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地質學
第一章 概論
第十二章 河流與河流的地質作用
第十三章 地下水
第十四章 風的地質作用
第十五章 冰川與冰川的地質作用
第十六章 湖泊和沼澤的地質作用
第十七章 海洋
第十八章 海水的地質作用 - 海水的剝蝕和搬運作用
第十九章 板塊構造學說
第十一章 地質圖與地質圖的判讀
第十章 地層與地質時間
第二章 我們居住的地球
第三章 礦物
第四章 岩石概論
第五章 火山與火山作用
第六章 風化和土壤
第七章 地質作用、地殼變動與構造運動
第八章 化石與古生物學
第九章 地殼與生物進化的歷程概述
第二十章 環境地質學
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4-18 變質岩和變質作用
變質岩(Metamorphic Rocks)的字源來自希臘文,是由“meta”(Change)和“morph”(form)兩個字合成,指形狀變化的意思。原來已經存在的岩石,由於外界溫度、壓力、或化學的環境發生變化而變成的另一種岩石。這時原來岩石中的礦物成分、岩理、或結構就要發生變化,來適應這個新環境,以求再度達成平衡。所產生的岩石名叫變質岩。變質岩約佔地殼岩石的百分之十五,產生變質岩的作用叫做變質作用(Metamorphism)。變質作用僅限於岩石在固態下所發生的變
化,不包括岩石的再熔作用(Remelting)或風化作用在內。變質作用都發生在地下較深處,通常多在地面風化帶以下。變質作用包括礦物再結晶而造成新的變質礦物,以及礦物顆粒的壓碎破裂或發生再排列而改變岩石的岩理。前者名為化學再結晶作用(Chemical Recrystallizatjon),後者名為機械變形作用(Mechanical Deformation),前者遠較後者為重要。
 
變質作用的營力(Agents of Metamorphism) 
 
變質作用的造成有三種主要的營力。
 
熱力(Heat) 
這是最主要的營力,一般人相信只有壓力而沒有伴之而產生的溫度的增高很難引起重要的變質作用,許多變質作用都是由於溫度的改變而引起的。岩漿的溫度可以到達攝氏1300度,所以當岩漿侵入地殼時,和圍岩接觸的地方可以發生高溫而產生變質作用。另外地溫梯度(Geothermal Gradient)的增高和地殼變動時所生的熱能也是熱力的來源。地溫梯度係指地下岩石溫度隨著深度而增高,通常地面以下每深一百公尺,可以增加攝氏三度。當溫度增高以後,岩石的強度減低,容易發生可塑性流動。同時離子在礦物的原子晶格中不斷的振盪,使得原來礦物的構造終至解體,隨著離子擴散加劇,揮發物容易分離,岩石空隙中的流體也大量增加,化學作用也跟著加劇,最後離子又重新集合組成新的構造,產生在高溫條件下可以安定的礦物,於是新的變質礦物群也就出硯。因為溫度的不斷增高可以有不同的新礦物產生,所以變質岩中所含的礦物成分可以指示這岩石造成時的溫度情形。
 
壓力 (Pressure) 
壓力可以使岩石中粒與粒間的孔隙減少,或發生再結晶作用,也可以產生密度較大、原子排列較緊密、或成分較簡單的新礦物。岩石中顆粒和顆粒的接觸點如果受到大壓力,就增加它的溶解度,溶解下來的礦物質又再沉澱在受壓最小的顆粒空隙之中,最後使岩石再結晶而孔隙率大為降低,岩石也變得更為堅硬,砂岩之變為石英岩即為一例。壓力可以來自地殼變動,也可以來自上部覆蓋岩層的重壓,也可以來自岩石中揮發物外逸時岩石孔隙中的流體壓力。最早的壓力都來自上覆岩層的岩壓,埋藏在數公里深處的岩石,很容易受了它上部岩石的重壓而變形。以後深埋在地下的岩石又可以受到地殼變動的影響,而發生褶皺斷移。這兩種作用都可以使岩石的可塑性增高,極容易受熱力和壓力的作用而變形。這種變形包括改變岩石的岩理、礦物顆粒的重新排列、新礦物的產生等。如果純粹由於岩層深埋入地下所造成者名叫深埋變質作用(Burial Metamorphism),主要由上部岩層的靜岩壓力(Lithostatic Pressure)和地溫梯度在深部不斷的增高所造成的變質作用,深埋岩石所含的水份也可以幫助發生再結晶作用而造成新礦物。
 
