变质岩岩石学教案讲稿

授课教案及讲稿

课程名称：变质岩岩石学

总学时：32总学分：2

2012—2013学年第1学期

课题第一章绪论

学时2学时

1掌握变质岩、变质作用的概念

2了解变质作用的影响因素

教学目标

3了解变质作用的方式和类型

与要求

4了解变质岩的研究历史和发展方向

1.变质岩的基本概念；

2.变质作用的影响因素

重点3.变质作用的类型

1变质作用的影响因素

2变质作用的类型

难点

1多媒体演示，用大量照片展开分析，提出问题，解决问题

2设问式教学，先提出问题，再根据学生回答情况解释和讲解

教学方法

与手段

董申保等，1986,中国变质作用及其与地壳演化的关系。北京：地质出版社

韩郁菁，1993,变质作用P-T-t轨迹。武汉：中国地质大学出版社

钱祥麟、王仁民，1994,华北北部麻粒岩带地质演化。北京：地震出版社

桑隆康、王人镜、张泽明、王强、何斌，2000,九资河-天堂寨地区燕山晚期花岗岩

与大别造山带核部隆升。地质学报，74(3)：234-246

索书田、桑隆康、韩郁菁、游振东等，1993,大别山前寒武纪变质地体岩石学与构

造学。武汉：中国地质大学出版社

王仁民、游振东、富公勤，1989,变质岩石学。北京：地质出版社

徐树桐、刘贻灿、江来利、苏文、季寿元，1994,大别山的构造格局和演化。北京：

参考资料科学出版社

徐学纯，1998,麻粒岩相变质流体和流体一岩石相互作用。地学前缘，5(4)：284—290

游振东、陈能松、张泽明，1996,中国桐柏大别构造带变质演化的岩石学证迹，地

球学报，17(增刊)：16—22

游振东、韩郁菁、杨巍然、张泽明、韦必则、刘蝶，1988,东秦岭大别高压超高压

变质带。武汉：中国地质大学出版社

教学内容及过程

第一章绪论

一、变质岩与变质作用的基本概念：

1.变质岩：在地壳发展演化过程中，已存在的各种岩石，由于地壳的构造运动、岩浆

活动，地热流的变化等内力地质作用，使原来岩石所处的地质环境及物理化学条件发生改

变，为了适应这种变化，在基本保持固态的情况下，岩石的结构构造、物质成分发生变化

而形成的一种新的岩石。

2.变质岩石学：是研究变质岩的成分、结构、构造、产状、分布、分类、命名、共生

组合和变质岩的形成、演化的机制与条件以及其在地球(天体)形成、演化中的地位及作用、

与矿产的关系等内容的独立的学科。

3.变质作用：在地壳形成和演化过程中，由于地球内力的变化，使已存的地壳岩石，

在基本保持固态的条件下，从原岩的化学成分、矿物组成和结构构造等方面进行了调整，

在特殊情况下，还可产生重熔或重溶，形成部分流体相的各种作用的总和。

三点说明：

变质作用作为一种地质作用，其发生发展与地壳的发生发展有关，特别与地幔与地壳

的相互作用有关。

变质作用、岩浆作用、构造运动的联系服从于地壳形成与发展的总过程，并受地幔与

地壳相互作用支配三者是平行的，在不同情况下呈现不同的内在联系。

变质作用形成的变质岩是一种转化岩石。

二、变质作用的影响因素：

1.温度

温度是体系热状态的直接标志•热状态的改变是导致变质发生的最重要的因素之一。

温度范围:150℃-250℃-650℃-1100℃

指示矿物:浊沸石、蓝闪石、硬柱石、叶腊石

原因:

地热增温

上地幔热流的运动

岩浆活动带来的热能

摩擦作用产生的热能

放射性元素衰变释放热能的积累

2.压力

静压力:定向压力

负荷压力(P\)：上覆岩层的重力

单位-b、kb、Pa、GPa

范围：l-2kb〜7-8kb

据计算每加深1公里，压力增加0.0275GPa

接触变质和动力变质:3-5km,Pi<0.IGPa

区域变质和动力变质：>5km,

低压:Pi0.1-0.3GPa；中压:Pi0.3-0.5GPa

高压：Pi>0.5GPa；超高压：Pi>lGPa

负荷压力的效应：

Mg2[SiO4]+Ca[Al2Si2O8]-CaMg2Al2[SiO4]3

镁橄榄石钙长石石榴石

43.9101.1121

3.32.763.52

形成密度（比重）大，体积小的矿物。

3.流体压力:流体相Pr

表示：各组分的分压力表ZK,例如PH2O>PCO,

其数值与各自在流体相中相对物质的量

成正比（等于各组分分压之和）。

Pf=PH2O+PCO+…

关系：Pf=pl（地壳深部）

Pf<?|（地壳浅部）

Pf>/（侵入体附近）

4.应力:侧向压力

可更新应力：指能够不受应力松驰和逐渐释放应变能的影响而连续起作用或者在环境

变化后还能重新起作用的一种应力。

不可更新应力指那些具初始应变能一经释放应力立刻消失的一种应力。主要有：挠曲

应力、薄膜应力、热应力。

5.具化学活动性流体

流体相组成:HOC02,K,Na,Si,Mg,02

Al,Fe,Cl,F,S,CH”CH,

流体相存在状态:低温-气态或液态

超临界状态-高密度气体

流体相来源:

