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1、变质岩的特征、分类与形成过程任何岩石当所处环境不同于形成时期时，岩石成分、结构和构造往往也要变化，使岩石和环境达到新的平衡，总称变质作用。变质作用不同于风化作用，变质在超高的温度、压力下进行，风化是常温、常压下，在风化带或胶结带进行。变质作用不同于岩浆作用，变质在温度升高中保持固态，岩浆在熔融态进行冷凝。但自然界地质作用并不都截然分开，存在过渡状态。变质作用形成变质岩。火成岩形成的变质岩称正变质岩;沉积岩形成的变质岩称副变质岩。变质岩受原岩控制，有继承性；但变质作用类型、程度不同，矿物成分、构造有新特征。变质岩广泛分布。特别是前寒武纪地层，绝大部分都是变质岩。古生代及其后的岩层，岩浆体周围和断
2、裂带附近也有变质岩。变质岩含丰富的金属和非金属矿，如世界铁矿储量的70%储藏于前寒武纪古老变质岩中。一、变质作用的因素岩石所处环境的物理和化学条件改变。物理条件指温度和压力，化学条件指岩浆中析出的气体和溶液。变化主要源于构造运动、岩浆活动和地下热流，因此变质作用属于内力作用。(一)温度温度是热能的表现。引起岩石变质的热能主要有3个来源:a.构造运动，地壳下降使岩层沉到地下深处，受地热影响;b.岩浆活动，与侵入岩浆接触的围岩受岩浆热能影响;c.岩石构造变形、断裂，岩石受机械摩擦热影响。温度是变质作用最积极因素，使岩石如下变化:一、重结晶作用。岩石中矿物晶体活力增强，质点重新排列，晶粒变粗。如石灰
3、岩重结晶为大理岩，重结晶前后岩石的化学和矿物成分基本不变。二、产生新矿物。岩石受热促进矿物化学反应，重新组合结晶成新矿物。实际也是重结晶。如高岭石和其他黏土矿在高温下形成红柱石和石英:H2AlSi+Al2SiSiO22H2O又如硅质石灰岩高温下，SiO2和CaCO3重结晶成硅灰石:CaCO3+SiOCaSiO3+co2变质作用温度的上下限说法不一致，有水流体存在时上限约700900，下限150200。(二)压力变质岩中最重要现今出露地表的变质岩多是在压力0.11.0GPa，相当于深度335km范围内形成。地壳中岩石受2种压力作用:一是静压力(围压)，有均向性，如岩石处于地下，就受上覆和周围岩石
4、的力，所处部位越深，静压力越大。静压力作用下，岩石中矿物往往重结晶成体积减小而密度增大的新矿物，以适应新存在环境。如基性岩中的钙长石(密度2.76)和橄榄石(密度3.3)在高压下形成石榴子石(密度3.54.3):CaAl2Si2O+(Mg,Fe)SiO+Ca(Mg,Fe)=Al_ SiO2如计算3矿物的分子体积(分子量/密度)，则钙长石为101.1，橄榄石为43.9，石榴子石为121，前二者之和为145，与石榴子石之差为24。另一种是侧向压力(应力)，当岩石受挤压、断裂或岩浆侵入，使它变形、破碎；也可使它重结晶，岩石中片状或柱状矿物在垂直于应力方向生长、拉长或压扁，形成明显的定向排列，使岩石具
