变质作用基本概念[详细]

1、变质作用的基本概念,图17-9 P259 1-白云母花岗岩在过量水条件下的固相线 2-白云母花岗岩在过量水条件下的液相线 3-白云母花岗岩在无水添加条件下的固相线 4-白云母花岗岩在无水添加条件下的液相线 5-拉斑玄武岩在过量水条件下的固相线 6-拉斑玄武岩在过量水条件下的液相线 7-拉斑玄武岩在无水添加条件下的固相线 8-拉斑玄武岩在无水添加条件下的液相线,岩浆作用与变质作用的过渡关系,图17-9 P259 1-白云母花岗岩在过量水条件下的固相线 2-白云母花岗岩在过量水条件下的液相线 3-白云母花岗岩在无水添加条件下的固相线 4-白云母花岗岩在无水添加条件下的液相线 5-拉斑玄武岩在过量水

2、条件下的固相线 6-拉斑玄武岩在过量水条件下的液相线 7-拉斑玄武岩在无水添加条件下的固相线 8-拉斑玄武岩在无水添加条件下的液相线,岩浆作用与变质作用的过渡关系,白云母花岗岩在无水添加条件下的固相线,白云母花岗岩在无水添加条件下的液相线,图17-9 P259 可见 ：1）流体的加入可以显著降低部分熔融的起始温度 2）在流体的作用下岩浆作用与变质作用之间的界线将显著 偏向低温方向,岩浆作用与变质作用的过渡关系,白云母花岗岩在过量水条件下的固相线,白云母花岗岩在过量水条件下的液相线,白云母花岗岩在无水添加条件下的固相线,白云母花岗岩在无水添加条件下的液相线,图17-9 P259 可见 ：1）基性

3、岩的部分熔融和完全熔融均难于酸性岩 2）流体作用异常显著地降低了基性岩的熔融温度,岩浆作用与变质作用的过渡关系,拉斑玄武岩在过量水条件下的固相线,拉斑玄武岩在过量水条件下的液相线,拉斑玄武岩在无水添加条件下的固相线,拉斑玄武岩在无水添加条件下的液相线,一、变质作用,定义(definition) 指岩石为适应物理化学条件的变化,在基本保持固态条件下发生的矿物组成,结构构造和化学组成等方面的调整.,* 注意点(points to consider) 1)基本保持固态(subsolidus),但是不排除有少量的流体相(如熔体) 2)变质作用发生时的物化条件不同于地表条件,也不同于地表以下的成岩环境.

4、 3)变质以前的岩石称为原岩(protolith),变质以后的岩石称为变质岩(metamorphic rock),二、变质作用方式,1.变质结晶（metamorphic cryatallization） 2.变形(deformation ) 3.变质分异(metamorphic differentiation ),变质作用的方式 1.变质结晶（metamorphic cryatallization） 2.变形(deformation ) 3.变质分异(metamorphic differentiation ),定义:岩石在变质条件下的结晶作用称变质结晶作用（metamorphic crysta

5、llization）。 重结晶作用(recrystallization) 等化学变质作用：变质前后岩石的总化学成分不发生改变的变质作用 交代作用(metasomatism) 异化学变质作用：变质前后岩石的总化学成分发生改变的变质作用,矿物重新组合 变质反应,11 重结晶作用,重结晶作用（recrystallization）,指岩石在基本保持固体状态下的矿物重新组合和通过化学反应形成新矿物的过程。重结晶前后，岩石总化学成分（除H2O、CO2等挥发分外）保持不变(即岩石为封闭系统)。,只涉及矿物形状、大小、空间位置变化而无新矿物的生成. 重新组合使得同种矿物颗粒粒度增大，相对大小均匀，颗粒外形规则

6、。 在理想的单矿物岩石中，三连点结构，即相邻颗粒间的晶面夹角为120，是结构最稳态的表现，也是化学平衡的表现。,Exp.1 矿物重新组合,Fig.1 辉长岩体周围的变燧石岩中,粒度与距岩体距离之间的关系,Fig.2 含石英大理岩的结构随温度的演化 a.低温下Cc+Q平衡结构； b. 温度超越Cc+Q=Wo+ CO2反应温度时，粒度增大的同时Q与Cc反应，形成Wo反应边。在Wo集合体内有少量Q残留，不平衡结构； c. 反应完全，粒度进一步增大，形成新的高温条件下稳定的矿物组合Cc+Wo和平衡结构,Exp. 2 变质反应,石英,方解石,硅灰石,补充一： 变质反应的基本类型:,固-固反应 有流体参加

7、 的反应,多形转变 固溶体出溶 纯固相之间的反应 (连续反应与不连续反应),H2O,CO2参与的反应 化学活动性流体参与的反应,方解石+ 石英 = 硅灰石 + CO2 白云母 + 石英 = 钾长石 + 夕线石 + H2O,石墨金刚石 石英 柯石英,方解石硅灰石 石英,条纹长石的生成反应,补充二 ：连续反应和不连续反应,根据反应物与生成物之间的关系，变质反应可分为不连续反应和连续反应两类。 不连续反应：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）。 连续反应或滑动反应：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。,硬玉+石英=钠长石,不连续反应,石榴石+

8、 H2O = 绿泥石+ 石英,连续反应,1. 2 交代作用 （metasomatism / replacement）,定义：指固体岩石在化学活动性流体作用下通过组分带入带出而使岩石总化学成分（除H2O、CO2等挥发分外）和矿物成分发生变化的过程。岩石在交代过程中为一开放系统,但系统保持体积不变。,交代作用的方式: 渗透（infiltration）: 组分在压力差驱动下，借助溶液的流动，从压力高处向压力低处迁移。 扩散（diffusion）: 组分在浓度差驱动下，从浓度高处向浓度低处迁移。,二、变质作用方式,1.变质结晶（metamorphic cryatallization） 2.变形(def

