變質巖石學 第一章變質作用概述

第四篇變質巖石學MetamorphicPetrology第一章變質作用概述1.變質作用的概念2.變質作用的控制因素3.變質作用的類型變質作用的概念

1)是與地殼形成和發(fā)展密切相關的一種地質作用；2)地殼已存巖石在基本保持固態(tài)條件下的轉變過程；3)在特殊條件下，還可以發(fā)生重熔（溶），形成部分流體相（巖漿）；4)變質作用是一個動態(tài)過程。變質作用（Metamorphism）一詞是由法國學者Boue(1820)年首次提出來的，后來由英國學者C.Lyell(1833)在他的名著《地質學原理》中比較系統(tǒng)地進行了論述。定義：指在地殼形成和發(fā)展的過程中，由于物理化學條件的改變，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、結構構造的變化的過程。變質作用的概念變質作用的概念應強調以下幾點:（1）變質作用是一種改造作用，這種改造發(fā)生在風化帶和膠結帶以下，原巖經過改造后在固態(tài)下轉變?yōu)橐环N新的巖石。如果原巖為沉積巖，變質后的巖石稱為副變質巖；如果原巖為巖漿巖，變質后的巖石稱為正變質巖。（2）變質過程中巖石基本上保持固態(tài)，并且強調溫度的遞增過程，這一點與巖漿作用不同。巖漿作用強調礦物從硅酸鹽熔融體中結晶，是晶體-液態(tài)的平衡，并強調溫度下降過程。當變質作用溫度較高時，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。當熔體數(shù)量較多時轉變?yōu)榈湫偷膸r漿作用。廣義的變質作用：包括巖石在固態(tài)下的變質作用和有部分熔體出現(xiàn)的混合巖化作用。變質巖的重要地位前寒武紀之前的巖石幾乎均為變質巖,占大陸面積的1/5

變質巖在我國分別很廣，而且有大量的金屬和非金屬礦產 例如：鞍山式鐵礦—含鐵石英巖型 石英脈型金礦—如山東變質作用的控制因素大地構造位置：島弧、海溝、洋中脊構造過程：沉降、隆升等巖漿作用等地質因素控制變質作用的因素：溫度（T）壓力（P）流體成分（x)時間(t)取決于物理化學條件，即外部因素一、溫度它是變質作用的主導因素。溫度范圍:200-8000C，超高壓可達10000C。變化原因:

巖漿；深部熱流；地殼放射熱；機械摩擦；地熱增溫（正常情況25-30C

/km)。

主要作用：可導致重結晶、變質反應、重熔；增加流體活性；改變巖石變形性質等。變質作用的控制因素1.溫度升高引起的變化(1)

導致重結晶作用 隨著T增加，巖石內部質點活動能力增加，質點重新排列——晶粒由小變大，由細變粗。例如

石灰?guī)r(沉積巖)大理巖(變質巖)促進礦物之間的化學反應,形成新的礦物與礦物組合,

例如

Al4[Si4O10](OH)82Al2[SiO4]O+2SiO2+4H2OT升高吸熱放熱紅柱石高嶺石石英2.導致溫度升高的熱源(1)地熱：地熱增溫率7-60℃/km,

例如若一般地區(qū)為25℃/km，則在Moho附近，可 以達到800℃左右(2)巖漿侵入：巖漿侵入－冷卻－散熱(3)構造運動：摩擦作用(4)地球內部物質的相變釋放能量(5)放射性元素的衰變能，U,Th—Pb

238U

206Pb+8+6－+E

235U

207Pb+7+4－+E 232Th

208Pb+6+4－+E變質作用的控制因素二、壓力(靜壓力、流體壓力和應力)1.靜壓力（均向壓力）概念：負荷壓力，單位帕（斯卡）（Pa）

地質上也常用bar（巴）和kbar（＝103bar)

它各向相等，大小等于上覆巖石的重量。與深度h關系為：

P=

gh

P=9.81

h×103（深度：km;壓力：GPa）地表向下P隨深度的變化速率為：0.0275GPa/km1大氣壓＝101325Pa1bar=105Pa常用為：1kbar=1000大氣壓

