陈安平 石永红 曾晓燕

1. 中国科学院地质与地球物理研究所，岩石圈演化国家重点实验室，北京 1000292. 中国科学院大学，北京 1000493. 合肥工业大学资源与环境工程学院，合肥 2300091.

球状结构是指由纤维状晶体组成的放射状集合体(Vernon, 2004)。根据球状结构的几何特征，可以将其分为几种基本形态，包括球形、领结状、扇形、羽毛状和椭球形等(图1)，实际观察到的形态通常为这些基本形态的组合(Lofgren, 1974)。组成球状结构的晶体种类多样，可以为无机物也可以为有机物(Shtukenbergetal., 2012)。就单个球状结构而言，其可以由一种晶体组成也可由多种交生的晶体组成，通常在纤维状晶体之间充填有不同物质，如未结晶的熔体、不同于纤维状晶体的其它结晶物质(Lofgren, 1974)。球状结构的结晶介质多样，熔体、玻璃质、液体和胶体在适当条件下都可以结晶出球状结构(Shtukenbergetal., 2012)。

图1 球状结构的基本形态示意图(据Lofgren, 1974) (a)呈球形的球状结构；(b)两个大小相近呈扇状的球状结构顶角相连构成近对称领结状的球状结构；(c)两个大小不一呈扇状的球状结构顶角相连构成不对称呈领结状的球状结构；(d)单一呈扇状的球状结构；(e)组成球状结构的纤维状晶体分叉构成羽毛状的球状结构；(f)组成球状结构的纤维状晶体从沿一条线放射生长构成椭球状的球状结构. 实际观察到球状结构可能属于以上基本形态也可能由这些基本形态的组合而成Fig.1 Schematic pictures showing basic morphologies of spherulitic texture (after Lofgren, 1974) (a) spherical spherulite; (b) two fan-shaped spherulites of similar sizes with their apices connected, forming a symmetry bow-tie spherulite; (c) two fan-shaped spherulites of different sizes with their apices connected, forming a asymmetry bow-tie spherulite; (d) a single fan-shaped spherulite; (e) plumose or feather-like spherulite consisting of branching fibers; (f) fibrous crystals radiating from a line forming an axiolitic spherulite. Morphology of spherulites in natural samples or experiment products can be one of the above types or a combination of these types

在天然岩石中，球状结构常见于快速冷却结晶的岩浆岩和断层作用产生的熔体结晶形成的假玄武玻璃中(Lofgren, 1971a)。沉积岩和地表的热泉沉积物中也多见球状结构(Hodgson, 1968; Jones, 2017)。岩浆岩中的球状结构可以用来限定岩浆结晶作用过程和时间尺度(Castroetal., 2008; Watkinsetal., 2009; Bullocketal., 2017)。沉积岩中球状结构记录了成岩作用的信息(Hodgson, 1968)，热泉沉积物中的球状结构可以反映热泉的物质组成和饱和程度(Jones, 2017)。变质岩中的球状结构在不同变质级别的岩石中广泛报道，组成它们的矿物种类多样(表1和图2)。球状结构独特的结晶条件记录了形成该结构的变质作用信息，详细解析球状结构可以限定变质作用的条件和过程(John and Schenk, 2006; Luqueetal., 2009; Hiroietal., 2014; Melinger-Cohenetal., 2015)。变质作用发生的条件有别于岩浆和沉积作用，然而目前变质岩中球状结构的结晶机制尤其是其揭示的变质作用的特征鲜有研究。本文拟基于变质岩中报道的代表性球状结构，根据球状结构结晶的热力学和动力学条件，总结变质岩中球状结构的可能成因，并讨论其对变质作用的指示意义。

