變質巖石學MetamorphicPetrology

第一章變質作用的基本概念第一節變質作用的概念及研究範圍第二節變質作用的方式第三節變質作用的類型第一節變質作用的概念及研究範圍變質作用（Metamorphism）一詞是由法國學者Boue(1820)首次提出來的，後來由英國學者Lyell(1833)在他的名著《地質學原理》中,在系統地總結了水火之爭的成果後，比較系統地進行了論述。在地殼形成和發展過程中，由於物理化學條件的改變，早先形成的巖石(包括巖漿巖和沉積巖）在固態條件下所發生的礦物成分、結構構造的變化稱為變質作用。由變質作用所形成的巖石稱為變質巖(metamorphicrocks)。Recall:3fundamentalrocktypesIgneousSedimentaryMetamorphiccrystallizationIgneousSedimentaryMetamorphiccrystallizationdepositionRecall:3fundamentalrocktypesIgneousSedimentaryMetamorphiccrystallizationdepositiontodayRecall:3fundamentalrocktypes“metamorphism”Lit.“changeform”Transform:IgneousSedimentaryMetamorphicMetamorphicinto:“process”occursdeepRecall:3fundamentalrocktypesTheword"Metamorphism"comesfromtheGreek:

meta=change,morph=form,

sometamorphismmeanstochangeform.

Ingeology,metamorphismreferstothechangesinmineralassemblageandtexturethatresultfromsubjectingarocktoconditionssuchaspressures,temperatures,andchemicalenvironmentsdifferentfromthoseunderwhichtherockoriginallyformed.TheIUGS-SCMR(SubcommissionontheSystematicsofMetamorphicRocks)hasproposedthefollowingdefinitionofmetamorphism:“Metamorphismisasubsolidusprocessleadingtochangesinmineralogyand/ortexture(forexamplegrainsize)andofteninchemicalcompositioninarock.Thesechangesareduetophysicaland/orchemicalconditionsthatdifferfromthosenormallyoccurringatthesurfaceofplanetsandinzonesofcementationanddiagenesisbelowthissurface.Theymaycoexistwithpartialmelting.”http://www.bgs.ac.uk/scmr/home.html關於變質作用的概念應強調以下幾點:

(1)變質作用是一種改造作用，這種改造發生在風化帶和膠結帶以下，原巖經過改造後在固態下轉變為一種新的巖石。如果原巖為沉積巖，變質後的巖石稱為副變質巖；如果原巖為巖漿巖，變質後的巖石稱為正變質巖。

(2)變質過程中巖石基本上保持固態，並且強調溫度的遞增過程，這一點與巖漿作用不同。巖漿作用強調的是礦物從矽酸鹽熔體中結晶，所涉及的是晶體－液態的平衡，並強調溫度的下降過程。當變質作用溫度較高時，巖石可發生部分熔融，出現一定數量的熔體，這些熔體與固態殘餘物之間可發生混合巖化作用。當熔體數量較多時轉變為典型的巖漿作用。廣義的變質作用概念包括巖石在固態下的變質作用和有部分熔體出現的混合巖化作用。(3)變質作用的界限：1、下限：與成巖作用的界限-埋藏變質作用2、上限：與巖漿作用的界限-混合巖化作用巖漿作用magmatism變質作用metamorphism成巖作用diagenesis700-900oC150-200oC混合巖化作用migmatism埋藏變質作用burialmetamorphism變質作用與沉積成巖作用界限的限定

1>.基於沉積巖石學的觀點:沉積物中相互連通孔隙的完全封閉是成巖作用結束、變質作用開始的標誌2>.基於變質巖石學的觀點:強調真正變質礦物組合的出現是變質作用開始的重要標誌。這些變質礦物包括濁沸石、硬柱石、鈉雲母和葉臘石等。

很低溫變質作用(VeryLowTemperatureMetamorphism)

根據目前認識，最低溫的變質礦物是濁沸石，在較高壓力下為硬柱石。濁沸石出現的變質反應為：CaAl2Si7O18

6H2O=CaAl2Si4O12

4H2O+3SiO2+2H2O

片沸石濁沸石石英水

變質作用的溫度下限應稍微低於200℃。

煤的變質程度（鏡質體反射率）和伊利石的結晶度

變質作用開始界限，構成石油的死亡線。因此，變質作用開始的界限有重要的經濟意義。Low-temperaturelimitgradesintodiagenesisDiagenetic/weatheringprocessesareindistinguishablefrommetamorphicMetamorphismbeginsintherangeof100-150oCforthemoreunstabletypesofprotolithSomezeolitesareconsidereddiageneticmineralsMarkedbytheformationofmineralssuchaslaumontite(濁沸石),analcime(方沸石),carpholite(纖柱石),paragonite(鈉雲母),prehnite(葡萄石),pumpellyite(綠纖石),lawsonite(硬柱石),glaucophane(藍閃石)orstilpnomelane(黑硬綠泥石)－－低溫變質礦物，不能在巖漿巖中出現TheLimitsofMetamorphismCookedfossilTheLimitsofMetamorphismHigh-temperaturelimitgradesintomelting

