變質岩

變質岩

變質岩,三大岩類的一種,是指受到地球內部力量(溫度、壓力、應力的變化、化學成分等)改造而成的新型岩石。固態的岩石在地球內部的壓力和溫度作用下,發生物質成分的遷移和重結晶,形成新的礦物組合。如普通石灰石由于重結晶變成大理石。

  • 中文名稱
    變質岩
  • 外文名稱
    metamorphic rock
  • 內部力量
    溫度、壓力、應力的變化
  • 性質
    一種轉化的岩石
  • 作用
    組成地殼
  • 特征變質礦物
    藍晶石、紅柱石、矽線石

基本簡介

變質岩

變質岩,英文名稱為metamorphic rock,是一種轉化的岩石。變質岩是在高溫高壓和礦物質的混合作用下由一種岩石自然變質成的另一種岩石。質變可能是重結晶、紋理改變或顏色改變。

變質岩是在地球內力作用,引起的岩石構造的變化和改造產生的新型岩石。這些力量包括溫度、壓力、應力的變化、化學成分。固態的岩石在地球內部的壓力和溫度作用下,發生物質成分的遷移和重結晶,形成新的礦物組合。如普通石灰石由于重結晶變成大理石

變質岩是組成地殼的主要成分,一般變質岩是在地下深處的高溫(要大于150℃)高壓下產生的,後來由于地殼運動而出露地表。

基本分類

一般變質岩分為兩大類,一類是變質作用作用于岩漿岩(即:火成岩),形成的變質岩成為正變質岩;另一類是作用于沉積岩,生成的變質岩為副變質岩。

大面積變質的岩石為區域性的,但也有局部性的,局部性的如果是因為岩漿涌出造成周圍岩石的變質稱為接觸變質岩;如果是因為地殼構造錯動造成的岩石變質為動力變質岩。

原岩受變質作用的程度不同,變質情況也不同,一般分為低級變質、中級和高級變質。變質級別越高,變質程度越深。如沉積岩粘土質岩石在低級作用下,形成板岩;在中級變質時形成雲母片岩;在高級變質作用下形成片麻岩。

岩石在變質過程中形成新的礦物,所以變質過程也是一種重要的成礦過程,中國鞍山的鐵礦就是一種前寒武紀火成岩形成的一種變質岩,這種鐵礦佔全世界鐵礦儲量的70%。此外如錳鈷鈾共生礦、金鈾共生礦、雲母礦、石墨礦、石棉礦都是變質作用造成的。

變質岩是組成地殼的主要岩石類型之一。在變質作用中,由于溫度、壓力、應力和具有化學活動性流體的影響,在基本保持固態條件下,原岩的化學成分、成分和結構構造發生不同程度的變化。變質岩的主要特征是這類岩石大多數具有結晶結構、定向構造(如片理、片麻理等)和由變質作用形成的特征變質礦物如藍晶石、紅柱石、矽線石、石榴石、硬綠泥石、綠簾石、藍閃石等。

形成原因

在自然界中,我們可以見到積雪在自身重壓作用下,它的底層會轉化成凍的現象。松軟的雪和堅固的冰在成分上是一樣的,但結構卻是不同的。變質岩的形成過程和雪轉化成凍的過程是相似的。具體說來就是地殼中已經形成的岩石因受溫度、壓力及化學活動性流體的影響,其原岩組分、礦物組合、結構、構造等發生轉化即形成多種不同類型的變質岩,這種轉變基本是在固態下完成的,這種變化我們就稱之為變質作用。變質岩就是由變質作用所形成。