促進化學反應的流體( Chemically Active Fluids) 
岩漿結晶末期所產生的熱液和其他流體,常從岩漿體外逸而和附近的岩石發生反應。水蒸氣和二氧化碳是產生變質作用的流體中的兩種最主要氣體,其他的氣體有氟、氯、和硼;其他的液體有鹽酸和氟酸。水的來源包括雨水、岩漿水、岩孔水、和含水礦物中的水。熱液具有溶劑和觸媒雙重作用,可以增加化學反應的速率,或促成再結晶作用,引起岩石的離子置換作用,或使岩石加入新的成分而產生新的礦物,這類礦物可以在新的溫度和壓力環境下至為安定。這種由岩石本身或自外界加入的離子,可以引起化學交換作用,並生長新礦物,因而改變原來岩石的化學成分,這個作用就叫做換質作用(Metasomatism)。因為它常在變質作用中發生,所以有人稱之為換質變質作用(Metasomatic Metamorphism)。
 
變質作用的分類 
 
變質作用可以分為三大類,但是以前面兩類最為重要。
 
接觸變質作用(Contact Metamorphism) 
當岩漿侵入圍岩時,被侵入的岩體在其和岩漿的接觸面及其附近,因溫度增高而發生變質作用,有離子的交換或岩漿流體的入侵,這種變質稱為接觸變質。接觸變質作用只有發生在火成岩和圍岩間的接觸變質圈(Metamorphic Aureole)中,一般範圍規模較小,而且多半具有區域性。變質圈的寬度不等,寬者可達二、三百公尺,甚至數公里,狹者不過二到三公分,完全決定於侵入體的大小、溫度、種類、和被侵入岩石的物理化學性質,後者包括其化學成份、滲透率和導熱能力。
 
區域變質作用(Regional Metamorphism) 
區域變質規模很大,可以延伸數百或數十萬平方公里,變質發生時溫度和壓力並重,其他變質營力也會共同發生作用,所以又名動熱力變質作用(Dynamothermal Metamorphism)。這類變質作用多造成具有葉理狀的變質岩,且多發生在褶皺山脈或造山帶中;因此一般相信區城變質和造山運動有密切的關係,因為造山運動發生時可以使廣大地區的岩層深埋入地下,受高溫高壓作用而成變質岩。
 
壓碎變質作用(Cataclastic Metamorphism) 
這是影響和分布範圍最小的變質作用,也叫做動力變質作用(Dynamic Metamorphism),幾乎全以岩石的機械變形為主,多發生在地下淺處的斷層帶和強烈的褶皺帶中,只限於局部地區岩石脆弱的地帶。岩石受擠壓力或剪應力作用產生機械的碎裂剪移,或磨壓成粉,甚少有溫度的上升。礦物成分沒有什麼變化,但是多碎裂或變動,受破壞得很厲害。角礫岩和磨變岩(Mylonite)是最常見到由這種變質作用所造成的碎裂狀岩石(Cataclastic Rocks)。
 
