變質(zhì)作用的基本概念

變質(zhì)作用的基本概念第一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日沉積巖

在表生環(huán)境中因沉積作用而形成，其作用營(yíng)力來自外力，包括水、大氣、太陽、等等

巖漿巖

初始物質(zhì)——高溫熔漿，呈熔融態(tài)，形成于上地?；虻貧ど钐帲谏畈拷Y(jié)晶或噴出地表冷凝結(jié)晶或淬火

變質(zhì)巖

形成于地殼深處，基本在固態(tài)下轉(zhuǎn)變形成在特定地殼環(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。由變質(zhì)作用形成的巖石稱變質(zhì)巖。正變質(zhì)巖—原巖為巖漿巖；副變質(zhì)巖—原巖為沉積巖；復(fù)變質(zhì)巖—原巖為變質(zhì)巖第二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日問題2：什么觸發(fā)這些機(jī)制發(fā)生和進(jìn)行？

——變質(zhì)作用的影響因素（外因和內(nèi)因；地質(zhì)因素與物化因素）問題1：變質(zhì)巖是如何形成的呢？其具體細(xì)節(jié)如何？——變質(zhì)作用形成機(jī)制，又稱變質(zhì)作用方式（How?)本節(jié)內(nèi)容：

1：變質(zhì)作用機(jī)制2：變質(zhì)作用的影響因素

3：變質(zhì)作用類型第三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日第一講變質(zhì)巖的形成過程第四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日一、變質(zhì)作用機(jī)制

與巖漿作用和沉積作用一樣，變質(zhì)作用機(jī)制也較復(fù)雜多樣，主要包括變質(zhì)結(jié)晶、變形和變質(zhì)分異等3種。在高級(jí)（溫）變質(zhì)中還可發(fā)生部分熔融現(xiàn)象，在埋藏變質(zhì)中可出現(xiàn)壓實(shí)作用，但兩者主要分屬于巖漿作用和沉積作用范疇，故不在此敘述。第五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日1.變質(zhì)結(jié)晶作用巖石在變質(zhì)條件下的結(jié)晶作用稱變質(zhì)結(jié)晶作用。所謂結(jié)晶（crystallization)作用就是晶體的生長(zhǎng)作用和過程。變質(zhì)結(jié)晶機(jī)制重結(jié)晶作用(recrystallization)交代作用(metasomatism）。

第六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日1.1

重結(jié)晶作用（recrystallization）

巖石在基本保持固體狀態(tài)下的礦物重組和/或通過化學(xué)反應(yīng)形成新礦物的過程。重結(jié)晶前后，巖石總化學(xué)成分（除H2O、CO2等揮發(fā)分外）基本保持不變。

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)變化而無成分變化第七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日含石英大理巖的礦物、結(jié)構(gòu)變化a.低溫下Cc+Qb.化學(xué)反應(yīng)Cc+Q=Wo+CO2↑，形成Wo反應(yīng)邊，在Wo集合體內(nèi)有少量Q殘留c.反應(yīng)完全，粒度進(jìn)一步增大，形成新的高溫條件下穩(wěn)定的礦物組合Cc+Wo

方解石石英方解石石英方解石硅灰石第八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日1.2交代作用

（metasomatism）交代作用指固體巖石在化學(xué)活動(dòng)性流體作用下通過組分帶入或帶出而使巖石總化學(xué)成分（除H2O、CO2等揮發(fā)分外）和礦物成分發(fā)生變化的過程。巖石在交代過程中保持體積不變。重要概念：異化學(xué)作用和等化學(xué)作用。

交代作用也可在成巖階段發(fā)生。發(fā)生在變質(zhì)條件下的交代作用稱為變質(zhì)交代作用。第九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日Korzhenskii（Коржинский,1957）

對(duì)交代作用研究的貢獻(xiàn)活動(dòng)組分：可帶入帶出，其含量與發(fā)生交代的體系無關(guān)，交代前后的濃度不變，以H，F(xiàn)，Cl,S和堿金屬元素和堿土金屬常見；惰性組分：其含量?jī)H與發(fā)生交代的體系有關(guān)，交代前后組分的濃度發(fā)生改變，以重金屬元素常見；第十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日Korzhenskii（Коржинский,1957）對(duì)交代作用研究的貢獻(xiàn)交代機(jī)制——發(fā)生交代作用的組分是如何運(yùn)動(dòng)遷移的？滲透（infiltration）：組分隨壓力差驅(qū)動(dòng)下溶液流動(dòng)力從高壓力處向低壓力處遷移，主要發(fā)生在裂隙溶液中擴(kuò)散（diffusion）：組分在濃度差驅(qū)動(dòng)下，從高濃度處向低濃度處遷移，主要發(fā)生在粒間孔隙溶液中流體在交代過程中起著物質(zhì)搬運(yùn)遷移的媒介和催化劑的雙重作用流體相中活動(dòng)組分濃度或化學(xué)位梯度是交代作用的主要?jiǎng)恿Φ谑豁?，共二十九頁，編輯?023年，星期日Korzhenskii（Коржинский,1957）

對(duì)交代作用研究的貢獻(xiàn)雙交代作用可改變巖石的礦物組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造第十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日2.變質(zhì)分異

（metamorphicdifferentiation

）

所謂變質(zhì)分異就是使原先均勻的巖石發(fā)育成分分“層”的變質(zhì)過程（Raymond,1995），結(jié)果使巖石的構(gòu)造發(fā)生了改變。

