《變質(zhì)巖石學(xué)》全套教學(xué)課件

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MetamorphicRocks變質(zhì)巖石學(xué)趙軍紅:地球科學(xué)學(xué)院Tel-mail:jhzhao@2參考資料1-《巖石學(xué)》路鳳香、桑隆康主編著,20022-變質(zhì)巖石學(xué)教程,游振東,王方正主編,19883-PrinceplesofMetamorphicPetrology.R.H.Vernon,G.L.,Clarke,2008.4-課程網(wǎng)站:/ec-webshow/page/courseIntroduction.do3平時(shí)成績(jī)(40%)+考試成績(jī)(60%)考試成績(jī)(60%)=筆試+薄片描述.456變質(zhì)作用的基本概念一方式二因素三P-T-t軌跡(過(guò)程)四地質(zhì)分類7

變質(zhì)作用

定義(definition)

指巖石為適應(yīng)物理化學(xué)條件的變化,在基本保持固態(tài)條件下發(fā)生的礦物組成,結(jié)構(gòu)構(gòu)造和化學(xué)組成等方面的調(diào)整.

注意

1)

基本保持固態(tài),但是不排除有少量的流體相(如熔體)2)變質(zhì)作用發(fā)生時(shí)的物化條件不同于地表?xiàng)l件,也不同于地表以下的成巖環(huán)境.3)變質(zhì)以前的巖石稱為原巖(protolith),變質(zhì)以后的巖石稱為變質(zhì)巖(metamorphicrock)

82.變質(zhì)巖研究的基本要求:回答什么樣的原巖在什么樣的變質(zhì)機(jī)制下遭受了何種程度的變質(zhì)作用9變質(zhì)作用是一個(gè)基本保持固體狀態(tài)下的轉(zhuǎn)變過(guò)程，方式：1.重結(jié)晶2.變質(zhì)結(jié)晶3.交代作用4.變質(zhì)分異5變形此外，在高級(jí)變質(zhì)中還可出現(xiàn)部分熔融——主要屬于巖漿作用范疇在很低級(jí)變質(zhì)（埋藏變質(zhì)）中甚至可出現(xiàn)壓實(shí)作用——主要屬于沉積作用范疇一、變質(zhì)作用方式

MetamorphicMechanism10重結(jié)晶和變質(zhì)結(jié)晶重結(jié)晶=變質(zhì)作用條件下,原先存在的礦物顆粒重新組合,只有形狀大小的變化,沒(méi)有新礦物的生成也包括成核和生長(zhǎng)兩個(gè)步驟變質(zhì)結(jié)晶=變質(zhì)作用條件下,原巖保持固態(tài),有新礦物的生成和舊礦物的消失,即有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生11重結(jié)晶+變質(zhì)結(jié)晶作用recrystallization重結(jié)晶=巖石在基本保持固體狀態(tài)下的礦物重新組合（不形成新礦物）-物理過(guò)程變質(zhì)結(jié)晶=通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成新礦物的過(guò)程-化學(xué)過(guò)程重結(jié)晶前后，巖石總化學(xué)成分不變（除H2O、CO2外，封閉系統(tǒng)）12圖17-1變燧石巖粒徑對(duì)距輝長(zhǎng)巖接觸帶距離圖解單礦物Si/Ca質(zhì)巖的重結(jié)晶礦物的重組合，無(wú)變質(zhì)反應(yīng)、無(wú)礦物成分變化，僅結(jié)構(gòu)變化當(dāng)達(dá)到最低顆粒界面能的情況下，相鄰晶面之間的面間角約為120°(達(dá)結(jié)構(gòu)平衡)13c.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和平衡結(jié)構(gòu)a.低溫下Cc+Q平衡結(jié)構(gòu)

石英方解石b.溫度超越Cc+Q=Wo+CO2↑反應(yīng)溫度時(shí)，粒度增大的同時(shí)Q與Cc反應(yīng)，形成Wo反應(yīng)邊。在Wo集合體內(nèi)有少量Q殘留，不平衡結(jié)構(gòu)多礦物巖的變質(zhì)結(jié)晶發(fā)生變質(zhì)反應(yīng)，導(dǎo)致礦物成分和結(jié)構(gòu)變化硅灰石

a

b

c14同質(zhì)多相轉(zhuǎn)變固溶體出溶固固間化學(xué)反應(yīng)15★重結(jié)晶作用-礦物重新組合,單礦物相★變質(zhì)結(jié)晶作用-變質(zhì)反應(yīng),多礦物相共性:1-等化學(xué)變質(zhì)作用：變質(zhì)前后巖石的總化學(xué)成分不發(fā)生改變的變質(zhì)作用;2-封閉體系

16滲透*裂隙溶液中*組分遷移驅(qū)動(dòng)力為壓力差2交代作用(metasomatism)

固體巖石在化學(xué)活動(dòng)性流體作用下通過(guò)組分帶入帶出而使巖石總化學(xué)成分和礦物成分發(fā)生變化的過(guò)程。巖石在交代過(guò)程中保持體積不變（開(kāi)放系統(tǒng)）擴(kuò)散*粒間孔隙溶液中*組分遷移驅(qū)動(dòng)力為濃度差17可以在系統(tǒng)中帶入帶出的組分稱為活動(dòng)組分(mobilecomponents)

流體相是完全活動(dòng)組分。通常的變質(zhì)作用也會(huì)造成巖石的H2O、CO2和Fe的價(jià)態(tài)變化，巖石系統(tǒng)為封閉系統(tǒng)，從化學(xué)角度稱為等化學(xué)變質(zhì)作用

isochemicalmetamorphism伴隨交代作用，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Si4+等金屬陽(yáng)離子也成為活動(dòng)組分可帶入帶出時(shí)，巖石系統(tǒng)是開(kāi)放系統(tǒng)，這種使巖石總化學(xué)成分除H2O、CO2等揮發(fā)分外，其它組分也發(fā)生變化的變質(zhì)作用稱為異化學(xué)變質(zhì)作用

allochemicalmetamorphism變質(zhì)作用的化學(xué)分類chemicalclassification18重結(jié)晶交代封閉系統(tǒng)開(kāi)放系統(tǒng)無(wú)組分帶入帶出組分帶入帶出礦物成分可不變礦物成分改變巖石總化學(xué)成分不變巖石總化學(xué)成分改變體積改變體積不變變質(zhì)結(jié)晶作用193.變質(zhì)分異（metamorphicdifferentiation)

使原先均勻的巖石發(fā)育成分層的變質(zhì)過(guò)程成分層：條帶狀或透鏡狀礦物巖石/礦物集合體變質(zhì)分異產(chǎn)生成分層的機(jī)理主要有：（1）成分層代表變質(zhì)結(jié)晶（2）成分層的發(fā)育是構(gòu)造重結(jié)晶的結(jié)果（優(yōu)先成核、壓溶）（變質(zhì)結(jié)晶＋變形）（3）成分層是強(qiáng)烈壓扁（塑性變形）的結(jié)果202122變質(zhì)結(jié)晶塑性變形232425形變類型:彈性變形:永久變形:應(yīng)變?cè)趹?yīng)力施加時(shí)立即發(fā)生，應(yīng)力撤消時(shí)，巖石立即恢復(fù)至原先未變形狀態(tài)脆性變形(brittledeforma-tion)塑性變形(plasticdeformation)當(dāng)應(yīng)變?cè)黾硬⒊綇椥詷O限時(shí)巖石產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形。4變形(deformation)

26不同環(huán)境條件不同變形行為

a.

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)為巖石沿裂縫破裂，產(chǎn)生碎裂和斷裂b.地下高溫高壓特別是當(dāng)應(yīng)變速率低時(shí)，巖石顯示塑性行為，巖石永久變形主要由于塑性流動(dòng)產(chǎn)生，導(dǎo)致礦物畸變和褶皺而沒(méi)有破裂偏應(yīng)力施加于巖石，當(dāng)應(yīng)變?cè)黾又脸綇椥詷O限，巖石就會(huì)產(chǎn)生永久變形

27單個(gè)晶體的扭折直線滑移雙晶滑移顆粒邊界的滑移擴(kuò)散流動(dòng)晶內(nèi)塑性變形晶界塑性變形地下較高溫壓條件下塑性流動(dòng)導(dǎo)致的永久變形不改變晶格方位改變晶格方位產(chǎn)生機(jī)械雙晶粒內(nèi)變形不均勻而在滑移中發(fā)生旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致滑移面彎曲扭折機(jī)械的化學(xué)的28靜態(tài)重結(jié)晶：無(wú)偏應(yīng)力參與的重結(jié)晶作用（通常無(wú)定向！）動(dòng)態(tài)重結(jié)晶：在偏應(yīng)力參與下，伴隨變形而發(fā)生的重結(jié)晶（定向構(gòu)造）29

