1

MetamorphicRocks變質巖石學趙軍紅:地球科學學院Tel:E-mail:2參考資料1-《巖石學》路鳳香、桑隆康主編著,20022-變質巖石學教程,游振東,王方正主編,19883-PrinceplesofMetamorphicPetrology.R.H.Vernon,G.L.,Clarke,2008.4-課程網站:5-《巖石學》桑隆康，馬昌前主編，地質出版社，2012.3平時成績(40%)+考試成績(60%)考試成績(60%)=筆試+薄片描述.4第1講:變質作用的基本概念第2講:變質巖的基本特征與分類命名第3講:共生分析第4講:接觸變質巖第5講:動力變質巖第6講:區域變質巖教學計劃567變質作用的基本概念一方式二因素三P-T-t軌跡(過程)四地質分類8

變質作用

定義(definition)

指巖石為適應物理化學條件的變化,在基本保持固態條件下發生的礦物組成,結構構造和化學組成等方面的調整.

注意

1)

基本保持固態,但是不排除有少量的流體相(如熔體)2)變質作用發生時的物化條件不同于地表條件,也不同于地表以下的成巖環境.3)變質以前的巖石稱為原巖(protolith),變質以后的巖石稱為變質巖(metamorphicrock)

92.變質巖研究的基本要求:回答什么樣的原巖在什么樣的變質機制下遭受了何種程度的變質作用10變質作用是一個基本保持固體狀態下的轉變過程，方式：1.重結晶2.變質結晶3.交代作用4.變質分異5變形此外，在高級變質中還可出現部分熔融——主要屬于巖漿作用范疇在很低級變質（埋藏變質）中甚至可出現壓實作用——主要屬于沉積作用范疇一、變質作用方式

MetamorphicMechanism11重結晶和變質結晶重結晶=變質作用條件下,原先存在的礦物顆粒重新組合,只有形狀大小的變化,沒有新礦物的生成.也包括成核和生長兩個步驟變質結晶=變質作用條件下,原巖保持固態,有新礦物的生成和舊礦物的消失,即有化學反應發生12重結晶+變質結晶作用recrystallization重結晶=巖石在基本保持固體狀態下的礦物重新組合（不形成新礦物）-物理過程變質結晶=通過化學反應形成新礦物的過程-化學過程重結晶前后，巖石總化學成分不變（除H2O、CO2外，封閉系統）13圖17-1變燧石巖粒徑對距輝長巖接觸帶距離圖解單礦物Si/Ca質巖的重結晶礦物的重組合，無變質反應、無礦物成分變化，僅結構變化當達到最低顆粒界面能的情況下，相鄰晶面之間的面間角約為120°(達結構平衡)14c.反應完全，粒度進一步增大，形成新的高溫條件下穩定的礦物組合Cc+Wo和平衡結構a.低溫下Cc+Q平衡結構

石英方解石b.溫度超越Cc+Q=Wo+CO2↑反應溫度時，粒度增大的同時Q與Cc反應，形成Wo反應邊。在Wo集合體內有少量Q殘留，不平衡結構多礦物巖的變質結晶發生變質反應，導致礦物成分和結構變化硅灰石

a

b

c15同質多相轉變固溶體出溶固固間化學反應16★重結晶作用-礦物重新組合,單礦物相★變質結晶作用-變質反應,多礦物相共性:1-等化學變質作用：變質前后巖石的總化學成分不發生改變的變質作用;2-封閉體系

17滲透*裂隙溶液中*組分遷移驅動力為壓力差2交代作用(metasomatism)

固體巖石在化學活動性流體作用下通過組分帶入帶出而使巖石總化學成分和礦物成分發生變化的過程。巖石在交代過程中保持體積不變（開放系統）擴散*粒間孔隙溶液中*組分遷移驅動力為濃度差18可以在系統中帶入帶出的組分稱為活動組分(mobilecomponents)