1GPa＝10kbar=1萬大氣壓地殼巖石按照比重計算：100km=30kb因此：一般 Moho面＝10kb

地心壓力＝350GPa

實驗室能達到＝550GPa1bar=0.987個大氣壓靜壓力的常用單位換算關系：作用:

（1）控制變質反應方向，影響變質反應溫度

（2）有利于形成分子體積小、密度大的礦物。石英－柯石英—斯石英（3）改變巖石的熔點CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2105Pa,4700C108pa,6700C靜壓力范圍：動力變質作用和接觸變質作用多在5km范圍內，壓力低于0.1GPa；區(qū)域變質作用深度大于5km，壓力高于0.1GPa，按壓力大小分為不同的壓力型（低壓、中壓、高壓、超高壓）變質作用的控制因素2.流體壓力巖石系統(tǒng)中常存在少量的流體相,它們所具有的內壓稱流體壓力。對變質作用的影響分兩種情況:(1).流體壓力與靜壓力相等：流體壓力不構成獨立的控制因素；(2).流體壓力與靜壓力不相等：流體壓力則構成獨立的控制因素。流體壓力流體——指存在于巖石的顆粒間、顯微裂隙和毛細孔隙中的流體，包括水、CO2，O2等。流體對其存在的空間壁會有一定的壓力，即粒間流體壓力。其總壓力為各組分分壓之和。P流體＝PH2O＋PO2＋………流體壓力的作用：(1)對有流體參與的變質反應的溫度有影響，例如：

CaCO3+SiO2

CaSiO3+CO2↑

PCO2↗,反應的T↗(2)流體壓力增大可以促進巖石顆粒重結晶方解石硅灰石石英變質作用的控制因素一種側向壓力（各方向壓力不等）應變：巖石遭受應力作用所產生的反應。（彈性變形、永久變形）分類：張應力、壓應力、剪應力。

作用1.機械改造。是巖石優(yōu)選組構的主要因素。2.影響變質反應、重結晶作用、流體活性。3.產生構造超壓，增加靜壓力。3、應力a.張應力（s3）及應變特點

主要產生張性斷裂、拉伸組構(Winter,2001)變質作用的控制因素

b.壓應力（s3）及應變特點

主要是均勻壓扁或褶皺(Winter,2001)變質作用的控制因素c.剪應力（s2）及應變特點

沿一組平行的面滑動或旋轉(Winter,2001)變質作用的控制因素變質作用的控制因素在較高溫壓條件下,具有較大的活性。主要作用如下：溶劑和媒介（載體）作用。2.控制變質反應方向。例如Cc+Q

Wo+CO2降低巖石熔點。長英質巖:無水9500C,含水6400C4.變質反應的催化劑。例如鐵橄欖石的合成實驗：2MgO+SiO2Mg2SiO4

在干體系10000C條件下,須時近四天,只有26%轉化；在濕體系4600C條件下,只須時間幾分鐘,就全部轉化。三、具化學活動性流體四、時間實驗室的化學反應——瞬間地球系統(tǒng)的化學反應——漫長

在實驗室短時間內無法發(fā)生的變質反應和變質作用（以天、月計算），在地球系統(tǒng)的地質演化歷史中是可以發(fā)生的（以Ma為單位），以百萬年為單位。歸納變質作用因素為：T、P、流體、時間變質作用的控制因素

1.溫度:一般是最重要因素，它不僅控制著變質作用的發(fā)生和發(fā)展，也制約著流體的活性和巖石變形性質；2.壓力:影響物化平衡的獨立因素，有時對礦物組合起決定作用；3.流體:是變質作用得以實現(xiàn)的基本因素，但溫度又是流體具有活動性的前提；4.時間:控制著變質反應的進程和規(guī)模。相互關系---相互促進又相互制約考慮以上的變質作用因素和地質條件，可以分為：一、接觸變質作用二、動力變質作用三、氣液變質作用四、區(qū)域變質作用五、混合巖化作用六、其他類型變質作用