在偏應(yīng)力影響下的變質(zhì)作用過(guò)程中單礦物巖石結(jié)構(gòu)變化理想序列簡(jiǎn)圖(Raymond，1995)原始顆粒(這里是石英砂)第一階段發(fā)育變形帶第二階段顆粒邊緣多邊形化第三階段粒度加大伴隨顆粒邊界變直30二、變質(zhì)作用因素控制變質(zhì)作用的根本因素是地質(zhì)因素，構(gòu)造過(guò)程（沉降、隆升等）、巖漿作用等。從物理化學(xué)角度看（物理化學(xué)因素）1.溫度（T）、壓力（P）2.流體成分（x）3.時(shí)間（t）變質(zhì)作用=復(fù)雜化學(xué)體系內(nèi)的物理化學(xué)反應(yīng)+/-變形311.溫度(T)和壓力(P)溫度（T）－－最重要的因素T升高有利于吸熱反應(yīng)，T降低反應(yīng)向放熱方向進(jìn)行可大大加快變質(zhì)反應(yīng)速率和晶體生長(zhǎng)T升高可改變巖石的變形行為，從脆性變形向塑性變形轉(zhuǎn)化T升高會(huì)通過(guò)脫水反應(yīng)、脫碳酸反應(yīng)形成變質(zhì)熱液作為催化劑、搬運(yùn)劑和熱媒介對(duì)變質(zhì)作用施加影響此外，T升高還會(huì)導(dǎo)致部分熔融而發(fā)生混合巖化32變質(zhì)作用溫壓范圍

1--白云母花崗巖在過(guò)量水條件下的固相線2--白云母花崗巖在過(guò)量水條件下的液相線3--白云母花崗巖在無(wú)水添加條件下的固相線4--白云母花崗巖在無(wú)水添加條件下的液相線

5--拉斑玄武巖在過(guò)量水條件下的固相線6--拉斑玄武巖在過(guò)量水條件下的液相線

7--拉斑玄武巖在無(wú)水添加條件下的固相線8--拉斑玄武巖在無(wú)水添加條件下的液相線33壓力(P)

壓力的標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際單位為Pa(帕斯卡)、GPa(=109Pa)，地質(zhì)上也常用bar(巴)和Kbar(=103bar)。換算關(guān)系：1bar=105Pa,1Kbar=0.1GPa

熱力學(xué)上的壓力P是各向相等的靜水壓力,它影響礦物相平衡。壓力增加，有利于體積縮小的反應(yīng)，形成高密度礦物組合34作用于單位巖石的不同壓力類型簡(jiǎn)圖σA.垂直直應(yīng)力；σB.側(cè)向直應(yīng)力；

Pl.負(fù)荷壓力；Pf.流體壓力。負(fù)荷壓力Pl來(lái)自上覆巖石柱定向壓力來(lái)自構(gòu)造運(yùn)動(dòng)流體壓力來(lái)自粒間孔隙流體壓力來(lái)源35在變質(zhì)作用P-T條件下，巖石經(jīng)常含流體相，充填于孔隙空間和沿顆粒邊界分布。Pf增大到＝Pl時(shí)即與Pl達(dá)平衡，Pf進(jìn)一步增加，在系統(tǒng)高度封閉、不易擴(kuò)散的情況下，會(huì)造成局部Pf大于Pl的情況，其差值稱作流體超壓，它趨向于使顆粒分離產(chǎn)生破裂，變質(zhì)作用下流體超壓不超過(guò)0.1GPa

負(fù)荷壓力－作用于礦物顆粒邊界使顆粒結(jié)合在一起流體壓力作用在顆粒表面，趨向于使顆粒分開(kāi)36由上述討論可知，總壓力P=Pl+構(gòu)造超壓+流體超壓。但由于構(gòu)造超壓和流體超壓都比較小，使得在變質(zhì)作用大多數(shù)情況下，我們可以假定P≈Pl。371km厚的巖石柱產(chǎn)生的壓力增值估算：花崗巖：P=2700kgm-3·9.8ms-2·1000m=264×105Pa=264bar玄武巖：P=3000kgm-3·9.8ms-2·1000m=294×105Pa=294bar橄欖巖：P=3300kgm-3·9.8ms-2·1000m=323×105Pa=323bar根據(jù)地質(zhì)壓力計(jì)測(cè)定，現(xiàn)今出露在地表變質(zhì)巖大多數(shù)在壓力0.1~1.0GPa、深度約3-35km范圍內(nèi)結(jié)晶洋殼（以5km厚計(jì)）底部的負(fù)荷壓力約為0.15GPa。陸殼的(平均厚度33km計(jì))底部的負(fù)荷壓力約為1.0GPa。增厚陸殼(以70-80km計(jì))，底部的負(fù)荷壓力可達(dá)2Gpa左右。38一些在俯沖帶或大陸碰撞帶及其附近變質(zhì)的巖石，看來(lái)似乎在100km或更深的地幔深度結(jié)晶。指示如此超高壓（ultrahigh-pressure）條件的礦物是柯石英（Coe）和金剛石（Dia）。它們?cè)诩s3.0GPa以上的壓力下穩(wěn)定39

2．流體成分Fluidcomposition（x）變質(zhì)巖中含H2O礦物（云母、角閃石等）、碳酸鹽礦物及這些礦物包裹體的存在，特別是流體包裹體的存在，是變質(zhì)作用過(guò)程中存在流體相的證據(jù)早先，人們認(rèn)為下地殼和上地幔是缺乏流體的。然而，近30年來(lái)變質(zhì)巖和上地幔巖的流體包裹體研究證明，即使在麻粒巖和地幔巖中流體也是廣泛存在的對(duì)整個(gè)巖石圈而言，H2O、CO2是流體的最主要成分，可近似看成流體相由H2O和CO2組成40不同成分流體在溫度大于300~400℃可以彼此完全混溶。因此，在通常變質(zhì)作用P-T條件下，流體相為均一的一相。不同成分（H2O，CO2）彼此起稀釋作用。以摩爾分?jǐn)?shù)表示其濃度，則

xH2O+xCO2=1這個(gè)表達(dá)式可近似表達(dá)巖石圈中流體組成0.05GPa（1）和0.1Gpa（2）下隨著溫度降低流體不混溶圖解（引自Marakushev，1991）41

變質(zhì)作用中涉及大量有流體相參加的反應(yīng)。流體成分對(duì)這些反應(yīng)有強(qiáng)烈影響。對(duì)脫水反應(yīng)和脫碳酸反應(yīng)，流體xH2O的增加（即xCO2減少），反應(yīng)將向xH2O減少，xCO2增加方向進(jìn)行，即阻礙脫水反應(yīng)而促進(jìn)脫CO2反應(yīng)進(jìn)行。提高脫水反應(yīng)溫度、降低脫CO2反應(yīng)溫度。相反，則將促進(jìn)脫水反應(yīng)而阻礙脫CO2反應(yīng)進(jìn)行

流體中還溶解有K、Na、Ca、Si等造巖組分和Fe、Cu、Ag等成礦組分，在開(kāi)放系統(tǒng)條件下，巖石在流體作用下發(fā)生元素帶入帶出與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)交換，造成巖石的化學(xué)成分變化，并可形成礦床。因此，流體對(duì)交代作用和成礦作用起促進(jìn)作用

另一方面，流體作為催化劑可大大提高變質(zhì)反應(yīng)（包括交代反應(yīng)）的速率。在沒(méi)有流體參予的干系統(tǒng)中，反應(yīng)難以發(fā)生或難以反應(yīng)完全42①原巖中的流體主要是沉積巖中的孔隙流體，在埋藏變質(zhì)中起重要作用②海水在洋底變質(zhì)和俯沖帶變質(zhì)中起重要作用③變質(zhì)流體源于變質(zhì)過(guò)程中脫流體反應(yīng)，廣泛出現(xiàn)在各類變質(zhì)環(huán)境④巖漿流體在接觸變質(zhì)和交代變質(zhì)中起重要作用⑤深源流體主要來(lái)自地幔放氣作用，是高級(jí)變質(zhì)的流體相主要來(lái)源變質(zhì)作用過(guò)程中流體主要來(lái)源：433．時(shí)間（t）變質(zhì)作用時(shí)間因素通常從兩個(gè)角度理解：變質(zhì)作用發(fā)生的地質(zhì)時(shí)代，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一次變質(zhì)作用自始至終所經(jīng)歷的時(shí)間，不同時(shí)間變質(zhì)作用的特點(diǎn)不同44三、變質(zhì)作用P-T-t軌跡P-T-tpathofmetamorphismP-T-t軌跡（P-T-tpath）就是“巖石在變質(zhì)作用過(guò)程中P-T條件隨時(shí)間（t）的變化而變化的歷程或在P-T圖解中表示該歷程的曲線”（Miyashiro,1994）P-T-t軌跡概念的提出，是變質(zhì)作用理論研究的重大突破，它使得人們從動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)，重新審視變質(zhì)巖石學(xué)領(lǐng)域的一些重大問(wèn)題和基本概念，是標(biāo)志著變質(zhì)作用研究進(jìn)入地球動(dòng)力學(xué)階段的里程碑

