Quando un magma risale attraverso la crosta, o si ferma all’interno di questa, provoca un forte aumento di temperatura nelle rocce con cui viene a contatto. Si parla in tal caso di metamorfismo di contatto, dovuto essenzialmente all’alta temperatura e caratterizzato da basse pressioni: intorno alla massa di magma incandescente si forma un’aureola di contatto – il cui spessore varia da qualche cm (intorno ai piccoli corpi intrusivi) al km (in prossimità dei grandi ammassi batolitici) – nella quale le rocce subiscono modificazioni nella composizione dei minerali. Le trasformazioni, tanto più intense quanto più si è vicini alla massa incandescente, si attenuano con la distanza, fino a che si passa a rocce non metamorfosate.

I calcàri, per esempio, formati di minuscoli frammenti di CaCO₃, sono trasformati in marmi, costituiti da un mosaico di grossi cristalli di CaCO₃ (delle dimensioni dei granuli dello zucchero), accompagnati, eventualmente, da altri minerali di nuova formazione, che si costruiscono a spese di impurità (silicati con ferro e/o magnesio) contenute nei calcari (figura ►36).

Il processo più imponente per volume di rocce coinvolte è il metamorfismo regionale, che avviene quando movimenti della crosta terrestre fanno sprofondare per kilometri masse di rocce sedimentarie o magmatiche, che vengono sottoposte non solo ad alte temperature ma anche a forti pressioni. Queste pressioni sono dovute sia al peso delle rocce sovrastanti (pressione di carico), sia a spinte tra masse rocciose contigue (pressione orientata).

Quando prevale l’azione di forti pressioni si formano di preferenza minerali appiattiti o lamellari (come le miche), orientati tutti perpendicolarmente alla direzione della pressione. In tal caso le rocce che ne derivano presentano una tipica scistosità, la proprietà di suddividersi facilmente in lastre secondo piani paralleli (piani di scistosità).

Man mano che sprofondano, i minerali continuano a modificarsi, per adattarsi a nuovi valori di temperatura e pressione. Le trasformazioni metamorfiche risultano, perciò, più o meno forti a seconda della profondità raggiunta.

Il metamorfismo non può proseguire in modo indefinito: oltre certi valori di temperatura e di pressione si può arrivare alla fusione di una parte del materiale della roccia che si sta trasformando (in queste condizioni si possono formare le migmatiti; si riveda la figura 24A). Quindi se il processo avanza, la parte fusa aumenta sempre più e si passa ai magmi anatettici, dalla cui cristallizzazione derivano grandi batoliti granitici. Questi processi di ultrametamorfismo segnano perciò un collegamento tra rocce metamorfiche e rocce ignee.

Le rocce soggette a metamorfismo subiscono una serie di reazioni chimiche e di trasformazioni fisiche (cristallizzazione metamorfica) che portano alla comparsa di nuove associazioni mineralogiche, per cui si può parlare di una roccia nuova che sostituisce quella preesistente. Al termine di tali reazioni la roccia avrà raggiunto nuove condizioni di equilibrio con l’ambiente e, quindi, una nuova stabilità.

In ogni caso la composizione chimica globale viene conservata, mentre a volte qualcosa della roccia originaria si preserva: perciò è possibile risalire in generale alla roccia sedimentaria, magmatica, o anche già metamorfica, che ha subìto il metamorfismo. Poiché le rocce che si sono ricristallizzate in un certo intervallo di temperatura e pressione provengono da una medesima profondità della crosta, esse vengono raggruppate, al di là della loro composizione chimica, che può essere differente, in una stessa facies metamorfica (figura ►37).

La facies rappresenta l’insieme di caratteri litologici (e paleontologici, se sono presenti resti fossili) di una roccia e dipende dall’ambiente in cui la roccia si è formata: riconoscere una determinata facies significa, quindi, identificare l’ambiente fisico in cui una roccia si è formata.

A seconda dello stadio raggiunto, il metamorfismo viene definito genericamente di grado basso, medio o alto. Attraverso le facies metamorfiche il grado di metamorfismo viene definito in modo più specifico; in particolare:

• in uno stesso stadio di metamorfismo si formano differenti tipi di rocce metamorfiche da rocce di partenza di diversa composizione;
• da rocce di partenza della stessa composizione si formano differenti tipi di rocce metamorfiche in stadi di metamorfismo diversi.

Il concetto di grado metamorfico è un concetto statico: fornisce indicazioni sui valori massimi di temperatura e di pressione cui la roccia è stata sottoposta, ma non dà informazioni su dove la roccia sia stata trasformata né su come sia poi tornata in superficie. In realtà il metamorfismo è un processo dinamico, caratterizzato dal mutare delle condizioni di pressione e temperatura a mano a mano che una roccia sprofonda nella crosta. I geologi chiamano la storia di queste variazioni percorso metamorfico P-T. Per ricavare dati di temperatura e di pressione necessari per ricostruire i percorsi P-T, si analizzano in laboratorio speciali minerali (chiamati geobarometri e geotermometri). Durante il metamorfismo, tali minerali (ad esempio i granati) si accrescono ma, all’aumentare della profondità, la loro composizione varia; poiché però le variazioni interessano di volta in volta la parte più esterna del minerale, osservando le variazioni di composizione dal centro alla periferia del cristallo, si può ricostruire la storia dei cambiamenti nel tempo delle condizioni di metamorfismo.

In definitiva si può stabilire fino a che profondità una roccia è scesa incontrando temperature e pressioni in aumento (percorso «di andata»), prima di ritornare in superficie, subendo temperature e pressioni via via minori, che provocano ulteriori trasformazioni nei minerali (percorso «di ritorno»).

Le rocce metamorfiche si osservano ovunque un settore di crosta sia stato sollevato e l’erosione abbia operato con una certa intensità. Ad esempio lungo l’asse delle grandi catene montuose e nel cuore dei grandi continenti, dove l’erosione è attiva da lunghissimi tempi.

• La famiglia delle filladi deriva da metamorfismo di basso grado di rocce argillose o argillo-sabbiose. Sono formate da minuti cristalli di quarzo e mica e la scistosità è molto accentuata, tanto da provocarne lo sfaldamento in sottili fogli (figura ►38).
• Tra le rocce metamorfiche più comuni vi sono i micascisti, con sottili letti alternati di piccoli cristalli di quarzo e miche che conferiscono alla roccia la tipica scistosità (figura ►39). Essi derivano da metamorfismo regionale di grado da medio ad alto di rocce argillose. I micascisti sono tipici delle facies degli scisti verdi e delle anfiboliti (vedi ancora la figura 37).
• Associati ai micascisti sono frequenti gli gneiss, che derivano da metamorfismo regionale di grado da medio ad alto e hanno composizione simile a quella dei graniti. Gli gneiss presentano in genere modesta scistosità (figura ►40).

Particolare interesse hanno due altri tipi di rocce metamorfiche, per l’ambiente di formazione di cui sono testimonianza. In zone della crosta con temperature relativamente basse ma alte pressioni si formano scisti a glaucofane (un silicato di Na e Mg) per metamorfismo a basso grado di lave basaltiche: essi caratterizzano la facies degli scisti blu.

Al metamorfismo di alte temperature ma pressioni variabili e in condizioni di assenza o scarsità di acqua (quindi a grande profondità entro la crosta) sono attribuite le granuliti a granati, ricche di feldspati e pirosseni.