第十一章+++变质岩的基本特征

100第十一章变质岩的基本特征第一节变质作用和变质岩的基本概念一．变质作用和变质岩变质作用：由地球内力作用下引起物理、化学条件的改变，从而使地壳中已形成的岩石在基本保持固态状态下，原岩组分、矿物组合、结构、构造等方面发生改变的作用。正变质岩：原岩为岩浆岩。副变质岩：原岩为沉积岩。二．变质作用因素主要指引起岩石发生变质作用的外部因素，主要是温度、压力、以及具化学活动性的流体。（一）温度变质作用中，温度是一个很重要的因素。大部分变质作用是在温度升高的情况下发生。1．促使矿物重结晶。从而使原岩的结构和构造发生改变，而岩石矿物组分基本不变，如石灰岩重结晶成大理岩。2．促进变质反应的进行。使组分重新组合，致使矿物成分和结构、构造都发生改变。如：吸热Al4[Si4O10](OH)82Al2[SiO4]O+2SiO2+4H2O高岭石放热红柱石石英吸热KAl2[AlSi3O10](OH)2+SiO2Al[AlSiO5]+K[AlSi3O8]+H2O白云母石英放热矽线石钾长石引起变质作用的热源：1）岩浆熔融体所带来的热。2）地热。一般30℃/km3）构造运动所产生的热。4）岩石中所含放射性元素蜕变放出的热。5）地幔深部熔融体的重力分异，产生上升的热流。变质作用温度下限，根据浊沸石等开始出现，大约在180—230℃；上限根据熔融实验确定的温度，约为700—900℃。（二）压力可分为均向压力（负荷压力）、流体压力和定向压力（应力）。1．均向压力（静水压力）以Pl表示。一般指地壳一定深处岩石所承受的上覆岩层的重力。因而均向压力是深度和上覆岩层密度的函数。平均为0.027GPa(0.27Kb)/km。在一定温度下，由于均向压力的增加，往往形成密度较大，分子体积较小的矿物，如：101Mg2[SiO4]+Ca[Al2Si2O8]CaMg2Ai2[SiO4]3镁橄榄石钙长石石榴子石分子体积43.9101.1121145相对密度3.32.763.522．流体压力3．定向压力（应力）主要指由构造运动或岩浆活动所引起的侧向挤压力。1）岩石在定向压力的作用下，当超过其弹性极限时可发生变形。2）在定向压力的参与下还可引起变质岩中某些定向构造的形成，如片理、线理等。3）促进粒间流体的活动，从而加速变质作用的进行。（三）具有化学活动性的流体通常指气态或液态的水溶液。由于压力差或者溶液中活动组分的浓度差而引起流动。1．对周围岩石发生交代作用产生组分的迁移（带出或带入），形成与原岩迥然不同的变质岩。2．水溶液的存在，对岩石重熔温度影响很大。3．流体相可以起溶剂作用，促进重结晶和变质反应的速度。变质过程中，上述各种变质作用因素常同时存在。一般情况下，温度常是主要因素。变质作用的发生和进行还与原岩的物质组分、结构、构造密切相关。如石灰岩易变成大理岩，而石英砂岩则在同样的温压条件下可没有变化。此外，时间也是一个重要因素。一般来说变质作用过程需要一个较长时间。三．变质作用类型（一）接触变质作用由岩浆散发的热量和析出的气态或液态溶液引起的变质作用。又可分为：1．热接触变质作用以热力影响为主，原岩主要发生重结晶作用和变质结晶作用，而化学成分没有显著改变。2．接触交代变质作用除热力外，还伴随有岩浆中析出的气态和液态溶液引起的交代作用，使原岩矿物成分、化学成分也发生显著改变。（二）动力变质作用（三）气液变质作用（四）区域变质作用（五）混合岩化作用（六）复变质作用进变质作用退变质作用102第二节变质岩的物质成分一．变质岩的化学成分由于变质岩是原来岩石经变质作用所形成，所以变质岩的化学成分和原岩的化学成分密切相关。对于无交代作用的变质（如区域变质作用、热接触变质作用），其化学成分（除水和CO2外）和原岩化学成分几乎相同，它们基本继承了原岩的化学成分。可以把原岩这一变质作用过程当作是在封闭体系条件下进行的，相应的变质反应称为等化学反应。但有交代作用进行时，由于化学元素的带出和带入，其化学成分可以发生很大改变并随着交代作用的性质和强度的不同而改变。