变质作用的因素和方式2

在侵入体附近，由于岩浆结晶过程 中析出大量流体相，也可在局部出现Pf ＞Pl的情况，此时Pf也是控制变质反应的 独立因素，可以不考虑Pl。
（三）定向压力（应力） 可理解为伴随构造运动、来自一定 方向的侧压力。当岩石受到来自构造运 动的定向压力作用时，其应力状态可用 一定剖面上的垂直直应力 A 和水平直应 力 B 表示，但 A≠B。总应力状态包括 两部分：一部分为偏应力，是一种非静 水应力，与应力差（ A－B）有关，它 导致岩石变形，但一般不影响岩石相平 衡；另一部分为平均应力，其大小＝ （A－B）/2。
四、时间
时间也是影响变质作用的重要因素。 时间因素有两方面的涵义，一是指变质 作用发生的地质时代，二是指变质作用 从发生到终止所经历的时间。研究表明， 同一地区在不同地质时期发育的变质作 用具有不同的特征。另一方面，在变质 温压条件下，如果没有足够的时间，变 质作用就难以进行或作用很不明显。
这是因为变质反应往往极其缓慢，所以 外界环境要在适宜变质反应的温压条件 下保持足够长的时间（一般要超过几个 百万年），反应才得以发生或进行较彻 底。换句话说，外界条件改变的速率要 小于变质反应的速率，才能发生变质反 应。
而在降温过程中，如果存在饱和水溶液， 则会使不含水矿物变得不稳定，转变成 含水矿物—— 水化作用。这些作用对硅 酸盐矿物的晶格类型及元素分配也有很 大影响。较低温的含水变质矿物多数为 层状或双链状结构，如绿泥石、云母和 角闪石类。而较高温的不含水硅酸盐则 多为孤立四面体、单链或架状结构。
3.含CO2 的流体对碳酸盐化和脱碳 酸反应的平衡条件有很大影响。 系统中CO2 含量的增大会阻碍碳酸 盐转变为硅酸盐的脱碳酸反应。在泥灰 质岩石中，CO2 和H2O的含量比例对变 质矿物组合及其形成温度影响也很大。
2.水化和脱水反应是常见的最重要 的变质反应，H2O直接参与这些反应。 反应系统中H2O的化学位或含量对 这类反应的平衡温度影响很大。一般随 温度升高而进行的脱水反应，使矿物中 H2O呈（OH）离子或结晶水析出，结果 由含（OH）矿物变成不含水的较高温矿 物。对于这类反应，H2O的化学位增高 会推迟特定反应的进行，即扩大了低温 含水矿物的稳定区。
（一）流体相的组成 流体相的成分，总体来讲以H2O和 CO2为主，可有CH4、H2S等。在变质作 用的温压条件下，岩石中的某些组分如K、 Na、Si、Mg、Al、Fe、Cl、F、S 等 也 可溶解到流体相中作为流体相的组成部 分。
（二）流体相的存在状态 在变质作用的温度压力范围内，在 较低温度条件下，H2O、CO2 等呈气态 或液态存在；在较高的温度和压力条件 下，流体呈超临界状态，是一种具许多 流体性质的高密度气体。流体既可以存 在于矿物颗粒之间被吸附在颗粒边界上， 成为不能整体流动的间隙溶液；也可填 充在岩石的裂隙之中，成为能够整体流 动的• 地热增温 • 上地幔热流的运动 • 放射性元素衰变释放热能的积累 • 岩浆活动带来的热 • 在应力作用下，变形和摩擦作用产生的 热能，即机械能转变的热能
二、压力
（一）负荷压力（ Pl） 又称围压或固体岩石所承受的压力， 以Pl（或 P 围 、P 岩 、P 固 ）表示，是一种 均向性的静压力。其大小等于上覆单位 岩石柱的重量，即：Pl=gD。其数值随 深度增加而增加，取决于上覆岩层的厚 度和密度。
（三）流体相的来源 • 原岩中保存的流体相。 • 变质作用中的脱水及脱碳酸反应，可提 供相当多的流体。 • 与岩浆活动有关的流体相。 此外，在地壳深处，上地幔中的流 体相也可进入地壳中在变质过程中发挥 作用；在大洋与大陆板块的边缘，部分 海水也可伴随俯冲作用进入地壳深处而 在变质过程中发挥作用。
（四）流体在变质过程中的作用 1.流体相可起溶剂作用，促进原有 矿物中组分的溶解，并加快其扩散速度， 从而加快重结晶和变质反应的速度。 在一定条件下，还可通过流体将体 系内的某些组分带出而将体系外的某些 组分带入，引起体系（原岩）化学成分 的变化。
