变质岩——第01讲变质岩的形成过程(2)_2014全解

（图a）给定Pl=Pf，脱CO2反应的平衡温度随反应释放CO2流体相的摩尔 分数成正比； （图b）给定Pl=Pf=0.3 GPa，脱CO2反应的平衡温度也与反应释放CO2流 体相的摩尔分数成正比；
2. 4 小结

自然界变质流体的主要组分为H2O和CO2， 这两种组分在流体相中的量比，制约着脱水 和脱碳酸反应的平衡温度。总结起来，有 H2O和CO2参加的反应有5个类型（假设体系 中仅存在H2O和CO2两种流体成分）；类型1 和2分别为脱水和脱碳酸反应 类型 3:（脱水-脱碳酸反应）Tmax 对应的 XCO2值取决于反应产生的CO2和H2O的计量 系数比值（xCO2=(nCO2/nH2O），例如(3) 号反应： Ca2Mg5Si8O22(OH)2 + 3 CaCO3 + 2 SiO2 Tr Cal Qtz = 5 CaMgSi2O6 + 3 CO2 + H2O Di Tmax at nCO2:nH2O = 3:1 类型 4和 5的拐点取决于系数比： nCO2:nH2O比
第一讲: 变质岩的形成过程（2） 变质反应与递增变质带
一、概述
二、变质反应类型
三、巴罗递增变质带
本章要求
1. 掌握变质反应类型、表达形式、影响因 素和研究意义；
2. 掌握若干典型变质反应的岩石学意义；
3. 掌握巴罗指示矿物变质带，理解变质反 应的地质表现。
一、概述
1、意义（判断变质过程的矿物演化、估算P-T条件、 预测P-T轨迹演化趋势） 2、变质反应的驱动力（⊿G：0、>0、<0） 3、变质反应图解（p-t、写法，斜率；t-x、p-x） 4、类型划分
(Mg,Fe)3Al2Si3O12 + Ca(Mg,Fe)Si2O6 + SiO2 Grt Cpx Qtz = 4 (Mg,Fe)SiO3 + CaAl2Si2O8 Opx Plag


2. 有流体相参加的反应

反应物或生成物中存在独立的流体相，其正反应（吸 热反应）总称为脱挥发份反应，其逆反应为“XX化 反应”； H2O-CO2 -O体系的变质反应常见，本章只讲H2OCO2 体系的变质反应； 影响因素：Ｐ，Ｔ，Pfi （某种挥发份或流体组分分 压）；


Mg3Si4O10(OH)2 Tlc（滑石）
+
4 MgSiO3 = En（顽火辉石）
Mg7Si8O22(OH)2 Ath（直闪石）

2 Phl (滑石)+ 8 Sil(矽线石) + 7 Qtz(石英) = 2 Ms(白云母) + Crd(堇青石)
1.4 、离子交换反应 （Ionic exchange reactions)

毕，因而反应物与生成物仅在一个温度点上共存；连续反应将在一
个较宽的温度范围内进行，其产物与反应物在含量改变的同时，通 过调整固溶体矿物的元素比值，而在一个较宽的温度范围共存。

连续反应中反应物与生成物共存的温度范围取决于岩石的Mg/Fe比
值，该比值越高，该共存的温度范围越宽。 在野外露头上，不连续反应导致在等变线（ reaction isograd ）两 侧反应物到产物组合的变化是突变的；连续反应则使反应物与产物 在一个较宽的空间内共存。

Mg-Chl + Ms + Qtz Prp + Phl + H2O
Mg-绿泥石
in KFASH or KMASH f = C –P + 2 = 5 –6 + 2 =1
Chl + Ms + Qtz Grt + Bt + H2O
in KFMASH
为C=6，f = 2, 为一连续反应，反应物绿泥石+白云母+石 英和反应产物石榴子石和黑云母在石榴子石等变线开始出 现后的一段温度条件范围内共生。