1．P-T-t軌跡的概念451、2、3：變質(zhì)程度增高為序的變質(zhì)帶A、B、C巖石樣品在剖面上的位置（圖a）及其相應(yīng)的熱峰條件（圖b）FPC：野外P-T曲線SSG：與埋藏后陸殼熱補(bǔ)給平衡的穩(wěn)態(tài)地?zé)崽荻萒max：巖石樣品經(jīng)歷的最高溫度（熱峰溫度）Pmax：巖石樣品經(jīng)歷的最大壓力t0：巖石在埋藏停止時(shí)刻處于最大深度（壓力為Pmax）時(shí)的地?zé)崽荻萾1、t2、t3：侵蝕過(guò)程中的瞬時(shí)地?zé)崽荻取鱀：巖石樣品1、樣品2在掩埋停止時(shí)刻的厚度差△P：巖石樣品1、2熱峰壓力差點(diǎn)劃線：進(jìn)變質(zhì)P-T軌跡實(shí)線：退變質(zhì)P-T軌跡2．大陸碰撞造山帶的P-T-t軌跡構(gòu)造演化兩個(gè)階段陸殼（或巖石圈）增厚階段侵蝕階段熱演化三個(gè)階段埋藏期加熱期冷卻期P-T-t軌跡包括相應(yīng)的三個(gè)段落46（1）埋藏期：逆沖、褶皺等構(gòu)造原因使地殼（或巖石圈）縮短增厚，發(fā)生構(gòu)造埋藏。淺部低溫巖層迅速進(jìn)入深部，巖石所處壓力迅速增高，但溫度增加沒(méi)有這么快。這是由于環(huán)境通過(guò)熱傳導(dǎo)的加熱作用相對(duì)要慢得多而發(fā)生滯后。結(jié)果，使地?zé)崽荻妊杆倨x增厚前的穩(wěn)態(tài)地?zé)崽荻炔粩嘟档投霈F(xiàn)熱擾動(dòng)。當(dāng)埋藏停止時(shí)，各處巖層到達(dá)壓力最大值Pmax，地?zé)崽荻葹閠047（2）加熱期或熱松弛期：

侵蝕作用開(kāi)始階段。P開(kāi)始降低，同時(shí)由于熱傳導(dǎo)的加熱作用繼續(xù)進(jìn)行，而出現(xiàn)熱松弛。隨著P降低，T不斷升高，地?zé)崽荻纫膊粩嘣黾?，向埋藏后陸殼熱補(bǔ)給平衡的穩(wěn)態(tài)地?zé)崽荻萐SG方向變化。樣品3到達(dá)溫度最大值Tmax，地?zé)崽荻葹閠248（3）冷卻期：熱峰過(guò)后，隨著較迅速地侵蝕，巖石越來(lái)越接近地表，因?yàn)闊岬纳⑹Я砍^(guò)加入量而出現(xiàn)冷卻期。在冷卻期，巖石上升減壓的同時(shí)溫度下降，地?zé)崽荻壤^續(xù)增加，向穩(wěn)態(tài)的熱梯度發(fā)展。例如巖石樣品3在上升的某個(gè)時(shí)刻瞬時(shí)地?zé)崽荻葹閠3。這一階段開(kāi)始，溫度下降緩慢，隨著越接近地表，溫度下降越快，地?zé)崽荻纫哺咏€(wěn)態(tài)地?zé)崽荻取?/p>

49由上述可看出，變質(zhì)作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。在變質(zhì)作用過(guò)程中，巖石的T-P條件，地?zé)崽荻榷疾皇庆o止不變的，而是隨時(shí)間的改變而不斷變化，這是P-T-t軌跡思想的核心這些軌跡中，P、T、x等條件由變質(zhì)礦物和礦物包裹體記錄，時(shí)間t由專門的定年方法測(cè)定503．幾個(gè)有關(guān)的基本概念熱峰條件和變質(zhì)級(jí)

野外P-T曲線和變質(zhì)作用P/T比類型

進(jìn)變質(zhì)和遞增變質(zhì)退變質(zhì)和退化變質(zhì)51熱峰條件：巖石在變質(zhì)作用過(guò)程中經(jīng)歷的最高溫度狀態(tài)時(shí)的條件，包括熱峰溫度、熱峰壓力等。也稱為頂峰變質(zhì)條件，由變質(zhì)巖礦物組合所記錄。變質(zhì)級(jí)：指示變質(zhì)作用的熱峰溫度：很低級(jí)、低級(jí)、中級(jí)、高級(jí)分別與很低溫、低溫、中溫、高溫相當(dāng)52野外P-T曲線在P-T圖解上，各變質(zhì)帶巖石樣品礦物組合相應(yīng)的一組熱峰條件的連線叫作野外P-T曲線、視地?zé)崽荻然蛞巴庾冑|(zhì)梯度，一個(gè)變質(zhì)地區(qū)不同變質(zhì)帶的巖石樣品，在不同時(shí)刻到達(dá)熱峰，野外P-T曲線是穿時(shí)的變質(zhì)作用P/T比類型高P/T型（高壓型）：＜20℃/km中P/T型（中壓型）：20~40℃/km低P/T變質(zhì)（低壓型）：40~80℃/km很低P/T型（很低壓型）：＞80℃/km通常以視地?zé)崽荻葎澐?3進(jìn)變質(zhì)：巖石在熱峰前溫度隨時(shí)間而增加過(guò)程中發(fā)生的變質(zhì)結(jié)晶作用－－單個(gè)巖石P-T條件隨時(shí)間變化由P-T-t軌跡的進(jìn)變質(zhì)段落（圖中點(diǎn)劃線）描述。遞增變質(zhì)(前進(jìn)變質(zhì))：是一個(gè)變質(zhì)地區(qū)地表一定方向熱峰溫度連續(xù)有規(guī)律地增加的變質(zhì)作用－－變質(zhì)地區(qū)空間上的熱峰溫度的增加由野外P-T曲線描述。54CoomaMetamorphicComplex,NewSouthWales,Australia55退化變質(zhì)：用于兩個(gè)不同過(guò)程：①上面定義的退變質(zhì)；②復(fù)變質(zhì)中，比老的變質(zhì)事件溫度低的較年青的變質(zhì)重結(jié)晶事件，新老兩事件屬于不同的造山幕

退變質(zhì)：巖石在熱峰后伴隨溫度降低發(fā)生的變質(zhì)重結(jié)晶作用，如圖中實(shí)線上的變質(zhì)結(jié)晶作用。56地殼增厚的仰沖模式a-a’仰沖前;b-b’仰沖后;c.PTt軌跡.

時(shí)間大約20Ma

a-a’地殼增厚前;b-b’地殼增厚后;c.PTt軌跡地殼增厚的純剪切模式

同一碰撞帶不同深度變質(zhì)巖的PTt軌跡60四、變質(zhì)作用的地質(zhì)分類

局部變質(zhì)作用（localmetamorphism）

分布局限（<100km3）

局限分布在一個(gè)具體的地質(zhì)構(gòu)造（斷裂帶、接觸帶等）往往一個(gè)因素、一種機(jī)制起主導(dǎo)作用。

在局部變質(zhì)地區(qū)可清楚觀察到變質(zhì)與未變質(zhì)巖漸變過(guò)渡區(qū)域變質(zhì)作用（regionalmetamorphism）

巖石圈范圍規(guī)模巨大（>數(shù)千km3）

地質(zhì)環(huán)境多樣，可發(fā)生在大陸地殼、大洋地殼甚至發(fā)生在巖石圈地幔中

變質(zhì)因素復(fù)雜，往往是溫度、壓力、偏應(yīng)力和流體綜合作用，P/T比范圍很大，高、中、低、很低都有。其變質(zhì)機(jī)制也多樣，主要是重結(jié)晶和變形，有時(shí)還伴有明顯的交代和部分熔融

在區(qū)域變質(zhì)地區(qū)，很難找到變質(zhì)巖與未變質(zhì)巖的界線611.局部變質(zhì)作用(1)接觸－熱變質(zhì)作用、(2)動(dòng)力變質(zhì)作用、(3)沖擊變質(zhì)作用、(4)交代變質(zhì)作用（1）接觸－熱變質(zhì)作用contact-thermalmetamorphism

分布在侵入體與圍巖接觸帶主要由巖漿熱而導(dǎo)致主要控制因素為溫度，具有很低P/T比主要變質(zhì)機(jī)制為重結(jié)晶根據(jù)產(chǎn)狀62分布在斷裂帶，可與不同的區(qū)域變質(zhì)伴生構(gòu)造作用導(dǎo)致。主要控制因素為偏應(yīng)力，具有高至低P/T比，但通常P/T比較高主要變質(zhì)機(jī)制為變形（脆性變形和韌性變形）及動(dòng)態(tài)重結(jié)晶（2）動(dòng)力變質(zhì)作用（dynamicmetamorphism）63分布在隕石坑附近在隕石沖擊地表的強(qiáng)大沖擊波作用下產(chǎn)生，瞬時(shí)的高壓、高溫條件是其控制因素變形和伴隨的部分熔融是主要的變質(zhì)機(jī)制

