超高強韌、耐蝕變質(zhì)鑄造鋁合金組織形成及其作用機制

2010年5月上旬，中科院地質(zhì)與地球物理研究所及巖石圈演化國家重點實驗室組織了"2010年早前寒武紀地殼演化討論會暨超高溫變質(zhì)作用野外現(xiàn)場交流會"，并在會后赴內(nèi)蒙古武川縣東坡村和察右前旗土貴山兩處典型超高壓高溫麻粒巖出露點進行了野外考察，會議對超高溫麻粒巖的地質(zhì)產(chǎn)狀特征形成了共識，對超高溫變質(zhì)作用條件和形成機理進行了廣泛的交流。顯然，超高溫變質(zhì)作用作為新世紀變質(zhì)地質(zhì)學的重要前沿領域之一，對認識地殼構(gòu)造-熱演化具有非常重要的意義，已經(jīng)引起了越來越多學者的興趣和關注。隨著研究工作的不斷深入，尤其是在超高溫變質(zhì)作用的大地構(gòu)造背景研究、異常高地熱梯度的成因研究和超高溫變質(zhì)帶與相關變質(zhì)巖帶的對比研究等方面的進一步探討，必將為認識早期構(gòu)造背景、地殼熱演化，特別是板塊構(gòu)造、不同地殼層次的構(gòu)造作用等提供難得的科學機遇(劉守偈等，2009;Brown，2007)。

變質(zhì)作用的分類各家不完全一樣，有的側(cè)重于地質(zhì)特點，有的側(cè)重于物理化學條件，有的側(cè)重于礦物組合和變形作用所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點。合理的分類應是一個綜合分類，既要考慮變質(zhì)作用形成時的大地構(gòu)造環(huán)境，又要以反映熱流變化的變質(zhì)相和變質(zhì)相系為基礎。

根據(jù)變質(zhì)巖系產(chǎn)出的地質(zhì)位置、規(guī)模和變質(zhì)相系，同時考慮大多數(shù)人的稅慣分法，可把變質(zhì)作用分為局部性的和區(qū)域性的兩大類別。局部性的包括下列類型。

一般是在侵入體與圍巖的接觸帶，由巖漿活動引起的一種變質(zhì)作用。通常發(fā)生在侵入體周圍幾米至幾公里的范圍內(nèi)，常形成接觸變質(zhì)暈圈。一般形成于地殼淺部的低壓、高溫條件下，壓力為107~3×108帕。近接觸帶溫度較高，從接觸帶向外溫度逐漸降低。接觸變質(zhì)作用又可分為2個亞類:

①熱接觸變質(zhì)作用:指巖石主要受巖漿侵入時高溫熱流影響而產(chǎn)生的一種變質(zhì)作用。定向應力和靜壓力的作用一般較小，具有化學活動性的流體只起催化劑作用，圍巖受變質(zhì)作用后主要發(fā)生重結(jié)晶和變質(zhì)結(jié)晶，原有組分重新改組為新的礦物組合并產(chǎn)生角巖結(jié)構(gòu)，而化學成分無顯著改變。

②接觸交代變質(zhì)作用:在侵入體與圍巖的接觸帶，圍巖除受到熱流的影響外，還受到具化學活動性的流體和揮發(fā)分的作用，發(fā)生不同程度的交代置換，原巖的化學成分、礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造都發(fā)生明顯改變，形成各種夕卡巖和其他蝕變巖石，有時還伴生有一定規(guī)模的鐵、銅、鎢等礦產(chǎn)以及鉬、鈦、氟、氯、硼、磷、硫等元素的富集。

指與火山巖和次火山巖接觸的圍巖或捕虜體中發(fā)生的小規(guī)模高溫變質(zhì)作用。其特點是溫度很高，壓力較低和作用時間較短。圍巖和捕虜體被烘烤退色、脫水，甚至局部熔化，出現(xiàn)少量玻璃質(zhì)。有時生成默硅鎂鈣石、斜硅鈣石和硅鈣石等稀少礦物。

指與斷裂構(gòu)造有關的變質(zhì)作用的總稱。它們以應力為主，有的伴有大小不等的熱流，可分為3個亞類:

