基本概述
變質作用和岩漿活動總是伴隨構造運動促使沉積物轉變成為沉積岩的成岩作用，通常也是在地下一定深度和一定的溫度、壓力等條件下進行的，它與變質作用有相似之處，但成岩作用所要求的深度、壓力和溫度都較小，在作用的過程中物質發生的變化不十分明顯；而變質作用所要求的溫度與壓力較高、深度較大，在作用過程中原岩變化顯著。一般來說，成岩作用的溫度小於150～200℃，圍壓低於100～200MPa；而變質作用則要高於這一數值。因此，可以說成岩作用與變質作用具有過渡關係。變質作用雖與溫度有重要關係，但溫度並未使原岩熔融，即原岩基本上在固態下發生變質，一旦溫度高到使原岩熔融，那么，就進入到了岩漿作用的範疇，因此變質作用與岩漿作用從發展上來看也是有聯繫的。對於大多數岩石來說，變質作用的高溫界限大致為700～900℃。
早在十九世紀六十年代，歐洲的一些地質學家就發現有些沉積岩逐漸過渡為礦物成分和結構構造都不同於原來岩石的地質現象。在野外觀察，發現沉積形成頁岩變成了雲母片岩，原來的黏土礦物變成了新生成的白雲母和綠泥石。但是在這些被改變的岩石中，還可以找到原來岩石殘餘的一些特徵，比如有層理、甚至可以見到化石殘片。於是，1883年英國學者萊伊爾在他的著作《地質學原理》一書中，首創“Metamorphism”一詞，提出了變質作用的概念，泛指人們觀察到的岩石變質現象。
Metamorphism由兩個希臘詞根構成，meta意為變化，morph意為形狀、結構。總體含義意為結構形式發生了變化，但成分基本不變。
在地殼形成發展過程中，早先形成的岩石，包括岩漿岩、沉積岩和先形成的變質岩，為了適應新的地質環境和物理化學條件的變化，在固態情況下發生礦物成分、結構構造的重新組合，甚至包括化學成分的改變，這個變化過程稱為變質作用。當然，由於變質作用形成的岩石就稱為變質岩。
從早太古宙至現代，都有變質作用發生。在非洲和前蘇聯測得侵入變質岩中的岩漿岩的年齡為35億年，在中國的冀東地區測得斜長角閃岩的年齡為35億年，在格陵蘭測得變質岩的年齡為38億年，說明在早太古宙時期，已有變質作用發生。在現代島弧底部和大洋中脊，由於有較高的地熱梯度，也正在發生變質作用。
作用方式
重結晶作用
指在原岩基本保持固態條件下，同種礦物的化學組分的溶解、遷移和再次沉澱結晶，使粒度不斷加大，而不形成新的礦物相的作用。例如，石灰岩變質成為大理岩。變質結晶作用
變質作用變質分異作用
指成分均勻的原岩經變質作用後，形成礦物成分和結構構造不均勻的變質岩的作用。例如，在角閃質岩石中形成以角閃石為主的暗色條帶和以長英質為主的淺色條帶。交代作用
指有一定數量的組分被帶進和帶出，使岩石的總化學成分發生不同程度的改變的成岩成礦作用。岩石中原有礦物的分解消失和新礦物的形成基本同時，它是一種逐漸置換的過程。變形和碎裂作用
在淺部低溫低壓條件下，多數岩石具有較大的脆性，當所受應力超過一定彈性限度時，就會碎裂。在深部溫度較高的條件下，岩石所受應力超過彈性限度時，則出現塑性變形。影響因素
積岩和岩漿岩可以通過變質作用形成火山變質作用的壓力範圍一般為0～109帕。根據物理性質，壓力分為兩種。一種是靜壓力，具有均向性，又分為負荷壓力和流體壓力。負荷壓力指岩石在地殼一定深度所承受的上覆岩層的重力，其數值隨深度而增加。流體壓力指變質作用中岩層記憶體在的少量流體的壓力。一般情況下，變質作用中流體壓力等於負荷壓力，少數情況下，兩者不相等時，則流體壓力起獨立作用，成為控制脫水和脫碳酸鹽化等變質反應的主要因素。另一種是應力，鎖是一種側向壓力，通常和地殼活動帶的構造運動有關。一般，應力在地殼淺部較強，深部則減弱,表現為對岩石和礦物的機械改造，岩石變形、板狀劈理、碎裂構造都與應力有關。應力還能通過多種途徑加速變質反應和重結晶作用。