流體相是完全活動組分。通常的變質作用也會造成巖石的H2O、CO2和Fe的價態變化，巖石系統為封閉系統，從化學角度稱為等化學變質作用

isochemicalmetamorphism伴隨交代作用，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Si4+等金屬陽離子也成為活動組分可帶入帶出時，巖石系統是開放系統，這種使巖石總化學成分除H2O、CO2等揮發分外，其它組分也發生變化的變質作用稱為異化學變質作用

allochemicalmetamorphism變質作用的化學分類chemicalclassification19重結晶交代封閉系統開放系統無組分帶入帶出組分帶入帶出礦物成分可不變礦物成分改變巖石總化學成分不變巖石總化學成分改變體積改變體積不變變質結晶作用203.變質分異（metamorphicdifferentiation)

使原先均勻的巖石發育成分層的變質過程成分層：條帶狀或透鏡狀礦物巖石/礦物集合體變質分異產生成分層的機理主要有：（1）成分層代表變質結晶（2）成分層的發育是構造重結晶的結果（優先成核、壓溶）（變質結晶＋變形）（3）成分層是強烈壓扁（塑性變形）的結果212223變質結晶塑性變形242526形變類型:彈性變形:永久變形:應變在應力施加時立即發生，應力撤消時，巖石立即恢復至原先未變形狀態脆性變形(brittledeforma-tion)塑性變形(plasticdeformation)當應變增加并超越彈性極限時巖石產生不可恢復的變形。4變形(deformation)

27不同環境條件不同變形行為

a.

近地表低溫低壓和較高應變速率條件下，巖石顯示脆性行為永久變形機制為脆性變形，表現為巖石沿裂縫破裂，產生碎裂和斷裂b.地下高溫高壓特別是當應變速率低時，巖石顯示塑性行為，巖石永久變形主要由于塑性流動產生，導致礦物畸變和褶皺而沒有破裂偏應力施加于巖石，當應變增加至超越彈性極限，巖石就會產生永久變形

28單個晶體的扭折直線滑移雙晶滑移顆粒邊界的滑移擴散流動晶內塑性變形晶界塑性變形地下較高溫壓條件下塑性流動導致的永久變形不改變晶格方位改變晶格方位產生機械雙晶粒內變形不均勻而在滑移中發生旋轉，導致滑移面彎曲扭折機械的化學的29靜態重結晶：無偏應力參與的重結晶作用（通常無定向！）動態重結晶：在偏應力參與下，伴隨變形而發生的重結晶（定向構造）30

在偏應力影響下的變質作用過程中單礦物巖石結構變化理想序列簡圖(Raymond，1995)原始顆粒(這里是石英砂)第一階段發育變形帶第二階段顆粒邊緣多邊形化第三階段粒度加大伴隨顆粒邊界變直31二、變質作用因素控制變質作用的根本因素是地質因素，構造過程（沉降、隆升等）、巖漿作用等。從物理化學角度看（物理化學因素）1.溫度（T）、壓力（P）2.流體成分（x）3.時間（t）變質作用=復雜化學體系內的物理化學反應+/-變形321.溫度(T)和壓力(P)溫度（T）－－最重要的因素T升高有利于吸熱反應，T降低反應向放熱方向進行可大大加快變質反應速率和晶體生長T升高可改變巖石的變形行為，從脆性變形向塑性變形轉化T升高會通過脫水反應、脫碳酸反應形成變質熱液作為催化劑、搬運劑和熱媒介對變質作用施加影響此外，T升高還會導致部分熔融而發生混合巖化33變質作用溫壓范圍

1--白云母花崗巖在過量水條件下的固相線2--白云母花崗巖在過量水條件下的液相線3--白云母花崗巖在無水添加條件下的固相線4--白云母花崗巖在無水添加條件下的液相線

5--拉斑玄武巖在過量水條件下的固相線6--拉斑玄武巖在過量水條件下的液相線

7--拉斑玄武巖在無水添加條件下的固相線8--拉斑玄武巖在無水添加條件下的液相線34壓力(P)

壓力的標準國際單位為Pa(帕斯卡)、GPa(=109Pa)，地質上也常用bar(巴)和Kbar(=103bar)。換算關系：1bar=105Pa,1Kbar=0.1GPa

