变质作用概述

第三篇变质岩石学MetamorphicPetrology 变质岩石学的内容 方法 目的 内容 岩类学 岩理学 成矿岩石学 方法 多学科交叉与现代技术的应用目的 基本特征 基本理论 基本方法 变质岩石学课程安排 第一章变质作用概述 2学时 第二章变质岩的基本特征 3学时 第三章变质岩的分类命名 1学时 第四章变质岩的形成作用 4学时 第五章变质反应和变质带 2学时 第六章共生分析和变质相 4学时 第七章变质作用与大地构造 2学时 实习一变质岩的结构构造和特征变质矿物 4学时 实习二富铝系列变质岩 4学时 实习三镁铁质系列变质岩 4学时 实习四其它岩石类型 2学时 实习五岩石类型鉴定 2学时 实习六矿物共生组合分析及演化 6学时 第一章变质作用概述 1 变质作用的现代概念2 变质作用的影响因素3 变质作用的类型4 变质作用的研究范畴 变质作用的现代概念 1 是与地壳形成和发展密切相关的一种地质作用 2 地壳已存岩石在基本保持固态条件下的转变过程 3 在特殊条件下 还可以产生重熔 溶 形成部分流体相 岩浆 4 变质作用是一个动态过程 变质作用 Metamorphism 一词是由法国学者Boue 1820 年首次提出来的 后来由英国学者C Lyell 1833 在他的名著 地质学原理 中比较系统地进行了论述 系指在地壳形成和发展的过程中 由于物理化学条件的改变 早先形成的岩石 包括岩浆岩和沉积岩 在固态条件下所发生的矿物成分 结构构造的变化 称变质作用 变质作用的现代概念 关于变质作用的概念应强调以下几点 1 变质作用是一种改造作用 这种改造发生在风化带和胶结带以下 原岩经过改造后在固态下转变为一种新的岩石 如果原岩为沉积岩 变质后的岩石称为副变质岩 如果原岩为岩浆岩 变质后的岩石称为正变质岩 2 变质过程中岩石基本上保持固态 并且强调温度的递增过程 这一点与岩浆作用不同 后者强调的是矿物从硅酸盐熔融体中结晶 所涉及的是晶体 液态的平衡 并强调温度的下降过程 当变质作用温度较高时 岩石可发生部分熔融 出现一定数量的熔体 这些熔体与固态残余物之间可发生混合岩化作用 当熔体数量较多时转变为典型的岩浆作用 广义的变质作用概念包括岩石在固态下的变质作用和有部分熔体出现的混合岩化作用 原岩化学成分 地质条件 物理化学环境一 温度1 温度范围 200 8000C 超高压可达10000C 2 变化原因 岩浆 深部热流 地壳放射热 机械摩擦 地热增温 正常情况25 30 C km 3 主要作用 可导致重结晶 变质反应 重熔 增加流体活性 改变岩石变形性质等 它是变质作用的主导因素 变质作用的影响因素 一 温度 变质作用的影响因素 1 静压力概念 负荷压力 单位帕 Pa 在40km范围内与深度关系为0 0275GPa km P gh 范围 动力变质作用和接触变质作用多在5km范围内 压力低于0 1GPa 区域变质作用深度大于5km 压力高于0 1GPa 按压力大小分为不同的压力型 低压 中压 高压 超高压 二 压力 静压力和流体压力 变质作用的影响因素 图1 1不同变质作用类型压力分布范围 变质作用的影响因素 1 静压力作用 1 控制变质反应方向 影响变质反应温度 2 有利于形成分子体积小 密度大的矿物 3 改变岩石的熔点 二 压力 静压力和流体压力 变质作用的影响因素 2 流体压力岩石系统中常存在少量的流体相 它们所具有的内压称流体压力 对变质作用的影响分两种情况 1 流体压力与静压力相等 流体压力不构成独立的控制因素 2 流体压力与静压力不相等 流体压力则构成独立的控制因素 二 压力 静压力和流体压力 变质作用的影响因素 一种侧向压力 各方向压力不等 应变 岩石遭受应力作用所产生的反应 弹性变形 永久变形 分类 张应力 压应力 剪应力 图 作用1 机械改造 是岩石优选组构的主要因素 2 影响变质反应 重结晶作用 流体活性 3 产生构造超压 增加静压力 三 应力 图1 2张应力 s3 及应变特点产物主要是张性断裂 拉断组构 Winter 2001 变质作用的影响因素 三 应力 图1 3压应力 s3 及应变特点主要是均匀压扁或褶皱 Winter 2001 变质作用的影响因素 三 应力 图1 4剪应力 s2 及应变特点沿一组平行的面滑动或旋转 Winter 2001 变质作用的影响因素 三 应力 变质作用的影响因素 在较高温压条件下 具有较大的活性 主要作用如下 溶剂和媒介 载体 作用 2 控制变质反应方向 例如Cc Q Wo CO2降低岩石熔点 长英质岩 无水9500C 含水6400C4 变质反应的催化剂 例如铁橄榄石的合成实验 2MgO SiO2 Mg2SiO4在干体系10000C条件下 须时近四天 只有26 转化 在湿体系4600C条件下 只须时间几分钟 