变质岩的形成过程 (1)
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思考题:地质学和岩相学证据?
2. 变形 (Deformation)
岩石在变质作用的温压条件范围内,受到超过
其最高弹性模量的应力作用,将发生永久变形,
使岩石的结构和构造受到破坏,岩石化学成分
可变可不变,从而形成变质岩的地质作用过程。
依据变形性质可分脆性变形和韧性变形两种。
脆性变形(brittle deformation)
3.变质分异 ( metamorphic differentiation )
在变质作用过程中,原先均匀的岩石经变质后成为 不均匀甚至存在成分分“层”岩石的现象(Raymond, 1995),结果使岩石的构造特征发生了改变,从而形成变 质岩的作用过程。变质分异严格来说应指封闭体系内的组 分调整,以便于与交代作用相区别,但往往不易区分。另
沉积岩:表生环境 ,外力作用,风化、搬运、沉积; 岩浆岩:地球内部,上地幔或地壳深处,内力作用,炽热熔浆,结 晶,地表冷凝结晶或淬火后冷凝固结;
变质岩:地球内部,内力作用,原有岩石的基本固态下的成分与组 构转变
ຫໍສະໝຸດ Baidu
变质作用——在地壳环境中,先存岩石(原 岩,protolith)在固态下(下固相线subsolidus) 发生的成分、组构转变过程的总和; 变质岩——原岩成分与组构经固态转变过程(变 质作用)而形成的新岩石。 原岩为岩浆岩—正变质岩(ortho-) 原岩为沉积岩—副变质岩(para-) 原岩为变质岩—复变质岩(poly-)
动,从高压域向低压域迁移,主要发生在裂隙溶液中;
扩散(diffusion):组分受浓度差驱动,从高浓度域
向低浓度域迁移,主要发生在不流动的粒间孔隙溶液中; 粒间孔隙溶液中某种活动组分浓度或化学位梯度是运移 和交代的主要动力;
交代作用也见于岩浆岩和沉积岩的形成过程;变质交
代作用仅指发生在变质作用条件范围内的交代作用。
变质岩石学
Metamorphic Petrology
第一讲 变质岩的形成过程(1)
本讲基本问题
问题(1)变质作用与变质岩概念(what)
问题(2)变质岩是如何形成的呢?(How)
问题(3)变质作用机制因何而启动和进行? (Why) 问题(4)变质作用发生的地质构造环境 (Where)
一、变质作用与变质岩概念
2.4 压力对变质作用机制的影响
(1)岩柱压力 (2)偏应力 (3)流体压力 (4)构造超岩与流体超压
3.流体成分(x)
液体(liquid)、蒸汽 (Steam )、超临界流体(supercritical fluid) 流体成分(以水为例)来源:原岩中的同生水+大气水、俯冲带卷入的海 水、变质反应释放水、岩浆冷凝释放水、深源水(少),可高达5wt%
Ca、Mg、Sr、Ba 、Si等常见;
惰性组分:基本不发生带入带出,交代前后组分的绝对含 量不发生改变,以重金属、稀土或超场强元素(HFSEs) 常见;主量元素中包括Fe、Al、Mn、Ti等。
某一元素是否属于活动与惰性元素,视具体情况而定!
