变质岩对军事地质影响的研究论文

游振东

[中国地质大学(武汉)]

1999年，庆祝新中国成立50周年之际，笔者曾著文回顾50年来的中国变质岩石学的进展[1]。进入21世纪，传统的地质学正在转向以“地球系统科学”为核心内容的现代地质学。在全球地质一体化的[2]形势下，中国地质调查局不仅在内地开展了新一轮的1：25万区域地质调查，而且大力在西部地区青藏、新疆等地，开展 1：25万 区域地质调查，对西部一些重要的变质地区，如藏南、昆仑、天山等地区进行了详细的填图，获得了许多珍贵的第一手资料，为我国变质岩石学和变质地质学的研究打下了坚实的基础[3]。本文拟从岩石学学科发展的角度来观察变质岩石学的成就和展望。

一、极端条件下的变质作用

如若从变质岩石学自身发展来看，近10年来极端条件下的变质作用(metamorphism under extreme conditions)研究逐渐受到研究者的重视。所谓“极端条件”是指变质温度、压力等外部因素有异于常规变质作用的范围(即t＝250～800℃，p＝ 1～ GPa)。超高压变质作用、超高温变质作用甚低级变质作用以及冲击变质作用等极端条件下的变质作用，近年来在国内都得到长足的发展。

1.超高压变质作用

在变质地质学中，人们习惯用变质的地温梯度(geothermal gradient)来划分变质作用的类型，超高压变质作用是指地温梯度很低(小于10℃/km)、变质压力大于以上的变质作用，以致在石榴子石、锆石等矿物中能够出现柯石英、金刚石等通常变质岩石中不可能出现的高压矿物。

20世纪80年代以来，在大别山—苏鲁一带发现的超高压变质作用，便是一种极端条件下的变质作用。它以榴辉岩及与之共生的片麻岩中普遍发现超高压标志性矿物——金刚石和柯石英的微细包裹体为特征，成为世界上出露条件最好、规模最大的超高压变质带，引起国内外学者的注意。近10年来的研究证明，此类岩石具区域性分布，西起天山，东延至阿尔金—祁连、东秦岭—大别山—苏鲁，构成横跨中国的“中央构造带”。超高压变质岩石的存在，揭示了陆壳物质可以深俯冲于地幔的深度。为了探索此类不寻常的造山带的深部构造，中国地质科学院地质研究所在国土资源部支持下，自2001年起，在江苏东海实施第一口中国大陆科学钻探(科钻一井)，历时4年，终孔深度5000余米。全岩心钻进，加以地球物理等多学科交叉研究，获得了如下成果：大别-苏鲁汇聚板块边界的三维构造、组成及地球物理性质；探索超高压变质作用的性质与年代；探索超高压变质岩形成、折返过程中的地壳动力学与壳幔相互作用；研究地壳和地幔流体循环过程和矿化作用；建立研究地壳动力学和深部大陆地壳演化的长期观测实验室[4]。

超高压变质作用已经成为国际地质科学研究的热点，当前已发现的各个超高压变质地区研究日益深入，不断有新成果涌现；通过实验岩石学等手段探索岩石圈板块俯冲的深度；壳幔相互关系及流体循环等重大科学问题的研究都在深入开展。

2.超高温变质作用(ultrahigh temperature metamorphism)

属于麻粒岩相变质范畴，但不同于一般的麻粒岩的是变质温度大于800℃。以出现假蓝宝石(saphirine)、大隅石(osumilite)等高温矿物为特征。目前在南极、印度等地已有发现，国内仅黑龙江麻山群中有过假蓝宝石的报道。近年来，北京大学与日本Koshi大学 Santosh 合作，对内蒙古孔兹岩带重新进行研究，通过变质矿物组合、流体包裹体特征、独居石、锆石同位素年代学等方面，确定在原先认识的麻粒岩相岩石组合中，发现了如下超高温矿物组合：

