变质岩石学

第五篇变质岩岩石学第十九章变质岩及变质作用一、基本概念变质岩是变质作用形成的岩石。是三大类岩石之一。广泛分布在地壳表层及地下一定深度内，如片麻岩、片岩、千枚岩和大理岩等都是十分常见的变质岩。它们可以与各类岩浆岩共生组合在一起。在一些地方它们往住与混合岩、花岗岩共生，如泰山“杂岩”；在另外一些地区，它们又和一些超基性岩形成特殊的岩石组合，如共同组成蛇绿岩。这种共生组合关系对于指导找矿和研究地壳发展与演化有着重要意义。在地壳发展演变的历史进程中，先期形成的岩浆岩和沉积岩，也包括原生的变质岩，在地壳运动、岩浆活动等内力地质作用下，使其所处的地质环境发生改变，在新的物理、化学条件下，就会发生矿物成分和结构、构造等方面的变化。这种使原岩在新的物理、化学环境中为建立新的平衡以达到相对稳定的自然现象，称之为变质作用。变质作用具有以下特点：1．变质作用是一种地球内力作用，是由地壳运动及岩浆活动所引起的、不同于地表外力所引起的风化作用。2．变质岩是由沉积岩和岩浆岩（称其为原岩）以固体状态变化而来，故在成份、结构和构造等方面与原岩有着紧密联系，有些变质岩残留有原岩的结构、构造，并常保持原岩的产状特点。3．由于变质作用是使岩石发生质变的过程，故变质岩又常具有特殊的变质矿物和结构、构造而区别于岩浆岩及沉积岩。变质作用主要表现为重结晶作用及交代作用。视原来岩石的种类不同，变质岩可分为两大类：原岩为岩浆岩经变质作用后形成的变质岩称为正变质岩。原岩为沉积岩经变质作用后形成的变质岩称为副变质岩。变成岩在我国分布较广，从前寒武纪至新生代都有变质岩的形成，但多数分布在古老的结晶地块和构造活动带中。它们既可成区域性的广泛出露，也可成局部的分布。前者如东北的鞍山群及中南、西南地区广泛出露的昆阳群、板溪群浅变质岩系等；后者如岩浆侵入体周围的接触变质岩及构造错动带出现的动力变质岩。变质作用同其它地质作用一样，乃是地壳发展演化的结果，因而对变质作用及其产物的研究，对于重溯一个地区地壳发展和演化的规律是有用的。此外，变质作用又是重要的成矿作用，已经形成的矿床在变质作用的影响下可发生强烈的改造，同时变质作用又可促成新矿床的形成。由变质成矿作用所形成的矿床，分布广泛，矿种繁多。如铁、锰、铜—钴—铀、金—铀、云母、菱镁矿—滑石、磷、刚玉、石墨、石棉等。据统计，前寒武纪含铁石英岩型铁矿床（即我国鞍山式铁矿），将近占世界铁矿储量的70％。再者，变质岩作为地质体，又是水文与工程地质工作中直接研究的对象之一。……因此，对变质作用和变质岩的研究有其重要的理论和实际意义。过去石油地质工作者视变质岩为禁区。但生产实践表明，在某些特定地质条件下，变质岩系中也能形成工业油气藏。1984年4月，胜利油田郑家地区的几口千吨高产油井就是打在变质岩系中的。类似例子在国内外油气田勘探中还有。古老的变质岩系多组成盆地的基底，并不时出露在盆地周缘山区，对其进行研究对于恢复沉积盆地发育及演化历史和岩相古地理条件至关重要。二、变质作用的外部因素引起原岩发生变质作用的因素有内部和外部两方面。内部因素是原岩的物质成分、结构和构造特征，这是变质作用的基础；外部因素主要是温度和压力，以及具有化学活动性的流体。下面着重介绍这些外部因素在变质作用中的意义。1．温度温度是变质作用基本而又主要的因素，其作用主要表现在：1）由于温度的升高，促进岩石内部质点的活动能力，引起物质成分迁移，从而形成新矿物及高温变质矿物，例如：高岭石在热力（温度）作用下，形成红柱石和石英的矿物组合。吸热Al4[SiO4O10][OH]82Al2[SiO4]O+2SiO2+4H2O高岭石放热红柱石石英在此反应中，温度升高反应向右进行，即向着吸热方向进行，生成吸热的矿物组合；温度降低则引起放热反应。绿色片岩中时钠长石、阳起石，绿帘石和石英大致在400℃左右有时形成，当温度达到500℃左右时则转变为斜长角闪岩，矿物组合是斜长石、角闪石和铁铝榴石。由此可见，温度变化可决定变质作用的方向。另外，实验证明对含水矿物的不断加热，将伴随结构水的脱出。