1、第七章第七章 变质作用与地壳演化变质作用与地壳演化*一、一、问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义二、二、变质相系变质相系三、三、变质双带变质双带四、变质作用四、变质作用P-T-t轨迹与构造演化轨迹与构造演化 问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义 区域变质岩一般都经历了复杂的变形并且具有狭长的带区域变质岩一般都经历了复杂的变形并且具有狭长的带 状分布特征。状分布特征。在前寒武纪深剥蚀地区，可以识别出由再造变质杂岩和在前寒武纪深剥蚀地区，可以识别出由再造变质杂岩和 变质沉积岩组成的活动带。变质沉积岩组成的活动带。这些特殊的活动带是如何和怎样形成的？它们为何从深这些特殊的活动带是如何和怎样形
2、成的？它们为何从深 部被带到地表？部被带到地表？变质作用与构造作用存在密切关系，变质作用研究提供变质作用与构造作用存在密切关系，变质作用研究提供 了变质岩埋藏的深度和温度等信息；构造作用提供了变了变质岩埋藏的深度和温度等信息；构造作用提供了变 质作用一般的构造背景和构造模式质作用一般的构造背景和构造模式 认识和了解地球过去热结构和构造作用的一种重要的手段认识和了解地球过去热结构和构造作用的一种重要的手段第一节第一节 变质相系变质相系 同一变质地区往往不能用一个变质相表示。同一变质地区往往不能用一个变质相表示。不同变质地区变质相的组合往往不同。不同变质地区变质相的组合往往不同。Miyashiro
3、(1961)(1961)提出提出了了变质相系或压力类型。变质相系或压力类型。一个地区的温度、压力变化可以用一个变质相的系（组一个地区的温度、压力变化可以用一个变质相的系（组 合）表示。变质相系就是在一个递增变质地区观察到的合）表示。变质相系就是在一个递增变质地区观察到的 变质相的系列变质相的系列.变质相系反映的是变质相系反映的是 P/T 比值，不同变质地区的比值，不同变质地区的 P/T 比值比值 与其所处的构造背景有关。与其所处的构造背景有关。根据根据P/T 比可将变质相系划分为四个主要类型比可将变质相系划分为四个主要类型第一节第一节 变质相系变质相系1.高高P/T 型（硬玉蓝闪石型，三波川型
4、）型（硬玉蓝闪石型，三波川型）矿物组合特征：矿物组合特征：以含蓝闪石为特征。以含蓝闪石为特征。变质相的组合：变质相的组合：Z LA BS E 相当地热梯度：相当地热梯度：7-16 C/km 典型变质地区：典型变质地区：日本及美国加州日本及美国加州Franciscan地区地区2.中中P/T 型（蓝晶石型（蓝晶石-夕线石型，夕线石型，巴洛型巴洛型）矿物组合特征：矿物组合特征：以低温蓝晶石、高温夕线石为特征。以低温蓝晶石、高温夕线石为特征。变质相的组合：变质相的组合：Z P-P GS EA A G 相当地热梯度：相当地热梯度：16-25 C/km 典型变质地区：典型变质地区：苏格兰高地巴罗式地区苏格
5、兰高地巴罗式地区第一节第一节 变质相系变质相系3.低低P/T 型（红柱石型（红柱石-夕线石型，领家阿武隈型）夕线石型，领家阿武隈型）矿物组合特征：矿物组合特征：以低温红柱石、高温夕线石为特征。以低温红柱石、高温夕线石为特征。变质相的组合：变质相的组合：Z P-P GS A G 相当地热梯度：相当地热梯度：25-60 C/km 典型变质地区：典型变质地区：日本及苏格兰高地巴肯式地区日本及苏格兰高地巴肯式地区4.很低很低P/T 型（接触变质型）型（接触变质型）矿物组合特征：矿物组合特征：与低与低P/T 型相似，但可出现高温矿物。型相似，但可出现高温矿物。变质相的组合：变质相的组合：AEH HH P
