Question

引起变质作用的因素有哪些

Answer 1

岩石变质的根本原因是地质环境的改变，控制变质作用的根本因素是地质因素，如大地构造位置 (岛弧、海沟、洋中脊等) 、构造过程 (沉降、隆升等) 、岩浆作用等。影响变质作用的因素多种多样，习惯上将原岩特点作为内部因素考虑，而将与地质环境密切相关的物理化学条件，主要是温度 (T) 、压力 (p) 、流体成分 (x) 、时间 (t) 4 个因素作为控制因素。因为这 4 个因素的变化，明显地影响变质作用的强度、范围和产物，进而决定变质作用类型。

1. 温度 (T)

温度升高有利于吸热反应 (如脱水反应) ，温度降低，反应向放热方向进行。温度升高可提高活化分子比例，克服活化能障碍，大大加快变质反应和晶体生长速率，是重结晶的决定性因素。温度升高还可改变岩石的变形行为，从脆性变形向塑性变形转化。温度升高也会通过脱水反应、脱碳酸反应形成变质热液，它们作为催化剂、搬运剂和热媒介对变质作用施加影响。此外，温度升高还会导致部分熔融而发生混合岩化。

变质作用最低温度是由成岩作用向变质作用转化的记录 (图4-1) ，其与许多因素，如压力 (深度) 、流体相的有无、流体相的成分、岩石受温度支配的时间长短等有关，通常为 150 ～200℃，但可以到 350℃或更高 (Mason，1990) 。

变质作用高温限由变质作用与岩浆作用的转化限定。如图4-1 所示，二者之间有一个范围广大的 p-T 过渡区。这是因为熔融温度不仅与压力有关，而且更多地取决于岩石成分和流体的存在与否以及液体成分。在一般的区域变质作用过程中，花岗岩、泥质岩和玄武岩等地壳中广泛分布的岩石，在水流体存在的情况下，熔融温度在 600 ～ 750℃之间。但有些情况下，熔融可能发生在水流体缺乏的条件下，此时熔融温度要比水流体存在时的熔融温度高得多 (图4-1) 。由变质岩矿物组合推断的区域变质温度的最大值约 1000℃ (Mi-yashiro，1994) 。在最上限，超基性岩的干固相线在 1200 ～ 2000℃ 之间 (Mason，1999) 。

图4-1 变质作用温压范围(据 Miyashiro，1994，修改补充)

由于地球内部热流的存在，地球内部温度随深度的增加而增加。温度对深度的改变率(增加率) 称为地热梯度 (geothermal gradient) ，以℃ /km 为单位。热的来源主要有地幔热对流、地壳放射性元素蜕变产生的放射热、岩浆热和变形产生的摩擦生热 4 个方面。地球上不同地点热流不同。由于俯冲带冷板块向下俯冲，所以热流值最低。根据俯冲带变质作用研究推测地热梯度最低值为 5℃ /km。而在洋中脊，由于大量地幔物质上涌而具有异常高的热流值。意大利 Liguria 洋底变质岩矿物学研究表明洋底地热梯度可高达 900 ～1300℃ / km。

2. 压力 (p)

压力的标准国际单位为 Pa (帕斯卡) 或 GPa (= 10⁹Pa) ，地质上也常用 bar (巴)和 kbar (=10³bar) 来表示。它们之间的关系为: 1 bar = 10⁵Pa，1 kbar = 0. 1 GPa。热力学上的压力 p 是指各向相等的静水压力 (hydrostatic pressure) ，它影响矿物相平衡。压力增加，有利于体积缩小的反应，形成高密度矿物组合。

地下变质环境中存在负荷压力 (lithostatic pressure) 、定向压力 (directed pressure) 和流体压力 (fluid pressure) 等 3 种压力。负荷压力来自上覆岩石柱，定向压力来自构造运动，流体压力来自粒间孔隙流体。为简化起见，用处于地下一定深度的单位岩石垂直切面(图4-2) 来说明它们对总压力 p 的贡献。

图4-2 作用于单位岩石的不同压力类型简图(据 Yardley，1989)

