周口店野外地质教学中变质岩教学的探讨

李益龙　张宁　徐冉　袁晏明

摘要：变质岩石学是岩石学分支学科，主要研究各种变质岩的岩性特征，包括化学成分、矿物成分、结构构造和地质产状；查明不同类型变质岩的原岩性质和形成时的物理化学条件；探讨变质岩组合与大地构造环境和地壳演化过程的关系；寻找与变质岩有关的各种矿产。本文结合周口店地质实践教学的体会和变质岩石学的学科特点，探讨如何在周口店野外地质教学中较全面的进行变质岩的实践教学，使学生能理论联系实际的全面理解变质岩课程的内容及其包涵的地质思维，并能初步运用变质岩石学基本原理分析自然界中的变质作用。

关键词：周口店；野外实践；变质岩；教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）06-0264-04

岩石学（petrology）是现代地球科学的基础课程，在国民经济建设中具有非常重要的地位和作用。它是地学类的地质矿产勘查、水文地质、工程地质、岩土工程、石油与天然气地质勘查、地球物理等本科专业的专业基础课，也是必修的主干课程之一。岩石学可分为岩相学和岩理学两部分：岩相学是以研究岩石分类和描述岩石特征为主，立足于详细的野外及室内的观察和测试，如对岩石的颜色、结构构造、矿物成分和野外产状以及它们的化学成分做出研究，以对各类岩石做进一步的分类和命名；岩理学则是将岩相学的知识与实验研究和理论分析结合，通过归纳和演绎对有关各类岩石的成因、形成演化及构造背景进行研究[1]。岩石学的研究方法可归纳为野外调查和室内测试实验两类。野外调查主要是通过地质填图、剖面测量和露头详细观测等弄清岩石的产状、分布、组合、时代、构造与矿产的关系等，并采集各种标本、样品供室内研究。室内研究主要有偏光显微镜鉴定、X射线分析、差热分析、化学分析、电子显微镜鉴定、质谱分析、波谱分析及电子计算机数据处理等，以获取组成岩石的矿物成分、物理性质及成因方面的信息。还可进行各种模拟实验，验证成岩成矿机理和为岩石工业利用提供资料。其中野外调查侧重于岩相学研究，而室内测试实验则侧重于岩理学的研究。对于大学生来说，首先要掌握岩相学的内容，然后再对岩理学的内容做出理解。千万不能丢掉或轻视岩相学基础去空谈岩理学理论。因此，实践教学环节在岩石学学习以及地质人才培养过程中具有极其重要的作用。注重实践教学是我校长期以来的优良传统，也是学校得以持续发展的一个重要因素。我校四年制地质类本科教学计划中包括三次必修的暑期实践教学，分别为大学一年级的北戴河基础地质认识实习、二年级的周口店野外地质教学实习和三年级的毕业生产实习。周口店教学实习是在完成室内岩石学、地层学、构造学等地质基础理论课程教学的基础上所进行的一次全面、系统的野外基础地质教学实践活动，通过对学生的综合性训练，达到能识别主要岩石和矿物及各类基本地质现象，初步掌握野外地质工作方法和工作能力，以及编写地质报告和制作地质图件基本能力的目的[2]。因此，周口店野外地质教学实习具有承前启后的重要作用，是地质类专业学生真正步入地质殿堂的必要途径。变质岩石学（metamorphic petrology）是岩石学分支学科，主要研究各种变质岩的岩性特征，包括化学成分、矿物成分、结构构造和地质产状；查明不同类型变质岩的原岩性质和形成时的物理化学条件；探讨变质岩组合与大地构造环境和地壳演化过程的关系；寻找与变质岩有关的各种矿产。笔者多年来致力于变质岩石学的研究工作，近年来又一直从事室内岩石学课程的授课和暑期周口店野外教学工作。本文结合周口店地质实践教学的体会和变质岩石学的学科特点，探讨如何在周口店野外地质教学中较全面的进行变质岩的实践教学，使学生能理论联系实际的全面理解变质岩课程的内容及其包涵的地质思维，并能初步运用变质岩石学基本原理分析自然界中的变质作用。

