变质岩

变质岩岩石学MetamorphicPetrology考试注意事项：1时间大致定在12月26日，040091及042091班上午，042092及052093班下午，其他人与042091班一起考试；2地点在主楼712；3自带2张打印纸；4考试方式为笔试，每人两个问题及三块标本，每题20分。讲课内容大纲一、概述1、几个基本概念2、变质作用方式和机理3、变质作用分类4、变质作用的影响因素二、变质岩的基本特征1、变质岩的成分2、变质岩的结构3、变质岩的构造4、变质岩的分类5、变质级、P/T类型和变质相三、变质岩主要岩石类型1、区域变质岩2、接触交代变质岩3、动力变质岩一、概述●变质岩：已存在的岩石（源岩）经变质作用改变了成分和/或结构而形成的岩石称变质岩。▲正变质岩——由岩浆岩变质而成的岩石▲副变质岩——由沉积岩变质而成的岩石▲复变质岩——由变质岩变质而成的岩石●变质作用：在变质条件下、岩石在基本保持固态时发生的变化过程称变质作用。它与岩浆作用和成岩作用衔接过渡。●变质条件：指较高的温度和压力条件，以不超过源岩熔化温度为限。▲温度：大致在200—1000℃之间（与源岩成分有关）▲压力：大致在0.1—1.0GPa之间1GPa=109Pa=10kbar（10千巴）1bar≈1个大气压1、几个基本概念变质岩的研究意义：•变质岩在地球的发展演化过程中占有重要的地位•可作为地质温度计和压力计•具有高的经济价值，大理石，建筑材料，铁矿、铜矿等2、变质作用方式和机理1）化学方式——变质结晶①重结晶②新成结晶●无流体（H2O、CO2）参与▲多形转变▲固溶体出溶▲固固反应●有流体（H2O、CO2）参与▲脱水反应▲脱碳酸反应▲脱水、脱碳酸反应③交代2）物理方式——变形作用①脆性变形②塑性变形2、变质作用方式和机理1）变质结晶：在变质作用过程中矿物的晶出作用称变质结晶。①重结晶：指经过组分的迁移和再沉淀，矿物由小晶体变成大晶体的作用。重结晶前后岩石总化学成分不变。重结晶石灰岩或硅质岩大理岩或石英岩成分单纯的钙质岩石（纯灰岩、纯白云岩）和硅质岩石（纯硅质岩、燧石岩），在变质结晶过程中主要表现为随着温度升高，粒度增大，颗粒界面变平直，无新矿物生成。②新成结晶：指在保持固态和总化学成分不变的情况下（除流体以外），有新的矿物晶出。新成结晶的类型较多，大致可分为：●无流体（H2O、CO2等）参与（固—固反应）●有流体（H2O、CO2等）参与A.低温下矿物组合方解石（Cc）＋石英（Q）稳定B.温度超越方解石＋石英＝硅灰石（Wo）＋CO2↑反应温度时，在粒度增大的同时形成新的高温条件下稳定的矿物组合方解石＋硅灰石；C.P＝PCO2条件下方解石＋石英＝硅灰石＋CO2↑反应P-T图解，示该反应的平衡条件●无H2O、CO2等参与（固—固反应）的新成结晶：P(GPa)T(℃)1.00.5200500Jd+QAbKyAndSil指反应物和生成物均为固相，不涉及流体相。包括三种反应：▲多形转变——又称同质多相转变，指转变前后矿物的化学成分相同，但晶体结构不同。如：红柱石（And）Al2SiO5蓝晶石（Ky）夕线石（Sil）石英柯石英石墨金刚石超高压条件（100km)▲固溶体出溶——高温时完全混溶的均一矿物相在温度降低时分解成两种相互交生的矿物相称固溶体出溶。高温碱性长石条纹长石晕长石高温辉石页片状辉石单斜辉石斜方辉石降温降温▲固固间化学反应——固态和固态反应，只生成固态矿物（无流体产生）。NaAlSi2O6+SiO2NaAlSi3O8硬玉石英钠长石(Jd)(Q)(Ab)●有H2O、CO2等参与的新成结晶：指反应后的生成物中有流体相（H2O、CO2）产生。也包括三种反应：▲脱水反应——反应矿物中有含水矿物，反应后有水生成。如KAl2[AlSi3O10](OH)2+SiO2KAlSi3O8+Al2SiO5+H2O↑白云母(Mr)正长石(Or)铝硅酸盐Al2Si4O10(OH)2Al2SiO5+3SiO2+H2O↑叶腊石(Pyp)铝硅酸盐▲脱碳酸（CO2）反应——反应矿物中有含碳酸根的矿物，反应后有CO2生成。