變質(zhì)巖-第01講變質(zhì)巖的形成過程(2)-2014

第一講:變質(zhì)巖的形成過程（2）

變質(zhì)反應(yīng)與遞增變質(zhì)帶一、概述

二、變質(zhì)反應(yīng)類型

三、巴羅遞增變質(zhì)帶

本章要求1.掌握變質(zhì)反應(yīng)類型、表達形式、影響因素和研究意義；2.掌握若干典型變質(zhì)反應(yīng)的巖石學(xué)意義；3.掌握巴羅指示礦物變質(zhì)帶，理解變質(zhì)反應(yīng)的地質(zhì)表現(xiàn)。一、概述1、意義（判斷變質(zhì)過程的礦物演化、估算P-T條件、預(yù)測P-T軌跡演化趨勢）2、變質(zhì)反應(yīng)的驅(qū)動力（⊿G：0、>0、<0）3、變質(zhì)反應(yīng)圖解（p-t、寫法，斜率；t-x、p-x）4、類型劃分（1）固-固反應(yīng)（相轉(zhuǎn)變、出溶、純固相反應(yīng)、純轉(zhuǎn)移反應(yīng)、離子交換反應(yīng)）（2）有流體相參加的反應(yīng)（3）不連續(xù)反應(yīng)與連續(xù)反應(yīng)二、變質(zhì)反應(yīng)類型

1.固-固反應(yīng)固－固反應(yīng)的反應(yīng)物和生成物都是固相，不涉及獨立流體相，因而反應(yīng)的平衡條件與流體組分無關(guān)；變質(zhì)反應(yīng)的影響因素僅為溫度（T）和巖柱壓力（Pl），因而可以用作礦物溫度計或壓力計。固體相礦物的熵變ΔＳi和體積變化ΔＶi隨Ｔ、Ｐ值的變化很小，計算反應(yīng)的總熵變ΔＳ、ΔＶ可近似看作常數(shù)，所以反應(yīng)斜率ｄＰ／ｄＴ也近似等于常數(shù)。常見的固－固反應(yīng)有相轉(zhuǎn)變、出溶、純固相反應(yīng)、純轉(zhuǎn)移反應(yīng)、離子交換反應(yīng)等。固-固反應(yīng)和脫水反應(yīng)的平衡條件和克勞修斯-克拉貝龍斜率示意圖（據(jù)KurtRucher&RodneyGrapes,2011）1.1同質(zhì)多相轉(zhuǎn)變反應(yīng)（Phasetransitions,polymorphicreactions）常見同質(zhì)多相：Al2SiO5，CaCO3，C，SiO2等大多數(shù)多型轉(zhuǎn)變反應(yīng)的

DS很小，這導(dǎo)致：多型晶體之間相互轉(zhuǎn)換的DG小，即使偏離平衡溫度數(shù)10度也變化不大?反應(yīng)驅(qū)動力小

?一個多型?？煞欠€(wěn)定地殘留在另一個多型的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)；因此，自然界共存的兩個多型更多代表非平衡或多期變質(zhì)疊加，而非平衡關(guān)系；三相點溫壓條件：P=0.370.25

GPa,T=50420

oC（Holdaway,1977）巖石學(xué)意義：紅柱石（低壓）,藍晶石（中-高壓）,矽線石（中-高溫）Al2SiO5多型轉(zhuǎn)變反應(yīng)和硬玉+石英與鈉長石反應(yīng)（據(jù)Miyashiro,1994)。H、R、S點分別為Holdaway(1971)、(Richardsonetal.,1969)和Salje(1986)的平衡溫壓條件值。1.2出溶反應(yīng)（Exsolutionorsolvusreactions）影響因素：

Ｐl(wèi)、Ｔ；冷卻速率實例：

高溫堿性條紋長石暈長石（Ab-Olg）

高Al斜方（En-Grt）高鎂方解石（Cc-Dol）實例：

過硅石榴石

過鈦石榴石

過硅綠輝石在壓力條件已知時可用作溫度計Maruyamaetal.,19821.3純固相反應(yīng)僅涉及固相礦物；影響因素：Ｔ，Ｐl(wèi)NaAlSi2O6+SiO2=NaAlSi3O8

