造山帶榴輝巖的變質(zhì)作用P-T-t軌跡研究進(jìn)展*

陳安平 張宏福, 2

1. 西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710069 2. 浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，杭州 310058

西阿爾卑斯和挪威西部的變質(zhì)表殼巖中柯石英的發(fā)現(xiàn)，拓展了傳統(tǒng)變質(zhì)作用研究的范疇，開啟了大陸深俯沖和超高壓變質(zhì)作用研究的序幕(Chopin, 1984; Smith, 1984)。三十多年來(lái)，俯沖/碰撞造山帶的高壓-超高壓變質(zhì)作用一直是固體地球科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)和前沿(Chopin, 2003; 鄭永飛等, 2013)。以高壓-超高壓變質(zhì)巖為研究載體，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在礦物和巖石的成因演化、元素和熔/流體活動(dòng)、殼-幔相互作用、板片俯沖-折返的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和機(jī)制等方向開展了持續(xù)的研究，取得了大量的創(chuàng)新研究成果(Coleman and Wang, 1995; Carswelletal., 2003; Hacker, 2006; Dobrzhinetskayaetal., 2011; Zhengetal., 2012; Zhangetal., 2019a)。這些成果深化了人們對(duì)俯沖/碰撞造山帶和巖石圈內(nèi)部形成和演化的認(rèn)識(shí)，發(fā)展了板塊構(gòu)造理論(Zhengetal., 2015)。

高壓-超高壓變質(zhì)巖經(jīng)歷了俯沖至地球深部而后折返至地表的復(fù)雜地質(zhì)過(guò)程，反演它們的P-T-t軌跡是高壓-超高壓變質(zhì)作用研究的一個(gè)重要方向，也是揭示俯沖/碰撞造山帶構(gòu)造演化的一個(gè)重要途徑(Zhangetal., 2019a; 張澤明等, 2021)。例如，根據(jù)P-T-t軌跡信息可解析巖石變質(zhì)過(guò)程中的地溫梯度(T/P)、變質(zhì)年齡和變質(zhì)作用持續(xù)的時(shí)間(t)、埋藏/抬升速率(P/t)、升溫/冷卻速率(T/t)，同一造山帶內(nèi)不同地塊的P-T-t軌跡對(duì)比可揭示區(qū)域的變質(zhì)演化和構(gòu)造作用過(guò)程(Songetal., 2003; Xuetal., 2006; Liuetal., 2011; Zhouetal., 2022a; 圖1)。榴輝巖是出現(xiàn)現(xiàn)代范式的板塊構(gòu)造的重要標(biāo)志之一，也是俯沖/碰撞造山帶高壓-超高壓變質(zhì)巖中的一類典型代表(Brown and Johnson, 2019; Zheng and Zhao, 2020)。它常保留多個(gè)變質(zhì)階段的礦物組合，較好地記錄了造山帶演化的相關(guān)信息，是反演高壓-超高壓變質(zhì)作用P-T-t軌跡的一種理想巖石樣品(Smith, 1988; Carswell, 1990)。查明榴輝巖的P-T-t軌跡可為研究俯沖板片的脫揮發(fā)分作用、部分熔融作用、俯沖-折返機(jī)制等提供重要限定(劉帥奇和張貴賓, 2021; 張澤明, 2021)。

圖1 代表性的造山帶榴輝巖P-T-t軌跡大陸碰撞(大別山雙河)和大洋俯沖(西南天山)造山帶的榴輝巖P-T-t軌跡(Gao et al., 2011; Zhang et al., 2019b)，大別造山帶內(nèi)不同地塊的榴輝巖P-T-t軌跡揭示了這些塊體的俯沖-折返過(guò)程(Liu et al., 2011).圖中的變質(zhì)相分區(qū)據(jù)Liou et al. (1998)Fig.1 Representative P-T-t path of orogenic eclogitesP-T-t path of eclogites in continental collision (Shuanghe, Dabie) and oceanic subduction (SW Tianshan) orogens (Gao et al., 2011, Zhang et al., 2019b). The contrasts in P-T-t path of eclogite in different terranes of the Dabie orogen reveal subduction-exhumation process of these terranes (Liu et al., 2011). The division of metamorphic facies regions from Liou et al. (1998)

變質(zhì)地質(zhì)學(xué)研究和地球動(dòng)力學(xué)模擬是獲取巖石P-T-t軌跡的兩種基本方法(Spear and Peacock, 1989)。前者主要基于對(duì)天然巖石的觀察和測(cè)試，采用熱力學(xué)計(jì)算方法獲得P-T，地質(zhì)年代學(xué)方法獲得t；后者通過(guò)建立物質(zhì)傳熱和物性變化的數(shù)值模型，直接模擬地質(zhì)體中巖石的溫壓隨時(shí)間的變化。多年來(lái)隨著技術(shù)方法的提高，這兩種P-T-t軌跡研究手段都取得了重要進(jìn)展，豐富了人們對(duì)高壓-超高壓變質(zhì)作用的理解(魏春景, 2012; Li, 2014; Lanari and Duesterhoeft, 2019; 張貴賓等, 2021; Gerya, 2022)。本文簡(jiǎn)要回顧采用變質(zhì)地質(zhì)學(xué)方法構(gòu)建榴輝巖P-T-t軌跡的研究進(jìn)展，主要闡述如何構(gòu)建P-T軌跡、如何獲得多階段變質(zhì)年齡、如何匹配變質(zhì)作用的溫壓條件和年齡信息這三個(gè)方面的內(nèi)容。

1 構(gòu)建P-T軌跡

詳細(xì)的巖相學(xué)觀察和礦物成分分析是構(gòu)建P-T軌跡的基礎(chǔ)。理想情況下，造山帶榴輝巖可記錄進(jìn)變質(zhì)、峰期變質(zhì)和退變質(zhì)三個(gè)階段的礦物組合。其中，峰期礦物組合和退變質(zhì)礦物組合在多數(shù)榴輝巖中能夠保留，易于觀察。進(jìn)變質(zhì)階段信息常被石榴子石的生長(zhǎng)環(huán)帶和包裹體礦物組合所記錄(Zhangetal., 2000, 2002)，也可以鋯石的包裹體形式保存(Liuetal., 2006)。下面結(jié)合前人研究成果，從傳統(tǒng)礦物溫壓計(jì)和相平衡模擬角度簡(jiǎn)介榴輝巖相變質(zhì)作用的溫壓計(jì)算，并闡述這兩種方法的特點(diǎn)。

傳統(tǒng)礦物溫壓計(jì)計(jì)算榴輝巖變質(zhì)作用的溫度主要依據(jù)礦物之間的Fe-Mg交換平衡，包括石榴子石-綠輝石溫度計(jì)(Powell, 1985; Krogh, 1988; Ravna, 2000)和石榴子石-多硅白云母溫度計(jì)(Green and Hellman, 1982)。榴輝巖變質(zhì)作用的壓力計(jì)算依據(jù)石榴子石-綠輝石-多硅白云母-藍(lán)晶石-石英/柯石英之間的幾組礦物端元轉(zhuǎn)換反應(yīng)(Waters and Martin, 1993, 1996; Nakamura and Banno, 1997; Coggon and Holland, 2002; Ravna and Terry, 2004)。陳意等(2005)系統(tǒng)評(píng)估了榴輝巖常用溫壓計(jì)標(biāo)定所采用的礦物活度模型、重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的程度、對(duì)天然樣品的適用性，提出Ravna (2000)石榴子石-單斜輝石溫度計(jì)較好地重現(xiàn)了相平衡實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。對(duì)于綠輝石中硬玉組分(XJd)低于0.55的多硅白云母榴輝巖，可采用Ravna (2000)溫度計(jì)和Waters and Martin (1993)壓力計(jì)聯(lián)合求解溫壓；對(duì)于XJd高于0.55的超高壓多硅白云母榴輝巖，可選取Green and Hellman (1982)溫度計(jì)和Waters and Martin (1996)壓力計(jì)聯(lián)合求解溫壓(陳意等, 2005)。

