Dating ductile deformation of the Earth’s crust: the critical role of fluids

地球的地壳并非一个静态的外壳；它是一个动态的层，在巨大的压力下不断发生位移、褶皱和拉伸。当深层地下的岩石受到挤压和加热时，它们并不总是像脆性玻璃那样破碎。相反，它们可以经过数百万年的时间缓慢流动，这一过程被称为塑性变形（ductile deformation）。这种缓慢的塑性运动对于理解山脉如何形成以及行星如何释放应力至关重要。为了建立这些事件的准确模型，地质学家需要确切知道岩石何时发生了运动。然而，确定这种缓慢流动的年龄长期以来一直是一个谜团。传统的测量方法通常假设，随着岩石发生变形，其内部的化学时钟会自动重置，从而提供一个清晰的时间戳。但这一假设依赖于岩石是完美混合且化学均匀的观点，而这一观点在没有极其细致地观察岩石内部微观世界的情况下是难以验证的。

来自瑞士和德国大学的一个研究小组通过研究瑞士阿尔卑斯山脉的一块特定的地壳切片，挑战了这一长期存在的假设。他们专注于一个古老的花岗岩被挤压成一种细粒、流动的岩石——糜理岩（mylonite）的区域。通过结合高分辨率化学图谱和精确的测年技术，他们发现仅仅是挤压岩石本身并不足以重置其内部时钟。相反，他们发现水质丰富的流体（water-rich fluids）是允许岩石化学系统重置并记录变形时间的关键成分。这一发现改变了科学家对山脉形成历史的解读，表明如果没有流体，岩石即使在被挤压和重塑的过程中，仍会保留着过去的记忆。

研究人员研究了哥达纳普（Gotthard nappe）的一个部分，这是一个巨大的岩石板块，在欧洲和亚德里亚板块碰撞期间被向上推起。他们收集了变形程度各异的花岗岩样本，从仅被轻微拉伸的岩石到被磨成细小、超光滑糜理岩的岩石。利用先进的显微镜和化学分析仪，他们创建了这些岩石中矿物的详细图谱，特别关注了白云母、黑云母和长石。这些矿物充当了天然时钟，因为它们含有以已知速率衰变的放射性元素，使科学家能够计算出矿物形成或最后一次化学重置的时间。该团队使用了两种不同的测年方法，一种基于捕获在矿物中的氩气，另一种基于锶同位素比例，来测量同一岩石样本的不同部分。

他们的发现令人惊讶。在变形程度中等的岩石中，化学时钟显示出广泛的年龄范围，既有非常古老的，也有较年轻的。当他们转向变形最剧烈的剪切带部分时——即岩石被磨成细粉末的部分——他们原本预期会发现一个代表挤压时间的单一、统一的年龄。然而，他们发现即使是最剧烈变形的岩石仍然含有大量的、未被重置的古老物质。这些古老的同位素“残余物”（relicts）的数量实际上随着变形强度的增加而增加。这直接反驳了变形与化学反应完全同步发生的假设。如果岩石仅仅是被造山运动的物理应力所混合，那么旧的化学特征应该被抹除。它们依然存在的事实表明，单纯的物理应变不足以重置岩石的内部时钟。

解锁变形真实时机的关键在于流体。研究人员识别出了三代不同的矿物。最古老的矿物在造山运动开始前就已经形成，并保存在某些晶体的核心部分。第二代矿物形成于造山运动的高峰期，但这些矿物仅在存在流体的区域才实现了化学时钟的完全重置。第三代矿物出现在较晚的冷却阶段，并且显然与导致矿物成分发生变化的流体到达有关。通过根据这些化学指纹仔细区分不同的矿物世代，团队得以精准定位特定的时刻。他们确定造山运动的主要阶段以及相关的塑性变形发生在大约 1880 万年至 1710 万年前。随后的冷却和流体运动阶段发生在约 1330 万年前。

研究还表明，流体是化学和同位素（再）平衡的主要驱动力，而非岩石的物理挤压或温度本身。虽然这些岩石并非处于完美的封闭系统中，但研究人员发现，糜理化过程是在一个与外部来源流体接触有限的半封闭系统中进行的。在变形最剧烈的区域，化学特征表明流体稀缺，这就是为什么尽管应变剧烈，古老的同位素信号依然得以保留的原因。只有在流体促进反应的地方，同位素时钟才会被重置以记录变形的年龄。研究人员得出结论，流体的运动，而非岩石的物理挤压或温度本身，是允许矿物重新达到平衡并记录变形年龄的主要驱动力。这意味着，为了准确测定造山带的建造时间，地质学家必须首先理解流体的作用，并使用化学制图来区分那些在变形过程中被流体重置的矿物与那些仅仅是古老遗留物的矿物。

这项工作对于我们如何计算地球地壳变形的速度具有重要意义。通过识别在变形过程中被流体重置的特定矿物，研究人员计算出约为 $8.68 \times 10^{-14}$ 每秒的应变率。这是一个衡量岩石拉伸速度的指标。他们的估算比之前的计算更准确，因为避免了新旧矿物的混合，这是早期研究中常见的错误。这种精确的速率有助于科学家将地球深部缓慢的运动与近地表发生的快速脆性地震联系起来。它表明，地壳中间部的应力缓慢积累可以直接与上地壳能量的突然释放联系起来。

研究结果还为阿尔卑斯山的地质历史提供了更清晰的图景。变形的时机与山脉向西移动一致，表明深层地壳的塑性拉伸与创造侏罗山脉的浅层褶皱之间存在直接联系。研究显示，该岩石在约四百万年的时间里，从约 33 公里的深度上升到约 16 公里的深度，温度从约 537 摄氏度冷却至 340 摄氏度。这种冷却和上升的过程速率约为每百万年 4.3 公里。

最终，这项研究证明了造山运动的故事书写在岩石的化学细节之中，但前提是我们知道如何阅读它们。流体的存在是允许岩石内部时钟重置并记录变形时间的本质关键。如果没有流体，即使在被重塑的过程中，岩石仍会保留其旧有的历史。这一见解迫使地质学家改变对待地球地壳测定的方式。仅仅粉碎一块岩石并对其进行测年是不够的；科学家现在必须绘制矿物的化学成分图，以寻找那些被流体重置的部分。这种方法确保了他们获得的日期真正反映了造山运动的时刻，而不是新旧事件的混合。该研究证实，流体而非仅仅是热量或压力，是深部地球化学变化的主要驱动力，而理解这种关系对于重建地球动态历史至关重要。