變質作用的基本概念

變質作用的基本概念問題2:變質巖就是如何形成得呢？

——變質作用機制、途徑或方式

問題3:變質作用機制得啟動與進行

——變質作用因素第一講

變質巖得形成過程一、變質作用機制二、變質作用因素三、變質作用P-T-t軌跡四、變質作用類型及其特征(自學)五、變質巖得成因類型(后續(xù)展開)一、變質作用機制與沉積巖與巖漿巖得形成機制一樣,變質巖得形成——變質作用機制也相當復雜多樣,概括起來主要有變質結晶、變形與變質分異等3種。高級(溫)變質:深熔作用(部分熔融——巖漿巖成因術語),總體屬于巖漿作用范疇;埋藏變質:成巖過程中得壓實、重結晶與交代作用,屬于沉積作用范疇。1、變質結晶作用先存巖石(原巖)在變質作用溫度壓力條件范圍內發(fā)生得礦物再生長作用稱變質結晶作用。變質結晶包括重結晶作用交代作用

1、1重結晶作用(recrystallization)

——在基本固體狀態(tài)下原巖礦物通過結構調整(/或化學反應)形式得再造過程。重結晶前后,巖石得造巖組分(除H2O、CO2等揮發(fā)分外)基本保持不變。重結晶作用過程就是一種等化學過程,相應得體系性質為封閉體系。礦物得成核、結晶生長受表面能最低原理控制。

狹義得重結晶:recrystallization,Raymond,2002)——礦物結構調整:純灰?guī)r(沉)

大理巖(變)純石英砂巖(沉)石英巖(變)礦物得成核、結晶生長受表面能最低原理控制純灰?guī)r粗粒大理巖細粒大理巖原巖為單礦物巖只有結構變化而無成分變化Raymond,2002變質反應:(Neocrystallization,Raymond,2002)細粒含石英大理巖進一步變質發(fā)生新舊礦物更替,并伴隨結構變化(據(jù)Mason,1999)a、反應前:低溫下,微晶方解石與碎屑石英,通過重結晶改變各自得大小與形狀:Cc(CaCO3)+Q(SiO2);b、反應中:化學反應Cc+Q=Wo(CaSiO3)+CO2↑,在碎屑石英邊緣上生長出Wo(稱反應邊);未參與化學反應得方解石經狹義重結晶加粗;c、反應后:因石英方解石,石英被全部消耗,未參與反應得Cc與新生長得Wo粒度進一步加粗,形成高溫條件下得穩(wěn)定礦物組合(Cc+Wo)。方解石石英方解石石英方解石硅灰石1、2交代作用

(metasomatism)交代作用指固體巖石在變質作用條件范圍內,在化學活動性流體為主要因素得作用下,使造巖組分發(fā)生不同程度得帶入或帶出,結果新形成得巖石得化學成分(除H2O、CO2等揮發(fā)分外)與礦物成分發(fā)生部分或全部變化得變質過程。在交代過程中,巖石得體積基本保持不變。交代過程就是異化學作用過程,巖石體系性質屬于開放體系。交代作用也可在成巖階段發(fā)生,稱成巖交代作用;在變質條件下發(fā)生得交代作用稱為變質交代作用。以就是否發(fā)生了主要組分得帶入或帶出來判斷交代作用機制與重結晶機制*純橄欖巖

蛇紋巖重結晶機制:2Mg2SiO4+3H2O→H4Mg3Si2O9+Mg(OH)2

Fo(鎂橄欖石)Ser(蛇紋石)Brc(水鎂石)交代機制:

3Mg2SiO4+4H2O+(SiO2)→2H4Mg3Si2O9

Fo溶液中Ser地質學與巖相學證據(jù)？據(jù)就是否帶入或帶出,將造巖組分劃分為活動或惰性組分;活動組分:可帶入帶出,過程結束后,巖石中該組分得含量與發(fā)生交代前巖石得原始成分含量無關,交代前后絕對含量發(fā)生改變,除H,F,Cl,S,C等揮發(fā)份外,堿金屬Na、K、Rb、Cs與堿土金屬類元素Be、Ca、Mg、Sr、Ba等,以及Si常見;惰性組分:基本不發(fā)生帶入帶出,交代巖石中該組分得含量僅與交代前巖石得原始成分有關,交代前后組分得絕對含量不發(fā)生改變,以重金屬或其它元素或超場強元素常見;主量元素中包括Fe、Al、Mn、Ti等。某一元素就是否屬于活動與惰性元素,視具體情況而定！交代機制——交代作用中得組分運移方式滲透(infiltration):組分受壓力差驅動,隨溶液流動,從高壓域向低壓域遷移,主要發(fā)生在裂隙溶液中;擴散(diffusion):組分受濃度差驅動,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;粒間孔隙溶液中某種活動組分濃度或化學位梯度就是運移與交代得主要動力;交代作用也見于巖漿巖與沉積巖得形成過程;變質交代作用僅指發(fā)生在變質作用條件范圍內得交代作用。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點交代作用改變巖石得礦物組成、結構與構造2、變形