化學成分

與原岩的化學成分有密切關系,同時與變質作用的特點有關。在變質岩的形成過程中,如無交代作用,除H2O和CO2外,變質岩的化學成分基本取決于原岩的化學成分;如有交代作用,則既決定于原岩的化學成分,也決定于交代作用的類型和強度。變質岩的化學成分主要由SiO2Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、CaO、MgO、K2O、Na2O、H2O、CO2以及TiO2、P2O5等氧化物組成。由于形成變質岩的原岩不同、變質作用中各種性狀的具化學活動性流體的影響不同,變質岩的化學成分變化範圍往往較大。例如,在岩漿岩(超基性岩-酸性岩)形成的變質岩中,SiO2含量多為35~78%;在(石英砂岩、矽質岩)形成的變質岩中,SiO2含量可大于80%;而原岩為純石灰岩時,則可降低至零。在變質作用中,絕對的等化學反應是沒有的,在變質反應過程中,總是有某些組分的帶出和帶入,原岩組分總是要發生某些變化,有時則非常顯著。在通常的變質反應中,經常發生礦物的脫水和吸水作用、碳酸鹽化和脫碳酸鹽化作用。這些過程,除與溫度、壓力有關外,還和變質作用過程中H2O和CO2的性狀有關,其他化學組分,在不同的溫度、壓力以及外界組分的影響下,常表現出不同程度的活動性。例如,在接觸交代變質作用過程中,在侵入體和圍岩之間,通過雙交代作用可形成。在區域變質作用過程中,岩石化學組分的穩定程度,有時可用化合物(矽酸鹽、氧化物、硫化物等)的生成熱來表示。一般說,生成熱越高,這一化合物也越穩定。硫化物的生成熱是較低的,氧化物和矽酸鹽的生成熱比硫化物高。因此,在區域變質作用過程中,當溫度升高時,親石元素(包括主要造岩元素K、Na、Fe、Mg、Al、Si)保持其穩定;而親銅元素則根據它們本身的特徵,呈現出不同的活動性。這一情況也部分地解釋了在區域變質作用過程中,岩石的主要造岩元素可以保持不變或稍有變化的原因。

結構構造

變餘結構

是由于變質結晶和重結晶作用不徹底而保留下來的原岩結構的殘餘。用首碼“變餘”命名,如變餘砂狀結構、變餘輝綠結構、變餘岩屑結構等,根據變餘結構、可查明原岩的成因類型。

變晶結構

是岩石在變質結晶和重結晶作用過程中形成的結構,常用尾碼“變晶”命名,如粒狀變晶結構、鱗片變晶結構等。按礦物粒度的大小、相對大小,可分為粗粒(>3毫米)、中粒(1~3毫米)、細粒(<1毫米)變晶結構和等粒、不等粒、斑狀變晶結構等;按變質岩中礦物的結晶習性和形態,可分為粒狀、鱗片狀、纖狀變晶結構等;按礦物的交生關系,可分為包含、篩狀、穿插變晶結構等。少數以單一礦物成分為主的變質岩常以某一結構為其特征(如以粒狀礦物為主的岩石為粒狀變晶結構、以片狀礦物為主的岩石為鱗片變晶結構),在多數變質岩的礦物組成中,既有粒狀礦物,又有片、柱狀礦物。因此,變質岩的結構常採用復合描述和命名,如具斑狀變晶的中粒鱗片狀變晶結構等。變晶結構是變質岩的主要特征,是成因和分類研究的基礎。

交代結構

是由交代作用形成的結構,用首碼“交代”命名,如交代假象結構,表示原有礦物被化學成分不同的另一新礦物所置換,但仍保持原來礦物的晶形甚至解理等內部特點;交代殘留結構,表示原有礦物被分割成零星孤立的殘留體,包在新生礦物之中,呈島嶼狀;交代條紋結構,表示鉀長石受鈉質交代,沿解理呈現不規則狀鈉長石小條等。交代結構對判別交代作用特征具有重要意義。

碎裂結構

是岩石在定向應力作用下,發生碎裂、變形而形成的結構,如碎裂結構、碎斑結構、糜棱結構等。原岩的性質、應力的強度、作用的方式和持續的時間等因素,決定著碎裂結構的特點。