交代机制——交代作用中的活动组分的运移方式
渗透(infiltration):组分受压力差驱动,随溶液流
岩柱压力(Pl)各向同性:Pl = ρgD Pl (GPa) = 9.81 ρ D(Km)10-3 ( ρ=2700kg/m3) 流体压力:Pf = PH2O+PCO2+ ….. 流体超压= Pf - Pl
定向应力 (Pd)向各异性 偏应力(非静水压力) = A- B 0 平均应力(具静水压力性质) =( A+ B)/2 构造超压=平均应力/偏应力指向地心的分应力-岩柱压力( Pl)
(1)狭义重结晶: (Recrystallization ,Raymond, 2002)
矿物成分不变下的结构调整: 纯灰岩(沉)大理岩(变) 纯石英砂岩(沉) 石英岩 (变) 粗 粒 大 理 岩 细 粒 大 理 岩
纯 灰 岩
单矿物原岩 结构变化成分不变
Raymond, 2002
(2)变质反应:(Neocrystallization, Raymond, 2002 )
交代过程是异化学作用过程,岩石体系性质属于开放体系。
交代作用也可在成岩阶段发生,称成岩交代作用;在变质 条件下发生的交代作用称为变质交代作用。
活动元素(组分)与惰性元素(组分);
活动组分:可带入带出,岩石中该组分的绝对含量交代前 后的含量发生改变,除H、F、Cl、S、C等挥发份组分 以外,碱金属Na、K、Rb、Cs和碱土金属类元素Be、
物化和动力学因素:可以抽象为温度(T )、压力(P )、 流体组分(x )、时间(t )等因素,这也是将物理化学和 动力学引入变质岩石学研究的基础。
1. 温度(temperature condition, heat)
温度是热的标量。变质作用的热源主要有地幔对流热、地壳放射 性元素蜕变产生的放射性热、岩浆结晶潜热和构造摩擦热等。
(左)远离岩体的上奥陶统页岩中的 含化石灰岩结核. (右) 近岩体处,页岩变 质岩角岩,灰岩与页岩反应为以钙长石+透辉石为主要矿物的钙硅粒岩壳
1.2 变质交代作用 (metasomatism)
交代作用指在变质作用条件范围内,在以化学活动性流体为主
要因素的作用下,使岩石中的造岩组分发生不同程度的带入 或带出,使新形成岩石的化学成分(除H2O、CO2等挥发分 外)部分或全部变化的变质过程。在交代过程中,岩石的体 积基本保持不变。
外变质分异与构造分异也密不可分。
变质分异产生不均匀或成分层的现象与机理 (1)变斑晶形成 (2)扩散反应带 (交代作用?开放?) (3)构造剪切分异:浅变质岩中的石英脉 (4)构造压扁(图17-8?)
(a)网状岩脉的均匀变形
(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
1. 变质结晶作用 (Metamorphic crystallization)
变质结晶作用:先存岩石(原岩)在变
质作用温度压力条件范围内新矿物的结 晶生长。包括:
重结晶作用(等化学过程,封闭)
交代作用(异化学过程,开放)
1.1 重结晶作用(recrystallization)
——在基本固体状态下原岩矿物发生的结构调整或化学反 应形式的再造过程。重结晶前后,岩石的造岩组分(除 H2O、CO2等挥发分外)基本保持不变。特点: 等化学过程 封闭体系 矿物的成核、结晶生长受表面能最低原理控制 可分狭义重结晶和变质结晶(变质反应)两种(Raymond, 2002)
未参与化学反应的方解石经狭义重结晶加粗,三联点结构;
c. 反应后:因石英方解石,石英被全部消耗,未参与反应的Cc和新生长的Wo
粒度进一步加粗,形成高温条件下的稳定矿物组合(Cc+Wo) 。
挪威Oslo裂谷二叠纪接触变质晕内沉积岩向变质岩的转变露头照片 (据Kurt Rucher &Rodney Grapes, 2011)
(d).均质火成岩 (例如辉长岩)的 不均匀变形
高级片麻岩区四种典型露头尺度递进变形示意图
所有这些递进变形都形成相同的条带状片麻岩(Passchier et al., 1990)
三、变质作用影响因素(What)
变质作用因素指使变质作用得以发生和发展的原因或诱因。 地质原因:地质环境的改变,如构造位置改变(岛弧、海 沟、洋中脊、大陆裂谷、俯冲带、碰撞带,等)、构造过 程(增厚、减薄、俯冲、折返、深埋、隆/抬升,等)和岩 浆作用等。
