基本介紹
- 中文名：pTt軌跡
- 外文名：pTt path
- 過程：區域變質作用
- 內容：壓力（p）和溫度（T）
概念,詳細介紹,埋藏期,加熱期或熱鬆弛期,冷卻期,相關術語,建立方法,歷史發展,研究意義,
概念
所謂P-T-t軌跡（P-T-t path）就是“岩石在變質作用過程中P-T 條件隨時間（t）的變化而變化的歷程（course）或在P-T 圖解中表示該歷程的曲線”（Miyashiro, 1994）。
近20 多年來造山帶變質岩石的研究和變質作用熱模擬表明，變質作用是一個動態過程。岩石在變質作用過程中，P-T-x 條件不是靜止不變的，而是隨時間（t）而不斷改變。
這一概念是1977 年England和Richardson 在一篇論述侵蝕作用對造山帶區域變質作用演化過程的影響的論文中提出的，當初稱作P-T 軌跡（P-T path）。以後，England 和Thompson 在對大陸增厚事件中經受區域變質作用岩石的P-T 演化規律全面熱模擬研究基礎上，正式提出P-T-t 軌跡這一術語（Englandand Thampson, 1984；Thompson and England, 1984）。P-T-t 軌跡概念的提出，是變質作用理論研究的重大突破，它使得人們從動態的觀點，重新審視變質岩石學領域的一些重大問題和基本概念，是標誌著變質作用研究進入地球動力學（geodynamics）階段的里程碑。
詳細介紹
變質地體的熱模擬和變質岩經歷的P-T-t 軌跡、熱演化及構造演化之間的關係研究成果表明，岩石經歷的實際P-T-t 軌跡的特點與變質作用構造環境密切相關。下面以大陸碰撞造山帶為例，介紹P-T-t 軌跡與構造—熱演化過程的關係及有關基本概念。
一個大陸碰撞造山帶構造演化通常由兩個階段組成：先是陸殼（或岩石圈）增厚階段，接著是侵蝕階段。而熱演化更加複雜，包括埋藏期、加熱期和冷卻期等三個階段，P-T-t 軌跡包括相應的三個段落（圖17-12）。
埋藏期
（1）埋藏期：在這一階段由於逆沖、褶皺等構造原因使地殼（或岩石圈）縮短增厚，發生構造埋藏。淺部低溫岩層迅速進入深部，岩石所處壓力迅速增高，但溫度增加沒有這么快。這是由於環境通過熱傳導的加熱作用相對要慢得多而發生滯後（delay）。結果，使地熱梯度迅速偏離增厚前的穩態地熱梯度（steady-state geothermal gradient）不斷降低而出現熱擾動（thermal disturbance）。當埋藏停止時，各處岩層到達壓力最大值（Pmax），地熱梯度為t0。
加熱期或熱鬆弛期
（2）加熱期或熱鬆弛期：這是侵蝕作用開始階段。在這一階段，壓力開始降低，同時由於熱傳導的加熱作用繼續進行，而出現熱鬆弛（thermal relaxation）。隨著壓力降低，溫度不斷升高，地熱梯度也不斷增加，向埋藏後陸殼熱補給平衡的穩態地熱梯度SSG 方向變化。例如岩石樣品3 抬升後某個時刻的瞬時地熱梯度（trancient geothermal gradient）為t1。此後繼續降壓升溫，直到由於岩石接近地表引起的冷卻作用速率即將超過熱鬆弛導致的加熱作用速率為止。此時溫度達到最大值（Tmax），P<Pmax，這個溫壓條件即熱峰P-T 條件或頂峰變質條件，由礦物組合所記錄。與此同時，地熱梯度也不斷增加。對岩石樣品3，熱峰時瞬時地熱梯度為t2。這個階段一開始溫度增加快而壓力降低慢。以後越接近熱峰，溫度上升越慢，壓力降低越快。
