佟 鑫,施建榮,王惠初,張家輝,任云偉

1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心(華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心),天津 300170

2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所,北京 100037

0 引言

TTG巖石組合(英云閃長(zhǎng)巖-奧長(zhǎng)花崗巖-花崗閃長(zhǎng)巖)是太古宙克拉通典型的巖石組合,代表了至少90%的太古宙新生大陸地殼[1-3]。對(duì)TTG巖石成因的約束是深入理解地球早期大陸地殼生長(zhǎng)和演化的關(guān)鍵。

對(duì)于TTG巖石的成因,目前一個(gè)普遍的認(rèn)識(shí)是來自含水變質(zhì)玄武質(zhì)巖石的部分熔融[3]。其全巖稀土元素(REE)組成和Sr/Y值等的差異則被認(rèn)為是反映了不同的源區(qū)深度(熔融壓力)和熔融殘余,并可據(jù)此將TTG巖石進(jìn)一步劃分為高壓、中壓和低壓TTG巖石3種類型[3-6]:高壓型TTG巖石,具有低重稀土(HREE)質(zhì)量分?jǐn)?shù),高Sr/Y值的特征,其源區(qū)發(fā)生部分熔融后的殘余體為榴輝巖相巖石,其中有大量石榴子石,少量的金紅石,不存在斜長(zhǎng)石;低壓型TTG巖石,具有較高的HREE質(zhì)量分?jǐn)?shù),以及低的Sr/Y值,其源區(qū)殘余體中斜長(zhǎng)石穩(wěn)定存在,石榴子石體積分?jǐn)?shù)較小,不存在金紅石,相當(dāng)于角閃巖相巖石;中壓型TTG巖石,其化學(xué)成分介于二者之間,其源區(qū)殘余體相當(dāng)于含石榴子石的角閃巖相巖石,貧斜長(zhǎng)石,石榴子石體積分?jǐn)?shù)較大。

同時(shí)也有研究表明,鎂鐵質(zhì)巖漿的分異也可形成TTG巖石[7-11]。其中,具有高Sr/Y值等特征的“高壓型”TTG巖石,同樣可在中低壓條件下由玄武質(zhì)/閃長(zhǎng)質(zhì)熔體通過以角閃石為主的礦物分離結(jié)晶形成,增厚的巖石圈及石榴子石穩(wěn)定條件(源區(qū)石榴子石的殘留)等的高壓條件并非是形成所謂“高壓型”TTG巖石的必要條件[7, 11-12]。

內(nèi)蒙古固陽地區(qū)位于華北克拉通西部,是華北克拉通西部前寒武紀(jì)基底出露較完整的地區(qū)[13-14],區(qū)域內(nèi)發(fā)育大量的新太古代DTTG片麻巖組合。然而相比華北克拉通東部的基底巖石,這些巖石組合的研究程度較低,僅有鋯石U-Pb年齡和基本的巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)的報(bào)道[15-19]。對(duì)于固陽地區(qū)DTTG片麻巖組合的成因,前人根據(jù)其全巖主、微量元素,Nd同位素組成和鋯石Hf同位素組成,認(rèn)為其中TTG巖石來自俯沖板片的部分熔融并受到了上覆地幔楔的交代,閃長(zhǎng)質(zhì)巖石(D)則來自下地殼的部分熔融并有幔源熔體的參與[16,18]。然而前人的這些結(jié)論均是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)本身以及幾個(gè)構(gòu)造-成因判別圖投圖獲得的,缺少對(duì)這些巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)深入的分析和模擬。

基于此,本研究以內(nèi)蒙古固陽地區(qū)新太古代英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)(TT)片麻巖為主要研究對(duì)象,結(jié)合區(qū)域內(nèi)的(石英)閃長(zhǎng)質(zhì)(D)巖石,對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的巖石學(xué)、鋯石U-Pb年代學(xué)研究以及全巖元素地球化學(xué)分析。同時(shí)利用Perple_X和rhyolite-MELTS程序[20-21],對(duì)這些巖石開展了熱力學(xué)模擬研究,以限定巖漿體系的礦物、化學(xué)組成以及物理?xiàng)l件。結(jié)合前人數(shù)據(jù),重新約束了固陽地區(qū)新太古代TTG巖石的形成過程,為進(jìn)一步約束華北克拉通西部新太古代地球動(dòng)力學(xué)背景和地球早期大陸地殼的生長(zhǎng)與演化提供了新的依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景與樣品采集

內(nèi)蒙古固陽地區(qū)位于華北克拉通西部(圖1a),出露的新太古代變質(zhì)基底包括綠巖組合、麻粒巖相變質(zhì)巖-紫蘇花崗巖組合和DTTG片麻巖組合等[16,18,22]。

