变质岩的形成过程

变质岩石学

MetamorphicPetrology

现在是1页\一共有37页\编辑于星期一第一讲

变质岩的形成过程（1）现在是2页\一共有37页\编辑于星期一本讲基本问题问题（1）变质作用与变质岩概念（what）问题（2）变质岩是如何形成的呢？（How）

问题（3）变质作用机制因何而启动和进行？（Why）

问题（4）变质作用发生的地质构造环境（Where）现在是3页\一共有37页\编辑于星期一沉积岩：表生环境，外力作用，风化、搬运、沉积；岩浆岩：地球内部，上地幔或地壳深处，内力作用，炽热熔浆，结晶，地表冷凝结晶或淬火后冷凝固结；变质岩：地球内部，内力作用，原有岩石的基本固态下的成分与组构转变一、变质作用与变质岩概念现在是4页\一共有37页\编辑于星期一变质作用——在地壳环境中，先存岩石（原岩,protolith）在固态下（下固相线subsolidus）发生的成分、组构转变过程的总和；变质岩——原岩成分与组构经固态转变过程（变质作用）而形成的新岩石。原岩为岩浆岩—正变质岩（ortho-）原岩为沉积岩—副变质岩（para-）原岩为变质岩—复变质岩（poly-）现在是5页\一共有37页\编辑于星期一二、变质作用机制（How）变质作用机制：变质结晶、变形、变质分异；深熔作用（anatexis）与部分熔融（partialmelting——岩浆岩成因术语）；埋藏变质（burialmetamorphism）与成岩作用（diagenesis）过程的压实、重结晶和交代作用，属于沉积作用范畴）。现在是6页\一共有37页\编辑于星期一变质结晶作用

（Metamorphiccrystallization）变质结晶作用：先存岩石（原岩）在变质作用温度压力条件范围内新矿物的结晶生长。包括：重结晶作用（等化学过程，封闭）交代作用（异化学过程，开放）

现在是7页\一共有37页\编辑于星期一1.1

重结晶作用（recrystallization）

——在基本固体状态下原岩矿物发生的结构调整或化学反应形式的再造过程。重结晶前后，岩石的造岩组分（除H2O、CO2等挥发分外）基本保持不变。特点：

等化学过程封闭体系矿物的成核、结晶生长受表面能最低原理控制可分狭义重结晶和变质结晶（变质反应）两种(Raymond,2002)现在是8页\一共有37页\编辑于星期一（1）狭义重结晶：(Recrystallization,Raymond,2002)矿物成分不变下的结构调整：纯灰岩（沉）大理岩（变）纯石英砂岩（沉）石英岩（变）纯灰岩粗粒大理岩细粒大理岩单矿物原岩结构变化成分不变Raymond,2002现在是9页\一共有37页\编辑于星期一

细粒含石英大理岩新旧矿物更替和结构变化（据Mason，1999）a.反应前：低温下，微晶方解石Cc（CaCO3）与碎屑石英Q（SiO2），通过重结晶改变各自的大小和形状，多处形成三联点结构；b.在碎屑石英边缘上生长出Wo（称反应边）：Cc+Q=Wo（CaSiO3）+CO2↑未参与化学反应的方解石经狭义重结晶加粗，三联点结构；c.反应后：因石英方解石，石英被全部消耗，未参与反应的Cc和新生长的Wo粒度进一步加粗，形成高温条件下的稳定矿物组合（Cc+Wo）。方解石石英方解石石英方解石硅灰石（2）变质反应：（Neocrystallization，Raymond,2002）现在是10页\一共有37页\编辑于星期一（左）远离岩体的上奥陶统页岩中的含化石灰岩结核.（右）

近岩体处，页岩变质岩角岩，灰岩与页岩反应为以钙长石+透辉石为主要矿物的钙硅粒岩壳挪威Oslo裂谷二叠纪接触变质晕内沉积岩向变质岩的转变露头照片

（据KurtRucher&RodneyGrapes,2011）现在是11页\一共有37页\编辑于星期一1.2变质交代作用

（metasomatism）交代作用指在变质作用条件范围内，在以化学活动性流体为主要因素的作用下，使岩石中的造岩组分发生不同程度的带入或带出，使新形成岩石的化学成分（除H2O、CO2等挥发分外）部分或全部变化的变质过程。在交代过程中，岩石的体积基本保持不变。交代过程是异化学作用过程，岩石体系性质属于开放体系。交代作用也可在成岩阶段发生，称成岩交代作用；在变质条件下发生的交代作用称为变质交代作用。现在是12页\一共有37页\编辑于星期一活动元素（组分）与惰性元素（组分）；活动组分：可带入带出，岩石中该组分的绝对含量交代前后的含量发生改变，除H、F、Cl、S、C等挥发份组分以外，碱金属Na、K、Rb、Cs和碱土金属类元素Be、Ca、Mg、Sr、Ba、Si等常见；惰性组分：基本不发生带入带出，交代前后组分的绝对含量不发生改变，以重金属、稀土或超场强元素（HFSEs）常见；主量元素中包括Fe、Al、Mn、Ti等。某一元素是否属于活动与惰性元素，视具体情况而定！现在是13页\一共有37页\编辑于星期一交代机制——交代作用中的活动组分的运移方式渗透（infiltration）：组分受压力差驱动，随溶液流动，从高压域向低压域迁移，主要发生在裂隙溶液中;扩散（diffusion）：组分受浓度差驱动，从高浓度域向低浓度域迁移，主要发生在不流动的粒间孔隙溶液中；粒间孔隙溶液中某种活动组分浓度或化学位梯度是运移和交代的主要动力；交代作用也见于岩浆岩和沉积岩的形成过程；变质交代作用仅指发生在变质作用条件范围内的交代作用。现在是14页\一共有37页\编辑于星期一举例：判断以下反应是交代作用与变质重结晶机制？纯橄榄岩蛇纹岩重结晶机制（无主要造岩成分得失）：2Mg2SiO4+3H2O→H4Mg3Si2O9+Mg(OH)2

