第八讲变质作用及鉴定特征识别

1、 内容：内容： 岩类学；岩理学；成矿岩石学。岩类学；岩理学；成矿岩石学。 方法：方法： 多学科交叉与现代技术的应用多学科交叉与现代技术的应用 目的：目的： 基本特征；基本理论；基本方法。基本特征；基本理论；基本方法。图图1. 变质岩形成及研究的框架图变质岩形成及研究的框架图 1. 1.变质作用的现代概念变质作用的现代概念 2. 2.变质作用的影响因素变质作用的影响因素 3. 3.变质作用的类型变质作用的类型 1). 是与地壳形成和发展密切相关的一种地质作用。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地壳已存岩石在基本保持固态条件下的转变过程.

2、 3). 在特殊条件下，还可以产生重熔（溶），形成部在特殊条件下，还可以产生重熔（溶），形成部 分流体相（岩浆）分流体相（岩浆） 4). 变质作用是一个动态过程。变质作用是一个动态过程。 变质作用（变质作用（Metamorphism）一词是由法国学者一词是由法国学者Boue (1820)年首次年首次提出来的，后来由英国学者提出来的，后来由英国学者C. Lyell(1833) 在他的名著地质学原理中在他的名著地质学原理中比较系统地进行了论述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。系指在地壳形成和发展的过程中，由于物理化学条化学条 件的改变，早先形成的岩石件的改变，早先形成

3、的岩石(包括岩浆岩和沉积岩）在固态条件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。 变质作用的概念：变质作用的概念： 地壳形成和发展过程中地壳形成和发展过程中(包括地壳和上地幔的包括地壳和上地幔的相互作用相互作用)，已经形成的岩石，由于地质环境，已经形成的岩石，由于地质环境的改变，物理化学条件发生了变化，促使岩石的改变，物理化学条件发生了变化，促使岩石在基本固态的条件下发生矿物成分、结构、构在基本固态的条件下发生矿物成分、结构、构造的变化，有时伴有化学成分的变化，在特殊造的变化，有时伴有化学成分的变化，在特殊条件下

4、，可以产生重熔（溶）形成部分流体相条件下，可以产生重熔（溶）形成部分流体相(“岩浆岩浆”)的各种作用的总和。的各种作用的总和。关于变质作用的概念应强调以下几点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）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。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。如果原岩为岩浆岩，变质后的岩石称为正变质岩。（2）变质作用与岩浆作用

5、同为内生地质作用两）变质作用与岩浆作用同为内生地质作用两者的差别：者的差别：a.变质过程中岩石基本上保持固态，当变质作用变质过程中岩石基本上保持固态，当变质作用温度较高时，岩石可发生部分熔融，出现一定温度较高时，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。生混合岩化作用。b.变质作用强调温度的递增过程，岩浆作用强调变质作用强调温度的递增过程，岩浆作用强调温度的下降过程。温度的下降过程。 （3）变质作用与风化作用的区别 变质作用是内动力地质作用。 风化作用是外动力地质作用 一、一、 温温 度度1. 温度范围温度范围:

6、 200 - 8000 C， 超高压可达超高压可达10000 C。2. 变化原因变化原因: 岩浆；深部热流；地壳放射热；机械摩擦；地岩浆；深部热流；地壳放射热；机械摩擦；地热增温（正常情况热增温（正常情况 25-30 C C / km)。 3. 主要作用主要作用：可导致重结晶、变质反应、重熔；增加流体活可导致重结晶、变质反应、重熔；增加流体活性；性； 改变岩石变形性质等。改变岩石变形性质等。 它是它是变质作用的主导因素变质作用的主导因素. .温温 度度 1）温度升高使岩石发生重结晶，使原岩中的矿物颗粒由细变粗。 2）温度升高使岩石中化学元素的活动性增加，促使矿物之间发生化学反应(变质反应)，各

