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與組織改變，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

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。

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！