1、本讲基本问题问题（1）变质作用与变质岩概念（what）问题（2）变质岩是如何形成的呢？（How）问题（3）变质作用机制因何而启动和进行？（Why）问题（4）变质作用发生的地质构造环境（Where）一、变质作用与变质岩概念变质作用在地壳环境中，先存岩石（原岩,protolith）在固态下（下固相线subsolidus）发生的成分、组构转变过程的总和；变质岩原岩成分与组构经固态转变过程（变质作用）而形成的新岩石。原岩为岩浆岩正变质岩（ortho-）原岩为沉积岩副变质岩（para-）原岩为变质岩复变质岩（poly-）二、变质作用机制（How）变质作用机制：变质结晶、变形、变质分异；深熔作用（anat
2、exis）与部分熔融（partial melting岩浆岩成因术语）；埋藏变质（burial metamorphism）与成岩作用（diagenesis）过程的压实、重结晶和交代作用，属于沉积作用范畴）。l变质结晶作用：先存岩石（原岩）在变质作用温度压力条件范围内新矿物的结晶生长。包括：重结晶作用（等化学过程，封闭）重结晶作用（等化学过程，封闭）交代作用（异化学过程，开放）交代作用（异化学过程，开放）在基本固体状态下原岩矿物发生的结构调整或化学反在基本固体状态下原岩矿物发生的结构调整或化学反应形式的再造过程。重结晶前后，岩石的造岩组分（除应形式的再造过程。重结晶前后，岩石的造岩组分（除H2O、
3、CO2等挥发分外）基本保持不变。特点：等挥发分外）基本保持不变。特点：等化学过程等化学过程 封闭体系封闭体系 矿物的成核、结晶生长受表面能最低原理控制矿物的成核、结晶生长受表面能最低原理控制可分狭义可分狭义重结晶和变质结晶（变质反应）两种重结晶和变质结晶（变质反应）两种(Raymond,2002)（1）狭义狭义重结晶：重结晶：(Recrystallization,Raymond,2002)矿物成分不变下的结构调整矿物成分不变下的结构调整：纯灰岩（沉）纯灰岩（沉）大理岩（变）大理岩（变）纯石英砂岩（沉）纯石英砂岩（沉）石英岩石英岩（变）（变）Raymond,2002Raymond,2002（左）
4、远离岩体的上奥陶统页岩中的（左）远离岩体的上奥陶统页岩中的 含化石灰岩结核含化石灰岩结核.（右）（右）近岩体处，页岩变近岩体处，页岩变质岩角岩，灰岩与页岩反应为以钙长石质岩角岩，灰岩与页岩反应为以钙长石+透辉石为主要矿物的钙硅粒岩壳透辉石为主要矿物的钙硅粒岩壳挪威挪威Oslo裂谷二叠纪接触变质晕内沉积岩向变质岩的转变露头照片裂谷二叠纪接触变质晕内沉积岩向变质岩的转变露头照片（据（据Kurt Rucher&Rodney Grapes,2011）交代作用交代作用指在变质作用条件范围内，在以指在变质作用条件范围内，在以化学活动性流体化学活动性流体为主为主要因素的作用下，使岩石中的要因素的作用下，使岩
5、石中的造岩组分发生不同程度的造岩组分发生不同程度的带入带入或带出，使新形成岩石的化学成分（除或带出，使新形成岩石的化学成分（除H2O、CO2等挥发分等挥发分外）外）部分或全部变化部分或全部变化的变质过程。在交代过程中，岩石的体的变质过程。在交代过程中，岩石的体积基本保持不变。积基本保持不变。交代过程是交代过程是异化学作用过程异化学作用过程，岩石体系性质属于，岩石体系性质属于开放体系开放体系。交代作用也可在成岩阶段发生，称成岩交代作用；在变质交代作用也可在成岩阶段发生，称成岩交代作用；在变质条件下发生的交代作用称为条件下发生的交代作用称为变质变质交代作用交代作用。活动元素（组分）与惰性元素（组分
6、）；活动元素（组分）与惰性元素（组分）；活动组分活动组分：可带入带出，岩石中该组分的：可带入带出，岩石中该组分的绝对含量交代前绝对含量交代前后的含量发生改变后的含量发生改变，除，除H、F、Cl、S、C等挥发份组分等挥发份组分以外，碱金属以外，碱金属Na、K、Rb、Cs和碱土金属类元素和碱土金属类元素Be、Ca、Mg、Sr、Ba、Si等常见；等常见；惰性组分惰性组分：基本不发生带入带出，：基本不发生带入带出，交代前后组分的绝对含交代前后组分的绝对含量不发生改变量不发生改变，以重金属、稀土或超场强元素（，以重金属、稀土或超场强元素（HFSEs）常见；主量元素中包括常见；主量元素中包括Fe、Al、M
