變質(zhì)作用的基本概念-

沉積巖

表生環(huán)境，巖石風(fēng)化、顆粒搬運(yùn)沉積，外力作用，包括水、大氣、太陽、等等

巖漿巖

初始物質(zhì)——上地?；虻貧ど钐帲瑑?nèi)力作用，高溫熔漿，深部結(jié)晶，地表冷凝結(jié)晶或淬火后冷凝固結(jié)

變質(zhì)巖

主體形成于地殼深處，內(nèi)力作用，原有巖石的基本固態(tài)轉(zhuǎn)變問題（1）：變質(zhì)作用與變質(zhì)巖概念在巖石圈地殼環(huán)境中，先存巖石（原巖）的礦物、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變過程的總和，稱變質(zhì)作用；因礦物、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變而形成的新的巖石稱變質(zhì)巖。原巖為巖漿巖—正變質(zhì)巖；原巖為沉積巖—副變質(zhì)巖；原巖為變質(zhì)巖—復(fù)變質(zhì)巖當(dāng)前1頁，總共32頁。問題2：變質(zhì)巖是如何形成的呢？

——變質(zhì)作用機(jī)制、途徑或方式

問題3：變質(zhì)作用機(jī)制的啟動和進(jìn)行

——變質(zhì)作用因素當(dāng)前2頁，總共32頁。第一講

變質(zhì)巖的形成過程一、變質(zhì)作用機(jī)制二、變質(zhì)作用因素三、變質(zhì)作用P-T-t軌跡四、變質(zhì)作用類型及其特征（自學(xué)）五、變質(zhì)巖的成因類型（后續(xù)展開）當(dāng)前3頁，總共32頁。一、變質(zhì)作用機(jī)制與沉積巖和巖漿巖的形成機(jī)制一樣，變質(zhì)巖的形成——變質(zhì)作用機(jī)制也相當(dāng)復(fù)雜多樣，概括起來主要有變質(zhì)結(jié)晶、變形和變質(zhì)分異等3種。高級（溫）變質(zhì)：深熔作用（部分熔融——巖漿巖成因術(shù)語），總體屬于巖漿作用范疇；埋藏變質(zhì)：成巖過程中的壓實(shí)、重結(jié)晶和交代作用，屬于沉積作用范疇。當(dāng)前4頁，總共32頁。1.變質(zhì)結(jié)晶作用先存巖石（原巖）在變質(zhì)作用溫度壓力條件范圍內(nèi)發(fā)生的礦物再生長作用稱變質(zhì)結(jié)晶作用。變質(zhì)結(jié)晶包括重結(jié)晶作用交代作用

當(dāng)前5頁，總共32頁。1.1

重結(jié)晶作用（recrystallization）

——在基本固體狀態(tài)下原巖礦物通過結(jié)構(gòu)調(diào)整（/或化學(xué)反應(yīng)）形式的再造過程。重結(jié)晶前后，巖石的造巖組分（除H2O、CO2等揮發(fā)分外）基本保持不變。重結(jié)晶作用過程是一種等化學(xué)過程，相應(yīng)的體系性質(zhì)為封閉體系。礦物的成核、結(jié)晶生長受表面能最低原理控制。

狹義的重結(jié)晶：recrystallization,Raymond,2002)——礦物結(jié)構(gòu)調(diào)整：純灰?guī)r（沉）大理巖（變）純石英砂巖（沉）石英巖（變）礦物的成核、結(jié)晶生長受表面能最低原理控制純灰?guī)r粗粒大理巖細(xì)粒大理巖原巖為單礦物巖只有結(jié)構(gòu)變化而無成分變化Raymond,2002當(dāng)前6頁，總共32頁。變質(zhì)反應(yīng)：（Neocrystallization，Raymond,2002