OverthemeltingrangesolidsandliquidscoexistXenoliths,restites,andotherenclaves?Migmatites(“mixedrocks”)aregradationalIfweheatametamorphicrockuntilitmelts,atwhatpointinthemeltingprocessdoesitbecome“igneous”?變質作用的上限是與巖漿作用的界限。在溫度較高時，變質巖石可以發生部分熔融，出現混合巖化作用，當熔體達到一定量時就過渡為巖漿作用。巖石發生部分熔融的溫度隨巖石類型、含水量和壓力等因素不同而變化。因此變質作用的上限溫度有很大的變化範圍，一般為800－1000℃。第二節變質作用的方式

重結晶作用變質結晶作用（變質反應）交代作用變質分異作用變形作用重結晶作用

(recrystallizationwithoutphasechanges)主要涉及同種礦物之間組分的溶解、遷移和再次沉澱結晶過程，而不形成新的礦物相。如純的石灰巖中隱晶質的方解石通過重結晶變成較粗大的方解石晶體，形成大理巖。CaCO3＝CaCO3矽質巖（蛋白石或燧石）→石英巖2.變質結晶作用(或變質反應)

(Recrystallizationyieldingnewmineralsandfabrics)指在變質作用的溫度壓力範圍內，原巖基本保持固態條件下發生的化學反應，這一過程中伴有新礦物相的生成，並相應地有原有礦物相消失。如：CaCO3(方解石)+SiO2(石英)=CaSiO3(矽灰石)+CO23.交代作用（metasomatism)交代作用是指通過流體活動，使巖石中的組分帶入和帶出的過程，巖石和流體之間成分交換，原有巖石發生成分和礦物相的改變，發生的機理非常復雜，包括流體的滲透作用和擴散作用等。很多的成礦作用都與交代作用有關4.變形作用(deformation)

巖石在構造應力作用下的變形有兩種表現：脆性變形和塑性變形。1>.脆性變形，一般發生在地殼淺部、低溫低壓和應力快速作用的條件下，組成巖石的礦物來不及調整顆粒的形狀及本身的位置，甚至來不及拆開顆粒邊界上彼此鉸合的結構就發生了總體破裂。巖層在脆性變形後，形成斷層角礫和斷層泥，固結後形成各種斷層角礫巖和碎裂巖。2>.塑性變形，在地殼深部，較高的圍限壓力和溫度，及慢應變速率等條件下，巖石體受到應力作用變形時，變形體並不發生破裂而僅改變其形狀，如發生褶曲和扭曲等，這種不失去其自身內聚力的變形稱為韌性變形。脆性破碎帶－構造角礫巖脆韌性破碎帶韌性剪切形成的碎斑糜棱巖5.變質分異作用指成分均勻的巖石經過變質作用後，出現礦物成分不均勻現象的各種作用統稱為變質分異作用。但主要的有以下兩種：（1）壓力不均勻引起的側分泌作用（2）與應力作用有關的分異作用（1）壓力不均勻引起的側分泌作用MetamorphicdifferentiationbyDeformationpartitionNon-uniformdistributionofshearstrainasproposedbyBelletal.(1986)J.Metam.Geol.,4,37-67.Blankareasrepresenthighshearstrainandcoloredareasarelow-strain.Linesrepresentinitiallyhorizontalinertmarkers(S1).Noteexampleofporphyroblastgrowingpreferentiallyinlow-strainregions.Asdeformationproceeds,thecoloredareasbecomesmallerandthecolorlessareasbecomelarger.Thelow-strainareasgenerallypreservethemineralassemblageandfabricsofearlierstage.高應變區低應變區S1（2）與應力有關的分異作用第三節變質作用的類型

ThetypesofMetamorphism

接觸變質作用contactmetamorphism

動力變質作用dynamicmetamorphism

汽成水熱變質作用hydrothermalmetamorphism

區域變質作用regionalmetamorphism

混合巖化作用migmatization

埋藏變質作用burialmetamorphism

洋底變質作用oceanfloormetamorphism

衝擊變質作用shock/impactmetamorphismTheTypesofMetamorphismDifferentapproachestoclassification1.BasedonprincipalprocessoragentDynamicMetamorphismDeviatoricstressisdominantanddeformation+recrystallizationisthemainprocessThermalMetamorphismtemperatureinanear-staticstressfieldisthemainagentDynamo-thermalMetamorphismwhenbothtemperatureanddeformationareprevalentTetrahedronrepresentingthecontrollingfactorsinmetamorphism(capitallettersatfourapices),typesofmetamorphism(lowercaseletters),andenvironments,orfieldsettings,ofmetamorphism(italicizedlowercaseletters).Notethatregionalmetamorphismlieswithintetrahedronbecauseallfourfactorsareinvolved.Metamorphicequilibrationprocessesarealsocontrolledbykineticfactors,whicharenotrepresented.Best

