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1、变质岩岩石学 Metamorphic Rocks第十七章第十七章 变质作用的基本概念变质作用的基本概念 Preliminary Ideas of Metamorphism 一一 机制机制 （“方式方式”）二二 因素因素 三三 P-T-tP-T-t轨迹轨迹(过程过程)四四 地质分类地质分类Rock cycle变质作用是一个变质作用是一个基本保持固体状态基本保持固体状态下的转变过程下的转变过程1.1.变质结晶变质结晶变质结晶变质结晶 Meta.CrystallizationMeta.Crystallization2.2.变形变形变形变形 DeformationDeformation3.3.变质分异
2、变质分异变质分异变质分异 Meta.differentiationMeta.differentiation此外，在高级变质中还可出现此外，在高级变质中还可出现部分熔融部分熔融主要属于岩主要属于岩浆作用范畴浆作用范畴在很低级变质（埋藏变质）中甚至可出现在很低级变质（埋藏变质）中甚至可出现压实作用压实作用主要属于沉积作用范畴主要属于沉积作用范畴一、变质作用机制一、变质作用机制 Metamorphic Mechanism1.变质结晶变质结晶 Metamorphic crystallization 也包括也包括成核成核nucleation和和生长生长growth两个步骤两个步骤 固态下成核多为在有成核
3、剂存在下的非均匀成固态下成核多为在有成核剂存在下的非均匀成核。核。成核剂成核剂可以是一个先成的固体颗粒界面或某一可以是一个先成的固体颗粒界面或某一变形构造等变形构造等 固态下晶体生长受固态下晶体生长受表面能表面能驱使，通过驱使，通过粒度增粒度增大和均匀化、颗粒界面平直化（多边形化）而不断大和均匀化、颗粒界面平直化（多边形化）而不断降低表面能，以达到表面能最低的结构稳定状态降低表面能，以达到表面能最低的结构稳定状态1.1 重结晶作用重结晶作用 recrystallization岩石在基本保持固体状态下的岩石在基本保持固体状态下的矿物重矿物重新组合新组合（不形成新矿物）和通过（不形成新矿物）和通过
4、化学化学反应反应形成新矿物的过程。重结晶前后，形成新矿物的过程。重结晶前后，岩石总化学成分不变岩石总化学成分不变（除（除H2O、CO2外，封闭系统）外，封闭系统）变质结晶主要有重结晶和交代两种机制变质结晶主要有重结晶和交代两种机制图图17-1 17-1 变燧石岩粒径对距辉长岩接触带距离图解变燧石岩粒径对距辉长岩接触带距离图解 单矿物单矿物Si/Ca质岩的质岩的重结晶重结晶矿物的重组合，无变矿物的重组合，无变质反应、无矿物成分质反应、无矿物成分变化，仅变化，仅结构变化结构变化当达到最低颗粒界面能当达到最低颗粒界面能的情况下，相邻晶面之的情况下，相邻晶面之间的间的面间角约为面间角约为120(达达结
5、构平衡结构平衡)c.反应完全，粒度进反应完全，粒度进一步增大，形成新的一步增大，形成新的高温条件下稳定的矿高温条件下稳定的矿物组合物组合Cc+Wo和平衡和平衡结构结构a.低温下低温下Cc+Q平衡结构平衡结构 石英石英方解石方解石b.温度超越温度超越Cc+Q=Wo+CO2反应温度时，粒度增反应温度时，粒度增大的同时大的同时Q与与Cc反应，反应，形成形成Wo反应边。在反应边。在Wo集合体内有少量集合体内有少量Q残留，不平衡结构残留，不平衡结构多矿物岩的重结晶多矿物岩的重结晶发生变质反应，导致矿物成分和结构变化发生变质反应，导致矿物成分和结构变化硅灰石硅灰石 a b c渗透渗透infiltratio
6、n裂隙溶液中裂隙溶液中组分迁移驱动力为组分迁移驱动力为压力差压力差1.2 交代作用交代作用metasomatism或或replacement 固体岩石在固体岩石在化学活动性流体化学活动性流体作用下通过作用下通过组组分带入带出分带入带出而使岩石总化学成分和矿物成分发而使岩石总化学成分和矿物成分发生变化的过程。岩石在交代过程中保持体积不生变化的过程。岩石在交代过程中保持体积不变变（开放系统）（开放系统）扩散扩散diffusion粒间孔隙溶液中粒间孔隙溶液中组分迁移驱动力为组分迁移驱动力为浓度差浓度差 可以在系统中带入带出的组分称为可以在系统中带入带出的组分称为活动组分活动组分mobile comp
