变质作用的机制、基本概念和地质分类

1、变质作用的机制、基本概念和地质分类（ Preliminary Ideas of Metamorphism ）一 变质作用机制 （“方式”） 二 变质作用因素 三 变质作用P-T-t轨迹(过程) 四 变质作用的地质分类一、变质作用机制 Metamorphic Mechanism变质作用是岩石在基本保持固体状态下发生的（矿物、化学成分及结构构造）转变过程. 其机制主要包括：1.变质结晶 (Meta. crystallization)变形 (Deformation)变质分异 (Meta. differentiation)此外，在高级变质中还可出现部分熔融主要属于岩浆作用范畴在很低级变质（埋藏变质）中

2、可能出现压实作用主要属于沉积作用范畴变质结晶 Metamorphic crystallization 岩石在变质条件下的结晶作用称为变质结晶作用。变质结晶主要有重结晶和交代两种机制1.1 重结晶作用 recrystallization岩石在基本保持固体状态下的矿物重新组合和通过化学反应形成新矿物的过程。重结晶前后，岩石总化学成分不变（除H2O、CO2等挥发分外）。-封闭系统是广义概念，与成岩作用中重结晶概念不同。 变质重结晶也包括成核nucleation和生长growth两个步骤。 固态下成核多为在有成核剂存在下的非均匀成核。成核剂可以是一个先成的固体颗粒界面或某一变形构造等。 注意：与岩浆中

3、成核的区别 固态下晶体生长受表面能驱使，通过粒度增大和均匀化、颗粒界面平直化（多边形化）而不断降低表面能，以达到表面能最低的结构稳定状态。图17-1 变燧石岩粒径对距辉长岩接触带距离图解 单矿物Si/Ca质岩的重结晶:只有矿物的重组合，无变质反应、无矿物成分变化，仅结构变化当达到最低颗粒界面能的情况下，相邻晶面之间的面间角约为120 （三联点结构）c. 反应完全，粒度进一步增大，形成新的高温条件下稳定的矿物组合Cc+Wo和平衡结构a.低温下Cc+Q平衡结构 石英方解石硅灰石b. 温度超越Cc+Q=Wo+ CO2反应温度时，粒度增大的同时Q与Cc反应，形成Wo反应边。在Wo集合体内有少量Q残留，

4、不平衡结构多矿物岩的重结晶既可是原矿物成分不变，颗粒重新组合，也可发生变质反应，导致矿物成分和结构变化硅灰石 a b c1.2 交代作用（metasomatism或replacement） 固体岩石在化学活动性流体作用下通过组分带入带出而使岩石总化学成分（除挥发分外）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）。注意：与成岩作用中交代的概念不同。流体在交代过程中起迁移介质和催化剂双重作用，组分的迁移有两种方式：渗透infiltration裂隙溶液中，组分迁移驱动力为压力差扩散diffusion粒间孔隙溶液中，组分迁移驱动力为浓度差 可以在系统中带入带出的组分称为活动组分m

5、obile components 流体相是完全活动组分。 通常的变质作用也会造成岩石的H2O、CO2和Fe的价态变化，岩石系统仍看作为封闭系统，从化学角度称为 等化学变质作用 isochemical metamorphism 伴随交代作用，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Si4+等金属阳离子也成为活动组分可带入带出时，岩石系统是开放系统，这种使岩石总化学成分除H2O、CO2等挥发分外，其它组分也发生变化的变质作用称为 异化学变质作用 allochemical metamorphism 变质作用的化学分类chemical classification重结晶交代封闭系统开放系统无组分带入带出组分

6、带入带出矿物成分可不变矿物成分改变岩石总化学成分不变岩石总化学成分改变体积改变体积不变变质结晶作用机制对 比2 变形 (deformation) 不同环境条件 不同变形行为 a. 近地表低温低压和较高应变速率条件下，岩石显示脆性行为(brittle behavior)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b. 地下高温高压特别是当应变速率低时，岩石显示塑性行为(plastic behavior)，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 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 在过渡区，岩石变形行为既有脆性特征，又有塑性特征