（3）沖擊變質(zhì)作用（impactmetamorphism）MeteorCrater,Arizona,USA

64局限分布于侵入體接觸帶及其附近和火山噴氣活動(dòng)區(qū)主要由巖漿熱液引起，因素主要為流體中的活動(dòng)組分化學(xué)位（或濃度）機(jī)制主要為交代作用（擴(kuò)散交代和滲透交代）（4）交代變質(zhì)作用metasomaticmetamorphism與金屬礦床關(guān)系密切，常產(chǎn)在熱液礦脈兩側(cè)，所以又稱圍巖蝕變。分布在侵入體接觸帶的交代變質(zhì)作用又稱接觸－交代變質(zhì)典型的交代變質(zhì)巖有夕卡巖、云英巖、黃鐵絹英巖、次生石英巖等652．區(qū)域變質(zhì)作用（regionalmetamorphism）（1）造山變質(zhì)作用orogenicmetamorphism分布在前寒武紀(jì)結(jié)晶基底和顯生宙造山帶，數(shù)百—數(shù)千km2主要變質(zhì)機(jī)制為重結(jié)晶和變形，形成的巖石常顯示面、線理變質(zhì)因素復(fù)雜，往往是溫度、壓力、偏應(yīng)力和流體綜合作用，又稱為區(qū)域動(dòng)熱變質(zhì)作用。具有范圍寬廣的T/P比范圍：高P/T型－－俯沖帶和碰撞帶，中—低P/T型－－島弧、大陸拉張帶、大陸碰撞帶和前寒武紀(jì)結(jié)晶基底66分布：洋底。洋殼巖石在大洋中脊附近上升熱流和海水作用下產(chǎn)生的規(guī)模巨大的變質(zhì)作用溫度和流體（海水）中活動(dòng)組分化學(xué)位（或濃度）是主要的變質(zhì)因素。P/T比很低變質(zhì)作用機(jī)制是重結(jié)晶作用并伴隨有交代作用，巖石面、線理不發(fā)育。是區(qū)域規(guī)模的異化學(xué)變質(zhì)作用。

（2）洋底變質(zhì)作用（oceanfloormetamorphism）典型的洋底變質(zhì)巖為綠巖，是一種主要由Ab、Ep和Act、Chl組成的綠色塊狀區(qū)域變質(zhì)巖

67（3）埋藏變質(zhì)作用（burialmetamorphism）無(wú)明顯變形的大規(guī)模很低級(jí)（很低溫）變質(zhì)作用。通常出現(xiàn)在區(qū)域變質(zhì)（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)在強(qiáng)烈坳陷的盆地沉積的底部，P/T比變化范圍很大。埋藏變質(zhì)作用是變質(zhì)作用向成巖作用過(guò)渡的類型，形成的巖石無(wú)明顯面、線理，重結(jié)晶作用不完全，多原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造殘留。

（4）混合巖化作用（migmatization）高級(jí)區(qū)域變質(zhì)（造山變質(zhì)）伴隨的部分熔融產(chǎn)生的低熔物質(zhì)（新成體）與變質(zhì)巖（古成體）混合形成混合巖的大規(guī)模變質(zhì)作用。它是變質(zhì)作用向巖漿作用過(guò)渡的類型，又稱為超變質(zhì)作用。68????600km400200kmContinentalCrustOceanicCrustLithosphericMantleSub-lithosphericMantleSourceofMelts5467沖擊變質(zhì)作用接觸－熱變質(zhì)作用洋底變質(zhì)作用

交代變質(zhì)作用動(dòng)力變質(zhì)作用動(dòng)力變質(zhì)作用混合巖化作用混合巖化作用埋藏變質(zhì)作用造山變質(zhì)作用接觸－熱變質(zhì)作用3-4講變質(zhì)巖的基本特征和分類命名

基本特征分類命名組成構(gòu)成化學(xué)成分礦物成分結(jié)構(gòu)構(gòu)造{成因分析（由什么變來(lái)？如何變的）{一、變質(zhì)巖的化學(xué)成分和化學(xué)類型

1.變質(zhì)巖的化學(xué)成分

變質(zhì)巖是早先已形成的巖石（火成巖、沉積巖）遭受變質(zhì)作用的產(chǎn)物，因此，其化學(xué)成分一方面與原巖有密切關(guān)系，另一方面又和變質(zhì)作用的特點(diǎn)有關(guān)。變質(zhì)作用將不同程度地改造原巖成分。而交代作用對(duì)巖石成分的改造更為突出。

因此變質(zhì)巖的化學(xué)成分變化范圍較沉積巖和巖漿巖更為寬廣.原巖性質(zhì)變質(zhì)巖類型

火成巖沉積巖變質(zhì)巖正變質(zhì)巖副變質(zhì)巖復(fù)變質(zhì)巖等化學(xué)系列是指具有同一原始化學(xué)成分的所有巖石，其中礦物組合不同是由變質(zhì)作用類型和強(qiáng)度決定的

基性巖石在區(qū)域變質(zhì)條件下，隨著變質(zhì)程度增加，出現(xiàn)綠片巖→綠簾角閃巖→角閃巖→輝石麻粒巖泥質(zhì)巖則出現(xiàn)板巖→千枚巖→片巖→片麻巖系列等物理系列是指同一變質(zhì)條件下形成的所有巖石，其礦物組合的不同是由原巖化學(xué)成分決定的

一個(gè)變質(zhì)相或變質(zhì)帶的巖石，如低級(jí)變質(zhì)綠片巖相形成的云母片巖、變質(zhì)砂巖、透閃石大理巖、綠片巖、蛇紋巖變質(zhì)巖的兩種成因分類2.變質(zhì)巖化學(xué)類型的劃分(Turner,1955）（1）泥質(zhì)：原巖物質(zhì)為泥質(zhì)沉積物；（2）長(zhǎng)英質(zhì)：包括變質(zhì)的砂巖、硅質(zhì)凝灰?guī)r和中酸性巖漿巖；（3）鈣質(zhì)：原巖物質(zhì)為灰?guī)r和白云巖（可含雜質(zhì)）等鈣質(zhì)沉積物；（4）基性：由基性巖漿巖、凝灰?guī)r及含顯著數(shù)量的Ca、Al、Fe、Mg的不純泥灰質(zhì)沉積物；（5）鎂質(zhì)：原巖物質(zhì)為超基性巖漿巖和綠泥石質(zhì)及其它富含Mg、Fe的沉積物。注意:泥質(zhì)巖和基性巖對(duì)溫壓條件變化比較敏感，常根據(jù)其礦物組合變化劃分變質(zhì)帶和變質(zhì)相.鎂鐵質(zhì)變質(zhì)巖在自然界中比較少見(jiàn).長(zhǎng)英質(zhì)和基性變質(zhì)巖的原巖恢復(fù)比較復(fù)雜.二、變質(zhì)巖的礦物成分1.變質(zhì)礦物的特點(diǎn)

1)可以繼承原巖礦物,即在沉積巖和巖漿巖中可能出現(xiàn)的礦物在變質(zhì)巖中都可以出現(xiàn).2)變質(zhì)作用的溫壓條件不同于巖漿作用和沉積作用,且變質(zhì)巖的化學(xué)組成范圍寬廣,與之對(duì)應(yīng)的化學(xué)平衡會(huì)形成一些特征的變質(zhì)型礦物.3)變質(zhì)的礦物或變質(zhì)礦物組合往往能指示一定的變質(zhì)條件和原巖特征.沉積巖的主要礦物種類:石英,玉燧,蛋白石方解石,文石,白云石斜長(zhǎng)石,鉀長(zhǎng)石天青石,石膏高嶺石,伊利石變質(zhì)巖的主要礦物種類:石英,方解石,文石,硅灰石斜長(zhǎng)石,鉀長(zhǎng)石黑云母,白云母,綠泥石,滑石,葉蠟石,角閃石,輝石,橄欖石,藍(lán)晶石,夕線石,紅柱石,石榴石,綠簾石,剛玉等等……巖漿巖的主要礦物種類:石英,方解石斜長(zhǎng)石角閃石,輝石,橄欖石,綠簾石黑云母,白云母,綠泥石三大巖類的主要礦物組成:2.變質(zhì)巖礦物成分的影響因素相同變質(zhì)條件下不同化學(xué)類型巖石會(huì)出現(xiàn)不同的變質(zhì)礦物組合同一化學(xué)類型原巖在不同的變質(zhì)條件下也會(huì)出現(xiàn)不同的礦物組合原巖化學(xué)成分變質(zhì)作用條件（1）泥質(zhì)變質(zhì)巖化學(xué)成分特點(diǎn):Al2O3、K2O含量高，K2O、Al2O3相對(duì)含量變化大。礦物成分特點(diǎn):云母含量高，石英常見(jiàn)，出現(xiàn)鉀長(zhǎng)石或富鋁礦物,兩個(gè)亞類礦物成分有明顯差別：

K2O過(guò)剩巖石含鉀長(zhǎng)石,高溫時(shí)出現(xiàn)富鋁礦物;Al2O3過(guò)剩巖石含富鋁礦物,高溫時(shí)出現(xiàn)鉀長(zhǎng)石3.五大化學(xué)類型變質(zhì)巖的化學(xué)成分與礦物成分特點(diǎn)（2）長(zhǎng)英質(zhì)變質(zhì)巖

化學(xué)成分與泥質(zhì)變質(zhì)巖顯著差別是SiO2含量高，通常K2O過(guò)剩、Al2O3不足。

礦物成分特點(diǎn)是以石英、長(zhǎng)石為主，礦物組合與K2O過(guò)剩的泥質(zhì)變質(zhì)巖相同。（3）鈣質(zhì)變質(zhì)巖化學(xué)成分最顯著特點(diǎn)是CaO含量高，可含一定量的MgO、FeO、Al2O3、SiO2。

