变质岩岩石学室内教学中的难点和改进方法探讨

李益龙，王国庆

中国地质大学（武汉）地球科学学院，湖北 武汉 430074

变质岩岩石学室内教学中的难点和改进方法探讨

李益龙，王国庆

中国地质大学（武汉）地球科学学院，湖北 武汉 430074

变质岩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，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。本文结合变质岩石学的学科特点和笔者多年来的室内教学经验，对变质岩岩石学课程的难点进行了总结，并提出了一些相应的解决方案以供探讨。

课程难点；改进方法；变质岩；室内教学

difficult points of course; improving methods; metamorphic rock; indoor teaching

岩石学是地质学、固体地球科学和地质类院校教学结构体系中的一门专业基础课和必修的主干课程之一，是大学本科教育的一个庞大的教学体系，包括岩浆岩岩石学、沉积岩岩石学、变质岩岩石学三大类，各类中又包括了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，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]。

变质岩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，包括地质产状、结构构造、矿物成分和化学成分；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教学和研究工作，在教学过程中发现学生们普遍反映变质岩岩石学太难学，在规定的学时内难以形成对该学科的系统认识。本文结合笔者多年来的教学经验及学生们反馈情况，对变质岩岩石学课程的难点加以总结并提出相应的一些解决方案以供参考。

一、变质岩岩石学课程的基本内容

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[2]。

变质岩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）变质岩的形成机制，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，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，Goldschmidt矿物相率，ACF图和A’KF图，变质相与变质带等。（5）变质作用与构造作用的关系，包括变质相系、P-T-t轨迹，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、变质岩岩石学课程中的难点

变质岩岩石学课程的先修课程主要有“地球科学概论”、“结晶学及矿物学”、“晶体光学及光性矿物学”以及“岩石学”中的“岩浆岩岩石学”和“沉积岩岩石学”等，同步进行的课程主要有“构造地质学”和“地史学”，后续课程主要有“地球化学”、“矿床学”、“区域大地构造学”等。

变质岩岩石学涵盖了地质学教学中大部分的基础内容，尤其对矿物学、光性矿物学、岩浆岩岩石学、沉积岩岩石学和构造地质学基础知识的掌握要求较高。考虑“岩石学”课程体系的完整性，在教学计划中难以将岩浆岩、沉积岩和变质岩三部分完全分为三门课程，而在变质岩授课的时候学生才刚刚结束岩浆岩和沉积岩部分的学习，难以将相关知识融会贯通，进而难以理解变质岩原岩恢复部分的内容，对于变质岩五大化学类型（泥质、长英质、钙质、基性、镁质）的划分也很难充分理解。

在“结晶学及矿物学”课程中，结晶学部分主要是以晶体的对称-晶体定向-单形与聚形为主要线索，介绍了晶体形态宏观对称的基础理论，矿物学部分介绍了矿物的成分、形态、物理性质及研究方法等基础知识，然后在矿物的晶体化学分类体系的基础上，对各大类、类、族、种等不同分类级别的矿物进行了归纳、对比、分析，重点对各大类、类、族矿物的共同的晶体化学原理基础知识进行了阐述。“晶体光学及光性矿物学”课程阐明了晶体光学的基本原理和基本知识，介绍了晶体光学鉴定的常用仪器等，要求学生掌握了七大主要造岩矿物（橄榄石、辉石、角闪石、云母、长石、石英、方解石）的光学性质、偏光显微镜下的鉴定要点，以及与性质相近的矿物的主要区别等。而变质岩课程涉及了在岩浆岩和沉积岩中未接触过的变质矿物，如绿泥石、堇青石、硬绿泥石、十字石、红柱石、蓝晶石、矽线石、石榴子石、蓝闪石、蛇纹石等。让学生初次接触这些新矿物的同时学会矿物共生组合分析会有非常大的难度，对共生图解的应用更是无所适从，因而无法领会变质相、变质带等概念的意义和判断依据。

