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1、变质作用的基本概念第1页，本讲稿共29页沉积岩沉积岩沉积岩沉积岩在表生环境中因沉积作用在表生环境中因沉积作用在表生环境中因沉积作用在表生环境中因沉积作用而形成，其作用营力来自而形成，其作用营力来自而形成，其作用营力来自而形成，其作用营力来自外力，包括水、大气、太外力，包括水、大气、太外力，包括水、大气、太外力，包括水、大气、太阳、等等阳、等等阳、等等阳、等等岩浆岩岩浆岩岩浆岩岩浆岩初始物质初始物质初始物质初始物质高温熔浆，高温熔浆，高温熔浆，高温熔浆，呈熔融态，形成于上地幔呈熔融态，形成于上地幔呈熔融态，形成于上地幔呈熔融态，形成于上地幔或地壳深处，于深部结晶或地壳深处，于深部结晶或地壳深处，
2、于深部结晶或地壳深处，于深部结晶或喷出地表冷凝结晶或淬或喷出地表冷凝结晶或淬或喷出地表冷凝结晶或淬或喷出地表冷凝结晶或淬火火火火变质岩变质岩变质岩变质岩形成于地壳深处，基本形成于地壳深处，基本形成于地壳深处，基本形成于地壳深处，基本在固态下转变形成在固态下转变形成在固态下转变形成在固态下转变形成在特定地壳环境中，先存岩石（在特定地壳环境中，先存岩石（在特定地壳环境中，先存岩石（在特定地壳环境中，先存岩石（原岩原岩原岩原岩）的矿物、结构和构造发生固态转变过的矿物、结构和构造发生固态转变过的矿物、结构和构造发生固态转变过的矿物、结构和构造发生固态转变过程的总和，称变质作用。由变质作用程的总和，称变
3、质作用。由变质作用程的总和，称变质作用。由变质作用程的总和，称变质作用。由变质作用形成的岩石称变质岩。正变质岩形成的岩石称变质岩。正变质岩形成的岩石称变质岩。正变质岩形成的岩石称变质岩。正变质岩原原原原岩为岩浆岩；副变质岩岩为岩浆岩；副变质岩岩为岩浆岩；副变质岩岩为岩浆岩；副变质岩原岩为沉积原岩为沉积原岩为沉积原岩为沉积岩；复变质岩岩；复变质岩岩；复变质岩岩；复变质岩原岩为变质岩原岩为变质岩原岩为变质岩原岩为变质岩第2页，本讲稿共29页问题问题问题问题2 2 2 2：什么触发这什么触发这什么触发这什么触发这些机制发生和进行些机制发生和进行些机制发生和进行些机制发生和进行？变质作用的影变质作用的
4、影变质作用的影变质作用的影响因素（外因和响因素（外因和响因素（外因和响因素（外因和内因；地质因素内因；地质因素内因；地质因素内因；地质因素与物化因素）与物化因素）与物化因素）与物化因素）问题问题1：变质岩是如何形成的呢？其具体细变质岩是如何形成的呢？其具体细节如何？节如何？变质作用形成变质作用形成机制机制，又称变质作用又称变质作用方式方式方式方式（How?)How?)本节内容：本节内容：1：变质作用机制：变质作用机制2：变质作用的影：变质作用的影响因素响因素3：变质作用类型：变质作用类型第3页，本讲稿共29页第一讲第一讲 变质岩的形成过程变质岩的形成过程第4页，本讲稿共29页一、变质作用机制一
5、、变质作用机制 l 与岩浆作用和沉积作用一样，变质作用机与岩浆作用和沉积作用一样，变质作用机制也较复杂多样，主要包括制也较复杂多样，主要包括变质结晶变质结晶、变形变形和和变质分异变质分异等等3 3种。种。l 在高级（温）变质中还可发生部分熔融现在高级（温）变质中还可发生部分熔融现象，在埋藏变质中可出现压实作用，但两者象，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，故不主要分属于岩浆作用和沉积作用范畴，故不在此叙述。在此叙述。第5页，本讲稿共29页1.变质结晶作用变质结晶作用l岩石在变质条件下的结晶作用称变质结晶岩石在变质条件下的结晶作用称变质结晶作用。所谓结晶（作用。所