Jd（硬玉）Qtz Ab（鈉長石）(Mg,Fe)3Al2Si3O12+Ca(Mg,Fe)Si2O6+SiO2

Grt Cpx Qtz=

4(Mg,Fe)SiO3+CaAl2Si2O8

Opx Plag Al2SiO5多型轉(zhuǎn)變反應(yīng)和硬玉+石英與鈉長石反應(yīng)（據(jù)Miyashiro,1994)1.3純固相反應(yīng)如果反應(yīng)礦物中的揮發(fā)份在反應(yīng)過程中被生成物完全汲納，形成新的含揮發(fā)份的礦物相，不產(chǎn)生獨立的流體相，這種反應(yīng)可視為固-固純轉(zhuǎn)變反應(yīng)（Volatile-conserving“solid-solid”reactions：貯藏揮發(fā)份相的“固-固反應(yīng)”）Mg3Si4O10(OH)2+4MgSiO3=Mg7Si8O22(OH)2

Tlc（滑石）En（頑火輝石）Ath（直閃石）2Phl(滑石)+8Sil(矽線石)+7Qtz(石英)=2Ms(白云母)+Crd(堇青石)1.4、離子交換反應(yīng)

（Ionicexchangereactions)離子交換反應(yīng)：某對離子（pared-ions)在2個或更多的礦物之間相互交換，雖反應(yīng)以純的端員組分形式表征，但實際上僅涉及離子對（如Mg-Fe）固溶體礦物相之間的交換，并無實質(zhì)礦物的增減。離子交換反應(yīng)單變線在P-T圖解上斜率陡，是理想的地質(zhì)溫度計（Geothermometers）。MgSiO3+CaFeSi2O6=FeSiO3+CaMgSi2O6（Opx-Cpx)

Mg-Opx鐵輝石Fe-Opx透輝石Annite+Pyrope=Phlogopite+Almandine(Grt-Bt)鐵云母鎂鋁榴石金云母鐵鋁榴石1.5、純轉(zhuǎn)移反應(yīng)

（Net-Transferreactions)純轉(zhuǎn)移反應(yīng)：反應(yīng)物分解出來的組分向反應(yīng)物一方轉(zhuǎn)移，并全部構(gòu)成反應(yīng)物。前述的固相-固相反應(yīng)，包括貯藏揮發(fā)份的固相-固相反應(yīng)、出溶反應(yīng)屬于此類反應(yīng)。離子交換反應(yīng)涉及兩側(cè)礦物相之間的相互成分交換，因而不是純轉(zhuǎn)移反應(yīng)；僅純轉(zhuǎn)移反應(yīng)才可能為好的地質(zhì)壓力計的條件之一。(Mg,Fe)3Al2Si3O12+Ca(Mg,Fe)Si2O6+SiO2

Grt

CpxQtz=

4(Mg,Fe)SiO3+CaAl2Si2O8

Opx Plag 2.有流體相參加的反應(yīng)反應(yīng)物或生成物中存在獨立的流體相，其正反應(yīng)（吸熱反應(yīng)）總稱為脫揮發(fā)份反應(yīng)，其逆反應(yīng)為“XX化反應(yīng)”；H2O-CO2-O體系的變質(zhì)反應(yīng)常見，本章只講H2O-CO2

體系的變質(zhì)反應(yīng)；影響因素：Ｐ，Ｔ，Pfi

（某種揮發(fā)份或流體組分分壓）；由于自然界中流體組分在分布上的存在明顯不均一性，因此，此類反應(yīng)不擬用作溫度計和壓力計固-固反應(yīng)和脫水反應(yīng)的平衡條件和克勞修斯-克拉貝龍斜率示意圖（據(jù)KurtRucher&RodneyGrapes,2011）脫揮發(fā)份反應(yīng)平衡曲線在P-T相圖上特征：平衡曲線在低壓下?V>>0，斜率為正，緩傾；在中壓下?V>0，斜率為正，陡傾；在高壓-超高壓下?V<0，斜率為負；當(dāng)PH2O=0，斜率為負的直線；2.1脫水反應(yīng)(dehydration)（圖a）給定Pl=Pf，脫水反應(yīng)的平衡溫度隨反應(yīng)釋放流體相的摩爾分?jǐn)?shù)成正比；（圖b）給定Pl=Pf=0.6GPa，脫水反應(yīng)的平衡溫度也與反應(yīng)釋放流體相的摩爾分?jǐn)?shù)成正比;(a)反應(yīng)Ma+Qtz=Kf+Als+H2O的P-T-x圖解（b)P=0.6GPa時的T-x圖解（據(jù)кориковский，1979資料繪制）脫水反應(yīng)：

