變質(zhì)作用形成的巖石類型(變質(zhì)作用的巖石)
3.3變質(zhì)級別
并非所有變質(zhì)作用都發(fā)生在相同的物理條件下。例如，山脈下方40公里深處的巖石比20公里深處的巖石經(jīng)歷更強烈的變質(zhì)作用。地質(zhì)學家非正式地使用變質(zhì)等級一詞來指代變質(zhì)作用的強度，即變質(zhì)變化的數(shù)量或程度。變質(zhì)強度的更正式表達是變質(zhì)階段。
由于溫度在確定再結(jié)晶程度和所發(fā)生的變質(zhì)反應的性質(zhì)方面起著決定性作用，因此某個地點發(fā)生的變質(zhì)作用程度主要取決于該地點的巖石在變質(zhì)過程中達到的溫度。250~400形成低品位變質(zhì)巖，400~600形成中度變質(zhì)巖，600~850形成高級變質(zhì)巖。地質(zhì)學家認為板巖和千層巖為低品位變質(zhì)巖，大部分片巖和部分片麻巖為中品位變質(zhì)巖，部分片巖和大部分片麻巖為高級變質(zhì)巖。
不同程度的變質(zhì)作用產(chǎn)生不同的變質(zhì)礦物組合。在地圖上，我們可以標出稱為變質(zhì)帶的區(qū)域，其中巖石具有給定的變質(zhì)程度。通常，地質(zhì)學家通過尋找特定的變質(zhì)礦物（所謂的指示礦物）來識別變質(zhì)帶。在地圖上繪制的一條線，表示含有指示礦物的巖石和不含指示礦物的低品位巖石之間的邊界。這條線稱為變質(zhì)等梯度（來自希臘語iso，意思是相等）。）。理想情況下，等值線上的所有位置都具有相同的變質(zhì)程度。
該圖描繪了變質(zhì)程度的大致溫度和壓力?！皾瘛笔侵笌r石中含有水。濕巖石的熔化溫度比干巖石（不含水）低；在造山過程中，頁巖和砂巖由低變質(zhì)到高變質(zhì)。右邊的線顯示了某些變質(zhì)礦物的生長范圍；美國東北部新英格蘭地區(qū)的近似變質(zhì)帶和等變質(zhì)線，列出的礦物均為指示礦物
3.4變質(zhì)相
一般來說，變質(zhì)巖并不是由不同時間和地點形成的礦物堆積而成。相反，它們由獨特的礦物質(zhì)組合組成，這些礦物質(zhì)在一定的壓力和溫度下結(jié)合生長。看來這樣的礦物組合或多或少代表了化學平衡的條件，即組成巖石的化學物質(zhì)被組織成礦物顆粒組并保持穩(wěn)定。地質(zhì)學家還確定，巖石中存在的礦物質(zhì)的具體組合取決于壓力和溫度條件以及原始巖石的成分。
這一發(fā)現(xiàn)促使地質(zhì)學家提出了變質(zhì)階段的概念。變質(zhì)相是一組具有一定壓力和溫度的變質(zhì)礦物組合。每個特定的相組合都反映了原始巖石的成分。根據(jù)這個定義，給定的變質(zhì)階段包括幾種不同的巖石，這些巖石的化學成分和礦物含量彼此不同。但同一相的所有巖石都是在大致相同的溫度和壓力條件下形成的。地質(zhì)學家已經(jīng)確定了幾個階段，包括沸石、角巖、綠片巖、角閃巖、藍片巖、榴輝巖和麻粒巖。不同的相是根據(jù)某些相的巖石中發(fā)現(xiàn)的獨特特征或礦物來命名的。
