(1)埋藏變質和近變質
如前所述，埋藏變質根據礦物組合將成巖作用到低級變質作用的極低級過渡帶劃分為沸石相和葡萄石-綠泥石相，我們將在後面詳細介紹。
關於近變質帶的劃分，Kubler(1967)主要研究泥質巖，泥質巖在盆地中分布廣泛，但由非常細的粘土礦物組成。用常規的巖相學方法研究極低級變質作用是非常困難的，因此必須使用X射線衍射(XRD)和透射電鏡(TEM)等現代微束分析技術，特別是當黑色硬綠泥石(Stp)不能出現在泥質巖石的化學成分中時。Kubler(1967)將粘土礦物學的X射線衍射技術應用於極低級變質作用的系統區域研究，通過測量伊利石-白雲母X射線衍射峰剖面的變化技術，為極低級變質泥質巖中最常見的粘土礦物系列提供了壹個特異的近變質參數，即伊利石結晶度。
圖27-6伊利石結晶度庫伯勒指數的測量(Merrimanand Peacor，1999)
伊利石的結晶度由八面體伊利石-白雲母的底部反射峰的形狀變化來衡量，其凈間距約為65438±0nm。測量1nm處反射峰的方法有很多種，Kubler的方法應用最廣，是測量1nm處峰的半高寬(圖27-6)，後來表示為布拉格角之差。這種測量方法被稱為庫伯勒指數(KI)。從圖27-6可以看出，變質程度的提高反映在X射線衍射圖上，伊利石-白雲母在1nm處的衍射峰寬度變窄，由非變質泥巖中伊利石的寬峰(左)變為淺變質板巖中白雲母或聚矽酸鹽的峰(右)。
根據Kubler指數KI，成巖作用向低級變質作用極低級過渡帶的變質泥質巖類型可分為晚成巖帶(1 > Ki > 0.42)和現代變質帶(anchizone，0.42 > Ki > 0.25)。近變質帶以下的淺變質帶稱為表變質帶(KI < 0.25)，晚成巖帶以上的非變質帶稱為早成巖帶(KI > 1)。
透射電子顯微鏡也廣泛應用於低級變質作用的研究，它能提供接近原子分辨率的結構信息和晶體結構信息，壹般在(001)面上形成晶格衍射像。可以通過TEM圖像直接觀察晶體形態，並且可以測量微晶尺寸的分布。TEM和XRD研究表明，隨著變質程度的增加，伊利石的結晶度在降低，而伊利石晶體的晶粒尺寸在增大，兩者之間有很好的相關性，符合奧斯特瓦爾德相定律，即晶體趨向於向比表面積增大、自由能減小的穩定狀態發展。此外，鏡質體反射率測量也是研究現代低級變質作用的有效手段。
瑞士格拉魯斯阿爾卑斯山是研究極低級變質作用的經典地區，已有40多年的研究歷史。該區不僅用指示礦物和礦物組合劃分了隱伏變質相，還用伊利石結晶度技術劃分了近變質分帶，還進行了鏡質體反射率和流體包裹體測量。從該區的變質圖(圖27-7)可以看出，埋藏變質和近變質不同名詞體系之間存在對應關系:晚成巖帶相當於沸石相，近變質帶相當於葡萄石-綠泥石相。
圖27-7瑞士格拉魯斯阿爾卑斯山退化圖(引自梅裏曼&弗雷，1999)
變質泥質巖分帶與盆地成熟度
當盆地充填沈降後，沈積物中的有機質由於埋藏作用會發生壹系列不可逆的反應。這種反應具有生油、生氣和生煤的傾向，因此是盆地成熟度的壹個重要方面。估算熱成熟時間、最大埋深和盆地的發展，包括後期的隆起，是評價油氣潛力和前景的重要因素。盆地成熟度的研究大多以有機質為標誌，如鏡質體反射率。它可以測量植物或木屑在成熟過程中由於揮發分的不斷損失和初始石墨化而引起的光學性質的變化。對於估算沈積物中分散的有機顆粒，它最適合於估算最高溫度，並可用於指示煤的成熟度和等級。