
所谓变质作用因素,主要指的是引起岩石发生变质作用的地质因素和外部因素。地质因素始终起主导作用,地质环境的改变导致外部因素的改变。外部因素是指物理、化学方面的因素,具体来说,主要是温度、压力以及具有化学活动性的流体。
1. 温度(T)
在变质过程中,温度是一个重要的因素。大部分变质作用是在温度升高的情况下发生的。例如,高岭石在温度升高的条件下,形成红柱石与石英的矿物组合,并析出流体。岩石学简明教程指出,在此反应中,温度升高反应向右进行,即向着吸热方向进行,生成吸热的矿物组合;温度降低则引起放热反应,即温度的变化可决定变质作用的方向。实验证明对含水矿物的不断加热,将伴随结构水的脱出,即随着温度的升高,变质作用的结果是形成不含水的相对高温的矿物组合;反之则形成含水的相对低温的矿物组合。温度所引起的变质作用主要表现为:(1) 促使矿物重结晶,从而使原岩的结构、构造发生改变,而岩石组分基本不变。例如,石灰岩重结晶成大理岩。(2) 促进变质反应的进行,使组分重新组合,致使矿物成分、结构构造都发生改变。例如,白云母分解,就可形成矽线石与钾长石组合。
至于引起变质作用中温度变化的热源问题,目前一般认为有:
- 岩浆熔融体所带来的热,这为岩浆侵入体周围经常见到接触变质岩石所证实。
- 地热增温梯度,地壳自恒温层以下,温度随深度增加而增加。每千米温度的平均增加数称为地热梯度,也称地热增温率。地热梯度因地而异,这与构造环境有关。从稳定地盾区到岩浆活动发育的造山带,可从10℃/km增至35~40℃/km,甚至更高。
- 构造运动所产生的热,据研究,在大规模的推覆挤压地带,由于摩擦作用所产生的高热,可使岩石变成塑性状态,甚至发生局部熔融。
- 岩石中所含放射性元素蜕变放出的热能。
- 地幔深部熔融体的重力分异,产生上升的热流,引起热流值升高的现象。
关于变质作用的温度下限,根据浊沸石等开始出现的温度在180~230℃;温度上限是根据深熔实验确定的,为700~900℃。
2. 压力(P)
按照压力的来源可分为负荷压力、流体压力和应力。
(1) 负荷压力以Pl表示。一般指地壳一定深处岩石所承受的上覆岩层的重力,因而可以认为负荷压力是深度和上覆岩层相对密度的函数。一般认为在地表下0~40km范围内,随着深度的增加,岩压负荷压力以0.025~003GPa/km的比率增加,平均为0.0275GPa/km。在一定的温度下,由于负荷压力的增加,往往形成相对密度较大、分子体积(相对分子质量/相对密度)较小的矿物。如钙长石和橄榄石,在较大压力下,可反应形成分子体积小、相对密度大的石榴子石。变质作用中压力作用的范围,一般认为可从<0.1GPa至1~1.2GPa,即换算成正常地下深度可从3~40km。
(2) 流体压力以Pf表示。流体主要由岩石中存在的挥发分,特别是H2O和CO2所引起(以PH2O和PCO2表示)。在不同的条件下,流体压力对变质作用的影响是不同的,通常有3种情况:
- 在区域变质情况下,深度一般超过10km,裂隙、节理不发育,颗粒间的流体承受了与围岩相同的负荷压力,处于平衡的压力条件下,即处于封闭体系条件,所以Pf=Pl;这时影响变质反应平衡的因素中,Pf不作为的变量。
- 如果在地壳的较浅部位,节理裂隙发育,流体相自由流通,成为开放体系,这样Pf<Pl。
- 在岩浆侵入体大量逸出挥发分的接触带,局部变成Pf>Pl。
当处于②、③两种条件时,Pf≠Pl,这时Pf成为影响变质反应平衡的变量(因素)。这在脱水和脱碳酸盐化的变质反应中是很重要的。例如:在这个反应中,由于流体中CO2的含量不同,引起PCO2的变化,平衡的温度也不同(图8-含姿档1)。所以流体压力能影响变质作用的温度。此外,流体压力对岩石的重结晶可起催化剂的作用,而对某些含结构水的矿物的分解则起抑制作用。即PCO2增大利于发生水化反应,PCO2减小利于发生脱水反应。
(3) 应力以Ps表示。主要指由构造运动或岩浆活动所引起的侧向挤压力。岩石在应力的作用下,当超过其弹性极限时可发生变形;而在超过其强度极限时则使岩石产生节理、裂隙或形成劈理,发生破碎、塑变等。组成岩石的矿物在应力作用下,也会发生变形、破裂及光学性质上的改变。例如:云母的扭折、石英的压碎和波状消光、方解石的变形双晶等。此外,在应力的参与下还可以引起变质岩中某些定向构造(线理、片理、流劈理等)的形成;促进粒间流体的活动,从而加速变质作用的进行,提高了变质反应的强度。在构造运动中,应力有时比负荷压力更大,它们的垂直分应力可加到负荷压力中,一起作为压力的强度因素来考虑。
3. 具有化学活动性的流体组分(C)
化学活动性的流体,通常指的是气态或液态的水溶液,因为在水溶液中经常含有不同数量二氧化碳、硼酸、盐酸、氢氟酸和其他挥发分,这些物质大大增强了水溶液的化学活动性。当这些溶液在岩石孔隙和裂隙中(称为粒间溶液),由于压力差或溶液中活动组分的浓度差(总称为流体势差)而引起流动时,便与周围岩石发生交代作用。也就是说可以产生组分的迁移(带出或带入),形成与原岩组分迥然不同的变质岩石。此外,渗透于矿物颗粒间的粒间溶液对矿物彼此间的反应还能起到接触剂的作用,通过这种溶液作媒介,促进组分的溶解和沉淀,从而促进矿物的重结晶和变质结晶。水和碳酸还直接参与组成含水和含碳酸的矿物。在变质作用过程中,影响水化(温度降低)和脱水作用(温度增高)、碳酸盐化和去碳酸盐化作用的进行。再者,水溶液对岩石的重熔温度影响也很大。花岗质的岩石在不含水(干体系)的情况下温度要高达950℃才开始重熔;而当水溶液饱和(湿体系)时,在0℃左右就开始重熔。具有化学活动性的流体,在变质作用中是普遍而重要的,但在一般情况下,它不能作为变质作用中的一个的强度因素。只有在温度和压力的共同参与下,才能作为影响变质作用的因素之一。在变质过程中,上述各种变质作用因素不是孤立的,通常都是同时存在,互相配合和互相制约的,而且随着时间的推移而发生变化。在一般情况下,温度作为主导因素,配合着压力和具有化学活动性的流体活动。另一方面,变质作用的发生和进行还与原岩的物质组分、结构、构造密切相关,例如石灰岩经变质后发生重结晶形成大理岩,而处于同样变质条件下的石英砂岩几乎无明显变化。因而在研究变质岩的变质作用因素及其变质过程时,应结合地质情况和变化特征进行综合分析研究。