7、n、Ti等。等。某一元素是否属于活动与惰性元素，视具体情况而定！某一元素是否属于活动与惰性元素，视具体情况而定！交代机制交代机制交代作用中的活动组分的运移方式交代作用中的活动组分的运移方式l渗透（渗透（infiltration）：组分受压力差驱动，随溶液流：组分受压力差驱动，随溶液流动，从高压域向低压域迁移，主要发生在裂隙溶液中动，从高压域向低压域迁移，主要发生在裂隙溶液中;l扩散（扩散（diffusion）：组分受浓度差驱动，从高浓度域：组分受浓度差驱动，从高浓度域向低浓度域迁移，主要发生在不流动的粒间孔隙溶液中；向低浓度域迁移，主要发生在不流动的粒间孔隙溶液中；粒间孔隙溶液中某种活动组分浓
8、度或粒间孔隙溶液中某种活动组分浓度或化学位梯度化学位梯度是运移是运移和交代的主要动力；和交代的主要动力；l交代作用也见于岩浆岩和沉积岩的形成过程；变质交交代作用也见于岩浆岩和沉积岩的形成过程；变质交代作用仅指发生在变质作用条件范围内的交代作用。代作用仅指发生在变质作用条件范围内的交代作用。l岩石在变质作用的温压条件范围内，受到超过其最高弹性模量的应力作用，将发生永久变形，使岩石的结构和构造受到破坏，岩石化学成分可变可不变，从而形成变质岩的地质作用过程。依据变形性质可分脆性变形和韧性变形两种。在变质作用过程中，原先均匀的岩石经变质后成为在变质作用过程中，原先均匀的岩石经变质后成为不均匀甚至存在不
9、均匀甚至存在成分分成分分“层层”岩石的现象（岩石的现象（Raymond,1995），结果使岩石的），结果使岩石的构造特征构造特征发生了发生了改变，改变，从而形成变从而形成变质岩的作用过程。变质分异严格来说应指封闭体系内的组质岩的作用过程。变质分异严格来说应指封闭体系内的组分调整，以便于与交代作用相区别，但往往不易区分。另分调整，以便于与交代作用相区别，但往往不易区分。另外变质分异与构造分异也密不可分。外变质分异与构造分异也密不可分。变质分异产生不均匀或成分层的现象与机理变质分异产生不均匀或成分层的现象与机理（1）变斑晶形成）变斑晶形成（2）扩散反应带）扩散反应带（交代作用？开放？）（交代作用？
10、开放？）（3）构造剪切分异：浅变质岩中的石英脉）构造剪切分异：浅变质岩中的石英脉（4）构造压扁（图）构造压扁（图17-8？）？）高级片麻岩区四种典型露头尺度递进变形示意图高级片麻岩区四种典型露头尺度递进变形示意图所有这些递进变形都形成相同的条带状片麻岩（所有这些递进变形都形成相同的条带状片麻岩（Passchier et al.,1990）(a)网状岩脉的均匀变形网状岩脉的均匀变形(b)岩石碎块的均匀变形岩石碎块的均匀变形（c）粒度不均匀的均）粒度不均匀的均质火成岩（例如斑状花质火成岩（例如斑状花岗岩）的均匀变形岗岩）的均匀变形(d).均质火成岩均质火成岩（例如辉长岩）的（例如辉长岩）的不均匀变
11、形不均匀变形变质作用温度变质作用温度-压力范围图解压力范围图解 实验确定的白云母花岗岩(14)和拉斑玄武岩(58)的熔融间隔(引自Miyashiro,1994)。实线表示无水条件，虚线表示过量水条件。白云母花岗岩过量水条件下的固相线和液相线分别为1、2，无水条件下的固相线和液相线分别为3、4；对拉斑玄武岩，过量水条件下的固相线和液相线分别为5、6，无水条件下的固相线和液相线分别为7、8。DG.成岩作用条件区；MG.岩浆作用条件区；MT.变质作用条件区；NU.自然界未知的条件区。变质作用条件(MT)与岩浆作用条件(MG)间有一个范围广大的P-T过渡区，在熔融曲线18之间按变质作用的温度范围分：极
12、低温、低温、中温、高温和超高温变质，相应的变质程度划分为极低、低、中、高、极高级变质岩柱压力（岩柱压力（Pl lithostatic pressure）流体压力（流体压力（Pf fluid pressure）偏偏 应应 力（力（Pd directed pressure）热力学压力称静水压力热力学压力称静水压力（Ps-hydrostatic pressure），影响着化学反应的平衡温度。），影响着化学反应的平衡温度。2.1 变质作用压力分类岩柱岩柱压力压力（Pl）各向同性各向同性：Pl=gD Pl(GPa)=9.81 D(Km)10-3（=2700kg/m3）定向应力定向应力（Pd）向各异性向各
13、异性偏应力（非静水压力）偏应力（非静水压力）=A-B 0平均应力（具静水压力性质）平均应力（具静水压力性质）=（A+B）/2构造超压构造超压=平均应力平均应力/偏应力指向地心的分应力偏应力指向地心的分应力-岩柱压力（岩柱压力（Pl）2.2 岩柱压力范围变质作用压力条件范围 实验确定的变质反应将变质作用按压力条件划分为低压、中压、高压和超高压变质：低压低于蓝晶石、红柱石和矽线石（Als）三相点压力条件；中压Als三相点至Jd+QAb（硬玉+石英钠长石）反应之间；高压Jd+Q至出现柯石英（Coe）多型之前的压力条件；超高压柯石英（Coe）至金刚石（Dia）2.4 压力对变质作用机制的影响（1）岩柱