變質岩的分類
 
變質岩的分類也是依據其岩理和礦物成分而定。
 
變質岩的礦物成分 
變質岩係由原來的火成岩、變質岩或沉積岩受變質作用而形成,所以它的礦物成分也多屬變質作用所造成的產物,就是在比較高溫高壓的環境下所生成的礦物。同時因為水分的被排除,很多變質礦物也變為無水的礦物。如頁岩係富含鋁的矽酸岩類所造成的岩石,變質成板岩或片岩後最早產生的常是雲母類礦物,因為雲母是片狀礦物,它的片狀面可以減小壓力,所以在片岩中所含的雲母遠較在頁岩中者為多,就是一個例子。同樣原來在火成岩中的長石和角閃石,也可以因變質而成雲母。所以在片麻岩中的雲母,要比較未受變質作用影響的花崗岩中者為多。變質岩中的礦物,決定於原岩的性質、溫度和壓力。一般變質岩中的礦物,除常見於其他岩石內的石英、長石、雲母等外,常有其他下列各類礦物的出現。
 
      表4-8 常見的變質礦物表

         普通者                                                   次多者                                                         少見者                 
石英 (Quartz)                                 石榴子石 (Garnet-Almandite)                         石墨 (Graphite)
長石類 (Feldspar)                        十字石 (Staurolite)                                            電氣石 (Tourmaline)
黑雲母 (Biotite)                             綠簾石 (Epidote)                                               符山石 (Vesuvianite)
白雲母 (Muscovite)                       黝簾石 (Zoisite)                                                矽灰石 (Wollastonite)
角閃石 (Amphibole)                     藍晶石 (Kyanite)                                                剛玉 (Corundum)
方解石 (Calcite)                            陽起石 (Actinolite)                                             堇青石 (Cordierite)
綠泥石 (Chlorite)                          透角閃石 (Tremolite)                                        監閃石 (Glaucophane)
絹雲母 (Sericite)                           矽線石 (Sillimanite)                                          輝玉 (Jadeite)
                                                        紅柱石 (Andalusite)
                                                        滑石 (Talc)
                                                        石棉 (Asbestos)

 
變質岩的岩理 
變質岩的岩理決定於礦物晶體的大小和它們排列的方式,主要可以分為葉理狀(Foliated)和非葉理狀(Non-foliated)兩種。岩石經過變質作用後,組成礦物形成有規則彼此平行的排列,常可沿片理面將岩石剝離開來,這類岩理就叫做葉理狀岩理。這是因為岩石受動力或再結晶作用後,新生成的變質礦物具有選取的一定排列方向,或是所有片狀礦物或長條狀礦物在可塑性變形下,發生自然轉動而彼此呈平行而排列所造成旳,而這個平行面多垂直於最大的壓力方向(見圖4-41及圖4-42)。葉理面可以按其粗細分為片麻岩狀、片岩狀、板岩狀等。岩石如經過變質作用後,只有發生再結晶作用,而不造成平行片狀的葉理組織,就叫做非葉理狀。現在把各種岩理分述於後。
 
                                                        


                                                           
 
(一)葉理狀岩理(圖4-43)
(l)板岩狀岩理(Slate Texture)葉理面極薄,所含礦物也很細小,不能以肉眼認出,只有在顯微鏡下方能認識。多由雲母或綠泥石等細片平行排列而成,極容易剝離成薄葉狀。
 
                                                        
 
(2)片岩狀岩理(Schistose Texture)葉理面較厚,大部為片狀或條狀礦物所組成,組成礦物較大,已經可以肉眼辨認。
(3)片麻岩狀岩理(Gneissic Texture)葉理面極粗,其葉理厚度常在一公厘以上。這種變質作用至為強烈,可以使離子活動快速而使礦物凝聚(Segregation)成一帶,所以岩石常呈條紋狀(Banding),其中的黑色和白色礦物常分別凝聚而相間排列成黑白相間的條紋狀結構,各由不同的礦物組成,其剝離甚為困難。
 
(二)非葉埋狀岩理(圖4-44)
(l)角頁岩狀岩理(Hornfelsic Texture)由極細小的晶體組成,岩石中大部礦物已經重新結晶。主要是接觸變質作用所造成的岩理,岩石碎裂後具有尖銳的角礫。
 
