變質(zhì)作用的基本概念

變質(zhì)作用的基本概念問(wèn)題2:變質(zhì)巖就是如何形成得呢？

——變質(zhì)作用機(jī)制、途徑或方式

問(wèn)題3:變質(zhì)作用機(jī)制得啟動(dòng)與進(jìn)行

——變質(zhì)作用因素第一講

變質(zhì)巖得形成過(guò)程一、變質(zhì)作用機(jī)制二、變質(zhì)作用因素三、變質(zhì)作用P-T-t軌跡四、變質(zhì)作用類型及其特征(自學(xué))五、變質(zhì)巖得成因類型(后續(xù)展開(kāi))一、變質(zhì)作用機(jī)制與沉積巖與巖漿巖得形成機(jī)制一樣,變質(zhì)巖得形成——變質(zhì)作用機(jī)制也相當(dāng)復(fù)雜多樣,概括起來(lái)主要有變質(zhì)結(jié)晶、變形與變質(zhì)分異等3種。高級(jí)(溫)變質(zhì):深熔作用(部分熔融——巖漿巖成因術(shù)語(yǔ)),總體屬于巖漿作用范疇;埋藏變質(zhì):成巖過(guò)程中得壓實(shí)、重結(jié)晶與交代作用,屬于沉積作用范疇。1、變質(zhì)結(jié)晶作用先存巖石(原巖)在變質(zhì)作用溫度壓力條件范圍內(nèi)發(fā)生得礦物再生長(zhǎng)作用稱變質(zhì)結(jié)晶作用。變質(zhì)結(jié)晶包括重結(jié)晶作用交代作用

1、1重結(jié)晶作用(recrystallization)

——在基本固體狀態(tài)下原巖礦物通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)整(/或化學(xué)反應(yīng))形式得再造過(guò)程。重結(jié)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(jié)晶作用過(guò)程就是一種等化學(xué)過(guò)程,相應(yīng)得體系性質(zhì)為封閉體系。礦物得成核、結(jié)晶生長(zhǎng)受表面能最低原理控制。

狹義得重結(jié)晶:recrystallization,Raymond,2002)——礦物結(jié)構(gòu)調(diào)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(jié)晶生長(zhǎng)受表面能最低原理控制純灰?guī)r粗粒大理巖細(xì)粒大理巖原巖為單礦物巖只有結(jié)構(gòu)變化而無(wú)成分變化Raymond,2002變質(zhì)反應(yīng):(Neocrystallization,Raymond,2002)細(xì)粒含石英大理巖進(jìn)一步變質(zhì)發(fā)生新舊礦物更替,并伴隨結(jié)構(gòu)變化(據(jù)Mason,1999)a、反應(yīng)前:低溫下,微晶方解石與碎屑石英,通過(guò)重結(jié)晶改變各自得大小與形狀:Cc(CaCO3)+Q(SiO2);b、反應(yīng)中:化學(xué)反應(yīng)Cc+Q=Wo(CaSiO3)+CO2↑,在碎屑石英邊緣上生長(zhǎng)出Wo(稱反應(yīng)邊);未參與化學(xué)反應(yīng)得方解石經(jīng)狹義重結(jié)晶加粗;c、反應(yīng)后:因石英方解石,石英被全部消耗,未參與反應(yīng)得Cc與新生長(zhǎng)得Wo粒度進(jìn)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(zhì)作用條件范圍內(nèi),在化學(xué)活動(dòng)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(jié)果新形成得巖石得化學(xué)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(zhì)過(guò)程。在交代過(guò)程中,巖石得體積基本保持不變。交代過(guò)程就是異化學(xué)作用過(guò)程,巖石體系性質(zhì)屬于開(kāi)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(zhì)條件下發(fā)生得交代作用稱為變質(zhì)交代作用。以就是否發(fā)生了主要組分得帶入或帶出來(lái)判斷交代作用機(jī)制與重結(jié)晶機(jī)制*純橄欖巖

蛇紋巖重結(jié)晶機(jī)制:2Mg2SiO4+3H2O→H4Mg3Si2O9+Mg(OH)2

Fo(鎂橄欖石)Ser(蛇紋石)Brc(水鎂石)交代機(jī)制:

3Mg2SiO4+4H2O+(SiO2)→2H4Mg3Si2O9

Fo溶液中Ser地質(zhì)學(xué)與巖相學(xué)證據(jù)？據(jù)就是否帶入或帶出,將造巖組分劃分為活動(dòng)或惰性組分;活動(dòng)組分:可帶入帶出,過(guò)程結(jié)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(wú)關(guān),交代前后絕對(duì)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(jiàn);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?jī)H與交代前巖石得原始成分有關(guān),交代前后組分得絕對(duì)含量不發(fā)生改變,以重金屬或其它元素或超場(chǎng)強(qiáng)元素常見(jiàn);主量元素中包括Fe、Al、Mn、Ti等。某一元素就是否屬于活動(dòng)與惰性元素,視具體情況而定！交代機(jī)制——交代作用中得組分運(yùn)移方式滲透(infiltration):組分受壓力差驅(qū)動(dòng),隨溶液流動(dòng),從高壓域向低壓域遷移,主要發(fā)生在裂隙溶液中;擴(kuò)散(diffusion):組分受濃度差驅(qū)動(dòng),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(dòng)組分濃度或化學(xué)位梯度就是運(yùn)移與交代得主要?jiǎng)恿?交代作用也見(jiàn)于巖漿巖與沉積巖得形成過(guò)程;變質(zhì)交代作用僅指發(fā)生在變質(zhì)作用條件范圍內(nèi)得交代作用。大家有疑問(wèn)的，可以詢問(wèn)和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)交代作用改變巖石得礦物組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造2、變形

(Deformation)巖石在變質(zhì)作用得溫壓條件范圍內(nèi),受到超過(guò)其最高彈性模量得應(yīng)力作用,將發(fā)生永久變形,使巖石得結(jié)構(gòu)與構(gòu)造受到破壞,巖石化學(xué)成分可變可不變,從而形成變質(zhì)巖得作用過(guò)程。依據(jù)變形性質(zhì)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(zhuǎn)變臨界溫度越高。因此,長(zhǎng)英質(zhì)巖石得轉(zhuǎn)變溫度低于鎂鐵質(zhì)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(nèi)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(qǐng)您指出圖(1)與圖(2)中兩件巖石得脆性變形得強(qiáng)弱？韌性變形(ductiledeformation)

塑性變形一般不使巖石失去內(nèi)聚力(似斷非斷,如膠似漆),分晶內(nèi)(intra-)塑性變形與晶界或晶間(inter-)塑性變形兩種;晶內(nèi)塑性變形表現(xiàn)為晶體內(nèi)部得滑移(gliding)與位錯(cuò)(dislocation),鏡下可見(jiàn)晶體內(nèi)部發(fā)育書斜構(gòu)造、機(jī)械雙晶、扭折帶、變形紋、動(dòng)態(tài)重結(jié)晶等;晶界塑性變形表現(xiàn)為邊界滾動(dòng)、滑動(dòng)與擴(kuò)散流動(dòng),晶體整體呈魚狀、透鏡體狀,或碎粒流或韌性流等。3、變質(zhì)分異

(metamorphicdifferentiation)在變質(zhì)作用過(guò)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(jié)果使巖石得構(gòu)造特征發(fā)生了改變,從而形成變質(zhì)巖得作用過(guò)程。變質(zhì)分異嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)指封閉體系內(nèi)得組分調(diào)整,以便于與交代作用相區(qū)別,但往往不易區(qū)分。變質(zhì)分異產(chǎn)生不均勻或成分層得現(xiàn)象與機(jī)理(1)擴(kuò)散反應(yīng)帶(交代作用？開(kāi)放？)(2)構(gòu)造剪切分異:淺變質(zhì)巖中得石英脈(3)構(gòu)造壓扁(圖17-8？)

高級(jí)片麻巖區(qū)四種典型得露頭尺度遞進(jìn)變形

所有這些遞進(jìn)變形都形成相同得條帶狀片麻巖(Passchieretal、,1990)(a)網(wǎng)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(zhì)火成巖(例如斑狀花崗巖)得均勻變形(d)、均質(zhì)火成巖(例如輝長(zhǎng)巖)得不均勻變形二、變質(zhì)作用得影響因素

effectingfactors

變質(zhì)作用因素指使變質(zhì)作用《變質(zhì)重結(jié)晶(狹義重結(jié)晶、變質(zhì)反應(yīng)、交代反應(yīng))、變形、變質(zhì)分異》發(fā)生與發(fā)展得原因或誘因。根本原因:地質(zhì)環(huán)境得改變,如構(gòu)造位置改變(島弧、海溝、洋中脊、大陸裂谷、俯沖帶、碰撞帶,等)、構(gòu)造過(guò)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(xué)角度瞧,控制變質(zhì)作用得因素可以抽象為溫度(T)、壓力(P)、流體組分(x)、時(shí)間(t)等物化因素,這也就是將物理化學(xué)引入變質(zhì)巖石學(xué)研究得基礎(chǔ)。1、1(對(duì)變質(zhì)作用機(jī)制得)影響

溫度就是熱得標(biāo)量。變質(zhì)溫度高低得實(shí)質(zhì)就是熱流量得高低。溫度將影響變質(zhì)重結(jié)晶作用得進(jìn)行,升溫有利于吸熱反應(yīng)(如脫揮發(fā)份反應(yīng)),提高反應(yīng)速率,促進(jìn)晶體得溶解與生長(zhǎng);降低溫度將使變質(zhì)反應(yīng)向放熱方向進(jìn)行,利于水化與碳酸鹽化反應(yīng)進(jìn)行;溫度升高利于巖石從脆性變形向韌性變形轉(zhuǎn)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(zhì)分異進(jìn)行;溫度得持續(xù)升高將導(dǎo)致巖石發(fā)生深熔(部分熔融)作用,促進(jìn)混合巖化。1、溫度(temperature,heat)

