变质反应及变质作用因素.ppt

变质岩岩石学第二章变质反应及变质作用因素 本章重点 1 掌握变质作用的影响因素及其在变质过程中的特点 2 理解变质反应的概念 3 了解变质反应的主要类型 本章难点 1 变质作用因素在变质过程中的特点 2 1变质反应及其类型 2 1 1概述变质反应 metamorphicreaction 在固相线下 由于变质的温度 压力所限制 发生的物相转变及化学反应过程 变质反应属于化学反应的自然类型 其反应的动力是地球运动和物质调整 2 1 1概述 在变质过程的研究中 规定相转变方向 即变质反应方向 以升温转化方向为正方向 进变质 降温方向为负 退变质 从反应的速度上看 退变质的速度要慢得多 但在反应催化剂 流体 存在时 其反应速度可以加快 2 1 1概述 变质反应可以从岩相研究 实地调查和岩石薄片鉴定等 中得到 也是最常规 简便的直接方法 实验岩石 相 研究及热力学推导是重要的现代研究方法之一 因此 掌握变质岩的薄片分析方法是本课程的基本要求 2 1 2变质反应的基本类型 变质反应的基本类型有三种 固 固反应固 固 液反应氧化 还原反应1 固 固反应温度和压力为反应的主导因素 反应过程无流体相存在或析出 这种反应的方式有三种 2 1 2变质反应的基本类型 1 矿物多形的转变 如 And ky Sil的铝硅酸盐 Al2SiO5 同质多象转变 蓝晶石 矽线石 红柱石 2 1 2变质反应的基本类型 2 固溶体矿物的出溶 如 长石 角闪石的变质双晶的形成 钠长石双晶 2 1 2变质反应的基本类型 3 纯固相反应 如反应 硬玉 石英 钠长石反应在低温下由压力变化控制 向右进行为压力降低的退变质 反之为升压进变质 反应前后没有物态的变化 但有相数的改变 2 1 2变质反应的基本类型 2 固 固 液反应这是常见的变质反应类型 其主导因素为温压和流体 变化较复杂 反应时有流体相存在或反应过程中有液相析出 常见的反应方式有两种 2 1 2变质反应的基本类型 1 水化与脱水反应 如 叶腊石 红柱石 石英 H2O2 脱碳酸与碳酸盐化反应 如 方解石 石英 硅灰石 CO2 2 1 2变质反应的基本类型 3 氧化 还原反应变质过程中由于氧逸度 fO2 的变化引起的缓冲反应 如 赤铁矿 磁铁矿 O2 2 1 3滑动反应 滑动反应固溶体矿物发生变质反应的过程中 其成分随反应过程不断连续改变的反应 亦称为连续反应 2 1 3滑动反应 滑动反应的基本特征是 反应的温 压取决于原岩成分 反应物 原岩矿物 与生成物 新的变质矿物 在一定的温压范围内共存 且其成分随温压的改变而不断变化 即反应物与生成物之间维持一定的动态 平衡 2 1 3滑动反应 例如 在麻粒岩相条件下 菫青石 石榴石了解变质反应的目的在于 把握变质因素及其过程的变化 一些重要的变质反应 2 1 3滑动反应 例如 在麻粒岩相条件下 菫青石 石榴石了解变质反应的目的在于 把握变质因素及其过程的变化 2 2变质作用影响因素 变质作用的影响因素包括地质因素和外部因素 从上述变质反应类型及其对外部因素的归纳中 可以得出变质过程中起主导作用的外部因素是 温度压力流体后面将介绍这些因素的在变质作用过程中的特点及其变化 2 2 1温度 T 多数的变质反应与温度有直接的关系 即温度是多数变质作用的主导因素 1 变质过程的温度范围变质作用的温度范围是200 800 向沉积后生成岩作用上限过渡 向岩浆作用下限过渡 110 900 2 2 1温度 T 按温度变化可将变质作用过程分为三级 低级变质 T 200 550 或500 中级变质 T 550 700 高级变质 T 700 800 近来将T 200 的变质过程称为极低级变质 温度的变化可引起变质作用的产生及其以不同的变质作用方式进行 2 2 1温度 T 2 作用方式温度引起的变质作用方式主要有三种 1 重结晶如 灰岩 大理岩 2 2 1温度 T 2 作用方式温度引起的变质作用方式主要有三种 2 变质结晶如 方解石 石英 硅灰石 CO23 部分重熔主要是长英质矿物产生的低共熔系熔体 2 2 1温度 T 3 热源 温度变化起因 引起温度变化的起因主要有五种 1 地热正常的地热增温率为1 5 100m 但在造山带 太古宙的地热流值是正常地温的2 3倍以上 在高热流区地热增温率可达60 km 如 区域埋藏变质 区域动热变质 区域中高温热流变质 等 2 2 1温度 T 2 上地幔对流热上地幔的对流形成地幔热柱 导致地壳内温度升高而产生变质 如 下地壳的深变质 洋中脊变质 等 3 放射性元素衰变热放射性元素衰变时产生的化学能 热能 导致温度上升产生变质 如 区域温度异常引起的区域变质 等 2 2 1温度 T 4 岩浆热岩浆上侵时由岩浆热造成的温度梯度扩散引起变质 如 热接触变质 等 5 动力变质热地球内应力作用 机械能 热能而引起变质 如 区域热动变质 动力变质 等 2 2 1温度 T 温度升高时 当超过原岩矿物组合的平衡温度时 