榴輝巖中低稀土總量的鋯石與角閃石生長平衡 |王佳敏等-EPSL

在俯沖/碰撞環境中形成的高壓 (HP) 巖石為理解板塊構造過程提供了關鍵信息。榴輝巖的折返速率對于確定構造如何適應板塊運動速率至關重要，而板塊運動速率又會影響折返機制。巖石年代學研究旨在限定造山運動過程中巖石形成的絕對時間、構造變質或巖漿過程的速率等。鋯石年代學是最被廣泛用于獲得各階段變質年齡的方法，該方法要求能夠區分高壓巖石中的變質鋯石是在榴輝巖相還是在冷卻和/或減壓后生長。

Rubatto (2002)開創性地提出，榴輝巖相鋯石具有相對平坦的重稀土元素 (HREE)和無 Eu 異常的特征，這是因為高壓礦物組合中存在豐富的石榴子石而缺乏斜長石；該文獻至今已被SCI引用2857次（據Web of science），是變質巖領域引用率最高的文獻之一。后續的實驗巖石學和眾多自然觀測進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，認為鋯石中相對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，是具有高級變質巖中壓力峰期生長鋯石的典型特征。該結論已被廣泛應用于高壓、高溫等多類變質巖，確定變質作用的峰期年齡、大地構造過程等。其中，許多研究根據榴輝巖中變質鋯石的平坦重稀土解釋其記錄了壓力峰期變質年齡，從而估算出較快的折返速率，部分達到甚至超過了板塊運動速率（20–100毫米/年）。

然而，Rubatto (2017)也警告說，上述標準需要在適當的礦物組合和平衡條件下，而不應不加區分地使用這種標準來解釋榴輝巖中的鋯石。此外，部分研究對榴輝巖相鋯石的這種特征提出了質疑：1）部分研究認為這些鋯石在隨后的折返過程中可以重結晶并經歷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，變質鋯石應在前進變質至峰期變質期間溶解，在冷卻和熔體結晶期間生長（Kelsey et al., 2008）；3）質量平衡模型表明榴輝巖中的綠輝石和石榴子石生長反應會消耗鋯元素（Kohn et al., 2015），因此上述趨勢完全可應用于高壓/超高壓礦物組合；4）上述趨勢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程中鋯石的增加，但仍預測前進變質過程中鋯石的增長有限（Yakymchuk and Brown, 2014）。但是，上述模型的缺陷在于假設所有礦物相與熔體/流體接觸的鋯石之間處于平衡狀態，無法解釋鋯石被熔體/流體屏蔽或與殘余巖石不平衡的孤立熔體斑塊。

總之，模擬、實驗和對天然樣品的研究越來越多地表明，榴輝巖中的鋯石可以在前進變質過程至壓力峰期過程中少量生長，而在壓力峰期后折返和冷卻過程中生長則可能是更加普遍的現象，這需要具體問題具體分析。但是為什么很多鋯石明確是折返過程中生長的，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的鋯石，無論是在壓力峰期、溫度峰期還是減壓過程中，都應該獲得相對平坦的重稀土模式。但是減壓折返過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很少。是否存在其它更普適性的成因模式，但卻被人們長期忽視了呢？

基于上述科學問題，中國科學院地質與地球物理研究所吳福元院士團隊的王佳敏副研究員等，與瑞士伯爾尼大學的Daniela Rubatto教授和Pierre Lanari副教授開展合作，對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片麻巖圍巖進行了詳細的巖石學和年代學研究，基于過程較為清楚的喜馬拉雅年代學擱架來約束鋯石的形成階段，進一步探尋榴輝巖中鋯石在變質演化過程中的生長行為和平坦重稀土模式成因。

