变质反应及变质作用因素

1、变质反应及变质作用因素第1页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二本章重点1. 掌握变质作用的影响因素及其在变质过程中 的特点；2. 理解变质反应的概念；3. 了解变质反应的主要类型。第2页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二本章难点1. 变质作用因素在变质过程中的特点。第3页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.1 变质反应及其类型2.1.1 概述 变质反应（metamorphic reaction） 在固相线下（由于变质的温度、压力所限制）发生的物相转变及化学反应过程。 变质反应属于化学反应的自然类型，其反应的动力是地球运动和物质调整。

2、 第4页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.1.1 概述 在变质过程的研究中，规定相转变方向（即变质反应方向）以升温转化方向为正方向（进变质），降温方向为负（退变质）。从反应的速度上看，退变质的速度要慢得多，但在反应催化剂（流体）存在时，其反应速度可以加快。第5页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.1.1 概述 变质反应可以从岩相研究（实地调查和岩石薄片鉴定等）中得到，也是最常规、简便的直接方法。实验岩石（相）研究及热力学推导是重要的现代研究方法之一。 因此，掌握变质岩的薄片分析方法是本课程的基本要求。第6页，共45页，2022年，5月20日，5点3

3、6分，星期二2.1.2 变质反应的基本类型 变质反应的基本类型有三种： 固固反应 固固液反应 氧化-还原反应1. 固固反应 温度和压力为反应的主导因素，反应过程无流体相存在或析出。这种反应的方式有三种：第7页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.1.2 变质反应的基本类型 1）矿物多形的转变： 如：AndkySil的铝硅酸盐（Al2SiO5）同质多象转变。 蓝晶石矽线石红柱石第8页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.1.2 变质反应的基本类型 2）固溶体矿物的出溶： 如：长石、角闪石的变质双晶的形成；钠长石双晶第9页，共45页，2022年，5月20日，

4、5点36分，星期二2.1.2 变质反应的基本类型 3）纯固相反应： 如反应： 硬玉 石英 钠长石 反应在低温下由压力变化控制，向右进行为压力降低的退变质；反之为升压进变质。反应前后没有物态的变化，但有相数的改变。第10页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.1.2 变质反应的基本类型2. 固固液反应 这是常见的变质反应类型，其主导因素为温压和流体，变化较复杂，反应时有流体相存在或反应过程中有液相析出。常见的反应方式有两种：第11页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.1.2 变质反应的基本类型 1）水化与脱水反应，如： 叶腊石 红柱石 石英H2O 2）脱

5、碳酸与碳酸盐化反应，如： 方解石 石英 硅灰石 CO2第12页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.1.2 变质反应的基本类型3. 氧化-还原反应 变质过程中由于氧逸度（fO2）的变化引起的缓冲反应。如： 赤铁矿 磁铁矿O2 第13页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.1.3 滑动反应 滑动反应 固溶体矿物发生变质反应的过程中，其成分随反应过程不断连续改变的反应。亦称为连续反应。 第14页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.1.3 滑动反应 滑动反应的基本特征是： 反应的温、压取决于原岩成分，反应物（原岩矿物）与生成物（新的变质矿

6、物）在一定的温压范围内共存，且其成分随温压的改变而不断变化，即反应物与生成物之间维持一定的动态 “平衡” 。 第15页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.1.3 滑动反应例如：在麻粒岩相条件下， 菫青石 石榴石 了解变质反应的目的在于： 把握变质因素及其过程的变化。 第16页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二一些重要的变质反应第17页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.1.3 滑动反应例如：在麻粒岩相条件下， 菫青石 石榴石 了解变质反应的目的在于： 把握变质因素及其过程的变化。 第18页，共45页，2022年，5月20日，5点3

