近日，国际学术期刊《Geology》以“Accurate dating of metamorphism requires multiple chronometers: Evidence against Archean modern‐style plate tectonics in the North China Craton”为题，发表了我院硕士研究生杨如意（导师: 程昊教授）的最新研究成果。该研究提出，对于经历长期复杂变质作用的古老变质岩，依据单一定年体系的结果极易导致偏颇的地质解读，唯有联合多种定年手段，才能准确剖析其中的早期地球构造演化信息。
板块构造的起始是地球科学长久以来最具争议的谜题之一，一个最为直接的切入口是早期地球的低温高压变质岩。华北克拉通北部出露的基性麻粒岩中曾被报道存在太古宙榴辉岩相变质作用，并被认为是冷俯冲的现代板块构造体制存在的证据。然而，由于前寒武纪基底普遍经历长时间高温或多阶段变质作用的叠加，不同矿物可能记录截然不同的地质过程，岩石副矿物与主要矿物之间可能存在年代学解耦，仅根据有限数量的副矿物定年结果可能造成对早期构造体制的显著“误判”。
图1 变辉长岩及其包裹的石榴辉石岩的石榴石Lu-Hf与Sm-Nd等时线图。
该研究对华北克拉通冀东遵化-上营地区的变质辉长岩及其包裹的石榴辉石岩，开展了石榴石Lu-Hf与Sm-Nd定年、锆石U-Pb定年、相平衡模拟及矿物温压计等多年代学研究，获得从新太古到古元古的连续锆石U-Pb年龄谱，略集中于~2.47 Ga与~1.8 Ga。石榴石Lu-Hf定年识别出一期~2.1 Ga的变质作用，约1.8 Ga的石榴石Sm-Nd等时线年龄则与古元古代的锆石相吻合。
图2锆石U-Pb谐和年龄图。锆石和石榴石的球粒陨石标准化稀土元素配分图
岩相学观察证实样品不存在多期次的主矿物；相平衡模拟及矿物温压计结果显示样品记录的是高压麻粒岩相变质作用，主矿物并未记录榴辉岩相变质作用，尽管无法完全排除早期榴辉岩相变质的可能性。石榴石保留的典型Lu生长环带指示Lu-Hf体系记录的应是其早期生长阶段的时间。扩散模拟显示石榴石主要元素环带记录了一个非常快速的冷却过程，结合石榴石内均一的Sm环带， Sm-Nd年龄应反映了后期快速冷却的时间。
该研究样品具有较为平坦的重稀土元素配分模式、连续的锆石U-Pb年龄谱。值得注意的是，遍历超过一千多颗锆石，所有含石榴石包体的锆石都给出~1.8 Ga的年龄，老锆石（>2.2 Ga）的包体则多为长石且未见石榴石。尽管不能完全排除幸存者偏差的可能性，这些大跨度的连续锆石U-Pb年龄反映的应是长时间变质作用中继承和再改造的信息，与华北克拉通东部广泛经历的新太古超高温麻粒岩相变质和古元古高压麻粒岩相变质事件对应。
从上述结果来看，该区域样品中的太古宙锆石记录了一期主矿物未记录的榴辉岩相变质作用，从而标志现代板块构造在太古宙末期就已经启动的可能性极低。
图3 （A）华北克拉通变辉长岩视剖面图。黄色区域标示峰期矿物组合。峰期条件由石榴石的钙铝榴石、镁铝榴石、铁铝榴石等值线、角闪石Ti含量及主要矿物含量共同限定。（B）华北克拉通石榴石辉石岩剖面图。蓝色星标（镁铝榴石-钙铝榴石等值线与角闪石Ti温度计约束）指示峰期后的退变质条件。（C,D）代表性石榴石化学成分剖面。（E）石榴石边部成分环带的扩散模拟指示快速冷却过程。
结合从包裹上述样品的围岩含榴片麻岩中获得的一致的~1.8 Ga石榴石Lu-Hf和Sm-Nd 年龄及解耦的~2.5Ga锆石U-Pb年龄（团队未发表数据），三者间具有不一致的新太古代成岩条件和一致的古元古代变质演化，再结合密云地区麻粒岩类似的年代学解耦情况（Du, et al., 2023），该研究推测这些样品可能记录了华北克拉通在新太古代―古元古代时期从垂直构造到水平构造模式的转变。
该研究强调前寒武纪变质岩经历了长时间复杂变质作用叠加，单纯依赖少量的副矿物年代学数据，难以避免变质条件和变质时间的错位，可能导致偏颇的构造解读。对直接记录了变质条件的主矿物以及间接记录变质过程的副矿物开展多同位素定年体系的联合定年，为厘清复杂变质历史、识别古老高压变质事件提供了一个可靠途径，是剖析克拉通早期热演化、准确重建早期板块构造体制的终极手段。
论文第一作者为我院硕士研究生杨如意，通讯作者为程昊教授。研究受国家自然科学基金重点项目资助。
参考文献：Du, KY., Cheng, H., Dragovic, B. et al. Dating corona formation in high-grade rocks: integrated garnet and zircon petrochronology of granulite-facies rocks in the North China Craton. Contrib Mineral Petrol 178, 94 (2023). https://doi.org/10.1007/s00410-023-02077-x
全文链接：https://doi.org/10.1130/G54192.1