礦物成分以碳酸鹽礦物（Cc、Dol等）和鈣鎂硅酸鹽礦物（Wo、Di、Act、Tr、Tc等）為主，可含一定量鈣鋁硅酸鹽礦物（Ep、Pl、Grt等）及石英。（4）基性變質(zhì)巖

化學(xué)成分特點(diǎn)是MgO、FeO、CaO含量高，含一定量Al2O3。

礦物成分特點(diǎn)是富含Pl和Ep、Chl、Cpx、單斜閃石（Tr、Act、Amp）、Opx、Alm-Pyr及Bi等鐵鎂鈣的硅酸鹽、鋁硅酸鹽礦物，可含一定量的石英。（5）鎂質(zhì)變質(zhì)巖化學(xué)成分特點(diǎn)是富MgO、FeO，貧CaO、Al2O3和SiO2。礦物成分特點(diǎn)是缺乏長(zhǎng)石、石英，富含富鎂鐵的礦物（Sep、Tc、Tr、Act、Chl、Bi、Alm-Pyr等）。粘土礦物綠泥石白云母黑云母石榴石十字石長(zhǎng)石石英藍(lán)晶石夕線石頁(yè)巖板巖千枚巖片巖片麻巖混合巖變質(zhì)作用條件與級(jí)別?

礦物組合三、變質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

巖石結(jié)構(gòu):指巖石中礦物的結(jié)晶程度,形態(tài),大小，自形程度及相互關(guān)系。巖石構(gòu)造:各種礦物的空間分布和排列.1變質(zhì)巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)變質(zhì)作用機(jī)制變質(zhì)作用強(qiáng)度變余或殘余結(jié)構(gòu)構(gòu)造變質(zhì)結(jié)構(gòu)是恢復(fù)原巖性質(zhì)最可靠的證據(jù)之一1）主要見(jiàn)于淺變質(zhì)巖中2）與變質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造共存3）原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造面貌，變質(zhì)礦物組成變質(zhì)構(gòu)造{{{變晶結(jié)構(gòu)變形結(jié)構(gòu)定向構(gòu)造無(wú)定向構(gòu)造出現(xiàn)在區(qū)域和動(dòng)力變質(zhì)巖中通常出現(xiàn)在接觸熱變質(zhì)巖、交代變質(zhì)巖、埋藏變質(zhì)巖和洋底變質(zhì)巖中1.變余結(jié)構(gòu)構(gòu)造

指殘余的原巖的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。是恢復(fù)原巖性質(zhì)的最重要和最可靠的巖相學(xué)標(biāo)志。一般僅出現(xiàn)在低變質(zhì)巖中，在變質(zhì)程度較高的巖石中局部殘留。變余砂狀結(jié)構(gòu)b變余的層理構(gòu)造2.變質(zhì)結(jié)構(gòu)1）變質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

巖石在基本保持固體狀態(tài)下結(jié)晶形成的。晶體生長(zhǎng)是不自由的，且往往伴隨有應(yīng)力作用。這決定了具有自形程度較差、粒度較細(xì)、包裹體多、反應(yīng)現(xiàn)象常見(jiàn)、常常具有定向性等特點(diǎn)。2）變質(zhì)結(jié)構(gòu)的類型劃分(1)變晶結(jié)構(gòu):反映變晶的粒度,自形程度,結(jié)晶習(xí)性(2)變形結(jié)構(gòu)：反映變晶中的應(yīng)變特征(3)變嵌晶結(jié)構(gòu):反映變晶之間的包裹關(guān)系，即結(jié)晶的先后順序(4)反應(yīng)結(jié)構(gòu):反映變晶之間的反應(yīng)關(guān)系.

(1)

變晶結(jié)構(gòu):反映變晶的粒度,自形程度,結(jié)晶習(xí)性微粒細(xì)粒中粒粗粒0.1mm1mm2mm等粒結(jié)構(gòu)不等粒結(jié)構(gòu)斑狀變晶結(jié)構(gòu)（分變斑晶和基質(zhì)兩部分描述）(a)關(guān)于結(jié)晶粒度的描述：關(guān)于粒度均勻性的描述：PorphyroblasticGarnet自形、半自形、它形(b)關(guān)于自形程度的描述：說(shuō)明：晶體自形程度、相對(duì)大小、包裹關(guān)系取決于在固態(tài)生長(zhǎng)條件下結(jié)晶成完成好晶面的相對(duì)能力（成面能formnergy）一般不能用來(lái)判斷變晶先后關(guān)系根據(jù)主要變質(zhì)礦物的結(jié)晶習(xí)性描述。如：1.鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)2.柱粒狀變晶結(jié)構(gòu)3.斑狀變晶結(jié)構(gòu),變斑晶為中粗自形粒狀變晶，基質(zhì)具鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)(c)關(guān)于結(jié)晶習(xí)性（晶體形態(tài)）的描述：Continuousschistositydevelopedbydynamicrecrystallizationofbiotite,muscovite,andquartz.a.Plane-polarizedlight,widthoffield1mm.b.Crossed-polars,widthoffield2mm.Althoughthereisadefinitefoliationinbothsamples,themineralsareentirelystrain-free.ab鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)中微粒它形花崗變晶結(jié)構(gòu)Kf+pl+Bi+Qtz+chlGrt+Amp+Mus+Qtz斑狀變晶結(jié)構(gòu)，斑晶為中粒自形柱狀變晶，基質(zhì)具微粒半自形-它形鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)。Amphibolite:Hornblende+Pl(altered)微粒半自形-它形柱粒狀變晶結(jié)構(gòu)包裹關(guān)系－嵌狀變晶結(jié)構(gòu)

嵌狀變晶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是大顆粒包含有細(xì)小顆粒包裹體。這樣的大顆粒稱為變嵌晶。當(dāng)包裹體很多，變嵌晶呈篩狀時(shí)，則稱為篩狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)包裹體定向排列時(shí)，則稱為殘縷結(jié)構(gòu)。若殘縷強(qiáng)烈彎曲呈S形，狀如雪球，又稱為雪球結(jié)構(gòu)。Poikiloblastictexture:staurolitestauroliteporphyroblasts

Rocktype:staurolite-kyanite-garnet-micaschist“Snowballgarnet”withhighlyrotatedspiralSi.Porphyroblastis~5mmindiameter.FromYardleyetal.(1990)AtlasofMetamorphicRocksandtheirTextures.Longmans.雪球結(jié)構(gòu)反應(yīng)關(guān)系－反應(yīng)結(jié)構(gòu)當(dāng)變質(zhì)反應(yīng)或交代反應(yīng)不徹底，未達(dá)平衡時(shí)，反應(yīng)物與生成物共存，結(jié)構(gòu)上可反映出它們之間的反應(yīng)關(guān)系，這類結(jié)構(gòu)稱為反應(yīng)結(jié)構(gòu)或不平衡結(jié)構(gòu)。ReactionRimofGarnetbetweenPlagioclaseandHornblendethermometry:Theassessmentofmetamorphictemperatures.QuantitativethermometrytypicallyisbasedontheexchangeofFeandMgbetweenpairsofminerals.Forexample,theexchangeofFeandMgbetweengarnetandbiotitecanbewrittenasareactionamongtheFeandMgendmembersoftheseminerals:Fe3Al2Si3O12+KMg3AlSi3O10(OH)2=Mg3Al2Si3O12+KFe3AlSi3O10(OH)2

GarnetBiotitePortionofamultiplecoronitedevelopedasconcentricrimsduetoreactionatwhatwasinitiallythecontactbetweenanolivinemegacrystandsurroundingplagioclaseinanorthositesoftheupperJotunNappe,W.Norway.FromGriffen(1971)J.Petrol.,12,219-243.

變形結(jié)構(gòu)是變形機(jī)制的反映，變形機(jī)制的不同而有不同的特點(diǎn)。變形結(jié)構(gòu)是動(dòng)力變質(zhì)巖的特征，也見(jiàn)于區(qū)域動(dòng)熱變質(zhì)巖中。觀察變形結(jié)構(gòu)除了從巖石薄片或手標(biāo)本角度外，也從更小尺度的晶內(nèi)和晶界角度觀察，文獻(xiàn)中常稱其為顯微構(gòu)造。在描述巖石時(shí)，晶內(nèi)和晶界變形結(jié)構(gòu)通常在礦物成分和特點(diǎn)中描述。變形結(jié)構(gòu)（詳見(jiàn)動(dòng)力變質(zhì)巖）Asymmetriccrenulationcleavagesinmica-quartz-richschist.Notehorizontalcompositionallayering(relictbedding)andpreferentialdissolutionofquartzfromonelimbofthefolds.FromBorradaileetal.(1982)AtlasofDeformationalandMetamorphicRockFabrics.Springer-Verlag.3.變質(zhì)構(gòu)造定向構(gòu)造不定向構(gòu)造板狀構(gòu)造千枚狀構(gòu)造片狀構(gòu)造片麻狀構(gòu)造條帶狀構(gòu)造眼球狀構(gòu)造糜棱結(jié)構(gòu)面狀構(gòu)造(foliation)線狀構(gòu)造(lineation)

