變質(zhì)巖石學(xué)課件

變質(zhì)巖石學(xué)MetamorphicPetrology

第一章變質(zhì)作用的基本概念第一節(jié)變質(zhì)作用的概念及研究范圍第二節(jié)變質(zhì)作用的方式第三節(jié)變質(zhì)作用的類型第一節(jié)變質(zhì)作用的概念及研究范圍變質(zhì)作用（Metamorphism）一詞是由法國學(xué)者Boue(1820)首次提出來的，后來由英國學(xué)者Lyell(1833)在他的名著《地質(zhì)學(xué)原理》中,在系統(tǒng)地總結(jié)了水火之爭的成果后，比較系統(tǒng)地進(jìn)行了論述。在地殼形成和發(fā)展過程中，由于物理化學(xué)條件的改變，早先形成的巖石(包括巖漿巖和沉積巖）在固態(tài)條件下所發(fā)生的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造的變化稱為變質(zhì)作用。由變質(zhì)作用所形成的巖石稱為變質(zhì)巖(metamorphicrocks)。Recall:3fundamentalrocktypesIgneousSedimentaryMetamorphiccrystallizationIgneousSedimentaryMetamorphiccrystallizationdepositionRecall:3fundamentalrocktypesIgneousSedimentaryMetamorphiccrystallizationdepositiontodayRecall:3fundamentalrocktypes“metamorphism”Lit.“changeform”Transform:IgneousSedimentaryMetamorphicMetamorphicinto:“process”occursdeepRecall:3fundamentalrocktypesTheword"Metamorphism"comesfromtheGreek:

meta=change,morph=form,

sometamorphismmeanstochangeform.

Ingeology,metamorphismreferstothechangesinmineralassemblageandtexturethatresultfromsubjectingarocktoconditionssuchaspressures,temperatures,andchemicalenvironmentsdifferentfromthoseunderwhichtherockoriginallyformed.TheIUGS-SCMR(SubcommissionontheSystematicsofMetamorphicRocks)hasproposedthefollowingdefinitionofmetamorphism:“Metamorphismisasubsolidusprocessleadingtochangesinmineralogyand/ortexture(forexamplegrainsize)andofteninchemicalcompositioninarock.Thesechangesareduetophysicaland/orchemicalconditionsthatdifferfromthosenormallyoccurringatthesurfaceofplanetsandinzonesofcementationanddiagenesisbelowthissurface.Theymaycoexistwithpartialmelting.”http://www.bgs.ac.uk/scmr/home.html關(guān)于變質(zhì)作用的概念應(yīng)強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn):

(1)變質(zhì)作用是一種改造作用，這種改造發(fā)生在風(fēng)化帶和膠結(jié)帶以下，原巖經(jīng)過改造后在固態(tài)下轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新的巖石。如果原巖為沉積巖，變質(zhì)后的巖石稱為副變質(zhì)巖；如果原巖為巖漿巖，變質(zhì)后的巖石稱為正變質(zhì)巖。

(2)變質(zhì)過程中巖石基本上保持固態(tài)，并且強(qiáng)調(diào)溫度的遞增過程，這一點(diǎn)與巖漿作用不同。巖漿作用強(qiáng)調(diào)的是礦物從硅酸鹽熔體中結(jié)晶，所涉及的是晶體－液態(tài)的平衡，并強(qiáng)調(diào)溫度的下降過程。當(dāng)變質(zhì)作用溫度較高時(shí)，巖石可發(fā)生部分熔融，出現(xiàn)一定數(shù)量的熔體，這些熔體與固態(tài)殘余物之間可發(fā)生混合巖化作用。當(dāng)熔體數(shù)量較多時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷膸r漿作用。廣義的變質(zhì)作用概念包括巖石在固態(tài)下的變質(zhì)作用和有部分熔體出現(xiàn)的混合巖化作用。(3)變質(zhì)作用的界限：1、下限：與成巖作用的界限-埋藏變質(zhì)作用2、上限：與巖漿作用的界限-混合巖化作用巖漿作用magmatism變質(zhì)作用metamorphism成巖作用diagenesis700-900oC150-200oC混合巖化作用migmatism埋藏變質(zhì)作用burialmetamorphism變質(zhì)作用與沉積成巖作用界限的限定

1>.基于沉積巖石學(xué)的觀點(diǎn):沉積物中相互連通孔隙的完全封閉是成巖作用結(jié)束、變質(zhì)作用開始的標(biāo)志2>.基于變質(zhì)巖石學(xué)的觀點(diǎn):強(qiáng)調(diào)真正變質(zhì)礦物組合的出現(xiàn)是變質(zhì)作用開始的重要標(biāo)志。這些變質(zhì)礦物包括濁沸石、硬柱石、鈉云母和葉臘石等。

很低溫變質(zhì)作用(VeryLowTemperatureMetamorphism)

根據(jù)目前認(rèn)識，最低溫的變質(zhì)礦物是濁沸石，在較高壓力下為硬柱石。濁沸石出現(xiàn)的變質(zhì)反應(yīng)為：CaAl2Si7O18

6H2O=CaAl2Si4O12

4H2O+3SiO2+2H2O

片沸石濁沸石石英水

變質(zhì)作用的溫度下限應(yīng)稍微低于200℃。

煤的變質(zhì)程度（鏡質(zhì)體反射率）和伊利石的結(jié)晶度

變質(zhì)作用開始界限，構(gòu)成石油的死亡線。因此，變質(zhì)作用開始的界限有重要的經(jīng)濟(jì)意義。Low-temperaturelimitgradesintodiagenesisDiagenetic/weatheringprocessesareindistinguishablefrommetamorphicMetamorphismbeginsintherangeof100-150oCforthemoreunstabletypesofprotolithSomezeolitesareconsidereddiageneticmineralsMarkedbytheformationofmineralssuchaslaumontite(濁沸石),analcime(方沸石),carpholite(纖柱石),paragonite(鈉云母),prehnite(葡萄石),pumpellyite(綠纖石),lawsonite(硬柱石),glaucophane(藍(lán)閃石)orstilpnomelane(黑硬綠泥石)－－低溫變質(zhì)礦物，不能在巖漿巖中出現(xiàn)TheLimitsofMetamorphismCookedfossilTheLimitsofMetamorphismHigh-temperaturelimitgradesintomelting

