第六章變質(zhì)作用概述

變質(zhì)巖巖石學(xué)

MetamorphicPetrology主講教師易偉欣班級(jí)地質(zhì)11理論教學(xué)學(xué)時(shí)分配第一講緒論第六講區(qū)域變質(zhì)巖第二講變質(zhì)作用因素與類(lèi)型第七講動(dòng)力變質(zhì)巖第三講變質(zhì)作用方式第八講接觸變質(zhì)巖第四講基本特征分類(lèi)命名第九講氣成熱液變質(zhì)巖第五講變質(zhì)巖結(jié)構(gòu)和構(gòu)造第十講混合巖實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)分配實(shí)驗(yàn)一區(qū)域變質(zhì)巖

實(shí)驗(yàn)二接觸變質(zhì)巖實(shí)驗(yàn)三氣-液變質(zhì)巖實(shí)驗(yàn)四動(dòng)力變質(zhì)巖-混合巖授課內(nèi)容變質(zhì)巖與變質(zhì)作用的基本概念研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀變質(zhì)巖分布及研究意義課程目的和基本要求1.1變質(zhì)巖的基本概念變質(zhì)巖在地殼發(fā)展演化過(guò)程中，已存在的各種巖石，由于地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)，地?zé)崃鞯淖兓葍?nèi)力地質(zhì)作用，使原來(lái)巖石所處的地質(zhì)環(huán)境及物理化學(xué)條件發(fā)生改變，為了適應(yīng)這種變化，在基本保持固態(tài)的情況下，巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物質(zhì)成分發(fā)生變化而形成的一種新的巖石概論

先存巖石

—沉積巖（副變質(zhì)巖）

—巖漿巖（正變質(zhì)巖）

—變質(zhì)巖（復(fù)變質(zhì)巖）

強(qiáng)調(diào)3點(diǎn)1.1變質(zhì)巖的基本概念

內(nèi)力地質(zhì)作用

—構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

—巖漿作用

—地?zé)崃黧w地質(zhì)環(huán)境物化條件

變化特征

—固態(tài)變化

—結(jié)構(gòu)構(gòu)造

—物質(zhì)成分概論1.1變質(zhì)巖的基本概念變質(zhì)巖石學(xué)是研究變質(zhì)巖的成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、產(chǎn)狀、分布、分類(lèi)、命名、共生組合和變質(zhì)巖的形成、演化的機(jī)制與條件以及其在地球(天體)形成、演化中的地位及作用、與礦產(chǎn)的關(guān)系等內(nèi)容的獨(dú)立的學(xué)科。概論

變質(zhì)作用-Metamorphism

在地殼形成和演化過(guò)程中，由于地球內(nèi)力的變化，使已存的地殼巖石，在基本保持固態(tài)的條件下，從原巖的化學(xué)成分、礦物組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面進(jìn)行了調(diào)整，在特殊情況下，還可產(chǎn)生重熔或重溶，形成部分流體相的各種作用的總和。1.1變質(zhì)作用的基本概念概論三點(diǎn)說(shuō)明變質(zhì)作用作為一種地質(zhì)作用，其發(fā)生發(fā)展與地殼的發(fā)生發(fā)展有關(guān)，特別與地幔與地殼的相互作用有關(guān)。變質(zhì)作用、巖漿作用、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系服從于地殼形成與發(fā)展的總過(guò)程，并受地幔與地殼相互作用支配三者是平行的，在不同情況下呈現(xiàn)不同的內(nèi)在聯(lián)系。變質(zhì)作用形成的變質(zhì)巖是一種轉(zhuǎn)化巖石。1.1變質(zhì)作用的基本概念概論1.2變質(zhì)作用影響因素

變質(zhì)作用的影響因素

溫度

溫度是體系的熱狀態(tài)的直接標(biāo)志。熱狀態(tài)的改變是導(dǎo)致變質(zhì)作用發(fā)生的最重要的因素之一。溫度范圍：150℃-250℃～650℃-1100℃指示礦物：濁沸石、藍(lán)閃石、硬柱石、葉臘石概論原因：地?zé)嵩鰷厣系蒯崃鞯倪\(yùn)動(dòng)巖漿活動(dòng)帶來(lái)的熱能摩擦作用產(chǎn)生的熱能放射性元素衰變釋放熱能的積累1.2變質(zhì)作用影響因素概論

