變質(zhì)相和變質(zhì)相系5

第五章變質(zhì)相和變質(zhì)相系第一節(jié)變質(zhì)相一、變質(zhì)相的概念

1911年，23歲的戈?duì)柕率┟芴兀℅oldschmidt）發(fā)表了對(duì)挪威奧斯陸（Oslo）地區(qū)接觸變質(zhì)作用研究的專著，第一次成功的把相律應(yīng)用于變質(zhì)巖中平衡礦物共生組合的研究。近于同時(shí)，與Goldschmidt同齡的芬蘭人艾斯科拉（Eskola,1914、1915）也在芬蘭西南的奧里耶維（Orij?vi）地區(qū)從事接觸變質(zhì)作用研究。

這兩位變質(zhì)相的先驅(qū)都精通理論化學(xué)，且志同道合，都希望把化學(xué)平衡的熱力學(xué)原理應(yīng)用于自然巖石。1919年，Eskola到奧斯陸，在Goldschmidt的實(shí)驗(yàn)室里工作。此間，他把挪威奧斯陸地區(qū)的研究成果與芬蘭奧里耶維地區(qū)的研究成果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的事實(shí)，即化學(xué)成分基本相同的原巖在兩個(gè)地區(qū)有不同的礦物共生組合，而且兩個(gè)地區(qū)各自都達(dá)到了化學(xué)平衡。

奧里耶維地區(qū)奧斯陸地區(qū)

白云母＋石英

紅柱石＋鉀長石白云母＋黑云母

堇青石＋鉀長石黑云母＋普通角閃石

紫蘇輝石＋斜長石直閃石

紫蘇輝石

造成這種差異的原因是什么呢？艾斯科拉把它歸因于變質(zhì)作用物理化學(xué)條件的不同：奧斯陸地區(qū)比奧里耶維地區(qū)變質(zhì)作用的溫度高而壓力較低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)成分基本相同的原巖在不同的溫壓條件下形成不同的礦物組合，大體相同的溫壓條件下形成的礦物組合隨原巖總體化學(xué)成分的不同呈有規(guī)律的變化。這就是變質(zhì)相的基本思想。在此基礎(chǔ)上，艾斯科拉（1920）提出了變質(zhì)相的概念：“一個(gè)變質(zhì)相是指在類似的溫度壓力條件下遭受變質(zhì)作用達(dá)到化學(xué)平衡的任何化學(xué)組成的巖石，其礦物組合與巖石化學(xué)成分之間有著固定的相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系”。奧里耶維地區(qū)接觸變質(zhì)巖構(gòu)成一個(gè)相，稱為“角閃巖相”；奧斯陸地區(qū)則構(gòu)成另一個(gè)相，稱為“輝石角巖相”。每個(gè)變質(zhì)相在世界其它地區(qū)都可發(fā)現(xiàn)。根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，變質(zhì)相的概念可確定如下：變質(zhì)相是一定溫壓范圍內(nèi)形成的各種化學(xué)組成的變質(zhì)巖中的一套變質(zhì)礦物組合。它們在時(shí)間上、空間上反復(fù)共生，且礦物組合與巖石化學(xué)成分之間有著固定的、可以預(yù)測的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

*

在理解變質(zhì)相的概念時(shí)應(yīng)注意下列問題：

（1）一個(gè)變質(zhì)相大體上是一個(gè)等物理系列，包括一定物化條件范圍內(nèi)形成的各種化學(xué)成分的變質(zhì)巖石。因而變質(zhì)相與巖石化學(xué)成分無關(guān)，不能依據(jù)個(gè)別巖石類型定義一個(gè)變質(zhì)相。

（2）“時(shí)間上、空間上反復(fù)出現(xiàn)”指同一變質(zhì)相的巖石在不同時(shí)代、不同地區(qū)經(jīng)常重復(fù)出現(xiàn)。這一方面說明它們在形成時(shí)接近化學(xué)平衡，另一方面表明它們能在大范圍內(nèi)進(jìn)行對(duì)比。

