榴辉岩中低稀土总量的锆石与角闪石生长平衡 |王佳敏等-EPSL

在俯冲/碰撞环境中形成的高压 (HP) 岩石为理解板块构造过程提供了关键信息。榴辉岩的折返速率对于确定构造如何适应板块运动速率至关重要，而板块运动速率又会影响折返机制。岩石年代学研究旨在限定造山运动过程中岩石形成的绝对时间、构造变质或岩浆过程的速率等。锆石年代学是最被广泛用于获得各阶段变质年龄的方法，该方法要求能够区分高压岩石中的变质锆石是在榴辉岩相还是在冷却和/或减压后生长。

Rubatto (2002)开创性地提出，榴辉岩相锆石具有相对平坦的重稀土元素 (HREE)和无 Eu 异常的特征，这是因为高压矿物组合中存在丰富的石榴子石而缺乏斜长石；该文献至今已被SCI引用2857次（据Web of science），是变质岩领域引用率最高的文献之一。后续的实验岩石学和众多自然观测进一步研究了高压和高温岩石中锆石和石榴子石之间的平衡分配系数，认为锆石中相对平坦重稀土模式表明锆石在富含石榴子石的矿物组合中生长，是具有高级变质岩中压力峰期生长锆石的典型特征。该结论已被广泛应用于高压、高温等多类变质岩，确定变质作用的峰期年龄、大地构造过程等。其中，许多研究根据榴辉岩中变质锆石的平坦重稀土解释其记录了压力峰期变质年龄，从而估算出较快的折返速率，部分达到甚至超过了板块运动速率（20–100毫米/年）。

然而，Rubatto (2017)也警告说，上述标准需要在适当的矿物组合和平衡条件下，而不应不加区分地使用这种标准来解释榴辉岩中的锆石。此外，部分研究对榴辉岩相锆石的这种特征提出了质疑：1）部分研究认为这些锆石在随后的折返过程中可以重结晶并经历U-Pb体系的部分或全部重置，而稀土体系则基本保持不变；2）在部分熔融的高温岩石中，含锆封闭体系的相平衡模拟表明，变质锆石应在前进变质至峰期变质期间溶解，在冷却和熔体结晶期间生长（Kelsey et al., 2008）；3）质量平衡模型表明榴辉岩中的绿辉石和石榴子石生长反应会消耗锆元素（Kohn et al., 2015），因此上述趋势完全可应用于高压/超高压矿物组合；4）上述趋势也适用于考虑熔体丢失的开放体系，虽然熔体丢失抑制了冷却过程中锆石的增加，但仍预测前进变质过程中锆石的增长有限（Yakymchuk and Brown, 2014）。但是，上述模型的缺陷在于假设所有矿物相与熔体/流体接触的锆石之间处于平衡状态，无法解释锆石被熔体/流体屏蔽或与残余岩石不平衡的孤立熔体斑块。

总之，模拟、实验和对天然样品的研究越来越多地表明，榴辉岩中的锆石可以在前进变质过程至压力峰期过程中少量生长，而在压力峰期后折返和冷却过程中生长则可能是更加普遍的现象，这需要具体问题具体分析。但是为什么很多锆石明确是折返过程中生长的，但是也有平坦的重稀土模式呢？如果是在含石榴子石矿物组合中生长的锆石，无论是在压力峰期、温度峰期还是减压过程中，都应该获得相对平坦的重稀土模式。但是减压折返过程中往往伴随石榴子石的分解，很多样品中甚至残留的石榴子石已经很少。是否存在其它更普适性的成因模式，但却被人们长期忽视了呢？

基于上述科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所吴福元院士团队的王佳敏副研究员等，与瑞士伯尔尼大学的Daniela Rubatto教授和Pierre Lanari副教授开展合作，对喜马拉雅造山带中部日玛那杂岩中的麻粒岩化榴辉岩及花岗质片麻岩围岩进行了详细的岩石学和年代学研究，基于过程较为清楚的喜马拉雅年代学搁架来约束锆石的形成阶段，进一步探寻榴辉岩中锆石在变质演化过程中的生长行为和平坦重稀土模式成因。