9、ormation )： 岩石在应力作用发生形变应变。 3.变质分异(metamorphic differentiation ),形变类型: 弹性变形: 永久变形:,应变在应力施加时立即发生，应力撤消时，岩石立即恢复至原先未变形状态,脆性变形(brittle deforma-tion),塑性变形(plastic deformation),当应变增加并超越弹性极限时岩石产生不可恢复的变形。,晶内塑性变形 晶界塑性变形 恢复作用 动态重结晶作用 静态重结晶作用,直线滑移 双晶 扭折 位错蠕变,压溶 颗粒边界滑移,塑性变形机制,Figure 23-27. Proposed mechanisms for

10、 the development of foliations. After Passchier and Trouw (1996) Microtectonics. Springer-Verlag.,二、变质作用方式,1.变质结晶（metamorphic cryatallization） 2.变形(deformation ) 3.变质分异(metamorphic differentiation )：使原先均匀的岩石发育成分层的变质过程（Raymond, 1995）,变质分异产生成分层的机理主要有下列三种解释,（1）成分层代表扩散反应带 （2）成分层的发育是构造重结晶的结果 （3）成分层是强烈压扁（

11、塑性变形）的结果,变质分异作用实质上是微观尺度的离子扩散。 不同元素离子的迁移能力存在差异，从而导致在空间上元素结合和矿物成核生长能力的差异。 扩散的发生可以发生在: 化学上不相容的两种岩石之间（浓度梯度自发引起) 一个均匀岩石中由于温度梯度产生的粒间溶液中活动组分化学位梯度引起。 局部应力场（如剪切）控制的物质溶解和再沉淀（扩散流动）。,三、变质作用因素,温度（Temperature） 压力（Pressure） 化学活动性流体（active fluids） 时间（time） 原岩性质( bulk composition) 差异应力(deviatoric stress),变质作用,=,复杂化学

12、体系内的物理化学反应+/- 变形,1.温度(T )和压力(P ),1.1 温度（T） 温度升高有利于吸热反应(如脱水反应)，温度降低反应向放热方向进行。 温度升高还可改变岩石的变形行为，从脆性变形向塑性变形转化。 温度升高还会通过脱水反应、脱碳酸反应形成变质热液作为催化剂、搬运剂和热媒介对变质作用施加影响。 温度升高还会导致部分熔融而发生混合岩化。,变质作用温压范围,1.2 压力(P) 压力的标准国际单位为Pa(帕斯卡)、GPa(=109Pa)，地质上也常用bar(巴)和Kbar(=103bar)。它们之间的关系为：1bar=105Pa,1Kbar=0.1GPa.,概念 静水压力(hydros

13、tatic pressure) 负荷压力 (lithostatic pressure) 定向压力 (directed pressure) 流体压力 (fluid pressure),1km厚的岩石柱产生的压力增值估算： 花岗岩：P=2700kg m-39.8m s-21000m =264105Pa=264bar 玄武岩：P=3000kg m-39.8m s-21000m =294105Pa=294bar 橄榄岩：P=3300kg m-39.8m s-21000m =323105Pa=323bar 洋壳（以5km厚计）底部的负荷压力约为0.15GPa。 陆壳的(平均厚度33km计)底部的负荷压力

14、约为1.0GPa。 增厚陆壳(以70-80km计)，底部的负荷压力可达2Gpa左右。,作用于单位岩石的不同压力类型简图,偏应力 平均应力 构造超压 流体超压,超高压 俯冲带或大陆碰撞带及其附近变质的岩石，看来似乎在100km或更深的地幔深度结晶。指示如此超高压（ultrahigh-pressure）条件的矿物是柯石英（Coe）和金刚石（Dia）。它们在约3.0GPa以上的压力下稳定（图17-9）。,2流体成分（x）,变质岩中含H2O矿物（云母、角闪石等）、碳酸盐矿物及这些矿物包裹体的存在，特别是流体包裹体的存在，是变质作用过程中存在流体相的直接证据。 变质作用PT条件通常大于临界点（CP），因

15、此流体相呈超临界状态（super-critical state）。在这种状态下，区分不出流体和气体。,0.05GPa（1）和0.1Gpa（2）下随着温度降低流体不混溶图解,3时间（t）,变质作用时间因素通常从两个角度理解：一是变质作用发生的地质时代，即不同时代变质作用的特点不同，这是由地球发展的方向性和不可逆性决定的；二是一次变质作用自始至终所经历的时间，不同时间变质作用的特点不同，关于这一点下面进一步阐述。,一个基本保持固体状态下的转变过程 岩石是如何在这种状态下实现矿物成分、结构构造甚至化学成分变化的呢？这就是变质作用机制问题。与岩浆作用、沉积作用相比，变质作用机制较复杂多样，主要包括变质

16、结晶、变形和变质分异等3类。此外，在高级变质中还可出现部分熔融，在埋藏变质中甚至可出现压实作用，它们主要分属于岩浆作用和沉积作用范畴，故不在此叙述。,三、变质作用P-T-t轨迹,1P-T-t轨迹的概念 2大陆碰撞造山带的P-T-t轨迹 （1）埋藏期： （2）加热期或热松弛期： （3）冷却期：,造山带的变质带剖面（a）和变质作用P-T-t轨迹（b）,3几个有关的基本概念 热峰条件和变质级 野外P-T曲线和变质作用P/T比类型 进变质、递增变质和退变质、退化变质,四、变质作用的地质分类,1局部变质作用 （1）接触热变质作用 （2）动力变质作用 （3）冲击变质作用 （4）交代变质作用,2区域变质作用 （1）造山变质作