另外，由于“变质岩岩石学”和“构造地质学”几乎同步进行，而“区域大地构造学”作为后续课程还没有开始，在讲到变质作用P/T比类型时，学生对高P/T型（高压型）、中P/T型（中压型）、低P/T型（低压型）和很低P/T型（很低压型）变质岩对应的构造背景和成因机制完全没有概念。此外，由于对新矿物的成分特征和成因理解欠缺，对低P/T型（又称红柱石-矽线石型），中P/T型（蓝晶石-矽线石型），高P/T型（蓝闪石型）的原理难以理解，无法对应着记忆。

由于以上问题的存在，学生对变质岩岩石学课程普遍反映的难点主要包括以下方面：（1）变质作用P-T-t轨迹对应的构造演化阶段和热演化阶段的机理；（2）岩石中变质反应的判断；（3）变质岩中矿物共生组合的判断及与化学类型和原岩的对应关系；（4）矿物共生组合图解（ACF图、A’KF图、AFM图、CaO-MgO-SiO2图）的分析和制作；（5）各变质级的变质岩石包含的变质相的区分以及各变质相包含的变质带的区分；（6）不同板块环境的岩石组合特征。

三、对变质岩岩石学课程难点的解决方法

1. 课程体系的调整

变质岩岩石学课程难点的产生一方面是由于学科本身的性质需要良好的地质思维，另一方面是由于课程体系的一些交叉导致学生基础知识储备不足。为解决以上课程难点，首先需针对性地对课程体系及课程大纲进行调整。以中国地质大学（武汉）的课程体系为例，早期的“岩石学”共包括112学时，其中“岩浆岩岩石学”40学时、“沉积岩岩石学”32学时、“变质岩岩石学”40学时。在规定的学时内需将三大类岩石的岩相学和岩理学全部传授给学生，学时数的明显不足导致教学进度较快，学生来不及领悟和掌握课程要点。与“构造地质学”和“地史学”课程的同步进行导致学生对岩石组合和构造成因缺乏宏观的地质思维。因此，从2015年开始，新的专业课教学计划表将专业课分为专业平台课“岩石学导论”和专业选修课“高级变质岩”，“岩石学导论”占80学时，面向地质学类及相关专业的学生，课程安排在第三学期，重点讲授岩相学，涉及少量的岩理学。

“岩石学导论”中的变质岩岩石学部分的教学内容主要有：（1）变质作用及变质岩的概念，变质作用类型，变质岩在中国及世界的分布及有关矿产；（2）变质作用机制和影响因素；（3）变质岩的基本特征，包括结构、构造、化学成分、矿物成分的一般特征等；（4）局部变质作用包括接触热变质作用、动力变质作用的概念、岩石特征、分类命名和成因简介，安排相应的手标本和岩石薄片镜下观察的实习；（5）区域变质作用的概念、类型、岩石特征、分类命名和成因简介，安排相应的手标本和岩石薄片镜下观察的实习。专业平台课“岩石学导论”课程教学旨在使学生掌握变质岩的系统鉴定方法、特征描述，包括手标本和镜下的基本特征，能准确地对各类岩石进行综合分类与命名。

“高级变质岩”占48学时，面向矿物学、岩石学、矿床学学科的学生。课程安排在“构造地质学”、“地史学”、“地球化学”、“区域大地构造学”等课程结束和北戴河、周口店、秭归三大野外实践教学实习结束之后的第六学期。选修该课程的学生这时的专业基础及地质认识都达到了一定的高度，因此，该课程将重点讲解变质岩岩相学和岩理学之间的关系，归纳和演绎有关各类岩石的成因、形成演化及构造背景。