(2003),IgneousandMetamorphicPetrology.TheTypesofMetamorphism2.BasedonsettingContactMetamorphismPyrometamorphism(高熱變質作用)RegionalMetamorphismOrogenicMetamorphismBurialMetamorphismOceanFloorMetamorphismHydrothermalMetamorphismFault-ZoneMetamorphismImpactorShock

Metamorphism根據出露的規模和範圍，變質作用類型可以分為兩類：1.局部性的

變質作用(local)

接觸變質、動力變質、衝擊變質和汽成水熱變質2.區域性的變質作用(regional)

區域變質、混合巖化、埋藏變質和洋底變質1.接觸變質作用

(contactmetamorphism)接觸變質作用是伴隨巖漿作用而發生的一種局部變質現象，當巖漿侵入時，周圍的巖石受侵入體所散發的熱和揮發份的影響而發生的變質作用。這類變質作用以低壓為特徵，壓力一般不超過0.2－0.3GPa。根據變質作用方式和影響因素可進一步分為熱接觸變質作用和接觸交代變質作用兩類，代表性巖石分別為角巖和矽卡巖。在地殼深部，巖漿侵入能否導致(接觸)變質作用發生？2.動力變質作用(dynamicmetamorphism)構造斷裂帶上的巖石在構造應力作用下通過破碎、變形和重結晶作用等，所發生的礦物成分和結構構造變化，稱為動力變質作用。形成的代表性巖石如構造角礫巖、碎裂巖和糜棱巖等。動力變質作用是局部變質作用的一種，受構造斷裂帶的控制。Shallowfaultzonewithfaultbreccia

Slightlydeeperfaultzone(exposedbyerosion)withsomeductileflowandfaultmylonite3.汽成水熱變質作用

(hydrothermalmetamorphism)具有化學活動性的流體與固體巖石發生交代，而引起巖石發生礦物成分、結構構造的變化過程，稱為汽成水熱變質作用，它可以出現在很多地質環境中，特別是巖體和礦脈等附近，也稱為近礦圍巖蝕變，也稱蝕變巖。如某些鎢錫礦脈附近，花崗巖和片麻巖常常雲英巖化而變成雲英巖。4.造山帶變質作用(orogenicmetamorphism)區域變質作用的主要類型，分佈範圍廣泛且變質因素複雜,與板塊運動有密切關係。主要出現在前寒武紀結晶基底、匯聚板塊邊緣(如碰撞造山帶)、大陸伸展帶等。影響變質作用的主要因素有：溫度、壓力(負荷壓力)、應力和化學活動性流體等。按變質作用發生時的地熱梯度（dT/dP;

Miyashiro,1961,1994)將區域變質作用劃分為低壓型、中壓型和高壓型。OrogenicMetamorphismSchematicmodelforthesequential(a

c)developmentofa“Cordilleran-type”oractivecontinentalmarginorogen.Thedashedandblacklayersontherightrepresentthebasalticandgabbroiclayersoftheoceaniccrust.FromDeweyandBird(1970)J.Geophys.Res.,75,2625-2647;andMiyashiroetal.(1979)Orogeny.JohnWiley&Sons.ThermaldisturbancebyMagmaticunderplating,crustalthickeningOrogenicMetamorphismGeogradientandtectonicsettings5.混合巖化作用(migmatization)

在變質作用過程中，當溫度較高（越過巖石的固相線）時巖石將會發生部分熔融形成花崗質熔體，這種現象稱為深熔作用(anatexis)。當熔體數量不多時，它與固態變質巖石發生混合、交代，稱為混合巖化作用

(migmatization)，形成各種的混合巖。這種作用也稱為超變質作用(ultrametamorphism)。當熔體達到一定數量時，就過渡為巖漿作用，形成花崗巖。6.埋藏變質作用

(burialmetamorphism)沉積盆地中的沉積物(包括火山物質),被埋藏到一定深度，引起溫度和壓力的升高，從而產生變質作用。這種變質作用同樣也具有較大的區域規模，也可以看成區域變質作用的一種。但埋藏變質作用是由埋深所引起，應力作用不明顯，巖石缺乏結晶片理。埋藏變質的溫度、壓力條件較低，一般出現濁沸石相和葡萄石－綠纖石相組合，普遍發育變餘組構。RegionalBurialMetamorphism

(Otago,NewZealand)SectionX-YshowsmoredetailGeologicsketchmapoftheSouthIslandofNewZealandshowingtheMesozoicmetamorphicrockseastoftheolderTasmanBeltandtheAlpineFault.TheTorleseGroupismetamorphosedpredominantlyintheprehnite-pumpellyitezone,andtheOtagoSchistinhighergradezones.X-YistheHaastRiverSectionofFigure21-11.FromTurner(1981)MetamorphicPetrology:Mineralogical,Field,andTectonicAspects.McGraw-Hill.RegionalBurialMetamorphism