7、种组分重新组合形成新矿物。 3）在某种情况下，温度继续升高(超过800-900)，还可使原岩在变质结晶的基础上进一步发生选择性重熔，使其中长英质低熔组分呈液相出现，从而导致混合岩化作用。 1. 静静 压压 力力 概念：概念：负荷压力，单位帕（负荷压力，单位帕（Pa）；）；在在 40km 范围范围 内与深内与深 度关系为度关系为0.0275GPa / km（P= gh）. 范围：范围：动力变质作用和接触变质作用多在动力变质作用和接触变质作用多在5 km 范围内，范围内， 压力低于压力低于0.1GPa；区域变质作用区域变质作用 深度大于深度大于5 km， 压力高于压力高于0.1GPa，按压力大小分

8、为不同的压力型按压力大小分为不同的压力型 （低压、中压、高压、超高压）（低压、中压、高压、超高压）压压 力力 ( (静压力和流体压力静压力和流体压力) )1. 静静 压压 力力是指岩石在地壳一定深度时所承受上覆岩层的重力是指岩石在地壳一定深度时所承受上覆岩层的重力 作作 用用: （1）有利于形成分子体积小、密度大的矿物）有利于形成分子体积小、密度大的矿物 压压 力力 ( (静压力、流体压力、应力静压力、流体压力、应力) )（2）改变岩石的熔点）改变岩石的熔点CaCO3 + SiO2105Pa, 4700C108pa, 6700CCaSiO3 + CO22. 流流 体体 压压 力力 岩石系统中常

9、存在少量的流体相岩石系统中常存在少量的流体相, 它们所具有的内压称流它们所具有的内压称流体压力。对体压力。对变质作用的影响分两种情况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流体压力与静压力相等：流体压力不构成独立的控 制因素；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。控制因素。压压 力力 ( (静压力和流体压力静压力和流体压力) ) A.当流体压力小于静压力时： 非常有利于脱流体相反应的进行，使反应的平衡温度降低。 Al2Si4O3(OH)=Al2SiO53SiO2H2O

10、 叶腊石 蓝晶石 石英 气压压 力力 ( (静压力和流体压力静压力和流体压力) )图4-1 叶腊石=蓝晶石+石英+H2O,当PH2O不同时，在P-T图上稳定单边线的位置示意图（引自游振东等1991） B.当流体压力大于静压力时： 称为构造超压。在这种情况下一般不利于脱流体反应的进行，会使反应的平衡温度升高。 如：方解石+石英=硅灰石+CO2 当流体压力与静压力比值从0-1时，在总压力为0.1GPa时，平衡温度提高了250。在0.2GPa时，平衡温度提高了350。压压 力力 ( (静压力和流体压力静压力和流体压力) ) 一种侧向压力（各方向压力不等）一种侧向压力（各方向压力不等） 应变：岩石遭受

11、应力作用所产生的反应。应变：岩石遭受应力作用所产生的反应。 （弹性变形、永久变形）（弹性变形、永久变形） 分类：张应力、压应力、剪应力（图）分类：张应力、压应力、剪应力（图） 应应 力力图图 1-2 张应力（张应力（s s3）及应变特点及应变特点产物主要是张性断裂、拉断组构产物主要是张性断裂、拉断组构 (Winter, 2001)应应 力力 图图 1-3 压应力（压应力（s s3）及应变特点及应变特点主要是均匀压扁或褶皱主要是均匀压扁或褶皱 (Winter, 2001)应应 力力图图 1-4 剪应力（剪应力（s s 2）及应变特点及应变特点沿一组平行的面滑动或旋转沿一组平行的面滑动或旋转 (W