地下一定深度岩石应力状态可用4-2a表示，包括垂直方向的主应力(垂直直应力)σ_A和水平方向的侧向直应力σ_B。当无构造作用时，σ_A=σ_B=上覆单位岩石柱的重量，就是负荷压力p₁。因此，负荷压力是一种各向相等的静水压力，其大小等于上覆单位岩石柱的重量，即:p₁=σgD。式中:σ为岩石密度，g/m³;g为重力加速度，981cm/s²;D为深度。若深度以km计，p₁以GPa计，则p₁=9.81σD10^－3。

当岩石受到来自构造运动的定向压力作用时，其应力状态仍可用一定剖面上的垂直直应力σ_A和水平直应力σ_B表示，但σ_A≠σ_B。总应力状态可看成包括两部分:一部分为偏应力(deviatoric stress)，是一种非静水应力，与σ_A-σ_B应力差有关，它导致岩石变形，但一般不影响相平衡;另一部分为平均应力(mean stress)，是一种静水应力，其大小σ=(σ_A+σ_B)/2，平衡应力与负荷压力之差称为构造超压(tectonic overpressure)，是构造对总压的贡献。不过，构造超压大小受限于岩石强度，后者本身又因成分、温度、变形速率及其他因素而变化。由于变质作用发生在高温条件下，岩石强度通常不大，因而构造超压通常较小;正常变质条件下小于0.1GPa(Miyashiro，1994)。

在变质作用p-T条件下，岩石经常含流体相，充填于孔隙空间和沿颗粒边界分布。如图4-2b所示，负荷压力p₁作用于矿物颗粒边界，使颗粒结合在一起。而流体压力p_f作用在颗粒表面，起与p₁相反的作用，趋向于使颗粒分开。由于温度升高，流体体积膨胀，或由于发生脱H₂O和脱CO₂反应，使流体量增大，都可使流体压力p_f增大。当增大到其数值等于p₁时即与负荷压力达到平衡。p_f进一步增加，通常流体会从颗粒间隙扩散流走而保持平衡。而在系统高度封闭、不易扩散的情况下，会造成局部p_f大于p₁的情况，其差值称作流体超压(fluid overpressure)，显然它将导致颗粒分离产生破裂。因此，流体超压也受限于岩石强度，在变质作用条件下最多不超过0.1GPa。

由上述讨论可知，总压力p=p₁+构造超压+流体超压。但由于构造超压和流体超压都比较小，所以在大多数情况下，我们可以假定p≈p₁≈p_f。在这个假定基础上根据矿物组合估计的压力应指示深度的最大值，实际深度有时可能要小于3km，甚至更多一些。

自地表往下，压力大致以0.029GPa/km的速率随深度增加而增加。平衡稳定大陆地壳厚35km，其底部压力约0.1GPa。现代和新生代造山带观察到的大陆地壳最大厚度约70km，其底部压力约2.0GPa。根据地质压力计测定，现今出露在地表的变质岩大多数是在压力0.1～1.0GPa、深度约3～35km范围内形成的。在更浅的深度，温度通常太低而不能引起结晶作用。而在更大深度变质作用必定是广泛的，但形成的变质岩很难能够抬升出露地表。这也正是传统观念把变质作用限于35km地壳范围以内深度的原因。

然而，一些在俯冲带或大陆碰撞带及其附近变质的岩石可能是在100km或更深的地幔深度结晶的，指示超高压(ultrahigh-pressure)条件的矿物是柯石英和金刚石。它们在约3.0GPa以上的压力下稳定(图4-1)。变质岩中的柯石英最早发现于西阿尔卑斯(Chopin，1984;Smith，1984)，变质岩中金刚石最早发现于哈萨克斯坦(Sobolev andShatsky，1990)。以后在我国大别山区变质岩中也找到了柯石英(Okay，Xu，etal.，1989;Wang，1989)和金刚石(徐树桐等，1991)。Schreyer(1988)曾评价说“超高压变质(柯石英的出现)是陆壳岩石向地幔俯冲的岩石学证迹”。

3.流体成分(x)

变质岩中含H₂O矿物(云母、角闪石等)、碳酸盐矿物以及这些矿物包裹体的存在，特别是流体包裹体的存在，是变质作用过程中存在流体相的直接证据。早先，由于高级变质的麻粒岩无水矿物的组合，人们认为下地壳是缺乏流体的。然而，近30年来对变质岩和上地幔岩流体包裹体的研究证明，即使在麻粒岩和地幔岩中流体也是广泛存在的(徐学纯，1991，1998;郑建平、路凤香，1994)。一般说来，在上地壳中、低级变质岩中，流体成分主要为挥发分H₂O，CO₂以及CH₄，含少量N₂和H₂S等，H₂O和CO₂比值变化大。下地壳麻粒岩相变质岩和上地幔岩流体以CO₂为主，含少量H₂O，H₂S，CH₄等。因此，对整个岩石圈而言，H₂O和CO₂是流体的最主要成分，可近似看成流体相是由H₂O和CO₂组成的。

