接触－热变质岩

（一）接触－热变质岩的一般特点

图25 －1 秦皇岛燕塞湖停车场侵入于斑状石英正长岩

（1）局限在侵入体与围岩接触带附近围岩之中围绕侵入体分布形成接触晕（contact aureole）。分布宽度变化很大：岩墙周围的接触晕可窄到仅几毫米，称为烘烤边（通常表现为褪色带），如图25－1所示；而大的侵入体周围接触晕宽度变化可从几米到几千米，在接触变质晕外带，逐渐过渡为未变质的原岩。例如北京房山燕山晚期周口店花岗闪长岩体，呈直径约7.5km的岩株侵入于太古宙至古生代地层之中，形成宽约1km的接触晕图25－2，图25－3）。

（2）由于变质因素主要为温度，缺乏偏应力，因而接触－热变质岩一般以具变晶结构、无定向构造为特征，典型岩石为角岩（图25－4）。典型的角岩细粒、致密、坚硬。在接触变质晕外带，变余结构构造发育。但不排除继承原岩定向性的继承性定向构造。如周口店接触变质是叠加在区域变质之上的，因而常继承了区域变质的面理，出现板岩、千枚岩、片岩、片麻岩。

（3）接触－热变质属于很低P/T变质（视地热梯度＞80℃/km），形成深度浅（通常P＜0.3GPa），因而矿物成分上以红柱石、堇青石、硅灰石等低压矿物为特征。

（4）由于导致接触－热变质的热和流体来自侵入体，因而接触变质晕中出现自侵入体接触带向外变质程度逐渐降低的变质分带，围绕侵入体呈同心圈状分布。发育完整的接触变质带，可归纳为钠长 －绿帘角岩相（AEH）、普通角闪石角岩相（HH）和辉石角岩相（PH）三个变质相，再加上高热变质独特的透长岩相（S），它们一起构成接触变质相系列（见图23－11；表23－1）。例如周口店接触－热变质岩，根据泥质变质岩中的指示矿物或临界矿物组合，自外向内分为Bi－And带、Alm－St带和Sil带三个变质带（图25－3），它们相当于钠长－绿帘角岩相（Bi－And带）和普通角闪石角岩相（包括后两个带）。有硬绿泥石（Cld）、十字石（St）、铁铝榴石（Alm），而无堇青石（Crd），使得周口店接触晕与通常的接触晕不同。主要是原岩Fe/Mg比较高和岩体侵位深度较大所致，此外，也可能与早期区域变质有一定关系。

图25－2 北京房山地区概略变质图（据Wang.＆ Chen，1996；中国地质大学（武汉）北京地质调查大队，1988，编绘）

图25－3 房山岩体西部车厂实测剖面（据中国地质大学（武汉）北京地质调查大队，1988，修改）

（5）由于岩浆流体的作用，接触－热变质岩往往有矽卡岩等交代岩伴生。

（二）H2O－CO2流体缓冲

地壳中流体成分主要是H2O和CO2，在地壳浅部流体成分可有很大变化。由第二十二章我们知道流体成分对H2O和CO2参加的反应有很大影响。因此在研究局部变质地体，特别是涉及钙质岩石局部变质地体时要对流体成分给予特别重视。流体缓冲的研究就是研究岩石系统中流体成分控制问题。为此，我们把岩石系统划分为对流体封闭的系统（岩石渗透性差）和对流体开放的系统（岩石渗透性好），两类系统流体控制机制不同，前者称为内缓冲或缓冲，后者称为外缓冲或渗透。下面以Tr＋3Cc＋2Q＝5Di＋3CO2＋H2O和Cc＋Q＝Wo＋CO2为例来说明它们对H2O和CO2参加的反应的影响。

图25－4 红柱石角岩（赵俊明2010摄于周口店）

图25－5 基于P＝0.2GPa下Tr＋3Cc＋2Q＝5Di＋3CO2＋H2O和Cc＋Q＝Wo＋CO2的两个反应曲线，在H2O－CO2混合可变流体存在时，硅酸质的白云岩在封闭系统（a）和开放系统（b）下的流体内缓冲（据Best，2003）

