变质岩石学 第一章变质作用概述

第四篇变质岩石学MetamorphicPetrology第一章变质作用概述1.变质作用的概念2.变质作用的控制因素3.变质作用的类型变质作用的概念

1)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；3)在特殊条件下，还可以发生重熔（溶），形成部分流体相（岩浆）；4)变质作用是一个动态过程。变质作用（Metamorphism）一词是由法国学者Boue(1820)年首次提出来的，后来由英国学者C.Lyell(1833)在他的名著《地质学原理》中比较系统地进行了论述。定义：指在地壳形成和发展的过程中，由于物理化学条件的改变，先形成的岩石(包括岩浆岩和沉积岩）在固态条件下所发生的矿物成分、结构构造的变化的过程。变质作用的概念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，这种改造发生在风化带和胶结带以下，原岩经过改造后在固态下转变为一种新的岩石。如果原岩为沉积岩，变质后的岩石称为副变质岩；如果原岩为岩浆岩，变质后的岩石称为正变质岩。（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，这一点与岩浆作用不同。岩浆作用强调矿物从硅酸盐熔融体中结晶，是晶体-液态的平衡，并强调温度下降过程。当变质作用温度较高时，岩石可发生部分熔融，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用。当熔体数量较多时转变为典型的岩浆作用。广义的变质作用：包括岩石在固态下的变质作用和有部分熔体出现的混合岩化作用。变质岩的重要地位前寒武纪之前的岩石几乎均为变质岩,占大陆面积的1/5

变质岩在我国分别很广，而且有大量的金属和非金属矿产 例如：鞍山式铁矿—含铁石英岩型 石英脉型金矿—如山东变质作用的控制因素大地构造位置：岛弧、海沟、洋中脊构造过程：沉降、隆升等岩浆作用等地质因素控制变质作用的因素：温度（T）压力（P）流体成分（x)时间(t)取决于物理化学条件，即外部因素一、温度它是变质作用的主导因素。温度范围:200-8000C，超高压可达10000C。变化原因:

岩浆；深部热流；地壳放射热；机械摩擦；地热增温（正常情况25-30C

/km)。

主要作用：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。变质作用的控制因素1.温度升高引起的变化(1)

导致重结晶作用 随着T增加，岩石内部质点活动能力增加，质点重新排列——晶粒由小变大，由细变粗。例如

石灰岩(沉积岩)大理岩(变质岩)促进矿物之间的化学反应,形成新的矿物与矿物组合,

例如

Al4[Si4O10](OH)82Al2[SiO4]O+2SiO2+4H2OT升高吸热放热红柱石高岭石石英2.导致温度升高的热源(1)地热：地热增温率7-60℃/km,

例如若一般地区为25℃/km，则在Moho附近，可 以达到800℃左右(2)岩浆侵入：岩浆侵入－冷却－散热(3)构造运动：摩擦作用(4)地球内部物质的相变释放能量(5)放射性元素的衰变能，U,Th—Pb

238U

206Pb+8+6－+E

235U

207Pb+7+4－+E 232Th

208Pb+6+4－+E变质作用的控制因素二、压力(静压力、流体压力和应力)1.静压力（均向压力）概念：负荷压力，单位帕（斯卡）（Pa）

地质上也常用bar（巴）和kbar（＝103bar)

它各向相等，大小等于上覆岩石的重量。与深度h关系为：

P=

gh

P=9.81

h×103（深度：km;压力：GPa）地表向下P随深度的变化速率为：0.0275GPa/km1大气压＝101325Pa1bar=105Pa常用为：1kbar=1000大气压

1GPa＝10kbar=1万大气压地壳岩石按照比重计算：100km=30kb因此：一般 Moho面＝10kb

地心压力＝350GPa

实验室能达到＝550GPa1bar=0.987个大气压静压力的常用单位换算关系：作用:

（1）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。石英－柯石英—斯石英（3）改变岩石的熔点CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2105Pa,4700C108pa,6700C静压力范围：动力变质作用和接触变质作用多在5km范围内，压力低于0.1GPa；区域变质作用深度大于5km，压力高于0.1GPa，按压力大小分为不同的压力型（低压、中压、高压、超高压）变质作用的控制因素2.流体压力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。对变质作用的影响分两种情况:(1).流体压力与静压力相等：流体压力不构成独立的控制因素；(2).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。流体压力流体——指存在于岩石的颗粒间、显微裂隙和毛细孔隙中的流体，包括水、CO2，O2等。流体对其存在的空间壁会有一定的压力，即粒间流体压力。其总压力为各组分分压之和。P流体＝PH2O＋PO2＋………流体压力的作用：(1)对有流体参与的变质反应的温度有影响，例如：

CaCO3+SiO2

CaSiO3+CO2↑

PCO2↗,反应的T↗(2)流体压力增大可以促进岩石颗粒重结晶方解石硅灰石石英变质作用的控制因素一种侧向压力（各方向压力不等）应变：岩石遭受应力作用所产生的反应。（弹性变形、永久变形）分类：张应力、压应力、剪应力。

