共生分析和共生图解

共生分析和共生图解第一页，共七十一页，2022年，8月28日在大学时我们都已学过变质岩石学这门地质学专业基础课程。该课程对变质岩石学的总体情况进行了详细介绍，已基本了解变质岩石是组成地壳的重要岩石类型之一。对变质岩的研究不仅可以为我们人类社会发展提供生产资料——矿产，而且也为我们了解地球早期的演化历史及其环境演变提供了实物资料。鉴于此，我们在这里分几个专题，从不同侧面对变质岩研究进行较深入的理解，为以后各位在地质研究中取得成就奠定基础。第二页，共七十一页，2022年，8月28日《变质岩岩石学》的学习目的第三页，共七十一页，2022年，8月28日第一讲共生分析和共生图解第二讲变质作用机制若干问题第三讲变质岩区工作方法第四讲变质作用的时空差异与地壳演化---变质岩的PTt轨迹研究第四页，共七十一页，2022年，8月28日第一讲共生分析和共生图解第五页，共七十一页，2022年，8月28日

把变质岩作为一个非均匀的多组分物化体系看待，其核心是平衡问题：只有在达到物化平衡的范围内，才能有效应用物理化学的各项基本原理。大多数变质岩（如区域变质岩、接触热变质岩等）形成过程中，其岩石化学成分（除H2O和CO2外）没有显著的变化，可看作是“等化学”的(isochemical)。加之变质作用持续时间极其漫长，因而变质反应基本上能够趋近于物化平衡状态，往往形成非常接近化学平衡的矿物组合。第一节矿物共生分析及其理论依据一、平衡共生组合的确定第六页，共七十一页，2022年，8月28日

在实际工作中常见不同时代、不同地区、不同原岩（岩石总体化学成分类似）的变质岩中，有相同的矿物组合重复出现的趋势，这被认为是趋近或达到了化学平衡的标志，这样的矿物组合才能称为共生。大多数变质岩中的矿物共生组合在理论上能够符合物理化学热力学基本原理。第七页，共七十一页，2022年，8月28日

天然岩石系统在一定外界条件下达到或趋近化学平衡时的矿物组成，称为矿物共生组合。显然，矿物共生组合是岩石系统的化学组成和变质作用物理化学条件的反映。因此，从研究变质岩的矿物共生组合特征及其变化规律出发，应用热力学基本原理，可以分析矿物共生组合与岩石化学成分及变质作用物化条件的关系。这是变质岩石学研究的基本方法之一，称为矿物共生分析。第八页，共七十一页，2022年，8月28日

矿物共生分析的第一步是确定矿物共生组合。由于平衡的获得有时是局部的、暂时的，随着时间的推移和外界物化条件的改变，许多变质岩中会出现不同世代的矿物共生组合叠加在一起的现象。这就增加了判定平衡状态的复杂性，同时也反映出变质岩石学研究中慎重地确定矿物共生组合及其世代关系的重要性。要求研究者具有观察结构关系(显微镜下)的丰富经验、分析矿物反应和共生关系的基础理论知识和一定程度的概括能力和想象力。第九页，共七十一页，2022年，8月28日（1）标型共生组合

是在该期主要的变质作用(往往是峰期)过程中稳定平衡的矿物共生组合，具有标定变质作用P、T条件的意义。（2）残余共生组合

是在该期变质作用(峰期)之前形成的矿物共生组合，对该期变质作用的P、T条件来说已成为一种不稳定的残余体。在某种岩石的矿物组合中区分三种共生组合第十页，共七十一页，2022年，8月28日

