[科普中国]-变质作用

基本概述

变质作用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，少数是由陨石冲击月球和地球的表面岩石所产生。变质作用是在岩石基本上保持固体状态下进行的。地表的风化作用和其他外生作用引起岩石的变化，不属于变质作用。

促使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，但成岩作用所要求的深度、压力和温度都较小，在作用的过程中物质发生的变化不十分明显；而变质作用所要求的温度与压力较高、深度较大，在作用过程中原岩变化显著。一般来说，成岩作用的温度小于150～200℃，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。变质作用虽与温度有重要关系，但温度并未使原岩熔融，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，那么，就进入到了岩浆作用的范畴，因此变质作用与岩浆作用从发展上来看也是有联系的。对于大多数岩石来说，变质作用的高温界限大致为700～900℃。

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，这个变化过程称为变质作用。当然，由于变质作用形成的岩石就称为变质岩。12

变质作用类型变质作用的分类各家不完全一样，有的侧重于地质特点，有的侧重于物理化学条件，有的侧重于矿物组合和变形作用所产生的结构构造特点。合理的分类应是一个综合分类，既要考虑变质作用形成时的大地构造环境，又要以反映热流变化的变质相和变质相系为基础。

根据变质岩系产出的地质位置、规模和变质相系，同时考虑大多数人的税惯分法，可把变质作用分为局部性的和区域性的两大类别。局部性的包括下列类型。1

接触变质作用一般是在侵入体与围岩的接触带，由岩浆活动引起的一种变质作用。通常发生在侵入体周围几米至几公里的范围内，常形成接触变质晕圈。一般形成于地壳浅部的低压、高温条件下，压力为107～3×108帕。近接触带温度较高，从接触带向外温度逐渐降低。接触变质作用又可分为2个亚类：

①热接触变质作用：指岩石主要受岩浆侵入时高温热流影响而产生的一种变质作用。定向应力和静压力的作用一般较小，具有化学活动性的流体只起催化剂作用，围岩受变质作用后主要发生重结晶和变质结晶，原有组分重新改组为新的矿物组合并产生角岩结构，而化学成分无显著改变。

②接触交代变质作用：在侵入体与围岩的接触带，围岩除受到热流的影响外，还受到具化学活动性的流体和挥发分的作用，发生不同程度的交代置换，原岩的化学成分、矿物成分、结构构造都发生明显改变，形成各种夕卡岩和其他蚀变岩石，有时还伴生有一定规模的铁、铜、钨等矿产以及钼、钛、氟、氯、硼、磷、硫等元素的富集。

高热变质作用指与火山岩和次火山岩接触的围岩或捕虏体中发生的小规模高温变质作用。其特点是温度很高，压力较低和作用时间较短。围岩和捕虏体被烘烤退色、脱水，甚至局部熔化，出现少量玻璃质。有时生成默硅镁钙石、斜硅钙石和硅钙石等稀少矿物。

动力变质作用指与断裂构造有关的变质作用的总称。它们以应力为主，有的伴有大小不等的热流，可分为3个亚类：

①碎裂变质作用：当岩层和岩石遭受断层错动时发生压碎或磨碎的一种变质作用，也有人称为动力变质作用(狭义的)、断错变质作用或机械变质作用。一般常发生于低温条件下，重结晶作用不明显，常呈带状分布，往往与浅部的脆性断裂有关。

②韧性剪切带变质作用：韧性剪切带指由韧性剪切作用造成的强烈变形的线状地带，可以有很大的宽度和长度。它与脆性断裂不同，剪切带内的变形是连续的，不发育明显的断层面,但又有相对位移。剪切带变形及相关的变质作用具有相同的边界条件，都限于剪切带内部。一般叠加在区域变质作用产物上的剪切变形往往伴有退化变质作用，其变质程度从低温绿片岩相至高温角闪岩相。与区域变质同期的韧性剪切带变质作用较为复杂，在少数情况下，递进剪切变形也可以伴有进化变质作用。导致剪切带变质作用的主要原因有两个，一是流体的注入，另一是由剪切应变引起的等温面变形和热松弛作用。

③逆掩断层变质作用：逆掩断层导致的变质作用与剪切带变质作用有明显差异，主要影响其下盘和一部分上盘岩石，上盘即逆掩的岩石发生快速退化变质作用，而下盘被逆掩的岩石产生快速的增压变质作用，随后又发生热调整使地热梯度缓慢升高，整个岩系相应地发生缓慢的进化变质作用，最后岩系底部发生部分熔融并导致晚期侵入体的生成。

冲击变质作用指陨石冲击月球或地球表面岩石产生特殊高温和高压所引起的一种瞬间变质作用。宇宙中的巨大陨石，以很大的速度（10～20公里/秒）降落于地球表面，在很短的时间内（10-3～10-1秒），给地球岩石以特大的冲击，使之发生强烈爆炸，产生超高压（1011～1014帕）、极高温(≥10000℃)和释放出巨大能量，使冲击中心形成巨大的陨石坑。在陨石坑中及其周围，生成各种冲击岩。