7、6分，星期二2. 2 变质作用影响因素 变质作用的影响因素包括地质因素和外部因素。 从上述变质反应类型及其对外部因素的归纳中，可以得出变质过程中起主导作用的外部因素是： 温度 压力 流体 后面将介绍这些因素的在变质作用过程中的特点及其变化。 第19页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.1 温度（T） 多数的变质反应与温度有直接的关系，即温度是多数变质作用的主导因素。1. 变质过程的温度范围 变质作用的温度范围是 200800向沉积后生成岩作用上限过渡向岩浆作用下限过渡110900第20页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.1 温度（T） 按温

8、度变化可将变质作用过程分为三级： 低级变质：T200550（或500） 中级变质：T550700 高级变质：T700800 近来将T200的变质过程称为极低级变质。 温度的变化可引起变质作用的产生及其以不同的变质作用方式进行。 第21页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.1 温度（T）2. 作用方式 温度引起的变质作用方式主要有三种： 1）重结晶 如：灰岩大理岩第22页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.1 温度（T）2. 作用方式 温度引起的变质作用方式主要有三种： 2）变质结晶 如：方解石石英硅灰石CO2 3）部分重熔 主要是长英质矿物产

9、生的低共熔系熔体。 第23页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.1 温度（T）3. 热源（温度变化起因） 引起温度变化的起因主要有五种： 1）地热 正常的地热增温率为1.5100m，但在造山带、太古宙的地热流值是正常地温的23倍以上，在高热流区地热增温率可达60km。 如：区域埋藏变质、区域动热变质、区域中高温热流变质，等。 第24页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.1 温度（T） 2）上地幔对流热 上地幔的对流形成地幔热柱，导致地壳内温度升高而产生变质。 如：下地壳的深变质、洋中脊变质，等。 3）放射性元素衰变热 放射性元素衰变时产生的化

10、学能热能，导致温度上升产生变质。 如：区域温度异常引起的区域变质，等。第25页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.1 温度（T） 4）岩浆热 岩浆上侵时由岩浆热造成的温度梯度扩散引起变质。 如：热接触变质，等。 5）动力变质热 地球内应力作用， 机械能热能 而引起变质。 如：区域热动变质、动力变质，等。 第26页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.1 温度（T） 温度升高时，当超过原岩矿物组合的平衡温度时，产生进变质（正向变质反应），形成高一级的变质矿物组合； 当低于原岩矿物组合的形成温度时，产生退变质（逆向变质反应），形成低一级的变质矿物组

11、合。第27页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.1 温度（T） 高级或低级划分是相对于原岩矿物组合及变质矿物组合本身而言，即为相对的概念。其相关的实例将在后续部分中介绍。 例如：绿泥石+绢云母 的变质矿物组合，对岩浆岩原岩来说是退变质，对泥质岩类来说是进变质。第28页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.2 压力（P） 变质作用属于内力地质作用之一，且在一定的地壳深度条件下进行，因而压力是变质作用的重要因素之一。压力的大小及其变化可决定变质反应的方向，如：压力增大时变质反应向矿物分子体积变小的方向进行。1. 变质作用产生的压力范围 0.02GP

12、a1.1GPa 换算为正常的地壳深度相当于1km40km。 第29页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.2 压力（P）2. 压力的类型及其特征 根据力的来源和作用方式分为三类： 负荷压力（Pl） 流体压力（Pf） 应力（Ps） 对其特征将分别予以介绍。 第30页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.2 压力（P）1. 负荷压力（Pl） 亦称为静压、均向压、围压，来自于上覆岩层的重量的负荷压，或围岩的均向压（围压）。 在正常的地壳深度0km40km的范围内，平均增压率为：0.0275GPakm 故形成的深度越大，越是向形成坚硬、密度大、体积小的矿

