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第五章第五章 变质作用与变质岩变质作用与变质岩Metamorphism and Metamorphic Rocks5.1 变质作用及其影响因素变质作用及其影响因素5.2 变质作用的基本类型变质作用的基本类型5.3 变质岩变质岩5.4 地壳中三大类岩石的演变地壳中三大类岩石的演变5.1 变质作用及其影响因素变质作用及其影响因素指原岩基本上在固态下，主要由内动力的作用使其变成另一种指原岩基本上在固态下，主要由内动力的作用使其变成另一种新岩石的过程。新岩石的过程。由变质作用所形成的新岩石称为由变质作用所形成的新岩石称为变质岩变质岩(Metamorphic Rock)新形成的岩石无论是岩石的矿物成分，还是结构、构造，均新形成的岩石无论是岩石的矿物成分，还是结构、构造，均可与原岩不同。可与原岩不同。变质作用与岩浆作用和风化作用的区别：变质作用与岩浆作用和风化作用的区别： 岩浆作用岩浆作用是高温、高压，使原岩从是高温、高压，使原岩从固态转变成熔融固态转变成熔融的液态后。的液态后。 风化作用风化作用是地表岩石在常温、常压下，主要由是地表岩石在常温、常压下，主要由外动力外动力引起的各引起的各种变化。种变化。二、引起（控制）变质作用的因素二、引起（控制）变质作用的因素 Factors that Control Metamorphism（1）内因：原有岩石的性质）内因：原有岩石的性质（2）外因：温度、压力及化学活动性流体）外因：温度、压力及化学活动性流体温温 度（度（Temperature） 温度温度是引起岩石变质的主要因素。是引起岩石变质的主要因素。 其作用是提供变质作用所需要的能量，促使一系列的化其作用是提供变质作用所需要的能量，促使一系列的化学反应和结晶作用得以进行；学反应和结晶作用得以进行； 同时温度增高还可使矿物的溶解度加大，增强了流体的同时温度增高还可使矿物的溶解度加大，增强了流体的渗透性、扩散性及化学活动性，促进了变质作用的过程。渗透性、扩散性及化学活动性，促进了变质作用的过程。HEAT Most important factor in driving metamorphism. Accelerates the pace of most chemical reactions. Heat increases with depth in the EarthThermal Gradient20-30 C/kilometer depth74 F/mile depth Rocks at depth are always at higher temperature. Rocks and minerals that form there are stable. PRESSUREMore pressure is exerted on rocks at depth than at Earths surface.LITHOSTATIC or CONFINING PRESSURE pushes on rocks in all directions.Grains become smaller anddenser at depth.PRESSUREPressure may be greater insome directions.DIRECTED PRESSUREFlattens rock in the direction at which thegreatest pressure isapplied.Lengthens rock in the direction to the greatest pressure. 以以H2O、CO2为住，其次是为住，其次是O2、F2、Cl2、B等挥发性等挥发性物质。化学活动性流体可以促使矿物组分的溶解和迁移，物质。