《变质岩石学总论》PPT课件.ppt

变质岩岩石学 为什么我们现在所见到的岩石不仅仅是岩浆岩和沉积岩这两大类呢 原因 地球动力学事件使早先存在的岩石所处的地质环境和物理化学条件发生变化 偏离其初始形成时的地质环境及物理化学条件 这必然引起岩石的矿物组成 结构构造甚至化学成分发生变化 调整或改造 以适应新的地质环境及物理化学条件 一 变质作用和变质岩在地壳形成和发展 演化过程中 早先形成的岩石 包括岩浆岩 沉积岩以及先存的变质岩 在地壳一定深处 为适应新的地质环境和物理化学条件 在基本保持固态的条件下发生的矿物组成 结构构造甚至化学成分的变化称为变质作用 metamorphism 强调 地壳一定深处和固态转变是变质作用的两个基本点 也是区别于其他矿物转变作用 如成岩后生作用 岩浆作用 的关键所在 强调 现代岩石学通常把变质作用限定为一种内生地质作用 是地壳演化过程中原先形成的岩浆岩和沉积岩在地壳一定深处所发生的一种固态转变 地壳一定深处的含义是指变质作用发生于一定的温度和压力范围 通常是T 200 800 P 0 02 1 5GPa 此温度范围大致位于成岩后生作用和岩浆作用之间 压力范围表明它要求处于地壳一定深处 即风化带之下 变质作用不包括各种表生作用 成岩后生作用与变质作用之间没有截然的界限 因为在后生成岩过程中也会产生一些在变质作用中形成的矿物 因此 在区别成岩作用与变质作用时 典型矿物共生组合更为重要 如绿泥石是成岩作用和变质作用中都能出现的矿物 但绿泥石与葡萄石 黝帘石或斜黝帘石的共生则是变质作用的范畴 变质作用与岩浆作用的区别 变质作用的发生过程主要是一个升温过程 而岩浆作用主要是降温过程 变质反应重结晶变质作用主要是在固态条件下的矿物转变 而岩浆作用则是在液态条件下的矿物晶出 变晶结构变质作用与岩浆活动之间也没有一条截然的界线 部分重熔 地质环境和物化条件的改变可由地壳的构造运动 岩浆活动 区域热流变化 应力变化等引起 特殊条件下可发生部分熔融产生一定量的流体相 在变质作用条件下的形成的新的岩石称为变质岩 metamorphicrock 它们是大陆地壳中最主要的岩石类型之一 正变质岩 原岩为岩浆岩 副变质岩 原岩为沉积岩 复变质岩 原岩为变质岩 也称为叠加变质岩 变质岩岩石学 MetamorphicPetrology 是研究变质岩的成分 结构 构造 产状 分布 分类 命名 共生组合 形成演化机制与条件及其在地球 天体 形成 演化过程中的地位及作用 与矿产的关系等内容的一门独立学科 变质作用的因素可分为两类 内因 指原岩的成分 结构构造及岩石组合特征 内部因素只能影响变质作用产物的一些特征 而真正控制变质作用发生 影响变质作用特点的因素是地质因素 外因 亦即地质因素 指温度 压力 具化学活动性的流体和时间 二 变质作用的因素 变质作用的主要因素 变质作用的因素可分为两类 内因 指原岩的成分 结构构造及岩石组合特征 内部因素只能影响变质作用产物的一些特征 而真正控制变质作用发生 影响变质作用特点的因素是地质因素 外因 亦即地质因素 指温度 压力 具化学活动性的流体和时间 温度升高可为变质反应提供能量 并使岩石中流体的活动性增大 促进变质反应进行 使新矿物和新组构能以较快的速度和较大的规模形成 温度持续升高可使原岩在重结晶和变质结晶基础上发生部分重熔 其中长英质组分成为流体相 引起混合岩化作用 温度 热状态 改变的原因地热增温上地幔热流的运动放射性元素衰变释放热能的积累岩浆活动带来的热在应力作用下 变形和摩擦作用产生的热能 即机械能转变的热能 2 压力负荷压力 Pl 又称围压或固体岩石所承受的压力 以Pl 或P围 P岩 P固 表示 是一种均向性的静压力 其大小等于上覆单位岩石柱的重量 其数值随深度增加而增加 取决于上覆岩层的厚度和密度 负荷压力的单位是Pa或GPa 一般情况下 Pl随岩层深度约以25 106Pa 30 106Pa km的速率增加 其增加值取决于岩石的密度 在离地表0 40km范围内 根据岩石的平均密度计算 每加深1公里 负荷压力增加0 0275GPa 计算表明 大陆壳内不同深度的近似压力如下 深度 km 