变质相及其相转化.ppt

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1、变质相及其相转化,变质相及变质相分类 主要区域变质相的特征 变质相图及其编绘 相转化的组构标志及研究意义,原岩及其形成构造环境的研究 变质作用演化及大地构造环境,变质岩岩理学基本研究内容,一、变质相的基本概念,变质相及变质相分类,1915年芬兰地质学家爱斯克拉，在研究芬兰奥里耶维地区的接触变质岩石，同样发现矿物组合随岩石化学成分的变化而变化。,1911年，戈尔德斯密特研究挪威奥斯陆地区的高级变质角岩时，发现这一地区变质岩的矿物组合随原岩化学成分的变化而变化。首次把相律应用到变质岩的研究中，,表1芬兰奥里耶维和挪威奥斯陆地区接触变质岩石矿物组合对比,一、变质相的基本概念,变质相及变质相分类,爱斯

2、克拉到戈尔德斯密特的实验室工作，对比了两个地区的变质矿物组合。发现两个地区化学成分基本相同的岩石具有不同的矿物组合（见表1）。他认为是其物理化学条件不同所致。,变质相的概念(P.Eskola,1920)：一个变质相是指类似的温度、压力条件下达到化学平衡的所有岩石的总和（不论其结晶方式），一个变质相内部，随着岩石总体化学成分的改变，其矿物组合作有规律的改变”,Turner（1966）的提法：“一个变质相指一定的温度、压力区间内的一整套变质矿物共生组合，它们在时、空上反复出现并密切伴生在一起，一个变质相内部其矿物组合和岩石总体化学成分之间有着固定的因而也是可以预测的对应关系”。,一、变质相的基本概

3、念,变质相及变质相分类,变质作用过程中同时形成的一套矿物共生组合及其形成时的物理化学条件.每个变质相都是一个等物理系列。其矿物组合和岩石化学成分之间在达到化学平衡后,有着可以预测的对应关系.一个变质相应包括一套具有各种原岩化学成分的矿物组合,它们在时间和空间上彼此之间密切共生,且在不同地区重复出现变质相的划分标志:矿物组合,通常用基性变质岩的矿物组合划分变质相,并以相应的基性变质岩命名一个变质相往往具有一个较宽的温度压力区间,可以进一步划分不 同的亚相,术语解释:,Winkler(1974)按温度将变质强度划分为四个变质级(等物理系列):很低级,低级,中级,高级.很低级变质:特征是变质基性岩中

4、出现浊沸石,硬柱石,葡萄石,绿纤石等矿物的出现为标志,温度区间为200-3500C.低级变质:以变质基性岩中硬柱石,葡萄石,绿纤石等矿物反应形成黝帘石和阳起石为标志,温度区间为350-5500C中级变质:标志是泥质岩石中十字石(堇青石)出现和绿泥石消失.在变质基性岩中以普通角闪石+斜长石(An17)为特征.温度区间为550-6500C.高级变质:标志是泥质岩石中白云母和石英反应形成矽线石和钾长石组合(变质成因的紫苏辉石代表高级变质条件),温度区间 6500C.,一、变质相的基本概念,变质相及变质相分类,相关术语:变质级,二、变质相分类,变质相及变质相分类,Escola（1920）最初提出的是五

5、个变质相：绿片岩相、角闪岩相、角岩相、透长石相和榴辉岩相。1939年Escola又增加了三个变质相：绿帘角闪岩相、麻粒岩相和蓝闪石片岩相，并把角岩相改为辉石角岩相，还附带了一个“沸石的结晶作用”，,表2 变质相与温度和压力的关系（据 Escola,1939）,二、变质相分类,变质相及变质相分类,1960年Coombs根据新西兰很低温变质岩的研究成果，提出了沸石相、葡萄石绿纤石变质杂砂岩相。Turner变质相分类：Turner（1960）建议把接触变质和区域变质两个系列的变质相名称分开，在接触变质相中分出了钠长绿帘角岩相和普通角闪石角岩相。1968年Turner将绿帘角闪岩相改为绿片岩相之中的一

