變質(zhì)巖石學(xué) 第一章變質(zhì)作用概述

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

1)是與地殼形成和發(fā)展密切相關(guān)的一種地質(zhì)作用；2)地殼已存巖石在基本保持固態(tài)條件下的轉(zhuǎn)變過(guò)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(zhì)作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。變質(zhì)作用（Metamorphism）一詞是由法國(guó)學(xué)者Boue(1820)年首次提出來(lái)的，后來(lái)由英國(guó)學(xué)者C.Lyell(1833)在他的名著《地質(zhì)學(xué)原理》中比較系統(tǒng)地進(jìn)行了論述。定義：指在地殼形成和發(fā)展的過(guò)程中，由于物理化學(xué)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(jié)構(gòu)構(gòu)造的變化的過(guò)程。變質(zhì)作用的概念變質(zhì)作用的概念應(yīng)強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn):（1）變質(zhì)作用是一種改造作用，這種改造發(fā)生在風(fēng)化帶和膠結(jié)帶以下，原巖經(jīng)過(guò)改造后在固態(tài)下轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新的巖石。如果原巖為沉積巖，變質(zhì)后的巖石稱為副變質(zhì)巖；如果原巖為巖漿巖，變質(zhì)后的巖石稱為正變質(zhì)巖。（2）變質(zhì)過(guò)程中巖石基本上保持固態(tài)，并且強(qiáng)調(diào)溫度的遞增過(guò)程，這一點(diǎn)與巖漿作用不同。巖漿作用強(qiáng)調(diào)礦物從硅酸鹽熔融體中結(jié)晶，是晶體-液態(tài)的平衡，并強(qiáng)調(diào)溫度下降過(guò)程。當(dāng)變質(zhì)作用溫度較高時(shí)，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(dāng)熔體數(shù)量較多時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷膸r漿作用。廣義的變質(zhì)作用：包括巖石在固態(tài)下的變質(zhì)作用和有部分熔體出現(xiàn)的混合巖化作用。變質(zhì)巖的重要地位前寒武紀(jì)之前的巖石幾乎均為變質(zhì)巖,占大陸面積的1/5

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

巖漿；深部熱流；地殼放射熱；機(jī)械摩擦；地?zé)嵩鰷兀ㄕＧ闆r25-30C

/km)。

主要作用：可導(dǎo)致重結(jié)晶、變質(zhì)反應(yīng)、重熔；增加流體活性；改變巖石變形性質(zhì)等。變質(zhì)作用的控制因素1.溫度升高引起的變化(1)

導(dǎo)致重結(jié)晶作用 隨著T增加，巖石內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)活動(dòng)能力增加，質(zhì)點(diǎn)重新排列——晶粒由小變大，由細(xì)變粗。例如

石灰?guī)r(沉積巖)大理巖(變質(zhì)巖)促進(jìn)礦物之間的化學(xué)反應(yīng),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(dǎo)致溫度升高的熱源(1)地?zé)幔旱責(zé)嵩鰷芈?-60℃/km,

例如若一般地區(qū)為25℃/km，則在Moho附近，可 以達(dá)到800℃左右(2)巖漿侵入：巖漿侵入－冷卻－散熱(3)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)：摩擦作用(4)地球內(nèi)部物質(zhì)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(zhì)作用的控制因素二、壓力(靜壓力、流體壓力和應(yīng)力)1.靜壓力（均向壓力）概念：負(fù)荷壓力，單位帕（斯卡）（Pa）

地質(zhì)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(guān)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(wàn)大氣壓地殼巖石按照比重計(jì)算：100km=30kb因此：一般 Moho面＝10kb

地心壓力＝350GPa

實(shí)驗(yàn)室能達(dá)到＝550GPa1bar=0.987個(gè)大氣壓靜壓力的常用單位換算關(guān)系：作用:

