1-变质作用的基本概念

第二节 影响变质作用的因素
变质作用的因素——指决定变质作用的物理、化 学条件，包括T, P, 流体、时间(t) 1. 温度 温度实际代表热量，是变质作用的能量来源，是 最重要的因素，绝大多数变质作用是在温度增加 的条件下进行。 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。
1). 温度升高引起的变化
2). 粒间流体压力
粒间流体——指存在于岩石的颗粒间、显微裂隙和毛细孔隙中的流 体，包括水、CO2，O2等。流体对其存在的空间壁会有一定的 压力，即粒间流体压力。其总压力为各组分分压之和。 P流体＝PH2O＋PO2＋……… 流体压力的作用： (1) 对有流体参与的变质反应的温度有影响， 例如： CaCO3+SiO2 CaSiO3 + CO2↑
方解石 石英 硅灰石
PCO2↗,反应的T ↗ (2) 流体压力增大可以促进岩石颗粒重结晶
3. 应力（Deviatoric Stress）
应力——指由构造运动和岩浆活动所产生 的侧向挤压力。Stresses acting in particular directions and exceeding the mean stress, commonly affect the rocks.
钾长石 带入 钠长石 带出
2、变形
*偏应力施加于岩石，当应变很小时，岩石显示弹性行 为(elastic behavior)。 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。 *当应变增加至超越弹性极限，岩石就会产生永久变形 (deformation)。 在近地表低温低压和较高应变速率条件下，岩石显示 脆性行为(brittle behavior)，永久变形机制为脆性变形， 表现为岩石沿裂缝破裂，产生碎裂和断裂。 而在地下高温高压特别是当应变速率低时，岩石显示 塑性行为(plastic behavior)，岩石永久变形主要由于塑性 流动(plastic flow)产生，导致矿物畸变和褶皱而没有破裂。
1B）变质结晶作用和变质反应： 在变质作用的温度、压力范围内，在原岩基本保持固态 条件下使旧矿物消失、新矿物形成的变质方式，一般通过 特定的化学反应来实现，这种化学反应称为变质反应。包 括同质多象转变和形成新的矿物组合。 举例：Cc（方解石）+Q（石英）=Wo（硅灰石）+CO2
图 17-2
含石英大理岩的结构演化（Mason（1999）绘，有所修改补充）
高温下的塑性变形主要有：晶内塑性变形 (intracrystalline plastic deformation)和晶界塑性变 形(intercrystalline plastic deformation)两种机制。
晶内塑性变形的机制：直线滑移和双晶滑 移的宏观变化(Vernon,1976) a.未变形的；b.直线滑移；c.双晶滑移
一、变质作用机制
1.变质结晶作用 1）重结晶作用 2）交代作用
2.变形 3.变质分异
1A)、重结晶作用 (Recrystallization) 同种矿物，经过 重新溶解、组分迁 移，再结晶形成原 矿物的方式。重结 晶作用的结果是晶 粒由小变大。 受控因素：成分 愈单一、粒度愈小， 愈容易发生。 举例：石灰岩— —大理岩
Metamorphic Agents and Changes
• Temperature: typically the most important factor in metamorphism
Estimated ranges of oceanic and continental steady-state geotherms to a depth of 100 km using upper and lower limits based on heat flows measured near the surface. After Sclater et al. (1980), Earth. Rev. Geophys. Space Sci., 18, 269311.
变质分异作用
高级片麻岩区四种典型的露头尺度递进变形 (a)岩脉网络的均匀变形；(b)岩石碎块的均匀变形；(c) 粒度不均匀的均质火成岩（例如斑状花岗岩）的均匀变 形；(d).均质火成岩（例如辉长岩）的不均匀变形 。
二、 变质岩 由变质作用形成的岩石，即为变质岩。 三、 变质岩的类型 正变质岩：由岩浆岩经过变质作用形成的变质岩 副———：由沉积岩———————————— 四、 变质岩的重要地位 (1) 前寒武纪之前的岩石几乎均为变质岩,占大陆 面积的1/5 (2) 变质岩在我国分别很广，而且有大量的金属 和非金属矿产 例如： 鞍山式铁矿—含铁石英岩型 石英脉型金矿—如山东
(1) 导致重结晶作用 随着T增加，岩石内部质点活动能力增加，质点重新排列—— 晶粒由小变大，由细变粗。例如 石灰岩(沉积岩) T 升高 大理岩(变质岩)
(2) 促进矿物之间的化学反应,形成新的矿物与矿物组合, 例如
Al4[Si4O10](OH)8
高岭石 吸热 放热
2Al2[SiO4]O+2SiO2+4H2O
塑性扭折的几何特 征 （Vernon,1976）
位错示意图 b为Bergers矢量，它 表示已滑动部分的 滑移方向和距离
晶界塑性变形包括颗粒边界的滑 移和扩散流动(diffusive flow)
晶内塑性变形与压溶比较
3、变质分异作用
所谓变质分异（ metamorphic differentiation ） 就是使原先均匀的岩石发育成分层的变质过程 （Raymond, 1995）。 原因：（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（塑性变形）的结果。 辉长岩 斜长角闪岩
第十七章 变质作用的基本概念