在给定的温度条件范围内， 绿泥石随温度升高发生反应 ，不断分解和体积减小，生 成的石榴子石和黑云母不断 增多，此外，反应物和生成 物也都不断改变自身的成分 （Fe/(Fe+Mg))，一直到其中 的一个反应物消耗完毕，反 应才终止。
用T-x图解表达连续反应
图22-7 反应3Crd=2Gt+4Sil+5Q的连续反应图解
固-固反应和脱水反应的平衡条件和克劳修斯-克拉贝龙斜率示意图 （据Kurt Rucher &Rodney Grapes, 2011）
1.1 同质多相转变反应（Phase transitions, polymorphic reactions）
常见同质多相：Al2SiO5，CaCO3， C，SiO2等

离子交换反应：某对离子（pared-ions) 在2个或更多的矿物 之间相互交换，虽反应以纯的端员组分形式表征，但实际上仅 涉及离子对（如Mg-Fe）固溶体矿物相之间的交换，并无实质 矿物的增减。离子交换反应单变线在P-T图解上斜率陡，是理 想的地质温度计（Geothermometers）。 MgSiO3 + CaFeSi2O6 = FeSiO3 + CaMgSi2O6（OpxCpx) Mg-Opx
Al2SiO5多型转变反应和 硬玉+石英与钠长石 反应（据Miyashiro, 1994)。 H、R、S点分别为 Holdaway (1971)、 (Richardson et al., 1969) 和Salje (1986) 的平衡温压条件值。
大多数多型转变反应的 DS很小，这导致： 多型晶体之间相互转换的DG小，即使偏离平衡温度数10度也变化不大 因此，自然界共存的两个多型更多代表非平衡或多期变质叠加，而非平衡关系； 反应驱动力小 一个多型常可非稳定地残留在另一个多型的稳定区内； 三相点温压条件：P=0.370.25 GPa, T=504 20 oC（Holdaway,1977） 岩石学意义：红柱石（低压）, 蓝晶石（中-高压）, 矽线石（中-高温）
1.2出溶反应（Exsolution or solvus reactions）
实例：
高温碱性条纹长石 晕长石（Ab-Olg） 高Al斜方（En-Grt） 高镁方解石（Cc-Dol）
影响因素： Ｐl、Ｔ；冷却速率
实例：
过硅石榴石 过钛石榴石 过硅绿辉石
在压力条件已知时可用 作温度计
Maruyama et al., 1982
(a) T=700℃时的P-xFeO图解 (据Currie，1971，转引自Winkler， 1976)，xFeO=FeO/(FeO+MgO)；(b) 岩石xFeO=0.6时的P-T图解， 据Winkler(1976)资料作出，图中实线和虚线分别代表石榴子石和 堇青石的xFeO值的等值线。

当矿物为纯固相，纯转移反应肯定属不连续反应（discontinuous reactions）；当矿物具有固溶体性质时，可能为连续反应（ continuous reactions ）也可能为不连续反应。 理论上，在特定压力条件下，不连续反应将在一个温度点上进行完
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铁辉石
Fe-Opx 金云母
透辉石 铁铝榴石
Annite + Pyrope = Phlogopite + Almandine (Grt-Bt) 铁云母 镁铝榴石
1.5、纯转移反应 （Net-Transfer reactions)

纯转移反应：反应物分解出来的组分向反应物一方转移，并全 部构成反应物。 前述的固相-固相反应，包括贮藏挥发份的固相-固相反应、出 溶反应属于此类反应。离子交换反应涉及两侧矿物相之间的相 互成分交换， 因而不是纯转移反应； 仅纯转移反应才可能为好的地质压力计的条件之一。
2.1 脱水反应(dehydration)
脱水反应： KAl2Si3AlO10(OH)2 + SiO2 = KAlSi3O8 + Al2SiO5 + H2O Ms Qtz Kfs Sill V
(a) 反应Ma+Qtz= Kf+Als+H2O的P-Tx图解（b) P = 0.6 GPa 时的T-x图解 （据кориковский ，1979资料绘制）
（1）固-固反应（相转变、出溶、纯固相反应、纯转移 反应、离子交换反应） （2）有流体相参加的反应 （3）不连续反应与连续反应
二、变质反应类型 1. 固-固反应
固－固反应的反应物和生成物都是固相，不涉及独 立流体相，因而反应的平衡条件与流体组分无关； 变质反应的影响因素仅为温度（T）和岩柱压力（ Pl），因而可以用作矿物温度计或压力计。 固体相矿物的熵变ΔＳi 和体积变化ΔＶi 随Ｔ、Ｐ值 的变化很小，计算反应的总熵变ΔＳ、ΔＶ可近似看 作常数，所以反应斜率ｄＰ／ｄＴ也近似等于常数 。 常见的固－固反应有相转变、出溶、纯固相反应、 纯转移反应、离子交换反应等。
Al2SiO5多型转变反应和硬玉+石 英与钠长石反应 （据Miyashiro, 1994)
1.3 纯固相反应
如果反应矿物中的挥发份在反应过程中被生成物完全汲纳， 形成新的含挥发份的矿物相，不产生独立的流体相，这种反 应可视为固-固纯转变反应（Volatile-conserving “solidsolid” reactions：贮藏挥发份相的“固-固反应”）



