普通地质学—变质作用与变质岩

第五章变质作用与变质岩第一节变质作用概述一、变质作用概念指岩石基本处于固体状态下，受到温度、压力和化学活动性流体的作用，发生矿物成分、化学成分、岩石结构构造的变化，形成新的结构、构造或新的矿物与岩石的地质作用。变质岩：由变质作用所形成的新岩石。新形成的岩石无论是岩石的矿物成分，还是结构、构造，均可与原岩不同。1、变质作用与岩浆作用的区别：岩浆作用是高温、高压，使原岩从固态转变成熔融的液态后再成岩。而变质作用过程中，原岩基本处于固态，温度比岩浆作用要低。2、变质作用与沉积作用的区别：沉积作用只发生在地球的表层，与大气、水、生物等外因有关。而变质作用主要发生在地表以下一定深度，与温度、压力等因素有关,温度比沉积作用要高。二、引起变质作用的因素引起变质作用的因素有温度、压力以及化学活动性流体。1、温度：温度是引起岩石变质的主要因素。其作用是提供变质作用所需要的能量，促使一系列的化学反应和结晶作用得以进行；同时温度增高还可使矿物的溶解度加大，增强了流体的渗透性、扩散性及化学活动性，促进了变质作用的过程。变质作用的温度范围一般介于（150）180℃～800（900）℃之间。低于此温度，就属于固结成岩作用（沉积岩）。一旦温度高到使原岩熔融，那么就进入到岩浆作用的范畴。因此，变质作用基本上在固态下进行。变质温度的基本来源有三个方面：（1）地热：地下温度随着深度增加而增高。如果地表岩石因某种原因沉陷到一定深处，就能获得相应的温度。（2）岩浆热：岩浆是高温熔融体，当岩浆侵入时，岩浆热会传到围岩，使围岩增温。（3）地壳岩石断裂：断裂块体相互错动和挤压，能产生剪切热，使岩石升温。2、压力：压力可分为静压力、流体压力及定向压力。（1）静压力与流体压力：静压力是由上覆岩石重量引起的，它随着埋藏深度增加而增大。静压力对岩石的作用力各项均等。流体压力：静压力在岩石中的传递不只是通过固体的岩石质点，也可以通过循环于岩石空隙中的流体传递，形成流体压力。当岩石处于密闭状态时，上覆岩石的重量都传递给了各部位的流体，此时流体压力的数值等于岩石的静压值。当上覆岩石中有大量彼此连接，并与地面沟通的裂缝时，流体本身属于开放系统，此时流体压力仅由流体本身的重量决定，它低于岩石的静压力。（2）定向压力：定向压力是作用于地壳岩石的侧向挤压力，具有方向性，且两侧的作用力方向相反。a、挤压应力：两侧的作用力位于同一直线上。b、剪切应力：两侧的作用力不位于同一直线上。c、定向压力是由于地壳中两个相邻岩石块体作相对运动而产生的。它主要导致岩石结构与构造的变化。（3）化学活动性流体：以H2O、CO2为主，其次是O2、F2、Cl2等挥发性物质。化学活动性流体可以促使矿物组分的溶解和迁移，引起原岩物质成分的变化；即流体本身也积极参与了变质作用的各种化学反应。此外，流体的存在还会大大降低岩石的重熔温度，使变质作用的高温界限变低。第二节变质作用中原岩的变化一、变质岩中的矿物变质岩中的成分既有原岩成分，也有变质过程中新产生的成分。变质岩矿物成分可分为两类：1、与岩浆岩、沉积岩相同的矿物。如石英、长石、云母等，它们大多是原岩残留下来的，也可以在变质作用中形成。2、是变质作用产生的为变质岩所特有的矿物，称为特征变质矿物。如红柱石、蓝晶石、矽线石、硅灰石、石榴子石、滑石、透闪石、透辉石、蛇纹石、石墨等。二、变质岩的结构岩浆岩与沉积岩的结构通过变质作用可以全部或部分消失，形成变质岩特有的结构。1、变晶结构：指岩石在固体状态下，通过重结晶和变质结晶而形成的结构。