化学活动性流体可以促使矿物组分的溶解和迁移， 引起原岩物质成分的变化；即流体本身也积极参与了引起原岩物质成分的变化；即流体本身也积极参与了变质作用的各种化学反应。变质作用的各种化学反应。 此外，流体的存在还会大大降低岩石的重熔温度，使此外，流体的存在还会大大降低岩石的重熔温度，使变质作用的高温界限变低。变质作用的高温界限变低。化学流体化学流体化学活动性流体来源化学活动性流体来源（1）孔隙（液）水孔隙（液）水：岩石空隙中原存的；：岩石空隙中原存的；（2）结构（液）水结构（液）水：变质过程中从矿物结构中析出的：变质过程中从矿物结构中析出的HO及及CO等挥发性物质；等挥发性物质；（3）岩浆（液）水岩浆（液）水：从岩浆中分离出的挥发性组分；：从岩浆中分离出的挥发性组分；（4）深部热液深部热液：从地下深处分异上升的深部热液等。：从地下深处分异上升的深部热液等。vTime The chemical reactions involved in metamorphism, along with recrystallization, and growth of new minerals are extremely slow processes. Laboratory experiments suggest that the longer the time available for metamorphism, the larger are the sizes of the mineral grains produced. Thus, coarse grained metamorphic rocks involve long times of metamorphism. Experiments suggest that the time involved is millions of years.重结晶作用重结晶作用 指岩石在固态状态下，同一种矿物经过有限的颗指岩石在固态状态下，同一种矿物经过有限的颗粒溶解、组分迁移，然后又重新结晶成较粗大颗粒的作用，粒溶解、组分迁移，然后又重新结晶成较粗大颗粒的作用，在这一过程中矿物成分不发生变化。在这一过程中矿物成分不发生变化。例如例如 石灰岩（石灰岩（CaCO3) 温度温度 大理岩（大理岩（CaCO3）变质结晶作用变质结晶作用 指在原岩总体化学成分基本不变化的条件下，指在原岩总体化学成分基本不变化的条件下，形成新矿物或新矿物组合的作用。形成新矿物或新矿物组合的作用。 例如例如 高岭石高岭石 350 叶腊石叶腊石交代作用交代作用 指化学活动性强的流体与固体岩石之间发生物质置指化学活动性强的流体与固体岩石之间发生物质置换与交换作用，产生新矿物，岩石总体化学成分发生变化。换与交换作用，产生新矿物，岩石总体化学成分发生变化。例如例如 KAlSi3O8(钾长石钾长石)+Na+ NaAlSi3O8 (钠长石钠长石) +K+三、变质作用的方式三、变质作用的方式四、四、变质作用的基本规律变质作用的基本规律(1)变质作用的时间演化规律变质作用的时间演化规律 古老的岩石（前寒武纪、古老的岩石（前寒武纪、5亿年以前亿年以前）一般都发生了变质，一般都发生了变质，而且变质较深，常常发生过多次变质，如秦岭地区的岩石普遍而且变质较深，常常发生过多次变质，如秦岭地区的岩石普遍发生过发生过3次变质作用。次变质作用。 古生代的变质作用呈条带分布，中新生代变质作用作用发古生代的变质作用呈条带分布，中新生代变质作用作用发生在板块结合部位，如海沟生在板块结合部位，如海沟岛弧等。岛弧等。 现代变质作用发生在洋脊、海沟地区。现代变质作用发生在洋脊、海沟地区。(2)变质作用的空间分布规律变质作用的空间分布规律 在大陆内部常分布有古老的变质岩系，外形呈浑圆状，在大陆内部常分布有古老的变质岩系，外形呈浑圆状，构成大陆核心，岩石变质程度深，以片岩、片麻岩为主；构成大陆核心，岩石变质程度深，以片岩、片麻岩为主； 在巨大山系中常有呈条带状分布的变质岩，它们构成山在巨大山系中常有呈条带状分布的变质岩，它们构成山脉的核心。