6、H 相当地热梯度：相当地热梯度：80C/km 典型变质地区：典型变质地区：北京房山周口店、洋底。北京房山周口店、洋底。3.低低P/T 型（低压型或红柱石型（低压型或红柱石-夕线型）夕线型）矿物组合特征：矿物组合特征：以低温红柱石、高温夕线石为特征。以低温红柱石、高温夕线石为特征。变质相的组合：变质相的组合：Z P-P GS A G 相当地热梯度：相当地热梯度：25-60 C/km 典型变质地区：典型变质地区：苏格兰高地巴肯式地区苏格兰高地巴肯式地区4.很低很低P/T 型（接触变质型）型（接触变质型）矿物组合特征：矿物组合特征：与低与低P/T 型相似，但可出现高温矿物。型相似，但可出现高温矿物。
7、变质相的组合：变质相的组合：AEH HH PH 相当地热梯度：相当地热梯度：80C/km 典型变质地区：典型变质地区：北京房山周口店、洋底。北京房山周口店、洋底。图图1.变质相系的变质相系的P-T图解图解(据据Turner,1981).图图2.变质相系的变质相系的P-T图解图解(据据Turner,1981).第二节第二节 变质双带变质双带一、变质双带现象一、变质双带现象 在日本或环太平洋的许多地区，常存在发育良好的、在日本或环太平洋的许多地区，常存在发育良好的、分别由高压变质带和低压变质带组成的变质带组合，称为分别由高压变质带和低压变质带组成的变质带组合，称为变质双带。变质双带。二、变质双带特
8、点二、变质双带特点 高压变质带和低压变质带基本形成于同一时间；两个高压变质带和低压变质带基本形成于同一时间；两个变质带的走向大致平行；高压变质带常位于向大洋一侧，变质带的走向大致平行；高压变质带常位于向大洋一侧，低压变质带常位于向大陆一侧；两个变质带都可以包括中低压变质带常位于向大陆一侧；两个变质带都可以包括中压型的变质岩系。压型的变质岩系。图图3.环太平洋变质双带的分布（引自环太平洋变质双带的分布（引自 Miyashiro 1994)低压变质带低压变质带高压变质带高压变质带图图4.日本的变质双带（引自日本的变质双带（引自 Miyashiro 1994)第二节第二节 变质双带变质双带三、变质双
9、带成因三、变质双带成因 Miyashiro(1972,1973)用板块构造理论解释了变质双带的成因。他认用板块构造理论解释了变质双带的成因。他认为变质双带成因与大洋板块俯冲到大陆板块之下这种运动有关。为变质双带成因与大洋板块俯冲到大陆板块之下这种运动有关。高压变质带的成因：高压变质带的成因：大洋板块沿消减带下插到较深部位，大洋板块沿消减带下插到较深部位，形成一个局部的高压低温环境，形成高压变质带。形成一个局部的高压低温环境，形成高压变质带。低压变质带的成因：低压变质带的成因：大洋板块沿消减带下插的同时，引起大洋板块沿消减带下插的同时，引起上覆楔形地幔部分熔融产生岩浆，岩浆上升并加热地壳，上覆楔
10、形地幔部分熔融产生岩浆，岩浆上升并加热地壳，在岛弧下部形成一个局部的低压高温环境，形成低压变质在岛弧下部形成一个局部的低压高温环境，形成低压变质带。带。图图5.沟沟-弧体系等温面分布模型弧体系等温面分布模型同为同为600 C,在消减带深在消减带深100km；在火山弧深在火山弧深20km图图6.沟沟-弧体系等温面分布模型弧体系等温面分布模型 变质相带随地质时代的演化变质相带随地质时代的演化变质作用与地质时代的关系是一个充满争议的领域。从地质历史的最早时期到现在，有许多类似的东面也有差异的方面。均变论者强调各时代的共性：均变论者强调各时代的共性：显生宙的主要岩浆活动一花岗岩的侵入和玄武岩的愤出，太
11、古代也是如此；最常见的一些变质相共生组合从古到今多次重复出现；风化剥蚀沉积变质、周而复始循环不已。当然他们也承认差异性，但认为只是一种难以察觉的缓慢的量变而已。而非均变论者则看重前而非均变论者则看重前寒武纪和显生宙的差别方面寒武纪和显生宙的差别方面，特别是太古代，无论是原岩建造、地质构造，还是变质作用、地热状态，都有其特殊性，不可以与显生宙同日而语：尤其对现代流行的板块构造，他们认为根本不能适用于早前寒武纪。下面我们列举一些变质岩石在地质年代上的倾向性。变质相带随地质时代的演化变质相带随地质时代的演化（1）蓝闪石硬柱石片岩相几乎可以说专属于显生宙，前寒武纪述未见报导，而且绝大多数蓝片岩属于中新
