第三篇第三篇 变质岩石学变质岩石学Metamorphic Petrology • 变质岩石学的内容变质岩石学的内容/ /方法方法/ /目的目的 内容：内容： 岩类学；岩理学；成矿岩石学岩类学；岩理学；成矿岩石学 方法：方法： 多学科交叉与现代技术的应用多学科交叉与现代技术的应用 目的：目的： 根本特征；根本理论；根本方法根本特征；根本理论；根本方法图图1. 变质岩形成及研究的框架图变质岩形成及研究的框架图变变质质作作用用变变质质作作用用变变变变质质质质岩岩岩岩原原原原岩岩岩岩变变质质岩岩形形成成过过程程变变质质岩岩形形成成过过程程T. P. CT. P. C变变质质岩岩研研究究层层次次变变质质岩岩研研究究层层次次地球动力学地球动力学地球动力学地球动力学 • 变质岩石学课程安排变质岩石学课程安排 第一章第一章 变质作用概述〔变质作用概述〔2 2学时〕学时〕 第二章第二章 变质岩的根本特征〔变质岩的根本特征〔3 3学时〕学时〕 第三章第三章 变质岩的分类命名〔变质岩的分类命名〔1 1学时〕学时〕 第四章第四章 变质岩的形成作用变质岩的形成作用(4(4学时学时) ) 第五章第五章 变质反响和变质带变质反响和变质带(2(2学时学时) ) 第六章第六章 共生分析和变质相〔共生分析和变质相〔4 4学时〕学时〕 第七章第七章 变质作用与大地构造变质作用与大地构造(2(2学时学时) ) 实习一实习一 变质岩的结构构造和特征变质矿物变质岩的结构构造和特征变质矿物 (4(4学时学时) ) 实习二实习二 富铝系列变质岩〔富铝系列变质岩〔4 4学时〕学时〕 实习三实习三 镁铁质系列变质岩〔镁铁质系列变质岩〔4 4学时〕学时〕 实习四实习四 其它岩石类型〔其它岩石类型〔2 2学时〕学时〕 实习五实习五 岩石类型鉴定岩石类型鉴定 (2 (2学时学时) ) 实习六实习六 矿物共生组合分析及演化〔矿物共生组合分析及演化〔6 6学时〕学时〕 第一章第一章 变质作用概述变质作用概述 • 变质作用的现代概念变质作用的现代概念 1). 1). 是与地壳形成和开展密切相关的一种地质是与地壳形成和开展密切相关的一种地质作用。
作用 2). 2). 地壳已存岩石在根本保持固态条件下的地壳已存岩石在根本保持固态条件下的转变过程转变过程. . 3). 3). 在特殊条件下，还可以产生重熔〔溶〕，在特殊条件下，还可以产生重熔〔溶〕，形成部形成部 分流体相〔岩浆〕分流体相〔岩浆〕 4). 4). 变质作用是一个动态过程变质作用是一个动态过程 变质作用〔变质作用〔Metamorphism〕一词是由法国学者〕一词是由法国学者Boue (1820)年首次年首次提出来的，后来由英国学者提出来的，后来由英国学者C. Lyell(1833) 在他的名著地质学原理中比较在他的名著地质学原理中比较系统地进行了论述系统地进行了论述 系指在地壳形成和开展的过程中，由于物理化学条系指在地壳形成和开展的过程中，由于物理化学条 件的改变，早先形成的岩石件的改变，早先形成的岩石(包括岩浆岩和沉积岩〕在固态条件下所发包括岩浆岩和沉积岩〕在固态条件下所发生的矿物成分、结构构造的变化，称变质作用生的矿物成分、结构构造的变化，称变质作用。
• 变质作用的现代概念变质作用的现代概念关于变质作用的概念应强调以下几点关于变质作用的概念应强调以下几点:〔〔1〕〕变变质质作作用用是是一一种种改改造造作作用用，，这这种种改改造造发发生生在在风风化化带带和和胶胶结结带带以以下下，，原原岩岩经经过过改改造造后后在在固固态态下下转转变变为为一一种种新新的的岩岩石石如如果果原原岩岩为为沉沉积积岩岩，，变变质质后后的的岩岩石石称称为为副副变变质质岩岩；；如如果果原原岩岩为为岩岩浆浆岩岩，，变变质质后后的的岩石称为正变质岩岩石称为正变质岩 〔〔2〕〕变变质质过过程程中中岩岩石石根根本本上上保保持持固固态态，，并并且且强强调调温温度度的的递递增增过过程程，，这这一一点点与与岩岩浆浆作作用用不不同同后后者者强强调调的的是是矿矿物物从从硅硅酸酸盐盐熔熔融融体体中中结结晶晶，，所所涉涉及及的的是是晶晶体体－－液液态态的的平平衡衡，，并并强强调调温温度度的的下下降降过过程程当当变变质质作作用用温温度度较较高高时时，，岩岩石石可可发发生生局局部部熔熔融融，，出出现现一一定定数数量量的的熔熔体体，，这这些些熔熔体体与与固固态态剩剩余余物物之之间间可可发发生生混混合合岩岩化化作作用用。
