变质岩-第1章 变质岩及变质作用

1,第三篇 变质岩岩石学,2,3,4,*第一章 变质岩及变质作用*第二章 变质岩的基本特征第三章 动力变质作用及其岩石第四章 接触热变质作用及其岩石第五章 交代变质作用及其岩石*第六章 区域变质作用及其岩石第七章 混合岩化作用及岩石第八章 变质岩原岩恢复补充：变质相、变质带等有关知识,5,研究思路：1）温度对变质作用的影响2）压力对变质作用的影响3）流体对变质作用的影响4）变质岩形成条件研究实验岩石学研究内容：1）研究变质反应2）原岩恢复,6,第一章 变质岩及变质作用,第1节.变质作用和变质岩第2节.变质作用因素第3节.变质作用的方式第4节.变质作用的类型,7,第1节.变质作用和变质岩,1.变质作用的概念（Metamorphism）在地壳形成和发展、演化过程中，早先形成的岩石（包括岩浆岩、沉积岩以及先存的变质岩）,在地壳运动和岩浆活动等内力地质作用下，所处的地质环境发生变化，在新的环境和物理化学条件，在基本保持固态的条件下发生的矿物组成、结构构造变化的作用，称为变质作用。,8,2变质岩的概念,在变质作用条件下形成的新的岩石称为变质岩。变质岩根据其原岩的不同可划分为正变质岩指由岩浆岩变质形成的变质岩；副变质岩指原岩为沉积岩的变质岩。,9,原岩,变质岩,Metamorphism 化学成分 P/T条件 变质矿物组合 变质相平衡，首先分析矿物组合与化学成分的关系 然后分析矿物组合与PT条件的关系,变质作用,10,3.变质岩的分布,变质岩在全球的分布极为广泛。主要分布在前寒武纪古老地盾和地台区以及较晚的变质活动带中。 我国变质岩的分布也极为广泛，从太古代到中新生代不同时期，都有变质作用发生。 太古代变质岩系主要分布于华北陆台，构成了中国最古老的陆核。元古代变质岩系分布情况比较复杂，显生宙变质岩系的分布规模较小。,11,加拿大地盾,12,4.研究变质岩的意义,了解深部地壳的组成和地壳发展演化；恢复变质时期地壳的热力学演化历史 ；恢复原岩建造 ；指导生产和找矿。,13,第2节、变质作用因素,变质作用的因素可分为两类：内部因素（内因）：指原岩的成分、结构构造及岩石组合特征；外部因素（外因）：包括变质作用发生的地质时代、经历的时间，所处的大地构造环境、地质位置，岩浆活动的特点、构造运动的方式及强度，深部热流异常的大小、强度及变化趋势等。外部因素也称地质因素。从物理化学的角度看就是温度、压力和流体成分。,14,（一）温度,温度变化是引起变质作用的主要因素，多数变质作用是伴随升温而进行的。 1. 温度在变质过程中的作用 1）温度升高可使原岩中一些矿物发生重结晶。 2）温度变化能引起原岩中矿物之间发生变质反应，各种组分重新组合形成新矿物。,15,Al4Si4O10(OH)8 吸热 2Al2SiO4O+SiO2+4H2O高岭石 红柱石3）温度升高可为变质反应提供能量，并使岩石中流体的活动性增大，促进变质反应进行，使新矿物和新组构能以较快的速度和较大的规模形成。,16,4）温度持续升高可使原岩在重结晶和变质结晶基础上发生部分重熔，其中长英质组分成为流体相，引起混合岩化作用。,17,泰山杂岩,18,2. 温度改变的原因,地热增温； 上地幔热流的运动；放射性元素衰变释放热能的积累；岩浆活动带来的热；在应力作用下，变形和摩擦作用产生的热能，即机械能转变的热能。,19,3.变质作用温度的上下限：,变质作用温度的下限，通常为150200，有时可达350或更高。