1、第三篇 变质岩岩石学变质岩石学的内容/方法/目的内容： 岩类学；岩理学；成矿岩石学。 方法： 多学科交叉与现代技术的应用目的： 基本特征；基本理论；基本方法第一章 变质作用概述（2 学时）第二章 变质岩的基本特征（3 学时）第三章 变质岩的分类命名（1 学时）第四章 变质岩的形成作用(4 学时)第五章 变质反应和变质带(2 学时) 第六章 共生分析和变质相（ 4 学时）第七章 变质作用与大地构造(2 学时) 实习一 变质岩的结构构造和特征变质矿物 (4 学时)实习二 富铝系列变质岩（ 4 学时）实习三 镁铁质系列变质岩（4 学时）实习四 其它岩石类型（2 学时）实习五 岩石类型鉴定 (2 学时
2、 )实习六 矿物共生组合分析及演化（ 6 学时）第一章 变质作用概述1.变质作用的现代概念 2.变质作用的影响因素 3.变质作用的类型 4.变质作用的研究范畴变质作用的现代概念1). 是与地壳形成和发展密切相关的一种地质作用。2). 地壳已存岩石在基本保持固态条件下的转变过程. 3). 在特殊条件下，还可以产生重熔（溶） ，形成部分流体相（岩浆）4). 变质作用是一个动态过程。变质作用（Metamorphism）一词是由法国学者 Boue (1820)年首次提出来的，后来由英国学者 C. Lyell(1833) 在他的名著 地质学原理中比较系统地进行了论述 。系指在地壳形成和发展的过程中，由于
3、物理化学条 件的改变，早先形成的岩石 (包括岩浆岩和沉积岩）在固态条件下所发生的矿物成分、结构构造的变化，称变质作用。关于变质作用的概念应强调以下几点:（1）变质作用是一种改造作用，这种改造发生在风化带和胶结带以下，原岩经过改造后在固态下转变为一种新的岩石。如果原岩为沉积岩，变质后的岩石称为负变质岩；如果原岩为岩浆岩，变质后的岩石称为正变质岩。（2）变质过程中岩石基本上保持固态，并且强调温度的递增过程，这一点与岩浆作用不同。后者强调的是矿物从硅酸盐熔融体中结晶，所涉及的是晶体液态的平衡，并强调温度的下降过程。当变质作用温度较高时，岩石可发生部分熔融，出现一定数量的熔体，这些熔体与固态残余物之间
4、可发生混合岩化作用。当熔体数量较多时转变为典型的岩浆作用。广义的变质作用概念包括岩石在固态下的变质作用和有部分熔体出现的混合岩化作用。变质作用的影响因素原岩化学成分； 地质条件； 物理化学环境一、 温 度1. 温度范围: 200 - 8000 C， 超高压可达 10000 C。2. 变化原因 : 岩浆；深部热流；地壳放射热；机械摩擦；地热增温（正常情况 25-30 C / km)。 3. 主要作用 ：可导致重结晶、变质反应、重熔；增加流体活性； 改变岩石变形性质等。 它是变质作用的主导因素二、压 力 (静压力和流体压力 )1. 静 压 力概念：负荷压力，单位帕（Pa） ；在 40km 范围 内
5、与深度关系为 0.0275GPa / km（P= gh）.范围：动力变质作用和接触变质作用多在 5 km 范围内，压力低于 0.1GPa；区域变质作用 深度大于 5 km，压力高于 0.1GPa，按压力大小分为不同的压力型（低压、中压、高压、超高压）图 1-1 不同变质作用类型压力分布范围作 用: （1）控制变质反应方向，影响变质反应温度（2）有利于形成分子体积小、密度大的矿物（3）改变岩石的熔点2. 流 体 压 力岩石系统中常存在少量的流体相, 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:(1). 流体压力与静压力相等：流体压力不构成独立的控制因素；(2). 流体压力与静压力不相
6、等：流体压力则构成独立的控制因素。三、应 力一种侧向压力（各方向压力不等）应变：岩石遭受应力作用所产生的反应。 （弹性变形、永久变形）分类：张应力、压应力、剪应力（图） 作用 1. 机械改造。是岩石优选组构的主要因素。2. 影响变质反应、重结晶作用、流体活性。3. 产生构造超压，增加静压力。四、流 体1. 溶剂和媒介（载体）作用。2 控制变质反应方向。例如 Cc + Q Wo + CO23. 降低岩石熔点。 长英质岩: 无水 9500C, 含水 6400C4. 变质反应的催化剂。例如铁橄榄石的合成实验：2 MgO + SiO2 Mg2SiO4在干体系 10000C 条件下 , 须时近四天, 只