图2 变质岩中代表性球状结构照片 (a)绿帘石化的玄武岩中的杏仁(正交偏光，Melinger-Cohen et al., 2015)，该杏仁由三个矿物带构成，其中最外面的带(Zone 1)为细粒、球状结构的绿帘石和一些不透明物，中间带(Zone 2)为中等粒度放射状排列的自形绿帘石，核心带(Zone 3)为大颗粒的方解石；(b)角闪石片岩中富绿帘石和钠长石的团块中含三种绿帘石结构(素描图，Misch, 1965)，图片的中心为近圆形的绿帘石球状结构(Ep1)，左上侧由“手指状”(Ep2)绿帘石组成的扇状集合体，其它各处见自形的绿帘石变斑晶(Ep3)；(c)榴辉岩中由绿泥石构成的球状结构被绿帘石包围(单偏光，Ghose et al., 2014)；(d)石榴子石-单斜辉石片麻岩中由石墨构成的球状结构围绕一颗细粒的金刚石(正交偏光，Korsakov et al., 2010)；(e)泥质麻粒岩中的石榴子石所含的熔体包裹体中由碱性长石、斜长石和石英组成的球状结构，图片右侧的石英呈树枝状(背散射电子图像，Hiroi et al., 2014)；(f)榴辉岩中由绿辉石组成的球状结构(正交偏光，John and Schenk, 2006).Ep-绿帘石;Chl-绿泥石；Gr-石墨；Dia-金刚石；Mg-Cal-镁方解石；Afs-碱性长石；Pl-斜长石；Qz-石英；Omp-绿辉石；Grt-石榴子石Fig.2 Photomicrographs and backscattered electron (BSE) image of representative spherulitic textures reported in various metamorphic rocks (a) an amygdule in an epidotized basalt (cross-polarized light, Melinger-Cohen et al., 2015). The amygdule consists of three zones: spherulitic epidote and opaques in the outmost zone (Zone 1), radially arranged and euhedral epidote grains in the middle zone (Zone 2) and coarse calcite grain in the core zone (Zone 3); (b) a lenticel rich in epidote and albite in a crossite schist (sketch, Misch, 1965). Three types of epidote textures, including a subround epidote spherulite in the center (Ep1), a fan-shaped aggregate consisting of finger-like epidote crystals on the upper right corner (Ep2) and euhedral and coarse-grained epidote (Ep3), can be observed in the picture; (c) chlorite spherulites are surrounded by epidote grains in an eclogite (plane-polarized light, Ghose et al., 2014); (d) a graphite spherulite coating a diamond in a garnet-clinopyroxene gneiss (cross-polarized light, Korsakov et al., 2010); (e) a spherulitic texture consisting of alkali feldspar, plagioclase and quartz, and dendritic quartz on the right side, occur in a melt inclusion within garnet of a pelitic granulite (BSE, Hiroi et al., 2014); (f) omphacite spherulites in an eclogite (cross-polarized light, John and Schenk, 2006). Ep-epidote; Chl-chlorite; Gr-graphite; Dia-diamond; Mg-Cal-magnesian calcite; Afs-alkali feldspar; Pl-plagioclase; Qz-quartz; Omp-omphacite; Grt-garnet

1 球状结构结晶的热力学和动力学条件

晶体形态受控于其结晶的热力学和动力学条件。从晶体热力学条件看，结晶驱动力是晶体形态的控制因素(Sunagawa, 1999)。结晶驱动力反映实际结晶条件偏离平衡结晶条件的程度，在不同结晶介质中可表达为过冷(supercooling)程度和过饱和程度(Van Leeuwen, 1979)。不同结晶体系的实验表明，随着结晶驱动力(不平衡程度)的增大，晶体的形态由自形、骨架状逐渐演变为树枝状和球状(图3)。晶体形态随结晶驱动力变化这一趋势还得到数值模拟研究的印证(Saito and Ueta 1989; Sunagawa, 1999; Wilbur and Ague 2006; Gránásyetal., 2014)。因此，不论组成球状结构的物质和其结晶的介质，其形成都要求大的结晶驱动力，即高度不平衡的结晶条件。

晶体结晶的动力学过程主要包括结晶体系中物质的扩散和结晶组分在晶体界面上的生长。对于多相参与的变质反应，部分参与反应的组分来自于反应物的分解，其结晶动力学过程还包括反应物的分解。晶体的生长速率(G)和结晶介质中物质的扩散速率(D)是表征结晶动力学的两个重要参数，D>G时结晶过程受晶体生长控制，D