103550压力 Gpa 0 2611 5负荷压力是变质反应的重要热力学平衡参数之一 它和温度一样 都能独立决定岩石中矿物组合的稳定范围及通过特定变质反应形成新矿物组合的可能性 负荷压力的作用表现为 改变发生变质反应的温度 压力增高 多数情况下可使吸热反应的平衡温度升高 如CaCO3 SiO2 CaSiO3 CO2 的反应 当压力由105Pa 1bar 增高到0 1GPa 1Kb 时 发生这一反应的温度将由470 增到670 压力的增高有利于形成分子积体较小 密度较大的高压矿物或矿物组合 流体压力 Pf 一般来说 任何岩石在变质前多少都含有一定量的流体 如果仅有薄薄的流体薄膜吸附于颗粒表面 则不构成独立的流体相 变质作用一旦开始 便有流体释放出来 它们充填于毛细孔和微裂隙中 不完全被颗粒所吸附 便成为一个独立的流体相 其所具有的内压称为流体压力 以Pf表示 流体压力作用于颗粒表面 起与Pl相反的作用 趋向于使颗粒分开 流体相中各组分的分压则分别以PH2O PCO2 表示 其数值和各自在流体相中的相对摩尔含量成正比 在理想混合时 符合道尔顿定律 Pf PH2O PCO2 流体压力在变质反应的热力学分析中能否作为一个独立变量加以考虑 要具体情况具体分析 定向压力 应力 当一物体遭受定向外力作用时 其内部就会产生一种抵抗力 称为应力 可理解为伴随构造运动 来自一定方向的侧压力 应力常和地壳活动带的构造运动有关 其强度在空间上的变化也很大 一般在地壳浅部较强 至深部则减弱 定向力只能在固态岩石中起作用 应力的作用主要表现在 1 对岩石和矿物的机械改造 如地壳浅部的岩石变形 板状流劈理和碎裂结构的形成等 区域变质岩中的结晶片理多与应力作用下的固态流或重结晶和重组合有关 2 通过多种途径加快变质反应和重结晶的速度 促进这些作用的进行 尤其在较低温环境中 其作用更为明显 应力引起的碎裂作用 研磨作用使矿物间接触机率增高 裂隙的发育又使流体相能更好地流通 这些因素都能有效地促进变质反应的进行 3 具化学活动性的流体流体相的组成流体相的成分 总体来讲以H2O和CO2为主 可有CH4 H2S等 在变质作用的温压条件下 岩石中的某些组分如K Na Si Mg Al Fe Cl F S等也可溶解到流体相中作为流体相的组成部分 流体相的存在状态流体既可以存在于矿物颗粒之间被吸附在颗粒边界上 成为不能整体流动的间隙溶液 也可填充在岩石的裂隙之中 成为能够整体流动的裂隙溶液 流体相的来源原岩中保存的流体相 变质作用中的脱水及脱碳酸反应 可提供一定量的流体 与岩浆活动有关的流体相 此外 在地壳深处 上地幔中的流体相也可进入地壳中在变质过程中发挥作用 在大洋与大陆板块的边缘 部分海水也可伴随俯冲作用进入地壳深处而在变质过程中发挥作用 流体在变质过程中的作用流体相可起溶剂作用 促进原有矿物中组分的溶解 并加快其扩散速度 从而提高重结晶和变质反应的速率 在一定条件下 还可通过流体将体系内的某些组分带出而将体系外的某些组分带入 引起体系 原岩 化学成分的变化 水化和脱水反应是常见的最重要的变质反应 H2O直接参与这些反应 一般随温度升高而进行的脱水反应 使矿物中H2O呈 OH 离子或结晶水析出 结果由含 OH 矿物变成不含水的较高温矿物 而在降温过程中 如果存在饱和水溶液 则会使不含水矿物变得不稳定 转变成含水矿物 水化作用 这些作用对硅酸盐矿物的晶格类型及元素分配也有很大影响 较低温的含水变质矿物多数为层状或双链状结构 如绿泥石 云母和角闪石类 而较高温的不含水硅酸盐则多为孤立四面体 单链或架状结构 含CO2的流体对碳酸盐化和脱碳酸反应的平衡条件有很大影响 系统中CO2含量的增大会阻碍碳酸盐转变为硅酸盐的脱碳酸反应 在泥灰质岩石中 CO2和H2O的含量比例对变质矿物组合及其形成温度影响也很大 以水为主的流体相在岩石中处于饱和状态时 可降低岩石中长英质组分的熔融温度 如在不含水的条件下 长英质低熔组分在温度高达950 时才开始重熔 而在饱和水情况下 同样的低熔组分在640 20 时就可开始重熔 由于流体相的经常存在 因此在中高级变质条件下 常有长英质组分发生不同程度的重熔 形成各种类型的混合岩 