1、變質(zhì)巖，第17章，變質(zhì)作用的基本概念，第1節(jié)，變質(zhì)機(jī)制(“模式”)，第2節(jié)，變質(zhì)因素，第3節(jié)，變質(zhì)P-T-t軌跡(過(guò)程)，第4節(jié)，變質(zhì)作用的地質(zhì)分類，變質(zhì)作用是一個(gè)基本保持固態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程。異晶化、變形和分化。此外，部分熔融也可發(fā)生在主要屬于巖漿作用的高級(jí)變質(zhì)作用中，甚至壓實(shí)也可發(fā)生在主要屬于沉積作用的極低級(jí)變質(zhì)作用(埋藏變質(zhì)作用)中。第一節(jié)是變質(zhì)機(jī)理，變質(zhì)結(jié)晶，也包括成核和生長(zhǎng)。固態(tài)成核主要是在成核劑存在下的非均相成核。成核劑可以是預(yù)先形成的固體顆粒界面或變形結(jié)構(gòu)，固體狀態(tài)下的晶體生長(zhǎng)是由表面能驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)增大和均化顆粒尺寸以及平整顆粒界面(多邊形)，表面能不斷降低，從而達(dá)到表面能最低的結(jié)構(gòu)穩(wěn)

2、定性。1.1重結(jié)晶，即礦物重組和通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在基本上保持固態(tài)的巖石中形成新礦物的過(guò)程。重結(jié)晶前后，巖石的總化學(xué)成分保持不變(除H2O和CO2外，封閉體系)，變質(zhì)結(jié)晶主要有重結(jié)晶和交代兩種機(jī)制。圖17-1變質(zhì)硅質(zhì)巖的粒度與輝長(zhǎng)巖接觸帶的距離的關(guān)系圖，單礦物硅/鈣巖石的再結(jié)晶礦物的復(fù)合，沒(méi)有變質(zhì)反應(yīng)，沒(méi)有礦物組成變化，只有結(jié)構(gòu)變化，當(dāng)達(dá)到最小的顆粒界面能時(shí)，在相鄰晶面之間，反應(yīng)完成，粒度進(jìn)一步增加，在高溫下形成新的穩(wěn)定的礦物組合Cc Wo和平衡結(jié)構(gòu)；低溫Cc Q、應(yīng)時(shí)、方解石和硅灰石的平衡結(jié)構(gòu)；b .當(dāng)溫度超過(guò)Cc Q=Wo CO2的反應(yīng)溫度時(shí)，顆粒尺寸增加，Q與Cc反應(yīng)形成Wo反應(yīng)邊緣。Wo骨料

3、中有少量q渣，結(jié)構(gòu)不均衡。多礦物巖石的重結(jié)晶導(dǎo)致礦物組成和結(jié)構(gòu)的變化。硅灰石、a、b、c和滲透裂隙溶液中組分遷移的驅(qū)動(dòng)力是壓力差。1.2交代或置換是一個(gè)過(guò)程，其中固體巖石的總化學(xué)成分和礦物成分在化學(xué)活性流體的作用下通過(guò)成分的引入和引出而改變。交代(開(kāi)放系統(tǒng))過(guò)程中巖石體積保持不變，擴(kuò)散晶間孔隙溶液中組分遷移的驅(qū)動(dòng)力是濃度差，可帶入和帶出系統(tǒng)的組分稱為可移動(dòng)組分。液相是一種完全活躍的成分。普通變質(zhì)作用也會(huì)引起巖石中H2O、CO2和鐵的價(jià)態(tài)變化。巖石系統(tǒng)是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，從化學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，它被稱為等化學(xué)變質(zhì)作用。當(dāng)金屬陽(yáng)離子如鉀、鈉、鈣、鎂和硅成為活性組分并能被帶入和帶出時(shí)，巖石系統(tǒng)就是一個(gè)開(kāi)放系

