變質(zhì)巖的形成過程 (1)

1、變質(zhì)巖石學(xué)Metamorphic Petrology,第一講 變質(zhì)巖的形成過程（1）,本講基本問題 問題（1）變質(zhì)作用與變質(zhì)巖概念（what） 問題（2）變質(zhì)巖是如何形成的呢？（How） 問題（3）變質(zhì)作用機(jī)制因何而啟動(dòng)和進(jìn)行？（Why） 問題（4）變質(zhì)作用發(fā)生的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境（Where）,沉積巖：表生環(huán)境 ，外力作用，風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積； 巖漿巖：地球內(nèi)部，上地幔或地殼深處，內(nèi)力作用，熾熱熔漿，結(jié)晶，地表冷凝結(jié)晶或淬火后冷凝固結(jié)； 變質(zhì)巖：地球內(nèi)部，內(nèi)力作用，原有巖石的基本固態(tài)下的成分與組構(gòu)轉(zhuǎn)變,一、變質(zhì)作用與變質(zhì)巖概念,變質(zhì)作用在地殼環(huán)境中，先存巖石（原巖,protolith）在固態(tài)下（下固

2、相線subsolidus）發(fā)生的成分、組構(gòu)轉(zhuǎn)變過程的總和； 變質(zhì)巖原巖成分與組構(gòu)經(jīng)固態(tài)轉(zhuǎn)變過程（變質(zhì)作用）而形成的新巖石。 原巖為巖漿巖正變質(zhì)巖（ortho-） 原巖為沉積巖副變質(zhì)巖（para-） 原巖為變質(zhì)巖復(fù)變質(zhì)巖（poly-）,二、變質(zhì)作用機(jī)制（How）,變質(zhì)作用機(jī)制：變質(zhì)結(jié)晶、變形、變質(zhì)分異； 深熔作用（anatexis）與部分熔融（partial melting巖漿巖成因術(shù)語）； 埋藏變質(zhì)（burial metamorphism）與成巖作用（diagenesis）過程的壓實(shí)、重結(jié)晶和交代作用，屬于沉積作用范疇）。,變質(zhì)結(jié)晶作用（Metamorphic crystallization）

3、,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)新礦物的結(jié)晶生長(zhǎng)。包括： 重結(jié)晶作用（等化學(xué)過程，封閉） 交代作用（異化學(xué)過程，開放）,1.1 重結(jié)晶作用（recrystallization）,在基本固體狀態(tài)下原巖礦物發(fā)生的結(jié)構(gòu)調(diào)整或化學(xué)反應(yīng)形式的再造過程。重結(jié)晶前后，巖石的造巖組分（除H2O、CO2等揮發(fā)分外）基本保持不變。特點(diǎn)： 等化學(xué)過程 封閉體系 礦物的成核、結(jié)晶生長(zhǎng)受表面能最低原理控制 可分狹義重結(jié)晶和變質(zhì)結(jié)晶（變質(zhì)反應(yīng)）兩種(Raymond, 2002),（1）狹義重結(jié)晶：(Recrystallization ,Raymond, 2002) 礦物成分不變下的結(jié)構(gòu)調(diào)整：

4、純灰?guī)r（沉）大理巖（變） 純石英砂巖（沉） 石英巖（變）,純灰?guī)r,粗粒大理巖,細(xì)粒大理巖,單礦物原巖 結(jié)構(gòu)變化成分不變,Raymond, 2002,細(xì)粒含石英大理巖新舊礦物更替和結(jié)構(gòu)變化（據(jù)Mason，1999） a. 反應(yīng)前：低溫下，微晶方解石Cc（CaCO3）與碎屑石英Q（SiO2） ，通過重結(jié)晶改變各自的大小和形狀，多處形成三聯(lián)點(diǎn)結(jié)構(gòu)； b. 在碎屑石英邊緣上生長(zhǎng)出Wo（稱反應(yīng)邊）： Cc+Q=Wo（CaSiO3）+ CO2 未參與化學(xué)反應(yīng)的方解石經(jīng)狹義重結(jié)晶加粗，三聯(lián)點(diǎn)結(jié)構(gòu)； c. 反應(yīng)后：因石英方解石，石英被全部消耗，未參與反應(yīng)的Cc和新生長(zhǎng)的Wo粒度進(jìn)一步加粗，形成高溫條件下的穩(wěn)定

