瑞士莱蓬廷阿尔卑斯山角闪岩相条件下的快速且空间非均匀冷却速率

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Fast and Spatially Heterogeneous Cooling Rates at Amphibolite-Facies Conditions in the Lepontine Alps (Switzerland)

阿尔卑斯莱庞蒂诺穹窿基底 nappe 的冷却速率通过 garnet 多组分扩散逆模型和热动力学模拟分析。选择 6 个不同构造层位的 garnet 矿物，结合地热温压计和扩散建模，发现沿 Maggia-Adula 剪切带冷却速率达 100–400°C/Myr，而基底 nappe 和 migmatitic 带分别为 2°C/Myr 和 20–50°C/Myr。二维模型显示高温 nappe 快速堆叠导致剪切带附近高冷却速率，一维模型与区域地热梯度一致，但剪切带局部热源（如剪切生热或流体渗透）可能加剧冷却速率差异。研究揭示了碰撞造山带中热传递机制的时空异质性。

　　在阿尔卑斯山脉的构造演化过程中，地壳深处的岩石经历了高温高压的变质作用，这些过程对山脉的热历史和动力学环境有着重要的影响。研究这些岩石的冷却速率对于理解山脉的形成机制和热演化过程至关重要。在瑞士中央阿尔卑斯地区，莱蓬蒂纳穹窿（Lepontine dome）是由阿尔卑斯区域变质作用产生的基底褶皱体，其中高温高压的变质条件（Barrovian 变质作用）广泛存在。然而，莱蓬蒂纳穹窿在峰值变质作用之后的冷却速率和模式仍存在不确定性。为了探索这一问题，我们通过研究石榴石的化学成分变化，采用逆多组分扩散建模的方法，估算其冷却速率。通过这种方法，我们分析了莱蓬蒂纳褶皱体中不同构造层的六种石榴石石英片岩，并发现石榴石晶缘在变质构造面形成的同时表现出Mn的增加和Mg的减少，这表明了逆向反应的发生。

我们通过热力学与压力测定方法（geothermobarometry）估计了石榴石晶缘重新平衡后的温度范围为577到661°C，压力范围为0.5到1.3 GPa。我们的研究结果揭示了冷却速率的空间变化趋势：主褶皱带（Maggia-Adula）处记录了快速冷却，速率在100到400°C/百万年之间；而脚墙区域则表现出较慢的冷却速率，仅2°C/百万年；而在莱蓬蒂纳穹窿南部的混合带（migmatitic belt）则表现出中等冷却速率，介于20到50°C/百万年之间。为了进一步理解这种冷却速率的分布模式，我们进行了二维（2D）热动力学建模，结果表明，这种模式与热流和冷却速率的分布一致，特别是在将高温褶皱体堆叠在低温褶皱体之上的情况下。同时，一维（1D）模型也支持这一结论，即在主褶皱带记录的高冷却速率（超过600°C和0.5 GPa）并非仅仅由褶皱堆叠和地表露头过程中热对流和扩散所导致，而可能受到局部热源的影响，如剪切加热（shear heating）。

通过石榴石的化学成分变化来估算冷却速率是一种重要的研究方法，这种方法基于元素在矿物晶格中的扩散行为。在高温条件下，石榴石的化学成分在晶缘处发生了显著变化，这些变化与逆向反应有关，表明石榴石在变质作用后经历了一定程度的再平衡。研究者利用逆多组分扩散建模，将石榴石的化学成分变化与冷却速率联系起来。这一建模方法能够提供对冷却速率的定量估算，并且通过将石榴石的化学成分与已知的热力学条件相结合，可以更准确地推断出岩石的冷却历史。我们选择了六个石榴石石英片岩样品，分别位于不同的构造层中，以确保结果的代表性和多样性。

在研究中，我们发现石榴石的化学成分在晶缘处表现出明显的差异，这些差异可以用于估算冷却速率。我们使用了一种名为“GDIFF”的算法，该算法基于MATLAB，可以用于计算石榴石中的浓度分布。在建模过程中，我们考虑了不同组分的扩散行为，例如Ca、Fe、Mg和Mn。通过比较这些组分在不同构造层中的扩散速率，我们能够更准确地估算冷却速率。这一方法在其他造山带（如喜马拉雅的锡金地区）已被成功应用，其结果与独立的热年代学方法（如40Ar-39Ar测年）相符，这表明该方法的可靠性。

为了进一步验证冷却速率的估算结果，我们还进行了简单的热模型和热动力学模型。一维热模型假设岩石的冷却速率是恒定的，并且可以用于估算冷却时间。二维热动力学模型则考虑了地壳中横向热流的影响，能够更全面地反映冷却速率的变化。这些模型的结果与我们的观测数据一致，尤其是在主褶皱带中，快速冷却速率可能由局部热源引起，如剪切加热或热流体渗透。通过这些模型，我们能够更深入地理解莱蓬蒂纳穹窿的热演化过程，并推测其热预算的组成。

在莱蓬蒂纳穹窿的构造背景下，我们发现不同构造层的冷却速率存在显著差异。主褶皱带（Maggia-Adula）处的快速冷却可能与高温褶皱体的快速露头和冷却过程有关，而脚墙区域的缓慢冷却则可能与较长时间的热传导有关。混合带（migmatitic belt）的中等冷却速率则可能反映了中间的热演化过程。这些结果表明，莱蓬蒂纳穹窿的热演化不仅受到区域热传导的影响，还可能受到局部热源的显著贡献。

在实际应用中，石榴石的化学成分分析和热模型的结合为我们提供了关于莱蓬蒂纳穹窿热历史的全面视角。通过分析石榴石的晶缘化学成分，我们能够推断出冷却速率的变化，并将其与热模型的结果进行比较。这种综合方法不仅有助于理解岩石的冷却历史，还能够揭示造山带的热演化模式。此外，这些结果还对理解山脉形成过程中热源和热流的动态变化提供了重要线索。

总之，通过石榴石的化学成分分析和热模型的结合，我们能够更准确地估算莱蓬蒂纳穹窿的冷却速率，并揭示其热演化过程。这些结果不仅有助于理解山脉的形成机制，还能够为地质学家提供关于热源和热流在造山带中作用的重要信息。研究中采用的逆多组分扩散建模方法和热模型的结合，为我们提供了关于莱蓬蒂纳穹窿热历史的全面理解，这对于进一步研究造山带的热动力学过程具有重要意义。