12、生代；对于“C类榴辉岩这一情况也类似。前寒武纪榴辉岩非常罕见。最近，在新疆阿克苏报道的典型前寒武纪蓝片岩中也未见硬柱石和硬玉质辉石等典型低温高压矿物。（2）麻粒岩相主要见于前寒武纪，显生宙较少。（3）沸石相和葡萄石绿纤石相的岩石主要见于中、新生代，在更老的地质时代较少。（4）绿片岩相和角闪岩相变质岩分布似乎与地质时代无关。第三节第三节 变质作用变质作用 P-T-t P-T-t 轨迹轨迹 一、变质作用一、变质作用P-T-t P-T-t 轨迹的概念轨迹的概念 二、变质作用二、变质作用P-T-t P-T-t 轨迹的研究意义轨迹的研究意义 三、三、P-T-t P-T-t 轨迹与构造轨迹与构造-热演化过
13、程的关系热演化过程的关系 四、变质作用四、变质作用 P-T-t P-T-t 轨迹的确定方法轨迹的确定方法 五、几个有关的基本概念五、几个有关的基本概念第三节第三节 变质作用变质作用 P-T-t P-T-t 轨迹轨迹一、变质作用一、变质作用P-T-t 轨迹的概念轨迹的概念岩石从其变质历史岩石从其变质历史的起点到被剥露于的起点到被剥露于地表所经历的地表所经历的P-T条件的连续变化历条件的连续变化历程。这种连续变化程。这种连续变化的历程在的历程在P-T图解图解上表现为一条连续上表现为一条连续的曲线，称的曲线，称变质作变质作用用 P-T-t P-T-t 轨迹。轨迹。图图7.变质作用变质作用 P-T-t
14、 轨迹示意图轨迹示意图第三节第三节 变质作用变质作用 P-T-t P-T-t 轨迹轨迹二、变质作用二、变质作用 P-T-t 轨迹的研究意义轨迹的研究意义1.1.变质作用理论研究的重大突破。变质作用理论研究的重大突破。从动态的观点从新审视变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。质岩石学领域的一些重大问题和基本概念。2.2.检验和再造构造演化过程的重要手段。检验和再造构造演化过程的重要手段。使得人们能够从地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力学壳演化层次上认识变质作用发生和发展的原因及地球动力学过程，摆脱了过去纯理论岩石学研究的局限性。过程，摆脱
15、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。建立变质作用与大地构造关系的纽带与桥梁。不同大地构不同大地构造环境下发生的造环境下发生的变质作用具有变质作用具有不同类型不同类型P-T-tP-T-t轨迹；轨迹；不同类型不同类型P-T-tP-T-t轨迹可能代表了不同的构造背景。轨迹可能代表了不同的构造背景。第三节第三节 变质作用变质作用 P-T-t P-T-t 轨迹轨迹 三、三、P-T-t 轨迹与构造轨迹与构造-热演化过程的关系热演化过程的关系 -以大陆碰撞造山带为例以大陆碰撞造山带为例大陆碰撞造山带构造演化分为两个阶段：大陆碰撞造山带构造演化分为两个阶段：陆壳增厚阶段
16、和陆壳增厚阶段和 陆壳减薄（侵蚀）阶段。陆壳减薄（侵蚀）阶段。热演化一般可分为三个阶段：热演化一般可分为三个阶段：埋藏期、加热期、冷却期。埋藏期、加热期、冷却期。P-T-t P-T-t 轨迹包括相应的三个阶段。（图示说明）轨迹包括相应的三个阶段。（图示说明）1.1.埋藏期：埋藏期：浅部岩层迅速进入深部的过程（浅部岩层迅速进入深部的过程（dt/dpdp 0）。压力开始降低，温度继续上升直到最大值（压力开始降低，温度继续上升直到最大值（T Tmaxmax），），此时此时 P P P Pmaxmax 。该温度压力条件即为热峰该温度压力条件即为热峰 P-t P-t 条件或顶峰变条件或顶峰变 质条件，由
17、矿物组合所记录。质条件，由矿物组合所记录。3.3.冷却期冷却期:热峰过后，岩石遭受侵蚀作用，逐渐接近地表热峰过后，岩石遭受侵蚀作用，逐渐接近地表 并出现冷却（并出现冷却（dt/dpdp 0）,最后回到稳态的地热梯度最后回到稳态的地热梯度 变质作用是一个动态过程，这是变质作用是一个动态过程，这是 P-T-t P-T-t 轨迹思想的核心。轨迹思想的核心。图图8.地壳增厚的地壳增厚的仰冲模式仰冲模式 a-a仰冲前仰冲前;b-b仰冲后仰冲后;c.PTt 轨迹轨迹.时间大约时间大约20Ma a-a地壳增厚前地壳增厚前;b-b地壳增厚后地壳增厚后;c.PTt 轨迹轨迹图图9.地壳增厚的地壳增厚的纯剪切模式
