變質(zhì)作用的研究中的幾個(gè)問題

1、第十一章第十一章 變質(zhì)作用研究的變質(zhì)作用研究的有關(guān)問題有關(guān)問題 一、礦物共生分析及其理論依據(jù)（一）平衡共生組合的確定 大多數(shù)變質(zhì)巖（如區(qū)域變質(zhì)巖、接觸熱變質(zhì)巖等）形成過程中，其巖石化學(xué)成分（除H2O和CO2外）沒有顯著的變化，可看作是“等化學(xué)”的。加之變質(zhì)作用持續(xù)時(shí)間極其漫長，因而變質(zhì)反應(yīng)能夠基本上趨近于物化平衡狀態(tài)，往往形成非常接近化學(xué)平衡的礦物組成。 在實(shí)際工作中常見不同時(shí)代、不同地區(qū)、不同原巖（巖石總體化學(xué)成分類似）的變質(zhì)巖中，有相同的礦物組合重復(fù)出現(xiàn)的趨勢(shì)，被認(rèn)為是趨近或達(dá)到了化學(xué)平衡，這樣的礦物組合才能稱為共生。大多數(shù)變質(zhì)巖中的礦物共生組合在理論上能夠符合化學(xué)熱力學(xué)基本原理。天然巖石

2、系統(tǒng)在一定外界條件下達(dá)到或趨近化學(xué)平衡時(shí)的礦物組成，稱為礦物共生組合。顯然，礦物共生組合是巖石系統(tǒng)的化學(xué)組成和變質(zhì)作用物理化學(xué)條件的反映。從研究變質(zhì)巖的礦物共生組合特征及其變化規(guī)律出發(fā)，應(yīng)用熱力學(xué)基本原理，可以分析礦物共生組合與巖石化學(xué)成分及變質(zhì)作用物化條件的關(guān)系。這是變質(zhì)巖石學(xué)研究的基本方法之一，稱為礦物共生分析。礦物共生分析的第一步是確定礦物共生組合。由于平衡的獲得有時(shí)是局部的、暫時(shí)的，隨著時(shí)間的推移和外界物化條件的改變，許多變質(zhì)巖中會(huì)出現(xiàn)不同世代的礦物共生組合疊加在一起的現(xiàn)象。判定平衡狀態(tài)的復(fù)雜性和慎重確定礦物共生組合及其世代關(guān)系的重要性。要求研究者具有觀察結(jié)構(gòu)關(guān)系的豐富經(jīng)驗(yàn)、分析礦物反

3、應(yīng)和共生關(guān)系的基礎(chǔ)理論知識(shí)和一定程度的概括能力和想象力。1.在某種巖石的礦物組合中區(qū)分三種共生組合（1）標(biāo)型共生組合 是在該期主要的變質(zhì)作用過程中穩(wěn)定平衡的礦物共生組合，具有標(biāo)定變質(zhì)作用PT條件的意義。（2）殘余共生組合 是在該期變質(zhì)作用之前形成的礦物共生組合，對(duì)該期變質(zhì)作用的PT條件來說已成為一種不穩(wěn)定的殘余體。（3）后成共生組合 是該期變質(zhì)作用之后形成的，由于后來的PT環(huán)境改變較快或其他原因（作用時(shí)間較短、局部變化等），使得這種后成共生組合在整個(gè)巖石中并沒有占據(jù)主要地位。q人們感興趣的主要是標(biāo)型共生組合。但是，如果要研究變質(zhì)反應(yīng)和變質(zhì)歷史，殘余共生組合與后成共生組合研究和標(biāo)型共生組合研究一