一、变质岩石学课程的基本内容

所谓变质岩是指在地壳发展过程中，原来已存在的各种岩石（可以是沉积岩、岩浆岩及早已形成的变质岩），由于地壳的构造运动、岩浆活动、地热流的变化等内力地质作用，使原来岩石所处的地质环境及物理化学条件发生了变化，为了适应变化，在基本保持固态的情况下，岩石的结构构造、物质成分发生变化而形成的一种新的岩石。这一使岩石发生变化的地质过程就总称为变质作用[3]。变质作用有不同的规模和广泛的地质背景，依据其规模，可分为区域变质作用和局部变质作用两大类，具体分类如下：

1.局部变质作用：在局部位置发生，往往只有一个因素起主导作用，变质岩和未变质的岩石逐渐过渡。又分为：①接触热变质作用：发生在侵入体与围岩接触带中，温度起主导作用，变质机理主要是重结晶。②交代变质作用：也常发生在侵入体与围岩接触带中，具化学活动性的流体起主导作用，变质机理主要是交代，常常形成有用矿床。③动力变质作用：分布在构造断裂带中，应力起主导作用，变质机理主要是变形。④冲击变质作用：分布在陨石坑附近，瞬时的高温高压是其控制因素，变形和伴随的部分熔融是其主要的变质机制。

2.区域变质作用：发生在岩石圈的广大范围内，各种温压、化学性流体共同起作用，变质机理复杂多样，很难找到变质和未变质间的界线。又分为：①造山变质作用：发生在前寒武纪结晶基底和寒武纪以后的造山带中，是区域变质作用的代表。常说的区域变质一般就指造山变质。②洋底变质作用：发生在洋中脊附近的洋壳岩石中。③埋藏变质作用：是成岩作用与变质作用间的过渡。④混合岩化作用：高级区域变质作用向岩浆作用的过渡，已有部分熔融。可以看出，变质岩的岩石类型及特征一方面受原岩特征影响，一方面受变质岩形成过程中的地质环境及物理化学条件的影响，前者属内因，后者属外因。外因包括温度、压力（静压力、应力）、时间和具化学流动性的流体四个因素，是变质作用的控制因素。它们对原岩的不同方式、不同程度的影响，即可形成不同类型的变质岩。由岩浆岩变质形成的变质岩称为正变质岩，由沉积岩变质形成的变质岩称为副变质岩。变质岩石学课程的教学目的就是通过教学活动，使学生掌握变质岩形成的基本理论和知识，了解变质岩和变质作用研究基本理论、原则和方法，了解物理化学的基础理论、技术和方法在变质岩石学的应用，变质作用强度研究的原则和方法，变质作用的发生、发展与地球构造环境的关系等。课程讲授内容主要有以下几个方面：①变质岩的形成，包括变质反应及其类型，重结晶作用及其特征，变质分异作用，变形作用和变形结构类型及与变质作用的相互关系，岩石与流体的相互作用等。②变质岩中的矿物，包括变质岩中矿物的分类，特征变质矿物，常见变质矿物的稳定性等。③变质岩的结构构造，包括变余结构构造，变晶结构，变形结构，变质构造等以及变质作用机制，掌握常见变质岩的鉴定。④物理化学原理在岩石学中的应用，包括Gibbs相率，Goldschmitd矿物相率，ACF图和A'KF图，变质相和变质相系，变质泥质岩中的变质带等。⑤变质基性岩中的变质相系，各个变质相的特征，变质相研究中的问题。⑥变质作用与构造作用的关系，包括板块构造与双变质带，高压变质岩的形成和保存，地壳加厚与变质作用关系理论及模拟研究等。