在變質作用中，岩石中常存在少量流體相，且隨變質程度的加強而減少。流體相的成分以水和二氧化碳為主，可含有其他易揮發組分。隨著溫度和壓力的增大，其活動性也隨之增強，一般可以起溶劑作用，促進組分溶解，並加強其擴散速度，從而促進重結晶和變質反應，也可以直接參與水化和脫水等變質反應。上述變質作用因素不是孤立存在，通常是同時出現，互相配合又互相制約。此外，時間也是一個重要因素。
關於變質作用中溫度和壓力的上下限，大多數學者認為在水流體存在時，變質作用的高溫限約為700～900℃，在無水的情況下，溫度可能還要高些。關於低溫限，各家說法不一，大致為150～200℃。
變質類型
變質作用的分類各家不完全一樣，有的側重於地質特點，有的側重於物理化學條件，有的側重於礦物組合和變形作用所產生的結構構造特點。合理的分類應是一個綜合分類，既要考慮變質作用形成時的大地構造環境，又要以反映熱流變化的變質相和變質相係為基礎。根據變質岩系產出的地質位置、規模和變質相系，同時考慮大多數人的稅慣分法，可把變質作用分為局部性的和區域性的兩大類別。局部性的包括下列類型。接觸變質作用
變質作用轉變成大理岩①熱接觸變質作用：指岩石主要受岩漿侵入時高溫熱流影響而產生的一種變質作用。定向應力和靜壓力的作用一般較小，具有化學活動性的流體只起催化劑作用，圍岩受變質作用後主要發生重結晶和變質結晶，原有組分重新改組為新的礦物組合併產生角岩結構，而化學成分無顯著改變。
②接觸交代變質作用：在侵入體與圍岩的接觸帶，圍岩除受到熱流的影響外，還受到具化學活動性的流體和揮發分的作用，發生不同程度的交代置換，原岩的化學成分、礦物成分、結構構造都發生明顯改變，形成各種夕卡岩和其他蝕變岩石，有時還伴生有一定規模的鐵、銅、鎢等礦產以及鉬、鈦、氟、氯、硼、磷、硫等元素的富集。
高熱變質作用
指與火山岩和次火山岩接觸的圍岩或捕虜體中發生的小規模高溫變質作用。其特點是溫度很高，壓力較低和作用時間較短。圍岩和捕虜體被烘烤退色、脫水，甚至局部熔化，出現少量玻璃質。有時生成默矽鎂鈣石、斜矽鈣石和矽鈣石等稀少礦物。動力變質作用
區域變質作用，是由地殼運動所引起的①碎裂變質作用：當岩層和岩石遭受斷層錯動時發生壓碎或磨碎的一種變質作用，也有人稱為動力變質作用(狹義的)、斷錯變質作用或機械變質作用。一般常發生於低溫條件下，重結晶作用不明顯，常呈帶狀分布，往往與淺部的脆性斷裂有關。
②韌性剪下帶變質作用：韌性剪下帶指由韌性剪下作用造成的強烈變形的線狀地帶，可以有很大的寬度和長度。它與脆性斷裂不同，剪下帶內的變形是連續的，不發育明顯的斷層面,但又有相對位移。剪下帶變形及相關的變質作用具有相同的邊界條件，都限於剪下帶內部。一般疊加在區域變質作用產物上的剪下變形往往伴有退化變質作用，其變質程度從低溫綠片岩相至高溫角閃岩相。與區域變質同期的韌性剪下帶變質作用較為複雜，在少數情況下，遞進剪下變形也可以伴有進化變質作用。導致剪下帶變質作用的主要原因有兩個，一是流體的注入，另一是由剪下應變引起的等溫面變形和熱鬆弛作用。
③逆掩斷層變質作用：逆掩斷層導致的變質作用與剪下帶變質作用有明顯差異，主要影響其下盤和一部分上盤岩石，上盤即逆掩的岩石發生快速退化變質作用，而下盤被逆掩的岩石產生快速的增壓變質作用，隨後又發生熱調整使地熱梯度緩慢升高，整個岩系相應地發生緩慢的進化變質作用，最後岩系底部發生部分熔融並導致晚期侵入體的生成。
衝擊變質作用