塊狀角礫狀等定向構(gòu)造板狀構(gòu)造Figure22-1c.Garnetmuscoviteschist.Muscovitecrystalsarevisibleandsilvery,garnetsoccuraslargedarkporphyroblasts.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.片狀構(gòu)造Figure22-1d.Quartzo-feldspathicgneisswithobviouslayering.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.片麻狀構(gòu)造Figure23-18.AugenGneiss.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.片麻狀構(gòu)造和眼球狀構(gòu)造非定向構(gòu)造-塊狀角巖變質(zhì)巖巖相學(xué)分類:把變質(zhì)巖分為面理化和無(wú)面理至弱面理化兩大類。進(jìn)一步按結(jié)構(gòu)構(gòu)造和礦物成分特征劃分基本類型（1）基本類型的劃分——依據(jù)最顯著的基本特征1）面理化的——巖石構(gòu)造決定巖石的基本名稱如：板巖、千枚巖、片巖、片麻巖等2）無(wú)面理至弱面理化——主要礦物成分（＋產(chǎn)狀）如：石英巖（以Q為主）大理巖（以碳酸鹽礦物Cc、Dol為主）蛇紋巖（以Ser為主）角巖（接觸變質(zhì)，除石英巖、大理巖外）注意：礦物成分相同但產(chǎn)狀不同而有不同基本名稱的巖石：如：角閃巖與普通角閃石角巖四、變質(zhì)巖的巖相學(xué)分類和命名

（2）命名原則:1.礦物名稱＋基本名稱，基本名稱前礦物按“少前多后”排列，礦物間以“-”分開(kāi)。如石榴石-石英-綠泥石-白云母片巖Gt-Q-Ch-Ms片巖（通常礦物不超過(guò)4個(gè)）某些具有特殊指示意義的礦物，即使含量甚微,也要體現(xiàn),可以命名為“含xxxx巖”2.當(dāng)原巖特征十分清楚時(shí),以“變質(zhì)+原巖名稱”或“變+原巖名稱”命名.例如:變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖、變玄武巖等Naming-BytextureandcompositionNaming-BycompositionNaming-Bycomposition5講:共生分析、變質(zhì)相和變質(zhì)相系礦物共生組合共生分析的基本思路變質(zhì)相和變質(zhì)相系一.變質(zhì)巖中的礦物共生組合1.變質(zhì)礦物共生組合（簡(jiǎn)稱礦物組合）是指具有一定化學(xué)成分的巖石達(dá)到平衡時(shí)的礦物組合。不包括殘留的礦物或后期蝕變的礦物。2.在變質(zhì)結(jié)晶達(dá)到平衡時(shí)，礦物以及各礦物的成分取決于系統(tǒng)所處環(huán)境的溫壓條件以及系統(tǒng)的化學(xué)組成。

i.e.礦物種類和礦物成分與外部的物理化學(xué)條件之間有著必然的聯(lián)系。從研究變質(zhì)巖礦物共生組合特征及其變化規(guī)律出發(fā)，應(yīng)用相律，可以分析礦物組合與巖石化學(xué)成分和物化條件的關(guān)系。這是變質(zhì)巖石學(xué)研究的基本方法，稱為共生分析。二．共生分析的基本思路礦物相律

系統(tǒng)達(dá)平衡時(shí)，巖石礦物組合（相）與巖石化學(xué)成分（組分）和物理化學(xué)條件（自由度）之間的關(guān)系應(yīng)服從Gibbs相律P（相數(shù)）＋f（自由度數(shù)）=c（組分?jǐn)?shù)）＋2P=平衡共生相的數(shù)目，一種礦物一個(gè)相F=自由度數(shù)，一定范圍內(nèi)獨(dú)立改變，而不引起相的種類和數(shù)目發(fā)生改變的獨(dú)立變量C=組分?jǐn)?shù)，描述系統(tǒng)和相組成所需獨(dú)立物質(zhì)的最小數(shù)目。

Cc＋Q＝Wo

＋CO2CaO過(guò)剩Wo+Cc+VSiO2過(guò)剩Wo＋Q+Vc=3:CaO,SiO2,CO2f=2:T,P(xCO2=1)P=c+2-f=3+2-2=3？？P（相數(shù)）＋f（自由度數(shù)）=c（組分?jǐn)?shù)）＋2CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2在封閉的變質(zhì)巖石系統(tǒng)中，變質(zhì)作用常常是在一定溫度和壓力區(qū)間內(nèi)進(jìn)行并達(dá)平衡的，因此可以獨(dú)立變化的變量一般都大于2個(gè)，即f≥2。由Gibbs相律公式可得：f=c＋2－p≥2。因此p≤c在一定T、P范圍內(nèi)平衡的礦物相數(shù)不大于該巖石系統(tǒng)的獨(dú)立組分?jǐn)?shù)。這就是Goldschmidt礦物相律,是Gibbs相律的地質(zhì)學(xué)形式1．封閉系統(tǒng)的Goldschmidt礦物相律C＝1：Al2SiO5

一元系f=2,p=1＋2－2＝1f=1,p=c+2-f=1+2-1=2f=0,p=1＋2-0＝3f=2,p=1＋2－2＝1f=2,p=1＋2－2＝1補(bǔ)充說(shuō)明：1.如果系統(tǒng)沒(méi)有流體相，P就代表礦物相數(shù)；如果有一個(gè)流體相，礦物相數(shù)就等于p－1。

2.獨(dú)立組分?jǐn)?shù)目的確定十分重要。獨(dú)立組分?jǐn)?shù)的確定要根據(jù)巖石系統(tǒng)中的實(shí)際情況來(lái)確定如果系統(tǒng)沒(méi)有流體相，p就代表礦物相數(shù)；如果有一個(gè)流體相，礦物相數(shù)就等于p－1

p礦＝p（3）－1＝2CaO過(guò)剩Wo+Cc+VSiO2過(guò)剩Wo＋Q+V？？2.礦物共生組合的確定標(biāo)志

在共生分析中，把一定化學(xué)成分巖石達(dá)化學(xué)平衡時(shí)的礦物成分稱為礦物組合或礦物共生、礦物共生組合,確定礦物共生組合的主要標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）一個(gè)礦物共生組合中的各種礦物都有相互接觸的關(guān)系（2）一個(gè)礦物共生組合的各礦物，相互間無(wú)反應(yīng)和交代現(xiàn)象（3）一個(gè)礦物共生組合中，同種礦物的化學(xué)成分及光性特征應(yīng)相近。如有環(huán)帶，則其邊部化學(xué)成分及光性特征近似（4）一個(gè)礦物共生組合中的一對(duì)礦物之間元素的分配符合Nernst分配定律，即各處元素的分配系數(shù)近相等（5）礦物共生組合中礦物共生關(guān)系應(yīng)符合礦物相律，即礦物相數(shù)不超過(guò)惰性組分?jǐn)?shù)(通常礦物種類不超過(guò)五、六種）例：一個(gè)薄片中出現(xiàn)兩個(gè)共生組合a.由于原巖成分的細(xì)微變化，使得在一個(gè)很小的范圍內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)共生組合：Wo＋Q（上）和Cc＋Wo（下）；b.視域中A、B、C三相有機(jī)會(huì)彼此接觸，屬一個(gè)礦物共生組合。而D則被包裹于B中，不與A、C接觸，不包括在該共生組合中，D與B構(gòu)成另一個(gè)礦物共生組合Cc＋QCc＋Wo，Q＋WoCc＋WoQCcWo3.成分圖解指利用圖解的形式表示礦物共生組合的化學(xué)特征例:斜長(zhǎng)石固溶體體系（C

=

2）中的礦物可以用以一條二維的線段來(lái)表示。

斜長(zhǎng)石牌號(hào)=100An/(An+Ab)1）二維成分圖解的表示方法2)：三組分成分/共生圖解一般形式

（1）確定獨(dú)立組分?jǐn)?shù)做成三角圖

以Cc+Q=Wo+Co2為例獨(dú)立組分：CaO,SiO2,CO2

Cc＋Q＝Wo

＋CO2CaO過(guò)剩Wo+Cc+VSiO2過(guò)剩Wo＋Q+V

(2)確定礦物投影點(diǎn)根據(jù)礦物化學(xué)分析資料或礦物分子式計(jì)算出各組分的摩爾百分含量，據(jù)此將各個(gè)礦物標(biāo)繪在相應(yīng)的位置上（如右圖）

Cc＋Q＝Wo

＋CO2CaO過(guò)剩Wo+Cc+VSiO2過(guò)剩Wo＋Q+V(3)連接共生線根據(jù)觀察，將平衡共生的礦物分別用直線連接起來(lái)，這些直線（共生線）一般不能交叉。

Cc＋Q＝Wo

＋CO2CaO過(guò)剩Wo+Cc+VSiO2過(guò)剩Wo＋Q+V(4)確定巖石成分投影點(diǎn)方法同確定礦物投影點(diǎn)。目的是驗(yàn)證投影點(diǎn)是否與實(shí)際礦物組合投影點(diǎn)所確定的范圍一致。并且原巖的化學(xué)組成可以被限定在各個(gè)小三角形之內(nèi)SiO2過(guò)剩CaO過(guò)剩