（3）后成共生组合

是该期变质作用(峰期)之后形成的，由于后来的P、T环境改变较快或其他原因（作用时间较短、局部变化等)，使得这种后成共生组合在整个岩石中并没有占据主要地位。►我们感兴趣的主要是标型共生组合。但是，如果要研究变质反应和变质历史(PTt)，残余共生组合与后成共生组合研究也是非常重要的。第十一页，共七十一页，2022年，8月28日残余共生组合后成共生组合标型共生组合标型共生组合Garnet(±Cpx)coronabetweenhornblendeandplagiclase第十二页，共七十一页，2022年，8月28日（1）平衡共生组合中的各种矿物都有机会相互直接接触。此处的“接触”，应以稳定的接触面形态（即所谓多边形接触）为好。但极而言之，只要是直接接触，甚至包括穿插、交生都可以作为针对某一特定的P、T条件下的局部的、暂时的平衡来看待。例如，某个反应已达到平衡，仍然可以在矿物之间遗留下来某些反应过程的痕迹。2.平衡共生组合的标志第十三页，共七十一页，2022年，8月28日marbleeclogitecrenulation(Muscovite-biotite-garnetschist)第十四页，共七十一页，2022年，8月28日白云母片岩stilpnomelane(ingarnet-stilp-muscoviteschist)第十五页，共七十一页，2022年，8月28日（2）平衡共生组合中同一种矿物的不同颗粒，其边部应当具有极为近似的成分。如十字石、石榴石、绿帘石等变质矿物常发育成分环带，并不能认为必然属于不平衡。只要其边部具有极为近似的成分，仍不失为严格意义上的平衡。因为环带的内部成分，如同被包裹着的另一矿物一样，不能被算在彼此直接接触的共生组合之中。第十六页，共七十一页，2022年，8月28日stilpnomelane(ingarnet-stilp-muscoviteschist)abc第十七页，共七十一页，2022年，8月28日（3）平衡共生组合中各矿物之间不存在交代关系。（4）在所研究的具有相同平衡共生组合的同一变质地质体的不同部位，按矿物对之间的组分分配关系或氧同位素的分配关系所获得的温度、压力基本上是一致的。（5）平衡共生组合中矿物共生组合关系必须符合相律。平衡共生组合中矿物种类一般不超过5～6种，矿物成分太复杂不是平衡的标志。第十八页，共七十一页，2022年，8月28日黑云角闪斜长片麻岩第十九页，共七十一页，2022年，8月28日Stauroliteinamuscovite-biotiteschist.Staurolitehasparallelextinctionandonecleavage,andhasacharacteristicpaletodarkergoldenyellowpleochroism.

Thisexamplehasatwin.Thebirefringenceofstauroliteissimilartothatofkyanite,upper1storder.第二十页，共七十一页，2022年，8月28日二、封闭体系的吉布斯相

律和戈尔德施密特矿物相律

1875年吉布斯（Gibbs）创立的相律公式阐明了封闭体系下独立组分数、变量数与平衡共生的相数三者之间的关系。其表达式为：

P=C+2–f(只考虑T、P两个变量）

P=C+3–f(Pl≠Pf)（公式推导见有关教材）

f：自由度数(变量数)。即相平衡系统中能在一定范围内独立改变而不引起相的种类和数目发生改变的独立变量数（P、T等外部条件）。1.吉布斯相律(GibbsPhaseRule)第二十一页，共七十一页，2022年，8月28日

C：独立组分数。即描述体系各相组成所需的独立物质的最小数目。

P：平衡共生相的数目。在岩石学中，一种矿物算一个相，固溶体矿物也算一个相。但如果发生了固溶体分离（如条纹长石），则主、客晶分别一相。

当自由度f=0时，体系具有最大的相数目：C+2。

第二十二页，共七十一页，2022年，8月28日

f、C、P是相平衡体系的重要性质和特征，常根据它们划分体系类型。如：一元系（C=1）、二元系（C=2）、三元系（C=3）……。零变系/不变点(f=0）、单变系/单变线(f=1）、双变系/双变域(区)(f=2）。一元三相系（C=1,Pmax=3）、三元五相系（C=3，Pmax=5）……。第二十三页，共七十一页，2022年，8月28日PhasediagramshowingthestabilityrelationshipsfortheAl2SiO5minerals一元三相系第二十四页，共七十一页，2022年，8月28日例如：CaCO3+SiO2⇌

