變質(zhì)反應(yīng)及變質(zhì)作用因素

變質(zhì)反應(yīng)及變質(zhì)作用因素第1頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一本章重點(diǎn)1.掌握變質(zhì)作用的影響因素及其在變質(zhì)過(guò)程中的特點(diǎn)；2.理解變質(zhì)反應(yīng)的概念；3.了解變質(zhì)反應(yīng)的主要類(lèi)型。第2頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一本章難點(diǎn)1.變質(zhì)作用因素在變質(zhì)過(guò)程中的特點(diǎn)。第3頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1變質(zhì)反應(yīng)及其類(lèi)型2.1.1概述

變質(zhì)反應(yīng)（metamorphicreaction）

在固相線(xiàn)下（由于變質(zhì)的溫度、壓力所限制）發(fā)生的物相轉(zhuǎn)變及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

變質(zhì)反應(yīng)屬于化學(xué)反應(yīng)的自然類(lèi)型，其反應(yīng)的動(dòng)力是地球運(yùn)動(dòng)和物質(zhì)調(diào)整。

第4頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.1概述

在變質(zhì)過(guò)程的研究中，規(guī)定相轉(zhuǎn)變方向（即變質(zhì)反應(yīng)方向）以升溫轉(zhuǎn)化方向?yàn)檎较颍ㄟM(jìn)變質(zhì)），降溫方向?yàn)樨?fù)（退變質(zhì)）。從反應(yīng)的速度上看，退變質(zhì)的速度要慢得多，但在反應(yīng)催化劑（流體）存在時(shí)，其反應(yīng)速度可以加快。第5頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.1概述

變質(zhì)反應(yīng)可以從巖相研究（實(shí)地調(diào)查和巖石薄片鑒定等）中得到，也是最常規(guī)、簡(jiǎn)便的直接方法。實(shí)驗(yàn)巖石（相）研究及熱力學(xué)推導(dǎo)是重要的現(xiàn)代研究方法之一。

因此，掌握變質(zhì)巖的薄片分析方法是本課程的基本要求。第6頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.2變質(zhì)反應(yīng)的基本類(lèi)型

變質(zhì)反應(yīng)的基本類(lèi)型有三種：

固－固反應(yīng)固－固＋液反應(yīng)氧化-還原反應(yīng)1.

固＝固反應(yīng)溫度和壓力為反應(yīng)的主導(dǎo)因素，反應(yīng)過(guò)程無(wú)流體相存在或析出。這種反應(yīng)的方式有三種：第7頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.2變質(zhì)反應(yīng)的基本類(lèi)型

1）礦物多形的轉(zhuǎn)變：如：And－ky－Sil的鋁硅酸鹽（Al2SiO5）同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變。藍(lán)晶石矽線(xiàn)石紅柱石第8頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.2變質(zhì)反應(yīng)的基本類(lèi)型

2）固溶體礦物的出溶：如：長(zhǎng)石、角閃石的變質(zhì)雙晶的形成；鈉長(zhǎng)石雙晶第9頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.2變質(zhì)反應(yīng)的基本類(lèi)型

3）純固相反應(yīng)：如反應(yīng)：

硬玉＋石英＝鈉長(zhǎng)石反應(yīng)在低溫下由壓力變化控制，向右進(jìn)行為壓力降低的退變質(zhì)；反之為升壓進(jìn)變質(zhì)。反應(yīng)前后沒(méi)有物態(tài)的變化，但有相數(shù)的改變。第10頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.2變質(zhì)反應(yīng)的基本類(lèi)型2.固＝固＋液反應(yīng)

這是常見(jiàn)的變質(zhì)反應(yīng)類(lèi)型，其主導(dǎo)因素為溫壓和流體，變化較復(fù)雜，反應(yīng)時(shí)有流體相存在或反應(yīng)過(guò)程中有液相析出。常見(jiàn)的反應(yīng)方式有兩種：第11頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.2變質(zhì)反應(yīng)的基本類(lèi)型