岩浆活动

变质作用提供的流体

板块俯冲带入的海水

未变质的原岩中会保存流体

6.时间

变质作用发生的地质时代

变质作用发生到终止所经历的时间

三、变质作用的方式

1.重结晶作用

微念：在变质作用条件下，原先存在的矿物颗粒的重新组合，只有形状大小的变化，

而不涉及新矿物的生成。

类型:

初始重结晶

次生重结晶

影响因素:

1.原岩成分和结构的控制

碳酸盐类岩石硅质岩砂岩和粉砂岩

2.外界因素-温度、压力、活动性流体

特征：粒度不断加大，相对大小均匀化，颗粒外形变得规则。

2.变质结晶作用

微■含：在变质作用的温度、压力范围内，在原岩基本保持固态条件下，新矿物相的形

成过程，与此同时必有相应的原有矿物趋于消失。

特征:变质反应前后，岩石的总成分保持不变

3.交代作用

既念：在变质条件下，由变质原岩以外的物质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上与其不同的矿物所置换的过程。

特征:变质反应前后，岩石的总成分保持不变

新矿物形成与旧矿物消失是同时进行

固态为主，有流体相的存在

4.变质分异作用

微■念：指成分均匀的原岩，在岩石总成分不变的前提下，造成矿物组合不均匀的一种

变质作用。

机理:结核原理-说明变斑晶的形成过程

不稳定组分的局部溶解

最稳定组分的沉淀及局部富集

5.变形及碎裂

源念：各种岩石在应力的作用下，当应力超过塑性屈服强度时，就会出现塑性变形现

象，当应力超过其弹性极限时就会发生破碎裂开。

物理：应力作用下组分运动的结果（山德）

变形和碎裂是变质过程中的一种重要作用，它既与岩石（包括组成它们的矿物）的力学

性质有关，又与变形岩石所处的深度、应力的大小强度等因素有关。

四、变质作用的类型

1.局部变质作用

是分布局限（据Raymond（1995）,其体积小于100km，）的变质作用。它局限分布在一

个具体的地质构造（断裂带、接触带等），往往一个因素起主导作用。在局部变质地区可

清楚观察到变质岩与未变质岩石的渐变过渡。

①接触一热变质作用:分布在侵入体与围岩接触带，主要由岩浆热而导致的变质作用。

特点：主要控制因素为温度；

主要变质机制为重结晶；

具有很低力比。

②动力变质作用：分布在断裂带，在构造作用下导致的变质作用。

特点：主要控制因素为偏应力；

主要变质机制为变形及动态重结晶。

具有高至低乃，比，但通常也比较高。

③冲击变质作用：分布在陨石坑附近，在陨石冲击地表的强大冲击波作用下产生的

变质作用。

特点：主要控制因素为瞬时高温、高压；

主要变质机制为变形及部分熔融。

④交代变质作用：局限分布于侵入体接触带及其附近和火山喷气活动区，主要由岩

浆热液引起的异化学变质作用。

特点：主要控制因素为流体中的活动组分；

主要变质机制为交代作用。

2.区域变质作用

是在岩石圈范围由规模巨大（Raymond,1995,其体积大于数千km，的变质作用。

①造山变质作用:大规模分布在前寒武纪结晶基底和显生宙造山带的变质作用，与

造山作用有密切的成因联系。面积数百-数千平方公里。在前寒武结晶基底呈面状，在显

生宙造山带呈带状分布。

特点：主要控制因素为温度、压力；

主要变质机制为重结晶、变形；

具有很宽P/T比。

②洋底变质作用:洋壳岩石在大洋中脊附近上升热流和海水作用下产生的规模巨大

的变质作用。特点：主要控制因素为温度和活动组分；

主要变质机制为重结晶和交代。

具有低P/T比。

③埋藏变质作用：无明显变形的大规模很低级（很低温）变质作用。它通常出现在

区域变质和洋底变质的很低级部分，或独立出现在强烈坳陷的盆地沉积的底部

特点：主要控制因素为压力；

主要变质机制为重结晶。

也比变化范围很大。

④混合岩化作用：高级区域变质（造山变质）伴随的部分熔融产生的低熔物质（新

成体）与变质岩（古成体）混合形成混合岩的大规模变质作用。

类型-温度

★前进变质作用:由增温而引起的变质作用，其特征是以稳定的高温矿物组合代替

较低温的矿物组合

★退变质作用:指低级变质叠加于原有的高级变质作用而引起的变质。是低温矿物

组合取代较高温的矿物组合的过程。退变质作用常见于大的断裂带。

★复变质作用:多次不同温压条件的变质事件的叠加。

类型-压力

★嬴S翌：地温梯度10'C/km左右。

★高压过渡型:地温梯度10-20℃/km。

★中压型:地温梯度20℃/km左右。

★低压过渡型:地温梯度20-30'C/km。

★低压型:地温梯度＞3（TC/km。

五、研究历史和发展现状：

★描述阶段：十九世纪末，应用显微镜研究变质岩，分类与描述；罗森布什、格鲁

赛曼、尼格里等；

★理论研究阶段:20世纪初巴洛，哈克等提出了正常递增变质作用及应力矿物的概

