变质作用的基本概念

一、变质作用的范围
变质作用是地壳演化过程中原先生成的岩浆岩和沉积岩在地壳一定深处所发生的一种固态转变，所形成的岩石称为变质岩（图16－1）。
所谓“地壳一定深处”，是指变质作用发生于一定的温度、压力范围，通常是温度范围200～1000℃，压力范围0.02～1.5GPa（0.2～15kb）（王仁民等，1989）。这个温度范围大概处在后生成岩作用和岩浆作用之间。

图16－1 出露地表的变质岩*

成岩作用与变质作用之间界限，涉及变质作用的下限。Winkler（1976）主张把浊沸石的出现作为变质作用的开始（大约是200℃），但对此有人持异议，如赵宗溥（1983）。
二、变质作用的分类
根据变质作用的规模，变质作用可分为局部变质作用和区域变质作用两大类（Raymond，1995）：
1.局部变质作用
局部变质作用是指体积小于100km3的变质作用。它分布于某个具体的地质构造中，受到体积的局限控制。局部变质作用可分为以下几类：
（1）接触—热变质作用
分布于侵入体与围岩接触带。岩浆侵入到地壳的上部层位，由于侵入体与围岩间有显著的温度差，围岩受热而发生变质作用。这类变质作用一般深度不大，围限压力不会太高。
（2）动力变质作用
分布于断层带或其他强烈错动（剪切作用）带上，由于各种类型应力作用的结果，岩石通过碎裂、变形和重结晶等方式，进行结构、构造上的改造，有时也有矿物成分上的转换。动力变质作用特点是低温、高应变率。
（3）冲击变质作用
分布于陨石坑附近，在陨石冲击到地表时发生的变质作用。瞬时冲击产生的高压、高温是控制冲击变质作用的主要因素。
（4）交代变质作用
局限分布于侵入体接触带及火山喷发活动区，主要由岩浆热液引起的化学变质作用。变质作用的机理是交代作用。
2.区域变质作用
区域变质作用是分布范围广泛而且变质因素复杂的一种变质作用。它常发生在岩石圈范围，均具较大的规模。主要变质因素有：温度、压力（包括围限压力和应力）和流体均同时起重要作用，其中以围限压力最为重要。区域变质一般发生于大陆地壳、大洋地壳及岩石圈地幔（Mason，1990；Miyashiro，1994）。
（1）造山变质作用
分布于前寒武纪结晶基底，变质作用规模巨大，面积超过数百平方千米，与造山作用有密切的关系。主要变质作用为重结晶和变形，岩石常常具有面理和线理，是区域变质作用最常见类型，又称区域动热变质作用或区域变质作用。
（2）洋底变质作用
在大洋中脊上升的热流和海水作用下，洋壳岩石发生的大规模变质作用称为洋底变质作用。温度、流体及其中的化学组分是控制洋底变质作用的主要因素，常常发生重结晶作用和交代作用，绿岩是典型的洋底变质岩。
（3）埋藏变质作用
埋藏变质作用是无明显变形的、规模巨大的低级变质作用，其变质温度很低，而导致埋藏变质作用的压力变化范围较大，是成岩作用向变质作用发展的过渡类型，又称浅变质作用。其变质岩常常具有原岩的残余结构。
（4）混合岩化作用
在地壳深部高级变质岩发育区，由于温度、压力进一步升高，又有流体存在，一些变质岩能熔融产生相当数量的花岗质熔体。当熔融程度较高，并经迁移大量汇聚后便形成岩浆，冷凝后即形成花岗岩类岩石。如果只有少量熔融，且未发生明显远距离迁移，则出现花岗质浅色脉体和暗色变质岩基体混杂在一起的岩石，称为混合岩。从变质岩经熔融而形成混合岩的过程称为混合岩化作用，又称超变质作用。

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℃。早在十九世纪六十年代，欧洲的一些地质学家就发现有些沉积岩逐渐过渡为矿物成分和结构构造都不同于原来岩石的地质现象。在野外观察，发现沉积形成页岩变成了云母片岩，原来的黏土矿物变成了新生成的白云母和绿泥石。但是在这些被改变的岩石中，还可以找到原来岩石残余的一些特征，比如有层理、甚至可以见到化石残片。于是，1883年英国学者莱伊尔在他的著作《地质学原理》一书中，首创“Metamorphism”一词，提出了变质作用的概念，泛指人们观察到的岩石变质现象。Metamorphism 由两个希腊词根构成，meta意为变化，morph意为形状、结构。总体含义意为结构形式发生了变化，但成分基本不变。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。从早太古宙至现代，都有变质作用发生。在非洲和前苏联测得侵入变质岩中的岩浆岩的年龄为35亿年，在中国的冀东地区测得斜长角闪岩的年龄为35亿年，在格陵兰测得变质岩的年龄为38亿年，说明在早太古宙时期，已有变质作用发生。在现代岛弧底部和大洋中脊，由于有较高的地热梯度，也正在发生变质作用。

变质作用既是重要的地质作用，又是自然界一系列复杂的物理和化学过程。地壳中已存在的岩石(包括火成岩、沉积岩和早期形成的变质岩)当遭受构造运动、岩浆活动或地热变化等地质因素的影响时，它们将进入新的物理－化学环境。为了适应这种新环境，趋向新的物理－化学平衡，原来的岩石必将被改造，这种改造就称为变质作用(Metamorphism)，其所成的新岩石即为变质岩(Metamorphic Rock)。变质作用过程主要表现为原来岩石中矿物成分和结构构造的改变，一般来说，其中非挥发性组分的含量基本不变，即接近于等化学过程。但有时各种流体的作用，可引起某些活动性较大的组分的带入或带出;或当高温条件下发生部分熔融作用时，少量新生熔体的分离和带出或加入也会引起原始化学成分的某些改变。

