变质作用第二讲

在错断带和退变质地带，应力常常是导致变质反应 的工兵，并为裂隙溶液的循环打开通道，促进重结晶 作用和交代作用。 在地壳较深部，因温度较高，负荷压力较大，岩石 具有塑性，此时应力可通过岩石的塑性变形而被释放， 所以它们就不可能起附加压力的作用。 近来的地质观察和实验研究都表明它们不是变质反 应的物化平衡因素，所以一般情况下，也不是形成任 何变质矿物的必要条件。
2）俯冲带变质作用 ’ 产生于板块的俯冲带中，既可产生于海洋板块的 俯冲带中(如日本三波川)，又可产生于大陆板块的俯 冲带中(如中国祁连山)。形成蓝闪石—硬柱石片岩相 和其他绿片岩相。为高压低温环境，属于高压相系。 一般压力为0．5—1．2GPa，温度为250—350℃。 3）区域低温动力变质作用 这一类型常为大面积或带状分布的单相绿片岩相 变质地带。它是强应力和低温条件下形成具有劈理和 片理的低级变质岩系。它往往与构造作用紧密相关， 主要见于不同时期造山带地区 4）区域动力热流变质作用 它以出现递增变质带为特征。有明显的变形作用。 构造环境以克拉通内裂谷为主，如辽宁的辽河岩群和 山西的五台岩群均属此类。
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一 变质作用的概念 二 变质作用的外部因素 三 变质作用的方式 四 变质作用的类型
本章主要解决问题：
1.什么是变质作用？
2.变质作用的类型
3.为什么要发生变质作用
4.变质作用通过那些方式进行
一、变质作用（metamorphism）概念 在地壳形成和发展、演化过程中，早先 形成的岩石（包括岩浆岩、沉积岩以及先存 的变质岩）在固态条件下，矿物成分和结构、 构造发生一系列的改变，这种由地球内动力 作用促使岩石发生矿物成分和结构构造变化 的过程称为变质作用。
1.2 未发现 0.8
P(Gpa)
热 地 盾 热 地 地 洋 大 区域变质作用
碎裂变质作用 深埋变质作用
线 融 熔 的 融线 岩 武 岩熔 玄 花岗 水的 饱和
0.4
0
成岩作用 100
接触变质作用 500 T( C)
O
1000 1100
二、变质作用的类型
根据变质作用的地质环境和条件及主要因 素，可以分出七大类型： （1）区域变质作用； （2）混合岩化作用； （3）动力变质作用； （4）接触变质作用； （5）气-液变质作用； （6）洋底变质作用； （7）冲击变质作用等。
流体压力的大小将取决 于在地壳中所处的深度。
粒间流体压力升高， 不利于脱碳反应，导致 变质反应的温度增加。
原岩含H2O不足时，又 可能会出现流体压力小 于负荷压力的状况，会 大大有利于脱水和脱碳 酸反应的进行； 相反，粒间流体压力 升高，不利于脱碳反应， 导致变质反应的温度增 加 。
方解石+石英==硅灰石+二氧化碳
一般变质作用的温度 范用介于150一900℃ 之间，引起温度升温 的原因很多: 最重要的是地热异常;
温度为什么会升高呢? 来自高温岩桨活动的岩 浆热; 在各地下均匀分布的放 射性元素蜕变引起的放射 热; 地幔深部熔融体的重力 分异； 强烈的断裂带或其他构 造变形引起的摩擦热等， 都对变质温度起不同程度 的影响。
在地壳深部高级变质岩发育区，由于 温度，压力进一步升高，又有流体存在， 一些变质岩能熔融产生相当数量的花岗质 熔体，这种现象称为深熔作用。
6．洋底变质作用
指洋中脊附近，由于洋壳两侧不断扩 张，深部热流上升，加热了洋壳的岩石及 其中的海水，使洋壳岩石在上升热流和热 卤水作用下发生变质。
