变质岩第01讲变质岩的形成过程_2014

第一讲:变质岩的形成过程（2）变质反应与递增变质带一、概述二、变质反应类型三、巴罗递增变质带本章要求1.掌握变质反应类型、表达形式、影响因素和研究意义；2.掌握若干典型变质反应的岩石学意义；3.掌握巴罗指示矿物变质带，理解变质反应的地质表现。一、概述1、意义（判断变质过程的矿物演化、估算P-T条件、预测P-T轨迹演化趋势）2、变质反应的驱动力（⊿G：0、0、0）3、变质反应图解（p-t、写法，斜率；t-x、p-x）4、类型划分（1）固-固反应（相转变、出溶、纯固相反应、纯转移反应、离子交换反应）（2）有流体相参加的反应（3）不连续反应与连续反应二、变质反应类型1.固-固反应固－固反应的反应物和生成物都是固相，不涉及独立流体相，因而反应的平衡条件与流体组分无关；变质反应的影响因素仅为温度（T）和岩柱压力（Pl），因而可以用作矿物温度计或压力计。固体相矿物的熵变ΔＳi和体积变化ΔＶi随Ｔ、Ｐ值的变化很小，计算反应的总熵变ΔＳ、ΔＶ可近似看作常数，所以反应斜率ｄＰ／ｄＴ也近似等于常数。常见的固－固反应有相转变、出溶、纯固相反应、纯转移反应、离子交换反应等。固-固反应和脱水反应的平衡条件和克劳修斯-克拉贝龙斜率示意图（据KurtRucher&RodneyGrapes,2011）1.1同质多相转变反应（Phasetransitions,polymorphicreactions）常见同质多相：Al2SiO5，CaCO3，C，SiO2等大多数多型转变反应的DS很小，这导致：多型晶体之间相互转换的DG小，即使偏离平衡温度数10度也变化不大反应驱动力小一个多型常可非稳定地残留在另一个多型的稳定区内；因此，自然界共存的两个多型更多代表非平衡或多期变质叠加，而非平衡关系；三相点温压条件：P=0.370.25GPa,T=50420oC（Holdaway,1977）岩石学意义：红柱石（低压）,蓝晶石（中-高压）,矽线石（中-高温）Al2SiO5多型转变反应和硬玉+石英与钠长石反应（据Miyashiro,1994)。H、R、S点分别为Holdaway(1971)、(Richardsonetal.,1969)和Salje(1986)的平衡温压条件值。1.2出溶反应（Exsolutionorsolvusreactions）影响因素：Ｐl、Ｔ；冷却速率实例：高温碱性条纹长石晕长石（Ab-Olg）高Al斜方（En-Grt）高镁方解石（Cc-Dol）实例：过硅石榴石过钛石榴石过硅绿辉石在压力条件已知时可用作温度计Maruyamaetal.,19821.3纯固相反应仅涉及固相矿物；影响因素：Ｔ，ＰlNaAlSi2O6+SiO2=NaAlSi3O8Jd（硬玉）QtzAb（钠长石）(Mg,Fe)3Al2Si3O12+Ca(Mg,Fe)Si2O6+SiO2GrtCpxQtz=4(Mg,Fe)SiO3+CaAl2Si2O8OpxPlagAl2SiO5多型转变反应和硬玉+石英与钠长石反应（据Miyashiro,1994)1.3纯固相反应如果反应矿物中的挥发份在反应过程中被生成物完全汲纳，形成新的含挥发份的矿物相，不产生独立的流体相，这种反应可视为固-固纯转变反应（Volatile-conserving“solid-solid”reactions：贮藏挥发份相的“固-固反应”）Mg3Si4O10(OH)2+4MgSiO3=Mg7Si8O22(OH)2Tlc（滑石）En（顽火辉石）Ath（直闪石）2Phl(滑石)+8Sil(矽线石)+7Qtz(石英)=2Ms(白云母)+Crd(堇青石)1.4、离子交换反应（Ionicexchangereactions)离子交换反应：某对离子（pared-ions)在2个或更多的矿物之间相互交换，虽反应以纯的端员组分形式表征，但实际上仅涉及离子对（如Mg-Fe）固溶体矿物相之间的交换，并无实质矿物的增减。