超高温（ultrahigh-temperature: UHT）变质作用是中下地壳层次发生的一类最热的变质作用，其变质温度超过了黑云母脱水熔融反应。尽管UHT变质岩的温压比与“正常的”高角闪岩相-麻粒岩相变质岩相似，但其绝对温度高达900 ℃以上，意味着UHT变质作用形成于更深的地壳层位，接近Moho面，一般为20–55 km（图1）。UHT变质作用的发生需要大陆地壳极高的热流值，这与下地壳最下部的流变学性质及其稳定性密切相关。因此，研究UHT变质作用的发生机理对于我们理解大陆下地壳的改造、造山带演化以及壳–幔相互作用具有重要的科学意义。然而，这种极热的变质作用是如何形成的仍存在强烈的争议。
图1 UHT与其他高级变质作用的P–T条件和可能的构造背景
中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室焦淑娟研究员、Ross N Mitchell研究员、陈林研究员、陈意研究员、黄广宇副研究员以及郭敬辉研究员与美国马里兰大学、印度国家科学教育研究所、澳大利亚科廷大学以及西澳地质调查局的合作者系统梳理了全球110余个UHT变质岩的特征，结合数值模拟和地球物理资料，辩证地论述了UHT变质作用的形成机制及其随时间的演化。
UHT变质作用在各个地质时期广泛发育，但在空间上与汇聚板块边界相关，在时间上与几个超大陆的聚合相对应（图2）。UHT变质岩一般仅保留峰期后的变质P–T轨迹，以冷却为主，或以减压为主，这两种不同样式的P–T轨迹将形成不同的矿物反应结构（图3）。少量研究揭示了UHT变质作用进变质阶段的P–T轨迹，还确定了UHT峰期前存在减压升温阶段（图3）。尽管对锆石和独居石的行为及其U–Th–Pb体系在高温下的重置机制仍认识有限，这导致对UHT变质作用准确的变质时代和时间尺度的限定存在不确定性。系统的岩石年代学研究得到多个UHT麻粒岩较为可靠的时间尺度资料。目前统计的数据显示UHT变质作用的时间尺度大都为10–160 百万年，并随地质时代呈现出规律性的变化，其中中元古代时期发生的UHT变质作用的时间尺度最长。然而，多数UHT变质作用加热阶段的时间尺度较短≤30 百万年，作者的这一发现对限定UHT变质作用的热源和形成机制非常关键。
图2 UHT与其他高级变质作用的时空分布及其与超大陆旋回的联系
图3 变泥质UHT麻粒岩中代表性变质特征与指示的P–T轨迹
学术界一般认为UHT变质作用形成于弧-弧后环境、伸展的造山带或造山带高原，其他的模型如板片回撤、板片断离、岩石圈地幔拆沉、洋脊俯冲和板片窗以及地幔柱等。作者根据热源不同将上述模型分为两大类，一类以放射性元素生热为主；另一类为岩石圈地幔减薄或拆沉引起升高的地幔热流为主。作者对相应模型的数值模拟结果进行凝练，发现由放射性元素生热导致的UHT变质作用，可能发生在造山带根部，提前条件为上地壳放射性生热率需要超过3 μWm-3, 或者地壳本身比较热，Moho面温度高达700 ℃，而且造山带一般具有缓慢的剥蚀速率。这种情况下将会形成加热阶段为30–75 百万年的UHT变质作用，P–T轨迹为顺时针型，峰期后存在不同程度的减压阶段（图4）。然而，根据目前保存的UHT变质作用的加热阶段时间尺度大都≤30 百万年的数据，一般情况下只依靠放射性元素生热很难达到UHT变质条件。造山带高原底部发生的UHT变质作用可能是加厚地壳放射性元素生热和岩石圈地幔拆沉联合作用的结果，这种情况会形成UHT变质叠加榴辉岩相或高压麻粒岩相变质作用，如喜马拉雅造山带、斯里兰卡高地地体以及华北克拉通孔兹岩带。
图4 加厚造山带主要由放射性元素生热所导致的UHT变质作用的特征
如前所述，多种模式可以导致岩石圈伸展或拆沉从而引发软流圈地幔上涌以及升高的地幔热流（elevated mantle heat flow）。作者研究发现由这些机制导致的UHT变质作用加热阶段的时间尺度较短，≤10 百万年，P–T轨迹可能是逆时针型或顺时针型，一般有近等压或减压升温和峰期后近等压或减压冷却阶段（图5）。作者研究得出最可能的情况是：在显生宙时期，弧或弧后环境中板片回撤（slab rollback）是导致UHT变质作用的主要原因；在前寒武纪造山带，UHT变质作用与浅部板片断离（shallow slab breakoff）或岩石圈地幔拆沉作用（lithospheric delamination）有关。
图5 俯冲带中主要由岩石圈地幔伸展或拆沉以及地幔热流加强所导致的UHT变质作用的特征
地球物理资料所揭示的现代地球可能正在发生的UHT变质作用对上述的成因机制给出进一步佐证。两个例子分别为青藏高原及周缘和美国西部造山带（图6）。前者温度与压力呈现出很好的线性关系，证实地壳加厚和放射性生热对青藏高原底部榴辉岩相-高压麻粒岩相以及UHT变质作用的贡献，然而地球化学、地球物理、以及数值模拟的多项证据表明青藏高原曾发生过岩石圈地幔拆沉作用，这一过程很可能对正在发生的UHT变质作用有所贡献；与此对比，美国西部温度与压力无相关性，温度的升高主要与岩石圈地幔较薄（60–70 km）、地幔热流较高有关。导致岩石圈地幔减薄的动力学过程可能与古洋壳（Farallon slab）的断离有关。
图6 青藏高原及其周缘和美国西部造山带可能正在发生的UHT变质作用
作者还发现UHT变质岩的温度梯度、时间尺度随地质时代表现为先升高再降低的特征，其中在中元古代时期，其温度梯度最高，时间尺度最长，与这一时期的冷却速率最低相一致，并且该时期形成了全球最大规模的UHT变质地体，佐证了该时期的大陆地壳达到整个地质时期最热的状态。
研究成果发表于国际学术期刊Nature Reviews Earth & Environment（焦淑娟, Brown Michael, Mitchell Ross N, Chowdhury Priyadarshi, Clark Chris, 陈林, 陈意, Korhonen Fawna, 黄广宇, 郭敬辉. Mechanisms to generate ultrahigh-temperature metamorphism[J]. Nature Reviews Earth & Environment, 2023. DOI: 10.1038/s43017-023-00403-2）。审稿人评述该综述是UHT变质作用研究领域的权威性资料，将激发更多新颖的研究成果的产出。研究受国家自然科学基金委重大项目（41890832）和优秀青年基金（42122018）资助，感谢李献华院士、陈凌研究员和梁晓峰副研究员，以及科廷大学刘也博博士给予的指导或帮助。
