第01講變質(zhì)作用的基本概念_2013

1、問題問題2：變質(zhì)巖是如何形成的呢？：變質(zhì)巖是如何形成的呢？ 變質(zhì)作用變質(zhì)作用機(jī)制機(jī)制、途徑或方式、途徑或方式問題問題3 3：變質(zhì)作用機(jī)制的啟動(dòng)和進(jìn)行：變質(zhì)作用機(jī)制的啟動(dòng)和進(jìn)行 變質(zhì)作用變質(zhì)作用因素因素一、變質(zhì)作用機(jī)制在在基本固體狀態(tài)基本固體狀態(tài)下原巖礦物通過下原巖礦物通過結(jié)構(gòu)調(diào)整（結(jié)構(gòu)調(diào)整（/或化學(xué)反應(yīng)）形式的再造或化學(xué)反應(yīng)）形式的再造過程過程。重結(jié)晶前后，。重結(jié)晶前后，巖石的造巖組分巖石的造巖組分（除除H2O、CO2等揮發(fā)分外）基本保等揮發(fā)分外）基本保持不變持不變。重結(jié)晶作用過程是一種。重結(jié)晶作用過程是一種等化等化學(xué)過程學(xué)過程，相應(yīng)的體系性質(zhì)為，相應(yīng)的體系性質(zhì)為封閉體系。封閉體系。礦物的成核

2、、結(jié)晶生長受表面能最低礦物的成核、結(jié)晶生長受表面能最低原理控制原理控制。純純灰?guī)r（沉）灰?guī)r（沉）大理巖（變）大理巖（變）純石英砂巖（沉）純石英砂巖（沉） 石英巖（變）石英巖（變）礦物的成核、結(jié)晶生長受表面能最低原理礦物的成核、結(jié)晶生長受表面能最低原理控制控制Raymond, 2002交代作用交代作用指固體巖石指固體巖石在變質(zhì)作用條件范圍內(nèi)，在在變質(zhì)作用條件范圍內(nèi)，在化學(xué)化學(xué)活動(dòng)性活動(dòng)性流流體體為主要因素的作用下，使為主要因素的作用下，使造造巖巖組分發(fā)生不同程度的組分發(fā)生不同程度的帶入帶入或或帶出，結(jié)果新形成的巖石的化學(xué)成分帶出，結(jié)果新形成的巖石的化學(xué)成分（除（除H2O、CO2等揮發(fā)等揮發(fā)分外）

3、和礦物成分發(fā)生分外）和礦物成分發(fā)生部分或全部變化部分或全部變化的變質(zhì)過程。在交代的變質(zhì)過程。在交代過程中，巖石的體積基本保持不變。過程中，巖石的體積基本保持不變。 交代過程是交代過程是異化學(xué)作用過程異化學(xué)作用過程，巖石體系性質(zhì)屬于，巖石體系性質(zhì)屬于開放體系開放體系。交代作用也可在成巖交代作用也可在成巖階段發(fā)生，稱成巖交代作用；在階段發(fā)生，稱成巖交代作用；在變質(zhì)變質(zhì)條件條件下發(fā)生的下發(fā)生的交代作用稱為交代作用稱為變質(zhì)變質(zhì)交代作用交代作用。據(jù)是否帶入或帶出，將造巖組分劃分為據(jù)是否帶入或帶出，將造巖組分劃分為活動(dòng)活動(dòng)或或惰性惰性組分；組分；活動(dòng)活動(dòng)組分組分：可帶入帶出：可帶入帶出，過程結(jié)束后，巖石中

4、該組分的含量與發(fā)生，過程結(jié)束后，巖石中該組分的含量與發(fā)生交代前巖石的交代前巖石的原始原始成分含量無關(guān)成分含量無關(guān)，交代交代前后絕對(duì)含量發(fā)生前后絕對(duì)含量發(fā)生改變改變，除除H，F(xiàn)，Cl , S，C等揮發(fā)份外，堿金屬等揮發(fā)份外，堿金屬Na、K、Rb、Cs和堿土和堿土金屬類元素金屬類元素Be、Ca、Mg、Sr、Ba 等，以及等，以及Si常見；常見；惰性惰性組分組分：基本不發(fā)生帶入帶出：基本不發(fā)生帶入帶出，交代巖石中該組分的含量，交代巖石中該組分的含量僅僅與交與交代前巖石的原始代前巖石的原始成分有關(guān)，成分有關(guān)，交代前后組分交代前后組分的絕對(duì)含量不的絕對(duì)含量不發(fā)生改變發(fā)生改變，以以重金屬或其它元素重金屬或

