第2講-變質(zhì)反應(yīng)學(xué)習(xí)課件

內(nèi)容回顧變質(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變質(zhì)巖

MetamorphicRock第二章變質(zhì)反應(yīng)授課內(nèi)容變質(zhì)反應(yīng)的類型變質(zhì)因素對變質(zhì)反應(yīng)的制約變質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)的概念-了解變質(zhì)反應(yīng)實驗資料1.變質(zhì)反應(yīng)的類型變質(zhì)反應(yīng)現(xiàn)今出露于地表的變質(zhì)巖是如何形成的？即在變質(zhì)條件下地殼已存巖石是如何形成變質(zhì)巖的？變質(zhì)巖的形成主要有五種方式：

1．變質(zhì)結(jié)晶作用（變質(zhì)反應(yīng)）2．變質(zhì)重結(jié)晶作用3．變形作用4．變質(zhì)分異作用5．交代作用（巖石流體相互作用）1.變質(zhì)反應(yīng)的類型變質(zhì)反應(yīng)變質(zhì)反應(yīng)的概念：巖石在變質(zhì)過程中最主要的變化是礦物成分的變化，而礦物成分變化都是通過特定的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)的。這種發(fā)生在變質(zhì)作用條件下的化學(xué)反應(yīng)稱作變質(zhì)反應(yīng)分類：參與反應(yīng)的物相種類反應(yīng)物與生成物關(guān)系

固-固反應(yīng)連續(xù)反應(yīng)

有流體相參加的反應(yīng)不連續(xù)反應(yīng)

變質(zhì)反應(yīng)的影響因素-原巖成分;結(jié)構(gòu)構(gòu)造;環(huán)境的物化條件1.變質(zhì)反應(yīng)的類型變質(zhì)反應(yīng)書寫變質(zhì)反應(yīng)方程式原則高溫礦物組合寫在右側(cè)，低溫礦物組合寫在左側(cè)正向反應(yīng)：升溫過程從左至右的反應(yīng)逆向反應(yīng)：降溫過程自右至左的反應(yīng)水化反應(yīng)VS脫水反應(yīng)？脫碳酸反應(yīng)VS碳酸化反應(yīng)？變質(zhì)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)在平衡時的基本熱力學(xué)方程是：

d(△G)=0=△VdP－△SdT式中：△G為反應(yīng)的吉布斯自由能的變化；

△S為反應(yīng)的熵變；

△V為反應(yīng)的摩爾體積變化。

Clausius-Clapeyron方程

dP/dT=△S/△V

dP/dT為P-T圖解上的反應(yīng)曲線斜率

復(fù)習(xí)知識：1.變質(zhì)反應(yīng)的類型1.變質(zhì)反應(yīng)的類型變質(zhì)反應(yīng)變質(zhì)反應(yīng)類型固體-固體反應(yīng)有流體相存在的反應(yīng)連續(xù)與不連續(xù)反應(yīng)同質(zhì)多相變體反應(yīng)固溶體的出溶礦物有序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變純固相間的反應(yīng)水化和脫水反應(yīng)碳酸化和脫碳酸水+二氧化碳氧化還原反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型變質(zhì)反應(yīng)固體-固體的反應(yīng)特點：反應(yīng)物與生成物均為固體受溫度、壓力控制-溫壓指示計

P-T圖解為直線Clausius-Clapeyron方程

dP/dT=△S/△V

dP/dT為P-T圖解上的反應(yīng)曲線斜率

變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：

同質(zhì)多相變體的轉(zhuǎn)變-多形轉(zhuǎn)變固體-固體的反應(yīng)化學(xué)組成相同的固體，在不同的熱力學(xué)條件下，常會形成晶體結(jié)構(gòu)不同的同質(zhì)異構(gòu)體，這種現(xiàn)象叫同質(zhì)多晶或同質(zhì)多相現(xiàn)象。變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型

