地球岩石及其形成作用（8）
胡经国
第二章、变质作用与变质岩
第一节变质作用与变质岩基本概念
一、变质作用与变质岩的概念
关于变质作用与变质岩的概念有各种不同的表述，其基本涵义大同小异。下面介绍几种常见的表述。
㈠、表述一
地壳中的原岩（已形成的岩浆岩、沉积岩和变质岩），由于地壳运动和岩浆活动等造成温度、压力、外来物质成分等物理化学条件改变，而使原岩的成分、结构和构造发生一系列变化，从而形成新的变质岩的作用过程，称为变质作用（Metamorphism）。
㈡、表述二
岩石在基本上处于固体状态的情况下，由于受到温度、压力及化学活动性流体的作用而发生矿物成分、化学成分、岩石结构和构造变化的地质作用，称为变质作用。由于变质作用而形成的岩石称为变质岩（MetamorphicRock）。变质岩在形成以后，还可经历新的变质作用而形成新的变质岩。有的变质岩是多次变质作用的产物。
㈢、表述三
在地壳形成发展过程中，早先形成的岩石，包括岩浆岩、沉积岩和先形成的变质岩，为了适应新的地质环境和物理化学条件的变化，在固态情况下发生矿物成分、结构构造的重新组合，甚至包括化学成分的改变，这种变化过程称为变质作用。由于变质作用而形成的岩石称为变质岩。
㈣、表述四
变质岩是指在地壳发展过程中，早期形成的岩石（岩浆岩、沉积岩和变质岩），由于构造运动、岩浆活动、地热流的变化等内力地质作用，使原来岩石所处的地质环境和物理化学条件发生变化，为了适应这种变化，在基本保持固态的情况下，岩石的物质成分和结构构造发生变化而形成一种新的岩石。这种使岩石的物质成分和结构构造发生变化的地质作用过程称为变质作用。由岩浆岩经变质作用而形成的岩石称为正变质岩（PositiveMetamaorphicRock）；由沉积岩经变质作用而形成的岩石称为副变质岩（Para-MetamorphicRock，或DeputyMetamorphicRock）；由变质岩经变质作用而形成的岩石称为复变质岩（ComplexMetamorphicRock）。
二、变质作用与外生地质作用的区别
变质作用的产生绝大多数与地壳演化进程中地球内部的热流变化、构造应力或负荷压力等密切有关；少数由于陨石冲击地球表面岩石而产生。变质作用是在岩石基本上保持固体状态的情况下进行的。地表风化作用和其它外生地质作用引起岩石的变化，不属于变质作用。
三、变质作用与成岩作用的区别与联系
导致沉积物转变成为沉积岩的成岩作用，通常也是在地下一定深度和一定的温度、压力等条件下进行的。它与变质作用有相似之处。但是，成岩作用所要求的深度、压力和温度都比较小，在成岩作用过程中沉积物发生的变化不十分明显；而变质作用则要求温度和压力较高、深度较大，在变质作用过程中原岩变化显著。一般来说，成岩作用的温度低于150～200℃，静压力（围压）低于100～200MPa；而变质作用则要高于这一数值。因此，可以说，成岩作用与变质作用具有过渡关系。
关于变质作用与沉积岩成岩作用之间的界限，一般以浊沸石、绿泥石、钠长石、绿帘石、葡萄石等变质矿物的出现作为变质作用的开始。
四、变质作用与岩浆作用的区别与联系
对于大多数岩石来说，变质作用的高温界限大致为700～900℃。变质作用的产生虽然与温度有重要关系，但是变质作用的高温并未使原岩产生熔融，即原岩基本上在固态下发生变质。一旦温度高到使原岩熔融的高度，那么就进入到了岩浆作用的范畴。因此，从发展上来看，变质作用与岩浆作用也是有联系的。
第二节变质作用产生因素
一、变质作用产生因素概述
导致变质作用产生的因素包括内部因素和外部因素。其中，内部因素是指岩石的物质成分和结构构造；外部因素是指温度、压力、岩石中的化学活动性流体（液体和气体）和时间。
这些导致变质作用产生的因素往往是互相配合的，共同对岩石进行质的改造。但是，在不同的情况下，起主导作用的因素会有所不同，因此各种变质作用也相应地具有不同的特征。
二、温度
㈠、变质作用温度概述
温度往往是导致变质作用产生、引起岩石变质的主导因素。它可以提供变质作用所需要的能量，使岩石中矿物的原子、离子或分子具有较强的活动性，促使一系列的化学反应和结晶作用得以进行；同时温度增高还可使矿物的溶解度加大，使更多的矿物成分进入岩石空隙中的流体内，增强了流体的渗透性、扩散性及化学活动性，从而促进变质作用的进程。
