4、变质岩的形成作用

第四章变质岩的形成作用现今出露于地表的变质岩是如何形成的？即在变质条件下地壳已存岩石是如何形成变质岩的？变质岩的形成主要有五种方式：1．变质重结晶作用2．变质结晶作用（变质反应）3．变形作用4．变质分异作用5．交代作用（岩石流体相互作用）第一节变质重结晶作用一.概念特点实例•概念:指在变质条件下,同种矿物间的溶解,组分迁移,再沉淀结晶的改造作用.这此过程中,没有新的矿物相出现。•特点:原岩中某些矿物的个体形态,大小,空间位置等发生变化,即造成岩石结构构造方面的变化.一般发生于组成矿物单一的岩石中。如灰岩和石英砂净岩。•实例:灰岩大理岩重结晶T.P石英砂净岩石英岩重结晶T.P第一节变质重结晶作用二.影响因素:原岩特点;环境物理化学条件.(1)原岩成分:成分越简单,越纯净,越利于重结晶作用.(2)粒度:同种矿物粒度小,表面能小,越利于重结晶作用.(3)形态:外形不规则的矿物颗粒易于发生重结晶作用.(4)温度:温度升高矿物溶解度增大,组分在溶液中的扩散速度扩散距离随之增大,利于发生大规模的重结晶作用.(5)应力:应力使岩石破碎、变形,、利于发生重结晶作用.第一节变质重结晶作用三.类型--静态重结晶;动态重结晶1.静态重结晶一般发生在低应变区或应力消失以后,是在没有应力或应力较弱的条件下发生的重结晶作用.产物特点:形成的矿物近等轴粒状,无定向组构,同种矿物之间往往发育三边平衡结构.花岗变晶结构(粒状)花岗变晶结构(鳞片粒状)花岗变晶结构(柱状粒状)穿插变晶结构(1)穿插变晶结构(2)球粒变晶结构斑状变晶结构嵌状变晶结构骸晶变晶结构图1-1接触变质岩（静态重结晶）典型结构素描A-A边界能与A-B边界能接近时,形成三边平衡结构=1200A-A边界能大于A-B边界能时,减小图1-2颗粒边界能与矿物接触关系示意图第一节变质重结晶作用三.类型--静态重结晶;动态重结晶2.动态重结晶一般发生在强应变区,是在有较强应力作用条件下发生的重结晶作用.可以分为两个阶段：1）初始重结晶（恢复）阶段：无应变的新颗粒取代具有高应变能的变形颗粒，产生细粒化作用。2）次生重结晶（结晶）阶段：新生无应变能颗粒取代具高应变能变形颗粒后继续生长，颗粒加粗加大的过程第一节变质重结晶作用三.变质重结晶作用类型--静态重结晶;动态重结晶2.动态重结晶作用方式(机制)一般可以分为两种类型:1）迁移动态重结晶：已变形的矿物颗粒开始溶解并被新生的同种矿物定向生长取代的过程，结果产生定向组构。2）旋转动态重结晶：在剪应力作用下，矿物旋转变形与重结晶作用同时发生，结果形成一种独立的亚颗粒结构（由许多细小的同种矿物颗粒组成，它们光性不同，界限不清）。照片1-1.石英的波状消光石英波状消光指示的动态重结晶照片1-2.石英的亚颗粒结构石英亚颗粒结构指示的恢复阶段的动态重结晶照片1-3.石英的亚颗粒结构石英亚颗粒结构指示的恢复阶段的动态重结晶照片1-4.齿状石英斜长石的“S”形残斑齿状石英指示的动态重结晶条纹长石的亚颗粒结构指示的恢复阶段的动态重结晶照片1-5.条带状石英及条纹长石的亚颗粒结构第二节变质反应（变质结晶作用）•变质反应的概念指在变质作用的温度压力范围内,原岩在基本保持固态的条件下,岩石中原有矿物被新生矿物所取代的过程.变质结晶作用多是通过特定的反应来实现的,因此变质结晶作用也称变质反应.变质反应的研究意义在于可以了解矿物成分的变化过程并获取变质条件信息。代表人物Winker，根据实验资料确定了14个特定的变质反应，使变质作用物理化学条件的测定由定性研究转为定量研究。•变质反应的影响因素:原岩成分；结构构造;环境的物化条件.第二节变质反应（变质结晶作用）•变质反应平衡时的基本热力学方程变质变质反应是在一定的体系内，一定的温度、压力、组分浓度等条件下进行的，当变质反应达到平衡时，遵从的基本热力学方程为：d（△G）=0=△VdP-△SdT即dP/dT=△S/△V（Clausius------Clapeyron方程）△G---反应的吉布斯自由能变化，△S-反应的熵变，△V反应的体积变化式中的dP/dT是P-T图解上变质反应曲线的斜率，根据△S和△V的变化可以确定P-T图解的斜率，正向反应△S一般为正值，所以斜率的正负取决于△V。第二节变质反应（变质结晶作用）•变质反应的基本类型1.固体---固体反应2脱-吸流体（H2O和CO2)反应3氧化-还原反应4不连续反应和连续反应5离子交换反应6去水熔融反应第二节变质反应（变质结晶作用）•固体—固体反应1反应物与生成物都是固相，没有流体相出现；2变质反应因素只有T、P，是比较好的P-T指示计；3固体的△S和△V变化很小，计算时可近似看作常数；dP/dT近似为常数，反应曲线为直线；4变质岩石中的固--固反应无论具有正斜率，还是负斜率，其斜率的绝对值都比较低，在P--T图上这些反应的单变线比较平缓，因此,常用这类反应确定变质岩石的压力类型第二节变质反应（变质结晶作用）•固体—固体反应1.多形转变·Al2SiO5·Cos--Q·Dia--Gra。柯石英和金刚石出现的压力在3.0GPa以上(100km)是良好的超高压指示矿物第二节变质反应（变质结晶作用）•固体—固体反应2.一般的固态反应这种反应在变质岩中出现很多，例如Ab=Jd+QHy+Pl=Cpx+Ga+QGrs+2Ky+Q=An第二节变质反应（变质结晶作用）•固体—固体反应（3）固溶体的溶离反应高温时相互混溶的固溶体，在温度降低至临界温度时发生溶离，如由KNa-1交换构成的碱性长石固溶体在温度降低时分解为富钠碱性长石和富钾碱性长石两种固溶体第二节变质反应（变质结晶作用）•固体—固体反应一些重要变质反应指示的P-T条件变化照片2-1.固体—固体反应照片2-2.固体—固体反应照片2-3.