熱力學上的壓力P是各向相等的靜水壓力,它影響礦物相平衡。壓力增加，有利于體積縮小的反應，形成高密度礦物組合35作用于單位巖石的不同壓力類型簡圖σA.垂直直應力；σB.側向直應力；

Pl.負荷壓力；Pf.流體壓力。負荷壓力Pl來自上覆巖石柱定向壓力來自構造運動流體壓力來自粒間孔隙流體壓力來源36在變質作用P-T條件下，巖石經常含流體相，充填于孔隙空間和沿顆粒邊界分布。Pf增大到＝Pl時即與Pl達平衡，Pf進一步增加，在系統高度封閉、不易擴散的情況下，會造成局部Pf大于Pl的情況，其差值稱作流體超壓，它趨向于使顆粒分離產生破裂，變質作用下流體超壓不超過0.1GPa

負荷壓力－作用于礦物顆粒邊界使顆粒結合在一起流體壓力作用在顆粒表面，趨向于使顆粒分開37由上述討論可知，總壓力P=Pl+構造超壓+流體超壓但由于構造超壓和流體超壓都比較小，使得在變質作用大多數情況下，我們可以假定P≈Pl。381km厚的巖石柱產生的壓力增值估算：花崗巖：P=2700kgm-3·9.8ms-2·1000m=264×105Pa=264bar玄武巖：P=3000kgm-3·9.8ms-2·1000m=294×105Pa=294bar橄欖巖：P=3300kgm-3·9.8ms-2·1000m=323×105Pa=323bar根據地質壓力計測定，現今出露在地表變質巖大多數在壓力0.1~1.0GPa、深度約3-35km范圍內結晶洋殼（以5km厚計）底部的負荷壓力約為0.15GPa。陸殼的(平均厚度33km計)底部的負荷壓力約為1.0GPa。增厚陸殼(以70-80km計)，底部的負荷壓力可達2Gpa左右。39一些在俯沖帶或大陸碰撞帶及其附近變質的巖石，看來似乎在100km或更深的地幔深度結晶。指示如此超高壓（ultrahigh-pressure）條件的礦物是柯石英（Coe）和金剛石（Dia）。它們在約3.0GPa以上的壓力下穩定40

2．流體成分Fluidcomposition（x）變質巖中含H2O礦物（云母、角閃石等）、碳酸鹽礦物及這些礦物包裹體的存在，特別是流體包裹體的存在，是變質作用過程中存在流體相的證據早先，人們認為下地殼和上地幔是缺乏流體的。然而，近30年來變質巖和上地幔巖的流體包裹體研究證明，即使在麻粒巖和地幔巖中流體也是廣泛存在的對整個巖石圈而言，H2O、CO2是流體的最主要成分，可近似看成流體相由H2O和CO2組成41不同成分流體在溫度大于300~400℃可以彼此完全混溶。因此，在通常變質作用P-T條件下，流體相為均一的一相。不同成分（H2O，CO2）彼此起稀釋作用。以摩爾分數表示其濃度，則

xH2O+xCO2=1這個表達式可近似表達巖石圈中流體組成0.05GPa（1）和0.1Gpa（2）下隨著溫度降低流體不混溶圖解（引自Marakushev，1991）42

變質作用中涉及大量有流體相參加的反應。流體成分對這些反應有強烈影響。對脫水反應和脫碳酸反應，流體xH2O的增加（即xCO2減少），反應將向xH2O減少，xCO2增加方向進行，即阻礙脫水反應而促進脫CO2反應進行。提高脫水反應溫度、降低脫CO2反應溫度。相反，則將促進脫水反應而阻礙脫CO2反應進行

流體中還溶解有K、Na、Ca、Si等造巖組分和Fe、Cu、Ag等成礦組分，在開放系統條件下，巖石在流體作用下發生元素帶入帶出與環境發生物質交換，造成巖石的化學成分變化，并可形成礦床。因此，流體對交代作用和成礦作用起促進作用