7．冲击变质作用 是陨石冲击地表时，在强大冲击波影响下， 压力突然增高，温度聚增引起陨石坑内外岩石 发生变质。典型的冲击变质岩为陨击角砾岩， 是一种基质呈似熔岩外貌的角砾岩。
变质反应的因素可分为两类： 一类是内部因素（内因）:指原岩的成 分、结构构造及岩石组合特征； 另一类是外部因素（外因）亦即地质 因素:指温度、 压力、具化学活动性的 流体和时间。 决定变质岩矿物和组构特征的直接控 制因素则是变质作用当时的物化条件， 其中主要是温度、压力、具化学活动性 的流体和时间等因素。
它们在较高的温度和压力条件下，成超临 界状态，具有较大活动性； 在较低温条件下，则成一般的热液，称为 变质热液； 它们既可存在于矿物粒隙之间，称为间隙 溶液，也可填充在裂隙中，成能自由流动 的裂隙溶液。
它们所起的作用主要有以下几个方面： 1）流体溶液可以起溶剂作用； 2）水化和脱水反应是很重要的变质反应；
变质作用发生于一定的温度和压力范围， 通常是T=200-800℃，P=0.02-1.5GPa。此温度范 围大致位于成岩后生作用和岩浆作用之间，压 力范围表明它要求处于地壳一定深处，即风化 带之下。 但近年来在变质岩中柯石英、微粒金刚石 及多种矿物出溶结构的发现表明，变质作用已 不局限于地壳范围，压力也已远远超出1.5GPa。
3）应力 应力是一种定向压力，常和地壳活动带 的构造运动有关，在一个地区的出现常具有 阶段性，其强度在空间上也变化很大，且只 对固态岩层起作用。一般应力在地壳浅部较 强，至深部则减弱。
据党亚民（2009）研究，地壳中构造应力与密度 异常有关，在密度异常变化较大的地区,构造应力的 变化也较大,密度异常可能是构造运动的主因;如密 度异常不变,构造应力随深度的增加而增加;在20 km 以下构造应力为张应力,约为100-150MPa。因此，地 壳浅部以压应力为强，深部以张应力为强。
5）区域中高温变质作用 一般产于太古宙克拉通内，是地壳演化早 期所特有的一种变质作用类型。形成角闪岩相 或麻粒岩相的单相变质作用。一般不能划分递 增变质带。地热梯度较高，一般为中压型和低 压型，亦有高压相型。 6）断陷变质作用 这种类型是指已稳定的克拉通内部出现断 陷地堑，它们规模不大，被陆相或海相沉积— 火山岩系所充填，由于埋藏深度或局部热流值 上升的作用，使沉积物或火山岩系发生了低绿 片岩相的变质作用。
2．动力变成作用
是在构造运动产生的定向压力的作用 下，使岩石发生破碎、变形和重结晶而使 结构、构造或有矿物成分上的转变的一种 变质作用。 3．接触变质作用 岩浆侵入到地壳的上 部层位，由于岩浆的 高温和从岩浆中分出 溶液的影响而引起岩 石发生变质的作用。
4、气-液变质作用
来自于岩浆的挥发份或地壳中区域性 分布的热水溶液对岩石进行交代而使岩石 发生变质的一种作用称为气-液变质作用， 这种变质作用的主要影响因素是化学活动 性流体和温度。 5．混合岩化作用
100
风化-沉积
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
T C
2 4 P 6 8 10
成岩后生作用
热接触变质作用

60 C/K m
自然界没有发生这种情况
埋藏变质作用
区域变质作用
千巴
图 1-2 变质作用和成岩后生作用、深熔作用的温度、 压力范围示意图
开始深熔作用
/Km C 7
深熔作用
三、变质反应的主要外部因素 变质作用是自然界的一种内动力地质作 用。地壳中已有岩石变质的原因，从根本上 来说，是地壳发展一定阶段一定地区的地质 环境所决定，并和岩浆活动、构造运动或复 杂的深成作用相联系。 而变质反应则是发生在这一背景下，形 成变质岩方式之一。