5、礦物組合（Cc+Wo） 。,（2）變質(zhì)反應(yīng)：（Neocrystallization， Raymond, 2002 ）,（左）遠(yuǎn)離巖體的上奧陶統(tǒng)頁巖中的 含化石灰?guī)r結(jié)核. （右） 近巖體處，頁巖變質(zhì)巖角巖，灰?guī)r與頁巖反應(yīng)為以鈣長(zhǎng)石+透輝石為主要礦物的鈣硅粒巖殼,挪威Oslo裂谷二疊紀(jì)接觸變質(zhì)暈內(nèi)沉積巖向變質(zhì)巖的轉(zhuǎn)變露頭照片（據(jù)Kurt Rucher 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)生在不流動(dòng)的粒間孔隙溶液中；粒間孔隙溶液中某種活動(dòng)組分濃度或化學(xué)位梯度是運(yùn)移和交代的主要?jiǎng)恿Γ?交代作用也見于巖漿巖和沉積巖的形成過程；變質(zhì)交代作用僅指發(fā)生在變質(zhì)作用條件范

6、圍內(nèi)的交代作用。,舉例：判斷以下反應(yīng)是交代作用與變質(zhì)重結(jié)晶機(jī)制？,純橄欖巖蛇紋巖 重結(jié)晶機(jī)制（無主要造巖成分得失）： 2Mg2SiO4+3H2OH4Mg3Si2O9+Mg(OH)2 Fo(鎂橄欖石) Ser(蛇紋石) Brc(水鎂石) 交代機(jī)制（有主要造巖成分得失）： 3Mg2SiO4 + 4H2O + (SiO2) 2H4Mg3Si2O9 Fo 溶液中 Ser 思考題：地質(zhì)學(xué)和巖相學(xué)證據(jù)？,2. 變形 （Deformation),巖石在變質(zhì)作用的溫壓條件范圍內(nèi)，受到超過其最高彈性模量的應(yīng)力作用，將發(fā)生永久變形，使巖石的結(jié)構(gòu)和構(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)巖的地質(zhì)作用過程。

7、依據(jù)變形性質(zhì)可分脆性變形和韌性變形兩種。,脆性變形（brittle deformation）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)指出圖（1）和圖（2）中兩件巖石脆性變形的強(qiáng)弱程度？,韌性變形（ductile deformation）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)部的滑移（gliding）和位錯(cuò) （dislocation），鏡下可見晶體內(nèi)部發(fā)育書斜（多米諾骨牌）構(gòu)造、機(jī)械雙晶、扭折帶、變形紋、動(dòng)態(tài)重結(jié)晶等

8、；晶界塑性變形表現(xiàn)為邊界滾動(dòng)、滑動(dòng)和擴(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（ metamorphic differentiation ）,在變質(zhì)作用過程中，原先均勻的巖石經(jīng)變質(zhì)后成為不均勻甚至存在成分分“層”巖石的現(xiàn)象（Raymond, 1995），結(jié)果使巖石的構(gòu)造特征發(fā)生了改變，從而形成變質(zhì)巖的作用過程。變質(zhì)分異嚴(yán)格來說應(yīng)指封閉體系內(nèi)的組分調(diào)整，以便于與交代作用相區(qū)別，但往往不易區(qū)分。另外變質(zhì)分異與構(gòu)造分異也密不可分。,變質(zhì)分異產(chǎn)生不均勻或成分層的現(xiàn)象與機(jī)理 （1）變斑晶形成 （2）擴(kuò)散反應(yīng)帶 （交代作用？開放？） （3）構(gòu)造剪切分異：淺變質(zhì)巖中的石英脈 （4

9、）構(gòu)造壓扁（圖17-8？）,高級(jí)片麻巖區(qū)四種典型露頭尺度遞進(jìn)變形示意圖所有這些遞進(jìn)變形都形成相同的條帶狀片麻巖（Passchier et al., 1990）,(a)網(wǎng)狀巖脈的均勻變形,(b)巖石碎塊的均勻變形,（c）粒度不均勻的均質(zhì)火成巖（例如斑狀花崗巖）的均勻變形,(d).均質(zhì)火成巖（例如輝長(zhǎng)巖）的不均勻變形,三、變質(zhì)作用影響因素（What）,變質(zhì)作用因素指使變質(zhì)作用得以發(fā)生和發(fā)展的原因或誘因。 地質(zhì)原因：地質(zhì)環(huán)境的改變，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)造過程（增厚、減薄、俯沖、折返、深埋、隆/抬升，等）和巖漿作用等。 物化和動(dòng)力學(xué)因素：可以抽象為溫度