当当熔熔体体数数量量较较多多时时转转变变为为典典型型的的岩岩浆浆作作用用广广义义的的变变质质作作用用概概念念包包括括岩岩石石在在固固态态下下的的变变质作用和有局部熔体出现的混合岩化作用质作用和有局部熔体出现的混合岩化作用 原岩化学成分；原岩化学成分； 地质条件；地质条件； 物理化学环境物理化学环境一、一、 温温 度度1. 温度范围温度范围: 200 - 8000 C，， 超高压可达超高压可达10000 C2. 变化原因变化原因: 岩浆；深部热流；地壳放射热；机械岩浆；深部热流；地壳放射热；机械摩擦；地热增温〔正常情况摩擦；地热增温〔正常情况 25-30 C / km) 3. 主要作用：可导致重结晶、变质反响、重熔；增主要作用：可导致重结晶、变质反响、重熔；增加流体活性；加流体活性； 改变岩石变形性质等改变岩石变形性质等 它是变质作它是变质作用的主导因素用的主导因素.• 变质作用的影响因素变质作用的影响因素一、一、 温温 度度 • 变质作用的影响因素变质作用的影响因素 1. 静静 压压 力力 概念：负荷压力，单位帕〔概念：负荷压力，单位帕〔Pa〕；在〕；在 40km 范围范围 内与深内与深GPa / km〔〔P= gh〕〕. 范围：动力变质作用和接触变质作用多在范围：动力变质作用和接触变质作用多在5 km 范范围内，围内，GPa；区域变质作用；区域变质作用 深度大于深度大于5 km，，GPa，按压力大小分为不同的压力型，按压力大小分为不同的压力型 〔低压、中压、高压、超高压〕〔低压、中压、高压、超高压〕二、压二、压 力力 ( (静压力和流体压力静压力和流体压力) ) • 变质作用的影响因素变质作用的影响因素 图图1-1 1-1 不同变质作用类型压力分布范围不同变质作用类型压力分布范围 • 变质作用的影响因素变质作用的影响因素 1. 静静 压压 力力作作 用用: 〔〔1〕控制变质反响方向，影响变质反响温〕控制变质反响方向，影响变质反响温度度 〔〔2〕有利于形成分子体积小、密度大的矿物〕有利于形成分子体积小、密度大的矿物 〔〔3〕改变岩石的熔点〕改变岩石的熔点二、压二、压 力力 ( (静压力和流体压力静压力和流体压力) )CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2105Pa, 4700C108pa, 6700C • 变质作用的影响因素变质作用的影响因素 2. 流流 体体 压压 力力 岩石系统中常存在少量的流体相岩石系统中常存在少量的流体相, 它们所具有的它们所具有的内压称流体压力。
对变质作用的影响分两种情况内压称流体压力对变质作用的影响分两种情况: (1). 流体压力与静压力相等：流体压力不构成独流体压力与静压力相等：流体压力不构成独立的控立的控 制因素；制因素； (2). 流体压力与静压力不相等：流体压力那么构流体压力与静压力不相等：流体压力那么构成独立的成独立的 控制因素控制因素二、压二、压 力力 ( (静压力和流体压力静压力和流体压力) ) • 变质作用的影响因素变质作用的影响因素 一种侧向压力〔各方向压力不等〕一种侧向压力〔各方向压力不等〕 应变：岩石遭受应力作用所产生的反响应变：岩石遭受应力作用所产生的反响 〔弹性变形、永久变形〕〔弹性变形、永久变形〕 分类：张应力、压应力、剪应力〔图〕分类：张应力、压应力、剪应力〔图〕 作用作用 1. 机械改造是岩石优选组构的主要因素机械改造是岩石优选组构的主要因素 2. 影响变质反响、重结晶作用、流体活性影响变质反响、重结晶作用、流体活性 3. 产生构造超压，增加静压力。