7、 ，永久变形由于碎裂流动( cataclastic flow )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 单个晶体的扭折kinking直线滑移translation gliding双晶滑移twinning gli.颗粒边界的滑移扩散流动diffusive flow 晶内塑性变形intracrystalline plastic deformation晶界塑性变形intercrystalline plastic defor.地下较高温压条件下塑性流动导致的永久变形(塑性变形)机制不改变晶格方位改变晶格方位产生机械双晶粒内变形不均匀而在滑移中发生旋转，导致滑移面弯曲扭折化学的通过粒

8、间流体相的扩散流动称为压溶pressure solution化学迁移从晶体的较大应力边界区向其他部位迁移并在那里产生晶体生长机械的，晶内塑性滑移静态重结晶 (static recrystalizaion)： 无偏应力参与的重结晶作用动态重结晶(dynamic recrystallization)：在偏应力参与下，伴随变形而发生的重结晶片状和线状矿物定向与变形伴随的重结晶作用：新颗粒首先从高应变区开始发育，通过亚颗粒的旋转及其边界迁移、消耗老颗粒而生长。重结晶颗粒比亚颗粒稍大但仍较细，颗粒形态为压扁拉长状，原始边界被破坏，显示不稳定态。进一步重结晶使颗粒粒度增大，呈矩形状而达稳定态重结晶恢复使变

9、形晶体降低应变能而回到未变形状态的过程。特征：在变形晶体中产生大量细小(粒径一般小于0.020.03mm) 的亚颗粒剩余应变能的消耗过程 特征：发育和生长无应变新颗粒动态重结晶的两个阶段：图17-7 在偏应力影响下的变质作用过程中单矿物岩石结构变化理想序列简图 (Raymond，1995)原始颗粒(这里是石英砂)第一阶段发育变形带第二阶段颗粒边缘多边形化第三阶段粒度加大伴随颗粒边界变直3.变质分异（ metamorphic differentiation ）变质分异：使原先均匀的岩石发育“成分层”的变质过程。（成分层compositional layering：条带状或透镜状矿物集合体）变质分

10、异产生成分层的机理主要有：（1）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（裂隙或劈理片理面上，优先成核、压溶、侧分泌）（3）表面能差异：新的矿物结晶中心易于在同种矿物表面形成并稳定存在，因此时表面能较低。（4）成分层是强烈压扁（塑性变形）的结果(见后图）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）的不均匀变形 二、变质作用因素 Factors of metamorphism 控制变质作用的根本因素是地质因素，如：大地构造位置

11、（岛弧、海沟、洋中脊、碰撞带等）、构造过程（沉降、隆升等）、岩浆作用等。从物理化学角度看（物理化学因素）1. 温度（T） 、压力（P）2. 流体成分（x）3. 时间（t）1.温度(T )和压力(P ) 变质岩形成于地下一定深处，其矿物组合与一定的P-T条件相适应。当P-T条件改变时，就会变得不稳定，就会发生化学反应(变质反应)形成新P-T条件下稳定的新的矿物组合1.1 温度（T）温度的改变是引起变质作用的主要因素 T升高有利于吸热反应，T降低反应向放热方向进行T升高可使原岩中某些矿物重结晶。可大大加快变质反应速率和晶体生长；T升高可改变岩石的变形行为，从脆性变形向塑性变形转化；T升高会通过脱水

12、反应、脱碳酸反应形成变质热液而作为催化剂、搬运剂和热媒介对变质作用施加影响。此外，T升高到一定程度还会导致部分熔融而发生混合岩化。热源：深部热流的上升（地幔热对流）、地壳放射性生热、岩浆、摩擦、反应、重力分异等图17-9 变质作用温压范围18 实验确定的白云母花岗岩(14)和拉斑玄武岩(58)的熔融间隔。实线表示无水添加条件，虚线表示过量水条件(引自Miyashiro,1994)。这样，对白云母花岗岩，过量水条件下的固相线和液相线分别为1、2，无水添加条件下的固相线和液相线分别为3、4；对拉斑玄武岩，过量水条件下的固相线和液相线分别为5、6，无水添加条件下的固相线和液相线分别为7、8。DG.成