7、有 26%转化；在湿体系 4600C 条件下 , 只须时间几分钟五、相互关系-相互促进又相互制约1.温度: 一般是最重要因素，它不仅控制着变质作用的发生和发展，也制约着流体的活性和岩石变形性质；2.压力: 影响物化平衡的独立因素，有时对矿物组合起决定作用；3.应力: 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应的速度和规模；4.流体:是变质作用得以实现的基本因素，但温度又是流体具有活动性的前提。变质作用类型分类依据: 分布规模 / 地质背景或物化条件1.接触变质作用. : 2.动力变质作用3.冲击变质作用4. 交代变质作用1. 造山变质作用2. 洋底变质作用:3.
8、 埋深变质作用:4. 混合岩化作用:局部变质作用 区域变质作用1. 接触变质作用：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，应力不明显。变质机制以静态重结晶或静态变质结晶为主。2 动力变质作用: 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 P/T 比。变质机制以变形和动态重结晶或动态变质结晶为主3. 冲击变质作用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。变质机制以变形和伴随的部分熔融为主。4. 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，主要由岩浆热液引起的异化学变质作用。主要因素
9、是流体活动组分化学位。变质机制主要为交代作用。5. 造山变质作用（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晶基底（面状）和显生宙造山带（带状）的变质作用。变质因素复杂，P/T 比范围宽（三种压力类型）并与构造环境 密切相关，变质机制为变质（重）结晶和变形。形成的变质岩常见面理和线理构造。6. 洋底变质作用在大洋中脊附近，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. 变质因素主要是温度、流体及活动组分化学位，P/T 比低。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。7. 埋深变质作用: 一套巨厚的岩层被快速埋藏到地下深处
10、所发生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，独立分布于强烈坳陷盆地的沉积底部或造山变质、洋底变质的很低级部分。产物变质程度低且面理和线理不发育。8. 混合岩化作用在高级区域变质地区，由部分熔融产生的低熔物质（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度类型,又称超变质作用第二章 变质岩的基本特征影响因素: 原岩特点 变质作用的物化条件基本特征：两重性-继承性和独特性 主要内容: 化学成分 矿物成分 结构构造第一节 变质岩的化学成分一. 体系的封闭程度封闭体系：化学成分取决于原岩的化学成分;开放体系：除原岩的化学成分外，还与
11、元素在变质作用过程中的行为有关.二. 元素在变质作用中的行为1. H2OCO2 等挥发份含量变化最大，随温度升高减少。2. 大多数亲铜元素（CuPbZnAgAsTeSbHgRbSrBa） 等随温度升高活动性增大，被变质热液带出带入。 3. 一些亲铁元素（FeCrCoNi）稳定性较大，而一些难溶的铂族元素（PtPa ）稳定性更大。 4. 主要造岩氧化物含量在一般变质作用中无明显变化，基本上可视为等化学过程。三. 等化学系列概念和类型（一）等化学系列概念指具同一原始化学成的所有变质岩，其矿物组合 的不同是由变质作用的类型和强度所决定的。（二）等化学系列类型按变质岩化学成分特点可分为五个等化学系列：
12、1. 富铝系列：化学成分特征是 富铝; 贫钙; 铁, 镁低; 钾 钠. 原岩主要是泥质岩石（泥岩、页岩）及少量的火山凝灰岩.2. 长英质系列： 化学成分特征是富硅; 贫钙, 铁, 镁; 铝含量也较低. 原岩主要是各种砂岩, 粉砂岩和中酸性火成岩.3. 碳酸盐系列：化学成分特征是富钙, 镁; 铝, 铁, 硅含量较低且变化范围大. 原岩石灰岩和白云岩.4. 铁镁质系列： 化学成分特征是贫硅; 富铁, 镁, 钙; 钠 钾；含一定量的铝. 原岩是基性火山岩; 火山碎屑岩; 辉长- 辉绿岩; 铁质白云质泥灰岩; 基性岩屑砂岩等 .5. 超铁镁质系列：化学成分特征是 极富镁，铁含量高；贫钙, 铝, 硅.