14、压力）岩柱压力（2）偏应力）偏应力（3）流体压力）流体压力（4）构造超岩与流体超压）构造超岩与流体超压 液体（液体（liquid）、蒸汽）、蒸汽（Steam）、超临界流体（）、超临界流体（supercritical fluid）流体成分（以水为例）来源：原岩中的同生水流体成分（以水为例）来源：原岩中的同生水+大气水、俯冲带卷入的海大气水、俯冲带卷入的海水、变质反应释放水、岩浆冷凝释放水、深源水（少），可高达水、变质反应释放水、岩浆冷凝释放水、深源水（少），可高达5wt%页岩和玄武岩变质的H2O含量变化(after Kurt Rucher&Rodney Grapes,2011 who redra
15、wn from Fyfe et al.1978)变质作用过程当液体相呈变质作用过程当液体相呈超临界状点超临界状点（H2O:374oC，21.77 MPa）或以上温度时，液体相和蒸汽相具有相同的密度。）或以上温度时，液体相和蒸汽相具有相同的密度。流体成分以流体成分以H2O,CO2,为主体；含卤素和碱金属元素或大半径为主体；含卤素和碱金属元素或大半径亲石元素的流体，常具有极强的交代能力，习称亲石元素的流体，常具有极强的交代能力，习称具化学活动性具化学活动性的流体的流体；流体的作用与影响：流体的作用与影响：1.流体中的成分可成为矿物晶格的一部分（变质反应），直接构流体中的成分可成为矿物晶格的一部分（
16、变质反应），直接构成岩石的一部分组成；成岩石的一部分组成；2.影响某种流体组分的分压，影响相关变质反应的平衡温度；影响某种流体组分的分压，影响相关变质反应的平衡温度；3.流体作为流体作为介质介质为组分运移提供载体，或为组分运移提供载体，或媒质媒质促进矿物的溶解速促进矿物的溶解速率、促进深熔作用和交代作用，降低脆率、促进深熔作用和交代作用，降低脆-韧性变形的转变温度等。韧性变形的转变温度等。则则2区域构造环境变质作用区域构造环境变质作用(Regional Metamorphism)俯冲带变质作用俯冲带变质作用(subduction zone metamorphism)碰撞带变质作用碰撞带变质作用
17、(collision zone metamorphism)洋底变质作用洋底变质作用 (ocean floor metamorphism)埋藏变质作用埋藏变质作用 (burial metamorphism)1局域变质作用局域变质作用(Local Metamorphism)接触热变质作用接触热变质作用(contact metamorphism)动力变质作用动力变质作用(dynamic metamorphism)冲击变质作用冲击变质作用(impact or shock metamorphism)交代变质作用交代变质作用(metasomatic metamorphism)五、变质岩的成因类型变质作用是
18、先存岩石为适应地质构造及对应的物理化学环变质作用是先存岩石为适应地质构造及对应的物理化学环境的改变而在成分、结构、构造等方面固态调整和改变；境的改变而在成分、结构、构造等方面固态调整和改变；变质岩是此种调整和改变过程的产物。变质岩是此种调整和改变过程的产物。先存岩石转变为变质岩的机制或方式主要有变质结晶、变先存岩石转变为变质岩的机制或方式主要有变质结晶、变形和变质分异等三种；其中，变质结晶是变质岩形成的最形和变质分异等三种；其中，变质结晶是变质岩形成的最主要机制，而变质分异与构造分异一般不易区分。主要机制，而变质分异与构造分异一般不易区分。变质作用机制的启动与进行在地质上缘于先存岩石构造环变质
19、作用机制的启动与进行在地质上缘于先存岩石构造环境的改变，在物理化学上受控于（热流）温度（境的改变，在物理化学上受控于（热流）温度（200 1000oC，0.001 4.0 GPa）、压力和流体组分（）、压力和流体组分（H2O-CO2）的变化，在动力学上受过程时间（）的变化，在动力学上受过程时间（10 50 Ma）长）长短的制约。短的制约。变质作用类型按其规模大小可分为区域性和局部性变质作变质作用类型按其规模大小可分为区域性和局部性变质作用两大类。区域变质作用的地质环境与板块构造密切相关。用两大类。区域变质作用的地质环境与板块构造密切相关。区域变质作用过程的研究，可以为揭示地质历史上发生的区域变质作用过程的研究，可以为揭示地质历史上发生的重大地质事件的构造演化性质提供重要依据或制约。重大地质事件的构造演化性质提供重要依据或制约。