CaSiO3+CO2↑

是一个三元系构成的单变反应。∵C=3（CaO，SiO2，CO2）,Φ=3+2=5.P=4(CaCO3、SiO2、CaSiO3、CO2)∴f=C+2–P=3+2–4=1。对该单变反应体系，温度和压力两个变量只要一个（或T，或P）能改变则另一个也随之改变。又如：Al2SiO5是一个一元三相系，C=1（Al2SiO5，实际上可以理解为Al2O3，因为SiO2是过剩组分）。f=0时，P=3;f=1时，P=2；f=2时，P=1(如下图)。第二十五页，共七十一页，2022年，8月28日PhasediagramshowingthestabilityrelationshipsfortheAl2SiO5minerals第二十六页，共七十一页，2022年，8月28日1911年戈氏在他的哲学博士论文中认为自然界矿物的共生都应当是温度和压力在一定范围内独立地、任意地改变而不受到破坏的共生，或者说变质岩中平衡矿物共生组合可以在一定的温度－压力范围内稳定存在。所以，f≥2，P≤C。这就是戈尔德斯密特矿物相律的表达式。即在某个温度压力都可以任意变化的范围内，稳定共生的矿物相的最大数目等于岩石中的独立组分数。2.戈尔德施密特(Goldschmidt)矿物相律第二十七页，共七十一页，2022年，8月28日

可见矿物相律乃是吉布斯相律的一种特殊形式，即f≥2的双变域的共生。当时认为自然界的天然共生体系都属于这样的共生。现在看来，矿物相律并没有单独分出来的必要，因为人们在自然界也发现了单变线上（f=1）的共生，甚至还发现了不变点（f=0）上的共生。当然，自然界最常见的还是f=2的共生。第二十八页，共七十一页，2022年，8月28日

柯尔任斯基（Korzhinskii,1959)认为：在开放体系中，完全活动组份（通常是H2O、CO2)如同T、P一样，其化学位可看作为自由度。同时也认为：开放体系总体上是不平衡的，但对其中每一局部来说是平衡的或接近平衡的，即达到镶嵌平衡。因此，热力学的有关多相平衡原理能有效地用于开放体系。

P≤C-m或P≤K=C-m

其中:m-活动组份；K-有效惰性组份

此二式就是柯尔任斯基矿物相律表达式。其含义为：在一定的温度压力范围内，开放体系中同时共存的平衡共生矿物相的最大数目等于系统的独立有效惰性组份数，而与活动组份、杂质组份等无关。3.柯尔任斯基矿物相律第二十九页，共七十一页，2022年，8月28日第三十页，共七十一页，2022年，8月28日第二节矿物共生分析和组分共生

图解

矿物共生分析是应用矿物相律对变质岩中的矿物共生组合特征及其变化规律进行的研究。其目的是通过它们，反映变质作用过程的物理化学条件及其变化规律，以相平衡原理分析并反映特征温压条件下变质岩矿物平衡共生组合，及其与原岩独立组份之间的规律性对应关系。第三十一页，共七十一页，2022年，8月28日1.组份分析组份分析的目的：确定控制各种矿物共生组合的独立惰性组份，即研究特定变质条件和体系下各种造岩氧化物在变质反应过程中的性状和行为。组份分析的根据就是Korzhinskii组份活动性分类的基本观点：第三十二页，共七十一页，2022年，8月28日完全活动性组份：H2O、CO2惰性组份体系组成有效惰性组份：SiO2、TiO2、（Al2O3,Fe2O3)、（FeO,MgO)、CaO、(K2O,Na2O)类质同像组份：

（Al2O3,Fe2O3)、（FeO,MgO)

过剩组份：

SiO2、MgO/CaO孤立组份：ZrO2、P2O5、C、TiO2杂质组份：Cs2O、SrO、BaO、MnO

在不同物化条件下，不同原岩的组分的行为和性状是极不相同的,所以组份分析是矿物共生分析的基础和关键。在一般的硅酸盐质变质岩中，主要有效惰性组份(造岩氧化物)是:(Al,Fe)2O3、CaO、(Fe,Mg)O和K2O。在特定外部条件下，变质岩中的矿物共生关系主要由这四种组分的相对含量所决定。对镁质大理岩则为MgO、Al2O3、SiO2,对钙质大理岩则为CaO、Al2O3、SiO2。第三十三页，共七十一页，2022年，8月28日