6、个高温亚相，把蓝闪石片岩相改为蓝闪石硬柱石片岩相。这样共分出十一个变质相，它们在PT图上的位置见图1。Turner变质相分类在世界各国出版的有关书籍中得到了广泛应用不过，许多人都主张把绿帘角闪岩相还是从绿片岩相中独立出来(Miyashiro,1972)。“中国1:400万变质地质图”划分方案,二、变质相分类,变质相及变质相分类,图1-1.变质相分类 P-T 图（Turnner，1968),三、主要区域变质相特征,变质相及变质相分类,沸石相,(2)葡萄石-绿纤石相,标志是浊沸石和钠长石开始出现为下限，温度稍高可以出现葡萄石。典型矿物组合：（1）浊沸石+绿泥石+石英；（2）浊沸石+葡萄石+绿泥石+

7、石英；（3）葡萄石+绿泥石+方解石+石英形成条件（实验资料）：PH2O=1-3kb，T=230-300。极低级变质,标志是浊沸石分解形成绿纤石，温度稍高绿纤石（400）将分解。典型矿物组合：（1）绿纤石+葡萄石+绿泥石+钠长石+石英（变质硬砂岩）（2）绿纤石+绿泥石+绿帘石+钠长石+石英（变质基性岩）形成条件（实验资料）：PH2O=1-3kb，T=360-370。极低级变质,三、主要区域变质相特征,变质相及变质相分类,(3)蓝闪石-硬柱石相（蓝片岩相）,特征：基性变质岩中出现蓝闪石、硬柱石、硬玉、霰石等。典型矿物组合：中压：硬柱石+钠长石+绿泥石+（石英，方解石，多硅白云母）高压：硬柱石+蓝闪

8、石+钠长石+霰石（无石英时可以出现硬玉）极高压：硬柱石+蓝闪石+硬玉+石英形成条件（实验资料）：温度200-450 压力 3-5kb，可达10kb。注：近来实验研究表明：蓝闪石对压力并不敏感，是否出现主要取决与岩石的化学成分。硬柱石是典型的低温中高压矿物，霰石代替方解石出现代表更高压力，硬玉+石英代替钠长石指示极高压力。,c,a.沸石相b.葡萄石-绿纤石相 c.蓝闪石-硬柱石相,图1-2.矿物共生图解,变质相及变质相分类,(4)低绿片岩相:相当于巴洛变质带的绿泥石带和黑云母带.,温度大致在350-5000C之间，相当于温克勒的低级变质标志是变质基性岩中的绿纤石消失，出现黝帘石/斜黝帘石(Win

9、kler,1976)，可能的变质反应为：绿纤石绿泥石石英黝帘石阳起石H2O这一反应的实验条件（Nitsch，1977）为：0.25GPa,34520;0.4GPa,35020;0.7GPa,37020.不同岩石系列在绿片岩相的矿物组合为：绿帘石阳起石绿泥石钠长石石英方解石 基性岩石白云母绿泥石石英 泥质岩石白云母黑云母绿泥石石英 泥质岩石,三、主要区域变质相特征,变质相及变质相分类,(5)高绿片岩相:相当于巴洛变质带的铁铝榴石带,特征是基性岩中出现普通角闪石，泥质岩中出现铁铝榴石。可能的变质反应为：阳起石斜黝帘石绿泥石石英普通角闪石H2O硬绿泥石绿泥石石英铁铝石榴石H2O白云母绿泥石石英铁铝石

10、榴石黑云母H2O据Liou等（1982）对第一个反应的实验条件为0.5GPa时，T约500不同岩石系列在高绿片岩相的矿物组合为：普通角闪石绿帘石钠长石绿泥石石英 基性岩石铁铝石榴石黑云母白云母石英 泥质岩石泥质岩石在这一变质条件下硬绿泥石和绿泥石都可能出现。这一变质相的温度为500560，压力为0.31.0GPa。,三、主要区域变质相特征,变质相及变质相分类,标志是泥质岩石中出现十字石（中压）和堇青石（低压）和在白云母存在时富铁绿泥石及硬绿泥石的消失为标志，可能的变质反应为：绿泥石白云母十字石黑云母石英H2O该反应的实验条件为：PH2O0.4GPa时 T54015PH2O0.7GPa时 T56

