在俯沖/碰撞環(huán)境中形成的高壓 (HP) 巖石為理解板塊構(gòu)造過(guò)程提供了關(guān)鍵信息。榴輝巖的折返速率對(duì)于確定構(gòu)造如何適應(yīng)板塊運(yùn)動(dòng)速率至關(guān)重要，而板塊運(yùn)動(dòng)速率又會(huì)影響折返機(jī)制。巖石年代學(xué)研究旨在限定造山運(yùn)動(dòng)過(guò)程中巖石形成的絕對(duì)時(shí)間、構(gòu)造變質(zhì)或巖漿過(guò)程的速率等。鋯石年代學(xué)是最被廣泛用于獲得各階段變質(zhì)年齡的方法，該方法要求能夠區(qū)分高壓巖石中的變質(zhì)鋯石是在榴輝巖相還是在冷卻和/或減壓后生長(zhǎng)。

Rubatto (2002)開創(chuàng)性地提出，榴輝巖相鋯石具有相對(duì)平坦的重稀土元素 (HREE)和無(wú) Eu 異常的特征，這是因?yàn)楦邏旱V物組合中存在豐富的石榴子石而缺乏斜長(zhǎng)石；該文獻(xiàn)至今已被SCI引用2857次（據(jù)Web of science），是變質(zhì)巖領(lǐng)域引用率最高的文獻(xiàn)之一。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)和眾多自然觀測(cè)進(jìn)一步研究了高壓和高溫巖石中鋯石和石榴子石之間的平衡分配系數(shù)，認(rèn)為鋯石中相對(duì)平坦重稀土模式表明鋯石在富含石榴子石的礦物組合中生長(zhǎng)，是具有高級(jí)變質(zhì)巖中壓力峰期生長(zhǎng)鋯石的典型特征。該結(jié)論已被廣泛應(yīng)用于高壓、高溫等多類變質(zhì)巖，確定變質(zhì)作用的峰期年齡、大地構(gòu)造過(guò)程等。其中，許多研究根據(jù)榴輝巖中變質(zhì)鋯石的平坦重稀土解釋其記錄了壓力峰期變質(zhì)年齡，從而估算出較快的折返速率，部分達(dá)到甚至超過(guò)了板塊運(yùn)動(dòng)速率（20–100毫米/年）。

然而，Rubatto (2017)也警告說(shuō)，上述標(biāo)準(zhǔn)需要在適當(dāng)?shù)牡V物組合和平衡條件下，而不應(yīng)不加區(qū)分地使用這種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解釋榴輝巖中的鋯石。此外，部分研究對(duì)榴輝巖相鋯石的這種特征提出了質(zhì)疑：1）部分研究認(rèn)為這些鋯石在隨后的折返過(guò)程中可以重結(jié)晶并經(jīng)歷U-Pb體系的部分或全部重置，而稀土體系則基本保持不變；2）在部分熔融的高溫巖石中，含鋯封閉體系的相平衡模擬表明，變質(zhì)鋯石應(yīng)在前進(jìn)變質(zhì)至峰期變質(zhì)期間溶解，在冷卻和熔體結(jié)晶期間生長(zhǎng)（Kelsey et al., 2008）；3）質(zhì)量平衡模型表明榴輝巖中的綠輝石和石榴子石生長(zhǎng)反應(yīng)會(huì)消耗鋯元素（Kohn et al., 2015），因此上述趨勢(shì)完全可應(yīng)用于高壓/超高壓礦物組合；4）上述趨勢(shì)也適用于考慮熔體丟失的開放體系，雖然熔體丟失抑制了冷卻過(guò)程中鋯石的增加，但仍預(yù)測(cè)前進(jìn)變質(zhì)過(guò)程中鋯石的增長(zhǎng)有限（Yakymchuk and Brown, 2014）。但是，上述模型的缺陷在于假設(shè)所有礦物相與熔體/流體接觸的鋯石之間處于平衡狀態(tài)，無(wú)法解釋鋯石被熔體/流體屏蔽或與殘余巖石不平衡的孤立熔體斑塊。