相平衡模擬采用內(nèi)洽的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)、礦物固溶體模型和相關(guān)模擬軟件計(jì)算礦物/熔流體之間的熱力學(xué)平衡關(guān)系。其中，視剖面(pseudosection)相圖可模擬巖石在不同溫壓下的礦物組合和礦物成分，被廣泛用于計(jì)算變質(zhì)作用的溫壓條件(Powell and Holland, 2008; 魏春景, 2011; 吳佳林等, 2015)。視剖面圖模擬的基本原理是，首先模擬出在巖石中觀察到的礦物組合，而后對(duì)占據(jù)較大P-T范圍的觀察組合計(jì)算礦物成分或含量等值線，最后將實(shí)測(cè)的礦物成分或含量與計(jì)算的等值線對(duì)比，限定實(shí)際觀察到的礦物組合形成的溫壓條件。魏春景等(2009, 2013)以洋中脊玄武巖為例，計(jì)算了視剖面圖，根據(jù)主要組成礦物的差別劃分了不同的榴輝巖相區(qū)域。這些工作系統(tǒng)分析了石榴子石、綠輝石和多硅白云母的等值線在不同榴輝巖相區(qū)域中的變化趨勢(shì)，同時(shí)考察這些等值線隨全巖成分的變化情況，提出石榴子石的Ca和Mg含量、多硅白云母的Si含量可作為高壓/超高壓榴輝巖相礦物組合的等值線溫壓計(jì)。

傳統(tǒng)礦物溫壓計(jì)的使用需要符合其標(biāo)定的各類條件，包括巖石類型、礦物成分、溫壓范圍，在這些條件之外使用溫壓計(jì)將帶來(lái)不合乎實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果(Powell and Holland, 2008; 吳春明, 2013)。在符合使用條件的基礎(chǔ)上，只需要根據(jù)局部平衡礦物組合的成分，就可較快捷地獲得巖石相應(yīng)變質(zhì)階段的溫壓條件。Fe3+含量是使用榴輝巖傳統(tǒng)溫壓計(jì)需要注意的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。如前所述，溫度計(jì)算基于石榴子石和綠輝石之間的Fe2+-Mg交換平衡，計(jì)算結(jié)果依賴于這兩個(gè)礦物Fe3+含量的準(zhǔn)確性(Carswell and Harley, 1990; Carswelletal., 1997; Ravna and Paquin, 2003; Proyeretal., 2004)。前人采用穆斯堡爾譜和X射線近邊結(jié)構(gòu)譜分析了大別-蘇魯榴輝巖中石榴子石、綠輝石和多硅白云母的Fe3+，發(fā)現(xiàn)綠輝石和多硅白云母的Fe3+含量較高(Fe3+/∑Fe分別為0.2～0.69和0.2～0.6)，石榴子石的Fe3+含量相對(duì)較低(Fe3+/∑Fe=0～0.08; Schmidetal., 2003; Lietal., 2005; Okamotoetal., 2013; Terabayashietal., 2013)。隨著分析測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已建立了電子探針準(zhǔn)確測(cè)定石榴子石、角閃石、黑云母、尖晶石和硅酸鹽玻璃Fe3+含量的方法(Endersetal., 2000; H?fer and Brey, 2007; Borfecchiaetal., 2012; Zhangetal., 2018a; Lietal., 2019; 李小犁等, 2019; Jiaetal., 2022)。目前，作為榴輝巖中參與溫壓計(jì)算的重要礦物，綠輝石和多硅白云母尚缺乏通過(guò)電子探針準(zhǔn)確測(cè)定其Fe3+含量的方法。除了采用上述分析手段直接測(cè)試榴輝巖礦物中的Fe3+，基于礦物結(jié)構(gòu)式和電價(jià)平衡原理的校正計(jì)算是一種常用的方法(Cawthorn and Collerson, 1974; Droop, 1987)。陳意等(2005)評(píng)估了Fe3+對(duì)榴輝巖變質(zhì)作用溫壓計(jì)算的影響，提出采用電價(jià)平衡法計(jì)算石榴子石中的Fe3+，Cawthorn and Collerson (1974)的方案計(jì)算綠輝石中的Fe3+，可盡可能降低Fe3+校正對(duì)溫壓計(jì)算帶來(lái)的影響。需要注意的是，天然樣品分析和實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果都顯示，榴輝巖中的綠輝石可含有一定的Ca-Eskola(Ca0.5□0.5AlSi2O6)組分(Konzettetal., 2008; Schroeder-Frerkesetal., 2016)，該端元含有0.5個(gè)空位，陽(yáng)離子總數(shù)為3.5。通常計(jì)算假設(shè)輝石結(jié)構(gòu)式中含有4個(gè)陽(yáng)離子，出現(xiàn)Ca-Eskola組分會(huì)使得計(jì)算的Fe3+值偏離實(shí)際測(cè)試結(jié)果。低溫榴輝巖中的石榴子石、綠輝石、角閃石等礦物可發(fā)育成分環(huán)帶，如何將不同礦物內(nèi)部的不同環(huán)帶準(zhǔn)確匹配為相應(yīng)變質(zhì)階段的平衡礦物組合是傳統(tǒng)溫壓計(jì)使用的一個(gè)難點(diǎn)，有時(shí)需借助相平衡模擬分析礦物成分隨溫度和壓力變化的趨勢(shì)(Zhangetal., 2017; 張麗娟等, 2018)。

視剖面相圖模擬的顯著優(yōu)勢(shì)是可以定量考察礦物/熔體組成和成分對(duì)巖石成分和溫壓條件的依賴關(guān)系，獲得巖石變質(zhì)演化的多種信息。理論上，采用兩條符合實(shí)際觀測(cè)的等值線就可以限定礦物組合形成的溫壓條件。值得注意的是，采用視剖面相圖反演變質(zhì)作用的溫壓條件需要固定巖石的總成分。造山帶榴輝巖常保留多階段的變質(zhì)礦物組合，巖石中不同礦物組合之間是不平衡的。因此，使用全巖成分作為相平衡模擬的總成分，不能準(zhǔn)確模擬榴輝巖的多階段礦物組合，需采取合適的方法準(zhǔn)確估計(jì)各個(gè)階段的有效總成分分別做相圖模擬(Crucianietal., 2012; Duetal., 2014; Lanari and Engi, 2017; 田作林等, 2020)。同時(shí)也應(yīng)注意，礦物固溶體和熔/流體活度模型對(duì)相平衡模擬結(jié)果的影響。Forshawetal. (2019)以6個(gè)麻粒巖相的變基性巖樣品為研究對(duì)象，對(duì)比了視剖面相圖模擬和樣品實(shí)際觀測(cè)的礦物組合和成分。模擬結(jié)果重現(xiàn)了觀察的礦物組合，但模擬相較于樣品實(shí)測(cè)的角閃石AlⅥ和AlⅣ偏高、Mg和Si偏低，輝石的AlⅣ和Fe3+偏高、Mg和Si偏低。類似地，Santosetal. (2019)計(jì)算了6個(gè)變基性巖在425～700℃和0.2～0.8GPa條件下的視剖面相圖，部分模擬結(jié)果顯示普通角閃石和透輝石可在綠片巖相的條件下穩(wěn)定，與樣品實(shí)際觀察和實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果相違背。上述相平衡模擬和實(shí)際觀測(cè)的對(duì)比反映出，這些研究選取的角閃石和輝石活度模型(Greenetal., 2016)運(yùn)用到一些天然樣品的模擬中會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。視剖面相圖模擬假設(shè)所有礦物總體保持質(zhì)量守恒，不同礦物之間保持熱力學(xué)平衡。輝石和角閃石活度模型的可能缺陷，應(yīng)該也會(huì)傳遞到與這兩者平衡的其他礦物，可能在某種程度上影響這些礦物的含量和成分的準(zhǔn)確模擬。