11、515绿泥石白云母石英堇青石黑云母Al2SiO5H2O实验条件为：PH2O0.1GPa T51510PH2O0.2GPa T52510PH2O0.4GPa T55510,(6)低角闪岩相,三、主要区域变质相特征,变质相及变质相分类,在变质基性岩中，Turner&Verhoogen（1960）强调斜长石从An=5到An=17的成分的跃迁为标志，Turner（1966）又以斜长石An30 为界限。泥质岩石和基性岩石的特征矿物组合为：十字石铁铝石榴石黑云母白云母石英斜长石 泥质岩石，中压蓝晶石铁铝石榴石黑云母白云母石英斜长石 泥质岩石，中压堇青石红柱石黑云母白云母石英斜长石铁铝石榴石 泥质岩石，低压

12、普通角闪石斜长石（An30）黑云母绿帘石石英 基性岩石低角闪岩相的温度为550650，压力为0.31.0GPa。,(6)低角闪岩相,三、主要区域变质相特征,变质相及变质相分类,(7)高角闪岩相,标志是泥质岩石中的白云母石英不稳定，转变为钾长石Al2SiO5，即：白云母石英钾长石夕线石/红柱石H2O这一反应的实验条件为：PH2O0.1GPa T580 PH2O0.3GPa T660Winkler(1976)指出这一反应发生在PH2O0.35GPa，岩石中有斜长石存在时，片麻岩就会发生深熔作用。白云母石英斜长石H2O熔体（由钾长石钠质斜长石石英组成）钙质斜长石或石英（取决于其原始含量）Al2SiO

13、5+H2O（溶解在熔体中）所以，片麻岩中发生深熔，出现混合岩化作用也是高角闪岩相开始的标志。,三、主要区域变质相特征,高角闪岩相的特征矿物组合为：夕线石石榴石黑云母钾长石石英斜长石 泥质岩石，中压红柱石堇青石黑云母钾长石石英斜长石 泥质岩石，低压普通角闪石斜长石透辉石石英 基性岩石高角闪岩相的温度为650700，压力为0.31.0GPa。,变质相及变质相分类,(7)高角闪岩相,三、主要区域变质相特征,变质相及变质相分类,(8)麻粒岩相,三、主要区域变质相特征,温度大于7000C.大致相当于基性岩中的二辉石带,典型的高级变质,都城按照压力变化分为:,(1).低压麻粒岩相:以基性变质岩中橄榄石和斜

14、长石共生为特征,不出现铁铝榴石.(2).中压麻粒岩相:以基性变质岩中紫苏辉石透辉石和斜长石共生,出现铁铝榴石+蓝晶石组合为特征.(3).高压麻粒岩相:以镁铝榴石+单斜辉石+石英代替紫苏辉石+钙长石出现为特征.,基性岩中以出现紫苏辉石为标志。普通角闪石石英紫苏辉石透辉石斜长石H2O压力较高时，出现：紫苏辉石斜长石石榴石透辉石石英泥质岩石进入麻粒岩相的标志 夕线石黑云母不稳定，转变为石榴石堇青石。麻粒岩相的特征矿物组合为：紫苏辉石透辉石斜长石石英角闪石 基性岩石 透辉石石榴石斜长石石英 基性岩石 夕线石石榴石堇青石钾长石石英斜长石 泥质岩石麻粒岩相的温度为700900，压力为GPa。,变质相及变质

15、相分类,(8)麻粒岩相,三、主要区域变质相特征,变质相及变质相分类,(9)榴辉岩相,三、主要区域变质相特征,高压变质相，温度范围很宽，400900，压力一般超过1.0GPa在基性岩中的特征矿物组合为：绿辉石石榴石，此外有含量不等的石英、蓝晶石、角闪石、帘石和金红石等，不出现斜长石。在变质泥质岩石特征矿物组合为：蓝晶石滑石，还可以出现多硅白云母、石榴石、富镁的硬绿泥石等，称为白片岩（Schreyer,1973,1985,1987)。榴辉岩相的，近年来，在榴辉岩中发现柯石英和金刚石等超高压矿物指示其最高压力可达到2.83.5GPa（Chopin,1984)。,图12-榴辉岩相的ACF图,变质相及变