气液变质作用指具有一定化学活动性的气体和热液与固体岩石进行交代反应，使岩石的矿物和化学成分发生改变的变质作用。气水热液可以是侵入体带来的挥发分，或者是受热流影响而变热的地下循环水以及两者的混合物。在一定条件下，它们可改造岩石中的矿物，形成各种蚀变岩石，并使某些有用元素迁移、沉淀和富集。在气液变质强烈地段往往出现蚀变分带，有利于成矿，故可作为一种普查找矿标志。

燃烧变质作用煤层或天然易燃物由于氧化或外部原因使温度上升而引起燃烧，温度可达1600℃，影响范围可超过10平方公里。可使周围岩石产生重结晶或部分熔化，受变质的泥质或泥灰质沉积岩常裂成碎片或生成烧变岩。这是一种热源来自岩石自身的稀少热变质作用。中国新疆和山西大同的侏罗纪煤田，加拿大北部烟山的白垩系含油砂岩和页岩，都发生过这类变质作用。

区域变质作用区域性的变质作用，一般规模巨大，主要呈面型分布，出露面积从几百到几千甚至上万平方公里，它可分为下列3个主要类型。

高温变质作用主要见于太古宙地盾或克拉通，常发生在地壳演化的早期，它不同于元古宙以来活动带的变质作用。以单相变质的麻粒岩相和角闪岩相为主，呈面型分布，变质温度,麻粒岩相一般为700～900℃，角闪岩相一般为550～700℃，压力一般为(5～10)×108帕。重熔混合岩比较发育，英云闪长岩、奥长花岗岩和花岗闪长岩等分布广泛。紫苏花岗岩仅见于麻粒岩相区。构造上表现为穹窿和短轴背斜。中国的华北陆台有广泛出露。

热流变质作用即一般所称的区域动热变质作用，也有人称为造山变质作用。这是在区域性温度、压力和应力增高的情况下，固体岩石受到改造的一种变质作用，它往往形成宽度不等的递增变质带。此种变质作用在地理上以及成因上常与大的造山带有关，如欧洲苏格兰—挪威的加里东造山带，北美的阿巴拉契亚造山带，中国的祁连山造山带等。变质作用的形成温度可达700℃，有的高达850℃，压力为(2～10)×108帕，岩石变质后具明显的叶理或片理。常伴有中酸性岩浆活动或区域性混合岩化作用。

埋藏变质作用又称埋深变质作用，也有人称静力变质作用、负荷变质作用或地热变质作用。埋深变质作用与岩浆侵入作用和造山应力作用都无明显关系，它是地槽沉积物及火山沉积物随着埋藏深度的变化而引起的一种变质作用，岩石一般缺乏片理。形成温度较低，最高可能为400～450℃，压力较高。埋深变质作用一方面解释了含有沸石类矿物的变质岩，另一方面解释了含硬柱石、蓝闪石的变质岩，这两类变质岩是在相近的低温条件下形成，但是它们在压力上有较大差别。经常伴生榴辉岩（C型）、蛇纹岩或蛇绿岩。未见有混合岩，同构造期花岗岩很不发育。关于埋深变质作用的成因有造陆运动下沉说、洋槽沿俯冲带下沉说和大断裂造成的下沉说等。

洋底变质作用指大洋中脊附近的变质作用，在大洋中脊下部的热流具有较高的速率，并随深度而快速增加，使原有的基性岩（玄武岩、辉长岩等）变质。以后由于洋底扩张，不断产生侧向移动，使这些变质岩移至正常的大洋盆中。变质的基性岩，一般不具片理，基本保留原有结构，其变质相主要是沸石相和绿片岩相。根据对大西洋、太平洋和印度洋底样品研究，变质岩中的矿物共生组合，常随深度而变化，其顺序为黝帘石→葡萄石+阳起石→绿片岩相，葡萄石-绿纤石相组合缺失，说明大洋中脊玄武岩变质时比许多大陆上蛇绿岩的地热梯度高。区域变质作用按压力类型分为低、中、高三个类型和两个过渡类型，具有一定的温度—压力梯度，并与一定的地质环境有密切关系。80年代中，中国岩石学家董申保等把中国的区域变质作用分为主要类型、基础类型和辅助类型。主要类型有：

①埋深变质作用：包括浊沸石相、葡萄石－绿纤石相型（浅到中等深度型）和蓝闪石－硬柱石片岩相型（高压相系型）两个基础类型

②区域低温动力变质作用：包括低绿片岩相（千枚岩）型和绿片岩相（有时可出现蓝闪绿片岩相）型两个基础类型

③区域动力热流变质作用：包括中压相系和低压相系型两个基础类型

④区域中高温变质作用：包括麻粒岩相型和角闪岩相型两个基础类型。辅助类型包括盖层变质作用和断陷变质作用。1

变质作用的因素与方式温度温度往往是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，促进了变质作用的过程。变质作用的温度范围可由150～200℃直到700～900℃。