綜上，作為確定榴輝巖變質(zhì)作用溫壓條件的常用方法，傳統(tǒng)礦物溫壓計(jì)和相平衡模擬各有特點(diǎn)。構(gòu)建榴輝巖變質(zhì)作用P-T軌跡，需要根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，優(yōu)選礦物溫壓計(jì)和相平衡模擬中的一種，或者聯(lián)合使用這兩種方法共同限定巖石變質(zhì)作用的溫壓條件。與此同時(shí)，還可根據(jù)樣品的實(shí)際情況，配合使用礦物的微量元素和同位素地質(zhì)溫壓計(jì)。例如，金紅石和榍石的Zr含量溫度計(jì)(Tomkinsetal., 2007; Haydenetal., 2008)、鋯石的Ti含量溫度計(jì)(Ferry and Watson, 2007)、石榴子石-單斜輝石稀土元素溫壓計(jì)(Sun and Liang, 2015)、氧和鎂同位平衡溫度計(jì)(Zheng, 1993; Matthews, 1994; Wangetal., 2012; Huangetal., 2013; Lietal., 2016; 黃宏煒等, 2020)等計(jì)算榴輝巖不同變質(zhì)階段的溫壓條件。

2 獲取多階段變質(zhì)年齡

2.1 定年方法

以巖石中的某些礦物和全巖粉末為定年對(duì)象，采用等時(shí)線方法是獲取榴輝巖變質(zhì)年齡的一種手段(Griffin and Brueckner, 1980; Lietal., 1993; Duchêneetal., 1997)。該方法的基本流程為，首先將這些定年對(duì)象溶解，然后采用質(zhì)譜分析方法測(cè)定相關(guān)同位素定年體系(如，Lu-Hf、Sm-Nd和Rb-Sr)的元素和同位素比值，最后擬合測(cè)試數(shù)據(jù)得到年齡結(jié)果。為獲得高質(zhì)量的等時(shí)線，要求參與等時(shí)線擬合的定年對(duì)象同時(shí)結(jié)晶并達(dá)到了同位素平衡、同位素體系形成之后保持封閉、定年對(duì)象的母子體同位素比值具有盡可能大的差異。造山帶榴輝巖常經(jīng)歷多階段的變質(zhì)作用，其組成礦物可能多期生長(zhǎng)且早期結(jié)晶的礦物很可能在后期發(fā)生變質(zhì)分解或者重結(jié)晶作用，是影響同位素定年體系和等時(shí)線質(zhì)量的重要因素。采用等時(shí)線定年方法需要通過(guò)巖相學(xué)觀察和相關(guān)的分析測(cè)試，鑒別和排除這些干擾因素(李曙光等, 2005; 程昊和曹達(dá)迪, 2013)。

采用巖石中的某種主要組成礦物或副礦物實(shí)施定年可以較好回避上述干擾。石榴子石是榴輝巖中的主要組成礦物，也是參與溫壓計(jì)算的重要礦物。它的Lu-Hf和Sm-Nd同位素體系可用于確定其生長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的變質(zhì)作用年齡，在解譯榴輝巖P-T-t軌跡方面發(fā)揮著重要的作用。鑒于前人已就該定年方法和運(yùn)用實(shí)例進(jìn)行了詳細(xì)論述(Baxter and Scherer, 2013; Baxteretal., 2017; Cheng, 2019)，本文不單獨(dú)闡述。副礦物原位微束定年分析也是地質(zhì)年代學(xué)研究的常用方法，該方法具有分析效率高、精/準(zhǔn)確度高、空間分辨率高等諸多優(yōu)勢(shì)，在地質(zhì)學(xué)研究得到了廣泛的運(yùn)用(孫金鳳和楊進(jìn)輝, 2009; 李獻(xiàn)華等, 2022)。其中，U-Pb定年體系具有半衰期適宜、母子體質(zhì)量差異較大適宜分析、可通過(guò)自身的定年體系評(píng)價(jià)年齡的有效程度、定年目標(biāo)礦物種類多等特點(diǎn)而被普遍用于地質(zhì)年代學(xué)研究(李秋立, 2015)。

變質(zhì)巖中的鋯石、榍石、金紅石、獨(dú)居石、褐簾石、磷灰石、磷釔礦等是U-Pb原位微束定年的潛在礦物(Wanetal., 2021)。通過(guò)何種礦物甄別與測(cè)定榴輝巖的多階段變質(zhì)年齡是完整刻畫其P-T-t軌跡的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。定年礦物結(jié)晶的溫壓條件和同位素體系的封閉程度是選取定年礦物和解析年齡意義的重要考慮因素。其中，定年礦物結(jié)晶的溫壓條件決定其是否能夠記錄相應(yīng)變質(zhì)階段的年齡；同位素體系的封閉程度則決定其最初記錄的年齡信息是否被后期的變質(zhì)作用所改造。榴輝巖中的鋯石、金紅石、榍石和褐簾石是U-Pb定年的理想對(duì)象，下面就這四種副礦物論述這兩方面的內(nèi)容。

2.2 結(jié)晶條件

2.2.1 鋯石

鋯石具備富含U、低普通Pb、U-Pb體系的封閉溫度高、樣品中普遍出現(xiàn)、多種可示蹤成因的元素/同位素地球化學(xué)體系等優(yōu)點(diǎn)，是變質(zhì)作用定年的常用礦物(Rubatto, 2017; Wu, 2021)。變質(zhì)鋯石的結(jié)晶機(jī)制包括變質(zhì)新生和變質(zhì)重結(jié)晶。變質(zhì)新生鋯石由熔/流體或者原有含Zr礦物分解提供Zr，并與結(jié)晶體系中的SiO2結(jié)合形成；變質(zhì)重結(jié)晶鋯石是原有鋯石發(fā)生改造，根據(jù)是否熔流體參與分為交代/溶解重結(jié)晶和固態(tài)重結(jié)晶(Chen and Zheng, 2017)。天然樣品的研究表明，鋯石可在沉積物成巖的低溫/低壓條件至超高溫/超高壓的變質(zhì)條件下結(jié)晶生長(zhǎng)(M?lleretal., 2003; Rubatto and Hermann, 2007; Hay and Dempster, 2009; Bojanowskietal., 2012)。

巖石結(jié)構(gòu)觀察顯示，輝長(zhǎng)巖中鈦鐵礦和斜鋯石等礦物在進(jìn)變質(zhì)榴輝巖化過(guò)程中可發(fā)生變質(zhì)分解，形成多種結(jié)構(gòu)類型的鋯石(Beckman and M?ller, 2018)。這些進(jìn)變質(zhì)階段結(jié)晶的鋯石在巖石經(jīng)歷峰期和退變質(zhì)作用之時(shí)是否發(fā)生分解或改造？它們最終記錄哪個(gè)變質(zhì)階段的年齡？這兩方面受控于榴輝巖的原巖屬性和變質(zhì)作用過(guò)程。在某些情況下，榴輝巖中的鋯石難以記錄多階段變質(zhì)年齡，尤其是并非總能記錄峰期變質(zhì)年齡。前人在大別山超高壓變質(zhì)帶的研究發(fā)現(xiàn)，由火山-沉積巖變質(zhì)形成的榴輝巖和副片麻巖中的鋯石記錄了俯沖晚期的進(jìn)變質(zhì)年齡和折返早期的退變質(zhì)年齡；由侵入巖變質(zhì)形成的榴輝巖和花崗片麻巖中的鋯石只記錄折返早期的退變質(zhì)年齡(Xiaetal., 2013)。該研究揭示，鋯石的生長(zhǎng)受俯沖-折返過(guò)程中的熔/流體活動(dòng)的制約，熔/流體活動(dòng)又受控于原巖的含水量。副變質(zhì)巖的原巖含水量高，在變質(zhì)過(guò)程中有兩期熔/流體的活動(dòng)，分別為進(jìn)變質(zhì)過(guò)程中原巖釋放孔隙水，峰期變質(zhì)之后含水礦物和名義無(wú)水礦物釋放流體；正變質(zhì)巖因原巖含水量低，只在峰期變質(zhì)之后出現(xiàn)顯著的熔/流體活動(dòng)(Zheng, 2009; Xiaetal., 2013)。

