變質(zhì)巖--地質(zhì)系PPT

1、變變 質(zhì)質(zhì) 巖巖 巖巖 石石 學(xué)學(xué)講授：王居里講授：王居里第一節(jié) 變質(zhì)作用和變質(zhì)巖巖漿巖 巖石 巖石學(xué)沉積巖變質(zhì)巖 為什么我們現(xiàn)在所見到的巖石不僅僅是巖漿巖和沉積巖這兩大類呢？原因：地球動(dòng)力學(xué)事件使早先存在的巖石所處的地質(zhì)環(huán)境和物理化學(xué)條件發(fā)生變化，偏離其初始形成時(shí)的地質(zhì)環(huán)境及物理化學(xué)條件。這必然引起巖石的礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造甚至化學(xué)成分發(fā)生變化（調(diào)整或改造），以適應(yīng)新的地質(zhì)環(huán)境及物理化學(xué)條件。一、變質(zhì)作用和變質(zhì)巖的概念在地殼形成和發(fā)展、演化過(guò)程中，早先形成的巖石（包括巖漿巖、沉積巖以及先存的變質(zhì)巖）在地殼一定深處，為適應(yīng)新的地質(zhì)環(huán)境和物理化學(xué)條件，在基本保持固態(tài)的條件下發(fā)生的礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2、甚至化學(xué)成分的變化稱為變質(zhì)作用（metamorphism）。 地質(zhì)環(huán)境和物化條件的改變可由地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)、區(qū)域熱流變化、應(yīng)力變化等引起。 特殊條件下可發(fā)生部分熔融產(chǎn)生一定量的流體相。在變質(zhì)作用條件下的形成的新的巖石稱為變質(zhì)巖（metamorphic rock）。它們是大陸地殼中最主要的巖石類型之一。 變質(zhì)成礦作用三大類巖石在自然界相互轉(zhuǎn)化和物質(zhì)再循環(huán)三大類巖石在自然界相互轉(zhuǎn)化和物質(zhì)再循環(huán)(據(jù)Tarbuck and Lutgens, 1997)成因不同、特征各異，密切相關(guān)、互相轉(zhuǎn)化正變質(zhì)巖（orthometamorphite）。副變質(zhì)巖（parametamorphite）。變質(zhì)巖巖石學(xué)

3、（Metamorphic Petrology） 是研究變質(zhì)巖的分布、產(chǎn)狀、成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、分類、命名、共生組合及其形成演化機(jī)制與條件、在地球（天體）形成和演化過(guò)程中的地位及作用、與礦產(chǎn)的關(guān)系等內(nèi)容的一門獨(dú)立學(xué)科。二、變質(zhì)作用的范圍現(xiàn)代巖石學(xué)通常把變質(zhì)作用限定為一種內(nèi)生地質(zhì)作用，是地殼演化過(guò)程中原先形成的巖漿巖和沉積巖在地殼一定深處所發(fā)生的一種固態(tài)轉(zhuǎn)變。 發(fā)生于地殼一定深處地殼一定深處和固態(tài)轉(zhuǎn)變固態(tài)轉(zhuǎn)變是變質(zhì)作用的兩個(gè)基本點(diǎn)，也是區(qū)別于其他礦物轉(zhuǎn)變作用的關(guān)鍵所在。 地殼一定深處的含義是指變質(zhì)作用發(fā)生于一定的溫度和壓力范圍，通常是T=200800，P=0.021.5GPa。此溫度范圍大致位于成巖

4、后生作用和巖漿作用之間，壓力范圍表明它要求處于地殼一定深處，即風(fēng)化帶之下。變質(zhì)作用不包括各種表生作用。成巖后生作用與變質(zhì)作用之間沒(méi)有截然的界限。因?yàn)樵诤笊蓭r過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一些在變質(zhì)作用中形成的礦物。因此，在區(qū)別成巖作用與變質(zhì)作用時(shí)，典型礦物共生組合更為重要。如綠泥石是成巖作用和變質(zhì)作用中都能出現(xiàn)的礦物，但綠泥石與葡萄石、黝簾石或斜黝簾石的共生則是變質(zhì)作用的范疇。變質(zhì)作用與巖漿作用的區(qū)別：變質(zhì)作用的發(fā)生過(guò)程主要是一個(gè)升溫過(guò)程，而巖漿作用主要是降溫過(guò)程。 變質(zhì)反應(yīng) 重結(jié)晶變質(zhì)作用主要是在固態(tài)條件下的礦物轉(zhuǎn)變，而巖漿作用則是在液態(tài)條件下的礦物晶出。 變晶結(jié)構(gòu)變質(zhì)作用與巖漿活動(dòng)之間也沒(méi)有一條截然的界