表1变质岩中报道的代表性球状结构

Table 1 Representative spherulites reported in metamorphic rocks

寄主岩石结构位置组成矿物岩石产地参考文献榴辉岩假玄武玻璃中绿辉石Central ZambiaJohn and Schenk (2006)变辉长岩假玄武玻璃中绿帘石CorsicaAustrheim and Anderson (2004)反应边榴辉岩斜长石假象黝帘石Western AlpsBucher and Grapes (2009)榴辉岩被帘石环绕绿泥石Naga Hills, IndiaGhose et al. (2014)蓝片岩取代绿纤石绿帘石New Brunswick, CanadaVan Staal et al. (1990)麻粒岩熔体包裹体碱性长石Central Sri LankaHiroi et al. (2014)角闪石片岩基质矿物绿帘石Washington, USAMisch (1965)变质橄榄岩蛇纹岩细脉中石榴子石Eastern NorwayPlümper et al. (2014)钙硅质岩和片麻岩围绕金刚石石墨Kokchetav, KazakhstanKorsakov et al. (2010)蚀变的中性岩浆岩片状石墨中石墨Borrowdale, UKBarrenechea et al. (2009)热液蚀变的玄武岩玄武岩杏仁中绿帘石Northern Michigan, USA Melinger-Cohen et al. (2015)

图3 晶体形态随结晶条件演化示意图(据Oaki and Imai, 2003) 随着结晶驱动力的增大(不平衡程度增大、过饱度/过冷程度增高)和D/G比值的变小，晶体形态的演化次序为：(a)自形晶体；(b)骨架状晶体；(c)具有晶格对称的树枝状单晶；(d)不对称的树枝状晶体；(e)多个晶体构成不规则的树枝状集合体；(f)强烈分叉的放射状集合体. 晶体的个数由单晶逐渐向多晶演化. 在不平衡程度较低的条件下结晶动力学受晶体生长控制，高度不平衡条件下受结晶组分的扩散控制Fig.3 Schematic diagram showing the crystal morphological evolution with changing crystallization conditions (after Oaki and Imai, 2003) As the driving force of crystallization (or degree of disequilibrium, or degree of supersaturation/supercooling) increases and the ratio of components diffusion rate (D) to crystal growth rate (G) decreases, crystal morphology shows a gradual evolution trend: (a) euhedral; (b) skeletal; (c) dendritic (single-crystalline, crystallographic and ordered); (d) dendritic (partially disordered with a single-crystalline ordered trunk and disordered polycrystalline side branches); (e) dendritic (polycrystalline and disordered); (f) spherulitic. Such a trend is also manifested by increasing number of crystal and crystal growth changing from growth-controlled to diffusion-controlled

图4 生长速率远大于扩散速率条件下生长界面附近的成分梯度以及晶体形态示意图(据Vernon, 2004) (a)晶体生长时吸收晶体生长所需的组分(“营养”组分)同时累积晶体生长排斥的组分(“杂质”组分)，在晶体生长速率远大于物质扩散速率的条件下，“营养”组分不能及时通过扩散补给到晶体生长界面之上且“杂质”组分不能及时通过扩散驱除到晶体生长界面之外.因此，两者在晶体与结晶介质之间的界面附近形成了不同特征的成分梯度，其中“营养”组分的浓度随着离晶体生长界面的距离的增大而升高，“杂质”组分的浓度随着离晶体生长界面的距离的增大而降低;(b)远离生长界面的某处相比于晶体生长界面处“营养”组分浓度更高且“杂质”组分浓度更低，因而源于晶体生长界面向远离晶体生长界面的方向有利于晶体稳定生长，结晶形成的晶体呈针刺状，该形态的晶体可以穿过“营养”少“杂质”多的成分区(图中灰色区)进入“营养”多“杂质”少的有利生长空间.多个针刺状的晶体围绕一个生长中心构成树枝状或球状结构;(c)初始生长的针刺状晶体附近也可形成如(a)所示的成分梯度特征，因此初始的针状晶体会衍生出次级的针刺状晶体，它们一起构成树枝状结构和球状结构中常见的分叉状形态Fig.4 Schematic pictures showing component gradients around the crystal-medium interface and morphology of crystal growing at the conditions under which growth rate is much faster than diffusion rate (after Vernon, 2004) (a) crystal growth consumes components required (nutrients) by and accumulates components rejected (impurities) by the growing crystal. In the cases of growth rate being much faster than diffusion rate, nutrients can not be effectively supplied to and impurities can not be effectively taken away from the growth interface of the growing crystal. As a consequence, component gradients characterized by decreasing concentrations of nutrients and increasing concentrations of impurities are developed in the direction from the growth interface to its adjacent area. (b) the area somewhat away from the growth interface featured by much more nutrients and less impurities is the only possible place for continues crystal growth. Such a compositional feature is favorable for the growth of spiky crystal originating from the interface and growing towards the crystallization medium as the crystal is able to penetrate through the layer of less nutrients and more impurities (shaded area around the dark crystal in the picture) and get into the ideal growth space. Thus the final pattern is a collect of spikey crystals around a growth center, forming dendritic or spherulitic texture. (c) a similar component gradients shown inFig.4a can be also developed around a former spiky crystal, thus a secondary spiky crystal is able to branch from the preexisting spike, forming a branching pattern commonly observed in dendritic and spherulitic textures