1）水化與脫水反應(yīng)，如：

葉臘石＝紅柱石＋石英＋H2O

2）脫碳酸與碳酸鹽化反應(yīng)，如：方解石＋石英＝硅灰石＋CO2↑第12頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.2變質(zhì)反應(yīng)的基本類(lèi)型3.氧化-還原反應(yīng)

變質(zhì)過(guò)程中由于氧逸度（fO2）的變化引起的緩沖反應(yīng)。如：赤鐵礦＝磁鐵礦＋O2↑

第13頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.3滑動(dòng)反應(yīng)

滑動(dòng)反應(yīng)

固溶體礦物發(fā)生變質(zhì)反應(yīng)的過(guò)程中，其成分隨反應(yīng)過(guò)程不斷連續(xù)改變的反應(yīng)。亦稱(chēng)為連續(xù)反應(yīng)。

第14頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.3滑動(dòng)反應(yīng)

滑動(dòng)反應(yīng)的基本特征是：反應(yīng)的溫、壓取決于原巖成分，反應(yīng)物（原巖礦物）與生成物（新的變質(zhì)礦物）在一定的溫壓范圍內(nèi)共存，且其成分隨溫壓的改變而不斷變化，即反應(yīng)物與生成物之間維持一定的動(dòng)態(tài)“平衡”。第15頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.3滑動(dòng)反應(yīng)例如：在麻粒巖相條件下，

菫青石＝石榴石

了解變質(zhì)反應(yīng)的目的在于：把握變質(zhì)因素及其過(guò)程的變化。

第16頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一些重要的變質(zhì)反應(yīng)第17頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.3滑動(dòng)反應(yīng)例如：在麻粒巖相條件下，

菫青石＝石榴石

了解變質(zhì)反應(yīng)的目的在于：把握變質(zhì)因素及其過(guò)程的變化。

第18頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2變質(zhì)作用影響因素

變質(zhì)作用的影響因素包括地質(zhì)因素和外部因素。

從上述變質(zhì)反應(yīng)類(lèi)型及其對(duì)外部因素的歸納中，可以得出變質(zhì)過(guò)程中起主導(dǎo)作用的外部因素是：

溫度壓力流體

后面將介紹這些因素的在變質(zhì)作用過(guò)程中的特點(diǎn)及其變化。第19頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1溫度（T）

多數(shù)的變質(zhì)反應(yīng)與溫度有直接的關(guān)系，即溫度是多數(shù)變質(zhì)作用的主導(dǎo)因素。1.變質(zhì)過(guò)程的溫度范圍

變質(zhì)作用的溫度范圍是

200℃～800℃向沉積后生成巖作用上限過(guò)渡向巖漿作用下限過(guò)渡110℃900℃第20頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1溫度（T）

按溫度變化可將變質(zhì)作用過(guò)程分為三級(jí)：低級(jí)變質(zhì)：T＝200℃～550（或500）℃中級(jí)變質(zhì)：T＝550℃～700℃

高級(jí)變質(zhì)：T＝700℃～800℃

近來(lái)將T＜200℃的變質(zhì)過(guò)程稱(chēng)為極低級(jí)變質(zhì)。溫度的變化可引起變質(zhì)作用的產(chǎn)生及其以不同的變質(zhì)作用方式進(jìn)行。第21頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1溫度（T）2.作用方式

溫度引起的變質(zhì)作用方式主要有三種：

1）重結(jié)晶如：灰?guī)r→大理巖第22頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1溫度（T）2.作用方式

溫度引起的變質(zhì)作用方式主要有三種：

2）變質(zhì)結(jié)晶如：方解石＋石英→硅灰石＋CO2

3）部分重熔主要是長(zhǎng)英質(zhì)礦物產(chǎn)生的低共熔系熔體。第23頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1溫度（T）3.熱源（溫度變化起因）

引起溫度變化的起因主要有五種：

1）地?zé)嵴５牡責(zé)嵩鰷芈蕿?.5℃／100m，但在造山帶、太古宙的地?zé)崃髦凳钦５販氐?～3倍以上，在高熱流區(qū)地?zé)嵩鰷芈士蛇_(dá)60℃／km。如：區(qū)域埋藏變質(zhì)、區(qū)域動(dòng)熱變質(zhì)、區(qū)域中高溫?zé)崃髯冑|(zhì)，等。