二、变质作用机制(How)
变质作用机制:变质结晶、变形、变质分 异;
深熔作用(anatexis)与部分熔融 (partial melting——岩浆岩成因术语); 埋藏变质(burial metamorphism)与 成岩作用(diagenesis)过程的压实、重结晶 和交代作用,属于沉积作用范畴)。
2. 压力(Pressure condition)
热力学压力称静水压力(Ps-hydrostatic pressure),影响着化学反应的平衡温度。
2.1 变质作用压力分类
岩柱压力(Pl –lithostatic pressure) 流体压力(Pf –fluid pressure)
偏 应 力(Pd –directed pressure)
温度的持续升高将导致岩石发生深熔(部分熔融)作用,促进混合岩化。
1.2 变质作用温度范围
变质作用温度-压力范围图解 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(引自Miyashiro,1994) 。实线表示无水 条件,虚线表示过量水条件。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,无水条件下 的固相线和液相线分别为7、8。DG.成岩作用条件区;MG.岩浆作用条件区;MT.变质作用条件区;NU. 自然界未知的条件区。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 按变质作用的温度范围分:极低温、低温、中温、高温和超高温变质,相应的变质程度划分为极低、低、 中、高、极高级变质
的流体;
流体的作用与影响:
1. 流体中的成分可成为矿物晶格的一部分(变质反应),直接构
成岩石的一部分组成;
页岩和玄武岩变质的H2O含量变化 (after Kurt Rucher & Rodney Grapes, 2011 who redrawn from Fyfe et al. 1978)
变质作用过程当液体相呈超临界状点(H2O: 374oC, 21.77 MPa)或以上温度时,液体相和蒸汽相具有相同的密度。 流体成分以H2O, CO2, 为主体;含卤素和碱金属元素或大半径 亲石元素的流体,常具有极强的交代能力,习称具化学活动性
2.2 岩柱压力范围
变质作用压力条件范围
实验确定的变质反应将变质作用按压力条件划分为低压、中压、高压和超高压变质:低 压——低于蓝晶石、红柱石和矽线石(Als)三相点压力条件;中压——Als三相点至 Jd+QAb(硬玉+石英钠长石)反应之间;高压——Jd+Q至出现柯石英(Coe)多 型之前的压力条件;超高压——柯石英(Coe)至金刚石(Dia)
举例:判断以下反应是交代作用与变质重 结晶机制?
纯橄榄岩蛇纹岩 重结晶机制(无主要造岩成分得失):
2Mg2SiO4+3H2O→H4Mg3Si2O9+Mg(OH)2 Fo(镁橄榄石) Ser(蛇纹石) Brc(水镁石)
交代机制(有主要造岩成分得失):
3Mg2SiO4 + 4H2O + (SiO2) →2H4Mg3Si2O9 Fo 溶液中 Ser
石 英 方解 石
方解 石 石 英 方解石
硅灰 石
细粒含石英大理岩新旧矿物更替和结构变化(据Mason,1999)
a. 反应前:低温下,微晶方解石Cc(CaCO3)与碎屑石英Q(SiO2) ,通过重结晶 改变各自的大小和形状,多处形成三联点结构;
b. 在碎屑石英边缘上生长出Wo(称反应边):
Cc+Q=Wo(CaSiO3)+ CO2↑
1.1
(对变质作用机制的)影响
对于变质重结晶作用,升温有利于吸热反应(如脱挥发份反应) ,促进晶
体的溶解和生长,提高反应速率;降低温度将使变质反应向放热方向进 行,利于水化和碳酸盐化反应进行;
对于变形作用,温度升高利于岩石从脆性变形向韧性变形转变,影响岩
石的变形行为;
对于交代作用和变质分异作用,温度升高有利于进行;
脆性变形使先存岩石在变形后完全失去内聚力(四分五裂、支离 破碎),岩石表现为破裂、碎裂、碎粒、碎粉化之特征。
请指出图(1)和图(2)中两件岩石脆性变形的强弱程度?