球状结构的结晶要求高的不平衡程度和小的D/G比值，这两个分别从结晶热力学和动力学角度考虑的条件具有统一性，它们都受控于结晶条件，如温度、压力和成分的改变。相比于近平衡条件，晶体在高度不平衡的条件下的结晶驱动力增大，晶体生长速率提高(Walther and Wood, 1984; Rubie, 1986)。远离平衡条件下，组成球状结构的结晶组分在结晶体系过饱和，通常对应于较慢的扩散速率。因此，D/G比值随着不平衡程度的增高呈降低趋势。以过冷熔体中非平衡结构的结晶为例，温度的降低使熔体粘滞系数增高，物质在其中的扩散速率降低；过冷熔体中的结晶作用发生在远离平衡结晶的条件下，结晶的驱动力增大，晶体的生长速率提高。因此，过冷熔体中晶体结晶的D/G比值显著小于熔体平衡结晶条件下该晶体结晶的D/G比值，晶体的生长形态随着过冷程度的增高依次呈骨架状、树枝状和球状(图3)。

2 变质岩中球状结构的成因机制

根据结晶介质的种类(流体、熔体、玻璃质和结晶物质)、结晶作用的主要受控因素以及变质作用类型的区别，可将变质岩中球状结构的成因机制分为以下四类：流体结晶、熔体结晶、冲击变质作用和高度不平衡的变质反应。

2.1 流体结晶

在岩浆岩活动的区域，岩浆热液以及岩浆岩与围岩作用产生的变质热液中常富集各种溶质组分。这些热液在与岩浆岩和围岩作用的过程中一方面引发岩浆岩和围岩发生交代变质作用，另一方面其自身成分发生改变。在适宜的条件下热液在这些交代变质岩中结晶出不同的矿物，以致形成大型的矿床(Pirajno, 2009)。这些发生交代变质作用的岩石中常出现不同形态的矿物晶体，球状结构在该类变质岩中被广泛报道(Barrenecheaetal., 2009; Luqueetal., 2009; Rumble, 2014; Melinger-Cohenetal., 2015)，下面以天然岩石和实验模拟为例说明。

Luqueetal.(2009)在英国英格兰西北部的Borrowdale石墨矿区发现石墨晶体呈球状、隐晶质胶粒状(colloform)和片状的形式产出于蚀变的安山岩和闪长岩以及其中的断层裂隙中，球状和胶粒状的石墨常被片状的石墨包裹，片状的石墨常与绿帘石和绿泥石交生。流体包裹体研究表明流体的XCO2/(XH2O+XCH4)为0.69，通过C-H-O体系的相平衡计算估计石墨在该成分的流体中饱和的温压条件为～500℃和2～3kbar。含碳流体与围岩的作用使得流体温度降低，形成含水矿物(绿泥石和绿帘石)导致流体中H2O的含量降低，温度和成分的改变都使得碳在流体中饱和，触发石墨结晶(Barrenecheaetal., 2009; Luqueetal., 2009)。石墨形态由球状和胶粒状演化为片状反映碳在流体中的过饱和程度逐渐降低，结晶作用由高度不平衡转为近于平衡(Barrenecheaetal., 2009)。

