第一节变质作用的基本概念(变质岩)15

1、第三篇 变质岩石学(1) 是与地壳形成和发展密切相关的一种地质作用；是与地壳形成和发展密切相关的一种地质作用；(2) 地壳已存岩石在基本保持固态条件下的转变过程；地壳已存岩石在基本保持固态条件下的转变过程；(3) 在特殊条件下，还可以产生重熔，形成部分流体相在特殊条件下，还可以产生重熔，形成部分流体相(岩浆岩浆)；(4) 变质作用是一个动态过程。变质作用是一个动态过程。在地壳形成和发展的过程中，由于物理化学条件的改变，早先形在地壳形成和发展的过程中，由于物理化学条件的改变，早先形成的岩石在固态条件下所发生的矿物成分、结构构造的变化，称成的岩石在固态条件下所发生的矿物成分、结构构造的变化，称变质

2、作用变质作用。关于变质作用的概念应强调以下几点关于变质作用的概念应强调以下几点:(1) 变质作用是一种改造作用，这种改造发生在变质作用是一种改造作用，这种改造发生在风化带风化带和和胶结带胶结带以以 下，下，经过改造后在固态下转变为一种新的岩石。经过改造后在固态下转变为一种新的岩石。 (2) 变质过程中岩石基本上保持固态，并且强调温度的递增过程，变质过程中岩石基本上保持固态，并且强调温度的递增过程， 这一点与岩浆作用不同。这一点与岩浆作用不同。后者强调的是后者强调的是矿物从硅酸盐熔融体中矿物从硅酸盐熔融体中 结晶结晶，所涉及的是晶体液态的平衡，并强调温度的下降过，所涉及的是晶体液态的平衡，并强调

3、温度的下降过 程。程。当变质作用温度较高时，岩石可发生部分熔融当变质作用温度较高时，岩石可发生部分熔融，出现一定，出现一定 数量的熔体，这些熔体与固态残余物之间可发生混合岩化作数量的熔体，这些熔体与固态残余物之间可发生混合岩化作 用。用。变质岩：变质作用所形成的岩石称为变质岩正变质岩：原岩为岩浆岩经变质作用形成的变质岩。副变质岩：原岩为沉积岩经变质作用形成的变质岩叠加变质岩：原岩为变质岩经变质作用形成的变质岩 变质岩石类型众多，可形成于不同时期和不同地区，但多数分布在古老的结晶地块和构造活动带中。既可出露于地台，也可出现于较新的，分布遍及大陆和海洋。一、变质岩研究的意义 变质岩是地壳的重要组成

4、部分，是来自地壳深部的使者，给我们带来了地壳深部的有关信息。 其研究意义是： 了解深部地壳的组成和早期地壳演化； 恢复变质时期地壳的热力学演化历史； 恢复原岩建造； 指导找矿。第一节 变质作用的基本概念变质作用是一个下的转变过程。此外，在高级变质中还可出现主要属于在很低级变质(埋藏变质)中甚至可出现主要属于。指原岩中的矿物发生溶解、组分迁移、再沉淀结晶，致使指原岩中的矿物发生溶解、组分迁移、再沉淀结晶，致使矿物形状、大小发生变化，而无新矿物相形成的作用。矿物形状、大小发生变化，而无新矿物相形成的作用。例如：例如：石灰岩因方解石在变质作用过程中发生重结晶变成石灰岩因方解石在变质作用过程中发生重结

5、晶变成大理岩大理岩2. 变质结晶作用变质结晶作用岩石在基本保持固体状态下，原岩中化学成分重新组合而形成新矿物的作用。通过化学反应形成新矿物的过程形成新矿物的过程。重结晶前后，岩石总化学成分不变(除H2O、CO2外，封闭系统)。 渗透：渗透：裂隙溶液中组分迁移驱动力为压力差裂隙溶液中组分迁移驱动力为压力差固体岩石在化学活动性流体作用下化学活动性流体作用下通过组分带入带出带入带出而使岩石总化学成分和矿物成分发生变化的过程。岩石在交代过程中保持体积不变(开放系统)。 扩散：扩散：粒间孔隙溶液中组分迁移驱动力为浓度差粒间孔隙溶液中组分迁移驱动力为浓度差3. 交代作用交代作用使原先均匀的岩石发育成分层的