hors field & Rullkotter(1994)利用鏡質組反射率(Rr)將沈積物中有機質的成熟度劃分為與成煤和生氣有關的三個階段:成巖階段(Rr <0.5%%)形成幹酪根，幹酪根是石油的前體，其次是成巖階段(0.5% < RR < 60。在後生階段(2.0% 圖27-8盆地成熟度圖(梅裏曼和弗雷，1999) 盆地成熟度研究的礦物學方法和有機方法各有優勢，互為補充。例如，盡管有機質在低溫下比粘土更具反應性，但它在許多沈積序列中是壹種罕見的物質成分。粘土礦物幾乎總是出現在盆地的沈積物中，所以在壹些陸生植物出現之前，礦物學是壹些非生物紅層沈積物和盆地研究中唯壹的評價方法。圖27-8所示的對比表可用於建立盆地類型或構造環境，其中礦物和有機質有不同的反應。但是礦物學方法和有機方法很難比較，難點在於它們對深部沈積物理條件的不同反應。例如，在某些盆地中，高於正常的地溫梯度可以加速有機質的成熟，但在相同條件下，伊利石結晶度沒有相應的作用。在其他地區，快速沈積埋藏較深或超壓，使揮發性物質不會逸出，阻止有機質的成熟。變形引起的巖石應變會提高鏡質體的成熟度，促進伊利石的晶體生長(Merriman & Frey，1999)。因此，圖27-8所示的泥質巖變質分帶大致相當於盆地成熟度分帶。 (2)埋藏變質巖的壹般特征 (1)產於造山變質(區域變質)和洋底變質的極低級部分，或獨立產於強坳陷盆地沈積的下部，與變質沈積巖和火山巖逐漸過渡。 埋藏變質作用在世界許多地方都有報道，從太古宙到新生代的整個地質年代均可發生，但大多集中在太平洋周邊的中新生代變質地體中。它們包括全部四種類型的P/T比值:極低P/T埋藏變質作用是洋底變質作用的極低溫部分，發育於擴張的洋中脊，可在塞浦路斯Troodos等蛇綠巖系列中識別；低P/T埋藏變質以日本坦澤地區為代表；中等P/T埋藏變質作用的典型地區是新西蘭南島的Taringatura，這是Coombs(1961)定義的地區。高P/T埋藏變質作用發生在俯沖帶，以美國加州弗朗西斯坎的俯沖變質雜巖為代表(Miyashiro，1994；梅裏曼和弗雷，1999). 我國對隱伏變質作用的研究起步較晚。20世紀80年代，董深寶院士領導的1:400萬中國變質地質圖的編制，確定了新疆(低-中P/T)、西藏和臺灣省(高P/T)的隱伏變質巖(董深寶等，1986)，奠定了我國隱伏變質作用研究的基礎。20世紀90年代以來，油氣勘探的發展有效地促進了鄂爾多斯盆地(張等，1992)和右江盆地(嚴守勛，2003；索樹田等，1998)，若爾蓋盆地(王等. 2008；；唐嫣等人，2007年)。 (2)變質因素以極低溫(150 ~ 350℃)和低壓(< 0.35 GPa)為特征，流體成分也是重要因素，因此常伴有低溫交代作用。然而，滲透變形較弱，偏應力是次要的。市盈率變化很大，從高市盈率到低市盈率..由於溫度和壓力範圍較小，它只包括兩個變質相，即沸石相(Z)和蛇紋石-溫石棉相(P-P)(見圖23-11)。 (3)由於溫度較低，礦物組成的特點是含有沸石、葡萄石(Prh)、綠泥石(Pu)和混合層狀粘土礦物等極低溫礦物，以及原巖中的大量殘余礦物。這些新礦物的分布通常局限於縫隙、礦脈、孔隙、杏仁或蝕變帶。它們的顆粒很細，用偏光顯微鏡很難分辨。有效的鑒定方法有粉末X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)和電子探針分析(EMPA)。 沸石是壹種含鈉、鈣、鉀的骨架鋁矽酸鹽，結構非常疏松，是壹種天然分子篩。