念。把变质岩的空间强度分带与区域构造地质环境联系起来，奠定了变质岩岩理

学基础。

★实验研究阶段:第二次世界大战前就开始了变质矿物的人工合成的实验研究。约

德尔，温克勒等；

★多学科的渗透和边缘学科的形成阶段:高精度微区、微量分析测试技术、电子计

算机技术的引进，不平衡体系热力学、统计热力学，化学动力学、固溶体热力学、

固体物理学、金属物理学及微量元素、稀土元素、同位素地球化学等近代学科理

论与变质岩研究的互相渗透，变质岩的研究已进入一个崭新的阶段。在宏观上形

成了变质地质学方向，微观上形成了一系列与变质岩岩石学有关的新的研究方向。

例如，变质实验岩石学、矿物共生的相柘扑学、岩组学、变质化学动力学及变质

矿物物理学等。

六、岩石分布和研究意义

分布：

★前寒武纪地盾区：面积占18%,大部分麻粒岩相

★显生宙造山带:分布于前寒武纪地盾、地台边缘，主要为沸石相及蓝闪石片岩相。

★大洋盆地:发生于洋中脊及附近，主要为变质玄武岩和辉长岩类。

★地热区现代变质作用:现代岛弧和洋中脊，变质结晶和重结晶作用。

变质岩与矿产

•变质矿床的矿产种类繁多

★金属矿产-主要有铁、金、铀、铜、铅、锌等

★非金属矿产-滑石、菱镁矿、硼、磷、石墨等

•一些变质矿床分布广、储量大

★变质铁矿床储量占全球铁矿总储量的2/3以上

★变质金-铀砾岩矿床则是金和铀的主要来源

七、课程目的和基本要求

变质岩岩石学是一门地质学的专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握变质质作

用和变质岩的基本理论、概念；熟悉变质岩的物质组分、结构构造等方面的特征；对不同

类型变质岩的矿物组合和矿物本身的特点、不同变质相之间的区别与联系及变质岩的成因

有较深的了解；能通过肉眼或利用偏光显微镜正确鉴定常见的变质岩类型。

了解变质质作用和变质岩的基本理论、概念和术语；熟悉变质岩的物质组分、结构构

造等方面的特征，学会利用共生图解解进行变质矿物共生分析；

掌握主要类型变质岩的基本定义、分类、命名和基本特征，学会肉眼和利用偏光显微

镜鉴定常见变质岩，本部分的重点是区域变质岩、混合岩和动力变质岩。

掌握变质岩的原岩恢复和相系判定方法，了解地质温度计与地质压力计的概念和方

法，学会如何利用变质岩石学资料进行韧性剪切带研究和变质作用历史的分析。并了解板

块运动与变质作用的关系，前寒武纪变质岩与早期地壳演化的关系，变质建造的概念；掌

握变质作用的时代分布特征。

作业布置

1.什么是变质岩？什么是变质作用？

2.变质岩与岩浆岩、沉积岩各形成于何种环境？

3.影响变质作用的因素有哪些？如何影响？

4.变质岩的基本类型有哪些？

课后小结

课题第二章变质反应

学时4学时

1掌握变质反应的基本类型

2掌握固-固反应的原理

3掌握固-液反应的原理

教学目标

4掌握变质因素对变质反应的制约

与要求

5了解变质反应动力学的基本概念

1固-固反应的原理

2固-液反应的原理

重点

1固-固反应特点及机理

2固-液反应特点及机理

难点

1多媒体演示，用大量照片展开分析，提出问题，解决问题

2设问式教学，先提出问题，再根据学生回答情况解释和讲解

教学方法

与手段

张泽明，1992,大别山榴辉岩带的岩石学研究，岩石学论文集。武汉：中国地质大

学出版社。197—205

钟增球、郭宝罗，1991,构造岩与显微构造。武汉：中国地质大学出版社

周高志、J.GLiou、刘源骏等，1996,湖北北部高压、超高压变质带。武汉：中国地

质大学出版社

Miyashiro,A.,1973,变质作用与变质带。周云生译，1979,北京,地质出版社

Passchier,C.W.,Meyrs,J.S.,Kroner,A.,1990,高级片麻岩区野外地质工作方法。朱

志澄、张家声、游振东译，1992,北京：地质出版社

参考资料Vernon,R.H.,1976,变质反应与显微构造。游振东、王仁民等译，1988,北京：地

质出版社

Winkler,H.G.F.,1976,变质岩成因。张旗、周云生译，198(),北京，科学出版社

Arzi,A.A.,1978,Criticalphenomenaintherheologyofpartiallymeltedrocks.

Tectonophys.»44:173—184

Best,M.G.,1982,IgneousandMetamorphicPetralogy,W.H.Freeman&Company,

NewYork:529—558

Blatt,H.AndTracy,R.J.,1995,PetrologyIgneous,Sedimentary,andMetamorphic.

SecondEdition,W.H.FreemanandCompany,NewYork.

