第三章 变质岩的基本特征

变质岩的基本特征和分类命名（BasicCharacteristics,ClassificationsandNomenclatureofMetamorphicRocks）1.变质岩的化学成分一、变质岩的化学成分和化学类型变质岩是早先已形成的岩石（火成岩、沉积岩）遭受变质作用的产物，因此，其化学成分一方面与原岩有密切关系，另一方面又和变质作用的特点有关。原岩变质岩类型火成岩沉积岩变质岩在等化学变质情况下，变质岩化学成分取决于原岩化学成分，根据变质岩化学成分可恢复原岩类型。在异化学变质情况下，变质岩的化学成分取决于原岩的化学特征＋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，可推断原岩成分特点、了解交代过程中元素带入带出的情况，查明交代作用的特点和强度。变质岩化学成分是恢复原岩和划分对比变质地层的重要标志。

正变质岩副变质岩复变质岩等化学系列是指具有同一原始化学成分的所有岩石，其中矿物组合不同是由变质作用类型和强度决定的。eg.基性岩石在区域变质条件下，随着变质程度增加，出现绿片岩→绿帘角闪岩→角闪岩→斜长石-辉石麻粒岩，构成一个等化学系列泥质岩则出现板岩→千枚岩→片岩→片麻岩系列等物理系列是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eg.一个变质相或变质带的岩石2.变质岩化学类型的划分Turner（1955）：（1）泥质（pelitic）：

导源于泥质沉积物；（2）长英质（quartz-feldspathic）：

包括变质的砂岩、硅质凝灰岩和中酸性岩浆岩；（3）钙质（calcareous）：

导源于灰岩和白云岩（可含石英、粘土矿物等杂质）等钙质沉积物；（4）基性（basic）：

由基性岩浆岩、凝灰岩及含显著数量的Ca、Al、Fe、Mg的不纯泥灰质沉积物转变而来的变质岩；（5）镁质（magnesian）：

导源于超基性岩浆岩和绿泥石质及其它富含Mg、Fe的沉积物。除上述５个常见的化学类型外，尚存在硅质、铝质、铁质、锰质、磷质、炭质等6个特殊类型，它们是一些较少见的副变质岩石，以某个元素特别富集为特征（详见表19-1）。泥质和基性岩石（矿物组合随P-T条件变化快）富钙和镁质岩石长英质岩石对温压条件变化敏感程度降低变质带、变质相的划分以泥质和基性变质岩矿物组合为标志。强度(能干性)变小镁质基性长英质钙质泥质在强变形的长英质片麻岩中往往可看到未变形的斜长角闪岩包体，就是二者能干性差异造成的。

泥质、钙质是两个副变质岩石系列。而镁质变质岩原岩主要是超基性火成岩。富镁的沉积物很少，而且其变质产物通常可根据地质产状和共生岩石组合确定其原岩性质。因此，这三类变质岩原岩性质问题不大。但对长英质和基性两类变质岩而言，判断其原岩性质是一个较复杂的问题，需综合考虑地质产状、岩石组合、变余的结构构造、岩石化学等多方面特征。当强烈的变质、变形使得地质产状、变余结构构造破坏、消除时，用岩石化学方法恢复原岩更显得重要图区分正、副片麻岩的Werner（1987）图解正片麻岩副片麻岩这两个图解均采用氧化物质量百分数（岩石化学分析结果）之比作化学参数，使用起来比较方便。需注意的是CaO-MgO-<FeO>图解中<FeO>是全氧化亚铁，

<FeO>=FeO+0.8998Fe2O3(WB%)使用时将CaO、MgO、<FeO>三者之和换算为100

图CaO-MgO-<FeO>图解副角闪岩正角闪岩二、变质岩的矿物成分变质岩的化学组成极为宽广变质作用T界于岩浆作用与沉积作用之间，且温压变化范围宽广得多，在变质作用过程中有应力和溶液参与等变质岩矿物成分更为复杂多样矿物化学成分是岩石化学成分的反映，记住主要造岩矿物化学成分特点，大有助于了解变质岩化学特点、推断其原岩类型

