理解造山带中变质岩的冷却时间尺度和冷却速率，是揭示其构造背景和地球动力学机制的关键环节。研究表明，显生宙造山带的冷却速率相对较快，通常可达100 °C/Myr；前寒武纪造山带的冷却速率则相对较慢，往往小于50 °C/Myr。这种差异被认为反映了造山带内部热结构、岩石圈流变性及地幔热状态等对折返过程和冷却路径的控制。古元古代末期，全球出现近二十条线性造山带，标志着哥伦比亚超大陆的聚合以及板块构造全球化，因此解析该时期造山带的冷却时间尺度及速率，对于理解地球构造体制从太古代向现代板块构造的演化具有重要意义。
图1 五台–阜平地壳剖面中典型石榴子石的激光元素面扫描图。主量和微量元素数据均通过 XMapTools软件处理并定量化。e图中桃红色矩形及箭头标示了微量元素扩散剖面的提取区域与方向
基于这一科学背景，中国科学院地质与地球物理研究所郭敬辉团队与香港大学赵国春团队，联合国内外学者，选取了华北中部造山带中段的五台–阜平地壳剖面，系统开展了古元古代造山带冷却时间尺度和冷却速率的研究。前期研究（Liu et al., 2025）通过石榴子石Lu–Hf激光原位定年，结合区域锆石与独居石U–Pb定年数据，建立了该剖面的变质年代学格架：进变质阶段为1.97–1.90 Ga，峰期阶段为1.90–1.86 Ga，退变质阶段为1.86–1.80 Ga。其中，进变质阶段的~60 Myr已经通过一维热模拟获得验证。该研究则进一步利用扩散年代学方法，对退变质的冷却时间进行独立评估。
研究团队对剖面中不同变质级别的石榴子石开展EPMA和LA–ICP–MS面扫描分析，获得高空间分辨率的主量和微量元素分布（如图1）。选取其中两颗最适合扩散模拟的石榴子石：来自阜平湾子表壳岩的变泥质岩20FP09，以及来自五台石咀亚群的变泥质岩L17。二者的主量元素（Fe–Mg–Ca–Mn）和微量元素（Zr–P–Cr–Sc–Y–HREE）分布，均展示出核部到幔部的进变质生长环带，以及从幔部到边部的扩散环带（如图1），为建立扩散模型提供了理想的基础数据。
图2 代表性石榴子石的主量元素扩散模拟结果。模拟采用三套实验扩散系数：Chakraborty and Ganguly (1992, CG92)、Carlson (2006, C06) 和 Chu and Ague (2015, CA15)。设计了两类初始条件：(a) 核–幔部为拟合的生长环带，幔–边部为相平衡模拟得到的峰期均一成分；(b) 核–幔部拟合的生长环带延续至颗粒边部。模拟分别测试了不同的近等温降压（ITD）时间尺度（1、2、3、4、5 Myr；图中展示 1 Myr，其余结果见论文附件），并据此反演得到相应的近等压降温（IBC）阶段的时间尺度
在主量元素扩散模拟中，设定了两种初始剖面：（1）核–幔部基于测试数据拟合的生长环带，而幔-边部为相平衡模拟获得的峰期均一成分（图2a）；（2）将核–幔部拟合的生长环带结果延伸至边部（图2b）。石榴子石的边界条件假设为在退变质过程中始终与相邻基质矿物保持动态平衡。使用采用最流行的3个版本的主量元素实验扩散系数（见图2），并结合样品的变质P–T轨迹，将退变质过程分为近等温降压（ITD）和近等压降温（IBC）两阶段，通过最小化拟合残差反演最优的退变质时间尺度。
图3 五台–阜平地壳剖面中代表性石榴子石微量元素扩散模拟结果。模拟采用实验扩散系数Tirone et al. 2005 (T05)、Bloch et al. 2020 fast mechanism (B20_f)、Bloch et al. 2020 slow mechanism (B20_s)、Cherniak 2005 (C05)、Bloch et al. 2015 (B15)、Van Orman et al. 2002 (VO02)
微量元素扩散模拟则采用了6个版本的实验扩散速率（图3），并利用 Zr–P–Cr 这类低扩散速率、保留生长环带信息的元素作为初始剖面参考。模拟结果显示，HREE 在两个样品中均遵循快扩散机制，其扩散行为与主量元素模拟结果高度一致，使得两类独立方法相互验证，显著增强了对冷却时间尺度的约束可靠性。
综合主–微量元素扩散结果（图4a），20FP09 样品记录了快速的 ITD 阶段（1–4 Myr），随后经历了 14–31 Myr 的 IBC 缓慢冷却过程；L17 样品则显示单一的 IBC 冷却阶段，持续 35–50 Myr。两者对应的冷却速率为 2–13 °C/Myr，显著慢于显生宙造山带，更接近前寒武纪造山带的一般特征。结合此前的年代学框架（图4b），五台–阜平地壳剖面的变质演化时间格架为：进变质 1.97–1.90 Ga（约 60 Myr）、峰期 1.90–1.86 Ga（约 40 Myr）、退变质 1.86–1.80 Ga（11–50 Myr）。上述结果表明，该区域经历了长达 >150 Myr 的长寿命造山过程。
图4（a）五台–阜平地壳剖面两个典型样品扩散模拟所得的冷却时间尺度汇总；（b）五台–阜平地壳剖面P–T–t格架
这一冷却历史不仅反映了古元古代岩石圈在造山作用中的热弱性，也揭示了当时地球动力学体制的独特性。地球动力学模拟表明，古元古代时期长寿命造山带多表现为“截断型”（truncated）碰撞机制，但局部仍可能叠加了“剥离型”（peeling-back）过程。这可能标志着古元古代末期造山带链接了从太古代软弱岩石圈向现代较冷的、板块构造为主的构造体制的转变。
研究成果发表于国际学术期刊CMP（刘嘉惠*，Thorsten Markmann，Hugo Dominguez，郭敬辉，张谦，张亮亮，赵国春，Pierre Lanari. Protracted cooling in a long-lived Orosirian orogen: Insights from major and trace element diffusion modeling in metamorphic garnet [J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 2026）。研究获国家自然科学基金（42330304, 42302220）、国家重点研发计划（2023YFF0803802）、香港研资局与中科院联合实验室基金（JLFS/P-702/24）、香港研资局研究资助基金（17308023）、香江学者计划（XJ2024025）共同资助及欧洲研究理事会基金（850530）共同资助。
刘嘉惠（博士后）
