Question

变质岩的矿物成分

Answer 1

与火成岩和沉积岩相比，变质岩矿物成分更为复杂多样。这一方面是由于变质岩的化学组成极为宽广造成的，另一方面是由变质作用的特点所决定的。变质作用温度介于岩浆作用与沉积作用的温度之间，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。矿物化学成分是岩石化学成分的反映，熟悉主要造岩矿物化学成分特点，有助于了解变质岩化学特点、推断其原岩类型。

（一）变质岩矿物成分的影响因素

变质岩矿物成分取决于岩石（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，经变质后可出现石英、方解石和硅灰石等碳酸盐和钙硅酸盐矿物，而不会出现红柱石、蓝晶石和矽线石等富铝矿物。成分为纯SiO₂的硅质岩，在变质作用过程中仅出现石英，形成纯的石英岩，而不会出现任何其他矿物。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。

如火成岩一样，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石英。如果SiO₂不饱和，就会出现硅不饱和矿物刚玉、尖晶石和橄榄石。这些硅不饱和矿物通常不与石英共生。但五大类常见岩石通常都含有石英，属于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，这是Eskola于1914年和1915年在研究芬兰Orijarvi地区接触变质岩时发现的。他发现该区有两类矿物组合明显不同的岩石：一类含富铝矿物红柱石、堇青石而不含钾长石；另一类则相反，含钾长石而不含富铝矿物。虽然钾长石和富铝矿物在该区都是稳定的，但却不能共生。Eskola认为这是原岩K₂O含量不同造成的。他称第一类岩石为K₂O不足的岩石，称第二类岩石为K₂O过剩的岩石。K₂O不足岩石为富铝泥质岩，K₂O过剩岩石为富钾泥质岩及长英质岩石。

因此，有必要把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；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。

为了理解这一问题，让我们分析一下图21－1所示的一个重要的脱水反应：

岩石学（第二版）

图21－1 水过饱和条件下Ms＋Q＝And/Sil＋Kf＋H₂O的P－T图解

这个反应被看做区分中低温与高温条件的界限，在P＝P_H＝0.2GPa时，该反应约在600℃发生。由该反应可知，中低温下Kf＋Al₂SiO₅矿物（And或Sil）是不稳定的，它们要互相反应生成Ms＋Q。反应形成的共生组合取决于岩石的K₂O和Al₂O₃相对含量：若K₂O过剩、Al₂O₃不足，则形成Ms＋Q＋Kf组合，无Al₂SiO₅矿物；反之，若K₂O不足，Al₂O₃过剩，则形成Ms＋Q＋Al₂SiO₅矿物组合，无钾长石。因此，中低温时钾长石与富铝无钾矿物不共生。只有在K₂O非常贫的岩石中才会有富铝无钾矿物，随着K₂O的增加，这些无钾矿物逐渐转变为云母。K₂O的进一步增加，则会引起钾长石出现。

由上述反应还可知，在高温下Ms＋Q不稳定，必然会发生反应而生成Kf＋Al₂SiO₅矿物，即钾长石与富铝矿物共生。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。

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。关于这一点我们将在第二十二章中作进一步讨论，泥质变质岩中的指示矿物带就是很好的证据。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，查明其形成温压条件，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演化的大量信息（图21－2）。

（二）五大化学类型变质岩的化学成分和矿物成分特点

为了直观地表示五大化学类型变质岩的化学成分和矿物成分特点，更好地理解化学成分与矿物成分的相互关系，我们要用第二十三章将专门论述的ACF图和A′KF图（图21－3）作为学习工具。这张图表示了变质岩五大化学类型和主要造岩矿物在ACF图和A′KF图上的位置，熟悉这个图解，有利于掌握五大化学类型变质岩的化学成分、矿物成分特点，便于在实际工作中以岩石的矿物成分判断其化学类型，以利于恢复其原岩。ACF图和A′KF图的A和A′可理解为Al₂O₃，C可理解为CaO，F可理解为FeO＋MgO，K可理解为K₂O。这样，我们就可以用这个图解掌握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，其相对含量变化大。

矿物成分的特点是云母含量高，石英常见，两个亚类矿物成分有明显差别。(1)Al₂O₃过剩的泥质变质岩：特点是含富铝矿物（红柱石、蓝晶石、矽线石等），中低温时无钾长石，高温时（麻粒岩相、辉石角岩相等）出现钾长石；(2)K₂O过剩的泥质变质岩：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（矽线石、堇青石、石榴子石等）。

中低温时富铝矿物与钾长石不共生，两类泥质岩矿物组合明显不同。高温时富铝矿物与钾长石共生，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、钾长石少；钾过剩的泥质变质岩则相反，钾长石高而富铝矿物少。

图21－2 单个岩石样品（1，2和3）的P－T轨迹概略图解（据Spear et al.，1984）

图21 －3 五大化学类型变质岩和主要造岩矿物在ACF图和A′KF图上的位置

2.长英质变质岩

化学成分与泥质变质岩的显著差别是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

化学成分最显著特点是CaO含量高，可含一定量的MgO、FeO、Al₂O₃和SiO₂。

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、滑石等）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）及石英。

4.基性变质岩

化学成分特点是MgO、FeO、CaO含量高，含一定量的Al₂O₃。

矿物成分特点是富含斜长石和绿帘石、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。

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、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、黑云母和铁铝－镁铝榴石等）。

（三）特殊类型变质岩的化学成分和矿物成分特点

除上述五个常见的化学类型外，尚存在硅质、铝质、铁质、锰质、磷质和碳质等六个特殊类型，它们是一些较少见的副变质岩石，以某个元素和某个矿物特别富集为特征（表21－2），常常构成有工业价值的矿床。

表21－2 特殊类型变质岩基本特征

（据Sang ＆ You，1988；桑隆康，1992）