12、inter, 2001)应应 力力 作用 定向压力可以使岩层遭到破坏，形成褶皱和断裂，形成特征的结构、构造。 使矿物晶体的内部构造发生形变，。 定向压力对区域变质岩的结晶片理的形成起着重要作用。 定向压力还可以促进岩石中粒间流体化学活动性的增加从而加速变质反应和重结晶的速度， 应应 力力 在较高温压条件下在较高温压条件下, 具有较大的活性。具有较大的活性。主要作用如下主要作用如下：1. 溶剂和媒介（载体）作用。例如：超基性岩中镁橄榄石溶剂和媒介（载体）作用。例如：超基性岩中镁橄榄石在含在含SiO2水溶液的作用下，可被交代形成蛇纹石。水溶液的作用下，可被交代形成蛇纹石。2.这些流体可直接参与变质

13、反应，成为控制变质矿物组合的这些流体可直接参与变质反应，成为控制变质矿物组合的重要因素。重要因素。 绢云母十绿泥石绢云母十绿泥石黑云母十黑云母十H2O 温度升高脱水，温度降低水化温度升高脱水，温度降低水化流流 体体3.降低岩石熔点。降低岩石熔点。 长英质岩长英质岩: 无水无水950, 含水含水6404. 变质反应的催化剂。例如铁橄榄石的合成实验：变质反应的催化剂。例如铁橄榄石的合成实验： 2 MgO + SiO2 Mg2SiO4在干体系在干体系 1000条件下条件下, 须时近四天须时近四天, 只有只有26%转化；转化；在湿体系在湿体系 460条件下条件下, 只须时间几分钟只须时间几分钟, 就全

14、部转化。就全部转化。流流 体体 1.1.温度温度: : 一般是最重要因素，它不仅控制着变质作用的发一般是最重要因素，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；生和发展，也制约着流体的活性和岩石变形性质；2.2.压力压力: : 影响物化平衡的独立因素，有时对矿物组合起决定影响物化平衡的独立因素，有时对矿物组合起决定作用；作用；3.3.应力应力: : 不是物化平衡的独立因素，但它是变质岩组构的最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；重要因素，此外还控制着变质反应的速度和规模；4.4.流体流体: :是变质作用得以实现的基本因

15、素，但温度又是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。具有活动性的前提。相互关系相互关系-相互促进又相互制约相互促进又相互制约三 变质岩的基本特征 主要内容主要内容: 化学成分化学成分 矿物成分矿物成分 结构构造结构构造 基本特征：基本特征：两重性两重性-继承性和独特性继承性和独特性. 影响因素影响因素: 原岩特点原岩特点 变质作用的物化条件变质作用的物化条件图图 1. 变质岩形成的框架图变质岩形成的框架图.变质作用变质作用变变质质岩岩原原岩岩T . P . c1. 1. 体系的封闭程度体系的封闭程度变质岩的化学成分变质岩的化学成分 封闭体系：封闭体系：化学成分取决于

16、原岩的化学成分化学成分取决于原岩的化学成分; 开放体系：开放体系：除原岩的化学成分外，还与元素除原岩的化学成分外，还与元素 在变质作用过程中的行为有关在变质作用过程中的行为有关.2. 2. 元素在变质作用中的行为元素在变质作用中的行为变质岩的化学成分变质岩的化学成分 1. H2OCO2等挥发份含量变化最大，随温度升高减少。等挥发份含量变化最大，随温度升高减少。 2. 大多数亲铜元素（大多数亲铜元素（CuPbZnAgAsTeSbHgRbSrBa） 等随温度升高活动性增大，被变质热液带出带入。等随温度升高活动性增大，被变质热液带出带入。 3. 一些亲铁元素（一些亲铁元素（FeCrCoNi）稳定性较

17、大，而一些难稳定性较大，而一些难 溶的铂族元素（溶的铂族元素（PtPa）稳定性更大。稳定性更大。 4. 主要造岩氧化物含量在一般变质作用中无明显变化，主要造岩氧化物含量在一般变质作用中无明显变化， 基本上可视为等化学过程。基本上可视为等化学过程。变质岩的化学成分变质岩的化学成分3.正变质岩与副变质岩在化学成分上的区别正变质岩与副变质岩在化学成分上的区别SiO2：正变质岩34-80%，副变质岩0（大理岩）-95%以上变质燧石岩。Al2O3：正变质岩不超过40%，副变质岩可高达90%以上（刚玉岩）。Fe2O3FeO: 正变质岩一般15%，副变质岩可高达30%以上（富铁岩）。MnO: 正变质岩含量少