變質作用類型一、接觸變質作用在巖漿巖體邊緣和圍巖接觸帶上，由于高溫、溶液的影響使巖石發(fā)生的變質作用。分布位置：巖體或巖體附近分為：熱接觸變質作用接觸交代變質作用巖體圍巖變質巖接觸變質帶示意圖內帶中帶biotitemuscovitecordieriteandalusitequartz接觸變質帶中不同分帶粒度變化二、動力變質作用在構造運動產生的壓力下，使巖石發(fā)生破碎的變質作用分布位置：斷層，破碎帶導致結果：使巖石發(fā)生變形、破碎，還有輕微的重結晶現(xiàn)象正斷層破碎帶三、氣液變質作用具有化學活動性的熱水溶液和氣體對巖石進行交代，而使巖石發(fā)生變質的作用主要因素：化學活動性流體，溫度來源：巖漿的揮發(fā)分，地殼內的熱水結果：巖石化學成分變化四、區(qū)域變質作用是大面積發(fā)生的區(qū)域性的變質作用，是在地殼活動帶發(fā)生的變質作用主要因素：復雜，T、P、流體都有結果：使巖石強烈變形或片理化分布：古老的結晶基底、造山帶，常與混合巖化作用伴生變質作用類型日本的變質雙帶及形成模式變質作用類型新西蘭島南部Otago區(qū)域埋藏變質作用（Turner，1981)沸石葡萄石-綠纖石綠纖石—陽起石綠泥石黑云母—較高級在高級區(qū)域變質地區(qū)，由部分熔融產生的低熔物質（新成體）與變質巖基體（古成體）混合形成混合巖的過程。它是變質作用向巖漿作用的過度類型,又稱超變質作用

五.混合巖化作用:

混合巖六、其他類型變質作用沖擊變質作用——隕石沖擊地球，產生高溫高壓，如石英相變?yōu)榭率⒑退故?。在自然界發(fā)現(xiàn)是60年代由華人趙景德在美國亞利桑那州的梅蒂爾隕石坑發(fā)現(xiàn)柯石英和斯石英，是沖擊變質作用產物。復變質作用——不同階段、多次疊加的變質作用地球隕石BarringerMeteorCrater變質作用的方式按照巖石發(fā)生變質的途徑或方式，可以分為： 一、重結晶作用 二、變質結晶作用和變質反應 三、交代作用 四、變質分異作用 五、變形和碎裂作用一、重結晶作用同種礦物，經過重新溶解、組分遷移，再結晶形成原礦物的方式。重結晶作用的結果是晶粒由小變大受控因素：成分愈單一、粒度愈小，愈容易發(fā)生舉例：石灰?guī)r——大理巖重結晶作用實例含石英大理巖的結構演化（Mason（1999）繪，有所修改補充）a.低溫下Cc+Q平衡結構；b.溫度超越Cc+Q=Wo+CO2↑反應溫度時，粒度增大的同時Q與Cc反應，形成Wo反應邊。在Wo集合體內有少量Q殘留，不平衡結構；c.反應完全，粒度進一步增大，形成新的高溫條件下穩(wěn)定的礦物組合Cc+Wo平衡結構CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO21.石英；2.方解石；3.硅灰石;在變質作用的溫度、壓力范圍內，在原巖基本保持固態(tài)條件下使舊礦物消失、新礦物形成的變質方式，一般通過特定的化學反應來實現(xiàn)，這種化學反應稱為變質反應。包括同質多象轉變和形成新的礦物組合。

舉例：紅柱石-藍晶石-矽線石三者之間的同質多象轉變二、變質結晶作用和變質反應紅柱石-藍晶石-矽線石三者之間的同質多象轉變三、交代作用由于流體的遷移使固態(tài)巖石與外界產生復雜物質交換，從而改變巖石化學成分的一種變質方式。要求條件：有流體存在，干體系中很難發(fā)生。舉例：

Na++KAlSi3O8

NaAlSi3O8+K+實際上，這就是鈉長石化作用帶入帶出鉀長石鈉長石四、變質分異作用在變質作用