1樓：中地數媒
岩石變質的根本原因是地質環境的改變，控制變質作用的根本因素是地質因素，如大地構造位置 (島弧、海溝、洋中脊等) 、構造過程 (沉降、隆升等) 、岩漿作用等。影響變質作用的因素多種多樣，習慣上將原巖特點作為內部因素考慮，而將與地質環境密切相關的物理化學條件，主要是溫度 (t) 、壓力 (p) 、流體成分 (x) 、時間 (t) 4 個因素作為控制因素。因為這 4 個因素的變化，明顯地影響變質作用的強度、範圍和產物，進而決定變質作用型別。
1. 溫度 (t)
溫度升高有利於吸熱反應 (如脫水反應) ，溫度降低，反應向放熱方向進行。溫度升高可提高活化分子比例，克服活化能障礙，大大加快變質反應和晶體生長速率，是重結晶的決定性因素。溫度升高還可改變岩石的變形行為，從脆性變形向塑性變形轉化。
溫度升高也會通過脫水反應、脫碳酸反應形成變質熱液，它們作為催化劑、搬運劑和熱媒介對變質作用施加影響。此外，溫度升高還會導致部分熔融而發生混合巖化。
變質作用最低溫度是由成岩作用向變質作用轉化的記錄 (圖4-1) ，其與許多因素，如壓力 (深度) 、流體相的有無、流體相的成分、岩石受溫度支配的時間長短等有關，通常為 150 ～200℃，但可以到 350℃或更高 (mason，1990) 。
變質作用高溫限由變質作用與岩漿作用的轉化限定。如圖4-1 所示，二者之間有一個範圍廣大的 p-t 過渡區。這是因為熔融溫度不僅與壓力有關，而且更多地取決於岩石成分和流體的存在與否以及液體成分。
在一般的區域變質作用過程中，花崗岩、泥質岩和玄武岩等地殼中廣泛分佈的岩石，在水流體存在的情況下，熔融溫度在 600 ～ 750℃之間。但有些情況下，熔融可能發生在水流體缺乏的條件下，此時熔融溫度要比水流體存在時的熔融溫度高得多 (圖4-1) 。由變質岩礦物組合推斷的區域變質溫度的最大值約 1000℃ (mi-yashiro，1994) 。
在最上限，超基性岩的幹固相線在 1200 ～ 2000℃ 之間 (mason，1999) 。
圖4-1 變質作用溫壓範圍(據 miyashiro，1994，修改補充)
由於地球內部熱流的存在，地球內部溫度隨深度的增加而增加。溫度對深度的改變率(增加率) 稱為地熱梯度 (geothermal gradient) ，以℃ /km 為單位。熱的**主要有地幔熱對流、地殼放射性元素蛻變產生的放射熱、岩漿熱和變形產生的摩擦生熱 4 個方面。
地球上不同地點熱流不同。由於俯衝帶冷板塊向下俯衝，所以熱流值最低。根據俯衝帶變質作用研究推測地熱梯度最低值為 5℃ /km。
而在洋中脊，由於大量地幔物質上湧而具有異常高的熱流值。義大利 liguria 洋底變質岩礦物學研究表明洋底地熱梯度可高達 900 ～1300℃ / km。
2. 壓力 (p)
壓力的標準國際單位為 pa (帕斯卡) 或 gpa (= 109pa) ，地質上也常用 bar (巴)和 kbar (=103bar) 來表示。它們之間的關係為: 1 bar = 105pa，1 kbar = 0.
1 gpa。熱力學上的壓力 p 是指各向相等的靜水壓力 (hydrostatic pressure) ，它影響礦物相平衡。壓力增加，有利於體積縮小的反應，形成高密度礦物組合。
地下變質環境中存在負荷壓力 (lithostatic pressure) 、定向壓力 (directed pressure) 和流體壓力 (fluid pressure) 等 3 種壓力。負荷壓力來自上覆岩石柱，定向壓力來自構造運動，流體壓力來自粒間孔隙流體。為簡化起見，用處於地下一定深度的單位岩石垂直切面(圖4-2) 來說明它們對總壓力 p 的貢獻。
圖4-2 作用於單位岩石的不同壓力型別簡圖(據 yardley，1989)
地下一定深度岩石應力狀態可用4-2a表示，包括垂直方向的主應力(垂直直應力)σa和水平方向的側向直應力σb。當無構造作用時，σa=σb=上覆單位岩石柱的重量，就是負荷壓力p1。因此，負荷壓力是一種各向相等的靜水壓力，其大小等於上覆單位岩石柱的重量，即:
p1=σgd。式中:σ為岩石密度，g/m3;g為重力加速度，981cm/s2;d為深度。
若深度以km計，p1以gpa計，則p1=9.81σd10－3。
當岩石受到來自構造運動的定向壓力作用時，其應力狀態仍可用一定剖面上的垂直直應力σa和水平直應力σb表示，但σa≠σb。總應力狀態可看成包括兩部分:一部分為偏應力(deviatoric stress)，是一種非靜水應力，與σa-σb應力差有關，它導致岩石變形，但一般不影響相平衡;另一部分為平均應力(mean stress)，是一種靜水應力，其大小σ=(σa+σb)/2，平衡應力與負荷壓力之差稱為構造超壓(tectonic overpressure)，是構造對總壓的貢獻。
不過，構造超壓大小受限於岩石強度，後者本身又因成分、溫度、變形速率及其他因素而變化。由於變質作用發生在高溫條件下，岩石強度通常不大，因而構造超壓通常較小;正常變質條件下小於0.1gpa(miyashiro，1994)。
在變質作用p-t條件下，岩石經常含流體相，充填於孔隙空間和沿顆粒邊界分佈。如圖4-2b所示，負荷壓力p1作用於礦物顆粒邊界，使顆粒結合在一起。而流體壓力pf作用在顆粒表面，起與p1相反的作用，趨向於使顆粒分開。
由於溫度升高，流體體積膨脹，或由於發生脫h2o和脫co2反應，使流體量增大，都可使流體壓力pf增大。當增大到其數值等於p1時即與負荷壓力達到平衡。pf進一步增加，通常流體會從顆粒間隙擴散流走而保持平衡。
而在系統高度封閉、不易擴散的情況下，會造成區域性pf大於p1的情況，其差值稱作流體超壓(fluid overpressure)，顯然它將導致顆粒分離產生破裂。因此，流體超壓也受限於岩石強度，在變質作用條件下最多不超過0.1gpa。
由上述討論可知，總壓力p=p1+構造超壓+流體超壓。但由於構造超壓和流體超壓都比較小，所以在大多數情況下，我們可以假定p≈p1≈pf。在這個假定基礎上根據礦物組合估計的壓力應指示深度的最大值，實際深度有時可能要小於3km，甚至更多一些。
自地表往下，壓力大致以0.029gpa/km的速率隨深度增加而增加。平衡穩定大陸地殼厚35km，其底部壓力約0.