鋯石的生長(zhǎng)還受巖石中熔體和其他含Zr礦物穩(wěn)定性的制約(Kelsey and Powell, 2011; Kohnetal., 2015)。含Zr體系的相平衡模擬顯示，基性巖和泥質(zhì)巖不論沿著何種典型的P-T-t軌跡發(fā)生高壓-超高壓變質(zhì)作用，兩類巖石中的鋯石都在峰期變質(zhì)之前溶解而在峰期變質(zhì)之后生長(zhǎng)，即鋯石不一定能記錄峰期變質(zhì)年齡(Kohnetal., 2015)。該研究發(fā)現(xiàn)，峰期變質(zhì)作用之前，榴輝巖中的Zr從鋯石中溶解而富集在石榴子石、金紅石和角閃石中；峰期變質(zhì)作用之后，金紅石和石榴子石的分解以及熔體的結(jié)晶促使了鋯石的生長(zhǎng)。值得注意的是，相平衡模擬假設(shè)在整個(gè)變質(zhì)作用過(guò)程中，巖石中的Zr在不同相之間達(dá)到了平衡分配。天然樣品的觀察顯示，一些變質(zhì)鋯石發(fā)育多期的生長(zhǎng)環(huán)帶結(jié)構(gòu)或整個(gè)鋯石顆粒被早期結(jié)晶的其他礦物包裹(Liu and Liou, 2011)，表明部分早期結(jié)晶的鋯石并未參與晚期的變質(zhì)作用過(guò)程。一些輝長(zhǎng)巖榴輝巖化過(guò)程中結(jié)晶的鋯石強(qiáng)烈受控于巖石的結(jié)構(gòu)，新生的鋯石出現(xiàn)在富集Zr的殘余巖漿礦物附近，沒(méi)有與巖石中的多數(shù)變質(zhì)新生礦物保持平衡(Beckman and M?ller, 2018)。這些不平衡結(jié)晶現(xiàn)象與相平衡模擬的基本假設(shè)相違背。盡管如此，相平衡模擬仍然可以在條件適用的情況下約束鋯石結(jié)晶的溫壓條件(Kelsey and Powell, 2011)。Kohnetal. (2015)的模擬結(jié)果得到了一些天然樣品研究的印證，在挪威西部片麻巖區(qū)和巴布亞新幾內(nèi)亞D’Entrecasteaux群島兩地的榴輝巖和其他高壓-超高壓變質(zhì)巖中，多數(shù)(70%和75%)的鋯石年齡比巖石的峰期變質(zhì)年齡年輕。一些天然榴輝巖樣品的研究顯示，鋯石常能記錄巖石的退變質(zhì)年齡，不總能記錄峰期變質(zhì)年齡(Schm?dickeetal., 2018; Skuzovatovetal., 2021)。

2.2.2 金紅石和榍石

金紅石(TiO2)和榍石(CaTiSiO5)是變基性巖中常見(jiàn)的富Ti礦物，兩者的同位素和微量元素體系可記錄豐富的巖石成因信息，它們是變質(zhì)巖石學(xué)和年代學(xué)研究的重要對(duì)象(肖益林等, 2011; 張貴賓和張立飛, 2011; Kohn, 2017; Zack and Kooijman, 2017)。二者的主要組成成分為主量元素，相比于結(jié)晶條件寬泛的鋯石，它們?cè)谧兓詭r中的結(jié)晶溫壓條件受相平衡關(guān)系的制約。例如，對(duì)洋中脊玄武巖而言，在溫度為600～750℃范圍，金紅石和榍石分別在大于和小于1.5GPa條件下穩(wěn)定存在(Wei and Duan, 2019)。因此，從礦物結(jié)晶溫壓的角度看，金紅石可能記錄榴輝巖高壓-超高壓變質(zhì)階段的年齡，榍石可能記錄低壓變質(zhì)階段的年齡。同時(shí)，這兩種礦物的Zr含量可用于計(jì)算結(jié)晶溫度(Tomkinsetal., 2007; Haydenetal., 2008)，它們?cè)诹褫x巖變質(zhì)作用研究方面得到了廣泛運(yùn)用(Rubatto and Hermann, 2001; Lietal., 2003; Kylander-Clarketal., 2008; Zhangetal., 2014a, b, 2018b)。

2.2.3 褐簾石

褐簾石((Ca, REE, Sr, Pb, Th, U)2(Al, Fe, Mn, Mg)3Si3O12(OH))屬于綠簾石族礦物，具有相對(duì)富集Th、U、REE，相對(duì)貧Ca的成分特征(Gieré and Sorensen, 2004)，是一種U-Th-Pb定年的重要目標(biāo)礦物(Catlosetal., 2000; Gregoryetal., 2007; Liaoetal., 2020)。褐簾石可出現(xiàn)在一些常見(jiàn)的變基性巖中(榴輝巖、藍(lán)片巖、榴閃巖)，是這些巖石中輕稀土元素和Th的主要載體礦物(Franzetal., 1986; Sorensen, 1991; Spandleretal., 2003)。前人通過(guò)相平衡模擬限定了褐簾石在變泥質(zhì)巖中的結(jié)晶條件(Spear, 2010)。在KCMASH成分體系的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究表明，褐簾石的結(jié)晶溫壓為>700℃和>2.5GPa(Hermann, 2002)。對(duì)一般的變基性巖成分體系，它的穩(wěn)定溫壓條件尚缺乏相平衡模擬或?qū)嶒?yàn)巖石學(xué)的約束。一些榴輝巖中的褐簾石常作為較小的核心被綠簾石包裹，這些褐簾石有時(shí)與綠輝石共生，暗示其可在榴輝巖相條件穩(wěn)定(Romer and Xiao, 2005; Louryetal., 2016; Vhoetal., 2020)。

2.3 封閉溫度

考慮放射性子體同位素的丟失僅受擴(kuò)散作用控制，同位素體系在定年礦物中的封閉溫度可通過(guò)子體同位素的擴(kuò)散速率、有效擴(kuò)散距離(粒徑)和巖石的冷卻速率計(jì)算獲得(Dodson, 1973)?？傮w趨勢(shì)上，封閉溫度隨礦物粒徑的增大而增高，隨冷卻速率的增快而增高(圖2)。以鋯石、金紅石和榍石的U-Pb體系為例，假設(shè)定年礦物的粒徑為30～300μm、巖石的冷卻速率為1～100℃/Myr，可計(jì)算鋯石的封閉溫度高于900℃，金紅石和榍石的封閉溫度從530℃變化至800℃(圖2)。

圖2 封閉溫度與礦物粒徑和巖石冷卻速率的關(guān)系鋯石、金紅石和榍石U-Pb定年體系的封閉溫度，三個(gè)礦物Pb的擴(kuò)散系數(shù)分別來(lái)自于Cherniak and Watson (2000)、Cherniak (2000)和Cherniak (1993)Fig.2 Relation between closure temperature and mineral grain size and cooling rateClosure temperature of U-Pb system for zircon, rutile and sphene, Pb diffusion coefficients of them are from Cherniak and Watson (2000), Cherniak (2000) and Cherniak (1993), respectively

大多數(shù)榴輝巖的形成溫度低于鋯石U-Pb體系的封閉溫度，若無(wú)擴(kuò)散之外的其他機(jī)制干擾U-Pb體系，則這些巖石的鋯石年齡應(yīng)代表鋯石的結(jié)晶年齡。金紅石和榍石的封閉溫度介于多數(shù)榴輝巖變質(zhì)作用的溫度范圍。因此，在解析金紅石和榍石的U-Pb年齡之前，需根據(jù)礦物粒徑、測(cè)試點(diǎn)位、巖石冷卻速率，評(píng)估所測(cè)礦物的封閉溫度，考察它們的年齡是礦物結(jié)晶年齡還是結(jié)晶之后的冷卻年齡。同理，實(shí)際工作中也可通過(guò)選擇合適的礦物粒徑和分析點(diǎn)位，使得所測(cè)金紅石和榍石具有相對(duì)高的封閉溫度。對(duì)同一巖石內(nèi)的某種定年礦物而言，大顆粒定年礦物的核部因有效擴(kuò)散距離大而具有較高的封閉溫度(圖2)，是獲取結(jié)晶年齡優(yōu)先考慮的分析點(diǎn)位(Kooijmanetal., 2010)。天然樣品研究表明，榴輝巖和其他高壓-超高壓巖石中的金紅石和榍石可記錄約600℃至大于700℃的變質(zhì)結(jié)晶年齡(Sch?rer and Labrousse, 2003; Vry and Baker, 2006; Gaoetal., 2012, 2014; Spenceretal., 2013; 李秋立等, 2013; Chenetal., 2016)，一些中溫(640～690℃)榴輝巖的金紅石還記錄了進(jìn)變質(zhì)和退變質(zhì)兩個(gè)階段的年齡(Zhangetal., 2014a)。