指隕石衝擊月球或地球表面岩石產生特殊高溫和高壓所引起的一種瞬間變質作用。宇宙中的巨大隕石，以很大的速度（10～20公里/秒）降落於地球表面，在很短的時間內（10-3～10-1秒），給地球岩石以特大的衝擊，使之發生強烈爆炸，產生超高壓（1011～1014帕）、極高溫(≥10000℃)和釋放出巨大能量，使衝擊中心形成巨大的隕石坑。在隕石坑中及其周圍，生成各種衝擊岩。氣液變質作用
指具有一定化學活動性的氣體和熱液與固體岩石進行交代反應，使岩石的礦物和化學成分發生改變的變質作用。氣水熱液可以是侵入體帶來的揮發分，或者是受熱流影響而變熱的地下循環水以及兩者的混合物。在一定條件下，它們可改造岩石中的礦物，形成各種蝕變岩石，並使某些有用元素遷移、沉澱和富集。在氣液變質強烈地段往往出現蝕變分帶，有利於成礦，故可作為一種普查找礦標誌。燃燒變質作用
煤層或天然易燃物由於氧化或外部原因使溫度上升而引起燃燒，溫度可達1600℃，影響範圍可超過10平方公里。可使周圍岩石產生重結晶或部分熔化，受變質的泥質或泥灰質沉積岩常裂成碎片或生成燒變岩。這是一種熱源來自岩石自身的稀少熱變質作用。中國新疆和山西大同的侏羅紀煤田，加拿大北部煙山的白堊系含油砂岩和頁岩，都發生過這類變質作用。區域性的變質作用，一般規模巨大，主要呈面型分布，出露面積從幾百到幾千甚至上萬平方公里，它可分為下列4個主要類型。高溫變質作用
主要見於太古宙地盾或克拉通，常發生在地殼演化的早期，它不同於元古宙以來活動帶的變質作用。以單相變質的麻粒岩相和角閃岩相為主，呈面型分布，變質溫度,麻粒岩相一般為700～900℃，角閃岩相一般為550～700℃，壓力一般為(5～10)×108帕。重熔混合岩比較發育，英雲閃長岩、奧長花崗岩和花崗閃長岩等分布廣泛。紫蘇花崗岩僅見於麻粒岩相區。構造上表現為穹窿和短軸背斜。中國的華北陸台有廣泛出露。熱流變質作用
即一般所稱的區域動熱變質作用，也有人稱為造山變質作用。這是在區域性溫度、壓力和應力增高的情況下，固體岩石受到改造的一種變質作用，它往往形成寬度不等的遞增變質帶。此種變質作用在地理上以及成因上常與大的造山帶有關，如歐洲蘇格蘭—挪威的加里東造山帶，北美的阿巴拉契亞造山帶，中國的祁連山造山帶等。變質作用的形成溫度可達700℃，有的高達850℃，壓力為(2～10)×108帕，岩石變質後具明顯的葉理或片理。常伴有中酸性岩漿活動或區域性混合岩化作用。埋藏變質作用
又稱埋深變質作用，也有人稱靜力變質作用、負荷變質作用或地熱變質作用。埋深變質作用與岩漿侵入作用和造山應力作用都無明顯關係，它是地槽沉積物及火山沉積物隨著埋藏深度的變化而引起的一種變質作用，岩石一般缺乏片理。形成溫度較低，最高可能為400～450℃，壓力較高。埋深變質作用一方面解釋了含有沸石類礦物的變質岩，另一方面解釋了含硬柱石、藍閃石的變質岩，這兩類變質岩是在相近的低溫條件下形成，但是它們在壓力上有較大差別。經常伴生榴輝岩（C型）、蛇紋岩或蛇綠岩。未見有混合岩，同構造期花崗岩很不發育。關於埋深變質作用的成因有造陸運動下沉說、洋槽沿俯衝帶下沉說和大斷裂造成的下沉說等。洋底變質作用