Fo(镁橄榄石)Ser(蛇纹石)Brc(水镁石)交代机制（有主要造岩成分得失）：

3Mg2SiO4+4H2O+(SiO2)→2H4Mg3Si2O9

Fo溶液中Ser思考题：地质学和岩相学证据？现在是15页\一共有37页\编辑于星期一2.变形

（Deformation)岩石在变质作用的温压条件范围内，受到超过其最高弹性模量的应力作用，将发生永久变形，使岩石的结构和构造受到破坏，岩石化学成分可变可不变，从而形成变质岩的地质作用过程。依据变形性质可分脆性变形和韧性变形两种。现在是16页\一共有37页\编辑于星期一脆性变形（brittledeformation）

脆性变形使先存岩石在变形后完全失去内聚力（四分五裂、支离破碎），岩石表现为破裂、碎裂、碎粒、碎粉化之特征。请指出图（1）和图（2）中两件岩石脆性变形的强弱程度？现在是17页\一共有37页\编辑于星期一韧性变形（ductiledeformation）

塑性变形一般不使岩石失去内聚力（似断非断，如胶似漆），分晶内（intra-）塑性变形与晶界或晶间（inter-）塑性变形两种；晶内塑性变形表现为晶体内部的滑移（gliding）和位错（dislocation），镜下可见晶体内部发育书斜（多米诺骨牌）构造、机械双晶、扭折带、变形纹、动态重结晶等；晶界塑性变形表现为边界滚动、滑动和扩散流动，晶体整体呈鱼状、透镜体状，或碎粒流或韧性流等。现在是18页\一共有37页\编辑于星期一3.变质分异

（metamorphicdifferentiation）在变质作用过程中，原先均匀的岩石经变质后成为不均匀甚至存在成分分“层”岩石的现象（Raymond,1995），结果使岩石的构造特征发生了改变，从而形成变质岩的作用过程。变质分异严格来说应指封闭体系内的组分调整，以便于与交代作用相区别，但往往不易区分。另外变质分异与构造分异也密不可分。变质分异产生不均匀或成分层的现象与机理（1）变斑晶形成（2）扩散反应带（交代作用？开放？）（3）构造剪切分异：浅变质岩中的石英脉（4）构造压扁（图17-8？）

现在是19页\一共有37页\编辑于星期一高级片麻岩区四种典型露头尺度递进变形示意图

所有这些递进变形都形成相同的条带状片麻岩（Passchieretal.,1990）(a)网状岩脉的均匀变形(b)岩石碎块的均匀变形（c）粒度不均匀的均质火成岩（例如斑状花岗岩）的均匀变形(d).均质火成岩（例如辉长岩）的不均匀变形现在是20页\一共有37页\编辑于星期一三、变质作用影响因素（What）变质作用因素指使变质作用得以发生和发展的原因或诱因。地质原因：地质环境的改变，如构造位置改变（岛弧、海沟、洋中脊、大陆裂谷、俯冲带、碰撞带，等）、构造过程（增厚、减薄、俯冲、折返、深埋、隆/抬升，等）和岩浆作用等。物化和动力学因素：可以抽象为温度（T）、压力（P）、流体组分（x）、时间（t）等因素，这也是将物理化学和动力学引入变质岩石学研究的基础。现在是21页\一共有37页\编辑于星期一1.1（对变质作用机制的）影响

对于变质重结晶作用，升温有利于吸热反应(如脱挥发份反应)，促进晶体的溶解和生长，提高反应速率；降低温度将使变质反应向放热方向进行，利于水化和碳酸盐化反应进行；对于变形作用，温度升高利于岩石从脆性变形向韧性变形转变，影响岩石的变形行为；对于交代作用和变质分异作用，温度升高有利于进行；温度的持续升高将导致岩石发生深熔（部分熔融）作用，促进混合岩化。1.温度(temperaturecondition,heat)

温度是热的标量。变质作用的热源主要有地幔对流热、地壳放射性元素蜕变产生的放射性热、岩浆结晶潜热和构造摩擦热等。现在是22页\一共有37页\编辑于星期一1.2变质作用温度范围