(Deformation)巖石在變質作用得溫壓條件范圍內,受到超過其最高彈性模量得應力作用,將發(fā)生永久變形,使巖石得結構與構造受到破壞,巖石化學成分可變可不變,從而形成變質巖得作用過程。依據(jù)變形性質可分脆性變形與韌性變形兩種,后者又稱塑性變形(Plasticdeformation)。處于剛性狀態(tài)得巖石得變形將發(fā)生脆性變形,處于柔性狀態(tài)得巖石得變形將發(fā)生韌性變形。巖石中高能干性礦物含量越高,脆性韌性變形轉變臨界溫度越高。因此,長英質巖石得轉變溫度低于鎂鐵質巖石。脆性變形(brittledeformation)

脆性變形使先存巖石在變形后完全失去內聚力(四分五裂、支離破碎),巖石表現(xiàn)為破裂、碎裂、碎粒、碎粉化之特征。請您指出圖(1)與圖(2)中兩件巖石得脆性變形得強弱？韌性變形(ductiledeformation)

塑性變形一般不使巖石失去內聚力(似斷非斷,如膠似漆),分晶內(intra-)塑性變形與晶界或晶間(inter-)塑性變形兩種;晶內塑性變形表現(xiàn)為晶體內部得滑移(gliding)與位錯(dislocation),鏡下可見晶體內部發(fā)育書斜構造、機械雙晶、扭折帶、變形紋、動態(tài)重結晶等;晶界塑性變形表現(xiàn)為邊界滾動、滑動與擴散流動,晶體整體呈魚狀、透鏡體狀,或碎粒流或韌性流等。3、變質分異

(metamorphicdifferentiation)在變質作用過程中,原先均勻得巖石變?yōu)椴痪鶆蛏踔链嬖诔煞址帧皩印钡脦r石象(Raymond,1995),結果使巖石得構造特征發(fā)生了改變,從而形成變質巖得作用過程。變質分異嚴格來說應指封閉體系內得組分調整,以便于與交代作用相區(qū)別,但往往不易區(qū)分。變質分異產生不均勻或成分層得現(xiàn)象與機理(1)擴散反應帶(交代作用？開放？)(2)構造剪切分異:淺變質巖中得石英脈(3)構造壓扁(圖17-8？)

高級片麻巖區(qū)四種典型得露頭尺度遞進變形

所有這些遞進變形都形成相同得條帶狀片麻巖(Passchieretal、,1990)(a)網狀巖脈得均勻變形(b)巖石碎塊得均勻變形(c)粒度不均勻得均質火成巖(例如斑狀花崗巖)得均勻變形(d)、均質火成巖(例如輝長巖)得不均勻變形二、變質作用得影響因素

effectingfactors

變質作用因素指使變質作用《變質重結晶(狹義重結晶、變質反應、交代反應)、變形、變質分異》發(fā)生與發(fā)展得原因或誘因。根本原因:地質環(huán)境得改變,如構造位置改變(島弧、海溝、洋中脊、大陸裂谷、俯沖帶、碰撞帶,等)、構造過程(增厚、減薄、俯沖、折返、深埋、隆/抬升,等)與巖漿作用等。物化因素:從物理化學角度瞧,控制變質作用得因素可以抽象為溫度(T)、壓力(P)、流體組分(x)、時間(t)等物化因素,這也就是將物理化學引入變質巖石學研究得基礎。1、1(對變質作用機制得)影響

