变质反应及变质作用因素.ppt

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1、变质岩岩石学第二章 变质反应及变质作用因素,本章重点,1.掌握变质作用的影响因素及其在变质过程中 的特点；2.理解变质反应的概念；3.了解变质反应的主要类型。,本章难点,1.变质作用因素在变质过程中的特点。,2.1 变质反应及其类型,2.1.1 概述 变质反应（metamorphic reaction）在固相线下（由于变质的温度、压力所限制）发生的物相转变及化学反应过程。变质反应属于化学反应的自然类型，其反应的动力是地球运动和物质调整。,2.1.1 概述,在变质过程的研究中，规定相转变方向（即变质反应方向）以升温转化方向为正方向（进变质），降温方向为负（退变质）。从反应的速度上看，退变质的速度

2、要慢得多，但在反应催化剂（流体）存在时，其反应速度可以加快。,2.1.1 概述,变质反应可以从岩相研究（实地调查和岩石薄片鉴定等）中得到，也是最常规、简便的直接方法。实验岩石（相）研究及热力学推导是重要的现代研究方法之一。因此，掌握变质岩的薄片分析方法是本课程的基本要求。,2.1.2 变质反应的基本类型,变质反应的基本类型有三种：固固反应 固固液反应 氧化-还原反应1.固固反应 温度和压力为反应的主导因素，反应过程无流体相存在或析出。这种反应的方式有三种：,2.1.2 变质反应的基本类型,1）矿物多形的转变：如：AndkySil的铝硅酸盐（Al2SiO5）同质多象转变。,蓝晶石,矽线石,红柱石

3、,2.1.2 变质反应的基本类型,2）固溶体矿物的出溶：如：长石、角闪石的变质双晶的形成；,钠长石双晶,2.1.2 变质反应的基本类型,3）纯固相反应：如反应：硬玉 石英 钠长石 反应在低温下由压力变化控制，向右进行为压力降低的退变质；反之为升压进变质。反应前后没有物态的变化，但有相数的改变。,2.1.2 变质反应的基本类型,2.固固液反应 这是常见的变质反应类型，其主导因素为温压和流体，变化较复杂，反应时有流体相存在或反应过程中有液相析出。常见的反应方式有两种：,2.1.2 变质反应的基本类型,1）水化与脱水反应，如：叶腊石 红柱石 石英H2O 2）脱碳酸与碳酸盐化反应，如：方解石 石英 硅

4、灰石 CO2,2.1.2 变质反应的基本类型,3.氧化-还原反应 变质过程中由于氧逸度（fO2）的变化引起的缓冲反应。如：赤铁矿 磁铁矿O2,2.1.3 滑动反应,滑动反应 固溶体矿物发生变质反应的过程中，其成分随反应过程不断连续改变的反应。亦称为连续反应。,2.1.3 滑动反应,滑动反应的基本特征是：反应的温、压取决于原岩成分，反应物（原岩矿物）与生成物（新的变质矿物）在一定的温压范围内共存，且其成分随温压的改变而不断变化，即反应物与生成物之间维持一定的动态“平衡”。,2.1.3 滑动反应,例如：在麻粒岩相条件下，菫青石 石榴石 了解变质反应的目的在于：把握变质因素及其过程的变化。,一些重要

5、的变质反应,2.1.3 滑动反应,例如：在麻粒岩相条件下，菫青石 石榴石 了解变质反应的目的在于：把握变质因素及其过程的变化。,2.2 变质作用影响因素,变质作用的影响因素包括地质因素和外部因素。从上述变质反应类型及其对外部因素的归纳中，可以得出变质过程中起主导作用的外部因素是：温度 压力 流体 后面将介绍这些因素的在变质作用过程中的特点及其变化。,2.2.1 温度（T）,多数的变质反应与温度有直接的关系，即温度是多数变质作用的主导因素。1.变质过程的温度范围 变质作用的温度范围是 200800,向沉积后生成岩作用上限过渡,向岩浆作用下限过渡,110,900,2.2.1 温度（T）,按温度变化

6、可将变质作用过程分为三级：低级变质：T200550（或500）中级变质：T550700 高级变质：T700800 近来将T200的变质过程称为极低级变质。温度的变化可引起变质作用的产生及其以不同的变质作用方式进行。,2.2.1 温度（T）,2.作用方式 温度引起的变质作用方式主要有三种：1）重结晶 如：灰岩大理岩,2.2.1 温度（T）,2.作用方式 温度引起的变质作用方式主要有三种：2）变质结晶 如：方解石石英硅灰石CO2 3）部分重熔 主要是长英质矿物产生的低共熔系熔体。,2.2.1 温度（T）,3.热源（温度变化起因）引起温度变化的起因主要有五种：1）地热 正常的地热增温率为1.5100

7、m，但在造山带、太古宙的地热流值是正常地温的23倍以上，在高热流区地热增温率可达60km。如：区域埋藏变质、区域动热变质、区域中高温热流变质，等。,2.2.1 温度（T）,2）上地幔对流热 上地幔的对流形成地幔热柱，导致地壳内温度升高而产生变质。如：下地壳的深变质、洋中脊变质，等。3）放射性元素衰变热 放射性元素衰变时产生的化学能热能，导致温度上升产生变质。如：区域温度异常引起的区域变质，等。,2.2.1 温度（T）,4）岩浆热 岩浆上侵时由岩浆热造成的温度梯度扩散引起变质。如：热接触变质，等。5）动力变质热 地球内应力作用，机械能热能 而引起变质。如：区域热动变质、动力变质，等。,2.2.1