18、纯剪切模式图图10.同一碰撞带不同深度变质岩的同一碰撞带不同深度变质岩的PTt 轨迹轨迹图图11.不同类型不同类型(构造背景构造背景)的的PTt 轨迹轨迹(Winter 2001)第三节第三节 变质作用变质作用 P-T-t P-T-t 轨迹轨迹四、变质作用四、变质作用 P-T-t 轨迹的确定方法轨迹的确定方法 1.正演法正演法-热模拟热模拟 设定设定一定的构造环境，引用一些基本的热参数估算一定的构造环境，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值，通过计算来确定岩石可能经历的 P-T-t P-T-t 轨迹。轨迹。2.2.反演法反演法-岩石学方法岩石学方法 利用矿物演化资料再造
19、利用矿物演化资料再造P-T-t P-T-t 轨迹轨迹 （1 1）利用矿物环带确定）利用矿物环带确定P-T-t P-T-t 轨迹轨迹 （2 2）利用不同矿物的演化关系确定）利用不同矿物的演化关系确定P-T-t P-T-t 轨迹轨迹第三节第三节 变质作用变质作用 P-T-t P-T-t 轨迹轨迹五、几个有关的基本概念五、几个有关的基本概念 1.热峰条件和变质级热峰条件和变质级 热峰条件：热峰条件：在变质作用过程中，岩石所经历的最高温度状在变质作用过程中，岩石所经历的最高温度状 态时的条件（态时的条件（Miyashiro,1974).由变质矿由变质矿 物组合所纪录。物组合所纪录。变质级：变质级：由变
20、质矿物组合所纪录的热峰温度所划分由变质矿物组合所纪录的热峰温度所划分 的变质的变质 级。其划分标志是变质矿物组合级。其划分标志是变质矿物组合,代表热峰条件。代表热峰条件。第三节第三节 变质作用变质作用 P-T-t P-T-t 轨迹轨迹 2.野外野外 P-T P-T 曲线和曲线和 P/T P/T 类型类型 野外野外 P-T P-T 曲线曲线:在在 P-T P-T 图解上图解上,各变质带岩石样品矿物各变质带岩石样品矿物 组合所代表的一组热峰条件的连线。又称野外变质梯度组合所代表的一组热峰条件的连线。又称野外变质梯度.P/T P/T比类型比类型:由由野外野外 P-T P-T 曲线所划分的压力类型曲线
21、所划分的压力类型.高压型高压型:20 20 C/km C/km 中压型中压型:=20-4020-40 C/kmC/km 低压型低压型:40-8040-80 C/km C/km 很很低压型低压型:8080 C/kmC/km第三节第三节 变质作用变质作用 P-T-t P-T-t 轨迹轨迹 3.进变质与递增变质进变质与递增变质 进变质：进变质：在到达热峰条件之前，在岩石的变质温度随时间在到达热峰条件之前，在岩石的变质温度随时间 的增加而增加的过程中所发生的变质作用。的增加而增加的过程中所发生的变质作用。递增变质：递增变质：一个变质地区，沿一定方向，热峰温度连续有一个变质地区，沿一定方向，热峰温度连续
22、有 规律的增加的变质作用。规律的增加的变质作用。区别：区别：进变质指单个岩石温度随时间的增加；递增变质指横进变质指单个岩石温度随时间的增加；递增变质指横 过一个变质地区空间上的热峰温度的增加。过一个变质地区空间上的热峰温度的增加。第三节第三节 变质作用变质作用 P-T-t P-T-t 轨迹轨迹 4.退变质与退化变质退变质与退化变质 退变质：退变质：岩石在热峰条件之后伴随温度降低所发生的变岩石在热峰条件之后伴随温度降低所发生的变 质作用，质作用，退化变质：退化变质：有两种含义：有两种含义：(1)(1)同退变质同退变质；(2)(2)复变质中，复变质中，晚期温度较低的变质叠加于早期温度较高的变质。晚期温度较低的变质叠加于早期温度较高的变质。