13、原岩是超基性侵入岩; 超基性火山岩和极富镁的沉积岩一. 变质岩矿物成分一般特征1、三大岩类常见的主要造岩矿物都是长石, 石英, 角闪石, 辉石等.2、变质岩中特有矿物：硬绿泥石、十字石、堇青石、 铁铝榴石、红柱石、蓝晶石、矽线石硅灰石等.辉长-辉绿岩玄武岩铁质白云质灰岩基性凝灰质砂岩中级变质作用 斜长角闪岩低级变质作用 绿 片 岩高级变质作用 基性麻粒岩图 1-1. 等化学系列概念说明图解3、与岩浆岩中的矿物相比, 变质岩中的矿物在内部结构和结晶习性等方面, 有如下特点:1) 层状和链状晶格的矿物较普遍, 其延展性也较大.2) 出现一些分子排列紧密，分子体积小, 密度大的高压矿物.3) 出现红
14、柱石, 蓝晶石, 矽线石等同质异相矿物.4) 矿物的变形现象发育.5) 斜长石的环带结构在变质岩中少见.二.矿物成分与原岩化学成分的关系1. 富铝系列: 硬绿泥石、十字石、堇青石、铁铝榴石、红柱石、蓝晶石、矽线石。2. 长英质系列: 极少出现富铝系列特征变质矿物 .3. 碳酸盐系列:方解石、白云石、滑石、蛇纹石、镁橄榄石、透辉石、透闪石、硅灰石、金云母、钙铝榴石。4. 铁镁质系列:辉石、角闪石、绿泥石、阳起石、绿帘石,等大量铁镁矿物。5. 超铁镁质系列:滑石、蛇纹石、透闪石、橄榄石、镁铝榴石、尖晶石、辉石、镁铁闪石等。三.矿物成分与变质条件的关系-等物理系列(一）等物理系列的概念对于特定成分的
15、原岩体系来说，决定变质岩中矿物组合的因素是 变质条件，为了描述不同的变质条件及其对应的产物特征，引入了等物理系列的概念.指相同或特定变质条件下形成的所有变质岩。同一系列变质岩矿物成分的不同决定于原岩的总化学成分.(一）等物理系列的概念基性系列的原岩-斜长角闪岩中级变质富铝系列的原岩-十字石黑云母片岩(一）等物理系列的划分Winkler (1974) 按温度将变质强度划分为四个变质级 (等物理系列) : 很低级, 低级, 中级, 高级（1）很低级变质: 低限以变质基性岩中浊沸石出现为志。其他标志性矿物有葡萄石, 绿纤石，硬柱石等。 温度区间为 200-3500C.（2）低级变质: 低限以变质基性
16、岩中葡萄石或绿纤石与绿泥石反应形成黝帘石和阳起石为标志,温度区间为 350-5500C。常见矿物：（3）中级变质: 标志是泥质岩石中十字石(堇青石) 出现和绿泥石消失. 在变质基性岩中以普通角闪石+斜长石(An17)为特征.温度区间为 550-6500C.（4）高级变质: 标志是泥质岩石中白云母和石英反应形成矽线石和钾长石组合(变质成因的紫苏辉石代表高级变质条件), 温度区间 6500C.四.有关术语解释1. 稳定矿物:在特定变质条件下新形成的矿物或虽是原岩中的矿物,但在新的 P-T 条件下仍然保持稳定的矿物.2. 不稳定矿物 :指对某一变质作用的 P-T 条件来说是不平衡的原岩中的矿物,因变