1.变质岩矿物成分的影响因素变质岩矿物成分取决于原岩化学成分和变质作用条件。一方面，相同变质条件下不同化学类型岩石会出现不同的变质矿物组合，另一方面，同一化学类型原岩在不同的变质条件下也会出现不同的矿物组合原岩是变质岩的物质基础，变质岩矿物成分首先取决于原岩化学成分。如硅质灰岩，主要成分为CaCO3和SiO2，经变质后可出现Q、Cc、Wo等碳酸盐和钙硅酸盐矿物，而不会出现And、Ky、Sil等富铝矿物。成分为纯SiO2的硅质岩，在变质作用过程中仅出现Q，形成纯的石英岩，而不会出现任何其它矿物。因此，如不伴随明显的交代作用，则一定化学类型的变质岩与一定矿物成分相对应。这意味着，研究岩石的矿物成分可推断岩石的化学类型SiO2对变质岩的矿物组合影响是明显的。如果岩石SiO2过饱和，就会出现硅过饱和矿物Q。如果SiO2不饱和，就会出现硅不饱和矿物Co、Sp、Ol。这些硅不饱和矿物通常不与Q共生。

但五大类常见岩石通常都含Q，属SiO2饱和－过饱和岩石

在变质岩中，Al2O3、K2O饱和程度对矿物共生有重要影响，泥质变质岩进一步划分为两个化学类型：一类为K2O不足（或Al2O3过剩）泥质变质岩，原岩为高岭石粘土岩、蒙脱石粘土岩；含富铝矿物And、Cor而不含Kf另一类为K2O过剩（Al2O3不足）泥质变质岩，原岩主要为水云母粘土岩。含Kf而不含富铝矿物

KAl3Si3O10(OH)2+SiO2=KAlSi3O8+Al2SiO5+H2O

白云母

石英

钾长石

红柱石/夕线石

中低温下Kf+Al2SiO5Ms+Q反应形成的共生组合取决于岩石的K2O和Al2O3相对含量：K2O过剩、Al2O3不足，则形成Ms+Q+Kf组合，无Al2O3；K2O不足，Al2O3过剩，则形成Ms+Q+Al2SiO5组合，无Kf。因此，中低温时Kf与富Al无K矿物不共生。只有在K2O非常贫的岩石中才会有富Al无K矿物，随着K2O的增加，这些无K矿物逐渐转变为Ms。K2O的进一步增加，则会引起Kf出现。

高温下Ms+Q

Kf+Al2SiO5Kf与富Al矿物共生。此时，K2O过剩与K2O不足岩石的矿物组合相同，仅矿物含量有差别。图单个岩石样品（1，2和3）的P-T轨迹概略图解A.矿物包裹体在变嵌晶状主晶颗粒中被捕获的区间；B.从地质温压测量得出的热峰变质条件；C.根据重新调整的矿物平衡得出的退变质轨迹；D.流体包裹体被捕获的区间变质岩的矿物组合是一定P-T-x条件下化学平衡的产物，因而变质条件是影响变质岩矿物成分的重要因素。但是，变质岩中的矿物并不都是热峰条件下达到平衡的结果。由于变质反应不彻底，可有热峰前矿物残留下来，它们通常呈热峰矿物的包裹体产出。而热峰后退变质阶段再平衡是一个降温过程，反应速率小，往往反应不彻底。所以退变质矿物通常以热峰矿物的不彻底反应物形式出现，常局部分布在热峰矿物的边缘或裂隙中。识别岩石中热峰前矿物、热峰矿物、热峰后退变质矿物，查明其形成P-T条件，是建立P-T轨迹的岩石学方法。此外，矿物流体包裹体也记录了岩石P-T演化大量信息2.五大化学类型变质岩的化学成分矿物成分特点（1）泥质变质岩化学成分特点是Al2O3、K2O含量高，K2O、Al2O3相对含量变化大。矿物成分特点是云母含量高，Q常见，两个亚类矿物成分有明显差别：

Al2O3过剩的泥质变质岩：特点是含富铝矿物（And、Ky、Sil等），中低温时无Kf，高温时（麻粒岩相、辉石角岩相等）出现Kf；

K2O过剩的泥质变质岩：特点是含Kf，中低温时无富铝矿物，高温时出现富铝矿物（Sil、Crd、Gt等）。中低温时富铝矿物与Kf不共生，两类泥质岩矿物组合明显不同。高温时富铝矿物与Kf共生，两类泥质岩矿物组合相同，仅矿物含量有差别：铝过剩的泥质变质岩富铝矿物含量高、Kf少；钾过剩的泥质变质岩则相反，Kf高而富铝矿物少。（2）长英质变质岩化学成分与泥质变质岩显著差别是SiO2含量高，通常K2O过剩、Al2O3不足。矿物成分特点是以Q、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最显著特点是CaO含量高，可含一定量的MgO、FeO、Al2O3、SiO2矿物成分以碳酸盐矿物（Cc、Dol等）和钙镁硅酸盐矿物（Wo、Di、Act、