2. 课程难点的具体分析

针对前面提到的学生对变质岩课程反映的具体难点，将逐一进行剖析。

（1）变质作用P-T-t轨迹对应的构造演化阶段和热演化阶段的机理。

变质作用P-T-t 轨迹是指“岩石在变质作用过程中压力（P）-温度（T）条件随时间（t）的变化而变化的历程”[3]。P-T-t 轨迹概念的提出，是变质作用理论研究的重大突破，是标志着变质作用研究进入地球动力学阶段的里程碑。

对P-T-t 轨迹概念的理解包含两方面的内容：一是该轨迹包含的岩石进变质阶段、峰期变质阶段、退变质阶段对应的矿物组合的判断和温压条件的计算，要让学生理解这三个阶段为什么可以对应着从矿物包裹体组合、变质岩矿物组合、矿物反应结构来判断；二是该轨迹与构造-热演化之间的关系，以大陆碰撞造山带的P-T-t 轨迹为例，其构造演化分为陆壳（或岩石圈）增厚阶段和侵蚀阶段，而热演化阶段则包含了埋藏期、加热期和冷却期三个阶段，构造-热演化的各阶段与轨迹各段落的对应关系应对学生耐心细致讲解。

（2）岩石中变质反应的判断。

岩石在变质过程中最主要的变化是矿物成分的变化，而矿物成分变化都是通过特定的化学反应实现的。这种发生在变质作用条件下的化学反应称作变质反应。温度是控制变质反应的最主要因素。变质反应可以从不同角度进行划分。基本分类是按照参加反应的物相种类，将其分为固-固反应和有流体相参加的反应。根据反应物与生成物的关系，可分为不连续反应和连续反应。根据反应是否改变矿物原子数，可分为净转移反应和交换反应。

变质岩中的变质反应很多，不可能给学生逐一讲解，因此应选择几个代表性的变质反应结合镜下矿物特征的判断给学生示范。首先，要求学生不能盲目地记忆反应式，必须要对矿物的分子式有所了解，这样才能根据矿物中的元素特征判断可能发生的反应。如白云母（KAl3Si3O10(OH)2）＋石英（SiO2）＝钾长石（KAlSi3O8）＋铝硅酸盐矿物（Al2SiO5）＋H2O的反应，由于反应物中无Mg、Fe等元素的参与，该反应就不可能生成含Mg、Fe等元素的矿物。要让学生知道该反应是最重要的脱水反应之一，是高级变质与中级变质的临界反应。钾长石+铝硅酸盐组合指示高级变质，而白云母+石英组合指示中低级变质。反应式中铝硅酸盐视反应压力条件可以是蓝晶石（高压）、矽线石（中压）或红柱石（低压）。中低温时钾长石与富铝无钾矿物不共生，而在高温下白云母+石英不稳定。在理解这些后，就可以让学生有针对性地去寻找镜下的矿物组合特征，寻找白云母与钾长石+铝硅酸盐的接触关系，进而判断其中的反应关系。

（3）变质岩中矿物共生组合的判断及与化学类型和原岩的对应关系。

变质矿物共生组合（简称矿物组合）是指具有一定化学成分的岩石达到平衡时的矿物组合，不包括残留的矿物或后期蚀变的矿物。此处应逐条讲解确定矿物共生组合的主要标准，并结合典型岩石薄片进行镜下分析。五大化学类型变质岩的化学成分特点和矿物成分特点是变质岩工作中的基本内容，尤其是化学成分和矿物成分之间的对应关系一直是个难点，在变质岩课程中应对学生学过的矿物学知识进行总结和补充，尤其应将典型变质矿物的成分和镜下特征进行分类介绍。对岩浆岩和沉积岩的分类、矿物成分、化学成分等特征及各类型变质后所对应的变质岩类型也应加以总结，给学生一个三大岩类化学成分上的关联性的认识。

