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1、第五讲矿物共生分析第五讲矿物共生分析 与变质相（系）与变质相（系）n矿物共生分析和成分-共生图解n岩石学中的“相”的概念n变质相概念及其划分n变质相系列、变质作用P/T比和构造环境nP-T-t轨迹概念矿物共生分析：应用物理化学相平衡原理，矿物共生分析：应用物理化学相平衡原理，分析天然变质岩石中的矿物共生组合（相，分析天然变质岩石中的矿物共生组合（相，p）与全岩化学（独立组份）与全岩化学（独立组份, c）和变质条件）和变质条件（自由度（自由度, f ）之间的关系及其变化规律。）之间的关系及其变化规律。一、共生分析和成分一、共生分析和成分-共生图解共生图解对于硅质泥晶灰岩，如果方解石相对多于石英时
2、，当变质对于硅质泥晶灰岩，如果方解石相对多于石英时，当变质反应彻底进行并达到平衡时，其矿物共生组合是反应彻底进行并达到平衡时，其矿物共生组合是“方解石方解石+硅灰石）硅灰石）相反，如果石英相对多于方解石，那么最终的平衡组合，相反，如果石英相对多于方解石，那么最终的平衡组合，也就矿物共生组合将是也就矿物共生组合将是“石英石英+硅灰石硅灰石”矿物共生组合矿物共生组合一个给定化学成分体系的岩石中发生的一个给定化学成分体系的岩石中发生的变质反应达到化学平衡（正、逆速率相等）时得到的矿物变质反应达到化学平衡（正、逆速率相等）时得到的矿物组合组合n吉布斯相律（封闭体系，实验室尺度）：吉布斯相律（封闭体系，
3、实验室尺度）： p = c + 2 f（1）SiO2、 Al2O3, 矿物相：刚玉、石英（各种多型矿物相：刚玉、石英（各种多型 变体）、红柱石、蓝晶石、变体）、红柱石、蓝晶石、 矽线石、莫来石。矽线石、莫来石。 c = 2， p = 4 f，平衡共生矿物数目，平衡共生矿物数目 最多有最多有4个：个： 红柱石红柱石+蓝晶石蓝晶石+矽线石矽线石+石英；石英； 红线石红线石+蓝晶石蓝晶石+矽线石矽线石+刚玉；刚玉； 。（2） SiO2、 Al2O3, 但但SiO2 ：Al2O3 = 1 矿物相：红柱石、蓝晶石、矽线石、莫来石矿物相：红柱石、蓝晶石、矽线石、莫来石 但但c = 1，p = 3 f，平衡
4、共生矿物数目最多有，平衡共生矿物数目最多有3个：个： 红柱石红柱石+矽线石矽线石+蓝晶石，。蓝晶石，。（一）、相平衡原理（一）、相平衡原理（一）、相平衡原理（一）、相平衡原理n哥尔德史密特（矿物）相律（封闭系统，天然尺度，露哥尔德史密特（矿物）相律（封闭系统，天然尺度，露头头-薄片）薄片）： p = c + 2 f，f 2，p c天然封闭的岩石系统当化学反应达到平衡时，平衡共生的矿物相数天然封闭的岩石系统当化学反应达到平衡时，平衡共生的矿物相数目不大于有效组分数目目不大于有效组分数目（1）SiO2 Al2O3, c = 2, p 2 ： 红柱石红柱石+石英、蓝晶石石英、蓝晶石+石英、矽线石石英
5、、矽线石+石英、。石英、。 刚玉刚玉+红线石红线石、刚玉、刚玉+蓝晶石、矽线石蓝晶石、矽线石+刚玉刚玉（2） SiO2 Al2O3, 但但SiO2 ：Al2O3 = 1 c = 1, p 1 ：平衡矿物数目最多：平衡矿物数目最多1个：个： 红柱石、矽线石、蓝晶石红柱石、矽线石、蓝晶石（3）如果出现自由度）如果出现自由度=1，或，或=0的极端情况，则（的极端情况，则（1）和（）和（2）中矿）中矿物相数目分别增加物相数目分别增加1个和个和2个个n柯尔任斯基（矿物）相律（开放系统，天然尺度，柯尔任斯基（矿物）相律（开放系统，天然尺度，露头露头-薄片）薄片）： c = ci + cm 活动组分（活动组