）細(xì)粒含石英大理巖進(jìn)一步變質(zhì)發(fā)生新舊礦物更替，并伴隨結(jié)構(gòu)變化（據(jù)Mason，1999）a.反應(yīng)前：低溫下，微晶方解石與碎屑石英，通過重結(jié)晶改變各自的大小和形狀：Cc（CaCO3）+Q（SiO2）；b.反應(yīng)中：化學(xué)反應(yīng)Cc+Q=Wo（CaSiO3）+CO2↑，在碎屑石英邊緣上生長出Wo（稱反應(yīng)邊）；未參與化學(xué)反應(yīng)的方解石經(jīng)狹義重結(jié)晶加粗；c.反應(yīng)后：因石英方解石，石英被全部消耗，未參與反應(yīng)的Cc和新生長的Wo粒度進(jìn)一步加粗，形成高溫條件下的穩(wěn)定礦物組合（Cc+Wo）。方解石石英方解石石英方解石硅灰石當(dāng)前7頁，總共32頁。1.2交代作用

（metasomatism）交代作用指固體巖石在變質(zhì)作用條件范圍內(nèi)，在化學(xué)活動性流體為主要因素的作用下，使造巖組分發(fā)生不同程度的帶入或帶出，結(jié)果新形成的巖石的化學(xué)成分（除H2O、CO2等揮發(fā)分外）和礦物成分發(fā)生部分或全部變化的變質(zhì)過程。在交代過程中，巖石的體積基本保持不變。交代過程是異化學(xué)作用過程，巖石體系性質(zhì)屬于開放體系。交代作用也可在成巖階段發(fā)生，稱成巖交代作用；在變質(zhì)條件下發(fā)生的交代作用稱為變質(zhì)交代作用。當(dāng)前8頁，總共32頁。以是否發(fā)生了主要組分的帶入或帶出來判斷交代作用機(jī)制與重結(jié)晶機(jī)制*純橄欖巖蛇紋巖重結(jié)晶機(jī)制：2Mg2SiO4+3H2O→H4Mg3Si2O9+Mg(OH)2

Fo(鎂橄欖石)Ser(蛇紋石)Brc(水鎂石)交代機(jī)制：

3Mg2SiO4+4H2O+(SiO2)→2H4Mg3Si2O9

Fo溶液中Ser地質(zhì)學(xué)和巖相學(xué)證據(jù)？當(dāng)前9頁，總共32頁。據(jù)是否帶入或帶出，將造巖組分劃分為活動或惰性組分；活動組分：可帶入帶出，過程結(jié)束后，巖石中該組分的含量與發(fā)生交代前巖石的原始成分含量無關(guān)，交代前后絕對含量發(fā)生改變，除H，F(xiàn)，Cl,S，C等揮發(fā)份外，堿金屬Na、K、Rb、Cs和堿土金屬類元素Be、Ca、Mg、Sr、Ba等，以及Si常見；惰性組分：基本不發(fā)生帶入帶出，交代巖石中該組分的含量僅與交代前巖石的原始成分有關(guān)，交代前后組分的絕對含量不發(fā)生改變，以重金屬或其它元素或超場強(qiáng)元素常見；主量元素中包括Fe、Al、Mn、Ti等。某一元素是否屬于活動與惰性元素，視具體情況而定！當(dāng)前10頁，總共32頁。交代機(jī)制——交代作用中的組分運(yùn)移方式滲透（infiltration）：組分受壓力差驅(qū)動，隨溶液流動，從高壓域向低壓域遷移，主要發(fā)生在裂隙溶液中;擴(kuò)散（diffusion）：組分受濃度差驅(qū)動，從高濃度域向低濃度域遷移，主要發(fā)生在粒間孔隙溶液中；粒間孔隙溶液中某種活動組分濃度或化學(xué)位梯度是運(yùn)移和交代的主要動力；交代作用也見于巖漿巖和沉積巖的形成過程；變質(zhì)交代作用僅指發(fā)生在變質(zhì)作用條件范圍內(nèi)的交代作用。當(dāng)前11頁，總共32頁。交代作用改變巖石的礦物組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造當(dāng)前12頁，總共32頁。2.變形