17、质反应不彻底而保留下来.3. 特征变质矿物: 有些矿物稳定存在的温度和压力范围较窄,因而能较好地反映特定的温度和压力条件.4. 贯通矿物：大部分矿物稳定存在的温度和压力范围较宽, 对温度和压力不敏感,.变质岩结构的概念和分类概念： 是指岩石中矿物晶体的粒度( 绝对大小和相对大小） , 形态、自形程度以及矿物晶体之间的相互关系.按成因分四类：变余结构, 变晶结构,变形结构和交代结构.一.变余结构变质作用和变形作用进行的不彻底，原岩中部分结构保留下来，形成变余结构。1) 与正常沉积岩有关的变余结构：变余砂状结构、变余砾状结构、变余泥状结构。2) 与火成岩有关的变余结构：变余斑状结构、变余花岗结构、
18、变余辉长-辉绿结构、变余环带结构、变余交织结构等。3) 与火山碎屑岩有关的变余结构：变余晶屑结构、变余岩屑结构、变余玻屑结构。二.变晶结构 由变质重结晶和变质结晶作用所形成的结构称为变晶结构 变晶结构与结晶结构的区别1) 变晶结构的岩石为全晶质,没有非晶质组分;2) 同一时代矿物没有明显的先后结晶顺序,相对自形程度不定;3) 变斑晶的形成一般稍晚于基质矿物的结晶,故变斑晶中常有大量基质矿物包体;4) 柱状,片状及放射状矿物发育,切其延展性大,常定向排列,矿物变形现象也较普遍.由变质重结晶和变质结晶作用所形成的结构称为变晶结构 变晶结构的分类依据及主要类型分类依据：大小, 形态, 自形程度, 交
19、生关系.（1）按矿物粒度的绝对大小分为： a. 粗 粒 变 晶 结 构（ 3 mm） b. 中 粒 变 晶 结 构（ 1 - 3 mm）c . 细 粒 变 晶 结 构（0.1 -1 mm）d. 显 微 变 晶 结 构（ 30%; 粒状矿物以石英为主 (长石50%)、云母(30%)等.岩石类型: 石英片岩、绢云石英片岩等.（5）钙质片岩：矿物组成: 透闪石、绿帘石、云母、石英等.岩石类型: 透闪绿帘片岩、绿帘透闪片岩等.（6）镁质片岩：矿物组成: 叶蛇纹石、滑石、绿泥石等.岩石类型: 蛇纹石片岩、滑石片岩等.4.片麻岩(具有片麻状构造) 矿物组成: 长石+石英 70% ; 暗色矿物 25% .(
20、1)富铝片麻岩矿物组成:长石(以钾长石为主), 石英, 黑云母及富铝特征变质矿物(蓝晶石, 矽线石 , 堇青石,铁铝榴石等).命名原则: 特征变质矿物+片柱状矿物 +长石种类+片麻岩 .(2)长英质片麻岩矿物组成:长石, 石英, 黑云母 ,角闪石,少量辉石,石榴子石.基本不出现富铝特征变质矿物.岩石类型: 钾长片麻岩; 二长片麻岩; 斜长片麻岩.(3)钙质片麻岩矿物组成为斜长石,石英,云母, 透闪石,透辉石, 阳起石,帘石, 及一定数量的碳酸盐和富钙的铝硅酸盐矿 物 (方解石 , 方柱石, 钙铝石榴子石).5.糜棱岩(具有糜棱构造)可按成分或变形程度做进一步划分.例如长英质糜棱岩; 云母质糜棱
21、岩 ;角闪质糜棱岩; 钙质糜棱岩等 .6.碎裂岩(具有碎裂构造)可按碎裂程度做进一步划分为:碎裂岩; 碎斑岩;碎粒岩.注意糜棱岩与碎裂岩的区别二. 以矿物组合及其含量命名的变质岩系列1. 石英岩:、 矿物组成: 石英75%. 少量长石、云母、帘石、闪石等.岩石类型: 纯石英岩; 长石石英岩; 磁铁石英岩.2. 大理岩:矿物组成: 方解石+白云石（50%）. 其它矿物有硅灰石、滑石、透闪石、透辉石、镁橄榄石、金云母等.岩石类型: 透闪石大理岩、滑石大理岩石墨大理岩 .3. 斜长角闪岩:矿物组成: 角闪石(5090%)和斜长石. 可含石榴石、透辉石、黑云母、绿帘石等 .岩石类型: 石榴斜长角闪岩