（3）“礦物組合與巖石化學(xué)成分之間有著固定的、可以預(yù)測的對(duì)應(yīng)關(guān)系”，是Eskola從1920年開始就強(qiáng)調(diào)的變質(zhì)相的精髓。意思是在一個(gè)變質(zhì)相中，對(duì)應(yīng)不同化學(xué)成分的巖石有不同的礦物組合，給定巖石化學(xué)成分后，就可預(yù)測相應(yīng)的礦物組合。一個(gè)變質(zhì)相內(nèi)巖石化學(xué)成分與礦物組合的這種關(guān)系，是巖石系統(tǒng)達(dá)到化學(xué)平衡的必然結(jié)果，用成分—共生圖解可很好地表示這種關(guān)系。

（4）變質(zhì)相的標(biāo)志是一系列特征的礦物共生組合。通常用基性變質(zhì)巖礦物組合劃分變質(zhì)相，并以相應(yīng)的基性變質(zhì)巖石對(duì)變質(zhì)相命名。如角閃巖相，就是以該變質(zhì)相條件下基性變質(zhì)巖中出現(xiàn)斜長石＋角閃石組合為標(biāo)志劃分的，并把角閃巖和與之相同的P－T條件下形成的所有變質(zhì)巖命名為角閃巖相。由于不同巖石對(duì)溫壓條件變化的敏感程度不同，因此一個(gè)變質(zhì)相可包括一至幾個(gè)亞相或變質(zhì)帶，通常用泥質(zhì)變質(zhì)巖來劃分。如角閃巖相泥質(zhì)變質(zhì)巖可劃分為：十字石（St）－鐵鋁榴石（Alm）－白云母（Ms）亞相（十字石帶）、藍(lán)晶石（Ky）－鐵鋁榴石（Alm）－白云母（Ms）亞相（藍(lán)晶石帶）和夕線石（Sill）－鐵鋁榴石（Alm）－正長石（Kfs）亞相（夕線石帶）。

（5）變質(zhì)相之間的界線是靠特定的變質(zhì)反應(yīng)標(biāo)定的。一方面一個(gè)變質(zhì)相包羅各種巖石類型，不同化學(xué)成分的巖石發(fā)生的變質(zhì)反應(yīng)不同，這些反應(yīng)在P－T圖解上不可能重合；另一方面，許多變質(zhì)反應(yīng)是涉及固溶體的連續(xù)反應(yīng)（滑動(dòng)反應(yīng)），這類反應(yīng)在P－T圖解上不是一條線，而是一個(gè)帶。因此，變質(zhì)相之間的界線是漸變的，相鄰兩相之間經(jīng)常有過渡帶。研究變質(zhì)相的意義在于：查明巖石的礦物共生組合與化學(xué)成分之間的關(guān)系；查明巖石的礦物共生組合與變質(zhì)作用的溫度和壓力的關(guān)系。二、變質(zhì)相的劃分

1920年Eskola最初提出的變質(zhì)相是五個(gè)：綠片巖相、角閃巖相、角巖相、透長石相和榴輝巖相。1939年Eskola又增加了三個(gè)變質(zhì)相：綠簾角閃巖相、麻粒巖相和藍(lán)閃石片巖相，并把角巖相改為輝石角巖相，還附帶了一個(gè)“沸石的結(jié)晶作用”，同時(shí)在P－T圖上列出了它們的位置：

變質(zhì)相與溫壓關(guān)系示意圖（Eskola,1939）1960年Coombs根據(jù)對(duì)新西蘭很低溫變質(zhì)巖的研究成果，提出了沸石相和葡萄石綠纖石變質(zhì)雜砂巖相。1960年Turner建議把接觸變質(zhì)和區(qū)域變質(zhì)兩個(gè)系列的變質(zhì)相名稱分開，在接觸變質(zhì)相中分出了鈉長綠簾角巖相和普通角閃石角巖相。

1968年Turner將綠簾角閃巖相改為綠片巖相中的一個(gè)高溫亞相，把藍(lán)閃石片巖相改為藍(lán)閃石硬柱石片巖相。至此共分出十一個(gè)變質(zhì)相，并提出了這個(gè)十一個(gè)變質(zhì)相的P－T關(guān)系示意圖。不過許多人還是主張把綠簾角閃巖相從綠片巖相中獨(dú)立出來，這就是公認(rèn)的十二個(gè)變質(zhì)相。本課程也采用這十二個(gè)變質(zhì)相。其中接觸變質(zhì)相四個(gè)，區(qū)域變質(zhì)相八個(gè)。三、各變質(zhì)相的最基本特征