13、物、岩石方向进行。 第31页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.2 压力（P）2. 流体压力（Pf） 主要是H2O、CO2等流体存在于岩石矿物的粒间和微裂隙中产生的压力。按其存在状态（ Pf 与 Pl 的相对关系）分为三种类型：第32页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.2 压力（P） 1）Pl Pf ：为地壳深部封闭系统，Pf 为非独立因素； 2）Pl Pf ：为岩体附近岩浆水富集地带，引起水化反应；但在干环境时可Pf Pl ； 3）Pl Pf ：为地壳浅部的裂隙发育区、开放系统，引起脱水、脱气反应，可形成构造热液。 第33页，共45页，2

14、022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.2 压力（P）温度、流体压力、流体中CO2的含量（以摩尔分数表示）与CaCO3SiO2CaSiO3CO2的平衡关系图（按格林伍德，1962；XCO2即CO2的摩尔分数）结论： 流体压力能影响变质作用的温度。第34页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.2 压力（P）3. 应力（Ps） 亦称为定向压力、构造压力、侧向压力，是由构造运动产生的引起岩石变形变质结晶和重结晶（动力变质）。 定向压力作用时，一部分机械能使矿物、岩石变形（脆性和韧性），部分则转变为热能，促使矿物发生重结晶和变质结晶。第35页，共45页，2022年，5月

15、20日，5点36分，星期二2.2.3 具有化学活动性的流体（C） 化学活动性的流体，通常指的是气态或液态的水溶液，其中常含有H2O、CO2、硼酸、盐酸、氢氟酸等，这些成分增强了水溶液的化学活动性。 该类流体在变质过程中所起作用有四方面：第36页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.3 具有化学活动性的流体（C） 1. 促使交代作用产生的载体 在岩石孔隙和裂隙中的粒间溶液，由于压力差或浓度差而产生流动，与周围岩石发生交代作用，即造成组分的迁移（带出或带入），形成与原岩组分迥然不同的变质岩石。 例如：斜长石绢云母+石英，带入K+，带出Ca+、Na+。第37页，共45页，20

16、22年，5月20日，5点36分，星期二2.2.3 具有化学活动性的流体（C）2. 反应接触剂 通过粒间溶液作媒介，对矿物彼此间的反应起到接触剂的作用，可促进矿物中某些组分的溶解和沉淀，从而有利于矿物的重结晶和变质结晶。 例如：固-固反应、应力矿物生长。第38页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.3 具有化学活动性的流体（C）3. 变质反应的组分 水和碳酸等还直接参与组成含水和含碳酸的矿物，影响水化或碳酸盐化（降温）、脱水或去碳酸盐化作用（升温）的进行。第39页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.3 具有化学活动性的流体（C） 例如下列反应：

17、白云母石英 钾长石矽线石H2O 方解石石英 硅灰石CO2 升温反应向右进行，降温则向左进行。去碳酸盐化 碳酸盐化脱水水化第40页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.3 具有化学活动性的流体（C）4. 影响岩石的重熔温度 水溶液对岩石的重熔温度的影响也很大。 如：不含水的干体系时，花岗质岩石开始重熔的温度要达到950以上；而在饱和水体系时，在64020就开始重熔。第41页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.3 具有化学活动性的流体（C）4. 影响岩石的重熔温度 具有化学活动性的流体，在变质作用中是普遍而重要的，通常影响变质反应的方向和速度。 只

18、有在其以组分形式参加变质过程时，才能作为变质作用中的一个独立的强度因素。第42页，共45页，2022年，5月20日，5点36分，星期二2.2.4 变质作用影响因素小结 1. 温度 通常是变质过程中的一个独立的、主导的强度因素，只有在没有重结晶和变质结晶的过程中，才作为次要的因素，但其影响仍然存在。 2. 压力 在多数变质过程中也是主要的影响因素之一，只有在某些变质作用，如：热接触变质作用、区域中高温变质作用中作为次要因素，虽然不能改变变质过程，但可影响到矿物共生组合。 3. 具有化学活动性流体 只有在温度和压力的共同参与下，以组分形式加入，才能作为影响变质作用的因素之一。第43页，共45页，2022年，5月20日，5点36