4 时间时间也是影响变质作用的重要因素 时间因素有两方面的涵义 一是指变质作用发生的地质时代 二是指变质作用从发生到终止所经历的时间 研究表明 同一地区在不同地质时期发育的变质作用具有不同的特征 另一方面 在变质温压条件下 如果没有足够的时间 变质作用就难以进行或作用很不明显 这是因为变质反应往往极其缓慢 所以外界环境要在适宜变质反应的温压条件下保持足够长的时间 反应才得以发生或进行较彻底 换句话说 外界条件改变的速率要小于变质反应的速率 才能发生变质反应 再考虑反应动力学种种因素的影响 我们便可以理解自然界广泛存在的准稳态现象 如有的地区曾经超过300 但并未发生变质反应 更常见的情况是由于退变质反应极度缓慢 才可能使各种高温矿物组合保存至今 变质结构的形成和塑性变形也都是很缓慢的过程 都需要相当长的时间方可完成 三 变质作用的方式 变质作用的方式主要包括重结晶作用 变质结晶作用 变质分异作用 交代作用以及变形和碎裂等 这些作用受各种物理化学原理及力学原理的控制 其产物特征既取决于外部条件 即变质作用因素 又与原岩成分和性状有关 1 重结晶作用 recrystallization 重结晶作用是指在变质作用条件下 原岩中矿物颗粒的重新组合 只涉及同种矿物的溶解 组分迁移和再次沉淀结晶 只有矿物颗粒形状和大小的变化 而不形成新的矿物相 重结晶前后 岩石总化学成分 除H2O CO2等挥发分外 保持不变 重结晶作用主要和矿物颗粒的表面能密切相关 同种矿物粒度愈小者其表面能愈高 所以在相同的温压条件下 较小的颗粒稳定性较差 易于被溶解 相应组分经迁移后在原来较大的颗粒表面继续生长 使其粒度加粗 通过这一过程 原来粒度很细或粗细不均的岩石就会变成粒度较粗 较均匀的岩石 重结晶作用的速度和强度受原岩成分和结构的控制 组分较简单的岩石比组分较复杂的岩石易于重结晶 粒度较细的岩石比粒度较粗的岩石易于重结晶 影响重结晶作用的外部因素主要是流体相和温度 以H2O CO2为主的流体相对重结晶作用的关系最大 温度升高会大大增加重结晶的速度 应力的增大一般也有利于重结晶作用的进行 灰岩 大理岩 大理岩 重结晶 2 变质结晶作用 metamorphiccrystallization 在变质作用的温度 压力范围内 原岩在基本保持固态的条件下新矿物相的形成过程 同时必然有相应的原有矿物相趋于消失 变质结晶前后 岩石总化学成分 除H2O CO2等挥发分外 保持不变 由于这种矿物相的变化过程多数情况下涉及岩石中各种组分的重新组合 所以也称重组合作用 变质结晶作用与重结晶作用有何不同 变质岩中新矿物相的形成可有多种途径 但都可归结为变质反应 如红柱石 蓝晶石 夕线石间的同质多相转变 而更普遍的是通过几种矿物所含组分之间的化学反应形成新矿物相 有些反应不涉及H2O CO2等流体相 如Opx Pl Cpx Gt Q 多数反应常有流体相直接参与 如Ms Q Sill Kfs H2O CaCO3 SiO2 CaSiO3 CO2 变质结晶 泥岩 红柱石板岩 白云母片岩 3 变质分异作用 metamorphicdifferentiation 变质分异作用是在变质作用的温 压条件下 成分均匀的原岩中某些矿物组分经扩散作用而不均匀聚集的过程 它以组分在空间上有一定范围的迁移而不同于一般的重结晶作用 又以没有组分从系统中带出或从系统外带入而不同于交代作用 常见如角闪质岩石中以角闪石为主的暗色矿物和浅色长英质矿物成条带状或团块状不均匀聚集的现象 绿片岩中出现形态不规则的钠长石 绿帘石 石英脉等等 4 交代作用 metasomatism 在变质作用条件下 由变质原岩以外的物质的带入和原岩物质的带出而造成的一种矿物被另外一种化学成分与其不同的矿物所置换的过程 交代作用的特征是 交代作用是一种机理复杂的成岩成矿作用过程 在自然界分布很广 可在多种地质环境中出现 并与不同的地质作用相联系 交代作用过程中岩石总的化学成分要发生不同程度的改变 交代作用过程中 岩石中原有矿物的分解消失与新矿物的形成和生长基本同时进行 是一种物质逐渐置换的过程 交代作用过程中 岩石基本保持固态 刚性或塑性 