7、onents 流体相流体相是是完全活动组分完全活动组分。通常的变质作用也会造成岩石通常的变质作用也会造成岩石的的H2O、CO2和和Fe的价态变化，岩石系统为的价态变化，岩石系统为封闭系统封闭系统，从化学，从化学角度称为角度称为 等化学变质作用等化学变质作用 isochemical metamorphism 伴随交代作用，伴随交代作用，K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Si4+等金属阳离等金属阳离子也成为活动组分可带入带出时，岩石系统是子也成为活动组分可带入带出时，岩石系统是开放系统开放系统，这种，这种使岩石总化学成分除使岩石总化学成分除H2O、CO2等挥发分外，其它组分也发生等挥发分外，其它组
8、分也发生变化的变质作用称为变化的变质作用称为 异化学变质作用异化学变质作用 allochemical metamorphism vv变质作用的化学分类变质作用的化学分类chemical classification重结晶重结晶交代交代封闭系统封闭系统开放系统开放系统无组分带入带出无组分带入带出组分带入带出组分带入带出矿物成分矿物成分可可不变不变矿物成分改变矿物成分改变岩石总化学成分不变岩石总化学成分不变 岩石总化学成分改变岩石总化学成分改变体积体积可可改变改变体积不变体积不变变质结晶作用机制变质结晶作用机制对对 比比2 变形变形 (deformation)不同环不同环境条件境条件 不同变不同变
9、形行为形行为 a.近地表近地表低温低压和较高应变速率条件下，岩石显低温低压和较高应变速率条件下，岩石显示示脆性行为脆性行为(brittle behavior)永久变形机制为永久变形机制为脆脆性变形性变形，表现为岩石沿裂缝，表现为岩石沿裂缝破裂破裂，产生，产生碎裂和断裂碎裂和断裂b.地下地下高温高压特别是当应变速率低时，岩石显示高温高压特别是当应变速率低时，岩石显示塑性行为塑性行为(plastic behavior)，岩石永久变形主要由岩石永久变形主要由于于塑性流动塑性流动产生，导致产生，导致矿物畸变和褶皱矿物畸变和褶皱而没有破裂而没有破裂 偏应力施加于岩石，当应变增加至超越弹性极限，岩石就会产
10、生永久变形偏应力施加于岩石，当应变增加至超越弹性极限，岩石就会产生永久变形 在在过渡区过渡区，岩石变形行为既有脆性特征，又有塑性特征，岩石变形行为既有脆性特征，又有塑性特征 ，永，永久变形由于久变形由于碎裂流动碎裂流动(cataclasticcataclastic flow)flow)而产生。变形岩石而产生。变形岩石宏观上显塑性变形特征，微观上显脆性变形特征宏观上显塑性变形特征，微观上显脆性变形特征 单个晶体的扭折单个晶体的扭折kinking直线滑移直线滑移translation gliding双晶滑移双晶滑移twinning gli.颗粒边界的滑移颗粒边界的滑移扩散流动扩散流动diffusi
11、ve flow 晶内塑性变形晶内塑性变形intracrystalline plastic deformation晶界塑性变形晶界塑性变形intercrystalline plastic defor.地下较高温压条件下塑性流动导致的永久变形地下较高温压条件下塑性流动导致的永久变形(塑性变形塑性变形)机制机制不改变晶格方位不改变晶格方位改变晶格方位改变晶格方位产生机械双晶产生机械双晶粒内变形不均匀而在粒内变形不均匀而在滑移中发生旋转，导滑移中发生旋转，导致滑移面弯曲扭折致滑移面弯曲扭折通过粒间流体相的扩通过粒间流体相的扩散流动称为散流动称为压溶压溶pressure solution化学迁移从晶体的
12、较大应化学迁移从晶体的较大应力边界区向其他部位迁移力边界区向其他部位迁移并在那里产生晶体生长并在那里产生晶体生长机械的机械的化学的化学的静态重结晶静态重结晶(static recrystalizaion)：无偏应力参与的重结晶无偏应力参与的重结晶作用（通常作用（通常无定向无定向！）！）动态重结晶动态重结晶(dynamic recrystallization)：在偏应力参与下，伴随在偏应力参与下，伴随变形而发生的重结晶变形而发生的重结晶（定向构造定向构造！）！）新颗粒新颗粒首先从高应变区开始首先从高应变区开始发育发育，通过亚颗粒的旋转及，通过亚颗粒的旋转及其边界迁移、消耗老颗粒而其边界迁移、消耗
