1、變質(zhì)巖巖石學(xué)第二章 變質(zhì)反應(yīng)及變質(zhì)作用因素1本章重點(diǎn)1. 掌握變質(zhì)作用的影響因素及其在變質(zhì)過程中 的特點(diǎn)；2. 理解變質(zhì)反應(yīng)的概念；3. 了解變質(zhì)反應(yīng)的主要類型。2本章難點(diǎn)1. 變質(zhì)作用因素在變質(zhì)過程中的特點(diǎn)。32.1 變質(zhì)反應(yīng)及其類型2.1.1 概述 變質(zhì)反應(yīng)（metamorphic reaction） 在固相線下（由于變質(zhì)的溫度、壓力所限制）發(fā)生的物相轉(zhuǎn)變及化學(xué)反應(yīng)過程。 變質(zhì)反應(yīng)屬于化學(xué)反應(yīng)的自然類型，其反應(yīng)的動力是地球運(yùn)動和物質(zhì)調(diào)整。 42.1.1 概述 在變質(zhì)過程的研究中，規(guī)定相轉(zhuǎn)變方向（即變質(zhì)反應(yīng)方向）以升溫轉(zhuǎn)化方向為正方向（進(jìn)變質(zhì)），降溫方向為負(fù)（退變質(zhì)）。從反應(yīng)的速度上看，退變

2、質(zhì)的速度要慢得多，但在反應(yīng)催化劑（流體）存在時，其反應(yīng)速度可以加快。52.1.1 概述 變質(zhì)反應(yīng)可以從巖相研究（實(shí)地調(diào)查和巖石薄片鑒定等）中得到，也是最常規(guī)、簡便的直接方法。實(shí)驗巖石（相）研究及熱力學(xué)推導(dǎo)是重要的現(xiàn)代研究方法之一。 因此，掌握變質(zhì)巖的薄片分析方法是本課程的基本要求。62.1.2 變質(zhì)反應(yīng)的基本類型 變質(zhì)反應(yīng)的基本類型有三種： 固固反應(yīng) 固固液反應(yīng) 氧化-還原反應(yīng)1. 固固反應(yīng) 溫度和壓力為反應(yīng)的主導(dǎo)因素，反應(yīng)過程無流體相存在或析出。這種反應(yīng)的方式有三種：72.1.2 變質(zhì)反應(yīng)的基本類型 1）礦物多形的轉(zhuǎn)變： 如：AndkySil的鋁硅酸鹽（Al2SiO5）同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變。 藍(lán)晶石

3、矽線石紅柱石82.1.2 變質(zhì)反應(yīng)的基本類型 2）固溶體礦物的出溶： 如：長石、角閃石的變質(zhì)雙晶的形成；鈉長石雙晶92.1.2 變質(zhì)反應(yīng)的基本類型 3）純固相反應(yīng)： 如反應(yīng)： 硬玉 石英 鈉長石 反應(yīng)在低溫下由壓力變化控制，向右進(jìn)行為壓力降低的退變質(zhì)；反之為升壓進(jìn)變質(zhì)。反應(yīng)前后沒有物態(tài)的變化，但有相數(shù)的改變。102.1.2 變質(zhì)反應(yīng)的基本類型2. 固固液反應(yīng) 這是常見的變質(zhì)反應(yīng)類型，其主導(dǎo)因素為溫壓和流體，變化較復(fù)雜，反應(yīng)時有流體相存在或反應(yīng)過程中有液相析出。常見的反應(yīng)方式有兩種：112.1.2 變質(zhì)反應(yīng)的基本類型 1）水化與脫水反應(yīng)，如： 葉臘石 紅柱石 石英H2O 2）脫碳酸與碳酸鹽化反應(yīng)