6、变质过程使原先均匀的岩石发育成分层的变质过程(成分层：条成分层：条带状或透镜状矿物集合体带状或透镜状矿物集合体)变质分异产生成分层的机理主要有：变质分异产生成分层的机理主要有：(1) 成分层代表扩散反应带成分层代表扩散反应带(2) 成分层的发育是构造重结晶的结果成分层的发育是构造重结晶的结果(优先成核、压溶优先成核、压溶)(3) 成分层是强烈压扁成分层是强烈压扁(塑性变形塑性变形)的结果的结果图17-9 高级片麻岩区四种典型的露头尺度进变形所有这些递进变形都形成相同的平行层状的片麻岩岩脉网络的均匀变形岩石碎块的均匀变形粒度不均匀的均质火成岩（如斑状花岗岩）的均匀变形均质火成岩（如辉长岩）的不均

7、匀变形 不同环不同环境条件境条件 不同变不同变形行为形行为 a. 近地表低温低压和较高应变速率条件下近地表低温低压和较高应变速率条件下，岩石显，岩石显示示脆性行为脆性行为，永久变形机制为脆性变形，表现为岩，永久变形机制为脆性变形，表现为岩石沿裂缝破裂，产生碎裂和断裂石沿裂缝破裂，产生碎裂和断裂b. 地下高温高压特别是当应变速率低时地下高温高压特别是当应变速率低时，岩石显示，岩石显示塑性行为塑性行为，岩石永久变形主要由于塑性流动产生，岩石永久变形主要由于塑性流动产生，导致矿物畸变和褶皱而没有破裂导致矿物畸变和褶皱而没有破裂 偏应力施加于岩石，当应变增加至超越弹性极限，岩石就会产生永久变形偏应力施

8、加于岩石，当应变增加至超越弹性极限，岩石就会产生永久变形 在过渡区，岩石变形行为既有脆性特征，又有塑性特征 ，永久变形由于碎裂流动而产生。变形岩石宏观上显塑性变形特征，微观上显脆性变形特征。 控制变质作用的根本因素是控制变质作用的根本因素是地质因素地质因素，如：大地构造位置，如：大地构造位置(岛弧、岛弧、海沟、洋中脊等海沟、洋中脊等)、构造过程、构造过程(沉降、隆升等沉降、隆升等)、岩浆作用等。、岩浆作用等。从物理化学角度看从物理化学角度看（物理化学因素）（物理化学因素）1. 温度（温度（T） 、压力（、压力（P）2. 流体成分（流体成分（x）3. 时间（时间（t）1. 温度温度(T )、压力

9、压力(P)： 200 - 800，超高压可达1000 。：岩浆；深部热流；地壳放射热；机械摩擦；地热增温(正常情况 25-30 / km)。 ：可导致重结晶、变质反应、重熔；增加流体活性； 改变岩石变形性质等。 它是变质作用的主导因素. 温度升高增加了岩石矿物和，使那些没有结晶的矿物结晶，已结晶的矿物晶体由小变大，产生粗粒结晶结构。(1) 静静 压压 力力 概念：概念：负荷压力，单位帕负荷压力，单位帕(Pa)；在；在 40km 范围内与深度关系为范围内与深度关系为0.0275GPa / km（P= gh）. 范围：范围：动力变质作用和接触变质作用多在动力变质作用和接触变质作用多在5 km 范围

10、内，压力低范围内，压力低于于0.1GPa；区域变质作用；区域变质作用 深度大于深度大于5 km，压力高于，压力高于0.1GPa，按，按压力大小分为不同的压力型压力大小分为不同的压力型(低压、中压、高压、超高压低压、中压、高压、超高压)。(静压力、定向压力、流体压力静压力、定向压力、流体压力)1. 温度温度(T )、压力压力(P) (1) 静压力：静压力：指各个方面相等的围压，主要是由上覆岩石重量引起的，其大小随深度的增加而增大。(1) 静静 压压 力力作作 用用: (1)控制变质反应方向，影响变质反应温度控制变质反应方向，影响变质反应温度 (2) 有利于形成分子体积小、密度大的矿物有利于形成分

11、子体积小、密度大的矿物 (3) 改变岩石的熔点改变岩石的熔点CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2105Pa, 4700C108pa, 6700C (2) 定向压力定向压力 是由构造运动或岩浆作用产生的一种侧向压力，也称为动压力。(3) 流体压力流体压力岩石系统中常存在少量的流体相岩石系统中常存在少量的流体相, 它们所具有的内压称流体压力。它们所具有的内压称流体压力。对变质作用的影响分两种情况对变质作用的影响分两种情况: a. 流体压力与静压力相等：流体压力不构成独立的控制因素；流体压力与静压力相等：流体压力不构成独立的控制因素； b. 流体压力与静压力不相等：流体压力则构成独立的

