岩石在基本上處於固體狀態下，受到溫度、壓力及化學活動性流體的作用，發生礦物成分、化學成分、岩石結構與構造變化的地質作用，稱為變質作用。經歷變質作用後形成的岩石稱變質岩。變質岩形成後還可經歷新的變質作用過程，有的變質岩是多次變質作用的產物。
基本介紹
- 中文名：變質作用
- 外文名：metamorphism
- 屬性：內動力地質作用
- 作用主體：先成岩石
- 作用特點：岩石在過程中基本保持固態
- 影響因素：溫度、壓力、化學活動性流體
- 作用結果：變質岩
- 溫度範圍：一般溫度範圍為200～900℃
- 壓力範圍：0.1～1.0GPa
- 發生區域：構造活動帶、岩漿岩接觸帶等
- 類型：動力、接觸、區域、氣液等
基本介紹,作用類型,因素與方式,方式,
基本介紹
變質作用絕大多數與地殼演化進程中地球內部的熱流變化、構造應力或負荷壓力等密切有關，少數是由隕石衝擊月球和地球的表面岩石所產生。變質作用是在岩石基本上保持固體狀態下進行的。地表的風化作用和其他外生作用引起岩石的變化，不屬於變質作用。
促使沉積物轉變成為沉積岩的成岩作用，通常也是在地下一定深度和一定的溫度、壓力等條件下進行的，它與變質作用有相似之處，但成岩作用所要求的深度、壓力和溫度都較小，在作用的過程中物質發生的變化不十分明顯；而變質作用所要求的溫度與壓力較高、深度較大，在作用過程中原岩變化顯著。一般來說，成岩作用的溫度小於150～200℃，圍壓低於100～200MPa；而變質作用則要高於這一數值。因此，可以說成岩作用與變質作用具有過渡關係。變質作用雖與溫度有重要關係，但溫度並未使原岩熔融，即原岩基本上在固態下發生變質，一旦溫度高到使原岩熔融，那么，就進入到了岩漿作用的範疇，因此變質作用與岩漿作用從發展上來看也是有聯繫的。對於大多數岩石來說，變質作用的高溫界限大致為700～900℃。
在地殼形成發展過程中，早先形成的岩石，包括岩漿岩、沉積岩和先形成的變質岩，為了適應新的地質環境和物理化學條件的變化，在固態情況下發生礦物成分、結構構造的重新組合，甚至包括化學成分的改變，這個變化過程稱為變質作用。當然，由於變質作用形成的岩石就稱為變質岩。
作用類型
變質作用的分類各家不完全一樣，有的側重於地質特點，有的側重於物理化學條件，有的側重於礦物組合和變形作用所產生的結構構造特點。合理的分類應是一個綜合分類，既要考慮變質作用形成時的大地構造環境，又要以反映熱流變化的變質相和變質相系為基礎。
根據變質岩系產出的地質位置、規模和變質相系，同時考慮大多數人的稅慣分法，可把變質作用分為局部性的和區域性的兩大類別。局部性的包括下列類型。
接觸變質作用
一般是在侵入體與圍岩的接觸帶，由岩漿活動引起的一種變質作用。通常發生在侵入體周圍幾米至幾公里的範圍內，常形成接觸變質暈圈。一般形成於地殼淺部的低壓、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。接觸變質作用又可分為2個亞類：
①熱接觸變質作用：指岩石主要受岩漿侵入時高溫熱流影響而產生的一種變質作用。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，圍岩受變質作用後主要發生重結晶和變質結晶，原有組分重新改組為新的礦物組合併產生角岩結構，而化學成分無顯著改變。
②接觸交代變質作用：在侵入體與圍岩的接觸帶，圍岩除受到熱流的影響外，還受到具化學活動性的流體和揮發分的作用，發生不同程度的交代置換，原岩的化學成分、礦物成分、結構構造都發生明顯改變，形成各種夕卡岩和其他蝕變岩石，有時還伴生有一定規模的鐵、銅、鎢等礦產以及鉬、鈦、氟、氯、硼、磷、硫等元素的富集。
高熱變質作用
指與火山岩和次火山岩接觸的圍岩或捕虜體中發生的小規模高溫變質作用。其特點是溫度很高，壓力較低和作用時間較短。圍岩和捕虜體被烘烤退色、脫水，甚至局部熔化，出現少量玻璃質。有時生成默矽鎂鈣石、斜矽鈣石和矽鈣石等稀少礦物。
動力變質作用