我們可以用相圖來表示變質(zhì)相形成的大致條件。橫軸表示溫度，縱軸表示壓力。圖中標有相名稱的區(qū)域代表了與該特定相形成礦物組合的大致溫度和壓力范圍。例如，巖石在A點壓力和溫度（4.5kbar和400）的作用下，形成了綠片巖相的礦物組合特征。如圖所示，相界處的壓力和溫度不能被確定。精確確定并且階段之間的過渡是漸進的。
我們可以使用同一張圖片來描繪地殼不同區(qū)域的地溫梯度（溫度隨深度的變化）。例如，在造山帶下方，地溫梯度穿過沸石、綠片巖、角閃巖和麻粒巖相。相反，在俯沖過程中形成的增生棱柱中，溫度隨著深度緩慢增加，從而形成藍片巖相組合。
因為這兩個相的區(qū)別在于寬帶。一些角閃巖相巖石和所有麻粒巖相巖石是在含水花崗巖熔化的壓力和溫度下形成的。因此，這種變質(zhì)巖只有在原巖干燥的情況下才能發(fā)育。圖中所示的相之一在文中未提及：P-P（葡萄石-綠泥石）相，以兩種變質(zhì)礦物命名。數(shù)字代表不同的地溫梯度
4.變質(zhì)作用發(fā)生在哪里？
到目前為止，我們已經(jīng)介紹了變質(zhì)作用的力（熱、壓力、應力和熱液）、變質(zhì)作用形成的巖石類型以及變質(zhì)程度的概念。在此背景下，讓我們在板塊構(gòu)造理論的背景下研究一下地球上發(fā)生變質(zhì)作用的地質(zhì)環(huán)境。您會發(fā)現(xiàn)變質(zhì)作用發(fā)生在多種條件下。這是因為地溫梯度、巖石在變質(zhì)過程中受到壓縮或剪切的程度以及巖石與熱液相互作用的程度都取決于地質(zhì)環(huán)境。
4.1熱變質(zhì)或接觸變質(zhì)作用
想象一個地方，熱巖漿侵入了較冷的巖壁。熱量從巖漿流向周圍的巖石，因為熱量總是從較熱的材料流向較冷的材料。因此，當周圍的巖石升溫時，巖漿就會冷卻并凝固。熱液可能在侵入巖和圍巖中循環(huán)。熱量和熱液循環(huán)引起周圍巖石的變質(zhì)作用。最高品位的變質(zhì)巖緊鄰溫度最高的侵入巖形成，而較低品位的巖石則在更遠的地方逐漸形成。圍繞火成巖侵入體形成的變質(zhì)巖帶稱為變質(zhì)暈?！肮猸h(huán)”一詞源自拉丁語“aureola”，意思是王冠或光環(huán)。變質(zhì)暈的寬度取決于侵入體釋放的熱量，而熱量又取決于侵入體的大小和形狀以及發(fā)生的熱液循環(huán)的數(shù)量。例如，較大的巖體提供更多的熱量，形成更寬的光環(huán)。類似地，侵入潮濕巖石可能比侵入干燥巖石產(chǎn)生更廣泛的暈，因為熱液傳輸熱量并引起交代作用。
大型巖體的熱量會產(chǎn)生變質(zhì)暈，角巖在其中發(fā)育。遠離巖體，變質(zhì)程度逐漸減弱?；鸪蓭r中因熱傳導而引起的局部變質(zhì)作用可稱為熱變質(zhì)作用或接觸變質(zhì)作用。壓力和應力不會發(fā)生變化，也不會形成擇優(yōu)取向。變質(zhì)暈含有角巖，一種無葉理的變質(zhì)巖。根據(jù)板塊構(gòu)造理論，巖漿在匯聚邊界、裂谷和造山的某些階段侵入地殼，因此在這些地方可以找到接觸變質(zhì)作用的例子。
4.2動力變質(zhì)作用