一、温度
（一）温度在变质过程中的作用 • 温度升高可使原岩中一些矿物发生重结 晶。 • 温度变化能引起原岩中矿物之间发生变 质反应形成新矿物。如： CaCO3＋SiO2 ⇌ CaSiO3＋CO2↑ 因此，温度是变质反应中最重要的 热力学平衡参数。
• 温度升高可为变质反应提供能量，并使 岩石中流体的活动性增大，促进变质反 应进行，使新矿物和新组构能以较快的 速度和较大的规模形成。 • 温度持续升高可使原岩在重结晶和变质 结晶基础上发生部分重熔，其中长英质 组分成为流体相，引起混合岩化作用。
负荷压力的单位是Pa或GPa。一般 情 况 下 ， Pl 随 岩 层 深 度 约 以 25×10 6 Pa～30×106Pa/km的速率增 加，其增加值取决于岩石的密度。在离 地表0～40km范围内，根据岩石的平均 密度计算，每加深1公里，负荷压力增加 0.0275GPa。变质作用的压力范围一般 为0.02～1.5GPa。具体数值可根据变质 当时上覆岩层的厚度和密度估算。
再考虑反应动力学种种因素的影响， 我们便可以理解自然界广泛存在的准稳 态现象。如有的地区曾经超过300℃， 但并未发生变质反应；更常见的情况是 由于退变质反应极度缓慢，才可能使各 种高温矿物组合保存至今。变质结构的 形成和塑性变形也都是很缓慢的过程， 都需要相当长的时间方可完成。
近年来研究表明，某一期区域变质 作用演化过程中，变质作用的温度、压 力等条件是随时间而变化的。也就是说， 变质作用实质上是一个动态演化过程。 在整个造山变质演化过程中，变质矿物 组合及矿物颗粒内部都可能保留着温、 压条件随时间的演化踪迹，即PTt轨迹。 根据PTt轨迹的形态可以推断变质作用的 类型、发生时的大地构造环境及造山过 程。
计算表明，大陆壳内不同深度的近 似压力如下： 深度（km） 10 35 50 压力（Gpa） 0.26 1 1.5 负荷压力是变质反应的重要热力学 平衡参数之一，它和温度一样，都能独 立决定岩石中矿物组合的稳定范围及通 过特定变质反应形成新矿物组合的可能 性。负荷压力的作用表现为：
1. 改变发生变质反应的温度。压力 增高，多数情况下可使吸热反应的平衡 温度升高。如CaCO3＋SiO2 ⇌ CaSiO3 ＋CO2↑ 的 反 应 ， 当 压 力 由 1 0 5 Pa （1bar）增高到0.1GPa（1Kb）时，发 生这一反应的温度将由470℃增到670℃。 2. 压力的增高有利于形成分子积体 较小、密度较大的高压矿物或矿物组合， 如硬玉和霰石等。
3. 有时在封闭体系中，随着温度的 上升，多种变质反应将释放出大量的 H2O和（或）CO2 ，由于毛细孔体积很 小，同时岩石的强度又足够大，则可出 现Pf＞Pl的情况。两者的差值称作流体超 压， Winkler认为这是“内部产生的气 体超压”，一般是局部的。这种情况下， 无论变质反应是否有流体相参与，Pf 都 是控制变质反应的独立因素。
第二章 变质作用的 因素及方式
第一节 变质作用的主要因素
变质作用发生在特定的地质环境 （四维：空间、时间）中，与地壳演化 过程中一定的地球动力学事件相联系。 变质作用的因素可分为两类： • 内部因素（内因） • 外部因素（外因），也称地质因素
内部因素只能影响变质作用产物的 一些特征，而真正控制变质作用发生、 影响变质作用特点的因素是地质因素。 变质作用的主要控制因素有四种： 温度、 压力、具化学活动性的流体和时 间。
（二）流体压力（Pf） 一般来说，任何岩石在变质前多少 都含有一定量的流体。如果仅有薄薄的 流体薄膜吸附于颗粒表面，则不构成独 立的流体相。变质作用一旦开始，便有 流体释放出来，它们充填于毛细孔和微 裂隙中，不完全被颗粒所吸附，便成为 一个独立的流体相，其所具有的内压称 为流体压力。以Pf表示。
流体压力作用于颗粒表面，起与Pl 相反的作用，趋向于使颗粒分开。流体 相 中 各 组 分 的 分 压 则 分 别 以 PH2O、 PCO2……表示，其数值和各自在流体相 中的相对摩尔含量成正比，在理想混合 时 ， 符 合 道 尔 顿 定 律 ： Pf=PH2O＋PCO2 ＋…… 流体压力在变质反应的热力学分析 中能否作为一个独立变量加以考虑，要 具体情况具体分析。