如CaMg(CO3)2+2SiO2CaMgSi2O6+2CO2↑白云石(Do)透辉石(Di)CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑方解石(Cc)硅灰石(Wo)▲脱水-脱碳酸反应——兼有上述两种反应的特点。如Ca2Mg5Si8O22(OH)2+3CaCO3+2SiO25CaMgSi2O6+3CO2↑+H2O↑透闪石(Tr)CcQ透辉石(Di)③交代：在流体的作用下，因有组分的带出和带入，反应前后矿物成分和岩石总化学成分都发生了改变，但岩石体积保持不变。带出、带入的组分称活动组分。5Mg2SiO4+4H2O2Mg3[Si2O5](OH)4+4MgO+SiO2（去硅、去镁）镁橄榄石(Fo)蛇纹石(Ser)随溶液带走3Mg2SiO4+4H2O+SiO22Mg3[Si2O5](OH)4（硅化）Fo溶液中2）变形作用：当岩石受力超过其弹性限度时，岩石的物理形态将发生改变。①脆性变形：产生裂缝，断开，破碎等。近地表低温低压下易发生。②塑性变形：岩层产生褶皱、矿物晶体产生畸变（扭折、滑移、机械双晶等等）。地下深处、高温高压下易发生。蛇纹石(Ser)3、变质作用分类1）局部变质作用：在局部位置发生，往往只有一个因素起主导作用，变质岩和未变质的岩石逐渐过渡。又分为：●接触热变质作用：发生在侵入体与围岩接触带中，温度起主导作用，变质机理主要是重结晶。●交代变质作用：也常发生在侵入体与围岩接触带中，具化学活性的流体起主导作用，变质机理主要是交代。常常形成有用矿床。●动力变质作用：分布在构造断裂带中，应力起主导作用，变质机理主要是变形。2）区域变质作用：发生在岩石圈的广大范围内，各种温压、化学活性流体共同起作用，变质机理复杂多样，很难找到变质和未变质间的界线。又分为：●造山变质作用：发生在前寒武纪结晶基底和寒武纪以后的造山带中，是区域变质作用的代表。常称区域变质一般就指造山变质。●混合岩化作用：高级区域变质作用向岩浆作用的过渡，已有部分熔融。●埋藏变质作用：是成岩作用与变质作用间的过渡。4、变质作用的影响因素:P、T、t、活动性流体（1）温度：是热力的标志，是变质作用得以进行的能量来源。岩石温度升高会：1）引起重结晶作用，晶粒由小变大；如石灰岩在高温条件下，晶粒变得比原来粗大而成为大理岩。2）促进原有矿物之间的化学反应，形成新的矿物组合。如泥质岩中的高岭石在高温下变为红柱石和石英。热源包括：地热、岩浆热、构造运动产生的摩擦热、地内相变热、放射性生热（2）压力：包括静压力、粒间流体压力和应力。静压力：由上覆岩石荷重所引起的，随岩石所处深度增加而加大。根据岩石的平均比重计算，每加深1公里，静压力增加0.28千巴。P(GPa)T(℃)1.00.5200500Jd+QAbKyAndSil静压力加大使岩石空隙减小，变得致密坚硬。在一定温度下，静压力增大，可生成比重增大、分子体积减小的矿物。例如红柱石（比重3.1）变为蓝晶石（比重3.6）。应力，又称为定向压力，是一种侧向压力。与构造运动和岩浆活动有关。越向深部，压力渐弱至消失。在应力作用下，组成岩石的矿物常沿垂直于应力的方向排列。•应力可加速变质反应。（3）具化学活动性的流体岩石裂隙中的流体，在较高的温度压力下，活动性增强。这种流体的作用是：•起溶剂的作用，促进岩石中某些组分的溶解和迁移。有利于变质反应进行。•直接影响涉及流体的变质反应进行。•以水为主的流体存在有利于岩石发生重熔。（4）时间指变质作用持续的时间。变质结构的生成、岩石的塑性变形，都是很慢的过程，均与变质作用经历的时间有关。注:各种物理因素（温度、压力）化学因素（化学活动性流体）和时间是同时存在，相互制约，相互影响，只是看哪一种因素起主导作用。二、变质岩的基本特征1、变质岩的成分1）变质岩的化学成分：取决于原岩和有无组分的带入带出，但都与原岩有密切关系。