12、控制因素。流体压力与静压力不相等：流体压力则构成独立的控制因素。变质岩中含H2O矿物(云母、角闪石等)、碳酸盐矿物及这些矿物包裹体的存在，特别是流体包裹体的存在，是变质作用过程中存在流体相的直接证据。对整个岩石圈而言，H2O、CO2是流体的最主要成分，可近似看成流体相由H2O和CO2组成。2、流体成分流体成分在较高温压条件下在较高温压条件下, 具有较大的活性。具有较大的活性。主要作用如下主要作用如下：a. 溶剂和媒介（载体）作用。溶剂和媒介（载体）作用。b. 控制变质反应方向。控制变质反应方向。c.降低岩石熔点。降低岩石熔点。 长英质岩长英质岩: 无水无水9500C, 含水含水6400Cd.

13、变质反应的催化剂。例如铁橄榄石的合成实验：变质反应的催化剂。例如铁橄榄石的合成实验： 2 MgO + SiO2 Mg2SiO4 在干体系在干体系 10000C条件下条件下, 须时近四天须时近四天, 只有只有26%转化；转化； 在湿体系在湿体系 4600C条件下条件下, 只须时间几分钟只须时间几分钟, 就全部转化。就全部转化。2、流体作用流体作用原岩中的流体原岩中的流体 主要是沉积岩中的孔隙流体，在埋藏变质中起重主要是沉积岩中的孔隙流体，在埋藏变质中起重要作用要作用海水海水 在洋底变质和俯冲带变质中起重要作用在洋底变质和俯冲带变质中起重要作用变质流体变质流体 源于变质过程中脱流体反应，广泛出现在

14、各类变质环源于变质过程中脱流体反应，广泛出现在各类变质环境境岩浆流体岩浆流体 在接触变质和交代变质中起重要作用；在接触变质和交代变质中起重要作用；深源流体深源流体 主要来自地幔放气作用，是高级变质的流体相主要来主要来自地幔放气作用，是高级变质的流体相主要来源源 变质作用时间因素通常从两个角度理解：a. 变质作用发生的地质时代，即不同时代变质作用的特点不同， 这是由地球发展的方向性和不可逆性决定的b. 一次变质作用自始至终所经历的时间，不同时间变质作用的特点不同 因为在后生成岩过程中也会产生一些在变质作用中形成的矿物。因此，在区别成岩作用与变质作用时，典型更为重要。如绿泥石是成岩作用和变质作用中

15、都能出现的矿物，但绿泥石与葡萄石、黝帘石或斜黝帘石的共生则是变质作用的范畴。 当温度升高、变质岩中存在一定量流体的情况下，岩石可能发生，出现数量不等的熔体，这就是所谓的。混合岩化可以看作是变质作用与岩浆作用之间的过渡环节。 的发生过程主要是一个，先存岩石伴随温度升高发生变质反应产生新的矿物组合，或者发生重结晶改变原有的结构构造；而主要是，是高温岩浆在温度下降条件下不断晶出矿物的过程。 主要是在，而则是在。 这一点明显地表现在岩石结构上，是固态下矿物成核、生长的产物，多呈变晶结构变晶结构，晶粒的自形程度取决于矿物的结晶势或成面能，而与矿物的结晶顺序无关；中晶出的矿物，其自形程度与矿物自熔体中结晶

16、出的顺序关系密切。 所谓所谓P-T-t 轨迹（轨迹（P-T-t path）就是）就是“岩石在变质作用过程岩石在变质作用过程中中P-T条件随时间（条件随时间（t）的变化而变化的历程或在）的变化而变化的历程或在P-T 图解中表示图解中表示该历程的曲线该历程的曲线” （Miyashiro, 1994）1P-T-t 轨迹的概念轨迹的概念1、2、3：变质程度增高为序的变质带：变质程度增高为序的变质带A、B、C岩石样品在剖面上的位置（图岩石样品在剖面上的位置（图a） 及其及其相应的热峰条件（图相应的热峰条件（图b）FPC：野外：野外P-T曲线曲线SSG：与埋藏后陆壳热补给平衡的稳态地热：与埋藏后陆壳热补给

17、平衡的稳态地热 梯度梯度Tmax：岩石样品经历的最高温度（热峰温度）：岩石样品经历的最高温度（热峰温度）Pmax：岩石样品经历的最大压力：岩石样品经历的最大压力t0：岩石在埋藏停止时刻处于最大深度（压力：岩石在埋藏停止时刻处于最大深度（压力 为为Pmax）时的地热梯度）时的地热梯度t1、t2、t3：侵蚀过程中的瞬时地热梯度：侵蚀过程中的瞬时地热梯度D：岩石样品：岩石样品1、样品、样品2在掩埋停止时刻的厚在掩埋停止时刻的厚 度差度差P：岩石样品：岩石样品1、2热峰压力差热峰压力差点划线：进变质点划线：进变质P-T轨迹轨迹实线：退变质实线：退变质P-T轨迹轨迹（a）造山带的变质带剖面图17-12（