三、具化学活动性的流体
在变质作用过程中，岩石中常存在 少量的流体相，一般总量不超过1～2%， 且随岩石变质程度的增高而减少。变质 过程中流体的含量虽然很低，但其作用 却不小。近年来，人们发现即使在麻粒 岩和地幔岩中流体也是广泛存在的。对 变质过程中流体与岩石的相互作用的研 究已成为变质地质学的三大前沿课题之 一。
构造超压只有在地壳浅部、岩石处 于刚性状态且应变迅速时才有意义。而 在地壳较深处，温度较高、负荷压力较 大，岩石具有一定的塑性，应力可通过 塑性变形而被释放，所以不大可能起附 加压力的作用。这方面的问题仍在探讨 （争论）之中。
应力的作用主要表现在： 1.对岩石和矿物的机械改造。如地 壳浅部的岩石变形，板状流劈理和碎裂 结构的形成等；区域变质岩中的结晶片 理多与应力作用下的固态流或重结晶和 重组合有关。 2.通过多种途径加快变质反应和重 结晶的速度，促进这些作用的进行。尤 其在较低温环境中，其作用更为明显。
2. 在地壳较深部，大约在1～2km 以下，由于岩层中构造裂隙不太发育， 流体处于封闭体系中，当流体相在岩石 中又呈饱和状态时，流体相和晶体颗粒 受到同样大小的负荷压力，负荷压力压 在流体上，通过流体再传递到晶体颗粒 上，出现Pf=Pl 的情况，它们都取决于上 覆岩层的重力。这时有两种情况：
①若流体相为单一组分，如Pf=PH2O， 则它不是决定变质反应热力学平衡的独 立参数； ②如果流体相为非单一组分， Pf=PH2O＋PCO2＋……，对于没有这些组 分参加的变质反应，Pf 仍不会影响平衡 状态，而对于有这些组分之一参加的变 质反应，该组分的分压就成为决定平衡 状态的独立参数。
1. 在近地表处，岩层中裂隙发育且 与地表连通，体系是开放的，此时Pf 等 于相应深度该流体相本身的重力，而常 小于上覆岩层的重力，因此Pf＜Pl。这种 情况下，对于有流体相参与的变质反应， Pf应作为一个独立的变量来考虑。 在部分高级变质条件下，由于挥发 分被带走或原岩中含水很少，孔隙或裂 隙中流体相呈不饱和状态，也可出现Pf ＜Pl的情况。对于有这些挥发分参与的变 质反应， Pf也应作为独立变量来考虑。
• 应力所提供的能量可以克服高温矿物组 合在低温环境中的过稳状态，使化学反 应能真正开始进行，并形成相应的低温 矿物组合（对固相反应起催化剂作用）。 • 应力引起的碎裂作用、研磨作用使矿物 间接触机率增高，裂隙的发育又使流体 相能更好地流通，这些因素都能有效地 促进变质反应的进行。
• 变质作用过程中单位岩石的总压力P＝Pl ＋流体超压＋构造超压。 但由于流体超压和构造超压都比较 小，所以在大多数情况下，可以假定 P≈Pl≈Pf。在这个假定的基础上根据矿 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约3km，甚至更 多。指示超高压变质条件的矿物是柯石 英和金刚石，它们在大约3.0Gpa以上的 压力下稳定，其形成深度可能超过 100km。
4.以水为主的流体相在岩石中处于 饱和状态时，可降低岩石中长英质组分 的熔融温度。 如在不含水的条件下，长英质低熔 组分在温度高达950℃时才开始重熔， 而在饱和水情况下，同样的低熔组分在 640±20℃时就可开始重熔。由于流体 相的经常存在，因此在中高级变质条件 下，常有长英质组分发生不同程度的重 熔，形成各种类型的混合岩。
平均应力与负荷压力之差称为构造超压， 是构造作用对总压力的贡献。不过构造 超压大小与岩石强度有关，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。
近年来有些学者认为应力的垂直分 量和前述负荷压力的性质相似，在地壳 较浅处可以附加于负荷压力之中，从而 局部增大某些地段岩石中的总压力，这 部分附加压力称为构造超压。从而可解 释许多高压地体的形成。