OverthemeltingrangesolidsandliquidscoexistXenoliths,restites,andotherenclaves?Migmatites(“mixedrocks”)aregradationalIfweheatametamorphicrockuntilitmelts,atwhatpointinthemeltingprocessdoesitbecome“igneous”?變質(zhì)作用的上限是與巖漿作用的界限。在溫度較高時(shí)，變質(zhì)巖石可以發(fā)生部分熔融，出現(xiàn)混合巖化作用，當(dāng)熔體達(dá)到一定量時(shí)就過渡為巖漿作用。巖石發(fā)生部分熔融的溫度隨巖石類型、含水量和壓力等因素不同而變化。因此變質(zhì)作用的上限溫度有很大的變化范圍，一般為800－1000℃。第二節(jié)變質(zhì)作用的方式

重結(jié)晶作用變質(zhì)結(jié)晶作用（變質(zhì)反應(yīng)）交代作用變質(zhì)分異作用變形作用重結(jié)晶作用

(recrystallizationwithoutphasechanges)主要涉及同種礦物之間組分的溶解、遷移和再次沉淀結(jié)晶過程，而不形成新的礦物相。如純的石灰?guī)r中隱晶質(zhì)的方解石通過重結(jié)晶變成較粗大的方解石晶體，形成大理巖。CaCO3＝CaCO3硅質(zhì)巖（蛋白石或燧石）→石英巖2.變質(zhì)結(jié)晶作用(或變質(zhì)反應(yīng))

(Recrystallizationyieldingnewmineralsandfabrics)指在變質(zhì)作用的溫度壓力范圍內(nèi)，原巖基本保持固態(tài)條件下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，這一過程中伴有新礦物相的生成，并相應(yīng)地有原有礦物相消失。如：CaCO3(方解石)+SiO2(石英)=CaSiO3(硅灰石)+CO23.交代作用（metasomatism)交代作用是指通過流體活動，使巖石中的組分帶入和帶出的過程，巖石和流體之間成分交換，原有巖石發(fā)生成分和礦物相的改變，發(fā)生的機(jī)理非常復(fù)雜，包括流體的滲透作用和擴(kuò)散作用等。很多的成礦作用都與交代作用有關(guān)4.變形作用(deformation)

巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下的變形有兩種表現(xiàn)：脆性變形和塑性變形。1>.脆性變形，一般發(fā)生在地殼淺部、低溫低壓和應(yīng)力快速作用的條件下，組成巖石的礦物來不及調(diào)整顆粒的形狀及本身的位置，甚至來不及拆開顆粒邊界上彼此鉸合的結(jié)構(gòu)就發(fā)生了總體破裂。巖層在脆性變形后，形成斷層角礫和斷層泥，固結(jié)后形成各種斷層角礫巖和碎裂巖。2>.塑性變形，在地殼深部，較高的圍限壓力和溫度，及慢應(yīng)變速率等條件下，巖石體受到應(yīng)力作用變形時(shí)，變形體并不發(fā)生破裂而僅改變其形狀，如發(fā)生褶曲和扭曲等，這種不失去其自身內(nèi)聚力的變形稱為韌性變形。脆性破碎帶－構(gòu)造角礫巖脆韌性破碎帶韌性剪切形成的碎斑糜棱巖5.變質(zhì)分異作用指成分均勻的巖石經(jīng)過變質(zhì)作用后，出現(xiàn)礦物成分不均勻現(xiàn)象的各種作用統(tǒng)稱為變質(zhì)分異作用。但主要的有以下兩種：（1）壓力不均勻引起的側(cè)分泌作用（2）與應(yīng)力作用有關(guān)的分異作用（1）壓力不均勻引起的側(cè)分泌作用MetamorphicdifferentiationbyDeformationpartitionNon-uniformdistributionofshearstrainasproposedbyBelletal.(1986)J.Metam.Geol.,4,37-67.Blankareasrepresenthighshearstrainandcoloredareasarelow-strain.Linesrepresentinitiallyhorizontalinertmarkers(S1).Noteexampleofporphyroblastgrowingpreferentiallyinlow-strainregions.Asdeformationproceeds,thecoloredareasbecomesmallerandthecolorlessareasbecomelarger.Thelow-strainareasgenerallypreservethemineralassemblageandfabricsofearlierstage.高應(yīng)變區(qū)低應(yīng)變區(qū)S1（2）與應(yīng)力有關(guān)的分異作用第三節(jié)變質(zhì)作用的類型

ThetypesofMetamorphism

接觸變質(zhì)作用contactmetamorphism

動力變質(zhì)作用dynamicmetamorphism

汽成水熱變質(zhì)作用hydrothermalmetamorphism

區(qū)域變質(zhì)作用regionalmetamorphism

混合巖化作用migmatization

埋藏變質(zhì)作用burialmetamorphism

洋底變質(zhì)作用oceanfloormetamorphism

沖擊變質(zhì)作用shock/impactmetamorphismTheTypesofMetamorphismDifferentapproachestoclassification1.BasedonprincipalprocessoragentDynamicMetamorphismDeviatoricstressisdominantanddeformation+recrystallizationisthemainprocessThermalMetamorphismtemperatureinanear-staticstressfieldisthemainagentDynamo-thermalMetamorphismwhenbothtemperatureanddeformationareprevalentTetrahedronrepresentingthecontrollingfactorsinmetamorphism(capitallettersatfourapices),typesofmetamorphism(lowercaseletters),andenvironments,orfieldsettings,ofmetamorphism(italicizedlowercaseletters).Notethatregionalmetamorphismlieswithintetrahedronbecauseallfourfactorsareinvolved.Metamorphicequilibrationprocessesarealsocontrolledbykineticfactors,whicharenotrepresented.Best