10、（T ）、壓力（P ）、流體組分（x ）、時(shí)間（t ）等因素，這也是將物理化學(xué)和動(dòng)力學(xué)引入變質(zhì)巖石學(xué)研究的基礎(chǔ)。,1.1 （對(duì)變質(zhì)作用機(jī)制的）影響 對(duì)于變質(zhì)重結(jié)晶作用，升溫有利于吸熱反應(yīng)(如脫揮發(fā)份反應(yīng)) ，促進(jìn)晶體的溶解和生長(zhǎng)，提高反應(yīng)速率；降低溫度將使變質(zhì)反應(yīng)向放熱方向進(jìn)行，利于水化和碳酸鹽化反應(yīng)進(jìn)行； 對(duì)于變形作用，溫度升高利于巖石從脆性變形向韌性變形轉(zhuǎn)變，影響巖石的變形行為； 對(duì)于交代作用和變質(zhì)分異作用，溫度升高有利于進(jìn)行； 溫度的持續(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 condition, heat),溫度是熱的標(biāo)量。變質(zhì)作用的

11、熱源主要有地幔對(duì)流熱、地殼放射性元素蛻變產(chǎn)生的放射性熱、巖漿結(jié)晶潛熱和構(gòu)造摩擦熱等。,1.2 變質(zhì)作用溫度范圍,變質(zhì)作用溫度-壓力范圍圖解 實(shí)驗(yàn)確定的白云母花崗巖(14)和拉斑玄武巖(58)的熔融間隔(引自Miyashiro,1994) 。實(shí)線表示無水條件，虛線表示過量水條件。白云母花崗巖過量水條件下的固相線和液相線分別為1、2，無水條件下的固相線和液相線分別為3、4；對(duì)拉斑玄武巖，過量水條件下的固相線和液相線分別為5、6，無水條件下的固相線和液相線分別為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.自然界未知的條件區(qū)。變質(zhì)作用條件(MT)與巖漿作用條件(MG

12、)間有一個(gè)范圍廣大的P-T過渡區(qū)，在熔融曲線18之間 按變質(zhì)作用的溫度范圍分：極低溫、低溫、中溫、高溫和超高溫變質(zhì)，相應(yīng)的變質(zhì)程度劃分為極低、低、中、高、極高級(jí)變質(zhì),巖柱壓力（Pl lithostatic pressure） 流體壓力（Pf fluid pressure） 偏 應(yīng) 力（Pd directed pressure）,熱力學(xué)壓力稱靜水壓力（Ps-hydrostatic pressure），影響著化學(xué)反應(yīng)的平衡溫度。,2. 壓力（Pressure condition）,2.1 變質(zhì)作用壓力分類,巖柱壓力（Pl）各向同性：Pl = gD Pl (GPa) = 9.81 D(Km)10-3

13、 （ =2700kg/m3）,流體壓力：Pf = PH2O+PCO2+ . 流體超壓= Pf - Pl,定向應(yīng)力 （Pd）向各異性 偏應(yīng)力（非靜水壓力） = A- B 0 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/偏應(yīng)力指向地心的分應(yīng)力-巖柱壓力（ Pl）,2.2 巖柱壓力范圍,變質(zhì)作用壓力條件范圍 實(shí)驗(yàn)確定的變質(zhì)反應(yīng)將變質(zhì)作用按壓力條件劃分為低壓、中壓、高壓和超高壓變質(zhì)：低壓低于藍(lán)晶石、紅柱石和矽線石（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）多型之前的壓力條件；超高壓柯石英（Coe）至金

14、剛石（Dia）,2.4 壓力對(duì)變質(zhì)作用機(jī)制的影響,（1）巖柱壓力（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）,液體（liquid）、蒸汽 （Steam ）、超臨界流體（supercritical fluid） 流體成分（以水為例）來源：原巖中的同生水+大氣水、俯沖帶卷入的海水、變質(zhì)反應(yīng)釋放水、巖漿冷凝釋放水、深源水（少），可高達(dá)5wt%,頁巖和玄武巖變質(zhì)的H2O含量變化 (after Kurt Rucher & Rodney Grapes, 2011 who redrawn from Fyfe et al. 1978),變質(zhì)作用過程當(dāng)液體相呈超臨界狀點(diǎn)（H2O: 374

