第5章 变质作用与变质岩4学时.pdf

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1、新疆托克逊新疆托克逊 变闪长岩变闪长岩 第五章第五章 变质作用与变质岩变质作用与变质岩 Chapter 5 Metamorphism and Metamorphic Rocks 绪言绪言 Introduction 1.分布分布:变质岩占地壳总体积的变质岩占地壳总体积的27.4%; 主体在中、下地壳。地表较少。主体在中、下地壳。地表较少。 2. 研究意义：研究意义： (1)了解地球深部地质过程了解地球深部地质过程：蓝闪石、红帘石为：蓝闪石、红帘石为HP环境产物，柯环境产物，柯 石英、金刚石则为石英、金刚石则为UHP变质作用的产物，等等。变质作用的产物，等等。 (2)阐明变质作用机制和过程，恢复原

2、岩阐明变质作用机制和过程，恢复原岩; (3)开发矿产资源开发矿产资源 宝玉石原料多经历变质作用宝玉石原料多经历变质作用; 变质使矿变富变大。如前寒武纪条带状铁矿建造变质使矿变富变大。如前寒武纪条带状铁矿建造BIF占世界铁储占世界铁储 量量70%；我国鞍山铁矿属于；我国鞍山铁矿属于BIF类铁矿。类铁矿。 一、变质作用定义一、变质作用定义 (definition): 由于温度（由于温度（T T）、压力（）、压力（P P） 的改变和化学流体的作用，使岩石的矿物成分、化学成分、的改变和化学流体的作用，使岩石的矿物成分、化学成分、 结结 构构造在固态状况下发生变化，形成新矿物新岩石的地质作用。构构造在固

3、态状况下发生变化，形成新矿物新岩石的地质作用。 深度：深度：发生在大于发生在大于10km10km的地壳深部。的地壳深部。 热源：热源：地球内部的地热增温、岩浆热、构造摩擦热、放射热。地球内部的地热增温、岩浆热、构造摩擦热、放射热。 变质三要素变质三要素: : T T、 P P、流体。、流体。 温度温度最重要。对于最重要。对于陨石撞击陨石撞击及及高压变质高压变质, ,则则压力压力最重要。最重要。 超高压变质压力超高压变质压力3GPa,3GPa,深度大于深度大于100km, 100km, 温度却只有温度却只有600600700700。 变质岩：变质岩：通过变质作用形成的岩石。通过变质作用形成的岩石

4、。 正、副变质岩：正、副变质岩：原岩为火成岩的称为正变质岩（原岩为火成岩的称为正变质岩（ortho-）, , 原岩为沉积岩的称为副变质岩原岩为沉积岩的称为副变质岩( (para-)。 第一节第一节 变质作用概述变质作用概述 Section 1 Basic conceptions of metamorphism 二、变质要素的作用二、变质要素的作用（Three factors of metamorphism） 1. 温度温度 （temperature）: 150: 150900900 低于低于150150不变质不变质, , 高于高于900900地壳岩石被熔化。地壳岩石被熔化。 温度的三作用温度的

5、三作用：非晶体非晶体结晶体结晶体; ; 结晶体结晶体重结晶增大重结晶增大; ; 物质与结构重组，使一种矿物物质与结构重组，使一种矿物另一种矿物。另一种矿物。 2. 压力压力 （pressure） (static , fluid , oriented ) 静压力静压力(垂向垂向): 由上复岩石重量引起，随深度增加而增加。由上复岩石重量引起，随深度增加而增加。 流体压力流体压力: 封闭系统的流体压力等于上复岩石的静压值；封闭系统的流体压力等于上复岩石的静压值； 开放系统的流体压力等于流体本身的重量。开放系统的流体压力等于流体本身的重量。 流体是物质成分进行交换的自由场所。流体是物质成分进行交换的自

6、由场所。 定向压力：定向压力：作用于岩石的侧向应力称之；分作用于岩石的侧向应力称之；分压、张、剪压、张、剪三种。三种。 蓝片岩蓝片岩BluescistBluescist = =蓝闪石蓝闪石+ +钠长石钠长石, ,产在地壳上部，压力很大产在地壳上部，压力很大, ,为为 LT/HPLT/HP产物，为古俯冲产物，为古俯冲- -碰撞带的重要标志。碰撞带的重要标志。 超高压变质岩超高压变质岩= =含柯石英、金刚石的榴辉岩含柯石英、金刚石的榴辉岩 (eclogite) (eclogite) 。 压力很大压力很大, ,埋藏很深（埋藏很深（3 34GPa, 100km)4GPa, 100km)，诞生了大陆深俯