(2003),IgneousandMetamorphicPetrology.TheTypesofMetamorphism2.BasedonsettingContactMetamorphismPyrometamorphism(高熱變質(zhì)作用)RegionalMetamorphismOrogenicMetamorphismBurialMetamorphismOceanFloorMetamorphismHydrothermalMetamorphismFault-ZoneMetamorphismImpactorShock

Metamorphism根據(jù)出露的規(guī)模和范圍，變質(zhì)作用類型可以分為兩類：1.局部性的

變質(zhì)作用(local)

接觸變質(zhì)、動力變質(zhì)、沖擊變質(zhì)和汽成水熱變質(zhì)2.區(qū)域性的變質(zhì)作用(regional)

區(qū)域變質(zhì)、混合巖化、埋藏變質(zhì)和洋底變質(zhì)1.接觸變質(zhì)作用

(contactmetamorphism)接觸變質(zhì)作用是伴隨巖漿作用而發(fā)生的一種局部變質(zhì)現(xiàn)象，當(dāng)巖漿侵入時(shí)，周圍的巖石受侵入體所散發(fā)的熱和揮發(fā)份的影響而發(fā)生的變質(zhì)作用。這類變質(zhì)作用以低壓為特征，壓力一般不超過0.2－0.3GPa。根據(jù)變質(zhì)作用方式和影響因素可進(jìn)一步分為熱接觸變質(zhì)作用和接觸交代變質(zhì)作用兩類，代表性巖石分別為角巖和矽卡巖。在地殼深部，巖漿侵入能否導(dǎo)致(接觸)變質(zhì)作用發(fā)生？2.動力變質(zhì)作用(dynamicmetamorphism)構(gòu)造斷裂帶上的巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下通過破碎、變形和重結(jié)晶作用等，所發(fā)生的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造變化，稱為動力變質(zhì)作用。形成的代表性巖石如構(gòu)造角礫巖、碎裂巖和糜棱巖等。動力變質(zhì)作用是局部變質(zhì)作用的一種，受構(gòu)造斷裂帶的控制。Shallowfaultzonewithfaultbreccia

Slightlydeeperfaultzone(exposedbyerosion)withsomeductileflowandfaultmylonite3.汽成水熱變質(zhì)作用

(hydrothermalmetamorphism)具有化學(xué)活動性的流體與固體巖石發(fā)生交代，而引起巖石發(fā)生礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造的變化過程，稱為汽成水熱變質(zhì)作用，它可以出現(xiàn)在很多地質(zhì)環(huán)境中，特別是巖體和礦脈等附近，也稱為近礦圍巖蝕變，也稱蝕變巖。如某些鎢錫礦脈附近，花崗巖和片麻巖常常云英巖化而變成云英巖。4.造山帶變質(zhì)作用(orogenicmetamorphism)區(qū)域變質(zhì)作用的主要類型，分布范圍廣泛且變質(zhì)因素復(fù)雜,與板塊運(yùn)動有密切關(guān)系。主要出現(xiàn)在前寒武紀(jì)結(jié)晶基底、匯聚板塊邊緣(如碰撞造山帶)、大陸伸展帶等。影響變質(zhì)作用的主要因素有：溫度、壓力(負(fù)荷壓力)、應(yīng)力和化學(xué)活動性流體等。按變質(zhì)作用發(fā)生時(shí)的地?zé)崽荻龋╠T/dP;

Miyashiro,1961,1994)將區(qū)域變質(zhì)作用劃分為低壓型、中壓型和高壓型。OrogenicMetamorphismSchematicmodelforthesequential(a

c)developmentofa“Cordilleran-type”oractivecontinentalmarginorogen.Thedashedandblacklayersontherightrepresentthebasalticandgabbroiclayersoftheoceaniccrust.FromDeweyandBird(1970)J.Geophys.Res.,75,2625-2647;andMiyashiroetal.(1979)Orogeny.JohnWiley&Sons.ThermaldisturbancebyMagmaticunderplating,crustalthickeningOrogenicMetamorphismGeogradientandtectonicsettings5.混合巖化作用(migmatization)

在變質(zhì)作用過程中，當(dāng)溫度較高（越過巖石的固相線）時(shí)巖石將會發(fā)生部分熔融形成花崗質(zhì)熔體，這種現(xiàn)象稱為深熔作用(anatexis)。當(dāng)熔體數(shù)量不多時(shí)，它與固態(tài)變質(zhì)巖石發(fā)生混合、交代，稱為混合巖化作用

(migmatization)，形成各種的混合巖。這種作用也稱為超變質(zhì)作用(ultrametamorphism)。當(dāng)熔體達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，就過渡為巖漿作用，形成花崗巖。6.埋藏變質(zhì)作用

(burialmetamorphism)沉積盆地中的沉積物(包括火山物質(zhì)),被埋藏到一定深度，引起溫度和壓力的升高，從而產(chǎn)生變質(zhì)作用。這種變質(zhì)作用同樣也具有較大的區(qū)域規(guī)模，也可以看成區(qū)域變質(zhì)作用的一種。但埋藏變質(zhì)作用是由埋深所引起，應(yīng)力作用不明顯，巖石缺乏結(jié)晶片理。埋藏變質(zhì)的溫度、壓力條件較低，一般出現(xiàn)濁沸石相和葡萄石－綠纖石相組合，普遍發(fā)育變余組構(gòu)。RegionalBurialMetamorphism