18、b）变质作用 P-T-t 轨迹构造演化两个阶段构造演化两个阶段陆壳（或岩石圈）增厚阶段陆壳（或岩石圈）增厚阶段侵蚀阶段侵蚀阶段热演化三个阶段热演化三个阶段埋藏期埋藏期加热期加热期 冷却期冷却期P-T-t轨迹包括相应的三个段落轨迹包括相应的三个段落（1）埋藏期）埋藏期：逆冲、褶逆冲、褶皱等构造原因使地壳（或皱等构造原因使地壳（或岩石圈）缩短增厚，发生岩石圈）缩短增厚，发生构造埋藏。浅部低温岩层构造埋藏。浅部低温岩层迅速进入深部，岩石所处迅速进入深部，岩石所处压力迅速增高，但温度增压力迅速增高，但温度增加没有这么快。这是由于加没有这么快。这是由于环境通过热传导的加热作环境通过热传导的加热作用相对要

19、慢得多而发生用相对要慢得多而发生滞滞后后。结果使地热梯度迅速结果使地热梯度迅速偏离增厚前的稳态地热梯偏离增厚前的稳态地热梯度不断降低而出现热扰动。度不断降低而出现热扰动。当埋藏停止时，各处岩层当埋藏停止时，各处岩层到达压力最大值到达压力最大值Pmax，地，地热梯度为热梯度为t0。（2）加热期或热松弛期加热期或热松弛期：侵蚀作用开始阶段。侵蚀作用开始阶段。P开开始降低，同时由于热传始降低，同时由于热传导的加热作用继续进行，导的加热作用继续进行，而出现而出现热松弛热松弛。随着。随着P降降低，低，T不断升高，地热梯不断升高，地热梯度也不断增加，向埋藏度也不断增加，向埋藏后陆壳热补给平衡的稳后陆壳热补

20、给平衡的稳态地热梯度态地热梯度SSG方向变方向变化。样品化。样品3到达温度最大到达温度最大值值Tmax，地热梯度为，地热梯度为t2。（3）冷却期：）冷却期：热峰过后，热峰过后，随着较迅速地侵蚀，岩石随着较迅速地侵蚀，岩石越来越接近地表，因为热越来越接近地表，因为热的散失量超过加入量而出的散失量超过加入量而出现冷却期。在冷却期，岩现冷却期。在冷却期，岩石上升减压的同时温度下石上升减压的同时温度下降，地热梯度继续增加，降，地热梯度继续增加，向稳态的热梯度发展。例向稳态的热梯度发展。例如岩石样品如岩石样品3在上升的某个在上升的某个时刻瞬时地热梯度为时刻瞬时地热梯度为t3。这一阶段开始，温度下降这一阶

21、段开始，温度下降缓慢，随着越接近地表，缓慢，随着越接近地表，温度下降越快，地热梯度温度下降越快，地热梯度也更接近稳态地热梯度。也更接近稳态地热梯度。 由上述可看出，变质作用是一个由上述可看出，变质作用是一个动态过程动态过程。在变质作用过在变质作用过程中，岩石的程中，岩石的T-P条件，地热梯度条件，地热梯度都不是静止不变的，而是都不是静止不变的，而是随随时间的改变而不断变化时间的改变而不断变化，这是这是P-T-t 轨迹思想的核心。轨迹思想的核心。 当然，变质作用过程中，除当然，变质作用过程中，除P、T外，流体成分也在不断外，流体成分也在不断变化，描述这种复杂变化的曲线称为变化，描述这种复杂变化的

22、曲线称为P-T-x-t 轨迹。轨迹。 此外，还有描述此外，还有描述P-T变化与变形变化与变形(D)关系的关系的P-T-D-t 轨迹等轨迹等这些轨迹中，这些轨迹中，P、T、x等条件由变质矿物和矿物包裹体记录，等条件由变质矿物和矿物包裹体记录，时间时间t由专门的定年方法测定。由专门的定年方法测定。 热峰条件热峰条件 岩石在变质作用过程中经历的最高温度状态时的岩石在变质作用过程中经历的最高温度状态时的条件，包括热峰温度、热峰压力等。也称为顶峰变质条件，由条件，包括热峰温度、热峰压力等。也称为顶峰变质条件，由变质岩矿物组合所记录变质岩矿物组合所记录。 由图可看出，由图可看出，热峰条件显然不热峰条件显然