二、周口店地区的变质岩

周口店地区多数岩石都遭受了不同程度的变质作用，包括太古宙、元古宙和古生代区域变质岩、岩体周围的接触热变质岩及与构造变形作用有关的动力变质岩[4-5]。

1.区域变质岩。①太古宙变质杂岩——官地杂岩。官地杂岩分布于房山岩体南北两侧及东缘，面积小于0.5km2，主要由片麻岩、斜长角闪岩、变粒岩、混合岩等组成。山顶庙一带出露的杂岩中的斜长角闪岩及其中的深熔浅色体分别给出了锆石LA-ICPMS U-Pb年龄2538+34/-35 Ma和2548+23/-24 Ma，都是新太古代末期区域变质作用的产物，证实官地杂岩是华北陆块古老结晶基底的一部分[6]。杂岩与中新元古界及古生界地层皆成断层接触，这些断层是沿基底与盖层间不整合界面发育的剥离断层。杂岩与房山岩体呈明显的侵入接触关系。②元古宙和古生代盖层岩系。周口店地区75%以上的面积均属元古宙和古生代区域变质岩出露区，区域变质作用程度浅，变余沉积的结构、构造特征大多有保留，故其原岩恢复仅据肉眼观察即可确定。主要岩性有板岩、千枚岩、变质砂岩、片岩、大理岩等，属中低压变质相系。板岩主要发育在中新元古代洪水庄组、下马岭组、景儿峪组及早古生代石炭系-二叠系地层中；千枚岩主要发育在中新元古代的泥质变质岩中，如洪水庄组、下马岭组、龙山组及寒武系地层中；变质砂岩以石炭系-二叠系地层中分布较多；片岩则构成中新元古代洪水庄组和下马岭组主体部分；大理岩赋存于中元古代铁岭组及早古生代景儿峪组中。板岩中普遍见有变余粉砂-泥质结构及变余层理构造，板劈理发育。千枚岩色调较杂，具丝绢光泽，但随颜色加深光泽变弱，面理上有时呈现皱纹，断面上可见细纹状变余层理。常见的结构是基质为显微鳞片变晶结构的斑状变晶结构，变斑晶主要是红柱石，基质主要是绢云母、石英及少许绿泥石和黑云母。变质砂岩可见变余砂状结构。片岩一般呈鳞片-粒状变晶结构，有时也可见斑状变晶结构。

2.接触热变质岩。周口店地区接触热变质岩主要分布于房山复式侵入体周围。由于接触热变质作用叠加在区域变质岩之上，加之大部分接触热变质岩都发育有明显的片理构造，故此种变质作用形成的各种板岩、片岩、大理岩与区域变质岩很难区别，仅能从野外产状及矿物组合上加以鉴别。主要岩性有角岩类、接触片岩和大理岩类。离房山复式侵入体越近，接触变质程度越强。根据不同原岩和有新矿物或新矿物组合出现，房山岩体周围接触热变质晕由远及近进行对比后可依次划分出红柱石-黑云母带，石榴石-十字石带，矽线石带。这三个带兼具接触热变质和中压区域变质相的特点。红柱石-黑云母带相当于接触变质的钠长绿帘角岩相与区域变质中压绿帘角闪岩相之过渡的条件。石榴石-十字石带相当于接触热变质的普通角闪石角岩相与区域变质的中压角闪岩相十字石亚相之间的过渡条件。矽线石带则相当于接触热变质的辉石角岩相与区域变质的中压角闪岩相的矽线石亚相之间的过渡条件[7]。