13、老颗粒而生长生长。重结晶颗粒比亚颗粒。重结晶颗粒比亚颗粒稍大但仍稍大但仍较细较细，颗粒形态为，颗粒形态为压扁拉长状压扁拉长状，原始边界被破，原始边界被破坏，显示不稳定态。进一步重结晶使颗粒坏，显示不稳定态。进一步重结晶使颗粒粒度增大粒度增大，呈，呈矩形状矩形状而达稳定态而达稳定态重结晶重结晶恢复恢复使变形晶体降低应变能而使变形晶体降低应变能而回到未变形状态的过程回到未变形状态的过程特征特征：在变形晶体中产生：在变形晶体中产生大量细小大量细小(粒径一般小于粒径一般小于0.020.03mm)的亚颗粒的亚颗粒剩余应变能的消耗过剩余应变能的消耗过程程 特征特征：发育和生长无：发育和生长无应变新颗粒应变
14、新颗粒图图17-7 在偏应力影响下的变质作用过程中单矿物岩石结构变在偏应力影响下的变质作用过程中单矿物岩石结构变化理想序列简图化理想序列简图(Raymond，1995)原始颗粒原始颗粒(这里是石英砂这里是石英砂)第一阶段第一阶段发育变形带发育变形带第二阶段第二阶段颗粒边缘多边形化颗粒边缘多边形化第三阶段第三阶段粒度加大粒度加大伴随颗粒边界变直伴随颗粒边界变直3.变质分异（变质分异（metamorphic differentiation 使原先均匀的岩石发育成分层的变质过程使原先均匀的岩石发育成分层的变质过程成分层成分层compositional layering：条带状或透：条带状或透镜状矿物
15、集合体镜状矿物集合体变质分异产生成分层的机理主要有：变质分异产生成分层的机理主要有：（1）成分层代表扩散反应带）成分层代表扩散反应带（变质结晶）（变质结晶）（2）成分层的发育是构造重结晶的结果（优先成核、）成分层的发育是构造重结晶的结果（优先成核、压溶）压溶）（变质结晶变形）（变质结晶变形）（3）成分层是强烈压扁（塑性）成分层是强烈压扁（塑性变形变形）的结果）的结果图图17-9 高级片麻岩区四种典型的露头尺度进变形所有这些递进变形都形高级片麻岩区四种典型的露头尺度进变形所有这些递进变形都形成相同的平行层状的片麻岩成相同的平行层状的片麻岩岩脉网络的岩脉网络的均匀变形均匀变形岩石碎块的岩石碎块的均
16、匀变形均匀变形粒度不均匀的均粒度不均匀的均质火成岩（如斑质火成岩（如斑状花岗岩）的均状花岗岩）的均匀变形匀变形均质火成岩均质火成岩（如辉长岩）（如辉长岩）的不均匀变的不均匀变形形 二、变质作用因素二、变质作用因素 Factors of metamorphism 控制变质作用的根本因素是控制变质作用的根本因素是地质因素地质因素，如：构造过程，如：构造过程（沉降、隆升等）、岩浆作用等。（沉降、隆升等）、岩浆作用等。从物理化学角度看从物理化学角度看（物理化学因素）（物理化学因素）1.温度（温度（T）、压力（压力（P）2.流体成分（流体成分（x）3.时间（时间（t）1.温度温度(T)和压力和压力(P)
17、变质岩形成于地下一定深处，其矿物组合与一定的变质岩形成于地下一定深处，其矿物组合与一定的P-T条件相适应。条件相适应。当当P-T条件改变时，就会变得不稳定，就会发生化学反应条件改变时，就会变得不稳定，就会发生化学反应(变质反应变质反应)形成形成新新P-T条件下稳定的新的矿物组合条件下稳定的新的矿物组合1.1 温度（温度（T）最重要的因素）最重要的因素 T升高有利于升高有利于吸热反应吸热反应，T降低反应向放热方向进行降低反应向放热方向进行可大大可大大加快变质反应速率和晶体生长加快变质反应速率和晶体生长T升高可升高可改变岩石的变形行为改变岩石的变形行为，从脆性变形向塑性变形转化，从脆性变形向塑性变
18、形转化T升高会通过脱水反应、脱碳酸反应升高会通过脱水反应、脱碳酸反应形成变质热液作为催化剂形成变质热液作为催化剂、搬搬运剂和热媒介运剂和热媒介对变质作用施加影响对变质作用施加影响此外，此外，T T升高还会导致升高还会导致部分熔融部分熔融而发生混合岩化而发生混合岩化 理解记忆理解记忆图图17-9 变质作用温压范围变质作用温压范围18 实验确定的白云母花岗岩实验确定的白云母花岗岩(14)和拉斑玄武岩和拉斑玄武岩(58)的熔融间隔。实线表示无水添加条的熔融间隔。实线表示无水添加条件，虚线表示过量水条件件，虚线表示过量水条件(引自引自Miyashiro,1994)。这样，对这样，对白云母花岗岩，过量水
19、条件下的白云母花岗岩，过量水条件下的固相线和液相线分别为固相线和液相线分别为1、2，无水添加条件下的固相线和液相线分别为，无水添加条件下的固相线和液相线分别为3、4；对；对拉斑玄武岩拉斑玄武岩，过量水条件下的固相线和液相线分别为过量水条件下的固相线和液相线分别为5、6，无水添加条件下的固相线和液相线分别为无水添加条件下的固相线和液相线分别为7、8。DG.成岩作用条件；成岩作用条件；MG.岩浆作用条件；岩浆作用条件；MT.变质作用条件；变质作用条件；NU.自然界未知的条件。变质作自然界未知的条件。变质作用条件用条件(MT)与岩浆作用条件与岩浆作用条件(MG)间有一个范围广大的间有一个范围广大的P