（一）接觸變質(zhì)相1.鈉長綠簾角巖相（AEH）

基性變質(zhì)巖特征礦物組合是鈉長石（Ab）＋綠簾石（Ep）＋透閃石（Tr）或陽起石（Act）＋綠泥石（Chl），沒有鈣質(zhì)斜長石和鋁質(zhì)角閃石。泥質(zhì)變質(zhì)巖中鐵質(zhì)堇青石和黑云母出現(xiàn)于低溫部分，紅柱石出現(xiàn)溫度稍高，有葉蠟石。特征的巖石是斑點(diǎn)板巖，所以也叫斑點(diǎn)板巖相。如果沒有早期的區(qū)域變質(zhì)，這個(gè)相甚至難于辨認(rèn)。溫度范圍約300～400℃，壓力0.1～0.4GPa。

2.

普通角閃石角巖相（HH）

基性變質(zhì)巖特征礦物組合是：斜長石（Pl，An＞25）＋普通角閃石（Hb），可以有透輝石，而沒有斜方輝石。變質(zhì)泥質(zhì)巖與長英質(zhì)巖石中紅柱石、堇青石不與鉀長石共生。溫度約400～650℃，壓力0.1～0.3GPa。

3.

輝石角巖相（PH）

基性變質(zhì)巖出現(xiàn)斜長石（Pl）＋透輝石（Di）＋紫蘇輝石（Hy）組合。泥質(zhì)變質(zhì)巖出現(xiàn)夕線石（Sill）、正長石（Or）；泥質(zhì)變質(zhì)巖中白云母+石英不穩(wěn)定，紅柱石、堇青石、夕線石開始與正長石穩(wěn)定共生。溫度范圍約650～800℃，壓力不超過0.2GPa，甚至不足0.1GPa，溫度壓力受到花崗質(zhì)巖石熔融線的限制。4.

透長石相（S）

出現(xiàn)高溫斜長石（Pl）+普通輝石（Au）＋易變輝石（Pi）組合。溫度極高，約800～1100℃，壓力極低，0.02～0.08GPa。（二）區(qū)域變質(zhì)相

1.

沸石相（Z）

基性變質(zhì)巖特征礦物組合是鈉長石（Ab）＋濁沸石（Lau:laumontite）＋綠泥石（Chl）＋石英（Q）。高溫部分可以有斜鈣沸石或葡萄石。溫度約200～300℃，壓力0.2～0.3GPa。

2.

葡萄石－綠纖石相（PP）

Coombs（1960）在變質(zhì)雜砂巖中作為本相特征的礦物組合是：鈉長石（Ab）＋葡萄石（Pr）＋綠纖石（Pu）＋綠泥石（Chl）

。

溫度稍高時(shí)，葡萄石消失，可以分出另一個(gè)新變質(zhì)相來，即綠纖石－陽起石相。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料，綠纖石穩(wěn)定溫度為360～400℃，壓力0.25～0.35GPa。

3.

藍(lán)閃石－硬柱石片巖相（GL）

這是一個(gè)范圍很寬的低溫高壓變質(zhì)相，特征的礦物組合是：硬柱石（Law:lawsonite）＋鈉長石（Ab）＋綠泥石（Chl）（低壓部分）和藍(lán)閃石（Gl）＋硬柱石（Lm）＋硬玉質(zhì)輝石（Ja－Py）＋石英（Q）（高壓部分），有時(shí)還有文石，完全不含黑云母。該相的溫壓范圍大致是：溫度200～450℃，壓力0.3～0.8GPa，有時(shí)甚至達(dá)到1GPa或更高。

4.

綠片巖相（GS）

特征礦物組合是鈉長石（Ab）＋綠簾石（Ep）＋綠泥石（Chl）＋陽起石（Act）（基性巖石）或鈉長石（Ab）＋綠簾石（Ep）＋白云母（Ms）＋綠泥石（Chl）＋石英（Q）（泥質(zhì)巖石），高溫部分出現(xiàn)黑云母，高壓部分出現(xiàn)黑硬綠泥石、硬綠泥石和鐵鋁榴石。葉蠟石和硬綠泥石等不與鉀長石共生。綠片巖相的范圍大致是：溫度400～500℃，壓力0.3～0.8GPa。

5.

