變質岩學家的觀點

Storyteller/蓋瑞王   Painter/蓋瑞王

變質岩學家在三大岩類的研究學者中,是最清楚自己「所在位置」的人。他最依賴的定位系統,是「溫度」和「壓力」,因所謂的變質作用(metamorphism)是描述在溫度與壓力上升的狀況時,岩石於固態狀況下的礦物組織改變,而這個「岩石」可以是火成岩、沉積岩、或是變質岩本身。舉例來說,沉積岩中的泥岩在越埋越深的狀況下,溫度與壓力漸漸上升,岩石外觀上形成了所謂的葉理(foliation,像葉片堆疊一樣的紋理),此時泥岩(沉積岩)轉變成了板岩(變質岩);而板岩可以繼續受更高的溫度與壓力,變成片岩、片麻岩等變質岩。

從泥岩(左)變成板岩(右)。組織上從塊狀沒有明顯層理(沉積岩層狀的組織),到表面較平整、較光亮、且出現葉理。

葉理只是變質岩的其中一類組織,並不是所有變質岩都會有葉理,但礦物的再結晶現象(recrystallization)所產生的組織,倒是較容易出現在所有變質岩中。變質斑晶(porphyroblast)是其中一例,它會像變質岩的青春痘,點狀的在岩石裡成長;有些變質岩的礦物晶體會平等的長大,形成花崗變晶組織(granoblastic texture);在斷層帶等具滑移性質的變質區,則容易出現殘碎斑晶組織(porphyroclastic texture)。變質岩的再結晶現象在工業上提供了重要的礦物來源;在學術上,則提供了我們定年與界定變質程度的指標。

三種變質岩組織:(左)變質斑晶,如圖上紅點為石榴石。(中)花崗變晶,如大理岩中的碳酸鹽礦物,晶體大小差異不大。(右)殘碎斑晶,在具滑移特徵的變質岩上,可看到礦物呈透鏡狀,如圖上白色透鏡狀礦物為石英。

 

變質地圖

鋁矽酸鹽三騎士(藍晶石、紅柱石、矽線石)適合存在的溫壓範圍。

變質作用所存在的溫度與壓力範圍,一直是變質岩學家所在意的。一般來說,變質作用的最高邊界容易劃定,當岩石開始因溫度與壓力作用而熔融時,變質作用將消失,取而代之的是岩漿作用(因變質作用一定要在固態進行)。但變質作用的最低邊界卻不易區分出來,尤其當岩石從成岩作用漸進到變質作用的過程,要在哪裡畫出一條界線,說明變質作用開始了呢?因此「低度變質作用」(low-grade metamorphism)一直是滿有挑戰性的領域。變質岩中的礦物倒是在變質程度劃分上幫了大忙:當某些礦物在變質作用下出現了,我們可以說那塊岩石已達到了某種程度變質(這些礦物有類似溫度計、或壓力計的功用),這樣的礦物,稱作指標礦物(index mineral)。鋯石、石榴石等都是常見的指標礦物。另外,在變質岩中常見的礦物還包括黃鐵礦、磁鐵礦、以及藍晶石、矽線石、紅柱石等。尤其最後三個鋁矽酸鹽礦物最為有趣,因他們其實為相同成分(化學式:Al2SiO5)卻不同結構之同質異構物(鋁矽酸鹽三騎士),並分屬於不同的溫壓環境之下。

以壓力(P,pressure)與溫度(T,temperature)為座標軸,可以畫出一張變質地圖,稱作變質相圖。變質相(metamorphic facies)是變質岩學家進一步了解變質岩的參考準則,它界定了不同變質程度下的岩石應該具有什麼特定的礦物相。以前面提及的鋁矽酸鹽三騎士為例,藍晶石是其中最耐高壓的礦物,矽線石則是其中最耐高溫的礦物。芬蘭的地質學家Eskola甚至觀察了不同的變質岩種類的礦物組合,並將他們應該存在的溫壓範圍劃定出來。後來又經過許多的野外觀察與實驗室模擬,形成一張經典的變質相圖。

簡化的變質相圖。

 

變質手法

要讓一塊岩石「變質」,只要活用溫度與壓力,有時參雜了流體的輔助,結果可以有很多變化。例如在一個沉積盆地,新的沉積物不斷注入盆地中,舊的沉積物就被越埋越深。此時溫度與壓力隨深度增加而增高,產生了深埋變質作用(burial metamorphism)。而要知道,溫度與壓力不一定會同時上升,有些時候會出現一個上升,另一個卻變化不大的狀況。例如在隱沒帶,被板塊帶到地底深處的岩石所受壓力會越來越高,但因為隱沒帶本身會順便帶入水、揮發物等物質,使得岩石的溫度上升程度較不明顯,形成高壓低溫的變質作用。相反的,高溫低壓變質作用則常出現在侵入岩體周圍,岩漿的注入使得周遭的岩石被高溫烘烤而產生變質,我們稱這種作用為接觸變質(contact metamorphism)。這些變質作用是可以連續的,一個接著一個進行的,而只要運氣夠好,每次變質的痕跡(殘留的指標礦物)都保留了那麼一點點,沒有被下一個變質作用消滅掉的話,這些指標礦物會形成指引方向的路標,使我們得以在變質相圖中點出每一個時期岩石所在的位置,由點連成線,我們就把岩石曾走過的路巧妙的畫在變質相圖上了!

只要證據足夠,就可利用P-T圖畫出一塊岩石變質的過程。

 

所以,論三大岩類的研究學者,變質岩學者肯定是最會看地圖的人啦。

 

參考資料:

Marcia Bjornerud(2006)Reading The Rocks-The Autobiography Of The Earth.

Harvet Blatt, Robert J. Tracy, and Brent E. Owens (2005)Petrology-Igneous, Sedimentary, and Metamorphic

 

延伸閱讀:

沉積學家的觀點》-蓋瑞王

火成岩學家的觀點》-蓋瑞王