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1、变质岩岩石学 苏尚国 82321191 教二楼228室,第十一章 变质作用的基本概念,听课指南 1. 变质作用的基本概念与类型。 2.变质作用的机制及其控制要素，如何理解变质作用过程？ 3.变质作用发生在什么样的地质环境中？为什么？ 4.变质岩在我们理解地壳演化、板块构造以及地球演化方面的作用？,第十七章 变质作用的基本概念 变质作用在地球内力作用下，使已经形成的岩石发生矿物成分、结构构造和/或化学成分变化的作用。 *强调: (1) 已经形成的岩石包括先期形成的岩、沉、变三大岩， (2) 内力作用指物理化学条件(T、P)的改变， (3) 使得原来岩石发生改变包括矿物成分、结构构造和化学成分等
2、， (4) 变质作用的条件：基本上为固态，但是在高级变 质作用过程中，可以发生部分熔融，形成流体相（混合岩化作用）岩浆作用的初始阶段。,一、变质作用机制 变质结晶作用 1）重结晶作用 2）交代作用 变形 变质分异,1A)、重结晶作用(Recrystallization) 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,1B）变质结晶作用和变质反应： 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
3、质反应。包括同质多象转变和形成新的矿物组合。 举例：Cc（方解石）+Q（石英）=Wo（硅灰石）+CO2,红柱石-蓝晶石-矽线石三者之间的同质多象转变,2）、交代作用（metasomatism） 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。 如： 2Mg2SiO4+3H2OH4Mg3Si2O9+Mg(OH)2 Fo(镁橄榄石) Ser(蛇纹石) Brc(水镁石) KAlSi3O8 + Na+ NaAlSi3O8+K+,带入,带出,钾长石,钠长石,2、变形 *偏应力施加于岩石，当应变很小时，岩石显示弹性行为(elas
4、tic behavior)。 应变在应力施加时立即发生，应力撤消时，岩石立即恢复至原先未变形状态。 *当应变增加至超越弹性极限，岩石就会产生永久变形(deformation)。 在近地表低温低压和较高应变速率条件下，岩石显示脆性行为(brittle behavior)，永久变形机制为脆性变形，表现为岩石沿裂缝破裂，产生碎裂和断裂。 而在地下高温高压特别是当应变速率低时，岩石显示塑性行为(plastic behavior)，岩石永久变形主要由于塑性流动(plastic flow)产生，导致矿物畸变和褶皱而没有破裂。,晶内塑性变形的机制：直线滑移和双晶滑移的宏观变化(Vernon,1976) a.
5、未变形的；b.直线滑移；c.双晶滑移,高温下的塑性变形主要有：晶内塑性变形(intracrystalline plastic deformation)和晶界塑性变形(intercrystalline plastic deformation)两种机制。,塑性扭折的几何特征 （Vernon,1976）,位错示意图 b为Bergers矢量，它表示已滑动部分的滑移方向和距离,晶界塑性变形包括颗粒边界的滑移和扩散流动(diffusive flow),晶内塑性变形与压溶比较,3、变质分异作用 所谓变质分异（ metamorphic differentiation ）就是使原先均匀的岩石发育成分层的变质过程
6、（Raymond, 1995）。 原因：（1）成分层代表扩散反应带。（2）成分层的发育是构造重结晶的结果。（3）成分层是强烈压扁（塑性变形）的结果。 辉长岩 斜长角闪岩,变质分异作用,高级片麻岩区四种典型的露头尺度递进变形 (a)岩脉网络的均匀变形；(b)岩石碎块的均匀变形；(c)粒度不均匀的均质火成岩（例如斑状花岗岩）的均匀变形；(d).均质火成岩（例如辉长岩）的不均匀变形 。,二、 变质岩 由变质作用形成的岩石，即为变质岩。 三、 变质岩的类型 正变质岩：由岩浆岩经过变质作用形成的变质岩 副：由沉积岩 四、 变质岩的重要地位 (1) 前寒武纪之前的岩石几乎均为变质岩,占大陆面积的1/5 (
7、2) 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,第二节 影响变质作用的因素,变质作用的因素指决定变质作用的物理、化学条件，包括T, P, 流体、时间(t) 1. 温度 温度实际代表热量，是变质作用的能量来源，是最重要的因素，绝大多数变质作用是在温度增加的条件下进行。 温度升高有利于吸热反应(如脱水反应)，温度降低反应向放热方向进行。,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) (2) 促进矿物之间的化学反应,形
8、成新的矿物与矿物组合, 例如 Al4Si4O10(OH)8 2Al2SiO4O+2SiO2+4H2O,T 升高,吸热,放热,红柱石,高岭石,石英,2). 导致温度升高的热源 地热：地热增温率7-60/km , 例如一般地区 为25/km， (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， (5) 放射性元素的衰变能，U, ThPb。,2. 压力,1). 负荷压力（静压力） 压力：单位面积内应力的大小，由上覆岩石的重力引起的。压力是一个均衡的应力，在岩石的各个方向都相等。常用单位换算关系： 1大气压101325Pa 1bar=105Pa 常认为
9、：1kbar=1000大气压 1GPa10kbar =1万大气压 地壳岩石按照比重计算：100 km = 30 kb 因此：一般 Moho面10kb 地心压力350 GPa 实验室能达到550 Gpa 静压力的作用岩石孔隙较小，密度增加，变致密坚硬，内部为原子紧密 例如： 石英柯石英斯石英 橄榄石： - ,1bar=0.987个大气压,Metamorphic Agents and Changes,Temperature: typically the most important factor in metamorphism,Estimated ranges of oceanic and con