5、各种片理构造。(三)化学因素岩石所处的化学环境变化也可引起岩石变质。如岩石处于地下深部或被岩浆侵入，岩浆析出水汽、挥发性组分及热水溶液，产生化学反应，形成新变质矿物。如白云岩或菱镁矿等在热水作用下形成滑石:3MgCO3+4SiO2+H20Mg2SiOOH+3CO2又如石灰岩在挥发组分作用下，可形成钙铁石榴子石。上述各变质因素常共同作用，如重结晶作用不仅在一定温度下，且在一定压力下才进行，但某一因素起主导。有些岩石变质主要是热力条件变化引起；有些主要是压力；有些由化学性质活泼的气体或溶液引起;有些由复杂因素，如低压高温或高压低温、高压高温引起，产生不同的变质结果。因素必须通过岩石起作用。不同岩石
6、在相同条件下有不同的变质结果。如同样热力条件下，石灰岩变成大理岩，砂岩变成石英岩。相同岩石不同条件下有不同变质结果。同是石灰岩，单纯温度影响产生大理岩，即方解石由细粒重结晶成粗粒；若岩浆侵入接触，产生交代作用，形成新变质矿物。二、变质岩的特征主要2点:一、岩石重结晶明显。二、岩石有特定结构和构造，如一定压力下矿物重结晶，形成片理构造。变质岩和火成岩相比，都具结晶结构，但变质岩有典型的变质矿物，有些具片理构造，火成岩无。变质岩和沉积岩相比区别更明显。沉积岩具层理构造，常含生物化石，而变质岩少有(但沉积岩变质程度较浅时可能有)。除化学岩和生物化学岩外，沉积岩都不具结晶粒状结构，变质岩则多是重结晶岩
7、石，但结晶程度不同。(一)变质岩的矿物一般能辨认成分。部分矿物在其他岩石中也存在，如石英、长石、云母、角闪石及方解石、白云石。或是从变质前的岩石中保留的稳定矿物;或是变质过程中新产生。部分矿物是变质过程中新产生的，如石榴子石、蓝闪石、绢云母、绿泥石、红柱石、透闪石、滑石、硅灰石、蛇纹石、石墨。在特定环境下形成且稳定，可作鉴别变质岩的标志矿物。变质岩中的矿物常在一定压力下重结晶形成，矿物排列多具定向性，形态具延长性，甚至石英和长石这类矿物，也常形成长条状。(二)变质岩的结构1.变晶结构变质岩是原岩重结晶而成，具晶质结构，称变晶结构。变质岩的变晶结构和火成岩的晶质结构，成因和形态都不同。变质岩是固
8、态条件下各矿物同时重结晶而成，矿物颗粒多为他形和半形，自形程度反映结晶力强弱，结晶力越强，自形程度越好，且矿物排列常具有明显定向性。火成岩在熔融岩浆逐渐冷却中，各种矿物按一定顺序结晶而成，矿物晶粒自形程度反映结晶的顺序，且火成岩中除部分矿物表现流线、流面构造外，一般不具定向排列。根据矿物颗粒大小、形态，变晶结构分如下种:(1)粒状变晶:又称花岗变晶(图3-82)。特征：岩石主要由长石、石英或方解石等粒状矿物组成，颗粒大小相近，多呈他形，互相镶嵌很紧，矿物颗粒接触线呈多边、浑圆形或锯齿状，定向排列不明显，呈块状。根据矿物颗粒粗细又可分为粗粒(3mm)、中粒(13mm)、细粒(1mm)等变晶结构。
9、(2)斑状变晶结构。特征：个体较小的矿物集合体(基质)中，分布有较大的矿物晶体(变斑晶)(图3-83)。与火成岩中的斑状结构相似，但成因、特点不同。斑状变晶结构的变斑晶与基质在变质过程中，固态下，基本同时形成，但变斑晶的结束时间比基质稍晚。变斑晶多是结晶能力较强的矿物，如石榴子石、蓝晶石、红柱石、磁铁矿等。火成岩的斑状结构中，斑晶和基质矿物都从岩浆中结晶，斑晶比基质矿物结晶时间早。(3)鳞片状变晶结构:云母、绿泥石、滑石等片状矿物组成，矿物常平行排列，成片理，称鳞片状变晶结构。千枚岩、片岩为此(图3-84)。由柱状、纤维状矿物(角闪石、蛇纹石、红柱石等)组成的岩石，称纤维状变晶结构。有时无定向