指與斷裂構造有關的變質作用的總稱。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碎裂變質作用：當岩層和岩石遭受斷層錯動時發生壓碎或磨碎的一種變質作用，也有人稱為動力變質作用(狹義的)、斷錯變質作用或機械變質作用。一般常發生於低溫條件下，重結晶作用不明顯，常呈帶狀分布，往往與淺部的脆性斷裂有關。
②韌性剪下帶變質作用：韌性剪下帶指由韌性剪下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，剪下帶內的變形是連續的，不發育明顯的斷層面,但又有相對位移。剪下帶變形及相關的變質作用具有相同的邊界條件，都限於剪下帶內部。一般疊加在區域變質作用產物上的剪下變形往往伴有退化變質作用，其變質程度從低溫綠片岩相至高溫角閃岩相。與區域變質同期的韌性剪下帶變質作用較為複雜，在少數情況下，遞進剪下變形也可以伴有進化變質作用。導致剪下帶變質作用的主要原因有兩個，一是流體的注入，另一是由剪下應變引起的等溫面變形和熱鬆弛作用。
③逆掩斷層變質作用：逆掩斷層導致的變質作用與剪下帶變質作用有明顯差異，主要影響其下盤和一部分上盤岩石，上盤即逆掩的岩石發生快速退化變質作用，而下盤被逆掩的岩石產生快速的增壓變質作用，隨後又發生熱調整使地熱梯度緩慢升高，整個岩系相應地發生緩慢的進化變質作用，最後岩系底部發生部分熔融並導致晚期侵入體的生成。
衝擊變質作用
指隕石衝擊月球或地球表面岩石產生特殊高溫和高壓所引起的一種瞬間變質作用。宇宙中的巨大隕石，以很大的速度（10～20公里/秒）降落於地球表面，在很短的時間內（10-3～10-1秒），給地球岩石以特大的衝擊，使之發生強烈爆炸，產生超高壓（1011～1014帕）、極高溫(≥10000℃)和釋放出巨大能量，使衝擊中心形成巨大的隕石坑。在隕石坑中及其周圍，生成各種衝擊岩。
氣液變質作用
指具有一定化學活動性的氣體和熱液與固體岩石進行交代反應，使岩石的礦物和化學成分發生改變的變質作用。氣水熱液可以是侵入體帶來的揮發分，或者是受熱流影響而變熱的地下循環水以及兩者的混合物。在一定條件下，它們可改造岩石中的礦物，形成各種蝕變岩石，並使某些有用元素遷移、沉澱和富集。在氣液變質強烈地段往往出現蝕變分帶，有利於成礦，故可作為一種普查找礦標誌。
燃燒變質作用
煤層或天然易燃物由於氧化或外部原因使溫度上升而引起燃燒，溫度可達1600℃，影響範圍可超過10平方公里。可使周圍岩石產生重結晶或部分熔化，受變質的泥質或泥灰質沉積岩常裂成碎片或生成燒變岩。這是一種熱源來自岩石自身的稀少熱變質作用。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岩和頁岩，都發生過這類變質作用。
區域變質作用
區域性的變質作用，一般規模巨大，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3個主要類型。
高溫變質作用
熱流變質作用
即一般所稱的區域動熱變質作用，也有人稱為造山變質作用。這是在區域性溫度、壓力和應力增高的情況下，固體岩石受到改造的一種變質作用，它往往形成寬度不等的遞增變質帶。此種變質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。變質作用的形成溫度可達700℃，有的高達850℃，壓力為(2～10)×108帕，岩石變質後具明顯的葉理或片理。常伴有中酸性岩漿活動或區域性混合岩化作用。
埋藏變質作用
又稱埋深變質作用，也有人稱靜力變質作用、負荷變質作用或地熱變質作用。埋深變質作用與岩漿侵入作用和造山應力作用都無明顯關係，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作用，岩石一般缺乏片理。形成溫度較低，最高可能為400～450℃，壓力較高。埋深變質作用一方面解釋了含有沸石類礦物的變質岩，另一方面解釋了含硬柱石、藍閃石的變質岩，這兩類變質岩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。經常伴生榴輝岩（C型）、蛇紋岩或蛇綠岩。未見有混合岩，同構造期花崗岩很不發育。關於埋深變質作用的成因有造陸運動下沉說、洋槽沿俯衝帶下沉說和大斷裂造成的下沉說等。
洋底變質作用