出现变晶结构，说明岩浆岩、沉积岩中特有的非晶质结构、碎屑结构及生物骨架结构趋于消失，并伴随着物质成分的迁移或新矿物的形成。变晶：由变质作用形成的晶粒。2、变余结构：指变质程度不深时残留的原岩结构。如变余斑状结构、变余砾状或砂状结构。3、碎裂结构：指动力变质作用使岩石发生机械破碎而形成的结构。特点是矿物颗粒破碎成外形不规则的带棱角的碎屑，碎屑边缘常呈锯齿状，并具有扭曲变形等现象。4、交代结构：指变质作用过程中，通过化学交代作用（物质的带出和加入）形成的结构。特点是在岩石中原有矿物被分解消失，形成新矿物。三、变质岩的构造岩浆岩和沉积岩的构造通过变质作用可以全部或部分消失，形成变质岩特有的构造。1、变成构造：是通过变质作用而形成的新构造。有以下类型：（1）斑点状构造：岩石中某些组分集中成为或疏或密的斑点。（2）板状构造：岩石具有平行、密集而平坦的破裂面，沿此面岩石易分裂成薄板。是岩石受较强的定向压力作用而形成的。（3）片理构造：a、片理或面理：岩石中片状或长条状矿物连续而平行排列，形成平行、密集而不甚平坦的纹理。b、千枚状构造：岩石的矿物颗粒细小，且在片理面上出现丝绢光泽与细小皱纹者。c、片状构造：矿物颗粒较粗，肉眼能清楚识别者。片理的形成与定向压力的作用关系很大：a、岩石中的片状矿物或长柱状矿物在定向压力下可以发生位置转动从而定向排列；b、粒状矿物在定向压力作用下可以被压扁或拉长，从而定向排列；c、矿物在平行于压力的方向上溶解，在垂直于压力的方向上生长，溶解与生长同时发生。在片理的形成过程中往往伴随着矿物的重结晶作用，因此，温度也是不可缺少的因素。（4）片麻状构造：组成岩石的矿物以长英质粒状矿物为主，伴随部分平行定向排列的片状、柱状矿物，后者在前者中呈断续的带状分布。眼球状构造：具有片麻状构造的岩石，其矿物的颗粒一般较粗。有时长石可以变成粗大、似眼球者。（5）拉伸线理：岩石中的矿物颗粒或集合体、岩石碎屑、砾石等，在温度和剪切应力的联合作用下，被强烈剪切拉长、定向排列，呈现为平行密集的线状构造。（6）块状构造：矿物均匀分布，无定向排列。是温度和静压力对岩石联合作用的产物。2、变余构造：指变质岩中残留的原岩构造。如变余气孔构造、变余杏仁构造、变余层状构造等。当变质程度不深时，原岩的构造易于部分保留。因此，变余构造的存在便成为判断原岩属于火成岩还是沉积岩的重要依据。（1）正变质岩：由火成岩变质而成的岩石。（2）副变质岩：由沉积岩变质而成的岩石。变质岩可作建筑材料：蛇纹石大理岩、汉白玉；是宝玉石的原料：红宝石、蓝宝石。第三节变质作用类型及其代表性岩石由于引起岩石变质的地质条件和主导因素不同，变质作用类型及其形成的相应岩石特征也不同。一般根据变质作用发生的地质背景和物理、化学条件，将变质作用划分为以下四种主要类型：接触变质作用、动力变质作用、区域变质作用、混合岩化作用。一、接触变质作用由岩浆活动引起的、发生在火成岩（主要是侵入岩）与围岩接触带范围的变质作用。接触变质作用的温度较高，300-800℃之间。按照变质过程中有无交代作用，可分为接触热变质作用、接触交代变质作用。1、接触热变质作用：引起变质的主要因素是温度。形成新矿物与变晶结构。变质过程中基本不发生交代作用，变质前后岩石的化学成分无明显改变。代表性岩石有：（1）大理岩：主要由方解石组成；为粒状变晶结构，块状构造。原岩为石灰岩、白云岩。汉白玉：几乎不含杂质的大理岩，洁白似玉。多数大理岩因含有杂质，显示不同颜色的条带。如蛇纹石大理岩因含蛇纹石而显艳绿色条带。（2）石英岩：主要由石英组成；具有粒状变晶结构，块状构造；岩石极为坚硬。原岩为石英砂岩或硅质岩。