变质反应类型与和变质带.ppt

第二讲: 变质反应类型与变质带一、概述一、概述二、变质反应类型二、变质反应类型三、成岩格子和递增变质带三、成岩格子和递增变质带一、概述1、意义（变质作用矿物演化、估算变质作用矿物演化、估算P-TP-T条件、预测条件、预测P-P-T T轨迹演化趋势、提供地球动力学信息轨迹演化趋势、提供地球动力学信息）2、变质反应的驱动力（⊿G）3、变质反应图解（p-t、t-x、p-x；写法，斜率写法，斜率）4、类型划分（（1 1）固）固- -固反应（相转变、出溶、纯固相反应）固反应（相转变、出溶、纯固相反应）（（2 2）脱挥发份反应）脱挥发份反应（（3 3）纯转移反应和离子交换反应）纯转移反应和离子交换反应（（4 4）不连续反应与连续反应）不连续反应与连续反应二、变质反应类型二、变质反应类型 1. 1. 固固- -固反应固反应 1.1 1.1 同质多相转变反应同质多相转变反应l l类质同像（类质同像（类质同像（类质同像（polymorphs,polymorphs,polymorphs,polymorphs,多型）转变多型）转变多型）转变多型）转变 影响因素：影响因素：影响因素：影响因素：T T T T，，，，P P P Pl lAlAl2 2SiOSiO5 5l lCaCOCaCO3 3l l C C l lSiOSiO2 2u大多数多型转变反应的大多数多型转变反应的 D DS很小，这导致：很小，这导致：• 两个多型晶体相互转换的两个多型晶体相互转换的D DG小，即使离平衡数十度温度时也不大小，即使离平衡数十度温度时也不大• 反应驱动力小反应驱动力小 一个多型常非稳定地残留在另一个多型的稳定区内一个多型常非稳定地残留在另一个多型的稳定区内•共存的两个多型晶体可能代表非平衡态（跨平衡曲线或多期变质叠加共存的两个多型晶体可能代表非平衡态（跨平衡曲线或多期变质叠加)u 成因意义：红柱石成因意义：红柱石——低压低压, 蓝晶石蓝晶石——中中-高压高压, 矽线石矽线石——中中-高温高温u三相点温压条件：三相点温压条件： GPa, T=504  20 oC)固固- -固反应之出溶反应固反应之出溶反应影响因素：影响因素：Ｐ、ＴＰ、Ｔ冷却速率冷却速率实例：碱性长石之条纹长石过铝钙钠斜方辉石斜方-单斜辉石高镁方解石过硅石榴石过钛石榴石过硅绿辉石固固- -固反应之纯固相反应固反应之纯固相反应(End member Reactions)(End member Reactions)ØØ仅涉及固相矿物；仅涉及固相矿物；ØØ影响因素：影响因素：Ｔ，ＰＴ，Ｐl lNaAlSiNaAlSi2 2O O6 6 + SiO + SiO2 2 = NaAlSi = NaAlSi3 3O O8 8 l lJdJd（硬玉）（硬玉） QtzQtz Ab Ab（钠长石）（钠长石）l l l l4 (Mg,Fe)SiO4 (Mg,Fe)SiO3 3 + CaAl + CaAl2 2SiSi2 2O O8 8 = = FFOpxOpxPlagPlagFF(Mg,Fe)(Mg,Fe)3 3AlAl2 2SiSi3 3O O1212 + Ca(Mg,Fe)Si + Ca(Mg,Fe)Si2 2O O6 6 + SiO + SiO2 2 FFGrtGrtCpxCpx Qtz Qtz固固- -固反应之纯固相反应固反应之纯固相反应(End member Reactions)(End member Reactions)ØØ如果反应矿物含有挥发份，但在反应过程中被生成物完全如果反应矿物含有挥发份，但在反应过程中被生成物完全汲取形成新的含挥发份矿物相，不产生独立的流体相矿物，汲取形成新的含挥发份矿物相，不产生独立的流体相矿物，也没有挥发份的损失，这种反应可以当作固也没有挥发份的损失，这种反应可以当作固- -固纯转变反应固纯转变反应来处理来处理l lMgMg3 3SiSi4 4O O1010(OH)(OH)2 2 + 4 MgSiO + 4 MgSiO3 3 = Mg = Mg7 7SiSi8 8O O2222(OH)(OH)2 2 TlcTlc（滑石）（滑石） EnEn（顽火辉石）（顽火辉石） AthAth（直（直闪石）闪石）2. 