超高溫（ultrahigh-temperature: UHT）變質作用是中下地殼層次發生的一類最熱的變質作用，其變質溫度超過了黑云母脫水熔融反應。盡管UHT變質巖的溫壓比與“正常的”高角閃巖相-麻粒巖相變質巖相似，但其絕對溫度高達900℃以上，意味著UHT變質作用形成于更深的地殼層位，接近Moho面，一般為20–55km（圖1）。UHT變質作用的發生需要大陸地殼極高的熱流值，這與下地殼最下部的流變學性質及其穩定性密切相關。因此，研究UHT變質作用的發生機理對于我們理解大陸下地殼的改造、造山帶演化以及殼–幔相互作用具有重要的科學意義。然而，這種極熱的變質作用是如何形成的仍存在強烈的爭議。

圖1 UHT與其他高級變質作用的P–T條件和可能的構造背景

　　中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室焦淑娟研究員、Ross N Mitchell研究員、陳林研究員、陳意研究員、黃廣宇副研究員以及郭敬輝研究員與美國馬里蘭大學、印度國家科學教育研究所、澳大利亞科廷大學以及西澳地質調查局的合作者系統梳理了全球110余個UHT變質巖的特征，結合數值模擬和地球物理資料，辯證地論述了UHT變質作用的形成機制及其隨時間的演化。

　　UHT變質作用在各個地質時期廣泛發育，但在空間上與匯聚板塊邊界相關，在時間上與幾個超大陸的聚合相對應（圖2）。UHT變質巖一般僅保留峰期后的變質P–T軌跡，以冷卻為主，或以減壓為主，這兩種不同樣式的P–T軌跡將形成不同的礦物反應結構（圖3）。少量研究揭示了UHT變質作用進變質階段的P–T軌跡，還確定了UHT峰期前存在減壓升溫階段（圖3）。盡管對鋯石和獨居石的行為及其U–Th–Pb體系在高溫下的重置機制仍認識有限，這導致對UHT變質作用準確的變質時代和時間尺度的限定存在不確定性。系統的巖石年代學研究得到多個UHT麻粒巖較為可靠的時間尺度資料。目前統計的數據顯示UHT變質作用的時間尺度大都為10–160百萬年，并隨地質時代呈現出規律性的變化，其中中元古代時期發生的UHT變質作用的時間尺度最長。然而，多數UHT變質作用加熱階段的時間尺度較短≤30百萬年，作者的這一發現對限定UHT變質作用的熱源和形成機制非常關鍵。

圖2 UHT與其他高級變質作用的時空分布及其與超大陸旋回的聯系

圖3 變泥質UHT麻粒巖中代表性變質特征與指示的P–T軌跡

　　學術界一般認為UHT變質作用形成于弧-弧后環境、伸展的造山帶或造山帶高原，其他的模型如板片回撤、板片斷離、巖石圈地幔拆沉、洋脊俯沖和板片窗以及地幔柱等。作者根據熱源不同將上述模型分為兩大類，一類以放射性元素生熱為主；另一類為巖石圈地幔減薄或拆沉引起升高的地幔熱流為主。作者對相應模型的數值模擬結果進行凝練，發現由放射性元素生熱導致的UHT變質作用，可能發生在造山帶根部，提前條件為上地殼放射性生熱率需要超過3μWm-3, 或者地殼本身比較熱，Moho面溫度高達700℃，而且造山帶一般具有緩慢的剝蝕速率。這種情況下將會形成加熱階段為30–75 百萬年的UHT變質作用，P–T軌跡為順時針型，峰期后存在不同程度的減壓階段（圖4）。然而，根據目前保存的UHT變質作用的加熱階段時間尺度大都≤30 百萬年的數據，一般情況下只依靠放射性元素生熱很難達到UHT變質條件。造山帶高原底部發生的UHT變質作用可能是加厚地殼放射性元素生熱和巖石圈地幔拆沉聯合作用的結果，這種情況會形成UHT變質疊加榴輝巖相或高壓麻粒巖相變質作用，如喜馬拉雅造山帶、斯里蘭卡高地地體以及華北克拉通孔茲巖帶。

圖4 加厚造山帶主要由放射性元素生熱所導致的UHT變質作用的特征

　　如前所述，多種模式可以導致巖石圈伸展或拆沉從而引發軟流圈地幔上涌以及升高的地幔熱流（elevated mantle heat flow）。作者研究發現由這些機制導致的UHT變質作用加熱階段的時間尺度較短，≤10百萬年，P–T軌跡可能是逆時針型或順時針型，一般有近等壓或減壓升溫和峰期后近等壓或減壓冷卻階段（圖5）。作者研究得出最可能的情況是：在顯生宙時期，弧或弧后環境中板片回撤（slab rollback）是導致UHT變質作用的主要原因；在前寒武紀造山帶，UHT變質作用與淺部板片斷離（shallow slab breakoff）或巖石圈地幔拆沉作用（lithospheric delamination）有關。

圖5 俯沖帶中主要由巖石圈地幔伸展或拆沉以及地幔熱流加強所導致的UHT變質作用的特征

　　地球物理資料所揭示的現代地球可能正在發生的UHT變質作用對上述的成因機制給出進一步佐證。兩個例子分別為青藏高原及周緣和美國西部造山帶（圖6）。前者溫度與壓力呈現出很好的線性關系，證實地殼加厚和放射性生熱對青藏高原底部榴輝巖相-高壓麻粒巖相以及UHT變質作用的貢獻，然而地球化學、地球物理、以及數值模擬的多項證據表明青藏高原曾發生過巖石圈地幔拆沉作用，這一過程很可能對正在發生的UHT變質作用有所貢獻；與此對比，美國西部溫度與壓力無相關性，溫度的升高主要與巖石圈地幔較?。?0–70km）、地幔熱流較高有關。導致巖石圈地幔減薄的動力學過程可能與古洋殼（Farallon slab）的斷離有關。

圖6 青藏高原及其周緣和美國西部造山帶可能正在發生的UHT變質作用

　　作者還發現UHT變質巖的溫度梯度、時間尺度隨地質時代表現為先升高再降低的特征，其中在中元古代時期，其溫度梯度最高，時間尺度最長，與這一時期的冷卻速率最低相一致，并且該時期形成了全球最大規模的UHT變質地體，佐證了該時期的大陸地殼達到整個地質時期最熱的狀態。

　　研究成果發表于國際學術期刊Nature Reviews Earth & Environment（焦淑娟, Brown Michael, Mitchell Ross N, Chowdhury Priyadarshi, Clark Chris, 陳林, 陳意, Korhonen Fawna, 黃廣宇, 郭敬輝. Mechanisms to generate ultrahigh-temperature metamorphism[J]. Nature Reviews Earth & Environment, 2023. DOI: 10.1038/s43017-023-00403-2）。審稿人評述該綜述是UHT變質作用研究領域的權威性資料，將激發更多新穎的研究成果的產出。研究受國家自然科學基金委重大項目（41890832）和優秀青年基金（42122018）資助，感謝李獻華院士、陳凌研究員和梁曉峰副研究員，以及科廷大學劉也博博士給予的指導或幫助。
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