假蓝宝石+石英；低Zn/Fe3+尖晶石+石英；高铝斜方辉石+矽线石+石英以及 高温中条纹长石。运用常规矿物温压计，据最新研究假剖面作相平衡模拟，查明该区变质作用的温度可达 1000℃，变质压力约 GPa。峰期变质之后继以近等压冷却过程 而后折返，形成近等温减压的途径。镜下显微构造、矿物反应和相平衡模拟说明岩石经历了逆时针的pT轨迹。

超高温变质矿物中保存有古流体，成分为 CO2，这与岩石中广泛出现无水矿物组合相一致。据独居石、锆石单矿物样品所作的化学和同位素年代学定年，超高温事件年龄为，属于古元古代的高温变质作用，并且发现从西部到东部，超高温变质事件年龄从 变到，显然有变新的趋势。据此，作者推测：内蒙古缝合带中的超高温变质事件，是古元古时期华北克拉通焊合进入哥伦比亚超大陆时，南面的鄂尔多斯陆块与北面的阴山陆块作斜向碰撞和剪刀式的闭合所引起的[5]。

内蒙古超高温变质带的确定，是我国变质地质学的一大进展。

3.甚低级变质作用(very low grade metamorphism)

甚低级变质作用，是指变质温度条件介于成岩作用与低级变质之间的变质作用。利用沸石、黏土矿物、绿泥石等低温变质矿物及其矿物组合，可以填绘出甚低级变质的等变线从而揭示其热构造，这对于碳氢资源远景预测可以起一定作用，因为一般认为：如果地温达到变质作用的范畴，碳氢资源的远景就要大大降低了。

在甚低级变质地区，因为变质温度低，矿物结晶粒度很细，一般岩石显微镜都很难辨识。伊利石结晶度是在甚低级变质地区定量划分岩石变质程度的重要方法，X射线衍射分析是测量伊利石结晶度最有效的方法。1962年以来，西方文献出现了不同的伊利石结晶度指数，如Weaver指数、Weber指数和Kubler指数等。北京大学王河锦，从X射线理论角度，确定出这些指数之间的关系式，改善了伊利石结晶度的测定方法和精度。

我国甚低级变质作用研究薄弱，20世纪90年代末索书田等曾运用甚低级变质的方法[6]研究广西右江的低温金矿床。进入21世纪，我国甚低级变质研究逐渐与油气地质研究相结合，有了显著进展。毕先梅等曾论述极低级变质作用与成矿作用的关系[7]。王河锦、朱明新以层状硅酸盐的结构变化与变质温压条件的关系，如伊利石、绿泥石结晶度，伊利石多型、结晶轴b0。值及应变特征等，分析研究了湖南广泛分布的板溪群及其上的下古生界页岩及川西北三叠系复理石的甚低级变质[8，9]。其中湖南湘东、湘西等地 4个剖面垂直面理应变沿剖面变化，同时用与国际可对比的伊利石结晶度等数据资料，确定中新元古界—下古生界的区域低温甚低级变质温度为250～400 ℃，但变质压力因时代不同而异，中元古界为中压型，新元古界—下古生界为中低压型。这些都加深了地质界对扬子地台这些古老岩石的认知水平。

4.冲击变质作用(impact metamorphism)

陨石撞击地球或其他天体，造成陨石坑，其周围岩石在极高的应变速率(106～109S-1)、瞬时高温(1000～10000℃)、动态高压(10～100 GPa)下产生的变质作用为冲击变质作用。从嫦娥1号等发回的数据解译出的照片可知，月球表面布满了大大小小的陨石坑，地球不同于月球和其他天体，在于其表面有厚约1000km的大气层，所以陨击地球的较小天体，进入大气层后因强烈摩擦而烧毁。所以地球上保留的陨石坑较少，据统计，全球已知的陨石坑有160多个。不少大型陨石坑是世界著名金属矿床的所在地，如加拿大的Sudbury，大多数小型陨石坑被开发成为旅游胜地，如德国南部的Ries、美国亚利桑那州的Meteor Crater[10]。