脱挥发份反应脱水反应l l以涉及以涉及H H2 2O-COO-CO2 2 -O -O体系的变质反应最常见体系的变质反应最常见l l影响因素：影响因素：Ｐ，ＴＰ，Ｔ，，P Pi i （（partial pressure of the volatile partial pressure of the volatile speciesspecies，某种挥发份或流体组分的分压），某种挥发份或流体组分的分压）l脱水反应平衡主要受水分压PH2O条件控制 KAl2Si3AlO10(OH)2 + SiO2 = KAlSi3O8 + Al2SiO5 + H2O Ms Qtz Kfs Sill V 而水分压又受水的摩尔分数（XH2O）控制 PH2O = Pf·XH2O ,而(Pf = Pl )1 1、脱水反应平衡曲线在、脱水反应平衡曲线在P-TP-T相图上相图上特征：斜率低压极缓，低压以上特征：斜率低压极缓，低压以上陡，陡，2 2、平衡曲线受水流体分压控制，当、平衡曲线受水流体分压控制，当P PH2OH2O=0=0，斜率为负，斜率为负3 3、使水流体分压降低的途径有二：、使水流体分压降低的途径有二： （（1 1）稀释；）稀释； （（2 2）降低流体总压）降低流体总压4 4、可解释总体为中温变质的地区，、可解释总体为中温变质的地区，局部发育高温矿物现象局部发育高温矿物现象5 5、通过截取、通过截取P-TP-T图中给定压力条件图中给定压力条件下，不同流体分压变质反应平衡下，不同流体分压变质反应平衡曲线对应的温度条件，可制作曲线对应的温度条件，可制作T T- -X Xi i图解图解2.1 脱水反应A rareA rare exception! exception!And anotherAnd another exception in exception in your textbook!!your textbook!!Negative sloop Negative sloop at high pressureat high pressure condition!! condition!!Lws: Lws: 硬柱石硬柱石硬柱石硬柱石Lmt: Lmt: 浊沸石浊沸石浊沸石浊沸石2. 2 脱碳酸反应l lDecarbonation reactions may be treated in an identical fashion Decarbonation reactions may be treated in an identical fashion of dehydration reactionsof dehydration reactions，，，，for example, the following reaction for example, the following reaction can also be shown on a can also be shown on a T T- -X XCO2CO2 diagram diagram （（（（脱碳酸反应也可用与脱碳酸反应也可用与脱碳酸反应也可用与脱碳酸反应也可用与脱水反应的相似的方式来处理，例如下面的反应可以用脱水反应的相似的方式来处理，例如下面的反应可以用脱水反应的相似的方式来处理，例如下面的反应可以用脱水反应的相似的方式来处理，例如下面的反应可以用T T- -X XCO2CO2 表达，其形式与反应表达，其形式与反应表达，其形式与反应表达，其形式与反应(26-5(26-5 ) )相似：相似：相似：相似： KAl KAl2 2SiSi3 3AlOAlO1010(OH)(OH)2 2 + SiO + SiO2 2 = KAlSi = KAlSi3 3OO8 8 + Al + Al2 2SiOSiO5 5 + H + H2 2O O Ms Ms QtzQtz KfsKfs Sill Sill V VCaCOCaCO3 3 + SiO + SiO2 2 = CaSiO = CaSiO3 3 + CO + CO2 2 Cal Cal QtzQtz WoWo V V2. 2 脱碳酸反应l lCarbonate mineral assemblage occurs at Carbonate mineral assemblage occurs at pure pure X XCO2CO2 has maximum has maximum themalthemal stability stabilityl lSummary of 5 typesSummary of 5 types of of devolatilization reactions, devolatilization reactions, each with a unique general each with a unique general shape on a shape on a T-XT-X diagram diagram（（假设体假设体系中仅存在系中仅存在H H2 2O O和和COCO2 2两种流体成分）两种流体成分）l lType 3: Type 3: T Tmaxmax at at X XCO2CO2 determined determined by the stoichiometric ratio of by the stoichiometric ratio of COCO2 2/H/H2 2O O produced producedl lType 4 and 5Type 4 and 5的拐点取决于的拐点取决于n