变质作用——在地球内力作用下，使已经形 成的岩石发生矿物成分、结构构造和/或 化学成分变化的作用。
*强调: (1) 已经形成的岩石包括先期形成的岩、沉、变三大岩， (2) 内力作用指物理化学条件(T、P)的改变， (3) 使得原来岩石发生改变包括矿物成分、结构构造 和化学成分等， (4) 变质作用的条件：基本上为固态，但是在高级变 质作用过程中，可以发生部分熔融，形成流体相 （混合岩化作用）——岩浆作用的初始阶段。
s1
s1 > s2 = s3 foliation and no lineation s1 = s2 > s3 lineation and no foliation s1 > s2 > s3 both foliation and lineation
Flattening of a ductile homogeneous sphere (a) containing randomly oriented flat disks or flakes. In (b), the matrix flows with progressive flattening, and the flakes are rotated toward parallelism normal to the predominant stress. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
变质岩岩石学 苏尚国
susg@cugb.edu.cn 82321191 教二楼228室
第十一章 变质作用的基本概念
听课指南 1. 变质作用的基本概念与类型。 2.变质作用的机制及其控制要素，如何理 解变质作用过程？ 3.变质作用发生在什么样的地质环境中？ 为什么？ 4.变质岩在我们理解地壳演化、板块构造 以及地球演化方面的作用？
4. 具化学活动性流体
粒间流体约占岩石体积的1-2%，其成分除H2O、CO2、 O2外，还有其他成分，如盐酸、硫化氢等，具有很大的化 学活动性（酸性或者碱性）。 在P、T较高时，会形成超临界流体，具有更大的化 学活动性。
具有化学活动性流体对岩石变质的作用： 1. 溶剂：促进岩石中一些组分溶解、迁移、变质反应进 行； 2. 流体直接参与变质反应，直接影响变质作用，影响变 质反应的方向与进度。例如： Bi+H2O 绢云母+绿泥石； 3. 流体有利于岩石的部分熔融。 岩石的熔点随H2O增加，熔点下降。
红柱石-蓝晶石-矽线石三者之间的同质多象转变
2）、交代作用（metasomatism） 由于流体的迁移使固态岩石与外界产 生复杂物质交换，从而改变岩石化学成 分的一种变质方式。 要求条件：有流体存在，干体系中很 难发生。 如：
2Mg2SiO4+3H2O→H4Mg3Si2O9+Mg(OH)2 Fo(镁橄榄石) Ser(蛇纹石) Brc(水镁石) KAlSi3O8 + Na+ NaAlSi3O8+K+
地下一定深度岩石应力状态 σ A：垂直方向的主应力（垂直直应力）；σ B水平方向的侧 向直应力。当无构造作用时，σ A=σ B=上覆单位岩石柱的重 量，就是负荷压力Pl。因此，负荷压力是一种各向相等的静水 压力，Pl=9.81σ D 10-3。 Pf=流体压力作用在颗粒表面
• Foliation is a common result, which allows us to estimate the orientation of s1
Metamorphic Agents and Changes
Shear motion occurs along planes at an angle to s1 s1
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Shear, causing slip along parallel planes and rotation. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
2). 导致温度升高的热源 (1) 地热：地热增温率7-60℃/km , 例如一般地区 为25℃/km， (2) 岩浆侵入：岩浆侵入－冷却－散热，
(3) 构造运动：摩擦作用，
(4) 地球内部物质的相变释放，
(5) 放射性元素的衰变能，U, Th—Pb。
2. 压力
1). 负荷压力（静压力）
压力：单位面积内应力的大小，由上覆岩石的重力引起的。压力是一个均衡的 应力，在岩石的各个方向都相等。常用单位换算关系： 1大气压＝101325Pa 1bar=0.987个大气压 5Pa 1bar=10 常认为：1kbar=1000大气压 1GPa＝10kbar =1万大气压 地壳岩石按照比重计算：100 km = 30 kb 因此：一般 Moho面＝10kb 地心压力＝350 GPa 实验室能达到＝550 Gpa 静压力的作用———岩石孔隙较小，密度增加，变致密坚硬，内部为原子紧密 例如： 石英－柯石英—斯石英 橄榄石：α – β - γ
1. 石英；2. 方解石； 3. 硅灰石; 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
红柱石 石英
图 17-9
变质作用温压范围
1～8 实验确定的白云母花岗岩(1～4)和拉斑玄武岩(5～8)的熔融间隔。 实线表示无水添加条件， 虚线表示过量 水条件(引自 Miyashiro,1994)。这样，对白云母花岗岩，过量水条件下的固相线和液相线分别为 1、2，无水添加条 件下的固相线和液相线分别为 3、4；对拉斑玄武岩，过量水条件下的固相线和液相线分别为 5、6，无水添加条件 下的固相线和液相线分别为 7、8。DG.成岩作用条件；MG.岩浆作用条件；MT.变质作用条件；NU.自然界未知的条 件。变质作用条件(MT)与岩浆作用条件(MG)间有一个范围广大的 P-T 过渡区，在熔融曲线 1～8 之间