10、tinental steady-state geotherms to a depth of 100 km using upper and lower limits based on heat flows measured near the surface. After Sclater et al. (1980), Earth. Rev. Geophys. Space Sci., 18, 269-311.,地下一定深度岩石应力状态 A：垂直方向的主应力（垂直直应力）；B水平方向的侧向直应力。当无构造作用时，A=B=上覆单位岩石柱的重量，就是负荷压力Pl。因此，负荷压力是一种各向相等的静水压力，P
11、l=9.81D 10-3。 Pf=流体压力作用在颗粒表面,Foliation is a common result, which allows us to estimate the orientation of s1,s1 s2 = s3 foliation and no lineation s1 = s2 s3 lineation and no foliation s1 s2 s3 both foliation and lineation,Flattening of a ductile homogeneous sphere (a) containing randomly oriented f
12、lat disks or flakes. In (b), the matrix flows with progressive flattening, and the flakes are rotated toward parallelism normal to the predominant stress. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,s1,Metamorphic Agents and Changes,Shear motion occurs along pl
13、anes at an angle to s1,Shear, causing slip along parallel planes and rotation. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.,s1,2). 粒间流体压力,粒间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PH2OPO2 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，
14、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,3. 应力（Deviatoric Stress）,应力指由构造运动和岩浆活动所产生的侧向挤压力。Stresses acting in particular directions and exceeding the mean stress, commonly affect the rocks.,4. 具化学活动性流体 粒间流体约占岩石体积的1-2%，其成分除H2O、CO2、O2外，还有其他成分，如盐酸、硫化氢等，具有很大的化学活动性（酸性或者碱性）。 在P
15、、T较高时，会形成超临界流体，具有更大的化学活动性。 具有化学活动性流体对岩石变质的作用： 1. 溶剂：促进岩石中一些组分溶解、迁移、变质反应进行； 2. 流体直接参与变质反应，直接影响变质作用，影响变质反应的方向与进度。例如： Bi+H2O 绢云母+绿泥石； 3. 流体有利于岩石的部分熔融。 岩石的熔点随H2O增加，熔点下降。,5. 时间,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。 归纳一下因素为：P、T、流体、时间,第三节 变质作用的PTt轨迹,1. P-T-t轨迹（P-T-t path）就是“岩石
16、在变质作用过程中P-T条件随时间（t）的变化而变化的历程（course）或在P-T图解中表示该历程的曲线” （Miyashiro, 1994）。,造山带变质作用PT-轨迹,The Wilson Cycle,Continental rifting Seafloor spreading Ocean basin formation Collision-induced subduction initiation Ocean basin closure Collision-orogeny, slab breakoff,第四节 变质作用类型,考虑影响变质作用因素和地质条件，可分为： 一、接触变质作用 二、
17、动力变质作用 三、冲击变质作用 四、气液交代变质作用 五、区域变质作用（造山变质作用） 六、洋底变质作用 七、埋藏变质作用 八、混合岩化作用,1、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,2、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,3、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
18、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。 在区域变质作用的基础上，地壳内部热流升高，产生深部岩石部分熔融、熔浆渗透、交代、贯入于变质岩中形成混合岩的作用，是区域变质作用的高级作用。,五、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,