变质岩的化学成分和矿物成分

一、变质岩的化学成分特征

一般情况下，变质作用基本是等化学的过程，特别是SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、MnO、MgO、CaO、Na₂O和K₂O等主要造岩氧化物的含量在变质作用前后基本不变，所以在没有原岩残留的中高温变质岩中，它们的特征是判断原岩类型的极重要标志。文献中习惯将原岩为火成岩者称为正变质岩，原岩为沉积岩者称为副变质岩。若出现交代作用或部分熔融作用时，则化学成分变化规律的研究更为重要。此外，痕量元素在变质作用过程也常有一定变化，其特征可用以分析当时的物理化学环境。

变质岩的原岩可以是地壳中各种类型的火成岩和沉积岩，所以其化学成分变化范围很大。Turner(1955)将常见变质岩归纳为五个化学类型，即五个等化学系列，各系列包括化学特征相似的不同原岩类型，现略加补充修改，简述如下:

(1)富铝系列(泥质变质岩):原岩主要为泥质沉积岩;

(2)硅铝质系列(长英质变质岩):原岩为砂质－粉砂质沉积岩、中酸性火山岩－火山碎屑岩和侵入岩;

(3)铁镁质系列(基性变质岩):原岩为基性火山岩、侵入岩及铁质白云质泥灰岩等;

(4)镁质系列(超基性变质岩):原岩为超基性火成岩和其他富镁的特殊沉积岩;

(5)钙(镁)质系列(碳酸盐变质岩):原岩为以钙(镁)质碳酸盐岩为主的沉积岩。

此外还有化学成分特殊的富硅、富铁、富锰、富磷、富钠和富碳变质岩，它们很少见，常属于变质矿床范畴。各系列岩石的不同化学成分特征对其变质后可能出现的矿物组合有决定性的制约作用。

二、变质岩矿物成分与原岩化学成分之间的关系

变质岩的矿物成分相当复杂，在变质反应达到物化平衡的中－高温变质岩中，它们首先取决于原岩的总化学成分。如仅含CaCO₃和SiO₂的硅质石灰岩变质后，可能出现的矿物为方解石、石英和硅灰石等，不会出现长石、云母或矽线石等富铝矿物。相反，黏土质原岩变质后常出现这些富铝矿物，但不会出现硅灰石或镁橄榄石等富钙镁的硅酸盐，更不会出现钙镁碳酸盐。另一方面，变质岩的矿物成分又取决于当时的温度、压力等条件。如前述硅质石灰岩中低温变质过程出现的是方解石+石英，高温时则为硅灰石+方解石，特殊高温条件下还可出现斜硅钙石(Ca₂SiO₄)、硅钙石(Ca₃Si₂O₇)或灰硅钙石(Ca₄Si₂O₆·CaCO₃)等矿物。

达到化学平衡时变质岩的矿物组合与原岩的矿物成分关系不大。如总化学成分相似的基性火山岩和铁质白云质泥灰岩，虽然矿物成分不相同，但经中高温变质后，都将成为以角闪石和斜长石为主的斜长角闪岩类岩石。但在低温变质岩中则常有不同数量的原岩矿物残留。如低温泥砂质变质岩中常有大量残留的钾长石和斜长石，基性火山岩低温变质成的绿片岩中常有残留的辉石和中基性斜长石等。此时必须严格区分残留矿物和新形成的矿物，因为只有后者才能反映变质作用的温压条件。

常见变质岩按等化学系列的概念可分五大类，它们彼此的矿物成分特征有很大不同，明显受原岩化学成分的控制(表18－1)。

表18－1 变质岩矿物成分与原岩化学特征的关系

1.富铝(泥质)系列变质岩

原岩为泥岩或页岩等沉积岩，其主要化学成分特征是富Al₂O₃和K₂O，贫Na₂O和CaO，Mg和Fe总量不高，通常FeO＞MgO，SiO₂含量一般较高。上述特征决定了这类岩石中最常见矿物为云母类、绿泥石类和石英。通常还含少量酸性斜长石，其含量和原岩中CaO+Na₂O含量成正比。云母类矿物中以绢云母、白云母和黑云母为特征。Al₂O₃/K₂O比值对矿物成分有极大影响，当Al₂O₃/K₂O＜1，K₂O过剩时，中温条件下只出现Kf+Ms+Q组合，矽线石等富铝矿物要到高温条件才开始出现;当Al₂O₃/K₂O＞1，且很高时，则组成长石和云母类矿物后，剩余的Al₂O₃便可与铁镁组合成绿泥石及其他富铝的特征矿物，最常见的是铁铝榴石。当FeO/MgO比值很高时，低温可出现硬绿泥石，中温可出现十字石。当MgO含量超过FeO时，更有利于堇青石出现。此外，上述较富铝的矿物能否出现及其含量还与原岩Fe₂O₃/(FeO+Fe₂O₃)的比值有关，原岩虽含铁较高，但以Fe₂O₃为主时，即使温压条件合适，铁铝榴石和十字石等也较少出现，甚至不出现，代之以黑云母(+磁铁矿)为特征组合，或出现帘石类矿物。

