第01讲 变质作用的基本概念.ppt

变质岩与变质岩石学 MetamorphicRocksandMetamorphicPetrology 陈能松 岩石矿物教研室Tel 027 87482984 O Mob沉积岩在表生环境中因沉积作用而形成 其作用营力来自外力 包括水 大气 太阳 等等岩浆岩初始物质 高温熔浆 呈熔融态 形成于上地幔或地壳深处 于深部结晶或喷出地表冷凝结晶或淬火变质岩形成于地壳深处 基本在固态下转变形成 在特定地壳环境中 先存岩石 原岩 的矿物 结构和构造发生固态转变过程的总和 称变质作用 由变质作用形成的岩石称变质岩 正变质岩 原岩为岩浆岩 副变质岩 原岩为沉积岩 复变质岩 原岩为变质岩 问题2 什么触发这些机制发生和进行 变质作用的影响因素 外因和内因 地质因素与物化因素 问题1 变质岩是如何形成的呢 其具体细节如何 变质作用形成机制 又称变质作用方式 How 本节内容 1 变质作用机制2 变质作用的影响因素3 变质作用类型 第一讲变质岩的形成过程 一 变质作用机制 与岩浆作用和沉积作用一样 变质作用机制也较复杂多样 主要包括变质结晶 变形和变质分异等3种 在高级 温 变质中还可发生部分熔融现象 在埋藏变质中可出现压实作用 但两者主要分属于岩浆作用和沉积作用范畴 故不在此叙述 1 变质结晶作用 岩石在变质条件下的结晶作用称变质结晶作用 所谓结晶 crystallization 作用就是晶体的生长作用和过程 变质结晶机制重结晶作用 recrystallization 交代作用 metasomatism 1 1重结晶作用 recrystallization 岩石在基本保持固体状态下的矿物重组和 或通过化学反应形成新矿物的过程 重结晶前后 岩石总化学成分 除H2O CO2等挥发分外 基本保持不变 纯灰岩 粗粒大理岩 细粒大理岩 原岩为单矿物岩只有结构变化而无成分变化 含石英大理岩的矿物 结构变化a 低温下Cc Qb 化学反应Cc Q Wo CO2 形成Wo反应边 在Wo集合体内有少量Q残留c 反应完全 粒度进一步增大 形成新的高温条件下稳定的矿物组合Cc Wo 方解石 石英 方解石 石英 方解石 硅灰石 1 2交代作用 metasomatism 交代作用指固体岩石在化学活动性流体作用下通过组分带入或带出而使岩石总化学成分 除H2O CO2等挥发分外 和矿物成分发生变化的过程 岩石在交代过程中保持体积不变 重要概念 异化学作用和等化学作用 交代作用也可在成岩阶段发生 发生在变质条件下的交代作用称为变质交代作用 Korzhenskii 1957 对交代作用研究的贡献 活动组分 可带入带出 其含量与发生交代的体系无关 交代前后的浓度不变 以H F Cl S和碱金属元素和碱土金属常见 惰性组分 其含量仅与发生交代的体系有关 交代前后组分的浓度发生改变 以重金属元素常见 Korzhenskii 1957 对交代作用研究的贡献 交代机制 发生交代作用的组分是如何运动迁移的 渗透 infiltration 组分随压力差驱动下溶液流动力从高压力处向低压力处迁移 主要发生在裂隙溶液中扩散 diffusion 组分在浓度差驱动下 从高浓度处向低浓度处迁移 主要发生在粒间孔隙溶液中流体在交代过程中起着物质搬运迁移的媒介和催化剂的双重作用流体相中活动组分浓度或化学位梯度是交代作用的主要动力 Korzhenskii 1957 对交代作用研究的贡献 双交代作用可改变岩石的矿物组成 结构和构造 2 变质分异 metamorphicdifferentiation 所谓变质分异就是使原先均匀的岩石发育成分分 层 的变质过程 Raymond 1995 结果使岩石的构造发生了改变 变质分异严格来说应指封闭体系内的调整以便于与交代作用相区别 变质分异产生成分层机理的三种主要解释 1 代表扩散反应带 封闭体系 2 构造重结晶的结果 构造分异 3 强烈压扁 塑性变形 的结果 图17 8 3 变形 Deformation 岩石在应力作用下 发生永久形变 使之在结构上和构造上改变形成全新的岩石的作用过程 