5、其它元素或超場(chǎng)強(qiáng)元素常見或超場(chǎng)強(qiáng)元素常見；主量元素中包括；主量元素中包括Fe、Al、Mn、Ti等。等。某一元素是否屬于活動(dòng)與惰性元素，視具體情況而定！某一元素是否屬于活動(dòng)與惰性元素，視具體情況而定！交代機(jī)制交代機(jī)制交代作用中的組分運(yùn)移方式交代作用中的組分運(yùn)移方式l滲透（滲透（infiltration）：組分受壓力差驅(qū)動(dòng)，隨溶液流動(dòng)，從：組分受壓力差驅(qū)動(dòng)，隨溶液流動(dòng)，從高壓域向低壓域遷移，主要發(fā)生在裂隙溶液高壓域向低壓域遷移，主要發(fā)生在裂隙溶液中中;l擴(kuò)散擴(kuò)散（diffusion）：組分受濃度差驅(qū)動(dòng)，從高濃度域向低：組分受濃度差驅(qū)動(dòng)，從高濃度域向低濃度域遷移，主要發(fā)生在粒間孔隙溶液中；粒間孔隙溶

6、液中濃度域遷移，主要發(fā)生在粒間孔隙溶液中；粒間孔隙溶液中某種活動(dòng)組分濃度或某種活動(dòng)組分濃度或化學(xué)位梯度化學(xué)位梯度是運(yùn)移和交代的主要是運(yùn)移和交代的主要?jiǎng)恿?；?dòng)力；l交代作用也見于巖漿巖和沉積巖的形成過程；變質(zhì)交代作交代作用也見于巖漿巖和沉積巖的形成過程；變質(zhì)交代作用僅指發(fā)生在變質(zhì)作用條件范圍內(nèi)的交代作用。用僅指發(fā)生在變質(zhì)作用條件范圍內(nèi)的交代作用。l巖石在變質(zhì)作用的溫壓條件范圍內(nèi)，受到超過其最高彈性模量的應(yīng)力作用，將發(fā)生永久變形，使巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造受到破壞，巖石化學(xué)成分可變可不變，從而形成變質(zhì)巖的作用過程。l依據(jù)變形性質(zhì)可分脆性變形和韌性變形兩種，后者又稱塑性變形（Plastic deformat

7、ion)。處于剛性狀態(tài)的巖石的變形將發(fā)生脆性變形，處于柔性狀態(tài)的巖石的變形將發(fā)生韌性變形。l巖石中高能干性礦物含量越高，脆性韌性變形轉(zhuǎn)變臨界溫度越高。因此，長英質(zhì)巖石的轉(zhuǎn)變溫度低于鎂鐵質(zhì)巖石。 在變質(zhì)作用過程中，原先在變質(zhì)作用過程中，原先均勻的均勻的巖石變?yōu)椴痪鶆蛏鯉r石變?yōu)椴痪鶆蛏踔链嬖谥链嬖诔煞殖煞址址帧皩訉印钡膸r石象的巖石象（Raymond, 1995），結(jié)果），結(jié)果使巖石的使巖石的構(gòu)造特征構(gòu)造特征發(fā)生了發(fā)生了改變，改變，從而形成變質(zhì)巖的作用過從而形成變質(zhì)巖的作用過程。變質(zhì)分異嚴(yán)格來說應(yīng)指封閉體系內(nèi)的組分調(diào)整，以便程。變質(zhì)分異嚴(yán)格來說應(yīng)指封閉體系內(nèi)的組分調(diào)整，以便于與交代作用于與交代作用相

8、區(qū)別，但往往不易區(qū)分。相區(qū)別，但往往不易區(qū)分。變質(zhì)分異變質(zhì)分異產(chǎn)生不均勻或成分層的現(xiàn)象與機(jī)理產(chǎn)生不均勻或成分層的現(xiàn)象與機(jī)理（1）擴(kuò)散）擴(kuò)散反應(yīng)帶反應(yīng)帶 （交代作用？開放？）（交代作用？開放？）（2）構(gòu)造剪切分異：淺變質(zhì)巖中的石英脈構(gòu)造剪切分異：淺變質(zhì)巖中的石英脈（3）構(gòu)造壓扁（）構(gòu)造壓扁（圖圖17-8？）？） 高級(jí)片麻巖區(qū)四種典型的露頭尺度遞進(jìn)變形高級(jí)片麻巖區(qū)四種典型的露頭尺度遞進(jìn)變形所有這些遞進(jìn)變形都形成相同的條帶狀片麻巖（所有這些遞進(jìn)變形都形成相同的條帶狀片麻巖（Passchier et al., 1990）(a)網(wǎng)狀巖脈的均勻變形網(wǎng)狀巖脈的均勻變形(b)巖石碎塊的均勻變形巖石碎塊的均勻變

