1.科学问题与研究难点

超高温变质作用（峰期温度≥900 ℃）代表着大陆地壳最极端的热状态，是地壳分异与稳定化的重要机制（Cipar et al., 2020; Smye and Kelemen, 2025），为揭示壳-幔相互作用和构造体制演变提供关键窗口（Harley, 1998; Jiao et al., 2023）。长期以来，限定超高温变质作用的时间尺度，尤其是厘清前寒武纪麻粒岩地体中是否存在持续仅数百万年（<1–5 Myr）的短暂超高温事件，一直是地学界的难题。该问题因缺乏直接证据而长期存有争议，其解答对揭示古老超高温变质作用的热源属性与大陆地壳演化机制，具有至关重要的意义。

以往基于放射性同位素年代学（如锆石、独居石U-Pb定年）的研究认为，前寒武纪的超高温变质往往持续数十个百万至数亿年。然而，同位素年代学方法的时间分辨率通常不足以识别持续时间在百万年以内的古老快速事件；同时，超高温条件可以导致子体同位素（如Pb同位素）发生扩散改造，造成测试的U-Pb数据沿谐和线分散，形成表观长时间尺度的假象。因此，即便前寒武纪地体中曾发生多期次的短暂超高温事件，传统同位素年代学也难以识别，从而影响对深时深部地球动力学机制的解析。

2.方法创新与核心发现

针对上述难点，在中国科学院地质与地球物理研究所翟明国研究员和郭敬辉研究员的带领下，邹屹副研究员联合多伦多大学陈俊行博士与初旭副教授，创新性地提出了锆石扩散年代学这一新方法。该方法基于变质锆石中常保留的具有振荡环带（阴极发光）、岩浆成因的残留核。这些残留核形成于变质作用之前，在超高温条件下其内部微量/稀土元素发生扩散改造，而改造程度可直接反映超高温事件的持续时间（图1）。借助NanoSIMS的高空间分辨率元素成像技术，这些残留核可被用作高时间分辨率的“计时器”，从而突破同位素年代学在时间分辨率上的技术瓶颈。

图1 锆石扩散年代学的概念图，基于碎屑核/残留核内的震荡环带

基于这一新方法，研究选取古元古代胶北麻粒岩地体中发育的典型且野外出露良好的超高温泥质麻粒岩为研究对象。通过综合相平衡模拟、传统温压计、NanoSIMS高分辨率元素成像以及自主研发的扩散模拟软件DIFFUSUP进行反演计算（图2），研究获得以下关键认识：

（1）岩石记录早期高压麻粒岩相变质（～1.3 GPa, ～850℃），并经历了减压升温过程，在～0.65 GPa条件下达到≥940℃的超高温峰值（图2A）；

（2）锆石中保留了具有震荡环带的太古宙碎屑核与约1.85 Ga的变质边（图2B），碎屑核内Dy、Yb和Ti的振荡环带出现有限扩散改造（图2C）；

（3）扩散模拟显示，升温过程仅持续0.02–0.6 Myr，超高温峰期持续时间为0.05–1.3 Myr （2σ；图3A–图3D）。

图2 （A）岩相学和变质P-T轨迹；（B）锆石CL图像和SIMS U-Pb定年，橙色虚线表示NanoSIMS mapping区域；（C）碎屑锆石核部的Yb、Dy、U、Ti的NanoSIMS mapping

图3 （A–C）在恒温900 ℃和从1.3 GPa，850 ℃线性加热至0.65 GPa，940 ℃开展的锆石Yb、Dy、Ti扩散模拟限定超高温持续时间和加热时间尺度（P1实测剖面）；（D）超高温持续时间和加热时间尺度汇总，P1、P2、P3为实测剖面；（E）实验测量的锆石Ti扩散系数和该研究的经验标定

图4 （A–B）超高温持续时间和加热时间尺度随变质年龄的变化，基于扩散年代学和同位素年代学；（C）快速超高温变质的深部地球动力学机制解释

上述结果证实，古元古代麻粒岩地体中存在短暂的超高温热脉冲事件，其时间尺度与显生宙造山带中报道的快速超高温事件相当（图4A–图4B）。如此短暂的时间尺度，颠覆了以往基于同位素年代学对古老地体热持续时间的传统认识。动力学数值模拟表明，这些快速的超高温变质作用需要极快且高效的壳‒幔热量传输机制，例如板片撕裂造成的软流圈上涌（图4C），而非长期缓慢的放射性元素生热。此外，Ti扩散模拟结果为天然锆石中Ti扩散系数提供了首个经验约束（图3E），为锆石Ti温度计的合理应用奠定了重要基础。

3.科学意义与启示

通过系统对比全球已报道的超高温变质作用时间尺度，尤其是针对具有振荡环带锆石残留核的超高温麻粒岩，研究进一步指出：

（1）快速超高温事件在前寒武纪可能普遍存在。以往普遍认为早前寒武纪快速超高温变质事件罕见。然而，基于过去数十年积累的锆石稀土元素和石榴子石主量元素扩散实验数据，本研究揭示了一个颠覆性图景：持续时间短暂（<1–5 Myr）、呈脉冲式的超高温事件在早前寒武纪可能十分普遍。其“看似罕见”的主要原因在于传统同位素年代学方法的时间分辨率有限，难以识别此类短暂事件（图4A–图4B）。

（2）锆石震荡环带可作为识别快速超高温事件的矿物学证据。超高温麻粒岩中锆石所保留的具震荡环带的残留岩浆核或碎屑核，可为识别快速超高温变质事件提供重要的矿物学标志。

（3）早前寒武纪壳‒幔热传输更为快速高效。早前寒武纪时期的壳‒幔相互作用，尤其是热传输机制，可能远比以往认识的更为迅速、高效且强烈。由此引发的快速超高温变质及熔体分离过程，很可能对大陆地壳的分异和长期稳定化起到了关键作用，而这一影响在以往研究中尚未得到充分重视。相关机制与具体贡献仍需通过多学科交叉与深入实证研究进一步阐明。

研究成果发表于国际学术期刊Geology（Zou Y, Chen J X, Chu X, Zhao L, Guo, J H, Zhai M G. Zircon diffusion chronometry reveals brief ultrahigh-temperature metamorphism in a prolonged Paleoproterozoic orogen[J]. Geology, 2026. DOI: 10.1130/G53740.1.）。研究受国家自然科学基金（项目号：42330304、42220104008、42250202、42472260）及国家重点研发计划（项目号：2023YFF0803802）联合资助。