榴辉岩是一种形成于高压-超高压条件下的变质岩，通常与板块俯冲、大陆碰撞等构造过程密切相关。因此，榴辉岩的研究对于理解地球板块构造的启动和演化具有重要意义。然而，关于地球何时开始现代板块构造活动，科学界一直存在争议。华北克拉通北缘的榴辉岩曾被一些学者认为是全球在古元古代时存在板块构造的关键岩石学证据之一，但关于其峰期变质作用的确切时间缺乏有效约束。以往研究揭示榴辉岩及其伴生的副片麻岩中至少存在两期具有变质特征的锆石（古元古代和石炭纪），但究竟哪一期锆石记录了榴辉岩相变质作用的时间仍缺乏关键证据。华北克拉通北缘的榴辉岩相变质作用究竟发生在古元古代还是石炭纪？这一问题不仅关系到华北克拉通的地质演化历史，还涉及到地球板块构造起始时间的全球性争议。
石榴石是恢复变质P-T的最主要矿物，对石榴石直接定年可以约束变质事件的时代。然而，传统的石榴石Lu-Hf等时线定年和U-Pb定年都是基于ID-TIMS的全颗粒分析，这种分析方法虽然精度很高但前处理复杂，且很容易受到石榴石内多种包裹体的影响，获得没有地质意义的混合年龄。对于经历过不同的造山旋回，变质期次复杂的石榴石样品也很难揭示其多期次变质时代，给出有意义的年龄。对石榴石开展微区直接定年能够克服上述问题，要指出的是，石榴石微区直接定年技术虽然空间分辨率高，但分析精度较低。
为了准确限定华北北缘榴辉岩相变质作用的时代，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室杨进辉团队博士生闫垚琪在导师王浩研究员的指导下，采用激光原位石榴石Lu-Hf和U-Pb同位素定年技术有效区分石榴石形成期次，进一步结合高精度的锆石SIMS U-Pb同位素定年和矿物包裹体分析精确限定榴辉岩相变质作用的时代。这种分析策略既可以有效地区分多期次变质作用，又可以达到精确定年的效果，相关结果为理解华北克拉通北缘的地质演化历史和全球板块构造起始时间提供了关键约束。
图1 华北克拉通北缘副片麻岩16YL42 (A)和榴辉岩16YL45 (B)的原位石榴石LA-ICP-MS/MS Lu-Hf等时线图
图2 华北克拉通北缘榴辉岩16YL40 (A)、16YL45 (C)和副片麻岩16YL47 (E)的原位石榴石LA-ICP-MS U-PbTera-Wasserburg图
研究结果显示，所有榴辉岩和副片麻岩样品中的石榴石均未显示出古元古代的年龄，其原位Lu-Hf年龄为354 ± 91 Ma至369 ± 89 Ma，原位U-Pb年龄为245 ± 180 Ma至335 ± 27 Ma。这些年龄虽然精度较低，但足以表明榴辉岩相变质作用发生在石炭纪，而非此前认为的古元古代（约1.85 Ga）。此外，相同样品中的变质锆石的SIMS U-Pb年龄集中在325.5 ± 2.0 Ma至308.9 ± 3.4 Ma之间，是对华北克拉通北缘榴辉岩相变质作用时代的最精确估计，进一步支持了石炭纪变质作用的结论。该研究揭示在副片麻岩样品中获得的古元古代锆石虽然具有变质锆石的形貌学和内部结构特征，但其很可能是碎屑成因。
图3 华北克拉通北缘榴辉岩16YL40 (A)、副片麻岩16YL42 (B)、榴辉岩16YL45 (C)和副片麻岩16YL47 (D)的锆石SIMS U-Pb谐和图
图4 基于Dodson (1973)的方法，利用Cherniak和Watson (2001)、Zhao和Zheng (2007)以及Bloch等人(2015)的扩散系数，假设冷却速率为20 ℃/Ma (A)或晶粒半径为500 μm (B)，理论计算石榴石（almandine、grossular、pyrope和spessartine）和锆石中Pb的闭合温度和石榴石中Hf的闭合温度
为更好地理解锆石和石榴石年龄的差异，该研究还对石榴石U-Pb和Lu-Hf以及锆石U-Pb体系的封闭温度进行了理论计算。结果表明，即使在20 ℃/Ma的缓慢冷却速率下，粒径大于500 μm的石榴石颗粒的Lu-Hf体系和U-Pb体系的封闭温度分别高达850 ℃和1000 ℃，与100 μm大小的锆石的U-Pb体系封闭温度相当。华北克拉通北缘榴辉岩中石榴石粒径一般为1000-2000 μm，峰值温度为~750 ℃，低于石榴石U-Pb和Lu-Hf体系的理论封闭温度。这些计算结果支持石榴石和锆石同位素定年数据在确定榴辉岩相变质作用时间上的可靠性。
这一研究明确了华北克拉通北缘榴辉岩相变质作用的时代，并指出这期榴辉岩相变质作用可能记录的是石炭纪时期华北克拉通北缘与古亚洲洋内岛弧的碰撞事件，而不是古元古代现代板块构造的活动，从而为华北克拉通的构造演化提供了新的视角。研究团队强调，原位石榴石Lu-Hf和U-Pb定年技术能够有效区分样品中记录的多期变质事件，并呼吁对全球范围内报道的前寒武纪榴辉岩进行重新审视，以更准确地约束现代板块构造启动的时间。
研究成果发表于国际学术期刊EPSL（闫垚琪，王浩*，杨进辉，吴石头，冉静，周宝全，吴亚东. Carboniferous, not Paleoproterozoic, eclogite-facies metamorphism in the northern North China Craton as revealed by in situ garnet Lu-Hf and U-Pb geochronology [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2025, 653: 119207. DOI: 10.1016/j.epsl.2025.119207.）。研究得到中国科学院先导B项目（XDB0710000）、国家自然科学基金项目（42322203、42288201）和中国科学院青年创新促进会项目（2020068）的联合资助。
闫垚琪（博士生）