18、（2%），副变质岩可高达20%以上（富錳岩）。变质岩的化学成分变质岩的化学成分 CaO: 正变质岩不超过23%，但富钙副变质岩则常见，可达50%以上 K2ONa2O: 正变质岩中K2O/Na2O1%的情况常见，副变质岩则经常K2O/Na2O1%以上 P2O5: 正变质岩中很少超过3%，副变质岩可10%甚至达40%（磷灰岩）。 3.正变质岩与副变质岩在化学成分上的区别正变质岩与副变质岩在化学成分上的区别4. 4. 等化学系列概念和类型等化学系列概念和类型变质岩的化学成分变质岩的化学成分 等化学系列概念等化学系列概念 指原始总化学成分特征相同的所有变质岩。同一化学系列变质 岩中矿物组合的不同，只取

19、决于变质作用的物理化学条件辉长辉长-辉绿岩辉绿岩玄武岩玄武岩铁质白云质灰岩铁质白云质灰岩基性凝灰质砂岩基性凝灰质砂岩中级变质作用中级变质作用斜长角斜长角闪岩闪岩低级变质作用低级变质作用 绿绿 片片 岩岩高级变质作用高级变质作用基性麻粒岩基性麻粒岩图图 1-1. 等化学系列概念说明图解等化学系列概念说明图解4. 4. 等化学系列概念和类型等化学系列概念和类型变质岩的化学成分变质岩的化学成分 等化学系列类型等化学系列类型 按变质岩化学成分特点可分为五个等化学系列：化学成分特征是富铝富铝; 钾钾 钠钠. 原 岩是泥质岩石（泥岩、页岩）或火山凝灰岩.化学成分特征是富硅富硅; 原岩是含长石的各种砂岩,

20、粉砂岩和酸性中酸性火山岩, 花岗岩.化学成分特征是富钙富钙, 镁镁; . 原岩石灰岩和白云岩.4. 4. 等化学系列概念和类型等化学系列概念和类型变质岩的化学成分变质岩的化学成分 等化学系列类型等化学系列类型 按变质岩化学成分特点可分为五个等化学系列： 化学成分特征是贫硅贫硅; 富铁富铁, 镁镁, 钙钙; 钠钠 钾钾 原岩是基性火山岩; 火山碎屑岩; 辉长-辉绿岩; 铁 质白云质泥灰岩; 基性岩屑砂岩等.化学成分特征是 富铁富铁, 镁镁; . 原岩是超 基性侵入岩; 超基性火山岩和极富镁的沉积岩变质岩矿物成分一般特征变质岩矿物成分一般特征变质岩的矿物成分变质岩的矿物成分三大岩类常见的主要造岩矿

21、物都是长石, 石英, 云母, 角闪石, 辉石等.变质岩中特有矿物：硬绿泥石、十字石、堇青石、 铁铝榴石、红柱石、蓝晶石、矽线石、硅灰石等.与岩浆岩中的矿物相比, 变质岩中的矿物在内部结构和结晶习性等方面, 有如下特点:1.1.变质岩矿物成分一般特征变质岩矿物成分一般特征变质岩的矿物成分变质岩的矿物成分层状和链状晶格的矿物较普遍, 其延展性也较大.出现一些分子排列紧密，分子体积小, 密度大的高压矿物.出现红柱石, 蓝晶石, 矽线石等同质异相矿物.矿物的变形现象发育.斜长石的环带结构在变质岩中少见.2.2.矿物成分与原岩化学成分的关系矿物成分与原岩化学成分的关系变质岩的矿物成分变质岩的矿物成分富铝

