榴辉岩多重方法地热温压计揭示斯堪的纳维亚加里东尼亚西片麻岩区一致的4.7°C/km俯冲梯度

《Geological Magazine》：Multimethod geothermobarometry of eclogites reveals coherent 4.7°C/km subduction gradient in the Western Gneiss Region, Scandinavian Caledonides

　　

榴辉岩为研究地球动力学及壳幔演化提供了独特视角，因其记录了俯冲带深部过程。赋存于大陆地壳中的榴辉岩更易折返并保存峰期变质记录，然而俯冲大陆地壳的热体制研究尚不充分。西片麻岩区(Western Gneiss Region, WGR)是Baltica与Laurentia碰撞期间形成的巨型大陆（超）高压地体。研究人员在区域尺度上探究了若干WGR榴辉岩的压力–温度(P-T)轨迹，以评估俯冲板片的热演化。研究采用石榴石–单斜辉石–多硅白云母结合石英包裹体在石榴石中(quartz-in-garnet, QuiG)、Zr在金红石中(Zr-in-rutile, ZiR)及Ti在石英中(Ti-in-quartz, TitaniQ)地热温压计相结合的方法，获得了跨WGR一致性的P-T数据集。进变质条件介于1.08 ± 0.16 GPa、627 ± 31°C与1.78 ± 0.18 GPa、639 ± 30°C之间；峰期条件由南部2.69 ± 0.32 GPa、643 ± 30°C上升至北部5.40 GPa（–2.45，+1.40）、840 ± 30°C。结果显示梯度为4.7°C/km，属典型冷俯冲体制，与超过2 GPa的俯冲系统模型一致，但在较低压力下显示较模型更高的温度。露头尺度的空间梯度差异可能暗示构造缩短。数据突显了俯冲最深部位大陆与海洋地壳P-T演化的相似性。俯冲带折返的大陆地壳可作为研究俯冲与碰撞系统过程的替代对象。

论文解读

研究背景方面，利用变质岩中稳定矿物内包裹体开展地热温压计(Thermobarometry)研究已有数十年历史，近年来随微量元素温压计及弹性温压计(Elastobarometry)发展而加速应用。基于斑状变晶（主要为石榴石(Garnet)）内捕获包裹体的P-T测定是解析岩石演化的重要工具，石英包裹体在石榴石中(Quartz-in-garnet, QuiG)结合Zr在金红石中(Zr-in-rutile, ZiR)及Ti在石英中(Ti-in-quartz, TitaniQ)温压计即使对经历部分重平衡的岩石亦能成功应用。除通过野外研究建立空间P-T梯度外，计算地球动力学模型亦用于预测俯冲系统热–构造体制。尽管模型与折返岩石数据存在差异，二者在最高压力（>2.5 GPa）下结果可比，为新研究提供基准。然而单一研究很少涵盖分布于（超）高压((Ultra)high-pressure, (U)HP)地体内的大量同类岩样并应用一致的P-T工具，导致经验与模型数据缺乏严谨对比。WGR作为Iapetus洋闭合末期俯冲的大陆地壳块体而非常见大洋地壳俯冲体制，可比模型数据更为稀缺。WGR上一次区域尺度P-T研究约为20年前，近期研究多聚焦特定产地或较小区域且方法各异难以对比，因此这一典型全球(U)HP地体大规模变质演化仍不明确，亟需一致方法以解析UHP地体记录的过程。

研究人员沿WGR西部边界对9个榴辉岩体开展区域P-T研究，结合石榴石–单斜辉石–（多硅白云母）(Garnet–clinopyroxene–(phengite), Grt-Cpx-(Phe))、ZiR、TitaniQ及QuiG地热温压计，评估俯冲大陆板片热体制并与稳态大洋俯冲对比，旨在建立一致数据集以消除方法学不一致引发的歧义。结果显示沿190 km剖面由南向北P与T增加（非俯冲方向，假设板片倾伏与走向一致故不影响P-T梯度），可计算地热梯度（P-T空间）。此外榴辉岩P-T空间分布很可能指示WGR岩石经历了UHP后构造重组。

主要关键技术方法包括：研究人员选取西片麻岩区(WGR)横穿Fjordane杂岩、下异地向体及西片麻岩杂岩的9个榴辉岩体（Dr?sdal、V?rdalsneset、Verpeneset、Halnes、Saltaneset、Grytting、Ulsteinvik、Korveneset及Solholmen）作为样本队列；采用电子微探针(Electron Microprobe, EMP)进行波长色散谱仪(Wavelength-dispersive spectrometry, WDS)矿物化学成分测定；利用拉曼光谱(Raman spectroscopy)分析石英光谱；应用Grt-Cpx-(Phe)地热温压计（石榴石–单斜辉石Fe²⁺–Mg交换温度计及6透辉石+3白云母=3绿鳞石+2钙铝榴石+镁铝榴石净转移反应气压计）、ZiR温压计、TitaniQ温度计及QuiG弹性温压计（基于弹性张量方法计算包裹体压力Pinc）开展P-T估算，避免热力学模拟以保证各地条件可比性。