应力是变形、变质作用的重要因素，主要表现 为对岩石和矿物进行机械改造。 地壳浅部岩石的变形，板状流劈理、片理和碎 裂构造的形成显然都和应力直接有关。 区域变质岩中结晶片理的成因是通过组份的差异 性运动形成定向组构， 应力还能通过多种途径增加变质反应和重结晶作 用的速度，促进这些化学反应的进行，尤其在较低 温坏境中，它的影响更为明显。 应力是一个影响矿物平衡的独立因素，在应力作 用下，晶格变形、位错、碎粒化和表面能的增加等 对固相反应起催化的作用。
3、具化学活动性的流体 （1）以水为主的流体
岩石是保持完整的固态，但其中常存在少量流体 相，一般其总量不超过1-2％，且随原岩变质程度的 加强而减少。 流体相的成分以水和 CO2为主，在变质作用的温压 条件下，岩石中的某些组分如K、Na、Si、Mg、Al、 Fe 、 Cl 、 F 、 S 等也可溶解到流体相中作为流体相的 组成部分。 研究表明，流体的成分与变质母岩的成分和变质 程度有关。
0 10 50
2、压力 岩石的变质作用通常是在一定的压力 状态下进行的，这种压力根据其物理性质 可分为二类：静压力和应力。其中静压力 又可分为：流体压力和负荷压力，
1）负荷压力--是指各个方向相等的围压，岩 石在地壳一定深度所承受的上覆岩层的重力。并 随深度而增加，近于上覆岩层的重量。 在离地表0一40公里范围内，根据岩层的平均 密度计算，每加深一公里，负荷压力平均增加 0.275kb，一般负荷压力随深度大约以（0.250.3）Kb/Km的速率而增加。其数值主要取决于岩 石在地壳中所处的深度，负荷压力与不同地区上 覆岩石密度和深度成相关。变质作用的压力范围 一般为0.2-15Kb（0.02-1.5GPa） 。
负荷压力对变质反应的主要作用是有利于 生成分子体积较小的矿物组合； 镁橄榄石+钙长石 石榴石 43.9 101.1 121
静压力还可使吸热变质反应的温度升高。
2）粒间流体压力 一般来说，任何岩石在变质前早已多多 少少地含有一定量的流体，变质作用一旦 开始，它们便被释放出来，它们充填于毛 细孔和微裂隙中，不完全被颗粒所吸附， 成为一个独立的相，具 有一定的流体压力。
粒间流体压力加大可促进岩石颗粒的重结 晶，抑制含结构水的矿物的分解。
当PH2O增大时有利于水化反应，相反有利于 发生脱水反应。
总之，变质作用过程中一般是流体压力 与负荷压力相等，此时流体压力都不是决 定物化平衡的独立因素；当少数情况下两 者不相等时，则流体压力起独立作用，成 为控制脱水和脱碳酸盐化等变质反应的主 要因素。
（2）氧的作用 在变质作用过程中，氧不是流体相的主要组份，但岩石中氧的 活动性（或Po2的大小）和变质矿物组合有很大关系， 当氧的分压（Po2）较高时，岩石中的铁大多数成Fe3+离子， 后者不能大量进入多数铁镁硅酸盐（如黑云母、铁铝榴石、堇 青石等）矿物中，只有磁铁矿、绿帘石和钙铁榴石等少数矿物 可含较大量Fe3+。 当氧的活动性太大时，则富含铁的硅酸盐如绿帘石等也难以 出现，只有磁铁矿、赤铁矿等才是稳定矿物。 近来研究证实流体相中和泥质变质岩中黑云母、白云母、 石榴石和堇青石等矿物的稳定范围及其成分中MgO／FeO比值关 系很大。 当Po2低时，这些矿物会出现较早，且其MgO／FeO比值较低， 即较富含铁； 相反当Po2较高时，则这些矿物出现较晚，且相同P-T条件下， MgO／FeO比值较高，即较富含镁。