20、-T过渡区，在熔融曲线过渡区，在熔融曲线18之间之间1.2 压力压力(P)压力的标准国际单位为压力的标准国际单位为Pa(帕斯卡帕斯卡)、GPa(=109Pa)，地质上也常用，地质上也常用bar(巴巴)和和Kbar(=103bar)。1bar=105Pa,1Kbar=0.1GPa 热力学上的压力热力学上的压力P是各向相等的是各向相等的静水静水压力压力(hydrostatic pressure),它影响矿物它影响矿物相平衡。相平衡。压力增加，有利于体积缩小的反压力增加，有利于体积缩小的反应，形成高密度矿物组合应，形成高密度矿物组合图图17-10 作用于单位岩石的不同压力类型作用于单位岩石的不同压力
21、类型简图简图A.垂直直应力；垂直直应力；B.侧向直应力；侧向直应力；Pl.负荷压力；负荷压力；Pf.流体压力。流体压力。负荷压力负荷压力Pl来自上覆岩来自上覆岩石柱石柱定向压力定向压力来来自构造运动自构造运动流体压力流体压力来来自粒间孔隙自粒间孔隙流体流体压力来源压力来源 地下一定深度地下一定深度岩石应力状态岩石应力状态包括包括垂直方向的主应力（垂直方向的主应力（垂直直应力垂直直应力）A和水平方向的和水平方向的侧向直应力侧向直应力B。当无构造作用时，当无构造作用时，A=B=Pl。P l=gD。式中式中为岩石密度（为岩石密度（g/m3），），g=9.81cm/s2，D为深度（为深度（km），），
22、Pl=9.81D 10-3 GPa 岩石受到来自构造运动的岩石受到来自构造运动的定向压力定向压力作用时，作用时，AB。总应力状总应力状态态包括两部分：一部分为包括两部分：一部分为偏应力偏应力deviatoric stress，是一种非静水是一种非静水应力，与应力，与AB应力差有关，它应力差有关，它导致岩石变形导致岩石变形，但一般不影响相平，但一般不影响相平衡；另一部分为衡；另一部分为平均应力平均应力mean stress，是一种静水应力，其大小是一种静水应力，其大小M（AB）/2 平均应力与负荷压力之差平均应力与负荷压力之差称为构造超压称为构造超压tectonic overpressure,是
23、构造对总压的贡献。正常变质条件下小于是构造对总压的贡献。正常变质条件下小于0.1GPa 在变质作用在变质作用P-T条件下，岩石条件下，岩石经常含流体相，充填于孔隙空间经常含流体相，充填于孔隙空间和沿颗粒边界分布。和沿颗粒边界分布。Pf增大到增大到Pl时即与时即与Pl达平衡，达平衡，Pf进一步增加，进一步增加，在系统高度封闭、不易扩散的情在系统高度封闭、不易扩散的情况下，会造成局部况下，会造成局部Pf大于大于Pl的情况，的情况，其差值称作其差值称作流体超压流体超压，它趋向于，它趋向于使颗粒分离产生破裂，变质作用使颗粒分离产生破裂，变质作用下流体超压不超过下流体超压不超过0.1GPa 负荷压力作用
24、于矿物颗负荷压力作用于矿物颗粒边界，使颗粒结合在一起粒边界，使颗粒结合在一起流体压力作用流体压力作用在颗粒表面，趋在颗粒表面，趋向于使颗粒分开向于使颗粒分开 由上述讨论可知，由上述讨论可知，总压力总压力P=Pl+构构造超压造超压+流体超压流体超压。但由于构造超压和流。但由于构造超压和流体超压都比较小，使得在变质作用大多数体超压都比较小，使得在变质作用大多数情况下，我们可以假定情况下，我们可以假定PPlPf。当然在。当然在这个假定基础上根据矿物组合估计的压力这个假定基础上根据矿物组合估计的压力会指示深度的最大值。实际深度可能有时会指示深度的最大值。实际深度可能有时要小要小3km，甚至更多一些，甚
25、至更多一些 自地表往下，自地表往下，P以以0.029GPa/km速率随深度增加而增加。速率随深度增加而增加。平均稳定大陆地壳厚平均稳定大陆地壳厚35km，其底部压力约其底部压力约1.0GPa。现代和新现代和新生代造山带观察到的大陆地壳最大厚度约生代造山带观察到的大陆地壳最大厚度约70km，其底部压力其底部压力约约2.0GPa。根据地质压力计测定，现今出露在地表变质岩大根据地质压力计测定，现今出露在地表变质岩大多数在压力多数在压力0.11.0GPa、深度约深度约3-35km范围内结晶范围内结晶 然而，一些在俯冲带或大陆碰撞带及其附近变质的岩石，然而，一些在俯冲带或大陆碰撞带及其附近变质的岩石，看
