第1章 变质作用基本概念

有偏应力时：平均应力=（σA +σB）/2 构造超压=平均应力 - 负荷压力
流体超压= Pf - Pl
变质作用的压力范围
温度与静水（负荷）压力之间的关系： 地热梯度：地温随深度的变化
2．流体成分（x）
变质岩中含H2O矿物（云母、角闪石等）、 碳酸盐矿物及这些矿物包裹体的存在，特别 是流体包裹体的存在，是变质作用过程中存 在流体相的直接证据。 变质作用P—T条件通常大于临界点(CP)， 因此流体相呈超临界状态（super-critical state）。在这种状态下，区分不出流体和气 体。
定义:岩石在变质条件下的结晶作用称变质结晶作用 （metamorphic crystallization）。 ★重结晶作用(recrystallization)
等化学变质作用：变质前后岩石的总化学成分不发生改变的变质作用
★交代作用(metasomatism)
异化学变质作用：变质前后岩石的总化学成分发生改变的变质作用
三、变质作用方式
1.变质结晶（metamorphic cryatallization） 2.变形(deformation ) 3.变质分异(metamorphic differentiation )
变质作用的方式 1.变质结晶（metamorphic cryatallization） 2.变形(deformation ) 3.变质分异(metamorphic differentiation )
导致温度变化的原因？
• 热传输方式 热传导：由热梯度导致，通过质 点震动方式传输热能。其强弱 决定于温度差和传导物质的导 热率。 热辐射：发光体以电磁波的形式 传输热量。 热对流：通过物质运动方式传输 能量。
岩石圈中的热源： • 岩浆侵入
• 地幔对流
• 放射性元素的衰变
压力(P) • 压力的标准国际单位为Pa(帕斯卡)、 GPa(=109Pa)，地质上也常用bar(巴)和 Kbar(=103bar)。它们之间的关系为： 1bar=105Pa,1Kbar=0.1GPa.
黑云母-石榴石温度计（P.456）
镁铝榴石
羟铁云母
铁铝榴石
金云母
交代作用 （metasomatism / replacement）
定义：指固体岩石在化学活动性流体作用下通过组分
带入带出而使岩石总化学成分（除H2O、CO2等挥 发分外）和矿物成分发生变化的过程。岩石在交代 过程中为一开放系统,但系统保持体积不变。
交代作用的方式:
渗透（infiltration）: 组分在压力差驱动下，借助溶 液的流动，从压力高处向压力低处迁移。
扩散（diffusion）: 组分在浓度差驱动下，从浓度高 处向浓度低处迁移。
三、变质作用方式
1.变质结晶（metamorphic cryatallization） 2.变形(deformation )： 岩石在应力作用发生形变应变。 3.变质分异(metamorphic differentiation )
★固溶体出溶
固-固反应之
★纯固相之间的反应
硬玉+石英=钠长石
有流体参加的反应
方解石+ 石英 = 硅灰石 + CO2
白云母 + 石英 = 钾长石 + 夕线石 + H2O
连续反应和不连续反应
根据反应物与生成物之间的关系，变质反应可分为 不连续反应和连续反应两类。 不连续反应：偏离了平衡条件，不是反应物消失 （生成物稳定）就是反应物稳定（生成物消失）。 连续反应或滑动反应：在双变区中，成分不断调整， 反应的P-T条件取决于岩石成分。
形变类型:
弹性变形:
永久变形:
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 脆性变形(brittle 当应变增加并超 deforma-tion) 越弹性极限时岩 石产生不可恢复 的变形。 塑性变形(plastic deformation)
Figure 22-2. Schematic cross section through a shear zone, showing the vertical distribution of fault-related rock types, ranging from non-cohesive gouge and breccia near the surface through progressively more cohesive and foliated rocks. Note that the width of the shear zone increases with depth as the shear is distributed over a larger area and becomes more ductile. Circles on the right represent microscopic views or textures. From Passchier and Trouw (1996) Microtectonics. Springer-Verlag. Berlin.
变质作用是一个岩石基本保持固体状态下的转变过程
岩石是如何在这种状态下实现矿物成分、结构构造
甚至化学成分变化的呢？这就是变质作用机制问题。与岩浆
作用、沉积作用相比，变质作用机制较复杂多样，主要包括 变质结晶、变形和变质分异等3类。 此外，在高级变质中还可出现部分熔融，在埋藏变 质中甚至可出现压实作用，它们主要分属于岩浆作用和沉积 作用范畴，故不在此叙述。
Fig.1 辉长岩体周围的变燧石岩中,粒度与 距岩体距离之间的关系
Exp. 2 变质反应
石英
方解石
硅灰石
Fig.2 含石英大理岩的结构随温度的演化
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
变质岩岩石学
变质作用的基本概念
Introduction to Metamorphism
一、变质作用
1. 定义(definition) 指岩石为适应物理化学条件的变化,在基本 保持固态条件下发生的矿物组成,结构构造和化 学组成等方面的调整.