22、; 透辉斜长角闪岩等.4.麻粒岩:矿物组成: 紫苏辉石+斜长石 . 可含有透辉石,石榴石、角闪石、黑云母、石英等.岩石类型: 紫苏麻粒岩 ; 透辉麻粒岩; 二辉麻粒岩.5. 榴辉岩: 石榴石 + 绿辉石. 不含斜长石 . 可含有透辉石、蓝晶石、石英、金红石、金刚石等.6. 超铁镁质岩: 铁镁质矿物 90% 的岩石。例如角闪石岩；辉石岩7.混合岩: 变质岩基体 + 花岗质脉体组成.可根据构造进一步命名：如眼球状混合岩; 条带状混合岩等.第三节.其它常用的岩石名称1.变粒岩和浅粒岩矿物成分与片麻岩相似，但一般具有块状构造，细粒近等粒状变晶结构，按国际惯例已经归入片麻岩类。2.角岩指具有典型等粒粒状
23、变晶结构的接触变质岩的统称. 明确岩石为接触变质岩后方可应用该名称.3.灰色片麻岩:一般为太古代所特有，指颜色发灰、成分近于英云闪长岩的一类片麻岩。4:钙硅质岩:目前已经归入钙质片岩和钙质片麻岩中.5:矽卡岩:特指由中酸性岩浆侵入体与钙镁质碳酸盐岩接触时 , 由接触交代作用形成的变质岩第四章 变质岩的形成作用变质岩的形成主要有五种方式： 1变质重结晶作用 2变质结晶作用（变质反应）3变形作用 4 变质分异作用 5 交代作用（岩石流体相互作用）第一节 变质重结晶作用一.概念 特点 实例概念:指在变质条件下, 同种矿物间的溶解, 组分迁移, 再沉淀结晶的改造作用. 这此过程中, 没有新的矿物相出现
24、。特点:原岩中某些矿物的个体形态 , 大小, 空 间位置等发生变化, 即造成岩石结构构造方面的变化.一般发生于组成矿物单一的岩石中。如灰岩和石英砂净岩。实例:二.影响因素: 原岩特点; 环境物理化学条件(1) 原岩成分: 成分越简单, 越纯净, 越利于重结晶作用.(2) 粒度: 同种矿物粒度小, 表面能小, 越利于重结晶作用.(3) 形态: 外形不规则的矿物颗粒易于发生重结晶作用.(4) 温度: 温度升高矿物溶解度增大 ,组分在溶液中的扩散 速度扩散距离随之增大, 利于发生大规模的重结晶作用.(5) 应力: 应力使岩石破碎、变形,、利于发生重结晶作用三.类型-静态重结晶; 动态重结晶1.静态重
25、结晶:一般发生在低应变区或应力消失以后 , 是在没有应力或应力较弱的条件下发生的重结晶作用.产物特点: 形成的矿物近等轴粒状 , 无定向组构, 同种矿物之间往往发育三边平衡结构图 1-2 颗粒边界能与矿物接触关系示意图 边界能与 A-B 边界能接近时A- ,形成三边平衡结构 =1200A-A 边界能大于 A-B 边界能时, 减小第一节 变质重结晶作用三.类型-静态重结晶; 动态重结晶2.动态重结晶一般发生在强应变区,是在有较强应力作用条件下发生的重结晶作用.可以分为两个阶段：1 初始重结晶（恢复）阶段:无应变的新颗粒取代具有高应变能的变形颗粒，产生细粒化作用。2）次生重结晶（结晶）阶段：新生无