6、谓结晶（crystallization)crystallization)作用就是作用就是晶体的生长作用和过程。晶体的生长作用和过程。l变质结晶机制变质结晶机制重结晶重结晶作用作用(recrystallization)交代交代作用作用(metasomatism）。第6页，本讲稿共29页1.1 重结晶作用（重结晶作用（recrystallization）岩石在基本保持固体状态岩石在基本保持固体状态岩石在基本保持固体状态岩石在基本保持固体状态下的矿物重组和下的矿物重组和下的矿物重组和下的矿物重组和/或通过或通过化学反应形成新矿物的化学反应形成新矿物的过程。重结晶前后，岩过程。重结晶前后，岩石总化学成
7、分（除石总化学成分（除H HH H2 2 2 2O O、COCO2 2 2 2等挥发分外）基本等挥发分外）基本保持不变。保持不变。纯纯纯纯灰灰灰灰岩岩岩岩粗粗粗粗粒粒粒粒大大大大理理理理岩岩岩岩细细细细粒粒粒粒大大大大理理理理岩岩岩岩原岩为单矿物岩只原岩为单矿物岩只原岩为单矿物岩只原岩为单矿物岩只有结构变化而无成有结构变化而无成有结构变化而无成有结构变化而无成分变化分变化分变化分变化第7页，本讲稿共29页l l含石英大理岩的矿物、结构变化含石英大理岩的矿物、结构变化含石英大理岩的矿物、结构变化含石英大理岩的矿物、结构变化l la.a.a.a.低温下低温下低温下低温下Cc+QCc+QCc+QCc
8、+Ql lb.b.b.b.化学反应化学反应化学反应化学反应Cc+Q=Wo+CO2Cc+Q=Wo+CO2Cc+Q=Wo+CO2Cc+Q=Wo+CO2，形成，形成，形成，形成WoWoWoWo反应边，在反应边，在反应边，在反应边，在WoWoWoWo集集集集合体内有少量合体内有少量合体内有少量合体内有少量Q QQ Q残留残留残留残留l lc.c.c.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+WoCc+Wo
9、Cc+WoCc+Wo 方解石方解石方解石方解石石英石英石英石英方解石方解石方解石方解石石英石英石英石英方解石方解石方解石方解石硅灰石硅灰石硅灰石硅灰石第8页，本讲稿共29页1.2 1.2 交代作用交代作用（metasomatismmetasomatism）交代作用交代作用交代作用交代作用指固体岩石在化学活动性流体作用下通过组分带入或带指固体岩石在化学活动性流体作用下通过组分带入或带指固体岩石在化学活动性流体作用下通过组分带入或带指固体岩石在化学活动性流体作用下通过组分带入或带出而使岩石总化学成分（除出而使岩石总化学成分（除出而使岩石总化学成分（除出而使岩石总化学成分（除H2OH2OH2OH2O
10、、CO2CO2CO2CO2等挥发分外）和矿物成分等挥发分外）和矿物成分等挥发分外）和矿物成分等挥发分外）和矿物成分发生变化的过程。岩石在交代过程中保持体积不变。发生变化的过程。岩石在交代过程中保持体积不变。发生变化的过程。岩石在交代过程中保持体积不变。发生变化的过程。岩石在交代过程中保持体积不变。重要概念：重要概念：重要概念：重要概念：异化异化异化异化学作用学作用学作用学作用和和和和等化学作用等化学作用等化学作用等化学作用。交代作用也可在交代作用也可在交代作用也可在交代作用也可在成岩阶段发生。成岩阶段发生。成岩阶段发生。成岩阶段发生。发生在变质条件发生在变质条件发生在变质条件发生在变质条件下的
11、交代作用称下的交代作用称下的交代作用称下的交代作用称为变质交代作用为变质交代作用为变质交代作用为变质交代作用。第9页，本讲稿共29页Korzhenskii（,1957）对交代作用研究的贡献对交代作用研究的贡献对交代作用研究的贡献对交代作用研究的贡献l l活动组分活动组分活动组分活动组分：可带入带出，其含量与发生交代的体系：可带入带出，其含量与发生交代的体系：可带入带出，其含量与发生交代的体系：可带入带出，其含量与发生交代的体系无关，交代前后的浓度不变，以无关，交代前后的浓度不变，以无关，交代前后的浓度不变，以无关，交代前后的浓度不变，以H H，F F，Cl,S Cl,S 和碱和碱和碱和碱金属元