*** 注意点
1) 基本保持固态(subsolidus),但是不排除有少量的流体相(如熔体) 2) 变质作用发生时的物化条件不同于地表条件,也不同于地表以下的成岩 环境. 3) 变质以前的岩石称为原岩(protolith),变质以后的岩石称为变质岩 (metamorphic rock)
成岩作用与变质作用的过渡关系
岩浆作用与变质作用的过渡关系
拉斑玄武岩在过量水 条件下的液相线
拉斑玄武岩在过量水 条件下的固相线
拉斑玄武岩在无水添 加条件下的固相线 拉斑玄武 岩在无水 添加条件 下的液相 线
图17-9 P259 可见 ：1）基性岩的部分熔融和完全熔融均难于酸性岩 2）流体作用异常显著地降低了基性岩的熔融温度
1.1 重结晶作用
•重结晶作用（recrystallization）
指岩石在基本保持固体状态下的矿物重 新组合和通过化学反应形成新矿物的过程。 重结晶前后，岩石总化学成分（除H2O、 CO2等挥发分外）保持不变(即岩石为封闭 系统)。
Exp.1 矿物重新组合（狭义的重结晶作用）
只涉及矿物形状、大小、 空间位置变化而无新矿物 的生成. 重新组合使得同种矿物颗 粒粒度增大，相对大小均 匀，颗粒外形规则。 在理想的单矿物岩石中， 三连点结构，即相邻颗粒 间的晶面夹角为120º，是 结构最稳态的表现，也是 化学平衡的表现。
0.05GPa（1）和0.1Gpa（2）下随 着温度降低流体不混溶图解
3．时间（t）
变质作用时间因素通常从两个角度理解：
一是变质作用发生的地质时代，即不同时代
变质作用的特点不同，这是由地球发展的方
向性和不可逆性决定的；二是一次变质作用
自始至终所经历的时间，不同时间变质作用
的特点不同，关于这一点下面进一步阐述。
岩浆作用与变质作用的过渡关系
白云母花岗岩在过量 水条件下的液相线
白云母花岗岩在过量 水条件下的固相线 白云母花岗岩在无水 添加条件下的固相线
白云母花岗岩在无水 添加条件下的液相线
图17-9 P259 可见 ：1）流体的加入可以显著降低部分熔融的起始温度 2）在流体的作用下来自百度文库浆作用与变质作用之家的界线将显著 偏向低 温方向
硬玉+石英=钠长石
不连续反应
连续反应
石榴石+ H2O = 绿泥石+ 石英
交换反应与净反应
净反应涉及到矿物占位质点的原子数目变 化的反应。 例如： NaAlSi2O6 + SiO2 = NaAlSi3O8 硬玉+石英=钠长石
交换反应不涉及到矿物占位质点的原子数 目变化，仅改变各占位中类质同像元素之间比 例的变化，属于温度敏感型反应，因此是良好 的温度计。
变质反应的基本类型:
★多形转变
固-固反应
★固溶体出溶 ★纯固相之间的反应 (连续反应与不连续反应)
有流体参加 的反应
★H2O,CO2参与的反应 ★化学活动性流体参与的反应
固-固反应之 ★多形转变phase transformation
文石
固-固反应之
0.2 Gpa的水压 下 钠长石-正长石体系 的T-X 相图
• 概念 • 静水压力(hydrostatic pressure) • 负荷压力 (lithostatic pressure)
• 定向压力 (directed pressure) • 流体压力 (fluid pressure)
1km厚的岩石柱产生的压力增值估算： 花岗岩：P=2700kg m-3· 9.8m s-2· 1000m =264×105Pa=264bar 玄武岩：P=3000kg m-3· 9.8m s-2· 1000m =294×105Pa=294bar 橄榄岩：P=3300kg m-3· 9.8m s-2· 1000m =323×105Pa=323bar
晶内塑性滑移与压溶现象比较 a.原始颗粒；b.晶内塑性滑移；c.压溶，其 中C代表溶解表面，O代表原始颗粒轮廓
Figure 23-2 a. Highest strain in areas near grain contacts (hatch pattern). b. High-strain areas dissolve and material precipitates in adjacent low-strain areas (shaded). The process is accompanied by vertical shortening. c. Pressure solution of a quartz crystal in a deformed quartzite (s1 is vertical). Pressure solution results in a serrated solution surface in high-strain areas (small arrows) and precipitation in low-strain areas (large arrow). ~ 0.5 mm across. The faint line within the grain is a hematite stain along the original clast surface. After Hibbard (1995) Petrography to Petrogenesis. Prentice Hall.
塑性变形机制
直线滑移 双晶 扭折 位错蠕变
晶内塑性变形
晶界塑性变形 恢复作用 动态重结晶作用 静态重结晶作用
压溶 颗粒边界滑移
• 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
• 塑性扭折的几何特征
• 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
洋壳（以5km厚计）底部的负荷压力约为0.15GPa。 陆壳的(平均厚度33km计)底部的负荷压力约为1.0GPa。 增厚陆壳(以70-80km计)，底部的负荷压力可达2Gpa左 右。
作用于单位岩石的不同压力类型简图
σA
Pl σB σB Pl
Pl
Pf
Pl
σA 无偏应力时：σA = σB 一般情况下：Pl = Pf
2.变质岩研究的基本要求:
回答什么样的原岩在什么样的变质机制下遭受 了何种程度的变质作用。
二、导致变质作用发生的因素
变质作用
=
复杂化学体系内的物理化学反应+/- 变形
• 温度（Temperature） • 压力（Pressure） • 化学活动性流体（active fluids） • 时间（time） • 原岩性质( bulk composition) •差异应力(deviatoric stress)
1.温度(T )和压力(P )
温度（T）
• 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。 • 温度升高还可改变岩石的变形行为，从脆性变形 向塑性变形转化。 • 温度升高还会通过脱水反应、脱碳酸反应形成变 质热液作为催化剂、搬运剂和热媒介对变质作用 施加影响。 • 温度升高还会导致部分熔融而发生混合岩化。