指大洋中脊附近的變質作用，在大洋中脊下部的熱流具有較高的速率，並隨深度而快速增加，使原有的基性岩（玄武岩、輝長岩等）變質。以後由於洋底擴張，不斷產生側向移動，使這些變質岩移至正常的大洋盆中。變質的基性岩，一般不具片理，基本保留原有結構，其變質相主要是沸石相和綠片岩相。根據對大西洋、太平洋和印度洋底樣品研究，變質岩中的礦物共生組合，常隨深度而變化，其順序為黝簾石→葡萄石+陽起石→綠片岩相，葡萄石-綠纖石相組合缺失，說明大洋中脊玄武岩變質時比許多大陸上蛇綠岩的地熱梯度高。區域變質作用按壓力類型分為低、中、高三個類型和兩個過渡類型，具有一定的溫度—壓力梯度，並與一定的地質環境有密切關係。80年代中，中國岩石學家董申保等把中國的區域變質作用分為主要類型、基礎類型和輔助類型。主要類型有：①埋深變質作用：包括濁沸石相、葡萄石－綠纖石相型（淺到中等深度型）和藍閃石－硬柱石片岩相型（高壓相系型）兩個基礎類型
②區域低溫動力變質作用：包括低綠片岩相（千枚岩）型和綠片岩相（有時可出現藍閃綠片岩相）型兩個基礎類型
③區域動力熱流變質作用：包括中壓相系和低壓相系型兩個基礎類型
④區域中高溫變質作用：包括麻粒岩相型和角閃岩相型兩個基礎類型。輔助類型包括蓋層變質作用和斷陷變質作用。
地殼演化
變質作用的特點、分布、發生和發展，均受當時當地的原岩建造、大地構造、環境和熱流強度等綜合控制，而這些又受地殼演化、特別是地殼和地幔相互作用的影響。變質作用類型的時空分布常顯示旋迴性和不可逆變化，它是地殼演化中地質旋迴的一種表現，稱變質旋迴，在中國、前蘇聯和歐洲地區都有相似的特點。太古旋迴（早期變質旋迴），主要以矽鋁殼的垂向加厚和側向增長為特徵，熱流值偏高，分布廣而基本均勻，與此相聯繫的是大面積單向變質的區域中、高溫變質作用的出現。
元古旋迴，早元古期出現陸台和地槽體系，前者穩定，後者成為活動帶。這一旋迴的早期熱流值較高，晚期變弱，除少數地區主要發育區域動力熱流變質作用外，多數由兩種變質作用類型所組成，早期是區域動力熱流變質作用，晚期是區域低溫動力變質作用。元古旋迴晚期在有些地區開始出現埋深變質作用的藍閃綠片岩相，它常與綠片岩相共生，其原岩形成環境屬於受深斷裂控制的深海槽，認為是由於地殼下部的地幔折斷、下沉而引起的大陸俯衝作用的結果。
顯生旋迴，高熱流值更加收斂，往往表現為大面積的綠片岩相帶，而角閃岩相帶僅局部出現。個別地區出現有雙變質帶，表現為高壓相系的藍閃石——硬柱石片岩相變質作用與低壓相系的區域動力熱流變質作用或區域低溫動力變質作用與區域動力熱流變質作用成對出現。
一、變質作用的因素與方式
（一）引起變質作用的因素
引起變質作用的主要因素是溫度、壓力及化學活動性流體。
1.溫度
溫度往往是引起岩石變質的主導因素。它可以提供變質作用所需要的能量，使岩石中礦物的原子、離子或分子具有較強的活動性，促使一系列的化學反應和結晶作用得以進行；同時溫度增高還可使礦物的溶解度加大，使更多的礦物成分進入岩石空隙中的流體內，增強了流體的滲透性、擴散性及化學活動性，促進了變質作用的過程。變質作用的溫度範圍可由150～200℃直到700～900℃。
導致岩石溫度升高的主要原因有：①岩漿的侵入作用使其圍岩溫度升高；②當地殼淺部的岩石進入更深部時，由於地熱增溫使原岩的溫度升高；③由深部熱流上升所帶來的熱量使岩石的溫度升高；④岩石遭受機械擠壓或破裂錯動時由機械能轉化的熱量使岩石的溫度升高，這種熱量一般較小或較局限。
2.壓力
壓力也是變質作用的重要因素，根據壓力的性質可分為靜壓力和動壓力。
靜壓力又稱圍壓，是由上覆岩石的重量引起的壓力。它具有均向性，並且隨著深度增加而增大。靜壓力的作用在於使岩石壓縮，導致礦物中原子、分子或離子間的距離縮小，促使礦物內部結構改變，形成密度大、體積小的新礦物。如紅柱石（Al2SiO5）是在壓力較低的環境下形成的，相對密度為3.1～3.2g/cm3，當靜壓力增大時，它可以轉變為化學成分相同、但分子體積較小的藍晶石（Al2SiO5），其相對密度為3.56～3.68g/cm3。