綠簾角閃巖相（EA）

基性變質(zhì)巖特征礦物組合是鈉長石（暈長石）＋綠簾石（Ep）＋普通角閃石（Hb）＋陽起石（Act）。

低壓條件下，鈣質(zhì)斜長石的形成溫度低于普通角閃石時(shí)，便不能生成綠簾角閃巖相的共生，而代之以斜長石－陽起石相。溫度500～575℃，壓力0.2～0.6GPa。

6.

角閃巖相（A）

基性變質(zhì)巖中普通角閃石和斜長石（An＞17）的共生作為本相的標(biāo)志，可有透輝石，無斜方輝石。變質(zhì)泥質(zhì)巖中除了石英、白云母和黑云母外，低壓相系含紅柱石、堇青石和夕線石，中壓相系含十字石、藍(lán)晶石和鐵鋁榴石。高溫部分夕線石、鐵鋁榴石開始與正長石穩(wěn)定共生。該相的溫壓范圍大致是溫度575～700℃，壓力0.3～1.0GPa。

7.

麻粒巖相（G）

基性變質(zhì)巖中出現(xiàn)斜長石（Pl）＋透輝石（Di）＋紫蘇輝石（Hy）組合，巖石主要由無水礦物組成，少量黑云母和普通角閃石一般是富鈦的變種。溫度700～900℃，壓力0.3～1.2GPa。

8.

榴輝巖相（E）

特征的礦物組合是綠輝石（Omp）＋富鎂鋁榴石分子的石榴子石（Gt），不含長石。溫度范圍很寬，300～900℃，壓力極大，＞1GPa。第二節(jié)變質(zhì)相系

一、變質(zhì)相系的概念及其劃分

變質(zhì)相主要反映在一定的溫度、壓力條件下，巖石化學(xué)成分與礦物組合之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際上是一個(gè)靜態(tài)的概念。1893年巴洛通過對(duì)蘇格蘭高地著名的達(dá)爾累丁巖系的研究發(fā)現(xiàn)在一個(gè)變質(zhì)地質(zhì)體中存在著遞增的礦物分帶現(xiàn)象。他以泥質(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)志劃分遞增變質(zhì)帶。

經(jīng)過Tilley（1925）、Harker（1932）和Wisemam（1934）的不斷修改和完善，歸結(jié)為“等變線”填圖工作方法?！鞍吐迨健敝甘镜V物帶系列（①綠泥石帶、②黑云母帶、③鐵鋁榴石帶、④十字石帶、⑤藍(lán)晶石帶、⑥夕線石帶），也稱巴洛式遞增變質(zhì)帶，成為區(qū)域變質(zhì)巖區(qū)工作的典范。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）。等變線不一定與地層界線平行，一般情況下，等變線是古等變面與現(xiàn)今地表的交線。因此，等變線的圈定，可以反映區(qū)域古熱構(gòu)造。

和其它任何理論一樣，如果把變質(zhì)相看成是普遍適用而且是一成不變的東西，就會(huì)限制人們的思路，甚至阻礙學(xué)科的發(fā)展。當(dāng)全世界的巖石學(xué)家把巴洛式序列看作是唯一正確的正常序列的時(shí)候，即使發(fā)現(xiàn)了其它類型的變質(zhì)作用，也往往被認(rèn)為是一種局部的、異常的或者不典型的例子加以忽略。二十世紀(jì)五十年代末期，日本的變質(zhì)巖石學(xué)家對(duì)“高壓變質(zhì)帶”和“低壓變質(zhì)帶”的深入研究，才開始對(duì)傳統(tǒng)的巴洛型序列的普遍適用性發(fā)生懷疑。作為這一時(shí)期新的發(fā)現(xiàn)和研究成果的總結(jié)，都城秋穗（Miyashiro）1961年發(fā)表了著名的“變質(zhì)帶的演變”一文，提出了變質(zhì)相系的概念。