KAl2Si3AlO10(OH)2+SiO2=KAlSi3O8+Al2SiO5+H2O Ms QtzKfsSillV2.2脫碳酸反應(yīng)(decarbonation)脫碳酸反應(yīng)也可用與脫水反應(yīng)的相似的方式來處理，例如下面的反應(yīng)可以用T-XCO2表達，其形式也與之相同或相似脫碳酸反應(yīng)：CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2

Cal QtzWoV脫水反應(yīng)：

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

Kfs Sill V（圖a）給定Pl=Pf，脫CO2反應(yīng)的平衡溫度隨反應(yīng)釋放CO2流體相的摩爾分?jǐn)?shù)成正比；（圖b）給定Pl=Pf=0.3GPa，脫CO2反應(yīng)的平衡溫度也與反應(yīng)釋放CO2流體相的摩爾分?jǐn)?shù)成正比；2.3脫水-脫碳酸反應(yīng)反應(yīng)Tr+3Cc+2Qtz=5Di+3CO2+H2O的P-T-x圖解(a)和P=0.2GPa下的T-x圖(b）圖(a)據(jù)Blatt&Tracy(1994)和Winkler(1976)資料作出；圖(b)引自Blatt&Trach(1994)自然界變質(zhì)流體的主要組分為H2O和CO2，這兩種組分在流體相中的量比，制約著脫水和脫碳酸反應(yīng)的平衡溫度?？偨Y(jié)起來，有H2O和CO2參加的反應(yīng)有5個類型（假設(shè)體系中僅存在H2O和CO2兩種流體成分）；類型1和2分別為脫水和脫碳酸反應(yīng)類型3:（脫水-脫碳酸反應(yīng)）Tmax

對應(yīng)的

XCO2值取決于反應(yīng)產(chǎn)生的CO2和H2O的計量系數(shù)比值（xCO2=(nCO2/nH2O），例如(3)號反應(yīng)：Ca2Mg5Si8O22(OH)2+3CaCO3+2SiO2 Tr Cal Qtz

=5CaMgSi2O6+3CO2+H2ODiTmaxatnCO2:nH2O=3:1類型4和5的拐點取決于系數(shù)比：nCO2:nH2O比據(jù)Greenwood,1967，重繪2.4小結(jié)不連續(xù)反應(yīng)在固定的溫度條件下進行，一直持續(xù)到某一個反應(yīng)物消耗完畢之后，體系的溫度才能繼續(xù)上升。Fe-Chl+Ms+Qtz

Alm+Ann+H2OFe-綠泥石白云母石英鐵鋁榴石鐵黑云母

Mg-Chl+Ms+Qtz

Prp+Phl+H2OMg-綠泥石白云母石英鎂鋁榴石金云母inKFASH orKMASHf=C–P+2=5–6+2=13.連續(xù)與不連續(xù)反應(yīng)在給定的溫度條件范圍內(nèi)，綠泥石隨溫度升高發(fā)生反應(yīng)，不斷分解和體積減小，生成的石榴子石和黑云母不斷增多，此外，反應(yīng)物和生成物也都不斷改變自身的成分（Fe/(Fe+Mg))，一直到其中的一個反應(yīng)物消耗完畢，反應(yīng)才終止。Chl+Ms+QtzGrt+Bt+H2O