(Otago,NewZealand)SectionX-YshowsmoredetailGeologicsketchmapoftheSouthIslandofNewZealandshowingtheMesozoicmetamorphicrockseastoftheolderTasmanBeltandtheAlpineFault.TheTorleseGroupismetamorphosedpredominantlyintheprehnite-pumpellyitezone,andtheOtagoSchistinhighergradezones.X-YistheHaastRiverSectionofFigure21-11.FromTurner(1981)MetamorphicPetrology:Mineralogical,Field,andTectonicAspects.McGraw-Hill.RegionalBurialMetamorphism

(Otago,NewZealand)Isogradsmappedatthelowergrades:1)Zeolite2)Prehnite-Pumpellyite3)Pumpellyite(-actinolite)4)Chlorite(-clinozoisite)5)Biotite6)Almandine(garnet)7)Oligoclase(albiteatlowergradesisreplacedbyamorecalcicplagioclase)7.洋底變質(zhì)作用(oceanfloormetamorphism)指洋中脊附近的巖石由于受到來源于洋中脊地幔對流的熱和自上而下的熱鹵水的影響發(fā)生變質(zhì)作用，變質(zhì)程度自上而下主要為沸石相、葡萄石－綠纖石相和綠片巖相，深部也可出現(xiàn)角閃巖相，為低壓相系，由于洋底擴(kuò)張洋底變質(zhì)作用的巖石遍布整個(gè)洋底。Mid-OceanRiftsTheMid-OceanRidgeSystemFigure13-1.AfterMinsteretal.(1974)Geophys.J.Roy.Astr.Soc.,36,541-576.Lithologyandthicknessofatypicalophiolitesequence,basedontheSamialOphioliteinOman.(AfterBoudierandNicolas(1985)EarthPlanet.Sci.Lett.,76,84-92.)Ophiolite

Twotypesofocean-floormetamorphism:

1)

lowgradealterationa)

formationofpalagonite(橙玄玻璃)

b)formationofsmectites(蒙脫石)

c)formationofcarbonate

d)compactanddehydration2)

Highgrademetamorphism a)Zeolitefacies b)Pumpellyitefacies c)Epidotefacies d)AmphibolitefaciesOcean-floormetamorphismHorokanaiOphioliteisUnderlainbyKamuikotonHPterraneOcean-floormetamorphism日本北海道HPRockUltramaficHorokanaiOphioliteZoneA:zeolitefaciesZoneB:greenschistfaciesZoneC:transitionalzoneofgreenschist-amphiboliteZoneD:transitionalzoneOfamphibolitetogranuliteOcean-floormetamorphismABCD8、沖擊變質(zhì)作用

(shockmetamorphism)

發(fā)生在隕石沖擊星體表面時(shí)產(chǎn)生的沖擊坑中，它是在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，壓力可達(dá)數(shù)十到上百個(gè)吉帕(GPa)，溫度可超過1500℃。因此它是在瞬時(shí)高溫和動態(tài)高壓條件下發(fā)生的特殊類型變質(zhì)作用，出現(xiàn)了一些特殊的高壓變質(zhì)礦物，如柯石英(coesite),斯石英(stishovite)。

沖擊作用形成的特征礦物結(jié)構(gòu)(PlanarDeformationFeatures(PDFs,擊變面狀頁理).

動態(tài)高壓變形的結(jié)果.Figure22-4.

ShatterconesinlimestonefromtheHaughtonStructure,NorthwestTerritories.PhotographcourtesyRichardGrieve,?NaturalResourcesCanada.沖擊震裂錐QtzFirstnaturaloccurrenceofcoesite.Chaoetal.,1960,Science.(趙景德,1919-2008)加拿大薩德伯里隕石坑產(chǎn)有世界級巨型鎳-銅-鉑族元素礦床，已探明鎳、銅和鉑族元素儲量分別為1858萬噸，1703萬噸和240萬噸。與南非弗里德堡隕石坑具有密切成因聯(lián)系的蘭德金礦床儲量和產(chǎn)量均居世界第一位，已產(chǎn)黃金5萬噸，尚有儲量5萬噸。俄羅斯鮑匹蓋是全球產(chǎn)出規(guī)模最大的金剛石礦床。該礦床位于西伯利亞東部的一處直徑超過100千米的隕石坑內(nèi)，儲量估計(jì)超過萬億克拉，比目前全世界已知鉆石儲量的總和還大10倍。ImpactMetallogeny?LANDSATimageofthePopigaiCraterinSiberia,Russia恐龍的絕滅Asteroidimpactvs.Giantvolcaniceruption變質(zhì)過程中，變質(zhì)反應(yīng)總是使新的礦物相生成，原有的礦物相消耗,從而使巖石達(dá)到新的平衡。根據(jù)溫壓條件(主要是溫度)把變質(zhì)巖劃分為不同的變質(zhì)級。通常將新的特征礦物相的出現(xiàn)作為劃分變質(zhì)級別的標(biāo)志(Isograd)。這一點(diǎn)在野外變質(zhì)巖研究時(shí)非常有效。如果我們能夠理解變質(zhì)反應(yīng)過程，以及反應(yīng)發(fā)生的物理化學(xué)條件，我們就能夠很好地理解變質(zhì)作用。如果有很好的實(shí)驗(yàn)和理論數(shù)據(jù)，我們就可以確定一個(gè)變質(zhì)反應(yīng)的P-T-X空間第二章變質(zhì)反應(yīng)及其控制因素

(1.1)相轉(zhuǎn)變(Phasetransformations)固態(tài)反應(yīng)(1.2)溶離反應(yīng)(出溶反應(yīng),Exsolution)

(1.3)純固態(tài)反應(yīng)(Solid-solidnet-transfer)脫揮發(fā)分反應(yīng)(DevolatilizationReactions)氧化還原反應(yīng)(RedoxReactions)連續(xù)反應(yīng)與不連續(xù)反應(yīng)(ContinuousandDiscontinuousReaction)離子交換反應(yīng)(IonExchangeReactions)第一節(jié)變質(zhì)反應(yīng)的類型1.固態(tài)反應(yīng)(solid-solidreaction)(1.1)同質(zhì)多型轉(zhuǎn)變(Isochemicalphasetransformation)