固体—固体反应照片2-4.固体—固体反应照片2-5.固体—固体反应第二节变质反应（变质结晶作用）•脱--吸流体（H2O和CO2)反应•脱（吸）流体反应的一般特征1变质反应中出现了流体相，影响因素复杂，要考虑流体相的浓度。2流体相比固体相有较大的熵值，反应熵变S0，反应的体积变化V则随压力变化而不同。在低压下（1-3kb），V值较大，dP/dT=S/V很小，单变线很缓，反应温度随压力增加而迅速增加；当压力较大（3kb）时，V很小，反应单变线近于与压力轴平行，反应温度不随压力变化而变化；当反应压力很大时，V0，这类反应单变线变为负斜率。•在中压区域变质作用范围内（3－10kb），脱水反应单变线与压力轴近平行，这些脱水反应是划分变质作用温度范围主要依据。Figure26-6.SchematicT-XCO2phasediagramillustratingthegeneralshapesofthefivetypesofreactionsinvolvingCO2andH2Ofluids.AfterGreenwood(1967).InP.H.Abelson(ed.),ResearchesinGeochemistry.JohnWiley.NewYork.V.2,542-567.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第二节变质反应（变质结晶作用）•脱--吸流体（H2O和CO2)反应•脱（吸）流体反应的一般特征五种类型划分（1）简单脱水反应（2）简单脱碳酸反应（3）脱水-脱碳酸反应（4）碳酸盐化-脱水反应（5）水化-脱碳酸反应Greenwood,1967.引自Winter,2001Figure26-2.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第二节变质反应（变质结晶作用）•脱--吸流体（H2O和CO2)反应•脱（吸）水反应的一般特征Ms+Qtz=Kfs+Al2SiO5+H2OFigure26-4.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第二节变质反应（变质结晶作用）•脱--吸流体（H2O和CO2)反应•脱（吸）水反应的常见类型Mis+Q==Kf+Al2SiO5+H2OHb+Q==Hy+Cpx+Pl+H2OHb==Cpx+Gt+H2O注意：正向反应---脱水反应一般指示温度升高照片2-6.反应结构照片2-7.反应结构Figure26-1.Aportionoftheequilibriumboundaryforthecalcite-aragonitephasetransformationintheCaCO3system.AfterJohannesandPuhan(1971),Contrib.Mineral.Petrol.,31,28-38.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.Figure26-5.T-XCO2phasediagramforthereactionCal+Qtz=Wo+CO2at0.5GPaassumingidealH2O-CO2mixing,calculatedusingtheprogramTWQbyBerman(1988,1990,1991).Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第二节变质反应（变质结晶作用）•脱--吸流体（H2O和CO2)反应•脱碳酸（碳酸盐化）反应的一般特征:CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2CalQtzWo第二节变质反应（变质结晶作用）•脱--吸流体（H2O和CO2)反应•脱碳酸（酸盐化）反应的常见类型:Cc+Q==Wo+CO2Dol+Q==Di+CO2•脱（吸）水-脱碳酸（酸盐化）反应:Dol+Q+H2O==Tr+Cc+CO2Tr+Cc+Q==Di+CO2+H2O照片2-8.反应结构第二节变质反应（变质结晶作用）•氧化-还原反应6Fe2O3==4Fe3O4+O22Mt+3Q==3Fe-Fo+O2第二节变质反应（变质结晶作用）•连续反应和不连续反应(1)不连续反应反应物与生成物间是一种突变关系。当反应脱离了平衡的P-T条件（单变线）后,不是反应物稳定就是生成物稳定，其性质是不连续的。Fig.26-9.SchematicisobaricT-XMgdiagramrepresentingthesimplifiedmetamorphicreactionChl+QtzGrt+H2O.FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第二节变质反应（变质结晶作用）•连续反应和不连续反应(2)连续反应当反应物和生成物都不是纯相，存在成分可变的固溶体矿物时，变质反应将变的十分复杂。例如:3(Mg,Fe)2Al4Si5O18==2(Mg,Fe)3Al2Si3O12+4Al2SiO5+5SiO2[Cord][Ga][Sill][Q]Cord与Ga都是固溶体,Ga的生成并没有导致Cord的消失,只是使Cord的成分发生了变化.因此他们可以在一定的P—T范围内共存,这种变质反应称为连续反应.第二节变质反应（变质结晶作用）•连续反应和不连续反应(2)连续反应图示一个连续反应Chl+QtzGrt+H2O组合Chl+Qtz+Grt在一定的P—T范围内共存,.第二节变质反应（变质结晶作用）•静转移反应和交换反应：(1)静转移反应反应前后矿物的原子数发生变化（前述各例）（2）交换反应：反应前后矿物的原子