Metamorphic Petrology
课程内容
变质作用基本概念
变质反应及其控制因素
变质岩的基本特征
共生分析和共生图解
变质相、变质相系和变质作用PTt轨迹
接触变质作用及岩石
区域变质作用及岩石
其他变质作用及岩石
变质岩研究方法
变质作用与地壳演化
主要参考书：
王仁民, 1989,《变质岩石学》, 地质出版社
Raymond, L. A., 1995, Petrology, Metamorphic Rocks.
魏春景, 张立飞, 2003. 变质岩石学讲义（自编）
Bucher K. & Frey M., 2002, Petrogenesis of Metamorphic Rocks.
变质岩研究的对象
主要为地球表明出露的地壳岩石
少量来自较深的地幔岩石
变质岩石学的主要任务之一就是研究不同构造环境、不同深度岩石的变化
离散板块边界－大洋中脊的变质作用
汇聚板块边界－俯冲带和岛弧的变质作用 双变质带
变质岩的研究意义
(1) 理论意义
变质岩石约占地壳总体积的27.4%，是地壳的重要组成部分。
它们广泛地分布于早前寒武纪结晶基底及其以后的各种重要的地质构造单元中，如：碰撞造山带、大陆边缘和大陆裂谷带等。
变质岩石记录了地壳演化的热历史，是探讨地壳形成演化的重要方面。
尤其是80年代以来发展的变质作用PTt轨迹理论，把变质作用过程与地质动力学过程联系起来，使得地质学家能够从一块岩石标本乃至一粒矿物晶体中看到整个造山带的动力学过程。这里还应该强调的是80年代以来在世界几个造山带中发现的含有柯石英和金刚石的超高压榴辉岩，不仅大大地拓宽了变质作用的研究范围，而且涉及90－100km的超高压岩石的折返机制对传统地质理论提出了挑战，从而使超高压变质作用的研究一度成为地质学中的热点问题。
(2) 研究变质岩石的重要经济价值
据前苏联学者A. B. CиДоренκо(1963) 统计，西方国家前寒武纪矿产储量占国家总储量比为：铁矿70%、锰63％、铬铁矿73％、铜73－26％、镍硫化物72％、钴93％、铀66％、金云母（白云母）100％。此外金、铂等贵金属亦占绝大部分。而前寒武纪地层大部分变质岩，从而可见变质岩对国家资源的重要性。
第一章 变质作用的基本概念
第一节 变质作用的概念及研究范围
第二节 变质作用类型
第三节 变质作用方式
第一节、变质作用的概念及研究范围
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, 在系统地总结了水火之争的成果后，比较系统地进行了论述。
在地壳形成和发展过程中，由于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
构构造的变化称为变质作用。
由变质作用所形成的岩石称为变质岩 (metamorphic rocks)。
The word "Metamorphism" comes from the Greek:?
meta = change, morph = form, so metamorphism means to change form.?
In geology, metamorphism refers to the changes in mineral assemblage and texture that result from subjecting a rock to conditions such pressures, temperatures, and chemical environments different from those under which the rock originally formed.
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。岩浆作用强调的是矿物从硅酸盐熔体中结晶，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。
变质作用的研究范畴 (The Limits of Metamorphism )：
1、变质作用的下限：与成岩作用的界限-埋藏变质作用
２、变质作用的上限：与岩浆作用的界限-混合岩化作用
The Limits of Metamorphism
Low-temperature limit grades into diagenesis
Diagenetic/weathering processes are indistinguishable from metamorphic
Metamorphism begins in the range of 100-150oC for the more unstable types of protolith
Some zeolites are considered diagenetic and others metamorphic – pretty arbitrary
Marked by the formation of minerals such as laumontite, analcime, heulandite, carpholite, paragonite, prehnite, pumpellyite, lawsonite, glaucophane or stilpnomelane
变质作用的上限是与岩浆作用的界限。在温度较高时，变质岩石可以发生部分熔融，出现混合岩化作用，当熔体达到一定量时就过渡为岩浆作用。岩石发生部分熔融的温度随岩石类型、含水量和压力等因素不同而变化。因此变质作用的上限温度有很大的变化范围，一般为800－1000℃。
第二节、变质作用类型
接触变质作用 contact metamorphism
动力变质作用 dynamic metamorphism
气成水热变质作用 hydrothermal metamorphism
区域变质作用 regional metamorphism
混合岩化作用 migmatism
埋藏变质作用 burial metamorphism
洋底变质作用 ocean floor metamorphism
冲击变质作用 shock metamorphism