nCO2:CO2:n nH2OH2O比率比率Ca2Mg5Si8O22(OH)2 + 3 CaCO3 + 2 SiO2 Tr CalQtz = 5 CaMgSi2O6 + 3 CO2 + H2O DiTmax at nCO2:nH2O = 3:12.3 Redox Reactions2.3 Redox Reactionsl lInvolves a change in oxidation state of an Involves a change in oxidation state of an elementelementFF6 Fe6 Fe2 2O O3 3 = 4 Fe = 4 Fe3 3O O4 4 + O + O2 2FF2 Fe2 Fe3 3O O4 4 + 3 SiO + 3 SiO2 2 = 3 Fe = 3 Fe2 2SiOSiO4 4 + O + O2 2lAt any particular pressure these become oxygen buffers3 3 、纯转移反应和离子交换反应、纯转移反应和离子交换反应（（（（Net-chansfer and ionic exchange Net-chansfer and ionic exchange Net-chansfer and ionic exchange Net-chansfer and ionic exchange reactions)reactions)reactions)reactions)l l纯转移反应纯转移反应纯转移反应纯转移反应：：反应物与产物之间存在成分增减；反应矿物分解或合反应物与产物之间存在成分增减；反应矿物分解或合成，成分向生成矿物一侧转移，形成新的矿物。

如上述成，成分向生成矿物一侧转移，形成新的矿物如上述l l离子交换反应离子交换反应离子交换反应离子交换反应：：在在2 2个或更多的矿物之间相互交换组分，虽以纯的个或更多的矿物之间相互交换组分，虽以纯的端员组分表征，但实际上仅涉及端员组分表征，但实际上仅涉及Mg-FeMg-Fe（或其它离子）之间的固溶（或其它离子）之间的固溶体交换体交换FFMgSiOMgSiO3 3 + CaFeSi + CaFeSi2 2O O6 6 = FeSiO = FeSiO3 3 + CaMgSi + CaMgSi2 2O O6 6 Mg-Opx Mg-Opx 铁辉石铁辉石 Fe-Opx Fe-Opx 透辉石透辉石FFAnnite + Pyrope = Phlogopite + AlmandineAnnite + Pyrope = Phlogopite + Almandine 铁云母铁云母 镁铝榴石镁铝榴石 金云母金云母 铁铝榴石铁铝榴石l lBasis for many geothermobarometersBasis for many geothermobarometers（（地质温度计压力计的基础地质温度计压力计的基础））KD = (Mg/Fe)Grt / (Mg/Fe)Bil l Causes rotation of tie-lines on compatibility diagrams Causes rotation of tie-lines on compatibility diagrams（（（（交交交交换使矿物共生线发生旋转换使矿物共生线发生旋转换使矿物共生线发生旋转换使矿物共生线发生旋转））））l l不连续反应在固定的温度条件下进行，一直持续到其中的某不连续反应在固定的温度条件下进行，一直持续到其中的某一个反应完全消失后，体系的温度才能继续上升一个反应完全消失后，体系的温度才能继续上升FFChl + Ms + Qtz Chl + Ms + Qtz  Grt + Bt + H Grt + Bt + H2 2O Oin KFASHin KFASHf f = C – P + 2 = 5 – 6 + 2 = 1 = C – P + 2 = 5 – 6 + 2 = 14.连续反应和不连续反应4.连续反应和不连续反应Chl + Ms + Qtz Chl + Ms + Qtz  Grt + Bt + H Grt + Bt + H2 2O O in KFMASHin KFMASHwere a continuous reaction, then we would find chlorite, were a continuous reaction, then we would find chlorite, muscovite, quartz, biotite, and garnet all together in the muscovite, quartz, biotite, and garnet all together in the same rock over an interval of metamorphic