6、分（ cm）的浓度或化学位（势）与环境）的浓度或化学位（势）与环境P、T条件一样，是控制交代反应的控制因素条件一样，是控制交代反应的控制因素, p = ci + cm + 2 f，对照对照哥尔德史密特（矿物）相律，得哥尔德史密特（矿物）相律，得 f 2 + cm ，p ci因此，在天然开放岩石系统中，当化学（交代）反应达到平因此，在天然开放岩石系统中，当化学（交代）反应达到平衡时，共生矿物相数不大于有效惰性组分数衡时，共生矿物相数不大于有效惰性组分数 实例：实例：云英岩云英岩，是气液交代岩之一种，由花岗岩经热，是气液交代岩之一种，由花岗岩经热液交代作用而成，岩石普遍存在交代分带现象，在交代最液
7、交代作用而成，岩石普遍存在交代分带现象，在交代最强的核部分，活动组分最多，惰性组分最少，因而往往形强的核部分，活动组分最多，惰性组分最少，因而往往形成单矿物岩石成单矿物岩石 我们在前面已提及，对于具有封闭系统性质的天然变质岩石（区域变质岩和接触变质岩，控制其变质矿物的有效惰性组分有：Al2O3+Fe2O3 FeO+ MgO+ MnO CaO+ Na2O K2O+ Na2O 加上与过剩组分SiO2对应的矿物相石英，据哥尔德史密特（矿物）相律相律，可以得出重要结论：当一个天然岩石系统的化学反应达到平衡时，共生矿物相的数目一般不大于5个，如果在单变线（f = 1)上平衡，共生矿物数目可达6个，不变点
8、上的平衡可出现7个。单变线上或不变点上的平衡组合通常是可望不可求的，因此，天然岩石系统中共生的矿物数据一般不超过5个。（二）、变质岩典型岩石化学体系（二）、变质岩典型岩石化学体系（二）、变质岩典型岩石化学体系（二）、变质岩典型岩石化学体系泥质： ASH， KASH， KNCASH， KMFASH， KNCMFASH基性： CFMASH， CNFMASH钙质： CMS，CASH镁质： FMSH，镁铝质：FMASH常用岩石化学体系图解：ACF、AKF、AFM、SMC。在实际工作中，通过岩石薄片观察，查明哪些矿物属于一个矿物共生组合，是建立变质相重要步骤n岩相学标志（观察）l相互接触，边界规则和谐;
9、l矿物之间无反应或交代结构现象（世代关系）；l同种矿物其光性特征（常数）相同；n2 热力学标志（计算）l一个天然共生组合的矿物数目一般不大于5。l一个共生组合中，某些元素在两个（一对）互相接触矿物之间的分配，服从能斯特分配定律。 （三）矿物共生组合的判别标志（三）矿物共生组合的判别标志（三）矿物共生组合的判别标志（三）矿物共生组合的判别标志ABCDA = AlA = Al2 2OO3 3 + Fe + Fe2 2OO3 3 C = C = CaOCaO F = F = FeOFeO + + MnOMnO + + MgOMgO A + C + F = 100%A + C + F = 100%A
10、= AlA = Al2 2OO3 3 + Fe + Fe2 2OO3 3 - - KK2 2O O K = KK = K2 2OOF = F = FeOFeO + + MnOMnO + + MgOMgO A + K + F = 100%A + K + F = 100%（四）矿物共生组合的图解表示（四）矿物共生组合的图解表示（四）矿物共生组合的图解表示（四）矿物共生组合的图解表示1 1 1 1。共生矿物标注。共生矿物标注。共生矿物标注。共生矿物标注例子例子例子例子（P316P316）蓝晶石、矽线石、红柱石蓝晶石、矽线石、红柱石: Al: Al2 2SiOSiO5 5方解石方解石: CaCO: C