如；秦岭山脉、天山山脉、祁连山脉、喜玛拉雅脉的核心。如；秦岭山脉、天山山脉、祁连山脉、喜玛拉雅山山脉。山山脉。 环太平洋周围、洋中脊分布有大量变质岩。在环太平洋环太平洋周围、洋中脊分布有大量变质岩。在环太平洋俯冲带具有双变质带的特征（海沟一侧为高压变质带，向大俯冲带具有双变质带的特征（海沟一侧为高压变质带，向大陆一侧发育低压变质带）陆一侧发育低压变质带） 5.2 变质作用的基本类型变质作用的基本类型 变质作用发生的地质条件是极其复杂多样的，一般变质作用发生的地质条件是极其复杂多样的，一般根据变质作用发生的地质背景和物理、化学条件，将变根据变质作用发生的地质背景和物理、化学条件，将变质作用划分为以下四种主要类型：质作用划分为以下四种主要类型： 一、接触变质作用一、接触变质作用 二、动力变质作用二、动力变质作用 三、区域变质作用三、区域变质作用 四、混合岩化作用四、混合岩化作用 变质作用的主要类型及发生位置变质作用的主要类型及发生位置 在岩浆岩体与围岩接触在岩浆岩体与围岩接触带上，主要由岩浆活动所带带上，主要由岩浆活动所带来的热量及活动性流体所引来的热量及活动性流体所引起的变质作用。起的变质作用。接触变质作用的主要变质接触变质作用的主要变质因素是温度及化学活动性流因素是温度及化学活动性流体，压力居次要地位。接触体，压力居次要地位。接触变质作用的温度较高，一般变质作用的温度较高，一般为为300800。一、接触变质作用（一、接触变质作用（Contact Metamorphism）变质晕变质晕：接触变质作用围绕岩体周围发生，且离侵入体越近变质：接触变质作用围绕岩体周围发生，且离侵入体越近变质作用越强，远离侵入体则减弱直至完全没有变质现象，因而形成作用越强，远离侵入体则减弱直至完全没有变质现象，因而形成一个以岩体为中心、变质程度向外减弱的环带状接触变质带，称一个以岩体为中心、变质程度向外减弱的环带状接触变质带，称为变质晕。为变质晕。 变质晕的宽度一般为几米至变质晕的宽度一般为几米至1-2km,这种变化主要受侵入体的这种变化主要受侵入体的规模、产状、成分、温度以及围岩的性质等因素控制。规模、产状、成分、温度以及围岩的性质等因素控制。是指在构造运动所产生的定向压力作用下是指在构造运动所产生的定向压力作用下, ,岩石发生的岩石发生的破碎、变形以及伴随的重结晶等的作用。破碎、变形以及伴随的重结晶等的作用。 这种变质作用主要发生在构造运动使相邻的两个岩石块这种变质作用主要发生在构造运动使相邻的两个岩石块体之间发生相对运动时的接触带上，这种接触带被称为断裂体之间发生相对运动时的接触带上，这种接触带被称为断裂带或断层带，所以，带或断层带，所以，动力变质作用又被称为断裂（或断层）动力变质作用又被称为断裂（或断层）变质作用变质作用。二、动力变质作用二、动力变质作用(Dynamic Metamorphism) 动力变质作用主要发生在相邻的两个岩石块体之间发生相动力变质作用主要发生在相邻的两个岩石块体之间发生相对错动的接触面附近。这种接触面被称为断层或断裂带。对错动的接触面附近。这种接触面被称为断层或断裂带。 动力变质带的宽度可从几厘米到几公里，大型的甚至可达动力变质带的宽度可从几厘米到几公里，大型的甚至可达几十公里；动力变质带的长度一般几公里到几百公里，大型的几十公里；动力变质带的长度一般几公里到几百公里，大型的长达长达1 000 km以上。以上。 在广大范围内发生并由温度、压力及化学活动性流体等在广大范围内发生并由温度、压力及化学活动性流体等多种因素，共同引起的一种变质作用。其范围可达数千至数万多种因素，共同引起的一种变质作用。其范围可达数千至数万平方公里，影响深度可达平方公里，影响深度可达30 30 kmkm以上，温度在以上，温度在200200800800之间之间, ,静压力随深度不同变化在几十到一千多兆帕斯卡之间。静压力随深度不同变化在几十到一千多兆帕斯卡之间。 