3.动力变质岩。与韧性剪切带、剥离断层伴生的糜棱岩系列及与脆性断裂伴生的碎裂岩系列在周口店地区广泛分布。糜棱岩系列种类繁多，主要包括碳酸岩质糜棱岩、角闪斜长质糜棱岩、花岗质糜棱岩、花岗闪长质糜棱岩及长英质糜棱岩。碎裂岩系列则主要包括断层角砾岩、碎裂岩和断层泥。碳酸盐质糜棱岩分布广泛，在164背斜核部、三不管沟、骆驼山等处的铁岭组、马家沟组和寒武系强变形的岩段中均有发育。角山斜长质糜棱岩和花岗质糜棱岩见于山顶庙、乱石垅、东岭子等区段出露的太古宙官地杂岩中。花岗闪长质糜棱岩发育于房山复式岩体西北缘，长英质糜棱岩则与房山岩体西北缘剪切带内长英质岩脉变形有关。断层角砾岩在大小砾岩山之间、牛口峪及房山西等地断裂带内发育。碎裂岩在牛口峪水库北侧弧形断裂带内发育。山顶庙与向源山之间、房山西等地断裂带内断层泥发育。

三、周口店地区变质岩野外教学的探讨

由于变质岩既受原岩的控制，又受变质作用的影响，是双重作用的产物，变质岩野外教学应以岩相学为核心，要求学生查明变质岩的矿物组分、化学成分及其结构、构造特征，并根据地质产状和组合关系，划分为各种不同变质成因的岩石类型，为研究变质岩组合规律或变质建造提供基础资料；同时，应根据各种类型变质岩及其矿物组合基本特征，划分不同变质作用形成的各种变质带、变质相，并且要求查明他们的排列秩序及其渐进变化情况。在岩相学观察的基础上，教员应向学生介绍区域地质构造演化，将岩石的成因机制和演化过程与区域地质事件相关联，让学生学会归纳和演绎变质岩的成因、形成演化及构造背景。现结合周口店地区官地-羊屎沟变质岩综合观察路线对变质岩的野外教学进行探讨。

官地-羊屎沟变质岩综合观察路线。本路线为一条综合观察教学路线，地质内容丰富，包括地层、变质岩、脉岩、断裂及其相关构造等。太古宙变质杂岩、元古宙-古生代区域变质岩、接触热变质岩及动力变质岩在该路线上都有出现。在官地村东大路旁可观察太古宙官地杂岩的总体面貌，可通过与沉积岩系、岩浆侵入体的对比让学生学会根据野外面貌识别三大岩类。此处出露的岩性主要有黑云斜长片麻岩、混合岩、斜长角闪岩、浅粒岩、黑云母变粒岩等。遗憾的是由于最近公路的修筑，部分露头已经被覆盖，仅有部分黑云斜长片麻岩的露头可见，因此，对于官地杂岩的观察应结合山顶庙地区的露头进行补充。另外，此处应让学生判断房山岩体与官地杂岩的侵入接触关系，要能找出以下依据：①岩体沿裂隙侵入杂岩中，呈网脉状；②岩体切割黑云斜长片麻岩中的片麻理，并有其捕虏体。要让学生明白此处由于房山岩体后期的侵入，存在区域上的热源，为后面接触热变质作用的讲解做好铺垫。在官地东南部乱石垅101.4高地附近可见灰白色花岗质糜棱岩，中粒糜棱结构，片麻状构造，岩石中含10%左右的长石碎斑，其形似眼球，大小为0.2～2.0mm，常被石英条带环绕。岩石中发育大量的S-C组构及“σ”型旋转碎斑。应让学生掌握韧性剪切方向的运动学标志并分析判断剪切方向，启发学生思考可能的剪切机制。在官地村南101.3高地附近向羊屎沟内可见元古宙区域变质岩叠加后期的接触热变质作用，包括雾迷山组（Pt2w）透闪石大理岩，洪水庄组（Pt2h）千枚岩，铁岭组（Pt2t）透闪石大理岩，下马岭组（Pt3x）黑云母片岩、石榴石云母片岩、红柱石云母片岩以及龙山组（Pt3l）变质石英砂岩。元古宙盖层与官地杂岩之

