区域变质作用中的变质反应速率有多快？这是一个非常重要而又充满争议性的科学问题。
伴随变质作用发生的矿物转换反应和相应的岩石物理化学性质的变化，强烈影响到许多重要地质过程，例如流体–岩石相互作用、元素的再分配和迁移富集，构造应力场的改变与地震等等。虽然我们对驱动变质反应的压力–温度–成分（P–T–X）条件已经较为熟知，但变质反应发生的时间尺度/速率仍然存在广泛的争议。放射性同位素定年识别出变质矿物生长的时间尺度至少为数万年，而现场观测的实验室中变质矿物生长时间仅需数天至数周。这与Ethan Baxter提出的“区域变质作用中的变质反应速率比实验室体系中的慢4–7个数量级”的结论是相一致的。这种差异一直被归因于实验室体系下的反应条件无法在自然界中完美重现的原因。另一派学者如David Rubie则通过速率计算，提出流体渗透可以引发在数天至数千年内发生的快速变质反应。
由于时间分辨率不足，放射性同位素定年法无法有效识别出快速的变质反应；相反，近年来迅速发展的具有高时间分辨率的扩散年代学法有望解决这一科学问题。中国科学院地质与地球物理研究所郭敬辉吴春明团队，联合伯尔尼大学的Pierre Lanari（现在洛桑大学）、Jörg Hermann、Daniela Rubatto团队展开合作研究，对华北中部造山带阜平地区的变辉长岩进行研究，探索其中变质冠状体结构的形成时间尺度及速率。
首先，基于岩相学、相平衡模拟、地球化学、同位素定年等手段，评估变辉长岩的原岩年龄为～2.06 Ga，变质峰期P–T条件为0.8 GPa/800 °C，变质年龄为～1.85 Ga。这与阜平区域上的变质峰期P–T条件和变质时代非常相符，表明该变辉长岩的冠状体结构可能形成于华北东–西陆块碰撞造山时的区域变质作用中。
变辉长岩中冠状体结构（图1）指示变质反应：CpxI + PlI + H2O → AmpM + PlM + QzM + GrtM ± OpxM ± CpxM ± BtM + melt。同一薄片内4个不同视域的激光微量元素面扫描图显示（图2），冠状体石榴子石中HREE+Y含量从岩浆期单斜辉石（CpxI）区域向岩浆期斜长石（PlI）区域系统性降低。这种趋势可能反映了由化学势（µHREE+Y）梯度驱动的矿物晶间扩散，在扩散过程中被途经的石榴子石（GrtM）所吸收并“冻结”。由于该岩石中的矿物晶间广泛存在熔体假象，且石榴子石中HREE梯度的相对关系与熔体之中的扩散系数相对关系完全相符，因此，推测该HREE+Y梯度记录了变质峰期部分熔融过程中，HREE+Y随CpxI分解从其中释放，并在晶间熔体中向PlI扩散的过程。
图1 变辉长岩显微岩相照片。该变辉长岩经历部分麻粒岩化，峰期阶段以在残留岩浆期矿物单斜辉石（CpxI）和斜长石（PlI）的交界处发育的多层变质冠状体为特征，冠状体自CpxI向PlI包括：第一层AmpM + QzM ± OpxM ± CpxM ± BtM，第二层PlM，第三层GrtM
图2 变辉长岩中跨越石榴子石的HREE+Y定量成分面扫描图（A）和提取的HREE成分剖面（B）。其中，B图的HREE成分来自于矩形条带Tr2（见图2A），所有元素被归一化为0到1。剖面曲率随HREE原子质量的增加而增加，表明扩散速率降低。该相对扩散速率与HREE在石榴子石晶内中的扩散规律不符，相反，与HREE在熔体中的规律完全一致
团队对该HREE+Y梯度进行熔体中扩散模拟。研究应用了两种边界条件的扩散模型：（1）固定边界条件（图3），对实测剖面进行多元素（Lu, Yb, Er, Ho, Dy, Y）、多剖面（6条）定量化扩散模拟，获得一致的扩散时间为8.4+5.4/-3.3天。（2）移动边界条件（图4），可模拟CpxI–melt界面随CpxI分解而移动的过程，更接近真实的变质过程，获得半定量扩散时间为<1年。上述扩散时间尺度可大致代表石榴子石冠状体的生长时间尺度，因为石榴子石的结晶过程需要在熔体中HREE+Y扩散完全平衡之前完成，方可吸收、继承这一扩散梯度并最终将其“冻结”在晶格之中。该变质反应时间尺度和实验室体系下的十分一致，表明区域变质作用中存在与实验室体系下同样快速的变质反应脉冲。但由于放射性同位素定年法的时间分辨率不足，这类超快速反应往往难以识别。
图3 变辉长岩固定边界条件的多元素多剖面扩散模拟
图4 变辉长岩移动边界条件扩散模拟，以Lu元素为代表。（A）Lu在CpxI和熔体中的初始含量；（B）Lu在熔体中的扩散曲线，因时间尺度不同（1天到100年），CpxI的分解速率也不同（0.01 µm/天到400 µm/天）。CpxI–熔体界面伴随CpxI的分解而向后者移动。当扩散时间尺度小于1年时，可保留明显的扩散环带；反之则扩散剖面将被抹平
此前的主流观点认为，区域变质作用中单次变质反应的发生，至少需要数万年。然而，这项研究表明，单次变质反应/变质矿物生长可以发生在十天或一年以内，这与实验室中的变质反应速率是完全相当的。当变质反应在地质时间尺度上瞬时发生时，相关的变化如岩石体积、密度、强度以及熔体的生成和流体的释放等可能也是瞬时的。这种快速变化可能导致一系列地质响应，如流体快速释放引发流体超压，晶体尺寸、岩石体积及密度的突变促使岩石致密化，这些都可能诱发脆性破裂进而触发地震。这项研究提供了一个新的视角，即超快速的变质反应/变质矿物转换所导致的岩石物理化学性质的变化可能是某些地震活动的重要触发机制。
研究成果发表于国际学术期刊GCA（刘嘉惠，Pierre Lanari, Renée Tamblyn, Hugo Dominguez, Jörg Hermann, Daniela Rubatto, Jacob Forshaw, Francesca Piccoli, 张谦，Thorsten A. Markmann, Julien Reynes，李真，焦淑娟，郭敬辉. Ultra-fast metamorphic reaction during regional metamorphism [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2025, 394: 106–125. DOI: 10.1016/j.gca.2025.01.036.）。成果受欧盟地平线2020研究与创新项目（850530）、国家自然科学基金项目（42330304, 42302220）、博新计划（BX20220294）、中央高校基础研究基金（E2E40401X2）共同资助。
刘嘉惠（博士后）