變質岩構造按成因分為:①變餘構造,指變質岩中保留的原岩構造,如變餘層理構造、變餘氣孔構造等;②變成構造,指變質結晶和重結晶作用形成的構造,如板狀、千枚狀、片狀、片麻狀、條帶狀、塊狀構造等。

常見岩種

①接觸變質作用。這是由岩漿沿地殼的裂縫上升,停留在某個部位上,侵入到圍岩之中,因為高溫,發生熱力變質作用,使圍岩在化學成分基本不變的情況下,出現重結晶作用和化學交代作用。例如中性岩漿入侵到石灰岩地層中,使原來石灰岩中的碳酸鈣熔融,發生重結晶作用,晶體變粗,顏色變白(或因其他礦物成分出現斑條),而形成大理岩。從石灰岩變為大理岩,化學成分沒有變,而方解石的晶形發生變化,這就是接觸變質作用最普通的例子,又如頁岩變成角岩,也是接觸變質造成的。它的分布範圍局部,附近一定有侵入體。

②動力變質作用。這是由于地殼構造運動所引起的、使局部地帶的岩石發生變質。特別是在斷層帶上經常可見此種變質作用。此類受變質的岩石主要是因為在強大的、定向的壓力之下而造成的,所以產生的變質岩石也就破碎不堪,以破碎的程度而言,就有破碎角礫岩、碎裂岩、糜棱岩等等。好在這些岩石的原岩容易識別,故在岩石命名時就按原岩名稱而定,如稱為花崗破裂岩、破碎斑岩等。

③區域變質作用。分布面積很大,變質的因素多而且復雜,幾乎所有的變質因素——溫度、壓力、化學活動性的流體等都參加了。凡寒武紀以前的古老地層出露的大面積變質岩及寒武紀以後“造山帶”內所見到的變質岩分布區,均可歸于區域變質作用類型。例如本章開頭提到的泰山及五台山所見的變質岩,均為區域變質作用所產生。就岩石而言,包括板岩、千枚岩、片岩、大理岩與片麻岩等。 

④混合岩化作用。這是在區域變質的基礎上,地殼內部的熱流繼續升高,于是在某些局部地段,熔融漿發生滲透、交代或貫入于變質岩系之中,形成一種深度變質的混合岩,是為混合岩化作用。也就是說,在區域變質作用所產生的千枚岩、片岩等,由于熔融漿的滲透貫入而成混合岩。此外,尚有不大常見的氣體化水熱變質作用,復變質作用。其實,對于野外地質旅行者來說,最常見的變質作用還是接觸變質和區域變質兩大類,其次是混合岩化作用。因此,熟悉變質岩的名稱,也就圍繞這些變質作用有關的變質岩就足夠了,茲簡述如下。

板岩 具板狀構造的變質岩,由黏土岩類、黏土質粉砂岩和中酸性凝灰岩變質而來。屬于區域變質作用中的輕度變質的岩石。

變質岩

千枚岩 具有千枚狀構造的變質岩,原岩類型與板岩相似,在其片理面上閃耀著強烈的絲絹光澤,並往往有變質斑晶出現。

片岩 片理構造十分發育,原岩已全部重新結晶,由片狀、柱狀、粒狀礦物組成,具鱗片、纖維、斑狀變晶結構,常見的礦物有雲母、綠泥石、滑石、角閃石、陽起石等。粒狀礦物以石英為主,長石次之。片岩是區域變質岩系中最多的一類變質岩。片岩的種類頗多,其命名則根據所含的變質礦物和片狀礦物的顯著分量而定,例如雲母片岩、滑石片岩、角閃石片岩等等,另外,常用綠色片岩之名,系由中性和基性的火山岩、火山碎屑岩等變質而來。

片麻岩 具片麻狀或條帶狀構造的變質岩。原岩不一定全是岩漿岩類,有黏土岩、粉砂岩、砂岩和酸性、中性的岩漿岩。具粗粒的鱗片狀變晶結構。其礦物成分主要由長石、石英和黑雲母、角閃石組成;次要的礦物成分則視原岩的化學成分而定,如紅柱石、藍晶石、陽起石、堇青石等等。片麻岩的進一步命名,根據礦物成分,如花崗片麻岩、黑雲母片麻岩。片麻岩是區域變質作用中頗為常見的變質岩。

