地球演化的本质是热的演化。超高温（UHT）变质作用代表了各个地质时期最热的地壳状态。前寒武纪时期，地球具有比现代地球更高的地温梯度，岩石圈强度更弱。重建前寒武纪造山带下地壳热状态和时间演化直接关系到我们对早期地球动力学过程的认识。
古元古代是地质历史上重要的时期，在该时期全球大陆汇聚形成第一个广泛认可的超大陆-Nuna/Columbia超大陆，发育20余条线型造山带，并保存了最古老的榴辉岩和高压麻粒岩，暗示着该时期已存在全球范围的板块构造运动。然而该时期还广泛发育UHT变质岩，暗示着极高的地温梯度。华北克拉通位于Nuna超大陆重要的位置，对其古元古代造山带的详细解析能为我们深度剖析该时期的动力学过程。
岩石圈演化国家重点实验室焦淑娟副研究员及其合作者近几年采用多种手段相结合的方法，致力于华北克拉通西部孔兹岩带中UHT变质作用的变质演化和时间尺度的研究，1）发现了UHT进变质阶段的关键岩石学证据，准确刻画出UHT减压-升温的进变质过程，以及普遍存在的峰期后冷却过程，深化了对地球早期UHT变质升温过程和加热机制的认识；2）确立定年副矿物（独居石和锆石）多阶段生长历史，并将定年副矿物生长的不同阶段准确置入造岩矿物记录的变质反应过程中，实现了对HT–UHT变质时代和时间进程的精准限定。具体研究结果如下：
一、超高温麻粒岩中矿物的多阶段生长过程及其P–T轨迹
（1）石榴石的形成过程及其对应的P–T轨迹
由于高温-超高温条件下扩散作用加剧，石榴石生长过程中Fe、Mg含量的变化很难保留下来，但是由于具有缓慢的扩散速率（Vielzeuf et al., 2007），微量元素仍能保留大颗粒石榴石的生长环带。作者研究发现石榴石中Ca、Ti、Zr和Y+REE等含量的变化可以区分石榴石的成因类型，结合相图模拟、石榴石中Ca和Zr、Ti含量的变化，利用多种温压计可以很好地限定这些石榴石形成的温压条件和P–T轨迹。
作者识别出两期石榴石的生长过程和随后的石榴石分解过程（图1）。第一期石榴石是转熔型成因，Zr、Ti在石榴石生长过程中表现为升高的趋势，HREE+Y表现为“钟”状环带，温压条件为830到980 oC，9–11 kbar；第二期石榴石是峰期后冷却过程形成的退变质型石榴石，Zr、Ti主要表现为下降的趋势，HREE+Y表现为升高的趋势，温压条件为900到700 oC，7–9 kbar（图2）。随后这些石榴石边部发生分解，形成假蓝宝石+斜长石的后成合晶结构。
图1 UHT麻粒岩中石榴石的形成和分解过程
图2 转熔型与退变质型石榴石的地球化学特征
这项研究利用了石榴石的微量元素地球化学特征来区分石榴石的成因类型，估算温压条件，最重要的是识别出岩石中残留的转熔型石榴石这一关键的岩石学证据，限定了减压升温的进变质阶段，最终确定了顺时针型P–T轨迹，证明UHT变质作用发生在造山后岩石圈伸展阶段，有幔源岩浆额外热的贡献，很可能与软流圈上涌有关（Jiao et al., 2020 AM）。
（2）假蓝宝石的形成过程及其对应的P–T轨迹
UHT麻粒岩中的假蓝宝石发育两种截然不同的结构位置。1）假蓝宝石呈冠状体围绕尖晶石生长（图3a）；2）与斜长石构成后成合晶结构（图3b）。作者根据包含这两类假蓝宝石微域的有效化学成分进行相图模拟，揭示出它们形成于不同的变质阶段。冠状体状假蓝宝石与退变质型石榴石一样，形成于峰期后近等压冷却阶段（图4），但它们常发育在不同的微域内；后成合晶状假蓝宝石形成于随后的减压升温阶段（图5）。
图3 UHT麻粒岩中假蓝宝石的两种结构位置。（a）假蓝宝石（Spr）呈冠状体围绕尖晶石生长；（b）Spr与斜长石（Pl）构成后成合晶取代矽线石
图4 视剖面图显示冠状体状假蓝宝石的形成过程和P-T轨迹
图5 视剖面图显示后成合晶状假蓝宝石的形成过程和P-T轨迹
这些研究揭示出UHT麻粒岩多期变质阶段的叠加和变质矿物形成演化的复杂性，然而详细的岩相学观察、微量元素分析和相图计算可以很好地揭示这些叠加的地质过程，抽丝剥茧，最终得到相互验证的P–T轨迹，揭示出两次减压-升温过程和之间缓慢的冷却过程（图6）。详细研究参见Jiao and Guo (2020 JMG)。
图6 UHT麻粒岩的P–T演化轨迹
二、高温–超高温变质时代和时间尺度的确定
（1）独居石U–Pb年龄
麻粒岩中锆石和独居石U–Pb年龄的含义一直是广为争议的科学问题，其根源在于不清楚这些定年副矿物在哪个变质阶段形成，以及不确定极高的变质温度和富含熔–流体的环境对其同位素体系潜在的改造作用。