首先，该研究运用相平衡模拟和多种温压计方法确定了上述榴辉岩的P-T演化过程和矿物相变关系：榴辉岩相矿物组合在660–720°C和1.6–1.9 GPa（M1）下形成，随后叠加了高压麻粒岩相变质（M2）和>900°C和0.8–1.1 GPa的超高温变质作用（M3），最后重新平衡于780–810°C和0.8–1.0 GPa（M4）的条件。沿着该P-T演化轨迹，矿物比例最显著的变化是高达~35 vol%的石榴子石被消耗吸收及~32 vol%的角闪石增长。压力峰期阶段矿物如石榴子石和绿辉石在M3阶段仍以亚稳态矿物的形式存在，然后在水进入体系时转变为M4阶段的角闪石。角闪石可稳定存在于M3-M4阶段，但主要形成于M4阶段，因为其形成需要水，而干燥的UHT条件限制角闪石不会具有较高的含量。

其次，运用多种副矿物岩石年代学方法、结合研究区已经发表的年代学资料，可以建立起研究区的变质年代学格架（图1）：1）于 38–34 Ma发生了榴辉岩相变质（M1），被榴辉岩中的石榴子石Lu-Hf年龄所记录；2）于 30–16 Ma经历减压升温至超高温变质（M1至M3），被正片麻岩中少数独居石U-Th-Pb年龄所记录；3)于16~13 Ma经历等压冷却而从温度峰期（M3）到最终再平衡于M4，被正片麻岩中大多数独居石 U-Th-Pb 年龄和榴辉岩中锆石U-Pb年龄所记录；4)于13–10 Ma冷却至650–500°C, 被榍石和金红石 U-Pb 年龄、以及侵位至15–10 km深度的淡色花岗岩所记录；于11–10 Ma冷却至350–280 °C，被云母Ar-Ar年龄所记录；5）重建的变质和冷却时间尺度表明，该榴辉岩的平均折返速率约为2毫米/年，温度峰值后快速冷却速率约为100°C/Ma。

图1 喜马拉雅日玛那杂岩的地质年代学总结、及榴辉岩的折返轨迹和冷却历史

在重建了变质时代以后，结合以下所有证据，他们得出结论，麻粒化榴辉岩中的~14 Ma锆石边部生长于麻粒岩相/角闪岩相、而非榴辉岩相（图2）：1）锆石边部共存的角闪石、斜长石和钛铁矿等低压矿物包裹体代表了M3-M4阶段的矿物组合，证明其为低压下新生长的增生边，也排除了锆石U-Th-Pb体系在(U)HT条件下重置、同时保留榴辉岩相的平坦重稀土模式的可能性；2)扇形、冷杉树状或平面环带结构也与锆石结晶于高温条件下的深熔熔体相符；3) 锆石中 Ti 的平均温度为700–730°C，表明大多数锆石边缘是在角闪岩相条件下生长的，少数温度更高的边缘（830–850°C）可能是在麻粒岩相条件下生长的；4) 样品16WDG10和16WDG17（5–6‰）中锆石的δ18O大多接近地幔值~5.5‰，而样品16WDG19中的δ18O值较低（2–4.5‰）。这表明变质锆石可能生长于麻粒岩化榴辉岩释放的原位熔体/流体（封闭系统），而非印度长英质大陆释放的外部熔体/流体（8–9‰）；5）前人基于锆石中的绿辉石和金红石包裹体来解释这些锆石形成于榴辉岩相变质时代，需要格外谨慎；这是因为在退变质或麻粒岩化榴辉岩中，绿辉石和金红石可作为亚稳定状态的残留矿物保存于基质中，即使很晚期生长的锆石依然可以包裹这些榴辉岩相矿物，它们之间是不平衡的；只能说明锆石形成既可以与榴辉岩相同期，也可以(很)晚于榴辉岩相时代，存在多解性。只有柯石英、金刚石等难以保存的高压矿物才具有明确的指示意义。相反，如果在锆石中找到斜长石、角闪石、钛铁矿等中低压矿物，则可以明确指示锆石形成于中低压条件下。