10、分布成块状构造。有时束状集合体出现称蒿束结构。有时放射状结构。(4)角岩结构：细粒粒状变晶结构，其矿物颗粒彼此紧密镶嵌，不呈定向排列，岩石常具块状构造。它是热接触变质而成的角岩的特征结构。2. 碎裂结构即压碎结构。岩石在应力作用下矿物颗粒破碎成外形不规则的带棱角碎屑，边缘常呈锯齿状，常有裂隙及扭曲变形。是动力变质岩常有结构。3.变余结构变质岩中残留的原来岩石的结构，如变余斑状、砾状结构。可帮助恢复变质前的岩石种类。(三)变质岩的构造1.片理构造岩石中矿物定向排列，是变质岩中最常见、最有特征的构造。矿物平行排列所成的面称片理面，形态可以是平面，也可是曲面。片理面可平行于原岩层面，也可斜交。岩石易
11、沿片理面劈开。根据矿物的组合和重结晶程度，片理构造又分5类:(1)片麻构造:较粗的粒状矿物(如长石、石英)组成，又有柱状、片状矿物(如角闪石、黑云母、白云母)在粒状矿物中定向排列且不均匀，形成断续条带状构造(图3-85)。如暗色柱状、片状矿物分布于浅色粒状矿物中，则黑白相间的片麻构造更明显，如各种片麻岩。(2)片状构造：狭义片理构造。主要由粒度较粗的柱状或片状矿物(云母、绿泥石、滑石、石墨等)组成，平行排列，成连续片理构造，片理面常有波状起伏，如各种片岩。(3)千枚构造:细小片状矿物定向排列所成，和片状构造相似，但晶粒微细，不易肉眼辨别，片理面常具丝绢光泽，如各种千枚岩。(4)板状构造:岩石中
12、微小晶体定向排列所成的板状劈理构造。板理面平整光滑，微有丝绢光泽，沿劈理可形成均匀薄板。板状构造或代表原来岩石的板状层理；或是原岩在应力作用下形成的板劈理，可能和原来层理一致，也可能斜交。板状构造是板岩特有。(5)条带状构造:变质岩中浅色粒状矿物(长石、石英、方解石)和暗色片、柱或粒状矿物(角闪石、黑云母、磁铁矿)定向交替排列所成。以一定宽度呈互层状出现，形成颜色不同的条带。有的条带构造是由原来岩石的层理构造残留而成；更多的是暗色呈片理构造的部分被浅色岩浆物质顺片理贯入而成，混合岩常如此。2、块状构造岩石中矿物颗粒无定向排列而表现的均一构造。如部分大理岩、石英岩。3.变余构造变质作用后残留下来
13、的原岩构造。在浅变质岩中可以见变余层理、变余气孔、变余杏仁、变余波痕构造等，是恢复原岩类型和产状的标志。三、变质作用类型与变质岩因变质作用的因素和方式不同，形成不同岩石。(一)动力变质作用1.概念岩层受构造运动产生的强烈应力作用，岩石及其组成矿物变形、破碎，常伴随重结晶作用，称动力变质。变质因素以机械能及其转变的热能为主，常沿断裂带呈条带分布。构造运动性质、强度、原岩特征不同，形成动力变质岩分断层角砾岩、碎裂岩、糜棱岩，是判断断裂带的标志。2.动力变质作用形成的岩石(1)断层角砾岩:即压碎角砾岩、构造角砾岩。原岩经构造作用破碎产生的角砾胶结而成。角砾大小不等，具棱角，岩性与断层两侧岩石相同，被