inKFMASH

為C=6，f=2,為一連續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)物綠泥石+白云母+石英和反應(yīng)產(chǎn)物石榴子石和黑云母在石榴子石等變線開始出現(xiàn)后的一段溫度條件范圍內(nèi)共生。用T-x圖解表達連續(xù)反應(yīng)圖22-7反應(yīng)3Crd=2Gt+4Sil+5Q的連續(xù)反應(yīng)圖解(a)T=700℃時的P-xFeO圖解(據(jù)Currie，1971，轉(zhuǎn)引自Winkler，1976)，xFeO=FeO/(FeO+MgO)；(b)巖石xFeO=0.6時的P-T圖解，據(jù)Winkler(1976)資料作出，圖中實線和虛線分別代表石榴子石和堇青石的xFeO值的等值線。當(dāng)?shù)V物為純固相，純轉(zhuǎn)移反應(yīng)肯定屬不連續(xù)反應(yīng)（discontinuousreactions）；當(dāng)?shù)V物具有固溶體性質(zhì)時，可能為連續(xù)反應(yīng)（continuousreactions）也可能為不連續(xù)反應(yīng)。理論上，在特定壓力條件下，不連續(xù)反應(yīng)將在一個溫度點上進行完畢，因而反應(yīng)物與生成物僅在一個溫度點上共存；連續(xù)反應(yīng)將在一個較寬的溫度范圍內(nèi)進行，其產(chǎn)物與反應(yīng)物在含量改變的同時，通過調(diào)整固溶體礦物的元素比值，而在一個較寬的溫度范圍共存。連續(xù)反應(yīng)中反應(yīng)物與生成物共存的溫度范圍取決于巖石的Mg/Fe比值，該比值越高，該共存的溫度范圍越寬。在野外露頭上，不連續(xù)反應(yīng)導(dǎo)致在等變線（reactionisograd）兩側(cè)反應(yīng)物到產(chǎn)物組合的變化是突變的；連續(xù)反應(yīng)則使反應(yīng)物與產(chǎn)物在一個較寬的空間內(nèi)共存。沿地質(zhì)剖面上，化學(xué)成分大體相近的變質(zhì)巖中，指示變質(zhì)溫度條件由低到高變化的礦物或礦物組合(巖石)的空間分帶稱為變質(zhì)帶，又稱遞增變質(zhì)帶（progressivemetamorphiczones）；以特定成分變質(zhì)巖在空間上某個特征變質(zhì)礦物首次出現(xiàn)位置劃分的變質(zhì)帶叫指示礦物帶（index-mineralzones),在地質(zhì)圖上相同指示礦物首次出現(xiàn)位置的連線稱等變線（Isograd）；因特征礦物出現(xiàn)的因素較多，目前多以臨界礦物組合（criticalmineralparagenesis）劃分變質(zhì)帶；巴羅變質(zhì)帶：chl、Bi、Grt、St、Ky、Sill三、遞增變質(zhì)帶和等變線蘇格蘭高地巴羅式區(qū)域變質(zhì)帶（據(jù)Miyashiro,1994）蘇格蘭高地達拉累丁片巖巴羅型前進變質(zhì)帶可能的變質(zhì)反應(yīng)B、G、S、K、Si分別為黑云母、鐵鋁榴石、十字石、藍晶石和矽線石等變質(zhì)線在該區(qū)的熱峰條件，這些熱峰條件的連線稱野外變質(zhì)梯度（FMG）；不同的FMG代表不同的變質(zhì)帶序列如果反應(yīng)具連續(xù)性質(zhì)，其反應(yīng)物與生成物將在單變線高溫側(cè)共存一段距離巴羅變質(zhì)帶邊界反應(yīng)黑云母帶：

多硅白云母+綠泥石=黑云母+白云母+石英+H2O鉀長石+綠泥石=黑云母+白云母+石英+H2O石榴子石帶：綠泥石+白云母=石榴子石+黑云母+石英+H2O十字石帶：石榴子石+白云母+綠泥石=十字石+黑云母+石英+H2O藍晶石帶：綠泥石+十字石+綠泥石=藍晶石+黑云母+石英+H2O白云母+十字石+石英=藍晶石+黑云母+H2O矽線石帶：藍晶石=矽線石本章小結(jié)據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物的相性質(zhì)，可將變質(zhì)反應(yīng)劃分為“固-固反應(yīng)”和有“流體相參加的反應(yīng)”兩大類型。固-固反應(yīng)包括“多型轉(zhuǎn)變反應(yīng)”、“出溶反應(yīng)”、“純固相反應(yīng)”和“離子交換反應(yīng)”。這些反應(yīng)的V≈常數(shù)，主要影響因素是T和Pl。離子交換反應(yīng)的V小，單變線陡立，是潛在的好溫度計。出溶反應(yīng)易受