1.内缓冲

在一个对流体封闭的岩石系统中，假设只有很少量的环境流体可能被圈闭在孤立的孔隙中，且流体的成分为xH＝xCO＝0.5。因为渗透性很差，基本上没有流体进入或进出，所以这些流体不能完全地流动。假定从400℃开始加热（图25－5a），岩石中将不会有什么变化，直到垂直的等值线与单变曲线相交于525℃。这时的温度或者超过这个平衡值在一定程度上能促进反应进行，透辉石（Di）开始从Tr＋Cc＋Q的反应中结晶出来。当温度继续升高，只要这四个固相共存，封闭系统将被限制在单变曲线上移动，因为被释放的流体成分变得富CO2；H2O在反应过程中增加了2倍，很容易改变初始少量的系统流体成分。在这个等压单变量平衡下，四个稳定共存的固相与一个自变量温度共同对流体成分起缓冲作用。如果在透闪石、方解石和石英中有一个或更多的反应物在任何温度下被完全消耗掉，那么岩石系统将离开曲线，而失去缓冲能力，并恢复至垂直的射线轨道上。但是，如果没有一个反应物被完全消耗掉，那么不断地缓冲作用会形成更多的透辉石，且通过连续反应不断消耗反应物，使得变化的流体成分中会更加富CO2。最后，系统可能在单变曲线上达到最大温度540℃，这里流体成分xCO＝0.75，从反应中释放出来的流体的准确比率是3CO2：1H2O。系统中额外的热输入不能使温度升高，直到一个或是更多的反应物被消耗完。一旦这个发生，加热系统将离开曲线，同时温度将继续升高。

从上面的过程我们看到，在对流体封闭的岩石系统中，流体成分受控于岩石本身发生的流体相参加的反应，这就是内缓冲（internal buffering）或Greenwood（1975）所称的缓冲（buffering）。

2.外缓冲

在对流体开放的系统中，岩石具有很高的渗透性，来自环境的完全流动的流体会沿着裂隙或者颗粒边界渗透进入岩石系统。也就是说，流体H2O和CO2可自由出入岩石系统，系统的流体成分取决于环境，而与系统本身发生的流体相参加的反应无关，这就是外缓冲（external buffering）或渗透（infiltration）。以图25－5为例，流体开放系统中有两种外缓冲情况。

第一种情形（图25－5b，Ⅰ）是由Tr＋Cc＋Q组成的岩石从400℃开始加热，岩石系统与环境流体的成分维持恒定（xCO＝0.5）。当温度T＝525℃（或者高于需要的限度）时，Di开始从反应物中形成，流体成分保持不变。在这种条件下，完全流动的流体CO2与H2O并不作为成分考虑，从而也不会作为相考虑。因此，等压系统是不变的，因为它只有三个组分（CaO、MgO、SiO2），4种固体相，且温度T仍然是个自变量，f＝1＋c－p＝1＋3－4＝0。在不变系统中，任意额外热量的输入都将被脱挥发份吸热反应所消耗，使得系统温度T保持在525℃；Di将不断增加直到其中一个反应物被消耗完，加热系统才可以继续变得更热，而离开反应线上的不变状态，并沿着垂直的射线上升。这种开放系统的过程涉及一个固定的流体组分，基本上是发生在某个特定的温度下的一个不连续反应。

第二种情形（图25－5b，Ⅱ），假设在500℃由Di＋Cc＋Q组成，xCO＝0.5的岩石系统突然受到相同温度下纯水的侵入，这些水主要来自附近泥质岩石由于脱水反应而释放出来的水或者来自邻近的岩浆侵入体排出的含水溶液。在这种情况下，岩石系统流体成分将沿着如图25－5b中水平的射线Ⅱ进行，最后与单变曲线相交，这时流体xCO＝0.3，形成了透辉石。在这种等压－等温条件下，流体成分的变化驱动着脱挥发份反应。当更多的含水流体渗入到岩石中，混合流体的成分将会改变，以至于xCO ＜ 0.3；但是，这种变化只有当其中一个反应物被消耗完才会发生。一旦发生了，温度仍然是500℃，系统将离开单变的反应曲线，流体成分将朝着纯水的方向即xCO＝0.0移动，在透辉石形成的过程中，含水流体可能遇到由Cc＋Q组成的岩石，而发生脱碳酸反应形成Wo。这种转换在500℃就可以完成，而在图25－5a所示的封闭系统中，Wo可能形成的温度是710℃，其流体成分为xCO＝0.75。