7、冲科学，诞生了大陆深俯冲科学 新理念。大别山新理念。大别山- -秦岭有非常典型、规模很大的秦岭有非常典型、规模很大的超高压变质岩带。超高压变质岩带。 (b)同轴挤压力；同轴挤压力； (b)非同轴剪切力非同轴剪切力 定向压力可形成片理和矿物定向排列。应区别纯剪定向压力可形成片理和矿物定向排列。应区别纯剪( (同轴同轴) )与简单剪切与简单剪切( (非同轴非同轴) ) 定向压力定向压力 shear force Compressure force 3. 具化学活动性的流体具化学活动性的流体 （Liquids with chemical activity） 成分成分: 以以H H2 2O O、COCO

8、2 2为主，并含其他易挥发和易流动物质。为主，并含其他易挥发和易流动物质。 流体分布流体分布岩石粒间或裂隙中：岩石粒间或裂隙中：H H2 2O O； 矿物结构中：矿物结构中：H H2 2O O、COCO2 2； 岩浆中：岩浆中：K K、NaNa、S S、F F、H H2 2O O、COCO2 2、SiOSiO2 2等。等。 岩浆流体岩浆流体: 深部岩浆上升至浅部深部岩浆上升至浅部,T,T、P P降低降低, ,分逸出易挥发和易流分逸出易挥发和易流 动的物质（动的物质（K K、NaNa、S S、F F、H H2 2O O、COCO2 2、SiOSiO2 2等）。等）。 变质流体：变质流体：深部岩石

9、通过变质作用，发生流体物质的交换。深部岩石通过变质作用，发生流体物质的交换。 流变学流变学 （rheology）：）：一门研究流体的作用、发生、发展、一门研究流体的作用、发生、发展、 变化过程的学问。变化过程的学问。 一、化学成分的变化一、化学成分的变化 (Change of chemical compositions) 1. T、P的作用的作用 形成新矿物形成新矿物：岩石通过释放或获得某些挥发分而达到平衡，：岩石通过释放或获得某些挥发分而达到平衡， 形成新的矿物。如高岭土形成新的矿物。如高岭土( (吸热吸热) ) 红柱石红柱石+ +石英石英+ +水（高岭土脱水）水（高岭土脱水） 方解石方解石

10、+ +石英石英( (吸热吸热)硅灰石（放射状）硅灰石（放射状）+CO+CO2 2(脱碳酸）。脱碳酸）。 体积大、密度小的矿物变为体积小、密度大的矿物。体积大、密度小的矿物变为体积小、密度大的矿物。 橄榄石橄榄石 + 钙长石钙长石 石榴子石石榴子石 42.6 101.0 119 （分子体积）（分子体积） 3.3 2.76 3.52 （相对密度）（相对密度） 第二节第二节 变质作用中原岩的变化变质作用中原岩的变化 Section 2 Change of Original Rock During Metamorphism 2. 重结晶作用重结晶作用 （recystalization） 定义：定义：小

11、晶体在温度升高的情况下长成更大晶体的作用。小晶体在温度升高的情况下长成更大晶体的作用。 原岩变化：原岩变化： 石灰岩石灰岩CaCOCaCO3 3大理岩大理岩CaCOCaCO3 3（质纯、洁白的称（质纯、洁白的称汉汉 白玉白玉）；石英砂岩）；石英砂岩( (加温加温)石英岩。石英岩。 3. 交代作用交代作用 （metaso-metamorphism, replacement） 定义定义：固态下，岩石中物质成分被带进带出的交换作用。固态下，岩石中物质成分被带进带出的交换作用。 原岩变化：原岩变化：中酸性岩浆侵入冷的灰岩时，其中酸性岩浆侵入冷的灰岩时，其SiOSiO2 2、AlAl2 2O O3 3等

12、热等热 流体就会进入灰岩流体就会进入灰岩, ,并从灰岩中将并从灰岩中将CaOCaO、MgOMgO带出，于是在接触带带出，于是在接触带 形成矽卡岩。多富矿！形成矽卡岩。多富矿！ 4.变质分异变质分异 （metamorphic differentiation） 定义：定义：岩石成分重新组合，从原先的均匀构造变为不均匀条岩石成分重新组合，从原先的均匀构造变为不均匀条 带构造的变质作用。带构造的变质作用。 原岩变化：原岩变化：粉砂岩粉砂岩条带状变质岩。条带状变质岩。 二、矿物的变化二、矿物的变化 （Change of mineral） 片理和变质矿物是变质岩的两大重要特征！片理和变质矿物是变质岩的两大