5、線。 部分重熔第二節(jié)第二節(jié) 變質(zhì)作用的主要因素變質(zhì)作用的主要因素內(nèi)部因素（內(nèi)因）外部因素（外因），也稱地質(zhì)因素（空間、時(shí)間）內(nèi)部因素只能影響變質(zhì)作用產(chǎn)物的一些特征，而真正控制變質(zhì)作用發(fā)生、影響變質(zhì)作用特點(diǎn)的因素是地質(zhì)因素。變質(zhì)作用的主要控制因素有四種：溫度、 壓力、具化學(xué)活動(dòng)性的流體和時(shí)間。一、溫度1、溫度在變質(zhì)過(guò)程中的作用u溫度升高可使原巖中一些礦物發(fā)生重結(jié)晶。v溫度變化能引起原巖中礦物之間發(fā)生變質(zhì)反應(yīng)形成新礦物。 如： CaCO3SiO2 CaSiO3CO2 因此，溫度是變質(zhì)反應(yīng)中最重要的熱力學(xué)平衡參數(shù)。w溫度升高可為變質(zhì)反應(yīng)提供能量，并使巖石中流體的活動(dòng)性增大，促進(jìn)變質(zhì)反應(yīng)進(jìn)行，使新礦物

6、和新組構(gòu)能以較快的速率和較大的規(guī)模形成。x溫度持續(xù)升高可使原巖在重結(jié)晶和變質(zhì)結(jié)晶基礎(chǔ)上發(fā)生部分重熔，其中長(zhǎng)英質(zhì)組分成為流體相，引起混合巖化作用。2、溫度（熱狀態(tài)）改變的原因地?zé)嵩鰷厣系蒯崃鞯倪\(yùn)動(dòng)放射性元素衰變釋放熱能的積累巖漿活動(dòng)帶來(lái)的熱在應(yīng)力作用下，變形和摩擦作用產(chǎn)生的熱能，即機(jī)械能轉(zhuǎn)變的熱能二、壓力1、負(fù)荷壓力（ Pl）l又稱圍壓或固體巖石所承受的壓力，以Pl（或 P圍、P巖、P固）表示，是一種均向性的靜壓力。其大小等于上覆單位巖石柱的重量，即：Pl=gD。其數(shù)值隨深度增加而增加，取決于上覆巖層的厚度和密度。l負(fù)荷壓力的單位是Pa或GPa。一般情況下， Pl隨巖層深度約以25106Pa3

7、0106Pa/km的速率增加，其增加值取決于巖石的密度。在離地表040km范圍內(nèi)，根據(jù)巖石的平均密度計(jì)算，每加深1公里，負(fù)荷壓力增加0.0275GPa。變質(zhì)作用的壓力范圍一般為0.021.5GPa。具體數(shù)值可根據(jù)變質(zhì)當(dāng)時(shí)上覆巖層的厚度和密度估算。 計(jì)算表明，大陸殼內(nèi)不同深度的近似壓力如下： 深度（km） 10 35 50 壓力（GPa） 0.26 1 1.5l負(fù)荷壓力是變質(zhì)反應(yīng)的重要熱力學(xué)平衡參數(shù)之一，它和溫度一樣，都能獨(dú)立決定巖石中礦物組合的穩(wěn)定范圍及通過(guò)特定變質(zhì)反應(yīng)形成新礦物組合的可能性。l負(fù)荷壓力的作用表現(xiàn)為：改變發(fā)生變質(zhì)反應(yīng)的溫度。 壓力增高，多數(shù)情況下可使吸熱反應(yīng)的平衡溫度升高。如C

8、aCO3SiO2 CaSiO3CO2的反應(yīng)，當(dāng)壓力由105Pa（1bar）增高到0.1GPa（1Kb）時(shí)，發(fā)生這一反應(yīng)的溫度將由470增到670。壓力的增高有利于形成分子積體較小、密度較大的高壓礦物或礦物組合。 如硬玉和霰石等。2、流體壓力（Pf）l 一般來(lái)說(shuō)，任何巖石在變質(zhì)前多少都含有一定量的流體。如果僅有薄薄的流體薄膜吸附于顆粒表面，則不構(gòu)成獨(dú)立的流體相。變質(zhì)作用一旦開始，便有流體釋放出來(lái)，它們充填于毛細(xì)孔和微裂隙中，不完全被顆粒所吸附，便成為一個(gè)獨(dú)立的流體相，其所具有的內(nèi)壓稱為流體壓力。以Pf表示。l流體壓力作用于顆粒表面，起與Pl相反的作用，趨向于使顆粒分開。流體相中各組分的分壓則分別

9、以PH2O、PCO2表示，其數(shù)值和各自在流體相中的相對(duì)摩爾含量成正比，在理想混合時(shí)，符合道爾頓定律：Pf=PH2OPCO2流體壓力在變質(zhì)反應(yīng)的熱力學(xué)分析中能否作為一個(gè)獨(dú)立變量加以考慮，要具體情況具體分析。（1）在近地表處，巖層中裂隙發(fā)育且與地表連通，體系是開放的，此時(shí)Pf等于相應(yīng)深度該流體相本身的重力，而常小于上覆巖層的重力，因此PfPl。這種情況下，對(duì)于有流體相參與的變質(zhì)反應(yīng)， Pf應(yīng)作為一個(gè)獨(dú)立的變量來(lái)考慮。部分高級(jí)變質(zhì)條件下，由于揮發(fā)分被帶走或原巖中含水很少，孔隙或裂隙中流體相呈不飽和狀態(tài)，也可出現(xiàn)PfPl的情況。對(duì)于有這些揮發(fā)分參與的變質(zhì)反應(yīng)， Pf也應(yīng)作為獨(dú)立變量來(lái)考慮。（2）在地殼

