleh peningkatan tekanan litostatik dan suhu yang lambat karena gradien geotermal.
Terjadi ketika air panas, yang mengandung ion terlarut (fluida hidrotermal), melewati celah dan retakan batuan, memicu perubahan kimiawi. Seringkali berhubungan dengan aktivitas magma meskipun perubahan utamanya adalah metasomatisme.
Ini adalah tipe metamorfisme yang sangat langka, disebabkan oleh tumbukan meteorit berkecepatan tinggi. Tumbukan menghasilkan gelombang kejut (shock waves) yang menghasilkan tekanan seketika yang sangat tinggi (hingga ratusan gigapascal) dan suhu lokal yang ekstrem.
Derajat (Grade) metamorfisme mengacu pada intensitas kondisi P-T yang dialami batuan. Derajat rendah berarti batuan mengalami suhu dan tekanan yang relatif ringan, sedangkan derajat tinggi menunjukkan suhu dan tekanan yang ekstrem.
Terjadi pada suhu antara 200 °C hingga 350–400 °C dan tekanan relatif rendah. Batuan masih mempertahankan banyak fitur protolith, dan mineralnya sering kali berbutir sangat halus (mikroskopis).
Terjadi pada suhu dan tekanan yang moderat (sekitar 400 °C hingga 600 °C). Mineral mulai membesar dan foliasi menjadi lebih kasar.
Melibatkan suhu dan tekanan ekstrem (di atas 600 °C, mendekati titik lebur). Mineral menjadi sangat besar dan foliasi seringkali berupa pita tebal dan terpisah (banding).
Konsep Mineral Indeks (seperti yang pertama kali dipopulerkan oleh Barrow) memungkinkan ahli geologi memetakan zona isograd (garis yang menghubungkan titik-titik dengan derajat metamorfisme yang sama) di seluruh daerah metamorf regional.
Tekstur batuan metamorf adalah karakteristik fisik yang paling penting. Tekstur dibagi menjadi dua kategori besar, yang ditentukan terutama oleh kehadiran atau tidak adanya tekanan diferensial.
Foliasi (dari bahasa Latin folium, berarti daun) adalah tekstur planar yang dihasilkan dari tekanan diferensial. Mineral pipih atau memanjang sejajar, memberikan batuan sifat mudah pecah menjadi lembaran atau pita.
Tekstur foliasi terhalus, dicirikan oleh kemampuan batuan (slate) untuk terbelah menjadi lembaran tipis dan datar. Dibentuk oleh orientasi mikroskopis butiran mika dan klorit. Kliwaj seringkali tidak sejajar dengan lapisan sedimen asli.
Foliasi tingkat menengah hingga tinggi yang dicirikan oleh kristal mika yang lebih besar dan terlihat mata telanjang. Butir mineral sejajar secara sempurna, dan batuan mudah terbelah sepanjang bidang mineral mika yang berorientasi. Batuan dengan tekstur ini disebut skis.
Tekstur foliasi derajat tinggi, ditandai dengan pemisahan mineral terang (kuarsa dan feldspar) dan mineral gelap (biotit, amfibol) menjadi pita-pita yang tebal dan berselang-seling. Pita terang dan gelap ini memberikan tampilan bergaris yang khas pada batuan gneis.
Pembentukan foliasi: Mineral pipih dan memanjang berorientasi tegak lurus terhadap arah tekanan diferensial maksimum.
Batuan ini biasanya terbentuk dalam lingkungan di mana tekanan litostatik dominan (Metamorfisme Kontak atau Metamorfisme Beban), atau ketika protolith terdiri dari mineral yang secara alami berbentuk isometrik (seperti kuarsa atau kalsit).
Dicirikan oleh butiran mineral yang relatif sama ukurannya (equigranular) dan saling mengunci (interlocking). Tidak ada orientasi yang jelas. Contoh terbaik adalah kuarsit dan marmer.
Tekstur yang sangat halus dan padat, seringkali akibat metamorfisme kontak. Butirannya mikroskopis dan batuan biasanya keras dan getas.
Mineral yang tumbuh sangat besar di dalam matriks berbutir halus dalam batuan metamorf disebut porfiroblast. Garnet dan staurolit seringkali merupakan mineral yang membentuk porfiroblast dalam skis. Studi tentang bentuk porfiroblast dan bagaimana mereka tumbuh dapat mengungkapkan sejarah deformasi yang rumit.
Batuan metamorf diklasifikasikan berdasarkan dua kriteria utama: tekstur (berfoliasi atau non-foliasi) dan komposisi mineral.
Urutan berikut menunjukkan peningkatan derajat metamorfisme dari protolith serpih (shale):
Batuan berfoliasi derajat paling rendah. Protolith biasanya adalah serpih atau batulumpur. Dicirikan oleh kliwaj batusabak yang sangat halus. Warnanya bervariasi (hitam, hijau, merah), tergantung mineral klorit, hematit, atau karbon yang hadir.
Derajat yang sedikit lebih tinggi dari slate. Kristal mika yang baru terbentuk masih mikroskopis, tetapi cukup besar untuk memberikan permukaan batuan tampilan yang berkilauan atau seperti sutra (kilau filitik), yang membedakannya dari slate yang kusam.
Metamorfisme derajat menengah. Mineral mika (muskovit, biotit) telah tumbuh cukup besar sehingga terlihat jelas. Skis menunjukkan skistositas yang jelas dan mengandung mineral indeks seperti garnet, staurolit, atau kianit. Penamaannya sering didasarkan pada mineral dominan, misalnya, Skis Garnet-Mika.
Metamorfisme derajat tinggi. Mineral telah berpisah menjadi pita-pita terang (kuarsa, feldspar) dan gelap (biotit, amfibol). Gneis sering memiliki protolith batuan beku (ortogneis) atau batuan sedimen (paragneis). Batuan ini adalah batuan metamorfis yang paling tebal dan paling kasar foliasinya.