(2)花崗變晶狀岩理(Granoblastic Texture)由變質時同時結晶而彼此交錯穿插的礦物組成,礦物多屬大小相等的粒狀礦物如長石、石英、輝石等。晶粒較大,可用肉眼辨別。
 
                                                        
 
變質岩各論 
 
根據變質岩有無葉理狀的岩理而先將之分為二大類,再細分為不同的變質岩類(圖4-45)。
 
                                                         

(一)片麻岩(Gneiss) 
 
呈條紋狀粗粒的葉理狀岩理,也稱為片麻岩狀岩理。礦物呈平行排列,且黑白兩色或暗淡兩色相間,因礦物分凝作用(Mineral Segregation),由黑色礦物和白色礦物相間成條紋狀排列。

片麻岩所含主要礦物為石英、長石及雲母,有時含有普通角閃石,組成礦物都可以由肉眼辨識。片麻岩的顏色不一,其命名亦依其所具葉理組織的主要礦物是什麼來決定,如黑雲母片麻岩、角閃石片麻岩等。在由多種礦物組成時則由它原來岩石是什麼來定名,如花崗岩片麻岩、正長岩片麻岩等是。片麻岩多在變質度較高的區域變質作用中產生,故多形成柔性褶皺 (圖4-43)。另外如有岩漿侵入變質岩中或變質沈積岩中因而相間成層就成為火成岩和變質岩的混合岩(Migmatite),見圖4-46,又名侵入片麻岩(Injection Gneiss)。圖4-44是一張強烈變質作用所造成的變質岩各種形象圖。
 
                                                       
 
(二)片岩(Schist) 
具較細密的葉理狀岩理,中粒至粗粒,它的片狀岩理常由雲母和綠泥石等組成,
 
其片理有時呈波狀彎曲(圖4-47,4-48))。片岩多分布在區域變質帶中,為變質岩中最
 
多岩石之一。以其所含主要礦物的不同,有有下述各種主要岩類:


                                                          

                                                       


(1)角閃石片岩(Hornblende Shist 在台灣稱 Amphibolite Schist) 含普通角閃石和少量長石;角閃石常呈平行柱體,色黑或暗綠。
 
(2)綠泥石片岩(Chlorite Schist) 礦物以綠泥石為主,顏色為綠至暗綠,觸之有滑膩感。
 
(3)滑石片岩(Talc Schist) 以滑石為主,顏色白至淺綠,硬度甚低,片狀組織緻密,有滑膩感。
 
(4)雲母片岩(Mica Schist) 為含雲母甚多而片狀岩理顯著的片岩,顏色以所含雲母而定。
 
(三)千枚岩(Phyllite)
與板岩相似,但葉理面略粗,含雲母也較多,常呈絹絲光澤。這類岩石的性質和變質度介於板岩和片岩之間,有時具有清晰的變質礦物粒凸峙於岩面。
 
(四)板岩(Slate)
具極密的良好葉理狀岩理,葉理甚薄,極細粒,多是頁岩或其他細粒岩石在輕度變質作用下造成,但是組成葉理狀組織的礦物成分,肉眼不易斷定。這類岩石極易順其葉理面方向裂開。板岩較頁岩均一而堅密,粒度甚細,顏色不一,以深灰色為多。
 
(五)硬頁岩(Argillite)
為最低級的變質岩,多由頁岩或泥岩受區域變質作用造成,岩石僅發生變硬作用(Induration),略呈葉理狀岩理,具木片狀碎片,頁岩的原來性質尚部分保存。硬頁岩的變質度如增高就變為板岩。
 
II、非葉理狀岩理的變質岩類 
 
(一)石英岩(Quartzite)
砂岩變質後重行結晶就造成石芵岩,成分以石英為主,顏色不一,顯玻璃光澤,塊狀岩理;若呈片狀岩理時,則稱之為石英片岩。石英岩極其堅強,擊之常成粒狀碎裂。它的斷口呈鱗片狀,以手摸之,不覺得粗糙,斷裂面時常穿過砂粒,這是它和砂岩相異的地方。
 