變質(zhì)作用的影響因素

壓力

靜壓力：定向壓力負(fù)荷壓力(Pl)：上覆巖層的重力單位-b、kb、Pa、GPa

范圍：1-2kb～7-8kb

變質(zhì)作用的影響因素

壓力

靜壓力：定向壓力據(jù)計(jì)算每加深1公里，壓力增加0.0275GPa1.2變質(zhì)作用影響因素概論1.2變質(zhì)作用的影響因素

變質(zhì)作用的影響因素

壓力

接觸變質(zhì)和動(dòng)力變質(zhì)：3-5km，Pl＜0.1GPa區(qū)域變質(zhì)和動(dòng)力變質(zhì)：＞5km，低壓：Pl0.1-0.3GPa

中壓：Pl0.3-0.5GPa

高壓：Pl

＞0.5GPa

超高壓：Pl

＞1GPa

變質(zhì)作用的影響因素概論1.3變質(zhì)作用的影響因素

變質(zhì)作用的影響因素

壓力

變質(zhì)作用的影響因素負(fù)荷壓力的效應(yīng)：Mg2[SiO4]＋Ca[Al2Si2O8]→CaMg2Al2[SiO4]3

鎂橄欖石鈣長(zhǎng)石石榴石43.9101.11213.32.763.52形成密度（比重）大，體積小的礦物。概論1.3變質(zhì)作用的影響因素流體壓力：流體相Pf表示：各組分的分壓力表示，例如PH20，PCO，

其數(shù)值與各自在流體相中相對(duì)物質(zhì)的量成正比（等于各組分分壓之和）。

Pf=PH20＋PCO＋…關(guān)系：Pf=Pl

（地殼深部）

Pf＜Pl

（地殼淺部）

Pf＞Pl

（侵入體附近）概論1.2變質(zhì)作用的影響因素

變質(zhì)作用的影響因素

壓力

應(yīng)力：側(cè)向壓力可更新應(yīng)力：指能夠不受應(yīng)力松馳和逐漸釋放應(yīng)變能的影響而連續(xù)起作用或者在環(huán)境變化后還能重新起作用的一種應(yīng)力。不可更新應(yīng)力指那些具初始應(yīng)變能一經(jīng)釋放應(yīng)力立刻消失的一種應(yīng)力。主要有：撓曲應(yīng)力、薄膜應(yīng)力、熱應(yīng)力。概論1.2變質(zhì)作用的影響因素

變質(zhì)作用的影響因素

具化學(xué)活動(dòng)性流體

流體相組成：H2O，CO2，K，Na，Si，Mg，O2A1，F(xiàn)e，C1，F(xiàn)，S，CH3，CH4流體相存在狀態(tài)：低溫-氣態(tài)或液態(tài)

超臨界狀態(tài)-高密度氣體概論1.2變質(zhì)作用的影響因素

具化學(xué)活動(dòng)性流體

流體相來(lái)源：巖漿活動(dòng)變質(zhì)作用提供的流體板塊俯沖帶入的海水未變質(zhì)的原巖中會(huì)保存流體概論1.2變質(zhì)作用的影響因素

變質(zhì)作用的影響因素

時(shí)間

變質(zhì)作用發(fā)生的地質(zhì)時(shí)代變質(zhì)作用發(fā)生到終止所經(jīng)歷的時(shí)間

變質(zhì)作用的影響因素

時(shí)間

概論1.3變質(zhì)作用的主要類(lèi)型接觸變質(zhì)作用動(dòng)力變質(zhì)作用區(qū)域變質(zhì)作用概論局部變質(zhì)作用

是分布局限（據(jù)Raymond（1995），其體積小于100km3）的變質(zhì)作用。它局限分布在一個(gè)具體的地質(zhì)構(gòu)造（斷裂帶、接觸帶等），往往一個(gè)因素起主導(dǎo)作用。在局部變質(zhì)地區(qū)可清楚觀察到變質(zhì)巖與未變質(zhì)巖石的漸變過(guò)渡。

