变质岩石学总论--讲课

1、变质岩石学总论,变质作用和变质岩 变质作用的类型 变质作用的方式 变质岩的结构构造 变质岩的成分特征,一、变质作用和变质岩,变质作用：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，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 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,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=200800，p=0.021.5gpa。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

2、处于地壳一定深处，即风化带之下。 但近年来在变质岩中柯石英、微粒金刚石及多种矿物出溶结构的发现表明，变质作用已不局限于地壳范围，压力也已远远超出1.5gpa,变质岩：在变质作用条件下形成的新的岩石称为变质岩。变质岩是大陆地壳中最主要的岩石类型之一。 变质岩石类型众多，可形成于不同时期和不同地区，既可出露于古老的结晶基底地盾或地台，也可出现于较新的变质活动带，分布遍及大陆和海洋,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23108pa

3、以下。典型的接触热变质岩称为角岩。 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,二、变质作用的类型,根据变质作用发生的地质背景划分,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

4、反应是其主要是变质方式。 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,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，这种现象称为深熔作用。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；如果熔融程度低（只有部分熔融）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。 埋藏变质作用：岩层由于上覆沉

5、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的重结晶作用。可看作区域变质作用的一种。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，常见原岩矿物残余和变余结构，缺乏显著片理,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变质作用。岩石交代作用明显，通常不显片理。（基性、超基性原岩，浅部沸石相经绿片岩相至深部的角闪岩相）。 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

6、岩，是一种基质呈似熔岩外貌的角砾岩,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。 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。 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,按变质作用过程中温度的变化划分,高压型：地温梯度10/km左右，也称蓝闪石硬玉型 中压型：地温梯度20/km左右，也称蓝晶石夕线石型 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

7、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,区域变质作用按压力类型可划分为,变质作用的因素可分为两类： 一类是内部因素（内因），指原岩的成分、结构构造及岩石组合特征； 另一类是外部因素（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,三、变质作用的因素及方式,变质作用的主要因素,一、温度 温度在变质过程中的作用 温度变化是引起变质作用的主要因素，多数变质作用是伴随升温而进行的。温度升高 可使原岩中一些矿物发生重结晶 引起原岩中矿物之间发生变质反应，各种组分重新组合 形成新矿物 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

8、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,温度（热状态）改变的原因 地热增温：可从每千米十几度到每千米一百多度。 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（局部）。 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,二、压力 1、压力类型：负荷压力、流体压力、应力 负荷压力（ pl）：又称围压或固体岩石所承受的压力，是一种均向性的静压力。 其数值随深度增加而增加，近似于上覆岩层的重力。取决于上覆岩层的厚度和密度。 流体压力（pf）： 任何岩石在变质前多少都含有一定量的流体。变质作用过程中，流体

9、释放出来，充填于毛细孔和微裂隙中，不完全被颗粒所吸附，以一个独立的流体相存在，其所具有的内压称为流体压力。以pf表示。 应力（定向压力）：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。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。,2、压力的作用,改变发生变质反应的温度 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， 应力是引起岩石变形、变质的重要因素。其作用主要 表现在： 对岩石和矿物的机械改造。地壳浅部的岩石变形、板状流劈理和碎裂结构的形成显然都和应力直接有关；区域变质岩

10、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。 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,三、具化学活动性的流体,流体相的组成 总体来讲以h2o和co2为主。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。研究表明，流体的成分与变质母岩的成分和变质程度有关。 流体相的来源 原岩中保存的流体相。如沉积岩中的毛细管和微裂隙中可能保存有较多 的h2o。 变质作用中的脱水及脱碳酸反应，可提供相当多的流体。 与岩浆活动有关的流体相 上地幔中的流体相， 部分海水

11、 流体在变质过程中的作用 流体相可起溶剂作用，加快重结晶和变质反应的速度。 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 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。 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,变质作用的方式,一、重结晶作用 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，只有矿物颗粒形状和大小的变化，而不形成新的矿物相。如石灰岩中隐晶质方解石在变质作用过程中随温度升高可转变成较粗大的方解石晶体，形成大理岩。 重结晶作用的速度和强度既受原岩成分和结构的控制，也与各种变质因素有关。组分较简单的岩石比组分较

12、复杂的岩石易于重结晶。 影响重结晶作用的外部因素主要是流体相和温度,二、变质结晶作用 变质结晶作用是指在变质作用的温度、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。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,三、变质分异作用 指成分均匀的原岩，在岩石总成分不变的前提下，造成矿物成分不均匀的一种变质作用。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。 目前一

13、般认为变质分异作用是在变质作用的温压条件下，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（后述,四、交代作用 交代作用指变质作用条件下，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。其特征是,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，并和不同的地质作用相联系。 交代作用过程中，必须有一定数量的组分从外部带入岩石中，同时岩石中一些组分被带出，结果使岩石总的化学成分发生不同程度的改变。

14、 交代作用过程中，岩石中原有矿物的分解消失和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，而不是注入充填作用 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。因此，反应过程的机理十分复杂,五、变形和碎裂作用 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。 岩石