11、aCO3 3、硅灰石、硅灰石: CaSiO: CaSiO3 3白云石白云石: CaMg(CO: CaMg(CO3 3) ) 2 2、透辉石、透辉石: CaMgSi: CaMgSi2 2OO6 6、普通辉石、普通辉石透闪石透闪石(Ca(Ca2 2MgMg5 5Si Si8 8OO2222(OH)(OH)2 2、阳起石、普通角闪石、阳起石、普通角闪石钙铝榴石钙铝榴石: Ca: Ca3 3AlAl2 2Si Si3 3OO1212、钙铁榴石、钙铁榴石: Ca: Ca3 3FeFe2 2Si Si3 3OO1212铁铝榴石铁铝榴石: (Fe,Mg,Mn,Ca): (Fe,Mg,Mn,Ca)3 3AlA
12、l2 2Si Si3 3OO12122 2 2 2。连结共生矿物。连结共生矿物。连结共生矿物。连结共生矿物3 3 3 3。标注矿物组合。标注矿物组合。标注矿物组合。标注矿物组合二、“相，facies”的概念岩石学中的岩石学中的“相相”是指在同一地壳中同一物理化学条件是指在同一地壳中同一物理化学条件( (环境环境) )中形成的一套岩石组合（或中形成的一套岩石组合（或+ +生物），亦即带生物），亦即带有特定环境条件属性的一套岩石组合。反过来说，这有特定环境条件属性的一套岩石组合。反过来说，这套岩石组合中的物质、结构和构造等特征不同程度地套岩石组合中的物质、结构和构造等特征不同程度地记录了成岩环境条
13、件信息。自然界中的成岩环境是复记录了成岩环境条件信息。自然界中的成岩环境是复杂的，相应地也存在复杂的岩石杂的，相应地也存在复杂的岩石“相相”。岩石学研究。岩石学研究的重要内容之一，就是详细观察分析现今剥露地表的的重要内容之一，就是详细观察分析现今剥露地表的岩石组合的岩相学等特征，确定它们在地质历史时期岩石组合的岩相学等特征，确定它们在地质历史时期中的成岩中的成岩“相相”属性和环境条件。属性和环境条件。1。岩浆岩的相n侵入相侵入相深成相（深成相（10km）中成相（中成相（3-10km）浅成相（浅成相（3km）n喷出（火山岩）相喷出（火山岩）相l溢流相溢流相l暴发相暴发相陆相陆相海相海相岩浆岩岩石
14、在不同的深度具有不同产状、其矿物、结构、构造等岩浆岩岩石在不同的深度具有不同产状、其矿物、结构、构造等特征也不同，反映岩石的环境条件和岩浆冷却结晶速率的差异。特征也不同，反映岩石的环境条件和岩浆冷却结晶速率的差异。侵入相：侵入相：深成相深成相岩石具粗粒等粒或似斑状结构、发育出溶结构、定向岩石具粗粒等粒或似斑状结构、发育出溶结构、定向构造、钾长石具有低的有序度而高的三斜度；构造、钾长石具有低的有序度而高的三斜度；浅成相浅成相细粒或斑状结构、块状构造、高有序度而低三斜度率。细粒或斑状结构、块状构造、高有序度而低三斜度率。火成岩产状示意图3_17出露的岩基出露的岩基出露的岩基出露的岩基岩基岩基岩基岩
15、基岩墙岩墙岩墙岩墙岩盆岩盆岩盆岩盆岩盖岩盖岩盖岩盖岩床岩床岩床岩床捕虏体捕虏体捕虏体捕虏体整合侵入体整合侵入体整合侵入体整合侵入体不整合侵入体不整合侵入体不整合侵入体不整合侵入体岩株岩株火山通道相火山通道相火山通道相火山通道相次火山相次火山相次火山相次火山相火山岩相示意图火山岩相示意图火山岩相示意图火山岩相示意图（据（据（据（据 邱家骧，邱家骧，邱家骧，邱家骧，1985198519851985）侵出相侵出相溢流相溢流相爆发相爆发相火山沉积相火山沉积相岩钟、针、穹岩钟、针、穹火山颈火山颈.岩管岩管/岩筒岩筒台地、被、盾台地、被、盾锥锥侵侵入入体体据火山岩产状划分的火山岩相据火山岩产状划分的火山岩