共生图解能形象地反映特定的温度、压力条件下变质岩中的平衡共生矿物组合及其与原岩有效独立惰性组分之间的关系。一般都是选择某些特征的独立有效惰性组份来做图，而最常用的是三组份图解。如果一个岩石体系主要由三个(有效惰性)组分组成，根据戈尔德斯密特矿物相律，在观察到的共生组合中，矿物相数应该是3、2或者1，这就意味着当这种岩石的矿物成分用一个代表三个(有效惰性)组分的三角图解表示时，把该三角图分成一系列小的三角形就能表示岩石的矿物共生关系，这种图解叫组分共生图解。2.组分共生图解第三十四页，共七十一页，2022年，8月28日等边三角形投图法第三十五页，共七十一页，2022年，8月28日常用的组分共生图解如ACF图解、A′KF图解、AFM图解等。在进行矿物共生分析时，必须先通过化学分析或从岩石的矿物组成入手，确定岩石的化学成分，并进行组分分析，即把多组分岩石体系简化为三组分或四组分体系，这样才能做出组分共生图解，表示岩石化学成分与矿物共生组合的关系。具体做法可参阅有关文献/教材：《变质岩石学》，王仁民等编,P62-77;《变质岩石学》，贺同兴等，1980，P160-164；

《Petrogenesisofmetamorphicrocks》,Winkler,H.G.F.,1976，p31-54;或《变质岩成因》，张旗等译,1980，P31-54。

第三十六页，共七十一页，2022年，8月28日2.1ACF图解（化学分析+薄片矿物统计）

参数计算如下：

A=Al2O3+Fe2O3-(K2O+Na2O)=Al2O3+(Fe2O3-70%Mt)-(K2O+Na2O)=Al2O3+Fe2O3’-(K2O+Na2O)C=CaO=(CaO-30%Sph)-(CO2+3.3P2O5)=CaO’-(CO2+3.3P2O5)F=MgO+FeO+MnO=MgO+(FeO-50%Ilm-70%Mt)+MnO=MgO+FeO’+MnO

必须从化学分析数据中消除副矿物的影响，然后换算成各氧化物的分子数，再进行计算A、C、F值，并换算成百分比。第三十七页，共七十一页，2022年，8月28日Orijarvi(Finland)地区低角闪岩岩石的ACF图解ACF图解适用于SiO2过饱和的岩石，对含橄榄石等SiO2不饱和岩石不适用。ACF图解第三十八页，共七十一页，2022年，8月28日ACF图解的优点：适用面广，几乎可以大致表现所有各类常见变质岩的矿物共生关系。ACF图解的缺点:组份归并不合理：Fe、Mg的类质同像有限，许多情况下为独立组分。在ACF图上共生线交叉可能由此导致。2)组分归并中由于减去了K2O、Na2O,故在ACF图上不能表示含碱质的云母类矿物、辉石及闪石族矿物，而它们是自然界分布广泛的造岩矿物。3)不能表现固溶体矿物的成分变化。对于K2O的过剩与不足，要用两种图解。在图下未注明便会引起许多误解，为此就必须使用

A′KF图解。第三十九页，共七十一页，2022年，8月28日Mus+QAls+Kfs+H2OK2O不足K2O过剩高铝的铝硅酸盐矿物与钾长石的共生情况Q-Mus-CoQ-Mus-Kfs第四十页，共七十一页，2022年，8月28日2.2A′KF图解针对ACF图的不足，提出了该图解。大多数变质泥质岩和长英质岩贫CaO,且仅含于An或Epi中，因此在图解中可以不表示CaO.而这些岩石中大都含有过量的Al2O3,Al2O3>Na2O+K2O+CaO,即含Al2O3比之与全部Na2O、K2O和CaO结合形成长石所需的数量还要高，这部分多余的Al2O3形成And、Cord等，称为A’。参数计算如下：