天然沸石有30多種，其中許多可以發生在埋藏變質和成巖作用中。指示埋藏變質作用的沸石為濁積巖(Lm)和斜發沸石(WR)。葡萄石(Prh)和綠泥石(Pu)是鈣鋁矽酸鹽，其化學成分類似於濁積巖(Lm)、斜發沸石(Wr)、鈣長石(An)和綠簾石(Ep)。 混合層狀粘土礦物包括伊利石(ill)-蒙脫石(Sm)混合層(Ill/Sm或I/S)、綠泥石(Chl)、蒙脫石(Sm)、伊利石(Ill)和白雲母(Ms)混合層(Chl/Sm、Ill/Chl、Ill)。伊利石-白雲母混合層在顯微鏡下無法與微細白雲母區分，壹般稱為白雲母(Wm)。目前，對極淺變質泥質巖中粘土礦物的轉化過程有了進壹步的認識，建立了變質泥質巖的礦物反應系列。即: ◎ 2: 1八面體粘土礦物:蒙脫石→伊利石/蒙脫石混層(I/S)→伊利石→白雲母。 ◎八面體2: 1粘土礦物:蒙脫石→綠泥石/蒙脫石混層(Chl/Sm)→綠泥石。 ◎高嶺石1: 1型和葉蠟石:高嶺石→地開石/珍珠粘土→葉蠟石。 庫伯勒指數及其定義的泥質變質巖分帶序列實際上與蒙脫石→I/S→伊利石→白雲母系列(系列1) (Merriman &Peacor，1999)的反應過程有關。 (4)巖石中無片理，殘留構造發育良好，沈積物、火山或火山碎屑構造等原生構造，層理、孔隙等原生構造保存完好，在外觀上很難與未發生變質作用的原巖區分。 (5)由於溫度較低，通常沒有與埋藏變質作用有關的巖漿活動。 (6)與石油、天然氣、煤炭等能源礦產關系密切。 在成巖-極低變質階段，隨著變質程度的增加，油氣的演化階段由油-水-幹氣變化，而煤則經歷了由泥炭-煙煤-無煙煤的變化過程。因此，石油、天然氣、煤炭等能源礦產與埋藏變質作用密切相關(畢憲梅、莫玄學，1998)。Best(2003)表明泥巖的埋藏變質與石油的形成和運移密切相關。 泥巖埋藏變質與石油形成和運移的關系 根據Best(2003年)的說法，石油來自生物碎屑，主要是植物物質的不完全氧化，與粘土和其他細沈積物壹起沈積在盆地中。隨著時間的推移，由於新沈積物的不斷覆蓋，這些泥漿和生物碎屑在盆地中越來越深，溫度也在不斷升高。當溫度上升到50℃左右時，生物遺骸轉化為黑色固體復雜碳氫化合物，稱為幹酪根。隨著進壹步埋藏，當溫度從50℃上升到100℃時，固體幹酪根轉化為液態烴，稱為原油。 從這個角度來看，原油是壹種粘稠的液體，細小的顆粒分散附著在盆地內的粘土等沈積顆粒上。當油井鉆探人員遇到這些物質時，他們無法得到石油，因為原油分散太廣，附著在沈積顆粒上，所以無法從巖石流向油井。為了使石油可以開采，首先必須將石油從源巖中提取出來，並積聚在儲集巖中。是什麽讓石油從富含粘土的烴源巖中移出，最終聚集在別處？ 蒙脫石是風化形成的最豐富的粘土礦物，然後沈積在盆地中。當溫度隨埋深從50℃上升到100℃時，蒙脫石通過變質作用轉化為另壹種粘土礦物伊利石。因此，伊利石是頁巖中最豐富的成分。 蒙脫石含有40%的水；伊利石只含有少量的水。因此，當蒙脫石轉化為伊利石時，巖石中會排出大量的水。在粘土的極低級變質過程中，這種水排出的溫度範圍與幹酪根轉化為液態油的溫度範圍相同。然後，這種強烈排放的水將富含粘土的源巖中的石油沖洗出來，並將其運輸到儲集巖中。水力壓裂可能在這種遷移中發揮重要作用。 沈積盆地幹酪根轉化為石油所需能量的計算結果表明，在大多數盆地中，溫度在50 ~ 100℃範圍內，其熱能不足以形成液態石油。沒有獲得更高的溫度，這種轉變就不會發生。然而，在大多數沈積盆地中，油層的觀測溫度範圍為50 ~ 100℃。 