類(lèi)型-規(guī)模1.3變質(zhì)作用的類(lèi)型概論局部變質(zhì)作用

接觸－熱變質(zhì)作用：分布在侵入體與圍巖接觸帶，主要由巖漿熱而導(dǎo)致的變質(zhì)作用。特點(diǎn)：主要控制因素為溫度；主要變質(zhì)機(jī)制為重結(jié)晶；具有很低P/T比。

類(lèi)型-規(guī)模1.3變質(zhì)作用的類(lèi)型局部變質(zhì)作用

動(dòng)力變質(zhì)作用

：分布在斷裂帶，在構(gòu)造作用下導(dǎo)致的變質(zhì)作用。特點(diǎn)：主要控制因素為偏應(yīng)力；主要變質(zhì)機(jī)制為變形及動(dòng)態(tài)重結(jié)晶。具有高至低P/T比，但通常P/T比較高。

類(lèi)型-規(guī)模1.3變質(zhì)作用的類(lèi)型概論局部變質(zhì)作用沖擊變質(zhì)作用

：分布在隕石坑附近，在隕石沖擊地表的強(qiáng)大沖擊波作用下產(chǎn)生的變質(zhì)作用。特點(diǎn)：主要控制因素為瞬時(shí)高溫、高壓；主要變質(zhì)機(jī)制為變形及部分熔融。

類(lèi)型-規(guī)模1.3變質(zhì)作用的類(lèi)型概論位于美國(guó)亞利桑那州的隕石坑局部變質(zhì)作用

交代變質(zhì)作用

：局限分布于侵入體接觸帶及其附近和火山噴氣活動(dòng)區(qū)，主要由巖漿熱液引起的異化學(xué)變質(zhì)作用。

特點(diǎn)：主要控制因素為流體中的活動(dòng)組分

；主要變質(zhì)機(jī)制為交代作用。

類(lèi)型-規(guī)模1.3變質(zhì)作用的類(lèi)型概論區(qū)域變質(zhì)作用

是在巖石圈范圍由規(guī)模巨大（Raymond,1995，其體積大于數(shù)千km3）的變質(zhì)作用。

類(lèi)型-規(guī)模1.3變質(zhì)作用的類(lèi)型概論區(qū)域變質(zhì)作用

造山變質(zhì)作用：大規(guī)模分布在前寒武紀(jì)結(jié)晶基底和顯生宙造山帶的變質(zhì)作用，與造山作用有密切的成因聯(lián)系。面積數(shù)百-數(shù)千平方公里。在前寒武結(jié)晶基底呈面狀，在顯生宙造山帶呈帶狀分布。特點(diǎn)：主要控制因素為溫度、壓力；主要變質(zhì)機(jī)制為重結(jié)晶、變形；具有很寬P/T比。

類(lèi)型-規(guī)模1.3變質(zhì)作用的類(lèi)型概論區(qū)域變質(zhì)作用

洋底變質(zhì)作用

：洋殼巖石在大洋中脊附近上升熱流和海水作用下產(chǎn)生的規(guī)模巨大的變質(zhì)作用。特點(diǎn)：主要控制因素為溫度和活動(dòng)組分；主要變質(zhì)機(jī)制為重結(jié)晶和交代。具有低P/T比。

類(lèi)型-規(guī)模1.3變質(zhì)作用的類(lèi)型概論區(qū)域變質(zhì)作用埋藏變質(zhì)作用

：無(wú)明顯變形的大規(guī)模很低級(jí)（很低溫）變質(zhì)作用。它通常出現(xiàn)在區(qū)域變質(zhì)（造山變質(zhì)）和洋底變質(zhì)的很低級(jí)部分，或獨(dú)立出現(xiàn)在強(qiáng)烈坳陷的盆地沉積的底部特點(diǎn)：主要控制因素為壓力；主要變質(zhì)機(jī)制為重結(jié)晶。