A′=Al2O3+Fe2O3-(K2O+Na2O+CaO)K=K2OF=MgO+FeO+MnO第四十一页，共七十一页，2022年，8月28日A′KF图解的优点：可以表现变质泥岩和部分长英质岩石中的K2O过剩与不足时的矿物共生组合。A′KF图解的缺点：适应面窄，且有与ACF图解类似的缺点。A′KF图解适用于：SiO2过剩之岩石。可以表示富碱质的矿物，如Gl、Ab、Jd、Mica等。Orijarvi(Finland)地区低角闪岩相中SiO2过剩的变质泥质岩的A′CF图解A′KF图解第四十二页，共七十一页，2022年，8月28日ACF与A′KF的结合更能说明问题

(角闪岩相：红柱石-堇青石带)第四十三页，共七十一页，2022年，8月28日2.3AFM图解由J.B.Thompson(1957)提出并使用。从矿物相律来看，它更合理。该图解针对ACF、A′KF图解之不足，将FeO、MgO作为两个独立组分看待。该图解适用于泥质变质岩。在泥质岩中,矿物共生关系取决于Al2O3、FeO、MgO、K2O，SiO2作为过剩组份。考虑到变质泥岩中，低级时都含Mus,高级时都含Or.因此，Thompson设计在AKFM四面体中，从Mus成分点(M)或Or成分点(K)向AFM面上投影，从而得到该图解。第四十四页，共七十一页，2022年，8月28日AFM参数计算：从M（白云母）点投影时：A=(Al2O3-3K2O)/(Al2O3-3K2O+MgO+FeO)M=MgO/(MgO+FeO)F=FeO/(MgO+FeO)

从K（正长石）点投影时：A=(Al2O3-K2O)/(Al2O3-K2O+MgO+FeO)M=MgO/(MgO+FeO)F=FeO/(MgO+FeO)只需计算其中一个只需计算其中一个第四十五页，共七十一页，2022年，8月28日AKFM四面体简图第四十六页，共七十一页，2022年，8月28日第四十七页，共七十一页，2022年，8月28日

为了拓宽AFM图解的适用面，Reinhardt&Skippen(1970)设计了该图解。

A′=Al2O3-(K2O+Na2O+CaO)F=FeO-Fe2O3-TiOM=MgO2.4A′FM图第四十八页，共七十一页，2022年，8月28日第四十九页，共七十一页，2022年，8月28日第三节Schreinmakers共生分析简介

Schreinmakers分析法：1910-1915年由Schreinmakers创立的多相平衡体系中的不变点、单变线和双变组合之间相互关系的一系列几何图解。依靠体系中有关各相的化学成分及其在平衡共生图解中的位置关系，可以推导出他们之间可能存在的“反应关系”，进而推算出这些单变线围绕不变点向四周发射出去的排列次序-

Schreinmakers分析法。拓扑学计算方法的引入和热力学资料大量增加，使得该方法发展迅速且趋成熟。一、有关概念第五十页，共七十一页，2022年，8月28日Schreinmakers束(bundle)：指围绕不变点向四周发散的单变线。用所缺失的相加方括号表示每一条单变线。复式体系(multisystem)：对于超过C+2个相的体系，必定包含2个或更多不变点，这种体系就是复式体系。成岩格子：也叫成因网系图。复式体系的Schreinmakers束在P-T图或化学位图中构成的复杂网格。相拓扑学：研究特定岩石在成因网系图中的位置及特定变质地区变质岩石在成因网系图中的变化规律，称为相拓扑学(phasetopology).第五十一页，共七十一页，2022年，8月28日SimplifiedpetrogeneticgridformetamorphosedmaficrocksshowingthelocationofseveraldeterminedunivariantreactionsintheCaO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O-(Na2O)system(“C(N)MASH”).Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第五十二页，共七十一页，2022年，8月28日

SimplifiedpetrogeneticgridformetamorphosedmaficrocksshowingthelocationofseveraldeterminedunivariantreactionsintheCaO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O-(Na2O)system(“C(N)MASH”).Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第五十三页，共七十一页，2022年，8月28日第五十四页，共七十一页，2022年，8月28日二、Schreinmakers分析法原理及作图各体系中，不变点数、单变线数及双变组合数具有如下关系：C(φ,P)=φ!/P!(φ-P)!-组合公式.式中:φ-体系中相的总数；P-体系中具体平衡共生组合中相的数目；!-阶乘。由此可推算出独立组分数为n,平衡相数为P的体系的不变点、单变线和双变区的数目依次为1、n+2、(n+2)(n+1)/2.组合公式