按原岩化学成分特征，变质岩主要分为以下五大成分系列：①泥质系列：原岩为泥质或含泥质较高的岩石。Al2O3、K2O较高。②长英质系列：原岩为中酸性岩浆岩、砂岩、硅质凝灰岩等。常常SiO2、K2O高，Al2O3较低。③钙质系列：原岩为石灰岩、白云岩。CaO高，有时MgO也高，有一定量SiO2、Al2O3等（原岩含石英、粘土矿物等杂质）。④基性系列：原岩为基性岩浆岩、不纯的泥灰岩等。CaO、MgO、FeO高，一定量的Al2O3，贫K2O、Na2O。⑤镁质系列：原岩为超基性岩浆岩，富Mg、Fe、贫SiO2、Al2O3、CaO的沉积岩。除发生交代作用的岩石外，变质岩的化学成分主要取决于原岩的成分。当变质作用过程中有交代作用参与时，由于有组分的带出带入，变质岩的化学成分就发生了明显变化。研究变质岩的化学成分可以帮助了解原岩类型、变质作用和交代作用的特点。等化学系列：是指具有同一原始化学成分的所有岩石。这些岩石中矿物共生组合的不同，是由变质作用的类型和强度不同所决定的。随着变质程度增加，泥质岩出现板岩——千枚岩——片岩——片麻岩系列。一般将变质岩分为5个等化学系列：长英质系列、泥质（富铝）系列、钙质（碳酸盐）系列、基性系列、镁质（超基性）系列。等物理系列是指，在同一变质条件下（温度、压力范围相同）形成的所有岩石。这些岩石的矿物共生组合的不同，是由原岩的化学成分决定的。2）变质岩的矿物成分：取决于变质岩的化学成分和变质作用类型、强度。▲不同化学系列、不同变质类型的变质岩的矿物成分相差很大。泥质系列——云母、石英、富铝矿物，如红柱石、蓝晶石、夕线石（Al2O3过剩）、钾长石、堇青石、钙铝榴石（K2O过剩）等等。长英质系列——石英、钾长石、夕线石、石榴子石等等。钙质系列——碳酸盐矿物（方解石、白云石）、钙镁硅酸盐矿物（硅灰石、透辉石、透闪石、阳起石）；斜长石。有时有石英。基性系列——富含斜长石和绿泥石、各种辉石、黑云母、镁铝榴石、铁铝榴石等等。有时有石英。镁质系列——蛇纹石、滑石、透闪石、黑云母、镁铝榴石等等。无或少长石、石英。①泥质系列：Al2O3、K2O较高。②长英质系列：常常SiO2、K2O高，Al2O3较低。③钙质系列：CaO高，有时MgO也高，有一定量SiO2、Al2O3等。④基性系列：CaO、MgO、FeO高，一定量的Al2O3，贫K2O、Na2O。⑤镁质系列：富Mg、Fe、贫SiO2、Al2O3、CaO的沉积岩。注意：A不同化学成分原岩在相同变质条件下会出现不同矿物组合.硅质灰岩出现石英、方解石、硅灰石等,不会出现红柱石、蓝晶石、夕线石等富铝矿物硅质岩形成纯的石英岩，不出现其它矿物B同一化学成分原岩在不同的变质条件下也会出现不同的矿物组合。硅质灰岩，低中级变质时，由方解石、石英组成（石英大理岩），高级变质时出现硅灰石＋方解石组合（硅灰石大理岩）变质变质C特征变质矿物和贯通矿物•特征变质矿物:仅稳定存在与很狭窄的温度-压力范围内的矿物。如硅灰石、滑石、绿帘石和富铝矿物叶蜡石、红柱石、蓝晶石、夕线石、堇青石、十字石、石榴子石等•贯通矿物:在很宽的温度-压力范围内稳定存在的矿物。如石英、钾长石、斜长石、橄榄石、普通辉石、普通角闪石、黑云母、白云母D根据成因划分为稳定矿物与不稳定矿物。稳定矿物，又称为新生矿物，是在变质作用过程中新形成的矿物。可以是原岩中已存在，在变质作用中仍保留下来的矿物，如大理岩中方解石；也可以是原岩中不存在，经变质作用后新生的矿物，如硅灰石大理岩中硅灰石。不稳定矿物，又称为残余矿物。指在一定的变质条件下，由于反应不彻底而保留下来的原岩矿物。变质岩中矿物特点是：出现一些特征变质矿物，如红柱石、堇青石、十字石、蓝晶石、夕线石、硅灰石等；广泛发育纤维状、鳞片状、针状矿物，如夕线石、绢云母；出现分子体积小、比重大的矿物，如石榴子石。变质岩的矿物组合是一定P-T-x条件下化学平衡的产物，因而变质条件是影响变质岩矿物成分的重要因素。但是，变质岩中的矿物并不都是热峰条件下达到平衡的结果。由于反应不彻底，可有热峰前矿物残留，它们通常呈热峰