变质作用的方式包括重结晶作用、变质结晶作用和交代作变质作用的方式包括重结晶作用、变质结晶作用和交代作用等多种，其中尤其以变质结晶作用最为普遍。用等多种，其中尤其以变质结晶作用最为普遍。三、区域变质作用三、区域变质作用(Regional Metamorphism)（1）低压区域变质作用）低压区域变质作用 发生的深度较浅，一般小于发生的深度较浅，一般小于15km；压力较小，一般为压力较小，一般为200400MPa；温度通常较高，可高达温度通常较高，可高达600以上；局部以上；局部或暂时性的地温梯度很高，约或暂时性的地温梯度很高，约2560/km，通常属于高通常属于高热流或地热异常区。热流或地热异常区。 区域变质作用按压力可分为区域变质作用按压力可分为3 3种类型：种类型：低压区域低压区域变质作用、中压区域变质作用、高压区域变质作用变质作用、中压区域变质作用、高压区域变质作用 （2）中压区域变质作用）中压区域变质作用 发生的深度较大，一般大于发生的深度较大，一般大于10km；压力也较大，一般压力也较大，一般300800MPa；区域地温梯度中等，一般；区域地温梯度中等，一般1625/km，平平均均20/km；温度随深度不同而不同，一般为温度随深度不同而不同，一般为300600。 （3）高压区域变质作用）高压区域变质作用 发生的深度大，一般大于发生的深度大，一般大于10 km；压力大，一般压力大，一般3001000MPa，甚至可更高，并且伴有强的构造动压力作用；温，甚至可更高，并且伴有强的构造动压力作用；温度较低，度较低， 一般只有一般只有200400；局部或暂时性的地温梯度；局部或暂时性的地温梯度很低，一般很低，一般716/km，平均只有平均只有10/km左右。左右。v 泥质岩泥质岩板岩板岩千枚岩千枚岩片岩片岩片麻岩片麻岩麻粒岩。麻粒岩。v 中酸性的岩浆岩中酸性的岩浆岩片麻岩和麻粒岩。片麻岩和麻粒岩。 v 基性的岩浆岩基性的岩浆岩片岩和角闪片岩。片岩和角闪片岩。v 石灰岩石灰岩大理岩，大理岩，v 石英砂岩石英砂岩石英岩。石英岩。 介于变质作用和岩浆作用之间的一种地质作用。是由变介于变质作用和岩浆作用之间的一种地质作用。是由变质作用向岩浆作用过渡的一种质作用向岩浆作用过渡的一种超深变质作用超深变质作用。 其主要特征：原岩局部或部分重熔的熔体物质与尚未重熔其主要特征：原岩局部或部分重熔的熔体物质与尚未重熔的固态物质发生互相交插与混合，通常是区域变质作用在地热的固态物质发生互相交插与混合，通常是区域变质作用在地热流增高条件下进一步发展的结果。流增高条件下进一步发展的结果。 混合岩化作用形成的岩石称混合岩化作用形成的岩石称混合岩混合岩。 混合岩化作用的高级阶段为花岗岩化作用，整个岩石成为混合岩化作用的高级阶段为花岗岩化作用，整个岩石成为一种均质花岗质岩石，这种花岗岩叫一种均质花岗质岩石，这种花岗岩叫混合花岗岩（混合花岗岩（Migmatic Grantie）。四、混合岩化作用四、混合岩化作用(Migmatization)BURIAL METAMORPHISMSHOCK METAMORPISMStishoviteCoesite5.3 变质岩变质岩(Metamorphic Rock ) 5.3.1 一般特征一般特征 一、化学成分特征一、化学成分特征 主要与原岩有关，包括两种情况：主要与原岩有关，包括两种情况：（1）等化学变质）等化学变质：岩石变质前后的化学成分基本不变，如：岩石变质前后的化学成分基本不变，如石灰岩石灰岩-大理岩。大理岩。（2）异化学变质）异化学变质：岩石变质前后化学成分有显著改变，如：岩石变质前后化学成分有显著改变，如矽卡岩。矽卡岩。二、变质矿物特征二、变质矿物特征 决定于原岩的矿物成分和变质作用的类型和强度。决定于原岩的矿物成分和变质作用的类型和强度。 （1）变形显著变形显著（弯曲、破碎、裂纹、波状消光等）；（弯曲、破碎、裂纹、波状消光等）； （2）片状、柱状、针状矿物发育片状、柱状、针状矿物发育(绿泥石、云母、角闪石等绿泥石、云母、角闪石等)； （3）同质多象变质矿物较发育同质多象变质矿物较发育（如兰晶石、（如兰晶石、 红柱石、矽线石红柱石、矽线石化学成分都是化学成分都是Al2O3.SiO2 ）；）； （4）含有较多包裹体含有较多包裹体。变质岩的标志性矿物：变质岩的标志性矿物： 兰晶石、兰晶石、 红柱石、石榴子石、蓝闪石、红柱石、石榴子石、蓝闪石、绿泥石、透闪石、滑石、硅灰石、蛇纹石、石墨等。绿泥石、透闪石、滑石、硅灰石、蛇纹石、石墨等。三、变质岩的结构三、变质岩的结构（1）变晶结构（）变晶结构（Crystalloblastic Texture） 由原岩重结晶而成的变质岩，具有结晶质结构，统称变晶结构。如粒由原岩重结晶而成的变质岩，具有结晶质结构，统称变晶结构。如粒状变晶结构、斑状变晶结构、鳞片状变晶结构、角岩结构状变晶结构、斑状变晶结构、鳞片状变晶结构、角岩结构（2）碎裂结构）碎裂结构 又称压碎结构，是动力变质岩常有的一种结构又称压碎结构，是动力变质岩常有的一种结构（3）变余结构）变余结构(Palimpsest Texture) 变质岩中残留的原来的岩石的结构。如变余斑状结构、变余砾状结构。变质岩中残留的原来的岩石的结构。如变余斑状结构、变余砾状结构。（4） 交代结构交代结构 交代作用所形成的各种结构的总称。如交代假象结构、交代残留结构等。交代作用所形成的各种结构的总称。如交代假象结构、交代残留结构等。四、变质岩的构造四、变质岩的构造 （1）变余构造）变余构造(Palimpsest Structure)v 变质作用后保留下来的的原岩的构造。如变余层理构造、变余气孔构变质作用后保留下来的的原岩的构造。如变余层理构造、变余气孔构造、变余杏仁构造、变余波痕构造等。造、变余杏仁构造、变余波痕构造等。（2）变成构造）变成构造v 变质作用过程中所形成的构造。在变质岩中占主要地位，如片麻构造变质作用过程中所形成的构造。在变质岩中占主要地位，如片麻构造(Gneissic Structure)、片状构造片状构造(Schistose Structure)、千枚构造、千枚构造(Phyllite Structure) 、板状构造、板状构造(Platy Structure) 、条带状构造等、条带状构造等。（3）块状构造（）块状构造（Massive Structure）v 矿物颗粒无定向排列所表现的均一构造；如，大理岩、石英岩等矿物颗粒无定向排列所表现的均一构造；如，大理岩、石英岩等。板状构造板状构造千枚状构造千枚状构造片麻状构造片麻状构造片状构造片状构造USES OF METAMORPHIC ROCKSBuilding and foundationsRoad and railroad construction (slate and quartzite)Art - Sculpture (marble)Fire protection (asbestos石棉石棉)Powder (talc滑石滑石)Metal ores (from metamorphism) 主要根据变质作用的类型分类：主要根据变质作用的类型分类：1. 接触变质岩接触变质岩：大理岩、角岩、矽卡岩等；：大理岩、角岩、矽卡岩等；2. 动力变质岩动力变质岩：构造角砾岩、碎裂岩、糜棱岩；：构造角砾岩、碎裂岩、糜棱岩；3. 区域变质岩区域变质岩：板岩、千枚岩、片岩、片麻岩等；：板岩、千枚岩、片岩、片麻岩等；4. 混合岩和混合花岗岩混合岩和混合花岗岩。5.3.2 变质岩的分类与常见变质岩变质岩的分类与常见变质岩5.4 地壳中三大类岩石的演变地壳中三大类岩石的演变 出露地表的岩浆岩、变质岩及沉积岩，在地表营力作用下，经出露地表的岩浆岩、变质岩及沉积岩，在地表营力作用下，经表层地质作用（风化、剥蚀、搬运、沉积及成岩作用）可以重新形表层地质作用（风化、剥蚀、搬运、沉积及成岩作用）可以重新形成沉积岩。成沉积岩。沉积岩沉积岩三大岩类相互转化示意图三大岩类相互转化示意图