变质作用温度下限的高低取决于压力、流体的有无和流体相的成分、岩石受温度支配的时间长短等因素。 变质作用温度的上限为岩浆作用与变质作用的转化温度，变质作用温度上限的高低取决于压力、岩石的成分、流体的有无和流体相的成分、岩石受温度支配的时间长短等因素。,20,变质作用的研究范畴：1、变质作用的下限：与成岩作用的界限-埋藏变质作用、变质作用的上限：与岩浆作用的界限-混合岩化作用,岩浆作用magmatism,变质作用metamorphism,成岩作用diagenesis,700-900oC,150-200oC,混合岩化作用migmatism,埋藏变质作用burial metamorphism,21,（二）压力(P),按压力的性质和所起的作用分为三类： 1. 负荷压力（ Pl） 2. 应力（定向压力） 3. 流体压力（Pf） 压力的标准国际单位是Pa和GPa，地质上常用bar和kbar；其换算关系为： 1 bar 105Pa 1 kbar 0.1GPa,22,1.负荷压力（ Pl）,静压力（负荷压力) 固体岩石所承受的上覆岩层压力，是一种均向性的静压力。 以Pl表示。其数值随深度增加而增加，近似于上覆岩层的重力。取决于上覆岩层的厚度和密度。 根据岩石的平均密度计算，每加深1公里，负荷压力增加0.0265GPa。变质作用的压力范围一般为0.021.5GPa（0.215Kb）。,23,压力增高，多数情况下可使吸热反应的平衡温度升高。如CaCO3SiO2 CaSiO3CO2的反应，当压力由105Pa（1bar）增高到0.1GPa（1Kb）时，发生这一反应的温度将由470增到670。,24,在静压力作用下，岩石中矿物重结晶成体积减小而密度增大的新矿物，以适应新的存在环境。例如基性岩中的钙长石（密度2.76）和橄榄石（密度3.3）在高压下形成石榴子石（密度3.54.3）：三种矿物的分子体积（等于分子量/密度），则钙长石为101.1，橄榄石为43.9，石榴子石为121，前二者之和为145，其与石榴子石之差为24。,25,负荷压力的作用表现为：,1）改变发生变质反应的温度 2） 压力的增高有利于形成分子积体较小、密度较大的高压矿物或矿物组合,26,2. 定向压力(Pd),当一物体遭受定向外力作用时，其内部就会产生一种抵抗力，称为应力。也可理解为伴随构造运动、来自某一定方向的侧压力。因此，应力常和地壳活动带的构造运动有关。 应力是引起岩石变形、变质的重要因素。,27,定向压力作用示意图,28,应力作用主要表现在：,1.对岩石和矿物的机械改造。地壳浅部的岩石变形、碎裂结构的形成显然都和应力直接有关；区域变质岩中的结晶片理与应力作用下的固态流变或重结晶和重组合有关。 2.通过多种途径加快变质反应和重结晶的速度，促进这些作用的进行。尤其在较低温环境中，其作用更为明显。,29,3.粒间流体压力（Pf）,粒间流体压力主要是由岩石中存在的挥发组分，特别是（H2O、CO2等）引起的。用PCO2和PH2O来表示。,如脱碳酸盐的变质反应： 去碳酸盐化CaCO3SiO2 CaSiO3CO2 碳酸盐化当压力变化时，平衡的温度随之而变， 而CO2含量不同，PCO2也不同。,30,（三）流体的作用,在变质作用过程中，岩石总体上保持完整的固态，但其中常存在少量的流体相，一般总量不超过12%，且随岩石变质程度的增高而减少。变质过程中流体的含量虽然很低，但其作用却不小。,31,1. 