①碎裂變質(zhì)作用:當巖層和巖石遭受斷層錯動時發(fā)生壓碎或磨碎的一種變質(zhì)作用，也有人稱為動力變質(zhì)作用(狹義的)、斷錯變質(zhì)作用或機械變質(zhì)作用。一般常發(fā)生于低溫條件下，重結(jié)晶作用不明顯，常呈帶狀分布，往往與淺部的脆性斷裂有關。

②韌性剪切帶變質(zhì)作用:韌性剪切帶指由韌性剪切作用造成的強烈變形的線狀地帶，可以有很大的寬度和長度。它與脆性斷裂不同，剪切帶內(nèi)的變形是連續(xù)的，不發(fā)育明顯的斷層面,但又有相對位移。剪切帶變形及相關的變質(zhì)作用具有相同的邊界條件，都限于剪切帶內(nèi)部。一般疊加在區(qū)域變質(zhì)作用產(chǎn)物上的剪切變形往往伴有退化變質(zhì)作用，其變質(zhì)程度從低溫綠片巖相至高溫角閃巖相。與區(qū)域變質(zhì)同期的韌性剪切帶變質(zhì)作用較為復雜，在少數(shù)情況下，遞進剪切變形也可以伴有進化變質(zhì)作用。導致剪切帶變質(zhì)作用的主要原因有兩個，一是流體的注入，另一是由剪切應變引起的等溫面變形和熱松弛作用。

③逆掩斷層變質(zhì)作用:逆掩斷層導致的變質(zhì)作用與剪切帶變質(zhì)作用有明顯差異，主要影響其下盤和一部分上盤巖石，上盤即逆掩的巖石發(fā)生快速退化變質(zhì)作用，而下盤被逆掩的巖石產(chǎn)生快速的增壓變質(zhì)作用，隨后又發(fā)生熱調(diào)整使地熱梯度緩慢升高，整個巖系相應地發(fā)生緩慢的進化變質(zhì)作用，最后巖系底部發(fā)生部分熔融并導致晚期侵入體的生成。

指隕石沖擊月球或地球表面巖石產(chǎn)生特殊高溫和高壓所引起的一種瞬間變質(zhì)作用。宇宙中的巨大隕石，以很大的速度(10~20公里/秒)降落于地球表面，在很短的時間內(nèi)(10-3~10-1秒)，給地球巖石以特大的沖擊，使之發(fā)生強烈爆炸，產(chǎn)生超高壓(1011~1014帕)、極高溫(≥10000℃)和釋放出巨大能量，使沖擊中心形成巨大的隕石坑。在隕石坑中及其周圍，生成各種沖擊巖。

指具有一定化學活動性的氣體和熱液與固體巖石進行交代反應，使巖石的礦物和化學成分發(fā)生改變的變質(zhì)作用。氣水熱液可以是侵入體帶來的揮發(fā)分，或者是受熱流影響而變熱的地下循環(huán)水以及兩者的混合物。在一定條件下，它們可改造巖石中的礦物，形成各種蝕變巖石，并使某些有用元素遷移、沉淀和富集。在氣液變質(zhì)強烈地段往往出現(xiàn)蝕變分帶，有利于成礦，故可作為一種普查找礦標志。

煤層或天然易燃物由于氧化或外部原因使溫度上升而引起燃燒，溫度可達1600℃，影響范圍可超過10平方公里?？墒怪車鷰r石產(chǎn)生重結(jié)晶或部分熔化，受變質(zhì)的泥質(zhì)或泥灰質(zhì)沉積巖常裂成碎片或生成燒變巖。這是一種熱源來自巖石自身的稀少熱變質(zhì)作用。中國新疆和山西大同的侏羅紀煤田，加拿大北部煙山的白堊系含油砂巖和頁巖，都發(fā)生過這類變質(zhì)作用。