Melinger-Cohenetal.(2015)在美国密西根西北部Portage Lake火山岩区的热液蚀变的玄武岩中报道了球状结构的绿帘石和绿泥石，该玄武岩中火成的辉石和橄榄石部分蚀变为绿帘石和伊丁石，斜长石完全被绿帘石、钠长石和绿纤石取代。其中大多含球状结构绿帘石的杏仁从边缘到核心可分为三个带，边缘带为球状结构的绿帘石、不透明矿物以及少量绿纤石，中间带为中粒放射状自形绿帘石，核心带为大颗粒的方解石(图2a)。杏仁中的矿物组合限定绿帘石的生长温压条件为200～350℃和～1.5kbar，绿帘石颗粒由小变大、形态由球状结构到自形单晶指示结晶绿帘石的流体的饱和程度降低，对应于流体的温度压力和成分的改变(Melinger-Cohenetal., 2015)。

Lofgren(1971b)开展了脱玻化(devitrification)实验研究，他将天然的黑曜岩样品放置于纯水或不同的碱质溶液(Na2Si2O5、Na2SiO3、NaOH、NaCl、KOH、KCl)中，实验的温压范围为240～700℃和0.1～4kbar，持续时间为3天到半年。实验过程中温度和压力保持不变，实验结束后样品迅速(2～3分钟)冷却到50℃。Lofgren(1971b)根据实验后样品的结构特征将脱玻化分为两个阶段：含少量孤立生长的球状结构，以玻璃质或霏细结构为主的玻璃质阶段；由球状结构和显微嵌晶状石英组成的球状结构阶段。该实验表明球状结构可以在温度压力恒定的条件下结晶，其结晶应受控于结晶组分浓度变化。在脱玻化程度低的实验中，球状结构沿着未发生溶解的样品边缘分布指示其生长机制可能为黑曜岩样品在实验条件下发生溶解，样品的溶解速率大于已溶解组分的扩散速率和结晶消耗速率，导致已溶解的组分在未溶解的样品界面周围发生过饱和结晶。

上述流体中结晶的球状结构要求流体中的结晶组分过饱和，流体过饱和的原因可能为流体温压变化、流体中其它组分的浓度发生改变以及结晶组分在局部产生累积。晶体的形态随着流体中结晶组分的饱和度的变化而发生相应的演化，常见晶体形态随着流体饱和度的下降由高度不平衡的球状结构演变为近于平衡的自形单晶。

2.2 变质熔体结晶

高级变质作用过程中岩石常发生部分熔融，以浅色脉体和熔体包裹体的形式记录在寄主岩石中(Cesareetal., 2009)。变质过程中不论是由变质反应还是由断层作用产生的熔体，它们在固结之后与寄主岩石经历了相同的变质过程，两者结晶球状结构的机制以及对寄主岩石变质作用的指示意义类似，因此将这两种成因的熔体一起归为该类球状结构的成因。

Hiroietal.(2014)在麻粒岩的石榴子石中发现长英质熔体包裹体含有树枝状和球状结构(图2e)，这些熔体包裹体为变质深熔作用的产物，与岩浆作用无直接关系。含有这些结构的麻粒岩广泛分布于世界各地，年代从早元古代到中古生代。以斯里兰卡中部Highland杂岩体中的泥质麻粒岩为例，这些在火山岩中常见的淬火结构指示熔体包裹体结晶的过冷程度大于50℃，寄主麻粒岩所在的地体应经历快速的冷却过程，这些球状结构的形成和保存指示岩石可能以隧道流(channel flow)的形式从下地壳折返到上地壳(Hiroietal., 2014)。

John and Schenk(2006)在赞比亚中部的榴辉岩中描述了两种不同结构的矿物组合，第一种结构由筛状的石榴子石变斑晶(>250μm)以及细粒的绿辉石和金红石基质(2～3μm)组成，石榴子石由细小(～10μm)的无包裹体核心和多层包裹体含量不同的外环组成，基质中常见大小不等的绿辉石球状结构(<150μm或>250μm，图2f)；第二种结构由筛状的石榴子石变斑晶和颗粒粒度更大绿辉石、金红石和角闪石基质(10～100μm)组成，该类结构中含很少量的绿辉石球状结构。前一种结构指示快速结晶过程，可能从断层作用产生的熔体中结晶，代表榴辉岩相的假玄武玻璃；后一种结构为榴辉岩相的超碎裂岩或者碎裂岩(John and Schenk, 2006)。