1.雾迷山组（Pt2w）。八角寨：出露雾迷山组第四段，灰白色中-薄层结晶白云岩，夹较多的燧石条带和团块，细粒变晶结构，中-薄层状构造，厚度>500m。岩石中普遍发育水平薄纹层和波状藻纹层，属一套潮坪沉积，旋回性明显，显现潮下-潮间-潮上有规律的交替。羊屎沟：透闪石大理岩，灰色、暗灰色，中、细粒镶嵌变晶结构，块状构造，厚度～30m。主要矿物为白云石、方解石、透闪石和少许白云母、斜长石。其中透闪石含量5～10%或更少，一般呈条带或不规则的团块产出。恢复原岩为含硅质条带和团块的白云岩。通过这两处的对比，让学生明白雾迷山组在羊屎沟地区经历了怎样的变质过程，变质作用对岩石带来了哪些改变。首先八角寨地区的雾迷山组代表了原岩，为结晶白云岩夹燧石条带和团块，而羊屎沟地区则代表了变质后的产物透闪石大理岩，对应的变质反应为5CaMg（CO3）2（白云石）+8SiO2（石英）=（Ca2Mg5（Si4O11）2（OH）2）（透闪石）+3CaCO3（方解石）+7CO2。由于原岩中燧石以条带和团块存在，那么也就决定了变质产物透闪石同样以条带或团块产出，这就体现出了变质作用的内因。另外，要向学生介绍透闪石和透辉石在成因上的区别，透辉石的生成反应为CaMg（CO3）2（白云石）+2SiO2（石英）=CaMgSi2O6（透辉石）+2CO2，可以看出透闪石和透辉石具有相同的反应物，但透闪石+方解石是低温矿物组合，代表了低级变质反应，而透辉石的出现是中级变质开始的标志，代表了更高的变质温度。此处岩石中仅出现透闪石而未见透辉石，即代表了变质反应的温度尚未达到中级变质作用的范畴，体现了变质作用外因的控制。

2.洪水庄组（Pt2h）。八角寨：出露灰黑色锰质板岩，夹薄层含锰白云岩或透镜体，变余泥质结构，板状构造，厚38m，属区域变质岩。羊屎沟：灰色-灰黑色千枚岩，鳞片变晶结构，千枚状构造，厚度～10m，属接触热变质岩。两处出露的均为变质岩，但较八角寨地区，羊屎沟出露的洪水庄组经历了相对较强的变质程度。此处应向学生解释同在八角寨地区，为什么洪水庄组为变质岩，而雾迷山组则仍为沉积岩？该差异是由不同化学类型的变质岩对温压条件变化的敏感度不同造成的。变质岩五大常见化学类型中，泥质和基性岩石对温压条件变化最敏感，矿物组合随P-T条件变化快，钙质和镁质岩石对温压变化较为敏感，长英质岩石则是对温压变化不敏感的岩石。洪水庄组为泥质类型，而雾迷山组为钙质，那么洪水庄组对温压条件的变化则更为敏感，从而发生了很低级的变质，也说明了八角寨地区变质作用的温压较低，未达到使钙质岩石发生变质的范围。而羊屎沟地区变质作用的直接诱因就是房山复式岩体在该地区的侵位提供了大量的热源。另外，此处应向学生说明接触热变质作用的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，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。此处的接触热变质就是叠加在区域变质之上，因而继承了区域变质的面理，出现了千枚岩，以及后面将要见到的下马岭组的片岩。

3.铁岭组（Pt2t）。八角寨：下部为灰白色厚层结晶白云岩，中部为深灰色薄层含燧石条带结晶白云岩，上部为灰色中-厚层结晶白云岩、叠层石结晶白云岩，细粒结构，层状构造。羊屎沟：灰色-暗灰色透闪石大理岩，中-细粒纤维状镶嵌变晶结构，块状构造。主要矿物为白云石、方解石、透闪石和少许白云母、斜长石。透闪石含量～5%，一般呈条带或不规则的团块产出。可以看出，铁岭组与雾迷山组原岩相似，均为白云岩，在羊屎沟相同的变质条件下变质后也具有相似的岩性。可以在此处与雾迷山组进行对比，加深学生对变质反应的理解。另外，此处铁岭组中发育鞘褶皱，属A型褶皱，反映了滑脱构造作用，可作为羊屎沟剥离断层存在的补充依据。