溫度就是熱得標量。變質溫度高低得實質就是熱流量得高低。溫度將影響變質重結晶作用得進行,升溫有利于吸熱反應(如脫揮發(fā)份反應),提高反應速率,促進晶體得溶解與生長;降低溫度將使變質反應向放熱方向進行,利于水化與碳酸鹽化反應進行;溫度升高利于巖石從脆性變形向韌性變形轉變,從而改變巖石得變形行為;溫度升高有利于交代作用與變質分異進行;溫度得持續(xù)升高將導致巖石發(fā)生深熔(部分熔融)作用,促進混合巖化。1、溫度(temperature,heat)

1、2變質作用溫度范圍

變質作用溫度范圍

實驗確定得白云母花崗巖(1～4)與拉斑玄武巖(5～8)得熔融間隔(引自Miyashiro,1994)。實線表示無水添加條件,虛線表示過量水條件。這樣,對白云母花崗巖,過量水條件下得固相線與液相線分別為1、2,無水添加條件下得固相線與液相線分別為3、4;對拉斑玄武巖,過量水條件下得固相線與液相線分別為5、6,無水添加條件下得固相線與液相線分別為7、8。DG、成巖作用條件區(qū);MG、巖漿作用條件區(qū);MT、變質作用條件區(qū);NU、自然界未知得條件區(qū)。變質作用條件(MT)與巖漿作用條件(MG)間有一個范圍廣大得P-T過渡區(qū),在熔融曲線1～8之間按變質作用得溫度范圍分:極低溫、低溫、中溫、高溫與超高溫變質,相應得變質程度劃分為極低、低、中、高、極高級變質1、3熱得來源地幔對流熱地殼放射性元素蛻變產生得放射性熱巖漿結晶潛熱構造摩擦熱2、1壓力分類負荷壓力(Pl)流體壓力(Pf)偏應力(Pd)熱力學壓力為靜水壓力(Ps),其數(shù)值得增高,可導致摩爾體積小,密度大得高壓礦物生成,并影響著變質反應得平衡溫度。2、壓力

2、2變質作用壓力分類負荷壓力(Pl):Pl=ρgDPl(GPa)=9、81ρ

D(Km)10-3流體壓力:Pf=PH2O+PCO2+…、、

流體超壓=Pf-Pl定向應力(Pd)偏應力(非靜水壓力)=

A-B0平均應力(具靜水壓力性質)=(

A+B)/2構造超壓=平均應力-負荷壓力(Pl)2、3負荷壓力范圍變質作用壓力條件范圍

實驗確定得變質反應將變質作用按壓力條件劃分為低壓、中壓、高壓與超高壓變質:低壓——低于藍晶石、紅柱石與矽線石(Als)三相點壓力條件;中壓——Als三相點至Jd+QAb(硬玉+石英

鈉長石)反應之間;高壓——Jd+Q至出現(xiàn)柯石英(Coe)多型之前得壓力條件;超高壓——至金剛石(Dia)2、4壓力對變質作用機制得影響(獨立完成)(1)巖壓

(2)偏應力

(3)流體壓力

(4)構造超巖與流體超壓3、流體成分(x)

變質作用過程基本上在固態(tài)下進行,但巖石中通常含有~1V%得液體相。當液體相呈超臨界狀態(tài)(super-criticalstate)時,區(qū)分不出液體與氣體,稱流體。流體成分以H2O,CO2,為主體;含鹵素與堿金屬元素或大半徑親石元素得流體,常具有極強得交代能力,習稱具化學活動性得流體;流體中得成分可直接參加巖石得形成(變質反應),成為礦物晶格得一部分;影響某種流體組分得分壓,影響相關變質反應得平衡溫度;流體作為介質為組分運移提供載體,或媒質促進礦物得溶解速率、促進深熔作用而混合巖化、交代作用、與降低脆-韌性變形得轉變溫度等。4、時間(t)變質作用時間因素通常從兩個角度理解:一就是變質作用發(fā)生得地質時代(Geologicalage),即不同時代變質作用得特點不同,這就是由地球演化得方向性與不可逆性決定得;二就是一次變質作用事件自始至終所經歷得時間跨度(timespan),尤其就是變質熱峰持續(xù)時間,足夠長得時間可以使變質反應得以徹底進行。熱力學只考慮過程得始態(tài)與終了態(tài),而動力學(時間參數(shù))則考慮時間因素。變質作用動力學就是變質巖石學研究得一個極其重要得學科前沿:視考慮得尺度分為變質作用地球動力學(dynamics)與變質反應動力學(kinetics)兩個領域。三、變質作用P-T-t軌跡

所謂P-T-t軌跡(P-T-tpath或P-T-tloop)就就是“巖