1gpa。現代和新生代造山帶觀察到的大陸地殼最大厚度約70km，其底部壓力約2.0gpa。
根據地質壓力計測定，現今出露在地表的變質岩大多數是在壓力0.1～1.0gpa、深度約3～35km範圍內形成的。
在更淺的深度，溫度通常太低而不能引起結晶作用。而在更大深度變質作用必定是廣泛的，但形成的變質岩很難能夠抬升出露地表。這也正是傳統觀念把變質作用限於35km地殼範圍以內深度的原因。
然而，一些在俯衝帶或大陸碰撞帶及其附近變質的岩石可能是在100km或更深的地幔深度結晶的，指示超高壓(ultrahigh-pressure)條件的礦物是柯石英和金剛石。它們在約3.0gpa以上的壓力下穩定(圖4-1)。
變質岩中的柯石英最早發現於西阿爾卑斯(chopin，1984;smith，1984)，變質岩中金剛石最早發現於哈薩克(sobolev andshatsky，1990)。以後在我國大別山區變質岩中也找到了柯石英(okay，xu，etal.，1989;wang，1989)和金剛石(徐樹桐等，1991)。
schreyer(1988)曾評價說「超高壓變質(柯石英的出現)是陸殼岩石向地幔俯衝的岩石學證跡」。
3.流體成分(x)
變質岩中含h2o礦物(雲母、角閃石等)、碳酸鹽礦物以及這些礦物包裹體的存在，特別是流體包裹體的存在，是變質作用過程中存在流體相的直接證據。早先，由於高階變質的麻粒巖無水礦物的組合，人們認為下地殼是缺乏流體的。然而，近30年來對變質岩和上地幔巖流體包裹體的研究證明，即使在麻粒巖和地幔巖中流體也是廣泛存在的(徐學純，1991，1998;鄭建平、路鳳香，1994)。
一般說來，在上地殼中、低階變質岩中，流體成分主要為揮發分h2o，co2以及ch4，含少量n2和h2s等，h2o和co2比值變化大。下地殼麻粒巖相變質岩和上地幔巖流體以co2為主，含少量h2o，h2s，ch4等。因此，對整個岩石圈而言，h2o和co2是流體的最主要成分，可近似看成流體相是由h2o和co2組成的。
變質作用p-t條件通常大於臨界點(cp)，因此流體相呈超臨界狀態(super-critical state)。在這種狀態下，區分不出流體和氣體。由圖4-3可知，不同成分流體在溫度大於300～400℃時可以彼此完全混溶。
因此，在通常變質作用p-t條件下，流體相為均一的相。不同成分(h2o和co2)彼此起稀釋作用。以摩爾分數表示其濃度，則x(h2o)+x(co2)=1。
這個表示式可近似表達岩石圈中流體組成。
變質作用中涉及大量有流體相參加的反應，如脫h2o反應、脫co2反應。流體成分對這些反應有強烈的影響。根據化學平衡的濃度定律，增加系統中某物質濃度，反應向減少其濃度方向進行。
因此，對脫水反應和脫碳酸反應，流體的x(h2o)增加(即x(co2)減少)，反應將向減少x(h2o)，增加x(co2)方向進行，即阻礙脫水反應而促進脫co2反應進行，提高脫水反應溫度、降低脫co2反應溫度。相反，增加x(co2)(減少x(h2o))將促進脫水反應而阻礙脫co2反應進行(降低脫水反應溫度、提高脫co2反應溫度)。
圖4-3 不同壓力下隨著溫度降低流體不混溶**
除揮發分外，流體中還溶解有k，na，ca，si等造巖組分和fe，cu，ag等成礦組分，在開放系統條件下，岩石在流體作用下發生元素帶入、帶出與環境發生物質交換，造成岩石的化學成分變化，並可形成礦床。因此，流體對交代作用和成礦作用起促進作用。
流體作為變質作用中的一個重要因素的另一方面表現是，流體作為催化劑可大大提高變質反應(包括交代反應)的速率。在沒有流體參與的干係統中，反應難以發生或難以反應完全。
從圖4-1可看出，流體大大降低了岩石熔點，從而促進混合巖化作用。
4.時間(t)
時間是影響變質作用的重要因素。在一定的變質溫度、壓力條件下，如果沒有足夠的作用時間，原巖的變質反應將不明顯甚至主要的變質作用無法進行，因為礦物重結晶、交代作用和塑性變形等，都是緩慢的程序。只有充足的時間才能使變質作用對原巖做有效的改造，形成各類變質岩。
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