熔体中结晶的球状结构要求熔体快速冷却，这一快速冷却的结晶条件对应于岩石的快速抬升折返或断层作用产生的熔体与围岩发生热交换而迅速降低到环境温度。值得注意的是，在保持温度不变的条件下，熔体在结晶过程中成分或压力的改变也可以引起熔体中结晶组分过饱和结晶产生球状结构(Hammer and Rutherford, 2002; Vernon, 2004)。

2.3 冲击变质作用

陨石冲击变质作用过程中形成的冲击变质岩经受了高温高压变质作用，岩石可不同程度地发生玻璃化、熔融和气化(French, 1998)。冲击作用结束后被冲击的岩石由极端的冲击变质条件恢复到环境条件，对应快速的降温降压过程，在该极度的不平衡过程中常形成球状结构(Lofgren, 1971a; French, 1998)。

Yangetal.(2017)在苏鲁超高压变质带仰口地区的变辉长岩、初变榴辉岩(绿辉石和斜长石平衡共生)和反应边榴辉岩中报道了多种呈针状、骨架状、筛状、树枝状的变质矿物微晶以及由绿辉石和石英组成的似球状结构。热力学模拟这些岩石中斜长石假象矿物组合表明这些岩石变质过程中水不饱和，变质温压(460～600℃和10～28kbar)没有达到这些岩石发生熔融的条件。综合研究区记录地震作用的角砾岩、碎裂岩脉以及由柯石英部分转化为石英的时间(1.3年或28小时)所反映的快速变质作用过程(Yangetal., 2014a, b)，这些非平衡结构被解释为从玻璃质中结晶，地震冲击压力为岩石非晶化的诱导因素(Yangetal., 2017)。类似仰口地区的非平衡变质结构以及由绿帘石组成的球状结构也在含榴辉岩相假玄武玻璃的麻粒岩和变辉长岩中发现(Austrheim and Andersen, 2004; Petley-Raganetal., 2018)。上述现象指示地震冲击变质作用可能为球状结构的一种成因类型。

2.4 高度不平衡的变质反应

球状结构为高度不平衡的结构，其要求生成球状结构组成矿物的变质反应在远离平衡的条件下发生，当反应不平衡的程度达到球状结构结晶所需的条件，球状结构就有可能通过这种方式结晶。该机制中球状结构的形成涉及多相反应，区别于上述流体和熔体结晶。由于结晶动力学的限制，矿物的结晶过程可能会滞后于温压的变化，即新生成的矿物在刚达到其稳定的条件时没有结晶而在温度压力或成分越过其平衡结晶条件之后再生长，这种越界反应(overstepped reaction)为非平衡反应。天然样品的研究表明越界温度和压力(temperature and pressure overstepping)的程度(实际结晶的温压与平衡温压的差别)可分别达到80℃和4～5kbar(Spear, 2017)。新成矿物的成核受阻为越界反应发生的主要原因(Ridley and Thompson, 1986; Rubie, 1998)，其它因素还包括不稳定的矿物分解缓慢(Wilbur and Ague, 2006)。造成新成矿物成核缓慢或不稳定的矿物分解缓慢的因素为缺乏流体和变形致使物质的扩散缓慢(Rubie, 1998)。反应在越过平衡之后，控制矿物形成的变质反应的吉布斯自由能变化的数值减小，使得新成矿物的结晶和不稳定矿物的分解的驱动力增大，根据矿物结晶的动力学计算公式，该条件下生成物的结晶速率也同时增大(Walther and Wood, 1984; Rubie, 1986)。温度、压力和物质成分都可能发生越界而偏离平衡态，不同的地质条件下，以其中之一为主导(Pattisonetal., 2011)。对于流体参与的反应，流体的加入不仅可以催化反应的进行，流体成分的改变也可能增加反应的不平衡程度。例如，对于水作为反应物的变质反应，含水流体加入到平衡体系可能增加水的活度，使得原本平衡的反应偏离平衡状态，触发反应正向进行。