很明显，在混有碳酸盐的和含水的固相组合中，脱挥发份反应的实际进程在空间和时间上可能是非常复杂的。夹有含碳酸盐和硅酸盐的岩石和不纯的碳酸岩的岩层，其等变线、变质级以及矿物反应受C－O－H流体成分的控制，其影响可以与温度压力相比，甚至是更重要。当含水流体渗入到岩石中，有些反应甚至能在等温等压下发生；流体在变质作用中是活动的，而不是被动的，它既参与热力学的，也参与动力学的过程。考虑P、T和x，可能的反应途径是多种多样的，对它们的研究，将为变质作用中水/岩相互作用提供新见解。

图25－6 P＝0.1GPa下CaO－MgO－SiO2－H2O－CO2系统矿物T－xCO稳定区

3.硅质白云质灰岩的接触变质矿物和矿物组合

硅质白云质灰岩（CaO－MgO－SiO2－H2O－CO2系统）接触变质出现的矿物和矿物组合多种多样，其影响因素复杂，与P、T、x都密切相关。图25－6表示了P＝0.1GPa下矿物稳定区与T和xCO的关系。从该图可看出，滑石（Tc）、叶蛇纹石（Ang）、水镁石Brc）、方镁石（Pe）是低xCO（高xH）的指示矿物，它们不在中－高xCO条件下出现。在很高xCO条件下甚至不出现透闪石（Tr），而在很低xCO条件下，硅灰石（Wo）在约400℃即可出现。图中a －a′、b－b′、c－c′分别为典型的低、中、高xCO条件下的加热轨迹，显然它们出现的矿物演变系列不同。当然出现的矿物组合也不同（图25－7）。

图25－7 不同xCO条件下各接触变质相钙质接触变质岩矿物共生CMS图（据Raymond，2002）

（三）接触－热变质岩主要岩石类型

1.钠长－绿帘角岩相（AEH）

钠长－绿帘角岩相是低级接触变质相，分布在接触晕的最外圈，与未变质岩石渐变过渡。该相岩石以具低压低温矿物组合（图25－8）、明显的变余结构构造为特征。主要岩石类型包括泥质、长英质、基性、钙质四大类，镁质角岩罕见。

图25－8 钠长－绿帘角岩相ACF－A′KF图（a）和AFM图（b）（据Raymond，2002，编制）

◎泥质变质岩：该相泥质变质岩重结晶程度差，变余泥质结构、变余层理构造明显，新生矿物在岩石中多呈肉眼可见的斑点状或瘤状聚集，称为斑点角岩、瘤状角岩（图25－9a，b）。瘤状角岩重结晶程度比斑点角岩稍高。斑点通常为新生矿物雏晶聚集体，而瘤则为新生矿物细小颗粒集合体。新生矿物组合反映原岩的化学特点。

图25－9 泥质接触变质岩的几个变质阶段（25×）（据Harker，1960）

图25－9的三张显微照片已实例反映了泥质岩接触变质的发展阶段。开始的斑点角岩阶段（图25－9a），发育由分散的碳质物质（现已还原为石墨）聚集形成的斑点。除石墨外，新矿物为少量的磁铁矿（由赤铁矿转变而来）；散布在未结晶的泥质基质中；随着变质程度的增加，进入瘤状角岩阶段（图25－9b），泥质基质在一定程度上重结晶为细小的云母物质。斑点已增大为瘤状，不过，与通常的由新生矿物细小颗粒集合体组成的瘤不同，这里瘤重结晶作用不完全，有较多的未重结晶物质残留；最后，整个岩石普遍重结晶进入典型的角岩阶段（图25－9c），实例中为红柱石－堇青石角岩，是由石英、云母、红柱石、堇青石和磁铁矿组成。这个阶段变质作用已达普通角闪石角岩相。