目前尚缺乏通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定Pb在褐簾石中的擴(kuò)散速率，天然的巖漿巖和中高溫變質(zhì)巖的研究結(jié)果從一定程度上約束了它的封閉溫度。通過(guò)對(duì)比同一角閃巖相變質(zhì)的花崗閃長(zhǎng)巖中鋯石、榍石和褐簾石的年齡，前人提出褐簾石的封閉溫度不低于榍石的封閉溫度(650±25℃)(Heaman and Parrish, 1991; Parrish, 2001)。在中酸性侵入巖中，巖漿期結(jié)晶的褐簾石(粒徑100～200μm)，在經(jīng)歷后期的角閃巖相變質(zhì)作用(620～700℃)后仍保留巖漿作用的年齡，表明這些褐簾石的封閉溫度高于該角閃巖相變質(zhì)作用的溫度(Gregoryetal., 2012)。前人根據(jù)英云閃長(zhǎng)巖中具有環(huán)帶結(jié)構(gòu)的褐簾石U-Th-Pb定年、核部至邊部輕稀土分配特征的變化、對(duì)比該巖石中鋯石和榍石的定年結(jié)果、擴(kuò)散模擬成分環(huán)帶等綜合研究結(jié)果，判斷褐簾石的封閉溫度≥700℃(Oberlietal., 2004)。上述研究限定的封閉溫度也得到一些中溫榴輝巖研究的印證，其中的褐簾石定年得到了巖石高壓變質(zhì)作用的年齡(Romer and Xiao, 2005; Louryetal., 2016; Vhoetal., 2020)。

造山帶榴輝巖普遍經(jīng)歷了復(fù)雜的變質(zhì)-變形-熔/流體作用，定年礦物在形成之后不僅會(huì)受到熱擴(kuò)散作用的改造，還可能受到放射性損傷導(dǎo)致的蛻晶化作用、變質(zhì)分解和重結(jié)晶作用、熔/流體交代作用、脆/韌性變形作用等因素的影響。這些過(guò)程會(huì)不同程度地改變子體同位素在定年礦物中的擴(kuò)散速率和擴(kuò)散距離，使得實(shí)際研究樣品中相關(guān)礦物的封閉溫度偏離上述通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、擴(kuò)散模擬和天然樣品觀察得到的結(jié)果。因此，詳細(xì)分析定年對(duì)象的礦物學(xué)特征，甄別除溫度和熱擴(kuò)散之外的其他影響因素，是獲取也是解析其年齡意義的重要環(huán)節(jié)(Villa, 1998)。此外，在滿足結(jié)晶條件和封閉溫度的前提下，選取適合于儀器分析測(cè)試的目標(biāo)礦物也是定年工作的一個(gè)重要考慮因素。例如，對(duì)礦物U-Pb定年，理想的目標(biāo)礦物應(yīng)具有適宜的母子體比值(U/Pb)、U含量不宜過(guò)高、非放射成因的Pb同位素盡可能低等特質(zhì)(李秋立, 2015)。

上述結(jié)晶條件和封閉溫度等因素的評(píng)估表明，對(duì)經(jīng)歷多階段變質(zhì)的造山帶榴輝巖而言，選取單種定年礦物可能難以獲得多階段的變質(zhì)作用年齡。在詳細(xì)分析定年礦物成因的基礎(chǔ)上，采用多種定年礦物實(shí)施綜合定年是獲取榴輝巖多階段變質(zhì)年齡的重要途徑。

3 建立P-T與t之間的聯(lián)系

變質(zhì)巖P-T-t軌跡的反演綜合了變質(zhì)巖石學(xué)和地質(zhì)年代學(xué)的研究方法，兩者分別獲得巖石變質(zhì)作用的溫壓條件(P-T)和年齡信息(t)，如何準(zhǔn)確匹配這兩種手段獲取的巖石成因信息是變質(zhì)地質(zhì)學(xué)研究中的一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題(M?lleretal., 2003; Müller, 2003; Engietal., 2017; 吳春明, 2018)。在獲取變質(zhì)年齡的同時(shí)，如何建立定年礦物與記錄巖石變質(zhì)演化的其他主要組成礦物之間的成因聯(lián)系？如何約束定年礦物的結(jié)晶條件？這兩方面的問(wèn)題是匹配變質(zhì)作用溫壓條件和變質(zhì)年齡，以及揭示礦物年齡意義的關(guān)鍵考量。

3.1 制約定年副礦物成因的常用方法

前已述及，鋯石相比于其他三個(gè)礦物，成因條件更為復(fù)雜。下面以榴輝巖中的鋯石為例，簡(jiǎn)述制約定年副礦物成因的常用方法。CL圖像、U-Pb年齡的諧和程度、微量元素特征等能夠較好地反映變質(zhì)鋯石的結(jié)晶機(jī)制，是判別它們成因的重要手段。變質(zhì)新生鋯石形態(tài)多樣，可呈渾圓狀、不規(guī)則形態(tài)、自形的獨(dú)立顆粒，也常以寬度不一的增生邊圍繞早期的鋯石顆粒生長(zhǎng)，它們一般具有諧和的U-Pb變質(zhì)年齡(Wu and Zheng, 2004; Rubatto and Hermann, 2007; 陳仁旭和鄭永飛, 2013)。從流體中生長(zhǎng)的變質(zhì)新生鋯石在CL圖像上發(fā)光較好、多呈無(wú)分帶結(jié)構(gòu)，具有較低的稀土元素含量和Th/U比值；生長(zhǎng)過(guò)程中有深熔熔體參與的變質(zhì)新生鋯石在CL圖像上常發(fā)光較暗、可呈現(xiàn)為無(wú)分帶、弱分帶至振蕩環(huán)帶結(jié)構(gòu)(Chen and Zheng, 2017)。變質(zhì)重結(jié)晶鋯石的成因可根據(jù)由少到多的流體參與程度，分為固態(tài)重結(jié)晶、交代重結(jié)晶和溶解重結(jié)晶，它們依次表現(xiàn)為對(duì)原巖鋯石改造的程度越來(lái)越強(qiáng)。固態(tài)重結(jié)晶鋯石多保留原始巖漿鋯石的特征，顯示清晰至模糊的振蕩環(huán)帶，具有相對(duì)較高的Th/U比值和稀土元素含量，其U-Pb年齡多不諧和、介于變質(zhì)年齡和巖漿年齡之間；溶解重結(jié)晶鋯石在CL圖像常呈疏松的孔隙狀結(jié)構(gòu)，其年齡接近于變質(zhì)年齡，微量元素和同位素的特征受控于流體的性質(zhì)；交代重結(jié)晶鋯石沿著原巖鋯石的顆粒邊界或裂隙產(chǎn)生，屬于固態(tài)和溶解重結(jié)晶鋯石之間的過(guò)渡類型(Chenetal., 2011; 陳仁旭和鄭永飛, 2013)。石榴子石是榴輝巖中Lu/Hf比值最高的礦物，可累積較多的放射性176Hf，榴輝巖中變質(zhì)新生鋯石的Lu-Hf同位素體系受石榴子石影響很大。石榴子石的分解可導(dǎo)致結(jié)晶體系中的176Hf/177Hf比值增高，使得同期生長(zhǎng)的鋯石具有相對(duì)高的176Hf/177Hf比值和εHf(t)值(Zhengetal., 2005)。