26、来似乎在看来似乎在100km或更深的地幔深度结晶。指示如此或更深的地幔深度结晶。指示如此超高压超高压（ultrahigh-pressure）条件的矿物是条件的矿物是柯石英（柯石英（Coe）和和金刚金刚石（石（Dia）。）。它们在约它们在约3.0GPa以上的压力下稳定以上的压力下稳定LIMITS 2流体成分流体成分Fluid composition（x）变质岩中变质岩中含含H2O矿物矿物（云母、角闪石等）、（云母、角闪石等）、碳酸盐碳酸盐矿物矿物及这些矿物包裹体的存在，特别是及这些矿物包裹体的存在，特别是流体包裹体流体包裹体的的存在，是存在，是变质作用过程中存在流体相的直接证据变质作用过程中存在
27、流体相的直接证据 早先，人们认为下地壳和上地幔是缺乏流体的。早先，人们认为下地壳和上地幔是缺乏流体的。然而，近然而，近30年来变质岩和上地幔岩的流体包裹体研究年来变质岩和上地幔岩的流体包裹体研究证明，即使在麻粒岩和地幔岩中流体也是广泛存在的证明，即使在麻粒岩和地幔岩中流体也是广泛存在的 对整个岩石圈而言，对整个岩石圈而言，H2O、CO2是流体的最主要是流体的最主要成分，可近似看成成分，可近似看成流体相由流体相由H2O和和CO2组成组成 由图由图17-11，不同成分流体在温度大于不同成分流体在温度大于300400可以彼此完全混溶可以彼此完全混溶。因此，。因此，在通常变质作用在通常变质作用P-T条
28、件下，流体相为均一的一相条件下，流体相为均一的一相。不同成分（。不同成分（H2O，CO2）彼此彼此起稀释作用。以摩尔分数表示其浓度，则起稀释作用。以摩尔分数表示其浓度，则 xH2O+xCO2=1 这个表达式可近似表达岩石圈中流体组成这个表达式可近似表达岩石圈中流体组成 图图17-11 0.05GPa（1）和）和0.1Gpa（2）下随着温度降低流体不混溶图解下随着温度降低流体不混溶图解（引自（引自Marakushev，1991）变质作用中涉及大量有流体相参加的反应。流体成分对这些变质作用中涉及大量有流体相参加的反应。流体成分对这些反应有强烈影响反应有强烈影响。对脱水反应和脱碳酸反应，流体。对脱水
29、反应和脱碳酸反应，流体xH2O的增加的增加（即（即xCO2减少），反应将向减少），反应将向xH2O减少，减少，xCO2增加方向进行，即阻碍增加方向进行，即阻碍脱水反应而促进脱脱水反应而促进脱CO2反应进行。提高脱水反应温度、降低脱反应进行。提高脱水反应温度、降低脱CO2反应温度。相反，则将促进脱水反应而阻碍脱反应温度。相反，则将促进脱水反应而阻碍脱CO2反应进行反应进行 流体中还溶解有流体中还溶解有K、Na、Ca、Si等造岩组分和等造岩组分和Fe、Cu、Ag等成矿组分，在开放系统条件下，岩石在流体作用下发生元素等成矿组分，在开放系统条件下，岩石在流体作用下发生元素带入带出与环境发生物质交换，造
30、成岩石的化学成分变化，并可带入带出与环境发生物质交换，造成岩石的化学成分变化，并可形成矿床。因此，形成矿床。因此，流体对交代作用和成矿作用起促进作用流体对交代作用和成矿作用起促进作用 另一方面，流体另一方面，流体作为催化剂可大大提高变质反应（包括交代作为催化剂可大大提高变质反应（包括交代反应）的速率反应）的速率。在没有流体参予的干系统中，反应难以发生或难。在没有流体参予的干系统中，反应难以发生或难以反应完全以反应完全原岩中的流体原岩中的流体 主要是沉积岩中的主要是沉积岩中的孔隙流体孔隙流体，在埋藏，在埋藏变质中起重要作用变质中起重要作用海水海水 在洋底变质和俯冲带变质中起重要作用在洋底变质和俯
31、冲带变质中起重要作用变质流体变质流体 源于变质过程中脱流体反应，广泛出现在源于变质过程中脱流体反应，广泛出现在各类变质环境各类变质环境岩浆流体岩浆流体 在接触变质和交代变质中起重要作用在接触变质和交代变质中起重要作用深源流体深源流体 主要来自地幔放气作用，是高级变质的流主要来自地幔放气作用，是高级变质的流体相主要来源体相主要来源 变质作用过程中流体主要来源：变质作用过程中流体主要来源：变质作用过程中流体主要来源：变质作用过程中流体主要来源：3时间（时间（t）变质作用时间因素通常变质作用时间因素通常从两个角度理解从两个角度理解：变质作用发生的变质作用发生的地质时代地质时代，即不同时代变质作，即不