由于自然界中流体组分在分布上的存在明显不均一性 ，因此，此类反应不拟用作温度计和压力计
固-固反应和脱水反应的平 衡条件和克劳修斯-克拉 贝龙斜率示意图 （据Kurt Rucher &Rodney Grapes, 2011） 脱挥发份反应平衡曲线在P-T相图上特征： 平衡曲线在低压下∆V>>0，斜率为正，缓倾；在中压下∆V>0， 斜率为正，陡倾；在高压-超高压下∆V<0，斜率为负；当PH2O=0 ，斜率为负的直线；
苏格兰高地巴罗式区域变质带（据Miyashiro, 1994）
苏格兰高地达拉累丁片岩巴罗型前进变质带可能的变质反应



据Greenwood, 1967，重绘
3. 连续与不连续反应

不连续反应在固定的温度条件下进行，一直持续到某一个反应物消耗完 毕之后，体系的温度才能继续上升。

Fe-Chl + Ms + Qtz Alm + Ann + H2O
Fe-绿泥石 白云母 白云母 石英 石英 铁铝榴石 镁铝榴石 铁黑云母 金云母

Cal
脱水反应：
Qtz
Wo
V

KAl2Si3AlO10(OH)2 + SiO2 = KAlSi3O8 + Al2SiO5 + H2O Ms Qtz Kfs Sill V
2. 3 脱水-脱碳酸反应
反应Tr+3Cc+2Qtz = 5Di+3CO2+H2O的P-T-x图解 (a)和P=0.2GPa下的 T-x图(b） 图(a)据Blatt & Tracy (1994)和Winkler (1976)资料作出；图(b)引自Blatt & Trach (1994)
（图a）给定Pl=Pf，脱水反应的平衡温度随反应释放流 体相的摩尔分数成正比； （图b）给定Pl=Pf=0.6 GPa，脱水反应的平衡温度也与 反应释放流体相的摩尔分数成正比;
2. 2 脱碳酸反应(decarbonation)

脱碳酸反应也可用与脱水反应的相似的方式来处理，例如下 面的反应可以用T-XCO2 表达，其形式也与之相同或相似 脱碳酸反应： CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2

三、递增变质带和等变线
沿地质剖面上，化学成分大体相近的变 质岩中，指示变质温度条件由低到 高变化的矿物或矿物组合(岩石)的 空间分带称为变质带，又称递增变 质带（progressive metamorphic zones）； 以特定成分变质岩在空间上某个特征变 质矿物首次出现位置划分的变质带 叫指示矿物带（index-mineral zones), 在地质图上相同指示矿物 首次出现位置的连线称等变线（ Isograd）； 因特征矿物出现的因素较多，目前多以 临界矿物组合（critical mineral paragenesis）划分变质带； 巴罗变质带：chl、Bi、Grt、St、Ky 、Sill
1.3 纯固相反应

仅涉及固相矿物； 影响因素：Ｔ，Ｐl
NaAlSi2O6 + SiO2 = NaAlSi3O8 Jd（硬玉） Qtz Ab（钠长石） (Mg,Fe)3Al2Si3O12 + Ca(Mg,Fe)Si2O6 + SiO2 Grt Cpx Qtz = 4 (Mg,Fe)SiO3 + CaAl2Si2O8 Opx Plag