(二)大理岩(Marble) 
由石灰岩在壓力作用下再結晶而造成的粗粒岩石,它的組織和顏色變化甚多,由其中所含的雜質和有機質而定,普通多呈黑、灰白各色。礦物成分以方解石為主,硬度低,遇鹽酸則發泡。若礦物成分主為白雲石則是白雲石大理岩。白雲石大理岩較硬,遇鹽酸不易發泡。大理岩美麗花紋者,可以供裝飾晶及建材的用途。 
 
(三)角閃石(Amphibolite)
角閃岩是粗粒的變質岩,主要由角閃石和斜長石組成,也含有雲母、石英、石榴子石、絲簾石等礦物。部分角閃岩微具葉理狀岩理,有的角閃岩則呈花崗變晶狀岩理。角閃岩多由富含鐵鎂礦物的岩石如玄武岩和輝長岩等變成,在變質作用發生時可能有矽、鐵、鎂等岩漿物質的加入。
 
(四)角頁岩(Hornfels) 
這是極細粒的堅硬緻密變質岩,常呈黑色,很像玄武岩及燧石等岩石,礦物顆粒不能以肉眼辨認,只有在顯微鏡下方能辨認。這是原岩受高熱後發生接觸變質作用,使原來的礦物產生局部或或其他細粒岩石受熱焙烘也常常可以造成角頁岩。
 
(五)粒變岩(Granulite) 
這是淺色粗粒的變質岩,顆粒大小相等,都是高溫高壓的變質作用下的產物,主要礦物為石英、長石、和石榴子石,也有很多其他的變質礦物。粒變岩可以變自含矽鋁較高的沉積岩,也可以來自火成岩。局部的粒變岩可以稍具條紋狀的片岩結構。
 
變質岩的分帶 
 
區域變質作用可以按其變質度的高低分為不同的變質帶,每一帶的變化主要決定於變質時所受的溫度和壓力的變化情形。高級的變質帶常接近侵入岩體,離開侵入體愈遠,變質度也就慢慢的變低。變質帶的指示由特定的變質礦物作為代表,這些就是指準礦物(Index Minerals),最早在1893年由英人巴羅氏(George Barrow)研究蘇格蘭的變質岩時所提出,以後經過若干次修改和補充,目前由低級到高級變質帶的指示礦物是綠泥石(Chlorite)→黑雲母(Biotite)→石榴子石
(Garnet)→十字石(Staurolite)→藍晶石(Kyanite)→矽線石(Sillimanite)。所以綠泥石最早出現的時候已經進入低級變質帶,石榴子石出現的時候已經進入中級變質帶,到矽線石出規的時候就變為高級變質帶了。
 
上述變質帶的分布並不是到處一致的,因為原岩的礦物成分不一樣,它所造成的變質礦物也隨著而有變化。上述的分帶可以適用於花崗岩侵入體和泥質原岩,假如原岩是玄武岩質,所有的指準礦物就不一樣了。各地指準礦物最早出現的各點相連所成的線名叫等變質度線(Isograd),表示在這條線上是岩石變質度相同的變質帶界線,這是由英國岩石學家狄萊(C.E. Tilley)最初提出來的。
 
變質岩相(Metamorphic Facies) 
 