14、成分相同的微细碎屑及后生水溶液中的物质胶结。(2)碎裂岩:岩石受强烈应力作用，形成较小的碎屑或矿物碎屑所成，有时具新生矿物，如绢云母、绿泥石。岩石碎屑中残留较大的矿物碎块，形如斑晶，称碎斑结构。(3)糜棱岩:岩石受强烈挤压形成粒度较小的矿物碎屑(15%)，称斜长角闪岩;如浅色矿物以石英为主，称角闪片岩。角闪岩是基性、中性、富铁白云质泥灰岩的中高温区域变质产物。(8)变粒岩:长石和石英为主的区域变质岩，长石主为钠长石、中酸性斜长石，含量大于石英；暗色矿物一般少于30%，主为黑云母、普通角闪石、透闪石、电气石、磁铁矿。具细粒等粒粒状变晶结构(粒度0.5mm);常具微细片理或条带状构造。粒度增大时可
15、过渡为片麻岩，片、柱状矿物(暗色)10%称浅粒岩。粒变岩是半黏土质岩石、粉砂岩、中酸性火山岩及凝灰岩经中级变质产物。(9)麻粒岩:高温高压下形成的区域变质岩，温度700900，压力0.71.2GPa，相当于地下2540km的深度。浅色矿物主为斜长石，有时含石英，暗色矿物主为基本不含水的矿物，如紫苏辉石、透辉石，有时含黑云母、普通角闪石、石榴子石。具中粗粒花岗变晶结构，片理构造不清楚，块状构造。暗色矿物含量少于 30%称浅色麻粒岩或酸性麻粒岩；含量若大于30%(可达85%)，称暗色麻粒岩或基性麻粒岩。麻粒岩是变质程度最深的岩石，成因是原先位于地壳上部的岩石因构造运动而逐渐埋藏到地下深处，受高温变
16、质作用而成。20世纪70年代以后，有地质学家认为是上地幔派生的岩浆，上升侵入地壳底部，在高温高压下变质而成。还有一种看法，原岩是洋壳板块俯冲至地壳深处熔融的产物。麻粒岩广泛分布于太古宙古老地层中，常富含金、银、铬、镍、铂、铜、铅、硼、石墨、压电石英、宝石、云母、金红石、磷灰石等矿产。(10)榴辉岩:是典型的高压变质岩。矿物成分为绿辉石和石榴子石，可含石英、蓝晶石、橄榄石，但不含长石。岩石颜色深，相对密度大，粗粒不等粒变晶结构，块状构造。产状和成因复杂，或在金伯利岩中呈包体产出；或在橄榄岩中呈条带产出；或在高压变质带蓝片岩中出现。榴辉岩是地幔物质在一定深度的结晶产物或地幔岩石熔融的残留体；或玄武
17、岩质岩浆在高压下结晶;还有人认为是地壳深部岩石变质的产物。榴辉岩形成压力极高，约1.11.5GPa，最高可达3.0 GPa;形成温度范围宽，约450750。(四)区域混合岩化作用1.概念简称混合岩化。是区域变质作用进一步发展，变质岩向混合岩浆转化并形成混合岩的作用。混合岩化作用的方式有二:一是重熔，区域变质，地壳内部热流使岩石温度继续升高到700左右，不需外来物质参与，就可使一部分固态岩石选择性重熔，首先是低共熔点的长石和石英熔化成液相，称重熔作用。这种作用产生的岩浆，称重熔岩浆。重熔岩浆与已变质的岩石混合岩化，形成不同类型的混合岩。二是再生作用，混合岩化中，需外来物质参与，有由地下深部上升的
18、热液(“岩汁”)，富含钾、钠、硅和水等化学活动性和渗透能力极强的物质，渗透交代，与已变质的岩石反应，某些物质熔化。此作用形成的岩浆称再生岩浆。再生岩浆与已变质岩石混合岩化，形成各种混合岩。实际两种方式均可存在。区域变质过程中，地下深处常伴随重熔和再生作用，使岩石受流体相物质渗透、注入、重结晶、混合交代等复杂变质作用，使岩石矿物成分、结构、构造深刻改变，生成特殊类岩石，总称混合岩。混合岩是变质岩向花岗岩过渡的岩石，常达到很大规模。混合岩由两部分组成。一为基体，暗色矿物多，代表原变质岩成分;一为脉体，由浅色长石、石英组成(结构变化大,由细晶、花岗到伟晶状,有时具片麻状构造)，脉体代表混合岩化作用过