Cc＋Q＝Wo

＋CO2CaO過(guò)剩Wo+Cc+VSiO2過(guò)剩Wo＋Q+V(5)不同巖石類型的成分/共生圖解每一種組分（巖石類型）一般對(duì)應(yīng)一套由三種不同礦物構(gòu)成的礦物組合，例如A成分的巖石的三個(gè)共生礦物為x,xy,x2z(f=2,p=c)(f)成分點(diǎn)的巖石礦物組合如何？

(6)固溶體礦物投影不再是一個(gè)點(diǎn),而是一個(gè)區(qū)域例：如果C＝3，同時(shí)出現(xiàn)成分可變的固溶體礦物C＝3P＝312(7)成分圖解對(duì)應(yīng)于一定的溫度壓力條件，當(dāng)外界條件變化時(shí)，成分圖解也將發(fā)生變化

表現(xiàn)為：出現(xiàn)新的穩(wěn)定礦物固溶體礦物其化學(xué)組成發(fā)生了變化雖然在圖解上沒(méi)有出現(xiàn)新的礦物，但礦物之間的組合發(fā)生變化4.變質(zhì)巖中的成分－共生圖解如果一個(gè)巖石系統(tǒng)由三組分組成，根據(jù)Godlschmidt礦物相律，在普遍觀察到的組合中，礦物數(shù)應(yīng)是3、2或1，這意味著當(dāng)這種巖石的礦物成分用一個(gè)三頂點(diǎn)為三組分的三角圖解表示時(shí)，把該圖解分成一系列小三角形就能直觀地表示礦物共生關(guān)系，這種圖解叫成分-共生圖解或共生圖解。多數(shù)巖石體系中均含有下列主要元素:SiO2,Al2O3,K2O,CaO,Na2O,FeO,Fe2O3,MgO,MnO,P2O5,H2O,CO2

C

=

12?一個(gè)二維平面的圖解最多能表達(dá)三組分的影響。如何能正確地簡(jiǎn)化有效獨(dú)立組分？(1)組分分析為了對(duì)成分復(fù)雜的巖石作共生分析，有必要對(duì)巖石系統(tǒng)各組分作具體分析，找出對(duì)礦物共生組合影響最大的三四個(gè)組分，把多組分巖石系統(tǒng)簡(jiǎn)化為三組分或四組分系統(tǒng)，才有可能作出成分-共生圖解，表示巖石化學(xué)成分與礦物組合的關(guān)系，這一過(guò)程叫做組分分析。組分簡(jiǎn)化方法1)忽略某些組分微量元素（雜質(zhì)組分）：以類質(zhì)同象混入物形式附存在造巖礦物之中孤立組分：主要參與副礦物組成(不考慮副礦物）完全活動(dòng)組分：可視為外部變量。過(guò)剩組分：系統(tǒng)中大量存在，其含量的變化僅影響過(guò)剩礦物含量的多少，不影響礦物相的多少組分簡(jiǎn)化方法2)合并某些組分有些組分之間由于離子半徑和電價(jià)相近，相互之間容易形成類質(zhì)同象替代，在礦物的占位能力相近。因此不影響礦物種類，可以合并為一個(gè)組分。

例如Fe2＋與Mg2＋；Al3+與Fe3+.

(2)成分/共生圖解一般形式:ACF圖解1-不考慮微量元素（雜質(zhì)組分）2-不考慮孤立組分P2O53-忽略完全活動(dòng)組分H2O,CO2。4-忽略過(guò)剩組分SiO2，K2O，將鉀長(zhǎng)石與石英視為過(guò)剩礦物，標(biāo)注在圖解之外.鈉長(zhǎng)石不計(jì)入.5-合并類質(zhì)同象組分Al2O3與Fe2O3；FeO,MgO與MnO；

SiO2Al2O3K2OCaONa2OFeOFe2O3MgOMnOP2O5H2OCO2Al2O3+Fe2O3CaO,FeO+MgO+MnO

Eskola（1939）將上述三個(gè)有效惰性組分為頂點(diǎn)的成分-共生圖解命名為ACF圖。

A=[Al2O3]＋[Fe2O3]C=[CaO]F=[FeO]＋[MgO]＋[MnO]A＋C＋F=100.

CAF標(biāo)繪巖石A=Al2O3+Fe2O3-Na2O-K2O(扣除鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石中的Al2O3)C=CaO-3.3P2O5

(扣除磷灰石中的CaO)F=FeO+MgO+MnO礦物ACF值的計(jì)算及標(biāo)定And(紅柱石)Al2O3·SiO2A=100Cord(堇青石)2(Fe,Mg)O·2Al2O3·5SiO2A=50F=50An(斜長(zhǎng)石)CaO·Al2O3·2SiO2A=50C=50Di(透輝石)CaO·(Fe,Mg)O·2SiO2C=50F=50Gro(鈣鋁榴石)3CaO·Al2O3·3SiO2A=25C=75Wo(硅灰石)CaO·SiO2C=100連接共生線及注意事項(xiàng)按礦物實(shí)際共生關(guān)系連接共生線即完成了ACF圖解。礦物在ACF圖解上的投影注意問(wèn)題

1）An位置不是鈣長(zhǎng)石而是包含圖解外Ab的斜長(zhǎng)石；2）不能表示含K2O的礦物，因此不能區(qū)分低溫下泥質(zhì)巖中K2O過(guò)剩與不足的兩類組合。Ant－直閃石;Cum－鎂鐵閃石;Gro－鈣鋁榴石;Hb－普通角閃石;Mi－微斜長(zhǎng)石

5芬蘭Orijarvi地區(qū)接觸變質(zhì)巖ACF圖2341678910

ACF圖表示了芬蘭Orijarvi地區(qū)十類角巖礦物組合，表示了巖石化學(xué)成分與礦物組合的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系變質(zhì)礦物共生組合在ACF圖解上的表示-以蘇格蘭高地藍(lán)晶石變質(zhì)帶為例泥質(zhì)富鋁長(zhǎng)英質(zhì)基性巖鈣質(zhì)鎂質(zhì)五大類變質(zhì)巖在ACF圖解上的分布區(qū)域3）A’KF圖解A’=Al2O3+Fe2O3-K2O(扣除鉀長(zhǎng)石中的Al2O3)K=K2OF=FeO+MgO+MnOA’+K+F=100適用于富Al2O3

和K2O,貧CaO的泥質(zhì)巖和長(zhǎng)英質(zhì)巖石。因此CaO不是獨(dú)立組分,而K2O是獨(dú)立組分。因此系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為：

泥質(zhì)變質(zhì)巖中常見(jiàn)變質(zhì)礦物的投影(A’KF圖解)Orij?rviregionFinland某個(gè)變質(zhì)相中的A’KF圖解AfterEskola(1915)andTurner(1981)MetamorphicPetrology.McGrawHill.4）CaO-MgO-SiO2圖解

Fo-Mg2SiO4

Per-MgO En-MgSiO3

Qtz-SiO2

Di-CaMgSi2O6

Cc-CaCO3

5）圖解的選擇和連用

選擇圖解時(shí)要根據(jù)實(shí)際需要?？梢愿鶕?jù)工作區(qū)內(nèi)的主要巖石類型定。如果區(qū)內(nèi)主要是長(zhǎng)英質(zhì)類巖石或基性巖石，可以只使用ACF圖解。如果還有泥質(zhì)巖，則還需要與A’KF圖解聯(lián)合使用。如果工作內(nèi)容僅涉及泥質(zhì)巖或鈣質(zhì)巖石，單選用A’KF圖解或CaO-MgO-SiO2圖解也可能就足夠了。作組分分析,找出系統(tǒng)的有效獨(dú)立組分,正確選擇或自己擬定共生圖解.變質(zhì)相定義

一個(gè)變質(zhì)相是在熱峰附近一定P-T-μH2O范圍內(nèi)達(dá)到化學(xué)平衡的所有變質(zhì)巖，其礦物組合與巖石化學(xué)成分之間有固定的、可以預(yù)測(cè)的關(guān)系定義說(shuō)明

（1）一個(gè)變質(zhì)相是一個(gè)等物理系.因而，變質(zhì)相與巖石化學(xué)成分無(wú)關(guān)

三、變質(zhì)相和變質(zhì)相系

（2）“礦物組合與巖石化學(xué)成分之間有固定的可以預(yù)測(cè)的對(duì)應(yīng)關(guān)系”芬蘭Orijarvi地區(qū)接觸變質(zhì)巖ACF圖意思是在一個(gè)變質(zhì)相中，對(duì)應(yīng)不同的巖石化學(xué)成分有不同的礦物組合。因而，給定巖石化學(xué)成分，可以預(yù)測(cè)相應(yīng)礦物組合。一個(gè)變質(zhì)相內(nèi)巖石化學(xué)成分與礦物組合的這種關(guān)系是巖石系統(tǒng)達(dá)化學(xué)平衡的必然結(jié)果，用成分-共生圖解可很好地表示這種關(guān)系（3）變質(zhì)相的標(biāo)志是礦物組合