研究结果部分保留小标题如下：

4.a. 矿物化学(Mineral chemistry)。样品属研究程度较高的产地且保存最佳，主要矿物组合在石榴石、单斜辉石、多硅白云母、石英、角闪石、蓝晶石、黝帘石及斜方辉石含量上存在差异。Halnes以南样品含多硅白云母与石英，向北消失；Saltaneset产地证实存在柯石英(Coesite)。代表性分析显示石榴石端元组分（铁铝榴石Alm、锰铝榴石Sps、镁铝榴石Prp、钙铝榴石Grs）、单斜辉石X_Fe与X_Na及多硅白云母Si apfu（每化学式单位原子数）在空间与颗粒内变化，如Dr?sdal石榴石核部至边部Alm降低、Prp升高，Verpeneset细粒变种石榴石幔部具通道状Mg分布，Halnes存在两期石榴石（Garnet-I与Garnet-II）且成分与包裹体组合不同，Saltaneset与Grytting石榴石Pyrope(Prp)含量高，Ulsteinvik、Korveneset及Solholmen石榴石成分相对均一。

4.b. P-T估算(P-T estimates)。通过Grt-Cpx-Phe、ZiR、TitaniQ及QuiG约束演化。Dr?sdal经Grt-Cpx-Phe得704 ± 65°C、2.7 ± 0.3 GPa；ZiR金红石Zr 59–104 ppm（核）与52–111 ppm（边）；石英包裹体Ti核平均138 ppm、边13 ppm；QuiG拉曼位移128、206、464 cm^–1分别达4.52 ± 0.35、16.47 ± 0.35、6.21 ± 0.35 cm^–1；综合得核生长条件1.6 ± 0.2 GPa、597 ± 30°C，峰期2.7 ± 0.3 GPa、643 ± 30°C。V?rdalsneset Grt-Cpx-Phe得682 ± 65°C、2.8 ± 0.3 GPa；金红石Zr核平均56 ppm、边79 ppm；石英Ti核平均21 ppm、边18 ppm；QuiG位移分别为4.22 ± 0.35、16.54 ± 0.35、6.37 ± 0.35 cm^–1；进变质1.7 ± 0.2 GPa、582 ± 31°C，峰期2.7 ± 0.3 GPa、639 ± 30°C。Verpeneset粗粒变种Grt-Cpx-Phe得696 ± 65°C、3.3 ± 0.3 GPa；金红石Zr核172 ppm、边166 ppm；石英Ti边平均10 ppm；细粒变种仅Grt-Cpx温度计得1.0 GPa时593 ± 65°C、3.5 GPa时721 ± 65°C；金红石Zr核192 ppm、边165 ppm；石英Ti核平均15 ppm、边<6–12 ppm；QuiG位移2.19 ± 0.35、9.80 ± 0.35、3.43 ± 0.35 cm^–1；综合进变质1.1 ± 0.2 GPa、627 ± 31°C，峰期3.3 ± 0.3 GPa、688 ± 30°C。Halnes Grt-Cpx-Phe得706 ± 65°C、2.85 ± 0.32 GPa；金红石Zr核160 ppm、边161 ppm；石英Ti核88 ppm；进变质1.8 ± 0.2 GPa、639 ± 30°C，峰期2.8 ± 0.3 GPa、691 ± 30°C。Saltaneset仅Grt-Cpx温度计得1.0 GPa时583 ± 65°C、3.5 GPa时739 ± 65°C；金红石Zr核227 ppm、边237 ppm；ZiR与Grt-Cpx约束峰期3.2（–0.4，+2.3）GPa、721 ± 30°C。Grytting Grt-Cpx得1.0 GPa时631 ± 65°C、3.5 GPa时796 ± 65°C；金红石Zr核606 ppm、边573 ppm；ZiR与Grt-Cpx约束峰期3.8（–0.9，+2.3）GPa、813 ± 30°C。Ulsteinvik Grt-Cpx得1.0 GPa时727 ± 65°C、3.5 GPa时869 ± 65°C；金红石Zr核561 ppm、边631 ppm；峰期3.1（–0.2，+2.9）GPa、846 ± 30°C。Korveneset Grt-Cpx得1.0 GPa时659 ± 65°C、3.5 GPa时827 ± 65°C；金红石Zr核491 ppm、边633 ppm；峰期4.3（–1.4，+2.3）GPa、882 ± 30°C。Solholmen Grt-Cpx得1.0 GPa时599 ± 65°C、3.5 GPa时718 ± 65°C；金红石Zr核428 ppm、边471 ppm；峰期5.4（–2.3，+2.6）GPa、840 ± 30°C。