32、同时代变质作用的特点不同，用的特点不同，这是由地球发展的方向性和不这是由地球发展的方向性和不可逆性决定的可逆性决定的一次变质作用自始至终所一次变质作用自始至终所经历的时间经历的时间，不同时，不同时间变质作用的特点不同，关于这一点下面进一间变质作用的特点不同，关于这一点下面进一步阐述步阐述三、变质作用三、变质作用P-T-t轨迹轨迹 P-T-t path of metamorphism 所谓所谓P-T-t 轨迹（轨迹（P-T-t path）就是就是“岩石在变质作用过岩石在变质作用过程中程中P-T条件随时间（条件随时间（t）的变化而变化的历程或在的变化而变化的历程或在P-T 图解图解中表示该历程的曲
33、线中表示该历程的曲线”（Miyashiro,1994）P-T-t 轨迹概念的提出，是变质作用理论研究的重大突轨迹概念的提出，是变质作用理论研究的重大突破，它使得人们从破，它使得人们从动态动态的观点，重新审视变质岩石学领域的的观点，重新审视变质岩石学领域的一些重大问题和基本概念，是一些重大问题和基本概念，是标志着变质作用研究进入标志着变质作用研究进入地球地球动力学动力学阶段的里程碑阶段的里程碑 1P-T-t 轨迹的概念轨迹的概念1、2、3：变质程度增高为序的变质带：变质程度增高为序的变质带A、B、C岩石样品在剖面上的位置（图岩石样品在剖面上的位置（图a）及其及其相应的相应的热峰条件热峰条件（图（
34、图b）FPC：野外野外P-T曲线曲线SSG：与埋藏后陆壳热补给平衡的与埋藏后陆壳热补给平衡的稳态地热稳态地热 梯度梯度Tmax：岩石样品经历的最高温度（岩石样品经历的最高温度（热峰温度热峰温度）Pmax：岩石样品经历的最大压力岩石样品经历的最大压力t0：岩石在埋藏停止时刻处于最大深度（压力岩石在埋藏停止时刻处于最大深度（压力 为为Pmax）时的地热梯度时的地热梯度t1、t2、t3：侵蚀过程中的侵蚀过程中的瞬时地热梯度瞬时地热梯度D：岩石样品岩石样品1、样品、样品2在掩埋停止时刻的厚在掩埋停止时刻的厚 度差度差P：岩石样品岩石样品1、2热峰压力差热峰压力差点划线：点划线：进变质进变质P-T轨迹轨
35、迹实线：实线：退变质退变质P-T轨迹轨迹2 2大陆碰撞造山带的大陆碰撞造山带的大陆碰撞造山带的大陆碰撞造山带的P-T-t P-T-t 轨迹轨迹轨迹轨迹（a）造山带的变质带剖面造山带的变质带剖面图17-12（b）变质作用变质作用 P-T-t 轨迹轨迹构造演化构造演化两个阶段两个阶段陆壳（或岩石圈）增厚阶段陆壳（或岩石圈）增厚阶段侵蚀阶段侵蚀阶段热演化热演化三个阶段三个阶段埋藏期埋藏期加热期加热期 冷却期冷却期P-T-t轨迹包括相应的三个段落轨迹包括相应的三个段落（1）埋藏期埋藏期：逆冲、褶皱等：逆冲、褶皱等构造原因使构造原因使地壳（或岩石圈）地壳（或岩石圈）缩短增厚缩短增厚，发生，发生构造埋藏构
36、造埋藏。浅部低温岩层迅速进入深部，浅部低温岩层迅速进入深部，岩石所处压力迅速增高，但岩石所处压力迅速增高，但温度增加没有这么快。这是温度增加没有这么快。这是由于由于环境通过热传导的加热环境通过热传导的加热作用相对要慢得多而发生作用相对要慢得多而发生滞滞后后。结果，使。结果，使地热梯度迅速地热梯度迅速偏离增厚前的稳态地热梯度偏离增厚前的稳态地热梯度不断降低不断降低而出现而出现热扰动热扰动。当。当埋藏停止时，各处岩层到达埋藏停止时，各处岩层到达压力最大值压力最大值Pmax，地热梯地热梯度为度为t0（2）加热期加热期或或热松弛期热松弛期：侵蚀作用开始阶段侵蚀作用开始阶段。P开开始降低，同时由于热传始
37、降低，同时由于热传导的加热作用继续进行，导的加热作用继续进行，而出现热松弛。而出现热松弛。随着随着P降降低，低，T不断升高，地热梯不断升高，地热梯度也不断增加度也不断增加，向埋藏向埋藏后陆壳热补给平衡的稳后陆壳热补给平衡的稳态地热梯度态地热梯度SSG方向变方向变化。样品化。样品3到达温度最大到达温度最大值值Tmax，地热梯度为地热梯度为t2（3）冷却期冷却期：热峰过后，：热峰过后，随着较迅速地侵蚀，岩石随着较迅速地侵蚀，岩石越来越接近地表，因为越来越接近地表，因为热热的散失量超过加入量的散失量超过加入量而出而出现冷却期。在冷却期，岩现冷却期。在冷却期，岩石石上升减压的同时温度下上升减压的同时温