當?shù)貧ぶg發(fā)生滑動或剪切時就會形成斷層。在地球表面（地殼上部10至15公里），這種運動使巖石破裂，將它們撕成鋒利的碎片，甚至粉碎成粉末。但由于地溫梯度的原因，在較深的位置，巖石溫度非常高，當沿斷層發(fā)生剪切時，巖石會發(fā)生塑性變形。在變質(zhì)條件下的剪切過程中，巖石中的礦物質(zhì)重新結(jié)晶，形成新的結(jié)構(gòu)。我們將此過程稱為動態(tài)變質(zhì)作用，因為它是變質(zhì)條件下僅發(fā)生剪切（運動）的結(jié)果，不需要溫度或壓力的變化。動態(tài)變質(zhì)巖通常會形成幾乎與斷層平行的葉理。
在變質(zhì)條件下，巖石的剪切導致原始晶體分裂成微小的晶體，而不破裂形成一種稱為糜棱巖的片巖
4.3熱動力或區(qū)域變質(zhì)作用
沿著會聚邊界或在大陸碰撞期間，大陸地殼沿著斷層向上移動并覆蓋其他地殼的一部分。曾經(jīng)沿著大陸邊緣靠近地球表面的原巖最終落入山脈深處。在這種環(huán)境中，三個過程影響原始巖石：
原始巖石會升溫，因為溫度隨著深度的增加而增加，并且附近有火成巖活動；
上覆巖石自重隨深度增加而增大，壓力增大；
承受壓縮和剪切
結(jié)果，原始巖石變成了山帶深處的葉狀變質(zhì)巖。形成的巖石類型取決于變質(zhì)作用的程度：板巖在較淺的深度形成，而片巖和片麻巖在較深的深度形成。
由于我們剛才描述的變質(zhì)作用不僅涉及熱變質(zhì)作用，還涉及壓縮和剪切作用，因此地質(zhì)學家將其稱為熱力學熱變質(zhì)作用。通常，這種類型的變質(zhì)作用影響很大的區(qū)域（通常是整個山脈覆蓋的區(qū)域），也稱為區(qū)域變質(zhì)作用。
熱力學變質(zhì)作用發(fā)生在山地帶的發(fā)育過程中。這一過程也稱為區(qū)域變質(zhì)作用
4.4俯沖帶變質(zhì)作用
藍片巖是一種相對罕見的巖石，含有一種不尋常的藍色礦物——角閃石。實驗表明，這種礦物僅在高壓和相對較低的溫度條件下形成。這種條件在大陸地殼中不會存在，大陸地殼在產(chǎn)生藍色角閃石所需的高壓下也非常熱。因此，要知道藍片巖是在哪里形成的，我們必須問地球上哪里可以在相對較低的溫度下形成高壓。
板塊構(gòu)造理論為這個難題提供了答案。研究人員發(fā)現(xiàn)，藍片巖僅出現(xiàn)在俯沖帶形成的增生棱柱中。這種棱柱體的厚度可達20公里，并且棱柱體底部的巖石承受著高壓。但由于棱柱下方的俯沖洋殼溫度較低，因此棱柱內(nèi)部的溫度相對較低。
藍片巖形成于會聚邊界上的增生棱柱底部
4.5我們在哪里找到變質(zhì)巖？
當您站在變質(zhì)巖的露頭上時，您就站在曾經(jīng)埋藏在地球表面以下數(shù)公里處的物質(zhì)上。這些巖石是如何回到地球表面的？地質(zhì)學家將深埋巖石最終返回地表的整個過程稱為“掘出”。為了了解折返的工作原理，讓我們看看將高品位變質(zhì)巖從碰撞山脈下面帶回地表的過程。首先，當兩塊大陸相互擠壓時，邊緣的巖石會向上擠壓，就像虎鉗夾住的面團一樣。沿斷層的剪切和巖石內(nèi)的塑性變形導致巖石向上移動。其次，隨著山脈的生長，其下方的地殼會變暖并變得更軟、更脆弱。最終，山脈開始在自身重量作用下塌陷，上地殼向側(cè)面擴展，這一過程涉及斷層和塑性變形。上地殼的水平拉伸導致其垂直變薄，隨著上地殼變薄，更深的地殼最終會更接近地表。當?shù)乇戆l(fā)生侵蝕時，就會發(fā)生侵蝕：山體滑坡、河流、冰川流和風像巨大的銼刀一樣共同作用，將地表的巖石移走，并暴露出曾經(jīng)位于其下方的巖石。