變質(zhì)巖中最常見的同質(zhì)多型轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2SiO5三個(gè)多型變體之間的轉(zhuǎn)變：

Ky(Al2SiO5)=And(Al2SiO5)

Ky(Al2SiO5)=Sill(Al2SiO5)

Sill(Al2SiO5)=And(Al2SiO5)

另外有：石英（SiO2）＝柯石英（SiO2）=斯石英（SiO2）石墨(C)＝金剛石(C)方解石（CaCO3）＝文石（CaCO3）

ThetransformationsdependontemperatureandpressureonlyAluminosilicate(As)PhaseTransformationsIndependentofothermineralspresent,fluids,etc.And+Ms+Qtz+Bt+…will->SillatthetransitiongraderegardlessofotherphasesWeusedthepresenceofandalusitetoindicatelow-pressuremetamorphicconditions,thepressureofandalusite-bearingrockstovaluesbelowabout0.38GPaAl2SiO5501℃，3.8kbar三個(gè)相的轉(zhuǎn)變只受溫度和壓力的控制PhaseTransformationsTwocoexistingpolymorphscancoexistalongtheunivariantboundarycurve.Ifweknowpressureortemperature,theotherparametermaythenbeestimatedfromoftheequilibriumcurve.IfallthreeAl2SiO5polymorphsweretobefoundinstablecoexistence,theassemblagewouldindicateconditionsattheinvariantpoint(ca.500oCand0.38GPa)Aportionoftheequilibriumboundaryforthecalcite-aragonitephasetransformationintheCaCO3system.AfterJohannesandPuhan(1971),Contrib.Mineral.Petrol.,31,28-38.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.(CaCO3)(CaCO3)IfCaCO3isstableinarocksystem,itshouldoccurascalciteattemperaturesandpressuresbelowtheequilibriumcurve,andasaragoniteattemperaturesandpressuresabovethecurve.ThisexplainswhyaragoniteisthestableCaCO3polymorphcommonlyfoundinHP-LT

RocksTheboundarycurveshavebeenexperimentallylocatedaccurately.Thepresenceofanypolymorphmayconvenientlybeusedtosetlimitsonthetemperatureandpressureconditionsunderwhicharockformed.石英＝柯石英(coesite)P>2.6GPa(T>600°C)金剛石(diamond)石墨＝金剛石(P=3.6GPa@800°C)極高突起，Raman光譜具有1331cm-1強(qiáng)峰(1.2)固溶體的溶離反應(yīng)

(Solid

exsolutionreaction)高溫時(shí)相互混溶的固溶體，在溫度降低至臨界溫度時(shí)發(fā)生溶離，如由KNa-1交換構(gòu)成的堿性長石固溶體在溫度降低時(shí)分解為富鈉堿性長石和富鉀堿性長石兩種固溶體相。條紋長石：鈉長石與鉀長石固溶體分離注意與雙晶的區(qū)別OpxOpxCpxHbBiBiBiGrtGrtSplPlPl(Yeetal.,Nature,2000)Majoriticgarnetat~200kmdepths(Zhang&Liou,Am.Mineral.,2003)GrtinCpxCpxinGrt[Majorite:Mg3(Fe,Al,Si)2(SiO4)3]鎂鐵榴石Majorite(Mantlegarnet)BasalticrockPeridotiteA+B=C+D這是變質(zhì)巖中很普遍的反應(yīng)，如：這類變質(zhì)反應(yīng)通常具有明顯的體積變化，在P-T圖上其斜率較小，往往平行于溫度軸。這類反應(yīng)通常作為壓力計(jì)。(1.3)一般固態(tài)反應(yīng)(純固態(tài)凈轉(zhuǎn)移反應(yīng))

(Solid-solidnet-transferreactions)AugOmpGrt輝長巖在榴輝巖化過程中，普通輝石+斜長石=綠輝石+石榴石+石英PlExamples: NaAlSi2O6+SiO2=NaAlSi3O8

JdQtzAb

MgSiO3+CaAl2Si2O8=CaMgSi2O6+Al2SiO5

En An Di And 4(Mg,Fe)SiO3+CaAl2Si2O8=(Mg,Fe)3Al2Si3O12+Ca(Mg,Fe)Si2O6+SiO2

Opx Pl GrtCpxQtz礦物結(jié)構(gòu)中可以含有流體成分(如-OH），但反應(yīng)物和生成物中不能有流體相，否則不能稱為固態(tài)凈轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

Example:Mg3Si4O10(OH)2+4MgSiO3=Mg7Si8O22(OH)2

TlcEn Ath(Anthophyllite)Temperature-pressurephasediagramforthereaction:Albite=Jadeite+QuartzcalculatedusingtheprogramTWQofBerman(1988,1990,1991).Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.2.脫揮發(fā)分反應(yīng)

(DevolatilizationReactions)這是變質(zhì)巖中很常見的反應(yīng)，包括脫H2O反應(yīng)和脫CO2反應(yīng)，尤以脫水反應(yīng)常見。因?yàn)樵诘蜏貤l件下形成的礦物都具有較高的揮發(fā)分(尤其是水)，而且溫度越低，H2O含量越高。

KAl2Si3AlO10(OH)2+SiO2=KAlSi3O8+Al2SiO5+H2O

Ms Qtz Kfs Sill V

CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2

Cal Qtz WoV

這些脫水反應(yīng)是劃分變質(zhì)作用溫度范圍，或變質(zhì)程度的主要依據(jù)。

一般地，流體相(如水)比固體相有較大的熵值，反應(yīng)熵變

S較大，這類反應(yīng)的斜率dP/dT=

S/

V較大，反應(yīng)單變線很陡，近于與壓力軸平行。因此，這些脫水反應(yīng)是劃分變質(zhì)作用溫度范圍，或變質(zhì)程度的主要依據(jù)。KAl2AlSi3O10(OH)2+SiO2=KAlSi3O8+Al2SiO5+H2O