大多数变质作用都是在温度升高的情况下发生的。温度升高，会形成不含水的高温矿物；温度降低，会形成含水的相对低温的矿物。
㈡、温度的作用
1、引起重结晶作用
在高温条件下，岩石内部质点的活动能力加强，导致岩石内部质点重新排列，矿物重结晶，晶粒由小变大、由细变粗。
2、促进化学反应
温度增高促进原有矿物之间的化学反应，形成新的矿物或高温变质矿物。
3、产生变质热液
温度增高产生变质热液，使某些组分迁移、聚积形成矿床，如中国的鞍山式铁矿。
㈢、温度的主要作用
归纳起来，温度导致的变质作用主要表现在以下两个方面：
1、使原岩矿物重结晶、结构构造改变
促使原岩组成矿物重结晶，使原岩结构构造发生改变，而原岩矿物成分基本不变。例如，石灰岩变质成大理岩。
2、使原岩矿物成分和结构构造改变
促使变质反应的进行，使岩石组分重新组合，导致原岩矿物成分和结构构造都发生改变。例如，白云母＋石英经变质反应生成夕线石＋钾长石。
㈣、导致温度升高的热源
导致岩石温度升高的热源即原因主要有：
1、岩浆作用
在岩浆作用主要是岩浆侵入作用过程中岩浆熔融体带来的热量，使其围岩温度升高。
2、地热增温
在地球内部温度随深度增加而升高。深度每增加1公里温度的平均增加值称为地热梯度。一般从10℃/km至35～40℃/km。当地壳浅部的岩石进入地壳更深部位时，由于地热增温而使原岩的温度升高。
3、上地幔热流运动
由于地幔深部熔融体的重力分异而产生上升热流，导致热流值升高。上地幔热流运动带来的热量使岩石的温度升高。
4、机械能转化而成的热能
当岩层（体）遭受机械挤压或破裂错动等构造作用时，由机械能转化而成的热能使岩石的温度升高，如构造运动产生的推覆挤压带中的断层摩擦热。这种热量一般较小或比较局限。
5、放射性元素蜕变
岩石中放射性元素蜕变释放出来的热能使岩石的温度升高。
㈣、变质作用温度变化范围
随着近代岩石熔融温度实验资料的不断积累，目前确定变质作用温度上限是熔融作用的开始温度。实验资料表明：
当P水=0.1MPa时，花岗岩的熔融温度为900℃；
当P水=1GPa时，花岗岩的熔融温度为620℃。
导致变质作用的温度变化范围为：
变质作用温度上限：700～900℃；
变质作用温度下限：180～230℃，是浊沸石开始出现的温度。
最高850～900℃；最低150℃；特殊情况下可达1200～1300℃。
一般而言，可从150～200℃至700～900℃。
三、压力
㈠、变质作用压力概述
压力是导致变质作用产生的重要因素。按性质，压力可分为静压力（均向力、负荷压力、围压）、动压力（定向压力）和粒间流体（液体和气体）压力。
㈡、静压力及其作用
1、静压力概述
静压力是指由上覆岩层（体）的重量产生的压力，也就是在地壳中一定深度处岩石所承受的上覆岩层（体）的重力。它由于具有均向性，因而又叫做均向压力。并且，它随着深度增加而增大。从地下0～40km，静压力以0.025～0.03GPa/km的速度增加；平均增速为0.0275GPa/km。
静压力的作用主要在于使岩石产生压缩变形，从而导致矿物中原子、分子或离子间的距离缩小，促使矿物内部结构发生改变，形成密度较大而体积较小的新矿物。例如，红柱石（Al2SiO5）是在压力较低的环境下形成的，相对密度为3.1～3.2g/cm3。当静压力增大时，它可以转变为化学成分相同、但是分子体积较小的蓝晶石（Al2SiO5），其相对密度增大为3.56～3.68g/cm3。
2、静压力的作用
归纳起来，静压力的作用主要有：
⑴、加快或减缓化学反应
⑵、使岩石孔隙减少、矿物比重增大
在一定温度下，静压力随着深度增加而增大，会使岩石孔隙减少，变得致密坚硬；并且有利于形成比重较大、体积较小的矿物。
⑶、改变矿物内部结构
静压力会引起矿物内部结构发生改变，矿物颗粒由细粒变为粗粒。
㈢、定向压力及其作用
1、定向压力概述
定向压力，又叫做动压力，是指由构造运动或岩浆活动所产生的侧向挤压力。它主要产生在地壳表部。由构造运动产生的定向压力有时比静压力更大；其垂直分力与静压力一起发生作用。