13、重要特征！ 特征变质矿物：特征变质矿物：只能在变质作用过程中形成的矿物。只能在变质作用过程中形成的矿物。 如红柱石、蓝晶石、矽线石、十字石、堇青石、硅灰石等。如红柱石、蓝晶石、矽线石、十字石、堇青石、硅灰石等。 三、变质岩的结构三、变质岩的结构 （Texture of metamorphic rock） 指矿物、变斑晶自身特征、形态、大小指矿物、变斑晶自身特征、形态、大小, , 与邻近颗粒的关系，与邻近颗粒的关系， 反映变质条件。反映变质条件。 1. 变晶结构变晶结构 （crystalloblastic texture） 原岩发生交代作用而形成新矿物的结构原岩发生交代作用而形成新矿物的结构 (

14、 (如石榴子石片岩）如石榴子石片岩）。 2.变余结构变余结构 （palimpsest） 残留有部分原岩特征的结构，为浅变质结构。如板岩特有的残留有部分原岩特征的结构，为浅变质结构。如板岩特有的 变余泥质结构、变余泥质结构、变余变余砂质结构。砂质结构。 3.3.碎裂结构碎裂结构 （cataclastic texture） 由于动力变质作用使岩石发生机械破碎而生成的一类结构。由于动力变质作用使岩石发生机械破碎而生成的一类结构。 特点：特点：矿物颗粒破碎、呈不规则棱角状、锯齿状，并扭曲变形。矿物颗粒破碎、呈不规则棱角状、锯齿状，并扭曲变形。 按碎裂程度，按碎裂程度，可分为可分为碎裂结构、碎斑结构、碎

15、粒结构等。碎裂结构、碎斑结构、碎粒结构等。 4.4.交代结构交代结构 （metasomatic texture） 指变质作用过程中，通过化学交代作用（物质的带出和加入）指变质作用过程中，通过化学交代作用（物质的带出和加入） 形成的结构。形成的结构。 特点：原岩中的矿物通过化学分解而消失，形成新矿物。特点：原岩中的矿物通过化学分解而消失，形成新矿物。 四、变质岩的构造四、变质岩的构造 指变质矿物之间的关系和空间展布方式。反映变质环境。指变质矿物之间的关系和空间展布方式。反映变质环境。 1.变成构造变成构造(metamorphic structure) 原岩构造原岩构造( (如层理如层理) )消失

16、消失, ,形成新的构造形成新的构造. .如片理、片麻理等。如片理、片麻理等。 随变质程度加深随变质程度加深: 斑点状斑点状(spotted)板状构造板状构造(platy) 千枚状构造千枚状构造 （phyllite）片状构造（片状构造（schistose）片麻状构造（片麻状构造（gneissic）眼眼 球状构造（球状构造（augen)块状构造块状构造(massive，矿物无明显定向，矿物无明显定向)。 2. 变余构造变余构造 (palimpsest structure) 变质岩中残留的原岩构造。如变余层状、气孔、条带构造等。变质岩中残留的原岩构造。如变余层状、气孔、条带构造等。 橄榄岩低温水热变

17、质橄榄岩低温水热变质蛇纹岩蛇纹岩 （古亚洲洋碎片，天山）（古亚洲洋碎片，天山） 舒良树摄舒良树摄 四种类型四种类型：接触变质、区域变质、动力变质、混合岩化。接触变质、区域变质、动力变质、混合岩化。 一、接触变质（接触热变质、接触交代）一、接触变质（接触热变质、接触交代） 定义：定义：火成岩侵入围岩而造成的变质作用火成岩侵入围岩而造成的变质作用, ,形成新的岩石。形成新的岩石。 1. 接触热变质接触热变质 （Contact thermal metamorphism） 泥岩泥岩斑点板岩斑点板岩; ; 泥岩泥岩角岩角岩( (黑、硬黑、硬); ); 石灰岩石灰岩大理岩；大理岩； 2. 接触交代变质接触

18、交代变质 (Contact metaso-metamorphism) 矽卡岩矽卡岩 (skarn)：发生在中酸性岩浆与冷围岩（灰岩最明显）之间发生在中酸性岩浆与冷围岩（灰岩最明显）之间, , 通过流体交代、物质成分的交换而形成的变质岩。通过流体交代、物质成分的交换而形成的变质岩。 变质矿物变质矿物: 硅灰石、石榴石、角闪石硅灰石、石榴石、角闪石等等。 外带外带：碳酸钙高碳酸钙高, ,大理岩多；大理岩多；内带：内带：二氧化硅高二氧化硅高, ,石英脉多。石英脉多。 第三节第三节 变质作用类型及其代表性岩石变质作用类型及其代表性岩石 Section 3 Types of Metamorphism a