但少量流体相的存在是十分必要的 在干的环境中 交代作用很难大规模进行 交代作用过程 岩石总体积基本不变 即交代反应的过程既遵守质量守恒的规律 又必须体积守恒 但有些情况下 交代过程中系统的体积并非完全不变 辉石的交代残留 辉石的交代残留 5 变形和碎裂作用 deformationandcataclasis 各种岩石受应力超过弹性限度时 就会出现破碎或塑性变形现象 变形和碎裂是变质过程中的一种重要作用 它们的发育程度和特点与许多因素有关 如岩石的物理性质 所处的深度 温度 静压力条件 以及所受应力的作用方式和强度等 变形有脆性变形和塑性变形 从地质上讲 塑性变形是指地质体在没有总体破裂情况下所发生的一种形状改变 而脆性变形则是有破裂发生的一种变形 这种破裂可以有 也可没有明显的位移 这两种变形的区别取决于观察尺度 变形还包括在应力作用下有方向性的重结晶作用 这种情况也会使矿物结晶的方位和形态发生变化而形成矿物外形及内部结构的优选方位 在近地表低温低压和较高应变速率条件下 岩石显示脆性行为 永久变形机制为脆性变形 表现为岩石沿裂缝破裂 产生碎裂和断裂 而在地下高温高压条件下 特别是当应变速率低时 岩石显示塑性行为 永久变形主要由塑性流动产生 导致矿物畸变和褶皱而没有破裂 但脆性与塑性之间并没有绝对的界线 二者是过渡的 较高温压条件下塑性流动导致的永久变形主要有晶内塑性变形和晶界塑性变形两种机制 晶内塑性变形包括直线滑移 双晶滑移和单个晶体的扭折 它们与晶体位错相联合 晶界塑性变形包括颗粒边界的滑移和扩散流动 通过粒间流体相的扩散流动称为压溶 发育位错的晶体储集了变形施加的应变能 所以不稳定而力图通过重结晶来消除应变能并恢复到稳定的无应变状态 这种伴随变形发生的重结晶称为动态重结晶 包括恢复和重结晶两个阶段 碎基 碎斑 一 根据变质作用的规模划分1 局部变质作用局部变质作用分布局限 其体积一般小于100km3 分布在一个具体的地质构造中 往往一个变质因素起主导作用 在局部变质作用发生的地区可清楚地观察到变质岩与未变质岩石的逐渐过渡 具体分为4类 四 变质作用的类型 1 接触热变质作用指发生于侵入体周围的接触带上 由岩浆侵入带来的热使围岩发生的变质作用 也称热变质作用 其主要控制因素是温度 变质作用的方式主要是重结晶和变质反应 这类变质作用一般深度不大 围限压力不高 约为2 3 108Pa以下 典型的接触热变质岩称为角岩 2 动力变质作用指断层带或其它强烈错动 剪切作用 带上 由于构造应力的作用 岩石通过碎裂 变形或重结晶等方式 发生结构 构造上的改造 有时有矿物成分上的转换 其特点是低温 高应变速率 除高级动力变质外 一般变质温度相当于绿片岩相 典型岩石如糜棱岩 3 气 液变质作用指在化学活动性流体的参与下 岩石中某些活动性组份之间发生的一种交代作用 也称气成水热变质作用 常发生于一些热液矿床或矿脉周围以及侵入体与围岩的接触带上 前者称围岩蚀变 后者称接触交代变质作用 除流体外 温度 组分的化学势是主要的控制因素 交代作用和变质反应是其主要的变质方式 4 冲击变质作用指陨石撞击地表引起的一种局部的 短时间的 压力巨大的变质作用 是陨石冲击时产生的动能瞬时转化为热能使岩石变质 高压 高温条件 石英高压变体 柯石英和斯石英 长石 石英熔融形成玻璃等 典型岩石为陨击角砾岩 是一种基质呈似熔岩外貌的角砾岩 2 区域变质作用指岩石圈大规模范围内发生的多种因素综合起作用的复杂的变质作用 多与构造运动相伴发生 常见于前寒武纪结晶基底及造山带中 主要变质因素有温度 压力 包括围限压力和应力 和流体 一般发生于地壳深部 并且常伴随有混合岩化 大规模的构造变形及岩浆活动 按照区域变质的环境可分出以下类型 1 造山变质作用是大规模分布于前寒武纪结晶基底和显生宙造山带的变质作用 与造山作用有密切的成因联系 面积数百至数千平方公里 在前寒武纪结晶基底呈面状分布 在显生宙造山带呈带状分布 温度 压力 偏应力都是其重要的变质因素 主要变质机制为重结晶 变质结晶和变形 形成的岩石常具有面理和线理 因而又称区域动热变质作用 造山变质作用的P T范围很宽 可分为高P T 中P T和低P