16、质相分类,四、主要区域变质相温度压力范围,（1）浊沸石相(Z):温压条件为P0.20.3GPa,T=200（150）300。（2）葡萄石绿纤石相(PP):GPa。（3）低绿片岩相(LGS):GPa。(4)高绿片岩相(HGS):GPa。（5）低角闪岩相（LA):GPa。（6）高角闪岩相(HA):温度为650700，压力为0.31.0GPa。（7）麻粒岩相(G):GPa。（8）蓝片岩相(GL):GPa。（9）榴辉岩相(E):温度范围很宽，400900，压力一般超过1.0GPa，,变质相表达方法变质相图,主要内容,表示特定变质条件下，岩石矿物组合与有效惰性组分关系的图解。,1）组分分析2）矿物标绘3

17、）连接共生线4）岩石成分标绘5）变质相图的主 要类型,变质相表达方法图解法,一、组分分析,对于成分复杂的变质岩而言，需要对组分进行分析以确定在一定变质条件下对矿物组合起主要控制作用的组分（有效惰性组分），以此达到简化组分数，便于编制变质相图的目的。,（一）完全活动组分:与外部环境有质量交换，其化学位由外部条件所控制，属于外部条件，如H2O、CO2等。,组分按性状和行为可以分为两大类:,变质相表达方法图解法,一、组分分析,（二）惰性组分:与外部环境无质量交换，其化学位由体系内部的浓度所决定。进一步划分为五类。杂质组分:含量甚微，以类质同象形式赋存于造岩矿中，不改变矿物共生关系，可以忽略不计。2.

18、类质同象组分:某些组分（FeO、MgO、MnO）在矿物晶格 中可以互相替代，一般不影响矿物共生关系，在共生分析 时，常合并成一个组分。注意，如果类质同象替代是有限 的，则它们都是独立组分，需要分别对待。,变质相表达方法图解法,一、组分分析,3.孤立组分:某些组分（ZrO,TiO2,P2O5）含量少,且以纯的形式（TiO2）或化合物的形式（ZrSiO4），作为副矿物（金红石,锆石）产出,不影响矿物共生分析，可不考虑。4.过剩组分:在参与形成其他共生矿物之后,能以过剩状态态形成单独的矿物相（过剩矿物）。其含量多少不影响共生关系，可不考虑。如普遍含石英的变质岩中的SiO2。5.有效惰性组分:除上述几

19、类组分外的其他组分（包括类质同象合并的祖分）它们之间的比例对矿物组合起决定性作用。,以含石英的变质岩石为例:,该类岩石通常包括十三种组分：SiO2,Al2O3,Fe2O3,FeO,MgO,MnO,CaO,Na2O,K2O,CO2,H2O,TiO2,P2O5。（1）完全活动组分：CO2,H2O（2）过剩组分：SiO2(形成过剩 矿物石英），可不考虑。（3）孤立组分：TiO2,P2O5(形成副矿物金红石,锆石）。（4）类质同象组分：(Al，Fe)2O3;(Fe,Mg,Mn)O。Na2O仅在斜长石中以类质同象出现，可不考虑。（5）有效惰性组分：经过分析确定四个有效惰性组分：(Al，Fe)2O3、(F

20、e,Mg,Mn)O、CaO、K2O。,同理:含有杂质大理岩有效惰性组分为：MgO、Al2O3、SiO2。,变质相表达方法图解法,一、组分分析,变质相表达方法图解法,二、矿物标绘,根据矿物化学分析资料或矿物分子式计算出各组分的摩尔百分含量，据此将各个矿物标绘在相应的位置上（如右图）,变质相表达方法图解法,三、连接共生线,平衡共生的矿物分别用直线连接起来，这些直线（共生线）一般不能交叉。矿物组合：一定化学成分的岩石达到化学平衡时的矿物成分称为矿物组合或矿物共生组合对于进变质而言，矿物组合：多代表热峰变质条件。,变质相表达方法图解法,三、连接共生线,矿物组合的确定标志（1）平衡共生的矿物都有相互接触

21、关系（早期包裹体除外）（2）平衡共生的矿物之间无反应或交代关系。（3）同种矿物不同颗粒的化学成分及光性特征相近。如果 有环带，则其边部的化学成分及光性特征相近。（4）岩石不同部位共生矿物对之间的元素分配系数近相等。（5）矿物数目符合矿物相律，即不超过惰性组分数。,变质相表达方法图解法,四、岩石成分标绘,方法同确定矿物投影点。目的是验证投影点是否与实际矿物组合投影点所确定的范围一致。,每一种组分（岩石类型）一般对应一套由三种不同矿物构成的矿物组合，例如A成分的岩石的三个共生矿物为 x,xy,x2z(f=2,p=c)(f)成分点的岩石矿物组合如何？,变质相表达方法图解法,五、不同岩石类型的成分/共

