变质岩岩石学教案讲稿长江大学Word文档下载推荐.docx
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教学内容及过程
第一章绪论
一、变质岩与变质作用的基本概念：
1.变质岩：
在地壳发展演化过程中，已存在的各种岩石，由于地壳的构造运动、岩浆活动，地热流的变化等内力地质作用，使原来岩石所处的地质环境及物理化学条件发生改变，为了适应这种变化，在基本保持固态的情况下，岩石的结构构造、物质成分发生变化而形成的一种新的岩石。
2.变质岩石学：
是研究变质岩的成分、结构、构造、产状、分布、分类、命名、共生组合和变质岩的形成、演化的机制与条件以及其在地球（天体）形成、演化中的地位及作用、与矿产的关系等内容的独立的学科。
3.变质作用：
在地壳形成和演化过程中，由于地球内力的变化，使已存的地壳岩石，在基本保持固态的条件下，从原岩的化学成分、矿物组成和结构构造等方面进行了调整，在特殊情况下，还可产生重熔或重溶，形成部分流体相的各种作用的总和。
三点说明：
变质作用作为一种地质作用，其发生发展与地壳的发生发展有关，特别与地幔与地壳的相互作用有关。
变质作用、岩浆作用、构造运动的联系服从于地壳形成与发展的总过程，并受地幔与地壳相互作用支配三者是平行的，在不同情况下呈现不同的内在联系。
变质作用形成的变质岩是一种转化岩石。
二、变质作用的影响因素：
1.温度
温度是体系热状态的直接标志。
热状态的改变是导致变质发生的最重要的因素之一。
温度范围：
150℃-250℃～650℃-1100℃
指示矿物：
浊沸石、蓝闪石、硬柱石、叶腊石
原因：
地热增温
上地幔热流的运动
岩浆活动带来的热能
摩擦作用产生的热能
放射性元素衰变释放热能的积累
2.压力
静压力：
定向压力
负荷压力（Pl）：
上覆岩层的重力
单位-b、kb、Pa、GPa
范围：
1-2kb～7-8kb
据计算每加深1公里，压力增加0.0275GPa
接触变质和动力变质：
3-5km，Pl＜0.1GPa
区域变质和动力变质：
＞5km，
低压：
Pl0.1-0.3GPa；
中压：
Pl0.3-0.5GPa
高压：
Pl＞0.5GPa；
超高压：
Pl＞1GPa
负荷压力的效应：
Mg2[SiO4]＋Ca[Al2Si2O8]→CaMg2Al2[SiO4]3
镁橄榄石钙长石石榴石
43.9101.1121
3.32.763.52
形成密度（比重）大，体积小的矿物。
3.流体压力：
流体相Pf
表示：
各组分的分压力表示，例如PH20，PCO，
其数值与各自在流体相中相对物质的量
成正比（等于各组分分压之和）。
Pf=PH20＋PCO＋…
关系：
Pf=Pl（地壳深部）
Pf＜Pl（地壳浅部）
Pf＞Pl（侵入体附近）
4.应力：
侧向压力
可更新应力：
指能够不受应力松驰和逐渐释放应变能的影响而连续起作用或者在环境变化后还能重新起作用的一种应力。
不可更新应力指那些具初始应变能一经释放应力立刻消失的一种应力。
主要有：
挠曲应力、薄膜应力、热应力。
5.具化学活动性流体
流体相组成：
H2O，CO2，K，Na，Si，Mg，O2
A1，Fe，C1，F，S，CH3，CH4
流体相存在状态：
低温-气态或液态
超临界状态-高密度气体
流体相来源：
岩浆活动
变质作用提供的流体
板块俯冲带入的海水
未变质的原岩中会保存流体
6.时间
变质作用发生的地质时代
变质作用发生到终止所经历的时间
三、变质作用的方式
1.重结晶作用
概念：
在变质作用条件下，原先存在的矿物颗粒的重新组合，只有形状大小的变化，而不涉及新矿物的生成。
类型：
初始重结晶
次生重结晶
影响因素：
1.原岩成分和结构的控制