T区域变质类型 P T与构造环境密切相关 高P T型见于俯冲带和碰撞带 中 低P T型见于岛弧 大陆拉张带 大陆碰撞带和前寒武纪结晶基底 2 洋底变质作用是指洋中脊附近的洋壳岩石在上升热流和热卤水作用下发生的大规模变质作用 温度和流体中活动组分化学位 或浓度 是主要的变质因素 P T很低 变质作用机制是变质结晶作用和交代作用 形成的岩石通常不显片理 线理 洋底变质作用不仅使岩石矿物成分 结构构造发生变化 也可导致岩石化学成分发生变化 因而是区域规模的异化学变质作用 3 埋藏变质作用岩层由于上覆沉积物的深埋而处于地下较深处 由负荷压力和地热增温引起的一种大规模 很低级变质作用 常出现于造山变质和洋底变质的很低级部分 或独立出现于强烈坳陷的沉积盆地底部 P T变化范围很大 其特点是变质温度低 重结晶和变质反应不彻底 多形成很低级至低级变质岩石 可看作是成岩作用与变质作用的过渡类型 4 混合岩化作用地壳深部高级变质岩发育区 由于温度 压力的增高及流体的参与 一些变质岩能熔融产生相当数量的花岗质熔体 深熔作用 当熔融程度很高时可产生花岗质岩浆 冷凝后便形成典型的花岗岩 如果熔融程度较低 则出现部分属花岗岩质 部分属原变质岩的混合岩石 称为混合岩 从变质岩经深熔而形成混合岩的过程称为混合岩化 亦称超变质作用 二 按变质作用过程中温度变化划分1 前进变质作用指增温引起的变质作用 特征是稳定的高温矿物组合代替低温矿物组合 2 退变质作用指低级变质叠加于原有的高级变质之上的变质作用 是低温矿物组合取代较高温矿物组合的过程 常发生于强烈的变形带上 3 复变质作用指多期不同温压条件的变质事件的叠加 既可是变质作用温度一次比一次高 亦可反之 退变质可看作复变质的一个特例 有人称为重变质 叠加变质或多期变质 三 区域变质作用按压力类型可划分1 高压型地温梯度10 km左右 也称蓝闪石 硬玉型 2 中压型地温梯度20 km左右 也称蓝晶石 夕线石型 3 低压型地温梯度 30 km 也称红柱石 夕线石型 变质作用的压力类型与大地构造环境密切相关 不同压力类型会出现不同的压力指示矿物 组合 五 变质岩的物质成分 一 变质岩的化学成分变质岩的化学成分取决于原岩成分和变质作用的特点 总体来说 变质岩的化学成分主要仍由SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 H2O及CO2等氧化物组成 但是 与岩浆岩 沉积岩相比 这些氧化物的变化范围很大 与它们在岩浆岩和沉积岩中变化的总范围相当 原岩的化学成分在变质作用过程中是否发生变化 取决于变质作用的特点 据此 可把变质作用划分为两类 等化学变质作用 变质作用过程中不伴随交代作用 原岩组分中除H2O CO2外 其它组分基本保持不变的变质作用 可视其为封闭系统 根据相平衡理论探讨其成因 异化学变质作用 伴有交代作用 在变质作用过程中有元素的带出带入 原岩组分中除H2O CO2外 其它组分也有明显变化的变质作用 过程中系统是开放的 在等化学变质情况下 变质岩的化学成分 除H2O CO2外 取决于原岩的化学成分 可根据变质岩的化学成分恢复原岩类型和划分对比变质地层 正变质岩与副变质岩在化学成分上有下列差别 SiO2 正变质岩为34 80 副变质岩为0 95 变化范围很大 Al2O3 正变质岩不超过20 副变质岩可高达40 以上 Fe2O3 FeO 正变质岩一般 15 副变质岩可 30 形成富铁质岩石 MnO 正变质岩 2 副变质岩可 20 富锰质岩石 CaO 正变质岩不超过23 富钙的副变质岩可 50 K2O Na2O 正变质岩中常 1 副变质岩中常 1 可达2 3 P2O5 正变质岩中很少超过3 副变质岩中可 10 甚至达40 磷灰岩 在异化学变质情况下 变质岩的化学成分既取决于原岩的化学成分 又受控于交代作用的类型和强度 用岩石化学方法研究交代变质岩的化学成分特点 可推断其原岩成分特点 了解交代过程中元素带出带入的情况 查明交代作用的特点和强度 变质作用过程中 原岩的矿物成分 结构构造都要发生改变 有的甚至变得面目全非 然而 一般变质作用基本不改变原岩的主要化学成分 