另一方面，流體作為催化劑可大大提高變質反應（包括交代反應）的速率。在沒有流體參予的干系統中，反應難以發生或難以反應完全43①原巖中的流體主要是沉積巖中的孔隙流體，在埋藏變質中起重要作用②海水在洋底變質和俯沖帶變質中起重要作用③變質流體源于變質過程中脫流體反應，廣泛出現在各類變質環境④巖漿流體在接觸變質和交代變質中起重要作用⑤深源流體主要來自地幔放氣作用，是高級變質的流體相主要來源變質作用過程中流體主要來源：443．時間（t）變質作用時間因素通常從兩個角度理解：變質作用發生的地質時代，即不同時代變質作用的特點不同，這是由地球發展的方向性和不可逆性決定的一次變質作用自始至終所經歷的時間，不同時間變質作用的特點不同45三、變質作用P-T-t軌跡P-T-tpathofmetamorphismP-T-t軌跡（P-T-tpath）就是“巖石在變質作用過程中P-T條件隨時間（t）的變化而變化的歷程或在P-T圖解中表示該歷程的曲線”（Miyashiro,1994）P-T-t軌跡概念的提出，是變質作用理論研究的重大突破，它使得人們從動態的觀點，重新審視變質巖石學領域的一些重大問題和基本概念，是標志著變質作用研究進入地球動力學階段的里程碑

1．P-T-t軌跡的概念461、2、3：變質程度增高為序的變質帶A、B、C巖石樣品在剖面上的位置（圖a）及其相應的熱峰條件（圖b）Tmax：巖石樣品經歷的最高溫度（熱峰溫度）Pmax：巖石樣品經歷的最大壓力t0：巖石在埋藏停止時刻處于最大深度（壓力為Pmax）時的地熱梯度t1、t2、t3：侵蝕過程中的瞬時地熱梯度△D：巖石樣品1、樣品2在掩埋停止時刻的厚度差△P：巖石樣品1、2熱峰壓力差點劃線：進變質P-T軌跡實線：退變質P-T軌跡FPC：野外P-T曲線SSG：與埋藏后陸殼熱補給平衡的穩態地熱梯度2．大陸碰撞造山帶的P-T-t軌跡構造演化兩個階段陸殼（或巖石圈）增厚階段侵蝕階段熱演化三個階段埋藏期加熱期冷卻期P-T-t軌跡包括相應的三個段落47（1）埋藏期：逆沖、褶皺等構造原因使地殼（或巖石圈）縮短增厚，發生構造埋藏。淺部低溫巖層迅速進入深部，巖石所處壓力迅速增高，但溫度增加沒有這么快。這是由于環境通過熱傳導的加熱作用相對要慢得多而發生滯后。結果，使地熱梯度迅速偏離增厚前的穩態地熱梯度不斷降低而出現熱擾動。當埋藏停止時，各處巖層到達壓力最大值Pmax，地熱梯度為t048（2）加熱期或熱松弛期：

侵蝕作用開始階段。P開始降低，同時由于熱傳導的加熱作用繼續進行，而出現熱松弛。隨著P降低，T不斷升高，地熱梯度也不斷增加，向埋藏后陸殼熱補給平衡的穩態地熱梯度SSG方向變化。樣品3到達溫度最大值Tmax，地熱梯度為t249（3）冷卻期：熱峰過后，隨著較迅速地侵蝕，巖石越來越接近地表，因為熱的散失量超過加入量而出現冷卻期。在冷卻期，巖石上升減壓的同時溫度下降，地熱梯度繼續增加，向穩態的熱梯度發展。例如巖石樣品3在上升的某個時刻瞬時地熱梯度為t3。這一階段開始，溫度下降緩慢，隨著越接近地表，溫度下降越快，地熱梯度也更接近穩態地熱梯度。

50由上述可看出，變質作用是一個動態過程。在變質作用過程中，巖石的T-P條件，地熱梯度都不是靜止不變的，而是隨時間的改變而不斷變化，這是P-T-t軌跡思想的核心這些軌跡中，P、T、x等條件由變質礦物和礦物包裹體記錄，時間t由專門的定年方法測定513．幾個有關的基本概念熱峰條件和變質級