10、較深處，大約在12km以下，由于巖層中構(gòu)造裂隙不太發(fā)育，流體處于封閉體系中，當(dāng)流體相在巖石中又呈飽和狀態(tài)時(shí)，流體相和晶體顆粒受到同樣大小的負(fù)荷壓力，負(fù)荷壓力壓在流體上，通過(guò)流體再傳遞到晶體顆粒上，出現(xiàn)Pf=Pl 的情況，它們都取決于上覆巖層的重力。這時(shí)有兩種情況：若流體相為單一組分，如Pf=PH2O，則它不是決定變質(zhì)反應(yīng)熱力學(xué)平衡的獨(dú)立參數(shù)；如果流體相為非單一組分，Pf=PH2OPCO2，對(duì)于沒(méi)有這些組分參加的變質(zhì)反應(yīng)，Pf仍不會(huì)影響平衡狀態(tài)，而對(duì)于有這些組分之一參加的變質(zhì)反應(yīng)，該組分的分壓就成為決定平衡狀態(tài)的獨(dú)立參數(shù)。（3）有時(shí)在封閉體系中，隨著溫度的上升，多種變質(zhì)反應(yīng)將釋放出大量的H2O和

11、（或）CO2，由于毛細(xì)孔體積很小，同時(shí)巖石的強(qiáng)度又足夠大，則可出現(xiàn)PfPl的情況。兩者的差值稱作流體超壓， Winkler認(rèn)為這是“內(nèi)部產(chǎn)生的氣體超壓”，一般是局部的。這種情況下，無(wú)論變質(zhì)反應(yīng)是否有流體相參與，Pf都是控制變質(zhì)反應(yīng)的獨(dú)立因素。在侵入體附近，由于巖漿結(jié)晶過(guò)程中析出大量流體相，也可在局部出現(xiàn)PfPl的情況，此時(shí)Pf也是控制變質(zhì)反應(yīng)的獨(dú)立因素，可以不考慮Pl。3、定向壓力l可理解為伴隨構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、來(lái)自一定方向的側(cè)壓力。當(dāng)巖石受到來(lái)自構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的定向壓力作用時(shí)，其應(yīng)力狀態(tài)可用一定剖面上的垂直直應(yīng)力A和水平直應(yīng)力B表示，但AB?？倯?yīng)力狀態(tài)包括兩部分：一部分為偏應(yīng)力，是一種非靜水應(yīng)力，與應(yīng)力差

12、（AB）有關(guān)，它導(dǎo)致巖石變形，但一般不影響巖石相平衡；另一部分為平均應(yīng)力，其大?。ˋB）/2。 l平均應(yīng)力與負(fù)荷壓力之差稱為構(gòu)造超壓，是構(gòu)造作用對(duì)總壓力的貢獻(xiàn)。不過(guò)構(gòu)造超壓大小與巖石強(qiáng)度有關(guān)，后者本身又因成分、溫度、變形速率及其他因素而變化。由于變質(zhì)作用發(fā)生在高溫條件下，巖石強(qiáng)度通常不大，因而構(gòu)造超壓通常較小，正常變質(zhì)條件下小于0.1GPa。 l近年來(lái)有些學(xué)者認(rèn)為應(yīng)力的垂直分量和前述負(fù)荷壓力的性質(zhì)相似，在地殼較淺處可以附加于負(fù)荷壓力之中，從而局部增大某些地段巖石的總壓力，這部分附加壓力稱為構(gòu)造超壓構(gòu)造超壓。從而可解釋許多高壓地體的形成。構(gòu)造超壓構(gòu)造超壓只有在地殼淺部、巖石處于剛性狀態(tài)且應(yīng)變迅速

13、時(shí)才有意義。而在地殼較深處，溫度較高、負(fù)荷壓力較大，巖石具有一定的塑性，應(yīng)力可通過(guò)塑性變形而被釋放，所以不大可能起附加壓力的作用。這方面的問(wèn)題仍在探討（爭(zhēng)論）之中。l定向壓力的作用主要表現(xiàn)在：（1）對(duì)巖石和礦物的機(jī)械改造。如地殼淺部的巖石變形，板狀流劈理和碎裂結(jié)構(gòu)的形成等；區(qū)域變質(zhì)巖中的結(jié)晶片理多與定向壓力作用下的固態(tài)流或重結(jié)晶和重組合有關(guān)。（2）通過(guò)多種途徑提高變質(zhì)反應(yīng)和重結(jié)晶的速率，促進(jìn)這些作用的進(jìn)行。尤其在較低溫環(huán)境中，其作用更為明顯。應(yīng)力所提供的能量可以克服高溫礦物組合在低溫環(huán)境中的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，使化學(xué)反應(yīng)能真正開始進(jìn)行，并形成相應(yīng)的低溫礦物組合。應(yīng)力引起的碎裂作用、研磨作用使礦物間接觸

