第1-2讲变质作用基本概念

1

MetamorphicRocks变质岩石学赵军红:地球科学学院Tel:E-mail:2参考资料1-《岩石学》路凤香、桑隆康主编著,20022-变质岩石学教程,游振东,王方正主编,19883-PrinceplesofMetamorphicPetrology.R.H.Vernon,G.L.,Clarke,2008.4-课程网站:5-《岩石学》桑隆康，马昌前主编，地质出版社，2012.3平时成绩(40%)+考试成绩(60%)考试成绩(60%)=笔试+薄片描述.4第1讲:变质作用的基本概念第2讲:变质岩的基本特征与分类命名第3讲:共生分析第4讲:接触变质岩第5讲:动力变质岩第6讲:区域变质岩教学计划567变质作用的基本概念一方式二因素三P-T-t轨迹(过程)四地质分类8

变质作用

定义(definition)

指岩石为适应物理化学条件的变化,在基本保持固态条件下发生的矿物组成,结构构造和化学组成等方面的调整.

注意

1)

基本保持固态,但是不排除有少量的流体相(如熔体)2)变质作用发生时的物化条件不同于地表条件,也不同于地表以下的成岩环境.3)变质以前的岩石称为原岩(protolith),变质以后的岩石称为变质岩(metamorphicrock)

92.变质岩研究的基本要求:回答什么样的原岩在什么样的变质机制下遭受了何种程度的变质作用10变质作用是一个基本保持固体状态下的转变过程，方式：1.重结晶2.变质结晶3.交代作用4.变质分异5变形此外，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）中甚至可出现压实作用——主要属于沉积作用范畴一、变质作用方式

MetamorphicMechanism11重结晶和变质结晶重结晶=变质作用条件下,原先存在的矿物颗粒重新组合,只有形状大小的变化,没有新矿物的生成.也包括成核和生长两个步骤变质结晶=变质作用条件下,原岩保持固态,有新矿物的生成和旧矿物的消失,即有化学反应发生12重结晶+变质结晶作用recrystallization重结晶=岩石在基本保持固体状态下的矿物重新组合（不形成新矿物）-物理过程变质结晶=通过化学反应形成新矿物的过程-化学过程重结晶前后，岩石总化学成分不变（除H2O、CO2外，封闭系统）13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°(达结构平衡)14c.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，不平衡结构多矿物岩的变质结晶发生变质反应，导致矿物成分和结构变化硅灰石

a

b

c15同质多相转变固溶体出溶固固间化学反应16★重结晶作用-矿物重新组合,单矿物相★变质结晶作用-变质反应,多矿物相共性:1-等化学变质作用：变质前后岩石的总化学成分不发生改变的变质作用;2-封闭体系

17渗透*裂隙溶液中*组分迁移驱动力为压力差2交代作用(metasomatism)

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*粒间孔隙溶液中*组分迁移驱动力为浓度差18可以在系统中带入带出的组分称为活动组分(mobilecomponents)

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，岩石系统为封闭系统，从化学角度称为等化学变质作用

isochemicalmetamorphism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

allochemicalmetamorphism变质作用的化学分类chemicalclassification19重结晶交代封闭系统开放系统无组分带入带出组分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203.变质分异（metamorphicdifferentiation)

使原先均匀的岩石发育成分层的变质过程成分层：条带状或透镜状矿物岩石/矿物集合体变质分异产生成分层的机理主要有：（1）成分层代表变质结晶（2）成分层的发育是构造重结晶的结果（优先成核、压溶）（变质结晶＋变形）（3）成分层是强烈压扁（塑性变形）的结果212223变质结晶塑性变形242526形变类型:弹性变形:永久变形:应变在应力施加时立即发生，应力撤消时，岩石立即恢复至原先未变形状态脆性变形(brittledeforma-tion)塑性变形(plasticdeformation)当应变增加并超越弹性极限时岩石产生不可恢复的变形。4变形(deformation)

27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，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

28单个晶体的扭折直线滑移双晶滑移颗粒边界的滑移扩散流动晶内塑性变形晶界塑性变形地下较高温压条件下塑性流动导致的永久变形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机械的化学的29静态重结晶：无偏应力参与的重结晶作用（通常无定向！）动态重结晶：在偏应力参与下，伴随变形而发生的重结晶（定向构造）30

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31二、变质作用因素控制变质作用的根本因素是地质因素，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）变质作用=复杂化学体系内的物理化学反应+/-变形321.温度(T)和压力(P)温度（T）－－最重要的因素T升高有利于吸热反应，T降低反应向放热方向进行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升高会通过脱水反应、脱碳酸反应形成变质热液作为催化剂、搬运剂和热媒介对变质作用施加影响此外，T升高还会导致部分熔融而发生混合岩化33变质作用温压范围

1--白云母花岗岩在过量水条件下的固相线2--白云母花岗岩在过量水条件下的液相线3--白云母花岗岩在无水添加条件下的固相线4--白云母花岗岩在无水添加条件下的液相线