8、 温度（T）,温度升高时，当超过原岩矿物组合的平衡温度时，产生进变质（正向变质反应），形成高一级的变质矿物组合；当低于原岩矿物组合的形成温度时，产生退变质（逆向变质反应），形成低一级的变质矿物组合。,2.2.1 温度（T）,高级或低级划分是相对于原岩矿物组合及变质矿物组合本身而言，即为相对的概念。其相关的实例将在后续部分中介绍。例如：绿泥石+绢云母 的变质矿物组合，对岩浆岩原岩来说是退变质，对泥质岩类来说是进变质。,2.2.2 压力（P）,变质作用属于内力地质作用之一，且在一定的地壳深度条件下进行，因而压力是变质作用的重要因素之一。压力的大小及其变化可决定变质反应的方向，如：压力增大时变质反应

9、向矿物分子体积变小的方向进行。1.变质作用产生的压力范围 0.02GPa1.1GPa 换算为正常的地壳深度相当于1km40km。,2.2.2 压力（P）,2.压力的类型及其特征 根据力的来源和作用方式分为三类：负荷压力（Pl）流体压力（Pf）应力（Ps）对其特征将分别予以介绍。,2.2.2 压力（P）,1.负荷压力（Pl）亦称为静压、均向压、围压，来自于上覆岩层的重量的负荷压，或围岩的均向压（围压）。在正常的地壳深度0km40km的范围内，平均增压率为：0.0275GPakm 故形成的深度越大，越是向形成坚硬、密度大、体积小的矿物、岩石方向进行。,2.2.2 压力（P）,2.流体压力（Pf）主

10、要是H2O、CO2等流体存在于岩石矿物的粒间和微裂隙中产生的压力。按其存在状态（Pf 与 Pl 的相对关系）分为三种类型：,2.2.2 压力（P）,1）Pl Pf：为地壳深部封闭系统，Pf 为非独立因素；2）Pl Pf：为岩体附近岩浆水富集地带，引起水化反应；但在干环境时可Pf Pl；3）Pl Pf：为地壳浅部的裂隙发育区、开放系统，引起脱水、脱气反应，可形成构造热液。,2.2.2 压力（P）,温度、流体压力、流体中CO2的含量（以摩尔分数表示）与CaCO3SiO2CaSiO3CO2的平衡关系图（按格林伍德，1962；XCO2即CO2的摩尔分数）结论：流体压力能影响变质作用的温度。,2.2.2

11、 压力（P）,3.应力（Ps）亦称为定向压力、构造压力、侧向压力，是由构造运动产生的引起岩石变形变质结晶和重结晶（动力变质）。定向压力作用时，一部分机械能使矿物、岩石变形（脆性和韧性），部分则转变为热能，促使矿物发生重结晶和变质结晶。,2.2.3 具有化学活动性的流体（C）,化学活动性的流体，通常指的是气态或液态的水溶液，其中常含有H2O、CO2、硼酸、盐酸、氢氟酸等，这些成分增强了水溶液的化学活动性。该类流体在变质过程中所起作用有四方面：,2.2.3 具有化学活动性的流体（C）,1.促使交代作用产生的载体 在岩石孔隙和裂隙中的粒间溶液，由于压力差或浓度差而产生流动，与周围岩石发生交代作用，即

12、造成组分的迁移（带出或带入），形成与原岩组分迥然不同的变质岩石。例如：斜长石绢云母+石英，带入K+，带出Ca+、Na+。,2.2.3 具有化学活动性的流体（C）,2.反应接触剂 通过粒间溶液作媒介，对矿物彼此间的反应起到接触剂的作用，可促进矿物中某些组分的溶解和沉淀，从而有利于矿物的重结晶和变质结晶。例如：固-固反应、应力矿物生长。,2.2.3 具有化学活动性的流体（C）,3.变质反应的组分 水和碳酸等还直接参与组成含水和含碳酸的矿物，影响水化或碳酸盐化（降温）、脱水或去碳酸盐化作用（升温）的进行。,2.2.3 具有化学活动性的流体（C）,例如下列反应：白云母石英 钾长石矽线石H2O 方解石石

13、英 硅灰石CO2 升温反应向右进行，降温则向左进行。,去碳酸盐化 碳酸盐化,脱水水化,2.2.3 具有化学活动性的流体（C）,4.影响岩石的重熔温度 水溶液对岩石的重熔温度的影响也很大。如：不含水的干体系时，花岗质岩石开始重熔的温度要达到950以上；而在饱和水体系时，在64020就开始重熔。,2.2.3 具有化学活动性的流体（C）,4.影响岩石的重熔温度 具有化学活动性的流体，在变质作用中是普遍而重要的，通常影响变质反应的方向和速度。只有在其以组分形式参加变质过程时，才能作为变质作用中的一个独立的强度因素。,2.2.4 变质作用影响因素小结,1.温度 通常是变质过程中的一个独立的、主导的强度因

14、素，只有在没有重结晶和变质结晶的过程中，才作为次要的因素，但其影响仍然存在。2.压力 在多数变质过程中也是主要的影响因素之一，只有在某些变质作用，如：热接触变质作用、区域中高温变质作用中作为次要因素，虽然不能改变变质过程，但可影响到矿物共生组合。3.具有化学活动性流体 只有在温度和压力的共同参与下，以组分形式加入，才能作为影响变质作用的因素之一。,2.2.4 变质作用影响因素小结,此外，近代研究十分重视氧逸度（f O2）和时间（t）对变质过程的影响，特别是对叠加的多期变质。对某些变质反应，如：氧化-还原反应、滑动反应等，f O2是重要因素，控制了反应的方向和程度。t 是衡量变质反应进程、方向演化的指标和地壳历史的标尺之一。,2.2.4 变质作用影响因素小结,以物质运动观念建立的四维坐标系统，在变质作用的历程中则以PTt-MR（变质岩）来表述，这是变质作用研究的发展方向。,