14、機(jī)率增高，裂隙的發(fā)育又使流體相能更好地流通，這些因素都能有效地促進(jìn)變質(zhì)反應(yīng)的進(jìn)行。變質(zhì)作用過(guò)程中單位巖石的總壓力PPl流體超壓構(gòu)造超壓。l但由于流體超壓和構(gòu)造超壓都比較小，所以在大多數(shù)情況下，可以假定PPlPf。在這個(gè)假定的基礎(chǔ)上根據(jù)礦物組合估計(jì)的壓力應(yīng)指示深度的最大值，實(shí)際深度有時(shí)可能要小約3km，甚至更多。指示超高壓變質(zhì)條件的礦物是柯石英和金剛石，它們?cè)诖蠹s3.0GPa以上的壓力下穩(wěn)定，其形成深度可能超過(guò)100km。三、具化學(xué)活動(dòng)性的流體q含量很低，作用不小。q名義上的無(wú)水礦物。q變質(zhì)地質(zhì)學(xué)的三大前沿課題之一。1、流體相的組成 l流體相的成分，總體來(lái)講以H2O和CO2為主，可有CH4、H2

15、S等。在變質(zhì)作用的溫壓條件下，巖石中的某些組分如K、Na、Si、Mg、Al、Fe、Cl、F、S等也可溶解到流體相中作為流體相的組成部分。2、流體相的存在狀態(tài)l在變質(zhì)作用的溫度壓力范圍內(nèi)，在較低的溫度和壓力條件下，H2O、CO2等呈氣態(tài)或液態(tài)存在；在較高的溫度和壓力條件下，流體呈超臨界狀態(tài)，是一種具許多流體性質(zhì)的高密度氣體。流體既可以存在于礦物顆粒之間被吸附在顆粒邊界上，成為不能整體流動(dòng)的間隙溶液；也可填充在巖石的裂隙之中，成為能夠整體流動(dòng)的裂隙溶液。純H2O：臨界溫度Tc=374；臨界壓力Pc=217atm。217atm時(shí)，H2O呈超臨界狀態(tài)。 3、流體相的來(lái)源原巖中保存的流體相。變質(zhì)作用中的

16、脫水及脫碳酸反應(yīng)，可提供一定量的流體。與巖漿活動(dòng)有關(guān)的流體相。此外，在地殼深處，上地幔中的流體相也可進(jìn)入地殼中在變質(zhì)過(guò)程中發(fā)揮作用；在大洋與大陸板塊的邊緣，部分海水也可伴隨俯沖作用進(jìn)入地殼深處而在變質(zhì)過(guò)程中發(fā)揮作用。4、流體在變質(zhì)過(guò)程中的作用流體相可起溶劑作用，促進(jìn)原有礦物中組分的溶解，并加快其擴(kuò)散速度，從而提高重結(jié)晶和變質(zhì)反應(yīng)的速率。在一定條件下，還可通過(guò)流體將體系內(nèi)的某些組分帶出而將體系外的某些組分帶入，引起體系（原巖）化學(xué)成分的變化。水化和脫水反應(yīng)是常見的最重要的變質(zhì)反應(yīng)，H2O直接參與這些反應(yīng)。反應(yīng)系統(tǒng)中H2O的化學(xué)位或含量對(duì)這類反應(yīng)的平衡溫度影響很大。一般隨溫度升高而進(jìn)行的脫水反應(yīng)，

17、使礦物中H2O呈（OH）離子或結(jié)晶水析出，結(jié)果由含（OH）礦物變成不含水的較高溫礦物。對(duì)于這類反應(yīng)，H2O的化學(xué)位增高會(huì)推遲特定反應(yīng)的進(jìn)行，即擴(kuò)大了低溫含水礦物的穩(wěn)定區(qū)。而在降溫過(guò)程中，如果存在飽和水溶液，則會(huì)使不含水礦物變得不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)變成含水礦物 水化作用。這些作用對(duì)硅酸鹽礦物的晶格類型及元素分配也有很大影響。較低溫的含水變質(zhì)礦物多數(shù)為層狀或雙鏈狀結(jié)構(gòu)，如綠泥石、云母和角閃石類。而較高溫的不含水硅酸鹽則多為孤立四面體、單鏈或架狀結(jié)構(gòu)。含CO2的流體對(duì)碳酸鹽化和脫碳酸反應(yīng)的平衡條件有很大影響。系統(tǒng)中CO2含量的增大會(huì)阻礙碳酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)楣杷猁}的脫碳酸反應(yīng)。在泥灰質(zhì)巖石中，CO2和H2O的含量比例對(duì)

18、變質(zhì)礦物組合及其形成溫度影響也很大。以水為主的流體相在巖石中處于飽和狀態(tài)時(shí)，可降低巖石中長(zhǎng)英質(zhì)組分的熔融溫度。如在不含水的條件下，長(zhǎng)英質(zhì)低熔組分在溫度高達(dá)950時(shí)才開始重熔，而在飽和水情況下，同樣的低熔組分在64020時(shí)就可開始重熔。由于流體相的經(jīng)常存在，因此在中高級(jí)變質(zhì)條件下，常有長(zhǎng)英質(zhì)組分發(fā)生不同程度的重熔，形成各種類型的混合巖。四、時(shí)間l時(shí)間也是影響變質(zhì)作用的重要因素。時(shí)間因素有兩方面的涵義，一是指變質(zhì)作用發(fā)生的地質(zhì)時(shí)代，二是指變質(zhì)作用從發(fā)生到終止所經(jīng)歷的時(shí)間。研究表明，同一地區(qū)在不同地質(zhì)時(shí)期發(fā)育的變質(zhì)作用具有不同的特征。另一方面，在變質(zhì)溫壓條件下，如果沒(méi)有足夠的時(shí)間，變質(zhì)作用就難以進(jìn)行