2、接触交代变质作用：从岩浆中分泌的挥发性物质，对围岩进行作用，导致围岩化学成分发生显著变化，产生大量新矿物，形成新的岩石和结构构造。主要发生在侵入体与围岩的接触带上，典型岩石是矽卡岩。组成矽卡岩的主要矿物是石榴子石、绿帘石、透闪石、透辉石、阳起石、硅灰石等，有时还有云母、长石、石英、萤石、方解石。某些金属矿物常在矽卡岩中富集成为矿体。常见的有磁铁矿、黄铜矿、闪锌矿、钨矿、锡矿等。二、区域变质作用1、区域变质作用：指在广大范围内由温度、压力以及化学活动性流体等多种因素引起的一种变质作用。其范围可达数千至数万平方公里，影响深度可达20km以上，温度在200～800℃之间,压力随深度不同变化在几十到一千多兆帕斯卡之间。区域变质作用的发生常和构造运动有关。2、区域变质作用的代表性岩石：区域变质作用形成的岩石以具有变晶结构及片理构造、片麻状构造为特征。（1）板岩：板状构造，原岩主要是黏土岩、黏土质粉砂岩和中酸性凝灰岩；主要出现绢云母或绿泥石等新矿物。板岩中含炭质者，称为炭质板岩。（2）千枚岩：千枚状构造，原岩性质与板岩相似。主要生成绢云母或绿泥石以及石英等矿物。岩石多呈丝绢光泽，揉皱构造普遍。（3）片岩：片状构造。新生矿物主要是白云母、黑云母、绿泥石、石英、角闪石、阳起石等，有时出现石榴子石、矽线石、蓝闪石等。（4）片麻岩：片麻状构造。主要矿物是长石、石英、黑云母、角闪石等，有时出现蓝晶石、矽线石、石榴子石等。在片麻岩中，长石与石英的含量必须大于矿物总含量的1/2，且长石含量大于石英。造成区域变质岩种类多的因素：1、原岩成分：原岩成分不同，变质产物就不同。如石灰岩能变成各种大理岩，而页岩或黏土只能变成各种板岩、千枚岩和片岩。2、变质的温度与压力：温度与压力的差异能使同种成分的原岩变质成不同的岩石。三、混合岩化作用是由变质作用向岩浆作用转变的一种过渡性成岩作用。其主要特征：原岩局部或部分重熔的熔体物质与尚未重熔的固态物质发生互相交插与混合，通常是区域变质作用在地热流增高条件下进一步发展的结果。混合岩：混合岩化作用形成的岩石。混合岩一般由两部分物质组成：1、变质岩，称为基体。它一般是变质程度较高的各种片岩、片麻岩，颜色较深。2、通过熔体和热液注入、交代而新形成的岩石，称为脉体，其主要成分是石英、长石，颜色较浅。基体与脉体混合的形态是多样的，其混合岩也是多种的。1、如果脉体呈条带状贯入到基体中，则形成条带状混合岩；2、如果脉体呈肠状盘曲在基体中，则形成肠状混合岩。混合岩化作用的高级阶段为花岗岩化作用，整个岩石成为一种均质花岗质岩石，原来岩石的宏观特征可完全消失，变成花岗岩，这种花岗岩叫混合花岗岩。是混合岩化作用程度极高时的产物。这种作用是花岗岩形成的一种重要途径。四、动力变质作用是指在地壳（构造）运动所产生的强烈定向压力作用下,岩石发生变化的一种变质作用。主要分布在大型断裂带附近，主要表现在岩石的变形方面，可分为：1、脆性变形：浅地壳层次。表现为机械破碎，一般不发生物质成分的重组，不形成新矿物。颗粒多具定向排列现象。2、韧性变形：中深地壳层次。韧性变质-变形发生在定向应力环境中，多出现在区域变质岩地区。其特征是出现糜棱岩，常构成韧性剪切带。动力变质作用主要发生在相邻的两个岩石块体之间发生相对错动的接触面附近，这种接触面被称为断层或断裂带。动力变质带的宽度可从几厘米到几公里，大型的甚至可达几十公里；动力变质带的长度一般几公里到几百公里，大型的长达1000km以上。第四节地壳中三大类岩石的演变出露地表的岩浆岩、变质岩及沉积岩，在地表营力作用下，经表层地质作用（风化、剥蚀、搬运、沉积及成岩作用）可以重新形成沉积岩。