實例：紅柱石（And）藍晶石（Ky）夕線石（Sil）A12SiO5（紅柱石）=A12SiO5（矽線石）Ky=And；Ky=Sil；And=SilVAnd=51.5；VSil=49.90；VKy=44.09；變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型Ab=Jd+QAl2SiO5變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型

實例：Coe（柯石英）=QDia（金剛石）=Gra（石墨）

變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：

固溶體的出溶固體-固體的反應(yīng)出溶：高溫時固溶體礦物為均一的一相，當(dāng)溫度降低到固溶體分解曲線之下，就會分解為成分不同的兩相。變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：

固溶體的出溶固體-固體的反應(yīng)出溶的兩相往往呈頁片狀、條紋狀交生體，也可最終分解為兩個礦物單晶。變質(zhì)巖中常見的條紋長石、具斜方輝石頁片的單斜輝石及暈長石都是固溶體出溶結(jié)果。變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：

礦物有序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變固體-固體的反應(yīng)

長石中的A1-Si、某些鐵鎂礦物中的Mg-Fe、高鎂方解石和白云石中的Ca-Mg均存在占位有序度。變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：

純固相之間的反應(yīng)固體-固體的反應(yīng)反應(yīng)物和生成物是化學(xué)成分不同的純固相礦物例：NaAlSi2O6+SiO2=NaAlSi3O8Jd（硬玉）QAb該反應(yīng)有較平緩的正斜率，是較好的地質(zhì)壓力計：礦物組合Jd+Q的出現(xiàn)是高壓的標(biāo)志。變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型

變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型

變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型

變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型

有流體相存在的反應(yīng)

這類反應(yīng)有流體相的參加，變質(zhì)反應(yīng)中起重要作用的流體相主要是H2O、CO2、O2。其控制因素除了T、P外，體系的流體相的xH2O、xCO2、fO2等起著重要的作用。一般不是良好的溫壓指示計?！鱏、△V都明顯受P、T的影響，△S/△V不是一個常數(shù)，所以，在P-T圖解上，有流體相參加的反應(yīng)是斜率不斷變化的曲線。變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：Greenwood（1967）

簡單的脫水反應(yīng)

標(biāo)準(zhǔn)式為B=D+H2O

平衡溫度隨著XH2O增加而增高，當(dāng)XH2O=1時平衡溫度最高。有流體相存在的反應(yīng)變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型固定壓力下各種反應(yīng)平衡曲線主要形狀的T-X概略圖解變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型

標(biāo)準(zhǔn)式為B=D+CO2

平衡溫度隨著XCO2增加而增高，當(dāng)XCO2=1時平衡溫度最高。有流體相存在的反應(yīng)類型：Greenwood（1967）

簡單的脫碳酸反應(yīng)變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型固定壓力下各種反應(yīng)平衡曲線主要形狀的T-X概略圖解變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：Greenwood（1967）

脫水-脫碳酸反應(yīng)

含泥的碳酸鹽巖及含碳酸鹽礦物的其它成分的巖石常發(fā)生的礦物相變化標(biāo)準(zhǔn)式為B=D+H2O+CO2T-x平衡曲線為上凸形。當(dāng)XCO2=nCO2/(nH2O+nCO2)時平衡溫度最高。有流體相存在的反應(yīng)變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型固定壓力下各種反應(yīng)平衡曲線主要形狀的T-X概略圖解變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：Greenwood（1967）

碳酸鹽化-脫水反應(yīng)

標(biāo)準(zhǔn)式為B+CO2=D+H2OT-x平衡曲線為S形。平衡溫度隨XH2O增加而增加，XH2O=1時平衡溫度最高

有流體相存在的反應(yīng)變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型固定壓力下各種反應(yīng)平衡曲線主要形狀的T-X概略圖解變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：Greenwood（1967）

水化-脫碳酸反應(yīng)