碳酸盐类岩石硅质岩砂岩和粉砂岩
2.外界因素-温度、压力、活动性流体
特征：
粒度不断加大，相对大小均匀化，颗粒外形变得规则。
2.变质结晶作用
在变质作用的温度、压力范围内，在原岩基本保持固态条件下，新矿物相的形成过程，与此同时必有相应的原有矿物趋于消失。
变质反应前后，岩石的总成分保持不变
3.交代作用
在变质条件下，由变质原岩以外的物质带入和原岩物质的带出，而造成的一种矿物被另外一种化学成分上与其不同的矿物所置换的过程。
新矿物形成与旧矿物消失是同时进行
固态为主，有流体相的存在
4.变质分异作用
指成分均匀的原岩，在岩石总成分不变的前提下，造成矿物组合不均匀的一种变质作用。
机理：
结核原理-说明变斑晶的形成过程
不稳定组分的局部溶解
最稳定组分的沉淀及局部富集
5.变形及碎裂
各种岩石在应力的作用下，当应力超过塑性屈服强度时，就会出现塑性变形现象，当应力超过其弹性极限时就会发生破碎裂开。
应力作用下组分运动的结果（山德）
变形和碎裂是变质过程中的一种重要作用，它既与岩石（包括组成它们的矿物）的力学性质有关，又与变形岩石所处的深度、应力的大小强度等因素有关。
四、变质作用的类型
1.局部变质作用
是分布局限（据Raymond（1995），其体积小于100km3）的变质作用。
它局限分布在一个具体的地质构造（断裂带、接触带等），往往一个因素起主导作用。
在局部变质地区可清楚观察到变质岩与未变质岩石的渐变过渡。
①接触－热变质作用：
分布在侵入体与围岩接触带，主要由岩浆热而导致的变质作用。
特点：
主要控制因素为温度；
主要变质机制为重结晶；
具有很低P/T比。
②动力变质作用：
分布在断裂带，在构造作用下导致的变质作用。
主要控制因素为偏应力；
主要变质机制为变形及动态重结晶。
具有高至低P/T比，但通常P/T比较高。
③冲击变质作用：
分布在陨石坑附近，在陨石冲击地表的强大冲击波作用下产生的变质作用。
主要控制因素为瞬时高温、高压；
主要变质机制为变形及部分熔融。
④交代变质作用：
局限分布于侵入体接触带及其附近和火山喷气活动区，主要由岩浆热液引起的异化学变质作用。
主要控制因素为流体中的活动组分；
主要变质机制为交代作用。
2.区域变质作用
是在岩石圈范围由规模巨大（Raymond,1995，其体积大于数千km3）的变质作用。
①造山变质作用：
大规模分布在前寒武纪结晶基底和显生宙造山带的变质作用，与造山作用有密切的成因联系。
面积数百-数千平方公里。
在前寒武结晶基底呈面状，在显生宙造山带呈带状分布。
主要控制因素为温度、压力；
主要变质机制为重结晶、变形；
具有很宽P/T比。
②洋底变质作用：
洋壳岩石在大洋中脊附近上升热流和海水作用下产生的规模巨大的变质作用。
主要控制因素为温度和活动组分；
主要变质机制为重结晶和交代。
具有低P/T比。
③埋藏变质作用：
无明显变形的大规模很低级（很低温）变质作用。
它通常出现在区域变质和洋底变质的很低级部分，或独立出现在强烈坳陷的盆地沉积的底部
主要控制因素为压力；
主要变质机制为重结晶。
P/T比变化范围很大。
④混合岩化作用：
高级区域变质（造山变质）伴随的部分熔融产生的低熔物质（新成体）与变质岩（古成体）混合形成混合岩的大规模变质作用。
类型-温度
★前进变质作用：
由增温而引起的变质作用，其特征是以稳定的高温矿物组合代替较低温的矿物组合
★退变质作用：
指低级变质叠加于原有的高级变质作用而引起的变质。
是低温矿物组合取代较高温的矿物组合的过程。
退变质作用常见于大的断裂带。
★复变质作用：
多次不同温压条件的变质事件的叠加。
类型-压力
★高压型：
地温梯度10℃/km左右。
★高压过渡型：
地温梯度10-20℃/km。