4、，如： 方解石 石英 硅灰石 CO2122.1.2 變質(zhì)反應(yīng)的基本類型3. 氧化-還原反應(yīng) 變質(zhì)過程中由于氧逸度（fO2）的變化引起的緩沖反應(yīng)。如： 赤鐵礦 磁鐵礦O2 132.1.3 滑動反應(yīng) 滑動反應(yīng) 固溶體礦物發(fā)生變質(zhì)反應(yīng)的過程中，其成分隨反應(yīng)過程不斷連續(xù)改變的反應(yīng)。亦稱為連續(xù)反應(yīng)。 142.1.3 滑動反應(yīng) 滑動反應(yīng)的基本特征是： 反應(yīng)的溫、壓取決于原巖成分，反應(yīng)物（原巖礦物）與生成物（新的變質(zhì)礦物）在一定的溫壓范圍內(nèi)共存，且其成分隨溫壓的改變而不斷變化，即反應(yīng)物與生成物之間維持一定的動態(tài) “平衡” 。 152.1.3 滑動反應(yīng)例如：在麻粒巖相條件下， 菫青石 石榴石 了解變質(zhì)反應(yīng)的目

5、的在于： 把握變質(zhì)因素及其過程的變化。 16一些重要的變質(zhì)反應(yīng)172.1.3 滑動反應(yīng)例如：在麻粒巖相條件下， 菫青石 石榴石 了解變質(zhì)反應(yīng)的目的在于： 把握變質(zhì)因素及其過程的變化。 182. 2 變質(zhì)作用影響因素 變質(zhì)作用的影響因素包括地質(zhì)因素和外部因素。 從上述變質(zhì)反應(yīng)類型及其對外部因素的歸納中，可以得出變質(zhì)過程中起主導(dǎo)作用的外部因素是： 溫度 壓力 流體 后面將介紹這些因素的在變質(zhì)作用過程中的特點(diǎn)及其變化。 192.2.1 溫度（T） 多數(shù)的變質(zhì)反應(yīng)與溫度有直接的關(guān)系，即溫度是多數(shù)變質(zhì)作用的主導(dǎo)因素。1. 變質(zhì)過程的溫度范圍 變質(zhì)作用的溫度范圍是 200800向沉積后生成巖作用上限過渡向

6、巖漿作用下限過渡110900202.2.1 溫度（T） 按溫度變化可將變質(zhì)作用過程分為三級： 低級變質(zhì)：T200550（或500） 中級變質(zhì)：T550700 高級變質(zhì)：T700800 近來將T200的變質(zhì)過程稱為極低級變質(zhì)。 溫度的變化可引起變質(zhì)作用的產(chǎn)生及其以不同的變質(zhì)作用方式進(jìn)行。 212.2.1 溫度（T）2. 作用方式 溫度引起的變質(zhì)作用方式主要有三種： 1）重結(jié)晶 如：灰?guī)r大理巖222.2.1 溫度（T）2. 作用方式 溫度引起的變質(zhì)作用方式主要有三種： 2）變質(zhì)結(jié)晶 如：方解石石英硅灰石CO2 3）部分重熔 主要是長英質(zhì)礦物產(chǎn)生的低共熔系熔體。 232.2.1 溫度（T）3. 熱源

7、（溫度變化起因） 引起溫度變化的起因主要有五種： 1）地?zé)?正常的地?zé)嵩鰷芈蕿?.5100m，但在造山帶、太古宙的地?zé)崃髦凳钦５販氐?3倍以上，在高熱流區(qū)地?zé)嵩鰷芈士蛇_(dá)60km。 如：區(qū)域埋藏變質(zhì)、區(qū)域動熱變質(zhì)、區(qū)域中高溫?zé)崃髯冑|(zhì)，等。 242.2.1 溫度（T） 2）上地幔對流熱 上地幔的對流形成地幔熱柱，導(dǎo)致地殼內(nèi)溫度升高而產(chǎn)生變質(zhì)。 如：下地殼的深變質(zhì)、洋中脊變質(zhì)，等。 3）放射性元素衰變熱 放射性元素衰變時產(chǎn)生的化學(xué)能熱能，導(dǎo)致溫度上升產(chǎn)生變質(zhì)。 如：區(qū)域溫度異常引起的區(qū)域變質(zhì)，等。252.2.1 溫度（T） 4）巖漿熱 巖漿上侵時由巖漿熱造成的溫度梯度擴(kuò)散引起變質(zhì)。 如：熱接觸變質(zhì)