16、相海相火山岩海相火山岩陆相火山岩陆相火山岩2。沉积环境和沉积相沉积环境沉积环境指沉积物堆积场所的指沉积物堆积场所的地貌特征地貌特征与与沉积作用特征沉积作用特征的总的总和。和。 河流环境河流环境的地貌特征为下切的沟谷（具有一定坡度），沟内的地貌特征为下切的沟谷（具有一定坡度），沟内有阶地、边滩或心滩，沉积作用为流动的水体（水流）。有阶地、边滩或心滩，沉积作用为流动的水体（水流）。 又如：又如：湖湖泊环境泊环境的地貌的地貌特征为陆地上特征为陆地上具一定面积的具一定面积的积水洼地，沉积水洼地，沉积作用为波浪、积作用为波浪、沿岸水流及淡沿岸水流及淡水生物活动等。水生物活动等。 2 2。 沉积相 一定一
17、定沉积环境沉积环境中的沉积物或沉积岩的中的沉积物或沉积岩的 岩石学岩石学 和和 生物生物 特征的总和。特征的总和。 如：河流相主要为砂砾岩或粉砂岩组成，具交如：河流相主要为砂砾岩或粉砂岩组成，具交错层理，有植物树干化石而无植物叶化石。错层理，有植物树干化石而无植物叶化石。 又如：湖泊相常有暗色泥岩或细粉砂岩组成，又如：湖泊相常有暗色泥岩或细粉砂岩组成，水平纹理，含植物叶及淡水动物化石。水平纹理，含植物叶及淡水动物化石。 A metamorphic facies is a set of metamorphic mineral assemblages, repeatedly associated
18、in space and time, such that there is a constant and therefore predictable relation between mineral composition and bulk rock composition. (F J Turner, 1981)定义：一个变质相是指，各种成分的岩石在一定的温度-压力范围内形成的一系列矿物共生组合，这些矿物共生组合在时间上和空间上反复共生，其中，每一个矿物组合与岩石化学成分之间有着固定的、因而可以预测的对应关系。三、变质相概念及其划分变质相划分图解变质相划分图解（p.324p.324图图20-9
19、20-9）变变质质相相划划分分接触变质相：级别变质相类型低温的： 1 钠长绿帘角岩相（AEH）中温的： 2 普通角闪石角岩相（HH）高温的： 3 辉石角岩相（PH）极高温的： 4 透长岩相（S）区域变质相：很低温的： 5 沸石相（Z） 6 葡萄石绿纤石相（PP） 7 硬柱石钠长石绿泥石相（LA） 8 蓝片岩相（BS）低温的： 9 绿片岩相（GS） 10 绿帘角闪岩相（EA）中温的： 11 角闪岩相（A）高温的： 12 麻粒岩相（G）高压的： 13 榴辉岩相（E）接触变质相及其分布示意图接触变质相及其分布示意图灰蓝带灰蓝带-辉石角岩相辉石角岩相灰绿带灰绿带-普通角闪石角岩相普通角闪石角岩相无色带
20、无色带-钠长绿帘角闪岩钠长绿帘角闪岩大别造山带北大别杂岩区域变质相分布图大别造山带北大别杂岩区域变质相分布图大别造山带北大别杂岩区域变质相分布图大别造山带北大别杂岩区域变质相分布图A metamorphic facies is a set of metamorphic mineral assemblages, repeatedly associated in space and time, such that there is a constant and therefore predictable relation between mineral composition and bulk r