依据变形性质可分脆性变形和塑性变形 脆性变形 britlle 脆性变形一般完全失去内聚力 表现为破裂 碎裂 碎粒 碎粉 粉未 塑性变形 plastic 塑性变形一般不失内聚力 分晶内 intra 塑性变形与晶界 inter 塑性变形两种 前者表现为晶体晶内滑移 gliding 和位错 dislocation 镜下可见机械双晶 变形纹 变形带 扭折带 书斜构造 鱼状晶体 动态重结晶等 后者表现为边界滑移和扩散流动 二 变质作用因素controllingfactors 从物理化学角度看 控制变质作用的因素可以抽象为温度 T 压力 P 流体组分 x 时间 t 等物化因素 这也是将物理化学引入岩石学的出发点 根本原因 地质环境的改变 如大地构造位置 岛弧 海沟 洋中脊等 构造过程 沉降 隆升等 岩浆作用等 1 1 对变质作用机制的 影响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 提高反应速率和利于晶体生长 温度升高利于脆性变形向韧性变形转变 即改变岩石的变形行为 温度升高有利于交代作用和变质分异进行 导致岩石发生部分熔融 促进混合岩化 1 温度 temperature heat 1 2进变质 退变质和变质峰期 因温度增高而进行的变质作用称进级变质作用 ProgradeMetamorphism 当变质温度达到最高时 称变质顶峰 MetamorphicPeak 或热峰 thermalPeak 峰期后因冷却降温而发生的变质作用称退级变质作用 retrogradeMetamorphism 1 3变化范围和变质级 2 流体成分 x 变质作用过程基本上在固态下进行 但岩石中通常含有 1 的液体相 以H2O CO2 为主体 当液体相呈超临界状态 super criticalstate 时 区分不出液体和气体 称流体 直接参加岩石的形成 变质反应 作为矿物晶格的一部分 作为介质为组分运移提供载体 或媒质促进矿物的溶解速率 促进混合岩化和降低脆 韧性变形温度等 1 1压力分类 负荷压力 Pl 流体压力 Pf 偏应力 Pd 地质环境中存在3种类型压力 静水压力 P 热力学压力 可以写热力学方程中 数值增高 可导致摩尔体积小 密度大的高压矿物生成 3 压力 1 2压力分类 负荷压力 Pl Pl gDPl GPa 9 81 D Km 10 3 流体压力 Pf PH2O PCO2 流体超压 Pf Pl 定向应力 Pd 偏应力 非静水压力 A B平均应力 具静水压力性质 A B 2构造超压 平均应力 负荷压力 Pl 流体超压 流体压 负荷压力 1 3负荷压力范围和变质作用P T比类型 4 时间 t 变质作用时间因素通常从两个角度理解 一是变质作用发生的地质时代 Geologicalage 即不同时代变质作用的特点不同 这是由地球发展的方向性和不可逆性决定的 二是一次变质作用自始至终所经历的时间 Residenttime 不同时间变质作用的特点不同 关于这一点下面进一步阐述 热力学只考虑过程的始态和终了态 只有动力学才考虑时间因素 动力学方向是变质岩石学研究的一个极其重要的学科前沿 视考虑的尺度分为变质作用地球动力学 dynamics 和变质反应动力学 kinetics 三 变质作用的地质分类 1 局部变质作用 1 接触热变质作用 2 断层变质作用 3 冲击变质作用 4 交代变质作用 5 边缘混合岩化 2 区域变质作用 1 造山变质作用 2 洋底变质作用 3 埋藏变质作用 4 区域混合岩化 以地质产状分 TypesofMetamorphism OrogenicMetamorphism Figure21 6 Schematicmodelforthesequential a c developmentofa Cordilleran type oractivecontinentalmarginorogen Thedashedandblacklayersontherightrepresentthebasalticandgabbroiclayersoftheoceaniccrust From