8、，等。 5）動力變質(zhì)熱 地球內(nèi)應(yīng)力作用， 機(jī)械能熱能 而引起變質(zhì)。 如：區(qū)域熱動變質(zhì)、動力變質(zhì)，等。 262.2.1 溫度（T） 溫度升高時，當(dāng)超過原巖礦物組合的平衡溫度時，產(chǎn)生進(jìn)變質(zhì)（正向變質(zhì)反應(yīng)），形成高一級的變質(zhì)礦物組合； 當(dāng)?shù)陀谠瓗r礦物組合的形成溫度時，產(chǎn)生退變質(zhì)（逆向變質(zhì)反應(yīng)），形成低一級的變質(zhì)礦物組合。272.2.1 溫度（T） 高級或低級劃分是相對于原巖礦物組合及變質(zhì)礦物組合本身而言，即為相對的概念。其相關(guān)的實(shí)例將在后續(xù)部分中介紹。 例如：綠泥石+絹云母 的變質(zhì)礦物組合，對巖漿巖原巖來說是退變質(zhì)，對泥質(zhì)巖類來說是進(jìn)變質(zhì)。282.2.2 壓力（P） 變質(zhì)作用屬于內(nèi)力地質(zhì)作用之一，且

9、在一定的地殼深度條件下進(jìn)行，因而壓力是變質(zhì)作用的重要因素之一。壓力的大小及其變化可決定變質(zhì)反應(yīng)的方向，如：壓力增大時變質(zhì)反應(yīng)向礦物分子體積變小的方向進(jìn)行。1. 變質(zhì)作用產(chǎn)生的壓力范圍 0.02GPa1.1GPa 換算為正常的地殼深度相當(dāng)于1km40km。 292.2.2 壓力（P）2. 壓力的類型及其特征 根據(jù)力的來源和作用方式分為三類： 負(fù)荷壓力（Pl） 流體壓力（Pf） 應(yīng)力（Ps） 對其特征將分別予以介紹。 302.2.2 壓力（P）1. 負(fù)荷壓力（Pl） 亦稱為靜壓、均向壓、圍壓，來自于上覆巖層的重量的負(fù)荷壓，或圍巖的均向壓（圍壓）。 在正常的地殼深度0km40km的范圍內(nèi)，平均增壓率

10、為：0.0275GPakm 故形成的深度越大，越是向形成堅硬、密度大、體積小的礦物、巖石方向進(jìn)行。 312.2.2 壓力（P）2. 流體壓力（Pf） 主要是H2O、CO2等流體存在于巖石礦物的粒間和微裂隙中產(chǎn)生的壓力。按其存在狀態(tài)（ Pf 與 Pl 的相對關(guān)系）分為三種類型：322.2.2 壓力（P） 1）Pl Pf ：為地殼深部封閉系統(tǒng)，Pf 為非獨(dú)立因素； 2）Pl Pf ：為巖體附近巖漿水富集地帶，引起水化反應(yīng)；但在干環(huán)境時可Pf Pl ； 3）Pl Pf ：為地殼淺部的裂隙發(fā)育區(qū)、開放系統(tǒng)，引起脫水、脫氣反應(yīng)，可形成構(gòu)造熱液。 332.2.2 壓力（P）溫度、流體壓力、流體中CO2的含

