板块构造理论是地球科学的基石，已有的研究表明，某种形式的板块构造可能至少在早前寒武纪(如古元古代)就已经具有相当规模(Wan et al., 2020, Science Advance)，但其构造样式和现代板块构造的异同仍然存在很大的争议(Zhai and Peng, 2020, Science Bulletin)。因此，有必要对早前寒武纪发生的构造过程进行识别和定量刻画。时间尺度(持续时间或速率)是构造过程的基本参数之一，与构造过程的动力学机制最为紧密关联。可以说，准确地限定早前寒武纪构造过程的时间尺度是进一步认识当时构造-热体制的关键。
变质岩记录的变质作用速率，如峰期持续时间、抬升-冷却速率，是对热源属性和构造过程速率的最直接反映。目前，同位素年代学是研究变质作用速率广泛采用的方法，基于此，全球报道的快速变质-构造过程的研究案例几乎全部来自显生宙的年轻造山带，而在早前寒武纪造山带/构造带中却近乎缺失(Viete and Lister, 2017, Journal of the Geological Society)。早前寒武纪缺失快速变质-构造过程的原因是什么？是同位素年代学不确定性造成的曲解，样品保留的偏差，还是不同构造体制的真实反映? 回答这些问题的关键在于，如何更为精细且准确地刻画早前寒武纪的变质-构造过程速率。
中国科学院地质与地球物理所岩石圈演化国家重点实验室前寒武纪学科组邹屹博士后与加拿大多伦多大学初旭教授合作，率先利用扩散年代学这一动力学方法探究古元古代变质-构造过程，并以古元古代最具构造指示意义的两类代表性岩石—高压泥质麻粒岩和超高温泥质麻粒岩为研究对象，精细地解析了两类麻粒岩的P-T-t演化轨迹、峰期持续时间、抬升-冷却速率(图1-图3)。
结果表明，两类麻粒岩均记录有持续时间在1-5 Myr的变质-构造过程，如碰撞挤压(1.87 Ga)或者伸展作用(1.85 Ga)造成的快速构造抬升(高压泥质麻粒岩；图1-2)、伸展作用下局部基性岩侵位造成的短暂超高温效应(1.85 Ga超高温泥质麻粒岩；图3)，这些短暂的变质-构造过程镶嵌于长期造山过程的背景中，控制着目前观测到的矿物组合、反应结构和矿物成分环带，然而这样古老而快速的变质-构造过程的时间尺度小于同位素年代学的误差(图4)，很难甚至无法被同位素年代学所识别。
图1 （a-d）高压泥质麻粒岩石榴子石元素环带；（e）高压泥质麻粒岩变质P-T-t轨迹，其中橙色数值为变质过程的持续时间，1.87 Ga为锆石和独居石U-Pb年龄；（f）基于石榴子石边界与基质维持平衡的扩散模型；（g-i）石榴子石多组分扩散模拟以及各变质阶段的时间尺度(最佳拟合值)
图2 （a）高压泥质麻粒岩石榴子石元素环带；（b）高压泥质麻粒岩变质P-T-t轨迹，其中橙色数值为变质过程的持续时间，其中1.85 Ga为锆石和独居石U-Pb年龄；（c）石榴子石多组分扩散模拟以及各变质阶段对应的扩散环带，持续时间对应于b；（d-e）等温减压和等压冷却持续时间的灵敏度检验
图3 （a）超高温泥质麻粒岩石榴子石元素环带；（b）超高温泥质麻粒岩变质P-T-t轨迹，其中橙色数值为各变质阶段的持续时间，其中1.85 Ga为锆石和独居石U-Pb年龄；（c）与石英/钾长石接触的石榴子石边部多组分扩散模拟及对应的持续时间；（d）与黑云母接触的石榴子石边部Fe-Mg元素扩散模拟和对应的冷却阶段和持续时间
图4 高压泥质麻粒岩和超高温泥质麻粒岩抬升-冷却速率，黑线为扩散年代学结果、橙色线及数字为同位素年代学结果，二者并无矛盾，但同位素年代学无法识别快速抬升-冷却过程以及冷却过程的阶段性
该项研究为前述问题提供了答案，即同位素年代学的误差限制其识别早前寒武纪快速变质-构造过程，而扩散年代学是目前解决这一缺陷的绝佳途径。研究还指出，直接用年代学数据计算早前寒武纪变质-构造过程的时间尺度，而不考虑数据的外部误差或者变质动力学过程，很容易人为夸大某些重要地质过程的时间尺度；虽然古元古代存在持续时间在1-5 Myr的快速变质-构造过程，但其抬升-冷却速率相比于显生宙造山带超高压岩石仍然整体慢了数倍至一个数量级，因此古元古代即使存在板块构造，其构造样式可能与现代板块构造有所不同。这项研究也为探索早前寒武纪的构造体制提供了一个岩石学思路。
上述成果发表于岩石学国际学术期刊Journal of Petrology和Contributions to Mineralogy and Petrology。研究受博士后创新人才计划和青年基金的资助。
1. 邹屹, 初旭, 李秋立, Ross Mitchell, 翟明国, 邹心宇, 赵磊, 王禹权, 刘博. Local rapid exhumation and fast cooling in a long-lived paleoproterozoic orogeny[J]. Journal of Petrology, 2020, 61(10): egaa091. DOI: 10.1093/petrology/egaa091.
2.邹屹, 李秋立, 初旭, 翟明国, Ross Mitchell, 赵磊, 周李岗, 王禹权, 刘博. Older orogens cooled slower: new constraints on Orosirian tectonics from garnet diffusion modeling of metamorphic timescales, Jiaobei terrain, North China Craton[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 2021, 176(11): 1-24. DOI: 10.1007/s00410-021-01846-w.