野外P-T曲線和變質作用P/T比類型

進變質和遞增變質退變質和退化變質52熱峰條件：巖石在變質作用過程中經歷的最高溫度狀態時的條件，包括熱峰溫度、熱峰壓力等。也稱為頂峰變質條件，由變質巖礦物組合所記錄。變質級：指示變質作用的熱峰溫度：很低級、低級、中級、高級分別與很低溫、低溫、中溫、高溫相當53野外P-T曲線在P-T圖解上，各變質帶巖石樣品礦物組合相應的一組熱峰條件的連線叫作野外P-T曲線、視地熱梯度或野外變質梯度，一個變質地區不同變質帶的巖石樣品，在不同時刻到達熱峰，野外P-T曲線是穿時的變質作用P/T比類型高P/T型（高壓型）：＜20℃/km中P/T型（中壓型）：20~40℃/km低P/T變質（低壓型）：40~80℃/km很低P/T型（很低壓型）：＞80℃/km通常以視地熱梯度劃分54進變質：巖石在熱峰前溫度隨時間而增加過程中發生的變質結晶作用－－單個巖石P-T條件隨時間變化由P-T-t軌跡的進變質段落（圖中點劃線）描述。遞增變質(前進變質)：是一個變質地區地表一定方向熱峰溫度連續有規律地增加的變質作用－－變質地區空間上的熱峰溫度的增加由野外P-T曲線描述。55CoomaMetamorphicComplex,NewSouthWales,Australia56退化變質：用于兩個不同過程：①上面定義的退變質；②復變質中，比老的變質事件溫度低的較年青的變質重結晶事件，新老兩事件屬于不同的造山幕

退變質：巖石在熱峰后伴隨溫度降低發生的變質重結晶作用，如圖中實線上的變質結晶作用。57地殼增厚的仰沖模式a-a’仰沖前;b-b’仰沖后;c.PTt軌跡.

時間大約20Ma

a-a’地殼增厚前;b-b’地殼增厚后;c.PTt軌跡地殼增厚的純剪切模式

同一碰撞帶不同深度變質巖的PTt軌跡61四、變質作用的地質分類

局部變質作用（localmetamorphism）

分布局限（<100km3）

局限分布在一個具體的地質構造（斷裂帶、接觸帶等）往往一個因素、一種機制起主導作用。

在局部變質地區可清楚觀察到變質與未變質巖漸變過渡區域變質作用（regionalmetamorphism）

巖石圈范圍規模巨大（>數千km3）

地質環境多樣，可發生在大陸地殼、大洋地殼甚至發生在巖石圈地幔中

變質因素復雜，往往是溫度、壓力、偏應力和流體綜合作用，P/T比范圍很大，高、中、低、很低都有。其變質機制也多樣，主要是重結晶和變形，有時還伴有明顯的交代和部分熔融

在區域變質地區，很難找到變質巖與未變質巖的界線621.局部變質作用(1)接觸－熱變質作用、(2)動力變質作用、(3)沖擊變質作用、(4)交代變質作用（1）接觸－熱變質作用contact-thermalmetamorphism

分布在侵入體與圍巖接觸帶主要由巖漿熱而導致主要控制因素為溫度，具有很低P/T比主要變質機制為重結晶根據產狀63分布在斷裂帶，可與不同的區域變質伴生構造作用導致。主要控制因素為偏應力，具有高至低P/T比，但通常P/T比較高主要變質機制為變形（脆性變形和韌性變形）及動態重結晶（2）動力變質作用（dynamicmetamorphism）64分布在隕石坑附近在隕石沖擊地表的強大沖擊波作用下產生，瞬時的高壓、高溫條件是其控制因素變形和伴隨的部分熔融是主要的變質機制

（3）沖擊變質作用（impactmetamorphism）MeteorCrater,Arizona,USA

65局限分布于侵入體接觸帶及其附近和火山噴氣活動區主要由巖漿熱液引起，因素主要為流體中的活動組分化學位（或濃度）機制主要為交代作用（擴散交代和滲透交代）（4）交代變質作用metasomaticmetamorphism與金屬礦床關系密切，常產在熱液礦脈兩側，所以又稱