首先，該研究運用相平衡模擬和多種溫壓計方法確定了上述榴輝巖的P-T演化過程和礦物相變關系：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（M2）和>900°C和0.8–1.1 GPa的超高溫變質作用（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-T演化軌跡，礦物比例最顯著的變化是高達~35 vol%的石榴子石被消耗吸收及~32 vol%的角閃石增長。壓力峰期階段礦物如石榴子石和綠輝石在M3階段仍以亞穩態礦物的形式存在，然后在水進入體系時轉變為M4階段的角閃石。角閃石可穩定存在于M3-M4階段，但主要形成于M4階段，因為其形成需要水，而干燥的UHT條件限制角閃石不會具有較高的含量。

其次，運用多種副礦物巖石年代學方法、結合研究區已經發表的年代學資料，可以建立起研究區的變質年代學格架（圖1）：1）于 38–34 Ma發生了榴輝巖相變質（M1），被榴輝巖中的石榴子石Lu-Hf年齡所記錄；2）于 30–16 Ma經歷減壓升溫至超高溫變質（M1至M3），被正片麻巖中少數獨居石U-Th-Pb年齡所記錄；3)于16~13 Ma經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獨居石 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）重建的變質和冷卻時間尺度表明，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年代學總結、及榴輝巖的折返軌跡和冷卻歷史

在重建了變質時代以后，結合以下所有證據，他們得出結論，麻粒化榴輝巖中的~14 Ma鋯石邊部生長于麻粒巖相/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、冷杉樹狀或平面環帶結構也與鋯石結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，表明大多數鋯石邊緣是在角閃巖相條件下生長的，少數溫度更高的邊緣（830–850°C）可能是在麻粒巖相條件下生長的；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‰）。這表明變質鋯石可能生長于麻粒巖化榴輝巖釋放的原位熔體/流體（封閉系統），而非印度長英質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解釋這些鋯石形成于榴輝巖相變質時代，需要格外謹慎；這是因為在退變質或麻粒巖化榴輝巖中，綠輝石和金紅石可作為亞穩定狀態的殘留礦物保存于基質中，即使很晚期生長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。

圖2 榴輝巖中鋯石的結構、U-Pb年齡、微量元素、礦物包裹體和氧同位素信息

那么，為什么榴輝巖中的鋯石生長于麻粒巖/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數的角閃石（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低于石榴子石和角閃石。質量平衡計算表明，樣品中的角閃石涵蓋了全巖67~92%的稀土元素總量，是導致變質鋯石中稀土元素總量較低的關鍵因素。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Eu異常則抵消了斜長石的正Eu異常，導致鋯石并無Eu異常。未來研究中應重點甄別此兩種類型，應該避免誤用。特別是在富含角閃石的變質基性巖中，變質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志，也可能是麻粒巖/角閃巖相生長的鋯石的低稀土總量模式（圖4）。應該綜合考慮結構、礦物包裹體、氧同位素、礦物含量、多種年代學方法等來判斷。

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

圖4 榴輝巖P-T演化過程中鋯石生長行為與石榴子石和角閃石的關系示意圖

最后，他們將上述新的成因模式對部分快速折返榴輝巖進行了重新解釋，這些高壓地體中由于榴輝巖相變質時代的爭議，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時代，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居石/榍石的U-Pb年齡和角閃石Ar-Ar年齡相同，并且該地區角閃石化的榴輝巖實際上更為廣泛分布（角閃石含量可達36 vol%），上述鋯石應該為折返至中地殼發生角閃巖相退變時生長的，重新估算其折返速率應為6–8毫米/年；2）巴布亞新幾內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者解釋為超高壓變質時代，導致折返速率估算從9 毫米/年到約100 毫米/年，差距達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期間形成的（角閃石含量>10 vol％）。因此其折返速率應是<10毫米/年，而非~100毫米/年。從上可看出，大多數榴輝巖的折返并非前人認識的那么快，構造擠出的榴輝巖折返一般慢于板塊運動速率。

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

研究成果發表于國際地學期刊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.）。成果受科技部重點研發計劃(2022YFF0800800)、國家自然科學基金 (4248820001, 42472074)、第二次青藏科考(2019QZKK0703)、所重點部署(IGGCAS-202201) 和中科院青促會(2022065)等資助。

編輯：劉強