15、oC， 21.77 MPa）或以上溫度時(shí)，液體相和蒸汽相具有相同的密度。 流體成分以H2O, CO2, 為主體；含鹵素和堿金屬元素或大半徑親石元素的流體，常具有極強(qiáng)的交代能力，習(xí)稱具化學(xué)活動(dòng)性的流體； 流體的作用與影響： 流體中的成分可成為礦物晶格的一部分（變質(zhì)反應(yīng)），直接構(gòu)成巖石的一部分組成； 影響某種流體組分的分壓，影響相關(guān)變質(zhì)反應(yīng)的平衡溫度； 流體作為介質(zhì)為組分運(yùn)移提供載體，或媒質(zhì)促進(jìn)礦物的溶解速率、促進(jìn)深熔作用和交代作用，降低脆-韌性變形的轉(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：一是變質(zhì)作用發(fā)生的地質(zhì)時(shí)代（Geological age），即不同時(shí)代變質(zhì)作用的特點(diǎn)

16、不同，這是由地球演化的方向性和不可逆性決定的；二是一次變質(zhì)作用事件經(jīng)歷的時(shí)間跨度（time span通常為10-50 Ma），尤其是變質(zhì)作用溫度條件最高階段（熱峰）持續(xù)時(shí)間。熱峰持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，變質(zhì)反應(yīng)越徹底。 熱力學(xué)只考慮過程的始態(tài)和終態(tài)，而動(dòng)力學(xué)則考慮過程，時(shí)間是一個(gè)重要參數(shù)。變質(zhì)動(dòng)力學(xué)是變質(zhì)巖石學(xué)研究的一個(gè)極其重要的學(xué)科前沿：視考慮的尺度分為變質(zhì)作用地球動(dòng)力學(xué)（dynamics）和變質(zhì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（kinetics）兩個(gè)領(lǐng)域。,四、變質(zhì)作用地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境,2區(qū)域構(gòu)造環(huán)境變質(zhì)作用 (Regional Metamorphism) 俯沖帶變質(zhì)作用 (subduction zone metamorph

17、ism) 碰撞帶變質(zhì)作用 (collision zone metamorphism) 洋底變質(zhì)作用 (ocean floor metamorphism) 埋藏變質(zhì)作用 (burial metamorphism),1局域變質(zhì)作用 (Local Metamorphism) 接觸熱變質(zhì)作用 (contact metamorphism) 動(dòng)力變質(zhì)作用 (dynamic metamorphism) 沖擊變質(zhì)作用 (impact or shock metamorphism) 交代變質(zhì)作用 (metasomatic metamorphism),古大陸代號(hào)：SB-華南；Aus-澳大利亞；Sib-西伯利亞；In

18、-印度；Ka-卡拉哈里；E Ant-南極東部；Lau-勞倫；Con-剛果；Amz-亞馬遜；WAfr-西非；Bal-波羅的。,全球Rodinia超大 陸復(fù)原圖（據(jù)Hoffman，1991）依據(jù)：1.2-0.9 Ga碰撞造山帶是當(dāng)時(shí)全球分離的古陸塊經(jīng)洋殼俯沖削減后，在陸-陸碰撞匯聚過程中的最終產(chǎn)物,五、變質(zhì)巖的成因類型,1局部變質(zhì)作用 （1）接觸變質(zhì)巖 （2）動(dòng)力變質(zhì)巖 （3）交代巖 （4）邊緣混合巖,2區(qū)域變質(zhì)作用 （1）區(qū)域變質(zhì)巖 （2）洋底變質(zhì)巖 （3）埋藏變質(zhì)巖 （4）區(qū)域混合巖,本講小結(jié),變質(zhì)作用是先存巖石為適應(yīng)地質(zhì)構(gòu)造及對(duì)應(yīng)的物理化學(xué)環(huán)境的改變而在成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等方面固態(tài)調(diào)整和改變；變質(zhì)巖是此種調(diào)整和改變過程的產(chǎn)物。 先存巖石轉(zhuǎn)變?yōu)樽冑|(zhì)巖的機(jī)制或方式主要有變質(zhì)結(jié)晶、變形和變質(zhì)分異等三種；其中，變質(zhì)結(jié)晶是變質(zhì)巖形成的最主要機(jī)制，而變質(zhì)分異與構(gòu)造分異一般不易區(qū)分。 變質(zhì)作用機(jī)制的啟動(dòng)與進(jìn)行在地質(zhì)上緣于先存巖石構(gòu)造環(huán)境的改變，在物理化學(xué)上受控于（熱流）溫度（200 1000oC，0.001 4.0 G