4、統(tǒng)。這種變質(zhì)作用使巖石的總化學(xué)成分發(fā)生變化，但H2O和CO2除外，這種變質(zhì)作用被稱為變化學(xué)變質(zhì)作用。變質(zhì)作用的化學(xué)分類是化學(xué)分類、對(duì)比、變形和不同環(huán)境條件下的不同變形行為。a .在近地表低溫、低壓和高應(yīng)變率條件下，巖石的永久變形機(jī)制表現(xiàn)為脆性行為，即脆性變形，表現(xiàn)為巖石沿裂紋斷裂，導(dǎo)致碎裂和斷裂。在地下高溫高壓條件下，特別是應(yīng)變率較低時(shí)，巖石表現(xiàn)出塑性行為，巖石的永久變形主要是由塑性流動(dòng)引起的。它導(dǎo)致礦物變形和褶皺而不斷裂。當(dāng)對(duì)巖石施加偏心應(yīng)力時(shí)，當(dāng)應(yīng)變?cè)黾映^(guò)彈性極限時(shí)，巖石將永久變形。在過(guò)渡區(qū)，巖石的變形行為表現(xiàn)為脆性和塑性，永久變形是由碎裂流動(dòng)引起的。變形巖石具有宏觀塑性變形、微觀脆性變

5、形、單晶扭結(jié)、直線平移滑移、雙晶孿晶滑移、晶界滑移、擴(kuò)散流動(dòng)、粒內(nèi)塑性變形、晶間塑性變形和地下高溫高壓條件下塑性流動(dòng)引起的永久變形(塑性變形)機(jī)制，不改變晶格取向，改變晶格取向產(chǎn)生機(jī)械孿晶，粒內(nèi)變形不均勻，滑移旋轉(zhuǎn)。它導(dǎo)致滑動(dòng)面的彎曲和扭結(jié)，通過(guò)晶間流體相的擴(kuò)散流動(dòng)稱為壓力解?；瘜W(xué)遷移從具有較大應(yīng)力的晶體邊界區(qū)域遷移到其它部分，并在那里產(chǎn)生晶體生長(zhǎng)。機(jī)械、化學(xué)、靜態(tài)再結(jié)晶：無(wú)偏壓應(yīng)力的再結(jié)晶。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶：在偏應(yīng)力參與下伴隨變形的再結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)，在偏應(yīng)力影響下變質(zhì)過(guò)程中單礦物巖石結(jié)構(gòu)變化的理想序列圖(Raymond，1995)，原始晶粒(此處為石英砂)，第一階段變形帶發(fā)育，第二階段為多邊形晶粒邊

6、緣，第三階段晶粒尺寸隨著晶界的平直度而增大，3 .變質(zhì)分異作用使原來(lái)均勻的巖石發(fā)展成成分分層(帶狀或透鏡狀礦物集合體)的變質(zhì)過(guò)程。變質(zhì)分異產(chǎn)生組分層的主要機(jī)制如下：(1)組分層代表擴(kuò)散反應(yīng)帶；(2)組分層的發(fā)展是結(jié)構(gòu)再結(jié)晶(優(yōu)先成核和壓力溶解)的結(jié)果；(3)組件層是強(qiáng)烈壓扁(塑性變形)的結(jié)果。高級(jí)片麻巖區(qū)四種典型的露頭尺度漸進(jìn)變形都形成了相同的平行層狀片麻巖、均一的巖脈網(wǎng)變形和均一的巖石碎塊變形。第二節(jié)非均質(zhì)火成巖(如斑巖花崗巖)的均勻變形、均質(zhì)火成巖(如輝長(zhǎng)巖)的非均質(zhì)變形和變質(zhì)因素?？刂谱冑|(zhì)作用的基本因素是地質(zhì)因素，如構(gòu)造位置(島弧、海溝、洋中脊等)。)、構(gòu)造過(guò)程(沉降、抬升等)。)、巖漿

7、作用等。1.溫度(t)，壓力(P)，2。流體成分(x)，3。時(shí)間(t)，1。溫度(t)和壓力(p)。變質(zhì)巖形成于地下一定深度，其礦物組合適合于某些P-T條件。當(dāng)P-T條件改變時(shí)，它將變得不穩(wěn)定，并且將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(變質(zhì)反應(yīng))以形成在新P-T條件下穩(wěn)定的新礦物組合。1.1溫度(T)，當(dāng)T升高時(shí)，有利于吸熱反應(yīng)，當(dāng)T降低時(shí)，能大大加快變質(zhì)反應(yīng)速率和晶體生長(zhǎng)；t的增加可以改變巖石的變形行為，從脆性變形變?yōu)樗苄宰冃危划?dāng)溫度升高時(shí)，脫水反應(yīng)和脫碳反應(yīng)形成的變質(zhì)熱液將作為催化劑、載體和熱媒影響變質(zhì)。此外，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致部分熔融和混合巖化。1.溫度(t)和壓力(P)，1.2壓力(P)，壓力的標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際單位是