离子交换反应单变线在P-T图解上斜率陡，是理想的地质温度计（Geothermometers）。MgSiO3+CaFeSi2O6=FeSiO3+CaMgSi2O6（Opx-Cpx)Mg-Opx铁辉石Fe-Opx透辉石Annite+Pyrope=Phlogopite+Almandine(Grt-Bt)铁云母镁铝榴石金云母铁铝榴石1.5、纯转移反应（Net-Transferreactions)纯转移反应：反应物分解出来的组分向反应物一方转移，并全部构成反应物。前述的固相-固相反应，包括贮藏挥发份的固相-固相反应、出溶反应属于此类反应。离子交换反应涉及两侧矿物相之间的相互成分交换，因而不是纯转移反应；仅纯转移反应才可能为好的地质压力计的条件之一。(Mg,Fe)3Al2Si3O12+Ca(Mg,Fe)Si2O6+SiO2GrtCpxQtz=4(Mg,Fe)SiO3+CaAl2Si2O8OpxPlag2.有流体相参加的反应反应物或生成物中存在独立的流体相，其正反应（吸热反应）总称为脱挥发份反应，其逆反应为“XX化反应”；H2O-CO2-O体系的变质反应常见，本章只讲H2O-CO2体系的变质反应；影响因素：Ｐ，Ｔ，Pfi（某种挥发份或流体组分分压）；由于自然界中流体组分在分布上的存在明显不均一性，因此，此类反应不拟用作温度计和压力计固-固反应和脱水反应的平衡条件和克劳修斯-克拉贝龙斜率示意图（据KurtRucher&RodneyGrapes,2011）脱挥发份反应平衡曲线在P-T相图上特征：平衡曲线在低压下∆V0，斜率为正，缓倾；在中压下∆V0，斜率为正，陡倾；在高压-超高压下∆V0，斜率为负；当PH2O=0，斜率为负的直线；2.1脱水反应(dehydration)（图a）给定Pl=Pf，脱水反应的平衡温度随反应释放流体相的摩尔分数成正比；（图b）给定Pl=Pf=0.6GPa，脱水反应的平衡温度也与反应释放流体相的摩尔分数成正比;(a)反应Ma+Qtz=Kf+Als+H2O的P-T-x图解（b)P=0.6GPa时的T-x图解（据кориковский，1979资料绘制）脱水反应：KAl2Si3AlO10(OH)2+SiO2=KAlSi3O8+Al2SiO5+H2OMsQtzKfsSillV2.2脱碳酸反应(decarbonation)脱碳酸反应也可用与脱水反应的相似的方式来处理，例如下面的反应可以用T-XCO2表达，其形式也与之相同或相似脱碳酸反应：CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2CalQtzWoV脱水反应：KAl2Si3AlO10(OH)2+SiO2=KAlSi3O8+Al2SiO5+H2OMsQtzKfsSillV（图a）给定Pl=Pf，脱CO2反应的平衡温度随反应释放CO2流体相的摩尔分数成正比；（图b）给定Pl=Pf=0.3GPa，脱CO2反应的平衡温度也与反应释放CO2流体相的摩尔分数成正比；2.3脱水-脱碳酸反应反应Tr+3Cc+2Qtz=5Di+3CO2+H2O的P-T-x图解(a)和P=0.2GPa下的T-x图(b）图(a)据Blatt&Tracy(1994)和Winkler(1976)资料作出；图(b)引自Blatt&Trach(1994)自然界变质流体的主要组分为H2O和CO2，这两种组分在流体相中的量比，制约着脱水和脱碳酸反应的平衡温度。总结起来，有H2O和CO2参加的反应有5个类型（假设体系中仅存在H2O和CO2两种流体成分）；类型1和2分别为脱水和脱碳酸反应类型3:（脱水-脱碳酸反应）Tmax对应的XCO2值取决于反应产生的CO2和H2O的计量系数比值（xCO2=(nCO2/nH2O），例如(3)号反应：Ca2Mg5Si8O22(OH)2+3CaCO3+2SiO2TrCalQtz=5CaMgSi2O6+3CO2+H2ODiTmaxatnCO2:nH2O=3:1类型4和5的拐点取决于系数比：nCO2:nH2O比据Greenwood,1967，重绘2.4小结不连续反应在固定的温度条件下进行，一直持续到某一个反应物消耗完毕之后，体系的温度才能继续上升。