12、素和碱土金属常见；金属元素和碱土金属常见；金属元素和碱土金属常见；金属元素和碱土金属常见；l l惰性组分惰性组分惰性组分惰性组分：其含量仅与发生交代的体系有关，交代前：其含量仅与发生交代的体系有关，交代前：其含量仅与发生交代的体系有关，交代前：其含量仅与发生交代的体系有关，交代前后组分的浓度发生改变，以重金属元素常见；后组分的浓度发生改变，以重金属元素常见；后组分的浓度发生改变，以重金属元素常见；后组分的浓度发生改变，以重金属元素常见；第10页，本讲稿共29页Korzhenskii（,1957,1957）对交代作用研）对交代作用研究的贡献究的贡献l l交代机制交代机制交代机制交代机制发生交代作
13、用的组分是如何运动迁移的？发生交代作用的组分是如何运动迁移的？发生交代作用的组分是如何运动迁移的？发生交代作用的组分是如何运动迁移的？l l渗透（渗透（渗透（渗透（infiltrationinfiltration）：组分随压力差驱动下溶液流动力从：组分随压力差驱动下溶液流动力从：组分随压力差驱动下溶液流动力从：组分随压力差驱动下溶液流动力从高压力处向低压力处迁移，主要发生在裂隙溶液中高压力处向低压力处迁移，主要发生在裂隙溶液中高压力处向低压力处迁移，主要发生在裂隙溶液中高压力处向低压力处迁移，主要发生在裂隙溶液中l l扩散（扩散（扩散（扩散（diffusiondiffusion）：组分在浓度差
14、驱动下，从高浓度处向低：组分在浓度差驱动下，从高浓度处向低：组分在浓度差驱动下，从高浓度处向低：组分在浓度差驱动下，从高浓度处向低浓度处迁移，主要发生在粒间孔隙溶液中浓度处迁移，主要发生在粒间孔隙溶液中浓度处迁移，主要发生在粒间孔隙溶液中浓度处迁移，主要发生在粒间孔隙溶液中l l流体在交代过程中起着物质搬运迁移的流体在交代过程中起着物质搬运迁移的流体在交代过程中起着物质搬运迁移的流体在交代过程中起着物质搬运迁移的媒介媒介媒介媒介和和和和催化剂催化剂催化剂催化剂的双的双的双的双重作用重作用重作用重作用l l流体相中活动组分浓度或流体相中活动组分浓度或流体相中活动组分浓度或流体相中活动组分浓度或化
15、学位梯度化学位梯度化学位梯度化学位梯度是交代作用的主要动是交代作用的主要动是交代作用的主要动是交代作用的主要动力力力力第11页，本讲稿共29页Korzhenskii（,1957,1957）对交代作用研究的贡献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、结构和构造双交代作用可改变岩石的矿物组成、结构和构造双交代作用可改变岩石的矿物组成、结构和构造双交代作用可改变岩石的矿物组成、结构和构造第12页，本讲稿共29页2.变质分异变质分异（metamorphic differentiation）l l 所谓变质分异就是使原先均匀的岩石发育成分分所谓变质分异就是使原先均匀的岩石发育成分分所谓变质分
16、异就是使原先均匀的岩石发育成分分所谓变质分异就是使原先均匀的岩石发育成分分“层层层层”的变质过程（的变质过程（的变质过程（的变质过程（Raymond,1995Raymond,1995Raymond,1995Raymond,1995），结果使岩），结果使岩），结果使岩），结果使岩石的石的石的石的构造构造构造构造发生了发生了发生了发生了改变改变改变改变。l l 变质分异严格来说应指封闭体系内的调整以便于与交变质分异严格来说应指封闭体系内的调整以便于与交变质分异严格来说应指封闭体系内的调整以便于与交变质分异严格来说应指封闭体系内的调整以便于与交代作用相区别代作用相区别代作用相区别代作用相区别第13页
17、，本讲稿共29页变质分异产生成分层机理的三种主要解释变质分异产生成分层机理的三种主要解释l（1）代表扩散反应带代表扩散反应带 （封闭体系）（封闭体系）l（2）构造重结晶的结果构造重结晶的结果 （构造分异）（构造分异）l（3 3）强烈压扁（塑性变形）的结果（图）强烈压扁（塑性变形）的结果（图17-817-8）第14页，本讲稿共29页3.变形变形（Deformation)l岩石在应力作用下，发生岩石在应力作用下，发生永久形变永久形变，使，使之在之在结构上和构造上改变结构上和构造上改变形成全新的岩形成全新的岩石的作用过程。依据变形性质可分石的作用过程。依据变形性质可分脆性脆性变形和塑性变形变形和塑性