交代作用不是等化学反应，它们是在开放体系中进行的。变质岩的主要造岩元素仍是SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、H2O、CO2以及P2O5、TiO2等。但由于变质岩的化学成分主要取决于原岩，因而不同的变质岩中其含量变化甚大。根据变质作用常为等化学反应，因而常可根据化学成分来判别原岩和区别正、副变质岩：正变质岩副变质岩SiO2一般35—78%可从几乎为零至90%以上，如石英岩90%±，大理岩几乎不含Al2O30.86—28%，一般20%高的可达17—40%，如铝土矿FeO+Fe2O33—15%不定，可很低，也可很高，如磁铁岩CaO+MgO通常30%，极少超过47%CaO可高达56%，MgO可高达47%因此研究变质岩的化学成分常作为恢复变质岩原岩的重要依据。特纳将变质岩划分为五个等化学系列，即：（1）石英长石质岩类：特点是SiO2含量高，FeO+Fe2O3和MgO含量低，原岩可能相当于碎屑岩、酸性岩浆岩和火山碎屑岩。（2）泥质岩类：Al2O3和K2O含量高，原岩可能相当于泥质沉积岩及部分中性岩浆岩和火山碎屑岩。（3）碳酸盐岩类：以CaO、MgO含量高为特征，可有Al2O3、SiO2等，原岩相当于石灰岩和白云岩等。（4）基性岩类：富含MgO、FeO+Fe2O3、CaO和Al2O3。原岩相当于中基性、基性岩浆岩和火山碎屑岩，以及成分相当的不纯泥灰岩。（5）超镁铁质岩类：富含MgO、FeO+Fe2O3。原岩相当于超基性岩和富含镁铁质的沉积岩。二．变质岩的矿物成分变质岩的矿物成分既决定于原岩的化学成分，也和变质作用时的物理化学条件密切相关。原岩的化学成分是形成变质岩的物质基础，而物理化学条件则是变质岩出现什么矿物或矿物组合的先决条件。例如：CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2方解石石英硅灰石原岩为含硅质的石灰岩103压力为0.1MPa(1巴)时，温度低于470℃时，为方解石+石英组合；压力为0.1MPa(1巴)时，温度高于470℃时，形成方解石+硅灰石或石英+硅灰石组合。如以中等压力条件的区域变质作用为例，变质岩中常见矿物的稳定范围在表3—1表示。从表中可知：低级（绿片岩相）：滑石、蛇纹石、绿泥石、绢云母、钠长石、绿帘石、透闪石、阳起石等，常以含水矿物为特征。中级（角闪岩相）：普通角闪石、斜长石、铁铝榴石、蓝晶石、十字石、方柱石、白云母、黑云母等。高级（麻粒岩相）：紫苏辉石、透辉石、矽线石、正长石、斜长石、铁铝榴石等。不出现含水矿物。造岩矿物在变质岩（与岩浆岩和沉积岩对比）中的分布和特征1．长石、石英、云母、角闪石、辉石和橄榄石在岩浆岩和变质岩中都可是主要矿物。所以如变质岩主要由上述矿物组成时，则只有结合岩石的结构构造和产状特征将其区别。但有时这些矿物的相对含量和共生规律，也可作为依据。如在正常岩浆岩中石英含量很少超过50%，而在变质岩中它的含量变化很大，甚至高达95%；又如含长石和石英的岩浆岩中，暗色矿物总量一般不超过20—30%，但在含长英质的变质岩中，它们的含量可高达50%以上（如有些片岩）；还有岩浆岩中富含暗色矿物时，一般都以角闪石或辉石为主，不会含大量的原生黑云母，但变质岩则可。2．变质岩可具有特有或主要出现于某一类变质岩中的变质矿物。如鳞石英、歪长石、白榴石和玄武角闪石等都是高温常压条件下形成的火山岩所特有的矿物，变质岩中不出现；似长石类矿物一般变质岩中也不出现。粘土矿物、蛋白石、玉髓和海绿石等矿物属于典型的沉积矿物，只见于沉积岩中，只稳定于接近地表的温压条件，一般变质岩中均不出现；碳酸盐矿物是沉积岩中最常见矿物，变质岩中也普遍出现，而岩浆岩中罕见。变质岩常具有变质岩特有的一些矿物，如红柱石、矽线石、十字石、帘石类、硅灰石等，即一般所称的变质矿物，它们是鉴定变质岩的重要标志。主要有以下几类：1）铝硅酸盐（Al2SiO5）矿物：红柱石、蓝晶石、矽线石。