二十三章变质岩与变质作用一、绪论(一)变质岩和变质作用的基本概念1.变质岩在地壳形成发展过程中,母岩由于内力地质作用(岩浆作用、地壳运动等),使得地壳环境的物理、化学条件发生变化,岩石基本在固态下改变成分、结构、构造,形成新的岩石。与岩浆岩、沉积岩的不同点:沉积岩变质岩岩浆岩常温(T<150~200°C)低温~高温(T=150/200°~600°C)极高温(T>600°C)常压(P<0.1~0.2GPa)低压~高压(P=0.1/0.2~1/3GPa)较高压~高压距地表0~3km3~35km≥35km固态或液态基本在固态下部分熔化全部(局部)熔化-液态沉积作用变质作用岩浆作用2.变质作用形成变质岩的各种内力地质作用(岩浆作用、地壳运动等)的总和。(二)研究意义1.形成时间长。约为40亿年,占地球形成历史的7/8。前震旦纪~新生代,时代越久、数量越多。2.分布广泛。约占地球面积的1/5。遍及大陆、岛弧、海洋等区域,出露在造山带、褶皱带和大洋底部区域。既可以是区域型分布,也可以是局部出露。前寒武纪的变质岩是面状分布,显生宙变质岩是线型分布。主要特点为:(1)前寒武纪的变质岩是区域型,面状分布,多次变质,变质程度深,如秦岭地区变质岩普遍发生过三次变质作用。(2)古生代的变质岩是带状,线型分布,如造山带。(3)中生代、新生代的变质岩是分布在板块结合部位,如海沟-岛弧地带。(4)现代的变质岩是分布在洋脊、海沟、喜山一带。3.理论研究。有助于了解一个地区地壳发展演化历史、规律,了解地球深部物质组成。4.实际意义。(1)变质作用是重要的成矿作用,矿产资源种类多。如Fe、Au、Ag、Cu、Pb、Zn、Cr等金属矿床,以及石墨、石棉、滑石、云母、硅灰石、蓝晶石、红柱石等非金属矿床。(2)变质岩的结构、构造特性、岩石的强度、透水性等特征,是水文地质、工程地质的直接研究对象。二、变质因素内因母岩成分——决定了变质产物。岩石粒度——决定了变质作用的先后次序。粒度越细,越易变质。构造、孔隙度——越发育者,越易变质。外因压力(P)、温度(T)、流体、时间(t)。即“P–T–t”轨迹。(一)温度1.温度范围上限:>600~900°C,至岩石熔化前。下限:<150~200°C。以片沸石、辉沸石、方沸石等矿物作为后生作用的结束。以浊沸石、葡萄石、绿纤石、黑硬绿泥石、硬柱石等矿物作为变质作用的开始。2.温度的作用(1)有利于矿物变质结晶1)有利于矿物重结晶石灰岩__大理岩(小-------大)蛋白石----------玉髓----------石英(非晶质-------晶质)2)有利于矿物多形转变红柱石--------蓝晶石------矽线石(岛状-----链状)(斜方------三斜------斜方)3)有利于岩石成分重新组合升温形成高温矿物组合岩石,降温形成低温矿物组合岩石。吸热如泥质岩石升温后,高岭石------------红柱石+石英+水放热如硅质灰岩:低温形成石英+方解石,组成石英大理岩。高温形成硅灰石+方解石,组成硅灰石大理岩。(2)升温有利于变质反应加速;为岩石和流体中的化学元素提供能量,增高活动性、扩散能力,加速变质反应。(3)升温有利于矿物脱失水分、碳酸成分。脱失粒间水、结晶水、吸附水、孔隙水等,转变为流体——变质热液。如吸热白云母+石英--------矽线石+钾长石+水放热(4)升温有利于岩石部分重熔,发生混合岩化。3.热的来源(1)正常的地热——地热增温率,一般变化于7°~60°C/km。(2)岩浆热(3)构造摩擦热(4)放射性元素蜕变热(5)地幔的上升热流(6)矿物相变——变质反应产生的热(二)压力——负荷压力、流体压力、定向压力1.负荷压力(静水压力、均向压力)Pl是指地壳某一深度的岩石,所承受上覆单位岩石柱的重量。即:力加速度×密度×深度之积。Pl=9.81σD10-3σ——岩石密度(g/m3)D——岩石所处深度(km)单位:Pa(帕斯卡)、GPa、(Kb、atm)换算方法:1GPa=10Kb;1Kb=1000b;1atm=1.03b;1Kb=970.87atm。