11、量（以摩爾分?jǐn)?shù)表示）與CaCO3SiO2CaSiO3CO2的平衡關(guān)系圖（按格林伍德，1962；XCO2即CO2的摩爾分?jǐn)?shù)）結(jié)論： 流體壓力能影響變質(zhì)作用的溫度。342.2.2 壓力（P）3. 應(yīng)力（Ps） 亦稱為定向壓力、構(gòu)造壓力、側(cè)向壓力，是由構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的引起巖石變形變質(zhì)結(jié)晶和重結(jié)晶（動力變質(zhì)）。 定向壓力作用時，一部分機(jī)械能使礦物、巖石變形（脆性和韌性），部分則轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，促使礦物發(fā)生重結(jié)晶和變質(zhì)結(jié)晶。352.2.3 具有化學(xué)活動性的流體（C） 化學(xué)活動性的流體，通常指的是氣態(tài)或液態(tài)的水溶液，其中常含有H2O、CO2、硼酸、鹽酸、氫氟酸等，這些成分增強(qiáng)了水溶液的化學(xué)活動性。 該類流體在變

12、質(zhì)過程中所起作用有四方面：362.2.3 具有化學(xué)活動性的流體（C） 1. 促使交代作用產(chǎn)生的載體 在巖石孔隙和裂隙中的粒間溶液，由于壓力差或濃度差而產(chǎn)生流動，與周圍巖石發(fā)生交代作用，即造成組分的遷移（帶出或帶入），形成與原巖組分迥然不同的變質(zhì)巖石。 例如：斜長石絹云母+石英，帶入K+，帶出Ca+、Na+。372.2.3 具有化學(xué)活動性的流體（C）2. 反應(yīng)接觸劑 通過粒間溶液作媒介，對礦物彼此間的反應(yīng)起到接觸劑的作用，可促進(jìn)礦物中某些組分的溶解和沉淀，從而有利于礦物的重結(jié)晶和變質(zhì)結(jié)晶。 例如：固-固反應(yīng)、應(yīng)力礦物生長。382.2.3 具有化學(xué)活動性的流體（C）3. 變質(zhì)反應(yīng)的組分 水和碳酸等

13、還直接參與組成含水和含碳酸的礦物，影響水化或碳酸鹽化（降溫）、脫水或去碳酸鹽化作用（升溫）的進(jìn)行。392.2.3 具有化學(xué)活動性的流體（C） 例如下列反應(yīng)： 白云母石英 鉀長石矽線石H2O 方解石石英 硅灰石CO2 升溫反應(yīng)向右進(jìn)行，降溫則向左進(jìn)行。去碳酸鹽化 碳酸鹽化脫水水化402.2.3 具有化學(xué)活動性的流體（C）4. 影響巖石的重熔溫度 水溶液對巖石的重熔溫度的影響也很大。 如：不含水的干體系時，花崗質(zhì)巖石開始重熔的溫度要達(dá)到950以上；而在飽和水體系時，在64020就開始重熔。412.2.3 具有化學(xué)活動性的流體（C）4. 影響巖石的重熔溫度 具有化學(xué)活動性的流體，在變質(zhì)作用中是普遍而重要的，通常影響變質(zhì)反應(yīng)的方向和速度。 只有在其以組分形式參加變質(zhì)過程時，才能作為變質(zhì)作用中的一個獨(dú)立的強(qiáng)度因素。422.2.4 變質(zhì)作用影響因素小結(jié) 1. 溫度 通常是變質(zhì)過程中的一個獨(dú)立的、主導(dǎo)的強(qiáng)度因素，只有在沒有重結(jié)晶和變質(zhì)結(jié)晶的過程中，才作為次要的因素，但其影響仍然存在。 2. 壓力 在多數(shù)變質(zhì)過程中也是主要的影響因素之一，只有在某些變質(zhì)作用，如：熱接觸變質(zhì)作用、區(qū)域中高溫變質(zhì)作用中作為次要因素，雖然不能改變變質(zhì)過程，但可影響到礦物共生組合。 3. 具有化學(xué)活動性流體 只有在溫度和壓力的共同參與下，以組分形式加入，才能作為影響變質(zhì)作用的因素之一。432.