4、樣，都是非常重要的。 2.平衡共生組合的標(biāo)志（1）平衡共生組合中的各種礦物都有機(jī)會(huì)相互直接接觸。此處的“接觸”，應(yīng)以穩(wěn)定的接觸面形態(tài)（即所謂多邊形接觸）為好。但極而言之，只要是直接接觸，甚至包括穿插、交生都可以作為針對(duì)某一特定的PT條件下的局部的、暫時(shí)的平衡來看待。例如，某個(gè)反應(yīng)已達(dá)到平衡，仍然可以在礦物之間遺留下某些反應(yīng)過程的痕跡。（2）平衡共生組合中同一種礦物的不同顆粒，其邊部應(yīng)當(dāng)具有極為近似的成分。如十字石、石榴石、綠簾石等變質(zhì)礦物常發(fā)育成分環(huán)帶，并不能認(rèn)為必然屬于不平衡。只要其邊部具有極為近似的成分，仍不失為嚴(yán)格意義上的平衡。因?yàn)榄h(huán)帶的內(nèi)部成分，如同被包裹著的另一礦物一樣，不能被算在彼

5、此直接接觸的共生組合之中。（3）平衡共生組合中各礦物之間不存在交代關(guān)系。（4）在所研究的具有相同平衡共生組合的同一變質(zhì)地質(zhì)體的不同部位，按礦物對(duì)之間的組分分配關(guān)系或氧同位素的分配關(guān)系所獲得的溫度、壓力基本上是一致的。（5）平衡共生組合中礦物共生組合關(guān)系必須符合相律。平衡共生組合中礦物種類一般不超過56種，礦物成分太復(fù)雜是不平衡的標(biāo)志。（二）封閉體系的吉布斯相律和戈?duì)柕率┟芴氐V物相律1.吉布斯相律 1875年吉布斯（Gibbs）創(chuàng)立的相律公式闡明了封閉體系下獨(dú)立組分?jǐn)?shù)、變量數(shù)與平衡共生的相數(shù)三者之間的關(guān)系。其表達(dá)式為：f=C+2P f：自由度數(shù)。即相平衡系統(tǒng)中能在一定范圍內(nèi)獨(dú)立改變而不引起相的種

6、類和數(shù)目發(fā)生改變的獨(dú)立變量數(shù)（P、T等外部條件）。 C：獨(dú)立組分?jǐn)?shù)。即描述體系各相組成所需的獨(dú)立物質(zhì)的最小數(shù)目。 P：平衡共生相的數(shù)目。在巖石學(xué)中，一種礦物算一個(gè)相，固溶體礦物也算一個(gè)相。但如果發(fā)生了固溶體分離（如條紋長石），則主、客晶分別各算一相。當(dāng)自由度f=0時(shí)，體系具有最大的相數(shù)目C+2。f、C、P是相平衡體系的重要性質(zhì)和特征，常根據(jù)它們劃分體系類型。如一元系（C=1）、二元系（C=2）、三元系（C=3）；零變系（f=0）、單變系（f=1）、雙變系（f=2）；一元三相系（C=1,Pmax=3）、三元五相系（C=3，Pmax=5）。 例如：CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2是一個(gè)三

7、元系是一個(gè)三元系構(gòu)成的單變反應(yīng)構(gòu)成的單變反應(yīng)。C=3（CaO，SiO2，CO2）, P=4, f=C+2P=3+24=1。對(duì)該反應(yīng)體系，溫度和壓力兩個(gè)變量只有一個(gè)（或T，或P）能獨(dú)立改變。 Al2SiO5是一個(gè)一元三相系，C=1（Al2SiO5，實(shí)際上可以理解為Al2O3，因?yàn)镾iO2是過剩組分）。f=0時(shí)，P=3; f=1時(shí)，P=2； f=2時(shí)，P=1 。 2.戈?duì)柕率┟芴氐V物相律 1911年戈?duì)柕率┟芴卦谒恼軐W(xué)博士論文中認(rèn)為自然界礦物的共生都應(yīng)當(dāng)是溫度和壓力在一定范圍內(nèi)獨(dú)立地、任意地改變而不受到破壞的共生，或者說變質(zhì)巖中平衡礦物共生組合可以在一定的溫度壓力范圍內(nèi)穩(wěn)定存在。所以，f2，PC