22、生图解,变质相表达方法图解法,六、变质相图主要类型,A=Al2O3+Fe2O3 C=CaOF=FeO+MgO+MnOA+C+F=100,Eskola将K2O处理为过剩组分，含石英变质岩的有效惰性组分简化为(Al，Fe)2O3-(Fe,Mg,Mn)O-CaO,A C F 图:,ACF 的含义,变质相表达方法图解法,（1）矿物ACF值的计算及标定,And(红柱石)Al2O3 SiO2 A=100Cord(堇青石)2(Fe,Mg)O 2Al2O3 5SiO2 A=50 F=50An(斜长石)CaO Al2O3 2SiO2 A=50 C=50Di(透辉石)CaO(Fe,Mg)O 2SiO2 C=50

23、F=50Gro(钙铝榴石)3CaO Al2O3 3SiO2 A=25 C=75 Wo(硅灰石)CaO SiO2 C=100,A C F 图:,ACF 的标绘,变质相图主要类型,变质相表达方法图解法,某些矿物在ACF图中的投影位置,A C F 图:,（1）矿物ACF值的计算及标定,ACF 的标绘,变质相图主要类型,变质相表达方法图解法,注意:1）An位置不是钙长石而是包含图解外Ab的斜长石；2）不能表示含K2 O的矿物，因此不能区分低温下泥质岩 中 K2 O过剩与不足的两类组合。,(3)连接共生线及注意事项,按矿物实际共生关系连接共生线即完成了ACF 图解。,A C F 图:,变质相图主要类型,

24、A C F 图:,1).用副矿物含量校正岩石化学分析 2).把校正后的岩石化学分析中的各个氧化物（WB%)除以 其分子量再乘以1000，换算成氧化物的摩尔数。3).用钾长石，钠长石校正Al2O3 的摩尔数；用磷灰石校 正 CaO；用方解石校正 CaO 4).校正后的岩石A C F值的计算方法,A=Al2O3+Fe2O3(Na2O+K2O)C=CaO 3.3(P2O5+CO2)F=FeO+MgO+MnOA+C+F=100,(4).岩石成分的标绘(选讲),变质相表达方法图解法,变质相图主要类型,2.AK F 图,变质相表达方法图解法,变质相图主要类型,补充ACF图中不能区分K2 O过剩与K2 O不

25、足的两类矿物组合。与A C F 图联用。Eskola(1915)认为，泥质岩中通常贫钙，且 CaO一般只影响斜长石号码，因此可不考虑CaO，有效惰性组分简化为(Al，Fe)2O3、K2O、(Fe,Mg,Mn)O。,2.AK F 图,变质相表达方法图解法,变质相图主要类型,其中三角形图解三个顶点为:A/=Al2O3+Fe2O3 K2O)K=K2O F=FeO+MgO+MnO A/+K+F=100,2.AK F 图,变质相表达方法图解法,变质相图主要类型,某些矿物在ACF图中的投影位置,3.A F M 图,变质相表达方法图解法,变质相图主要类型,A=(Al2O3-3K2O)/(Al2O3-3K2O

26、+FeO+MgO),M=MgO/(FeO+MgO),相转化的组构标志及研究意义,变质作用研究的两个主要方面时空演化,空间演化特征-变质强度带研究时间演化特征-变质作用PTt轨迹,变质作用 P-T-t 轨迹简介,相转化的组构标志及研究意义,岩石从其变质历史的起点到被捕剥露于地表所经历的P-T条件的连续变化历程。这种连续变化的历程在P-T图解上表现为一条连续的曲线，称变质作用 P-T-t 轨迹。,术语解释,1.变质作用理论研究的重大突破。从动态的观点从新审视变质岩石学领域的一些重大问题和基本概念。2.检验和再造构造演化过程的重要手段。使得人们能够从地壳演化层次上认识变质作用发生和发展的原因及地球动