13、岩作用条件；MG.岩浆作用条件；MT.变质作用条件；UN.自然界未知的条件。变质作用条件(MT)与岩浆作用条件(MG)间有一个范围广大的P-T过渡区，在熔融曲线18之间温度多为200800（低温限向成岩过渡，高温限向岩浆作用转化）俯冲带最低地热梯度1.2 压力(P) 压力的标准国际单位为Pa(帕斯卡)、GPa(=109Pa)，地质上也常用bar(巴)和Kbar(=103bar)。1bar=105Pa,. 热力学上的压力P是指各向相等的静水压力(hydrostatic pressure),它影响矿物相平衡。压力增加，有利于体积缩小的反应，形成高密度矿物组合。图17-10 作用于单位岩石的不同压力

14、类型简图A. 垂直直应力；B. 侧向直应力； Pl. 负荷压力； Pf. 流体压力。地下变质环境存在3种压力：负荷压力Pl来自上覆岩石柱（等于上覆单位岩石柱的重量）定向压力来自构造运动流体压力来自粒间孔隙流体 地下一定深度岩石应力状态包括垂直方向的主应力（垂直直应力）A和水平方向的侧向直应力B。当无构造作用时，A=B=Pl。P l=gD。式中为岩石密度（g/m3），g2，D为深度（km），PlD 10-3 GPa 岩石受到来自构造运动的定向压力作用时，AB。总应力状态包括两部分：一部分为偏应力deviatoric stress，是一种非静水应力，与AB应力差有关，它导致岩石变形，但一般不影响相

15、平衡；另一部分为平均应力mean stress，是一种静水应力，其大小 平均应力与负荷压力之差（也有说应力的垂直分力所产生的超负荷压力）称为构造超压tectonic overpressure, 是构造对总压的贡献。受岩石强度所限，正常变质条件下小于。 在变质作用P-T条件下，岩石经常含流体相，充填于孔隙空间和沿颗粒边界分布。流体内压称为流体压力Pf。它通常等于Pl，即与Pl平衡。但升温后，有些变质反应释放出大量流体，在系统高度封闭、不易扩散的情况下，会造成局部Pf大于Pl的情况，其差值称作流体超压，它将导致颗粒分离产生破裂，变质作用下流体超压不超过。地壳浅部发育裂隙时流体不密闭，Pf小于Pl负

16、荷压力作用于矿物颗粒边界，使颗粒结合在一起流体压力作用在颗粒表面，趋向于使颗粒分开 由上述讨论可知，总压力P=Pl+构造超压+流体超压。但由于构造超压和流体超压都比较小，使得在变质作用大多数情况下，我们可以假定PPlPf。当然在这个假定基础上根据矿物组合估计的压力会指示深度的最大值。实际深度可能有时比估算深度要小3km（约相当）甚至更多一些（因构造和流体超压的存在） 自地表往下，P以速率随深度增加而增加。平均稳定大陆地壳厚35km，其底部压力约。现代和新生代造山带观察到的大陆地壳最大厚度约70km，其底部压力约。根据地质压力计测定，现今出露在地表变质岩大多数在压力、深度约3-35km范围内结晶

17、 然而，一些在俯冲带或大陆碰撞带及其附近变质的岩石，看来似乎在100km或更深的地幔深度结晶。指示如此超高压（ultrahigh-pressure）条件的矿物是柯石英（Coe）和金刚石（Dia）。它们在约以上的压力下稳定LIMITS 2流体成分Fluid composition（x） 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 早先，人们认为下地壳和上地幔是缺乏流体的。然而，近30年来变质岩和上地幔岩的流体包裹体研究证明，即使在麻粒岩和地幔岩中流体也是广泛存在的 对整个岩石圈而言，H2O、CO2是流体的