圖3 相關(guān)礦物在變質(zhì)洋中脊玄武巖體系中的穩(wěn)定溫壓范圍圖中的彩色細(xì)線表示斜長(zhǎng)石(Pl)、石榴子石(Grt)、綠輝石(Omp)、金紅石(Rt)、榍石(Sph)和熔體(Melt)的穩(wěn)定范圍(據(jù)Wei and Duan, 2019). 例如，以綠色線為界將溫壓區(qū)域分為兩側(cè)，標(biāo)記“+Omp”的一側(cè)為綠輝石穩(wěn)定區(qū)，標(biāo)記“-Omp”的一側(cè)表示綠輝石不穩(wěn)定. 右上角的淺色陰影區(qū)表示含石榴子石且不含斜長(zhǎng)石. 圖中假設(shè)的P-T軌跡用于示意礦物的結(jié)晶階段，變質(zhì)相分區(qū)來(lái)自Liou et al. (1998)Fig.3 The stability of some minerals in the system of metamorphosed MORBStabilities of plagioclase (Pl), garnet (Grt), rutile (Rt), sphene (Sph) and melt are marked with colored lines (after Wei and Duan, 2019). For example, “+Omp” signifies omphacite is stable on the side where “+Omp” is marked for the green line. Similarly, “-Omp” signifies omphacite is not stable on the side where “-Omp” is marked. The shadowed area on the upright corner outlines the P-T region where garnet presents and plagioclase disappears. The schematic P-T path (thick blue line) is used to illustrate the crystallization stage of some relevant minerals. The division of metamorphic facies regions from Liou et al. (1998)

對(duì)于先從巖石中分選出目標(biāo)礦物再定年的測(cè)試手段而言，微量元素和拉曼包裹體分析常被用于制約定年礦物的結(jié)晶條件。理想情況下，一顆變質(zhì)鋯石的不同生長(zhǎng)環(huán)帶記錄了變質(zhì)作用的不同階段，這些不同環(huán)帶中又含有指示相應(yīng)變質(zhì)階段的標(biāo)志性礦物包裹體組合，那么通過(guò)該鋯石可獲得多階段變質(zhì)年齡并由這些包裹體礦物組合的穩(wěn)定條件約束鋯石的年齡意義(Liu and Liouetal., 2011)。在某些情形中，定年礦物的結(jié)晶條件難以通過(guò)包裹體礦物和微量元素成分直接限定。以鋯石微量元素為例，榴輝巖相條件下生長(zhǎng)的鋯石具有重稀土平坦(與石榴子石平衡)和無(wú)明顯Eu負(fù)異常(體系中無(wú)斜長(zhǎng)石)的稀土元素配分特征(Rubatto, 2002)。變基性巖的相平衡關(guān)系表明含有石榴子石但不含斜長(zhǎng)石的礦物組合可在寬泛的溫壓范圍內(nèi)穩(wěn)定，高壓-超高壓榴輝巖的峰期變質(zhì)階段、峰期之前的進(jìn)變質(zhì)階段和峰期之后的退變質(zhì)階段都可處于這一溫壓范圍(圖3)。因此，僅通過(guò)上述稀土元素配分特征難以準(zhǔn)確限定鋯石生長(zhǎng)于哪個(gè)變質(zhì)階段。早期結(jié)晶的鋯石在后期發(fā)生U-Pb同位素重置而其稀土元素配分保持原有的特征，即鋯石的年齡與稀土元素配分發(fā)生解耦，以及鋯石與石榴子石之間未達(dá)到微量元素的平衡分配，這些現(xiàn)象給通過(guò)稀土元素配分型式判別鋯石結(jié)晶條件的方法帶來(lái)額外的不確定性(Zhaietal., 2017; Pitraetal., 2022)。同理，一些通過(guò)拉曼光譜分析得到的鋯石包裹體礦物組合也可在較大的溫壓范圍內(nèi)穩(wěn)定。在樣品適宜的情況下，對(duì)定年礦物包裹體組合進(jìn)行成分分析和溫壓計(jì)算可較好地改進(jìn)單純的拉曼包裹體分析方法(Liu and Liou, 2011; Zhangetal., 2021)。值得注意是，對(duì)于從巖石中分選出鋯石再定年的方法，因缺乏鋯石在巖石中的結(jié)構(gòu)制約，難以確定鋯石中包裹的礦物組合是否與鋯石同期結(jié)晶，晚期結(jié)晶的鋯石也可能包裹一些早期結(jié)晶的礦物組合。

3.2 定年礦物在巖石中的結(jié)構(gòu)制約

通過(guò)上述CL圖像、微量元素、同位素、礦物包裹體組合等特征，判別榴輝巖中變質(zhì)鋯石的生長(zhǎng)環(huán)境和變質(zhì)重結(jié)晶機(jī)制，這是理解定年礦物成因的重要方面。從巖石學(xué)結(jié)構(gòu)角度分析定年礦物與其他主要組成礦物之間的成因聯(lián)系，是制約定年礦物成因的另一視角。具有巖石結(jié)構(gòu)限定的原位微束分析(探針片上原位定年)方法，可實(shí)現(xiàn)定年礦物在巖石中的結(jié)構(gòu)和定年礦物內(nèi)部不同的結(jié)構(gòu)都保留原位信息。該方法可進(jìn)一步約束定年礦物的結(jié)晶溫壓和年齡意義，是耦合變質(zhì)作用溫壓條件(P-T)與變質(zhì)作用年齡信息(t)的一種有效途徑。例如，若定年礦物作為變質(zhì)礦物組合或變質(zhì)反應(yīng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)組成礦物，對(duì)這類礦物定年可直接獲得配套的變質(zhì)年齡和溫壓條件(Janotsetal., 2009)。一些研究表明，對(duì)變質(zhì)反應(yīng)結(jié)構(gòu)中的鋯石直接定年獲得了分選出鋯石再定年方法沒(méi)有揭示的變質(zhì)年齡(Tomkinsetal., 2005; Pecketal., 2018; Zhouetal., 2022b)。這些反應(yīng)結(jié)構(gòu)中的鋯石顆粒通常較小、多呈不規(guī)則形態(tài)，它們可能在鋯石分選過(guò)程中或分選之后的定年測(cè)試中被忽略。對(duì)榴輝巖中不同巖相學(xué)結(jié)構(gòu)的鋯石進(jìn)行原位定年，為解析鋯石年齡意義和反演巖石P-T-t軌跡提供了有力的制約(Monteleoneetal., 2007; Zongetal., 2010; Donaldsonetal., 2013;típskaetal., 2016)。具有巖石結(jié)構(gòu)限定的原位定年分析，還可為研究同位素定年體系被改造/重置的問(wèn)題提供關(guān)鍵限定。Zhouetal. (2020)對(duì)北大別的榴輝巖進(jìn)行了石榴子石Sm-Nd和金紅石U-Pb定年分析，發(fā)現(xiàn)石榴子石記錄了三疊紀(jì)的變質(zhì)年齡(210～245Ma)。包在石榴子石內(nèi)部和作為基質(zhì)礦物的金紅石，都只記錄約130Ma的區(qū)域熱事件年齡，說(shuō)明這兩類金紅石的Pb同位素發(fā)生了完全的重置作用。對(duì)石榴子石中包裹的金紅石進(jìn)行透射電鏡分析發(fā)現(xiàn)，金紅石和石榴子石之間出現(xiàn)一些赤鐵礦微晶，計(jì)算表明從金紅石中丟失的Pb可能富集在這些微晶中(Zhouetal., 2020)。上述這些研究顯示，基于定年副礦物巖相學(xué)結(jié)構(gòu)研究的定年分析方法具備多種優(yōu)勢(shì)，應(yīng)在今后的變質(zhì)作用研究中得到更多的重視和運(yùn)用。