15、在不同的环境条件下具有不同的变形行为：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，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,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； 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,变质岩结构的基本类型 变质岩的结构类型繁多，大致可分为四种不同的成因类型，即变余结构、变晶结构、交代结构和变形结构。也有

16、人把变晶结构、交代结构和变形结构统称为变质标型结构,变质岩的结构,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被彻底改造，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。 变余结构总的特点是：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。 （二）变晶结构 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

17、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，如一处甲矿物包裹了乙矿物，另一处则有乙矿物包裹了甲矿物的现象。 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。这与缺少自由生长空间有关。 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（石英、长石、碳酸盐矿物等）多具优选方位，发育波

18、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,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。 交代结构的一般特点是： 矿物颗粒的形态复杂多样，边缘多为港湾状等不规则形状； 矿物粒度变化大； 同种矿物的不同颗粒，甚至同一颗粒的不同部分，其成分、光性等性质变化明显，且这种变化多是渐变的,四）变形结构（动力变质结构） 碎裂结构 由脆性变形形成。主要表现为矿物的压碎和裂开。因压碎和裂开的强度不同，矿物常可分为大小两群碎斑和碎基。碎斑以不规则的破碎边缘、较多的裂隙、波状消光及边缘颗粒化为特征

19、。碎基粒度很小，甚至可是超显微的矿物粉末状。碎粒较为均匀时称碎裂结构；由碎斑和碎基构成时称碎斑结构。 糜棱结构 是岩石在塑性状态下以显微破裂、蠕变、颗粒边界滑动、重结晶等作用形成的一种具糜棱叶理的定向结构。主要特点是：受应变的碎斑分布于细粒至隐晶质基质中，基质含量50%90%，有明显的韧性流动迹象；碎斑颗粒具显微破裂、圆化现象。矿物晶内塑性变形现象很普遍，如波状消光、亚颗粒化、扭折、机械双晶、变形纹等,变质岩的构造,变质岩构造的基本类型及其特征 1、变余构造（残留构造） 变质作用对原岩构造改造不彻底使原岩构造的某些特点得以保留，构成变余构造。常见的有变余层理构造，变余杏仁构造、变余枕状构造、变

20、余流纹构造等,2、变成构造 指变质作用过程中由重结晶和变质结晶作用形成的构造。常见类型有： 斑点状构造 为接触变质初期形成的斑点板岩所特有。特点是岩石中分布一些形状不一、 大小不等的由碳质、铁质物或红柱石、堇青石、云母等的雏晶集合体组成斑点。 板状构造 变质泥岩等柔性岩石受压力作用形成的一种构造。特点是岩石具有相互平行的破裂面（劈理面），如同板状，破裂面上有时有微晶绢云母、绿泥石等矿物，但岩石基本没有重结晶，新生矿物很少。 千枚状构造 是一种低级定向构造。微片理面上因绢云母、绿泥石密集排列而有强烈的丝绢光泽。岩石重结晶程度不高，矿物肉眼难辨，镜下见较多新生矿物如绢云母、绿泥石、微粒石英等密集定

21、向排列，也常呈微褶皱状。 片状构造 岩石中含较多的片柱状矿物，连续定向排列构成片理。片理可较平直、也可成波状弯曲甚至强烈揉皱。岩石重结晶和变质结晶程度较高，肉眼可辨认矿物种类，常发育变斑晶,片麻状构造 岩石主要由粒状浅色矿物组成，少量片状及柱状暗色矿物断续定向排列。或者这些柱状及片状矿物集结成宽度和长度都不大的薄透镜体断续定向排列。 条带状构造 不同变质矿物呈条带状定向分布。 块状构造 岩石中矿物成分和结构都很均匀，不显示定向排列,混合岩的构造 是指混合岩中基体和脉体的空间分布特征及其相互关系。可分为： 带状构造：基体与脉体呈条带状相间分布。 眼球状构造：长英质（主要是碱性长石和石英）呈眼球状

22、团块断续分布于基体中。 网脉状构造：长英质脉体不规则地穿切基体，呈细脉状、分枝状、网状分布。脉体数量较少，宽窄不定，有时尖灭。 角砾状构造：基体被脉体分割包围，呈角砾状。 肠状构造：脉体呈肠状褶曲分布于基体之中。 片麻状构造 基体与脉体界限基本不清，基体,中的暗色矿物断续定向排列。 雾迷状构造 也称阴影状构造、星云状构造。基体与脉体界线完全不清，有时隐约可见被交代的基体的残留轮廓，呈斑杂状或阴影状分布,变质岩的成分特征,变质岩化学成分和化学类型的划分,一、变质岩的化学成分 变质岩是地壳中的先存岩石（岩浆岩、沉积岩及早先的变质岩）经复杂变质作用的产物。因此，其化学成分取决于原岩成分和变质作用的特