产生构造超压，增加静压力三、应三、应 力力 图图 1-2 张应力〔张应力〔s3〕及应变特点〕及应变特点产物主要是张性断裂、拉断组构产物主要是张性断裂、拉断组构 (Winter, 2001)• 变质作用的影响因素变质作用的影响因素三、应三、应 力力 图图 1-3 压应力〔压应力〔s3〕及应变特点〕及应变特点主要是均匀压扁或褶皱主要是均匀压扁或褶皱 (Winter, 2001)• 变质作用的影响因素变质作用的影响因素三、应三、应 力力 图图 1-4 剪应力〔剪应力〔s 2〕及应变特点〕及应变特点沿一组平行的面滑动或旋转沿一组平行的面滑动或旋转 (Winter, 2001)• 变质作用的影响因素变质作用的影响因素三、应三、应 力力 • 变质作用的影响因素变质作用的影响因素 在较高温压条件下在较高温压条件下, 具有较大的活性主要作具有较大的活性主要作用如下：用如下：溶剂和媒介〔载体〕作用溶剂和媒介〔载体〕作用2. 控制变质反响方向例如控制变质反响方向例如 Cc + Q Wo + CO2降低岩石熔点降低岩石熔点 长英质岩长英质岩: 无水无水9500C, 含水含水6400C4. 变质反响的催化剂。
例如铁橄榄石的合成实验：变质反响的催化剂例如铁橄榄石的合成实验： 2 MgO + SiO2 Mg2SiO4 在干体系在干体系 10000C条件下条件下, 须时近四天须时近四天, 只有只有26%转化；转化； 在湿体系在湿体系 4600C条件下条件下, 只须时间几分钟只须时间几分钟, 就全就全部转化四、四、流流 体体 • 变质作用的影响因素变质作用的影响因素 1.温度温度: 一般是最重要因素，它不仅控制着变质作一般是最重要因素，它不仅控制着变质作用的发生和开展，也制约着流体的活性和岩石变用的发生和开展，也制约着流体的活性和岩石变形性质；形性质；2.压力压力: 影响物化平衡的独立因素，有时对矿物组影响物化平衡的独立因素，有时对矿物组合起决定作用；合起决定作用；3.应力应力: 不是物化平衡的独立因素，但它是变质岩不是物化平衡的独立因素，但它是变质岩组构的最重要因素，此外还控制着变质反响的速组构的最重要因素，此外还控制着变质反响的速度和规模；度和规模；4.流体流体:是变质作用得以实现的根本因素，但温度又是变质作用得以实现的根本因素，但温度又是流体具有活动性的前提。
是流体具有活动性的前提五、相互关系五、相互关系---相互促进又相互制约相互促进又相互制约 • 变质作用类型变质作用类型 变质作用分类简表变质作用分类简表分类依据分类依据: 分布规模分布规模 / 地质背景或物化条件地质背景或物化条件1.1.接触变质作用接触变质作用. : 2.2.动力变质作用动力变质作用3.3.冲击变质作用冲击变质作用4. 交代变质作用交代变质作用1. 造山变质作用造山变质作用2. 洋底变质作用洋底变质作用:3. 埋藏变质作用埋藏变质作用:4. 混合岩化作用混合岩化作用:局部变质作用局部变质作用区域变质作用区域变质作用 • 变质作用类型变质作用类型 分布于岩浆侵入体与围岩接触带，主要由岩浆热分布于岩浆侵入体与围岩接触带，主要由岩浆热导致的变质作用主要因素是温度，压力较低，导致的变质作用主要因素是温度，压力较低，应力不明显变质机制以静态重结晶或静态变质应力不明显变质机制以静态重结晶或静态变质结晶为主结晶为主2.动力变质作用动力变质作用: 分布于断裂带，由构造作用导致的变质作用分布于断裂带，由构造作用导致的变质作用主要控制因素是应力，通常具较高的主要控制因素是应力，通常具较高的P/T比。