第24頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1溫度（T）

2）上地幔對(duì)流熱上地幔的對(duì)流形成地幔熱柱，導(dǎo)致地殼內(nèi)溫度升高而產(chǎn)生變質(zhì)。如：下地殼的深變質(zhì)、洋中脊變質(zhì)，等。

3）放射性元素衰變熱放射性元素衰變時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)能→熱能，導(dǎo)致溫度上升產(chǎn)生變質(zhì)。如：區(qū)域溫度異常引起的區(qū)域變質(zhì)，等。第25頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1溫度（T）

4）巖漿熱巖漿上侵時(shí)由巖漿熱造成的溫度梯度擴(kuò)散引起變質(zhì)。如：熱接觸變質(zhì)，等。

5）動(dòng)力變質(zhì)熱地球內(nèi)應(yīng)力作用，機(jī)械能→熱能而引起變質(zhì)。如：區(qū)域熱動(dòng)變質(zhì)、動(dòng)力變質(zhì)，等。

第26頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1溫度（T）

溫度升高時(shí)，當(dāng)超過(guò)原巖礦物組合的平衡溫度時(shí)，產(chǎn)生進(jìn)變質(zhì)（正向變質(zhì)反應(yīng)），形成高一級(jí)的變質(zhì)礦物組合；當(dāng)?shù)陀谠瓗r礦物組合的形成溫度時(shí)，產(chǎn)生退變質(zhì)（逆向變質(zhì)反應(yīng)），形成低一級(jí)的變質(zhì)礦物組合。第27頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1溫度（T）

高級(jí)或低級(jí)劃分是相對(duì)于原巖礦物組合及變質(zhì)礦物組合本身而言，即為相對(duì)的概念。其相關(guān)的實(shí)例將在后續(xù)部分中介紹。例如：綠泥石+絹云母的變質(zhì)礦物組合，對(duì)巖漿巖原巖來(lái)說(shuō)是退變質(zhì)，對(duì)泥質(zhì)巖類(lèi)來(lái)說(shuō)是進(jìn)變質(zhì)。第28頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.2壓力（P）

變質(zhì)作用屬于內(nèi)力地質(zhì)作用之一，且在一定的地殼深度條件下進(jìn)行，因而壓力是變質(zhì)作用的重要因素之一。壓力的大小及其變化可決定變質(zhì)反應(yīng)的方向，如：壓力增大時(shí)變質(zhì)反應(yīng)向礦物分子體積變小的方向進(jìn)行。1.變質(zhì)作用產(chǎn)生的壓力范圍

0.02GPa～1.1GPa

換算為正常的地殼深度相當(dāng)于1km～40km。第29頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.2壓力（P）2.壓力的類(lèi)型及其特征

根據(jù)力的來(lái)源和作用方式分為三類(lèi)：

負(fù)荷壓力（Pl）流體壓力（Pf）應(yīng)力（Ps）對(duì)其特征將分別予以介紹。

第30頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.2壓力（P）1.負(fù)荷壓力（Pl）

亦稱(chēng)為靜壓、均向壓、圍壓，來(lái)自于上覆巖層的重量的負(fù)荷壓，或圍巖的均向壓（圍壓）。在正常的地殼深度0km～40km的范圍內(nèi)，平均增壓率為：0.0275GPa／km

故形成的深度越大，越是向形成堅(jiān)硬、密度大、體積小的礦物、巖石方向進(jìn)行。

第31頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.2壓力（P）2.流體壓力（Pf）

主要是H2O、CO2等流體存在于巖石礦物的粒間和微裂隙中產(chǎn)生的壓力。按其存在狀態(tài)（Pf

與Pl的相對(duì)關(guān)系）分為三種類(lèi)型：第32頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.2壓力（P）