22、系列富铝系列: 硬绿泥石、十字石、堇青石、铁铝榴石、红柱石、蓝晶石、矽线石。长英质系列长英质系列: 极少出现富铝系列特征变质矿物.碳酸盐系列碳酸盐系列:方解石、白云石、滑石、蛇纹石、镁橄榄石、透辉石、透闪石、硅灰石、金云母、钙铝榴石。铁镁质系列铁镁质系列:辉石、角闪石、绿泥石、阳起石、绿帘石,等大量铁镁矿物。超铁镁质系列超铁镁质系列:滑石、蛇纹石、透闪石、橄榄石、镁铝榴石、尖晶石、辉石、镁铁闪石等。3.3.矿物成分与变质条件的关系矿物成分与变质条件的关系-等物理系列等物理系列变质岩的矿物成分变质岩的矿物成分 等物理系列的概念等物理系列的概念 对于特定成分的原岩体系来说，决定变质岩中矿物组合的因

23、素是对于特定成分的原岩体系来说，决定变质岩中矿物组合的因素是 变质条件，为了描述不同的变质条件及其对应的产物特征，引入变质条件，为了描述不同的变质条件及其对应的产物特征，引入 了等物理系列的概念了等物理系列的概念. 指相同或特定变质条件下形成的所有变质岩。同一系指相同或特定变质条件下形成的所有变质岩。同一系 列变质岩矿物成分的不同决定于原岩的总化学成分列变质岩矿物成分的不同决定于原岩的总化学成分.3.3.矿物成分与变质条件的关系矿物成分与变质条件的关系-等物理系列等物理系列变质岩的矿物成分变质岩的矿物成分等物理系列的概念等物理系列的概念基性基性系列的原岩系列的原岩富铝系列的原岩富铝系列的原岩中

24、 级 变 质中 级 变 质斜长斜长角闪岩角闪岩云 母 片 岩云 母 片 岩图图 2-1. 等物理系列概念说明图解等物理系列概念说明图解3.3.矿物成分与变质条件的关系矿物成分与变质条件的关系-等物理系列等物理系列变质岩的矿物成分变质岩的矿物成分等物理系列的划分等物理系列的划分 Winkler (1974) 按温度将变质强度划分为四个变质级按温度将变质强度划分为四个变质级(等物理系列等物理系列) : 很低级很低级, 低级低级, 中级中级, 高级高级很低级变质很低级变质: 特征是变质基性岩中出现浊沸石浊沸石,硬柱石硬柱石, 葡萄石葡萄石, 绿纤石绿纤石等矿物的出现为标志, 温度区间为200-350

25、0C.低级变质低级变质: 以变质基性岩中硬柱石, 葡萄石,绿纤石等矿物反应形成黝帘石和阳起石黝帘石和阳起石为标志,温度区间为350-5500C3.3.矿物成分与变质条件的关系矿物成分与变质条件的关系-等物理系列等物理系列变质岩的矿物成分变质岩的矿物成分等物理系列的划分等物理系列的划分 Winkler (1974) 按温度将变质强度划分为四个变质级按温度将变质强度划分为四个变质级(等物理系列等物理系列) : 很低级很低级, 低级低级, 中级中级, 高级高级中级变质中级变质: 标志是泥质岩石中十字石十字石( (堇青石堇青石) )出现和绿泥石消失. 在变质基性岩中以普通角闪石+斜长石(An17)为特

26、征.温度区间为550-6500C.高级变质高级变质: 标志是泥质岩石中白云母和石英反应形成矽矽线石和钾长石组合线石和钾长石组合(变质成因的紫苏辉石代表高级变质条件), 温度区间 6500C.4.4.有关术语解释有关术语解释变质岩的矿物成分变质岩的矿物成分稳定矿物稳定矿物: 在特定变质条件下新形成的矿物或虽是原岩中的矿物,但在新的P-T条件下仍然保持稳定的矿物.不稳定矿物不稳定矿物: 指对某一变质作用的P-T条件来说是不平衡的原岩中的矿物,因变质反应不彻底而保留下来.特征变质矿物特征变质矿物: 有些矿物稳定存在的温度和压力范围较窄,因而能较好地反映特定的温度和压力条件.贯通矿物：贯通矿物： 大部