Tr、Tc等）为主，可含一定量钙铝硅酸盐矿物（Ep、方柱石、钙质斜长石、钙铝-钙铁榴石、符山石等）及石英。

（4）基性变质岩化学成分特点是MgO、FeO、CaO含量高，含一定量Al2O3。矿物成分特点是富含Pl和Ep、Chl、Cpx、单斜闪石（Tr、Act、Hb）、

Opx、铁铝-镁铝榴石及Bi等铁镁钙的硅酸盐、铝硅酸盐矿物，可含一定量的Q。（5）镁质变质岩化学成分特点是富MgO、FeO，贫CaO、Al2O3和SiO2。矿物成分特点是缺乏长石、Q，富含富镁铁的矿物（Ser、Tc、水镁石、菱镁矿、直闪石、镁铁闪石、Hy、Tr、Act、Chl、Bi

、铁铝-镁铝榴石等）。三、变质岩的结构构造1.概述变质岩的结构构造和化学成分、矿物成分一起，是变质岩的最基本的特征，是恢复原岩、再造变质作用历史及岩石分类命名的标志。化学成分原岩特点矿物成分变质作用条件结构构造变质作用机制由变质结晶产生的变质矿物叫作变晶（blast），变晶的形状、大小、相互关系反映的结构统称为变晶结构（blastictexture），这是变质岩中最普遍的结构类型。岩石遭受变形，会产生粒度减小等结构效应，这类结构称为变形结构（deformationtexture），主要见于动力变质岩中。此外，在一些情况下，特别是低级变质岩中，往往可保留原岩结构特点，称为残余结构（relicttexture）或变余结构（palimpsesttexture）。变晶结构、变形结构、变余结构是变质岩结构的三大类型，详细划分后面再叙述。其中变晶结构和变形结构是在变质作用过程中形成的，可统称为变质结构（metamorphictexture），而变余结构总是与变质结构相伴生。

颗粒无定向、随机分布，变质作用在缺乏偏应力条件下进行。通常出现在接触热变质岩、交代变质岩、埋藏变质岩和洋底变质岩中。变质构造（metamorphicstructure）变余构造（palimpseststructure）因变质作用不彻底，而保存的原岩构造，又称为残余构造（relictstructure），多见于低级变质岩中，与变质构造相伴生。定向构造（directionalstructure）无定向构造(nondirectionalstructure)变质岩构造等轴颗粒近平行排列，出现优选方位，是偏应力作用下岩石变形的结果，多垂直最大压应力方向发育。其形成机制包括机械旋转、粒内滑移、优选成核、优选生长（压溶）等。定向构造在变质岩中非常普遍。优选方位形成机制随着基质的流动，长柱状晶体机械旋转由粒内滑移引起的塑性变形优选生长。以消耗其它颗粒使有些方位（颗粒1至10）选择性生长优选成核作用。结晶过程在某些限定的方位成核变余结构构造是恢复原岩性质最可靠的证据之一，主要见于浅变质岩中。岩浆结晶型原岩经变质后常见变余辉长结构、变余辉绿结构、变余斑状结构等变余结构，变余气孔构造、变余杏仁构造、变余流纹构造和变余枕状构造等变余构造。变余枕状构造为变质海相熔岩所特有，上述变质结构构造均可部分保留至中级变质（角闪岩相）。变余斑状结构甚至可保留至麻粒岩相。变余斑状结构a.绿泥片岩，原岩中辉石斑晶为绿泥石交代呈假象，其核心部分有少量残余。基质已变为绿泥石和石英。山西五台，单偏光，d=2mm，火山沉积型原岩在浅变质条件下可残存各种火山碎屑结构（变余岩屑结构、变余晶屑结构、变余玻屑结构等）。变质较深时，火山碎屑外形轮廓逐渐消失。但由于火山碎屑的成分、结构与基质不同，变质后，常表现为在较均匀在变质岩基质中的具不同的矿物或结构，并具一定外形轮廓（有时是模糊的）的集合体团块正常沉积型原岩经变质后最常见的是变余砂状结构、变余砾状结构、变余层理构造（粒序层理等）（图19-6）及波痕、龟裂等层面构造。它们可保存在所有变质带中。变余泥质结构一般只出现在变质很浅的岩石中，在绿片岩相即已消失。