指大洋中脊附近的變質作用，在大洋中脊下部的熱流具有較高的速率，並隨深度而快速增加，使原有的基性岩（玄武岩、輝長岩等）變質。以後由於洋底擴張，不斷產生側向移動，使這些變質岩移至正常的大洋盆中。變質的基性岩，一般不具片理，基本保留原有結構，其變質相主要是沸石相和綠片岩相。根據對大西洋、太平洋和印度洋底樣品研究，變質岩中的礦物共生組合，常隨深度而變化，其順序為黝簾石→葡萄石+陽起石→綠片岩相，葡萄石-綠纖石相組合缺失，說明大洋中脊玄武岩變質時比許多大陸上蛇綠岩的地熱梯度高。區域變質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，並與一定的地質環境有密切關係。80年代中，中國岩石學家董申保等把中國的區域變質作用分為主要類型、基礎類型和輔助類型。主要類型有：
③區域動力熱流變質作用：包括中壓相系和低壓相系型兩個基礎類型
因素與方式
溫度
壓力
壓力也是變質作用的重要因素，根據壓力的性質可分為靜壓力和動壓力。
靜壓力 又稱圍壓，是由上覆岩石的重量引起的壓力。它具有均向性，並且隨著深度增加而增大。靜壓力的作用在於使岩石壓縮，導致礦物中原子、分子或離子間的距離縮小，促使礦物內部結構改變，形成密度大、體積小的新礦物。如紅柱石（Al2SiO5）是在壓力較低的環境下形成的，相對密度為3.1～3.2g/cm3，當靜壓力增大時，它可以轉變為化學成分相同、但分子體積較小的藍晶石（Al2SiO5），其相對密度為3.56～3.68g/cm3。
動壓力 是由構造運動所產生的定向壓力。由於動壓力只存在於一定的方向上，因而使得岩石在不同方向上產生了壓力差。這種壓力差在變質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，物質遷移到垂直動壓力方向上沉澱，導致原岩發生礦物的重新分異與聚集，造成礦物定向排列；也可以使原岩破碎或產生變形，從而改造了原岩的結構與構造。
化學活動性流體
化學活動性流體是指在變質作用過程中存在於岩石空隙中的一種具有很大的揮發性和活動性的流體。這種流體的組分以H2O及CO2為主，並包含有多種其它易揮發物質及其溶解的礦物成分。在地下溫度、壓力較高的條件下，這種流體常呈不穩定的氣-液混合狀態存在，因而具有較強的物理化學活動性，在變質過程中起著十分重要的作用。
化學活動性流體可以促使礦物組分的溶解和遷移，引起原岩物質成分的變化；而且，這種流體作為固體與固體之間發生化學反應的媒介具有極重要的意義，因為固體之間的化學反應涉及到物質組分的交換，如果沒有流體媒介，這種反應是極其緩慢的；同時，流體本身也積極參與了變質作用的各種化學反應；此外，流體的存在還會大大降低岩石的重熔溫度，使變質作用的高溫界限變低。
時間
時間是變質作用很重要的影響yin's因素，有些變質作用看起來不易發生，但是在長時間變質因素持續作用下卻可以進行。特別是變質結構的生成、岩石的塑性變形，都是很慢的過程。
必須指出，上述各種變質作用因素常常是互相配合、共同改造岩石的。但是，在不同的情況下起主要作用的因素會有所不同，因而變質作用也相應地顯示出不同的特徵。
方式
在溫度、壓力及化學活動性流體的作用下，原岩可發生物質成分和結構、構造的變化。但是，這一變化是如何得以完成的呢？了解變質作用的方式有助於我們了解變質作用的過程。變質作用的方式極其複雜多樣，其主要的方式有以下幾種。
重結晶作用
變質結晶作用
變質結晶作用是指在變質作用的溫度、壓力範圍內，在原岩總體化學成分基本保持不變的情況下（揮發分除外），原有礦物或礦物組合轉變為新的礦物或礦物組合的作用。由於這種變化過程多數情況下涉及岩石中各種組分的重新組合，並以化學反應的方式完成，故又稱重組合作用或變質反應。變質結晶作用的主要特點是有新礦物的形成和原礦物的消失，並且在反應前後岩石的總體化學成分基本不變。
交代作用
交代作用是指變質過程中，化學活動性流體與固體岩石之間發生的物質置換或交換作用，其結果不僅形成新礦物，而且岩石的總體化學成分發生改變。例如，含Na+的流體與鉀長石發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)