红柱石、蓝晶石和矽线石是富铝系列最特征矿物。在中温条件下，必须原岩很富铝，才能使Al和Na、K、Ca、Fe、Mg结合成长石、云母和前述其他铁镁铝硅酸盐之后还有剩余，得以形成Al2SiO5的各种同质多象矿物，所以它们的出现机会更少。Winchester(1974)的统计研究表明，当泥质岩石中Al₂O₃＜14%，CaO＞2%时，一般不出现蓝晶石、矽线石等矿物，因为此时存在CaO+SiO₂+Al₂SiO₅→CaAl₂Si₂O₈的反应关系，使Al₂SiO₅不稳定。但是高温变质作用过程中由云母分解形成矽线石，或其他交代成因的矽线石的出现不一定反映原岩很富铝。另外，一些含一定量粉砂质或凝灰质的泥质沉积岩，由于其Al₂O₃＜K₂O+Na₂O+CaO，故有较多的斜长石和(或)钾长石出现，与黑云母等共生，除偶见铁铝榴石外，其他富铝特征矿物极难出现。

2.硅铝质(长英质)系列变质岩

该系列变质岩分布最广，原岩为含一定量长石的多杂质砂岩、粉砂岩、中酸性火山岩和火山沉积岩及各种花岗质侵入岩。其化学成分基本相当于中酸－酸性火成岩，它们与富铝系列相比较，铝降低，钾和钠增加，多数是Na₂O＞K₂O，钙也增高，铁镁低，SiO₂含量高且变化大。上述化学特征决定了本系列变质岩主要组成矿物为中酸性斜长石、钾长石和石英及次要的黑云母、绢云母、绿泥石或角闪石、辉石等。一般中高温变质岩中基本共生组合为更长石+石英+黑云母±钾长石±角闪石(或辉石)，它们的相对含量决定于各种氧化物的相对量比。由于组成这些矿物之后已无剩余的Al₂O₃，所以除有时见少量铁铝榴石外，其他更富铝矿物一般不出现。相反，钙较高时可出现较多角闪石或含有透辉石和帘石类矿物。

3.铁镁质(基性)系列变质岩

该系列的原岩为基性侵入岩、喷出岩、凝灰质杂砂岩及铁质白云质泥灰岩等，其化学特征是富Fe、Mg、Ca，SiO₂则较低。它们变质后最常见矿物为绿泥石、帘石、阳起石、钙质角闪石、辉石和斜长石等，有时还含少量石英或碳酸盐。当原岩含K₂O时，还可出现黑云母，这反映它们可能具沉积成因，故含泥灰质杂质，因为一般基性火成岩中含K₂O极低。在基性原岩中，当CaO/Al₂O₃＞1(分子比)时，若达到高温变质程度则会出现透辉石，且CaO含量愈高时，单斜辉石含量也愈高，角闪石含量则相对减少，甚至出现只含透辉石和斜长石的变质岩。相反，当原岩稍富铝，且CaO/Al₂O₃＜1(分子比)时，可出现铁铝榴石。

4.镁质(超基性)系列变质岩

该系列的原岩一般为超基性火成岩，可能还包括一些少见的、特殊成因的极富镁沉积岩。其化学特征极富镁，铁含量次之，但贫钙、铝和硅。这些特征决定了所成变质岩中一般不含长石和石英，主要由富镁的暗色矿物组成。当原岩基本不含钙和铝时，出现的变质矿物为滑石、蛇纹石、镁铁闪石、斜方辉石、镁橄榄石及尖晶石等。当原岩含一定量钙和铝时，则可同时出现透闪石、普通闪石和单斜辉石等，还可出现若干基性斜长石和方柱石。某些特殊的沉积岩极富镁，也有一定量钾，但硅、铝、铁很低，它们变质后能形成特征的金云母+透辉石组合。

5.钙镁质(碳酸盐)系列变质岩

该系列的原岩为各种石灰岩和白云岩，可含少量硅质、泥质杂质。其化学特征极富CaO、MgO和CO₂，而Al₂O₃、SiO₂、FeO等则含量低，且变化范围大。进变质过程大部分碳酸盐经重结晶后仍保持稳定，另一部分碳酸盐中钙、镁则与杂质中其他氧化物结合成为各种硅酸盐或铝硅酸盐。特定温压条件下，其种类和含量主要视岩石中CaO、MgO、Al₂O₃、SiO₂、FeO等的相对含量而定。如原岩只含CaCO₃和SiO₂，则一般高温变质时只能出现硅灰石;原岩为硅质白云质灰岩时，则更易出现滑石、透辉石、透闪石及镁橄榄石;很富镁时还可出现方镁石、水滑石或硅镁石;原岩含黏土质时可出现帘石、斜长石、方柱石、钙铝榴石及符山石等，含钾时可出现金云母和钾长石。