標(biāo)準(zhǔn)式為B+H2O=D+CO2T-x平衡曲線為反S形。平衡溫度隨XCO2增加而增加，XCO2=1時平衡溫度最高

有流體相存在的反應(yīng)變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型固定壓力下各種反應(yīng)平衡曲線主要形狀的T-X概略圖解變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型-本教材：脫水反應(yīng)含水礦物常發(fā)生的礦物相變化例：Al2Si4O10(OH)2=Al2SiO5+3SiO2+H2OPrL(葉臘石）And(紅柱石)

平衡溫度隨著XH2O增加而增高，XH2O

=1時平衡溫度最高。

有流體相存在的反應(yīng)變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：

脫水反應(yīng)KAl2[AlSi3O10](OH)2+SiO2=KAlSi3O8+Al2SiO5+H2OMS(白云母）QOr(正長石）Als(鋁硅酸鹽)中級變質(zhì)組合高級變質(zhì)組合高級變質(zhì)與中級變質(zhì)的臨界反應(yīng)

有流體相存在的反應(yīng)變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型反應(yīng)Ms+Q=Or+Als+H2O的P-T-X圖解（左）和P=1.0GPa下的T-X圖解（右）變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：

脫碳酸反應(yīng)含碳酸鹽質(zhì)巖石常發(fā)生的礦物相變化例：CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2CcWo(硅灰石)

平衡溫度隨著XCO2增加而增高，XCO2

=1時平衡溫度最高。中級變質(zhì)與高級變質(zhì)的臨界反應(yīng)

有流體相存在的反應(yīng)變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型

例：CaMg(CO3)2+2SiO2=CaMgSi2O6+2CO2DolDi(透灰石)Cc+Q=Wo+CO2（實線）和Dol+Q=Di+CO2（虛線）的P-T-X圖低級變質(zhì)與中級變質(zhì)的臨界反應(yīng)變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型中級高級脫水中級高級低級中級脫碳酸變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：

脫水和脫碳酸的反應(yīng)有流體相存在的反應(yīng)是含鈣變質(zhì)巖的常見反應(yīng)，也是低級變質(zhì)與中級變質(zhì)的臨界反應(yīng)。Ca2Mg5Si8O22（OH)2+3CaCO3+SiO2=5CaMgSi3O6+3CO2+H2OTr(透閃石）CcQDi(透輝石）

低溫礦物組合當(dāng)XCO2=nCO2/(nH2O+nCO2)=？時平衡溫度最高。變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型反應(yīng)Tr+3Cc+Q=5Di+3CO2+H2O的P-T-X圖（左）和P=0.2GPa下的T-X圖（右）變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型類型：

氧化-還原反應(yīng)有流體相存在的反應(yīng)含有變價元素的礦物存在，因fO2的變化發(fā)生的變質(zhì)反應(yīng)

6Fe2O3=4Fe3O4+O2

赤鐵礦磁鐵礦

2Fe3O4+3SiO2=3Fe2SiO4+O2

磁鐵礦鐵橄欖石變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型不連續(xù)反應(yīng)連續(xù)反應(yīng)和不連續(xù)反應(yīng)

反應(yīng)物和生成物之間的關(guān)系是突變的，在給定壓力和流體成分條件下，反應(yīng)在一個特定的溫度發(fā)生。在P-T，P-x，T-x等雙變量圖解上反應(yīng)物、生成物只能在單變反應(yīng)線上共生。偏離了平衡條件，不是反應(yīng)物消失（生成物穩(wěn)定）就是反應(yīng)物穩(wěn)定（生成物消失），這樣的反應(yīng)稱為不連續(xù)反應(yīng)。

變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)反應(yīng)的類型變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型不連續(xù)反應(yīng)連續(xù)反應(yīng)和不連續(xù)反應(yīng)3(Fe,Mg)Al2SiO5(OH)2+3(Fe,Mg)3Al2Si3O2+21Al2SiO5=Cld(硬綠泥石)Gt(石榴石)Als(紅柱石)6(Fe,Mg)2A19O6[SiO4]4(OH)2+19SiO2St(十字石)變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型連續(xù)反應(yīng)連續(xù)反應(yīng)和不連續(xù)反應(yīng)