grade above same rock over an interval of metamorphic grade above the garnet-in isogradthe garnet-in isogradFFTheThe composition of solid solution phasescomposition of solid solution phases vary across the vary across the interval, and theinterval, and the proportions of the mineralsproportions of the minerals changes changes untiluntil one ofone of the reactants disappears with increasing the reactants disappears with increasing gradegrade4. 4. 连续反应连续反应l l当矿物为纯固相，纯转移反应为不连续反应（当矿物为纯固相，纯转移反应为不连续反应（discontinuous discontinuous reactionsreactions）；当矿物具有固溶体性质时，）；当矿物具有固溶体性质时，可能可能为连续反应（为连续反应（ continuous reactionscontinuous reactions ）或不连续反应。

或不连续反应l l理论上，在特定压力条件下，非连续反应将在一个温度点上进行完理论上，在特定压力条件下，非连续反应将在一个温度点上进行完毕，因而反应物与生成物仅在一个温度点上共存；连续反应将在一毕，因而反应物与生成物仅在一个温度点上共存；连续反应将在一个较宽的温度范围内进行，其产物与反应物通过调整固溶体矿物的个较宽的温度范围内进行，其产物与反应物通过调整固溶体矿物的元素比值，而在一个较宽的温度范围共存元素比值，而在一个较宽的温度范围共存l l连续反应中反应物与生成物共存的温度范围取决于岩石的连续反应中反应物与生成物共存的温度范围取决于岩石的Mg/FeMg/Fe比值，比值，该比值越高，该温度范围越宽该比值越高，该温度范围越宽l l在野外露头上，不连续反应导致在等变线（在野外露头上，不连续反应导致在等变线（ reaction reaction isogradisograd ））两侧反应物到产物组合的变化是突变的；连续反应则使反应物与产两侧反应物到产物组合的变化是突变的；连续反应则使反应物与产物在一个较宽的空间内共存物在一个较宽的空间内共存定义：祼露地质剖面上，化学定义：祼露地质剖面上，化学成分相近的变质岩中，指示成分相近的变质岩中，指示变质温度由低到高变化的矿变质温度由低到高变化的矿物或矿物组合物或矿物组合( (岩石岩石) )的空间的空间分带称为变质带，又称递增分带称为变质带，又称递增变质带（变质带（progressive progressive metamorphic zonesmetamorphic zones）。

以）以某个特征变质矿物首次出现某个特征变质矿物首次出现来划分的变质带叫指示矿物来划分的变质带叫指示矿物带（带（index-mineral index-mineral zones), zones), 以临界矿物组合以临界矿物组合（（critical mineral critical mineral paragenesisparagenesis）划分的变质）划分的变质带叫变质反应带指示矿物带叫变质反应带指示矿物或临界矿物组合首次出现位或临界矿物组合首次出现位置的连线称等变质线置的连线称等变质线（（Isograde) Isograde) 三、成岩格子和递增变质带苏格兰高地达拉累丁片岩巴罗型前进变质带苏格兰高地达拉累丁片岩巴罗型前进变质带苏格兰高地达拉累丁片岩巴罗型前进变质带苏格兰高地达拉累丁片岩巴罗型前进变质带l lB B、、G G、、S S、、K K、、SiSi分分别为黑云母、铁铝别为黑云母、铁铝榴石、十字石、蓝榴石、十字石、蓝晶石和矽线石等变晶石和矽线石等变质线在该区的热峰质线在该区的热峰条件，这些热峰条条件，这些热峰条件的连线称野外变件的连线称野外变质梯度（质梯度（FMGFMG）；）；不同的不同的FMGFMG代表不代表不同的变质带序列同的变质带序列第二讲思考题：第二讲思考题：1、试述变质反应的主要类型及其影响因素，举例说明之2、请查资料，绘制一张P-T图解，将：Al2SiO5、柯石英=普通石英和石墨=金刚石等3个多型转变反应，以及硬玉+石英 = 钠长石纯转移反应白云母+石英 = Al2SiO5 + 钾长石+H2O 和白云母 =刚玉+钾长石+H2O脱水反应的单变线准确地标在图解上，并理解它们各自的岩石学或构造意义（在后续课程中将不断增添有意义的变质反应单变线）。