Jika suhu mencapai titik tertinggi dalam metamorfisme derajat tinggi, sebagian kecil dari batuan (biasanya material felsik) mulai meleleh, menciptakan campuran yang terdiri dari batuan metamorfis dan batuan beku. Struktur pita yang sangat kompleks dan terlipat adalah ciri khas migmatit, menandai transisi antara metamorfisme dan magmatisme.
Protolithnya adalah batugamping (limestone) atau dolomit. Terdiri hampir seluruhnya dari kalsit atau dolomit yang telah direkristalisasi. Marmer sangat dihargai sebagai batu hias karena butirannya yang saling mengunci membuatnya padat dan dapat dipoles. Marmer tidak berfoliasi karena kalsit memiliki bentuk isometrik.
Protolithnya adalah batupasir kuarsa. Metamorfisme menyebabkan butiran kuarsa asli menyatu. Batuan ini sangat keras dan tahan terhadap pelapukan. Jika dipukul, kuarsit akan pecah melalui butiran kuarsa, bukan di sekitar batas butiran (seperti yang terjadi pada batupasir).
Batuan non-foliasi yang khas dari metamorfisme kontak. Batuan ini padat, berbutir halus, dan keras, sering kali berwarna gelap, terbentuk ketika serpih dipanaskan secara cepat tanpa tekanan diferensial yang signifikan.
Terbentuk melalui metamorfisme hidrotermal dari batuan ultramafik (seperti peridotit) yang kaya olivin dan piroksen. Mineral utama yang terbentuk adalah serpentin. Batuan ini sering bertekstur non-foliasi tetapi dapat menunjukkan sedikit foliasi jika stres geser terlibat.
Fasies metamorfisme adalah konsep fundamental yang mengaitkan kumpulan mineral (assemblage) dalam batuan dengan kondisi spesifik tekanan dan suhu di mana ia terbentuk. Setiap fasies mewakili rentang P-T yang berbeda, terlepas dari komposisi protolithnya.
Sebagai contoh, basal yang mengalami kondisi P-T tertentu akan menghasilkan kumpulan mineral yang berbeda dibandingkan dengan serpih yang mengalami P-T yang sama. Namun, semua batuan, apa pun protolithnya, yang mengalami kondisi P-T dalam rentang tertentu akan diklasifikasikan ke dalam fasies yang sama, ditandai oleh mineral indeks yang stabil pada rentang P-T tersebut.
Fasies ini memberikan peta jalan untuk memahami di mana batuan itu pernah berada di dalam kerak bumi.
Mewakili metamorfisme derajat paling rendah (terkadang disebut diagenesis yang dalam atau metamorfisme sangat rendah). Umum dalam metamorfisme burial, ditandai oleh kehadiran mineral zeolit dan mineral silikat kalsium-aluminium terhidrasi.
Metamorfisme derajat rendah hingga menengah, sangat umum dalam metamorfisme regional. Dinamakan demikian karena warna kehijauan yang disebabkan oleh dominasi mineral klorit, epidot, dan aktinolit (sekis hijau). Protolith basal dalam fasies ini menjadi metabasal (sekis hijau).
Metamorfisme derajat menengah hingga tinggi. Dicirikan oleh melimpahnya mineral amfibol (hornblende) dan garnet. Fasies ini sering menunjukkan foliasi skis atau gneissik yang kuat. Protolith basal dalam fasies ini menjadi amfibolit.
Fasies suhu tertinggi dan sering kali juga tekanan tinggi. Suhu melebihi 700 °C. Dicirikan oleh mineral anhidrous (tanpa air) seperti piroksen, garnet, dan feldspar. Batuan granit sering kehilangan biotit dan hornblende di fasies ini. Fasies granulit khas untuk bagian terdalam kerak benua (batuan dasar atau basement).
Fasies tekanan tinggi dan suhu relatif rendah (High P / Low T). Khas untuk zona subduksi, di mana lempeng samudra cepat ditarik ke kedalaman yang besar sebelum sempat memanas secara signifikan. Dicirikan oleh mineral glaukofan (amfibol biru) dan lawsonit.
Fasies tekanan dan suhu ekstrem (puncak metamorfisme). Terjadi pada kedalaman kerak bumi atau mantel atas (hingga 150 km). Batuan ini sangat padat, dicirikan oleh kumpulan mineral yang terdiri dari garnet merah dan omfasit (piroksen hijau kaya natrium). Batuan eklogit seringkali merupakan hasil dari basal atau gabro yang disubduksi sangat dalam.
Konsep fasies metamorfisme sangat relevan dalam kerangka tektonik lempeng. Zona metamorfisme yang berbeda mencerminkan proses tektonik yang spesifik:
Metamorfisme tidak hanya mengubah batuan, tetapi juga mendokumentasikan bagaimana dan di mana lempeng-lempeng bumi berinteraksi. Studi mengenai distribusi fasies di sabuk pegunungan purba dapat merekonstruksi sejarah tabrakan lempeng jutaan tahun yang lalu.
Batuan metamorfis memiliki signifikansi ekonomi yang besar, baik sebagai bahan konstruksi maupun sebagai inang bagi endapan mineral berharga.
Kesimpulannya, batuan metamorfis adalah arsip yang kompleks dan kaya dari sejarah geologi bumi. Mereka membuktikan kekuatan luar biasa dari suhu, tekanan, dan fluida yang beroperasi di kedalaman, mengubah materi dasar planet kita dan membentuk lanskap geologi yang kita amati saat ini. Memahami transformasi ini adalah kunci untuk memecahkan misteri proses tektonik dan evolusi kerak bumi.