（Deformation)巖石在變質(zhì)作用的溫壓條件范圍內(nèi)，受到超過其最高彈性模量的應(yīng)力作用，將發(fā)生永久變形，使巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造受到破壞，巖石化學(xué)成分可變可不變，從而形成變質(zhì)巖的作用過程。依據(jù)變形性質(zhì)可分脆性變形和韌性變形兩種，后者又稱塑性變形（Plasticdeformation)。處于剛性狀態(tài)的巖石的變形將發(fā)生脆性變形，處于柔性狀態(tài)的巖石的變形將發(fā)生韌性變形。巖石中高能干性礦物含量越高，脆性韌性變形轉(zhuǎn)變臨界溫度越高。因此，長英質(zhì)巖石的轉(zhuǎn)變溫度低于鎂鐵質(zhì)巖石。當(dāng)前13頁，總共32頁。脆性變形（brittledeformation）

脆性變形使先存巖石在變形后完全失去內(nèi)聚力（四分五裂、支離破碎），巖石表現(xiàn)為破裂、碎裂、碎粒、碎粉化之特征。請你指出圖（1）和圖（2）中兩件巖石的脆性變形的強(qiáng)弱？當(dāng)前14頁，總共32頁。韌性變形（ductiledeformation）

塑性變形一般不使巖石失去內(nèi)聚力（似斷非斷，如膠似漆），分晶內(nèi)（intra-）塑性變形與晶界或晶間（inter-）塑性變形兩種；晶內(nèi)塑性變形表現(xiàn)為晶體內(nèi)部的滑移（gliding）和位錯（dislocation），鏡下可見晶體內(nèi)部發(fā)育書斜構(gòu)造、機(jī)械雙晶、扭折帶、變形紋、動態(tài)重結(jié)晶等；晶界塑性變形表現(xiàn)為邊界滾動、滑動和擴(kuò)散流動，晶體整體呈魚狀、透鏡體狀，或碎粒流或韌性流等。當(dāng)前15頁，總共32頁。3.變質(zhì)分異

（metamorphicdifferentiation）在變質(zhì)作用過程中，原先均勻的巖石變?yōu)椴痪鶆蛏踔链嬖诔煞址帧皩印钡膸r石象（Raymond,1995），結(jié)果使巖石的構(gòu)造特征發(fā)生了改變，從而形成變質(zhì)巖的作用過程。變質(zhì)分異嚴(yán)格來說應(yīng)指封閉體系內(nèi)的組分調(diào)整，以便于與交代作用相區(qū)別，但往往不易區(qū)分。變質(zhì)分異產(chǎn)生不均勻或成分層的現(xiàn)象與機(jī)理（1）擴(kuò)散反應(yīng)帶（交代作用？開放？）（2）構(gòu)造剪切分異：淺變質(zhì)巖中的石英脈（3）構(gòu)造壓扁（圖17-8？）

當(dāng)前16頁，總共32頁。高級片麻巖區(qū)四種典型的露頭尺度遞進(jìn)變形

所有這些遞進(jìn)變形都形成相同的條帶狀片麻巖（Passchieretal.,1990）(a)網(wǎng)狀巖脈的均勻變形(b)巖石碎塊的均勻變形（c）粒度不均勻的均質(zhì)火成巖（例如斑狀花崗巖）的均勻變形(d).均質(zhì)火成巖（例如輝長巖）的不均勻變形當(dāng)前17頁，總共32頁。二、變質(zhì)作用的影響因素

effectingfactors

變質(zhì)作用因素指使變質(zhì)作用《變質(zhì)重結(jié)晶（狹義重結(jié)晶、變質(zhì)反應(yīng)、交代反應(yīng)）、變形、變質(zhì)分異》發(fā)生和發(fā)展的原因或誘因。根本原因：地質(zhì)環(huán)境的改變，如構(gòu)造位置改變（島弧、海溝、洋中脊、大陸裂谷、俯沖帶、碰撞帶，等）、構(gòu)造過程（增厚、減薄、俯沖、折返、深埋、隆/抬升，等）和巖漿作用等。物化因素：從物理化學(xué)角度看，控制變質(zhì)作用的因素可以抽象為溫度（T）、壓力（P）、流體組分（x）、時(shí)間（t）等物化因素，這也是將物理化學(xué)引入變質(zhì)巖石學(xué)研究的基礎(chǔ)。當(dāng)前18頁，總共32頁。1.1（對變質(zhì)作用機(jī)制的）影響