8、。這就是戈?duì)柕滤姑芴氐V物相律的表達(dá)式。即在溫度和壓力都可以任意變化的范圍內(nèi)平衡穩(wěn)定共生的礦物相的最大數(shù)目等于巖石中的獨(dú)立組分?jǐn)?shù)。q可見礦物相律乃是吉布斯相律的一種特殊形式，即f2的雙變域的共生。當(dāng)時(shí)認(rèn)為自然界的天然共生體系都屬于這樣的共生?，F(xiàn)在看來，礦物相律并沒有單獨(dú)分出來的必要，因?yàn)槿藗冊(cè)谧匀唤缫舶l(fā)現(xiàn)了單變線上（f=1）的共生，甚至還發(fā)現(xiàn)了不變點(diǎn)（f=0）上的共生。當(dāng)然，自然界最常見的還是f=2的共生。（三）組分共生圖解共生圖解能形象地反映特定的溫度、壓力條件下的平衡共生組合與原巖獨(dú)立組分之間的關(guān)系。如果一個(gè)巖石體系由三組分組成，根據(jù)戈?duì)柕滤姑芴氐V物相律，在觀察到的共生組合中，礦物相數(shù)應(yīng)該是

9、3、2或者1，這就意味著當(dāng)這種巖石的礦物成分用一個(gè)三頂點(diǎn)代表三個(gè)組分的三角圖解表示時(shí)，把該三角圖分成一系列小的三角形即能表示巖石的礦物共生關(guān)系，這種圖解叫組分共生圖解。常用的組分共生圖解如ACF圖解、AKF圖解、AFM圖解等。在進(jìn)行礦物共生分析時(shí)，必須先通過化學(xué)分析或從巖石的礦物組成入手，確定巖石的化學(xué)成分，并進(jìn)行組分分析，即把多組分巖石體系簡化為三組分或四組分體系，這樣才能做出組分共生圖解，表示巖石化學(xué)成分與礦物共生組合的關(guān)系。具體做法可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。 二、變質(zhì)帶巴洛（G.Barrow，1893）蘇格蘭高地達(dá)爾累丁（Dalradian）巖系q在一個(gè)變質(zhì)地體中存在著遞增（向溫度增高方向）的變質(zhì)

10、礦物分帶現(xiàn)象，稱為變質(zhì)帶。以泥質(zhì)變質(zhì)巖中隨溫度增高新的指示礦物的首次出現(xiàn)為標(biāo)志劃分出“遞增變質(zhì)帶”（也稱指示礦物帶）。經(jīng)過Tilley（1925）、Harker（1932）和Wiseman（1934）的不斷修改和完善，歸結(jié)為 “等變線”填圖工作方法。 在地質(zhì)圖上表示新礦物首次出現(xiàn)的界線稱為等變線（Isograd）。一般情況下，等變線是古等變面與現(xiàn)今地表的交線。同一期變質(zhì)作用形成的遞增變質(zhì)帶往往不受地層新老的控制，具有穿時(shí)、穿層特征，變質(zhì)程度由低向高呈漸變連續(xù)過渡關(guān)系。q巴洛（G.Barrow）在達(dá)爾累丁（Dalradian）劃分的變質(zhì)帶如下：綠泥石帶 典型礦物共生組合為：綠泥石白（絹）云母石英

11、鈉長石，即ChlMs（Ser）QAb。黑云母帶 特征是黑云母開始出現(xiàn)，礦物組合為：黑云母綠泥石白云母石英鈉長石，即BiChlMsQAb。 鐵鋁榴石帶 特征是鐵鋁榴石開始出現(xiàn)，并和黑云母、白云母、石英及更長石共生，即AlmBiMsQOlg。此處更長石實(shí)際上是暈長石。十字石帶 特征是十字石開始出現(xiàn)，并和鐵鋁榴石、黑云母、白云母及石英等共生，即StAlmBiMsQ。藍(lán)晶石帶 特征是藍(lán)晶石開始出現(xiàn)，并和鐵鋁榴石、黑云母、白云母及石英等共生，即KyAlmBiMsQ。夕線石帶 特征是夕線石開始出現(xiàn)，并和鐵鋁榴石、黑云母、鉀長石、斜長石及石英等共生，即SillAlmBiKfPlQ。三、雙變質(zhì)帶在匯聚板塊邊緣