區(qū)域性的變質(zhì)作用，一般規(guī)模巨大，主要呈面型分布，出露面積從幾百到幾千甚至上萬平方公里，它可分為下列4個主要類型。

主要見于太古宙地盾或克拉通，常發(fā)生在地殼演化的早期，它不同于元古宙以來活動帶的變質(zhì)作用。以單相變質(zhì)的麻粒巖相和角閃巖相為主，呈面型分布，變質(zhì)溫度,麻粒巖相一般為700~900℃，角閃巖相一般為550~700℃，壓力一般為(5~10)×108帕。重熔混合巖比較發(fā)育，英云閃長巖、奧長花崗巖和花崗閃長巖等分布廣泛。紫蘇花崗巖僅見于麻粒巖相區(qū)。構(gòu)造上表現(xiàn)為穹窿和短軸背斜。中國的華北陸臺有廣泛出露。

即一般所稱的區(qū)域動熱變質(zhì)作用，也有人稱為造山變質(zhì)作用。這是在區(qū)域性溫度、壓力和應力增高的情況下，固體巖石受到改造的一種變質(zhì)作用，它往往形成寬度不等的遞增變質(zhì)帶。此種變質(zhì)作用在地理上以及成因上常與大的造山帶有關，如歐洲蘇格蘭-挪威的加里東造山帶，北美的阿巴拉契亞造山帶，中國的祁連山造山帶等。變質(zhì)作用的形成溫度可達700℃，有的高達850℃，壓力為(2~10)×108帕，巖石變質(zhì)后具明顯的葉理或片理。常伴有中酸性巖漿活動或區(qū)域性混合巖化作用。

又稱埋深變質(zhì)作用，也有人稱靜力變質(zhì)作用、負荷變質(zhì)作用或地熱變質(zhì)作用。埋深變質(zhì)作用與巖漿侵入作用和造山應力作用都無明顯關系，它是地槽沉積物及火山沉積物隨著埋藏深度的變化而引起的一種變質(zhì)作用，巖石一般缺乏片理。形成溫度較低，最高可能為400~450℃，壓力較高。埋深變質(zhì)作用一方面解釋了含有沸石類礦物的變質(zhì)巖，另一方面解釋了含硬柱石、藍閃石的變質(zhì)巖，這兩類變質(zhì)巖是在相近的低溫條件下形成，但是它們在壓力上有較大差別。經(jīng)常伴生榴輝巖(C型)、蛇紋巖或蛇綠巖。未見有混合巖，同構(gòu)造期花崗巖很不發(fā)育。關于埋深變質(zhì)作用的成因有造陸運動下沉說、洋槽沿俯沖帶下沉說和大斷裂造成的下沉說等。

指大洋中脊附近的變質(zhì)作用，在大洋中脊下部的熱流具有較高的速率，并隨深度而快速增加，使原有的基性巖(玄武巖、輝長巖等)變質(zhì)。以后由于洋底擴張，不斷產(chǎn)生側(cè)向移動，使這些變質(zhì)巖移至正常的大洋盆中。變質(zhì)的基性巖，一般不具片理，基本保留原有結(jié)構(gòu)，其變質(zhì)相主要是沸石相和綠片巖相。根據(jù)對大西洋、太平洋和印度洋底樣品研究，變質(zhì)巖中的礦物共生組合，常隨深度而變化，其順序為黝簾石→葡萄石+陽起石→綠片巖相，葡萄石-綠纖石相組合缺失，說明大洋中脊玄武巖變質(zhì)時比許多大陸上蛇綠巖的地熱梯度高。區(qū)域變質(zhì)作用按壓力類型分為低、中、高三個類型和兩個過渡類型，具有一定的溫度-壓力梯度，并與一定的地質(zhì)環(huán)境有密切關系。80年代中，中國巖石學家董申保等把中國的區(qū)域變質(zhì)作用分為主要類型、基礎類型和輔助類型。主要類型有:

①埋深變質(zhì)作用:包括濁沸石相、葡萄石-綠纖石相型(淺到中等深度型)和藍閃石-硬柱石片巖相型(高壓相系型)兩個基礎類型

②區(qū)域低溫動力變質(zhì)作用:包括低綠片巖相(千枚巖)型和綠片巖相(有時可出現(xiàn)藍閃綠片巖相)型兩個基礎類型

③區(qū)域動力熱流變質(zhì)作用:包括中壓相系和低壓相系型兩個基礎類型

④區(qū)域中高溫變質(zhì)作用:包括麻粒巖相型和角閃巖相型兩個基礎類型。輔助類型包括蓋層變質(zhì)作用和斷陷變質(zhì)作用。