Ms Qtz Kfs Sill V

使PH2O

小于PLith的途徑：減少巖石的水含量，讓巖石變得干燥保持Pfluid=PLith,但通過加入其它成分的流體，如CO2，降低流體中水的含量T-Xfluid圖解H2O和CO2

是最普通的變質(zhì)流體,X在T-X圖解中通常為H2O(orCO2)在H2O-CO2

混合物中的摩爾組分(XH2O)T?Xfluid

圖解需指定壓力(壓力固定)XH2O越大，發(fā)生脫水反應(yīng)所需的溫度越高，即最大的反應(yīng)溫度在純水的一端，向XH2O低的方向曲線變陡，在XH2O非常低時(shí)近于直立用脫水反應(yīng)來指示變質(zhì)級別時(shí)，必須限定流體成分!脫碳酸和碳酸鹽化反應(yīng)與脫水/水化反應(yīng)基本相似，但是這類反應(yīng)析出CO2，局部范圍內(nèi)改變了流體相的成分，使其控制因素更為復(fù)雜。對于反應(yīng)Cal+Qtz=Wo+CO2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在流體壓力一定的情況下，CO2分壓升高，反應(yīng)溫度大大升高。Aportionoftheequilibriumboundaryforthecalcite-aragonitephasetransformationintheCaCO3system.AfterJohannesandPuhan(1971),Contrib.Mineral.Petrol.,31,28-38.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.T-XCO2phasediagramforthereactionCal+Qtz=Wo+CO2at0.5GPaassumingidealH2O-CO2mixing,calculatedusingtheprogramTWQbyBerman(1988,1990,1991).Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.5typesofdevolatilizationreactions,eachwithauniquegeneralshapeonaT-XdiagramType3:TmaxatXCO2determinedbythestoichiometricratioofCO2/H2OproducedCa2Mg5Si8O22(OH)2+3CaCO3+2SiO2 Tr Cal Qtz =5CaMgSi2O6+3CO2+H2O DiSchematicT-XCO2phasediagramillustratingthegeneralshapesofthefivetypesofreactionsinvolvingCO2andH2Ofluids.AfterGreenwood(1967).InP.H.Abelson(ed.),ResearchesinGeochemistry.JohnWiley.NewYork.V.2,542-567.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.3.氧化還原反應(yīng)(RedoxReactions)這類反應(yīng)主要涉及鐵的價(jià)態(tài)變化，如：

6Fe2O3=4Fe3O4+O2

hematitemagnetite

2Fe3O4+3SiO2=3Fe2SiO4+O2

magnetitequartzfayalite

這類反應(yīng)的主要控制因素是氧逸度，在變質(zhì)作用過程中，這類反應(yīng)的地位雖不不如上述反應(yīng)那樣重要，但它們的緩沖效應(yīng)（Buffering）控制了變質(zhì)體系中的fO2值，從而控制含鐵硅酸鹽的出現(xiàn)及成分。如當(dāng)fO2高時(shí)，F(xiàn)e3+為主，它不易進(jìn)入黑云母、石榴石和堇青石等礦物晶格，但有利于形成磁鐵礦、綠簾石、硬綠泥石和十字石等。Involvesachangeinoxidationstateofanelement6Fe2O3=4Fe3O4+O2(HMbuffer)2Fe3O4+3SiO2=3Fe2SiO4+O2

(QFMbuffer)Fe2SiO4=SiO2+2Fe+O2

(QIFbuffer)IsobaricT-fO2diagramshowingthelocationofreactions(26-13)-(26-15)usedtobufferoxygeninexperimentalsystems.AfterFrost(1991),Rev.inMineralogy,25,MSA,pp.469-488.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.連續(xù)反應(yīng)也稱為滑動反應(yīng)，指的是有固溶體礦物參加的反應(yīng)中，反應(yīng)過程中反應(yīng)物與生成物之間不斷進(jìn)行組分調(diào)整，也就是說生成物的形成不需要反應(yīng)物的馬上消失，二者之間出現(xiàn)一個(gè)共生的區(qū)域，所以在P-T圖上反應(yīng)單變線變成雙變域。4.連續(xù)反應(yīng)和不連續(xù)反應(yīng)(ContinuousanddiscontinuousReactions)4.1.ContinuousReactions(Fe,Mg)3Al2Si3O12石榴石(Fe,Mg)2Al4Si5O18.nH2O堇青石3(Mg,Fe)2Al4Si5O18.nH2O=2(Fe,Mg)3Al2Si3O12+4Al2SiO5+5SiO2+nH2O3Crd=2Grt+4Sill+5Qtz

Mg－Fe作為完全的類質(zhì)同象C1C2C0G0G1G2P23Crd=2Grt+4Sil+5QtzP1P0當(dāng)原巖的FeO/(MgO+FeO)分別為0.4、0.6和0.8時(shí)，堇青石和石榴石的共存域在P-T圖上的變化。共存域的寬度和位置既取決于原巖成分，又取決于溫壓條件。3(Mg,Fe)2Al4Si5O18.nH2O=2(Fe,Mg)3Al2Si3O12+4Al2SiO5+5SiO2+nH2O3Crd=2Grt+4Sill+5Qtz

ContinuousreactionsoccurwhenF

1,andthereactantsandproductscoexistoveratemperature(orgrade)intervalSchematicisobaricT-XMgdiagramrepresentingthesimplifiedmetamorphicreactionChl+Qtz

Grt+H2O.FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.不連續(xù)反應(yīng)也稱為非滑動反應(yīng)，指的是在有固溶體礦物參加的反應(yīng)中，反應(yīng)物和生成物都有一定的成分，在單變線的兩側(cè)只能有一種礦物組合是穩(wěn)定的4.2.DiscontinuousReactionsDiscontinuousreactionsoccurataconstantgradeChl+Ms+Qtz