23、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。 与岩浆岩、沉积岩相比，变质岩中主要氧化物如sio2、al2o3、fe2o3、feo、mno、mgo、cao、na2o、k2o、p2o5等的变化范围要大，与它们在岩浆岩和沉积岩中变化的总范围相当。 恢复原岩和划分对比变质地层的重要标志之一,等化学系列指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。如基性岩石在区域变质条件下，随着变质程度的增高可出现绿片岩绿帘角闪岩斜长角闪岩斜长辉石岩，构成一个等化

24、学系列。 等物理系列指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。如一个变质相或变质带中的所有岩石,变质岩的五种化学类型,泥质变质岩 源自泥质（铝质）沉积物。 长英质变质岩 包括变质的砂岩（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 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。 基性变质岩 由基性岩浆岩、凝灰岩及含较多的ca、al、fe、mg的不纯泥灰质沉积物变质而成。主要原岩是基性火成岩，包括侵入和喷出的各个种属及化学成分上与之相当的杂砂岩和铁质白云质泥灰岩。 镁质变质岩 源自超基性岩浆岩和绿泥石质及其它富含mg、fe的沉积物。原

25、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 五大类常见岩石中，以泥质和基性岩石对温、压条件的变化最为敏感，有重要的岩石学意义。富钙质和镁质的岩石对温压的变化亦较敏感，长英质岩石则对温压变化不敏感,变质岩的矿物成分 一、变质岩矿物成分的一般特点 1、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。这主要是由变质岩的化学成分范围较宽决定的。 如正常的岩浆岩中石英很少超过50%（一般不超过30%），而在变质岩中石英可高达95%以上。其次，变质岩与岩浆岩矿物成分的差异还与变质岩矿物生成温度比岩浆岩的低有关。

26、如在基性岩浆岩中，辉石远远多于角闪石；而在基性变质岩中，虽然有时也出现辉石，但普通角闪石和绿泥石是普遍的。 2、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。 3、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。 4. 特征变质矿物：刚玉、红柱石、夕线石、蓝晶石、铁铝榴石、十字石、堇青石、白云母 (泥质变质岩中), 钙铝榴石、硅灰石、符山石、透辉石（钙质变质岩类），角闪石类、辉石类（基性变质岩中），滑石、直闪石（镁质变质岩中）等主要出现在变质岩中,二、矿物的化学成分特点（与岩浆岩中对比） 1、变质岩中广泛出现铝的硅酸

27、盐（al2sio5）类矿物，如红柱 石、蓝晶石、夕线石等。 2、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 同象的正硅酸盐（fe,mg）2sio4。 3、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，岩浆岩中只出现钾钠钙的铝硅酸盐类矿物如各种长石。 4、纯钙的硅酸盐如硅灰石（casio3），为变质岩所特有。 5、变质岩中含（oh）的矿物比岩浆岩中多。 6、变质岩中碳酸盐类矿物分布广泛,三、矿物的内部结构和其它特点 1、变质岩中层状、链状结构的矿物（绿泥石、云

28、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 岩中的同类矿物为大。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710。 2、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。 3、变质岩中同质多象（多形）矿物发育，如红柱石、蓝晶石、 夕线石。 4、斜长石的环带结构在变质岩中较为少见。 5、变质岩中矿物的变形象发育,原岩是变质岩的物质基础，变质岩的矿物成分首先取决于原岩的化学成分。如果变质作用过程中不伴随明显的交代作用，则一定化学类型的变质岩与一定的矿物成分相对应。反过来说

29、，研究岩石的矿物成分则可推断岩石的化学类型。不仅对相同变质条件下形成的变质岩是如此，对所有非交代成因的变质岩来说也是如此,五大化学类型的化学 成分和矿物成分特点,本部分学生自学自学,1、泥质变质岩 化学成分特点是al2o3、k2o含量高。k2o的过剩和不足对矿物组合影响很大。据此可分为两个亚类： al2o3过剩（k2o不足）的泥质变质岩：原岩为高岭石粘土岩、蒙脱石粘土岩等。变质岩矿物成分特点是含富铝矿物，中低温时无钾长石，高温时（高角闪岩相、麻粒岩相、辉石角岩相等）出现钾长石。 k2o过剩（al2o3不足）的泥质变质岩：原岩为水云母粘土岩类。矿物成分特点是含钾长石，中低温时无富铝矿物，高温时出现富铝矿物（夕线石、堇青石、石榴石等,2、长英质变质岩 该类岩石的化学成分与泥质变质岩的明显差别是sio2含量高，通常k2o过剩、al2o3不足。其矿物成分以石英、长石为主，矿物组合与k2o过剩的泥质变质岩相同。 3、钙质变质岩 化学成分特点是cao含量高，可含一定量的mgo、feo、al2o3、sio2，变化范围大。 矿物成分以碳酸盐矿物（方解石、白云石等）和钙镁硅酸盐矿物（硅灰石、透辉石、阳起石、透闪石等）为主，可含一定量钙铝硅酸盐矿物（绿帘石、方柱石、钙质斜长石、钙铝钙铁榴石、符山石等