（1）控制變質(zhì)反應(yīng)方向，影響變質(zhì)反應(yīng)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(diǎn)CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2105Pa,4700C108pa,6700C靜壓力范圍：動(dòng)力變質(zhì)作用和接觸變質(zhì)作用多在5km范圍內(nèi)，壓力低于0.1GPa；區(qū)域變質(zhì)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(zhì)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(nèi)壓稱流體壓力。對(duì)變質(zhì)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(gòu)成獨(dú)立的控制因素；(2).流體壓力與靜壓力不相等：流體壓力則構(gòu)成獨(dú)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(xì)孔隙中的流體，包括水、CO2，O2等。流體對(duì)其存在的空間壁會(huì)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(duì)有流體參與的變質(zhì)反應(yīng)的溫度有影響，例如：

CaCO3+SiO2

CaSiO3+CO2↑

PCO2↗,反應(yīng)的T↗(2)流體壓力增大可以促進(jìn)巖石顆粒重結(jié)晶方解石硅灰石石英變質(zhì)作用的控制因素一種側(cè)向壓力（各方向壓力不等）應(yīng)變：巖石遭受應(yīng)力作用所產(chǎn)生的反應(yīng)。（彈性變形、永久變形）分類：張應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力。

作用1.機(jī)械改造。是巖石優(yōu)選組構(gòu)的主要因素。2.影響變質(zhì)反應(yīng)、重結(jié)晶作用、流體活性。3.產(chǎn)生構(gòu)造超壓，增加靜壓力。3、應(yīng)力a.張應(yīng)力（s3）及應(yīng)變特點(diǎn)

主要產(chǎn)生張性斷裂、拉伸組構(gòu)(Winter,2001)變質(zhì)作用的控制因素

b.壓應(yīng)力（s3）及應(yīng)變特點(diǎn)

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

沿一組平行的面滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)(Winter,2001)變質(zhì)作用的控制因素變質(zhì)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(zhì)反應(yīng)方向。例如Cc+Q

Wo+CO2降低巖石熔點(diǎn)。長(zhǎng)英質(zhì)巖:無(wú)水9500C,含水6400C4.變質(zhì)反應(yīng)的催化劑。例如鐵橄欖石的合成實(shí)驗(yàn)：2MgO+SiO2Mg2SiO4

在干體系10000C條件下,須時(shí)近四天,只有26%轉(zhuǎn)化；在濕體系4600C條件下,只須時(shí)間幾分鐘,就全部轉(zhuǎn)化。三、具化學(xué)活動(dòng)性流體四、時(shí)間實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)反應(yīng)——瞬間地球系統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)——漫長(zhǎng)

在實(shí)驗(yàn)室短時(shí)間內(nèi)無(wú)法發(fā)生的變質(zhì)反應(yīng)和變質(zhì)作用（以天、月計(jì)算），在地球系統(tǒng)的地質(zhì)演化歷史中是可以發(fā)生的（以Ma為單位），以百萬(wàn)年為單位。歸納變質(zhì)作用因素為：T、P、流體、時(shí)間變質(zhì)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(zhì)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(zhì)；2.壓力:影響物化平衡的獨(dú)立因素，有時(shí)對(duì)礦物組合起決定作用；3.流體:是變質(zhì)作用得以實(shí)現(xiàn)的基本因素，但溫度又是流體具有活動(dòng)性的前提；4.時(shí)間:控制著變質(zhì)反應(yīng)的進(jìn)程和規(guī)模。相互關(guān)系---相互促進(jìn)又相互制約考慮以上的變質(zhì)作用因素和地質(zhì)條件，可以分為：一、接觸變質(zhì)作用二、動(dòng)力變質(zhì)作用三、氣液變質(zhì)作用四、區(qū)域變質(zhì)作用五、混合巖化作用六、其他類型變質(zhì)作用