1、2變質(zhì)作用溫度范圍

變質(zhì)作用溫度范圍

實(shí)驗(yàn)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(shí)線表示無(wú)水添加條件,虛線表示過(guò)量水條件。這樣,對(duì)白云母花崗巖,過(guò)量水條件下得固相線與液相線分別為1、2,無(wú)水添加條件下得固相線與液相線分別為3、4;對(duì)拉斑玄武巖,過(guò)量水條件下得固相線與液相線分別為5、6,無(wú)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(zhì)作用條件區(qū);NU、自然界未知得條件區(qū)。變質(zhì)作用條件(MT)與巖漿作用條件(MG)間有一個(gè)范圍廣大得P-T過(guò)渡區(qū),在熔融曲線1～8之間按變質(zhì)作用得溫度范圍分:極低溫、低溫、中溫、高溫與超高溫變質(zhì),相應(yīng)得變質(zhì)程度劃分為極低、低、中、高、極高級(jí)變質(zhì)1、3熱得來(lái)源地幔對(duì)流熱地殼放射性元素蛻變產(chǎn)生得放射性熱巖漿結(jié)晶潛熱構(gòu)造摩擦熱2、1壓力分類負(fù)荷壓力(Pl)流體壓力(Pf)偏應(yīng)力(Pd)熱力學(xué)壓力為靜水壓力(Ps),其數(shù)值得增高,可導(dǎo)致摩爾體積小,密度大得高壓礦物生成,并影響著變質(zhì)反應(yīng)得平衡溫度。2、壓力

2、2變質(zhì)作用壓力分類負(fù)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(yīng)力(Pd)偏應(yīng)力(非靜水壓力)=

A-B0平均應(yīng)力(具靜水壓力性質(zhì))=(

A+B)/2構(gòu)造超壓=平均應(yīng)力-負(fù)荷壓力(Pl)2、3負(fù)荷壓力范圍變質(zhì)作用壓力條件范圍

實(shí)驗(yàn)確定得變質(zhì)反應(yīng)將變質(zhì)作用按壓力條件劃分為低壓、中壓、高壓與超高壓變質(zhì):低壓——低于藍(lán)晶石、紅柱石與矽線石(Als)三相點(diǎn)壓力條件;中壓——Als三相點(diǎn)至Jd+QAb(硬玉+石英

鈉長(zhǎng)石)反應(yīng)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(duì)變質(zhì)作用機(jī)制得影響(獨(dú)立完成)(1)巖壓

(2)偏應(yīng)力

(3)流體壓力

(4)構(gòu)造超巖與流體超壓3、流體成分(x)

變質(zhì)作用過(guò)程基本上在固態(tài)下進(jìn)行,但巖石中通常含有~1V%得液體相。當(dāng)液體相呈超臨界狀態(tài)(super-criticalstate)時(shí),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(qiáng)得交代能力,習(xí)稱具化學(xué)活動(dòng)性得流體;流體中得成分可直接參加巖石得形成(變質(zhì)反應(yīng)),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(guān)變質(zhì)反應(yīng)得平衡溫度;流體作為介質(zhì)為組分運(yùn)移提供載體,或媒質(zhì)促進(jìn)礦物得溶解速率、促進(jìn)深熔作用而混合巖化、交代作用、與降低脆-韌性變形得轉(zhuǎn)變溫度等。4、時(shí)間(t)變質(zhì)作用時(shí)間因素通常從兩個(gè)角度理解:一就是變質(zhì)作用發(fā)生得地質(zhì)時(shí)代(Geologicalage),即不同時(shí)代變質(zhì)作用得特點(diǎn)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(zhì)作用事件自始至終所經(jīng)歷得時(shí)間跨度(timespan),尤其就是變質(zhì)熱峰持續(xù)時(shí)間,足夠長(zhǎng)得時(shí)間可以使變質(zhì)反應(yīng)得以徹底進(jìn)行。熱力學(xué)只考慮過(guò)程得始態(tài)與終了態(tài),而動(dòng)力學(xué)(時(shí)間參數(shù))則考慮時(shí)間因素。變質(zhì)作用動(dòng)力學(xué)就是變質(zhì)巖石學(xué)研究得一個(gè)極其重要得學(xué)科前沿:視考慮得尺度分為變質(zhì)作用地球動(dòng)力學(xué)(dynamics)與變質(zhì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)(kinetics)兩個(gè)領(lǐng)域。三、變質(zhì)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