即随着温度的升高，变质作用的结果是形成不含水的相对高温的矿物组合。反之则形成含水的相对低温的矿物组合。2）促进重结晶作用，主要表现为使原岩的结构、构造发生改变，而岩石组分基本不变。如石灰岩重结晶变成大理岩；具碎屑结构能区分颗粒和胶结物的石英砂岩，由于温度升高，发生重结晶作用，变为呈镶嵌结构的变质石英岩。变质作用的温度变化范围最高可达850~900℃，仅在特殊情况下可升至1200~1300℃，最低温度为150℃。引起变质作用的热源一直受到人们的重视，并用各种各样的论点或假说加以解释，主要有以下几个方面，其中地热和岩浆热是最常提到的两种热源：①地热即地球内部的热或地壳深部的热。一般说来，地热是随深度而增加的。在一般情况下，每增深100m大约增温3℃，这就是所说地热增温率。不同地区地热增温率是不同的。②岩浆热可根据岩浆岩体边部具有强烈的热变质作用所证实。③摩擦热其影响范围较小，一般产生在构造运动强烈的错动带上，岩石颗粒之间的摩擦、揉搓而产生热，亦可导致矿物的重结晶。④其它热源如岩石中放射性蜕变热等，也都值得注意。近年来，随着海洋底部地质测量工作及板块构造学说的迅速发展，人们已经知道，在岛弧区及大洋中脊地区，由于那里地壳最薄，地幔物质不断上升，地热温度很高。这些地区是目前所知的热流值最大地区。很可能在这些地区正在进行着区域变质作用。引起变质作用尤其是区域变质作用的热，是多种来源的，而且与地壳的特定地区即地壳活动地区有密切关系。2．压力岩石的变质作用通常都是在一定的外界压力状态下进行的，所以压力也是控制变质作用的重要因素。压力按性质及其所起的作用不同，可分为静水压力（均向压力）、定向压力（应力）和粒间流体压力。1）静水压力以Pl表示。一般指由上覆岩层的负荷重量引起的压力，因而可以认为静水压力是深度和上覆岩层比重的函数。①静水压力使岩石体积和孔隙减少，变得致密坚硬。同时在一定的温度下，由于静水压力的增加，往往形成比重较大，分子体积较小的矿物。例如辉长岩中的橄榄石和钙长石，在压力增大时，可以生成石榴石，其分子体积（分子量／比重）将减小24。Mg2[SiO4]+Ca[Al2Si2O8]—→CaMg2Al2[SiO4]3镁橄榄石钙长石石榴石分子体积43.9101.1121145比重3.32.763.52②促使化学作用的加速或减缓。压力作用表现在化学平衡的移动上，例如：550℃CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑方解石石英硅灰石当温度在550℃，只有在低静水压力的情况下，才能产生硅灰石，当温度不变压力升高时反应停止。③引起结构的改变。在静水压力作用下可促进岩石重结晶，使细晶岩石变为粗晶、乃至巨晶结构的岩石，例如粗晶大理岩。2）定向压力是指由于构造运动或岩浆侵入围岩时所产生的侧向挤压应力，其主要发生在地壳表层，随深度增加而减弱。在构造运动中定向压力有时比静水压力还大。岩石在定向压力作用下，当超过其弹性极限时可发生形变，诸如石英和长石产生波状消光、云母和角闪石弯曲等。如果压力强度更大时，超过其强度极限，就会使岩石发生碎裂、产生节理、裂隙或出现劈理构造等。3）粒间流体压力以Pf表示。指存在于岩石的粒间、显微裂隙及毛细孔隙中的流体物质（主要是H2O、CO2等）对周围物质，包括孔隙四周的壁、顶、底所产生的压力。在地壳较深的封闭条件下，当流体相在岩石系统中又呈饱和状态时，固体岩石所承受的压力能全部传导给流体相，所以一般是Pf=Pl，它们都决定于上覆岩层的重力。如果在地壳的较浅部位裂隙发育，流体相自由流通，成为开放体系，此时Pf只等于相应深度该流体相本身的重力，而常小于上覆岩层的重力。此外，粒间流体压力的加大还可对岩石的重结晶起催化剂的作用，而对某些含结构水的矿物的分解则起抑制作用。即当粒间水的压力增大时利于发生水化反应，而当粒间水的压力减小时利于发生脱水反应。3．具有化学活动性的流体化学活动性的流体，通常指的是气态或液态的水溶液，它对于岩石的变质也起着重要的作用。