(Otago,NewZealand)Isogradsmappedatthelowergrades:1)Zeolite2)Prehnite-Pumpellyite3)Pumpellyite(-actinolite)4)Chlorite(-clinozoisite)5)Biotite6)Almandine(garnet)7)Oligoclase(albiteatlowergradesisreplacedbyamorecalcicplagioclase)7.洋底變質作用(oceanfloormetamorphism)指洋中脊附近的巖石由於受到來源於洋中脊地幔對流的熱和自上而下的熱鹵水的影響發生變質作用，變質程度自上而下主要為沸石相、葡萄石－綠纖石相和綠片巖相，深部也可出現角閃巖相，為低壓相系，由於洋底擴張洋底變質作用的巖石遍佈整個洋底。Mid-OceanRiftsTheMid-OceanRidgeSystemFigure13-1.AfterMinsteretal.(1974)Geophys.J.Roy.Astr.Soc.,36,541-576.Lithologyandthicknessofatypicalophiolitesequence,basedontheSamialOphioliteinOman.(AfterBoudierandNicolas(1985)EarthPlanet.Sci.Lett.,76,84-92.)Ophiolite

Twotypesofocean-floormetamorphism:

1)

lowgradealterationa)

formationofpalagonite(橙玄玻璃)

b)formationofsmectites(蒙脫石)

c)formationofcarbonate

d)compactanddehydration2)

Highgrademetamorphism a)Zeolitefacies b)Pumpellyitefacies c)Epidotefacies d)AmphibolitefaciesOcean-floormetamorphismHorokanaiOphioliteisUnderlainbyKamuikotonHPterraneOcean-floormetamorphism日本北海道HPRockUltramaficHorokanaiOphioliteZoneA:zeolitefaciesZoneB:greenschistfaciesZoneC:transitionalzoneofgreenschist-amphiboliteZoneD:transitionalzoneOfamphibolitetogranuliteOcean-floormetamorphismABCD8、衝擊變質作用

(shockmetamorphism)

發生在隕石衝擊星體表面時產生的衝擊坑中，它是在極短的時間內發生的，壓力可達數十到上百個吉帕(GPa)，溫度可超過1500℃。因此它是在暫態高溫和動態高壓條件下發生的特殊類型變質作用，出現了一些特殊的高壓變質礦物，如柯石英(coesite),斯石英(stishovite)。

衝擊作用形成的特徵礦物結構(PlanarDeformationFeatures(PDFs,擊變面狀頁理).

動態高壓變形的結果.Figure22-4.

ShatterconesinlimestonefromtheHaughtonStructure,NorthwestTerritories.PhotographcourtesyRichardGrieve,?NaturalResourcesCanada.衝擊震裂錐QtzFirstnaturaloccurrenceofcoesite.Chaoetal.,1960,Science.(趙景德,1919-2008)加拿大薩德伯裏隕石坑產有世界級巨型鎳-銅-鉑族元素礦床，已探明鎳、銅和鉑族元素儲量分別為1858萬噸，1703萬噸和240萬噸。與南非弗裏德堡隕石坑具有密切成因聯繫的蘭德金礦床儲量和產量均居世界第一位，已產黃金5萬噸，尚有儲量5萬噸。俄羅斯鮑匹蓋是全球產出規模最大的金剛石礦床。該礦床位於西伯利亞東部的一處直徑超過100千米的隕石坑內，儲量估計超過萬億克拉，比目前全世界已知鑽石儲量的總和還大10倍。ImpactMetallogeny?LANDSATimageofthePopigaiCraterinSiberia,Russia恐龍的絕滅Asteroidimpactvs.Giantvolcaniceruption變質過程中，變質反應總是使新的礦物相生成，原有的礦物相消耗,從而使巖石達到新的平衡。根據溫壓條件(主要是溫度)把變質巖劃分為不同的變質級。通常將新的特徵礦物相的出現作為劃分變質級別的標誌(Isograd)。這一點在野外變質巖研究時非常有效。如果我們能夠理解變質反應過程，以及反應發生的物理化學條件，我們就能夠很好地理解變質作用。如果有很好的實驗和理論數據，我們就可以確定一個變質反應的P-T-X空間第二章變質反應及其控制因素

(1.1)相轉變(Phasetransformations)固態反應(1.2)溶離反應(出溶反應,Exsolution)

(1.3)純固態反應(Solid-solidnet-transfer)脫揮發分反應(DevolatilizationReactions)氧化還原反應(RedoxReactions)連續反應與不連續反應(ContinuousandDiscontinuousReaction)離子交換反應(IonExchangeReactions)第一節變質反應的類型1.固態反應(solid-solidreaction)(1.1)同質多型轉變(Isochemicalphasetransformation)

變質巖中最常見的同質多型轉變為Al2SiO5三個多型變體之間的轉變：

Ky(Al2SiO5)=And(Al2SiO5)

Ky(Al2SiO5)=Sill(Al2SiO5)

Sill(Al2SiO5)=And(Al2SiO5)