(1)负荷压力范围:上限:0.1~0.2GPa,约为地壳深度3~5km,一般>3km。下限:1~3GPa,约为地壳深度35~40km,一般<35km。(2)负荷压力的作用1)增压有利于岩石孔隙减小、致密。2)增压往往使矿物变质反应温度增高,不利于岩石变质。即温度与压力的矛盾关系——升温有利于岩石变质;增压时,往往也要求温度增高,才利于岩石变质。如:钠长石--------硬玉+石英0.6GPa时,常温下就可分解;1.4GPa时,约在400°C才能分解。3)增压有利于形成分子体积小、比重大的矿物。如石榴石、硬玉等。镁橄榄石+钙长石------石榴石分子体积43.9101.1145121比重3.32.763.522.流体压力(Pf)岩石中粒间孔隙流体产生的压力。1)流体压力增大的方式1)变质温度升高,导致流体体积膨胀。2)矿物相变时脱水、脱碳酸反应,导致流体体积增加。(2)流体压力与负荷压力的关系有三种情况:1)地壳浅部,岩石节理裂隙发育,流体流通性好,为开放体系,一般为Pl>Pf;2)地壳深部,岩石节理裂隙不发育,流通性差,为封闭体系,一般为Pl=Pf;3)地壳中深部,岩浆活动或岩石脱水、脱碳酸反应强烈,一般为Pl<Pf,出现流体超压,一般<0.1GPa。900(3)流体压力的作用1)影响脱水、脱碳酸变质反应的进行方向PH2O、PCO2减小时,有利于脱失反应;PH2O、PCO2增高时,有利于水化、碳酸盐化反应。如硅质灰岩:CaCO3+SiO2-----CaSiO3+CO2当T=470°C、PCO2=1atm、开放体系时,CO2大量逃逸,PCO2低,有利于变质反应连续向右进行,形成硅灰石。出现硅灰石大理岩。PCO2加大、封闭体系时,CO2不易逃逸,PCO2增高,则不利于变质反应连续向右进行,仅部分形成硅灰石。出现石英硅灰石大理岩。2)影响变质反应温度如上例硅质灰岩,随PCO2加大时,增高变质温度,仍然可以保持变质反应连续向右进行,形成硅灰石。(4)流体的来源1)沉积岩中的孔隙水体——埋藏变质。2)海水——洋底变质、俯冲带变质。3)岩浆结晶晚期形成的气化热液——接触变质、交代变质。4)变质过程中矿物相变形成的流体——各种变质。5)地下深处上升热流——高级变质。6)混合岩化过程形成的流体——高级变质。3.定向压力(应力)由构造运动、岩浆活动引发的、具有方向性的压力。(1)定向压力的作用由于地壳深部温度高,负荷压力大,岩石可以通过塑性变形,释放定向压力。因此,深度越大,影响越小。定向压力主要影响地壳浅部的矿物、岩石。主要作用为:1)使矿物变形、弯曲、波状消光、碎裂。2)使片柱状矿物定向分布排列,形成片理、劈理。3)使岩层褶皱、断裂等。(三)流体指岩石孔隙、裂隙和矿物(云母、方解石)以及包裹体中存在的流体。1.分布与成分在整个地壳广泛分布,不同部位其成分不同。地壳上部主要为H2O、CO2、CH4,含少量N、H2S等成分。地壳下部主要为CO2,含少量H2O、H2S等成分。2.流体状态在较高温度压力下,流体呈超临界状态,气液不分,常称为气化热液。3.流体作用(1)溶剂和催化剂作用——有利于K、Na、Ca、Mg等元素组分的溶解、扩散、迁移,促进重结晶、变质反应、交代等变质作用的进行速度。(2)有利于岩石重熔——含水量未饱和时,岩石熔点随含水量增高而降低。(3)控制变质反应的方向、速度。如前所述,使矿物脱水、脱碳酸盐物质,或含水、含碳酸盐物质。(四)时间(t)变质作用持续的时间。变质作用是缓慢的过程,作用时间的长短不同,影响着岩石塑性变形、变质结构、构造的发育程度。(五)各变质因素间的关系变质过程中,控制变质作用进行的各因素并不是孤立存在,往往互相制约、相互影响,在不同条件下、不同时期内,各自起着不同主导作用。一般讲,使岩石发生变质主要是温度和时间因素,其次是负荷压力。温度控制变质反应方向和速度,是化学动力学因素。时间影响变质程度。负荷压力和流体压力影响物化平衡状态。定向压力决定岩石的结构、构造。