21、ock composition. (F J Turner, 1981)定义：一个变质相是指，各种成分的原岩在一定的温度-压力范围内形成的一系列矿物共生组合(岩石)，这些矿物共生组合在时间上和空间上反复共生，其中，每一个矿物组合与全岩化学成分之间有着固定的、因而可以预测的对应关系。理解变质相的5个要点：l理解变质相的5个要点：1。一个变质相是大体相近的温度压力范围内由不同化学成分原岩的变质形成的一系列（套）矿物共生组合，属于一个等物理系列（等化学系列？），一个矿物组合不能定义一个变质相。2。每一个变质相是以基性变质岩的矿物共生组合为标志；相应地，基性变质岩的矿物共生组合为每一个变质相的特征性或标
22、志性矿物组合，相应的岩石名称被用来命名该变质相（p.325表20-1）。3。相邻的变质相边界以基性变质岩中特定的变质反应划分。由于变质反应一般都是连续反应，所以分隔变质相的边界是一个过渡带而不是一条线（图20-9）。4，时空上反复共生：（1）只与变质条件有关，与时空无关，因而可全球和古今对比；（2）大多数情况下变质热峰的持续时间足够长，反应能够彻底进行。5。固定的可以预测的对应关系：这表明：（1）封闭体系，等化学过程，只适于区域变质岩和接触变质岩；（2）每一个矿物组合，对应于一个特定化学成分的原岩；（3）因而，一个变质相可以用一张联合的ACF和AKF图解表达。四、变质相系、变质作用P/T比和构
23、造环境接触变质相系列：AEHHH PH （S）And-Sil（ 80 oC/Km)区域变质相：低P/T型：Z PP GS A G And-Sil (80-40 oC/Km)中P/T型：Z / LA PP GS EA A G Ky-Sil (40-10 oC/Km)高P/T型：LABS（LW-BSEP-BS）E Gl-Jd-Cos (10-5 oC/Km) 变质相变质相- -变质相系及其划分图解变质相系及其划分图解（p.324p.324图图20-920-9）区域变质相系列与构造环境低P/T型：岛弧带中P/T型：陆-陆碰撞带高P/T型：洋壳俯冲带；大陆深俯冲带 双变带：低P/T型（岛弧带）高P/T
24、型（洋壳俯冲带）五、P-T-t轨迹概念和理解A: 35KmA: 35Km地壳在缩短增地壳在缩短增厚前的定态地热梯度厚前的定态地热梯度; ;B: B: 缩短缩短50%50%增厚增厚1 1倍倍( (约约70Km)70Km)后扰动地热梯度后扰动地热梯度1. 1. 埋藏期埋藏期2. 2. 等压加热期等压加热期3. 3. 折返加热期折返加热期4.4.折返冷却期折返冷却期五、P-T-t轨迹概念和理解（a a）造山带的）造山带的）造山带的）造山带的前进变质带剖面前进变质带剖面前进变质带剖面前进变质带剖面（b b）不同变质带岩石所纪录变）不同变质带岩石所纪录变）不同变质带岩石所纪录变）不同变质带岩石所纪录变质
25、作用条件变化历程质作用条件变化历程质作用条件变化历程质作用条件变化历程: : P-T-tP-T-t轨迹轨迹轨迹轨迹1。变质过程是一个动态过程：岩石发生深埋-折返的过程，就是地热梯度发生扰动与恢复的过程；2。多数情况下，与热峰对应的压力条件低于岩石实际的埋藏深度条件；或埋藏最深时的岩石经历的温度条件大大低于峰期温度条件，不同深度岩石峰期温度达到的时间不一，浅部的较早，但开始冷却的时间也较早，深部的晚，开始冷却的时间也较晚;3。野外地温梯度与高的地热流强度和低折返速率相正比，大洋俯冲带的FPC（高P/T）陡，大陆碰撞带中带（中P/T）；岛弧区（低P/T）较缓，接触变质晕（很低P/T）更缓；苏格兰高地达拉累丁片岩巴罗型前进变质带各苏格兰高地达拉累丁片岩巴罗型前进变质带各变质带的热峰条件和野外变质梯度变质带的热峰条件和野外变质梯度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