總之，模擬、實(shí)驗(yàn)和對(duì)天然樣品的研究越來(lái)越多地表明，榴輝巖中的鋯石可以在前進(jìn)變質(zhì)過(guò)程至壓力峰期過(guò)程中少量生長(zhǎng)，而在壓力峰期后折返和冷卻過(guò)程中生長(zhǎng)則可能是更加普遍的現(xiàn)象，這需要具體問(wèn)題具體分析。但是為什么很多鋯石明確是折返過(guò)程中生長(zhǎng)的，但是也有平坦的重稀土模式呢？如果是在含石榴子石礦物組合中生長(zhǎng)的鋯石，無(wú)論是在壓力峰期、溫度峰期還是減壓過(guò)程中，都應(yīng)該獲得相對(duì)平坦的重稀土模式。但是減壓折返過(guò)程中往往伴隨石榴子石的分解，很多樣品中甚至殘留的石榴子石已經(jīng)很少。是否存在其它更普適性的成因模式，但卻被人們長(zhǎng)期忽視了呢？

基于上述科學(xué)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所吳福元院士團(tuán)隊(duì)的王佳敏副研究員等，與瑞士伯爾尼大學(xué)的Daniela Rubatto教授和Pierre Lanari副教授開展合作，對(duì)喜馬拉雅造山帶中部日瑪那雜巖中的麻粒巖化榴輝巖及花崗質(zhì)片麻巖圍巖進(jìn)行了詳細(xì)的巖石學(xué)和年代學(xué)研究，基于過(guò)程較為清楚的喜馬拉雅年代學(xué)擱架來(lái)約束鋯石的形成階段，進(jìn)一步探尋榴輝巖中鋯石在變質(zhì)演化過(guò)程中的生長(zhǎng)行為和平坦重稀土模式成因。

首先，該研究運(yùn)用相平衡模擬和多種溫壓計(jì)方法確定了上述榴輝巖的P-T演化過(guò)程和礦物相變關(guān)系：榴輝巖相礦物組合在660–720°C和1.6–1.9 GPa（M1）下形成，隨后疊加了高壓麻粒巖相變質(zhì)（M2）和>900°C和0.8–1.1 GPa的超高溫變質(zhì)作用（M3），最后重新平衡于780–810°C和0.8–1.0 GPa（M4）的條件。沿著該P(yáng)-T演化軌跡，礦物比例最顯著的變化是高達(dá)~35 vol%的石榴子石被消耗吸收及~32 vol%的角閃石增長(zhǎng)。壓力峰期階段礦物如石榴子石和綠輝石在M3階段仍以亞穩(wěn)態(tài)礦物的形式存在，然后在水進(jìn)入體系時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)镸4階段的角閃石。角閃石可穩(wěn)定存在于M3-M4階段，但主要形成于M4階段，因?yàn)槠湫纬尚枰稍锏腢HT條件限制角閃石不會(huì)具有較高的含量。

其次，運(yùn)用多種副礦物巖石年代學(xué)方法、結(jié)合研究區(qū)已經(jīng)發(fā)表的年代學(xué)資料，可以建立起研究區(qū)的變質(zhì)年代學(xué)格架（圖1）：1）于 38–34 Ma發(fā)生了榴輝巖相變質(zhì)（M1），被榴輝巖中的石榴子石Lu-Hf年齡所記錄；2）于 30–16 Ma經(jīng)歷減壓升溫至超高溫變質(zhì)（M1至M3），被正片麻巖中少數(shù)獨(dú)居石U-Th-Pb年齡所記錄；3)于16~13 Ma經(jīng)歷等壓冷卻而從溫度峰期（M3）到最終再平衡于M4，被正片麻巖中大多數(shù)獨(dú)居石 U-Th-Pb 年齡和榴輝巖中鋯石U-Pb年齡所記錄；4)于13–10 Ma冷卻至650–500°C, 被榍石和金紅石 U-Pb 年齡、以及侵位至15–10 km深度的淡色花崗巖所記錄；于11–10 Ma冷卻至350–280 °C，被云母Ar-Ar年齡所記錄；5）重建的變質(zhì)和冷卻時(shí)間尺度表明，該榴輝巖的平均折返速率約為2毫米/年，溫度峰值后快速冷卻速率約為100°C/Ma。

