第01讲 变质作用的基本概念_2012

变质岩与变质岩石学(MetamorphicRocksandMetamorphicPetrology)陈能松：岩矿系Tel:027-87482984（O）Mob.[phone]沉积岩在表生环境中因沉积作用而形成，其作用营力来自外力，包括水、大气、太阳、等等岩浆岩初始物质——高温熔浆，呈熔融态，形成于上地幔或地壳深处，于深部结晶或喷出地表冷凝结晶或淬火变质岩形成于地壳深处，基本在固态下转变形成在岩石圈地壳环境中，先存岩石（原岩）的矿物、结构和构造发生固态转变过程的总和，称变质作用，因矿物、结构和构造发生固态转变而形成的新的岩石称变质岩。正变质岩—原岩为岩浆岩；副变质岩—原岩为沉积岩；复变质岩—原岩为变质岩问题2：什么触发这些机制发生和进行（why)？——变质作用的影响因素（外因和内因；地质因素与物化因素）问题1：变质岩是如何形成的呢？其具体细节如何？——变质作用形成方式，又称变质作用机制（How?)本节内容：1：变质作用方式2：变质作用的影响因素3：变质作用类型4：岩石成因类型第一讲变质岩的形成过程一、变质作用机制（形成方式）二、变质作用的影响因素三、变质作用类型及其特征（自学）四、变质岩的成因类型（后续展开）一、变质作用方式又称变质作用机制或变质作用过程,与沉积岩和岩浆岩一样，也是相当复杂多样，主要包括变质结晶、变形和变质分异等3种作用方式。在高级（温）变质中还可发生深熔作用（部分熔融），在埋藏变质中可出现压实作用，但两者主要分属于岩浆作用和沉积作用范畴，故不在此叙述。1.变质结晶作用先存岩石在变质作用温度压力等条件范围内发生的矿物再生长作用称变质结晶作用。变质结晶包括重结晶作用交代作用1.1重结晶作用（recrystallization）——岩石在基本固体状态下的矿物结构调整/或通过化学反应形成新矿物的过程。重结晶前后，岩石总的化学成分（除H2O、CO2等挥发分外）基本保持不变。狭义的重结晶——矿物结构调整：纯灰岩通过粒度加粗而转变为大理岩纯灰岩粗粒大理岩细粒大理岩原岩为单矿物岩只有结构变化而无成分变化含石英大理岩的矿物、结构变化a.低温下Cc+Qb.化学反应Cc+Q=Wo+CO2↑，开始在残留石英的边缘上形成Wo反应边c.反应完成，石英因含量少而全部消耗，未参与反应的Cc和新生长的Wo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方解石石英方解石石英方解石硅灰石1.2交代作用（metasomatism）交代作用指固体岩石在化学活动性流体的作用下，通过造岩组分的带入或带出，而使岩石总化学成分（除H2O、CO2等挥发分外）和矿物成分发生部分或全部变化的过程。岩石在交代过程中，其体积基本保持不变。重要概念：异化学作用——交代作用等化学作用——重结晶作用交代作用也可在成岩阶段发生。发生在变质条件下的交代作用称为变质交代作用。Korzhenskii（Коржинский,1957）对交代作用研究的贡献活动组分：可带入带出，其含量与发生交代的体系的原始成分无关，交代前后的浓度（含量）发生改变，以H，F，Cl,S和碱金属元素和碱土金属/大半径亲石离子常见；惰性组分：基本不发生带入带出，其含量仅与发生交代的体系的原始成分有关，交代前后组分的浓度（含量）不发生改变，以重金属元素或超场强元素常见；Korzhenskii（Коржинский,1957）对交代作用研究的贡献交代机制——发生交代作用的组分是如何运移的？渗透（infiltration）：组分受压力差驱动，随溶液流动，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；流体在交代过程中起着物质搬运迁移的媒介和交代反应催化剂的双重作用Korzhenskii（Коржинский,1957）对交代作用研究的贡献双交代作用可改变岩石的矿物组成、结构和构造2.变质分异（metamorphicdifferentiation）原先均匀的岩石受变质作用而成为具有成分分“层”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。变质分异产生成分层机理的一些现象（1）扩散反应带（封闭体系）（2）构造剪切重置（构造分异）（3）构造压扁（图17-8）3.变形（Deformation)岩石在应力作用下，发生永久形变，使之在结构和构造发生改变，从而形成变质岩的作用过程。依据变形性质的不同而分脆性变形和塑性变形脆性变形（brittledeformation）脆性变形一般使原来的岩石完全失去内聚力，表现为破裂、碎裂、碎粒、碎粉化之特征。塑性变形（plasticdeformation）塑性变形一般不使岩石石失去内聚力，分晶内（intra-）塑性变形与晶界（inter-）塑性变形两种；晶内塑性变形表现为晶体晶内滑移（gliding）和位错（dislocation），镜下可见晶体内部发育机械双晶、变形纹、扭折带、书斜构造、鱼状晶体、动态重结晶等；晶界塑性变形表现为边界滑移和扩散流动。