闆塊構造理論是地球科學的基石，已有的研究表明，某種形式的闆塊構造可能至少在早前寒武紀(如古元古代)就已經具有相當規模(Wan et al., 2020, Science Advance)，但其構造樣式和現代闆塊構造的異同仍然存在很大的争議(Zhai and Peng, 2020, Science Bulletin)。是以，有必要對早前寒武紀發生的構造過程進行識别和定量刻畫。時間尺度(持續時間或速率)是構造過程的基本參數之一，與構造過程的動力學機制最為緊密關聯。可以說，準确地限定早前寒武紀構造過程的時間尺度是進一步認識當時構造-熱體制的關鍵。
變質岩記錄的變質作用速率，如峰期持續時間、擡升-冷卻速率，是對熱源屬性和構造過程速率的最直接反映。目前，同位素年代學是研究變質作用速率廣泛采用的方法，基于此，全球報道的快速變質-構造過程的研究案例幾乎全部來自顯生宙的年輕造山帶，而在早前寒武紀造山帶/構造帶中卻近乎缺失(Viete and Lister, 2017, Journal of the Geological Society)。早前寒武紀缺失快速變質-構造過程的原因是什麼？是同位素年代學不确定性造成的曲解，樣品保留的偏差，還是不同構造體制的真實反映? 回答這些問題的關鍵在于，如何更為精細且準确地刻畫早前寒武紀的變質-構造過程速率。
中國科學院地質與地球實體所岩石圈演化國家重點實驗室前寒武紀學科組鄒屹博士後與加拿大多倫多大學初旭教授合作，率先利用擴散年代學這一動力學方法探究古元古代變質-構造過程，并以古元古代最具構造訓示意義的兩類代表性岩石—高壓泥質麻粒岩和超高溫泥質麻粒岩為研究對象，精細地解析了兩類麻粒岩的P-T-t演化軌迹、峰期持續時間、擡升-冷卻速率(圖1-圖3)。
結果表明，兩類麻粒岩均記錄有持續時間在1-5Myr的變質-構造過程，如碰撞擠壓(1.87Ga)或者伸展作用(1.85Ga)造成的快速構造擡升(高壓泥質麻粒岩；圖1-2)、伸展作用下局部基性岩侵位造成的短暫超高溫效應(1.85Ga超高溫泥質麻粒岩；圖3)，這些短暫的變質-構造過程鑲嵌于長期造山過程的背景中，控制着目前觀測到的礦物組合、反應結構和礦物成分環帶，然而這樣古老而快速的變質-構造過程的時間尺度小于同位素年代學的誤差(圖4)，很難甚至無法被同位素年代學所識别。
圖1（a-d）高壓泥質麻粒岩石榴子石元素環帶；（e）高壓泥質麻粒岩變質P-T-t軌迹，其中橙色數值為變質過程的持續時間，1.87Ga為锆石和獨居石U-Pb年齡；（f）基于石榴子石邊界與基質維持平衡的擴散模型；（g-i）石榴子石多組分擴散模拟以及各變質階段的時間尺度(最佳拟合值)
圖2（a）高壓泥質麻粒岩石榴子石元素環帶；（b）高壓泥質麻粒岩變質P-T-t軌迹，其中橙色數值為變質過程的持續時間，其中1.85Ga為锆石和獨居石U-Pb年齡；（c）石榴子石多組分擴散模拟以及各變質階段對應的擴散環帶，持續時間對應于b；（d-e）等溫減壓和等壓冷卻持續時間的靈敏度檢驗
圖3（a）超高溫泥質麻粒岩石榴子石元素環帶；（b）超高溫泥質麻粒岩變質P-T-t軌迹，其中橙色數值為各變質階段的持續時間，其中1.85Ga為锆石和獨居石U-Pb年齡；（c）與石英/鉀長石接觸的石榴子石邊部多組分擴散模拟及對應的持續時間；（d）與黑雲母接觸的石榴子石邊部Fe-Mg元素擴散模拟和對應的冷卻階段和持續時間
圖4 高壓泥質麻粒岩和超高溫泥質麻粒岩擡升-冷卻速率，黑線為擴散年代學結果、橙色線及數字為同位素年代學結果，二者并無沖突，但同位素年代學無法識别快速擡升-冷卻過程以及冷卻過程的階段性
該項研究為前述問題提供了答案，即同位素年代學的誤差限制其識别早前寒武紀快速變質-構造過程，而擴散年代學是目前解決這一缺陷的絕佳途徑。研究還指出，直接用年代學資料計算早前寒武紀變質-構造過程的時間尺度，而不考慮資料的外部誤差或者變質動力學過程，很容易人為誇大某些重要地質過程的時間尺度；雖然古元古代存在持續時間在1-5Myr的快速變質-構造過程，但其擡升-冷卻速率相比于顯生宙造山帶超高壓岩石仍然整體慢了數倍至一個數量級，是以古元古代即使存在闆塊構造，其構造樣式可能與現代闆塊構造有所不同。這項研究也為探索早前寒武紀的構造體制提供了一個岩石學思路。
上述成果發表于岩石學國際學術期刊Journal of Petrology和Contributions to Mineralogy and Petrology。研究受博士後創新人才計劃和青年基金的資助。
1. 鄒屹, 初旭, 李秋立, Ross Mitchell, 翟明國, 鄒心宇, 趙磊, 王禹權, 劉博. Local rapid exhumation and fast cooling in a long-lived paleoproterozoic orogeny[J].Journal of Petrology, 2020, 61(10): egaa091. DOI: 10.1093/petrology/egaa091.
2.鄒屹, 李秋立, 初旭, 翟明國, Ross Mitchell, 趙磊, 周李崗, 王禹權, 劉博. Older orogens cooled slower: new constraints on Orosirian tectonics from garnet diffusion modeling of metamorphic timescales, Jiaobei terrain, North China Craton[J].Contributions to Mineralogy and Petrology, 2021, 176(11): 1-24. DOI: 10.1007/s00410-021-01846-w.
美編：傅士旭
校對：張騰飛