角閃岩 主要由斜長石和角閃石組成的變質岩。其原岩是基性火成岩和富鐵白雲質泥岩。具粒狀變晶結構,塊狀微顯片理構造。

麻粒岩 是一種顆粒較粗、變質程度較深的岩石,基本上由淺色的石英、斜長石、鐵鋁榴石、輝石等礦物組成,無雲母、角閃石。具粒狀變晶結構,塊狀或條帶狀構造。石英岩:幾乎整個岩石均由石英組成,淺色、粒狀。一般作塊狀構造,粒狀變晶結構。它是由較純的砂岩或矽質岩類經區域變質作用,重新結晶而形成。有時,有人將沉積岩中由較純凈的石英顆粒組成的岩石也稱石英岩,與變質岩類的石英岩混淆不清,雖然就化學成分或礦物成分來看,兩者很難分開,但變質岩類的結構要致密些,稱石英岩;而沉積成因者,顆粒清晰,致密程度稍差,故為了區別起見,稱之為石英砂岩。

變質岩

大理岩 碳酸鹽岩石經重結晶作用變質而成,具粒狀變晶結構。塊狀或條帶狀構造,由于它的原岩石灰岩含有少量的鐵、、矽等雜質,因而在不同條件下,形成不同特征的變質礦物,出現蛇紋石、綠簾石、符山石、橄欖石等,于是在潔白的質地上,襯托出幽雅柔和的色彩,構成天然的圖案花紋,給人們想像出一幅又一幅詩情畫意的圖卷,文人墨客在它們的加工石面上取出許多逗人喜愛的景名——瀟湘夜雨、千峰夕照、平沙落雁等等。因而大理石就成為高級的建築石材,或成為高級家具的裝飾性鑲嵌材料。而潔白的細粒狀的大理石,俗稱漢白玉,也是工藝雕刻或富麗堂皇的建築材料。大理岩見于區域變質的岩系中,也有不少見于侵入體與石灰岩的接觸變質帶中。

變質岩

角岩 這是一類由泥質岩(以黏土礦物為主的頁岩之類)在侵入體附近由接觸變質作用而產生的變質岩。顏色呈深暗或灰色,硬度比原岩顯著增加,故多有將角岩製成硯或其他工藝品,如在蘇州靈岩山、寒山寺等旅遊區出售的硯石,即利用產于靈岩山花崗岩體附近的角岩所製。

混合岩 由混合岩化作用形成的變質岩,其基本組成物質是由基體和脈體兩部分組成。所謂基體,是指混合岩形成過程中殘留的變質岩,如片麻岩、片岩等,具變晶結構、塊狀構造,顏色較深;所謂脈體,是指混合岩形成過程中新生的脈狀礦物(或脈岩),貫穿其中,通常由花崗質、細晶岩或石英脈等構成,顏色比較淺淡。 混合岩具明顯的條帶狀構造,並普遍可見交代現象,以此與區域變質作用形成的變質岩區別開來,但它是在區域變質的基礎上發展起來的。混合岩由于混合岩化的程度不同,形成不同構造特點的混合岩,如網狀混合岩、條帶狀混合岩、眼球狀混合岩等等。

