變質(zhì)巖石學 第一章變質(zhì)作用概述

第四篇變質(zhì)巖石學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)作用是一個動態(tài)過程。變質(zhì)作用（Metamorphism）一詞是由法國學者Boue(1820)年首次提出來的，后來由英國學者C.Lyell(1833)在他的名著《地質(zhì)學原理》中比較系統(tǒng)地進行了論述。定義：指在地殼形成和發(fā)展的過程中，由于物理化學條件的改變，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)造的變化的過程。變質(zhì)作用的概念變質(zhì)作用的概念應強調(diào)以下幾點:（1）變質(zhì)作用是一種改造作用，這種改造發(fā)生在風化帶和膠結(jié)帶以下，原巖經(jīng)過改造后在固態(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)過程中巖石基本上保持固態(tài)，并且強調(diào)溫度的遞增過程，這一點與巖漿作用不同。巖漿作用強調(diào)礦物從硅酸鹽熔融體中結(jié)晶，是晶體-液態(tài)的平衡，并強調(diào)溫度下降過程。當變質(zhì)作用溫度較高時，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。當熔體數(shù)量較多時轉(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)時間(t)取決于物理化學條件，即外部因素一、溫度它是變質(zhì)作用的主導因素。溫度范圍:200-8000C，超高壓可達10000C。變化原因:

巖漿；深部熱流；地殼放射熱；機械摩擦；地熱增溫（正常情況25-30C

/km)。

主要作用：可導致重結(jié)晶、變質(zhì)反應、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)

導致重結(jié)晶作用 隨著T增加，巖石內(nèi)部質(zhì)點活動能力增加，質(zhì)點重新排列——晶粒由小變大，由細變粗。例如

石灰?guī)r(沉積巖)大理巖(變質(zhì)巖)促進礦物之間的化學反應,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.導致溫度升高的熱源(1)地熱：地熱增溫率7-60℃/km,

例如若一般地區(qū)為25℃/km，則在Moho附近，可 以達到800℃左右(2)巖漿侵入：巖漿侵入－冷卻－散熱(3)構(gòu)造運動：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、流體壓力和應力)1.靜壓力（均向壓力）概念：負荷壓力，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=1萬大氣壓地殼巖石按照比重計算：100km=30kb因此：一般 Moho面＝10kb

地心壓力＝350GPa

實驗室能達到＝550GPa1bar=0.987個大氣壓靜壓力的常用單位換算關(guān)系：作用:

（1）控制變質(zhì)反應方向，影響變質(zhì)反應溫度

（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CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2105Pa,4700C108pa,6700C靜壓力范圍：動力變質(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、顯微裂隙和毛細孔隙中的流體，包括水、CO2，O2等。流體對其存在的空間壁會有一定的壓力，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)對有流體參與的變質(zhì)反應的溫度有影響，例如：

CaCO3+SiO2

CaSiO3+CO2↑

PCO2↗,反應的T↗(2)流體壓力增大可以促進巖石顆粒重結(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）應變：巖石遭受應力作用所產(chǎn)生的反應。（彈性變形、永久變形）分類：張應力、壓應力、剪應力。

作用1.機械改造。是巖石優(yōu)選組構(gòu)的主要因素。2.影響變質(zhì)反應、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、應力a.張應力（s3）及應變特點

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.壓應力（s3）及應變特點

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

沿一組平行的面滑動或旋轉(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)反應方向。例如Cc+Q

Wo+CO2降低巖石熔點。長英質(zhì)巖:無水9500C,含水6400C4.變質(zhì)反應的催化劑。例如鐵橄欖石的合成實驗：2MgO+SiO2Mg2SiO4

在干體系10000C條件下,須時近四天,只有26%轉(zhuǎn)化；在濕體系4600C條件下,只須時間幾分鐘,就全部轉(zhuǎn)化。三、具化學活動性流體四、時間實驗室的化學反應——瞬間地球系統(tǒng)的化學反應——漫長

在實驗室短時間內(nèi)無法發(fā)生的變質(zhì)反應和變質(zhì)作用（以天、月計算），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），以百萬年為單位。歸納變質(zhì)作用因素為：T、P、流體、時間變質(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:影響物化平衡的獨立因素，有時對礦物組合起決定作用；3.流體:是變質(zhì)作用得以實現(xiàn)的基本因素，但溫度又是流體具有活動性的前提；4.時間:控制著變質(zhì)反應的進程和規(guī)模。相互關(guān)系---相互促進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、動力變質(zhì)作用在構(gòu)造運動產(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)作用具有化學活動性的熱水溶液和氣體對巖石進行交代，而使巖石發(fā)生變質(zhì)的作用主要因素：化學活動性流體，溫度來源：巖漿的揮發(fā)分，地殼內(nèi)的熱水結(jié)果：巖石化學成分變化四、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，是在地殼活動帶發(fā)生的變質(zhì)作用主要因素：復雜，T、P、流體都有結(jié)果：使巖石強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—陽起石綠泥石黑云母—較高級在高級區(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程。它是變質(zhì)作用向巖漿作用的過度類型,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 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)晶作用實例含石英大理巖的結(jié)構(gòu)演化（Mason（1999）繪，有所修改補充）a.低溫下Cc+Q平衡結(jié)構(gòu)；b.溫度超越Cc+Q=Wo+CO2↑反應溫度時，粒度增大的同時Q與Cc反應，形成Wo反應邊。在Wo集合體內(nèi)有少量Q殘留，不平衡結(jié)構(gòu)；c.反應完全，粒度進一步增大，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，一般通過特定的化學反應來實現(xiàn)，這種化學反應稱為變質(zhì)反應。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)反應紅柱石-藍晶石-矽線石三者之間的同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變?nèi)⒔淮饔糜捎诹黧w的遷移使固態(tài)巖石與外界產(chǎn)生復雜物質(zhì)交換，從而改變巖石化學成分的一種變質(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+實際上，這就是鈉長石化作用帶入帶出鉀長石鈉長石四、變質(zhì)分異作用在變質(zhì)作用