因为地表沉积物的覆盖，一个陨石坑的确定，需要做大量的研究工作。目前，我国已确定的陨石坑有海南的白沙，是1997年公开报道的[11]；辽宁岫岩陨石坑，20世纪70年代就已发现，曾被认为是个旋转构造。经过40年反复研究，最近广州地球化学研究所与辽宁冶金地质公司合作，实施深达307m的科学钻探，在107～149m深度发现了一系列冲击波所产生的冲击效应：石英击变面状页理、含熔体玻璃的多相角砾岩和陨击玻璃等，陨击构造的性质得以确定。该成果 2009年公开发表[12]，是我国在冲击变质方面的一大进展。

二、变质岩石学的教学

由于变质岩石学各个领域都获得了长足的进步，我国变质岩石学教学也有很大的进展。表现在：①不少中国学者的研究成果已被国外领先的变质岩石学教科书所采用；②中国地质大学(武汉)率先进行了《变质岩石学》英语教学试点，获得成功。

1.不少国内学者变质岩石学研究成果进入国外的教科书

长期以来国外学者对我国国内研究现状了解甚少，以致在国外出版的《变质岩石学》教科书中引用的普遍是国外学者的成果。近年来随着改革开放的步伐加大，中西方学术交流频繁。现在我国学者的成果渐渐在国外出版的教科书中出现了。

以 2011年Springer-Verlag 出版的 Kurt Bucher 和Rodney Grapes 合作编写的“Petro-genesis of Metamorphic Rocks”(8thed.)为例，就引用了12篇国内学者的成果。

1)吴春明教授2004～2007关于高级变质岩中地质温压计方面的论文有4篇被该书第4章“Metamorphic Grade”所引用。

2)张立飞教授(2003)发表了关于西天山超高压变质岩系深俯冲达150km发生极低地温梯度的组合，白云石反应生成菱镁矿+文石，属于变质岩中的“禁区”。该文被多次引用，该书第3章“变质作用过程”将其作为指定参考文献供读者阅读，在第6章“白云岩和石灰岩的变质”则被列为“Cited Reference”。

3)在第9章“变质基性岩”中还引用了7篇中国学者关于超高压变质的论文。在此就不一一列举。

2.《变质岩石学》的英语教学

国内《变质岩岩石学》的教学一向是作为《岩石学》的一个部分进行的，讲课时数高时达40学时，2001年以后《岩石学》从220学时减至150学时，变质岩更要相应缩减。为了加快我国高等教育与国际接轨，加快专业人才国际化培养，中国地质大学(武汉)地球科学学院，对理科基地班的《变质岩岩石学》课程进行了双语教学的改革，10年来，在桑隆康教授等的努力下，很好地发挥了英国岩石学家Roger Mason的作用，进行英语《变质岩岩石学》教学，克服重重困难，取得良好的成绩，在教育部理科教学评估中得到充分肯定[13]。

Roger Mason教授在教学中除了介绍我国国内典型变质岩产地之外，还详细介绍英国苏格兰的巴罗带、挪威sulitjelma 变质带、英国skidaw花岗岩接触带的接触变质等，极大开阔了学生的视野，深入了解掌握了变质地质学的工作方法。桑隆康与 Roger Mason 合作编著的《变质地质学》也于2007年作为中国地质大学“十一五”规划教材出版，并获得2009年度湖北省教学成果二等奖[14]。

《变质地质学》的问世，《变质岩石学》双语教学的成果，为今后《变质岩岩石学》的教学质量的提高，奠定了良好的基础。

回顾近10年来变质岩石学研究的进展，可以发现：①与解决社会经济发展重大问题相结合，在生产实际中发现问题、解决问题，是变质岩石学进一步发展的原动力；②密切注意学科发展前沿，抓住热点问题，投入研究力量，是提高学科理论水平的必由之路；③加强国际学术交流，开阔研究视野，是保证学科水平、提升国际竞争力的必要手段。