P/T比變化范圍很大。

類(lèi)型-規(guī)模1.3變質(zhì)作用的類(lèi)型概論區(qū)域變質(zhì)作用混合巖化作用

：高級(jí)區(qū)域變質(zhì)（造山變質(zhì)）伴隨的部分熔融產(chǎn)生的低熔物質(zhì)（新成體）與變質(zhì)巖（古成體）混合形成混合巖的大規(guī)模變質(zhì)作用。

類(lèi)型-規(guī)模1.3變質(zhì)作用的類(lèi)型概論1.3變質(zhì)作用的類(lèi)型概論概論1.4變質(zhì)作用方式固態(tài)固態(tài)Why?地質(zhì)因素物化因素TPfσ地質(zhì)作用母巖How?1.4變質(zhì)作用的方式

變質(zhì)作用方式——變質(zhì)作用過(guò)程中，導(dǎo)致巖石的礦物成分，結(jié)構(gòu)構(gòu)造轉(zhuǎn)變的機(jī)制。主要的變質(zhì)作用方式有五種：

重結(jié)晶作用變質(zhì)結(jié)晶作用交代作用變質(zhì)分異作用變形和碎裂作用

提示：不要將變質(zhì)作用方式與變質(zhì)作用類(lèi)型兩者相混！1．重結(jié)晶作用（recryatallization）

同種礦物的溶解、組分遷移和再次沉淀結(jié)晶而不形成新的礦物相的過(guò)程。

2．變質(zhì)結(jié)晶作用（metacryatellization）

是指在變質(zhì)作用的溫度壓力范圍內(nèi)，原巖基本保持固態(tài)的條件下，原有礦物相的消失和新礦物相的形成過(guò)程。主要是通過(guò)變質(zhì)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn).Ａ：多型轉(zhuǎn)變

Al2SiO5===Al2SiO5

藍(lán)晶石或紅柱石夕線(xiàn)石B:固－固反應(yīng)

斜方輝石＋斜長(zhǎng)石＝單斜輝石＋石榴子石＋石英橄欖石＋鈣長(zhǎng)石＝石榴石Ｃ：脫水反應(yīng)

KAl2(AlSi3O10)(OH)2＋SiO2＝KAlSi3O8＋Al2SiO5+H2OD:去碳酸鹽反應(yīng)

ＣaCO3+SiO2=CaSiO4+CO2E:

氧化和還原反應(yīng)2．變質(zhì)結(jié)晶作用（metacryatellization）

變質(zhì)結(jié)晶與重結(jié)晶的區(qū)別在于是否有新礦物的形成！3．交代作用（metasomatiam）

巖石在基本保持固態(tài)的條件下，隨著一定數(shù)量組分從外部帶入巖石中，并在其中富集，同時(shí)另一些組分被帶出，而使巖石的化學(xué)成分發(fā)生不同程度的改變的過(guò)程。這一過(guò)程基本上原有礦物的消失和新礦物相的形成基本上是同時(shí)的，而且交代前后巖石總的體積不改變。如反應(yīng)：

Na+十KalSi3O8====NaA1Si308十K+

(帶入成分)鉀長(zhǎng)石鈉長(zhǎng)石(帶出成分)3．交代作用（metasomatiam）

主要發(fā)育在斜長(zhǎng)石中，蝕變的（絹云母化和粘土化）斜長(zhǎng)石邊緣可見(jiàn)潔凈的鈉長(zhǎng)石邊。

鈉長(zhǎng)石邊斜長(zhǎng)石3．交代作用（metasomatiam）

交代礦物以不規(guī)則的外形從邊緣伸入被交代的礦物之中。

白云母藍(lán)晶石3．交代作用（metasomatiam）

當(dāng)交代強(qiáng)度進(jìn)一步發(fā)展，在新的交代礦物中殘留了零星的孤島狀的被交代礦物；這些零星的殘留礦物仍保持同一光性方位。綠簾石鈣鋁榴石3．交代作用（metasomatiam）