另外有：石英（SiO2）＝柯石英（SiO2）=斯石英（SiO2）石墨(C)＝金剛石(C)方解石（CaCO3）＝文石（CaCO3）

ThetransformationsdependontemperatureandpressureonlyAluminosilicate(As)PhaseTransformationsIndependentofothermineralspresent,fluids,etc.And+Ms+Qtz+Bt+…will->SillatthetransitiongraderegardlessofotherphasesWeusedthepresenceofandalusitetoindicatelow-pressuremetamorphicconditions,thepressureofandalusite-bearingrockstovaluesbelowabout0.38GPaAl2SiO5501℃，3.8kbar三個相的轉變只受溫度和壓力的控制PhaseTransformationsTwocoexistingpolymorphscancoexistalongtheunivariantboundarycurve.Ifweknowpressureortemperature,theotherparametermaythenbeestimatedfromoftheequilibriumcurve.IfallthreeAl2SiO5polymorphsweretobefoundinstablecoexistence,theassemblagewouldindicateconditionsattheinvariantpoint(ca.500oCand0.38GPa)Aportionoftheequilibriumboundaryforthecalcite-aragonitephasetransformationintheCaCO3system.AfterJohannesandPuhan(1971),Contrib.Mineral.Petrol.,31,28-38.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.(CaCO3)(CaCO3)IfCaCO3isstableinarocksystem,itshouldoccurascalciteattemperaturesandpressuresbelowtheequilibriumcurve,andasaragoniteattemperaturesandpressuresabovethecurve.ThisexplainswhyaragoniteisthestableCaCO3polymorphcommonlyfoundinHP-LT

RocksTheboundarycurveshavebeenexperimentallylocatedaccurately.Thepresenceofanypolymorphmayconvenientlybeusedtosetlimitsonthetemperatureandpressureconditionsunderwhicharockformed.石英＝柯石英(coesite)P>2.6GPa(T>600°C)金剛石(diamond)石墨＝金剛石(P=3.6GPa@800°C)極高突起，Raman光譜具有1331cm-1強峰(1.2)固溶體的溶離反應

(Solid

exsolutionreaction)高溫時相互混溶的固溶體，在溫度降低至臨界溫度時發生溶離，如由KNa-1交換構成的鹼性長石固溶體在溫度降低時分解為富鈉鹼性長石和富鉀鹼性長石兩種固溶體相。條紋長石：鈉長石與鉀長石固溶體分離注意與雙晶的區別OpxOpxCpxHbBiBiBiGrtGrtSplPlPl(Yeetal.,Nature,2000)Majoriticgarnetat~200kmdepths(Zhang&Liou,Am.Mineral.,2003)GrtinCpxCpxinGrt[Majorite:Mg3(Fe,Al,Si)2(SiO4)3]鎂鐵榴石Majorite(Mantlegarnet)BasalticrockPeridotiteA+B=C+D這是變質巖中很普遍的反應，如：這類變質反應通常具有明顯的體積變化，在P-T圖上其斜率較小，往往平行於溫度軸。這類反應通常作為壓力計。(1.3)一般固態反應(純固態淨轉移反應)

(Solid-solidnet-transferreactions)AugOmpGrt輝長巖在榴輝巖化過程中，普通輝石+斜長石=綠輝石+石榴石+石英PlExamples: NaAlSi2O6+SiO2=NaAlSi3O8

JdQtzAb

MgSiO3+CaAl2Si2O8=CaMgSi2O6+Al2SiO5

En An Di And 4(Mg,Fe)SiO3+CaAl2Si2O8=(Mg,Fe)3Al2Si3O12+Ca(Mg,Fe)Si2O6+SiO2

Opx Pl GrtCpxQtz礦物結構中可以含有流體成分(如-OH），但反應物和生成物中不能有流體相，否則不能稱為固態淨轉移反應。

Example:Mg3Si4O10(OH)2+4MgSiO3=Mg7Si8O22(OH)2

TlcEn Ath(Anthophyllite)Temperature-pressurephasediagramforthereaction:Albite=Jadeite+QuartzcalculatedusingtheprogramTWQofBerman(1988,1990,1991).Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.2.脫揮發分反應

(DevolatilizationReactions)這是變質巖中很常見的反應，包括脫H2O反應和脫CO2反應，尤以脫水反應常見。因為在低溫條件下形成的礦物都具有較高的揮發分(尤其是水)，而且溫度越低，H2O含量越高。

KAl2Si3AlO10(OH)2+SiO2=KAlSi3O8+Al2SiO5+H2O

Ms Qtz Kfs Sill V

CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2

Cal Qtz WoV

這些脫水反應是劃分變質作用溫度範圍，或變質程度的主要依據。

一般地，流體相(如水)比固體相有較大的熵值，反應熵變

S較大，這類反應的斜率dP/dT=

S/

V較大，反應單變線很陡，近于與壓力軸平行。因此，這些脫水反應是劃分變質作用溫度范圍，或變質程度的主要依據。KAl2AlSi3O10(OH)2+SiO2=KAlSi3O8+Al2SiO5+H2O