38、度下降，地热梯度继续增加降，地热梯度继续增加，向稳态的热梯度发展。例向稳态的热梯度发展。例如岩石样品如岩石样品3在上升的某个在上升的某个时刻瞬时地热梯度为时刻瞬时地热梯度为t3。这一阶段开始，温度下降这一阶段开始，温度下降缓慢，随着越接近地表，缓慢，随着越接近地表，温度下降越快，地热梯度温度下降越快，地热梯度也更接近稳态地热梯度。也更接近稳态地热梯度。由上述可看出，变质作用是一个由上述可看出，变质作用是一个动态动态过程。过程。在变质作用过程中，岩石的在变质作用过程中，岩石的T-P条件，地热梯条件，地热梯度都不是静止不变的，而是随时间的改变而度都不是静止不变的，而是随时间的改变而不断变化，这是不
39、断变化，这是P-T-t 轨迹思想的核心轨迹思想的核心这些轨迹中，这些轨迹中，P、T、x等条件由变质矿物和矿等条件由变质矿物和矿物包裹体物包裹体记录记录，时间，时间t由专门的定年方法由专门的定年方法测定测定3 3几个有关的基本概念几个有关的基本概念几个有关的基本概念几个有关的基本概念热峰条件（热峰条件（thermal peak conditions）岩石在变质作用过程中经历的最高温度状态时的条件，包括热峰温度、岩石在变质作用过程中经历的最高温度状态时的条件，包括热峰温度、热峰压力等。也称为热峰压力等。也称为顶峰变质条件顶峰变质条件，由，由变质岩矿物组合变质岩矿物组合所记录。所记录。由图可看出，热
40、峰条件显然不由图可看出，热峰条件显然不等于埋藏停止、岩石处于最大深度等于埋藏停止、岩石处于最大深度时刻的条件。前者具有最高温度时刻的条件。前者具有最高温度Tmax，后者具有最大压力后者具有最大压力Pmax。可以证明在碰撞造山带岩石热峰压可以证明在碰撞造山带岩石热峰压力仅为所经历的最大压力的力仅为所经历的最大压力的50-80%。同样，两样品热峰条件之差也不等同样，两样品热峰条件之差也不等于两样品处于最大深度时刻的条件于两样品处于最大深度时刻的条件之差。如两样品热峰压力之差之差。如两样品热峰压力之差（P）不能代表二者埋藏停止时刻不能代表二者埋藏停止时刻的深度差（的深度差（D）。）。由于矿物组合是由
41、于矿物组合是变质岩最重要特征，而矿物组合记变质岩最重要特征，而矿物组合记录的是热峰条件，因此，录的是热峰条件，因此，热峰温度热峰温度是非常重要的。是非常重要的。变质级变质级变质级变质级metamorphic grademetamorphic grade主要指示变质作用的热峰温度：很低级、低级、中级、高级分主要指示变质作用的热峰温度：很低级、低级、中级、高级分别与很低温、低温、中温、高温相当别与很低温、低温、中温、高温相当 野野野野外外外外P-TP-T曲曲曲曲线线线线 field field P-T P-T curvecurve在在P-T图解上，各变质带岩石样品矿物组合图解上，各变质带岩石样品矿
42、物组合相应的相应的一组热峰条件的连线一组热峰条件的连线叫作叫作野外野外P-T曲曲线、视地热梯度线、视地热梯度apparent geothermal 或或野外变质梯度野外变质梯度metamorphic field gradient，一个变质地区不同变质带的岩一个变质地区不同变质带的岩石样品，在不同时刻到达热峰，野外石样品，在不同时刻到达热峰，野外P-T曲曲线是穿时的线是穿时的diachronous变质作用变质作用变质作用变质作用P/TP/T比类型比类型比类型比类型P/TP/T ratio ratio type of metamorphismtype of metamorphism高高P/T型（高
43、压型）：型（高压型）：20/km中中P/T型（中压型）：型（中压型）：2040/km低低P/T变质（低压型）：变质（低压型）：4080/km很低很低P/T型（很低压型）：型（很低压型）：80/km通常以通常以视地热梯度视地热梯度划分划分进变质进变质（prograde metamorphism）岩石在热峰前岩石在热峰前温度随时间而增加过程中发生的变质结晶作用温度随时间而增加过程中发生的变质结晶作用单单个岩石个岩石P-T条件随条件随时间时间变化由变化由P-T-t 轨迹的进变质段落轨迹的进变质段落（图中点划线）描述。（图中点划线）描述。递增变质递增变质（progressive metamorphis
44、m又译又译作前进变质）作前进变质）是一个是一个变质地区地表一定方变质地区地表一定方向热峰温度连续有规向热峰温度连续有规律地增加的变质作用律地增加的变质作用变质地区变质地区空间空间上上的热峰温度的增加由的热峰温度的增加由野外野外P-T曲线描述。曲线描述。退化变质退化变质（retrogressive metamorphism）用于两个不同过程：用于两个不同过程：上上面定义的退变质；面定义的退变质；复变质中，复变质中，比老的变质事件温度低的较年比老的变质事件温度低的较年青的变质重结晶事件，新老两青的变质重结晶事件，新老两事件属于不同的造山幕事件属于不同的造山幕 该术语在描述中有应用方该术语在描述中有
