熱接觸變質(zhì)作用

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(diǎn)，有的側(cè)重于物理化學(xué)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(diǎn)。合理的分類應(yīng)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(chǔ)。

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?zé)崃饔绊懚a(chǎn)生的一種變質(zhì)作用。定向應(yīng)力和靜壓力的作用一般較小，具有化學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(diǎn)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(guān)的變質(zhì)作用的總稱。它們以應(yīng)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(dāng)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(jī)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(guān)。

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(qiáng)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(guān)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(fù)雜，在少數(shù)情況下，遞進(jìn)剪切變形也可以伴有進(jìn)化變質(zhì)作用。導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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?zé)崽荻染徛?，整個巖系相應(yīng)地發(fā)生緩慢的進(jìn)化變質(zhì)作用，最后巖系底部發(fā)生部分熔融并導(dǎo)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(qiáng)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(xué)活動性的氣體和熱液與固體巖石進(jìn)行交代反應(yīng)，使巖石的礦物和化學(xué)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(qiáng)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(biāo)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(dá)1600℃，影響范圍可超過10平方公里。可使周圍巖石產(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(jì)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(yīng)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(guān)，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(dá)700℃，有的高達(dá)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(fù)荷變質(zhì)作用或地?zé)嶙冑|(zhì)作用。埋深變質(zhì)作用與巖漿侵入作用和造山應(yīng)力作用都無明顯關(guān)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(lán)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(guān)于埋深變質(zhì)作用的成因有造陸運(yùn)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(kuò)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?yàn)轺詈熓咸咽?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?zé)崽荻雀?。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(guān)系。80年代中，中國巖石學(xué)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(chǔ)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(lán)閃石-硬柱石片巖相型(高壓相系型)兩個基礎(chǔ)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(lán)閃綠片巖相)型兩個基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)類型。輔助類型包括蓋層變質(zhì)作用和斷陷變質(zhì)作用。

變質(zhì)作用的特點(diǎn)、分布、發(fā)生和發(fā) 展，均受當(dāng)時當(dāng)?shù)氐脑瓗r建造、大地構(gòu)造、環(huán)境和熱流強(qiáng)度等綜合控制，而這些又受地殼演化、特別是地殼和地幔相互作用的影響。變質(zhì)作用類型的時空分布常顯示旋回性和不可逆變化，它是地殼演化中地質(zhì)旋回的一種表現(xiàn)，稱變質(zhì)旋回，在中國、前蘇聯(lián)和歐洲地區(qū)都有相似的特點(diǎn)。

太古旋回(早期變質(zhì)旋回)，主要以硅鋁殼的垂向加厚和側(cè)向增長為特征，熱流值偏高，分布廣而基本均勻，與此相聯(lián)系的是大面積單向變質(zhì)的區(qū)域中、高溫變質(zhì)作用的出現(xiàn)。

元古旋回，早元古期出現(xiàn)陸臺和地槽體系，前者穩(wěn)定，后者成為活動帶。這一旋回的早期熱流值較高，晚期變?nèi)酰贁?shù)地區(qū)主要發(fā)育區(qū)域動力熱流變質(zhì)作用外，多數(shù)由兩種變質(zhì)作用類型所組成，早期是區(qū)域動力熱流變質(zhì)作用，晚期是區(qū)域低溫動力變質(zhì)作用。元古旋回晚期在有些地區(qū)開始出現(xiàn)埋深變質(zhì)作用的藍(lán)閃綠片巖相，它常與綠片巖相共生，其原巖形成環(huán)境屬于受深斷裂控制的深海槽，認(rèn)為是由于地殼下部的地幔折斷、下沉而引起的大陸俯沖作用的結(jié)果。