当原岩中非碳酸盐增多，过渡为泥灰岩或钙质页岩和凝灰岩时，因通过脱碳反应形成各种钙镁硅酸盐之后，已无剩余的CaO和MgO，故所成变质岩中钙镁碳酸盐很少或不出现，此时岩石完全由各种钙镁硅酸盐和铝硅酸盐组成。在一定温压和CO₂逸度的条件下，其矿物组合和各种矿物相对含量仍主要决定于有关氧化物的相对含量。

以上讨论表明，变质岩的矿物成分首先决定于原岩化学成分，等化学系列岩石在特定温压条件下，其矿物成分及相对含量也严格受原岩化学成分的制约，而且矿物的化学成分一定程度上也受原岩化学成分的影响。

三、变质岩矿物成分与变质作用温压条件之间的关系

虽然原岩化学成分总体决定了其变质后岩石中能出现哪些矿物，不能出现哪些矿物，但具体能同时出现哪几种矿物还决定于当时温压条件。如硅质石灰岩变质后能出现哪些矿物前文已作说明，但当压力为105Pa，温度低于470℃时经热变质只能形成方解石和石英，当温度高于470℃时，则形成硅灰石+方解石(或石英)。化学成分合适的富铝泥质岩，在不同变质温压条件下，会分别出现红柱石、蓝晶石和矽线石。这些都是温压条件对矿物控制作用的明显实例。

由于温度是引起矿物变化的最主要因素，所以常按它的高低将变质作用分为若干等级，称为变质级，同一等级的变质岩属于一个等物理系列。通常将变质作用划分为低、中、高三个等级，但划分的矿物标志在有些岩类中不太明确。Winkler(1976)根据一些临界变质反应划分出四个变质级，即很低级，低级、中级和高级(图18－1)。

很低级变质的下限以基性岩中浊沸石出现为标志，并以此与沉积岩的后生成岩作用相区别，其温度界限在200℃左右或稍低。它与低级变质之间的界限是基性岩中绿纤石或葡萄石和绿泥石反应形成黝帘石和阳起石，临界温度在350℃左右。低级变质的温度范围为350～550℃左右，它和中级变质的界限是泥质岩石中St+Ms+Q组合的出现，或堇青石的形成。中级变质的温度在550～650℃左右或稍低，它和高级变质的界限是Ms+Q→Sil+Kf+H₂O这一反应，水饱和的片麻岩的深熔曲线也大致相当于这一界限。温度更高时属于高级变质，其温度高限可达800～900℃以上，视岩石中H₂O的饱和度而定。据现有资料，变岩中常见矿物的稳定区间如表18－2所示，由表中可知各变质级的较典型矿物如下:①很低级变质矿物有浊沸石、葡萄石、绿纤石、黑硬绿泥石和硬柱石等;②低级变质矿物主要有绢云母(多硅白云母)、绿泥石、锰铝榴石、黝帘石、绿帘石、蛇纹石、滑石和钠长石等;③中级变质矿物主要有白云母、十字石、堇青石、红柱石和蓝晶石等;④高级变质矿物则有矽线石、硅灰石、紫苏辉石及正长石等。这些矿物能不同程度反映变质温度，一般称之为特征变质矿物。另一些矿物的稳定温度区间相当大，如石榴子石、黑云母、角闪石和斜长石等，它们可存在于中低级－高级变质范围。石英和方解石等，只要原岩成分合适，在所有变质等级中均可出现，过去文献中习惯称它们为贯通矿物。

图18－1 不同变质级范围的P－T图解(Winkler，1976)

表18－2 变质岩中常见矿物的稳定区间

续表

其次，各种矿物和组合稳定存在的温度区间还不同程度与压力有关。有些矿物的出现更明显受压力的控制，如低－中低温高压条件下，能出现硬柱石、硬玉质辉石+石英和蓝闪石类角闪石。中温条件下，压力较低时，有利于泥质岩石中出现红柱石、堇青石以代替铁铝榴石。而中等压力条件下，则有利于出现蓝晶石。高温条件下，压力较高时能出现Cpx+Gt+Q组合以代替较低压的Opx+Pl组合，或出现Omp+Ca－Mg－Alm组合。所以这些矿物又可称为指示压力的特征矿物。

有些矿物虽然稳定存在的温度区间较大，但它的化学成分明显受温度控制，如铁铝榴石和黑云母的MgO/(FeO+MgO)比值常随温度升高而增大。绿泥石一般为低级变质矿物，但很富镁的绿泥石却可出现于中级变质岩中，与铁铝榴石和十字石共生。实验资料还表明，不含石英和长石的超基性变质岩中，当PH₂O=P_l时，极富镁绿泥石的稳定温度甚至可高达800℃左右。这些例子说明，变质矿物的出现及其稳定范围与温压条件之间的关系十分复杂，特征变质矿物和矿物的化学成分都能提供温压条件的信息，但又存在许多不确定性，研究时必须十分注意。