8、帕(帕斯卡)和GPa(=109帕)，巴和Kbar(=103巴)在地質(zhì)學(xué)中常用。1bar=105Pa，1Kbar=0.1GPa。熱力學(xué)壓力p是在所有方向上相等的流體靜壓，它影響礦物相平衡。壓力的增加有利于體積縮小反應(yīng)，形成高密度礦物組合。1。溫度(t)和壓力(p)，作用于單位巖石的不同壓力類型。橫向直接應(yīng)力；地方負(fù)載壓力。Pf。流體壓力。1)荷載壓力P1來(lái)自上覆巖柱2)方向壓力來(lái)自構(gòu)造運(yùn)動(dòng)3)流體壓力來(lái)自粒間孔隙流體2)流體成分(x)，含H2O礦物(云母、角閃石等)的存在。)，變質(zhì)巖中碳酸鹽礦物及其包裹體，特別是流體包裹體的存在，是變質(zhì)過(guò)程中流體相存在的直接證據(jù)。然而，近30年來(lái)對(duì)變質(zhì)巖和上地幔

9、巖中流體包裹體的研究證明，流體甚至廣泛存在于麻粒巖和地幔巖中。就整個(gè)巖石圈而言，H2O和CO2是流體最重要的組成部分，可近似視為由H2O和CO2組成的流體相。變質(zhì)作用包括大量涉及流體相的反應(yīng)。流體成分對(duì)這些反應(yīng)有很大的影響。隨著流體xH2O的增加(即xCO2的減少)，反應(yīng)將向xH2O減少、xCO2增加的方向進(jìn)行，即脫水反應(yīng)將受到阻礙，脫碳反應(yīng)將得到促進(jìn)。提高脫水反應(yīng)溫度，降低CO2脫除反應(yīng)溫度。相反，成巖組分如鉀、鈉、鈣和硅以及成礦組分如鐵、銅和銀溶解在流體中，這將促進(jìn)脫水反應(yīng)并阻礙CO2去除反應(yīng)。在開(kāi)放系統(tǒng)條件下，元素在流體的作用下被帶入和帶出巖石，與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)交換，導(dǎo)致巖石化學(xué)成分的變化

10、和礦床的形成。因此，流體可以促進(jìn)交代和礦化。另一方面，流體作為催化劑可以大大提高變質(zhì)反應(yīng)(包括交代反應(yīng))的速率。在沒(méi)有流體參與的干燥系統(tǒng)中，反應(yīng)很難發(fā)生或完成。變質(zhì)作用的時(shí)間因素通常從兩個(gè)角度來(lái)理解：變質(zhì)作用的地質(zhì)時(shí)代，即不同時(shí)代的變質(zhì)作用特征不同，這是由地球發(fā)展的方向和不可逆性決定的，不同時(shí)代的變質(zhì)作用特征也不同，這在下面進(jìn)一步解釋。第三節(jié)變質(zhì)作用的P-T-t路徑，即所謂的P-T-t路徑，是“變質(zhì)作用過(guò)程中P-T條件隨時(shí)間變化的過(guò)程(t)或在P-T圖中代表這一過(guò)程的曲線”(Miyashiro，1994) P-T-t。它是變質(zhì)作用理論研究的一個(gè)重大突破，使人們從動(dòng)力學(xué)的角度重新審視變質(zhì)巖石學(xué)領(lǐng)

11、域的一些重要問(wèn)題和基本概念，標(biāo)志著變質(zhì)作用研究進(jìn)入地球動(dòng)力學(xué)階段的一個(gè)里程碑。1P-T-t軌跡的概念，1，2，3:變質(zhì)巖帶a，b，C剖面上巖石樣品的位置(圖a)及其相應(yīng)的熱峰值條件(圖b)FPC:P-T曲線SSG:穩(wěn)態(tài)地?zé)崽荻萒max:巖石樣品經(jīng)歷的最大溫度(熱峰值溫度)Pmax:巖石樣品經(jīng)歷的最大壓力t0:在埋藏停止時(shí)巖石處于最大深度(壓力為Pmax)時(shí)的地?zé)崽荻萾1和t2， T3:侵蝕過(guò)程中的瞬時(shí)地?zé)崽荻菵:埋藏停止時(shí)巖樣1和巖樣2之間的厚度差P:巖樣1和巖樣2的熱峰之間的壓力差：漸進(jìn)變質(zhì)P-T軌跡實(shí)線：海退變質(zhì)P-T軌跡，2大陸碰撞造山帶P-T-t軌跡，(a)造山帶的變質(zhì)帶剖面，圖17-