变比变质机制以变形和动态重结晶或动态变质结晶为主质机制以变形和动态重结晶或动态变质结晶为主1. 接触变质作用接触变质作用：： • 变质作用类型变质作用类型 陨石冲击地表产生强大的冲击波所导致的变质陨石冲击地表产生强大的冲击波所导致的变质作用主要因素是瞬时高压和高温变质机制以作用主要因素是瞬时高压和高温变质机制以变形和伴随的局部熔融为主变形和伴随的局部熔融为主4. 交代变质作用交代变质作用: 分布于侵入体接触带及其附近和火山活动区，分布于侵入体接触带及其附近和火山活动区，主要由岩浆热液引起的异化学变质作用主要因主要由岩浆热液引起的异化学变质作用主要因素是流体活动组分化学位变质机制主要为交代素是流体活动组分化学位变质机制主要为交代作用3. 冲击变质作用冲击变质作用: • 变质作用类型变质作用类型 图图 1-6 接触变质带示意图接触变质带示意图 内内带带中中带带biotite muscovite cordierite andalusite quartz图图 1- 7 接触变质接触变质带各带粒度变化带各带粒度变化 • 变质作用类型变质作用类型 〔区域动热变质作用或狭义的区域变质作用〕〔区域动热变质作用或狭义的区域变质作用〕 与造山作用密切相关，大规模分布于前寒武纪结与造山作用密切相关，大规模分布于前寒武纪结晶基底晶基底 〔面状〕和显生宙造山带〔带状〕的变质作用。
〔面状〕和显生宙造山带〔带状〕的变质作用变质因变质因 素复杂，素复杂，P/T比范围宽〔三种压力类型〕并与构造比范围宽〔三种压力类型〕并与构造环境环境 密切相关，变质机制为变质〔重〕结晶和变形密切相关，变质机制为变质〔重〕结晶和变形形成的形成的 变质岩常见面理和线理构造变质岩常见面理和线理构造5. 造山变质作用：造山变质作用： • 变质作用类型变质作用类型图图 1-8日本的变质双带及形成模式日本的变质双带及形成模式 • 变质作用类型变质作用类型 在大洋中脊附近，洋壳岩石在上升的热流和海在大洋中脊附近，洋壳岩石在上升的热流和海水的作用下发生的规模巨大的变质作用水的作用下发生的规模巨大的变质作用. 变质因变质因素主要是温度、流体及活动组分化学位，素主要是温度、流体及活动组分化学位，P/T比比低变质机制是变质〔重〕结晶作用和交代作用变质机制是变质〔重〕结晶作用和交代作用产物的面理和线理不发育产物的面理和线理不发育7. 埋藏变质作用埋藏变质作用: 一套巨厚的岩层被快速埋藏到地下深处所发生一套巨厚的岩层被快速埋藏到地下深处所发生的大规模的很低级且无明显变形的变质作用。
它的大规模的很低级且无明显变形的变质作用它是成岩作用与变质作用的过度类型，独立分布于是成岩作用与变质作用的过度类型，独立分布于强烈坳陷盆地的沉积底部或造山变质、洋底变质强烈坳陷盆地的沉积底部或造山变质、洋底变质的很低级局部产物变质程度低且面理和线理不的很低级局部产物变质程度低且面理和线理不发育6. 洋底变质作用洋底变质作用: • 变质作用类型变质作用类型图图 1-9 洋底等温面的分布及洋底变质作用洋底等温面的分布及洋底变质作用 • 变质作用类型变质作用类型图图 1-10新西兰岛南部新西兰岛南部Otago区域埋藏变质作用区域埋藏变质作用〔〔Turner ，，1981) 沸石沸石沸石沸石 葡萄石葡萄石葡萄石葡萄石- -绿纤石绿纤石绿纤石绿纤石 绿纤石绿纤石绿纤石绿纤石——阳起石阳起石阳起石阳起石 绿泥石绿泥石绿泥石绿泥石 黑云母黑云母黑云母黑云母——较高级较高级较高级较高级 • 变质作用类型变质作用类型 在高级区域变质地区，由局部熔融产生的低熔在高级区域变质地区，由局部熔融产生的低熔物质〔新成体〕与变质岩基体〔古成体〕混合形物质〔新成体〕与变质岩基体〔古成体〕混合形成混合岩的过程。