1. 接触变质作用 (contact metamorphism)
接触变质作用是伴随岩浆作用而发生的一种局部变质现象，当岩浆侵
入时，周围的岩石受侵入体所散发的热和挥发份的影响而发生的变质作用。这类变质作用以低压为特征，压力一般不超过0.2－0.3GPa。
根据变质作用方式和影响因素可进一步分为热接触变质作用和接触交代变质作用两类，代表性岩石分别为角岩和矽卡岩。
如果在地壳深部，能否发生接触变质作用？
2、动力变质作用(dynamic metamorphism)
构造断裂带上的岩石在构造应力作用下通过破碎、变形和重结晶作用等，所发生的矿物成分和结构构造变化，称为动力变质作用。其岩石以高应变为特征。形成的代表性岩石如构造角砾岩、碎裂岩和糜棱岩等。
动力变质作用是局部变质作用的一种，受构造断裂带的控制。
3. 汽成水热变质作用 (hydrothermal metamorphism)
具有化学活动性的流体与固体岩石发生交代，而引起岩石发生矿物成分、结构构造的变化过程，称为气成水热变质作用，它可以出现在很多地质环境中，特别是岩体和矿脉等附近，也称为近矿围岩蚀变，也称蚀变岩。
如某些钨锡矿脉附近，花岗岩和片麻岩常常云英岩化而变成云英岩。
4. 区域变质作用 (regional metamorphism)
分布范围广泛且变质因素复杂, 也称“造山变质作用” (orogenic metamorphism)。主要出现在前寒武纪结晶基底、碰撞造山带、会聚板块边缘及大陆伸展带等。
影响变质作用的主要因素有：温度、压力 (负荷压力)、应力和化学活动性流体等。
按变质作用发生时的地热梯度（dT/dP），都城秋穗(Miyashiro) (1961，1994) 将区域变质作用划分为低压型、中压型和高压型。
5. 混合岩化作用 (migmatization)
在变质作用后期，当温度较高时岩石中出现部分熔融形成花岗质熔体，这种现象称为深熔作用(anatexis)。当熔体数量不多时，它与固态变质岩石发生混合、交代，称为混合岩化作用 (migmatization)，形成各种各样的混合岩。这种作用也称为超变质作用 (ultrametamorphism)。当熔体达到一定数量时，就过渡为岩浆作用，形成花岗岩。有些变质岩未经深熔，仅在固态条件下受到富含K、Na、Si的流体交代或者纯因固态扩散而变成混合岩，称为花岗岩化作用 (granitization)。
6. 埋藏变质作用 (burial metamorphism)
沉积盆地中的沉积物(包括火山物质), 被埋藏到一定深度，引起温度和压力的升高，从而产生变质作用。这种变质作用同样也具有较大的区域规模，也可以看成区域变质作用的一种。但埋藏变质作用是由埋深所引起，应力作用不明显，岩石缺乏结晶片理。埋藏变质的温度、压力条件较低，一般出现浊沸石相和葡萄石－绿纤石相组合，普遍发育变余组构。
Regional Burial Metamorphism
Otago, New Zealand
Isogra
ds mapped at the lower grades:
1) Zeolite
2) Prehnite-Pumpellyite
3) Pumpellyite (-actinolite)
4) Chlorite (-clinozoisite)
5) Biotite
6) Almandine (garnet)
7) Oligoclase (albite at lower grades is replaced by a more calcic plagioclase)
7. 洋底变质作用 (ocean floor metamorphism)变质岩
指洋中脊附近的岩石由于受到来源于洋中脊地幔对流的热和自上而下的热卤水的影响发生变质作用，变质程度自上而下主要为沸石相、葡萄石－绿纤石相和绿片岩相，深部也可出现角闪岩相，为低压相系，由于洋底扩张洋底变质作用的岩石遍布整个洋底。
Two types of ocean-floor metamorphism:
?1)????low grade alteration
a) formation of palagonite
b) formation of smectites
c) formation of carbonate
d) compact and dehydration
2)????High grade metamorphism
a) Zoelite facies
b) pumpellyite facies
c) epidote facies
d) amphibolite facies
8、冲击变质作用 (shock metamorphism)
发生在陨石冲击星体表面时产生的冲击坑中，它是在极短的时间内发生的，压力可达数十到上百个吉帕 (GPa)，温度可超过10000℃。因此它是在瞬时高温和动态高压条件下发生的特殊类型变质作用出现了一些特殊的高压变质矿物，如：柯石英(coesite) 斯石英(stishorite),
根据出露的规模和范围，变质作用类型可以分为两类：
1. 局部性的 变质作用（local metamorphism）
接触变质、动力变质、冲击变质和气成水热变质
2. 区域性的变质作用(regional metamorphism)
区域变质、混合岩化、埋藏变质和洋底变质
第三节 变质作用方式
重结晶作用
变质结晶或变质反应
交代作用
变质分异作用
变形及破碎作用
1. 重结晶作用
主要涉及同种矿物之间组分的溶解、迁移和再次沉淀结晶过程，而不形成新的矿物相。
如纯的石灰岩中隐晶质的方解石通过重结晶变成较粗大的方解石晶体，形成大理岩。
CaCO3 ＝ CaCO3
2. 变质结晶作用或变质反应
指在变质作用的温度压力范围内，原岩基本保持固态条件下发生的化学反应，这一过程中伴有新矿物相的生成，并相应地有原有矿物相消失。
如：CaCO3 (方解石) + SiO2 (石英) = CaSiO3 (硅灰石) + CO2
3. 交代作用
交代作用是指有组分的带入和带出的过程，原有岩石在有外来组分加入的情况下，同时必须有一定组分的被带出，这一过程应该是等体积的代换过程。发生的机理非常复杂，包括渗透作用和扩散作用等。
4. 变形作用?