冷卻期
（3）冷卻期：熱峰過後，隨著較迅速地侵蝕，岩石越來越接近地表，因為熱的散失量超過加入量而出現冷卻期。在冷卻期，岩石上升減壓的同時溫度下降，地熱梯度繼續增加，向穩態的熱梯度發展。例如岩石樣品3 在上升的某個時刻瞬時地熱梯度為t 3 。這一階段開始，溫度下降緩慢，隨著越接近地表，溫度下降越快，地熱梯度也更接近穩態地熱梯度。由上述可看出，變質作用是一個動態過程。在變質作用過程中，岩石的T-P 條件，地熱梯度都不是靜止不變的，而是隨時間的改變而不斷變化，這是P-T-t 軌跡思想的核心。當然，變質作用過程中，除P、T 外，流體成分也在不斷變化，描述這種複雜變化的曲線稱為P-T-x-t軌跡。此外，還有描述P-T 變化與變形（D）關係的P-T-D-t 軌跡等。這些軌跡中，P、T、x等條件由變質礦物和礦物包裹體記錄，時間t 由專門的定年方法測定。
圖17-12圖例：
1、2、3—變質程度增高為序的變質帶；A、B、C—岩石樣品在剖面上的位置（圖a）及其相應的熱峰條件（圖b）；FPC—野外P-T 曲線；SSG—與埋藏後陸殼熱補給平衡的穩態地熱梯度；Tmax—岩石樣品經歷的最高溫度（熱峰溫度）；P max—岩石樣品經歷的最大壓力；t 0—岩石在埋藏停止時刻處於最大深度（壓力為P max ）時的地熱梯度；t 1 、t 2 、t 3—侵蝕過程中的瞬時地熱梯度；△D—岩石樣品1、樣品2 在掩埋停止時刻的厚度差；△P—岩石樣品1、2 熱峰壓力差；點劃線為進變質P-T 軌跡；實線為退變質P-T軌跡。
相關術語
熱峰條件（thermal peak conditions）是岩石在變質作用過程中經歷的最高溫度狀態時的條件，包括熱峰溫度、熱峰壓力等（Miyashiro, 1994）。也稱為頂峰變質條件（peak metamorphic conditions）（Thompson andEngland, 1984），它由變質岩礦物組合所記錄。由圖17-12 可看出，熱峰條件顯然不等於埋藏停止、岩石處於最大深度時刻的條件。前者具有最高溫度T max ，後者具有最大壓力P max 。據England 和Thompson（1984），可以證明在碰撞造山帶岩石熱峰壓力僅為所經歷的最大壓力的50-80%。同樣，兩樣品熱峰條件之差也不等於兩樣品處於最大深度時刻的條件之差。如兩樣品熱峰壓力之差（△P）不能代表二者埋藏停止時刻的深度差（△D）。由於礦物組合是變質岩最重要特徵，而礦物組合記錄的是熱峰條件，因此，熱峰溫度是非常重要的。
野外P-T 曲線和變質作用P/T 比類型
在P-T 圖解上，各變質帶岩石樣品礦物組合相應的一組熱峰條件的連線叫作野外P-T 曲線，如圖17-12 中FPC 曲線。它所顯示的“地熱梯度”叫視地熱梯度（apparent geothermalgradient）(Raymond, 1995)或野外變質梯度（metamorphic field gradient）（spear et al., 1995）。由圖17-12 可看出，一個變質地區不同變質帶的岩石樣品，是在不同時刻到達熱峰的，如該圖中樣品2 在t 1時到達熱峰狀態時，比它深的樣品3 還處在加熱期之中，而比它淺的樣品1 已處在冷卻期。因此野外P-T 曲線上各熱峰點不是同時的。換言之，野外P-T 曲線是穿時的（diachronous）。它所顯示的視地熱梯度與變質作用過程中任何瞬時地熱梯度或穩態地熱梯度都毫無關係，更不能揭示岩石變質作用的P-T 演化過程。然而，野外P-T 曲線卻代表了一個變質地區各變質帶的一系列礦物組合，是變質地區最重要的特點，所以用它來劃分變質作用（或變質地區）的P/T 比類型（或稱“壓力類型”）。通常以視地熱梯度20、40、80℃/km 為界將變質作用或變質地區劃分為以下4 個P/T 比類型：