变质作用不同于岩浆结晶作用和沉积作用的最大特点是獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉，其全过程岩石保持整体性和獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉獉基本处于固相状态獉獉獉獉獉獉獉獉。它们可以呈刚性、半塑性或高度塑性，视当时的温度、压力和流体等条件和岩石本身的物性而定。多数情况下，岩石中还含少量以H₂O和CO₂为主的流体相，构成流体(饱和或不饱和)－岩石系统。变质作用通常在远远高于地表的温压条件(＞150～200℃，0.1～0.2GPa)下进行。其主要机制是原来矿物发生分解，有关组分通过重新聚集，或经化学反应重组合而形成新矿物，一般泛称为变质结晶作用。由于这些化学反应是在较高温压条件下，且常随增温过程而进行，所以一般能趋近或达到新的平衡状态，形成与新的温压条件相适应的稳定平衡组合。研究表明这种以固态为主的岩石系统中的化学反应(变质反应)虽较复杂，但仍符合化学热力学的相平衡基本原则，所以可根据它们来研究变质岩中平衡矿物组合与其形成时温压条件之间的规律性关系。

与变质作用同时，地壳活动带的岩石还常受到与构造运动有关的定向力的影响，导致了构造变形作用，其结果在岩石中形成片理、线理及由微观至宏观尺度的各种变形组构。它们是变质岩区分析构造形迹样式及其运动学和动力学的重要依据。虽然变质作用经常伴随构造变形作用，但又各有独立性，变形幕与变质结晶期在时间并非一定完全一致。

温度大于600℃的高温变质地区，岩石在变质结晶基础上常出现部分熔融，使其中的低熔组分成为新熔体。岩石开始熔融的温度、所成熔体的成分和相对数量决定于岩石总化学成分和矿物成分、当时温压条件、H₂O的饱和程度等因素。此时岩石成为残留固相矿物+新生熔体相+以H₂O为主的流体相的复杂系统，各种相之间进行多组分的化学反应、交代、结晶和重结晶等各种作用，这就是目前所理解的混合岩化作用，其产物为各种混合岩。有时这些分散的新生熔体能分异聚集，在应力作用下挤出，离开原地，成为新生花岗质岩浆。另一些情况下，这些新生熔体虽留在原地，但其相对含量渐增，当达一定数量之后，会出现能整体运动的混合岩浆，并形成相应的花岗质岩石。以上说明变质作用和花岗质岩浆作用的密切成因联系，它们代表地壳中热事件的连续发展阶段。

温度在150～200℃之间的极低温变质作用常出现于巨厚沉积柱的底部，其矿物变化与沉积岩后生成岩作用差别不大。一般将基性火山岩系中方沸石和片沸石的分解和浊沸石的出现作为进入变质作用范畴的标志。有些文献中则以黏土矿物中伊利石的结晶度来确定变质作用的温度低限。

变质作用与成矿作用也有成因联系，不仅原岩中某些组分经变质作用可转变成有经济价值、可利用的矿物原料，而且与变质作用有关的溶液还能使含矿建造或已有矿床中有用元素的进一步富集成矿或贫化。特别是气成－热液矿床中围岩蚀变特征是重要的找矿标志和研究矿床成因的依据，有人将其列入变质岩石学研究范围。但考虑到它们常以大量酸性气成－热液循环和对岩石的非等化学交代作用为特征，并与成矿密切结合，其所遵循的物化原理和研究方法均与一般变质作用差别较大，故本书暂不将其列入研究范围。

变质和变形作用是地壳中固态岩石的物、化再平衡过程，但它们又是岩石圈中出现的构造－热事件的表现形式，所以又称为变质事件。热事件使地壳中温度升高，导致发生变质作用和岩浆作用。构造事件则通过地壳的大幅度增厚或减薄，使岩石所处的负荷压力大幅度变化，同时通过定向力的作用在岩石中形成各种尺度和各种样式的变形。

一个地区地壳中某一时期的变质事件从起始至结束通常要经历几百万至几千万年的漫长历史，其间温度和压力等条件都随时间而变化，且往往可分若干阶段，因此，目前公认变质作用是一个漫长的动态演化过程，而不是特定温压条件下岩石中静态的矿物和组构改变过程。

变质事件在地壳中的时空分布都很不均匀，其所引起的变质作用当然也是如此。任何一个稳定地块，尤其是陆台区，其岩石圈及壳幔之间处于动力学平衡状态，一般不会出现变质事件和广泛的变质作用;相反在各种级别的板块边缘及其汇聚带，由于岩石圈中壳幔之间的动力学平衡遭到扰动，所以经常会出现各种型式的变质事件和相应的各种变质作用类型，这些地区就是各地质时代的地壳活动带和造山带，其中包括洋壳俯冲带、陆壳碰撞造山带、弧－陆拼贴带和活动陆缘等。在陆壳裂解和上地幔减薄地区及地幔柱上涌地带也可发生大规模的变质作用。

岩石圈和地壳的形成和演化已经历了30余亿年，在此期间地球动力学机理随时间进程有所变化，因此变质事件和变质作用特征也随之变化，这最突出地表现在地壳演化的两大阶段中:

(1)太古宙阶段(＞2500Ma):地壳的形成以地幔柱上涌和陆壳垂向增生为主要形式，辅以小块体的分合和逐渐增大，加之当时地热梯度远高于显生宙，故以普遍发育面型产状的高温变质作用为特征。

(2)元古宙(1800Ma)以来:地壳以不同规模多次聚合和重新裂解为特征，板块体制越来越典型，变质作用主要出现于它们的聚合和裂解带，也包括一些陆壳内的分－合带，且型式越来越趋于多样化。