19、或作用很不明顯。 這是因?yàn)樽冑|(zhì)反應(yīng)往往極其緩慢。所以外界環(huán)境要在適宜變質(zhì)反應(yīng)的溫壓條件下保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，反應(yīng)才得以發(fā)生或進(jìn)行較徹底。換句話說(shuō)，外界條件改變的速率要小于變質(zhì)反應(yīng)的速率，才能發(fā)生變質(zhì)反應(yīng)。再考慮反應(yīng)動(dòng)力學(xué)種種因素的影響，我們便可以理解自然界廣泛存在的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。如有的地區(qū)曾經(jīng)超過(guò)300，但并未發(fā)生變質(zhì)反應(yīng)；更常見的情況是由于退變質(zhì)反應(yīng)極度緩慢，才可能使各種高溫礦物組合保存至今。變質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成和塑性變形也都是很緩慢的過(guò)程，都需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間方可完成。研究表明，某一期區(qū)域變質(zhì)作用演化過(guò)程中，變質(zhì)作用的溫度、壓力等條件是隨時(shí)間而變化的。也就是說(shuō)，變質(zhì)作用實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。在整個(gè)

20、造山變質(zhì)演化過(guò)程中，變質(zhì)礦物組合及礦物顆粒內(nèi)部都可能保留著溫、壓條件隨時(shí)間的演化蹤跡，即P-T-t軌跡。根據(jù)P-T-t軌跡的形態(tài)可以推斷變質(zhì)作用的類型、發(fā)生時(shí)的大地構(gòu)造環(huán)境及造山過(guò)程。第三節(jié) 變質(zhì)作用的方式 l變質(zhì)作用的方式主要包括重結(jié)晶作用、變質(zhì)結(jié)晶作用、變質(zhì)分異作用、交代作用以及變形和碎裂等。這些作用受各種物理化學(xué)原理及力學(xué)原理的控制，其產(chǎn)物特征既取決于外部條件（即變質(zhì)作用因素），又與原巖成分和性狀有關(guān)。一、重結(jié)晶作用（recrystallization）q重結(jié)晶作用是指在變質(zhì)作用條件下，原巖中礦物顆粒的重新組合（只涉及同種礦物的溶解、組分遷移和再次沉淀結(jié)晶），只有礦物顆粒形狀和大小的變化

21、，而不形成新的礦物相。重結(jié)晶前后，巖石總化學(xué)成分（除H2O、CO2等揮發(fā)分外）保持不變。重結(jié)晶作用主要和礦物顆粒的表面能密切相關(guān)。同種礦物粒度愈小者其表面能愈高，所以在相同的溫壓條件下，較小的顆粒穩(wěn)定性較差，易于被溶解，相應(yīng)組分經(jīng)遷移后在原來(lái)較大的顆粒表面繼續(xù)生長(zhǎng)，使其粒度加粗。通過(guò)這一過(guò)程，原來(lái)粒度很細(xì)或粗細(xì)不均的巖石就會(huì)變成粒度較粗、較均勻的巖石。重結(jié)晶作用的速率和強(qiáng)度受原巖成分和結(jié)構(gòu)的控制。組分較簡(jiǎn)單的巖石比組分較復(fù)雜的巖石易于重結(jié)晶。粒度較細(xì)的巖石比粒度較粗的巖石易于重結(jié)晶。影響重結(jié)晶作用的外部因素主要是流體相和溫度。以H2O、CO2為主的流體相對(duì)重結(jié)晶作用的關(guān)系最大。溫度升高會(huì)大大增

22、加重結(jié)晶的速率。應(yīng)力的增大一般也有利于重結(jié)晶作用的進(jìn)行。二 、 變 質(zhì) 結(jié) 晶 作 用 （ m e t a m o r p h i c crystallization）q在變質(zhì)作用的溫度、壓力范圍內(nèi)，原巖在基本保持固態(tài)的條件下新礦物相的形成過(guò)程，同時(shí)必然有相應(yīng)的原有礦物相趨于消失。變質(zhì)結(jié)晶前后，巖石總化學(xué)成分（除H2O、CO2等揮發(fā)分外）保持不變。由于這種礦物相的變化過(guò)程多數(shù)情況下涉及巖石中各種組分的重新組合，所以也稱重組合作用。l變質(zhì)巖中新礦物相的形成可有多種途徑，但都可歸結(jié)為變質(zhì)反應(yīng)。如紅柱石、藍(lán)晶石、夕線石間的同質(zhì)多相轉(zhuǎn)變，而更普遍的是通過(guò)幾種礦物所含組分之間的化學(xué)反應(yīng)形成新礦物相。有些