讨论部分总结：研究人员重建WGR的P-T梯度，峰期P-T由南（Dr?sdal约2.74 GPa、704°C）向北（Solholmen约5.40 GPa、840°C）增加，除Ulsteinvik（属异地向体Bl?h? Nappe）与Solholmen外，其余沿趋势线决定系数R²=0.949，得P-T空间梯度4.7°C/km，与先前仅含多硅白云母榴辉岩估计一致，可应用于更广泛地壳段至Otr?ya岛。沿横断面P-T一致增加支持单一连贯俯冲大陆地壳板片观点，横断面虽可能不平行俯冲矢量但假设板片近平面且沿走向无大变形，则梯度代表向NW实际俯冲矢量物理条件变化。然而横断面P与T空间分布不一致，如Verpeneset与Grytting间0.54 GPa（约20 km）、Grytting与Korveneset间0.45 GPa（约100 km）偏移，可能源于HP-UHP变质后板片构造破坏、俯冲带深部板片叠瓦化、流体释放保存不同阶段或压力偏离岩石静力梯度；WGR被主要剪切带分为岩性构造单元，Sandane剪切带在HP榴辉岩条件下活动，表明板片在深俯冲带开始解体，持续俯冲中发生叠瓦化稍改原先P-T空间格局，晚期造山向西构造与大型E-W褶皱垂向运动进一步破坏。Solholmen局部异常若由显著超压或动力差异引起则应散射而不沿梯度排列，故整体影响可忽略，不一致偏移暗示整个WGR经历构造缩短，板片分段为大切片而非单一块体折返，与结构模型一致。选定榴辉岩需同期以使P-T梯度有效，前人年代学显示>20 Ma跨度更反映大陆地壳长期暴露于(U)HP条件而非不同时平衡，Western Gneiss Complex与Fjordane Complex的HP或UHP变质年龄无易分辨差异，支持俯冲期间岩性构造包体非不同时独立变质而同期平衡，梯度具地质有效性。该深度>80 km梯度与冷俯冲梯度一致，进变质结果与Penniston-Dorland等一致但温度高于Syracuse等模型预测，差异可由热浮力等解释，或Rodinia裂谷残留局部热异常；大陆俯冲梯度在深处与海洋俯冲相似，表明大陆板片因先存冷却俯冲通道在热上趋近海洋稳态体制，WGR地壳古老粒变岩放射性热产出低亦有助，大陆地壳更易折返从而保存>100 km深部过程记录，可作俯冲系统普遍过程替代研究对象。