4.下马岭组（Pt3x）。八角寨：整体为一套区域变质作用形成的粉砂质千枚状板岩。羊屎沟：在区域变质作用形成的千枚状板岩的基础上叠加了接触热变质作用，形成了各类片岩，距离房山岩体由近而远依次为黑云母片岩-石榴石二云母片岩-红柱石二云母片岩。黑云母片岩：灰黑色，中细粒鳞片变晶结构，片状构造，变质矿物主要为黑云母；石榴石二云母片岩：灰黑色，中细粒斑状变晶结构，片状构造，以出现石榴石变斑晶为标志；红柱石二云母片岩：灰色，中粗粒斑状变晶结构，以出现红柱石变斑晶为标志。此处应重点让学生理解变质相和变质带的概念。首先，一个变质相是一个等物理系，它包括热峰附近一定物理化学条件范围内形成的各种化学成分的变质岩，因而变质相与岩石化学成分无关，仅与变质作用的温度压力等条件有关。变质相的标志是矿物组合，通常用基性变质岩矿物组合划分变质相，并以相应的基性变质岩石对变质相命名，由于不同岩石（如泥质、钙质、长英质等）对温压条件变化敏感程度不同，一个变质相可以包括一个至几个变质带或亚相。此处变质作用均是由房山岩体的侵入造成的，空间方位一致，因而整体上均属于接触变质作用的钠长绿帘角岩相，可以与太平山南坡本溪组（C2b）中的硬绿泥石角岩和红柱石角岩对比。变质带是以一定的变质矿物组合和岩石类型特征反映的变质强度带。在某些变质地区内，不同温度和压力条件下形成的变质岩在空间上常呈有规律的带状分布，可根据成分相同的变质岩中某些特征变质矿物或矿物组合的开始出现或消失为标志划分出不同的变质带。此处根据特征矿物的出现就可以划分出红柱石带、石榴石带和黑云母带，反应了距离岩体由远及近变质程度增强的趋势。另外，应让学生认真观察岩性变化及矿物组合特征，鉴定红柱石、石榴石等变质矿物。红柱石：晶体呈柱状，横断面近正四边形。断面上见有黑色包裹物者称空晶石；集合体为放射状或粒状，呈放射状者形似菊花，故又称为菊花石。颜色有灰色、黄色、褐色、玫瑰色、红色或深绿色，无色者少见；玻璃光泽。石榴石：等轴晶系。常呈完好菱形十二面体或四角三八面体之晶形及二者之聚形。集合体常为粒状或致密块状。颜色随成分而异，有深红、黑、玫瑰、褐红、蜜黄、鲜绿、褐黑等色。玻璃光泽，有时近于金刚光泽，断口油脂光泽。

5.龙山组（Pt3l）。拴马桩桥头：灰色-褐灰色中粗粒变质石英砂岩，变余砂状结构，厚层状构造。羊屎沟：灰褐色中粗粒变质石英砂岩，变余砂状结构，变余层理构造。可见龙山组在这两处并无明显变化，一方面说明长英质岩石对温压条件的敏感度低于泥质岩，另一方面也可能是由于龙山组距离岩体已较远所致。

我们要充分利用好周口店实践教学基地，并不断对其强化。通过上述对周口店地质实习中变质岩地质教学的思考，可完善周口店实习教学路线的内容，使学生系统掌握变质岩知识，提高学生对变质现象的观察、测量、描述和分析能力。另外，通过对变质过程的理解，可以加强学生的野外地质思维，提高学生的综合能力，进而培养出更多的创新型地学精英人才。

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基金项目：中国地质大学（武汉）中央高校基本科研业务费专项资金（No.CUG110804）；国家自然科学基金（No.41202038）

作者简介：李益龙，男，1983年出生，主要从事变质岩石学的研究。