Ms Qtz Kfs Sill V

使PH2O

小於PLith的途徑：減少巖石的水含量，讓巖石變得干燥保持Pfluid=PLith,但通過加入其他成分的流體，如CO2，降低流體中水的含量T-Xfluid圖解H2O和CO2

是最普通的變質流體,X在T-X圖解中通常為H2O(orCO2)在H2O-CO2

混合物中的摩爾組分(XH2O)T?Xfluid

圖解需指定壓力(壓力固定)XH2O越大，發生脫水反應所需的溫度越高，即最大的反應溫度在純水的一端，向XH2O低的方向曲線變陡，在XH2O非常低時近於直立用脫水反應來指示變質級別時，必須限定流體成分!脫碳酸和碳酸鹽化反應與脫水/水化反應基本相似，但是這類反應析出CO2，局部範圍內改變了流體相的成分，使其控制因素更為複雜。對於反應Cal+Qtz=Wo+CO2實驗結果表明，在流體壓力一定的情況下，CO2分壓升高，反應溫度大大升高。Aportionoftheequilibriumboundaryforthecalcite-aragonitephasetransformationintheCaCO3system.AfterJohannesandPuhan(1971),Contrib.Mineral.Petrol.,31,28-38.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.T-XCO2phasediagramforthereactionCal+Qtz=Wo+CO2at0.5GPaassumingidealH2O-CO2mixing,calculatedusingtheprogramTWQbyBerman(1988,1990,1991).Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.5typesofdevolatilizationreactions,eachwithauniquegeneralshapeonaT-XdiagramType3:TmaxatXCO2determinedbythestoichiometricratioofCO2/H2OproducedCa2Mg5Si8O22(OH)2+3CaCO3+2SiO2 Tr Cal Qtz =5CaMgSi2O6+3CO2+H2O DiSchematicT-XCO2phasediagramillustratingthegeneralshapesofthefivetypesofreactionsinvolvingCO2andH2Ofluids.AfterGreenwood(1967).InP.H.Abelson(ed.),ResearchesinGeochemistry.JohnWiley.NewYork.V.2,542-567.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.3.氧化還原反應(RedoxReactions)這類反應主要涉及鐵的價態變化，如：

6Fe2O3=4Fe3O4+O2

hematitemagnetite

2Fe3O4+3SiO2=3Fe2SiO4+O2

magnetitequartzfayalite

這類反應的主要控制因素是氧逸度，在變質作用過程中，這類反應的地位雖不不如上述反應那樣重要，但它們的緩衝效應（Buffering）控制了變質體系中的fO2值，從而控制含鐵矽酸鹽的出現及成分。如當fO2高時，Fe3+為主，它不易進入黑雲母、石榴石和堇青石等礦物晶格，但有利於形成磁鐵礦、綠簾石、硬綠泥石和十字石等。Involvesachangeinoxidationstateofanelement6Fe2O3=4Fe3O4+O2(HMbuffer)2Fe3O4+3SiO2=3Fe2SiO4+O2

(QFMbuffer)Fe2SiO4=SiO2+2Fe+O2

(QIFbuffer)IsobaricT-fO2diagramshowingthelocationofreactions(26-13)-(26-15)usedtobufferoxygeninexperimentalsystems.AfterFrost(1991),Rev.inMineralogy,25,MSA,pp.469-488.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.連續反應也稱為滑動反應，指的是有固溶體礦物參加的反應中，反應過程中反應物與生成物之間不斷進行組分調整，也就是說生成物的形成不需要反應物的馬上消失，二者之間出現一個共生的區域，所以在P-T圖上反應單變線變成雙變域。4.連續反應和不連續反應(ContinuousanddiscontinuousReactions)4.1.ContinuousReactions(Fe,Mg)3Al2Si3O12石榴石(Fe,Mg)2Al4Si5O18.nH2O堇青石3(Mg,Fe)2Al4Si5O18.nH2O=2(Fe,Mg)3Al2Si3O12+4Al2SiO5+5SiO2+nH2O3Crd=2Grt+4Sill+5Qtz

Mg－Fe作為完全的類質同象C1C2C0G0G1G2P23Crd=2Grt+4Sil+5QtzP1P0當原巖的FeO/(MgO+FeO)分別為0.4、0.6和0.8時，堇青石和石榴石的共存域在P-T圖上的變化。共存域的寬度和位置既取決於原巖成分，又取決於溫壓條件。3(Mg,Fe)2Al4Si5O18.nH2O=2(Fe,Mg)3Al2Si3O12+4Al2SiO5+5SiO2+nH2O3Crd=2Grt+4Sill+5Qtz

ContinuousreactionsoccurwhenF

1,andthereactantsandproductscoexistoveratemperature(orgrade)intervalSchematicisobaricT-XMgdiagramrepresentingthesimplifiedmetamorphicreactionChl+Qtz