2）多种岛状硅酸盐矿物：石榴子石，不含铁的镁硅酸盐—镁橄榄石等。3）铁镁铝的铝硅酸盐矿物：堇青石、十字石；而岩浆岩中一般只含钾钠钙的铝硅酸盐矿物—长石和似长石类。4）纯钙的硅酸盐（CaSiO3）矿物—硅灰石只在变质岩中出现。5）变质岩中含（OH）的矿物比岩浆岩中常见。如阳起石、绿泥石、绿帘石、滑石、透闪石、绢云母等。6）变质岩中常见与硅酸盐矿物平衡共生的碳酸盐矿物，如与角闪石共生的方解石。3．变质岩中广泛发育纤维状、鳞片状、长柱状、针状的矿物，且常见它们作有规律地定向排列，如绿泥石、阳起石、透闪石、云母、滑石、蛇纹石等。4．变质岩中的矿物变形现象发育。1045．斜长石类的环带结构在变质岩中少见。变质岩中的矿物成分按其成因可分为：1．新生矿物（变晶矿物）：如红柱石、阳起石、绿泥石、绿帘石2．原生矿物：在变质作用过程中保留下来的原岩中的稳定矿物，如云英岩中的石英。3．残余矿物：在变质作用过程中残留下来的原岩中的不稳定矿物，如蛇纹岩中的橄榄石残余。新生矿物和原生矿物对于一定的变质条件都是稳定的，称为稳定矿物。此外，某些矿物如绿泥石、绢云母、阳起石等反映低级变质作用；红柱石、蓝晶石、矽线石、刚玉、堇青石等反映原岩为富铝的岩石（泥质岩）；硅灰石、符山石等反映原岩为富钙的岩石（碳酸盐岩类）。它们又称为特征变质矿物。三．变质岩矿物共生组合的规律变质岩的矿物共生组合是指变质岩中同时形成的彼此平衡共存的一组矿物。影响变质岩矿物共生组合的控制因素是原岩的化学成分和变质作用时的物理化学条件。爱斯科拉（P.Escola）在研究对比北欧接触变质作用后发现：1．在一定的变质作用P—T条件下，当变质作用趋于达到内部化学平衡时：⑴一定化学成分的原岩，将形成一定矿物共生组合的岩石；⑵而不同化学成分的原岩，将形成不同矿物共生组合的岩石；⑶且和原岩成因类型及形成这些变质岩的过程及成因机理无关。2．在不同变质作用P—T条件下，相同的化学成分的原岩，将形成不同矿物共生组合。3．矿物共生组合和化学成分之间有严格的对应关系，服从于矿物相律。根据以上特征，Escola提出提出了变质相的概念。变质相:指变质作用过程中同时形成的一套矿物共生组合及其形成时的物理化学条件。变质相是多种原岩成分，在一定的P、T条件下，与变质矿物组合之间的对应关系。每一变质相都由一套具有各种原岩化学成分的变质矿物组合所组成，其矿物组合和岩石化学成分之间有着固定的，可以预测的对应关系。这些矿物组合属形成于相同的P—T区间的平衡共生组合。研究变质相的目的，就是以变质矿物共生组合为基础，通过矿物共生分析的方法，结合有关变质反应的实验资料来查明变质作用的物化条件、变化特点、以及原岩特征。Escola用基性岩在一定的P—T区间条件下形成的特征性岩石（即具有特征的矿物组合）作为变质相的名称。如在温度和压力中等至较高的条件下，形成由角闪石和斜长石组成的岩石，称之为角闪岩相。105第三节变质岩的结构和构造变质岩的结构是岩石中矿物的粒度、形态和相互关系等特征。它着重于矿物个体的性质和特征。变质岩的构造是岩石组分在空间上的分布和排列特征。它着重于矿物集合体的空间分布特征。根据成因，变质岩的结构一般分为四类：碎裂结构、变晶结构、变余结构和交代结构。变质岩的构造可分为二类：变余构造和变成构造。结构构造是变质岩的重要特征，常作为变质岩分类命名的重要依据之一。如板岩、片岩、片麻岩等就是以构造命名。研究结构构造可以了解变质岩原岩性质、变质岩的形成过程、及其经受的变质作用类型、作用因素、作用方式和程度等特点。一．变质岩的结构（一）碎裂结构在定向压力作用下岩石发生碎裂或韧性变形形成的结构。1．碎裂结构2．碎斑结构3．糜棱结构（二）变晶结构岩石在固体状态下原来的物质发生重结晶或变质反应所形成的结构。是最常见的结构。变晶结构的主要特点：①矿物的自形程度一般不高。②矿物的自形程度只是反映了矿物结晶能力的大小，不能反映结晶的先后顺序。③具斑状变晶结构时，变斑晶一般较自形，但其常同时或稍晚形成。④变晶矿物中常含有较多的包体。变晶结构可根据粒度、形状和相互关系