即使是异化学变质 也或多或少可追索出原岩化学成分变异的某些特点 因此 变质岩的化学成分是恢复原岩和划分 对比变质地层的重要标志之一 岩石的成分也是变质岩分类的基础 对于一般的变质岩 多数学者都很重视等化学系列和等物理系列的划分 等化学系列 原始化学成分相同的所有岩石 其矿物组合的不同是由变质作用的类型和强度决定的 等物理系列 同一变质条件下形成的所有岩石 其矿物组合的不同是由原岩化学成分决定的 泥质变质岩 化学成分特点是Al2O3 K2O含量高 原岩可能相当与泥质岩及部分中性岩浆岩和火山碎屑岩 长英质变质岩 SiO2含量高 FeO MgO含量低 其矿物成分以石英 长石为主 原岩包括砂岩 长石砂岩 长石石英砂岩 酸性凝灰岩和中酸性岩浆岩 钙质变质岩 CaO含量高 可含一定量的MgO FeO Al2O3 SiO2 变化范围大 源自灰岩和白云岩 可含石英 粘土矿物等杂质 等钙质沉积物 特纳 1955 把常见的变质岩归纳为五种等化学系列 基性变质岩 MgO FeO CaO含量高 含一定量的Al2O3 由基性岩浆岩 凝灰岩及含较多的Ca Al Fe Mg的不纯泥灰质沉积岩变质而成 主要原岩为基性火成岩和化学成分上与之相当的杂砂岩和铁质白云质泥灰岩 矿物成分特点是富含斜长石 绿帘石 绿泥石 单斜辉石 单斜闪石 透闪石 阳起石 普通角闪石 斜方辉石 铁铝 镁铝榴石及黑云母等铁镁钙的硅酸盐 铝硅酸盐矿物 可含一定量的石英 镁质变质岩 富MgO FeO 贫CaO Al2O3和SiO2 源自超基性岩浆岩和富含Mg Fe的沉积岩 原岩类型是橄榄岩 纯橄岩 辉石岩等超镁铁质岩石及化学成分与之相当的沉积岩 矿物成分特点是缺少长石 石英 富含富镁 铁 的矿物 蛇纹石 滑石 水镁石 菱镁矿 直闪石 镁铁闪石 紫苏辉石 透闪石 阳起石 绿泥石 黑云母 铁铝 镁铝榴石等 二 变质岩的矿物成分1 变质岩矿物成分特征变质岩的矿物成分是其化学成分的直接反映 它既取决于原岩的成分特点 也与变质作用的类型和强度有关 由于变质岩的化学组成变化范围很大 变质作用的温压变化范围也很宽 而且在变质作用过程中有应力和流体参与 这些因素决定了变质岩的矿物成分与岩浆岩和沉积岩的矿物成分相比更为复杂多样 1 主要造岩矿物在岩石中的分布岩浆岩中的主要矿物 长石 石英 云母 角闪石 辉石等 在变质岩中也是主要矿物 但它们在变质岩中的含量变化范围很大 其主要原因是变质岩的化学成分范围较宽 变质岩矿物生成温度比岩浆岩的低 鳞石英 玄武闪石 霓石及副长石类等高温矿物为岩浆岩所特有 在变质岩中极为罕见 典型的沉积矿物如粘土矿物 海绿石等为沉积岩所特有 仅在变质较浅时可作为残余矿物在变质岩中出现 特征变质矿物主要出现在变质岩中 如刚玉 Co 红柱石 And 夕线石 Sill 蓝晶石 Ky 铁铝榴石 Alm 十字石 St 堇青石 Cord 白云母 Ms 泥质变质岩中 钙铝榴石 Gros 硅灰石 Wo 符山石 Ves 透辉石 Di 钙质变质岩类 角闪石类 辉石类 基性变质岩中 滑石 Tc 直闪石 A 镁质变质岩中 等 2 矿物的化学成分特点 与岩浆岩对比 变质岩中广泛出现铝的硅酸盐类矿物 Al2SiO5 如红柱石 蓝晶石等 变质岩中可出现不含铁的镁硅酸盐 Mg2SiO4 类矿物 如镁橄榄石 和复杂的钙镁铁锰铝的硅酸盐 X3Al2 SiO4 类矿物 如石榴子石类 而岩浆岩中一般是铁镁呈类质同象的硅酸盐 Fe Mg 2SiO4 变质岩中可出现铁镁铝的铝硅酸盐类矿物如堇青石 十字石 夕线石等 岩浆岩中只出现钾钠钙的铝硅酸盐类矿物如各种长石 钙的硅酸盐如硅灰石 CaSiO3 为变质岩所特有 变质岩中含 OH 的矿物比岩浆岩中多 变质岩中碳酸盐类矿物分布广泛 3 矿物的内部结构和其它特点变质岩中层状 链状结构的矿物 绿泥石 云母 角闪石 辉石等 较多 常发育有较多的鳞片状 纤维状 针状 柱状矿物 且这些矿物的平均延展性 长宽之比 比岩浆岩中同类矿物的平均延展性大 如黑云母在岩浆岩中的延展性一般的1 5左右 而在变质岩中可达7 10 变质岩中常发育有分子排列极紧密的矿物 这种矿物分子体积较小 比重较大 如石榴子石 变质岩中同质多象 