因为在水溶液中经常含有不同数量的CO2、硼酸、盐酸、氢氟酸和其它挥发份，这些物质大大增强了水溶液的化学活动性。当这些溶液在岩石孔隙和裂隙中（分别称为粒间溶液和裂隙溶液），由于压力差或溶液中活动组分的浓度差而引起流动时，便对周围岩石发生交代作用。也就是说可以产生组分的迁移（带出或带入），形成与原岩性质迥然不同的变质岩石。由此可见，组分的迁移主要是通过溶液来实现的。此外渗透于矿物颗粒间的粒间溶液对矿物彼此间的反应还能起接触剂的作用，通过这种溶液作媒介，促进组分的溶解和沉淀，从而促进矿物的重结晶作用。水和碳酸还直接参与组成含水和合碳酸的矿物。在变质作用过程中，经常发生矿物的水化（温度降低）和脱水作用（温度增高），碳酸盐化和去碳酸盐化作用。例如：脱水绢云母+绿泥石黑云母+H2O水化脱水白云母+石英钾长石+夕线石+H2O水化脱水蛇纹石+水镁石镁橄揽石+H2O水化盐化方解石+石英硅灰石+CO2碳酸盐化再者，水溶液的存在与否，对岩石的重熔温度影响很大。花岗质岩石在不含水溶液的情况下（干体系），温度要高达950℃才开始重熔，而当水溶液饱和时（湿体系），在640±20℃就开始重熔。具有化学活动性的流体，在变质作用中是普遍而重要的，但在一般情况下，它不能作为变质作用中的一个独立的强度因素。只有在温度和压力的作用下，才得以使原岩发生变质作用。应该指出，在变质过程中，上述各种变质作用因素不是孤立的，通常都是同时存在，互相配合和互相制约的，而且随着时间的推移而发生变化。在一般情况下，温度常作为主导因素，配合着压力和溶液的活动。变质作用是一个错综复杂的物理化学过程。还应指出，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，因而在研究变质岩的变质作用因素及其变质过程时，应结合地质情况和变化特征进行综合分析研究。三、变质作用的方式岩石在变质作用过程中，矿物成分和结构构造都会发生变化，而变化的方式和过程极为复杂，是目前尚在深入研究和探讨的问题。主要有：重结晶作用、变形和碎裂作用、变质分异作用，以及变质反应和变质结晶作用、交代作用等。这些作用都受变质因素控制。同时又受原岩特点的制约，分述如下：1．重结晶作用重结晶作用是变质作用的一种主要方式，它是在高温下，矿物在固态条件下重新成长的过程，或是岩石中的化学组分重新分配形成新矿物的过程。一般说来，在重结晶作用过程中，没有物质的带入和带出，因此，岩石总的化学成份不变。成份单纯的岩石，在重结晶过程中，基本上不产生新矿物，主要是晶粒变得粗大，如石灰岩重结晶变为大理岩，石英砂岩重结晶变为石英岩。在成份复杂的多组份岩石中，重结晶作用不是简单的化学反应，而是在间隙溶液的参与下，离子（或分子）的扩散、集中或交代的复杂反应过程，结果产生新矿物。如粘土岩在温度升高压力增大的情况下变为粗粒片麻岩，可以生成石英、长石、黑云母、角闪石、硅线石等新矿物。因此，重结晶作用实际上应包括矿物的重新组合。晶体生长过程中，其结晶力能推开周围的片状矿物而继续生长，还能清除和吸收其它矿物的包裹体，当清除和吸收不完全时，就会出现残缕结构及筛状变晶结构。图5-1示石榴石和角闪石晶体的生成过程。由图中可见，矿物初生时常没有完整的外形，有时为不规则的小块集合体，每个单体中均包有许多包裹体（如石英或碳质等）；进一步生长，不规则的小块连成大块，但晶体中包裹体仍很多，形成筛状结构；再进一步发展，才能将包裹体消除或吸收干净，最后形成较完整的清洁的晶体。组分简单的岩石较易重结晶。岩石粒度较细者重结晶作用明显。如原岩含极细的碳质、铁质等粉末状杂质时，常会阻碍主要造岩矿物的重结晶作用。温度的增高会大大增加重结晶作用的速度。压力也能促进重结晶作用。以H2O和CO2为主的流体其对重结晶作用关系极大。实验已证明，如原始物质中不含任何流体溶液，则组分的迁移十分缓慢，以至实际上不能发生明显的重结晶作用。2．变形与压碎作用前已述及，当各种岩石受应力超过弹性极限时，就会出现塑性变形。当定向压力作用于柔性岩石（如页岩）时，岩石因塑