圖4 巖相學(xué)結(jié)構(gòu)制約鋯石結(jié)晶條件的示意圖卡通圖中的榴輝巖，峰期礦物組合由石榴子石(Grt)、綠輝石(Omp)、多硅白云母(Ph)、石英(Qz)和金紅石(Rt)組成，金紅石的結(jié)晶溫壓條件可通過(guò)該峰期礦物組合計(jì)算獲得. 包裹Grt+Omp+Ph(M1)的鋯石本身被包裹在石榴子石(M2)中，這一結(jié)構(gòu)顯示該鋯石(Zrn)的結(jié)晶次序介于M1和M2Fig.4 Schematic picture showing crystallization conditions of a zircon can be firmly constrained by its petrographic textureA schematic eclogite consists of a peak mineral assemblage of garnet (Grt), omphacite (Omp), phengite (Ph), quartz (Qz) and rutile (Rt). The crystallization P-T conditions of the rutile can be calculated by the peak assemblage (Grt+Omp+Ph+Qz+Rt). A zircon (Zrn) including the mineral assemblage of Grt+Omp+Ph (M1) is enclosed in a garnet (M2). This petrographic texture indicates that the crystallization P-T conditions of the zircon fall in between those of M1 and M2

考慮定年礦物與其他礦物保持熱力學(xué)和質(zhì)量平衡，可采用含微量元素的相平衡模擬方法直接計(jì)算定年礦物在巖石中的結(jié)晶條件(Kelseyetal., 2008; Spear, 2010; Xiangetal., 2022)。巖石探針片上的原位定年方法可為上述模擬計(jì)算提供定年礦物的巖相學(xué)觀察約束，同時(shí)也為采用熱力學(xué)計(jì)算方法制約定年礦物的結(jié)晶溫壓條件提供了另一個(gè)可能的思路，即計(jì)算與定年礦物在巖石結(jié)構(gòu)上相關(guān)(平衡、包裹、被包裹)的其他主要組成礦物或礦物組合的形成條件，以此約束定年礦物的結(jié)晶溫度和壓力。例如，通過(guò)巖相學(xué)觀察鑒別出含有定年礦物的平衡礦物組合，用溫壓計(jì)或相平衡模擬計(jì)算該礦物組合形成的溫壓條件即得到該定年礦物的結(jié)晶條件，該方法可用于確定榴輝巖中金紅石和榍石的結(jié)晶溫壓(圖4)。再如，榴輝巖中多見(jiàn)定年礦物包裹一些主要組成礦物或礦物組合M1(如, 石榴子石+綠輝石+多硅白云母)，而該定年礦物本身又被包裹在另一個(gè)主要組成礦物M2(如, 石榴子石、綠輝石、多硅白云母)的內(nèi)部。這一結(jié)構(gòu)關(guān)系嚴(yán)格限定了該定年礦物的結(jié)晶次序介于M1和M2，可通過(guò)礦物溫壓計(jì)和相平衡模擬的礦物成分等值線限定M1和M2形成的溫壓條件，以此約束該定年礦物的結(jié)晶溫壓條件(圖4)。

4 刻畫P-T-t軌跡的其他方法

變質(zhì)作用的時(shí)間信息不僅包括通過(guò)同位素定年獲得的絕對(duì)年齡，也包含變質(zhì)作用持續(xù)的時(shí)間。限定變質(zhì)作用持續(xù)的時(shí)間，對(duì)于我們深入理解變質(zhì)作用的過(guò)程和機(jī)制具有重要的意義(Perchuk and Philippot, 2000; Viete and Lister, 2017)。對(duì)具有不同結(jié)晶或封閉溫度的礦物進(jìn)行定年分析，可得到不同的結(jié)晶年齡或冷卻年齡。對(duì)同一礦物的不同生長(zhǎng)環(huán)帶實(shí)施定年，可得到不同變質(zhì)階段的年齡。這兩種方法都可以得到年齡的差值，是制約變質(zhì)作用時(shí)間尺度的有效途徑，適用于研究較長(zhǎng)時(shí)間尺度的變質(zhì)作用過(guò)程。受限于同位素定年的精度和定年礦物自身的結(jié)晶特點(diǎn)，一些短時(shí)間尺度(≤1Myr)的變質(zhì)作用過(guò)程難以通過(guò)上述方法準(zhǔn)確限定(Viete and Lister, 2017)?；诘V物的成分?jǐn)U散、結(jié)構(gòu)演化、彈性力學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)變等模擬計(jì)算，可用于揭示短時(shí)間尺度的變質(zhì)作用，是精細(xì)刻畫造山帶榴輝巖P-T-t軌跡的重要方法。

4.1 礦物成分?jǐn)U散和相轉(zhuǎn)變的模擬

石榴子石是高壓-超高壓變質(zhì)巖的常見(jiàn)礦物，其成分環(huán)帶的擴(kuò)散模擬是獲得變質(zhì)作用持續(xù)時(shí)間重要方法(Ganguly, 2010; Ague and Carlson, 2013; 鄒屹等, 2022)。石榴子石擴(kuò)散模擬可獲得低于定年精度的時(shí)間間隔，被用于計(jì)算高壓-超高壓變質(zhì)作用的時(shí)間尺度和巖石抬升/冷卻速率(Perchuk and Philippot, 1997; Dachs and Proyer, 2002; Olkeretal., 2003)。學(xué)者們采用該方法揭示一些榴輝巖在高壓/超高變質(zhì)作用過(guò)程中，發(fā)生了持續(xù)時(shí)間短至5×102yr～8×105yr的溫度、壓力、流體或應(yīng)力脈沖(Chuetal., 2017; Vieteetal., 2018; Broadwelletal., 2019; Tanetal., 2020; Schwarzenbachetal., 2021)。這些脈沖事件是巖石變質(zhì)過(guò)程中的一些關(guān)鍵瞬間，為研究榴輝巖的形成機(jī)理和過(guò)程提供了重要限定。

Chuetal. (2017)研究了新西蘭Taconic造山帶的榴輝巖，通過(guò)溫壓計(jì)算和擴(kuò)散模擬，揭示該巖石在約500yr的時(shí)間范圍內(nèi)，變質(zhì)作用的壓力從0.9GPa上升到1.6GPa。如此快的升壓速度，若通過(guò)增加埋藏深度提高靜巖壓力，要求埋藏的速率約為30m/yr，這一速率與俯沖變質(zhì)模型相違背。根據(jù)野外觀測(cè)和數(shù)值模擬，Chuetal. (2017)提出“封閉”體積內(nèi)的剪切變形作用使得巖石溫度升高，發(fā)生部分熔融作用，熔體體積的增加使得局部壓力快速升高，誘發(fā)榴輝巖相變質(zhì)作用。Tanetal. (2020)采用熱力學(xué)和擴(kuò)散模擬方法，研究了天山榴輝巖中石榴子石Mn、Y和HREE等元素環(huán)帶的成因，揭示該巖石在30萬(wàn)年的時(shí)間內(nèi)發(fā)生了約80℃的升溫作用。Tanetal. (2020)提出深俯沖過(guò)程中拆離的變質(zhì)洋殼塊體向熱的地幔楔方向運(yùn)動(dòng)，是這一快速升溫過(guò)程的可能機(jī)理。

同理，Li和O等同位素的擴(kuò)散模擬可發(fā)揮類似的運(yùn)用，揭示短時(shí)間尺度的變質(zhì)作用過(guò)程(Grahametal., 1998; Penniston-Dorlandetal., 2010)。同質(zhì)多相礦物的相轉(zhuǎn)變模擬也可用于約束榴輝巖的變質(zhì)作用時(shí)間尺度，對(duì)蘇魯造山帶仰口地區(qū)的榴輝巖角礫巖中柯石英向石英相轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)模擬顯示，該巖石變質(zhì)作用持續(xù)的時(shí)間小于1.3yr(或28h)，該高壓/超高壓變質(zhì)作用過(guò)程被提出由地震作用所致(Yangetal., 2014)。

4.2 拉曼彈性包裹體溫壓計(jì)