韧性变形(ductile deformation)
塑性变形一般不使岩石失去内聚力(似断非断,如胶似漆),分晶内 (intra-)塑性变形与晶界或晶间(inter-)塑性变形两种;晶内塑性 变形表现为晶体内部的滑移(gliding)和位错 (dislocation),镜下 可见晶体内部发育书斜(多米诺骨牌)构造、机械双晶、扭折带、变 形纹、动态重结晶等;晶界塑性变形表现为边界滚动、滑动和扩散流 动,晶体整体呈鱼状、透镜体状,或碎粒流或韧性流等。
2. 变形 (Deformation)
岩石在变质作用的温压条件范围内,受到超过
其最高弹性模量的应力作用,将发生永久变形,
使岩石的结构和构造受到破坏,岩石化学成分
可变可不变,从而形成变质岩的地质作用过程。
依据变形性质可分脆性变形和韧性变形两种。
脆性变形(brittle deformation)
3.变质分异 ( metamorphic differentiation )
在变质作用过程中,原先均匀的岩石经变质后成为 不均匀甚至存在成分分“层”岩石的现象(Raymond, 1995),结果使岩石的构造特征发生了改变,从而形成变 质岩的作用过程。变质分异严格来说应指封闭体系内的组 分调整,以便于与交代作用相区别,但往往不易区分。另
沉积岩:表生环境 ,外力作用,风化、搬运、沉积; 岩浆岩:地球内部,上地幔或地壳深处,内力作用,炽热熔浆,结 晶,地表冷凝结晶或淬火后冷凝固结;
变质岩:地球内部,内力作用,原有岩石的基本固态下的成分与组 构转变
ຫໍສະໝຸດ Baidu
变质作用——在地壳环境中,先存岩石(原 岩,protolith)在固态下(下固相线subsolidus) 发生的成分、组构转变过程的总和; 变质岩——原岩成分与组构经固态转变过程(变 质作用)而形成的新岩石。 原岩为岩浆岩—正变质岩(ortho-) 原岩为沉积岩—副变质岩(para-) 原岩为变质岩—复变质岩(poly-)
动,从高压域向低压域迁移,主要发生在裂隙溶液中;
扩散(diffusion):组分受浓度差驱动,从高浓度域
向低浓度域迁移,主要发生在不流动的粒间孔隙溶液中; 粒间孔隙溶液中某种活动组分浓度或化学位梯度是运移 和交代的主要动力;
交代作用也见于岩浆岩和沉积岩的形成过程;变质交
代作用仅指发生在变质作用条件范围内的交代作用。
变质岩石学
Metamorphic Petrology
第一讲 变质岩的形成过程(1)
本讲基本问题
问题(1)变质作用与变质岩概念(what)
问题(2)变质岩是如何形成的呢?(How)
问题(3)变质作用机制因何而启动和进行? (Why) 问题(4)变质作用发生的地质构造环境 (Where)
一、变质作用与变质岩概念
2.4 压力对变质作用机制的影响
(1)岩柱压力 (2)偏应力 (3)流体压力 (4)构造超岩与流体超压
3.流体成分(x)
液体(liquid)、蒸汽 (Steam )、超临界流体(supercritical fluid) 流体成分(以水为例)来源:原岩中的同生水+大气水、俯冲带卷入的海 水、变质反应释放水、岩浆冷凝释放水、深源水(少),可高达5wt%
Ca、Mg、Sr、Ba 、Si等常见;
惰性组分:基本不发生带入带出,交代前后组分的绝对含 量不发生改变,以重金属、稀土或超场强元素(HFSEs) 常见;主量元素中包括Fe、Al、Mn、Ti等。
某一元素是否属于活动与惰性元素,视具体情况而定!