二、变质作用的影响因素controllingfactors变质作用因素指使变质作用（重结晶、变质反应、变形、变质分异）发生的物理的或化学的推动力根本原因：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。从物理化学角度看，控制变质作用的因素可以抽象为温度（T）、压力（P）、流体组分（x）、时间（t）等物化因素，这也是将物理化学引入岩石学的出发点。1.1（对变质作用机制的）影响温度将影响变质重结晶作用的进行，升温有利于吸热反应(如脱挥发份反应)，提高反应速率和利于晶体生长；降低温度将使变质反应向放热方向进行；温度升高利于脆性变形向韧性变形转变，从而改变岩石的变形行为；温度升高有利于交代作用和变质分异进行；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.温度(temperature,heat)1.2进变质、退变质和变质峰期因温度增高而进行的变质作用称进级变质作用（ProgradeMetamorphism）当变质温度条件达到最高值时，称变质顶峰（MetamorphicPeak）或热峰（ThermalPeak）峰期后因冷却降温而发生的变质作用称退级变质作用（RetrogradeMetamorphism），简称退变质作用。1.3变质温度范围和变质级源热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构造摩擦热地热梯度：地球内部温度随深度的改变率（oC/Km）2．流体成分（x）变质作用过程基本上在固态下进行，但岩石中通常含有~1V%的液体相。以H2O,CO2,为主体；当液体相呈超临界状态（super-criticalstate）时，区分不出液体和气体，称流体。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，习称具化学活动性的流体；流体中的成分可直接参加岩石的形成（变质反应），成为矿物晶格的一部分；流体作为介质为组分运移提供载体，或媒质促进矿物的溶解速率、促进深熔作用而混合岩化和降低脆-韧性变形温度等3.1压力分类负荷压力（Pl）：指向地球中心流体压力（Pf）偏应力（Pd）地质环境中存在3种类型的压力：静水压力（Ps）：热力学压力，可以写入热力学方程中，其数值的增高，可导致摩尔体积小，密度大的高压矿物生成。3.压力3.2压力分类负荷压力（Pl）：Pl=ρgDPl(GPa)=9.81ρD(Km)10-3流体压力：Pf=PH2O+PCO2+…..流体超压=Pf-Pl定向应力（Pd）偏应力（非静水压力）=A-B平均应力（具静水压力性质）=（A+B）/2构造超压=平均应力-负荷压力（Pl）3.3负荷压力范围和变质作用P/T比类型4．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（Geologicalage），即不同时代变质作用的特点不同，这是由地球演化的方向性和不可逆性决定的；二是一次变质作用事件自始至终所经历的时间跨度（timespan），尤其是变质热峰持续时间，足够长的时间可以使变质反应得以彻底进行。热力学只考虑过程的始态和终了态，而动力学则考虑时间因素。变质作用动力学是变质岩石学研究的一个极其重要的学科前沿：视考虑的尺度分为变质作用地球动力学（dynamics）和变质反应动力学（kinetics）两个领域。三、变质作用的地质分类1．局域变质作用（1）接触热变质作用（2）断层变质作用（3）冲击变质作用（4）交代变质作用（5）边缘混合岩化（6）雷击变质作用（7）燃烧变质作用2．区域变质作用（1）俯冲带变质作用（2）碰撞带变质作用（3）洋底变质作用（4）埋藏变质作用（5）区域混合岩化以地质产状分TypesofMetamorphismOrogenicMetamorphismFigure21-6.Schematicmodelforthesequential(ac)developmentofa“Cordilleran-type”oractivecontinentalmarginorogen.Thedashedandblacklayersontherightrepresentthebasalticandgabbroiclayersoftheoceaniccrust.FromDeweyandBird(1970)J.Geophys.Res.,75,2625-2647;andMiyashiroetal.(1979)Orogeny.JohnWiley&Sons.四、变质岩的成因类型1．局部变质作用（1）接触变质岩（2）动力变质岩（3）交代岩（4）边缘混合岩2．区域变质作用（1）区域变质岩（2）洋底变质岩（3）埋藏变质岩（4）区域混合岩问题变质岩、沉积岩和岩浆岩形成过程的异同和影响因素？