★中压型：
地温梯度20℃/km左右。
★低压过渡型：
地温梯度20-30℃/km。
★低压型：
地温梯度＞30℃/km。
五、研究历史和发展现状：
★描述阶段：
十九世纪末，应用显微镜研究变质岩，分类与描述；
罗森布什、格鲁赛曼、尼格里等；
★理论研究阶段：
20世纪初巴洛，哈克等提出了正常递增变质作用及应力矿物的概念。
把变质岩的空间强度分带与区域构造地质环境联系起来，奠定了变质岩岩理学基础。
★实验研究阶段：
第二次世界大战前就开始了变质矿物的人工合成的实验研究。
约德尔，温克勒等；
★多学科的渗透和边缘学科的形成阶段：
高精度微区、微量分析测试技术、电子计算机技术的引进，不平衡体系热力学、统计热力学，化学动力学、固溶体热力学、固体物理学、金属物理学及微量元素、稀土元素、同位素地球化学等近代学科理论与变质岩研究的互相渗透，变质岩的研究已进入一个崭新的阶段。
在宏观上形成了变质地质学方向，微观上形成了一系列与变质岩岩石学有关的新的研究方向。
例如，变质实验岩石学、矿物共生的相柘扑学、岩组学、变质化学动力学及变质矿物物理学等。
六、岩石分布和研究意义
分布：
★前寒武纪地盾区：
面积占18%，大部分麻粒岩相
★显生宙造山带：
分布于前寒武纪地盾、地台边缘，主要为沸石相及蓝闪石片岩相。
★大洋盆地：
发生于洋中脊及附近，主要为变质玄武岩和辉长岩类。
★地热区现代变质作用：
现代岛弧和洋中脊，变质结晶和重结晶作用。
变质岩与矿产
●变质矿床的矿产种类繁多
★金属矿产-主要有铁、金、铀、铜、铅、锌等
★非金属矿产-滑石、菱镁矿、硼、磷、石墨等
●一些变质矿床分布广、储量大
★变质铁矿床储量占全球铁矿总储量的2/3以上
★变质金-铀砾岩矿床则是金和铀的主要来源
七、课程目的和基本要求
变质岩岩石学是一门地质学的专业基础课。
通过本课程的学习，使学生掌握变质质作用和变质岩的基本理论、概念；
熟悉变质岩的物质组分、结构构造等方面的特征；
对不同类型变质岩的矿物组合和矿物本身的特点、不同变质相之间的区别与联系及变质岩的成因有较深的了解；
能通过肉眼或利用偏光显微镜正确鉴定常见的变质岩类型。
了解变质质作用和变质岩的基本理论、概念和术语；
熟悉变质岩的物质组分、结构构造等方面的特征，学会利用共生图解解进行变质矿物共生分析；
掌握主要类型变质岩的基本定义、分类、命名和基本特征，学会肉眼和利用偏光显微镜鉴定常见变质岩，本部分的重点是区域变质岩、混合岩和动力变质岩。
掌握变质岩的原岩恢复和相系判定方法，了解地质温度计与地质压力计的概念和方法，学会如何利用变质岩石学资料进行韧性剪切带研究和变质作用历史的分析。
并了解板
块运动与变质作用的关系，前寒武纪变质岩与早期地壳演化的关系，变质建造的概念；
掌握变质作用的时代分布特征。
作业布置
1.什么是变质岩？
什么是变质作用？
2.变质岩与岩浆岩、沉积岩各形成于何种环境？
3.影响变质作用的因素有哪些？
如何影响？
4.变质岩的基本类型有哪些？
课后小结
第二章变质反应
4学时
1掌握变质反应的基本类型
2掌握固-固反应的原理
3掌握固-液反应的原理
4掌握变质因素对变质反应的制约
5了解变质反应动力学的基本概念
1固-固反应的原理
2固-液反应的原理
1固-固反应特点及机理
2固-液反应特点及机理
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一.变质反应的类型
变质反应的概念：
岩石在变质过程中最主要的变化是矿物成分的变化，而矿物成分变化都是通过特定的化学反应实现的。
这种发生在变质作用条件下的化学反应称作变质反应
分类：
参与反应的物相种类反应物与生成物关系
固-固反应连续反应