18、最主要成分，可近似看成流体相由H2O和CO2组成 由图17-11，不同成分流体在温度大于300400可以彼此完全混溶。因此，在通常变质作用P-T条件下，流体相为均一的一相。不同成分（H2O，CO2）彼此起稀释作用。以摩尔分数表示其浓度，则 这个表达式可近似表达岩石圈中流体组成 图（1）和（2）下随着温度降低流体不混溶图解（引自Marakushev，1991） 变质作用中涉及大量有流体相参加的反应。流体成分对这些反应有强烈影响。对脱水反应和脱碳酸反应，流体xH2O的增加（即xCO2减少），反应将向xH2O减少，xCO2增加方向进行，即阻碍脱水反应而促进脱CO2反应进行。提高脱水反应温度、降低脱C

19、O2反应温度。相反，则将促进脱水反应而阻碍脱CO2反应进行 流体中还溶解有K、Na、Ca、Si等造岩组分和Fe、Cu、Ag等成矿组分，在开放系统条件下，岩石在流体作用下发生元素带入带出与环境发生物质交换，造成岩石的化学成分变化，并可形成矿床。因此，流体对交代作用和成矿作用起促进作用。 另一方面，流体作为催化剂可大大提高变质反应（包括交代反应）的速率。在没有流体参与的干系统中，反应难以发生或难以反应完全。变质作用过程中流体主要来源：原岩中的流体 主要是沉积岩中的孔隙流体，在埋藏变质中起重要作用海水 在洋底变质和俯冲带变质中起重要作用变质流体 源于变质过程中脱流体反应，广泛出现在各类变质环境岩浆流

20、体 在接触变质和交代变质中起重要作用；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源 3时间（t） 变质作用时间因素通常从两个角度理解：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，关于这一点下面进一步阐述三、变质作用P-T-t轨迹 P-T-t path of metamorphism 所谓P-T-t 轨迹（P-T-t path）就是“岩石在变质作用过程中P-T条件随时间（t）的变化而变化的历程或在P-T 图解中表示该历程的曲线” （Miyashiro, 1994） P-T

21、-t 轨迹概念的提出，是变质作用理论研究的重大突破，它使得人们从动态的观点，重新审视变质岩石学领域的一些重大问题和基本概念，是标志着变质作用研究进入地球动力学阶段的里程碑。顺时针PTt轨迹与构造增厚有关，如陆壳碰撞造山带逆时针 PTt轨迹较复杂，如岛弧或大陆边缘的岩浆增生作用1P-T-t 轨迹的概念1、2、3：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a） 及其相应的热峰条件（图b）FPC：野外P-T曲线SSG：与埋藏后陆壳热补给平衡的稳态地热 梯度Tmax：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t0：岩石在埋藏停止时刻处于最大深度（压力 为Pma

22、x）时的地热梯度t1、t2、t3：侵蚀过程中的瞬时地热梯度D：岩石样品1、样品2在掩埋停止时刻的厚 度差P：岩石样品1、2热峰压力差点划线：进变质P-T轨迹实线：退变质P-T轨迹2大陆碰撞造山带的P-T-t 轨迹（a）造山带的变质带剖面图17-12（b）变质作用 P-T-t 轨迹构造演化两个阶段陆壳（或岩石圈）增厚阶段侵蚀阶段热演化三个阶段埋藏期加热期 （热松驰） 冷却期P-T-t轨迹包括相应的三个段落（1）埋藏期：逆冲、褶皱等构造原因使地壳（或岩石圈）缩短增厚，发生构造埋藏。浅部低温岩层迅速进入深部，岩石所处压力迅速增高，但温度增加没有这么快。这是由于环境通过热传导的加热作用相对要慢得多而发

23、生滞后。结果，使地热梯度迅速偏离增厚前的稳态地热梯度不断降低而出现热扰动。当埋藏停止时，各处岩层到达压力最大值Pmax，地热梯度为t0。（2）加热期或热松弛期：侵蚀作用开始阶段。P开始降低，同时由于热传导的加热作用继续进行，而出现热松弛。随着P降低，T不断升高，地热梯度也不断增加，向埋藏后陆壳热补给平衡的稳态地热梯度SSG方向变化。样品3到达温度最大值Tmax，地热梯度为t2。（3）冷却期：热峰过后，随着较迅速地侵蚀，岩石越来越接近地表，因为热的散失量超过加入量而出现冷却期。在冷却期，岩石上升减压的同时温度下降，地热梯度继续增加，向稳态的热梯度发展。例如岩石样品3在上升的某个时刻瞬时地热梯度为