（b）变余砂状结构b.变质含砾石石英杂砂岩，碎屑为石英和石英岩，胶结物已变为细小的绢云母、黑云母和石英。北京周口店，正交偏光，d=6.4mm向上变细的沉积粒序层在变质作用期间变成向上变粗的粒序层的可能的逆转过程原生构造由于富铝变斑晶的过度生长，在富铝泥质岩层的顶部变斑晶的粒度最大后来的变形可能仍保存着这个逆转了的层序，但使这些铝硅酸盐变斑晶的成因变得不清楚必须特别注意的是，如图所示，强烈变形可以产生类似层理的成分层（假层理），还可以产生类似砾石的石香肠和透镜体。通过与变形的关系分析和岩相学研究，可以将这些假层理、假砾石与真正的层理和砾石区分开来。这同时也告诉我们应该到弱变形地段找寻变余的结构构造和其它变余特征（如接触关系）。3.变质结构3.1变晶结构3.1.1一般特点变晶结构是岩石在基本保持固体状态下结晶形成的。固体状态下晶体生长不像在熔浆中或溶液中那样有较大的自由空间，因此晶体生长是不自由的。而且，固体状态下的化学反应也不像熔浆中和溶液中那样容易反应完全。此外，变质结晶往往有偏应力参与。这决定了变晶结构具有自形程度较差、粒度较细、包裹体多、反应现象常见、常常具有定向性等特点。变晶结构按变晶粒度、自形程度、形状、包裹关系、反应关系进一步划分。晶体自形程度、相对大小、包裹关系一般不能用来判断变晶先后关系。判断变晶先后要靠变晶之间的反应关系研究。部分情况下变晶的包裹关系也反映变晶的先后关系。

F.Becke（1913）曾经提出区域变质岩中矿物可按照在固态生长条件下结晶成完成好晶面的相对能力，

自大至小排出经验性的顺序，称为变晶系（crystalloblasticseries）。结晶片岩中的变晶系如下：

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。就硅酸盐矿物而言，处在变晶系前列的是岛状硅酸盐，它们的晶格是一些孤立的硅氧四面体所组成，如榍石、石榴子石、十字石、蓝晶石等；其次出现链状硅酸盐如夕线石、辉石类、角闪石类；然后是层状硅酸盐：云母族、绿泥石族、滑石、硬绿泥石等；最后是架状硅酸盐，明显的如石英、长石，还包括堇青石（环状硅酸盐）。经验表明，位于变晶系前面的矿物如Gt、St、Ky，不仅易形成自形程度较好的变晶，而且往往形成粒度较大的晶体（变斑晶）。Q、长石在变晶系中的位置靠后，在变质岩中往往形成粒度小的它形变晶，很少形成变斑晶。而在火成岩中，Q、长石斑晶却很常见，这也是火成岩与变质岩的一个明显差异。3.1.2变晶结构的主要类型在英文岩石结构术语中，后缀blastic（变晶）意味着是描述变晶结构的术语。如porphyroblastictexture（斑状变晶结构）。(1)反映变晶粒度、自形程度和形状特征的变晶结构(2)反映变晶之间包裹关系的变晶结构（变嵌晶结构）(3)反映变晶之间反应关系的变晶结构（反应结构）（１）反映变晶粒度、自形程度和形状特征的变晶结构按主要变晶粒度，变晶结构分为粗粒（coarsegrained，＞2mm）中粒（mediumgrained，2-1mm）细粒（finegrained，1-0.1mm)微粒（micrograined，＜0.1mm这个粒度划分比火成岩粒度划分要细，粗粒级仅相当于火成岩的中粒级。这是因为与火成岩相比，变质岩的粒度细得多。变晶按自形程度也有自形、半自形、它形之分。按显示的主要自形程度，变晶结构分为自形变晶（idioblastic）半自形变晶（hypidioblastic）它形变晶（allotrioblastic）等类型。上述结构术语通常作形容词加在描述变晶粒度分布和变晶形状的结构名称的前面，或在矿物描述中针对具体矿物描述。在粒度分布方面等粒结构不等粒结构斑状变晶结构变质橄榄岩（橄榄石岩）石榴石-黑云母-斜长石-白云母-石英片岩由于不同矿物的结晶习性不同，岩石中不同矿物具有不同的形状。变晶结构中，主要为等轴、近等轴状颗粒者，称为花岗变晶结构视颗粒边界形状不同进一步分为两种：图