18、变形第15页，本讲稿共29页脆性变形（britlle）脆性变形脆性变形一般完全失去内聚力，表现为破裂、碎裂、一般完全失去内聚力，表现为破裂、碎裂、一般完全失去内聚力，表现为破裂、碎裂、一般完全失去内聚力，表现为破裂、碎裂、碎粒、碎粉，粉未碎粒、碎粉，粉未碎粒、碎粉，粉未碎粒、碎粉，粉未第16页，本讲稿共29页塑性变形（plastic）塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形一般不失内聚力，分晶内（一般不失内聚力，分晶内（一般不失内聚力，分晶内（一般不失内聚力，分晶内（intra-intra-）塑性变形与）塑性变形与）塑性变形与）塑性变形与晶界（晶界（晶界（晶界（inter-inter-）塑性变形两种；
19、前者表现为晶体晶内滑移）塑性变形两种；前者表现为晶体晶内滑移）塑性变形两种；前者表现为晶体晶内滑移）塑性变形两种；前者表现为晶体晶内滑移（glidinggliding）和位错）和位错）和位错）和位错 （dislocationdislocation），镜下可见机械双晶、），镜下可见机械双晶、），镜下可见机械双晶、），镜下可见机械双晶、变形纹、变形带、扭折带、书斜构造、鱼状晶体、动态变形纹、变形带、扭折带、书斜构造、鱼状晶体、动态变形纹、变形带、扭折带、书斜构造、鱼状晶体、动态变形纹、变形带、扭折带、书斜构造、鱼状晶体、动态重结晶等；后者表现为边界滑移和扩散流动。重结晶等；后者表现为边界滑移和扩散
20、流动。重结晶等；后者表现为边界滑移和扩散流动。重结晶等；后者表现为边界滑移和扩散流动。第17页，本讲稿共29页二、变质作用因素二、变质作用因素controlling factors l从物理化学角度看，控制变质作用的因素可以从物理化学角度看，控制变质作用的因素可以抽象为抽象为温度（温度（T T）、压力（）、压力（P P）、流体组分（）、流体组分（x x）、时间（）、时间（t t）等物化因素，这也是将物理化学等物化因素，这也是将物理化学引入岩石学的出发点。引入岩石学的出发点。l根本原因：地质环境的改变，如大地构造位置根本原因：地质环境的改变，如大地构造位置（岛弧、海沟、洋中脊等）、构造过程（沉降
21、、（岛弧、海沟、洋中脊等）、构造过程（沉降、隆升等）、岩浆作用等。隆升等）、岩浆作用等。第18页，本讲稿共29页1.1 1.1 （对变质作用机制的）影响（对变质作用机制的）影响 l温度升高有利于吸热反应温度升高有利于吸热反应(如脱水反应如脱水反应)，温度，温度降低反应向放热方向进行，提高反应速率和利降低反应向放热方向进行，提高反应速率和利于晶体生长；于晶体生长；l温度升高利于脆性变形向韧性变形转变，即改温度升高利于脆性变形向韧性变形转变，即改变岩石的变岩石的变形行为变形行为；l温度升高有利于温度升高有利于交代作用交代作用和和变质分异变质分异进行；进行；l导致岩石发生导致岩石发生部分熔融部分熔融
22、，促进，促进混合岩化。混合岩化。1.温度温度(temperature,heat)第19页，本讲稿共29页1.2 1.2 进变质、退变质和变质峰期进变质、退变质和变质峰期l因温度增高而进行的变质作用称进级变质作因温度增高而进行的变质作用称进级变质作用（用（Prograde Metamorphism）l当变质温度达到最高时，称变质顶峰当变质温度达到最高时，称变质顶峰（Metamorphic Peak）或热峰（）或热峰（thermal Peak）l峰期后因冷却降温而发生的变质作用称退级峰期后因冷却降温而发生的变质作用称退级变质作用（变质作用（retrograde Metamorphism）第20页，