岩石在构造应力作用下的变形有两种表现：脆性变形和塑性变形。
1>. 脆性变形，一般发生在地壳浅部、低温低压和应力快速作用的条件下，组成岩石的矿物来不及调整颗粒的形状及本身的位置，甚至来不及拆开
颗粒边界上彼此铰合的结构就发生了总体破裂。岩层在脆性变形后，形成断层角砾和断层泥，固结后形成各种断层角砾岩和碎裂岩。
2>. 塑性变形，在地壳深部，较高的围限压力和温度，及慢应变速率等条件下，岩石体受到应力作用变形时，变形体并不发生破裂而仅改变其形状，如发生褶曲和扭曲等，这种不失去其自身内聚力的变形称为韧性变形。
岩石塑性变形的主要表现有：
（1）塑性变形可引起矿物晶体出现内部晶格滑动和位错， 发育波状消光、亚颗粒、扭折、机械双晶及变形纹等变形结构。
（2）由于岩石内部所受的应力不均匀引起组分化学位的梯度变化。
如某些组分在受到最大垂直应力的部分趋向于溶解，而在受垂直应力较小的部分沉淀，从而形成岩石内部的扩散流。与之有关的结构现象有如压溶现象、压力影和糜棱结构等。
（3）在应力作用下，变质岩石中的矿物出现优选定向(preferred orientation)， 从而形成变质岩石所特有的结晶片理。
5、变质分异作用
指成分均匀的岩石经过变质作用后，出现矿物成分不均匀现象的各种作用统称为变质分异作用。
但主要的有以下两种：
（1）压力不均匀引起的侧分泌作用
（2）与应力作用有关的分异作用
第四节 变质岩石的研究意义
（1）研究变质岩石对探讨地壳的形成与演化具有重要意义
（2）研究变质岩石有重要的经济价值
对变质作用与沉积成岩作用的界限可从两个方面考虑：
1>. 基于沉积岩石学的观点: 沉积物中相互连通孔隙的完全封闭是成岩作用结束、变质作用开始的标志
2>. 另一个基于变质岩石学的观点: 强调真正变质矿物组合的出现是变质作用开始的重要标志。这些变质矿物包括浊沸石、硬柱石、钠云母和叶腊石等。
?很低温变质作用(Very Low Temperature Metamorphism)
根据目前认识，最低温的变质矿物是浊沸石，在较高压力下为硬柱石。
片沸石--> 浊沸石+石英+水?
变质作用的温度下限应稍微低于200℃。?
煤的变质程度（镜质煤发射率）和伊利石的结晶度?
变质作用开始界限，构成石油的死亡线。因此，变质作用开始的界限有重要的经济意义。
总结：
怎样理解变质作用？
变质作用与成岩作用、岩浆作用的区别和联系
变质作用的类型？与局部和区域构造的关系？
造山带、洋中脊、大型沉积盆地、花岗岩侵入、断裂带、陨石撞击
变质作用发生的方式？
重结晶作用，变质结晶和变质反应，交代作用，变质分异作用，变形和破碎作用
回顾：
Metamorphism 变质作用的概念
变质作用的范畴：成岩作用－岩浆作用
变质作
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