由于定向压力只存在于一定的方向上，因而使岩石在不同方向上产生了压力差。这种压力差在变质作用中具有十分重要的意义。它可以引起矿物的压溶作用，即在平行压力方向上溶解较强，物质迁移到垂直压力方向上沉淀，从而导致原岩发生矿物的重新分异与聚积，造成矿物定向排列；也可以使原岩破碎或产生变形，从而改造原岩的结构和构造。
2、定向压力的作用
归纳起来，定向压力的作用主要有：
⑴、岩石变形破坏
当定向压力大于岩石弹性极限时，岩石会发生变形；当定向压力大于岩石强度极限时，岩石会产生节理、裂隙、劈理，发生破碎、塑性变形。
⑵、矿物变形、破裂、光性改变
在定向压力作用下，岩石中矿物会发生变形、破裂和光性改变，导致岩石结构构造发生变化，如云母的扭曲，石英的压碎、波状消光，长石的应力双晶等。
⑶、矿物定向排列
在定向压力作用下，岩石中新产生的片状、柱状矿物作定向排列，导致某些定向构造的形成，如片理、线理等。
⑷、促进粒间流体活动
定向压力作用可促进粒间流体活动，从而加速变质作用的进行。
㈣、粒间流体压力及其作用
1、粒间流体压力概述
粒间流体压力是指由岩石颗粒之间的挥发组分特别是水和CO2所产生的压力。
在封闭系统中，当深度大于10km时，粒间流体承受了与围岩相同的负荷压力，因此粒间流体压力等于静压力。在开放系统中，粒间流体压力小于静压力。当岩浆侵入体溢出挥发组分时，粒间流体压力大于静压力。
2、粒间流体压力的作用
归纳起来，粒间流体压力的作用主要有：
⑴、影响变质作用温度
⑵、加快重结晶作用
对岩石重结晶作用起催化作用。
⑶、有利于发生水化反应或脱水反应
⑷、对某些含结构水的矿物的分解起抑制作用
⑸、影响变质反应的平衡
影响变质反应的平衡，特别是在脱水和脱碳酸盐化时很重要。
㈤、变质作用压力变化范围
变质作用压力变化范围为：
从0.1GPa至1～1.2GPa，换算为深度从3km至35km。
或者：从几十MPa至0.8～1.GPa，换算为深度从1.5km至30～35km。
GPa是压强单位“吉帕”的符号。1GPa=1000MPa=106KPa=109Pa。其中Pa为帕斯卡，简称帕；MPa为兆帕；KPa为千帕。
四、化学活动性流体
㈠、化学活动性流体概述
化学活动性流体是指存在于岩石空隙中的一种具有很大的挥发性和化学活动性的气态或液态的流体。这种流体的组分以H2O及CO2为主，而且含有多种其它挥发物质及其溶解的矿物成分。在地下温度、压力较高的条件下，这种流体常呈不稳定的气－液混合状态存在，因而具有较强的物理化学活动性，在岩石变质过程中具有重要的作用。
在这种流体中含有CO2、硼酸、盐酸和其它挥发物质。这些物质大大增强了这种流体的化学活动性。
不过，化学活动性流体只有在温度、压力作用下才起作用。
㈡、化学活动性流体的作用
1、交代作用与重结晶作用
当由压力差或组分浓度差引起化学活动性气体或液体流动时，化学活动性流体便会与周围岩石产生交代作用，引起矿物组分的溶解和迁移，使原岩物质成分发生变化，形成与原岩完全不同的变质岩。化学活动性流体也可以促进重结晶作用。
2、固体之间化学反应的媒介
化学活动性流体作为固体与固体之间发生化学反应的媒介具有重要意义。因为，固体之间的化学反应涉及到物质组分的交换，如果没有流体媒介，这种反应是极其缓慢的。
3、参与变质作用化学反应
化学活动性流体本身也会积极参与变质作用的各种化学反应。
4、降低岩石重熔温度
化学活动性流体的存在还会大大降低岩石的重熔温度，使变质作用的高温界限变低。例如，水对岩石的重熔温度影响很大。花岗岩在干系统中，其重熔温度为950℃；在湿系统中，其重熔温度降低为640±20℃。
㈢、化学活动性流体的来源
化学活动性流体具有多种来源。其中，包括：
1、原岩孔隙水
在岩石孔隙中原来已经存在的孔隙水。
2、矿物结构中析出的挥发性物质
在变质过程中从矿物结构中析出的H2O及CO2等挥发性物质。
3、岩浆分离挥发性组分
从岩浆中分离出来的挥发性组分。
4、深部热液
从地球深部分异上升的深部热液，等。
四、时间
2020年2月13日编写于重庆
2022年2月5日修改于重庆
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