基本分布

變質岩在地殼內分布很廣,大陸和洋底都有,在時間上從古代至現代均有產出。在各種成因類型的變質岩中,區域變質岩分布最廣,其他成因類型的變質岩分布有限。區域變質岩主要出露于各大陸的地盾和地塊以及顯生宙各時代的變質活動帶(通常與造山帶緊密伴生)。區域變質岩在地盾和地塊上的出露面積很大,常為幾萬至幾十萬平方公裏,有時可達百萬平方公裏以上,約佔大陸面積的18%。前寒武紀地盾和地塊通常組成各大陸的穩定核心,而古生代及以後的變質活動帶,常常圍繞前寒武紀地盾或地塊,呈線型分布,如加拿大地盾東面的阿巴拉契亞造山帶、波羅的地盾西北面的加裏東造山帶、俄羅斯地塊南面的華力西造山帶和阿爾卑斯造山帶等。有些年輕的變質活動帶往往沿大陸邊緣或島弧分布,這在太平洋東岸和日本島嶼表現明顯,它們的分布表明大陸是通過變質活動帶的向外推移而不斷成長的。在另一些情況下,變質活動帶也可斜切古老結晶基底而分布,它們代表大陸經解體而形成的陸內地槽,並將發展成新的台槽體系。20世紀60年代以來,還發現在大洋底部的沉積物和玄武質岩石之下,有變質的、等岩石的廣泛分布,它們是由洋底變質作用形成的。由形成的各種接觸變質岩石,僅局限于侵入體和火山岩體周圍,分布面積有限,但分布的地區卻十分廣泛,在不同地質時期和構造單元內均有產出。由碎裂變質作用形成的各種碎裂變質岩,分布更有限,它們嚴格受各種斷裂構造的控製。變質岩在中國的分布也很廣。華北地塊和塔裏木地塊主要由早前寒武紀的區域變質岩和組成,並構成了中國大陸的古老核心。以後的變質活動帶則圍繞或斜切地塊呈線型分布。

變質岩

套用範疇

岩石具有特定的比重、孔隙度、抗壓強度和抗拉強度等物理性質,是建築、鑽探、掘進等工程需要考慮的因素,也是各種礦產資源賦存的載體,不同種類的岩石含有不同的礦產。以火成岩為例,基性超基性岩與親鐵元素,如鉻、鎳、鉑族元素、鈦、釩、鐵等有關;酸性岩與親石原素如鎢、錫、鉬、鈹、鋰、鈮、鉭、鈾有關;金剛石僅產于金伯利岩和鉀鎂煌斑岩中;鉻鐵礦多產于純橄欖岩中;中國華南燕山早期花崗岩中盛產鎢錫礦床;燕山晚期花崗岩中常形成獨立的錫礦及鈮、鉭、鈹礦床。石油和煤隻生于沉積岩中。前寒武紀變質岩石中的鐵礦具有世界性。許多岩石本身也是重要的工業原料,如北京的漢白玉(一種白色大理岩)是聞名中外建築裝飾材料,南京的雨花石、福建的壽山石、浙江的青田石是良好的工藝美術石材,即使那些不被人註意的河沙和卵石也是非常有用的建築材料。許多岩石還是重要的中葯用原料,如麥飯石(一種中酸性脈岩)就是十分流行的葯用岩石。岩石還是構成旅遊資源的重要因素,世界上的名山、大川、奇峰異洞都與岩石有關。我們祖先從石器時代起就開始利用岩石,在科學技術高度發展的今天,人們的衣、食、住、行、遊、醫……無一能離開岩石。研究岩石、利用岩石、藏石、玩石、愛石已不再是科學家的專利,而逐漸變成廣大民眾生活的組成部分。

開展工作

在認識變質作用的基礎上,掌握了能夠鑒定變質岩名稱的方法以後,在旅行路線上遇到變質岩時,就可以進一步做些變質岩的初步調查或研究工作了。現就不同的變質區如何開展工作問題,簡述如下:

(1)熱接觸變質岩區的工作。 

熱接觸變質岩區也就是侵入體與圍岩相接的地帶。

在這裏,首先要穿越接觸帶的剖面,也就是決定一條從侵入體到未變質圍岩之間的路線,觀察侵入體的岩石名稱及其岩性;觀察圍岩受侵入體的接觸變質的影響——出現何類變質岩,其岩性特點,變質礦物,有否成礦的條件和可能,接觸帶上有無斷裂之類的構造控製?未變質岩石的名稱及其岩性,圍岩屬于哪個地質時代?侵入體屬于哪個地質時代?等等。把這許多必須了解的內容,作沿途記錄,作剖面示意圖,採集有代表性的標本以及攝影或素描。 如果交通、人力物力、時間條件允許的話,可作再詳細一些的觀察,諸如追索接觸帶在面上分布的範圍,觀察蝕變暈圈的發育情況。再進一步,還可根據變質礦物的組合關系,劃分出蝕變的相帶——即內帶、中帶、外帶。同時還可研究熱變質岩石與原岩性質的關系,甚至註意多期變質的疊加作用,不同變質帶上所賦存的礦產關系。

(2)區域變質區的工作。 

由于區域變質作用而產生的變質岩分布面積廣闊,岩石情況亦特別復雜,而且其間的褶皺、斷裂等構造又十分發育,因此,在這裏工作的難度也較大。首先,根據地層走向選擇剖面線以後,在旅途行進中,要像研究沉積岩層那樣,註意各變質岩層的上下層序關系,即排除由于褶皺或斷層的幹擾,恢復其原來的正常層位。當然,這項工作往往不是穿越一條剖面就能“一次性”成功的,而要多幾條剖面相互比較才能接近正確。 其次,在觀察剖面過程中,要恢復原岩的性質——是沉積岩還是火成岩。如果確定為沉積岩,再進一步判斷其原岩的名稱,並運用研究沉積岩的辦法,研究它們的沉積旋回、沉積建造的特征。註意地層間的不整合、假整合等有助于劃分層序的接觸關系。努力搜尋其中淺變質岩系(例如板岩)裏的化石痕跡,一旦

若有發現,並能確定其鑒定價值,便能牽動全局,整個變質岩系的時代及各套岩層的層序也許能迎刃而解。例如筆者等在本世紀60年代初期在江西南部“龍山群”(前泥盆紀的地層)變質岩系地區工作時,一個多月過去了,還沒有搞清楚它們的層序關系。後來,有位學生在一處淺變質的板岩中找到一些筆石碎片,帶隊的教師很受啓發,認為這是揭開此間變質岩系時代之謎的重要線索,于是專門組織隊伍,就在出現筆石碎片的上下層地段,分段包幹,著力搜尋。通過“順藤摸瓜”的辦法,終于在這裏的幾個岩層中找到了儲存相當完整而精美的筆石,經鑒定,屬于早奧陶世的種類,從而結合岩性、層位的接觸關系,大致確定了自寒武紀至奧陶紀的各個大的層位。後來,又接連在寒武系下部的板岩中發現了海綿骨針化石,從而又劃分出震旦系地層。這樣,幾十年來,一直把厚達幾千米甚至上萬米的前泥盆紀變質岩系“龍山群”地層,分解為震旦紀寒武紀奧陶紀三個系,進而在各系內再分出若幹組。在分層基礎上,結合岩性、岩相及沉積旋回的研究,初步摸清了早古生代時期此間原為“地槽區”。進而又證實了此間的花崗岩分屬于兩個不同時期形成的:一是志留紀晚期的“加裏東花崗岩”;一是中生代的“燕山花崗岩”,而且此間的大量金屬礦產與“燕山花崗岩”的入侵活動有關。在研究區域變質岩系的時候,還可註意各類變質岩系的空間分布規律及其相互關系,註意不同岩石和礦物組合的關系,總之,註意變質程度和變質作用問題,並聯系找礦標志和成礦規律。

(3)混合岩化區的工作。 

首先要註意混合岩的基體和脈岩的特點,形態特征,交代作用等。註意混合岩化的強度帶及其與區域構造(斷裂帶和褶皺帶)作用的關系,甚至可以了解混合岩化的期次問題。一般而言,混合岩化區的觀察工作並非單獨進行的,它是在研究區域變質岩區內的附帶工作,因此,諸如礦產之類的問題,也都跟研究區域變質岩同樣地進行了。

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