顯生旋回，高熱流值更加收斂，往往表現(xiàn)為大面積的綠片巖相帶，而角閃巖相帶僅局部出現(xiàn)。個別地區(qū)出現(xiàn)有雙變質(zhì)帶，表現(xiàn)為高壓相系的藍(lán)閃石--硬柱石片巖相變質(zhì)作用與低壓相系的區(qū)域動力熱流變質(zhì)作用或區(qū)域低溫動力變質(zhì)作用與區(qū)域動力熱流變質(zhì)作用成對出現(xiàn)。

一、變質(zhì)作用的因素與方式

(一)引起變質(zhì)作用的因素

引起變質(zhì)作用的主要因素是溫度、壓力及化學(xué)活動性流體。

1.溫度

溫度往往是引起巖石變質(zhì)的主導(dǎo)因素。它可以提供變質(zhì)作用所需要的能量，使巖石中礦物的原子、離子或分子具有較強(qiáng)的活動性，促使一系列的化學(xué)反應(yīng)和結(jié)晶作用得以進(jìn)行;同時溫度增高還可使礦物的溶解度加大，使更多的礦物成分進(jìn)入巖石空隙中的流體內(nèi)，增強(qiáng)了流體的滲透性、擴(kuò)散性及化學(xué)活動性，促進(jìn)了變質(zhì)作用的過程。變質(zhì)作用的溫度范圍可由150~200℃直到700~900℃。

導(dǎo)致巖石溫度升高的主要原因有:①巖漿的侵入作用使其圍巖溫度升高;②當(dāng)?shù)貧\部的巖石進(jìn)入更深部時，由于地?zé)嵩鰷厥乖瓗r的溫度升高;③由深部熱流上升所帶來的熱量使巖石的溫度升高;④巖石遭受機(jī)械擠壓或破裂錯動時由機(jī)械能轉(zhuǎn)化的熱量使巖石的溫度升高，這種熱量一般較小或較局限。

2.壓力

壓力也是變質(zhì)作用的重要因素，根據(jù)壓力的性質(zhì)可分為靜壓力和動壓力。

靜壓力 又稱圍壓，是由上覆巖石的重量引起的壓力。它具有均向性，并且隨著深度增加而增大。靜壓力的作用在于使巖石壓縮，導(dǎo)致礦物中原子、分子或離子間的距離縮小，促使礦物內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，形成密度大、體積小的新礦物。如紅柱石(Al2SiO5)是在壓力較低的環(huán)境下形成的，相對密度為3.1~3.2g/cm3，當(dāng)靜壓力增大時，它可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)成分相同、但分子體積較小的藍(lán)晶石(Al2SiO5)，其相對密度為3.56~3.68g/cm3。

動壓力 是由構(gòu)造運(yùn)動所產(chǎn)生的定向壓力。由于動壓力只存在于一定的方向上，因而使得巖石在不同方向上產(chǎn)生了壓力差。這種壓力差在變質(zhì)作用中有著十分重要的意義。它可以引起礦物的壓溶作用，即在平行動壓力方向上溶解較強(qiáng)，物質(zhì)遷移到垂直動壓力方向上沉淀，導(dǎo)致原巖發(fā)生礦物的重新分異與聚集，造成礦物定向排列;也可以使原巖破碎或產(chǎn)生變形，從而改造了原巖的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造。

3.化學(xué)活動性流體

化學(xué)活動性流體是指在變質(zhì)作用過程中存在于巖石空隙中的一種具有很大的揮發(fā)性和活動性的流體。這種流體的組分以H2O及CO2為主，并包含有多種其它易揮發(fā)物質(zhì)及其溶解的礦物成分。在地下溫度、壓力較高的條件下，這種流體常呈不穩(wěn)定的氣-液混合狀態(tài)存在，因而具有較強(qiáng)的物理化學(xué)活動性，在變質(zhì)過程中起著十分重要的作用。