Wilbur and Ague(2006)在变泥质和变超基性岩石中发现石榴子石的核心呈树枝状，围绕核心生长的石榴子石形态自形。晶体形态模拟显示核心树枝状的石榴子石在高度不平衡条件下结晶，边部的自形石榴子石在近于平衡的条件下结晶。造成石榴子石不平衡结晶的原因是形成石榴子石的变质反应中作为反应物的尖晶石难以分解，流体加入到反应体系后触发变质反应在远离平衡的条件下快速进行。大别山港河地区的变质火山角砾岩中发现的绿帘石球状结构可能为高度不平衡的变质反应的产物(Chenetal., 2019)。

3 球状结构对变质作用条件和时间尺度的指示

球状结构结晶要求高度不平衡的热力学条件意味着它可以作为变质条件的指示结构。缓慢静态的变质作用过程中变质反应以近于平衡的状态进行，不能满足球状结构的形成条件。因此，变质岩中的球状结构指示变质条件的突变，可能对应于脉冲式的温度、压力或成分的改变，如岩浆活动带来额外热源使得温度突然升高、断层活动引起应力条件的改变、流体加入带来结晶体系成分突变。整体平衡的变质作用过程中发生短时间尺度(<1Myr)的脉冲式事件在不同时代的地质体中广泛出现(Viete and Lister, 2017)。根据球状结构寄主岩石的野外产状、岩石类型和岩相学观察球状结构的组成矿物以及它们与其它矿物之间的关系，可以判断球状结构结晶的受控因素和成因类型。

球状结构高度不平衡的结晶作用难以持续很长时间，因此变质岩中的球状结构可以指示短时间尺度的变质结晶作用。随着结晶的进行，球状结构结晶体系的不平衡程度逐渐下降使得球状结构不再为稳定的晶体生长形式或者结晶的外部条件变化使得结晶作用不再发生。例如，流体中球状结构的结晶作用使得结晶组分在流体中的浓度不断下降，过饱和程度降低导致球状结构不再为稳定的结晶形态，晶体转为非平衡度低的其它形态(图3)。熔体中球状结构的结晶通常对应熔体温度的快速下降，导致熔体在过冷的非平衡条件下结晶，熔体的持续冷却可以增加非平衡程度，当熔体冷却到一定的温度时组分的扩散和晶体的生长会由于温度过低使得结晶作用趋于停止。定量模拟天然火山岩中球状结构的结晶时间表明其生长时限为几天到几百年，影响计算时间尺度大小的因素包括球状结构的尺寸大小、生长温度和生长速率。例如，以球状结构生长时H2O通过扩散作用排挤到球状结构之外作为球状结构结晶速率的衡量指标，黑曜岩中由斜长石+二氧化硅同质多像体+单斜辉石+磁铁矿组成的球状结构的生长时限估计为30到600小时(Castroetal., 2008)；流纹岩中由长石+方石英+铁钛氧化物组成的2.6mm球状结构的生长时限约为300天(800℃)、10年(600℃)和300年(400℃)(Watkinsetal., 2009)。通过统计球状结构的大小分布和假设晶体的生长速率为6.33×10-7m·s-1，黑曜岩中由玻璃+方石英+正长石组成的球状结构的生长时限估计为2至11天(Bullocketal., 2017)。用扩散系数、球状结构半径和时间之间的关系式估计变质橄榄岩中30μm钙铁榴石球状结构的生长时间为数秒至数星期(Plümperetal., 2014)。根据晶体生长的动力学估计大别山港河绿帘石球状结构(100μm)的结晶时间小于320年(Chenetal., 2019)。尽管天然样品中球状结构的生长时限与组成矿物、结晶条件和结晶媒介有关，但从上述角度考虑其应该很短暂。