12、（島弧式板塊俯沖帶附近，典型地區(qū)如日本列島），平行（或近平行）分布有形成時(shí)代相同或相近、變質(zhì)特征截然不同、延伸可達(dá)幾百公里的成對(duì)變質(zhì)帶，稱為雙變質(zhì)帶。雙變質(zhì)帶的分布特點(diǎn)：在靠近大洋一側(cè)分布高壓變質(zhì)相系，發(fā)生高壓低溫變質(zhì)作用。其中的基性變質(zhì)巖中出現(xiàn)藍(lán)片巖、榴輝巖等高壓變質(zhì)巖石。在靠近大陸一側(cè)則分布低壓變質(zhì)相系，發(fā)生低壓高溫變質(zhì)作用。變質(zhì)粘土巖發(fā)生紅柱石夕線石型變質(zhì)作用。說明靠大洋一側(cè)地?zé)崽荻容^低，達(dá)到一定溫度所需的壓力較高，所以稱高壓（低溫）變質(zhì)帶；相反靠大陸一側(cè)則為低壓（高溫）變質(zhì)帶。大洋巖石圈板塊向大陸巖石圈板塊之下俯沖的過程中，由于冷的洋殼迅速向下俯沖，同時(shí)把富水的海溝沉積物帶到深處，壓力

13、增加很快，因巖石導(dǎo)熱率很低而溫度上升緩幔，造成一個(gè)地?zé)崽荻群艿偷牡貛?，引起俯沖帶上等溫線向下拗折，形成高壓低溫度質(zhì)帶。島弧本身情況則不同，板塊的持續(xù)俯沖把大量水分（來自海溝沉積物）帶入到俯沖帶之上的楔形地幔區(qū)，導(dǎo)致楔形地幔發(fā)生強(qiáng)烈部分熔融和巖漿上涌，使島弧地區(qū)具高熱流值，引起地?zé)崽荻仍龈撸殡S大量巖漿活動(dòng)，形成低壓高溫變質(zhì)帶。四、變質(zhì)作用PTt軌跡的概念進(jìn)展 造山帶變質(zhì)巖研究和變質(zhì)作用熱模擬表明，變質(zhì)作用是一種動(dòng)態(tài)過程，巖石在變質(zhì)作用過程中，其溫度、壓力是隨時(shí)間而變化的。歷史 變質(zhì)巖石學(xué)的大部分研究往往把目標(biāo)放在確定變質(zhì)作用峰期的溫壓條件上，人們建立了各種地質(zhì)溫度計(jì)和地質(zhì)壓力計(jì)計(jì)算峰期變質(zhì)條件

14、。變質(zhì)相本身就是以巖石變質(zhì)歷史中的峰期變質(zhì)條件為基礎(chǔ)；變質(zhì)相系列則反映從某一變質(zhì)地質(zhì)體采集的各種巖石的一系列峰期變質(zhì)條件。 變質(zhì)相系是以一定的地?zé)崽荻葹榇淼牡責(zé)狍w制通過前進(jìn)變質(zhì)作用而形成的，而且對(duì)應(yīng)于一定的大地構(gòu)造環(huán)境。但實(shí)際上許多變質(zhì)巖原來是地表或近地表的巖石，后來下沉到地下深處經(jīng)受了變質(zhì)作用，它必然經(jīng)歷了前進(jìn)變質(zhì)過程。由于后來地殼抬升，這些巖石又必然經(jīng)歷從地下深處再剝露到地表的變化。因此，變質(zhì)相系中由各變質(zhì)相（或亞相）的溫度和壓力所標(biāo)定的P-T曲線并不代表任一巖石真正經(jīng)歷的P、T條件的全過程，也不相當(dāng)于該區(qū)真正的地?zé)崽荻?。England和Richardson（1977）在研究侵蝕作用對(duì)不