Fe-Chl+Ms+QtzAlm+Ann+H2OFe-绿泥石白云母石英铁铝榴石铁黑云母Mg-Chl+Ms+QtzPrp+Phl+H2OMg-绿泥石白云母石英镁铝榴石金云母inKFASHorKMASHf=C–P+2=5–6+2=13.连续与不连续反应在给定的温度条件范围内，绿泥石随温度升高发生反应，不断分解和体积减小，生成的石榴子石和黑云母不断增多，此外，反应物和生成物也都不断改变自身的成分（Fe/(Fe+Mg))，一直到其中的一个反应物消耗完毕，反应才终止。Chl+Ms+QtzGrt+Bt+H2OinKFMASH为C=6，f=2,为一连续反应，反应物绿泥石+白云母+石英和反应产物石榴子石和黑云母在石榴子石等变线开始出现后的一段温度条件范围内共生。用T-x图解表达连续反应图22-7反应3Crd=2Gt+4Sil+5Q的连续反应图解(a)T=700℃时的P-xFeO图解(据Currie，1971，转引自Winkler，1976)，xFeO=FeO/(FeO+MgO)；(b)岩石xFeO=0.6时的P-T图解，据Winkler(1976)资料作出，图中实线和虚线分别代表石榴子石和堇青石的xFeO值的等值线。当矿物为纯固相，纯转移反应肯定属不连续反应（discontinuousreactions）；当矿物具有固溶体性质时，可能为连续反应（continuousreactions）也可能为不连续反应。理论上，在特定压力条件下，不连续反应将在一个温度点上进行完毕，因而反应物与生成物仅在一个温度点上共存；连续反应将在一个较宽的温度范围内进行，其产物与反应物在含量改变的同时，通过调整固溶体矿物的元素比值，而在一个较宽的温度范围共存。连续反应中反应物与生成物共存的温度范围取决于岩石的Mg/Fe比值，该比值越高，该共存的温度范围越宽。在野外露头上，不连续反应导致在等变线（reactionisograd）两侧反应物到产物组合的变化是突变的；连续反应则使反应物与产物在一个较宽的空间内共存。沿地质剖面上，化学成分大体相近的变质岩中，指示变质温度条件由低到高变化的矿物或矿物组合(岩石)的空间分带称为变质带，又称递增变质带（progressivemetamorphiczones）；以特定成分变质岩在空间上某个特征变质矿物首次出现位置划分的变质带叫指示矿物带（index-mineralzones),在地质图上相同指示矿物首次出现位置的连线称等变线（Isograd）；因特征矿物出现的因素较多，目前多以临界矿物组合（criticalmineralparagenesis）划分变质带；巴罗变质带：chl、Bi、Grt、St、Ky、Sill三、递增变质带和等变线苏格兰高地巴罗式区域变质带（据Miyashiro,1994）苏格兰高地达拉累丁片岩巴罗型前进变质带可能的变质反应B、G、S、K、Si分别为黑云母、铁铝榴石、十字石、蓝晶石和矽线石等变质线在该区的热峰条件，这些热峰条件的连线称野外变质梯度（FMG）；不同的FMG代表不同的变质带序列如果反应具连续性质，其反应物与生成物将在单变线高温侧共存一段距离巴罗变质带边界反应黑云母带：多硅白云母+绿泥石=黑云母+白云母+石英+H2O钾长石+绿泥石=黑云母+白云母+石英+H2O石榴子石带：绿泥石+白云母=石榴子石+黑云母+石英+H2O十字石带：石榴子石+白云母+绿泥石=十字石+黑云母+石英+H2O蓝晶石带：绿泥石+十字石+绿泥石=蓝晶石+黑云母+石英+H2O白云母+十字石+石英=蓝晶石+黑云母+H2O矽线石带：蓝晶石=矽线石本章小结据反应产物的相性质，可将变质反应划分为“固-固反应”和有“流体相参加的反应”两大类型。固-固反应包括“多型转变反应”、“出溶反应”、“纯固相反应”和“离子交换反应”。这些反应的DV≈常数，主要影响因素是T和Pl。离子交换反应的