5--拉斑玄武岩在过量水条件下的固相线6--拉斑玄武岩在过量水条件下的液相线

7--拉斑玄武岩在无水添加条件下的固相线8--拉斑玄武岩在无水添加条件下的液相线34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)。换算关系：1bar=105Pa,1Kbar=0.1GPa

热力学上的压力P是各向相等的静水压力,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35作用于单位岩石的不同压力类型简图σA.垂直直应力；σB.侧向直应力；

Pl.负荷压力；Pf.流体压力。负荷压力Pl来自上覆岩石柱定向压力来自构造运动流体压力来自粒间孔隙流体压力来源36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。Pf增大到＝Pl时即与Pl达平衡，Pf进一步增加，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，它趋向于使颗粒分离产生破裂，变质作用下流体超压不超过0.1GPa

负荷压力－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37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P≈Pl。381km厚的岩石柱产生的压力增值估算：花岗岩：P=2700kgm-3·9.8ms-2·1000m=264×105Pa=264bar玄武岩：P=3000kgm-3·9.8ms-2·1000m=294×105Pa=294bar橄榄岩：P=3300kgm-3·9.8ms-2·1000m=323×105Pa=323bar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0.1~1.0GPa、深度约3-35km范围内结晶洋壳（以5km厚计）底部的负荷压力约为0.15GPa。陆壳的(平均厚度33km计)底部的负荷压力约为1.0GPa。增厚陆壳(以70-80km计)，底部的负荷压力可达2Gpa左右。39一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3.0GPa以上的压力下稳定40

2．流体成分Fluidcomposition（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是流体的最主要成分，可近似看成流体相由H2O和CO2组成41不同成分流体在温度大于300~400℃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

xH2O+xCO2=1这个表达式可近似表达岩石圈中流体组成0.05GPa（1）和0.1Gpa（2）下随着温度降低流体不混溶图解（引自Marakushev，1991）42

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CO2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。在没有流体参予的干系统中，反应难以发生或难以反应完全43①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②海水在洋底变质和俯冲带变质中起重要作用③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④岩浆流体在接触变质和交代变质中起重要作用⑤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变质作用过程中流体主要来源：443．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45三、变质作用P-T-t轨迹P-T-tpathofmetamorphismP-T-t轨迹（P-T-tpath）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-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

1．P-T-t轨迹的概念461、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）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Pmax）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2．大陆碰撞造山带的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冷却期P-T-t轨迹包括相应的三个段落47（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t048（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t249（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。

50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513．几个有关的基本概念热峰条件和变质级

野外P-T曲线和变质作用P/T比类型

进变质和递增变质退变质和退化变质52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。变质级：指示变质作用的热峰温度：很低级、低级、中级、高级分别与很低温、低温、中温、高温相当53野外P-T曲线在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、视地热梯度或野外变质梯度，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曲线是穿时的变质作用P/T比类型高P/T型（高压型）：＜20℃/km中P/T型（中压型）：20~40℃/km低P/T变质（低压型）：40~80℃/km很低P/T型（很低压型）：＞80℃/km通常以视地热梯度划分54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（图中点划线）描述。递增变质(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。55CoomaMetamorphicComplex,NewSouthWales,Australia56退化变质：用于两个不同过程：①上面定义的退变质；②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

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，如图中实线上的变质结晶作用。57地壳增厚的仰冲模式a-a’仰冲前;b-b’仰冲后;c.PTt轨迹.

时间大约20Ma

a-a’地壳增厚前;b-b’地壳增厚后;c.PTt轨迹地壳增厚的纯剪切模式

同一碰撞带不同深度变质岩的PTt轨迹61四、变质作用的地质分类

局部变质作用（localmetamorphism）

分布局限（<100km3）

局限分布在一个具体的地质构造（断裂带、接触带等）往往一个因素、一种机制起主导作用。

在局部变质地区可清楚观察到变质与未变质岩渐变过渡区域变质作用（regionalmetamorphism）

岩石圈范围规模巨大（>数千km3）

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界线621.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-thermalmetamorphism

分布在侵入体与围岩接触带主要由岩浆热而导致主要控制因素为温度，具有很低P/T比主要变质机制为重结晶根据产状63分布在断裂带，可与不同的区域变质伴生构造作用导致。主要控制因素为偏应力，具有高至低P/T比，但通常P/T比较高主要变质机制为变形（脆性变形和韧性变形）及动态重结晶（2）动力变质作用（dynamicmetamorphism）64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，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主要的变质机制

（3）冲击变质作用（impactmetamorphism）MeteorCrater,Arizona,USA

65局限分布于侵入体接触带及其附近和火山喷气活动区主要由岩浆热液引起，因素主要为流体中的活动组分化学位（或浓度）机制主要为交代作用（扩散交代和渗透交代）（4）交代变质作用metasomaticmetamorphism与金属矿床关系密切，常产在热液矿脉两侧，所以又称