Grt+Bi+H2O

inKFASH F=C–f+2=3–4+2=15.IonExchangeReactionsReciprocalexchangeofcomponentsbetween2ormoremineralsMgSiO3+CaFeSi2O6=FeSiO3+CaMgSi2O6Annite+Pyrope=Phlogopite+AlmandineExpressedaspureend-members,butreallyinvolvesMg-Fe(orother)exchangebetweenintermediatesolutionsBasisformanygeothermobarometers了解：第二節(jié)變質(zhì)反應(yīng)的控制因素

溫度(Temperature)壓力(Pressure)應(yīng)力(Stress)流體(Fluid)溫度是影響變質(zhì)反應(yīng)平衡的最主要物理化學(xué)因素，溫度升高引起進(jìn)變質(zhì)反應(yīng)速率呈指數(shù)倍增加。隨著變質(zhì)溫度的升高，巖石將發(fā)生一系列進(jìn)變質(zhì)反應(yīng)。一般變質(zhì)巖石的主要礦物組合都反映最高溫度條件，稱為峰期變質(zhì)礦物組合(Peakassemblage)。溫度降低時(shí)發(fā)生的反應(yīng)，稱退變質(zhì)反應(yīng)。通常我們所說的變質(zhì)程度和變質(zhì)級都以溫度為劃分依據(jù)。一般變質(zhì)作用的溫度范圍為200－900℃（1000℃）。變質(zhì)作用過程中，引起巖石溫度升高的原因很多。對接觸變質(zhì)作用來說，圍巖溫度升高與巖漿釋放的熱量有關(guān)。動力變質(zhì)作用中，巖石的溫度升高與構(gòu)造運(yùn)動的機(jī)械能有關(guān)。但對于大規(guī)模的區(qū)域變質(zhì)作用來說，巖石溫度的升高與來自深處的熱流有關(guān)，熱流值的高低常以地?zé)崽荻葋肀硎尽?.溫度(Temperature)Temperature:typicallythemostimportantfactorinmetamorphismEstimatedrangesofoceanicandcontinentalsteady-stategeothermstoadepthof100kmusingupperandlowerlimitsbasedonheatflowsmeasurednearthesurface.AfterSclateretal.(1980),Earth.Rev.Geophys.SpaceSci.,18,269-311.1.溫度(Temperature)Increasingtemperaturehasseveraleffects:1)

Promotesrecrystallization

increasedgrainsizeLargersurface/volumeratioofamineral

lowerstabilityIncreasingtemperatureeventuallyovercomeskineticbarrierstorecrystallization,andfineaggregatescoalescetolargergrains2)Drives

reactionsthatconsumeunstablemineral(s)andproducesnewmineralsthatarestableunderthenewconditions3)Overcomeskineticbarriersthatmightotherwiseprecludetheattainmentofequilibrium1.溫度(Temperature)

指巖石中流體所承受的壓力。在大多數(shù)中深變質(zhì)條件下，巖石所承受的負(fù)荷壓力會完全傳遞給其中的流體，因此Pfluid＝Plith，此時(shí)流體壓力不是決定變質(zhì)反應(yīng)平衡的獨(dú)立因素。在地殼淺部，巖石裂隙比較發(fā)育時(shí)，由于流體相的密度小于固態(tài)巖石的密度，出現(xiàn)Pfluid<Plith。在某些巖漿侵入體附近，由于巖漿析出大量的流體相，可出現(xiàn)局部的Pfluid>Plith情況。Winkler（1979）指出在某些變質(zhì)過程中也會出現(xiàn)局部的“流體超壓”：當(dāng)巖石中的毛細(xì)孔很小，巖石的強(qiáng)度又足夠大時(shí)，變質(zhì)反應(yīng)析出的流體相會產(chǎn)生類似于高壓鍋的效應(yīng)，形成局部流體超壓。當(dāng)Pfluid

Plith時(shí)，流體壓力也是控制變質(zhì)反應(yīng)平衡的物理化學(xué)因素之一。(2)流體壓力(Pfluid)應(yīng)力指構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的側(cè)向壓力，一般來說應(yīng)力不是控制變質(zhì)反應(yīng)平衡的獨(dú)立因素，但它對變質(zhì)作用過程十分重要。應(yīng)力以多種方式增加變質(zhì)反應(yīng)速率。如應(yīng)力作用使礦物晶格變形，使粗大礦物細(xì)?；?，因而由于表面能增加而加速變質(zhì)反應(yīng)；另一方面，應(yīng)力作用使巖石產(chǎn)生裂隙，為粒間溶液的活動打開通道，促進(jìn)組分遷移和交代作用的發(fā)生。3.應(yīng)力(Stress)如何理解Pressure/Stress特指荷載壓力－隨深度而增大

Pressure/Stress差應(yīng)力(偏應(yīng)力)GraniteGraniticgneissLithostaticpressureisuniformstress(hydrostatic)Deviatoricstress=unequalpressureindifferentdirectionsDeviatoricstress(偏應(yīng)力)affectsthetexturesandstructures,butnottheequilibriummineralassemblageStrain(應(yīng)變)istheresponseoftherocktoanappliedstress(=yieldingordeformation)StrainenergymayovercomekineticbarrierstoreactionsDeviatoricstressescomeinthreeprincipaltypes:TensionCompressionShearTension:

s3isnegative,andtheresultingstrainisextension,orpullingapartoriginalshapestrainellipsoidFigure21-2.Thethreemaintypesofdeviatoricstresswithanexampleofpossibleresultingstructures.a.Tension,inwhichonestressinnegative.“Tensionfractures”mayopennormaltotheextensiondirectionandbecomefilledwithmineralprecipitates.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.s1s3Compression:

s1isdominant,

foldingormorehomogenousflattenings1s3Foliationisacommonresult,whichallowsustoestimatetheorientationofs1

s1>s2=s3foliationandnolineations1=s2>s3lineationandnofoliations1>s2>s3bothfoliationandlineations1Shearmotionoccursalongplanesatanangletos1s1