動壓力是由構造運動所產生的定向壓力。由於動壓力只存在於一定的方向上，因而使得岩石在不同方向上產生了壓力差。這種壓力差在變質作用中有著十分重要的意義。它可以引起礦物的壓溶作用，即在平行動壓力方向上溶解較強，物質遷移到垂直動壓力方向上沉澱，導致原岩發生礦物的重新分異與聚集，造成礦物定向排列；也可以使原岩破碎或產生變形，從而改造了原岩的結構與構造。
3.化學活動性流體
化學活動性流體是指在變質作用過程中存在於岩石空隙中的一種具有很大的揮發性和活動性的流體。這種流體的組分以H2O及CO2為主，並包含有多種其它易揮發物質及其溶解的礦物成分。在地下溫度、壓力較高的條件下，這種流體常呈不穩定的氣-液混合狀態存在，因而具有較強的物理化學活動性，在變質過程中起著十分重要的作用。
化學活動性流體可以促使礦物組分的溶解和遷移，引起原岩物質成分的變化；而且，這種流體作為固體與固體之間發生化學反應的媒介具有極重要的意義，因為固體之間的化學反應涉及到物質組分的交換，如果沒有流體媒介，這種反應是極其緩慢的；同時，流體本身也積極參與了變質作用的各種化學反應；此外，流體的存在還會大大降低岩石的重熔溫度，使變質作用的高溫界限變低。
化學活動性流體具有多種來源。其中包括岩石空隙中原已存在的孔隙水、變質過程中從礦物結構中析出的H2O及CO2等揮發性物質、從岩漿中分離出的揮發性組分以及從地下深處分異上升的深部熱液等。
必須指出，上述各種變質作用因素常常是互相配合、共同改造岩石的。但是，在不同的情況下起主要作用的因素會有所不同，因而變質作用也相應地顯示出不同的特徵。
（二）變質作用的方式
在溫度、壓力及化學活動性流體的作用下，原岩可發生物質成分和結構、構造的變化。但是，這一變化是如何得以完成的呢？了解變質作用的方式有助於我們了解變質作用的過程。變質作用的方式極其複雜多樣，其主要的方式有以下幾種。
1.重結晶作用（recrystallization）
重結晶作用是指岩石在固態下，同種礦物經過有限的顆粒溶解、組分遷移，然後又重新結晶成粗大顆粒的作用，在這一過程中並未形成新礦物。最典型的例子是隱晶質的石灰岩經重結晶作用後變成顆粒粗大的大理岩（主要礦物成分均為方解石）。重結晶作用在成岩作用中已經出現，但在變質作用中則表現得更加強烈和普遍。重結晶作用對原岩的改造主要是使其粒度加大、顆粒相對大小均一化、顆粒外形變得較規則。
2.變質結晶作用（metacrystallization）
變質結晶作用是指在變質作用的溫度、壓力範圍內，在原岩總體化學成分基本保持不變的情況下（揮發分除外），原有礦物或礦物組合轉變為新的礦物或礦物組合的作用。由於這種變化過程多數情況下涉及岩石中各種組分的重新組合，並以化學反應的方式完成，故又稱重組合作用或變質反應。變質結晶作用的主要特點是有新礦物的形成和原礦物的消失，並且在反應前後岩石的總體化學成分基本不變。
3.交代作用（metasomatism）
交代作用是指變質過程中，化學活動性流體與固體岩石之間發生的物質置換或交換作用，其結果不僅形成新礦物，而且岩石的總體化學成分發生改變。例如，含Na+的流體與鉀長石發生交代作用而置換出K+，形成新礦物鈉長石（斜長石的一種）：
KAlSi3O8+Na+→NaAlSi3O8+K+
(鉀長石)(帶入)(鈉長石)(帶出)
交代作用的特點是：在固態下進行；交代前後岩石的總體積基本保持不變；原礦物的溶解和新礦物的形成幾乎同時進行；交代作用是在開放系統中進行的，反應前後岩石的總體化學成分發生改變。交代作用在變質過程中是比較普遍的，凡有化學活動性流體參加的情況下，總會有不同程度的交代作用發生。