19、程中新生物质。混合岩化作用较弱时，基体和脉体常呈条带状，脉体有时在基体中呈数枝状、眼球状(图3-88);若混合作用较强，两者界线变得不清楚，并逐渐消失；混合岩化最强烈时，可形成花岗岩或花岗质岩石，不管形成方式如何，形成花岗岩或花岗质岩石的作用统称为花岗岩化，形成的岩石称混合花岗岩。有人认为原变质岩由于地壳深部热液(岩汁)渗透交代，在固态下(不必经过重熔和再生作用)即可原地形成混合花岗岩。花岗岩是分布最广的火成岩，但一大部分花岗岩并非地下岩浆侵入冷凝成，而是花岗岩化或混合岩化作用的结果。2.区域混合岩化作用形成的岩石(1)混合岩:形态结构多样，形成条件复杂。如脉体平行于基体的片理分布，两者呈深浅
20、相间的条带状，称条带状混合岩，又名顺层混合岩。一般认为是脉体物质顺原岩的片理、片麻理注入而成。有时脉体呈树枝状，称树枝状混合岩；有时呈网状，称网状混合岩；有时呈眼球状或串珠状，称眼球状混合岩(图3-88)。所谓“眼球”，是纺锤形的钾长石晶体或长石和石英的集合体，顺基体片理或片麻理方向排列，主要由注入交代作用形成。有时脉体在基体中呈肠状褶皱，称肠状混合岩(图3-89)。说明脉体在注入、交代过程中伴随变质岩的塑性变形。有时基体片理不发育，被脉体分割成大小不同的角砾状，称角砾状混合岩。 若基体中暗色矿物集中成大小不一的团块或斑点，远看呈云雾状，与脉体界线不清，称阴影状混合岩。(2)混合花岗岩：混合岩
21、化作用最强的产物，基体脉体无法分辨，矿物成分相当于花岗岩或花岗闪长岩。混合花岗岩常与各种混合岩共生，一般无明确界线;岩石中往往残留原岩的片理、片麻理；岩性成分、结构和构造常有局部变化；并不具有岩浆成因的花岗岩那样的岩相分带、围岩蚀变现象。四、有关变质岩的几个问题(一)变质强度岩石所处的温度、压力不同，岩石变质的程度不同，又叫变质强度或变质等级。过去认为变质作用强度与温度、压力有关，温度、压力与深度有关。岩石深度越大，所受改造程度越深。区域变质带分浅、中和深变带。变质过程中温度起主导作用，按温度高低把变质作用分为三级，即低、中和高级。那么反映岩石变质强度的标志是什么呢?起初人们认为变质岩的粒度是
22、判断变质强度的主要标志。因此板岩和千枚岩是浅变带或低级变质，片岩是中变带或中级变质，片麻岩是深变带或高级变质的岩石。这在有些情况下，如接触带由非晶质或隐晶质岩石变为显晶质岩石时，大体符合实际。但影响岩石变质的条件非常复杂，不仅有低温低压、中温中压和高温高压，也有低温高压、高温低压等情况，仅用深度来概括各种物理条件不够。且影响变质岩粒度的因素也不仅是温度和压力，另外还有应力(定向压力)和流体状况。根据野外观察及模拟实验，有些片岩的形成温度和压力比片麻岩还高。人们设法研究新的鉴别变质强度的标准。设想一定成分的原岩在一定的温度压力和没有物质的带入带出情况下，化学反应达到平衡时，应形成一定的矿物成分。
