第五章变质作用

第五章变质作用

目的要求

变质作用的概念是根据对变质岩的观察、研究而建立起来的。变质岩是组成地壳的三大岩类之一，占地壳总面积的27.4%，由于地壳的不均匀抬升、剥蚀才露出地表。古老的变质岩常作为各大陆地壳的核心，广泛出露在前寒武纪的地盾中，或作为年青造山带的基底存在。其后各地质时期造山带中的变质岩，又围绕着前寒武纪地盾分布，这说明研究变质作用，对查明地壳的早期状态和它的发展演化历史，具有重要的理论意义。此外，世界上有70% 的铁矿，63%的锰矿以及大多数的铜、钴、镍矿都产生在前寒武纪的变质岩中，因而又具有实践意义。

课时：4学时

授课内容

一、变质作用的概念

二、变质作用的因素和方式

（一）变质作用的因素

（二）变质作用的方式

三、变质作用的基本类型

（一）接触变质作用

（二）碎裂变质作用

（三）区域变质作用

（四）混合岩化作用

重点

本章课讲授重点应放在：①变质作用的因素和变质作用方式中的重结晶、变晶作用及交代作用上；②变质类型的重点是接触变质、区域变质以及碎裂变质三个类型。其它像脱水反应、脱碳反应等则留给后续诸课去完成。混合岩化作用宜在小结中提示。

难点

在课堂上讲授变质岩时，强调变质岩的重要特征以及变质岩中的标志矿物和主要构造即可。其它内容较难理解，宜在实习中结合岩石标本去完成。

教学方法

本节课以讲解为主，配合多媒体图件进行说明。

讲授重点内容提要

一、变质作用的相关概念

（一）变质作用（metamorphism）

什么是变质作用？就是指先成岩在地下高温高压和化学活动性流体的参与下，在固态状态下改变其结构、构造或化学成分，从而形成新岩石的作用过程。

一般说来，岩石是否变质，是以有无重结晶现象或者出不出现变质矿物为标志（特别在温度升高的情况下）。根据观察判断，变质作用的温度大体在150°—900℃之间，低于150℃属于成岩作用的范畴；高于900℃则又属于岩浆作用的范畴。

（二）变质作用与岩浆作用的区别

变质作用与岩浆作用有何区别呢？岩石在变质过程中基本保持固体状态，一般不经过熔融。这里必须指出：如果地下温度近于岩石熔化的临界温度（如发生岩浆作用的影响）时，岩石部分产生熔融，而与固态岩石发生混合、交代等复杂过程，就叫超变质作用（或叫再熔作用，或叫花岗岩化作用），实际上是岩浆作用与变质作用的过渡形式。变质作用不仅形成各种变质岩，而且还形成多种类型的变质矿产。

二、变质作用的因素

引起变质作用的主要原因是温度、压力和化学活动性流体。在变质作用中以某一种因素单独起作用是少见的。它

们多以不同因素的组合出现，所以变质作用十分复杂。

（一）温度（temperature）

温度是引起变质的基本因素。温度的变化来源于地热、放射性元素的蜕变、岩浆活动及地壳运动诸方面。温度升高导致岩石重结晶作用，但不能超过900℃，否则就会重熔，那就不属于变质作用了。

出现高温的地区有：侵入岩体的周围；断裂带附近；地壳深处的放射热和地热区；现代的岛弧和大洋中脊等地区。

（二）压力（pressure）

压力也是重要变质作用因素之一。压力分为静压力、定向压力（应力）及流体压力三种。压力可使重结晶矿物产生定向排列，而形成变质岩特有的片理构造。

1、静压力(static pressure)

静压力是上覆地层引起的负荷压力。它具有均压性（围压性）。根据岩石的平均比重，深度增加1km，压力要增加275—300巴（1个大气压约等于1巴）。变质作用的最低负荷压力是1—2千巴。大约在4—7km深处。估计变质作用的最大深度为35km，最大负荷压力为1万巴。静压力有利于塑性变形和高压矿物的产生。

2、定向压力（directional pressure）

其特征是具有定向性，主要由地壳运动引起的，在地壳中分布不均，在地壳的上部发育，使岩层产生褶皱、断裂；使矿物的晶格变形；使其中的片状矿物和柱状矿物垂直于定向压力的方向排列，而成片理构造。此外，变晶矿物受里克定律的支配。晶体在最大压力方向上解体，在最小压力方向上增长。由于定向压力出现在地壳浅处，这些地方往往有水分存在，所以在定向压力条件下，产生的变质矿物多含OH-，如白云母、绿泥石、滑石等。