导致岩石温度升高的主要原因有：①岩浆的侵入作用使其围岩温度升高；②当地壳浅部的岩石进入更深部时，由于地热增温使原岩的温度升高；③由深部热流上升所带来的热量使岩石的温度升高；④岩石遭受机械挤压或破裂错动时由机械能转化的热量使岩石的温度升高，这种热量一般较小或较局限。

压力压力也是变质作用的重要因素，根据压力的性质可分为静压力和动压力。

静压力 又称围压，是由上覆岩石的重量引起的压力。它具有均向性，并且随着深度增加而增大。静压力的作用在于使岩石压缩，导致矿物中原子、分子或离子间的距离缩小，促使矿物内部结构改变，形成密度大、体积小的新矿物。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、但分子体积较小的蓝晶石（Al2SiO5），其相对密度为3.56～3.68g/cm3。

动压力 是由构造运动所产生的定向压力。由于动压力只存在于一定的方向上，因而使得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有着十分重要的意义。它可以引起矿物的压溶作用，即在平行动压力方向上溶解较强，物质迁移到垂直动压力方向上沉淀，导致原岩发生矿物的重新分异与聚集，造成矿物定向排列；也可以使原岩破碎或产生变形，从而改造了原岩的结构与构造。

化学活动性流体化学活动性流体是指在变质作用过程中存在于岩石空隙中的一种具有很大的挥发性和活动性的流体。这种流体的组分以H2O及CO2为主，并包含有多种其它易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，在变质过程中起着十分重要的作用。

化学活动性流体可以促使矿物组分的溶解和迁移，引起原岩物质成分的变化；而且，这种流体作为固体与固体之间发生化学反应的媒介具有极重要的意义，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；同时，流体本身也积极参与了变质作用的各种化学反应；此外，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。

化学活动性流体具有多种来源。其中包括岩石空隙中原已存在的孔隙水、变质过程中从矿物结构中析出的H2O及CO2等挥发性物质、从岩浆中分离出的挥发性组分以及从地下深处分异上升的深部热液等。

时间时间是变质作用很重要的影响yin's因素，有些变质作用看起来不易发生，但是在长时间变质因素持续作用下却可以进行。特别是变质结构的生成、岩石的塑性变形，都是很慢的过程。

必须指出，上述各种变质作用因素常常是互相配合、共同改造岩石的。但是，在不同的情况下起主要作用的因素会有所不同，因而变质作用也相应地显示出不同的特征。2

变质作用的方式在温度、压力及化学活动性流体的作用下，原岩可发生物质成分和结构、构造的变化。但是，这一变化是如何得以完成的呢？了解变质作用的方式有助于我们了解变质作用的过程。变质作用的方式极其复杂多样，其主要的方式有以下几种。1

重结晶作用重结晶作用是指岩石在固态下，同种矿物经过有限的颗粒溶解、组分迁移，然后又重新结晶成粗大颗粒的作用，在这一过程中并未形成新矿物。最典型的例子是隐晶质的石灰岩经重结晶作用后变成颗粒粗大的大理岩（主要矿物成分均为方解石）。重结晶作用在成岩作用中已经出现，但在变质作用中则表现得更加强烈和普遍。重结晶作用对原岩的改造主要是使其粒度加大、颗粒相对大小均一化、颗粒外形变得较规则。

变质结晶作用变质结晶作用是指在变质作用的温度、压力范围内，在原岩总体化学成分基本保持不变的情况下（挥发分除外），原有矿物或矿物组合转变为新的矿物或矿物组合的作用。由于这种变化过程多数情况下涉及岩石中各种组分的重新组合，并以化学反应的方式完成，故又称重组合作用或变质反应。变质结晶作用的主要特点是有新矿物的形成和原矿物的消失，并且在反应前后岩石的总体化学成分基本不变。

交代作用交代作用是指变质过程中，化学活动性流体与固体岩石之间发生的物质置换或交换作用，其结果不仅形成新矿物，而且岩石的总体化学成分发生改变。例如，含Na+的流体与钾长石发生交代作用而置换出K+，形成新矿物钠长石（斜长石的一种）：

KAlSi3O8+Na+→NaAlSi3O8+K+

(钾长石) (带入) (钠长石) (带出)

交代作用的特点是：在固态下进行；交代前后岩石的总体积基本保持不变；原矿物的溶解和新矿物的形成几乎同时进行；交代作用是在开放系统中进行的，反应前后岩石的总体化学成分发生改变。交代作用在变质过程中是比较普遍的，凡有化学活动性流体参加的情况下，总会有不同程度的交代作用发生。1