组成球状结构的纤维状晶体具有大的表面能，它们在持续的结晶过程中容易转变为稳定的平衡形态。因此，球状结构形成之后要迅速远离其结晶条件才能得以保存，如火山和断层作用中熔体的淬火过程。Lofgren(1971b)的脱玻化实验中，早期结晶的球状结构中的纤维状晶体部分重结晶为细小的等粒状石英和长石集合体，若实验条件持续保持，他推测样品原始的玻璃质结构将被完全取代为花斑或花岗结构。初始阶段结晶的骨架状硫氰酸氨晶体在稳定的结晶条件下随着实验时间的增长逐渐转变为粗大自形的晶体(Means and Park, 1994; Millsetal., 2011)。从氯氧化锆和硫酸混合溶液中结晶的二氧化锆在持续时间短的实验中为球状结构，而随着实验时间的增长，它们逐步转变为独立和粗大的颗粒(Mottetetal., 1992)。上述观察表明在结晶可持续的条件下，非平衡结构会快速向平衡结构演化，以致最终被完全取代。球状结构的保存所要求的条件可能是它们在高级变质岩中较少出现的原因之一。高级变质岩在形成球状结构之后出露到地表的过程中可能经历退变质和重结晶作用，该过程可能使得组成球状结构的矿物参与变质反应而分解，其中的纤维状晶体发生重结晶变大致使球状结构消失，或者球状结构被变形作用完全破坏。John and Schenk(2006)发现由石榴子石变斑晶和球状结构的绿辉石组成的结构形成之后岩石发生破裂，流体活动使得裂隙附近的该结构被取代为由粗粒的石榴子石和绿辉石组成的细脉，而远离裂隙的该结构仍然保持原来的结构。他们指出绿辉石球状结构很容易发生重结晶而消失，因此球状结构形成之后岩石不可能长期保持较高的温度(John and Schenk, 2006)。Hiroietal.(2014)提出麻粒岩熔体包裹体中的球状结构完整保留指示这些麻粒岩地体可能以大于板块运动的速率快速抬升到地壳浅层。

综上所述，变质岩中球状结构结晶和保存都指示短时间尺度的事件，意味着它们形成所对应的变质作用过程持续时间也很短暂，该类型的变质作用可能对应于快速的动力学过程。

4 展望

类比火山岩、沉积岩以及实验模拟中的球状结构的结晶特性是目前研究变质岩中球状结构的主要方法，通过这些研究方法解析球状结构所记录的变质作用信息为理解变质作用过程提供了重要的约束。相比于其它学科，变质岩中球状结构的研究尤其在定量模拟方面比较薄弱。丰富变质岩中的球状结构的研究需要借鉴岩浆岩、沉积岩和其它学科中定量方法，这有助于进一步限定变质作用条件和过程。前人基于不同的模型和理论定量模拟了球状结构生长的受控因素(Xiaoetal., 1989; Baker and Freda, 2001; Gránásyetal., 2014)，Wilbur and Ague(2006)将晶体形态模拟方法运用到变质石榴子石结构研究中。对变质岩中其它矿物组成的球状结构或其它非平衡结构开展类似的理论模拟工作可以求解平衡热力学方法难以获得的非平衡变质条件。通过模拟球状结构H2O扩散曲线，前人研究了球状结构的生长时间尺度(Castroetal., 2008; Watkins, 2009)。变质岩中晶体结晶动力学计算方法可以用于约束变质岩中球状结构的生长时间(Walther and Wood, 1984; Rubie, 1986)。这些计算方法为研究岩石发生非平衡变质作用的动力学过程提供可能的途径。由于结晶条件和结晶体系的差异，前人在熔体结晶实验中研究的球状结构的生长条件和相关参数难以直接运用到在天然的变质岩研究中。在变质条件下开展球状结构结晶的实验工作是获得球状结构结晶的D/G比值、时间尺度、受控因素以及球状结构转化为平衡结构的条件的直接方法。实验获得的参数对于定量研究变质岩中球状结构的生长时间和形成条件至关重要，同时为通过变质岩中的结构估计变质作用时间尺度提供关键数据。

致谢特别感谢李继磊副研究员和高俊研究员对稿件的悉心处理。感谢张建新研究员和匿名审稿专家对论文的评审，杨建军研究员对论文相关工作给予的指导，以及刘景波研究员和陈意研究员对论文撰写给予的建议。

谨以此文祝贺著名构造地质学家肖序常院士九十华诞！