花岗变晶结构白色—粒状矿物（石英、长石）；灰色—柱粒状（角闪石、辉石）；黑色—片状（云母）。花岗变晶-多边形结构花岗岩变晶多缝合结构图鳞片变晶结构纤状变晶结构交叉结构束状结构绿泥石-钠长石-石英-白云母片岩斜长石普通角闪石片岩透闪石-绿泥石硬绿泥石角岩具体岩石的变晶结构基本名称通常由粒度和形状综合而成。对斑状变晶结构的岩石，在描述时还要指出基质的结构。不等粒花岗变晶－多边形结构斑状变晶结构，基质具细粒花岗变晶-多边形结构（２）变晶之间的包裹关系—嵌状变晶结构嵌状变晶结构（poikiloblastictexture）的特点是大颗粒包含有细小颗粒包裹体。这样的大颗粒称为变嵌晶（poikilolblast）。

当包裹体很多，变嵌晶呈筛状时，则称为筛状结构（sievetexture）。图19-7c图19-10残缕结构雪球结构石榴石-云母片岩绿泥石化石榴石-黑云母片岩Gt变嵌晶变斑晶与包裹矿物是基本同时的——只有当被包裹的矿物可在基质中见到时（基质矿物包裹体）才能成立。包裹体可能是早期矿物反应残留，仅保存在变斑晶之中。这种情况下，包裹体为我们提供一个研究变质反应历史,再造P-T轨迹早期段落的有价值线索。

“包裹体”还可以是晚期反应的产物，例如出溶条片。这些晚期“包裹体”，是再造P-T轨迹晚期段落的依据。A.矿物包裹体在变嵌晶状主晶颗粒中被捕获的区间B.从地质温压测量得出的热峰变质条件C.根据重新调整的矿物平衡得出的退变质轨迹D.流体包裹体被捕获的区间图19-3单个岩石样品（1,2和3）的P-T轨迹概略图解（３）变晶之间的反应关系——反应结构当变质反应或交代反应不彻底，未达平衡时，反应物与生成物共存，结构上可反映出它们之间的反应关系，这类结构称为反应结构（reactiontexture）或不平衡结构（disequilibriumtexture）（参见图17-2b）。先成矿物为后成矿物代替，二者之间的边界往往呈港湾状，称为港湾结构。边界线尖角通常指向先成矿物。在后成矿物中还可找到先成矿物的残留，残留保持了与先成矿物的光性连续性。Ms被Q-Sil交生体替代，边界呈港湾状。Q-Sil交生体中有Ms残留，Ms残留与Ms主晶之间解理连续港湾结构2Ms+2H+=3Sil+3Q+2K++3H2O

当反应进一步增强，先成矿物可被后成矿物分割成孤立分散的岛屿状残留，称作岛屿结构。这些彼此分离的岛屿有一致的光性，暗示它们原先是同一个矿物。

Ms中包有先成Ky和Q岛屿，岛屿在光性上是连续的。Ms中还含有晚期针状Sil。岛屿结构Ky+3Q+2K++3H2O=2Ms+2H+

2Ms+2H+=3Sil+3Q+2K++3H2O

Ky+3Q+2K++3H2O=2Ms+2H+

3Ky=3Sil

见于苏格兰高地Sil等变线上的同一个变泥质岩中。在该岩石中，未观察到Sil在Ky边缘或内部直接替代Ky的简单多形转变现象

Ky=Sil净反应的可能的循环反应模式当后成矿物呈环状全部或部分包绕先成矿物，作为先成矿物的包边或环边时，后成矿物包壳或环边称反应边或冠状体。而当交生体呈细小蠕虫状时，则称为后成合晶。Gt+Cpx+Q=Pl+OpxGt+3Q=6Opx+3Pl3．2变形结构变形结构是变形机制的反映，是动力变质岩的特征，也见于区域动热变质岩中。3.2.1晶内和晶界变形的结构表现晶内和晶界变形结构反映晶粒脆性变形、晶内塑性变形和扩散流动。（１）晶粒脆性变形最初表现为矿物的裂纹，进一步则沿颗粒边缘或裂纹裂开破碎。碎裂是脆性变形条件下颗粒粒度减小的形式。图19-14晶粒脆性变形的结构特征a.裂纹石榴石b.碎裂石榴石c.角闪石大晶体破碎成细小晶体集合体（２）晶内塑性变形和（３）扩散流动a.石英的波状消光和变形纹b.变形带c.扭折黑云母d.具变形双晶的斜长石

a.亚颗粒b.压溶颗粒c、d.压力影糜棱岩中一纹带石英被亚颗粒替代受压溶的石英颗粒，尘点显示原颗粒轮廓围绕黄铁矿的压力裾石榴石沿着面理的绿泥石鞘3.2.2动力变质岩的变形结构图19-17动力变质岩的结构断层角砾岩，基质中含氧化锰胶结物Pl-Q-Ms-Ch糜