23、因此20世纪初有人用标志矿物作为划分变质强度由低到高的根据，划分出绿泥石带、黑云母带、铁铝石榴子石带矽线石带等变质带。但这种简单的变质带划分并不完全符合自然界的复杂情况。因为不同地区原岩成分不同，温度压力条件不同，形成的变质带也不同。因此20世纪90年代以来人们不强调变质带的概念，而是注意一定温度压力条件下不同的岩石都按其化学成分形成相应的矿物组合。这种矿物组合及其代表的物理条件，称变质相。变质相是根据温度、压力范围出现的代表性矿物组合或相当于该矿物组合的特征性岩石命名，如蓝片岩相(代表高压低温)、麻粒岩相(代表中高压和高温条件)、榴辉岩相(代表高压和高温条件)。(二)变质作用和地壳演化的关系
24、变质作用不是孤立地岩石与周围物理化学条件变化，而是和地壳的演化过程紧密联系。20世纪90年代以来人们注意到这样的事实:1.大面积区域变质作用的时空分布规律(1)变质岩在前寒武纪古老地块(地盾、地台)以大面积的面状分布为主，范围可达上万平方千米;从古生代以来则只呈线状展布于各褶皱山脉。表明变质作用在古生代以前和以后有明显区别。(2)前寒武系特别是太古宙的岩石普遍变质，有的变质程度很深，反映出地壳演化的古老阶段地热流高，温度影响突出。但前寒武系变质岩中可以见到低温-中、高压的浅变质相(绿片岩相)，也可见到高温-中、高压(麻粒岩相)的深变质相，这种横向分布的不均一性说明地壳在太古宙已有活动带与不活动
25、带的区别。前寒武纪的岩石大部分变质，想恢复这一阶段地壳的演化历史困难，如弄清楚前寒武系变质相的分布规律，有助于重塑历史。(3)古生代以来的区域变质主要分布于各褶皱带，其外很少变质，说明从古生代以后只有地壳活动带或造山带才有较高的地热流，导致褶皱带的岩石发生区域变质。(4)较新的(中、新生代)褶皱带常有代表低温一高压的蓝片岩相，而在较老的(古生代)褶皱带中少见，标志着地壳的地热流有逐渐降低的趋势。2.变质作用和岩浆作用的关系大陆型地壳的硅铝层以花岗岩为代表，而花岗岩的分布面积常纵横数万平方千米，若仅从岩浆的深成侵入来解释，必须存在如此庞大的侵入空间，实际不可思议。发现变质作用到混合岩化及花岗岩化
26、作用，原地经各种方式的重熔或再生就可交代形成混合花岗岩，阐明了变质作用和岩浆作用的内在联系及地壳演化过程。变质作用不仅是某一特定地区的孤立现象，也是地壳发展阶段的有机组成部分。3.变质作用和整个地壳演化的关系20世纪90年代以来发现各种变质相的变质带常有规律的分布，如太平洋西岸岛弧带，普遍发育2条变质带。岛弧外侧有一条高压低温(高压相系)变质带，以蓝片岩相为代表；岛弧内侧有一条低压高温(低压相系)变质带，通称双变质带。这种分布规律不是偶然，而是与地壳演化过程有关。当前认为双变质带是地球岩石圈板块活动的结果，而板块构造学说解释全球构造，变质作用是地壳演化过程中的现象。三大类岩石都在特定地质条件下形成，但它们成因紧密联系。追溯到遥远年代，岩浆活动十分强烈，地壳中首先出现的岩石是由岩浆凝固而成的。但自从地壳出现大气圈和水圈，各种外力因素开始对地表岩石一方面破坏，一方面建造，形成沉积岩。然而任何岩石都不能回避自然界的改造，一定条件下又出现变质岩，表明三大类岩石存在相互转化关系。“新陈代谢是宇宙间普遍的永远不可抵抗的规律。依事物本身的性质和条件，经过不同的飞跃形式，一事物转化为他事物，就是新陈代谢”。学科网（北京）股份有限公司