9、形（c）粒度不均勻的均）粒度不均勻的均質(zhì)火成巖（例如斑狀花質(zhì)火成巖（例如斑狀花崗巖）的均勻變形崗巖）的均勻變形(d).均質(zhì)火成巖均質(zhì)火成巖（例如輝長巖）的（例如輝長巖）的不均勻變形不均勻變形變質(zhì)作用溫度范圍 實(shí)驗(yàn)確定的白云母花崗巖(14)和拉斑玄武巖(58)的熔融間隔(引自Miyashiro,1994) 。實(shí)線表示無水添加條件，虛線表示過量水條件。這樣，對(duì)白云母花崗巖，過量水條件下的固相線和液相線分別為1、2，無水添加條件下的固相線和液相線分別為3、4；對(duì)拉斑玄武巖，過量水條件下的固相線和液相線分別為5、6，無水添加條件下的固相線和液相線分別為7、8。DG.成巖作用條件區(qū)；MG.巖漿作用條件區(qū)

10、；MT.變質(zhì)作用條件區(qū)；NU.自然界未知的條件區(qū)。變質(zhì)作用條件(MT)與巖漿作用條件(MG)間有一個(gè)范圍廣大的P-T過渡區(qū)，在熔融曲線18之間按變質(zhì)作用的溫度范圍分：極低溫、低溫、中溫、高溫和超高溫變質(zhì)，相應(yīng)的變質(zhì)程度劃分為極低、低、中、高、極高級(jí)變質(zhì)壓力負(fù)荷壓力（負(fù)荷壓力（Pl ）流體壓力（流體壓力（Pf ） 偏偏 應(yīng)應(yīng) 力（力（Pd ）熱力學(xué)壓力為靜水壓力熱力學(xué)壓力為靜水壓力（Ps），其），其數(shù)值的增數(shù)值的增高，可導(dǎo)致摩爾體積小，密度大的高壓高，可導(dǎo)致摩爾體積小，密度大的高壓礦礦物生成，并影響著變質(zhì)反應(yīng)的平衡溫度。物生成，并影響著變質(zhì)反應(yīng)的平衡溫度。2.2 變質(zhì)作用壓力分類負(fù)荷壓力負(fù)荷壓力

11、（Pl）：）：Pl = gD Pl (GPa) = 9.81 D(Km)10-3定向應(yīng)力定向應(yīng)力 （Pd）偏應(yīng)力（非靜水壓力）偏應(yīng)力（非靜水壓力） = A- B 0平均應(yīng)力（具靜水壓力性質(zhì)）平均應(yīng)力（具靜水壓力性質(zhì)） =（ A+ B）/2構(gòu)造超壓構(gòu)造超壓=平均應(yīng)力平均應(yīng)力-負(fù)荷壓力（負(fù)荷壓力（ Pl）2.3 負(fù)荷壓力范圍變質(zhì)作用壓力條件范圍 實(shí)驗(yàn)確定的變質(zhì)反應(yīng)將變質(zhì)作用按壓力條件劃分為低壓、中壓、高壓和超高壓變質(zhì)：低壓低于藍(lán)晶石、紅柱石和矽線石（Als）三相點(diǎn)壓力條件；中壓Als三相點(diǎn)至Jd+QAb（硬玉+石英鈉長石）反應(yīng)之間；高壓Jd+Q至出現(xiàn)柯石英（Coe）多型之前的壓力條件；超高壓至金剛

12、石（Dia）2.4 壓力對(duì)變質(zhì)作用機(jī)制的影響(獨(dú)立完成）（1）巖壓）巖壓（2）偏應(yīng)力）偏應(yīng)力（3）流體壓力）流體壓力（4）構(gòu)造超巖與流體超壓）構(gòu)造超巖與流體超壓 變質(zhì)作用變質(zhì)作用過程基本上在固態(tài)下進(jìn)行，但巖石中通常含有過程基本上在固態(tài)下進(jìn)行，但巖石中通常含有1V%的液體相的液體相。當(dāng)。當(dāng)液體相呈液體相呈超臨界狀態(tài)超臨界狀態(tài)（super-critical state）時(shí)，）時(shí)，區(qū)分不出液體和氣體，稱流體區(qū)分不出液體和氣體，稱流體。流體成分以。流體成分以H2O, CO2, 為主體；為主體；含含鹵素和堿金屬元素或大半徑親石元素的流體，常具有極強(qiáng)的交鹵素和堿金屬元素或大半徑親石元素的流體，常具有極強(qiáng)的