變質(zhì)巖暴露的過程：注意紅點（代表在山腳形成的變質(zhì)巖）如何隨著時間的推移靠近地表。當大陸擠壓在一起時，巖石就會像虎鉗里的面團一樣被向上推。當深處的巖石變暖并軟化時，山脈就像烈日下的奶酪一樣崩潰；侵蝕就像一把巨大的手。銼磨、研磨并去除巖石。記住形成變質(zhì)巖并引發(fā)折返的過程，讓我們問一個問題：目前暴露的變質(zhì)巖在哪里？徒步進入山區(qū)，您可以找到變質(zhì)巖露頭。正如我們所見，造山過程會產(chǎn)生變質(zhì)巖，因此山脈內(nèi)高聳的懸崖通常由片巖、片麻巖、石英巖和大理石組成。如果您走過地盾，您會發(fā)現(xiàn)更多的變質(zhì)巖，這是一大片前寒武紀大陸地殼，其中包括十億多年前造山過程中最后變質(zhì)的巖石。實際上，地盾是大陸上一個古老且相對穩(wěn)定的部分，其沉積覆蓋層已從基底上剝離。
地盾圖，揭示了包括前寒武紀變質(zhì)巖在內(nèi)的廣闊的前寒武紀地殼
5.巖石循環(huán)
雖然巖石看起來很耐用，但它不會在地球歷史上永遠存在。由于各種地質(zhì)過程，構(gòu)成一種巖石礦物的原子最終可能會重新排列成其他礦物，或移動到其他地方。因此，來自一種巖石類型的材料可能最終進入另一種巖石類型的相同甚至不同位置。相同的原子可能會再次重新排列或移動，形成第三種巖石類型。地質(zhì)學家將導致原子在地質(zhì)時間內(nèi)穿過不同巖石類型的漸進轉(zhuǎn)變稱為巖石循環(huán)。對巖石循環(huán)的討論說明了本章描述的巖石類型與前兩章之間的關(guān)系。
巖石的循環(huán)中有許多替代路徑。三塊巖石的示例
5.1巖石循環(huán)的路徑
通過上圖，您可以看到巖石循環(huán)中的許多路徑。例如，巖漿侵入地殼并形成新的火成巖?；鸪蓭r經(jīng)過風化、侵蝕，變成沉積物，最終經(jīng)過搬運、沉積、埋藏和石化作用，產(chǎn)生新的沉積巖。如果沉積巖埋藏較深，就會變成變質(zhì)巖。在較高溫度下，巖石可能部分熔化并產(chǎn)生巖漿，巖漿上升并最終凝固形成新的火成巖。
我們剛才描述的路徑（火成巖沉積變質(zhì)火成巖）并不是巖石循環(huán)的唯一路徑。有捷徑。例如，變質(zhì)巖可能上升，被侵蝕形成新的沉積物，然后被掩埋和巖化形成新的沉積巖。同樣，火成巖可以直接變質(zhì)，而無需首先風化成沉積物。
5.2板塊構(gòu)造背景下的巖石循環(huán)
板塊構(gòu)造理論使我們能夠了解巖石循環(huán)各階段發(fā)生的環(huán)境。讓我們看一個例子。
據(jù)推測，大陸熱點火山下方形成的巖漿到達地表并噴發(fā)形成玄武巖。在風、雨和植被的作用下，玄武巖逐漸風化，物理分解成更小的碎片，然后化學形成粘土，隨水流進入大海。海水流速減慢，粘土沉淀出來。
讓我們想象一下，粘土沿著X大陸的海岸堆積起來。隨著時間的推移，粘土層被掩埋，形成了新的沉積巖，頁巖。頁巖位于大陸架以下6公里的被動邊緣盆地內(nèi)。在Y大陸與X大陸碰撞之前，頁巖將存在數(shù)百萬年。Y大陸邊緣擠壓X大陸邊緣的頁巖，頁巖被埋藏很深，受到壓縮和剪切。隨著山脈的生長，曾經(jīng)位于地表以下6公里的頁巖可能會深達25公里。隨著埋藏深度的增加，頁巖變質(zhì)為板巖、千枚巖和片巖。