溫度是熱的標(biāo)量。變質(zhì)溫度高低的實(shí)質(zhì)是熱流量的高低。溫度將影響變質(zhì)重結(jié)晶作用的進(jìn)行，升溫有利于吸熱反應(yīng)(如脫揮發(fā)份反應(yīng))，提高反應(yīng)速率，促進(jìn)晶體的溶解和生長；降低溫度將使變質(zhì)反應(yīng)向放熱方向進(jìn)行，利于水化和碳酸鹽化反應(yīng)進(jìn)行；溫度升高利于巖石從脆性變形向韌性變形轉(zhuǎn)變，從而改變巖石的變形行為；溫度升高有利于交代作用和變質(zhì)分異進(jìn)行；溫度的持續(xù)升高將導(dǎo)致巖石發(fā)生深熔（部分熔融）作用，促進(jìn)混合巖化。1.溫度(temperature,heat)

當(dāng)前19頁，總共32頁。1.2變質(zhì)作用溫度范圍

變質(zhì)作用溫度范圍

實(shí)驗(yàn)確定的白云母花崗巖(1～4)和拉斑玄武巖(5～8)的熔融間隔(引自Miyashiro,1994)。實(shí)線表示無水添加條件，虛線表示過量水條件。這樣，對白云母花崗巖，過量水條件下的固相線和液相線分別為1、2，無水添加條件下的固相線和液相線分別為3、4；對拉斑玄武巖，過量水條件下的固相線和液相線分別為5、6，無水添加條件下的固相線和液相線分別為7、8。DG.成巖作用條件區(qū)；MG.巖漿作用條件區(qū)；MT.變質(zhì)作用條件區(qū)；NU.自然界未知的條件區(qū)。變質(zhì)作用條件(MT)與巖漿作用條件(MG)間有一個范圍廣大的P-T過渡區(qū)，在熔融曲線1～8之間按變質(zhì)作用的溫度范圍分：極低溫、低溫、中溫、高溫和超高溫變質(zhì)，相應(yīng)的變質(zhì)程度劃分為極低、低、中、高、極高級變質(zhì)當(dāng)前20頁，總共32頁。1.3熱的來源地幔對流熱地殼放射性元素蛻變產(chǎn)生的放射性熱巖漿結(jié)晶潛熱構(gòu)造摩擦熱當(dāng)前21頁，總共32頁。2.1壓力分類負(fù)荷壓力（Pl）流體壓力（Pf）偏應(yīng)力（Pd）熱力學(xué)壓力為靜水壓力（Ps），其數(shù)值的增高，可導(dǎo)致摩爾體積小，密度大的高壓礦物生成，并影響著變質(zhì)反應(yīng)的平衡溫度。2.壓力

2.2變質(zhì)作用壓力分類當(dāng)前22頁，總共32頁。負(fù)荷壓力（Pl）：Pl=ρgDPl(GPa)=9.81ρ

D(Km)10-3流體壓力：Pf=PH2O+PCO2+…..

流體超壓=Pf-Pl定向應(yīng)力（Pd）偏應(yīng)力（非靜水壓力）=A-B0平均應(yīng)力（具靜水壓力性質(zhì)）=（A+B）/2構(gòu)造超壓=平均應(yīng)力-負(fù)荷壓力（Pl）當(dāng)前23頁，總共32頁。2.3負(fù)荷壓力范圍變質(zhì)作用壓力條件范圍