成分可變的固溶體，反應(yīng)物與生成物之間的關(guān)系是漸變的，在給定壓力和流體成分條件下，反應(yīng)在一個溫度范圍內(nèi)連續(xù)發(fā)生。在P-T、P-X、T-X等雙變量圖解上，反應(yīng)物和生成物在雙變反應(yīng)區(qū)內(nèi)共存。在雙變區(qū)中，成分不斷調(diào)整，反應(yīng)的P-T條件取決于巖石成分。這樣反應(yīng)稱為連續(xù)反應(yīng)或滑動反應(yīng)。變質(zhì)反應(yīng)1.變質(zhì)反應(yīng)的類型連續(xù)反應(yīng)

連續(xù)反應(yīng)和不連續(xù)反應(yīng)3(Mg,Fe)2Al4Si5O18=2(Mg,Fe)3Al2Si3O12+4Al2SiO5+5SiO2

Crd(堇青石)Gt(石榴石)Sil(矽線石)授課內(nèi)容變質(zhì)反應(yīng)的類型變質(zhì)因素對變質(zhì)反應(yīng)的制約變質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)的概念-了解變質(zhì)反應(yīng)實驗資料變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)因素對變質(zhì)反應(yīng)的制約

溫度

溫度升高有利于吸熱反應(yīng)的進行，也有利于脫流體相反應(yīng)的進行，更有利于自由能較高的礦物組合的穩(wěn)定，溫度升高還可以大大提高變質(zhì)反應(yīng)的速率。溫度不是孤立的對變質(zhì)作用起影響，而是同其他變質(zhì)因素一起控制著變質(zhì)反應(yīng)的進行。例如，流體相的存在就是十分重要的條件。如果沒有流體相的存在，即使溫度很高，變質(zhì)反應(yīng)也很難進行，就是能進行，反應(yīng)的速率也很緩慢。變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)因素對變質(zhì)反應(yīng)的制約負荷壓力(P1)

總體說，壓力增加有利于生成摩爾體積小的礦物組合，不利于脫流體相反應(yīng)的進行。對于具體變質(zhì)反應(yīng)平衡溫度的影響，視反應(yīng)在P-T雙變圖上的斜率不同，作用是不一樣的。在P-T圖解上，單變反應(yīng)的斜率dP/dT正值，P增大，會使反應(yīng)的平衡溫度升高；相反，dP/dT為負值時，P增大會降低反應(yīng)的平衡溫度。變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)因素對變質(zhì)反應(yīng)的制約流體壓力(Pf)

流體壓力Pf與P1的關(guān)系在變質(zhì)作用中情況復(fù)雜當(dāng)Pf=P1時，Pf并不獨立起作用，對變質(zhì)反應(yīng)的效應(yīng)同P1。在開放體系中Pf<P1

，在高級變質(zhì)條件下部分融熔的發(fā)生，消耗了一部分流體相，也會出現(xiàn)Pf<P1

，此時，對于脫流體相反應(yīng)則會大大有利。使反應(yīng)的平衡溫度降低，甚至?xí)狗磻?yīng)由正斜率變?yōu)樨撔甭?。變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)因素對變質(zhì)反應(yīng)的制約流體壓力(Pf)Wall和Essene計算了葉臘石分解反應(yīng)：A12Si4O10(OH)2=A12SiO5+3SiO2+H2OPrl(葉臘石)Ky(藍晶石）當(dāng)PH2O/P1

，分別為1.0，0.5，0.1時單變線在P-T圖上的位置。當(dāng)出現(xiàn)局部流體相的構(gòu)造超壓時，Pf>P1

，此時，一般不利于脫流體反應(yīng)的進行，會使反應(yīng)的平衡溫度升高。變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)因素對變質(zhì)反應(yīng)的制約流體壓力(Pf)變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)因素對變質(zhì)反應(yīng)的制約流體相的組成如流體相是H2O和CO2的混合相，此時xH2O或XCO2的大小，也是控制脫H2O及脫CO2反應(yīng)的獨立變量。例如，當(dāng)硅質(zhì)石灰?guī)r受熱變質(zhì)時，會發(fā)生反應(yīng)：

CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2格林伍德(1967)曾對這一反應(yīng)在不同的xCO2值時在P-T圖上單變線的位置作過研究，當(dāng)xCO2由0→1時，在0.1GPa的總壓力下，平衡溫度提高了250℃，在壓力為0.2GPa時，平衡溫度提高了350℃。變質(zhì)反應(yīng)2.變質(zhì)因素對變質(zhì)反應(yīng)的制約氧逸度(fO2)

fO2對含變價元素礦物的變質(zhì)反應(yīng)效應(yīng)最顯著，對含H2O的變質(zhì)反應(yīng)的效應(yīng)也很重要。對含H2O的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)fO2增加時，使氧化礦物穩(wěn)定。為保持fO2值不變，O2就要不斷補充。O2最大的來源是H2O的分解。為保持xO就要使含H2O的礦物脫水，因此，在氧化反應(yīng)進行時，若fO2的增大，會導(dǎo)致促進脫水反應(yīng)的進行。授課內(nèi)容變質(zhì)反應(yīng)的類型變質(zhì)因素對變質(zhì)反應(yīng)的制約變質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)的概念-了解變質(zhì)反應(yīng)實驗資料變質(zhì)反應(yīng)3.變質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)的基本概念

變質(zhì)結(jié)晶作用的動力學(xué)基本概念

成核速率（N）單位體積中、單位時間內(nèi)形成的新礦物相的晶核數(shù)目。N=dn/dt

成核作用可分均態(tài)成核和非均態(tài)成核兩種。

均態(tài)成核作用在均勻介質(zhì)中進行，在整體介質(zhì)中成核的可能性相同，N=D0exp（-EA/KT）。式中：其中D0為速率常數(shù)，EA為成核激活能，相當(dāng)于成核作用消耗的體系的吉布斯函數(shù)改變值K是波爾茲曼常數(shù)，T是開爾文溫度。變質(zhì)反應(yīng)3.變質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)的基本概念

變質(zhì)結(jié)晶作用的動力學(xué)基本概念

成核速率（N）非均態(tài)成核作用，在異相界面上發(fā)生，即只在有利的介質(zhì)中進行，例如顆粒界面和裂隙處、氣液包裹體界面上，外來雜質(zhì)的加入等。其各相成核的機率是不相同的，其成核速率的影響因素就更復(fù)雜，主要有應(yīng)力的作用、晶體顆粒界面的形態(tài)、晶體內(nèi)部缺陷的狀態(tài)、雜質(zhì)的種類及多少等因素。變質(zhì)反應(yīng)3.變質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)的基本概念

變質(zhì)結(jié)晶作用的動力學(xué)基本概念

晶體生長速率（G）單位時間內(nèi)晶體粒度的增加。G=dr/dt

變質(zhì)結(jié)晶過程中T、t及晶體粒度可綜合考慮。

成核速率開始隨溫度按指數(shù)率增加，然后按指數(shù)率隨溫度增加而減小。

只要超過某一“臨界溫度”，晶體粒度隨時間而增加。只要超過某一“臨界溫度”，晶體生長速率隨溫度而增加。變質(zhì)反應(yīng)3.變質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)的基本概念

固相反應(yīng)機理

固相反應(yīng)的特點在較低的T下，固體中質(zhì)點也可能擴散遷移并且擴散的速度隨溫度的升高以指數(shù)率增長。固相之間可以進行反應(yīng)，在界面上生成新相的厚度（x）與反應(yīng)時間（t）成正比關(guān)系。

x=klnt+c

其中:k為積分常數(shù)，c為厚度常數(shù)變質(zhì)反應(yīng)3.變質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)的基本概念

固相反應(yīng)機理泰曼認為：固態(tài)物質(zhì)間的反應(yīng)是直接進行的，氣相或液相沒有或不起重要作用；固相反