当前我国地质研究正从地质大国向地质强国迈进，加强变质岩石学、结晶岩岩石学、变质地质学的研究，是我国地质科学发展的关键之一。

参考文献

[1]游振东.五十年来中国的变质岩石学.见：王鸿祯主编.中国地质科学五十年.武汉：中国地质大学出版社，1999，144～152

[2]游振东.地质一体化——区域地质研究的新纪元.见：中国地质学会地质学史专业委员会第20 届学术年会论文汇编，2008，70～72

[3]孟宪来.在青藏高原空白区1：25万区域地质调查成果报告会暨“十一五”工作重点研讨会开幕式上的讲话.地质通报，2006，(2)

[4]Zhiqin Xu，Jingsui drilling in the Dabie-Sulu Ultrhigh pressure metamorphic belt，China EOS，Transactions，AGU 22th ，86(8)：77～78

[5]Santosh S Tet ultrahigh-temperaturemetamorphism granulites in North China craton：implications for tectonic models on extreme crustal Research，2011

[6]索书田，毕先梅，周汉文.极低级变质作用：以右江中生代构造带为例.北京：地质出版社，1999

[7]毕先梅，莫宣学.成岩-极低级变质-低级变质作用及有关矿产.地学前缘，2004，11(4)

[8]Wang H，Rahn M，Tao X F et and metamorphism of Triassic flysch along Northwest Sichuan， Geologica Sinica 2008，82：17～926

[9]朱明新，王和锦.长沙-醴陵-浏阳一带冷家溪群及板溪群的甚低级变质作用.岩石学报，2001，17(2)

[10]游振东，刘嵘.陨石撞击构造作用的研究现状与前景.地质力学学报，2008，14(1)：22～36

[11]王道经.海南白沙陨石坑.海口：海南出版社，1997

[12]陈鸣，肖万生，谢先德.岫岩陨石坑的证实.科学通报，2009，54：2777～2780

[13]杨坤光，龚一鸣，桑隆康，等.中国地质大学地质学专业主干课程建设与人才培养.武汉：中国地质大学出版社，2012

[14]Roger Mason，Sang Longkang.变质地质学(英文版).Wuhan：China University of Geosciences Press，2007

影响岩石工程性质的因素，可归纳为两个方面:一是内因，即岩石自身的内在条件，如组成岩石的矿物成分、结构、构造等;二是外因，即来自岩石外部的客观因素，如气候环境、风化作用、水文特性等。因此，岩石的矿物成分、结构、构造，以及岩石遭受的风化作用、水的作用等，都直接影响岩石的工程性质。

1.矿物成分

组成岩石的矿物成分对岩石的工程性质具有直接影响。单矿岩与复矿岩比较，前者较后者耐风化。例如石英岩(单矿岩)主要矿物为石英，其平均抗压强度可达250MPa，而花岗岩(复矿岩)除含有石英外，还含有片状云母和中等解理的长石，其平均抗压强度为200MPa，可见花岗岩的强度较石英岩低。

矿物的硬度对岩石抗压强度有密切关系。如石英岩和大理岩，由于石英岩中的石英要比大理岩中方解石的硬度高得多，故石英岩的抗压强度为150～300MPa，而大理岩的抗压强度为100～250MPa。

矿物的相对密度决定着岩石的相对密度，含铁镁质矿物多的岩石的相对密度要比含硅铝质矿物多的岩石相对密度大。例如辉长岩的主要矿物成分是辉石和基性斜长石，而花岗岩的主要矿物成分是长石和石英，故辉长岩的平均相对密度()要比花岗岩的平均相对密度()大得多。