23、不等于埋藏停止、岩石处于最大深度等于埋藏停止、岩石处于最大深度时刻的条件。时刻的条件。前者具有最高温度前者具有最高温度Tmax，后者具有最大压力，后者具有最大压力Pmax。可以证明在碰撞造山带岩石热峰压可以证明在碰撞造山带岩石热峰压力仅为所经历的最大压力的力仅为所经历的最大压力的50-80%。同样，同样，两样品热峰条件之差也不等两样品热峰条件之差也不等于两样品处于最大深度时刻的条件于两样品处于最大深度时刻的条件之差之差。如两样品热峰压力之差如两样品热峰压力之差（P）不能代表二者埋藏停止时）不能代表二者埋藏停止时刻的深度差（刻的深度差（D）。由于矿物组）。由于矿物组合是变质岩最重要特征，合是变质

24、岩最重要特征，而矿物组而矿物组合记录的是热峰条件合记录的是热峰条件，因此，热峰因此，热峰温度是非常重要的。温度是非常重要的。进变质进变质 岩石在热峰前温度随时间而增加过程中发生的变质结晶作用单个岩石P-T条件随时间变化由P-T-t 轨迹的进变质段落轨迹的进变质段落（图中点划线）描述。递增变质递增变质 又译作前进变质）是一个变质地区地表一定方向热峰温度连续有规律地增加的变质作用变质地区空间上的热峰温度的增加由野外野外P-T曲曲线描述。线描述。退化变质退化变质 用于两个不同过程：上用于两个不同过程：上面定义的退变质；复变质中，面定义的退变质；复变质中，比老的变质事件温度低的较年比老的变质事件温度低

25、的较年青的变质重结晶事件，新老两青的变质重结晶事件，新老两事件属于不同的造山幕。事件属于不同的造山幕。 该术语在描述中有应用方该术语在描述中有应用方便的优点，因为通常不容易确便的优点，因为通常不容易确定在实际变质岩中发生了上述定在实际变质岩中发生了上述两种之中哪一种过程。两种之中哪一种过程。 退变质退变质 岩石在热峰后伴随温度降低发生的变质重结晶作用，如岩石在热峰后伴随温度降低发生的变质重结晶作用，如图中实线上的变质结晶作用。图中实线上的变质结晶作用。1. 热接触变质作用热接触变质作用 2. 动力变质作用动力变质作用 3. 气液变质作用气液变质作用 4. 区域变质作用区域变质作用 5. 混合岩

26、化作用混合岩化作用 由岩浆体散发的热量， 使接触带围岩发生变化的一种变质作用。 原岩主要发生和(变质结晶)，可以有新矿物相的形成，而化学成分没有显著改变。 该过程一般为封闭半封闭体系；控制作用的主导因素是温度(低高) ；压力低(非独立因素)，流体仅起促进重结晶和变质结晶的作用。发生在侵入岩体与围岩的接触带上的变质作用。 分布在侵入体与围岩接触带，主要由岩浆热而导致的变质作用。主要控制因素为温度，主要变质机制为重结晶。 根据引起接触变质接触主要，接触变质作用可进一步分为两种情况。热接触变质作用热接触变质作用 指围岩受岩浆高温的影响而发生的变质作用。温度是主要因素，压力次之，主要是。典型的接触热变

27、质岩称为角岩。接触交代变质作用接触交代变质作用 如果变质因素除温度压力之外，还有大量来自岩浆的挥发组分参与，就会使接触带附近的侵入岩和围岩发生明显的交代作用，从而形成变质岩。 指岩石受的作用而产生破碎、变形、重结晶的变质作用。其特点是低温、高应变速率、重结晶不强烈，往往与断裂带有关。根据和不同，可分为碎裂变质和韧性变形两种类型。 在地壳的浅部，岩石呈脆性，当应力超过岩石强度极限时，岩石便会被压碎或磨碎，产生碎裂变质，。 在地壳中、深部，温度和压力较高，岩石具塑性，在断裂带中的岩石一般不发生明显的破裂，而是以强烈韧性剪切变形或塑性流动为主，。其特征是细粒化，并具有明显的定向构造。 有化学活动性的气态或液态溶液，对岩石进行交代而使岩石发生变质的一种作用。 常发生于一些与，前者称围岩蚀变，后者称接触交代变质作用。除流体外，温度、组分的化学势是主要的控制因素，。 指在大范围内，由于温度、压力和化学活动性流体等因素的综合作用下而产生的变质作用。 ：温度和静