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メタソマティズム（ギリシャ語のμετά metá「変化」とσῶμα soma「体」に由来）は、熱水やその他の流体による岩石の化学的変化である。 [ 1 ]伝統的には、揮発性成分を除く化学組成の変化を伴う変成作用と定義されている。[ 2 ]これは、鉱物学的および化学的組成が異なる別の岩石による岩石の置換である。岩石を構成する鉱物は溶解し、その場所に新しい鉱物形成物が沈殿する。溶解と沈殿は同時に起こり、岩石は固体のままである。
メタソマティズムの同義語はメタソマトーシス[ 3 ] とメタソマティックプロセスです。メタソマトーシスという言葉は、メタソマティズムの特定の種類（例えば、Mg-メタソマトーシスとNa-メタソマトーシス）の名前として使用できます。[ 4 ]
変成作用は、火成岩または変成岩由来 の熱水流体の作用によって発生する可能性がある。
火成岩環境では、メタソマティズムはスカルンやグライゼンを生成し、貫入岩体に隣接する接触変成帯ではホルンフェルスにも影響を及ぼす可能性があります。変成岩環境では、メタソマティズムは、より高い応力と温度にある変成岩の体積から、より低い応力と温度のゾーンへの物質移動によって促進され、変成熱水溶液が溶媒として作用します。これは、深部地殻内の変成岩が含水鉱物の分解に伴って流体と溶解した鉱物成分を失い、この流体が地殻の浅いレベルに浸透してこれらの岩石を化学的に変化させ、変質させるという形で考えることができます。
このメカニズムは、メタソマティズムが開放系挙動であることを示唆しており、岩石の化学組成に大きな変化を伴わない岩石のその場での鉱物学的変化である古典的な変成作用とは異なります。変成作用は通常、変成反応を促進するために水を必要とするため、変成作用はほぼ必ずメタソマティズムを伴います。
さらに、メタソマティズムは物質移動プロセスであるため、化学元素や鉱物、あるいは含水化合物の添加によって変化する岩石に限定されるものではありません。いずれの場合も、メタソマティズム岩石を生成するには、たとえ最小限の化学変化を伴う脱水反応のみであっても、他の岩石もメタソマティズムを受けます。これは、数立方キロメートルに及ぶ脱水した地殻から生じた流体が、薄く、しばしば高度にメタソマティズム化され変質した剪断帯や鉱脈に集中して濃縮された結果として形成される金鉱床によって最もよく説明できます。供給源領域は、高度に含水化され変質した剪断帯に比べて化学的にはほとんど影響を受けていないことが多いですが、両方とも相補的なメタソマティズムを受けている必要があります。
地球のマントルでは、変成作用はより複雑である。これは、高温でのかんらん岩の組成が炭酸塩やケイ酸塩の溶融物、二酸化炭素に富む流体や水に富む流体の浸透によって変化する可能性があるためである（Luth (2003) が論じている）。[ 5 ]変成作用は、沈み込み中に海洋リソスフェアから水が押し出されるため、島弧の下のマントルかんらん岩の組成を変える上で特に重要であると考えられている。変成作用は、シリカが不飽和なマグマの供給源領域を濃集させる上でも重要であると考えられてきた。炭酸塩溶融物は、マントルかんらん岩の不適合元素の濃集の原因であると考えられることが多い。
メタソマティズムは他の内因性プロセスと似ている場合があり、4つの主な特徴によって区別されます。[ 6 ]その1つ目は、鉱物中のイオンごとの置換であり、これは既存の鉱物の溶解と同時に新しい鉱物が沈殿することによって起こり得ます。[ 6 ]メタソマティズムを識別するために使用される2番目の特徴は、置換中に岩石が固体の状態で保存されることによるものです。[ 6 ] 3番目の特徴は、等化学的変成作用、つまり水（H2O ）と二酸化炭素（CO2 ）以外の主要元素の追加または除去によるものです。[ 6 ]最後の特徴は、メタソマティズムの明確なゾーンです。これらはマグマ活動と変成作用によって形成され、メタソマティック柱の特徴的なパターンを形成します。[ 6 ]
変成岩は非常に多様である。多くの場合、変成岩は広範囲にわたって弱い変質を受けており、変質の唯一の証拠は漂白、色の変化、または雲母鉱物の結晶性の変化である。
このような場合、変質を特徴づけるには、岩石の鉱物集合体を顕微鏡で調査し、鉱物の種類、追加的な鉱物の成長、原岩鉱物の変化などを特定する必要があることが多い。
場合によっては、変成作用の地球化学的証拠が見つかることがあります。これは通常、バリウム、ストロンチウム、ルビジウム、カルシウム、および一部の希土類元素などの移動性で可溶性の元素の形で現れます。しかし、変質を適切に特徴づけるには、変質した試料と変質していない試料を比較する必要があります。
プロセスが極めて進行すると、典型的なメタソマタイトには以下のようなものが含まれる可能性があります。
マントルペリドタイトにおける変成作用の影響は、モード変成作用と潜在変成作用のいずれかである。潜在変成作用では、鉱物組成が変化するか、導入された元素が粒界に集中し、ペリドタイトの鉱物組成は変化しないように見える。モード変成作用では、新しい鉱物が形成される。
隠れた変成作用は、上昇または浸透する溶融物が周囲のかんらん岩と相互作用し、溶融物とかんらん岩の両方の組成が変化することによって生じる可能性がある。マントルの高温下では、固相拡散も溶融物の導管に隣接する数十センチメートルにわたって岩石の組成を変化させるのに効果的であり、輝石岩脈に隣接する鉱物組成の勾配は、このプロセスの痕跡を保存している可能性がある。
鉱物変成作用によって角閃石や金雲母が形成されることがあり、かんらん岩捕獲岩中にこれらの鉱物が存在することは、マントルにおける変成作用の強力な証拠と考えられてきた。ドロマイト、方解石、イルメナイト、ルチル、アルマコライトなど、かんらん岩ではあまり見られない鉱物の形成も、溶融または流体変成作用に起因すると考えられている。
花崗岩系における自然界での変成作用の発現については、主に 2 つのスキームが議論されています。[ 9 ]変成岩の種類に関するセクションで述べた拡散変成作用と浸透変成作用です。浸透は、透水性の高い領域で流体の流れを促進する亀裂や断裂で発生します。[ 9 ]拡散は、流体が岩石の孔隙に取り込まれるときに発生し、これは多孔度によって決まります。浸透変成作用によって変質した岩石は、流体移流中の分散効果のため、拡散によって変質した岩石よりも変質が少ないです。[ 10 ]
これら2つの方法は、ある地域から別の地域への輸送によく使用されます。影響を受けた地域は、変成作用前の状態と比較して、輸送された成分が濃縮または枯渇する可能性があります。[ 11 ]化学的風化は、変成液のレベルと含有量、および珪砕屑堆積物の主要元素の地球化学と鉱物学に強く影響します。[ 12 ]
熱水鉱床における変質岩石の調査により、普遍的に見られるいくつかの変質集合体が明らかになり、それらは変成作用の影響、組織、鉱物集合体の明確なグループを形成している。
まれなタイプの熱水流体には、炭酸塩含有量の高い流体があり、その結果、珪灰石に典型的な母岩の高度な炭酸化反応が起こり、また、珪質赤鉄鉱流体は、ジャスパーロイド、マント鉱床、およびドロマイト層に典型的に見られる広範囲の珪化帯の生成をもたらします。パプースフラット石英モンゾナイトでは、花崗岩質深成岩の応力を受けた鉱物と母岩が、正長石と石英の斑状変晶に置き換わっています。[ 14 ]