化學(xué)活動性流體可以促使礦物組分的溶解和遷移，引起原巖物質(zhì)成分的變化;而且，這種流體作為固體與固體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的媒介具有極重要的意義，因?yàn)楣腆w之間的化學(xué)反應(yīng)涉及到物質(zhì)組分的交換，如果沒有流體媒介，這種反應(yīng)是極其緩慢的;同時，流體本身也積極參與了變質(zhì)作用的各種化學(xué)反應(yīng);此外，流體的存在還會大大降低巖石的重熔溫度，使變質(zhì)作用的高溫界限變低。

化學(xué)活動性流體具有多種來源。其中包括巖石空隙中原已存在的孔隙水、變質(zhì)過程中從礦物結(jié)構(gòu)中析出的H2O及CO2等揮發(fā)性物質(zhì)、從巖漿中分離出的揮發(fā)性組分以及從地下深處分異上升的深部熱液等。

必須指出，上述各種變質(zhì)作用因素常常是互相配合、共同改造巖石的。但是，在不同的情況下起主要作用的因素會有所不同，因而變質(zhì)作用也相應(yīng)地顯示出不同的特征。

(二)變質(zhì)作用的方式

在溫度、壓力及化學(xué)活動性流體的作用下，原巖可發(fā)生物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的變化。但是，這一變化是如何得以完成的呢?了解變質(zhì)作用的方式有助于我們了解變質(zhì)作用的過程。變質(zhì)作用的方式極其復(fù)雜多樣，其主要的方式有以下幾種。

1.重結(jié)晶作用(recrystallization)

重結(jié)晶作用是指巖石在固態(tài)下，同種礦物經(jīng)過有限的顆粒溶解、組分遷移，然后又重新結(jié)晶成粗大顆粒的作用，在這一過程中并未形成新礦物。最典型的例子是隱晶質(zhì)的石灰?guī)r經(jīng)重結(jié)晶作用后變成顆粒粗大的大理巖(主要礦物成分均為方解石)。重結(jié)晶作用在成巖作用中已經(jīng)出現(xiàn)，但在變質(zhì)作用中則表現(xiàn)得更加強(qiáng)烈和普遍。重結(jié)晶作用對原巖的改造主要是使其粒度加大、顆粒相對大小均一化、顆粒外形變得較規(guī)則。

2.變質(zhì)結(jié)晶作用(metacrystallization)

變質(zhì)結(jié)晶作用是指在變質(zhì)作用的溫度、壓力范圍內(nèi)，在原巖總體化學(xué)成分基本保持不變的情況下(揮發(fā)分除外)，原有礦物或礦物組合轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌牡V物或礦物組合的作用。由于這種變化過程多數(shù)情況下涉及巖石中各種組分的重新組合，并以化學(xué)反應(yīng)的方式完成，故又稱重組合作用或變質(zhì)反應(yīng)。變質(zhì)結(jié)晶作用的主要特點(diǎn)是有新礦物的形成和原礦物的消失，并且在反應(yīng)前后巖石的總體化學(xué)成分基本不變。

3.交代作用(metasomatism)

交代作用是指變質(zhì)過程中，化學(xué)活動性流體與固體巖石之間發(fā)生的物質(zhì)置換或交換作用，其結(jié)果不僅形成新礦物，而且?guī)r石的總體化學(xué)成分發(fā)生改變。例如，含Na+的流體與鉀長石發(fā)生交代作用而置換出K+，形成新礦物鈉長石(斜長石的一種):

KAlSi3O8+Na+→NaAlSi3O8+K+

(鉀長石) (帶入) (鈉長石) (帶出)

交代作用的特點(diǎn)是:在固態(tài)下進(jìn)行;交代前后巖石的總體積基本保持不變;原礦物的溶解和新礦物的形成幾乎同時進(jìn)行;交代作用是在開放系統(tǒng)中進(jìn)行的，反應(yīng)前后巖石的總體化學(xué)成分發(fā)生改變。交代作用在變質(zhì)過程中是比較普遍的，凡有化學(xué)活動性流體參加的情況下，總會有不同程度的交代作用發(fā)生。