B2 · 出版卷 7

变质作用的因素

Temperature、Pressure、Fluid、Time、Deformation

学习目标

完成本课后，读者应能把变质作用定义为以固态变化为主的过程，解释温度、压力、流体、时间、变形和总体成分的作用，估算岩石静压力，并识别为什么同一块岩石会保存多个不完整的平衡微区。

一块泥质变质岩含定向云母、具有富包裹体核部的石榴子石、沿裂隙形成的晚期绿泥石和石英条带。附近一层基性岩含角闪石和斜长石，却没有石榴子石。两层岩石是否经历了相同的压力和温度？哪些矿物共同生长，哪些是继承残留，哪些形成于冷却或流体进入阶段？

空间相邻不能保证组合相同，因为原岩组成和流体通达性不同。薄片中共存也不能证明所有矿物达到平衡。必须先划分结构微区、矿物反应关系和成分域，再把矿物组合转换为变质条件。

变质作用是在所采用命名规范界定的成岩作用和熔融之间，以固态为主发生的矿物、化学和显微结构改变。如果熔体成为重要组成，体系进入部分熔融与混合岩术语范围。这个边界具有地质和操作含义，并不存在对所有岩石都相同的单一温度。

温度改变反应平衡、扩散速率、重结晶和矿物稳定性。温度可因埋藏、地壳增厚、岩浆侵入、剪切加热或流体携热而上升。压力包括平均应力，在深部可用上覆负荷近似；差应力则驱动变形。如果构造超压、密度结构或后期再平衡显著，由平衡组合估计的压力不能直接等同于深度。

总体成分决定哪些反应可能发生。基性、泥质、富碳酸盐和超基性原岩即使经历同一温压路径，也会产生不同矿物组合。流体活度与组成影响水化、脱水、溶解、迁移和反应速率。即使某含水反应在热力学上有利，岩石仍可能因流体不足而不完全反应。

时间和变形决定体系接近平衡的程度以及产物分布。变形创造晶界、裂隙和面理，缩短扩散距离，并可使流体局部化；相反，强矿物或干燥微区会保留亚稳相。因此，变质作用是反应进程的历史，而不只是一个峰值点。

在测定成分前先描述矿物关系，包括包裹体、加大边、反应边、假象、冠状体、后成合晶、压力影、劈理和线理。与基质隔离的石榴子石核部可能记录较早平衡域；与黑云母接触的边部可能记录较晚平衡；元素面扫描和剖面可把分析点与结构位置连接起来。

温压方法必须声明平衡基础。传统温度计和压力计采用经标定的反应或交换平衡；相平衡模型则针对选定总体成分、热力学数据集和活度模型预测稳定组合及成分。两类方法都必须包括分析、标定和地质解释的不确定性。

反应微区的有效总体成分可以不同于全岩分析。分离的石榴子石、被抽离的熔体、脉体或局部流体通道都会移走组分。应建模真正可能达到平衡的微区，并记录任何组成调整，而不能为了得到预期结果反复调参。

平衡域审核可采用“结构—成分—模型”三联表：第一列记录颗粒接触和生长顺序，第二列记录用于计算的具体分析点，第三列记录模型中代表的相与组分。如果两个矿物从未在同一微区接触，或一个已被反应边完全隔开，就不应仅因分析值能给出合理温压而把它们配对。对每个被排除的分析也应记录原因，以免后续选择性使用数据。

一级近似下，岩石静压力为


P=\int_0^z \rho(z)g\,dz.

若密度恒为 2700\ \mathrm{kg\,m^{-3}}，重力加速度 g=9.81\ \mathrm{m\,s^{-2}}，深度 z=20\ \mathrm{km}，则


P\approx2700\times9.81\times20{,}000
=5.30\times10^8\ \mathrm{Pa}
=0.53\ \mathrm{GPa}.

该值只是尺度估计。密度随地壳层位和组成变化，地表高程可能有影响，构造应力也会扰动平均压力。若矿物组合给出 0.8 GPa，不能直接换算成约 30 km 并宣布埋深；应先评估平衡、标定误差、压力定义和构造背景。

再比较泥质层与基性层。泥质层的石榴子石 + 黑云母 + 白云母 + 石英，与基性层的角闪石 + 斜长石可能同时符合一个区域变质体制，但组合本身不证明峰期条件完全相同。矿物成分、反应结构和相平衡必须在不确定性范围内相互兼容。

变质级别并非脱离组成后仍然有效的温度读数。指数矿物可以因总体成分缺少必要组分、反应不完全或退变质而缺失；峰期矿物可以在冷却过程中亚稳保存；沿裂隙出现的退变质矿物可能只记录局部流体进入，而非全岩再平衡。

压力影和面理可以识别变形，却不能自动定量差应力。粒度受到成核、生长、应变、流体和后期退火共同控制。被反应边隔开的矿物对可能已不再平衡。分析精度不能代替地质准确性。

在一张薄片图像上标注至少四个结构微区。对每个矿物分析记录微区、点位、分析不确定性和推定平衡伙伴。建立两个竞争解释：一是基质与石榴子石边部在峰期平衡，二是边部在减压阶段生长。

采用 2600、2800 和 3100 kg m⁻³ 三种密度，计算 10、20 和 35 km 深度的岩石静压力。绘制范围，并解释为什么岩石学压力不能只转换成一个精确深度。