流体相的组成,流体相的成分，总体来讲以H2O和CO2为主。在变质作用的温压条件下，岩石中的某些组分如K、Na、Si、Mg、Al、Fe、Cl、F、S等也可溶解到流体相中作为流体相的组成部分。 研究表明，流体的成分与变质母岩的成分和变质程度有关。,32,2.流体相的存在状态,在变质作用的温度压力范围内，在较低温度条件下，H2O、CO2等呈气态或液态存在；在较高的温度和压力条件下，流体成超临界状态，是一种高密度气体。流体既可以存在于矿物颗粒之间（粒隙中）被吸附在颗粒边界上，成为不能整体流动的间隙溶液；也可填充在岩石的裂隙之中，成为能（自由）整体流动的裂隙溶液。,33,3. 流体相的来源,1）原岩中保存的流体相。2）变质作用中的脱水及脱碳酸反应，可提供相当多的流体。3）与岩浆活动有关的流体相。,34,4.流体在变质过程中的作用,1）流体相可起溶剂作用，促进原有矿物中组分的溶解，并加快其扩散速度，从而加快重结晶和变质反应的速度。 2）水化和脱水反应是常见的最重要的变质反应，H2O直接参与这些反应。 3）含CO2的流体对碳酸盐化和脱碳酸反应的平衡条件有很大影响。 4）可降低岩石中长英质组分的熔融温度。,35,流体参与的交代反应,36,第3节.变质作用的方式,变质作用的方式主要包括重结晶作用、变质结晶作用和变质反应、变质分异作用、交代作用以及变形和碎裂等。这些作用受各种物理化学原理及力学原理的控制，其产物特征既取决于外部条件（即变质作用因素），又与原岩成分和性状有关。,37,一、重结晶作用,重结晶作用是指在变质作用条件下，原岩中矿物颗粒的重新组合，只有矿物颗粒形状和大小的变化，而不形成新的矿物相。 如石灰岩中泥晶方解石在变质作用过程中随温度升高可转变成较粗大的方解石晶体，形成大理岩。,38,重结晶作用的速度和强度既受原岩成分和结构的控制，也与各种变质因素有关。 组分较简单的岩石比组分较复杂的岩石易于重结晶。 粒度较细的岩石比粒度较粗的岩石易于重结晶。 影响重结晶作用的外部因素主要是流体相和温度。,39,二、变形和碎裂作用,各种岩石受应力超过弹性限度时，就会出现破碎（脆性变形）或塑性变形现象。 变形和碎裂是变质过程中的一种重要作用。相关因素：如岩石的物理性质、所处的深度（温度、静压力条件）以及所受应力的作用方式和强度等。,40,不同的环境条件岩石现不同的变形行为：在近地表低温低压和较高应变速率条件下，岩石显示脆性变形行为，产生碎裂和断裂。在地下高温高压，特别是当应变速率低时，岩石显示塑性变形行为，导致矿物畸变和褶皱而没有破裂。脆性与塑性之间并没有绝对的界线，二者是过渡的。,41,这种转化是随着围压的增大、温度的升高以及应变强度的增大而逐渐过渡的。一般在地壳较浅部，围压较小，温度较低，以破裂作用为主；随着深度的增加，逐渐过渡为以滑移、恢复和重结晶作用为主。当然，这种转化还受原岩性质、应力作用方式及应变速率的制约。破裂滑移恢复及重结晶作用，是岩石由脆性变形向塑性变形的转化过程。,42,脆性变形主要发生在近地表条件下，由于温度低，应力强度大，作用迅速，很快超过岩石的强度极限所致。脆性变形首先从矿物颗粒的边缘开始，使岩石、矿物产生裂纹（裂纹有张性和剪性），破碎（张性、压性和压扭性）成棱角状、锯齿状，进而发展到中心，使大颗粒变成碎粒，直至粉碎、研磨成粉末状，并发生位移。,43,边缘碎粒化现象,44,沿双晶结合面破碎,压 扭 性 破 碎,45,塑性变形是指岩石不失去其内聚力，发生没有总体破裂的永久变形，主要表现为粒内变形。