27、力学过程，摆脱了过去纯理论岩石学研究的局限性。3.建立变质作用与大地构造关系的纽带与桥梁。不同大地构造环境下发生的变质作用具有不同类型P-T-t轨迹；不同类型P-T-t轨迹可能代表了不同的构造背景。,相转化的组构标志及研究意义,研究意义,变质作用 P-T-t 轨迹简介,相转化的组构标志及研究意义,研究方法,1.正演法-热模拟 设定一定的构造环境，引用一些基本的热参数估算 值，通过计算来确定岩石可能经历的 P-T-t 轨迹。2.反演法-岩石学方法 利用矿物演化资料再造P-T-t 轨迹（1）利用矿物环带确定P-T-t 轨迹（2）利用不同矿物的演化关系确定P-T-t 轨迹,变质作用 P-T-t 轨迹

28、简介,相转化的组构标志及研究意义,再造P-T-t 轨迹的岩石学方法,确定不同演化阶段矿物共生组合及所代表的温度压力条件锋期前矿物组合锋期矿物组合锋期后矿物组合,变质作用 P-T-t 轨迹简介,相转化的组构标志及研究意义,相关组构分析研究内容,矿物平衡共生的组构标志 矿物世代划分组构标志 变质变形相对时序（相对时间t的确定）,相转化的组构标志及研究意义,相关组构的分析研究内容,矿物世代划分的组构标志,（1）变斑晶与基质一般属于同一世代的矿物（2）构成包含变晶结构的矿物常属于同一世代（3）构成交代结构的矿物分属于两个世代（4）横切面理的矿物与组成面理的矿物属于不同的世代（5）绝大多数具有反应关系的

29、矿物属于不同的世代（注意单变平衡、连续反应、反应剩余-过稳定状态）,相转化的组构标志及研究意义,相关组构的分析研究内容,变质变形相对时序（相对时间t的确定）,1.构造期前变质结晶作用:变质发生于变形作用之前。2.同构造期变质结晶作用：变质与变形基本同时发生。3.构造期后变质结晶作用：变质发生于变形结束之后。,利用变斑晶内部包体排列方向(Si)和岩石片理或片麻理(Se)之间的关系,结合矿物的形态特征和空间分布等特征等,可区分出:,1.构造期前变质结晶作用,(1).矿物常出现变形现象,如波状消光,双晶弯曲,变形纹等.(2).Se斜切变斑晶内的Si,则变斑晶形成早于Se而晚于Si(3).早期形成的变

30、斑晶被后期Se所围绕,变斑晶两端有压力影.(4).后期形成的Se穿切早期形成的矿物.(5).变斑晶矿物具有压力溶解现象(溶蚀,压溶结构),相转化的组构标志及研究意义,相关组构的分析研究内容,变质变形相对时序（相对时间t的确定）,构造期前变质结晶作用特点,Bent crystal with undulose extinctionFoliation wrapped around a porphyroblastPressure shadow or fringeKink bands or foldsMicroboudinageDeformation twins,相转化的组构标志及研究意义,相关组构的分

31、析研究内容,变质变形相对时序（相对时间t的确定）,2.同构造期变质结晶作用,（1）Si 呈“S”形弯曲并与Se相连（变斑晶旋转）（2）Si向晶体边缘逐渐发生偏转，并与Se相连（同上）（3）Si在中间较平直,向晶体边缘，褶皱程度趋于紧密并 与Se相连.表明变斑晶是基质发生褶皱时形成的.（4）与变形同时生长的矿物常具有方向性排列,构成片理.（5）变斑晶具有推开片理的生长现象,变斑晶两端也具有 压力影构造,这种现象与构造前变斑晶不易区别.,旋转的变斑晶生长过程示意图,相转化的组构标志及研究意义,相关组构的分析研究内容,变质变形相对时序（相对时间t的确定）,3.构造期后变质结晶作用,(1).变斑晶中的

32、Si与Se基质相连,如果Se较平直,Si也较平 直;如果Se褶皱Si也具有相同程度的褶皱.(2).矿物分布是任意的,无优选方位,常常切割早期片理.(3).具有定向构造的岩石中,会出现晚期形成的呈放射状 排列的矿物集合体,它是典型的构造期后矿物的特点.(4).变斑晶两端无压力影现象.,aHelicitic folds b.Randomly oriented crystals c.Polygonal arcs d.Chiastolite e.Late,inclusion-free rim on a poikiloblast(?)f.Random aggregate pseudomorph,变质矿物的稳定范围及不同等物理系列对比,