区分富铝泥质变质岩（原岩成分以高岭石、蒙脱石为主）和富钾泥质变质岩（原岩成分以水云母为主）要看新生矿物和矿物组合。富铝泥质变质岩以有富铝矿物红柱石、硬绿泥石，无钾长石（Mic）为特点。典型的矿物组合为Q＋Ab＋And＋Cld＋Ms＋Chl，Q＋Ab＋Bi＋Ms＋Chl，红柱石通常不与黑云母共生，这在AFM图（图25－8b）上可清楚表示出来。在周口店接触晕外带（Bi－And带）富铝泥质变质岩中出现有硬绿泥石。硬绿泥石常呈束状集合体（见图21－9d），它的出现，说明岩石Fe/Mg比值较高；富钾泥质变质岩以无富铝矿物红柱石、硬绿泥石，而有钾长石（Mic）为特点，典型矿物组合Q＋Ab＋Mic＋Ms＋Bi，这在A′KF图（图25－8a）上比AFM图上表示得更清楚。

◎长英质变质岩：该相长英质变质岩主要有变质砂岩、变质砾岩、变质流纹岩、变质流纹质凝灰岩等，可用变余结构构造将它们区分开。典型的矿物组合与富钾泥质变质岩矿物组合相同。在周口店接触晕外带见有变质砂岩、变质砾岩（图25－3）。

◎基性变质岩：该相基性变质岩典型岩石为钠长－绿帘角岩，具有矿物组合Ab＋Ep＋Act＋Chl＋Bi＋Q（图25－8a之ACF图）。这是该相标志性矿物组合，因而以该岩石作为相名称。钠长绿帘角岩原岩可能是辉长岩、辉绿岩、玄武岩、玄武质火山碎屑岩或铁质白云质泥灰岩，变余结构构造是区分它们的可靠标志。变余结构构造明显时称“变质××岩”，如变质辉绿岩。

◎钙质变质岩：除随着重结晶增强，原岩中碳酸盐矿物粒度增加外，当原岩含有泥质等成分时，会出现新生矿物。代表性矿物组合为Cc＋Tr＋Ep＋Q±Ab±Bi（图25－8a之ACF图），这是个变质的不纯灰岩和变质泥灰岩组合。若原岩为不纯灰岩，则以Cc为主，为绿帘石－透闪石大理岩；若原岩为泥灰岩，则以钙硅酸盐矿物为主，为方解石－绿帘石－透闪石角岩。当原岩为硅质白云质灰岩时，则出现滑石白云质大理岩，矿物组合为Dol＋Tc＋Q（图25－7）。在周口店接触晕外带，见有透闪石白云质大理岩，有透闪石无滑石，可能与形成压力较高有关。

2.普通角闪石角岩相（HH）

普通角闪石角岩相是中级接触变质相，分布广泛。该相岩石具有低压中温矿物组合（图25－10），重结晶程度较高，变余结构构造通常已不发育（图25－9c）。泥质变质岩中红柱石、堇青石常形成发育很好的变斑晶，红柱石与黑云母共生。富铝矿物仍不与钾长石共生。低温矿物硬绿泥石、绿泥石、阳起石、滑石、钠长石、绿帘石已不稳定，该相新出现的矿物包括：堇青石（Crd）、铁铝榴石（Alm）、斜长石（An＞25）（代替Ab＋Ep）、普通角闪石（Hb）（代替阳起石）、透辉石（Di）、钙铝榴石（Gro）、直闪石（Ant）、镁铁闪石（Cum），压力较高时矽线石会取代红柱石。

◎泥质变质岩：富铝泥质变质岩典型矿物组合为And－Bi－Crd－Q－Ms，岩石FeO/MgO比值较高时铁铝榴石取代堇青石，有红柱石、堇青石、铁铝榴石等富铝矿物，无微斜长石，红柱石与黑云母共生（图25－10b）。红柱石、堇青石、铁铝榴石、黑云母在岩石中呈变斑晶，分布于细小的石英、云母、炭质等矿物组成的基质中，变斑晶中常有基质矿物包裹体，典型岩石为红柱石－堇青石－黑云母角岩（图25－11）。当红柱石中有十字状炭质包裹体在横切面上沿对角线分布时，称为空晶石（chiastolite）如图25－11所示。若红柱石呈放射状集合体，则称为菊花石（图25－4）。堇青石可发育完好的三连晶或六连晶，也可呈断面近椭圆形的无双晶颗粒，后者与无双晶的斜长石较难区分（图25－11b）。周口店接触晕内带富铝泥质变质岩中无堇青石而出现十字石、铁铝榴石、直闪石，除说明原岩FeO/MgO比较高外，可能还与压力较高有关。若岩体侵位深度较深，则在该相富铝变泥质岩的较高温部分出现矽线石，但仍不与钾长石共生，如周口店岩体接触晕的矽线石带（图25－3）；富钾泥质变质岩典型矿物组合为Q－Mic－Ms－Bi（图25－10a之A′KF图），有钾长石，无富铝贫钾矿物，矿物组合与钠长－绿帘角岩相基本没有区别，但岩石重结晶程度高，变余结构构造不发育，主要由云母组成，为云母角岩。