差不多同時(shí)，Zwart等人對(duì)中比利牛斯“低壓變質(zhì)帶”的工作也獲得了類似的結(jié)論。因此，變質(zhì)相系列概念的提出并很快得到世界各國巖石學(xué)家的公認(rèn)絕不是偶然的。按都城的概念，變質(zhì)相系是前進(jìn)變質(zhì)地質(zhì)體中與前進(jìn)變化相應(yīng)的變質(zhì)相的系列。反映了不同變質(zhì)條件下地?zé)崽荻鹊牟町?。如巴洛式區(qū)域變質(zhì)帶中，相應(yīng)的變質(zhì)相系列為：綠片巖相→綠簾角閃巖相→角閃巖相→麻粒巖相。

關(guān)于變質(zhì)相系的概念，我們可以這樣理解：一個(gè)變質(zhì)地帶由一系列變質(zhì)相組成，它們是在一定的地?zé)崽荻葪l件下，隨深度增加、溫度和巖壓也相應(yīng)增加而形成的。不同的大地構(gòu)造環(huán)境、不同的變質(zhì)地區(qū)地?zé)崽荻却嬖谥町?，從而出現(xiàn)不同的相系類型。

變質(zhì)相系的實(shí)質(zhì)在于，每一種特定類型的變質(zhì)相系列都反映各自特定的地?zé)崽荻阮愋秃退?jīng)歷的事件及其演化進(jìn)程，這是該變質(zhì)地質(zhì)體在空間上所處的大地構(gòu)造和板塊構(gòu)造位置、在時(shí)間上所處的地殼發(fā)展階段和當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卦焐竭\(yùn)動(dòng)性質(zhì)的綜合表現(xiàn)。從而使變質(zhì)作用研究和區(qū)域地質(zhì)演化及大地構(gòu)造環(huán)境研究緊密聯(lián)系起來。為什么不同類型變質(zhì)地體發(fā)育不同的變質(zhì)相系列？其原因是地球上不同地點(diǎn)的地?zé)崽荻仁亲兓?，達(dá)到一定溫度的深度是不同的，因而巖壓也不相同。這些情況將反映于指示礦物帶的更替上，因而也就出現(xiàn)了不同的相系列。都城秋穗（1961）提出了區(qū)域變質(zhì)作用的三個(gè)相系（壓力類型）：高壓型、中壓型和低壓型。巴洛式遞增變質(zhì)作用即屬中壓型。高壓（P/T）型，藍(lán)閃石-硬玉型。典型的相系列為Z-GL-E，典型地區(qū)為加州Franciscan地區(qū)。地?zé)崽荻燃s10℃/km（<16℃/km）。中壓（P/T）型，藍(lán)晶石-夕線石型。典型的相系列為Z-PP-GS-EA-A-G，典型地區(qū)為蘇格蘭高地巴洛式地區(qū)。地?zé)崽荻燃s20℃/km（16～25℃/km）。低壓（P/T）型，紅柱石-夕線石型。典型的相系列為Z-PP-GS-A-G，典型地區(qū)為蘇格蘭高地巴肯（Buchan）式地區(qū)。地?zé)崽荻龋?5℃/km。二、意義、存在問題和發(fā)展趨勢

變質(zhì)相系概念的提出，強(qiáng)調(diào)了變質(zhì)作用研究中對(duì)大地構(gòu)造因素的考慮，明確地把不同的區(qū)域變質(zhì)作用特征與其形成時(shí)的大地構(gòu)造體制和過程聯(lián)系起來，把變質(zhì)相、變質(zhì)相系與板塊擴(kuò)張帶、板塊俯沖帶的不同部位聯(lián)系起來進(jìn)行研究，打破了長期以來進(jìn)行單純變質(zhì)巖物理化學(xué)條件研究的傾向。使得對(duì)變質(zhì)作用成因的探討進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期。

然而，由于板塊構(gòu)造理論本身的缺陷和當(dāng)時(shí)對(duì)變質(zhì)作用認(rèn)識(shí)的局限性，把變質(zhì)作用僅作為構(gòu)造作用的產(chǎn)物，并未認(rèn)識(shí)到地球深部圈層熱動(dòng)力系統(tǒng)與地球表層變質(zhì)現(xiàn)象的聯(lián)系。