通常用基性變質(zhì)巖礦物組合劃分變質(zhì)相，并以相應(yīng)的基性變質(zhì)巖石對(duì)變質(zhì)相命名。如角閃巖相就是以該相條件下基性變質(zhì)巖（角閃巖）中出現(xiàn)的Pl-Hb組合為標(biāo)志劃分，并把角閃巖和與之相同的P-T條件下形成的所有變質(zhì)巖命名為角閃巖相。由于不同巖石對(duì)溫壓條件變化敏感程度不同，一個(gè)變質(zhì)相內(nèi)的巖石（主要是泥質(zhì)巖）的礦物組合還可能有變化，因此，一個(gè)變質(zhì)相可包括一個(gè)至幾個(gè)變質(zhì)帶或亞相

變質(zhì)相的分類及各變質(zhì)相基性變質(zhì)巖的臨界礦物組合表產(chǎn)狀變質(zhì)相代號(hào)基性變質(zhì)巖的臨界礦物共生組合接觸變質(zhì)albite-epidotehornfelsfacieshornblendehornfelsfaciespyroxene-hornfelsfaciessanidinitefaciesAEHHHPHSAb＋Ep＋Act＋ChPl＋HbPl＋DI＋HyHT-Pl＋Aug＋Pi區(qū)域變質(zhì)zeolitefaciesprehnite-pumpellytefacieslawsonite-albite-chloritefaciesblueschistfaciesgreenschistfaciesepidote-amphibolitefaciesamphibolitefaciesgranulitefacieseclogitefaciesZP-PLABSGSEAAGEAb＋Lm＋Prh＋ChAb＋Prh＋Pu＋ChLw＋Ab＋ChAb/Lw＋Gl＋ChAb＋Ep＋Act＋Ch兩相Pl＋Ep＋Hb＋ActPl＋HbPl＋DI＋HyFeMgCa-Al-Gt+Omp標(biāo)注本課程重點(diǎn)要求掌握的變質(zhì)相2.變質(zhì)相的劃分主要區(qū)域變質(zhì)相特征（一）沸石相標(biāo)志是濁沸石和鈉長(zhǎng)石開(kāi)始出現(xiàn)為下限，溫度稍高可以出現(xiàn)葡萄石。主要變質(zhì)反應(yīng)有方沸石+石英=鈉長(zhǎng)石（200℃，2kb）片沸石=濁沸石+3石英+2H2O（稍低于200℃，2kb）典型礦物組合：

（1）濁沸石+綠泥石+鈉長(zhǎng)石+石英；（2）濁沸石+葡萄石+綠泥石+鈉長(zhǎng)石+石英；（3）葡萄石+綠泥石+方解石+石英形成條件（實(shí)驗(yàn)資料）：PH2O=1-3kb，T=200-300℃。極低級(jí)變質(zhì)（二）葡萄石-綠纖石相標(biāo)志是濁沸石分解形成綠纖石，溫度稍高綠纖石（400℃）將分解。要變質(zhì)反應(yīng)有

濁沸石+綠泥石+方解石=葡萄石+石英+CO2+H2O（溫度稍低）

濁沸石+葡萄石+綠泥石=綠纖石+石英+H2O（360℃，2kb）典型礦物組合：（1）綠纖石+葡萄石+綠泥石+鈉長(zhǎng)石+石英（變質(zhì)硬砂巖）（2）綠纖石+綠泥石+綠簾石+鈉長(zhǎng)石+石英（變質(zhì)基性巖）形成條件（實(shí)驗(yàn)資料）：PH2O=1-3kb，T=300-360℃。極低級(jí)變質(zhì)（三）藍(lán)閃石-硬柱石相（藍(lán)片巖相）特征：基性變質(zhì)巖中出現(xiàn)藍(lán)閃石、硬柱石、硬玉等。要變質(zhì)反應(yīng)（多）：例如濁沸石=硬柱石+石英+H2O（200-300℃，2.6-3.3kb）綠泥石+陽(yáng)起石+鈉長(zhǎng)石=藍(lán)閃石+H2O（200-350℃，5-7kb）鈉長(zhǎng)石=硬玉+石英(硬砂巖)(（200-300℃，7.5-9.5kb）典型礦物組合：

中壓：硬柱石+鈉長(zhǎng)石+綠泥石+（石英，方解石，多硅白云母）

高壓：硬柱石+藍(lán)閃石+鈉長(zhǎng)石+霰石（無(wú)石英時(shí)可以出現(xiàn)硬玉）

極高壓：硬柱石+藍(lán)閃石+硬玉+石英形成條件（實(shí)驗(yàn)資料）：溫度200-450℃壓力3-5kb，可達(dá)10kb。注：近來(lái)實(shí)驗(yàn)研究表明：藍(lán)閃石對(duì)壓力并不敏感，是否出現(xiàn)主要取決與巖石的化學(xué)成分。硬柱石是典型的低溫中高壓礦物，霰石代替方解石出現(xiàn)代表更高壓力，硬玉+石英代替鈉長(zhǎng)石指示極高壓力。c圖1-2.礦物共生圖解a.沸石相b.葡萄石-綠纖石相c.藍(lán)閃石-硬柱石相濁沸石簾石綠纖石片沸石綠泥石葡萄石文石硬柱石鈉云母硬玉，藍(lán)閃石（四）低綠片巖相相當(dāng)于巴洛變質(zhì)帶的綠泥石帶和黑云母帶.

標(biāo)志是變質(zhì)基性巖中的綠纖石消失，出現(xiàn)黝簾石/斜黝簾石

(Winkler,1976)，可能的變質(zhì)反應(yīng)為：綠纖石＋綠泥石＋石英＝黝簾石＋陽(yáng)起石＋H2O

這一反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件（Nitsch，1977）為：

0.25GPa,345±20℃;0.4GPa,350±20℃;0.7GPa,370±20℃.

不同巖石系列在綠片巖相的礦物組合為：

基性巖石：綠簾石＋陽(yáng)起石＋綠泥石＋鈉長(zhǎng)石±石英±方解石

泥質(zhì)巖石：

白云母＋綠泥石＋石英±硬綠泥石

泥質(zhì)巖石：白云母＋黑云母＋綠泥石＋石英±硬綠泥石（四）低綠片巖相相當(dāng)于巴洛變質(zhì)帶的綠泥石帶和黑云母帶.相關(guān)資料:

Winkler(1976)在討論從很低級(jí)到低級(jí)變質(zhì)作用的轉(zhuǎn)變時(shí)，特別強(qiáng)調(diào)了簾石類礦物的變化，即在很低級(jí)變質(zhì)作用條件下，簾石為富鐵的綠簾石，而在低級(jí)變質(zhì)條件下，簾石為貧鐵的黝簾石或斜黝簾石。在國(guó)內(nèi)目前教科書(shū)中也都以黝簾石或斜黝簾石的出現(xiàn)作為綠片巖相的標(biāo)志，但是實(shí)際上自然界中大多數(shù)綠片巖中的簾石都是富鐵的綠簾石，并非貧鐵的黝簾石或斜黝簾石（魏春景，1993）。

因此綠片巖相開(kāi)始的標(biāo)志應(yīng)強(qiáng)調(diào)礦物組合的變化，即出現(xiàn)綠簾石＋陽(yáng)起石共生，并伴隨著綠纖石的消失（Liouetal.,1985)。圖1-3.低綠片巖相的ACF和A’KF圖

ACFEpChtChlCcActTcMusBiMicFA’PyrKCht--硬綠泥石Pyr—葉蠟石Tc—滑石Mic—微斜長(zhǎng)石（五）高綠片巖相相當(dāng)于巴洛變質(zhì)帶的鐵鋁榴石帶特征是基性巖中出現(xiàn)普通角閃石，泥質(zhì)巖中出現(xiàn)鐵鋁榴石?？赡艿淖冑|(zhì)反應(yīng)為：陽(yáng)起石＋斜黝簾石＋綠泥石＋石英＝普通角閃石＋H2O

硬綠泥石＋綠泥石＋石英＝鐵鋁石榴石＋H2O

白云母＋綠泥石＋石英＝鐵鋁石榴石＋黑云母＋H2O

據(jù)Liou等（1982）對(duì)第一個(gè)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件為0.5GPa時(shí)，T約500℃不同巖石系列在高綠片巖相的礦物組合為：

基性巖石：普通角閃石＋綠簾石＋綠泥石＋鈉長(zhǎng)石±石英

泥質(zhì)巖石：鐵鋁石榴石＋黑云母＋白云母＋石英泥質(zhì)巖石在這一變質(zhì)條件下硬綠泥石和綠泥石都可能出現(xiàn)。這一變質(zhì)相的溫度為500－560℃，壓力為0.3－1.0GPa。圖.高綠片巖相的ACF和A’KF圖

AA’CKFFMusEpHbCcTcBiGrtChtMicPyr（六）低角閃巖相相當(dāng)于巴洛變質(zhì)帶的藍(lán)晶石帶標(biāo)志是泥質(zhì)巖石中出現(xiàn)十字石（中壓）和堇青石（低壓）和在白云母存在時(shí)富鐵綠泥石及硬綠泥石的消失為標(biāo)志，可能的變質(zhì)反應(yīng)為：

綠泥石＋白云母＝十字石＋黑云母＋石英＋H2O

該反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)