23、本讲稿共29页1.3 1.3 变化范围和变质级变化范围和变质级 第21页，本讲稿共29页2流体成分流体成分（x）l l 变质作用过程基本上在固态下进行，但岩石中通常含变质作用过程基本上在固态下进行，但岩石中通常含变质作用过程基本上在固态下进行，但岩石中通常含变质作用过程基本上在固态下进行，但岩石中通常含有有有有1%1%的液体相。以的液体相。以的液体相。以的液体相。以H HH H2 2 2 2O,COO,COO,COO,CO2 2 2 2,为主体；当液体相呈为主体；当液体相呈为主体；当液体相呈为主体；当液体相呈超超超超临界状态临界状态临界状态临界状态（super-critical statesu
24、per-critical statesuper-critical statesuper-critical state）时，区分不出液体和）时，区分不出液体和）时，区分不出液体和）时，区分不出液体和气体，称流体。气体，称流体。气体，称流体。气体，称流体。l l 直接参加岩石的形成（变质反应），作为矿物晶直接参加岩石的形成（变质反应），作为矿物晶格的一部分；格的一部分；l l 作为介质为组分运移提供载体，或媒质促进矿物的作为介质为组分运移提供载体，或媒质促进矿物的作为介质为组分运移提供载体，或媒质促进矿物的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、促进混合岩化和降低脆溶解速率、促进混合
25、岩化和降低脆溶解速率、促进混合岩化和降低脆溶解速率、促进混合岩化和降低脆-韧性变形温度等韧性变形温度等韧性变形温度等韧性变形温度等第22页，本讲稿共29页1.1 1.1 压力分类压力分类负荷压力（负荷压力（P Pl l）流体压力（流体压力（P Pf f）偏应力（偏应力（P Pd d）地质环境中存在地质环境中存在3 3种类型压力：种类型压力：静水压力静水压力（P P）：热力学压力，可以）：热力学压力，可以写热力学方程中，数值增高，可导写热力学方程中，数值增高，可导致摩尔体积小，密度大的高压矿物致摩尔体积小，密度大的高压矿物生成。生成。3.压力压力 第23页，本讲稿共29页1.2 1.2 压力分类
26、压力分类负荷压力负荷压力负荷压力负荷压力（P Pl l）：）：）：）：P Pl l=gDgD P Pl l(GPa)(GPa)=9.81 9.81 D D(Km)(Km)1010-3-3流体压力：流体压力：流体压力：流体压力：P P P Pf=f=f=f=PH2O+PCO2+.PH2O+PCO2+.PH2O+PCO2+.PH2O+PCO2+.流体超压流体超压流体超压流体超压=P=P=P=Pf-f-f-f-P P P Pl l l l定向应力定向应力定向应力定向应力 （P P P Pd d d d）偏应力（非静水压力）偏应力（非静水压力）偏应力（非静水压力）偏应力（非静水压力）=A-A-A-A-
27、B B B B平均应力（具静水压力性质）平均应力（具静水压力性质）平均应力（具静水压力性质）平均应力（具静水压力性质）=（A-A-A-A-B B B B）/2/2/2/2构造超压构造超压构造超压构造超压=平均应力平均应力平均应力平均应力-负荷压力（负荷压力（负荷压力（负荷压力（P P P Pl l l l）/流体超压流体超压流体超压流体超压=流体压流体压流体压流体压-负荷压力负荷压力负荷压力负荷压力第24页，本讲稿共29页1.3 1.3 负荷压力范围和变质作用负荷压力范围和变质作用P/TP/T比类型比类型 第25页，本讲稿共29页4时间时间（t）l l变质作用时间因素通常从两个角度理解：一是变
28、质作用发生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的的的地质时代（地质时代（地质时代（地质时代（Geological ageGeological ageGeological ageGeological age），即不同时代变质作用的特，即不同时代变质作用的特，即不同时代变质作用的特，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；二是一点不同，这是由