多形 矿物发育 如红柱石 蓝晶石 夕线石 斜长石的环带结构在变质岩中较为少见 变质岩中矿物的变形现象发育 4 变质岩矿物的成因分类不稳定矿物 残余矿物 指对于某一变质作用的P T条件来说是不平衡的 呈准稳定态残存的原岩中早先存在的某些矿物 是由于变质反应不彻底造成的 它们与新形成的变质矿物之间常有各种反应或交代结构存在 呈现明显的置换关系 不稳定矿物常见于低级变质岩和退变质岩中 在变质作用历史研究中具有重要的意义 稳定矿物指在某一变质作用条件下由变质结晶和重结晶作用形成的矿物 它们可以是原先已有但在该条件下仍然稳定平衡的矿物 也可以是在该条件下由变质反应所产生的新矿物 稳定矿物对变质作用条件研究有重要的意义 通常所说的组成某一岩石的矿物共生组合 当指稳定矿物的共生组合 稳定矿物按其稳定的P T范围的宽窄可进一步分为 贯通矿物 原生矿物 指对温压条件变化不敏感 可在很大P T范围内稳定的矿物 如石英 方解石等 这些矿物一般不具有指示温压条件的意义 特征矿物 新生矿物 指对温压条件变化敏感 稳定的P T范围较窄的矿物 特征矿物能够指示变质作用的P T条件 常作为划分等变线的标志 因而具有重要的岩石学意义 如Al2SiO5的三种多形变体 红柱石指示低压 蓝晶石指示中压 较高压 夕线石指示高温 中压 等 2 变质岩矿物成分与变质作用温压条件的关系原岩化学成分特征决定着变质过程中可能出现哪些矿物 但具体哪种矿物出现或哪几种矿物同时出现则取决于变质作用的P T条件 如硅质石灰岩在压力为105Pa 温度高于470 时 才形成硅灰石 方解石或石英 富铝的沉积岩在不同温度和压力条件下可分别出现红柱石 蓝晶石 夕线石等 对于特定成分的原岩体系来说 决定变质岩中矿物组合的主要物化因素是温度和压力 每一种矿物都有一定的P T稳定区间 但多数情况下 温度的作用更为重要 所以变质作用常按温度高低来划分等物理系列 每一系列包括在特定变质条件下形成的所有变质岩石 其矿物成分的不同取决于原岩的总化学成分 反映变质强度的变质级就是以温度为主的等物理系列 很低级变质低限以基性岩中浊沸石开始出现为标志 并以此与成岩作用区分 其温度界限在200 左右或略低 它与低级变质之间的界限是基性岩中绿纤石或葡萄石和绿泥石反应形成黝帘石和阳起石 临界温度在350 左右或稍高 低级变质温度范围为350 550 左右 它和中级变质的界限是泥质岩石中十字石的出现或黑云母存在时 堇青石 没有铁铝榴石 的形成 常见矿物 绢云母 绿泥石 硬绿泥石 绿帘石 阳起石 滑石 蛇纹石 中级变质温度在550 650 左右或稍低 它和高级变质的界限是泥质岩中白云母和石英反应形成夕线石 钾长石组合 片麻岩的深熔曲线也大致相当于这一界线 常见矿物 十字石 蓝晶石 普通角闪石 铁铝榴石 高级变质温度高于650 上限可达800 左右 常见矿物 夕线石 紫苏辉石 正长石 上述四个变质等级以低级 中级和高级变质较常见 很低级变质只在基性岩中有标志性矿物组合 易于确定 而在其它成分的岩石中因无相应的很低温特征矿物 故不易与低级变质作用相区分 必须指出 矿物稳定的温度范围还与压力 原岩体系的化学成分特征以及形成时变质反应的性质有关 所以 某种矿物在不同组合中出现时所反映的温度条件是有差异的 在推断变质作用的温 压条件时 要重视对矿物组合特征的研究 如绿泥石和绢云母共生时是较典型的低级和极低级矿物 但绿泥石本身可稳定出现于中级变质岩中并与十字石 铁铝榴石等共生 此时其成分较富镁 变质岩的结构 指变质岩石中矿物的自形程度 形状 粒度以及晶体之间的相互关系等 变质岩的构造 指组成岩石的矿物或矿物集合体的空间分布和排列方式等特征 变质岩的结构构造 一 变质岩的结构 变余结构变晶结构交代结构变形结构 一 变余结构在变质作用过程中 由于变形和重结晶作用不强烈 原岩的矿物成分和结构特征没有得到彻底改造 使原岩的结构特征部分地被保留下来 形成变余结构 也称残留结构 变余结构的特点 外貌上具原来沉积岩或岩浆岩的结构特征 而矿物成分上则表现出一些 特征 变质矿物的特点 许多情况下也保留了一些原岩矿物的特点 一般规律 各种变余结构较易出现在低级变质岩中 