12、12，(b)變質(zhì)作用淺低溫巖層迅速進(jìn)入深部，巖石壓力迅速增加，但溫度沒(méi)有增加得那么快。 這是因?yàn)榄h(huán)境通過(guò)熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱效應(yīng)相對(duì)較慢且滯后。結(jié)果，地?zé)崽荻仍谠龊裰把杆倨x穩(wěn)態(tài)地?zé)崽荻龋⑶业責(zé)崽荻瘸掷m(xù)降低，導(dǎo)致熱擾動(dòng)。當(dāng)埋藏停止時(shí)，各地巖層達(dá)到最大壓力Pmax，地溫梯度為t0。(2)加熱期或熱松弛期：侵蝕的初始階段。p開(kāi)始降低，與此同時(shí)，由于熱傳導(dǎo)的熱效應(yīng)繼續(xù)，熱松弛發(fā)生。隨著P的降低，T不斷增大，地溫梯度也不斷增大，向埋藏后地殼供熱平衡的穩(wěn)定地溫梯度SSG方向變化。樣品3達(dá)到最高溫度Tmax，地?zé)崽荻葹閠2。冷卻期：熱峰后，隨著侵蝕的迅速，巖石越來(lái)越接近地表，由于熱損失超過(guò)了增加的量，冷卻期

13、開(kāi)始了。在冷卻期間，溫度下降，而巖石上升和下降，地?zé)崽荻壤^續(xù)增加，發(fā)展到穩(wěn)態(tài)熱梯度。例如，巖石樣品3的瞬時(shí)地?zé)崽荻仍谏仙哪硞€(gè)時(shí)刻為t3。在這一階段開(kāi)始時(shí)，溫度下降緩慢，越接近地表，溫度下降越快，地?zé)崽荻仍浇咏€(wěn)定的地?zé)崽荻?。從上面可以看出，變質(zhì)作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。在變質(zhì)作用過(guò)程中，巖石的T-P條件和地溫梯度不是靜止的，而是隨時(shí)間變化的，這是P-T-t軌跡思想的核心。當(dāng)然，在變質(zhì)作用過(guò)程中，除了P和T之外，流體成分也在不斷變化，描述這種復(fù)雜變化的曲線稱為P-T-x-t軌跡。此外，還有描述P-T變化和變形(d)之間關(guān)系的P-T-d-t軌跡。在這些軌跡中，P、T、X等條件由變質(zhì)礦物和礦物包裹體記錄

14、，時(shí)間T由一種特殊的測(cè)年方法確定。一些相關(guān)的基本概念，熱峰條件，是巖石在變質(zhì)過(guò)程中經(jīng)歷最高溫度的條件，包括熱峰溫度、熱峰壓力等。也被稱為峰值變質(zhì)條件，它是由變質(zhì)巖礦物組合記錄的。從圖中可以看出，熱峰值條件顯然不等于埋藏停止且?guī)r石處于最大深度的條件。前者具有最高溫度Tmax，后者具有最高壓力Pmax?？梢宰C明，碰撞造山帶中巖石的熱峰值壓力僅為經(jīng)歷的最大壓力的50-80%。類似地，兩個(gè)樣本的熱峰值條件之間的差異不等于兩個(gè)樣本處于最大深度時(shí)的條件之間的差異。例如，兩個(gè)樣品的熱峰值壓力之間的差異(p)不能代表埋藏停止時(shí)的深度差異(d)。礦物組合是變質(zhì)巖最重要的特征，礦物組合記錄了熱峰條件，熱峰溫度非常重要。變質(zhì)等級(jí)主要表示變質(zhì)的熱峰值溫度：極低等級(jí)、低等級(jí)、中等級(jí)和高等級(jí)分別相當(dāng)于極低溫、低溫、中溫和高溫。在P-T圖上，對(duì)應(yīng)于每個(gè)變質(zhì)帶巖石樣品礦物組合的一組熱峰條件的連線，即場(chǎng)P-T曲線場(chǎng)P-T曲線，稱為場(chǎng)P-T曲線、視地?zé)崽荻然驁?chǎng)變質(zhì)梯度，它是來(lái)自一個(gè)變質(zhì)區(qū)不同變質(zhì)