Grt+H2O.FromWinter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.不連續反應也稱為非滑動反應，指的是在有固溶體礦物參加的反應中，反應物和生成物都有一定的成分，在單變線的兩側只能有一種礦物組合是穩定的4.2.DiscontinuousReactionsDiscontinuousreactionsoccurataconstantgradeChl+Ms+Qtz

Grt+Bi+H2O

inKFASH F=C–f+2=3–4+2=15.IonExchangeReactionsReciprocalexchangeofcomponentsbetween2ormoremineralsMgSiO3+CaFeSi2O6=FeSiO3+CaMgSi2O6Annite+Pyrope=Phlogopite+AlmandineExpressedaspureend-members,butreallyinvolvesMg-Fe(orother)exchangebetweenintermediatesolutionsBasisformanygeothermobarometers瞭解：第二節變質反應的控制因素

溫度(Temperature)壓力(Pressure)應力(Stress)流體(Fluid)溫度是影響變質反應平衡的最主要物理化學因素，溫度升高引起進變質反應速率呈指數倍增加。隨著變質溫度的升高，巖石將發生一系列進變質反應。一般變質巖石的主要礦物組合都反映最高溫度條件，稱為峰期變質礦物組合(Peakassemblage)。溫度降低時發生的反應，稱退變質反應。通常我們所說的變質程度和變質級都以溫度為劃分依據。一般變質作用的溫度範圍為200－900℃（1000℃）。變質作用過程中，引起巖石溫度升高的原因很多。對接觸變質作用來說，圍巖溫度升高與巖漿釋放的熱量有關。動力變質作用中，巖石的溫度升高與構造運動的機械能有關。但對於大規模的區域變質作用來說，巖石溫度的升高與來自深處的熱流有關，熱流值的高低常以地熱梯度來表示。1.溫度(Temperature)Temperature:typicallythemostimportantfactorinmetamorphismEstimatedrangesofoceanicandcontinentalsteady-stategeothermstoadepthof100kmusingupperandlowerlimitsbasedonheatflowsmeasurednearthesurface.AfterSclateretal.(1980),Earth.Rev.Geophys.SpaceSci.,18,269-311.1.溫度(Temperature)Increasingtemperaturehasseveraleffects:1)

Promotesrecrystallization

increasedgrainsizeLargersurface/volumeratioofamineral

lowerstabilityIncreasingtemperatureeventuallyovercomeskineticbarrierstorecrystallization,andfineaggregatescoalescetolargergrains2)Drives

reactionsthatconsumeunstablemineral(s)andproducesnewmineralsthatarestableunderthenewconditions3)Overcomeskineticbarriersthatmightotherwiseprecludetheattainmentofequilibrium1.溫度(Temperature)

指巖石中流體所承受的壓力。在大多數中深變質條件下，巖石所承受的負荷壓力會完全傳遞給其中的流體，因此Pfluid＝Plith，此時流體壓力不是決定變質反應平衡的獨立因素。在地殼淺部，巖石裂隙比較發育時，由於流體相的密度小於固態巖石的密度，出現Pfluid<Plith。在某些巖漿侵入體附近，由于巖漿析出大量的流體相，可出現局部的Pfluid>Plith情況。Winkler（1979）指出在某些變質過程中也會出現局部的“流體超壓”：當巖石中的毛細孔很小，巖石的強度又足夠大時，變質反應析出的流體相會產生類似於高壓鍋的效應，形成局部流體超壓。當Pfluid

Plith時，流體壓力也是控制變質反應平衡的物理化學因素之一。(2)流體壓力(Pfluid)應力指構造運動產生的側向壓力，一般來說應力不是控制變質反應平衡的獨立因素，但它對變質作用過程十分重要。應力以多種方式增加變質反應速率。如應力作用使礦物晶格變形，使粗大礦物細粒化，因而由於表面能增加而加速變質反應；另一方面，應力作用使巖石產生裂隙，為粒間溶液的活動打開通道，促進組分遷移和交代作用的發生。3.應力(Stress)如何理解Pressure/Stress特指荷載壓力－隨深度而增大

Pressure/Stress差應力(偏應力)GraniteGraniticgneissLithostaticpressureisuniformstress(hydrostatic)Deviatoricstress=unequalpressureindifferentdirectionsDeviatoricstress(偏應力)affectsthetexturesandstructures,butnottheequilibriummineralassemblageStrain(應變)istheresponseoftherocktoanappliedstress(=yieldingordeformation)StrainenergymayovercomekineticbarrierstoreactionsDeviatoricstressescomeinthreeprincipaltypes:TensionCompressionShearTension:

s3isnegative,andtheresultingstrainisextension,orpullingapartoriginalshapestrainellipsoidFigure21-2.Thethreemaintypesofdeviatoricstresswithanexampleofpossibleresultingstructures.a.Tension,inwhichonestressinnegative.“Tensionfractures”mayopennormaltotheextensiondirectionandbecomefilledwithmineralprecipitates.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.s1s3Compression:

s1isdominant,

foldingormorehomogenousflattenings1s3Foliationisacommonresult,whichallowsustoestimatetheorientationofs1

s1>s2=s3foliationandnolineations1=s2>s3lineationandnofoliations1>s2>s3bothfoliationandlineations1Shearmotionoccursalongplanesatanangletos1s1