它是变质作用向岩浆作用的过成混合岩的过程它是变质作用向岩浆作用的过度类型度类型,又称超变质作用又称超变质作用 8. 混合岩化作用混合岩化作用: 图图 1-11 混合岩混合岩 • 变质作用研究范畴〔选讲〕变质作用研究范畴〔选讲〕 1. 变质作用的下限：与成岩作用的界限变质作用的下限：与成岩作用的界限-埋藏变埋藏变质作用质作用 2. 变质作用的上限：与岩浆作用的界限变质作用的上限：与岩浆作用的界限-混合岩混合岩化作用化作用 岩浆作用岩浆作用magmatism成岩作用成岩作用diagenesis700-900oC150-200oC混合岩化作用混合岩化作用migmatism埋藏变质作用埋藏变质作用burial metamorphism变质作用变质作用metamorphism • 变质作用研究范畴〔选讲〕变质作用研究范畴〔选讲〕对对变变质质作作用用与与沉沉积积成成岩岩作作用用的的界界限限可可从从两两个个方方面面考考虑虑：：一一个个基基于于沉沉积积岩岩石石学学的的观观点点，，另另一一个个基基于于变变质质岩岩石石学学的的观观点点当当基基于于前前者者考考虑虑时时，，沉沉积积物物中中相相互互连连通通孔孔隙隙的的完完全全封封闭闭是是成成岩岩作作用用结结束束、、变变质质作作用用开开始始的的标标志志，，因因此此测测定定沉沉积积岩岩石石的的孔孔隙隙度度就就可可以以确确定定这这一一界界限限。
当当基基于于变变质质岩岩石石学学的的观观点点时时，，强强调调真真正正变变质质矿矿物物组组合合的的出出现现是是变变质质作作用用开开始始的的重重要要标标志志这这些些变变质质矿矿物物包括浊沸石、硬柱石、钠云母和叶腊石等包括浊沸石、硬柱石、钠云母和叶腊石等根根据据目目前前认认识识，，最最低低温温的的变变质质矿矿物物是是浊浊沸沸石石，，在在较较高高压压力力下下为为硬硬柱柱石石浊沸石出现的变质反响为：浊沸石出现的变质反响为：CaAl2Si7O186H2O = CaAl2Si4O124H2O+3SiO2+2H2O 片沸石片沸石 浊沸石浊沸石 石英石英 水水然然而而，，在在～～200℃时时，，这这一一反反响响的的速速度度太太慢慢以以致致于于在在低低压压时时不不能能进进行行实实验验模模拟拟如如果果水水压压升升高高，，片片沸沸石石分分解解形形成成硬硬柱柱石石〔〔CaAl2Si2O7(OH)2〕〕，，而而不不是是浊浊沸沸石石Nitsch(1968)GPaGPa〕〕，，片片沸沸石石分分解解形形成成浊浊沸沸石石时时，，温温度应该低于度应该低于200℃，可能为，可能为175℃。
变质作用的温度下限应稍微低于变质作用的温度下限应稍微低于200℃据Kisch(1969, 1974)报道，在报道，在变质作用产生浊沸石的最低温度下，对应煤化过程，到达气焰煤〔变质作用产生浊沸石的最低温度下，对应煤化过程，到达气焰煤〔gas-flame coal〕有时到达气煤〔〕有时到达气煤〔gas coal〕级，在镜质煤中挥发性组份分别低〕级，在镜质煤中挥发性组份分别低于于40％和％和30％另外，％另外，Frey & Niggli (1971)把尹利石的结晶度与煤的转变把尹利石的结晶度与煤的转变比照，他们证明在变质作用〔对应浊沸石出现〕开始时，尹利石的结晶度比照，他们证明在变质作用〔对应浊沸石出现〕开始时，尹利石的结晶度较低，较低，Kubler级为级为7.5，随变质温度升高，尹利石的结晶度升高在油田中，，随变质温度升高，尹利石的结晶度升高在油田中，与煤级对应的变质作用开始界限，构成石油的死亡线因此，变质作用开与煤级对应的变质作用开始界限，构成石油的死亡线因此，变质作用开始的界限有很大的经济意义始的界限有很大的经济意义 变质作用的上限是与岩浆作用的界限在温度较高时，变质岩石可以发生变质作用的上限是与岩浆作用的界限。
在温度较高时，变质岩石可以发生局部熔融，出现混合岩化作用，当熔体到达一定量时就过渡为岩浆作用局部熔融，出现混合岩化作用，当熔体到达一定量时就过渡为岩浆作用岩石发生局部熔融的温度随岩石类型、含水量和压力等因素不同而变化岩石发生局部熔融的温度随岩石类型、含水量和压力等因素不同而变化因此变质作用的上限温度有很大的变化范围，一般为因此变质作用的上限温度有很大的变化范围，一般为700－－1000℃GPa，，GPa• 变质作用研究范畴〔选讲〕变质作用研究范畴〔选讲〕 。