（4）矿物共生组合图解（ACF图、A’KF图、AFM图、CaO-MgO-SiO2图）的分析制作。

如果一个岩石系统由三组分组成，根据Goldschmidt矿物相律，在普遍观察到的组合中，矿物数应是3、2或1，这意味着当这种岩石的矿物成分用一个三顶点为三组分的三角图解表示时，把该图解分成一系列小三角形就能直观地表示矿物共生关系，这种图解叫成分-共生图解或共生图解。绝大多数变质岩具有复杂的化学组成，是一个多相平衡系统，而不是简单的三元系。然而，在一个二维的平面上，我们只能表示最多三四个组分的系统的矿物共生关系。因此，为了对成分复杂的岩石做共生分析，有必要对岩石系统各组分做具体分析，找出对矿物共生组合影响最大的三四个组分，把多组分岩石系统简化为三组分或四组分系统，才有可能做出成分-共生图解，表示岩石化学成分与矿物组合的关系，这一过程叫作组分分析。

在该阶段学生已经学习过“地球化学”课程，对元素的习性已经有了一定的了解，对于组分简化的方法也能够理解，如忽略微量元素、孤立组分、完全活动组分、过剩组分，合并类质同象组分等，因此将矿物共生组合图解的制作放到该阶段课程来讲述对学生来说就容易接受的多，对于各图解顶点的含义也不难理解。该部分较难的地方是矿物在图解上的标注位置，如在A’KF图中，由于泥质变质岩中钾长石是最富钾矿物，因而在A’KF 图上钾长石是标在K顶点的，由于钾长石分子式中（KAlSi3O8）， [Al2O3]=[K2O] 摩[尔]，因此，计算A’值时，必须扣除钾长石中的[Al2O3]，即扣除与[K2O]等量的[Al2O3]。在图解上标注矿物时，就要考虑各端元比例的换算问题，如理想成分的白云母（K2O.3Al2O3.SiO2.H2O）不是标在 K∶A’=1∶3的位置，而是标在K∶A’=1∶2（K=33，A’=67）的位置上。同样，理想成分的黑云母标在K=14，F=86位置。引导学生掌握各种矿物在这些图解上的正确标注，有利于掌握五大化学类型变质岩的化学成分、矿物成分特点和判读成分-共生图解，便于在实际工作中以岩石的矿物成分判断其化学类型并恢复其原岩。

（5）各变质级包含的变质相的区分以及各变质相包含的变质带的区分。

变质级是对变质作用P-T空间粗略的划分，包括很低级、低级、中级、高级，一个变质级包括几个变质相。变质相是指在一定的物理化学条件下达到平衡的各种化学组成的变质岩中的一套变质矿物共生组合。矿物组合往往与变质条件和原岩特征有一定的对应关系。变质相的划分主要是依据基性变质岩中的矿物组合的变化来确定的。一个变质相可包括一个或者几个变质带或亚相，变质带的划分往往依据泥质岩中的变化特征。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。变质相的标志是矿物组合。

学生对该部分内容的理解记忆需要老师们对变质相系、变质相、变质带做出系统的总结，如下：

①高 P/T 型：以含蓝闪石（Gl）为特征，又称蓝闪石型。产于海沟带和大陆碰撞带，是地壳俯冲的标志。典型的相系列为：沸石相（Z）→硬柱石-钠长石-绿泥石相（LA）→蓝片岩相（BS）→榴辉岩相（E）。LA、BS、E是高 P/T 变质地体特有的三个变质相。LA以硬柱石（Lw）+钠长石（Ab）+绿泥石（Ch）组合为特征。BS特征矿物是蓝闪石类钠质角闪石。E主要由红-红棕色石榴子石（Gt）和草绿色绿辉石（Omp）组成，可含蓝晶石（Ky）、石英（Q），但无原生斜长石（Pl）。