图25－10 普通角闪石角岩相ACF－A′KF图（a）和AFM图（b）（据Raymond，2002编制）

图25－11 红柱石－堇青石－黑云母角岩（英格兰Skiddaw，23×）（Harker，1960）

◎长英质变质岩：矿物组合与富钾泥质变质岩同，与AEH相相比，矿物组合也基本没有区别，但岩石长石、石英含量高，重结晶程度高，变余结构构造不明显，为长英角岩。

◎基性变质岩：典型的矿物共生组合为Pl－Hb－Di－Q和Pl－Hb－Cum（镁铁闪石）－Q（图25－10a之ACF图），以斜长石、普通角闪石为主，称为普通角闪石角岩。含镁铁闪石时，称镁铁闪石－普通角闪石角岩；含透辉石时，则称为透辉石－普通角闪石角岩。

◎钙质变质岩：由于钙铝榴石的出现，可把不纯灰岩组合与泥灰岩组合分开（图25－10a之ACF图）。泥灰岩组合为Pl－Di－Gro－Q，典型岩石为斜长石－钙锆榴石－透辉石角岩。不纯灰岩组合为Gro－Di－Cc－Q，典型岩石为钙铝榴石－透辉石大理岩。周口店接触晕内带出现透闪石－透辉石大理岩、尖晶石－镁橄榄石大理岩。其原岩为硅质白云质灰岩。

3.辉石角岩相（PH）

辉石角岩相是高级接触变质相，以高温无水矿物组合、钾长石与富铝贫钾矿物共生、岩石的变余结构构造几乎完全消失为特征（图25－12，图25－13）。多数接触晕中该相缺失。在发育最完整的接触晕（如挪威Oslo）中，构成内带。由于反应Ms＋Q＝Als＋Or＋H2O，钾长石与富铝贫钾矿物共生，单从矿物组合已区分不出富铝泥质、富钾泥质和长英质组合，它们的典型矿物组合均为Sil－Crd－Or－Q或Crd－Bi－Or－Q，FeO/MgO比高时可出现铁铝榴石（图25－12），压力很低时可出现红柱石，富Fe、Mg时出现Opx－Bi－Or－Q组合。三个化学类型区别仅在矿物含量上：富铝泥质岩矽线石（或红柱石）、堇青石含量高，形成含正长石矽线石（红柱石）－堇青石角岩（图25－13a）、含正长石堇青石－黑云母角岩；富钾泥质岩正长石、黑云母含量高，形成矽线石（红柱石）－堇青石－正长石角岩、堇青石－黑云母－正长石角岩；长英质岩石长石、石英含量高，形成矽线石（或红柱石）－堇青石长英角岩、堇青石－黑云母长英角岩，红柱石与正长石共生说明岩体侵位深度浅。

图25－12 辉石角岩相ACF－A′KF图（a）、AFM图（b）（据Raymond，2002编制）

图25－13 矽线石－堇青石角岩（a）（23×）和辉石角岩（b）（25×）（据Harker，1960）

基性变质岩典型矿物组合为斜长石－二辉石组合（图25－12之ACF图），形成辉石角岩。辉石角岩虽然矿物成分与基性侵入岩相似，但以变晶结构可与之区分（图25－13b）。

钙质变质岩中，泥灰岩组合与普通角闪石角岩相相同，典型岩石为斜长石－钙铝榴石－透辉石角岩。不纯灰岩中由于发生反应Cc＋Q＝Wo ＋CO2，形成硅灰石，方解石与石英不能共生。因此，若硅过剩则形成石英－钙铝榴石－透辉石－硅灰石角岩；若硅不足，则形成钙铝榴石－透辉石－硅灰石大理岩（图25－12之ACF图）。硅质白云质灰岩典型变质产物为镁橄榄石－透辉石大理岩、透辉石－硅灰石大理岩。