教学内容及过程

第二章变质反应

变质反应的类型

变质反应的概念:岩石在变质过程中最主要的变化是矿物成分的变化，而矿物成分变

化都是通过特定的化学反应实现的。这种发生在变质作用条件下的化学反应称作变质反应

分类:参与反应的物相种类反应物与生成物关系

固-固反应连续反应

有流体相参加的反应不连续反应

书写变质反应方程式原则

♦高温矿物组合写在右侧，低温矿物组合写在左侧

♦正向反应：升温过程从左至右的反应

♦逆向反应：降温过程自右至左的反应

水化反应VS脱水反应？

脱碳酸反应VS碳酸化反应？

化学反应在平衡时的基本热力学方程是：

d（△0=0=/侬——7

式中：/G为反应的吉布斯自由能的变化；

4S为反应的牖变；

为反应的摩尔体积变化。

Clausius-Clapeyron方程

dP/dl^AS/AV

dP/dT为尸7图解上的反应曲线斜率

♦固体-固体的反应

♦特点:

反应物与生成物均为固体

受温度、压力控制-温压指示计

P-T图解为直线

Clausius-Clapeyron方程

dP/dT^AS/AV

dP/dT为P7图解上的反应曲线斜率

★类型:

1.同质多相变体的转变-多形转变

化学组成相同的固体，在不同的热力学条件下，常会形成晶体结构不同的同质异构体,

这种现象叫同质多晶或同质多相现象。

同质多相变体的转变-多形转变

实例：红柱石（And）蓝晶石（Ky）夕线石（Sil）

ALSiOs（红柱石）=Al2SiO6（矽线石）

Ky=And；Ky=Sil；And=Sil

VAnd=51.5；VSil=49.90；VK,=44.09；

」6

cud«

d

aL29

)

)a

①m

s

」s

na

a8l

d

CDw

①

d一

200400600800

500600700800

Temperature℃Temperature℃

2.固溶体的出溶

出溶：高温时固溶体矿物为均一的一相，当温度降低到固溶体分解曲线之下，就会分

解为成分不同的两相。出溶的两相往往呈页片状、条纹状交生体，也可最终分解为两个矿

物单晶。变质岩中常见的条纹长石、具斜方辉石页片的单斜辉石及晕长石都是固溶体出溶

结果。

3.矿物有序状态的转变

长石中的Al-Si、某些铁镁矿物中的Mg-Fe、高镁方解石和白云石中的Ca-Mg均存在

占位有序度。

4.纯固相之间的反应

反应物和生成物是化学成分不同的纯固相矿物

例：NaAlSizOe+SiOz=NaAlSisOs

Jd（硬玉）QAb

该反应有较平缓的正斜率，是较好的地质压力计:矿物组合Jd+Q的出现是高压的标志。

有流体相存在的反应

这类反应有流体相的参加，变质反应中起重要作用的流体相主要是上0、CO?、02o其

控制因素除了T、尸外，体系的流体相的屈20、施、治等起着重要的作用。一般不是良好

的温压指示计。△$、都明显受尸、7的影响，△产不是一个常数，所以，在尸7

图解上，有流体相参加的反应是斜率不断变化的曲线。

类型:Greenwood（1967）

1.简单的脱水反应

标准式为B=D+HzO平衡温度随着％2。增加而增高，当％20=1时平衡温度最高。

2.简单的脱碳酸反应

标准式为B=D+CO2平衡温度随着热增加而增高，当及＞2=1时平衡温度最高。

3.脱水-脱碳酸反应

含泥的碳酸盐岩及含碳酸盐矿物的其它成分的岩石常发生的矿物相变化

标准式为B=D+H2O+CO2

Fx平衡曲线为上凸形。当&02=出2/（如。+出2）时平衡温度最高。

4.碳酸盐化-脱水反应

标准式为B+C02=D+H20

尸x平衡曲线为S形。平衡温度随扁。增加而增加，施0=1时平衡温度最高

5.水化-脱碳酸反应

标准式为B+H2O=D+CO2

平衡曲线为反S形。平衡温度随左增加而增加，%。2=1时平衡温度最高

★类型-本教材:

1.脱水反应

含水矿物常发生的矿物相变化

例：AkSiOo（OH）2=Al2Si05+3Si02+H20

PrL（叶腊石）And（红柱石）

平衡温度随着晶。增加而增高，JH20=1时平衡温度最高。

KAbEAlSisOio]（O^z+SiOz-KAlSisOs+ALSiOs+HsO

MS（白云母）QOr（正长石）Ais（铝硅酸盐）

中级变质组合高级变质组合

高级变质与中级变质的临界反应

。8

。6

o4

O2

478

0050060000IX)

2.脱碳酸反应

含碳酸盐质岩石常发生的矿物相变化

例：CaCOs+Si（）2=CaSiO3+CO2

CcWo（硅灰石）

平衡温度随着左增加而增高，笈02=1时平衡温度最高。中级变质与高级变质的

临界反应

低级变质与中级变质的临界反应

例：CaMg（C03）2+2Si02=CaMgSi206+2C02

DolDi（透灰石）

0.3

s2

w

d

s

d

d—

OJ

200400t600800200400t600800

Cc+Q=Wo+C02（实线）和Dol+Q=Di+C02（虚线）的尸-T-JT图

3.脱水和脱碳酸的反应

是含钙变质岩的常见反应，也是低级变质与中级变质的临界反应。

Ca2Mg5SisO22（OH）2+3CaC0s+Si02=5CaMgSi3O6+3CO2+H2O

Tr（透闪石）CcQDi（透辉石）

当％。2=W（zh2o+ao2）=?时平衡温度最高。

S4

(3

BOS.