图2 榴辉岩中锆石的结构、U-Pb年龄、微量元素、矿物包裹体和氧同位素信息

那么，为什么榴辉岩中的锆石生长于麻粒岩/角闪岩相条件下，却具有平坦重稀土和低稀土总量的模式呢？他们观察到麻粒岩化榴辉岩样品均含有较高体积分数的角闪石（11~41 vol%），并且这些角闪石富集较高的稀土元素总含量（80~260 μg/g）。角闪石中稀土元素总含量约为石榴子石的4倍、为单斜辉石的7倍，轻稀土元素含量约为石榴子石的130倍，中稀土元素含量约为石榴子石的3倍，而重稀土元素含量与石榴子石相近（图3）。其他造岩矿物的稀土元素含量均远低于石榴子石和角闪石。质量平衡计算表明，样品中的角闪石涵盖了全岩67~92%的稀土元素总量，是导致变质锆石中稀土元素总量较低的关键因素。该研究中麻粒岩/角闪岩相锆石的低稀土总量模式，具有与榴辉岩相锆石相似的平坦重稀土配分模式（图3e中的红线），此外其稀土元素总量也低得多。而角闪石的负Eu异常则抵消了斜长石的正Eu异常，导致锆石并无Eu异常。未来研究中应重点甄别此两种类型，应该避免误用。特别是在富含角闪石的变质基性岩中，变质锆石的平坦重稀土模式不一定是榴辉岩相与石榴子石相平衡的标志，也可能是麻粒岩/角闪岩相生长的锆石的低稀土总量模式（图4）。应该综合考虑结构、矿物包裹体、氧同位素、矿物含量、多种年代学方法等来判断。

图3 榴辉岩中造岩矿物和锆石的微量元素含量、稀土配分模式和质量平衡计算结果。其中角闪石涵盖了全岩67~92%的稀土元素总量，主导了锆石具有低稀土总量的配分模式

图4 榴辉岩P-T演化过程中锆石生长行为与石榴子石和角闪石的关系示意图

最后，他们将上述新的成因模式对部分快速折返榴辉岩进行了重新解释，这些高压地体中由于榴辉岩相变质时代的争议，即使同一露头的榴辉岩的折返速率估算差异也相差>11倍（图5）。1）印度西北Tso Morari 超高压榴辉岩的锆石记录了47–45 Ma的年龄，前人将其解释为压力峰期变质时代，从而得出了~30 毫米/年的超快速折返速率；但是上述锆石年龄与独居石/榍石的U-Pb年龄和角闪石Ar-Ar年龄相同，并且该地区角闪石化的榴辉岩实际上更为广泛分布（角闪石含量可达36 vol%），上述锆石应该为折返至中地壳发生角闪岩相退变时生长的，重新估算其折返速率应为6–8毫米/年；2）巴布亚新几内亚弗格森岛的新鲜榴辉岩的锆石年龄为7.9±1.9 Ma，而角闪岩化榴辉岩的年龄分别为7.0±1.0 Ma、2.8±0.3 Ma和2.1±0.5 Ma，这些年龄均被不同学者解释为超高压变质时代，导致折返速率估算从9 毫米/年到约100 毫米/年，差距达11倍。角闪岩化榴辉岩中的部分锆石颗粒具有平坦重稀土模式、但稀土总含量较低，与该研究中相似，更可能是在角闪岩相叠加变质期间形成的（角闪石含量>10 vol％）。因此其折返速率应是<10毫米/年，而非~100毫米/年。从上可看出，大多数榴辉岩的折返并非前人认识的那么快，构造挤出的榴辉岩折返一般慢于板块运动速率。

图5 根据锆石变质年龄计算所得的(a)全球典型榴辉岩折返速率及具体实例：(b,c)印度西北Tso Morari榴辉岩；(d,e)巴布亚新几内亚榴辉岩

研究成果发表于国际地学期刊EPSL（王佳敏*, Daniela Rubatto, Pierre Lanari, 田雨露, 陈意, 吴福元. 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.）。成果受科技部重点研发计划(2022YFF0800800)、国家自然科学基金 (4248820001, 42472074)、第二次青藏科考(2019QZKK0703)、所重点部署(IGGCAS-202201) 和中科院青促会(2022065)等资助。