圖1 喜馬拉雅日瑪那雜巖的地質(zhì)年代學(xué)總結(jié)、及榴輝巖的折返軌跡和冷卻歷史

在重建了變質(zhì)時(shí)代以后，結(jié)合以下所有證據(jù)，他們得出結(jié)論，麻?；褫x巖中的~14 Ma鋯石邊部生長(zhǎng)于麻粒巖相/角閃巖相、而非榴輝巖相（圖2）：1）鋯石邊部共存的角閃石、斜長(zhǎng)石和鈦鐵礦等低壓礦物包裹體代表了M3-M4階段的礦物組合，證明其為低壓下新生長(zhǎng)的增生邊，也排除了鋯石U-Th-Pb體系在(U)HT條件下重置、同時(shí)保留榴輝巖相的平坦重稀土模式的可能性；2)扇形、冷杉樹狀或平面環(huán)帶結(jié)構(gòu)也與鋯石結(jié)晶于高溫條件下的深熔熔體相符；3) 鋯石中 Ti 的平均溫度為700–730°C，表明大多數(shù)鋯石邊緣是在角閃巖相條件下生長(zhǎng)的，少數(shù)溫度更高的邊緣（830–850°C）可能是在麻粒巖相條件下生長(zhǎng)的；4) 樣品16WDG10和16WDG17（5–6‰）中鋯石的δ18O大多接近地幔值~5.5‰，而樣品16WDG19中的δ18O值較低（2–4.5‰）。這表明變質(zhì)鋯石可能生長(zhǎng)于麻粒巖化榴輝巖釋放的原位熔體/流體（封閉系統(tǒng)），而非印度長(zhǎng)英質(zhì)大陸釋放的外部熔體/流體（8–9‰）；5）前人基于鋯石中的綠輝石和金紅石包裹體來(lái)解釋這些鋯石形成于榴輝巖相變質(zhì)時(shí)代，需要格外謹(jǐn)慎；這是因?yàn)樵谕俗冑|(zhì)或麻粒巖化榴輝巖中，綠輝石和金紅石可作為亞穩(wěn)定狀態(tài)的殘留礦物保存于基質(zhì)中，即使很晚期生長(zhǎng)的鋯石依然可以包裹這些榴輝巖相礦物，它們之間是不平衡的；只能說(shuō)明鋯石形成既可以與榴輝巖相同期，也可以(很)晚于榴輝巖相時(shí)代，存在多解性。只有柯石英、金剛石等難以保存的高壓礦物才具有明確的指示意義。相反，如果在鋯石中找到斜長(zhǎng)石、角閃石、鈦鐵礦等中低壓礦物，則可以明確指示鋯石形成于中低壓條件下。

那么，為什么榴輝巖中的鋯石生長(zhǎng)于麻粒巖/角閃巖相條件下，卻具有平坦重稀土和低稀土總量的模式呢？他們觀察到麻粒巖化榴輝巖樣品均含有較高體積分?jǐn)?shù)的角閃石（11~41 vol%），并且這些角閃石富集較高的稀土元素總含量（80~260 μg/g）。角閃石中稀土元素總含量約為石榴子石的4倍、為單斜輝石的7倍，輕稀土元素含量約為石榴子石的130倍，中稀土元素含量約為石榴子石的3倍，而重稀土元素含量與石榴子石相近（圖3）。其他造巖礦物的稀土元素含量均遠(yuǎn)低于石榴子石和角閃石。質(zhì)量平衡計(jì)算表明，樣品中的角閃石涵蓋了全巖67~92%的稀土元素總量，是導(dǎo)致變質(zhì)鋯石中稀土元素總量較低的關(guān)鍵因素。該研究中麻粒巖/角閃巖相鋯石的低稀土總量模式，具有與榴輝巖相鋯石相似的平坦重稀土配分模式（圖3e中的紅線），此外其稀土元素總量也低得多。而角閃石的負(fù)Eu異常則抵消了斜長(zhǎng)石的正Eu異常，導(dǎo)致鋯石并無(wú)Eu異常。未來(lái)研究中應(yīng)重點(diǎn)甄別此兩種類型，應(yīng)該避免誤用。特別是在富含角閃石的變質(zhì)基性巖中，變質(zhì)鋯石的平坦重稀土模式不一定是榴輝巖相與石榴子石相平衡的標(biāo)志，也可能是麻粒巖/角閃巖相生長(zhǎng)的鋯石的低稀土總量模式（圖4）。應(yīng)該綜合考慮結(jié)構(gòu)、礦物包裹體、氧同位素、礦物含量、多種年代學(xué)方法等來(lái)判斷。