最近的實驗和理論研究表明，蒙脫石轉化為伊利石的反應可以作為催化劑，使幹酪根在較低的溫度下轉化為石油。催化劑可以是導致或加速化學反應的物質或過程，但不被反應改變。 沈積盆地中粘土礦物之間反應的研究表明，在許多世界著名的產油盆地中，粘土礦物的低級埋藏變質作用對石油從源巖到儲集巖的形成和運移非常重要(Best，2003)。 (3)埋藏變質巖的主要巖石類型 由於埋藏變質巖的殘余構造十分發育，壹般以“變質巖”命名，或直接以原巖命名。主要包括變質火山巖-火山碎屑巖、變質硬砂巖和變質泥質巖。 1.沸石相(Z) 沸石變質巖和非變質巖之間很難區分，因為它們是逐漸過渡的。它們之間的界線需要通過詳細的礦物學研究來確定，通常以變質火山巖和硬砂巖中出現濁積巖(Lm)或Ab取代方沸石(ANL)+Q為標誌 濁積巖(Lm)由千枚巖(Hu)分解而成； 巖石學(第二版) Ab代替ANL+Q的變質反應為(圖23-11反應(1)): 巖石學(第二版) 根據這些反應估算的成巖變質溫度界限在150 ~ 200℃之間。當然，因為這是壹個脫水反應，平衡溫度受流體成分的影響很大。 圖27-9是沸石相的ACF和AFM圖。而埋藏變質巖很難達到化學平衡，很多觀測表明，即使在壹個薄片內，也沒有接近平衡(宮四郎，1994)。因此，這些圖表僅供參考。如圖27-9所示，沸石相的典型礦物組合為:(1)Kao(高嶺石)+Ill/SM+CHL/SM+WM(白雲母)+Q(泥質)；(2) Q+AB+LM+CHL+WM+Ill/CHL(長英質:中酸性火山巖、硬砂巖)；(3) AB+LM+PRH+CHL+Q(基性火山巖)。 由於濁積巖和葡萄石是富鈣礦物，所以它們產於變質火山巖、火山碎屑巖和硬砂巖中，由火山玻璃、斜長石等火山物質形成，而不能出現在貧鈣變質泥質巖中。變質泥質巖中沒有指示礦物，只有伊利石結晶度KI: Ki < 1的變化標誌著埋藏變質作用的開始，壹般處於Z相，1 > Ki > 0.42。 圖27-9沸石相的ACF和AFM圖(根據Raymond，1995，略有修改) 2.葡萄石-葉綠酸相 巖石的結晶度略高於沸石相。礦物成分表現為在變質火山巖和硬砂巖中濁積巖消失(Lm)，出現綠泥石(Pu)，在富鐵變質泥質巖和長英質巖中出現黑色硬綠泥石(Stp)(圖27-10)。在這個階段，0.42 > ki > 0.25。此外，該相中部的泥質巖開始出現弱板塊解理，變成板巖。 圖27-10葡萄石-綠泥石相ACF圖(a)和AFM圖(b)(根據Raymond，1995)。 如圖27-10所示，該相的典型礦物組合為:(1) WM+CHL/SM+STP+AB(泥質)；(2) Q+AB+WM+STP+PRH+PU+CHL(長英質)；(3) PRH+AB+PU+CHL+EP+Q(基本)。 在p < 0.3 GPA，t = 200-300℃的溫度下，發生濁積巖(Lm)的消失反應，同時伴有斜發沸石(Wr)的形成(圖23-11反應(2)): 巖石學(第二版) 葉綠素酸鹽(Pu)是由葡萄石(Prh)和綠泥石(Chl)在260℃左右水合而成； 巖石學(第二版) 如果溶液含有矽，反應(27-4)的平衡溫度將會升高。 黑色硬綠泥石(Stp)由以下反應產生: 巖石學(第二版) 黑色硬綠泥石是脆性雲母族的富鐵層狀矽酸鹽，手工標本甚至偏光顯微鏡下都難以與黑雲母區分。而{001}解理不像黑雲母那樣完整，還有另壹組垂直於{001}的解理，黑雲母的斑點狀外觀在消光水平附近沒有出現。