粒内变形主要有滑移和扭折。滑移是粒内塑性变形的主要形式，表现为在颗粒内部沿某一（或某些）滑动面发生滑动位移，引起粒内应变，产生波状、带状消光，机械双晶，变形纹等变形显微构造，同时可导致矿物的结晶学优选方位的形成。（矿物的某一结晶轴或某个结晶面的排列趋于一致。）,46,滑移分为直线滑移和双晶滑移。直线滑移：以晶格的薄弱面为滑移面，滑移面内具有密集的原子排列，滑移的结果导致矿物颗粒外形的改变，和矿物颗粒在某些方向上的优选生长，并且出现波状消光。双晶滑移：矿物内部晶格发生规则变形，使晶格的不同部分成镜像反映，形成机械双晶。,47,双晶滑移,48,49,变形过程中的重结晶和新生矿物的形成：应力一方面使矿物变碎，甚至成为细粉，另一方面，这些获得较大表面张力的细粉还有逐渐变大的趋势，即重结晶作用。伴随变形而发生的重结晶作用称为动态重结晶，又称构造重结晶。当在一定的温度和流体的参与下，可形成一些新生矿物，如绢云母、硬绿泥石（绿泥石）、绿帘石等，这些矿物常定向排列，构成动力变质岩的带状构造。,50,糜棱岩,51,三、变质分异作用,变质分异作用是指成分均匀的原岩，在岩石总成分不变的前提下，造成矿物成分不均匀的一种变质作用。 常见如角闪质岩石中以角闪石为主的暗色矿物和浅色长英质矿物成条带状或团块状不均匀聚集的现象，绿片岩中出现形态不规则的钠长石绿帘石石英脉等。,52,53,四、交代作用,交代作用指变质作用条件下，由变质原岩以外的物质的带入和原岩物质的带出而造成的一种矿物被另外一种化学成分与其不同的矿物所置换的过程。其特征是： （1）交代作用过程中，必须有一定数量的组分从外部带入岩石中，同时岩石中一些组分被带出，结果使岩石总的化学成分发生不同程度的改变。,54,（2）交代作用过程中，岩石中原有矿物的分解消失和新矿物的形成生长基本同时进行，是一种物质逐渐置换的过程。 （3）交代作用过程中，岩石基本保持固态（刚性或塑性），少量流体相的存在是十分必要的。在干环境中，交代作用很难大规模进行。 （4）交代作用过程，岩石总体积基本不变，即交代反应的过程既遵守质量守恒的规律，又必须体积守恒。,55,五、变质结晶作用和变质反应,变质结晶作用和变质反应是指在变质作用的温度、压力范围内，原岩在基本保持固态的条件下新矿物相的形成过程，同时必然有相应的原有矿物相趋于消失。 由于这种矿物相的变化过程多数情况下涉及岩石中各种组分的重新组合，所以也称重组合作用。,56,变质岩中新矿物相的形成可有多种途径，但都可归结为变质反应。如: 如红柱石、蓝晶石、夕线石间的同质多相转变 斜方辉石斜长石单斜辉石石榴子石石英白云母石英夕线石钾长石H2O,57,第4节、变质作用的类型,根据变质作用发生的规模和地质背景分为：局部变质作用和区域变质作用两大类。（一）.局部变质作用是指分布局限（体积小于100km3）变质作用。1 接触热变质作用 指发生于侵入体周围的接触带上，由岩浆侵入带来的热使围岩发生的变质作用，也称热变质作用。主要控制因素是温度，变质作用的方式主要是重结晶和变质结晶。作用的深度一般不大，具有很低的P/T比。,58,2 动力变质作用 指断层带或其它强烈错动（剪切作用）带上，由于构造应力的作用，岩石通过碎裂、变形或重结晶等方式，发生结构、构造上的改造，有时有矿物成分上的转换。 其特点是低温、高应变速率。除高级动力变质外，一般变质温度相当于绿片岩相。典型岩石如糜棱岩。,59,3 交代变质作