變質(zhì)分異嚴(yán)格來說應(yīng)指封閉體系內(nèi)的調(diào)整以便于與交代作用相區(qū)別第十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日變質(zhì)分異產(chǎn)生成分層機(jī)理的三種主要解釋（1）代表擴(kuò)散反應(yīng)帶（封閉體系）（2）構(gòu)造重結(jié)晶的結(jié)果（構(gòu)造分異）（3）強(qiáng)烈壓扁（塑性變形）的結(jié)果（圖17-8）

第十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日3.變形（Deformation)巖石在應(yīng)力作用下，發(fā)生永久形變，使之在結(jié)構(gòu)上和構(gòu)造上改變形成全新的巖石的作用過程。依據(jù)變形性質(zhì)可分脆性變形和塑性變形第十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日脆性變形（britlle）

脆性變形一般完全失去內(nèi)聚力，表現(xiàn)為破裂、碎裂、碎粒、碎粉，粉未第十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日塑性變形（plastic）

塑性變形一般不失內(nèi)聚力，分晶內(nèi)（intra-）塑性變形與晶界（inter-）塑性變形兩種；前者表現(xiàn)為晶體晶內(nèi)滑移（gliding）和位錯(cuò)（dislocation），鏡下可見機(jī)械雙晶、變形紋、變形帶、扭折帶、書斜構(gòu)造、魚狀晶體、動(dòng)態(tài)重結(jié)晶等；后者表現(xiàn)為邊界滑移和擴(kuò)散流動(dòng)。第十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日二、變質(zhì)作用因素

controllingfactors

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)引入巖石學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。根本原因：地質(zhì)環(huán)境的改變，如大地構(gòu)造位置（島弧、海溝、洋中脊等）、構(gòu)造過程（沉降、隆升等）、巖漿作用等。第十八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日1.1（對(duì)變質(zhì)作用機(jī)制的）影響

溫度升高有利于吸熱反應(yīng)(如脫水反應(yīng))，溫度降低反應(yīng)向放熱方向進(jìn)行，提高反應(yīng)速率和利于晶體生長(zhǎng)；溫度升高利于脆性變形向韌性變形轉(zhuǎn)變，即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；導(dǎo)致巖石發(fā)生部分熔融，促進(jìn)混合巖化。1.溫度(temperature,heat)

第十九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日1.2進(jìn)變質(zhì)、退變質(zhì)和變質(zhì)峰期因溫度增高而進(jìn)行的變質(zhì)作用稱進(jìn)級(jí)變質(zhì)作用（ProgradeMetamorphism）當(dāng)變質(zhì)溫度達(dá)到最高時(shí)，稱變質(zhì)頂峰（MetamorphicPeak）或熱峰（thermalPeak）峰期后因冷卻降溫而發(fā)生的變質(zhì)作用稱退級(jí)變質(zhì)作用（retrogradeMetamorphism）第二十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日1.3變化范圍和變質(zhì)級(jí)

第二十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日2．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~1%的液體相。以H2O,CO2,為主體；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。直接參加巖石的形成（變質(zhì)反應(yīng)），作為礦物晶格的一部分；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)混合巖化和降低脆-韌性變形溫度等第二十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日1.1壓力分類負(fù)荷壓力（Pl）流體壓力（Pf）偏應(yīng)力（Pd）地質(zhì)環(huán)境中存在3種類型壓力：靜水壓力（P）：熱力學(xué)壓力，可以寫熱力學(xué)方程中，數(shù)值增高，可導(dǎo)致摩爾體積小，密度大的高壓礦物生成。3.壓力

第二十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日1.2壓力分類負(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-B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）/流體超壓=流體壓-負(fù)荷壓力第二十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日1.3負(fù)荷壓力范圍和變質(zhì)作用P/T比類型

第二十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日4．時(shí)間（t）變質(zhì)作用時(shí)間因素通常從兩個(gè)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，這是由地球發(fā)展的方向性和不可逆性決定的；二是一次變質(zhì)作用自始至終所經(jīng)歷的時(shí)間（Residenttime

），不同時(shí)間變質(zhì)作用的特點(diǎn)不同，關(guān)于這一點(diǎn)下面進(jìn)一步闡述。

熱力學(xué)只考慮過程的始態(tài)和終了態(tài)，只有動(dòng)力學(xué)才考慮時(shí)間因素。動(dòng)力學(xué)方向是變質(zhì)巖石學(xué)研究的一個(gè)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(dòng)力學(xué)（dynamics）和變質(zhì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（kinetics）。第二十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日三、變質(zhì)作用的地質(zhì)分類

1．局部變質(zhì)作用（1）接觸熱變質(zhì)作用（2）斷層變質(zhì)作用（3）沖擊變質(zhì)作用（4）交代變質(zhì)作用（5）邊緣混合巖化2．區(qū)域變質(zhì)作用（1）造山變質(zhì)作用（2）洋底變質(zhì)作用（3）埋藏變質(zhì)作用（4）區(qū)域混合巖化以地質(zhì)產(chǎn)狀分

第二十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期日TypesofMetamorphismOrogenicMetamorphismFigure21-6.Schematicmodelforthesequential(ac)developmentofa“Cordilleran-type”oractivecontinentalmarginorogen.Thedashedandblacklayersontherightrepresentthebasalticandgabbroiclayersoftheoceaniccrust.FromDeweyandBird(1970)J.Geophys.Res.,75,2625-26