再从组成岩石的矿物颜色而论，深色矿物的(橄榄石、辉石、角闪石和黑云母)抗风化能力要比浅色矿物的(石英、长石、白云母)抗风化能力差。其中按照原生矿物对化学风化的反应来看，石英、白云母、石榴子石等为稳定的矿物;角闪石、辉石、正长石、酸性斜长石等为稍稳定的矿物;基性斜长石、黑云母、黄铁矿等为不稳定的矿物。因此，一般而言，在岩浆岩中酸性岩比基性岩的抗化学风化能力高;沉积岩抗风化能力要比岩浆岩和变质岩高。

2.结构

岩石的内部结构对岩石的力学强度有极大的影响。按岩石的结构特征，可将岩石分为结晶联结的岩石和胶结联结的岩石两大类。

(1)结晶联结

结晶结构的岩石，如大部分的岩浆岩、变质岩和一部分沉积岩等，其晶粒直接接触，结合力强，孔隙度小，吸水率低。在荷载作用下变形小，弹性模量大，抗压强度高，如闪长岩、辉长岩、玄武岩、石英砂岩等的抗压强度均在150～300MPa之间。

结晶结构的晶粒大小对强度有明显的影响。通常是细晶岩石的强度要高于同成分的粗晶岩石的强度，因细晶具有较高的结合力，故强度高。例如细晶花岗岩的强度可达180～200MPa，而粗晶花岗岩的强度只有120～140MPa;具有微晶至隐晶质的玄武岩，比中粗晶粒的基性岩强度更高;致密的结晶灰岩要比粗晶大理岩的强度高2～3倍。

(2)胶结联结

主要是指以沉积岩的碎屑结构为胶结物充填胶结而成的联结形式。胶结联结的岩石，其强度和稳定性取决于胶结物的成分和胶结的形式以及碎屑成分。

硅质胶结的岩石的强度和稳定性，远远要高于泥质胶结的岩石。

胶结联结的形式，是指胶结物与碎屑物之间的组合关系。一般可分为基底胶结、孔隙胶结和接触胶结三种形式。

基底式胶结是一种碎屑物散布于胶结物中，彼此不接触的结构。这种结构孔隙度小，其物理力学性质完全取决于胶结物的性质。如果胶结物与碎屑物同为硅质或钙质，就有可能经重结晶作用转化为结晶联结，其强度和稳定性也随之增高。

孔隙式胶结是指碎屑颗粒互相直接接触，胶结物充填于碎屑之间的孔隙中的一种结构。其强度和稳定性取决于碎屑物和胶结物的成分。一般而言，孔隙式胶结是强度和稳定性较好的结构。

接触式胶结是指在碎屑颗粒的接触处，由少量的胶结物将其彼此联结起来的一种结构。这种结构的孔隙度大、容重小、吸水率高，其强度和稳定性很差。

3.构造

构造对岩石工程性质的影响，可从两个方面来分析:

一方面，某些构造体现了矿物成分在岩石中分布的极不均匀性，如片理构造、流纹构造等。这些构造常能使一些强度低、易风化的矿物呈定向富集，或呈条带状分布，或者呈局部聚集体。当岩石受荷载作用时，首先从这些软弱的部位发生变化，而影响岩石的物理力学性质。

另一方面，在矿物成分均匀的情况下，由于某些构造，如层理、节理、裂隙和各种成因的孔隙，使岩石结构的连续性与整体性受到一定程度的影响或破坏，从而使岩石的强度和透水性在不同方向上发生明显的差异。一般情况下，垂直层面的抗压强度大于平行层面的抗压强度;平行层面的透水性大于垂直层面的透水性;垂直层理的变形模量小于平行层理的变形模量。

如果上述两个方面的情况同时存在，则岩石的强度和稳定性就会明显降低。

4.风化作用

岩石在自然力的作用下发生物理化学变化的过程，称为岩石风化。岩石风化使岩体的工程地质特征也发生改变，其表现如下:

岩体的完整性受到破坏风化作用使岩体原生裂隙扩大，并增加新的风化裂隙，导致岩体破碎为碎块、碎屑、进而分解为岩粒，从根本上改变了岩体的物理力学性质。

岩石的矿物成分发生变化岩石在化学风化过程中，使原生矿物经化学反应，逐渐转化为次生矿物。随着化学风化的发展，层状矿物(如高岭石、蒙脱石之类的粘土矿物等)和鳞片状矿物(如绿泥石、绢云母之类的)不断增多，导致岩体的强度和稳定性大为降低。

风化作用改变了岩石的水理力学性质由于风化使岩石具有一些粘性土的特性，诸如亲水性、孔隙性、透水性和压缩性都极为明显地增大，从而大大降低了岩石的力学强度，抗压强度可由原来的几十至几百兆帕，降低到几兆帕。但当风化剧烈、粘土矿物增多时，渗透性又趋于降低。

5.水化作用

任何岩石被水饱和后的强度都会降低。这是因为水能沿着岩石极细微的孔隙、裂隙浸入，在其矿物颗粒间向深部运移，从而削弱矿物颗粒彼此之间的联结力，降低岩石的内聚力和内摩擦力，使岩石的抗压、抗剪强度受到影响。如石灰岩和砂岩被水饱和后的极限抗压强度会降低25%～45%;又如花岗岩、闪长岩和石英岩等一类抗压强度很高的岩石，经水饱和后的极限抗压强度也会降低10%左右。这实质上是岩石软化性的表现。

水对岩石强度的影响，在一定限度内是可逆的，也就是说，被水饱和的岩石，再经干燥后其强度仍可恢复。但是，如果发生干湿循环，岩石成分和结构发生改变后，则使强度降低，就转化为不可逆的过程了。

尤其是前寒武纪变质地质学方面的研究取得了很大进展，突出表现在：由偏重于岩石学研究的岩性描述、同位素测年、按地层层序对比研究阶段，进入到对前寒武纪地质构造及其演化、变形变质与地质时间相关的整体研究阶段；由单一学科研究到多学科联合攻关。这些新进展、新成果中与地质填图密切相关的主要方面有：①同变质构造研究，主要表现在对多期透入性构造置换面理、塑性环境下的褶皱构造、韧性剪切构造及同变质构造岩的研究，以及对构造变形调查研究的深度，并根据不同的构造机制划分出具有区域意义或全球意义的不同构造类型。②变质作用过程研究，一个与构造作用极为密切相关的动态演变过程。控制变质作用的主要因素为构造变形机制和样式、构造变动速度、热传导速度及热恢复状况。不同的大地构造环境控制着不同的变质作用。③改造作用研究，即对原岩建造或变质体所施加的包括“位态”、“形态”和“物态”的后期改造，是一种在塑性环境下的特殊改造形式，形成“同岩异化”和“异岩趋同”现象，从改造作用总的趋势看，前者是改造作用演化过程中的中间阶段或由于改造作用发展不均衡的结果，而后者是改造作用发展的最终成果。④混合岩化作用研究，程裕淇先生将其合理地限定为就地部分熔融作用、边缘混合作用和构造混合作用三种情况。⑤地质事件（建造和改造）研究，分析各种地质事件的相互关系，建立区域地质事件的演化序列。⑥变质岩系填图单元划分，按照岩石地层单位（广义的）划分，这既是填图工作的需要，也是研究变质地质学的基础。

上述新理论、新方法在国外已经进行了多年的研究和实践，并取得了显著成就。为了与国际区调方法接轨，满足我国基础地质填图、社会经济发展的要求，原地矿部于1986年设立了“七五”重点科技攻关项目“1：5万区调地质填图方法研究”，1991年编著出版了《沉积岩区1：5万区域地质填图方法指南》、《花岗岩区1：5万区域地质填图方法指南》和《变质岩区1：5万区域地质填图方法指南》。1993年，周维屏等在上述成果的基础上高度综合概括，编著出版了《1：5万区调地质填图新方法》，总结和提出了一套适合我国地质特色的1：5万地质填图的新方法体系，这是我国1：5万地质填图方法的一次重大改革，具有里程碑意义。