流体促进变质反应的进程和速度。三、变质作用方式包括重结晶作用、变质结晶作用、交代作用、变质分异作用、压碎变形作用。(一)重结晶作用岩石基本保持固态、无外来组分加入的变质过程中,同种矿物重新生长,形态、大小、空间位置发生变化,无新矿物生成的过程。如:碳酸盐岩----大理岩;硅质岩-----石英岩。成因:与颗粒的表面能有关。表面能越小,稳定性越高。表面能与颗粒的表面积呈正相关,表面积越大,表面能越大,稳定性越差。自然界不同岩石中颗粒大小的差异性,导致变质作用进行的先后性。重结晶作用的结果——使粒度增大、颗粒均匀化、边界平直化、相邻晶面夹角120°。(二)变质结晶作用(重组合作用)岩石基本保持固态、无外来组分加入的变质过程中,岩石内组分重新组合分配,通过变质反应形成新矿物。如方解石+SiO2------硅灰石+CO2钠长石---硬玉+石英研究意义:变质反应是在一定P-T条件下进行的,每一个变质反应代表着一个矿物组合,即每一个矿物组合反映了一个P-T(变质)条件——反映了变质(研究)区在某个地质作用时期的变质环境。那么:如果已知某变质(研究)区域各个岩石中的矿物组合,则变质过程中各个地段的变质环境就清楚了,该区域在这个地质作用时期的地球发展演化历史也就展现在我们眼前。(三)交代作用:在岩石基本保持固态、有外来组分加入的变质过程中,具化学活动性的流体(H2O等)将岩石组分带出或带入(除H2O、CO2以外),以化学置换方式使岩石总成分、矿物成分改变。1.特点1岩石总成分、矿物成分发生变化——随交代程度而变。2置换方式——旧矿物的消失与新矿物的形成同时进行。3岩石总体积基本不发生改变。4岩石基本保持固态下,流体参与进行。2.方式渗透交代——溶于裂隙水、孔隙水的化学活动性组分,在压力差作用下,由高压处向低压处渗透流动,发生的组分交换过程。压力差越大、渗透能力越强、流动越快、范围越广、运移的组分越多,交代的速度和强度越高,尤其是在较高温度下,表现更为突出。一般认为,是形成大规模交代作用的主要方式。驱动力——压力差。扩散交代——溶于粒间溶液的或未溶的化学活动性组分,在浓度差作用下,由高浓度处向低浓度处迁移、扩散,发生的组分交换过程。虽然浓度差越大,迁移、扩散的组分越多,但是,与渗透相比,质点间扩散的速度极为缓慢,一般交代规模和范围都较小,常出现在岩脉、矿脉附近。驱动力——浓度差。3.影响因素(1)温度:升温使组分的活动性增强。(2)压力:环境中流体组分产生的分压,越小越有利于反应,如形成硅灰石时的PCO2。(3)浓度:同等条件下,流体中组分的浓度变化,控制着交代反应的进行方向。只有流体中浓度高、矿物中含量低的组分,才可以进入矿物中,并将流体中浓度低、矿物中含量高的组分置换出来。如钾长石的钠长石化:Na++KAlSi3O8-------NaAlSi3O8+K+(4)数量:环境是开放体系,流体流动,长期不断提供组分,以保持流体中组分的浓度不变,才能形成大规模交代。(5)组分的化学活动性:组分的化学活动性各不相同,存在着差异。柯尔任斯基提出“组分相对活动性”学说,据化学活动性的不同,将组分分为:1)惰性组分——扩散能力小、活动性弱,在交代作用中基本不发生带出带入,仍然保持原岩的含量特征。研究意义:对于恢复原岩具有重要价值。2)活动性组分——与前述相反,在交代作用中可以自由带出带入的组分。柯尔任斯基根据室内外综合研究,将常见化学组分的活动性由强到弱排列如下:H2O—CO2—K2O—Na2O—CaO—MgO—FeO—Fe2O3—SiO2—Al2O3—TiO2ⅠⅡⅢⅣⅠ——最活动组分Ⅱ——一般交代中都活动的组分Ⅲ——强烈交代时才活动的组分Ⅳ——惰性组分,特殊情况下才活动的组分(四)变质分异作用在岩石基本保持固态、没有外来组分加入的变质过程中,岩石组分不均匀扩散、迁移或聚集,形成斑状变晶、矿物细脉、条带、透镜体等,使均
本文标题:岩石学复习
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