27、分矿物稳定存在的温度和压力范围较宽, 对温度和压力不敏感,.表93变质岩中常见矿物的稳定范围项目项目4-14-1变质岩特征变质矿物识别变质岩特征变质矿物识别 一、实训目的与要求一、实训目的与要求1.基本能够在手标本和镜下识别常见特征变质矿基本能够在手标本和镜下识别常见特征变质矿物红柱石、蓝晶石、矽线石、堇青石并掌握物红柱石、蓝晶石、矽线石、堇青石并掌握其鉴定特征。其鉴定特征。2.基本掌握常见特征变质矿物红柱石、蓝晶石、基本掌握常见特征变质矿物红柱石、蓝晶石、矽线石、堇青石的成分特征及变质条件。矽线石、堇青石的成分特征及变质条件。项目项目4-14-1变质岩特征变质矿物识别变质岩特征变质矿物识别

28、二实训材料 1.手标本：红柱石角岩、堇青石角岩 、蓝晶石黑云片岩、矽线二云母片岩 2.薄片：红柱石角岩、堇青石角岩 、蓝晶石黑云片岩、矽线二云母片麻岩 三三. . 特征变质矿物特征特征变质矿物特征1. 红柱石红柱石 斜方晶系斜方晶系柱状柱状, 横截面为正方形横截面为正方形,可见两组近正交解理可见两组近正交解理, 纵切纵切面可见一组中等面可见一组中等-完全解理完全解理: 手标本常为淡红色或手标本常为淡红色或白色白色,也见有灰、紫、褐等颜色也见有灰、紫、褐等颜色. 薄片中颜色淡而薄片中颜色淡而不均匀不均匀,无色无色-淡红淡红-淡绿的多色性淡绿的多色性; 正中突起正中突起,纵纵切面平行消光切面平行消

29、光,横截面对称消光横截面对称消光;干涉色一级灰白干涉色一级灰白-黄色黄色,负延性负延性.Al2SiO5(2) 原岩及形成条件原岩及形成条件: 富铝系列; 低压中低温.(1) 主要特征主要特征图图1.1.空晶石角岩空晶石角岩空晶石横截面，其内填充碳质包物裹空晶石横截面，其内填充碳质包物裹图图2.2.空晶石角岩空晶石角岩 空晶石横切面碳质包体呈对角线分布图图3 3红柱石黑云母片岩红柱石黑云母片岩旋转的红柱石具有脱尾构造旋转的红柱石具有脱尾构造图图4 4红柱石黑云母片岩红柱石黑云母片岩 红柱石晶体中心呈橙红色，图图4 4红柱石黑云母片岩红柱石黑云母片岩.三三. . 特征变质矿物特征变质矿物2. 蓝晶

30、石蓝晶石 三斜晶系三斜晶系柱状柱状, 板状或放射状集合体板状或放射状集合体, 100 解理完全解理完全, 010 解理清楚解理清楚,001解理不清楚解理不清楚;在横切面上可见二组解在横切面上可见二组解理，解理夹角为理，解理夹角为74， C001=850; 常见简单双常见简单双晶晶. 手标本多为蓝手标本多为蓝- 淡蓝色淡蓝色,具有硬度异向性具有硬度异向性. 薄片中薄片中无色无色, 正高突起正高突起, 在在 100 切面上斜消光切面上斜消光, 最大消光最大消光角角300, 干涉色一级黄到橙红色干涉色一级黄到橙红色, 正延性正延性, 负光性负光性.Al2SiO5(1) 主要特征主要特征(2) 原岩及形成条件原岩及形成条件: 富铝系列富铝系列; 中高压中高温中高压中高温.图图7.蓝蓝 晶晶 石红柱石黑云母片岩石红柱石黑云母片