寄主礦物和包裹體礦物的彈性物理性質(zhì)不同，這兩者之間隨著溫壓條件的變化會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力差，通過(guò)拉曼光譜檢測(cè)兩者在常溫常壓下的應(yīng)力，可恢復(fù)包裹體被捕獲時(shí)刻的溫壓條件，這種方法被稱為拉曼彈性包裹體溫壓計(jì)(Angeletal., 2014; Kohn, 2014; 高曉英等, 2021; 仲歆等, 2022)。該方法區(qū)別于通過(guò)礦物的化學(xué)成分反演巖石變質(zhì)作用的溫壓條件，只需要測(cè)試包裹體礦物在常溫常壓下的拉曼光譜，可較好地避免晚期變質(zhì)作用改造早期結(jié)晶礦物的成分所帶來(lái)的問(wèn)題。近十年，拉曼彈性包裹體溫壓計(jì)得到了快速發(fā)展，已有多個(gè)該類溫度/壓力計(jì)被標(biāo)定和運(yùn)用。例如，石榴子石中包裹的鋯石、石英、磷灰石(Kohn, 2014; Ashleyetal., 2017; Campomenosietal., 2020)，藍(lán)晶石、綠簾石和鋯石中包裹的石英(Cisnerosetal., 2020; Gonzalezetal., 2021; Tomiokaetal., 2022)。其中，石榴子石中的石英拉曼彈性溫壓計(jì)運(yùn)用較為廣泛，被用來(lái)反演榴輝巖變質(zhì)作用的P-T-t軌跡(Enamietal., 2007; Zhangetal., 2022)，可用于計(jì)算非平衡變質(zhì)作用的壓力和揭示持續(xù)時(shí)間很短的地質(zhì)作用過(guò)程(Zhongetal., 2018, 2021)。通過(guò)Ti含量可計(jì)算鋯石的結(jié)晶溫度(Ferry and Watson, 2007)，尚缺乏通過(guò)鋯石本身計(jì)算其結(jié)晶壓力的方法。對(duì)一些在峰期變質(zhì)之后經(jīng)歷近等溫降壓退變質(zhì)的造山帶榴輝巖而言，僅通過(guò)鋯石結(jié)晶溫度難以準(zhǔn)確限定巖石中的鋯石結(jié)晶所對(duì)應(yīng)的變質(zhì)階段。對(duì)石榴子石中的鋯石和石英，采用拉曼彈性溫壓計(jì)可獲得鋯石被包裹時(shí)的溫壓條件(Zhongetal., 2019)，該方法可與鋯石Ti溫度計(jì)聯(lián)合使用，為鋯石的成因條件和年齡意義的解析提供限定。

4.3 非平衡變質(zhì)結(jié)構(gòu)的制約

一些榴輝巖中出現(xiàn)球狀結(jié)構(gòu)(spherulite)、骸晶結(jié)構(gòu)和假玄武玻璃等指示淬火過(guò)程的現(xiàn)象，研究表明這些巖石的成因與地震作用相關(guān)(Austrheim, 2013; 楊建軍, 2015; Jamtveitetal., 2018)。包括上述特殊變質(zhì)結(jié)構(gòu)在內(nèi)，一些非平衡變質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)和演變，可用于定性推測(cè)和定量計(jì)算巖石的成因信息，是細(xì)致約束變質(zhì)巖P-T-t軌跡的研究方法(Wilbur and Ague, 2006; Dégietal., 2010; Gaidiesetal., 2017; Chenetal., 2019)。例如，榴輝巖中常見(jiàn)由綠輝石分解形成的后成合晶(斜長(zhǎng)石+透輝石±角閃石±石英)，它們的組成和形態(tài)可用于制約榴輝巖退變質(zhì)過(guò)程的降壓/冷卻速率和變質(zhì)分解反應(yīng)的不平衡程度(Anderson and Moecher, 2007)。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)礦物溫壓計(jì)和相平衡模擬都是反演榴輝巖P-T軌跡的重要方法，這兩者有各自的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際研究中，應(yīng)根據(jù)樣品的特點(diǎn)選取更適用的方法。在條件允許的情況下，可聯(lián)合使用這兩種方法，同時(shí)也可配合使用礦物的微量元素/同位素溫度計(jì)和拉曼彈性包裹體溫壓計(jì)。單種礦物受其結(jié)晶條件或封閉溫度的限制并非總能記錄多階段變質(zhì)年齡，對(duì)不同變質(zhì)階段生長(zhǎng)的多種礦物和多個(gè)同位素體系實(shí)施綜合定年是獲取榴輝巖多階段變質(zhì)年齡的關(guān)鍵方法(Corfuetal., 2003; Chengetal., 2009; Mülleretal., 2018)。變質(zhì)巖石學(xué)獲取變質(zhì)作用的溫壓條件(P-T)、地質(zhì)年代學(xué)獲取變質(zhì)作用的年齡信息(t)的相關(guān)研究方法都取得了顯著的進(jìn)展，如何將兩者得到的巖石成因信息準(zhǔn)確配套是今后變質(zhì)作用P-T-t軌跡研究的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái)，學(xué)者們?cè)絹?lái)越重視這兩個(gè)學(xué)科的結(jié)合，提出“Petrochronology”(“巖石年代學(xué)”)這一概念(Fraseretal., 1997; Engietal., 2017)，其核心即是耦合巖石學(xué)反演的地質(zhì)過(guò)程信息與礦物記錄的年代學(xué)信息。

對(duì)于通過(guò)主要組成礦物獲得年齡的方法，其年齡的意義可通過(guò)定年礦物本身在巖石中的生長(zhǎng)期次和封閉溫度等約束條件限定其年齡意義。對(duì)副礦物定年方法而言，多種高精度的定年方法可實(shí)現(xiàn)在同一礦物的不同微區(qū)實(shí)施原位定年。需要注意的是，僅依靠微量元素和包裹體礦物組合，并不總能準(zhǔn)確制約定年礦物生長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的變質(zhì)階段。在配合其他分析測(cè)試的前提下，細(xì)致研究定年副礦物在巖石中的結(jié)構(gòu)是揭示這些礦物的成因和解析其年齡意義的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。具有巖相學(xué)結(jié)構(gòu)制約的原位微區(qū)定年是“巖石年代學(xué)”研究的重要方面，需要在今后的變質(zhì)作用研究中得到更多的重視和運(yùn)用。與此同時(shí)，還需借助實(shí)驗(yàn)?zāi)M和天然樣品，進(jìn)一步加強(qiáng)多種因素對(duì)副礦物定年同位素體系影響的研究。例如，Cherniak (2000)實(shí)驗(yàn)中金紅石Pb的價(jià)態(tài)(+2)與天然樣品(+4或+6)不相符，這可能是天然巖石樣品中金紅石Pb的擴(kuò)散系數(shù)(封閉溫度)與通過(guò)該實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得到的結(jié)果存在差異的根本原因(李秋立等, 2016)。研究顯示，金紅石發(fā)生韌性變形作用和放射性損傷可導(dǎo)致礦物內(nèi)部不同位置的元素?cái)U(kuò)散速率存在差異，使得顆粒內(nèi)部的同位素或微量元素呈不均一分布，這對(duì)通過(guò)這些化學(xué)成分獲取的變質(zhì)年齡和結(jié)晶溫度有顯著影響(Mooreetal., 2020; Verberneetal., 2020, 2022)。

反演榴輝巖P-T-t軌跡的重要目的是揭示俯沖/碰撞造山帶構(gòu)造演化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。造山帶演化受諸多變量的控制，以地質(zhì)觀察和實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，開展造山帶地球動(dòng)力學(xué)的綜合模擬是揭示造山帶巖石P-T-t軌跡的另一視角(Li, 2014; Gerya, 2022)。從變質(zhì)地質(zhì)學(xué)視角得到的榴輝巖P-T-t軌跡結(jié)果可為地球動(dòng)力學(xué)模擬提供限定，也需要綜合包括地球動(dòng)力學(xué)模擬在內(nèi)的其他學(xué)科的研究，共同探究俯沖/碰撞造山帶的演化。

謹(jǐn)以此文敬賀周新華研究員八十華誕，感謝先生悉心傳授！

致謝感謝吳春明教授和匿名專家細(xì)致評(píng)審本文并提出建設(shè)性的修改意見(jiàn)！