研究结论部分翻译：上述结果允许重建WGR的P-T梯度。记录的峰期P-T条件由南（Dr?sdal约2.74 GPa、704°C）向北（约5.40 GPa、840°C，Solholmen）增加。本研究峰期P-T条件基于一致基础估算，可在区域尺度对比。结果突显多重方法作为通用工具箱重建俯冲系统P-T演化的重要性。先前工作虽综述WGR内空间P-T但难从多样不易比方法中找精确模式，且提出P-T轨迹依赖连接平均预UHP与峰期条件。此处基于约190 km横断面多处榴辉岩一致方法提供精确计算地热梯度。Dr?sdal、V?rdalsneset、Verpeneset、Halnes、Saltaneset、Grytting及Korveneset峰期P-T结果沿趋势线决定系数(R²)等于0.949。Ulsteinvik榴辉岩因属异地向体(Bl?h? Nappe)记录不同俯冲历史未纳入。Solholmen榴辉岩不符趋势可能显示局部异常或地热趋势破坏。P-T空间趋势线基于岩石静压力得4.7°C/km梯度，与Carswell等及Cuthbert等仅对含多硅白云母榴辉岩估计一致。新计算梯度可由南至北应用于更宽地壳段至Otr?ya岛。此外估算进变质条件符合总体趋势，为提出P-T轨迹提供更可靠参考点。沿S–N横断面计算P-T值由每产地至下一产地增加。P-T空间一致梯度表明采样榴辉岩属单一连贯俯冲大陆地壳板片，如Krogh最初提出及Hacker等进一步解析。横断面方位可能不对应实际俯冲矢量，选其以最大化露头与高质量样品可用性；俯冲矢量估为垂直造山带前缘（挪威南部NE–SW走向，推覆体向SE，板片向NW俯冲），与Main Caledonian Thrust Zone中SE向线理一致，但最终推覆矢量可能受碰撞末期与折返早期板块旋转改造而不完全对应俯冲矢量；北部WGR榴辉岩相剪切组构亦暗示SE向逆冲。此外Krogh与Hacker等对WGR内P-T条件空间分布勾绘显示等温线与等压线主要NE–SW走向（受后期大型直立褶皱扭曲），再次暗示向NW俯冲。故横断面斜交可能俯冲矢量；假设俯冲板片基本平面且沿走向无大变形，沿横断面点计算P-T条件可代表其SW与NE板片条件，假定相对年龄与P为岩石圈压力，则推导P-T空间梯度代表向NW实际俯冲矢量物理条件变化。尽管P-T空间梯度高度一致，横断面P与T地理空间分布并不一致，采样榴辉岩位置间P与T偏移不一致，如Verpeneset与Grytting间0.54 GPa（约20 km）及Grytting与Korveneset间0.45 GPa（约100 km），Cuthbert等在类似横断面亦注意到；异常可能解释为新HP-UHP变质后连贯板片构造破坏、俯冲带深部HP下板片叠瓦化、含水矿物失稳释流体保存不同俯冲阶段或UHP条件，或压力偏离岩石静梯度；WGR已知被主要剪切带分为岩性构造单元，具SE向与向前陆逆冲及西向容纳晚造山“伸展”或“垮塌”；Terry与Robinson识别Baltica基底单元与表壳Bl?h? Nappe间Scandian HP-榴辉岩相剪切；更大尺度Young识别两个区域剪切带分隔三个主要岩性构造单元（由低到高西片麻岩杂岩、Fjordane杂岩、Tafjord杂岩），表壳异地分配通常对应主要剪切带称“混合岩”；横断面未采Tafjord杂岩（东露头，认为早从俯冲板片脱离停滞相对较高通道而其余两单元继续深俯冲具单独演化）；Young构造框架中横断面由南至北跨西片麻岩杂岩（Dr?sdal与V?rdalsneset至Nordfjord）、Fjordane杂岩（Verpeneset、Halnes、Salta、Grytting与Ulsteinvik）及回至Moldefjord以北西片麻岩杂岩（Solholmen与Korveneset）；有证据Sandane剪切带分隔西片麻岩杂岩与Fjordane杂岩在HP榴辉岩条件下活动，故板片在俯冲带较深开始解体；Blatchford等对Oter?ya基底片麻岩剪切结论类似（可能为Sandane剪切带北延）；但这些构造单元跨越Sandane剪切带榴辉岩P与T差异相对较小，Young认为峰期与后峰期条件西片麻岩杂岩与Fjordane杂岩相对运动较小；故结论WGR大陆地壳板片主要作为连贯板片俯冲但在Baltica板块岩石圈持续俯冲中经历某些叠瓦化，始于HP榴辉岩条件下，足以稍改先前建立的榴辉岩P与T空间格局；进一步破坏可能由晚期造山西向构造与大型E-W褶皱相关相对垂向运动造成。尽管不能完全排除局部超压或局部动力差异（如Solholmen产地），认为对区域整体影响可忽略；若显著超压现象和/或局部动力差异负责观测P偏移，则P-T结果应分散而不沿此处梯度完美排列；因此提出新结果尤其产地间P-T条件不一致偏移暗示整个WGR已被构造缩短，此种缩短可能源于WGR板片分割为若干大切片而非单一连贯构造块体折返，与Gee、Robinson及Young的WGR结构模型一致。由于俯冲板片P-T梯度是随时间捕获或深度热格局概览，选定榴辉岩同期至关重要；尽管前人年代学显示长跨度（>20 Ma），但更暗示俯冲大陆地壳长期暴露于(U)HP条件而非各地平衡不同时机；DesOrmeau等基于大量同位素年龄汇编结论西方片麻岩杂岩与Fjordane杂岩HP或UHP变质无易分辨年龄差异，加强俯冲期间连贯地壳合并提议于榴辉岩平衡时；亦反驳HP–UHP变质在不同时期分离岩性构造包体内发生，与横断面榴辉岩同期平衡一致使获得梯度具地质有效性； notwithstanding上述复杂性与连续大陆板片俯冲假设，Krogh、Andersen等、Hacker等及Cuthbert等WGR形成一般模型与本研一致。该深度>80 km梯度对应于Penniston-Dorland等提出冷俯冲梯度；进变质P-T结果与Penniston-Dorland等一致但提示较Syracuse等模型预测更高T；模型与岩石P-T估计T不匹配已广泛讨论（如热浮力、水热蚀变、地球动力学背景改变、底辟、折返稀有短暂）；另一解释可能是Rodinia裂谷残留局部热异常；结果引人注目之处在于深处大陆俯冲梯度与海洋俯冲记录相似，表明大陆板片因先存冷却俯冲通道在热上趋近海洋稳态体制，可能受WGR地壳巨大体积古老粒变岩贫产热元素低放射热产出助益；俯冲后大陆地壳比较易折返于海洋地壳，故更可能保存>100 km深部过程记录，可作一般俯冲系统深部过程替代对象研究。