23、反應(yīng)不涉及H2O、CO2等流體相，如OpxPl CpxGtQ；多數(shù)反應(yīng)常有流體相直接參與，如MsQ SillKfsH2O；CaCO3SiO2 CaSiO3CO2。l變質(zhì)巖中新礦物相的出現(xiàn)受控于下列因素：（1）變質(zhì)反應(yīng)的熱力學(xué)平衡原理。它決定著在特定溫壓條件下哪些礦物或礦物組合能穩(wěn)定存在，哪些則不穩(wěn)定，并將轉(zhuǎn)變成新的礦物相。即決定著變質(zhì)反應(yīng)的方向。控制反應(yīng)平衡的重要因素是溫度和壓力（包括靜壓力和流體壓力）。（2）變質(zhì)反應(yīng)的速率。只有當(dāng)反應(yīng)能以一定速率進(jìn)行時(shí)，才能真正形成應(yīng)該出現(xiàn)的礦物或礦物組合。否則，即使溫度和壓力長(zhǎng)期偏離原來(lái)礦物組合的平衡條件，也不會(huì)出現(xiàn)新礦物，這種情況就是所謂的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。決

24、定變質(zhì)反應(yīng)速率的主要因素是溫度、流體相及應(yīng)力等。三 、 變 質(zhì) 分 異 作 用 （ m e t a m o r p h i c differentiation）q變質(zhì)分異作用是在變質(zhì)作用的溫、壓條件下，原巖中某些礦物組分經(jīng)擴(kuò)散作用而不均勻聚集的過(guò)程。它以組分在空間上有一定范圍的遷移而不同于一般的重結(jié)晶作用，又以沒(méi)有組分從系統(tǒng)中帶出或從系統(tǒng)外帶入而不同于交代作用。l 影響變質(zhì)分異作用的外部因素主要是溫度、流體相和應(yīng)力，內(nèi)部因素可能是離子半徑、電價(jià)以及它們?cè)陂g隙溶液中的相對(duì)濃度。然而，各種離子遷移方向和速度的差異不一定就能引起變質(zhì)分異現(xiàn)象，有時(shí)反會(huì)使礦物成分趨于均勻化。所以所以變質(zhì)分異作用的出現(xiàn)必

25、須有某些特定條件。引起各種組分向不同部位或以不同速度遷移聚集的原因和機(jī)理尚不十分清楚。 注意！變質(zhì)分異和各種交代作用及重熔作用等盡管在概念上是不同的，但它們所產(chǎn)生的現(xiàn)象有時(shí)很難區(qū)別，尤其在深變質(zhì)的結(jié)晶片巖中更是如此，而且還可能有各種錯(cuò)綜復(fù)雜的過(guò)渡類型。如某些條帶狀片麻巖中的長(zhǎng)英質(zhì)“順層”脈體究竟是變質(zhì)分異成因，還是重熔或交代作用的產(chǎn)物多數(shù)情況下是有爭(zhēng)論的，區(qū)分標(biāo)志至今仍不十分明確。四、交代作用（metasomatism）q在變質(zhì)作用條件下，由變質(zhì)原巖以外的物質(zhì)的帶入和原巖物質(zhì)的帶出而造成的一種礦物被另外一種化學(xué)成分與其不同的礦物所置換的過(guò)程。l交代作用的特征是：交代作用是一種機(jī)理復(fù)雜的成巖成礦

26、作用過(guò)程。在自然界分布很廣，可在多種地質(zhì)環(huán)境中出現(xiàn)，并與不同的地質(zhì)作用相聯(lián)系。 交代作用過(guò)程中巖石總的化學(xué)成分要發(fā)生不同程度的改變。交代作用過(guò)程中，巖石中原有礦物的分解消失與新礦物的形成和生長(zhǎng)基本同時(shí)進(jìn)行，是一種物質(zhì)逐漸置換的過(guò)程。交代作用過(guò)程中，巖石基本保持固態(tài)（剛性或塑性），但少量流體相的存在是十分必要的。在干的環(huán)境中，交代作用很難大規(guī)模進(jìn)行。交代作用過(guò)程，巖石總體積基本不變，即交代反應(yīng)的過(guò)程既遵守質(zhì)量守恒的規(guī)律，又必須體積守恒。但有些情況下，交代過(guò)程中系統(tǒng)的體積并非完全不變。五、變形和碎裂作用（deformation and cataclasis）q各種巖石受應(yīng)力超過(guò)彈性限度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)

27、破碎或塑性變形現(xiàn)象。變形和碎裂是變質(zhì)過(guò)程中的一種重要作用。它們的發(fā)育程度和特點(diǎn)與許多因素有關(guān)，如巖石的物理性質(zhì)、所處的深度（溫度、靜壓力條件）以及所受應(yīng)力的作用方式和強(qiáng)度等。l變形有脆性變形和塑性變形。從地質(zhì)上講，塑性變形是指地質(zhì)體在沒(méi)有總體破裂情況下所發(fā)生的一種形狀改變；而脆性變形則是有破裂發(fā)生的一種變形，這種破裂可以有、也可沒(méi)有明顯的位移。這兩種變形的區(qū)別取決于觀察尺度。l變形還包括在應(yīng)力作用下有方向性的重結(jié)晶作用。這種情況也會(huì)使礦物結(jié)晶的方位和形態(tài)發(fā)生變化而形成礦物外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方位。l在近地表低溫低壓和較高應(yīng)變速率條件下，巖石顯示脆性行為，永久變形機(jī)制為脆性變形，表現(xiàn)為巖石沿裂縫