一旦造山活動停止，挖掘工作就會將一些片巖帶回地表。一些片巖被侵蝕形成沉積物，然后被河流帶到沉積盆地，在那里進行沉積和埋藏，最終通過巖化形成新的沉積巖。一些片巖殘留在地表之下。最終，該區(qū)域發(fā)生裂谷，導致下地幔減壓熔融。上升的巖漿將熱量帶入地殼。巖漿侵入地殼淺層，引起鄰近圍巖中片巖的接觸變質(zhì)作用。在地殼底部附近，來自地幔的巖漿可能會引起片巖的熱傳導熔融，這一過程會產(chǎn)生新的長英質(zhì)巖漿，這些巖漿噴發(fā)并凝結(jié)形成流紋巖，從而形成新的火成巖。就巖石循環(huán)而言，我們已經(jīng)經(jīng)歷了一個完整的循環(huán)，因為曾經(jīng)屬于一種火成巖（玄武巖）的原子現(xiàn)在融入了另一種火成巖（流紋巖）中。請注意，雖然巖石循環(huán)主要使地殼內(nèi)的巖石再循環(huán)，但當?shù)蒯?nèi)的熔化產(chǎn)生上升到地殼的巖漿時，某些物質(zhì)可以進入地殼巖石循環(huán)，而當俯沖作用將某些物質(zhì)帶回地殼時，某些物質(zhì)可以進入地殼巖石循環(huán)。地幔。離開搖滾循環(huán)。
并非所有原子都以相同的速度在巖石中循環(huán)，因此我們在地球表面發(fā)現(xiàn)了許多不同年齡的巖石。有些巖石以一種形式存在了不到幾百萬年，而另一些巖石在地球歷史的大部分時間里都保持不變。例如，阿巴拉契亞山脈的巖石在過去十億年里多次經(jīng)歷了巖石循環(huán)的各個階段，而北美東部邊緣也經(jīng)歷了盆地形成、造山運動和裂谷的多次循環(huán)。相比之下，在加拿大中部地盾中發(fā)現(xiàn)的3Ga古老火成巖尚未經(jīng)歷巖石循環(huán)的第一階段。
最初，原子通過地幔柱上升到地球表面，粘土被掩埋形成頁巖；當大陸碰撞時，頁巖最終被埋在山脈之下，并在那里變質(zhì)為片巖；最終，山脈被侵蝕，挖掘過程將片巖變成了接近地球表面的巖石；當裂谷分離大陸時，一些片巖熔化，其原子再次融入巖漿中。
5.3是什么能量驅(qū)動著巖石循環(huán)？
巖石循環(huán)的發(fā)生是因為地球是一個動態(tài)的、不斷變化的行星，有許多巖石形成環(huán)境。外部能量（太陽輻射）、內(nèi)部能量（地球內(nèi)部熱量）和重力能量都通過保持地幔、地殼、大氣和海洋的運動來驅(qū)動巖石循環(huán)。具體來說，地球的內(nèi)部熱量和引力場共同驅(qū)動板塊運動和地幔羽流。板塊的相互作用導致山脈隆起，這一過程導致風化、侵蝕和沉積物的產(chǎn)生，以及變質(zhì)和火成活動。大氣環(huán)流由太陽輻射和重力共同驅(qū)動，產(chǎn)生雨、雪和風。雨水滋養(yǎng)溪流，雪積聚形成冰川，風和風驅(qū)動的波浪充當侵蝕劑，形成沉積物。在地球系統(tǒng)中，生命也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，促進風化和礦物沉淀。