就全部转化 四 流体 变质作用的影响因素 1 温度 一般是最重要因素 它不仅控制着变质作用的发生和发展 也制约着流体的活性和岩石变形性质 2 压力 影响物化平衡的独立因素 有时对矿物组合起决定作用 3 应力 不是物化平衡的独立因素 但它是变质岩组构的最重要因素 此外还控制着变质反应的速度和规模 4 流体 是变质作用得以实现的基本因素 但温度又是流体具有活动性的前提 五 相互关系 相互促进又相互制约 变质作用类型 变质作用分类简表分类依据 分布规模 地质背景或物化条件 变质作用类型 分布于岩浆侵入体与围岩接触带 主要由岩浆热导致的变质作用 主要因素是温度 压力较低 应力不明显 变质机制以静态重结晶或静态变质结晶为主 动力变质作用 分布于断裂带 由构造作用导致的变质作用 主要控制因素是应力 通常具较高的P T比 变质机制以变形和动态重结晶或动态变质结晶为主 1 接触变质作用 变质作用类型 陨石冲击地表产生强大的冲击波所导致的变质作用 主要因素是瞬时高压和高温 变质机制以变形和伴随的部分熔融为主 4 交代变质作用 分布于侵入体接触带及其附近和火山活动区 主要由岩浆热液引起的异化学变质作用 主要因素是流体活动组分化学位 变质机制主要为交代作用 3 冲击变质作用 变质作用类型 图1 6接触变质带示意图 内带 中带 biotitemuscovitecordieriteandalusitequartz 图1 7接触变质带各带粒度变化 变质作用类型 区域动热变质作用或狭义的区域变质作用 与造山作用密切相关 大规模分布于前寒武纪结晶基底 面状 和显生宙造山带 带状 的变质作用 变质因素复杂 P T比范围宽 三种压力类型 并与构造环境密切相关 变质机制为变质 重 结晶和变形 形成的变质岩常见面理和线理构造 5 造山变质作用 变质作用类型 图1 8日本的变质双带及形成模式 变质作用类型 在大洋中脊附近 洋壳岩石在上升的热流和海水的作用下发生的规模巨大的变质作用 变质因素主要是温度 流体及活动组分化学位 P T比低 变质机制是变质 重 结晶作用和交代作用 产物的面理和线理不发育 7 埋藏变质作用 一套巨厚的岩层被快速埋藏到地下深处所发生的大规模的很低级且无明显变形的变质作用 它是成岩作用与变质作用的过度类型 独立分布于强烈坳陷盆地的沉积底部或造山变质 洋底变质的很低级部分 产物变质程度低且面理和线理不发育 6 洋底变质作用 变质作用类型 图1 9洋底等温面的分布及洋底变质作用 变质作用类型 图1 10新西兰岛南部Otago区域埋藏变质作用 Turner 1981 沸石葡萄石 绿纤石绿纤石 阳起石绿泥石黑云母 较高级 变质作用类型 在高级区域变质地区 由部分熔融产生的低熔物质 新成体 与变质岩基体 古成体 混合形成混合岩的过程 它是变质作用向岩浆作用的过度类型 又称超变质作用 8 混合岩化作用 图1 11混合岩 变质作用研究范畴 选讲 1 变质作用的下限 与成岩作用的界限 埋藏变质作用2 变质作用的上限 与岩浆作用的界限 混合岩化作用 变质作用研究范畴 选讲 对变质作用与沉积成岩作用的界限可从两个方面考虑 一个基于沉积岩石学的观点 另一个基于变质岩石学的观点 当基于前者考虑时 沉积物中相互连通孔隙的完全封闭是成岩作用结束 变质作用开始的标志 因此测定沉积岩石的孔隙度就可以确定这一界限 当基于变质岩石学的观点时 强调真正变质矿物组合的出现是变质作用开始的重要标志 这些变质矿物包括浊沸石 硬柱石 钠云母和叶腊石等 根据目前认识 最低温的变质矿物是浊沸石 在较高压力下为硬柱石 浊沸石出现的变质反应为 CaAl2Si7O18 6H2O CaAl2Si4O12 4H2O 3SiO2 2H2O片沸石浊沸石石英水然而 在 200 时 这一反应的速度太慢以致于在低压时不能进行实验模拟 如果水压升高 片沸石分解形成硬柱石 CaAl2Si2O7 OH 2 而不是浊沸石 Nitsch 1968 对反应片沸石 硬柱石 石英 水的实验条件为185 25 0 7GPa 在较低压力下 低于0 3 0 05GPa 片沸石分解形成浊沸石时 温度应该低于200 可能为175 变质作用的温度下限应稍微低于200 据Kisch 1969 1974 报道 在变质作用产生浊沸石的最低温度下 对应煤化过程 达到气焰煤 gas flamecoal 有时达到气煤 gascoal 级 在镜质煤中挥发性组份分别低于40 和30 另外 Frey Niggli 1971 把尹利石的结晶度与煤的转变对比 他们证明在变质作用 对应浊沸石出现 开始时 尹利石的结晶度较低 Kubler级为7 5 随变质温度升高 尹利石的结晶度升高 在油田中 与煤级对应的变质作用开始界限 构成石油的死亡线 因此 变质作用开始的界限有很大的经济意义 变质作用的上限