作用1.机械改造。是岩石优选组构的主要因素。2.影响变质反应、重结晶作用、流体活性。3.产生构造超压，增加静压力。3、应力a.张应力（s3）及应变特点

主要产生张性断裂、拉伸组构(Winter,2001)变质作用的控制因素

b.压应力（s3）及应变特点

主要是均匀压扁或褶皱(Winter,2001)变质作用的控制因素c.剪应力（s2）及应变特点

沿一组平行的面滑动或旋转(Winter,2001)变质作用的控制因素变质作用的控制因素在较高温压条件下,具有较大的活性。主要作用如下：溶剂和媒介（载体）作用。2.控制变质反应方向。例如Cc+Q

Wo+CO2降低岩石熔点。长英质岩:无水9500C,含水6400C4.变质反应的催化剂。例如铁橄榄石的合成实验：2MgO+SiO2Mg2SiO4

在干体系10000C条件下,须时近四天,只有26%转化；在湿体系4600C条件下,只须时间几分钟,就全部转化。三、具化学活动性流体四、时间实验室的化学反应——瞬间地球系统的化学反应——漫长

在实验室短时间内无法发生的变质反应和变质作用（以天、月计算），在地球系统的地质演化历史中是可以发生的（以Ma为单位），以百万年为单位。归纳变质作用因素为：T、P、流体、时间变质作用的控制因素

1.温度:一般是最重要因素，它不仅控制着变质作用的发生和发展，也制约着流体的活性和岩石变形性质；2.压力:影响物化平衡的独立因素，有时对矿物组合起决定作用；3.流体:是变质作用得以实现的基本因素，但温度又是流体具有活动性的前提；4.时间:控制着变质反应的进程和规模。相互关系---相互促进又相互制约考虑以上的变质作用因素和地质条件，可以分为：一、接触变质作用二、动力变质作用三、气液变质作用四、区域变质作用五、混合岩化作用六、其他类型变质作用

变质作用类型一、接触变质作用在岩浆岩体边缘和围岩接触带上，由于高温、溶液的影响使岩石发生的变质作用。分布位置：岩体或岩体附近分为：热接触变质作用接触交代变质作用岩体围岩变质岩接触变质带示意图内带中带biotitemuscovitecordieriteandalusitequartz接触变质带中不同分带粒度变化二、动力变质作用在构造运动产生的压力下，使岩石发生破碎的变质作用分布位置：断层，破碎带导致结果：使岩石发生变形、破碎，还有轻微的重结晶现象正断层破碎带三、气液变质作用具有化学活动性的热水溶液和气体对岩石进行交代，而使岩石发生变质的作用主要因素：化学活动性流体，温度来源：岩浆的挥发分，地壳内的热水结果：岩石化学成分变化四、区域变质作用是大面积发生的区域性的变质作用，是在地壳活动带发生的变质作用主要因素：复杂，T、P、流体都有结果：使岩石强烈变形或片理化分布：古老的结晶基底、造山带，常与混合岩化作用伴生变质作用类型日本的变质双带及形成模式变质作用类型新西兰岛南部Otago区域埋藏变质作用（Turner，1981)沸石葡萄石-绿纤石绿纤石—阳起石绿泥石黑云母—较高级在高级区域变质地区，由部分熔融产生的低熔物质（新成体）与变质岩基体（古成体）混合形成混合岩的过程。它是变质作用向岩浆作用的过度类型,又称超变质作用

五.混合岩化作用:

混合岩六、其他类型变质作用冲击变质作用——陨石冲击地球，产生高温高压，如石英相变为柯石英和斯石英。在自然界发现是60年代由华人赵景德在美国亚利桑那州的梅蒂尔陨石坑发现柯石英和斯石英，是冲击变质作用产物。复变质作用——不同阶段、多次叠加的变质作用地球陨石BarringerMeteorCrater变质作用的方式按照岩石发生变质的途径或方式，可以分为： 一、重结晶作用 二、变质结晶作用和变质反应 三、交代作用 四、变质分异作用 五、变形和碎裂作用一、重结晶作用同种矿物，经过重新溶解、组分迁移，再结晶形成原矿物的方式。重结晶作用的结果是晶粒由小变大受控因素：成分愈单一、粒度愈小，愈容易发生举例：石灰岩——大理岩重结晶作用实例含石英大理岩的结构演化（Mason（1999）绘，有所修改补充）a.低温下Cc+Q平衡结构；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；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平衡结构CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO21.石英；2.方解石；3.硅灰石;在变质作用的温度、压力范围内，在原岩基本保持固态条件下使旧矿物消失、新矿物形成的变质方式，一般通过特定的化学反应来实现，这种化学反应称为变质反应。包括同质多象转变和形成新的矿物组合。

举例：红柱石-蓝晶石-矽线石三者之间的同质多象转变二、变质结晶作用和变质反应红柱石-蓝晶石-矽线石三者之间的同质多象转变三、交代作用由于流体的迁移使固态岩石与外界产生复杂物质交换，从而改变岩石化学成分的一种变质方式。要求条件：有流体存在，干体系中很难发生。举例：

Na++KAlSi3O8

NaAlSi3O8+K+实际上，这就是钠长石化作用带入带出钾长石钠长石四、变质分异作用在变质作用