19、nd Representative Rock 接触变质绿帘石矽卡岩（伊犁巩留）接触变质绿帘石矽卡岩（伊犁巩留） 舒良树摄 接触交代变质作用示意图接触交代变质作用示意图 二、区域变质作用二、区域变质作用 (regional metamorphism) 1定义定义: 在在T T、P P、流体共同作用下、流体共同作用下, ,区域范围内发生的变质作用区域范围内发生的变质作用。 2. 不同温压条件下形成的特征矿物：不同温压条件下形成的特征矿物： 超高压、高温超高压、高温条件条件: C金刚石金刚石(diamond) 高压、低温高压、低温条件条件: 角闪石、钠长石角闪石、钠长石蓝闪石蓝闪石 (glaucop

20、hane) 高温低压条件高温低压条件: 粘土矿物粘土矿物红柱石红柱石(Al2SiO5 ) （andalousite） 高温中压高温中压条件条件: 粘土矿物粘土矿物兰晶石兰晶石(Al2SiO5 ) （disthene） 高温高温条件条件: 粘土矿物粘土矿物矽线石矽线石(Al2SiO5 ) （sillimanite） 3. 等化学系等化学系：同一原岩，随温压条件变化形成各种类型变质岩。同一原岩，随温压条件变化形成各种类型变质岩。 如世界著名的如世界著名的巴罗变质带巴罗变质带：粘土岩或页岩变为板岩：粘土岩或页岩变为板岩千枚岩千枚岩 片岩片岩片麻岩片麻岩 4. 代表性的区域变质岩代表性的区域变质岩 低

21、级变质的板岩：具有板状构造，出现绢云母或绿泥石等新矿物。具有板状构造，出现绢云母或绿泥石等新矿物。 具显微鳞片变晶结构、变余结构，以及变余层理构造。具显微鳞片变晶结构、变余结构，以及变余层理构造。 千枚岩： 具有千枚状构造，基本上已全部重结晶，有新生矿物绢云具有千枚状构造，基本上已全部重结晶，有新生矿物绢云 母、绿泥石；岩石呈丝绢光泽，揉皱构造普遍。母、绿泥石；岩石呈丝绢光泽，揉皱构造普遍。 中级变质：片岩，具有变晶结构、片状构造，原岩矿物与结构构造具有变晶结构、片状构造，原岩矿物与结构构造 完全重组。新生矿物主要是云母、石英、长石、石榴石、十字石等。完全重组。新生矿物主要是云母、石英、长石、

22、石榴石、十字石等。 片、柱状矿物含量片、柱状矿物含量1/31/3。可根据特征矿物进一步命名。可根据特征矿物进一步命名。 高级变质：片麻岩，具有片麻构造，长石与石英的含量必须大于矿具有片麻构造，长石与石英的含量必须大于矿 物总含量的物总含量的50%50%，且长石含量大于石英。，且长石含量大于石英。 麻粒岩：变质程度很深的变质岩。主要由紫苏辉石、铁铝榴石、长变质程度很深的变质岩。主要由紫苏辉石、铁铝榴石、长 石、石英等粒状矿物组成，很少黑云母、角闪石等含（石、石英等粒状矿物组成，很少黑云母、角闪石等含（OHOH）的矿物。）的矿物。 板 岩 （井冈山） 舒良树摄 舒良树摄 千千 枚枚 岩岩 舒良树摄

23、 黑云母片岩黑云母片岩 （肥东）（肥东） 新新 疆疆 冰冰 达达 坂坂 眼眼 球球 状状 花花 岗岗 片片 麻麻 岩岩 舒良树摄舒良树摄 新疆阿克苏蓝闪石片岩新疆阿克苏蓝闪石片岩 舒良树摄舒良树摄 三、动力变质作用三、动力变质作用 （dynamic metamorphism） 包括脆性和韧性两种。前者为挤压碾磨，形成包括脆性和韧性两种。前者为挤压碾磨，形成碎粒岩碎粒岩等；等； 后者也称韧性剪切变质作用，是后者也称韧性剪切变质作用，是19801980年代初形成的科学理论。年代初形成的科学理论。 定义定义: 伴随构造活动而产生的韧性剪切变质伴随构造活动而产生的韧性剪切变质- -变形作用。变形作用。