45、应用方便的优点，因为通常不容易确便的优点，因为通常不容易确定在实际变质岩中发生了上述定在实际变质岩中发生了上述两种之中哪一种过程两种之中哪一种过程 退变质退变质（retrograde metamorphism）岩石在热峰后伴随温度降低发生的变质重结晶作用，如岩石在热峰后伴随温度降低发生的变质重结晶作用，如图中实线上的变质结晶作用。图中实线上的变质结晶作用。四、变质作用的地质分类四、变质作用的地质分类 1.局部变质作用（局部变质作用（local metamorphism）分布分布局限局限（数千数千km3）4.地质环境地质环境多样，可发生在大陆地壳、多样，可发生在大陆地壳、大洋地壳甚至发生在岩石圈
46、地幔中大洋地壳甚至发生在岩石圈地幔中5.变质因素变质因素复杂，往往是温度、压力、复杂，往往是温度、压力、偏应力和流体综合作用，偏应力和流体综合作用，P/T比范围很大，比范围很大，高、中、低、很低都有。其高、中、低、很低都有。其变质机制变质机制也多也多样，主要是重结晶和变形，有时还伴有明样，主要是重结晶和变形，有时还伴有明显的交代和部分熔融显的交代和部分熔融6.在区域变质地区，很难找到变质岩与在区域变质地区，很难找到变质岩与未变质岩的界线未变质岩的界线根据规模根据规模1.1.局部变质作用局部变质作用局部变质作用局部变质作用(1)接触热变质作用、接触热变质作用、(2)动力变质作用、动力变质作用、(
47、3)冲击变质作用、冲击变质作用、(4)交代变质作交代变质作用用（1）接触热变质作用）接触热变质作用contact-thermal metamorphism 分布分布在侵入体与在侵入体与围岩接触带围岩接触带 主要由岩浆热而主要由岩浆热而导致导致 主要控制主要控制因因素素为温度，具有很为温度，具有很低低P/T比比 主要变质主要变质机制机制为为重结晶重结晶根据产状根据产状分布分布在断裂带，可在断裂带，可与不同的区域变质与不同的区域变质伴生伴生构造作用导致。主构造作用导致。主要控制要控制因素因素为偏应为偏应力，具有高至低力，具有高至低P/T比，但通常比，但通常P/T比较比较高高主要变质主要变质机制机制
48、为变为变形（脆性变形和韧形（脆性变形和韧性变形）及动态重性变形）及动态重结晶结晶（2）动力变质作用（）动力变质作用（dynamic metamorphism）分布分布在陨石坑在陨石坑附近附近 在陨石冲击地在陨石冲击地表的强大冲击波表的强大冲击波作用下产生，瞬作用下产生，瞬时的高压、高温时的高压、高温条件是其控制条件是其控制因因素素 变形和伴随的变形和伴随的部分熔融是主要部分熔融是主要的变质的变质机制机制（3）冲击变质作用（）冲击变质作用（impact metamorphism）Meteor Crater,Arizona,USA 主要由岩浆热液引主要由岩浆热液引起，起，因素因素主要为流主要为流体
49、中的活动组分化体中的活动组分化学位（或浓度）学位（或浓度）机制机制主要为交代作主要为交代作用（扩散交代和渗用（扩散交代和渗透交代）透交代）局限局限分布分布于侵入体接触带及其附近和火山喷气活动区于侵入体接触带及其附近和火山喷气活动区的的异化学变质作用异化学变质作用（4）交代变质作用）交代变质作用 metasomatic metamorphism与金属矿床关系密切与金属矿床关系密切，常产在热液矿脉两侧，所以又称，常产在热液矿脉两侧，所以又称围岩蚀变围岩蚀变。分布。分布在侵入体接触带的交代变质作用又称在侵入体接触带的交代变质作用又称接触交代变质接触交代变质典型的交代变质岩典型的交代变质岩有夕卡岩、云
50、英岩、黄铁绢英岩、次生石英岩等有夕卡岩、云英岩、黄铁绢英岩、次生石英岩等2 2区域变质作用（区域变质作用（区域变质作用（区域变质作用（regional metamorphismregional metamorphism）(1)造山变质作用造山变质作用、(2)洋底变质作用洋底变质作用、(3)埋藏变质作用埋藏变质作用、(4)混合岩化作混合岩化作用用 根据产状根据产状（1）造山变质作用）造山变质作用orogenic metamorphism 分布分布在前寒武纪结晶基底（在前寒武纪结晶基底（面状面状）和显生宙造山带（和显生宙造山带（带状带状），面积数百），面积数百数千数千km2主要变质主要变质机制机制