2第一章变质作用及一些基本概念

1.变质作用的机制2.变质作用的变量3.变质P-T-T轨迹4.变质作用类型第一章：变质作用及一些基本概念•变质作用（‘Metamorphism’）来自于希腊语‘metamorphosis’，意为形状的改变和变化.•国际地科联变质岩委员(IUGS-SCMR)会建议的变质作用的定义(definitionofmetamorphism)是：变质作用是一个亚固态的过程，该过程导致了矿物及其结构发生了改变，常常引起某个岩石的化学成分发生变化。这些变化是由于物理或化学条件的改变所致，且这些变化不同于在地球表面发生的正常变化，以及在地球表面的固结和成岩作用，也许这些变化可能于部分熔融共存。①变质结晶作用②变形③变质分异作用1.变质作用机制①变质结晶作用(Metamorphiccrystallization)•重结晶作用(Recrystallization):指岩石在保持固体状态下的矿物重新组合和通过化学反应形成新的矿物过程Thesechangesusuallyinvolvetheformationofnewmineralsbyvariousmechanisms,includingnucleationandgrowthofmetamorphicmineralsattheexpenseofpre-existingamorphous,submicroscopicand/orclasticsedimentarymaterials,aswellasofoldermetamorphicandigneousminerals(AkihoMiyashiro,1994).•交代作用(Metasomatism):指固体岩石在化学活动性流体作用下通过组分带入带出使岩石总组分和矿物成分发生变化的过程。岩石在交代过程中体积不变。Modificationofthebulkcompositionofrocksisthedominantmetamorphicprocess(Bucher&Frey,2002).•重结晶作用表面能最低，结构最稳定；相邻晶面之间的夹角为120℃矿物独立生长矿物之间反应方解石+石英＝硅辉石颗粒边界能控制三联点角Figure23-10.a.Dihedralanglebetweentwomineraltypes.WhentheA-AgrainboundaryenergyisgreaterthanforA-B,theanglewilldecrease(b)soastoincreasetherelativeareaofA-Bboundaries.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.c.Sketchofaplagioclase(light)-clinopyroxene(dark)hornfelsshowinglowerdihedralanglesinclinopyroxeneatmostcpx-plag-plagboundaries.(c.fromVernon,1976)MetamorphicProcesses:ReactionsandMicrostructureDevelopment.Allen&Unwin,London.c.•交代作用指固体岩石在化学活动性流体作用下通过组分带入带出使岩石总组分和矿物成分发生变化的过程。岩石在交代过程中体积不变。Modificationofthebulkcompositionofrocksisthedominantmetamorphicprocess(Bucher&Frey,2002).等化学变质作用(Isochemicalmetamorphism)4(Mg,Fe)2SiO4(橄榄石)+H2O+CO2→(Mg,Fe)3Si4O10(OH)2(滑石)+5(Mg,Fe)CO3(铁菱镁矿)异化学变质作用(Allochemicalmetamorphism)(Mg,Fe)2SiO4(橄榄石)+CO2→2(Mg,Fe)CO3(铁菱镁矿)+SiO2(溶液中)•流体：搬运迁移的媒介和催化剂渗透作用(Infiltration)：压力驱动扩散作用(Diffusion)：组分浓度差驱动②变形•定义：由偏应力(deviatoricstree)施加于岩石，引起的岩石体积或形状的改变。•两种形式的变形：a)脆性变形(brittledeformation)b)塑性变形(plasticdeformation)前者导致碎裂和破裂；后者岩石畸变没有破裂b)塑性变形(plasticdeformation)•晶内塑性变形(intracrystallineplasticdefromation)•晶界塑性变形(intercrystallineplasticdefromaiton)•晶内塑性变形(intracrystallineplasticdefromation)直线滑移(translationgliding)双晶滑移(twinninggliding)单晶扭折(kinking)晶体位错(dislocaiton)•直线滑移：晶格滑移距离是结晶学基本单位的整数倍，滑移结果改变晶体形状但不改变晶格方位。•双晶滑移：滑移距离是结晶学基本单位的分数，滑移结果产生机械双晶。•单晶扭折：由于晶内变形不均匀而在滑移中发生旋转，导致滑移面弯曲扭折形成•位错：是晶体内原子排列不完整造成的线缺陷•晶界塑性变形(intercrystallineplasticdefromation)颗粒边界的滑移(grain-boundarysliding)扩散流动(diffusiveflow)•扩散流动：较大应力下的颗粒边界→较小应力边界；晶体形状改变化学迁移→晶体生长；晶体形状改变。这一过程可以有流体，也可以无流体。•压溶：有粒间流体参与时，通过粒间流体相的扩散流动。