Dd

dy

du2

1

0

300400500600700300400500600

反应Tr+3Cc+Q=5Di+3cO2+H2O的尸-7-才图（左）和片0.2GPa下的T-X图（右）

3.氧化-还原反应

含有变价元素的矿物存在，因治的变化发生的变质反应

6Fe2（）3=4Fe304+02

赤铁矿磁铁矿

2Fe304+3Si02=3Fe2siO4+O2

磁铁矿铁橄榄石

连续反应和不连续反应

不连续反应：反应物和生成物之间的关系是突变的，在给定压力和流体成分条件下，

反应在一个特定的温度发生。在尸■?,P-X,万X等双变量图解上反应物、生成物只能在单

变反应线上共生。偏离了平衡条件，不是反应物消失（生成物稳定）就是反应物稳定（生

成物消失），这样的反应称为不连续反应。

3（Fe,Mg）AbSiOs（OH）2+3（Fe,Mg）3A12Si302+21Al2Si05=6（Fe,Mg）2Al◎[SiOj,（OH）2+19Si（）2

Cid（硬绿泥石）Gt（石榴石）Ais（红柱石）St（十字石）

连续反应：成分可变的固溶体，反应物与生成物之间的关系是渐变的，在给定压力和

流体成分条件下，反应在一个温度范围内连续发生。在〜7、4X、尸才等双变量图解上，

反应物和生成物在双变反应区内共存。在双变区中，成分不断调整，反应的P-T条件取决

于岩石成分。这样反应称为连续反应或滑动反应。

Crd+Alm|

700℃

700800

/<,C>

3(Mg,Fe)2ALSi50i8=2(Mg,Fe)3Al2Si30l2+4Al2Si05+5Si02

Crd（堇青石）Gt（石榴石）Sil（矽线石）

二、变质因素对变质反应的制约

1.温度：温度升高有利于吸热反应的进行，也有利于脱流体相反应的进行，更有利于

自由能较高的矿物组合的稳定，温度升高还可以大大提高变质反应的速率。

温度不是孤立的对变质作用起影响，而是同其他变质因素一起控制着变质反应的进

行。例如，流体相的存在就是十分重要的条件。如果没有流体相的存在，即使温度很高，

变质反应也很难进行，就是能进行，反应的速率也很缓慢。

2.负荷压力（乙）：总体说，压力增加有利于生成摩尔体积小的矿物组合，不利于脱流

体相反应的进行。对于具体变质反应平衡温度的影响，视反应在P-T双变图上的斜率不同，

作用是不一样的。

在P-7图解上，单变反应的斜率dP/dT正值，P增大，会使反应的平衡温度升高；

相反，dP/d7为负值时，P增大会降低反应的平衡温度。

3.流体压力：流体压力a与Pi的关系在变质作用中情况复杂

当尸产Pi时，R并不独立起作用，对变质反应的效应同在开放体系中Pi,

在高级变质条件下部分融熔的发生，消耗了一部分流体相，也会出现4<Pi,此时，对

于脱流体相反应则会大大有利。使反应的平衡温度降低，甚至会使反应由正斜率变为负斜

率。

Wall和Essene计算了叶腊石分解反应：

Al2SiAo（OH）2=Al2SiO5+3SiO2+H2O

Prl（叶腊石）Ky（蓝晶石）

当q2o/R,分别为1.0,0.5,0.1时单变线在2-7图上的位置。当出现局部流体相

的构造超压时，R>R,此时，一般不利于脱流体反应的进行，会使反应的平衡温度升

高。

4.流体相组成

如流体相是压0和CO2的混合相，此时商20或&02的大小，也是控制脱压0及脱C02反应

的独立变量。例如，当硅质石灰岩受热变质时，会发生反应：

CaCOa+Si02=CaSiO3+CO2

格林伍德（1967）曾对这一反应在不同的也值时在P-T图上单变线的位置作过研究，

当&2由0-*1时，在0.IGPa的总压力下，平衡温度提高了250℃,在压力为0.2GPa时,

平衡温度提高了350°C。

5.氧逸度

意对含变价元素矿物的变质反应效应最显著，对含H20的变质反应的效应也很重要。

对含为0的化学反应，当叁增加时，使氧化矿物稳定。为保持益值不变，02就要不

断补充。。2最大的来源是H20的分解。为保持施就要使含H20的矿物脱水，因此，在氧化

反应进行时，若施的增大，会导致促进脱水反应的进行。

三、变质结晶作用的动力学基本概念

1.成核速率（N）：单位体积中、单位时间内形成的新矿物相的晶核数目。N=dn/dt

成核作用可分均态成核和非均态成核两种。

均态成核作用在均匀介质中进行，在整体介质中成核的可能性相同,N=D0exp（-EA/KT）。

式中：其中D。为速率常数，取为成核激活能，相当于成核作用消耗的体系的吉布斯

函数改变值K是波尔兹曼常数，T是开尔文温度

非均态成核作用，在异相界面上发生，即只在有利的介质中进行，例如颗粒界面和裂

隙处、气液包裹体界面上，外来杂质的加入等。其各相成核的机率是不相同的，其成核速

率的影响因素就更复杂，主要有应力的作用、晶体颗粒界面的形态、晶体内部缺陷的状态、

杂质的种类及多少等因素。

2.晶体生长速率（G）；单位时间内晶体粒度的增加。G=dr/dt

变质结晶过程中T、t及晶体粒度可综合考虑。

成核速率开始随温度按指数率增加，然后按指数率随温度增加而减小。

只要超过某一“临界温度”，晶体粒度随时间而增加。只要超过某一“临界温度”，晶

体生长速率随温度而增加。

3.固相反应机理

固相反应的特点-在较低的7下，固体中质点也可能扩散迁移并且扩散的速度随温度

的升高以指数率增长。固相之间可以进行反应，在界面上生成新相的厚度（x）与反应时

间（力成正比关系。

x=klnt+c

其中:女为积分常数，c为厚度常数