13、交代能力，習(xí)稱代能力，習(xí)稱具化學(xué)活動(dòng)性的流體具化學(xué)活動(dòng)性的流體； 流體流體中的成分可直接參加巖石的形成（變質(zhì)反應(yīng)），成為礦中的成分可直接參加巖石的形成（變質(zhì)反應(yīng)），成為礦物晶格的物晶格的一部分；一部分； 影響某種流體組分的分壓，影響相關(guān)變質(zhì)反應(yīng)的平衡溫度；影響某種流體組分的分壓，影響相關(guān)變質(zhì)反應(yīng)的平衡溫度； 流體流體作為作為介質(zhì)介質(zhì)為組分運(yùn)移提供載體，或?yàn)榻M分運(yùn)移提供載體，或媒質(zhì)媒質(zhì)促進(jìn)礦物的溶解促進(jìn)礦物的溶解速率、促進(jìn)深熔作用而速率、促進(jìn)深熔作用而混合巖化、交代作用、和混合巖化、交代作用、和降低脆降低脆-韌性變形韌性變形的轉(zhuǎn)變溫度等。的轉(zhuǎn)變溫度等。則所謂P-T-t軌跡（P-T-t path或

14、P-T-t loop ）就是“巖石在變質(zhì)作用過程中P-T條件隨時(shí)間（t）的變化而變化的歷程（course）或在P-T圖解中表示該歷程的曲線” （Miyashiro, 1994） 。所謂P-T-t軌跡（P-T-t path或P-T-t loop ）就是“巖石在變質(zhì)作用過程中隨時(shí)間（t）變化而記錄下的P-T條件變化歷程（course）或在P-T圖解中表示該歷程的曲線”。1.3 洋殼俯沖帶和大陸碰撞帶P-T-t軌跡圖圖20-14 造山帶的變質(zhì)帶剖面（造山帶的變質(zhì)帶剖面（a）和變質(zhì)作用）和變質(zhì)作用P-T-t軌跡（軌跡（b）1、2、3變質(zhì)程度增高為序的變質(zhì)帶變質(zhì)程度增高為序的變質(zhì)帶A、B、C巖石樣品在剖

15、面上的位置（圖巖石樣品在剖面上的位置（圖a）及其相應(yīng)的熱峰）及其相應(yīng)的熱峰條件（圖條件（圖b）；）；FPC. 野外野外P-T曲線；曲線；SSG. 與埋藏后陸殼熱補(bǔ)給平衡的穩(wěn)態(tài)地?zé)崽荻龋慌c埋藏后陸殼熱補(bǔ)給平衡的穩(wěn)態(tài)地?zé)崽荻?；Tmax巖石樣巖石樣品經(jīng)歷的最高溫度（熱峰溫度）；品經(jīng)歷的最高溫度（熱峰溫度）；Pmax巖石樣品經(jīng)歷的最大壓力；巖石樣品經(jīng)歷的最大壓力；t0. 巖石在埋藏停止時(shí)刻處于巖石在埋藏停止時(shí)刻處于最大深度（壓力為最大深度（壓力為Pmax）時(shí)的地?zé)崽荻龋唬r(shí)的地?zé)崽荻?；t1、t2、t3侵蝕過程中的瞬時(shí)地?zé)崽荻?；侵蝕過程中的瞬時(shí)地?zé)崽荻龋籇. 巖石樣品巖石樣品1與樣品與樣品2在掩埋停止時(shí)刻的深度差；在掩埋停止時(shí)刻的深度差；P巖石樣品巖石樣品1、2熱峰壓力差；點(diǎn)劃線為進(jìn)變質(zhì)熱峰壓力差；點(diǎn)劃線為進(jìn)變質(zhì)P-T軌跡；實(shí)軌跡；實(shí)線為退變質(zhì)線為退變質(zhì)P-T軌跡（仿軌跡（仿Thompson and England, 1984; Spear et al., 1984）拋物線狀P-T-t軌跡1 1局域變質(zhì)作用局域變質(zhì)作用 （1 1）接觸熱變質(zhì)作用）接