1）Pl＝Pf：為地殼深部封閉系統(tǒng)，Pf為非獨(dú)立因素；

2）Pl＜Pf：為巖體附近巖漿水富集地帶，引起水化反應(yīng)；但在干環(huán)境時(shí)可Pf＜Pl；

3）Pl

＞Pf

：為地殼淺部的裂隙發(fā)育區(qū)、開(kāi)放系統(tǒng)，引起脫水、脫氣反應(yīng)，可形成構(gòu)造熱液。第33頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.2壓力（P）溫度、流體壓力、流體中CO2的含量（以摩爾分?jǐn)?shù)表示）與CaCO3＋SiO2＝CaSiO3＋CO2的平衡關(guān)系圖（按格林伍德，1962；XCO2即CO2的摩爾分?jǐn)?shù)）結(jié)論：流體壓力能影響變質(zhì)作用的溫度。第34頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.2壓力（P）3.應(yīng)力（Ps）

亦稱(chēng)為定向壓力、構(gòu)造壓力、側(cè)向壓力，是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的引起巖石變形→變質(zhì)結(jié)晶和重結(jié)晶（動(dòng)力變質(zhì)）。

定向壓力作用時(shí)，一部分機(jī)械能使礦物、巖石變形（脆性和韌性），部分則轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，促使礦物發(fā)生重結(jié)晶和變質(zhì)結(jié)晶。第35頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.3具有化學(xué)活動(dòng)性的流體（C）

化學(xué)活動(dòng)性的流體，通常指的是氣態(tài)或液態(tài)的水溶液，其中常含有H2O、CO2、硼酸、鹽酸、氫氟酸等，這些成分增強(qiáng)了水溶液的化學(xué)活動(dòng)性。該類(lèi)流體在變質(zhì)過(guò)程中所起作用有四方面：第36頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.3具有化學(xué)活動(dòng)性的流體（C）

1.促使交代作用產(chǎn)生的載體

在巖石孔隙和裂隙中的粒間溶液，由于壓力差或濃度差而產(chǎn)生流動(dòng)，與周?chē)鷰r石發(fā)生交代作用，即造成組分的遷移（帶出或帶入），形成與原巖組分迥然不同的變質(zhì)巖石。例如：斜長(zhǎng)石→絹云母+石英，帶入K+，帶出Ca++、Na+。第37頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.3具有化學(xué)活動(dòng)性的流體（C）2.反應(yīng)接觸劑

通過(guò)粒間溶液作媒介，對(duì)礦物彼此間的反應(yīng)起到接觸劑的作用，可促進(jìn)礦物中某些組分的溶解和沉淀，從而有利于礦物的重結(jié)晶和變質(zhì)結(jié)晶。例如：固-固反應(yīng)、應(yīng)力礦物生長(zhǎng)。第38頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.3具有化學(xué)活動(dòng)性的流體（C）3.變質(zhì)反應(yīng)的組分

水和碳酸等還直接參與組成含水和含碳酸的礦物，影響水化或碳酸鹽化（降溫）、脫水或去碳酸鹽化作用（升溫）的進(jìn)行。第39頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.3具有化學(xué)活動(dòng)性的流體（C）

例如下列反應(yīng)：白云母＋石英

鉀長(zhǎng)石＋矽線(xiàn)石＋H2O

方解石＋石英

硅灰石＋CO2

升溫反應(yīng)向右進(jìn)行，降溫則向左進(jìn)行。去碳酸鹽化

碳酸鹽化脫水水化第40頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.3具有化學(xué)活動(dòng)性的流體（C）4.影響巖石的重熔溫度

水溶液對(duì)巖石的重熔溫度的影響也很大。如：不含水的干體系時(shí)，花崗質(zhì)巖石開(kāi)始重熔的溫度要達(dá)到950℃以上；而在飽和水體系時(shí)，在640±20℃就開(kāi)始重熔。第41頁(yè)，共45頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.3具有化學(xué)活動(dòng)性的流體（C）4.影響巖石的重熔溫度

具有化學(xué)活動(dòng)性的流體，在變質(zhì)作用中是普