②中 P/T 型：以低温出现蓝晶石、高温出现矽线石为特征，又称为蓝晶石-矽线石型。典型的相系列为：沸石相（Z）→葡萄石-绿纤石相（P-P）→绿片岩相（GS）→绿帘角闪岩相（EA）→角闪岩相（A）→麻粒岩相（G）。后4个变质相分布广泛，是4个常见的区域变质相。GS以低温矿物组合和明显的变余结构构造为特征，以基性变质岩中出现绿泥石（Ch）+阳起石（Act）+绿帘石（Ep）+Ab+Q组合为标志。该相泥质变质岩可划分为Ch带和Bi带。EA以基性变质岩中出现Ep+Hb（普通角闪石）+两相Pl组合为特征。A以基性变质岩中出现 Pl(An＞20)+Hb+Q 组合为标志，该相泥质变质岩可划分为十字石带（St）、蓝晶石带（Ky）和矽线石带（Sil）。G以基性变质岩矿物组合中出现钙质单斜辉石（Ca-Cpx）+斜方辉石（Opx）为标志，该相的孔兹岩（泥质）、紫苏花岗岩（长英质）、二辉麻粒岩（基性）应让学生重点记忆和观察。

③低 P/T 型：以低温出现红柱石、高温出现矽线石为特征，又称为红柱石-矽线石型。典型的相系列为 Z→P-P→GS→A→G。与中P/T变质相系列相比，低P/T型EA发育较差，除泥质变质岩随P/T比变化有明显的矿物组合差异外，其余各化学类型的矿物组合变化不大。

④很低 P/T 型：接触变质带（接触变质晕）称为接触型，典型的相系列为钠长绿帘角岩相（AEH）→普通角闪石角岩相（HH）→辉石角岩相（PH），还有一个高热变质独特的透长岩相（S）。该相系列变质因素主要为T，缺乏偏应力，因而接触-热变质岩（角岩）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。

（6）不同板块部位的岩石组合特征，尤其是三大岩类在同一构造背景下的共存情况。

岩石构造组合是以构造位置作为划分的依据，研究各种典型构造部位出现的岩石组合。岩石构造组合是恢复古板块构造历史的最有效的手段之一，它可以作为表征板块边界与板块内部的重要地质证据。到该阶段学生已经完成“区域大地构造学”课程的学习，对板块各部位都有了一定的认识，因此，应启发学生建立岩石-构造的关联，学会应用岩石学特征恢复大地构造背景，建立起良好的地质思维。老师们应对大洋扩张中心（洋中脊）的岩石组合、会聚板块边界（岛弧及大陆边缘）的岩石组合、陆-陆碰撞带的岩石组合、板块内部的岩石组合逐一介绍。

四、结语

变质岩石约占地壳总体积的27.4%，是地壳的重要组成部分。它们广泛地分布于早前寒武纪结晶基底及造山带中，记录了地壳演化的热历史，是探讨地壳形成演化的重要方面。通过变质岩岩石学课程的讲授，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，通过对变质过程的理解，加强学生的地质思维，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。

[1] 路凤香, 桑隆康. 岩石学[M]. 北京: 地质出版社, 2002.

[2] ENGLAND P C,RICHARDSON S W.The influence of erosion upon the mineral facies of rocks from different metamorphic environments [J]. J Geol Soc London, 1977, 134: 201-213.

[3] MIYASHIRO A. Metamorphic Petrology [M].London:UCL Press Limited,1994: 404.

G642

A

1006-9372（2017）02-0043-05

2016-07-23。

中国地质大学（武汉）中央高校基本科研业务费专项资金优秀青年基金（No. CUG160232）；国家自然科学基金青年基金（No. 41202038）。

李益龙，男，副教授，主要从事变质岩石学的教学与研究工作。

投稿网址： www.chinageoeducation.net.cn 联系邮箱：bjb3162@cugb.edu.cn

李益龙，王国庆.变质岩岩石学室内教学中的难点和改进方法探讨[J].中国地质教育，2017，26（2）：43-47.

Title:Discussion on Difficult Points and Improving Methods of Indoor Teaching of Metamorphic Petrology

Author(s):LI Yi-long, WANG Guo-qing