通常是原岩组分的化学活动性越小 粒度越粗大时 原岩的结构就越容易被保存下来 在中高级变质岩中 原岩结构一般都遭到较为彻底的改造 但有时仍可找到变余结构 这是由于变质作用的复杂性和变质条件的不均一性 使局部的原岩结构特征被保存下来 1 变质沉积岩中的变余结构变质碎屑岩类 变余砾状结构变余砂质结构变余粉砂质结构变质泥质岩类 变余泥质结构 2 变质岩浆岩中的变余结构变余花岗结构变余斑状结构变余辉绿结构变余交织结构3 变质火山碎屑岩中的变余结构变余火山碎屑结构 二 变晶结构1 变晶结构的一般特点变晶结构是重结晶和变质结晶的产物 它与岩浆岩中的结晶质结构有些相似 全晶质 然而由于变质过程中的重结晶和变质结晶基本上是在固态条件下进行的 而且在同一次变质作用过程中各种矿物几乎是同时生长和发育的 因此它们又有许多不同之处 同一世代的变晶矿物没有明显的结晶顺序 晶体自形程度的差别取决于结晶势 不象岩浆岩中那样矿物的自形程度随结晶顺序依次变化 而且一般变质矿物颗粒排列紧密 彼此镶嵌或相互包裹 变斑晶的形成一般与基质矿物同时或稍晚 所以变斑晶中常含有大量的基质矿物包裹体 与岩浆岩中斑晶形成较早的情况相反 除变斑晶外 其他变晶矿物的自形程度都较差 多为他形或半自形 全自形晶少见 柱状 片状及放射状矿物比较发育 柱状 片状矿物的延展性比岩浆岩中的大 且多为定向排列 浅色矿物多具优选方位 发育波状消光 双晶弯曲等变形现象 这与变质作用中或变质之后应力的作用有关 2 变晶系变晶结构中矿物自形程度的不同 取决于矿物在固态条件下的结晶势 结晶势是指矿物形成自形晶的潜在趋势 Eskola称之为 成面能 成面能 是一种物理性质 随不同矿物而有变化 贝克 F Becke 曾经提出区域变质岩中的矿物可以按照其在固态生长条件下结晶成完好晶面的能力排列出经验性的顺序 称为变晶系 泥质和长英质变质岩石的变晶系为 自形 他形 榍石 金红石 赤铁矿 钛铁矿 磁铁矿 石榴子石 电气石 十字石 蓝晶石 夕线石 硬绿泥石 钠长石 白云母 黑云母 绿泥石 石英 堇青石 正长石 微斜长石 3 变晶结构的类型变晶结构的基本要素是 变质矿物的自形程度 粒度大小 相对大小 绝对大小 晶习和形状以及颗粒间的相互关系 按照这些结构要素可划分出若干不同的变晶结构类型 1 按变晶的自形程度划分全自形变晶结构半自形变晶结构他形变晶结构 2 按变晶矿物的粒度绝对大小划分按变晶粒度的绝对大小可分为 粗粒变晶结构粒度 2mm中粒变晶结构粒度2 1mm细粒变晶结构粒度1 0 1mm微粒变晶结构粒度 0 1mm 这种粒度等级的划分只有当组成岩石的矿物的粒度相差不多 同处于某一粒级范围 时才有意义 根据变晶粒度的相对大小可分为 等粒变晶结构主要变质矿物的粒度大致相近 石英岩 大理岩 变粒岩中常具此种结构 接触变质岩的 角岩结构 也属此类 不等粒变晶结构主要变质矿物的粒度不等 但粒度变化基本上是连续的 斑状变晶结构主要变质矿物粒度不等 且变化不连续 在大量较细粒矿物集合体 基质 中分布有粒度特别粗大的斑状晶体 变斑晶 基质和变斑晶粒度相差悬殊 在斑状变晶结构中 基质可以是各种结构 变斑晶中也可发育其他结构类型 3 按矿物的结晶习性和形态划分根据岩石中主要矿物的形态可将变晶结构划分为三种基本类型 鳞片变晶结构纤状变晶结构粒状变晶结构也称花岗变晶结构 4 按矿物颗粒间的包裹关系划分包含变晶结构 亦称变嵌晶结构 特点是变斑晶内常含有大量的基质矿物包裹体 这种变斑晶称主晶或寄主晶 其中的细小矿物包裹体通称客晶 包含嵌晶变晶结构包体矿物大小不等 不规则镶嵌在变斑晶中 筛状变晶结构变斑晶中包体矿物含量很多 看上去似有许多筛孔一样 故称筛状变晶结构 残缕结构变斑晶中的矿物包裹体呈定向排列 这种排列可能代表了先于变斑晶存在的片理或原岩层理 具有重要的鉴定意义 旋转结构变斑晶内的包裹物作S型或其他旋转式排列 称旋转结构 或雪球结构 旋转结构指示变嵌晶生长时发生同构造旋转 可用来判断剪切指向 三 交代结构指岩石中原有矿物或矿物集合体被新的矿物或矿物集合体所取代的现象 是交代作用形成的 在交代过程中有物质成分的交换和结构的改组 一般特点 矿