交代机制——交代作用中的活动组分的运移方式
渗透(infiltration):组分受压力差驱动,随溶液流
岩柱压力(Pl)各向同性:Pl = ρgD Pl (GPa) = 9.81 ρ D(Km)10-3 ( ρ=2700kg/m3) 流体压力:Pf = PH2O+PCO2+ ….. 流体超压= Pf - Pl
定向应力 (Pd)向各异性 偏应力(非静水压力) = A- B 0 平均应力(具静水压力性质) =( A+ B)/2 构造超压=平均应力/偏应力指向地心的分应力-岩柱压力( Pl)
(1)狭义重结晶: (Recrystallization ,Raymond, 2002)
矿物成分不变下的结构调整: 纯灰岩(沉)大理岩(变) 纯石英砂岩(沉) 石英岩 (变) 粗 粒 大 理 岩 细 粒 大 理 岩
纯 灰 岩
单矿物原岩 结构变化成分不变
Raymond, 2002
(2)变质反应:(Neocrystallization, Raymond, 2002 )
交代过程是异化学作用过程,岩石体系性质属于开放体系。
交代作用也可在成岩阶段发生,称成岩交代作用;在变质 条件下发生的交代作用称为变质交代作用。
活动元素(组分)与惰性元素(组分);
活动组分:可带入带出,岩石中该组分的绝对含量交代前 后的含量发生改变,除H、F、Cl、S、C等挥发份组分 以外,碱金属Na、K、Rb、Cs和碱土金属类元素Be、
物化和动力学因素:可以抽象为温度(T )、压力(P )、 流体组分(x )、时间(t )等因素,这也是将物理化学和 动力学引入变质岩石学研究的基础。
1. 温度(temperature condition, heat)
温度是热的标量。变质作用的热源主要有地幔对流热、地壳放射 性元素蜕变产生的放射性热、岩浆结晶潜热和构造摩擦热等。
(左)远离岩体的上奥陶统页岩中的 含化石灰岩结核. (右) 近岩体处,页岩变 质岩角岩,灰岩与页岩反应为以钙长石+透辉石为主要矿物的钙硅粒岩壳
1.2 变质交代作用 (metasomatism)
交代作用指在变质作用条件范围内,在以化学活动性流体为主
要因素的作用下,使岩石中的造岩组分发生不同程度的带入 或带出,使新形成岩石的化学成分(除H2O、CO2等挥发分 外)部分或全部变化的变质过程。在交代过程中,岩石的体 积基本保持不变。
外变质分异与构造分异也密不可分。
变质分异产生不均匀或成分层的现象与机理 (1)变斑晶形成 (2)扩散反应带 (交代作用?开放?) (3)构造剪切分异:浅变质岩中的石英脉 (4)构造压扁(图17-8?)
(a)网状岩脉的均匀变形
(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
1. 变质结晶作用 (Metamorphic crystallization)
变质结晶作用:先存岩石(原岩)在变
质作用温度压力条件范围内新矿物的结 晶生长。包括:
重结晶作用(等化学过程,封闭)
交代作用(异化学过程,开放)
1.1 重结晶作用(recrystallization)
——在基本固体状态下原岩矿物发生的结构调整或化学反 应形式的再造过程。重结晶前后,岩石的造岩组分(除 H2O、CO2等挥发分外)基本保持不变。特点: 等化学过程 封闭体系 矿物的成核、结晶生长受表面能最低原理控制 可分狭义重结晶和变质结晶(变质反应)两种(Raymond, 2002)
未参与化学反应的方解石经狭义重结晶加粗,三联点结构;
c. 反应后:因石英方解石,石英被全部消耗,未参与反应的Cc和新生长的Wo
粒度进一步加粗,形成高温条件下的稳定矿物组合(Cc+Wo) 。
挪威Oslo裂谷二叠纪接触变质晕内沉积岩向变质岩的转变露头照片 (据Kurt Rucher &Rodney Grapes, 2011)
(d).均质火成岩 (例如辉长岩)的 不均匀变形
高级片麻岩区四种典型露头尺度递进变形示意图
所有这些递进变形都形成相同的条带状片麻岩(Passchier et al., 1990)
三、变质作用影响因素(What)
变质作用因素指使变质作用得以发生和发展的原因或诱因。 地质原因:地质环境的改变,如构造位置改变(岛弧、海 沟、洋中脊、大陆裂谷、俯冲带、碰撞带,等)、构造过 程(增厚、减薄、俯冲、折返、深埋、隆/抬升,等)和岩 浆作用等。
二、变质作用机制(How)
变质作用机制:变质结晶、变形、变质分 异;