15、同變質(zhì)環(huán)境巖石的礦物相的影響時(shí)，明確提出了變質(zhì)作用P-T軌跡的概念。A.B.Thompson（1981）在討論地殼的溫度場(chǎng)和動(dòng)力學(xué)過程的關(guān)系時(shí)提出了PTt軌跡的含義及可能獲取的方法。P.C.England和 A.B.Thompson（1984）在研究大陸增厚事件中經(jīng)受區(qū)域變質(zhì)作用的巖石的P、T演化規(guī)律時(shí)，正式提出了PTt軌跡的概念。q變質(zhì)作用的PTt軌跡指的是巖石從其變質(zhì)起點(diǎn)到被剝露于地表所經(jīng)歷的溫度-壓力變化歷史。也可以說是巖石在變質(zhì)作用過程中其P、T條件隨時(shí)間（t）的變化而變化的歷程或在P-T圖解中表示該歷程的曲線。qPTt軌跡研究通過熱傳導(dǎo)理論和現(xiàn)代熱力學(xué)原理，把變質(zhì)過程中的熱體制和構(gòu)造

16、作用聯(lián)系起來，反映變質(zhì)作用的動(dòng)力學(xué)過程。變質(zhì)作用PTt軌跡的主要功用在于對(duì)變質(zhì)作用進(jìn)行地球動(dòng)力學(xué)解釋。五、變質(zhì)巖原巖恢復(fù)恢復(fù)所研究的變質(zhì)巖變質(zhì)前的原始巖石面貌，或者說，就是盡可能準(zhǔn)確地判定所研究的變質(zhì)巖的原巖種類。是地質(zhì)測(cè)量與研究中必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。無論是劃分變質(zhì)地層、分析原始建造與構(gòu)造環(huán)境、重建古地理、研究區(qū)域地質(zhì)演化乃至探索區(qū)域礦產(chǎn)的形成和分布規(guī)律等等，都離不開變質(zhì)巖的原巖恢復(fù)?；謴?fù)原巖的標(biāo)志主要有四個(gè)方面：（1）地質(zhì)產(chǎn)狀和巖石組合標(biāo)志；（2）巖相學(xué)標(biāo)志（變余組構(gòu)、變質(zhì)礦物成分等）；（3）巖石化學(xué)和地球化學(xué)標(biāo)志；（4）副礦物（種類、含量，標(biāo)型特征等）。六、變質(zhì)地質(zhì)學(xué)的一些進(jìn)展變質(zhì)巖巖石學(xué)已經(jīng)有160余年的研究歷史，經(jīng)歷了由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)兩個(gè)思維發(fā)展過程。20世紀(jì)60年代以前變質(zhì)作用研究以靜態(tài)思維方式為主，以深度帶的概念為代表。60年代初變質(zhì)相系概念的提出使變質(zhì)地質(zhì)學(xué)開始轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)方面，但由于其未闡明變質(zhì)過程中地?zé)狍w制的變化，因此仍屬于靜態(tài)思維方式。20世紀(jì)70年代以來，變質(zhì)地質(zhì)學(xué)開始以動(dòng)力學(xué)方法為特征，取得了多方面的進(jìn)展。世界范圍內(nèi)小比例尺變質(zhì)編圖工作，以相組和相系為基礎(chǔ)研究變質(zhì)作用類型及其時(shí)空演化規(guī)律。由于實(shí)驗(yàn)、測(cè)試技術(shù)和熱力學(xué)理論的發(fā)展，使人們不僅可以準(zhǔn)確的計(jì)算變質(zhì)作用的P、T條件，而且可在實(shí)驗(yàn)室中模擬多數(shù)天然變質(zhì)