28、破裂，產(chǎn)生碎裂和斷裂。而在地下高溫高壓條件下，特別是當(dāng)應(yīng)變速率低時(shí)，巖石顯示塑性行為，永久變形主要由塑性流動(dòng)產(chǎn)生，導(dǎo)致礦物畸變和褶皺而沒(méi)有破裂。較高溫壓條件下塑性流動(dòng)導(dǎo)致的永久變形主要有晶內(nèi)塑性變形和晶界塑性變形兩種機(jī)制。l晶內(nèi)塑性變形包括直線滑移、雙晶滑移和單個(gè)晶體的扭折，它們與晶體位錯(cuò)相聯(lián)合。直線滑移的特點(diǎn)是晶格滑移距離是結(jié)晶學(xué)基本單位的整數(shù)倍，滑移結(jié)果是改變晶體形狀但不改變晶格方位；雙晶滑移的特點(diǎn)是晶格滑移距離是結(jié)晶學(xué)基本單位的分?jǐn)?shù)，滑移結(jié)果是產(chǎn)生機(jī)械雙晶（圖17-3）；扭折則是由于晶內(nèi)變形不均勻而在滑移中發(fā)生旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致滑移面彎曲扭折形成（圖17-4）。l位錯(cuò)是晶體內(nèi)原子排列不完整造成的

29、線缺陷。從滑移角度看，位錯(cuò)代表了已滑動(dòng)部分與未滑動(dòng)部分的分界線（圖17-5）。 l晶界塑性變形包括顆粒邊界的滑移和擴(kuò)散流動(dòng)。由于處于較大應(yīng)力下的顆粒邊界區(qū)Gibbs內(nèi)能，與處于較小應(yīng)力下的其他部位相比不穩(wěn)定。因此，化學(xué)遷移從晶體的較大應(yīng)力邊界區(qū)向其他部位遷移，并在那里發(fā)生晶體生長(zhǎng)。該過(guò)程稱為擴(kuò)散流動(dòng)，它改變晶體的形狀（圖17-6）。通過(guò)粒間流體相的擴(kuò)散流動(dòng)稱為壓溶（Miyashiro, 1994）。l發(fā)育位錯(cuò)的晶體儲(chǔ)集了變形施加的應(yīng)變能，所以不穩(wěn)定而力圖通過(guò)重結(jié)晶來(lái)消除應(yīng)變能并恢復(fù)到穩(wěn)定的無(wú)應(yīng)變狀態(tài)。這種伴隨變形發(fā)生的重結(jié)晶稱為動(dòng)態(tài)重結(jié)晶，包括恢復(fù)和重結(jié)晶兩個(gè)階段。無(wú)偏應(yīng)力參與的重結(jié)晶作用稱靜

30、態(tài)重結(jié)晶。第四節(jié) 變質(zhì)作用的類型n變質(zhì)作用可以以不同的規(guī)模發(fā)生于廣泛的地質(zhì)背景下。根據(jù)其規(guī)模，可分為局部變質(zhì)作用和區(qū)域變質(zhì)作用兩大類（Raymond, 1995）。一、局部變質(zhì)作用n局部變質(zhì)作用分布局限（其體積一般小于100km3），分布在一個(gè)具體的地質(zhì)構(gòu)造中，往往一個(gè)變質(zhì)因素起主導(dǎo)作用。在局部變質(zhì)作用發(fā)生的地區(qū)可清楚地觀察到變質(zhì)巖與未變質(zhì)巖石的逐漸過(guò)渡。具體分為4類：（1）接觸熱變質(zhì)作用接觸熱變質(zhì)作用 指發(fā)生于侵入體周圍的接觸帶上，由巖漿侵入帶來(lái)的熱使圍巖發(fā)生的變質(zhì)作用，也稱熱變質(zhì)作用。其主要控制因素是溫度，變質(zhì)作用的方式主要是重結(jié)晶和變質(zhì)反應(yīng)。這類變質(zhì)作用一般深度不大，圍限壓力不高，約為2

31、3108Pa以下。典型的接觸熱變質(zhì)巖稱為角巖。（2）動(dòng)力變質(zhì)作用動(dòng)力變質(zhì)作用 指斷層帶或其它強(qiáng)烈錯(cuò)動(dòng)（剪切作用）帶上，由于構(gòu)造應(yīng)力的作用，巖石通過(guò)碎裂、變形或重結(jié)晶等方式，發(fā)生結(jié)構(gòu)、構(gòu)造上的改造，有時(shí)有礦物成分上的轉(zhuǎn)換。其特點(diǎn)是低溫、高應(yīng)變速率。除高級(jí)動(dòng)力變質(zhì)外，一般變質(zhì)溫度相當(dāng)于綠片巖相。典型巖石如糜棱巖。（3）氣液變質(zhì)作用氣液變質(zhì)作用 指在化學(xué)活動(dòng)性流體的參與下，巖石中某些活動(dòng)性組份之間發(fā)生的一種交代作用，也稱氣成水熱變質(zhì)作用。常發(fā)生于一些熱液礦床或礦脈周圍以及侵入體與圍巖的接觸帶上，前者稱圍巖蝕變，后者稱接觸交代變質(zhì)作用。除流體外，溫度、組分的化學(xué)勢(shì)是主要的控制因素，交代作用和變質(zhì)反應(yīng)是