作者研究识别出UHT麻粒岩中独居石多阶段的生长过程，以及后期的流体改造作用（图7）。这些独居石普遍发育成分环带（Y、HREE和Th含量）。石榴石包体内和基质中的高Y独居石核部形成于进变质阶段，而石榴石包体内和基质中的低Y独居石与大量退变质型石榴石基本同时生长，形成于UHT峰期后冷却阶段。研究还识别出与Spr/Spl + Pl后成合晶共生的独居石颗粒，以及变质流体改造的高Th和极低Y独居石。薄片原位独居石SHRIMP U–Pb定年限定了东坡UHT变质作用进变质阶段的最小时代为1.91 Ga，随后经历了峰期后从1.90–1.85 Ga的冷却过程，时间尺度大约为50个百万年。岩石经历的另一期减压升温过程约为1.86–1.85Ga。流体改造事件发生在1.8 Ga之后。详细研究参见Jiao et al. (2020 JP)。
图7 UHT麻粒岩中不同结构位置和成分环带的独居石U–Pb定年结果
（2）锆石U–Pb年龄
综合多个不同岩性的锆石U–Pb年代学结果、微量元素地球化学和锆石Hf同位素研究，作者识别出锆石的形成阶段分为两期，以及局部石榴石分解形成的锆石（图8）。综合该地独居石和锆石年龄信息，作者限定了进变质部分熔融作用的时代为1.94–1.90 Ga，峰期后近等压冷却过程的时代为1.90–1.86 Ga，随后另一期减压升温发生在1.86–1.84 Ga，以及最后的冷却过程一直到ca. 1.80 Ga。
这些研究揭示出相对快速的进变质阶段，但是缓慢的峰期后冷却过程，以及两次形成HT–UHT的减压升温过程。这些研究资料首次识别出华北孔兹岩带经历了两期HT–UHT变质作用，精准识别了长期热造山过程中多次快速的加热过程，与碰撞造山后岩石圈伸展过程中软流圈上涌有关，推动了建立复杂变质演化过程时间标尺的发展。详细研究参见Jiao et al. (2020 CMP)。
图8 华北孔兹岩带高级变质岩中锆石U–Pb定年结果
以上研究分别从不同角度、共同限定HT–UHT变质作用的变质演化和时间尺度，并且得到一致的结论。前寒武纪高级变质作用通常发育多期变质叠加，将这些纷繁复杂的变质结构和相应的矿物组合一一区分出来，详细研究定年副矿物在变质作用中的行为，区分其形成–分解的不同阶段，保证最有可能准确地限定变质演化过程，在此基础上探讨前寒武纪造山带下地壳的热状态、时间尺度、加热机制以及动力学过程。
研究识别出长期、缓慢的冷却过程中存在相对快速的加热阶段，这对正确认识超高温变质作用的热源具有推动作用；研究重建了前寒武纪时期造山带碰撞后的动力学过程，详细阐释了“热”造山带的含义。此外，这项系统的研究对其他变质地体的热状态和时间演化的限定具有借鉴意义。
研究成果分别发表于国际岩石学领域专业期刊：
1.Jiao S, Fitzsimons I C W, Zi J W, et al. Texturally-controlled U–Th–Pb monazite geochronology reveals Paleoproterozoic UHT metamorphic evolution in the Khondalite Belt, North China Craton[J]. Journal of Petrology, 2020. DOI: 10.1093/petrology/egaa023.（原文链接）
2.Jiao S, Guo J. Paleoproterozoic UHT metamorphism with isobaric cooling (IBC) followed by decompression–heating in the Khondalite Belt (North China Craton): New evidence from two sapphirine formation processes[J]. Journal of Metamorphic Geology, 2020, 38(4): 357-378. （原文链接）
3.Jiao S, Guo J, Evans N J, et al. The timing and duration of high-temperature to ultrahigh-temperature metamorphism constrained by zircon U–Pb–Hf and trace element signatures in the Khondalite Belt, North China Craton[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 2020, 175(7): 1-23. （原文链接）
4.Jiao S, Evans N J, Guo J H, et al. Establishing the P-T path of UHT granulites by geochemically distinguishing peritectic from retrograde garnet[J]. American Mineralogist, 2020. DOI: 10.2138/am-2021-7681.
研究受国家自然科学基金委，中科院青促会和岩石圈演化国家重点实验室的联合资助。