深熔作用(anatexis)与部分熔融 (partial melting——岩浆岩成因术语); 埋藏变质(burial metamorphism)与 成岩作用(diagenesis)过程的压实、重结晶 和交代作用,属于沉积作用范畴)。
2. 压力(Pressure condition)
热力学压力称静水压力(Ps-hydrostatic pressure),影响着化学反应的平衡温度。
2.1 变质作用压力分类
岩柱压力(Pl –lithostatic pressure) 流体压力(Pf –fluid pressure)
偏 应 力(Pd –directed pressure)
温度的持续升高将导致岩石发生深熔(部分熔融)作用,促进混合岩化。
1.2 变质作用温度范围
变质作用温度-压力范围图解 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(引自Miyashiro,1994) 。实线表示无水 条件,虚线表示过量水条件。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,无水条件下 的固相线和液相线分别为7、8。DG.成岩作用条件区;MG.岩浆作用条件区;MT.变质作用条件区;NU. 自然界未知的条件区。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 按变质作用的温度范围分:极低温、低温、中温、高温和超高温变质,相应的变质程度划分为极低、低、 中、高、极高级变质
的流体;
流体的作用与影响:
1. 流体中的成分可成为矿物晶格的一部分(变质反应),直接构
成岩石的一部分组成;
页岩和玄武岩变质的H2O含量变化 (after Kurt Rucher & Rodney Grapes, 2011 who redrawn from Fyfe et al. 1978)
变质作用过程当液体相呈超临界状点(H2O: 374oC, 21.77 MPa)或以上温度时,液体相和蒸汽相具有相同的密度。 流体成分以H2O, CO2, 为主体;含卤素和碱金属元素或大半径 亲石元素的流体,常具有极强的交代能力,习称具化学活动性
2.2 岩柱压力范围
变质作用压力条件范围
实验确定的变质反应将变质作用按压力条件划分为低压、中压、高压和超高压变质:低 压——低于蓝晶石、红柱石和矽线石(Als)三相点压力条件;中压——Als三相点至 Jd+QAb(硬玉+石英钠长石)反应之间;高压——Jd+Q至出现柯石英(Coe)多 型之前的压力条件;超高压——柯石英(Coe)至金刚石(Dia)
举例:判断以下反应是交代作用与变质重 结晶机制?
纯橄榄岩蛇纹岩 重结晶机制(无主要造岩成分得失):
2Mg2SiO4+3H2O→H4Mg3Si2O9+Mg(OH)2 Fo(镁橄榄石) Ser(蛇纹石) Brc(水镁石)
交代机制(有主要造岩成分得失):
3Mg2SiO4 + 4H2O + (SiO2) →2H4Mg3Si2O9 Fo 溶液中 Ser
石 英 方解 石
方解 石 石 英 方解石
硅灰 石
细粒含石英大理岩新旧矿物更替和结构变化(据Mason,1999)
a. 反应前:低温下,微晶方解石Cc(CaCO3)与碎屑石英Q(SiO2) ,通过重结晶 改变各自的大小和形状,多处形成三联点结构;
b. 在碎屑石英边缘上生长出Wo(称反应边):
Cc+Q=Wo(CaSiO3)+ CO2↑
1.1
(对变质作用机制的)影响
对于变质重结晶作用,升温有利于吸热反应(如脱挥发份反应) ,促进晶
体的溶解和生长,提高反应速率;降低温度将使变质反应向放热方向进 行,利于水化和碳酸盐化反应进行;
对于变形作用,温度升高利于岩石从脆性变形向韧性变形转变,影响岩
石的变形行为;
对于交代作用和变质分异作用,温度升高有利于进行;
脆性变形使先存岩石在变形后完全失去内聚力(四分五裂、支离 破碎),岩石表现为破裂、碎裂、碎粒、碎粉化之特征。
请指出图(1)和图(2)中两件岩石脆性变形的强弱程度?
韧性变形(ductile deformation)
塑性变形一般不使岩石失去内聚力(似断非断,如胶似漆),分晶内 (intra-)塑性变形与晶界或晶间(inter-)塑性变形两种;晶内塑性 变形表现为晶体内部的滑移(gliding)和位错 (dislocation),镜下 可见晶体内部发育书斜(多米诺骨牌)构造、机械双晶、扭折带、变 形纹、动态重结晶等;晶界塑性变形表现为边界滚动、滑动和扩散流 动,晶体整体呈鱼状、透镜体状,或碎粒流或韧性流等。