有流体相参加的反应不连续反应
书写变质反应方程式原则
◆高温矿物组合写在右侧，低温矿物组合写在左侧
◆正向反应：
升温过程从左至右的反应
◆逆向反应：
降温过程自右至左的反应
水化反应VS脱水反应？
脱碳酸反应VS碳酸化反应？
化学反应在平衡时的基本热力学方程是：
d（△G）=0=△VdP－△SdT
式中：
△G为反应的吉布斯自由能的变化；
△S为反应的熵变；
△V为反应的摩尔体积变化。
Clausius-Clapeyron方程
dP/dT=△S/△V
dP/dT为P-T图解上的反应曲线斜率
◆固体-固体的反应
◆特点：
反应物与生成物均为固体
受温度、压力控制-温压指示计
P-T图解为直线
★类型：
1.同质多相变体的转变-多形转变
化学组成相同的固体，在不同的热力学条件下，常会形成晶体结构不同的同质异构体，这种现象叫同质多晶或同质多相现象。
同质多相变体的转变-多形转变
实例：
红柱石（And）蓝晶石（Ky）夕线石（Sil）
A12SiO5（红柱石）=A12SiO5（矽线石）
Ky=And；
Ky=Sil；
And=Sil
VAnd=51.5；
VSil=49.90；
VKy=44.09；
2.固溶体的出溶
出溶：
高温时固溶体矿物为均一的一相，当温度降低到固溶体分解曲线之下，就会分解为成分不同的两相。
出溶的两相往往呈页片状、条纹状交生体，也可最终分解为两个矿物单晶。
变质岩中常见的条纹长石、具斜方辉石页片的单斜辉石及晕长石都是固溶体出溶结果。
3.矿物有序状态的转变
长石中的A1-Si、某些铁镁矿物中的Mg-Fe、高镁方解石和白云石中的Ca-Mg均存在占位有序度。
4.纯固相之间的反应
反应物和生成物是化学成分不同的纯固相矿物
例：
NaAlSi2O6+SiO2=NaAlSi3O8
Jd（硬玉）QAb
该反应有较平缓的正斜率，是较好的地质压力计：
矿物组合Jd+Q的出现是高压的标志。
有流体相存在的反应
这类反应有流体相的参加，变质反应中起重要作用的流体相主要是H2O、CO2、O2。
其控制因素除了T、P外，体系的流体相的xH2O、xCO2、fO2等起着重要的作用。
一般不是良好的温压指示计。
△S、△V都明显受P、T的影响，△S/△V不是一个常数，所以，在P-T图解上，有流体相参加的反应是斜率不断变化的曲线。
Greenwood（1967）
1.简单的脱水反应
标准式为B=D+H2O平衡温度随着XH2O增加而增高，当XH2O=1时平衡温度最高。
2.简单的脱碳酸反应
标准式为B=D+CO2平衡温度随着XCO2增加而增高，当XCO2=1时平衡温度最高。
3.脱水-脱碳酸反应
含泥的碳酸盐岩及含碳酸盐矿物的其它成分的岩石常发生的矿物相变化
标准式为B=D+H2O+CO2
T-x平衡曲线为上凸形。
当XCO2=nCO2/（nH2O+nCO2）时平衡温度最高。
4.碳酸盐化-脱水反应
标准式为B+CO2=D+H2O
T-x平衡曲线为S形。
平衡温度随XH2O增加而增加，XH2O=1时平衡温度最高
5.水化-脱碳酸反应
标准式为B+H2O=D+CO2
T-x平衡曲线为反S形。
平衡温度随XCO2增加而增加，XCO2=1时平衡温度最高
★类型-本教材：
1.脱水反应
含水矿物常发生的矿物相变化
Al2Si4O10（OH）2=Al2SiO5+3SiO2+H2O
PrL（叶腊石）And（红柱石）
平衡温度随着XH2O增加而增高，XH2O=1时平衡温度最高。
KAl2[AlSi3O10]（OH）2+SiO2=KAlSi3O8+Al2SiO5+H2O
MS（白云母）QOr（正长石）Als（铝硅酸盐）
中级变质组合高级变质组合
高级变质与中级变质的临界反应
2.脱碳酸反应