二、Schreinmakers分析法原理及作图组合公式

第五十五页，共七十一页，2022年，8月28日例:三元五相系,n1、n2、n3代表三种独立组份，则φ=3+2=5。

若f=0(不变点），P=φ=5,一个不变点上有五个相共存。

若f=1(单变线），P=3+1=4,C(5,4)=5,

[φ1]:φ2φ3φ4φ5;[φ2]:φ1φ3φ4φ5；

[φ3]:φ1φ2φ4φ5；[φ4]:φ1φ2φ3φ5；

[φ5]:φ1φ2φ3φ4;

若f=2(双变区),

P=3+2-2=3,C(5,3)=10,

[φ1φ2]:φ3φ4φ5[φ2φ3]:φ1φ4φ5

[φ3φ4]:φ1φ2φ5[φ4φ5]:φ1φ2φ3

[φ1φ3]:φ2φ4φ5[φ2φ4]:φ1φ3φ5

[φ3φ5]:φ1φ2φ4[φ1φ5]:φ2φ3φ4

[φ1φ4]:φ3φ2φ5[φ2φ5]:φ1φ3φ4

第五十六页，共七十一页，2022年，8月28日一元三相系第五十七页，共七十一页，2022年，8月28日三元五相系第五十八页，共七十一页，2022年，8月28日利用上述公式，可得知：三元六相复式体系的基本情况:不变点数=6;单变线数=15;双变组合数=20。Schreinmakers分析法的优越性：可以用来核对和延伸人工实验的成果，即使在没有任何实验资料的情况下，也可通过相拓扑学原理大致掌握不变点周围的单变线排列的基本次序，对可能存在的反应式、相关系及其形成条件都可以提供某些预测性启示。因此它普遍用于变质岩研究中。第五十九页，共七十一页，2022年，8月28日三、基本公理法则1：一个给定的相不能参与超出它自身稳定域以外的平衡反应。用之可标示各个相的最大极限范围。法则2：任何一条单变线均被不变点分为两段，其中一段代表稳定，用实线表示，另一段代表准稳定，用虚线示之。单变线的位置、形状和斜率可用实验资料和计算方法结合确定。单纯从相拓扑学角度看，单变线两侧的图像都是正确的，而结合热力学资料和矿物学之时，则两侧图像中只能有一个是正确的。第六十页，共七十一页，2022年，8月28日法则3：单变线本身的排布关系恰好与单变线两侧的反应关系形成对照关系。例如：2+3=4+5，则单变线的排布式为:[4][5]/[1]/[2][3].据此规律可以很好地检查各单变线两侧的排列，确保其排布的正确性。法则4：在任何两条单变线（不管是否相邻）之间所加的小于180°的扇形区域内，其稳定的双变组合应为除两条单变线上缺失的相之外的其余各相的组合，且为该双变区域所特有。第六十一页，共七十一页，2022年，8月28日三元五相系第六十二页，共七十一页，2022年，8月28日四、不同组份相拓扑图单组份(一元三相)体系：C=1,φ=3.f=0,P=1+2=3,C(φ,P)=1;f=1,P=1+2-1=2，C(φ,P)=3；f=2,P=1+2-2=1,C(φ,P)=3。如Al2SiO5两组份(二元四相)体系:C=2,φ=4.f=0,P=2+2=4,C(φ,P)=1;f=1,P=2+2-1=3，C(φ,P)=4；f=2,P=2+2-2=2,C(φ,P)=6。三组份(三元五相)体系：C=3,φ=5.f=0,P=3+2=5,C(φ,P)=1;f=1,P=3+2-1=4，C(φ,P)=5；f=2,P=3+2-2=3,C(φ,P)=10。第六十三页，共七十一页，2022年，8月28日第六十四页，共七十一页，2022年，8月28日五、简并体系

简并体系（degeneratesystem)：指反应单变线数目减少和归并的体系。单变反应体系中，相数为n-1,单变线