产生进变质 正向变质反应 形成高一级的变质矿物组合 当低于原岩矿物组合的形成温度时 产生退变质 逆向变质反应 形成低一级的变质矿物组合 2 2 1温度 T 高级或低级划分是相对于原岩矿物组合及变质矿物组合本身而言 即为相对的概念 其相关的实例将在后续部分中介绍 例如 绿泥石 绢云母的变质矿物组合 对岩浆岩原岩来说是退变质 对泥质岩类来说是进变质 2 2 2压力 P 变质作用属于内力地质作用之一 且在一定的地壳深度条件下进行 因而压力是变质作用的重要因素之一 压力的大小及其变化可决定变质反应的方向 如 压力增大时变质反应向矿物分子体积变小的方向进行 1 变质作用产生的压力范围0 02GPa 1 1GPa换算为正常的地壳深度相当于1km 40km 2 2 2压力 P 2 压力的类型及其特征根据力的来源和作用方式分为三类 负荷压力 Pl 流体压力 Pf 应力 Ps 对其特征将分别予以介绍 2 2 2压力 P 1 负荷压力 Pl 亦称为静压 均向压 围压 来自于上覆岩层的重量的负荷压 或围岩的均向压 围压 在正常的地壳深度0km 40km的范围内 平均增压率为 0 0275GPa km故形成的深度越大 越是向形成坚硬 密度大 体积小的矿物 岩石方向进行 2 2 2压力 P 2 流体压力 Pf 主要是H2O CO2等流体存在于岩石矿物的粒间和微裂隙中产生的压力 按其存在状态 Pf与Pl的相对关系 分为三种类型 2 2 2压力 P 1 Pl Pf 为地壳深部封闭系统 Pf为非独立因素 2 Pl Pf 为岩体附近岩浆水富集地带 引起水化反应 但在干环境时可Pf Pl 3 Pl Pf 为地壳浅部的裂隙发育区 开放系统 引起脱水 脱气反应 可形成构造热液 2 2 2压力 P 温度 流体压力 流体中CO2的含量 以摩尔分数表示 与CaCO3 SiO2 CaSiO3 CO2的平衡关系图 按格林伍德 1962 XCO2即CO2的摩尔分数 结论 流体压力能影响变质作用的温度 2 2 2压力 P 3 应力 Ps 亦称为定向压力 构造压力 侧向压力 是由构造运动产生的引起岩石变形 变质结晶和重结晶 动力变质 定向压力作用时 一部分机械能使矿物 岩石变形 脆性和韧性 部分则转变为热能 促使矿物发生重结晶和变质结晶 2 2 3具有化学活动性的流体 C 化学活动性的流体 通常指的是气态或液态的水溶液 其中常含有H2O CO2 硼酸 盐酸 氢氟酸等 这些成分增强了水溶液的化学活动性 该类流体在变质过程中所起作用有四方面 2 2 3具有化学活动性的流体 C 1 促使交代作用产生的载体在岩石孔隙和裂隙中的粒间溶液 由于压力差或浓度差而产生流动 与周围岩石发生交代作用 即造成组分的迁移 带出或带入 形成与原岩组分迥然不同的变质岩石 例如 斜长石 绢云母 石英 带入K 带出Ca Na 2 2 3具有化学活动性的流体 C 2 反应接触剂通过粒间溶液作媒介 对矿物彼此间的反应起到接触剂的作用 可促进矿物中某些组分的溶解和沉淀 从而有利于矿物的重结晶和变质结晶 例如 固 固反应 应力矿物生长 2 2 3具有化学活动性的流体 C 3 变质反应的组分水和碳酸等还直接参与组成含水和含碳酸的矿物 影响水化或碳酸盐化 降温 脱水或去碳酸盐化作用 升温 的进行 2 2 3具有化学活动性的流体 C 例如下列反应 白云母 石英钾长石 矽线石 H2O方解石 石英硅灰石 CO2升温反应向右进行 降温则向左进行 去碳酸盐化碳酸盐化 脱水水化 2 2 3具有化学活动性的流体 C 4 影响岩石的重熔温度水溶液对岩石的重熔温度的影响也很大 如 不含水的干体系时 花岗质岩石开始重熔的温度要达到950 以上 而在饱和水体系时 在640 20 就开始重熔 2 2 3具有化学活动性的流体 C 4 影响岩石的重熔温度具有化学活动性的流体 在变质作用中是普遍而重要的 通常影响变质反应的方向和速度 只有在其以组分形式参加变质过程时 才能作为变质作用中的一个独立的强度因素 2 2 4变质作用影响因素小结 1 温度通常是变质过程中的一个独立的 主导的强度因素 只有在没有重结晶和变质结晶的过程中 才作为次要的因素 但其影响仍然存在 2 压力在多数变质过程中也是主要的影响因素之一 只有在某些变质作用 如 热接触变质作用 区域中高温变质作用中作为次要因素 虽然不能改变变质过程 但可影响到矿物共生组合 3 具有化学活动性流体只有在温度和压力的共同参与下 以组分形式加入 才能作为影响变质作用的因素之一 2 2 4变质作用影响因素小结 此外 近代研究十分重视氧逸度 fO2 和时间 t 对变质过程的影响 特别是对叠加的多期变质 对某些变质反应 如 氧化 还原反应 滑动反应等 fO2是重要因素 控制了反应的方向和程度 t是衡量变质反应进程 方向演化的指标和地壳历史的标尺之一 2 2 4变质作用影响因素小结 以物质运动观念建立的四维坐标系统 在变质作用的历程中则以PTt MR 变质岩 来表述 这是变质作用研究的发展方向