高P/T 型（高壓型）：<20℃/km
中P/T 型（中壓型）：20~40℃/km
低P/T 變質（低壓型）：40~80℃/km
很低P/T 型（很低壓型）：>80℃/km
易混術語
進變質（prograde metamorphism）、遞增變質（progressive metamorphism）和退變質（retrograde metamorphism）、退化變質（retrogressive metamorphism）
這四個常用的術語也常容易混淆。Miyashiro（1994）給出了明確的定義。進變質是岩石在熱峰前溫度隨時間而增加過程中發生的變質結晶作用，如圖17-12 中點劃線上的變質結晶作用。而遞增變質（又譯作前進變質）是一個變質地區地表一定方向熱峰溫度連續有規律地增加的變質作用，如圖17-12 所示。遞增變質和進變質的差異在於，遞增變質指橫過一地區空間上的熱峰溫度的增加，而進變質指單個岩石中溫度隨時間的增加。遞增變質中單個岩石熱條件變化由野外P-T 曲線描述。而進變質中單個岩石P-T 條件隨時間變化由P-T-t 軌跡的進變質段落（圖17-12 中點劃線）描述。退變質是岩石在熱峰後伴隨溫度降低發生的變質重結晶作用，如圖17-12 中實線上的變質結晶作用。而術語退化變質習慣上用於兩個不同過程：①上面定義的退變質；②復變質中，比老的變質事件溫度低的較年青的變質重結晶事件，新老兩事件屬於不同的造山幕。該術語在描述中有套用方便的優點，因為通常不容易確定在實際變質岩中發生了上述兩種之中哪一種過程（Miyashiro, 1994）。
建立方法
建立變質作用的pTt軌跡主要有兩種方法：一種是根據熱傳導的基本原理，通過數學計算模擬變質作用的pTt軌跡（正演模擬）；另一種是在野外和室內綜合研究的基礎上，從變質岩石中所記錄的信息反演變質作用的pTt軌跡（反演模擬）。
在變質作用pTt軌跡的研究方面雖取得了較大進展，但是在理論基礎和研究方法上都存在一些需要進一步深入研究的問題。例如,變質階段的劃分，溫度和壓力條件的確定，不同階段年代的測定，建立pTt軌跡的正演和反演方法，不同形式pTt軌跡的大地構造環境和地球動力學過程等。
歷史發展
20世紀60年代初，都城秋穗提出了變質相系的概念，他根據地熱梯度的變化範圍劃分為低壓、中壓和高壓 3個壓力類型。並把不同的變質相系與一定的大地構造環境相聯繫。
60年代末至70年代初，人們以地質事實為依據建立起地球物理模型，用數學方法模擬了岩石圈板塊俯衝和大陸碰撞造山帶的變質作用過程。發現構造增厚柱中岩石承受的壓力受埋深控制，溫度則受擾動的地熱梯度向穩態地溫梯度演化過程中產生的加熱效應、構造增厚停止到隆起開始所持續的時間以及隆起侵蝕產生的冷卻效應等 3種因素控制。岩石的最高溫度是在壓力下降過程中達到的，加厚柱中不同深度岩石達到其最高溫度的時間並不相同。這些事實表明，變質作用過程中的地熱梯度是瞬變的，由變質帶地表剖面上獲得的一組頂峰條件即變質相系（又稱變質地溫、變質場梯度、壓溫序列或PT點陣列）是在不同時間內記錄下來的，與變質作用期間實際存在的任何一個地熱梯度無關。