原來(lái)的礦物被新生的交代礦物完全取代，但仍保持原來(lái)礦物的形態(tài)、晶形。絹云母+石英集合體呈長(zhǎng)石板狀晶形假象3．交代作用（metasomatiam）3．交代作用（metasomatiam）

有新組分的加入和新礦物的形成，原有組分有遷出，原礦物的消失，體系的化學(xué)組分和礦物相數(shù)均有變化。

提示(與變質(zhì)結(jié)晶作用的區(qū)別)：交代作用過(guò)程為非等化學(xué)過(guò)程4．變質(zhì)分異作用

（metamorphicdifferentiation）

在變質(zhì)作用的物化條件下，原巖本身的某些礦物組分經(jīng)擴(kuò)散作用而不均勻聚集的過(guò)程。Ｅskola提出三種可能的成因機(jī)理：結(jié)核原理、不穩(wěn)定組分的局部溶解、最穩(wěn)定組分的沉淀和局部富集。4．變質(zhì)分異作用

（metamorphicdifferentiation）

一般情況下，沒(méi)有新組分的加入和新礦物的形成，原有組分也無(wú)有遷出；但出現(xiàn)組分和礦物的分帶現(xiàn)象。

提示：

變質(zhì)分異作用的關(guān)鍵在于出現(xiàn)分帶現(xiàn)象！5．變形作用（deformation）

在應(yīng)力作用下，巖石和礦物發(fā)生變形和破碎的作用。

RocksmayalsobesubjectedtodifferentialstresswhichisunequalindifferentdirectionsRocksmaybeshortenedinonedirectionandlengthenedintheotherBrittledeformation=fracturingDuctiledeformation=flowMineralgrainsflattenandelongateFoliationFlatteningGrainRotationSolutionNewMineralsPartialMeltingShearing5．變形作用（deformation）

因此，變形作用是在封閉－開(kāi)放的體系中發(fā)生的一般情況下，可出現(xiàn)重結(jié)晶和變質(zhì)結(jié)晶；開(kāi)放條件下則有現(xiàn)組分變化；也可見(jiàn)礦物的分帶現(xiàn)象。

提示：變形和碎裂作用的關(guān)鍵在于巖石和礦物的形變！2.研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀描述階段

：十九世紀(jì)末，應(yīng)用顯微鏡研究變質(zhì)巖，分類(lèi)與描述；羅森布什、格魯賽曼、尼格里等；理論研究階段：20世紀(jì)初巴洛，哈克等提出了正常遞增變質(zhì)作用及應(yīng)力礦物的概念。把變質(zhì)巖的空間強(qiáng)度分帶與區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)環(huán)境聯(lián)系起來(lái)，奠定了變質(zhì)巖巖理學(xué)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)研究階段：第二次世界大戰(zhàn)前就開(kāi)始了變質(zhì)礦物的人工合成的實(shí)驗(yàn)研究。約德?tīng)?，溫克勒等；概?.研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀多學(xué)科的滲透和邊緣學(xué)科的形成階段：高精度微區(qū)、微量分析測(cè)試技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的引進(jìn)，不平衡體系熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)、固溶體熱力學(xué)、固體物理學(xué)、金屬物理學(xué)及微量元素、稀土元素、同位素地球化學(xué)等近代學(xué)科理論與變質(zhì)巖研究的互相滲透，變質(zhì)巖的研究已進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。在宏觀上形成了變質(zhì)地質(zhì)學(xué)方向，微觀上形成了一系列與變質(zhì)巖巖石學(xué)有關(guān)的新的研究方向。例如，變質(zhì)實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)、礦物共生的相柘撲學(xué)、巖組學(xué)、變質(zhì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)及變質(zhì)礦物物理學(xué)等。概論3.巖石分布和研究意義

變質(zhì)巖分布前寒武紀(jì)地盾區(qū)

：面積占18%，大部分麻粒巖相顯生宙造山帶：分布于前寒武紀(jì)地盾、地臺(tái)邊緣，主要為沸石相及藍(lán)閃石片巖相。大洋盆地：發(fā)生于洋中脊及附近，主要為變