實(shí)驗(yàn)確定的變質(zhì)反應(yīng)將變質(zhì)作用按壓力條件劃分為低壓、中壓、高壓和超高壓變質(zhì)：低壓——低于藍(lán)晶石、紅柱石和矽線石（Als）三相點(diǎn)壓力條件；中壓——Als三相點(diǎn)至Jd+QAb（硬玉+石英鈉長石）反應(yīng)之間；高壓——Jd+Q至出現(xiàn)柯石英（Coe）多型之前的壓力條件；超高壓——至金剛石（Dia）當(dāng)前24頁，總共32頁。2.4壓力對變質(zhì)作用機(jī)制的影響(獨(dú)立完成）（1）巖壓

（2）偏應(yīng)力

（3）流體壓力

（4）構(gòu)造超巖與流體超壓當(dāng)前25頁，總共32頁。3．流體成分（x）

變質(zhì)作用過程基本上在固態(tài)下進(jìn)行，但巖石中通常含有~1V%的液體相。當(dāng)液體相呈超臨界狀態(tài)（super-criticalstate）時(shí)，區(qū)分不出液體和氣體，稱流體。流體成分以H2O,CO2,為主體；含鹵素和堿金屬元素或大半徑親石元素的流體，常具有極強(qiáng)的交代能力，習(xí)稱具化學(xué)活動性的流體；流體中的成分可直接參加巖石的形成（變質(zhì)反應(yīng)），成為礦物晶格的一部分；影響某種流體組分的分壓，影響相關(guān)變質(zhì)反應(yīng)的平衡溫度；流體作為介質(zhì)為組分運(yùn)移提供載體，或媒質(zhì)促進(jìn)礦物的溶解速率、促進(jìn)深熔作用而混合巖化、交代作用、和降低脆-韌性變形的轉(zhuǎn)變溫度等。當(dāng)前26頁，總共32頁。4．時(shí)間（t）變質(zhì)作用時(shí)間因素通常從兩個角度理解：一是變質(zhì)作用發(fā)生的地質(zhì)時(shí)代（Geologicalage），即不同時(shí)代變質(zhì)作用的特點(diǎn)不同，這是由地球演化的方向性和不可逆性決定的；二是一次變質(zhì)作用事件自始至終所經(jīng)歷的時(shí)間跨度（time

span），尤其是變質(zhì)熱峰持續(xù)時(shí)間，足夠長的時(shí)間可以使變質(zhì)反應(yīng)得以徹底進(jìn)行。熱力學(xué)只考慮過程的始態(tài)和終了態(tài)，而動力學(xué)（時(shí)間參數(shù)）則考慮時(shí)間因素。變質(zhì)作用動力學(xué)是變質(zhì)巖石學(xué)研究的一個極其重要的學(xué)科前沿：視考慮的尺度分為變質(zhì)作用地球動力學(xué)（dynamics）和變質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)（kinetics）兩個領(lǐng)域。當(dāng)前27頁，總共32頁。三、變質(zhì)作用P-T-t軌跡

所謂P-T-t軌跡（P-T-tpath或P-T-tloop）就是“巖石在變質(zhì)作用過程中P-T條件隨時(shí)間（t）的變化而變化的歷程（course）或在P-T圖解中表示該歷程的曲線”（Miyashiro,1994）。所謂P-T-t軌跡（P-T-tpath或P-T-tloop）就是“巖石在變質(zhì)作用過程中隨時(shí)間（t）變化而記錄下的P-T條件變化歷程（course）或在P-T圖解中表示該歷程的曲線”。當(dāng)前28頁，總共32頁。1、地溫分布與地?zé)崽荻鹊厍騼?nèi)部溫度隨深度的改變率（oC/Km），因具體地區(qū)或構(gòu)造環(huán)境的不同而不同。當(dāng)前29頁，總共32頁。1.2變質(zhì)過程與溫度或壓力條件的變化隨溫度上升而進(jìn)行的變質(zhì)作用階段稱進(jìn)（級）變質(zhì)作用（ProgradeMetamorphism）處于最高變質(zhì)溫度條件的變質(zhì)作用階段，稱變質(zhì)頂峰（MetamorphicPeak）或熱峰（ThermalPeak）峰期后溫度下降而發(fā)生的變質(zhì)作用階段稱退（級）變質(zhì)作