24、t3。这一阶段开始，温度下降缓慢，随着越接近地表，温度下降越快，地热梯度也更接近稳态地热梯度。 由上述可看出，变质作用是一个动态过程。在变质作用过程中，岩石的T-P条件，地热梯度都不是静止不变的，而是随时间的改变而不断变化，这是P-T-t 轨迹思想的核心。当然，变质作用过程中，除P、T外，流体成分也在不断变化，描述这种复杂变化的曲线称为P-T-x-t 轨迹。此外，还有描述P-T变化与变形（D）关系的P-T-D-t 轨迹等。这些轨迹中，P、T、x等条件由变质矿物和矿物包裹体记录，时间t由专门的定年方法测定。3几个有关的基本概念热峰条件（thermal peak conditions） 岩石在变质

25、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，由变质岩矿物组合所记录。 由图可看出，热峰条件显然不等于埋藏停止、岩石处于最大深度时刻的条件。前者具有最高温度Tmax，后者具有最大压力Pmax。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50-80%。同样，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之差。如两样品热峰压力之差（P）不能代表二者埋藏停止时刻的深度差（D）。由于矿物组合是变质岩最重要特征，而矿物组合记录的是热峰条件，因此，热峰温度是非常重要的。变质级metamorphic grade主要指示变质作用的热峰温度：很低级、低级、

26、中级、高级分别与很低温、低温、中温、高温相当。 野外P-T曲线field P-T curve在P-T图解上，各变质带岩石样品矿物组合相应的一组热峰条件的连线叫作野外P-T曲线、视地热梯度apparent geothermal 或野外变质梯度metamorphic field gradient，一个变质地区不同变质带的岩石样品，在不同时刻到达热峰，野外P-T曲线是穿时的diachronous变质作用P/T比类型P/T ratio type of metamorphism高P/T型（高压型）：20/km中P/T型（中压型）：2040/km低P/T变质（低压型）：4080/km很低P/T型（很低压型

27、）：80/km通常以视地热梯度划分进变质（prograde metamorphism）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（图中点划线）描述。递增变质（progressive metamorphism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P-T曲线描述。退化变质（retrogressive metamorphism） 用于两个不同过程：上面定义的退变质；复变质中，比老的变质事件温度低的较年青的变质重结晶事件，新老两事件属于不同的造山幕。 该术语在描

28、述中有应用方便的优点，因为通常不容易确定在实际变质岩中发生了上述两种之中哪一种过程。 退变质（retrograde metamorphism） 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。四、变质作用的地质分类 局部变质作用（local metamorphism）分布局限（数千km3）的变质作用。 地质环境多样，可发生在大陆地壳、大洋地壳甚至发生在岩石圈地幔中 变质因素复杂，往往是温度、压力、偏应力和流体综合作用，P/T比范围很大，高、中、低、很低都有。其变质机制也多样，主要是重结晶和变形，有时还伴有明显的交代和部分熔融 在区域变质地区，很难找到变质岩与未变质岩的

29、界线根据规模1. 局部变质作用(1)接触热变质作用、(2)动力变质作用、(3)冲击变质作用、(4)交代变质作用（1）接触热变质作用contact-thermal metamorphism 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，具有很低P/T比根据产状（2）动力变质作用（dynamic metamorphism） 分布在断裂带，在构造作用下导致的变质作用。主要控制因素为偏应力，主要变质机制为变形（脆性变形和韧性变形）及动态重结晶。可与不同的区域变质伴生，具有高至低P/T比，但通常P/T比较高。 是分布在陨石坑附近，在陨石冲击地表的强大冲击波作用下产生的变质作用 瞬时的高压、高温条件是其控制因素。 变形和伴随的部分熔融是其主要的变质机制。 （3）冲击变质作用（impact metamorphism） 变质作用因素主要为流体中的活动组分化学位（或浓度）