Pressure/Stressnearsurfacedeformation:brittlefracturesshearingforce

Pressure/StressDeepcrust/mantledeformation:ductileshearingforce(nofractures)4、流體的作用巖石中總是存在一些流體，這些流體的成分以H2O和CO2為主，它們存在於礦物晶格和粒間溶液中。這些流體的作用除了其分壓(Pfluid)可能控制變質反應平衡外，其本身作為溶劑是促進變質反應進行的一個重要因素。實際上大多數變質反應的進行都以流體作為媒介，進行元素和組分的溶解與遷移，在真正幹的條件下發生變質反應極為困難。如對2MgO+SiO2=Mg2SiO4的實驗研究發現，在幹的條件下，1000℃時，4天時間只形成26％的鎂橄欖石；但有水參與時，在450℃條件下，只需幾分鐘反應就完成了。在進變質作用過程中，以水為主的流體相不斷減少，因此一般變質作用過程也是巖石的脫水過程。流體相的成分也是變質反應的一個控制因素，CO2的分壓（摩爾分數XCO2）直接影響著反應溫度。流體作用與巖石的部分熔融H2O-saturated(solid)andH2O-free(dashed)solidi(beginningofmelting)forgranodiorite(RobertsonandWyllie,1971),gabbro(LambertandWyllie,1972)andperidotite(H2O-saturated:Kushiroetal.,1968;dry:ItoandKennedy,1967).

TheeffectofH2Oonthediopside-anorthiteliquidus.Dryand1atmfromFigure7-16,PH2O=Ptotalcurvefor1GPafromYoder(1965).CIWYb64.CalculatedeffectofH2Oonmeltingofforsteriteat1GPa,comparedwithexperimentalresultsEclogiteGabbroFluidsinorogenicbeltEclogiteGabbroAustrheimetal.,(1987),Polloketal.,(2008)GranuliteEclogiteGarnetGranuliteFluidsinorogenicbelt其他控制因素氧逸度對含鐵礦物參與的變質反應有重要影響。時間因素，對變質反應動力學意義重要。總結變質反應的基本類型固態反應脫揮發分反應氧化還原反應連續反應和不連續反應第一節變質巖的化學成分特徵原巖變質巖等化學系列(isochemicalseries)：具有同一原始化學成分的所有巖石構成等化學系列，其變質礦物組合的不同是由變質作用的類型和強度所決定的。變質巖的化學成分取決於原巖的組分和變質作用的類型和強度，如不伴有交代作用，則變質巖的化學成分就取決於原巖，如伴有交代作用則變質巖的化學成分既取決於原巖，又取決於交代作用的強度和類型＋變質作用五個等化學系列的代表性化學成分常見的變質巖石可分為五個等化學系列：即泥質（富鋁）系列、基性系列、長英質系列、碳酸鹽系列和超基性系列。自然界的巖石成分不限於這5個系列，例如它們之間的過渡類型富鋁系列基性系列長英質系列碳酸鹽系列超基性系列SiO258.548.478.45.243.5Al2O315.516.84.80.84.0FeO*6.610.51.50.512.5MgO2.58.11.27.934.0CaO3.111.15.542.63.5Na2O1.32.30.50.10.6K2O3.30.61.30.30.3H2O5.10.60.8030.7CO22.75.041.60.71).原巖為泥巖(mudstone)和葉巖(shale)等2).在化學成分上富Al2O3、SiO2、K2O，貧CaO和Na2O,K2O>Na2O3).常見的變質礦物：黑雲母(Bi),白雲母(Ms),綠泥石(Chl),藍晶石(Ky),矽線石(Sill),紅柱石(And),鐵鋁榴石(Alm),硬綠泥石(Cld),堇青石(Crd),十字石(St),鉀長石(Kfs)4)巖石類型：板巖－千枚巖－片巖－片麻巖－混合巖1.泥質系列，或富鋁系列shale→slate→phyllite→schist→gneiss→melt.

Shaleisasedimentaryterm.Slatereferstoafine-grained,low-grademetasedimentaryrockinwhichbeddingistypicallystillvisible:Figure22-1.Examplesoffoliatedmetamorphicrocks.a.Slate.b.

Phyllite.Notethedifferenceinreflectanceonthefoliationsurfacesbetweenaandb:phylliteischaracterizedbyasatinysheen.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.abSlate(板巖):compact,veryfine-grained,metamorphicrockwithawell-developedcleavage.FreshlycleavedsurfacesaredullPhyllite(千枚巖):arockwithaschistosityinwhichveryfinephyllosilicates(sericite/phengiteand/orchlorite),althoughrarelycoarseenoughtoseeunaided,impartasilkysheentothefoliationsurface.Phylliteswithbothafoliationandlineationareverycommon.Figure22-1c.Garnetmuscoviteschist.Muscovitecrystalsarevisibleandsilv