29、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（次变质作用自始至终所经历的时间（次变质作用自始至终所经历的时间（次变质作用自始至终所经历的时间（Resident timeResident timeResident timeResident time ），不同），不同），不同），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。时间变质作用的特点不同，关于这一点下面进一步阐述。时间变质作用的特点不同，关于这一点下面进一步阐述。时间变质作用的特点不同，关于这一点下面进一步阐述。l l热力学热力学热力学热力学只考虑过程的始态和终了态，只有只考虑过程的始态和终了态，只有只考
30、虑过程的始态和终了态，只有只考虑过程的始态和终了态，只有动力学动力学动力学动力学才考虑时间才考虑时间才考虑时间才考虑时间因素。动力学方向是变质岩石学研究的一个极其重要的学科前因素。动力学方向是变质岩石学研究的一个极其重要的学科前因素。动力学方向是变质岩石学研究的一个极其重要的学科前因素。动力学方向是变质岩石学研究的一个极其重要的学科前沿：视考虑的尺度分为沿：视考虑的尺度分为沿：视考虑的尺度分为沿：视考虑的尺度分为变质作用地球动力学变质作用地球动力学变质作用地球动力学变质作用地球动力学（dynamicsdynamicsdynamicsdynamics）和和和和变质反应动力学变质反应动力学变质反应
31、动力学变质反应动力学（kineticskineticskineticskinetics）。）。）。）。第26页，本讲稿共29页三、变质作用的地质分类三、变质作用的地质分类 l1局部变质作用局部变质作用 （1 1）接触热变质作用）接触热变质作用 （2 2）断层变质作用）断层变质作用 （3 3 3 3）冲击变质作用）冲击变质作用）冲击变质作用）冲击变质作用 （4 4）交代变质作用）交代变质作用 （5 5）边缘混合岩化）边缘混合岩化l l2区域变质作用区域变质作用 （1 1）造山变质作用）造山变质作用 （2 2）洋底变质作用）洋底变质作用 （3 3 3 3）埋藏变质作用）埋藏变质作用 （4 4）区域
32、混合岩化）区域混合岩化）区域混合岩化）区域混合岩化以地质产状分以地质产状分 第27页，本讲稿共29页Types of MetamorphismOrogenic Orogenic MetamorphismMetamorphismFigure 21-6.Schematic model for the sequential(a c)development of a“Cordilleran-type”or active continental margin orogen.The dashed and black layers on the right represent the basaltic an
33、d gabbroic layers of the oceanic crust.From Dewey and Bird(1970)J.Geophys.Res.,75,2625-2647;and Miyashiro et al.(1979)Orogeny.John Wiley&Sons.第28页，本讲稿共29页四、变质岩的成因类型四、变质岩的成因类型 l l1 1局部变质作用局部变质作用 （1 1）接触变质岩接触变质岩（2 2 2 2）动力变质岩动力变质岩 （3 3）交代岩）交代岩 （4 4）边缘混合岩）边缘混合岩l l2 2区域变质作用区域变质作用 （1 1 1 1）区域变质岩区域变质岩 （2 2）洋底变质岩）洋底变质岩）洋底变质岩）洋底变质岩 （3 3）埋藏变质岩）埋藏变质岩（4 4）区域混合岩区域混合岩 第29页，本讲稿共29页