Pressure/Stressnearsurfacedeformation:brittlefracturesshearingforce

Pressure/StressDeepcrust/mantledeformation:ductileshearingforce(nofractures)4、流體的作用巖石中總是存在一些流體，這些流體的成分以H2O和CO2為主，它們存在于礦物晶格和粒間溶液中。這些流體的作用除了其分壓(Pfluid)可能控制變質(zhì)反應(yīng)平衡外，其本身作為溶劑是促進(jìn)變質(zhì)反應(yīng)進(jìn)行的一個(gè)重要因素。實(shí)際上大多數(shù)變質(zhì)反應(yīng)的進(jìn)行都以流體作為媒介，進(jìn)行元素和組分的溶解與遷移，在真正干的條件下發(fā)生變質(zhì)反應(yīng)極為困難。如對2MgO+SiO2=Mg2SiO4的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在干的條件下，1000℃時(shí)，4天時(shí)間只形成26％的鎂橄欖石；但有水參與時(shí)，在450℃條件下，只需幾分鐘反應(yīng)就完成了。在進(jìn)變質(zhì)作用過程中，以水為主的流體相不斷減少，因此一般變質(zhì)作用過程也是巖石的脫水過程。流體相的成分也是變質(zhì)反應(yīng)的一個(gè)控制因素，CO2的分壓（摩爾分?jǐn)?shù)XCO2）直接影響著反應(yīng)溫度。流體作用與巖石的部分熔融H2O-saturated(solid)andH2O-free(dashed)solidi(beginningofmelting)forgranodiorite(RobertsonandWyllie,1971),gabbro(LambertandWyllie,1972)andperidotite(H2O-saturated:Kushiroetal.,1968;dry:ItoandKennedy,1967).

TheeffectofH2Oonthediopside-anorthiteliquidus.Dryand1atmfromFigure7-16,PH2O=Ptotalcurvefor1GPafromYoder(1965).CIWYb64.CalculatedeffectofH2Oonmeltingofforsteriteat1GPa,comparedwithexperimentalresultsEclogiteGabbroFluidsinorogenicbeltEclogiteGabbroAustrheimetal.,(1987),Polloketal.,(2008)GranuliteEclogiteGarnetGranuliteFluidsinorogenicbelt其它控制因素氧逸度對含鐵礦物參與的變質(zhì)反應(yīng)有重要影響。時(shí)間因素，對變質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)意義重要。總結(jié)變質(zhì)反應(yīng)的基本類型固態(tài)反應(yīng)脫揮發(fā)分反應(yīng)氧化還原反應(yīng)連續(xù)反應(yīng)和不連續(xù)反應(yīng)第一節(jié)變質(zhì)巖的化學(xué)成分特征原巖變質(zhì)巖等化學(xué)系列(isochemicalseries)：具有同一原始化學(xué)成分的所有巖石構(gòu)成等化學(xué)系列，其變質(zhì)礦物組合的不同是由變質(zhì)作用的類型和強(qiáng)度所決定的。變質(zhì)巖的化學(xué)成分取決于原巖的組分和變質(zhì)作用的類型和強(qiáng)度，如不伴有交代作用，則變質(zhì)巖的化學(xué)成分就取決于原巖，如伴有交代作用則變質(zhì)巖的化學(xué)成分既取決于原巖，又取決于交代作用的強(qiáng)度和類型＋變質(zhì)作用五個(gè)等化學(xué)系列的代表性化學(xué)成分常見的變質(zhì)巖石可分為五個(gè)等化學(xué)系列：即泥質(zhì)（富鋁）系列、基性系列、長英質(zhì)系列、碳酸鹽系列和超基性系列。自然界的巖石成分不限于這5個(gè)系列，例如它們之間的過渡類型富鋁系列基性系列長英質(zhì)系列碳酸鹽系列超基性系列SiO258.548.478.45.243.5Al2O315.516.84.80.84.0FeO*6.610.51.50.512.5MgO2.58.11.27.934.0CaO3.111.15.542.63.5Na2O1.32.30.50.10.6K2O3.30.61.30.30.3H2O5.10.60.8030.7CO22.75.041.60.71).原巖為泥巖(mudstone)和頁巖(shale)等2).在化學(xué)成分上富Al2O3、SiO2、K2O，貧CaO和Na2O,K2O>Na2O3).常見的變質(zhì)礦物：黑云母(Bi),白云母(Ms),綠泥石(Chl),藍(lán)晶石(Ky),矽線石(Sill),紅柱石(And),鐵鋁榴石(Alm),硬綠泥石(Cld),堇青石(Crd),十字石(St),鉀長石(Kfs)4)巖石類型：板巖－千枚巖－片巖－片麻巖－混合巖1.泥質(zhì)系列，或富鋁系列shale→slate→phyllite→schist→gneiss→melt.

Shaleisasedimentaryterm.Slatereferstoafine-grained,low-grademetasedimentaryrockinwhichbeddingistypicallystillvisible:Figure22-1.Examplesoffoliatedmetamorphicrocks.a.Slate.b.

Phyllite.Notethedifferenceinreflectanceonthefoliationsurfacesbetweenaandb:phylliteischaracterizedbyasatinysheen.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.abSlate(板巖):compact,veryfine-grained,metamorphicrockwithawell-developedcleavage.FreshlycleavedsurfacesaredullPhyllite(千枚巖):arockwithaschistosityinwhichveryfinephyllosilicates(sericite/phengiteand/orchlorite),althoughrarelycoarseenoughtoseeunaided,impartasilkysheentothefoliationsurface.Phylliteswithbothafoliationandlineationareverycommon.Figure22-1c.Garnetmuscoviteschist.Muscovitecrystalsarevisibleandsilv