泰曼认为：固态物质间的反应是直接进行的，气相或液相没有或不起重要作用；固相

反应开始的温度远低于反应物的熔融或体系的低共熔温度；当反应物之一存在多形转变

时，则转变温度也是反应开始明显加快的温度。

相界面上的化学反应一般经历三个过程：

第一、反应物之间的混合接触并产生表面效应。第二、化学反应，并形成新相的晶核。

第三、晶核逐渐长大，但结构上仍是不完整的具有很多缺陷，随着温度升高，这些晶

格缺陷得到校正和调整而最终导致新矿物相的形成。

作业布置

1.为什么固-固反应是较好的地质温度计？

2.为什么说与脱碳酸反应相比，脱水反应是较好的地质温度计？

3.说明连续反应的特点？

4.为什么当施。=0时，在P-T图解上脱水反应一般是负斜率的直线？

课后小结

课题第三章共生分析和变质相

学时2学时

1掌握共生分析的基本原理；

2掌握成分-共生分析的思路；

3掌握封闭体系的矿物相率；

教学目标4了解开放体系的矿物相率；

与要求5掌握ACF图、A'KF图的编绘过程；

6了解AFM图的编绘过程；

7掌握ACF、A'KF的计算公式；

8掌握变质相的内涵，及变质相带的划分方法；

1共生组分分析的基本原理；

2成分-共生分析的基本思路；

3ACF图的编制方法；

重点

4A，KF图的编制方法；

5变质相的概念及内涵；

6变质相的划分及名称；

1成分-共生分析的思路；

2共生分析的原理

难点3ACF,A'KF图的编制方法

4变质相的内涵

1多媒体演示，用大量照片展开分析，提出问题，解决问题

教学方法2设问式教学，先提出问题，再根据学生回答情况解释和讲解

与手段

England,P.C.andThompson,A.B.,1984,Pressure-Temperature-timepathsof

regionalmetamorphismI.Heattransferduringtheevolutionofregionsofthickened

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教学内容及过程

第三章共生分析和变质相

一、共生分析的原理

1.吉布斯相率：从热力学角度看，一个天然结晶岩石就是一个复杂的非均匀系统。对

绝大多数变质岩而言，其热峰条件下形成的矿物组合往往非常接近化学平衡，这使得岩石

矿物组合（相）与岩石化学成分（组分）和物理化学条件（自由度）之间的关系应服从吉

布斯相律。

吉布斯相律：在平衡体系中相的数目P、自由度f和组分数C有如下关系：

p+f=c+2

式中：P为平衡共生相的数目，岩石系统的相数等于该系统共生组合中矿物数。

f为自由度数，即相平衡系统内能在一定范围内独立改变而不引起相的种类和

数目发生改变的独立变量数。

c为组分数，即描述系统各相组成所需独立物质的最小数目。

c、p、f是相平衡系统的重要性质和特征，常以其划分系统类型。如一元系（c=l）、

二元系（c=2）,三元系（c=3）；零变系（f=0）、单变系（f=l）、双变系（f=2）一元三相系（c=L

最大相数为3）,三元五相系（c=3,最大相数为5）。

例1：CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2为二元四相

该平衡系统P=4。但用CaO、SiOz、CO2三物质足以描述系统全部四相组成，所以c=3,

是一个三元系。f=c+2-4=l,系统是单变的。即该反应是一个单变反应。即温度、压力两

个变量，只有一个能独立改变，另一个不是不能改变，否则将会引起相的种类和数目的变

化。

例2：ALSiOs系（红柱石，蓝晶石，矽线石）

这是一个一元三相系，c=l（AlzSiOs）o

若f=0,则p=3,这点上红柱石，蓝晶石，矽线石三相共生通常称该点为零变点。

若f=l,则p=2,这是三条线上的情况，两相共生，通常称这些线为单变线。

若f=2,则p=L这是图中三条线所限定的三个区的情况，在三个区中，均仅有一相,

稳定自由度为2,即温度，压力均可在一定范围内独立改变而不至于引起相的变化。通常

称这些区域为双变区。

2.共生分析的基本思路

从研究变质岩矿物共生组合特征及其变化规律出发，应用相律，可以分析矿物组合与

岩石化学成分和物化条件的关系（共生分析）o这是变质岩石学研究的基本方法。

①封闭系统的Goldschmidt矿物相律

在封闭条件下岩石系统达平衡时服从Gibbs相律由于变质作用常常是在一定温度和压

力区间内进行并达平衡的，必定至少有两个自由度，即©2。由吉布斯相律公式可得：4c

+2—因此，pWc

Goldschmidt矿物相律：在一定温度、压力范围内平衡的矿物相数不大于该岩石系统

的独立组分数。它是Gibbs相律的地质学形式。

例如：AUh-SiOz二元系，可出现的矿物很多：刚玉、多铝红柱石、红柱石、蓝晶石、

夕线石、石英、£-石英、鳞石英、方石英、柯石英、斯石英等。但由于c=2,所以p

《2。即在平衡条件下，不太可能有三、四矿物组合，更不可能有4个以上的矿物共生。

注意：Goldschmidt矿物相律描述的是P-T图解上双变区内或变质地体的变质带内的

矿物共生规律。而P-T图解的单变线上或变质地体等变线上出现的矿物相数要比矿物相律

允许的相数多1.

②开放系统的Korzhenskii矿物相律

1.局部平衡-交代系统的每个极小局部，P、T、组分化学位等变量是固定的，当这些

数值不随时间改变则可建立平衡

2.组分活动差异性

C=Ci+c.