图25－14 透长岩相ACF图（据都城秋穗，1972）

4.透长岩相（S）

透长岩相是特殊的高热接触变质相，见于火山岩捕虏体和接触带或一些侵入体的顶棚悬挂体中，在侵入体接触晕中并不出现。由于温度很高（＞800℃）、压力很低（近地表），形成很特殊的矿物组合（图25－14）：泥质、长英质变质岩中，出现矽线石、莫来石（Mu）、堇青石、鳞石英（Tri）、高温斜长石、透长石（San）；在变质白云质灰岩中出现钙镁橄榄石、黄长石、硅灰石、斜硅钙石、灰硅钙石、镁蔷薇辉石；在基性变质岩中出现普通辉石（Aug）、易变辉石（Pig）、高温斜长石等。由于高温淬火，往往未达化学平衡，还可以出现玻璃。

（四）接触变质热模型和接触变质P－T轨迹

建立接触变质热模型是一个非常复杂的问题，它涉及侵入体形状、大小，侵入体和围岩初始温度，侵入体岩浆结晶和围岩变质反应的热效应（生热率），侵入体和围岩的热导率、热传导方式（纯的热传导还是有循环流体参与下的热对流）等许多因素。这里仅考虑一个产状直立的直径一定的圆柱状岩体（或厚度一定的岩墙）侵入均匀的围岩之中的最简单的一维热传导模型。

图25－15a示意性地表示了接触变质一维热传导模型。由该图可看出，一方面，岩浆侵入后任何时刻，随着远离接触带，围岩温度越低。随着时间的推移，温度－距离曲线越来越平缓。另一方面，离接触带距离不同的围岩都有一个先加热升温，到达热峰后冷却降温过程，但热峰温度高低，到达热峰的早晚都因距离不同而不同。在热传导模式下，随着距离的增大，围岩热峰温度越低，到达热峰的时间越晚。这个热传导过程与波的传动类似。

图25－15 接触变质一维热传导模型（据Mason，1990）

紧靠侵入体的接触带上的围岩，是在岩浆侵入后很短时刻到达热峰的，由于固体传导性较差，热峰温度（Tmax）要明显低于岩浆侵入时刻的岩浆温度（Tm）。可用下列经验公式估算：

岩石学（第二版）

式中：Tc是岩浆侵入前围岩温度。若一岩浆温度Tm＝800℃的花岗闪长岩，侵入Tc＝100℃的围岩中，则接触带上围岩热峰温度Tmax＝567℃。图25－15b表示侵入Tc＝100℃的围岩之中的直径为4km，Tm＝800℃的花岗闪长岩体，在4km深处距接触带不同距离的围岩T－t曲线。由该图可看出，距接触带3km的围岩在侵入后约10.5×105a到达热峰温度约325℃。而距接触带1km的围岩是在侵入后约5×105a到达约500℃的热峰温度的。假定该岩体侵入后以速率1mm/a抬升，其接触带及距接触带3km处围岩的P－T－t轨迹如图25－16所示。由该图可看出，在侵入后20×105a时，岩体已抬升了2km，并已完全冷却。接触变质岩P－T－t轨迹一般包括早期近等压加热和晚降压冷却两部分。

图25－16 接触带及距接触带2km外围岩P－T－t轨迹（据Mason，1990）

区别是颜色不同。绿皮青石头估计是河卵石，是一种纯天然的石材，河卵石主要化学成分是二氧化硅，其次是少量的氧化铁和微量的锰、铜、铝、镁等元素及化合物。

它们本身具有不同的色素呈现出黑、白、黄、红、墨绿、青灰等色系。靠海河近处河卵石居多，分布很广，比较常见，且外形美观，所以成为庭院、道路、建筑施工用石的理想选择。

青石就是一种石灰岩，因此正常的情况下呈现灰色，在中国的山东和四川附近省份有很多这种青石。因为它们可以直接取材于大自然，而且量很多，又因为主要成分是碳酸钙，对大自然没有污染，因此在考虑环保以及成本的条件下，这种青石是用于家具和建筑的不二选择。

因此，青石就是一种大量存在于大自然的石灰石，粉碎后的青石可以用于房屋的建筑，而没有粉碎的青石，经过一定的工序可以制成家具。

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