所有變質岩地區並非皆有相同的變質帶分布,因為各地岩性不同,其變質礦物的分布也隨之而有變化。1915年及1920年芬蘭地質學家埃斯可拉氏(Pentti Eskola)研究該地變質玄武岩的變質度變化情形,得到相異的變質礦物分布。因為他研究的是以鐵鎂礦物為主的基性玄武岩變質情形,而不是頁岩的區域變質作用。埃氏研究變質玄武岩時,不考慮個別的指示礦物,而使用礦物相或群(Mineral Facies),以一種變質岩為代表岩相,來記述變質作用逐漸進展時所造成的帶狀
構造,這就叫做變質岩相。他認為在變質作用發生時,任何岩石所造成的變質礦物群,可以反映這一岩石的化學成分在一定溫度和壓力條件下所能達到的化學平衡情況,因之所謂變質岩相的定義是任何岩石在一定溫度與壓力下的變質作用中,在達到化學平衡時所產生的變質岩,其所含的礦物群是決定於原來岩石的化學成分。換句話說,在同溫同壓同一變質相內,不同的岩石成分可以產生不同的變質礦物。經過多次修訂以後,現在大家一般主張的變質岩相順序中最低級的變質岩相是沸石(Zeolite)類相,這是一種複雜的含水及鈣或鈉同時含鋁的矽酸鹽類礦物。如果溫度比較增高一點,就進入綠片岩(Greenshist)相,主要礦物有綠泥石、鈉長石、和綠簾石及陽起石等。如果變質度或溫度再增高,就進入綠簾石—角閃岩(Epidote-amphibolite),除綠簾石和角閃石外,也可能含有鈉長石和鈉鈣等長石礦物。如果溫度再增高,就進入真正的角閃岩(Amphibolite)相。在這情況下,角閃石和斜長石就取代了綠泥石和綠簾石,成為本岩相的主要礦物,有時侯尚含有石榴子石。最高的區域變質岩相是粒變岩(Granulite)相 (圖4-49),這時候大部的安定礦物都不含水,如輝石和石榴子石,其中以紫蘇輝石(Hypersthene)和普通輝石(Augite)最常見,所以本變質岩相又名雙輝石(Two-Pyroxene)相,其中的其他礦物尚有斜長石、橄欖石、尖晶石等。所以目前所知變質岩相增高的順序是沸石相→綠片岩相→角閃岩相→粒變岩相;以後溫度再增高,就進入熔融的作用中。圖4-50就是表示溫度和壓力的變化和變質岩相間關係的簡圖。在圖的最下方是在最高壓力下所造成榴輝石(Eclogite)相,主要礦物由鈉質輝石和鎂質石榴子石所組成。這要在極特殊的環境下方能發生,一般的變質岩中不多見。以上所討論的變質岩相是以玄武岩所發生的變質作用為主;如果以頁岩為主,所產生的變質礦物可能又有不同的種類。
 
另外在圖4-50中尚有藍片岩(Blueschist)相的表示,這代表絲片岩相在高壓低溫的環境下所形成的變質岩相,其最特殊的礦物是藍色的含鈉角閃石,名叫藍閃石(Glaucophane),所以有人名之為藍閃石相。但是藍閃石並不一定在本變質岩相內到處出現,因之以藍片岩相的命名比較合宜。本岩相中其他常見的礦物尚有硬柱石(Lawsonite)、硬玉(Jadeite)和霰石(Aragonite)等。
  

                                              

                                       

 
壓碎變質作用所造成的變質岩
 
在地下淺處溫度較低的地方,岩石受應力後可以產生壓碎變質作用。如果在較深的地方而且溫度不斷的增加,就慢慢轉變為區域變質作用。在壓碎變質進行中,岩石受壓破碎斷裂,但是沒有發生成分的改變,也沒有再結晶作用。這時所成變質岩的岩理名叫碎裂狀(Cataclastic Texture),所造成的岩石都是不具結構的岩石碎塊集合體,名叫破碎角礫岩(Crush Breccia)。如果岩石中所有的礦粒都受壓磨而變成粉末,但仍呈一硬而緻密的細粒岩石,這就叫做磨變岩,在大的逆斷層面下最為常見。有時岩石中較大的角礫為壓碎的細粒分離,如果應力再不斷的增加,就成為扁長的顆粒,約呈凸鏡狀,夾在葉理狀的岩石中且和其平行。這就名叫眼球片麻岩(Augen Geniss)。這些都是壓碎變質作用所造成的變質岩類。

 
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