32、其主要的變質(zhì)方式。（4）沖擊變質(zhì)作用沖擊變質(zhì)作用 指隕石撞擊地表引起的一種局部的、短時(shí)間的、壓力巨大的變質(zhì)作用。是隕石沖擊時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能瞬時(shí)轉(zhuǎn)化為熱能使巖石變質(zhì)。高壓、高溫條件石英高壓變體：柯石英和斯石英；長(zhǎng)石、石英熔融形成玻璃等。典型巖石為隕擊角礫巖，是一種基質(zhì)呈似熔巖外貌的角礫巖。二、區(qū)域變質(zhì)作用n指巖石圈大規(guī)模范圍內(nèi)發(fā)生的多種因素綜合起作用的復(fù)雜的變質(zhì)作用。多與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相伴發(fā)生，常見于前寒武紀(jì)結(jié)晶基底及顯生宙造山帶中。主要變質(zhì)因素有溫度、壓力（包括圍限壓力和應(yīng)力）和流體。一般發(fā)生于地殼深部，并且常伴隨有混合巖化、大規(guī)模的構(gòu)造變形及巖漿活動(dòng)。l按照區(qū)域變質(zhì)的環(huán)境可分出以下類型：（1）造山變質(zhì)

33、作用造山變質(zhì)作用 是大規(guī)模分布于前寒武紀(jì)結(jié)晶基底和顯生宙造山帶的變質(zhì)作用，與造山作用有密切的成因聯(lián)系。面積數(shù)百至數(shù)千平方公里。在前寒武紀(jì)結(jié)晶基底呈面狀分布，在顯生宙造山帶呈帶狀分布。溫度、壓力、偏應(yīng)力都是其重要的變質(zhì)因素，主要變質(zhì)機(jī)制為重結(jié)晶、變質(zhì)結(jié)晶和變形，形成的巖石常具有面理和線理，因而又稱區(qū)域動(dòng)熱變質(zhì)作用。造山變質(zhì)作用的P/T范圍很寬，可分為高P/T、中P/T和低P/T區(qū)域變質(zhì)類型。P/T與構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān)，高P/T型見于俯沖帶和碰撞帶，中低P/T型見于島弧、大陸拉張帶、大陸碰撞帶和前寒武紀(jì)結(jié)晶基底。（2）洋底變質(zhì)作用洋底變質(zhì)作用 是指洋中脊附近的洋殼巖石在上升熱流和熱鹵水作用下發(fā)生的大

34、規(guī)模變質(zhì)作用。溫度和流體中活動(dòng)組分化學(xué)位（或濃度）是主要的變質(zhì)因素。 P/T很低。變質(zhì)作用機(jī)制是變質(zhì)結(jié)晶作用和交代作用，形成的巖石通常不顯片理、線理。洋底變質(zhì)作用不僅使巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生變化，也可導(dǎo)致巖石化學(xué)成分發(fā)生變化，因而是區(qū)域規(guī)模的異化學(xué)變質(zhì)作用。（3）埋藏變質(zhì)作用埋藏變質(zhì)作用 巖層由于上覆沉積物的深埋而處于地下較深處，由負(fù)荷壓力和地?zé)嵩鰷匾鸬囊环N大規(guī)模、很低級(jí)變質(zhì)作用。常出現(xiàn)于造山變質(zhì)和洋底變質(zhì)的很低級(jí)部分，或獨(dú)立出現(xiàn)于強(qiáng)烈坳陷的沉積盆地底部，P/T變化范圍很大。其特點(diǎn)是變質(zhì)溫度低，重結(jié)晶和變質(zhì)反應(yīng)不徹底，多形成很低級(jí)至低級(jí)變質(zhì)巖石，可看作是成巖作用與變質(zhì)作用的過(guò)渡類型。（4

35、）混合巖化作用混合巖化作用 地殼深部高級(jí)變質(zhì)巖發(fā)育區(qū)，由于溫度、壓力的增高及流體的參與，一些變質(zhì)巖能熔融產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的花崗質(zhì)熔體（深熔作用）。當(dāng)熔融程度很高時(shí)可產(chǎn)生花崗質(zhì)巖漿，冷凝后便形成典型的花崗巖；如果熔融程度較低，則出現(xiàn)部分屬花崗巖質(zhì)、部分屬原變質(zhì)巖的宏觀上不均勻的復(fù)合巖石，稱為混合巖。從變質(zhì)巖經(jīng)深熔而形成混合巖的過(guò)程稱為混合巖化。它是變質(zhì)作用向巖漿作用過(guò)渡的類型，亦稱超變質(zhì)作用。第五節(jié) 變質(zhì)巖研究的意義、任務(wù)和方法一、變質(zhì)巖研究的意義n變質(zhì)巖是地殼的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，變質(zhì)巖占地殼總體積的27.4%，其中片麻巖占21.4 %（為全部變質(zhì)巖的78%），片巖占5.1%（為全部變質(zhì)巖的19%），大理巖占0.9%（為全部變質(zhì)巖的3%）。n變質(zhì)巖形成于地殼深部，由于后期的抬升、剝蝕才出露地表。因此，變質(zhì)巖可看作是來(lái)自地殼深部的使者，給我們帶