含碳酸盐质岩石常发生的矿物相变化
CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2
CcWo（硅灰石）
平衡温度随着XCO2增加而增高，XCO2=1时平衡温度最高。
中级变质与高级变质的临界反应
低级变质与中级变质的临界反应
例：
CaMg（CO3）2+2SiO2=CaMgSi2O6+2CO2
DolDi（透灰石）
Cc+Q=Wo+CO2（实线）和Dol+Q=Di+CO2（虚线）的P-T-X图
3.脱水和脱碳酸的反应
是含钙变质岩的常见反应，也是低级变质与中级变质的临界反应。
Ca2Mg5Si8O22（OH）2+3CaCO3+SiO2=5CaMgSi3O6+3CO2+H2O
Tr（透闪石）CcQDi（透辉石）
当XCO2=nCO2/（nH2O+nCO2）=？
时平衡温度最高。
反应Tr+3Cc+Q=5Di+3CO2+H2O的P-T-X图（左）和P=0.2GPa下的T-X图（右）
3.氧化-还原反应
含有变价元素的矿物存在，因fO2的变化发生的变质反应
6Fe2O3=4Fe3O4+O2
赤铁矿磁铁矿
2Fe3O4+3SiO2=3Fe2SiO4+O2
磁铁矿铁橄榄石
连续反应和不连续反应
不连续反应：
反应物和生成物之间的关系是突变的，在给定压力和流体成分条件下，反应在一个特定的温度发生。
在P-T，P-x，T-x等双变量图解上反应物、生成物只能在单变反应线上共生。
偏离了平衡条件，不是反应物消失（生成物稳定）就是反应物稳定（生成物消失），这样的反应称为不连续反应。
3（Fe,Mg）Al2SiO5（OH）2+3（Fe,Mg）3Al2Si3O2+21Al2SiO5=6（Fe,Mg）2A19O6[SiO4]4（OH）2+19SiO2
Cld（硬绿泥石）Gt（石榴石）Als（红柱石）St（十字石）
连续反应：
成分可变的固溶体，反应物与生成物之间的关系是渐变的，在给定压力和流体成分条件下，反应在一个温度范围内连续发生。
在P-T、P-X、T-X等双变量图解上，反应物和生成物在双变反应区内共存。
在双变区中，成分不断调整，反应的P-T条件取决于岩石成分。
这样反应称为连续反应或滑动反应。
3（Mg,Fe）2Al4Si5O18=2（Mg,Fe）3Al2Si3O12+4Al2SiO5+5SiO2
Crd（堇青石）Gt（石榴石）Sil（矽线石）
二、变质因素对变质反应的制约
1.温度：
温度升高有利于吸热反应的进行，也有利于脱流体相反应的进行，更有利于自由能较高的矿物组合的稳定，温度升高还可以大大提高变质反应的速率。
温度不是孤立的对变质作用起影响，而是同其他变质因素一起控制着变质反应的进行。
例如，流体相的存在就是十分重要的条件。
如果没有流体相的存在，即使温度很高，变质反应也很难进行，就是能进行，反应的速率也很缓慢。
2.负荷压力（P1）：
总体说，压力增加有利于生成摩尔体积小的矿物组合，不利于脱流体相反应的进行。
对于具体变质反应平衡温度的影响，视反应在P-T双变图上的斜率不同，作用是不一样的。
在P-T图解上，单变反应的斜率dP/dT正值，P增大，会使反应的平衡温度升高；
相反，dP/dT为负值时，P增大会降低反应的平衡温度。
3.流体压力：
流体压力Pf与P1的关系在变质作用中情况复杂
当Pf=P1时，Pf并不独立起作用，对变质反应的效应同P1。
在开放体系中Pf<
P1，在高级变质条件下部分融熔的发生，消耗了一部分流体相，也会出现Pf<
P1，此时，对于脱流体相反应则会大大有利。
使反应的平衡温度降低，甚至会使反应由正斜率
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