变质作用温度-压力范围图解

实验确定的白云母花岗岩(1～4)和拉斑玄武岩(5～8)的熔融间隔(引自Miyashiro,1994)。实线表示无水条件，虚线表示过量水条件。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，无水条件下的固相线和液相线分别为7、8。DG.成岩作用条件区；MG.岩浆作用条件区；MT.变质作用条件区；NU.自然界未知的条件区。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1～8之间按变质作用的温度范围分：极低温、低温、中温、高温和超高温变质，相应的变质程度划分为极低、低、中、高、极高级变质现在是23页\一共有37页\编辑于星期一岩柱压力（Pl–lithostaticpressure）流体压力（Pf–fluidpressure）偏应力（Pd–directedpressure）热力学压力称静水压力（Ps-hydrostaticpressure），影响着化学反应的平衡温度。2.压力（Pressurecondition）

2.1变质作用压力分类现在是24页\一共有37页\编辑于星期一岩柱压力（Pl）各向同性：Pl=ρgDPl(GPa)=9.81ρ

D(Km)10-3

（ρ=2700kg/m3）流体压力：Pf=PH2O+PCO2+…..

流体超压=Pf-Pl定向应力（Pd）向各异性偏应力（非静水压力）=A-B0平均应力（具静水压力性质）=（A+B）/2构造超压=平均应力/偏应力指向地心的分应力-岩柱压力（Pl）现在是25页\一共有37页\编辑于星期一2.2岩柱压力范围变质作用压力条件范围

实验确定的变质反应将变质作用按压力条件划分为低压、中压、高压和超高压变质：低压——低于蓝晶石、红柱石和矽线石（Als）三相点压力条件；中压——Als三相点至Jd+QAb（硬玉+石英钠长石）反应之间；高压——Jd+Q至出现柯石英（Coe）多型之前的压力条件；超高压——柯石英（Coe）至金刚石（Dia）现在是26页\一共有37页\编辑于星期一2.4压力对变质作用机制的影响（1）岩柱压力

（2）偏应力

（3）流体压力

（4）构造超岩与流体超压现在是27页\一共有37页\编辑于星期一3．流体成分（x）液体（liquid）、蒸汽

（Steam）、超临界流体（supercriticalfluid）流体成分（以水为例）来源：原岩中的同生水+大气水、俯冲带卷入的海水、变质反应释放水、岩浆冷凝释放水、深源水（少），可高达5wt%

页岩和玄武岩变质的H2O含量变化(afterKurtRucher&RodneyGrapes,2011whoredrawnfromFyfeetal.1978)现在是28页\一共有37页\编辑于星期一变质作用过程当液体相呈超临界状点（H2O:374oC，21.77MPa）或以上温度时，液体相和蒸汽相具有相同的密度。流体成分以H2O,CO2,为主体；含卤素和碱金属元素或大半径亲石元素的流体，常具有极强的交代能力，习称具化学活动性的流体；流体的作用与影响：流体中的成分可成为矿物晶格的一部分（变质反应），直接构成岩石的一部分组成；影响某种流体组分的分压，影响相关变质反应的平衡温度；流体作为介质为组分运移提供载体，或媒质促进矿物的溶解速率、促进深熔作用和交代作用，降低脆-韧性变形的转变温度等。现在是29页\一共有37页\编辑于星期一4．时间（t）变质作用时间因素通常从两个角度理解：一是变质作用发生的地质时代（Geologicalage），即不同时代变质作用的特点不同，这是由地球演化的方向性和不可逆性决定的；二是一次变质作用事件经历的时间跨度（time

span通常为10-50Ma），尤其是变质作用温度条件最高阶段（热峰）持续时间。热峰持续时间越长，变质反应越彻底。热力学只考虑过程的始态和终态，而动力学则考虑过程，时间是一个重要参数。变质动力学是变质岩石学研究的一个极其重要的学科前沿：视考虑的尺度分为变质作用地球动力学（dynamics）和变质反应动力学（kinetics）两个领域。现在是30页\一共有37页\编辑于星期一四、变质作用地质构造环境

2．区域构造环境变质作用(RegionalMetamorphism)俯冲带变质作用(subductionzonemetamorphism)碰撞带变质作用(collisionzonemetamorphism)洋底变质作用(oceanfloormetamorphism)埋藏变质作用(burialmetamorphism)1．局域变质作用(LocalMetamorphism)接触热变质作用(contactmetamorphism)动力变质作用(dynamicmetamorphism)冲击变质作用(impactorshockmetamorphism)交代变质作用(metasomaticmetamorphism)现在是31页\一共有37页\编辑于星期一现在是32页\一共有37页\编辑于星期一古大陆代号：SB-华南；Aus-澳大利亚；Sib-西伯利亚；In-印度；Ka-卡拉哈里；EAnt-南极东部；Lau-劳伦；Con-刚果；Amz-亚马逊；WAfr-西非；Bal-波罗的。全球Rodinia超大陆复原图

（据H