C一组分数，Ci—惰性组分数，一活动组分数。

3.活动组分化学位与温、压力一样，是可变的。

f?cm+2因此：p<ci

在温度、压力和活动组分化学位的一定范围内能稳定平衡共存于一开放系统的矿物相

数等于或小于惰性组分数，而与活动组分无关。

应用：交代分带现象

二、矿物组合与共生分析

确定矿物共生组合是共生分析的第一步，因为这是应用相律的先决条件。然而，由于

不能排除天然变质岩系统存在不平衡状态，又由于在由沉积岩变来的变质岩中，在小范围

内，化学成分亦可能有变化，因此，在一块变质岩标本中，甚至一块薄片范围内见到的所

有矿物有可能属几个共生组合。必须根据详细的岩石学观察，正确判断矿物共生组合

标志1：只有相互接触的矿物才可以看作是一个矿物共生组合。

标志2：一个矿物共生组合的各矿物，相互间无反应和交代现象

标志3：一个矿物共生组合中，同种矿物的化学成分及光性常数特征应相近，如有环

带，则其边部化学成分及光性特征近似。

标志4：一个矿物共生组合中的一对矿物之间元素的分配符合Nernst分配定律，即

各处元素的分配系数近相等

标志5：矿物共生组合中矿物共生关系应符合矿物相律，矿物相数不超过惰性组分数。

标准1是一定的化学成分的标志。由于原岩化学成分不均匀，一个薄片中可出现几个矿物

组合。此时可据标准1将它们区分开来。

若以三组分为三角形顶点，则七个矿物按化学组成可分别标在相应位置上，纯组分矿

物表示在三角形三个顶点上（A,B,C）,两组分组成的矿物表示在三角形的三条边上（D,E,F）,

三组分组成的矿物表示在三角形内部。

①若任意一组成位于连接三矿物的小三角形内（如i）,达平衡时，为三相共生

（A+D+E）,即p=3；这时，不可能有G,因为A+G=D+E。

②若成分点位于共生线上（如j）,则平衡时为两矿物共生（F+C）,p=2；这时，

不可能有B,因为B+C=F。

③若成分点恰位于某矿物投影点，则平衡时仅一相存在，p=L如a组成，平衡时仅

一相。

大多数变质矿物是具有相当大成分范围的固溶体（A、B、E、F、G）,它们在成分-共

生图解中以线段（两组分固溶体，如A、E）或面积（三组分固溶体，如B、F、G）表示。

当岩石成分点位于矿物成分点、线段或面积中时，相数为1,当岩石成分点落在一条

共生线上时，两相共生，当三相共生时，共生关系以图解中一个一定的小三角形表示。

1.成分-共生图解

成分-共生图解：如果一个岩石系统由三组分组成，根据Godlschmidt矿物相律，在

普遍观察到的组合中，矿物数应是3、2或1,这意味着当这种岩石的矿物成分用一个三顶

点为三组分的三角图解表示时，把该图解分成一系列小三角形就能直观地表示矿物共生关

系，这种图解共生图解

①组分分析：绝大多数变质岩具有复杂的化学组成，是一个多相平衡系统，而不是

简单的三元系。然而，在一个二维的平面上，我们只能表示最多三四个组分的系统的矿物

共生关系。因此，为了对成分复杂的岩石作共生分析，有必要对岩石系统各组分作具体分

析，找出对矿物共生组合影响最大的三、四个组分把多组分岩石系统简化为三组分或四组

分系统，才有可能作出成分-共生图解，表示岩石化学成分与矿物组合的关系，这一过程

叫做组分分析。

组分分析思路：

★微量组分：如SrO>BaO、CuO、NiO……等，它们一般不形成独立的矿物，不影

响矿物共生，因而在共生分析时可不考虑。

★副矿物：如磁铁矿、钛铁矿、楣石、金红石、钻石、磷灰石和硫化物等。由于成

分-共生图解目的主要在于说明较多量矿物的共生，因此对这些副矿物和其中所含

的TiCh、ZrO、P2O5和S共生分析时也可不考虑。

★完全活动组分：该类组分在间隙溶液中的浓度或化学位与T、P一样是岩石系统的

外部条件。成分一共生图解表示的是一定外部条件下的矿物组合。所以，外部条

件在图解中不表示。当外部条件改变引起矿物组合的变化时，用新的图解表示新

条件下的新的一套矿物组合。

★通常的变质岩，只要考虑SiO2,AI2O3、Fe2（h、FeO、MnO、MgO、CaO>Na2O,