3、流体压力（fluid pressure）

流体压力是H2O、CO2、O2等挥发性流体占据岩石粒间空隙而产生的。在地下深处，全部负荷压力都传递给流体，这时负荷压力与流体压力相等。在地壳浅处，岩层裂隙发育，并与地表沟通，这时流体压力小于负荷压力。只有在岩浆侵入体周围，岩浆结晶时析出大量流体，才可能出现流体压力大于负荷压力的状况。

（三）化学活动性流体（fluid）

温度和压力，只能使岩石的结构、构造和矿物成分发生变化，要使岩石的

Cl、B、P以及富含多种金属的热水溶液。这些加入物主要来源于沉积岩中的孔隙水、岩石变质过程中析出的变质水，或岩浆冷凝时析出的挥发性溶液以及地下深部上升的热水溶液等。在一般情况下，岩石变质愈深，流体含量愈少。

化学活动性流体的存在可使变质作用受什么影响呢？①可以促使其它组分的溶解，加速扩散速度，增强重结晶作用和变质反应，同时将一些成分带入岩石中，也将某些成分带出，从而使原岩成分发生变化；②流体的存在会大大降低岩石的重熔温度和各变质级别的温度界限。如花岗质的岩石，不含挥发组分时重熔温度为950℃，若含饱和溶液时，其中低熔组分在640℃±就开始重熔。

三、变质作用的方式

主要有重结晶作用和交代作用（其它作用学生自学，作一般了解）。

1、重结晶作用(recrystallization) 就是使非晶质的岩石变成结晶质的岩石；结晶小的岩石变为结晶粗大的岩石。重结晶作用是在固态条件下进行，一般不改变原岩成分。变质结晶作用（metacrystallization）是指原岩总成分不变，而有新的结晶矿物形成，这说明原岩成分不纯。下面讨论其平衡条件：

①温度是重结晶作用的主要因素，每一种变质矿物的生成和稳定都有一个特定的温度区间，只要温度变化超过区间，原矿物就会消失，新矿物就开始形成，如纯石灰岩（CaCO3），温度升高将变成大理岩，温度继续升高，结晶颗粒有变粗的趋势。如无外来物质的参与不会有新矿物出现，只是结构发生变化。如果是硅质灰岩（含SiO2的灰岩），温度升高则出现新的变质矿物硅灰石：

SiO2CaCO3→ CaSiO3＋CO2

当压力为1巴时，反应式的平衡温度为273℃；压力为1千巴时，平衡温度是580°—680℃；压力为2千巴时，平衡温度是610°—750℃。

②压力在重结晶作用中是影响温度平衡的重要因素。上面的硅灰石反应式就说明了这个问题。另外，压力增大有利于形成分子体积小而密度大的矿物。例如：Mg2SiO4＋CaAl2SiO8→CaMg2Al2Si3O12

（橄榄石）（钙长石）（石榴子石）

克分子体积43.9cc 101.1ccb 121cc

比重 3.2 2.7 3.4—4.3

可见，通过反应，矿物体积缩小24cc，这就是变质岩中出现比重大，体积小的矿物的原因。

2、交代作用（metasomatism）

在变质作用过程中，由于外来流体（热气、热液）的加入，与岩石中的某种组分起化学反应，发生置换，使岩石中出现新矿物，这种作用就叫交代作用。如含Na＋的流体与钾长石反应置换出K＋，而形成新矿物钠长石。

KAlSi3O8 ＋Na+→ NaAlSi3O8＋K+钾长石加入Na+, 钠长石流失K+

交代作用的特点是：①在固态下进行；

②交代前后岩石总体积不变；

③原矿物的成分被置换与新矿物的形成同时。

交代作用的强度和范围决定于：①围岩性质；②化学活动性流体的成分；③岩石裂隙的多少；④作用时间的长短。

注意：交代作用是变质作用的普遍方式，条件是只要有活动性流体的加入。同时必须指出，任何一种变质矿物和变质岩的形成，都是多因素控制的，所以变质作用很复杂。可以设想，如果反应条件不能保持或持续时间不够长，必然造成