變質(zhì)作用類型一、接觸變質(zhì)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(zhì)作用。分布位置：巖體或巖體附近分為：熱接觸變質(zhì)作用接觸交代變質(zhì)作用巖體圍巖變質(zhì)巖接觸變質(zhì)帶示意圖內(nèi)帶中帶biotitemuscovitecordieriteandalusitequartz接觸變質(zhì)帶中不同分帶粒度變化二、動(dòng)力變質(zhì)作用在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力下，使巖石發(fā)生破碎的變質(zhì)作用分布位置：斷層，破碎帶導(dǎo)致結(jié)果：使巖石發(fā)生變形、破碎，還有輕微的重結(jié)晶現(xiàn)象正斷層破碎帶三、氣液變質(zhì)作用具有化學(xué)活動(dòng)性的熱水溶液和氣體對(duì)巖石進(jìn)行交代，而使巖石發(fā)生變質(zhì)的作用主要因素：化學(xué)活動(dòng)性流體，溫度來(lái)源：巖漿的揮發(fā)分，地殼內(nèi)的熱水結(jié)果：巖石化學(xué)成分變化四、區(qū)域變質(zhì)作用是大面積發(fā)生的區(qū)域性的變質(zhì)作用，是在地殼活動(dòng)帶發(fā)生的變質(zhì)作用主要因素：復(fù)雜，T、P、流體都有結(jié)果：使巖石強(qiáng)烈變形或片理化分布：古老的結(jié)晶基底、造山帶，常與混合巖化作用伴生變質(zhì)作用類型日本的變質(zhì)雙帶及形成模式變質(zhì)作用類型新西蘭島南部Otago區(qū)域埋藏變質(zhì)作用（Turner，1981)沸石葡萄石-綠纖石綠纖石—陽(yáng)起石綠泥石黑云母—較高級(jí)在高級(jí)區(qū)域變質(zhì)地區(qū)，由部分熔融產(chǎn)生的低熔物質(zhì)（新成體）與變質(zhì)巖基體（古成體）混合形成混合巖的過(guò)程。它是變質(zhì)作用向巖漿作用的過(guò)度類型,又稱超變質(zhì)作用

五.混合巖化作用:

混合巖六、其他類型變質(zhì)作用沖擊變質(zhì)作用——隕石沖擊地球，產(chǎn)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(guó)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(zhì)作用產(chǎn)物。復(fù)變質(zhì)作用——不同階段、多次疊加的變質(zhì)作用地球隕石BarringerMeteorCrater變質(zhì)作用的方式按照巖石發(fā)生變質(zhì)的途徑或方式，可以分為： 一、重結(jié)晶作用 二、變質(zhì)結(jié)晶作用和變質(zhì)反應(yīng) 三、交代作用 四、變質(zhì)分異作用 五、變形和碎裂作用一、重結(jié)晶作用同種礦物，經(jīng)過(guò)重新溶解、組分遷移，再結(jié)晶形成原礦物的方式。重結(jié)晶作用的結(jié)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(jié)晶作用實(shí)例含石英大理巖的結(jié)構(gòu)演化（Mason（1999）繪，有所修改補(bǔ)充）a.低溫下Cc+Q平衡結(jié)構(gòu)；b.溫度超越Cc+Q=Wo+CO2↑反應(yīng)溫度時(shí)，粒度增大的同時(shí)Q與Cc反應(yīng)，形成Wo反應(yīng)邊。在Wo集合體內(nèi)有少量Q殘留，不平衡結(jié)構(gòu)；c.反應(yīng)完全，粒度進(jìn)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(jié)構(gòu)CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO21.石英；2.方解石；3.硅灰石;在變質(zhì)作用的溫度、壓力范圍內(nèi)，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(zhì)方式，一般通過(guò)特定的化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種化學(xué)反應(yīng)稱為變質(zhì)反應(yīng)。包括同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變和形成新的礦物組合。

舉例：紅柱石-藍(lán)晶石-矽線石三者之間的同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變二、變質(zhì)結(jié)晶作用和變質(zhì)反應(yīng)紅柱石-藍(lán)晶石-矽線石三者之間的同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變?nèi)?、交代作用由于流體的遷移使固態(tài)巖石與外界產(chǎn)生復(fù)雜物質(zhì)交換，從而改變巖石化學(xué)成分的一種變質(zhì)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(shí)際上，這就是鈉長(zhǎng)石化作用帶入帶出鉀長(zhǎng)石鈉長(zhǎng)石四、變質(zhì)分異作用在變質(zhì)作用