24、 糜棱岩糜棱岩 （mylonite）：）：韧性剪切变形条件下形成的变质岩。本韧性剪切变形条件下形成的变质岩。本 质是质是晶格位错晶格位错 （dislocation）。 特征：特征：片理发育，强波状消光，细粒化、核幔构造，不对称组片理发育，强波状消光，细粒化、核幔构造，不对称组 构、亚颗粒（细粒沿矿物边界发生迁移而成，而非研磨粉碎）。构、亚颗粒（细粒沿矿物边界发生迁移而成，而非研磨粉碎）。 糜棱岩化片麻岩与拉伸线理糜棱岩化片麻岩与拉伸线理( (武功山武功山) ) Lineation and Mylonitic Gneiss (Wugongshan) 舒良树摄舒良树摄 片麻岩中的眼球状构造片麻岩中

25、的眼球状构造 四、混合岩化作用四、混合岩化作用 (migmatization and migmatite) 定义定义: 区域高级变质岩进一步变质，使一部分变质岩发生高区域高级变质岩进一步变质，使一部分变质岩发生高 温熔融的现象。形成温熔融的现象。形成基体基体+ +脉体脉体的特殊变质岩（混合岩）。的特殊变质岩（混合岩）。 基体基体(metrix)：变质岩变质岩( (暗色暗色) )； 脉体脉体(vein)：岩石被部分岩石被部分熔融的产物熔融的产物( (新生的长石和石英；浅色新生的长石和石英；浅色) )。 原岩经彻底改造，可变成混合岩化花岗岩原岩经彻底改造，可变成混合岩化花岗岩。 如闽北蒲城县、新疆

26、青河县如闽北蒲城县、新疆青河县, ,多具复杂流动构造。多具复杂流动构造。 如交代不彻底：如交代不彻底：基体基体 脉体脉体肠状、条带状混合岩；肠状、条带状混合岩； 脉体脉体 基体基体混合岩化花岗岩（浅色混合岩化花岗岩（浅色 深色）。深色）。 长长 英英 质质 脉脉 体体 斜斜 长长 角角 闪闪 岩岩 基基 体体 斜斜 长长 角角 闪闪 岩岩 基基 体体 混合岩混合岩 （新疆阿尔泰）（新疆阿尔泰） 舒良树摄舒良树摄 部分混合岩化部分混合岩化 （武夷山）（武夷山） 舒良树摄舒良树摄 知识要点：知识要点：四类四类变质作用与变质岩 四类变质作用：四类变质作用： 接触变质、区域变质、动力变质、混合岩化接触

27、变质、区域变质、动力变质、混合岩化 接触变质岩接触变质岩主要有主要有: : 矽卡岩、大理岩矽卡岩、大理岩( (或石英岩或石英岩) )、角岩；、角岩； 区域变质岩区域变质岩（原岩为泥岩）主要有：低级变质的板岩（原岩为泥岩）主要有：低级变质的板岩千枚岩千枚岩 中级变质的片岩中级变质的片岩高级变质的片麻岩高级变质的片麻岩麻粒岩。麻粒岩。 动力变质岩动力变质岩主要有：糜棱岩、蓝闪石片岩、含金刚石榴辉岩主要有：糜棱岩、蓝闪石片岩、含金刚石榴辉岩。 混合岩混合岩( (基体基体+ +脉体脉体) )主要有：条带状、肠状、片麻状混合岩。主要有：条带状、肠状、片麻状混合岩。 第四节第四节 岩石的演变岩石的演变 S

28、ection 4 Evolution of the Rock 三三 大大 类类 岩岩 石石 的的 转转 化化 地 球 地 核 地 壳 岩石矿物元素 地 幔 碎 屑 岩 化 学 岩 生 学 岩 化 物黏 土 岩 侵入岩火山岩 按SiO 含量: 超基性岩 基性岩 中性岩 酸性岩 (详见表) 2 接 触 变 质 岩 混 合 岩 动 力 变 质 岩 区 域 变 质 岩 地球物质组成框架图 变质岩沉 积 岩火 成 岩 下地幔 上地幔 内 核 外 核 玄武质 花岗质 砾岩 砂岩 粉砂岩 硅 藻 岩 放射虫岩 泥岩 页岩 火 山 碎 屑 岩 熔 岩 次 火 山 岩 深 成 侵 入 岩 糜棱岩 蓝 闪 石 片 岩 金刚石榴辉岩 板 岩 千枚岩 片 岩 片麻岩 麻粒岩 矽卡岩 大理岩 石英岩 角 岩 片麻状 混合岩 硅质岩 灰 岩 白云岩 条带状 状肠 本本 章章 结结 束束