26、应变能颗粒取代具高应变能变形颗粒后继续生长，颗粒加粗加大的过程三.变质重结晶作用类型-静态重结晶; 动态重结晶1.静态重结晶:一般发生在低应变区或应力消失以后 , 是在没有应力或应力较弱的条件下发生的重结晶作用.产物特点: 形成的矿物近等轴粒状 , 无定向组构, 同种矿物之间往往发育三边平衡结构.2.动态重结晶:作用方式(机制)一般可以分为两种类型:1）迁移动态重结晶：已变形的矿物颗粒开始溶解并被新生的同种矿物定向生长取代的过程，结果产生定向组构。2）旋转动态重结晶：在剪应力作用下，矿物旋转变形与重结晶作用同时发生，结果形成一种独立的亚颗粒结构（由许多细小的同种矿物颗粒组成，它们光性不同，界限
27、不清） 。第二节 变质反应（变质结晶作用）变质反应的概念指在变质作用的温度压力范围内, 原岩在基本保持固态的条件下, 岩石中原有矿物被新生矿物所取代的过程.变质结晶作用多是通过特定的反应来实现的,因此变质结晶作用也称变质反应.变质反应的研究意义在于可以了解矿物成分的变化过程并获取变质条件信息。代表人物 Winker，根据实验资料确定了 14 个特定的变质反应，使变质作用物理化学条件的测定由定性研究转为定量研究。变质反应的影响因素:原岩成分；结构构造 ; 环境的物化条件变质反应平衡时的基本热力学方程变质变质反应是在一定的体系内，一定的温度、压力、组分浓度等条件下进行的，当变质反应达到平衡时，遵从
28、的基本热力学方程为：d（ G ）= 0 = VdP- SdT 即dP / dT = S /V （Clausius-Clapeyron 方程） G -反应的吉布斯自由能变化， S - 反应的熵变， V 反应的体积变化式中的 dP / dT 是 P-T 图解上变质反应曲线的斜率，根据S 和V 的变化可以确定 P-T图解的斜率，正向反应S 一般为正值，所以斜率的正负取决于V 。变质反应的基本类型1.固体- 固体反应 2 脱-吸流体（H2O 和 CO2)反应 3 氧化-还原反应 4 不连续反应和连续反应 5 离子交换反应 6 去水熔融反应固体固体反应1 反应物与生成物都是固相，没有流体相出现；2 变质
29、反应因素只有 T、P，是比较好的 P-T 指示计；3 固体的S 和V 变化很小,计算时可近似看作常数；dP / dT 近似为常数，反应曲线为直线；4 变质岩石中的固-固反应无论具有正斜率， 还是负斜率，其斜率的绝对值都比较低，在P-T 图上这些反应的单变线比较平缓，因此 , 常用这类反 应确定变质岩石的压力类型 1.多形转变 Al2SiO5 Cos-Q Dia-Gra。柯石英和金刚石出现的压力在 3.0GPa 以上(100km)是良好的超高压指示矿物2.一般的固态反应这种反应在变质岩中出现很多，例如 Ab= Jd + Q Hy+Pl=Cpx+Ga+QGrs + 2Ky+ Q = An3.固溶体的溶离反应:高温时相互混溶的固溶体，在温度降低至临界温度时发生溶离，如由