变质作用p-T条件通常大于临界点(CP)，因此流体相呈超临界状态(super-critical state)。在这种状态下，区分不出流体和气体。由图4-3可知，不同成分流体在温度大于300～400℃时可以彼此完全混溶。因此，在通常变质作用p-T条件下，流体相为均一的相。不同成分(H₂O和CO₂)彼此起稀释作用。以摩尔分数表示其浓度，则x(H₂O)+x(CO₂)=1。这个表达式可近似表达岩石圈中流体组成。

变质作用中涉及大量有流体相参加的反应，如脱H₂O反应、脱CO₂反应。流体成分对这些反应有强烈的影响。根据化学平衡的浓度定律，增加系统中某物质浓度，反应向减少其浓度方向进行。因此，对脱水反应和脱碳酸反应，流体的x(H₂O)增加(即x(CO₂)减少)，反应将向减少x(H₂O)，增加x(CO₂)方向进行，即阻碍脱水反应而促进脱CO₂反应进行，提高脱水反应温度、降低脱CO₂反应温度。相反，增加x(CO₂)(减少x(H₂O))将促进脱水反应而阻碍脱CO₂反应进行(降低脱水反应温度、提高脱CO₂反应温度)。

图4-3 不同压力下随着温度降低流体不混溶图解

除挥发分外，流体中还溶解有K，Na，Ca，Si等造岩组分和Fe，Cu，Ag等成矿组分，在开放系统条件下，岩石在流体作用下发生元素带入、带出与环境发生物质交换，造成岩石的化学成分变化，并可形成矿床。因此，流体对交代作用和成矿作用起促进作用。

流体作为变质作用中的一个重要因素的另一方面表现是，流体作为催化剂可大大提高变质反应(包括交代反应)的速率。在没有流体参与的干系统中，反应难以发生或难以反应完全。

从图4-1可看出，流体大大降低了岩石熔点，从而促进混合岩化作用。

变质作用过程中流体主要有下列来源:①原岩中的流体，主要是沉积岩中的孔隙流体，在埋藏变质中起重要作用;②海水，在洋底变质和在俯冲带变质中起重要作用;③变质流体，源于变质过程中的脱流体反应，广泛出现在各类变质环境;④岩浆流体，在接触变质和交代变质中起重要作用;⑤深源流体，主要来自地幔放气作用，是高级变质流体相的主要来源。

4.时间(t)

时间是影响变质作用的重要因素。在一定的变质温度、压力条件下，如果没有足够的作用时间，原岩的变质反应将不明显甚至主要的变质作用无法进行，因为矿物重结晶、交代作用和塑性变形等，都是缓慢的进程。只有充足的时间才能使变质作用对原岩做有效的改造，形成各类变质岩。

Answer 2

接触变质作用又称热力接触变质作用
，是由于岩浆的活动散发出的热量和析出的气态或液态溶液引起的变质作用。主要发生在岩浆体周围接触带的围岩中。根据变质作用过程中有无交代作用又可分为2个亚类：

①热接触变质作用：以热力(高温)作用为主，原岩发生重结晶，而化学成分没有显著改变，没有明显的交代作用，如斑点板岩、角岩等;

②接触交代变质作用;除热力作用外，伴随有显著的交代作用，原岩的化学成分发生明显改变，如矽卡岩等。

动力变质作用又称“碎裂变质作用”或“错动变质作用 ”。是在构造运动所产生的定向压力作用下，岩石所发生的变质作用。其变质因素以机械能及其转变的热能为主，常沿断裂带呈条带分布，形成断层角砾岩、碎裂岩、糜棱岩等，而这些岩石又是判断断裂带的重要标志。

Answer 3

空气中的水分子，氧原子，使其发生氧化反应。有的变质是因为光照而产生的光分解。还有就是温度过高引起的分子内部的反应。另外就是空气中的微生物附着生长。所以一般防止变质都会低温密封保存。我能想到的就这四点。