圖3 榴輝巖中造巖礦物和鋯石的微量元素含量、稀土配分模式和質(zhì)量平衡計(jì)算結(jié)果。其中角閃石涵蓋了全巖67~92%的稀土元素總量，主導(dǎo)了鋯石具有低稀土總量的配分模式

圖4 榴輝巖P-T演化過(guò)程中鋯石生長(zhǎng)行為與石榴子石和角閃石的關(guān)系示意圖

最后，他們將上述新的成因模式對(duì)部分快速折返榴輝巖進(jìn)行了重新解釋，這些高壓地體中由于榴輝巖相變質(zhì)時(shí)代的爭(zhēng)議，即使同一露頭的榴輝巖的折返速率估算差異也相差>11倍（圖5）。1）印度西北Tso Morari 超高壓榴輝巖的鋯石記錄了47–45 Ma的年齡，前人將其解釋為壓力峰期變質(zhì)時(shí)代，從而得出了~30 毫米/年的超快速折返速率；但是上述鋯石年齡與獨(dú)居石/榍石的U-Pb年齡和角閃石Ar-Ar年齡相同，并且該地區(qū)角閃石化的榴輝巖實(shí)際上更為廣泛分布（角閃石含量可達(dá)36 vol%），上述鋯石應(yīng)該為折返至中地殼發(fā)生角閃巖相退變時(shí)生長(zhǎng)的，重新估算其折返速率應(yīng)為6–8毫米/年；2）巴布亞新幾內(nèi)亞弗格森島的新鮮榴輝巖的鋯石年齡為7.9±1.9 Ma，而角閃巖化榴輝巖的年齡分別為7.0±1.0 Ma、2.8±0.3 Ma和2.1±0.5 Ma，這些年齡均被不同學(xué)者解釋為超高壓變質(zhì)時(shí)代，導(dǎo)致折返速率估算從9 毫米/年到約100 毫米/年，差距達(dá)11倍。角閃巖化榴輝巖中的部分鋯石顆粒具有平坦重稀土模式、但稀土總含量較低，與該研究中相似，更可能是在角閃巖相疊加變質(zhì)期間形成的（角閃石含量>10 vol％）。因此其折返速率應(yīng)是<10毫米/年，而非~100毫米/年。從上可看出，大多數(shù)榴輝巖的折返并非前人認(rèn)識(shí)的那么快，構(gòu)造擠出的榴輝巖折返一般慢于板塊運(yùn)動(dòng)速率。

圖5 根據(jù)鋯石變質(zhì)年齡計(jì)算所得的(a)全球典型榴輝巖折返速率及具體實(shí)例：(b,c)印度西北Tso Morari榴輝巖；(d,e)巴布亞新幾內(nèi)亞榴輝巖

研究成果發(fā)表于國(guó)際地學(xué)期刊EPSL（王佳敏*, Daniela Rubatto, Pierre Lanari, 田雨露, 陳意, 吳福元. Low total REE zircon formed in equilibrium with hornblende in granulitized eclogites: Implications for exhumation rates[J].Earth and Planetary Science Letters, 2024, 648, 119084.DOI: 10.1016/j.epsl.2024.119084.）。成果受科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFF0800800)、國(guó)家自然科學(xué)基金 (4248820001, 42472074)、第二次青藏科考(2019QZKK0703)、所重點(diǎn)部署(IGGCAS-202201) 和中科院青促會(huì)(2022065)等資助。

編輯：劉強(qiáng)