•动态重结晶(dynamicrecrystallization)定义：伴随变形而发生的重结晶。原因：变形晶体有大量的位错，储集了变形施加的应变能，因而不稳定而力图通过重结晶一消除应变能恢复到稳定的无应变状态。静态重结晶：无偏应力参与的重结晶作用•动态重结晶包括：恢复和重结晶两个阶段•恢复：初级阶段→使变形晶体降低应变能回到未变形状态。结果→形成大量细小的亚颗粒。•重结晶（恢复之后）：以无应变新颗粒的发育和生长为特征。③Metamorphicdifferentiation•定义使原先均匀的岩石发育成分层的变质过程•形成机理成分层代表扩散反应带。化学不相容的两种岩石之间的化学位梯度自发引起；均匀岩石中粒间溶液活动化学组分化学位梯度引起。成分层的发育是构造重结晶的结果。先存岩石中的先存成核的结果(Bramwell,1985)。成分层是强烈压扁的结果。成分层是强烈压扁的结果①温度和压力②流体(x)③时间(?)2.变质作用变量①压力和温度•温度:在变质作用中是最重要的因素热源:•地幔•岩浆侵入•放射性元素衰变Figure1-9.Estimatedrangesofoceanicandcontinentalsteady-stategeothermstoadepthof100kmusingupperandlowerlimitsbasedonheatflowsmeasurednearthesurface.AfterSclateretal.(1980),Earth.Rev.Geophys.SpaceSci.,18,269-311.温度温度增加引起的若干个效应1)促进重结晶作用导致颗粒增大矿物的表面/体积比增大稳定性降低温度不断增高最终使动力学障碍被克服，导致重结晶作用，并使细粒的颗粒聚合形成大的矿物颗粒。温度2)加速反应进行，消耗不稳定矿物，并在新的条件下形成新的稳定矿物3)克服未达到平衡态的动力学障碍温度变质作用的极限•最低温度：达到成岩作用的温度最低温度的界线多少是有些任意性成岩/风化作用过程明显不同于变质作用变质作用的起始温度可能在100-150oC沸石矿物被确定为变质作用的最初矿物-较为任意标志变质作用开始的矿物：浊沸石(laumontite),方沸石(analcime),片沸石(heulandite),纤锰柱石(carpholite),钠云母(paragonite),葡萄石(prehnite),绿纤石(pumpellyite),硬柱石(lawsonite),蓝闪石(glaucophane)or黑硬绿泥石(stilpnomelane)•最高温度:达到熔融温度•在熔融范围内固体和流体共存•如果我们加热一个变质岩岩石直至其熔融,那么在熔融过程中什么温度条件下才由变质岩转变为‘火成岩’?•捕虏体,残留体和其他包体通常被认为是火成岩中的一个组成部分.因此,变质温度与岩浆温度是模糊和存在争论的.•混合岩(“混合的岩石”)是过渡的变质作用的极限压力•静岩压力是均一的应力(hydrostatic)•定向压力是来自构造活动的力•流体压力(Pfluid)是每个组分的偏压力的总和(partialpressures)(Pfluid=pH2O+pCO2+…)•定向应力=每个方向不等的压力,可以分解成三个互相垂直应力(s):s1最大主应力s2中间主应力s3最小主应力•应力是一个施加在岩石上的力(在特定切面区域)•应变是相应于施加在岩石上应力的一种变形(=yieldingordeformation)•定向应力对岩石结构和构造有影响,但不影响矿物的平衡•应变能也许能克服动力学障碍加速变质反应Figure21-4.Asituationinwhichlithostaticpressure(Plith)exertedbythemineralgrainsisgreaterthantheintergranularfluidpressure(Pfluid).Atadeptharound10km(orTaround300oC)mineralsbegintoyieldordissolveatthecontactpointsandshifttowardorprecipitateinthefluid-filledareas,allowingtherocktocompress.ThedecreasedvolumeoftheporespaceswillraisePfluiduntilitequalsPlith.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.三个方向的定向应力:拉伸挤压剪切拉伸:s3是负的,导致应变是伸展或拉张originalshapestrainellipsoidFigure21-2.Thethreemaintypesofdeviatoricstresswithanexampleofpossibleresultingstructures.a.Tension,inwhichonestressinnegative.“Tensionfractures”mayopennormaltotheextensiondirectionandbecomefilledwithmineralprecipitates.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.s1s3挤压:s1是主要的,产生褶皱(folding)或者较均匀的压扁(flattening)Figure21-2.Thethreemaintypesofdeviatoricstresswithanexampleofpossibleresultingstructures.b.Compression,causingflatteningorfolding.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.Pren