这个氧化物。

K2O,co2,H2On

这u个组分，按其化学特征和对矿物共生的影响，可分为：过剩、类质同象和有

效独立组分。

过剩组分:原岩中大量存在的组分。通常在参与形成其它共生矿物之后能以过剩状态

形成单独的矿物相（过剩矿物）。出现于该类岩石的共生组合之中。过剩组分含量多少，只

会影响过剩矿物含量多少，而不影响岩石的其它矿物共生。因此，作共生图解时可不考虑

过剩组分。而把过剩矿物放在共生图解之外。

类质同象组分:是互成类质同象替换的组分，它们的相对含量一般可在一定范围内变

化而不致于影响其它矿物的共生关系。在共生分析时，可将互成类质同象代替的组分合并

为一个独立组分。

如：由于Al3+==Fe3+,Fe2+==Mg2+==Mn2+的类质同象置换关系，可将它们合并为

（Fe,Mg,Mn）O,（Al,Fe）2O3>分别作为一个独立组分。

有效独立组分:除上述几类组分之外的其它组分（包括由类质同象组分合并的独立组

分）。它们之间的比例对矿物共生组合起决定性的作用。

矿物共生组合中出现的矿物数目与完全活动组分、微量组分、次要的类质同象组分无

关。在不考虑副矿物情况下，矿物共生组合中矿物最大数目等于有效独立组分数加上过剩

组分数之和。但过剩组分多少不改变矿物共生，决定矿物共生组合多样性的是有效独立组

分。因此，以有效独立组分为顶点作出的成分-共生图解可以表示系统的矿物共生关系。

三、成分-共生图解

Eskola（1915）设计ACk图以表示成分范围广泛的含石英变质岩（包括泥质、长英质、

基性、钙质、镁质）的矿物共生。

1.含石英变质岩的组分分析

对普通的含石英变质岩，不考虑微量组分和孤立组分，通常包括SiCh、AI2O3、Fe2O3,

FeO、MnO、MgO、CaO、Na2O,K2O,CO2,氏。等11个组分，这些组分按其化学特

征和对矿物共生的影响可分为：

完全活动组分:H2O.CO,（Eskola把它们处理为过剩组分）。共生图解中不予考虑。

过剩组分:SiO2共生图解中不予考虑，把过剩矿物Q放在图解之外。

类质同象组分:岩石中存在两种类质同象。一类是AI2O3与Fe2O3类质同象和FeO、

MnO、MgO类质同象，它们普遍出现在造岩矿物中，因而将它们合并处理为两个独立组

分：（Al,Fe）2（）3和（Fe,Mg,Mn）O；另一类是Na?O与CaO类质同象，仅出现在斜长石中

而不出现在其他含钙矿物中。因此不能将它们合并。Eskola的处理办法是：由于Na2。只

在斜长石中作为CaO的类质同象组分出现，其含量多少有无只影响斜长石号码，而不会

增加或减少一个矿物相。因此，Na2O不是独立组分，可不予以考虑，把钠长石放在图解

之外。

有效惰性组分:经过上述组分分析后，得出4个有效惰性组分,（Al,Fe）2O3>CaO、K2O,

（Fe,Mg,Mn）Oo为了把组分数减至3,以便于图解表示，Eskola把K?O作为过剩组分，不

予以考虑，把钾长石放在图解之外。这样一来，使得该图解出现一个明显的缺点：区分不

了低温下泥质变质岩中K2O过剩与K2O不足的两类组合。

2.AC尸图编制

Eskola将上述三个有效惰性组分为顶点的成分-共生图解命名为ACF图。其中：

A=[Al2O3]+[Fe2O3]

C=[CaO]

F=[FeO]+[MgO]+[MnO]

A+C+F=100.

在三角形图解上，按矿物组成的ACF比值标绘矿物后，按矿物的实际共生关系连接

共生线即完成了ACF图解，

ACF图能表示较多的重要硅酸盐矿物,但K和Na的硅酸盐和二氧化硅不饱和的硅酸

盐除外。ACF图表明：在一定温度压力条件下形成并达内部平衡的岩石，其矿物共生组合

取决于原岩的总化学组成，并随着原岩的总化学组成的变化呈现有规律的变化。

将矿物化学式写成氧化物形式，易于计算矿物的ACF值，从而便于标绘矿物。

（红柱石）

AndAl2O3SiO24=100

Crd（堇青石）2(Mg,Fe)O-2Al2Oy5SiO2A=50,F=50

（钙长石）