綠巖組合是指一套綠片巖相—低角閃巖相的變質(zhì)火山-碎屑巖,以殘留向形盆地的形式沿東西向展布[13,16-18,23-24]。這些巖石由底部到頂部可以劃分為3個(gè)巖組,分別為:底部的鎂鐵質(zhì)變質(zhì)火山巖,存在變形的燧石巖、角閃石巖和條帶狀鐵建造(BIF)透鏡體,部分巖石可見殘留的枕狀構(gòu)造;互層的變質(zhì)鎂鐵質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)火山巖,在這一巖組中,已識(shí)別出了富Nb玄武巖和高M(jìn)g安山巖;頂部的石英巖與不純大理巖互層的沉積巖系。這些綠巖組合中的變質(zhì)鎂鐵質(zhì)巖石被認(rèn)為是來自受俯沖板片熔體/流體交代富集地幔的部分熔融[25-26]。

麻粒巖相變質(zhì)巖-紫蘇花崗巖巖石組合包括了一系列鎂鐵質(zhì)-長(zhǎng)英質(zhì)變質(zhì)巖,是一套經(jīng)歷了高級(jí)變質(zhì)作用和深熔作用的巖石組合,主要分布于武川西部的西烏蘭不浪一帶,以穹窿構(gòu)造形式產(chǎn)出[13]。其原巖被認(rèn)為是形成于活動(dòng)大陸邊緣的一系列基性—酸性火山巖[27]。其中,紫蘇花崗巖被認(rèn)為其原巖來自下地殼角閃巖的部分熔融,同時(shí)有來自富集地幔熔體的參與[22]。

DTTG片麻巖組合呈帶狀、舌狀侵入到綠巖地體中,與麻粒巖相變質(zhì)巖-紫蘇花崗巖巖石組合呈斷層接觸;這些DTTG片麻巖幾乎都經(jīng)歷了綠片巖相變質(zhì)作用,并發(fā)生了變形,其原巖組合包括閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)巖、英云閃長(zhǎng)巖、奧長(zhǎng)花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖等巖石類型,其中同時(shí)存在定向排列的角閃石巖和斜長(zhǎng)角閃巖等巖石包體[13,16]。其原巖組合中的閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)巖等被認(rèn)為是來自增厚下地殼的部分熔融并有少量來自富集地幔熔體的參與[16,18]。而TTG巖石組合則被認(rèn)為是來自受上覆地幔楔交代的俯沖板片的部分熔融[16]。

固陽地區(qū)DTTG片麻巖主要分布于固陽縣城北部的仁太和、合教、圐圙點(diǎn)力素及東北部的奎素、二分子一帶(圖1b)。本研究所涉及的7件巖石樣品,包括2件英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖(TTG片麻巖)、2件奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖(TTG片麻巖)和3件石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖,分別采集自固陽縣城北部的合教和仁太和地區(qū)(圖1b)。

2 巖石學(xué)特征

本文7件巖石樣品的采樣位置和礦物組合特征見表1。

表1 研究區(qū)采樣位置及礦物組合

英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖宏觀上呈淺灰色,具有變余花崗結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造(圖2a);奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖呈灰白色,變余花崗結(jié)構(gòu),露頭上可見明顯的片麻狀構(gòu)造(圖2b);石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖露頭上整體呈深灰色,變余等粒結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,節(jié)理發(fā)育,可見暗色包體,包體主要組成礦物為角閃石,含有少量的斜長(zhǎng)石(圖2c、d)。

a. 英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖;b. 奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖;c、d. 石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖。

英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖主要組成礦物為斜長(zhǎng)石和石英。斜長(zhǎng)石多數(shù)發(fā)生絹云母化,偶見堿性長(zhǎng)石;暗色礦物為透閃石和綠簾石等,同時(shí)可見具有銹褐色異常干涉色的綠泥石,以及少量的磷灰石等副礦物(圖3a、b、c)。

奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖主要礦物組成同樣為石英和絹云母化的斜長(zhǎng)石(圖3d、e、f);暗色礦物相比英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖體積分?jǐn)?shù)較少,主要由細(xì)小的黑云母和綠簾石組成,同樣可見綠泥石的異常干涉色,以及少量的磷灰石(圖3d、e)。

石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖主要組成礦物為斜長(zhǎng)石和角閃石,含有少量的石英,局部可見石英亞顆粒。其中:斜長(zhǎng)石可見聚片雙晶;角閃石在垂直c軸切面上可見兩組典型的角閃石式解理(圖3g、h);部分角閃石轉(zhuǎn)變?yōu)楹谠颇?可見具有角閃石假象的黑云母集合體;同時(shí)可見綠簾石和斜黝簾石等變質(zhì)礦物,綠簾石具有鮮艷明亮的干涉色,斜黝簾石為柱狀斜消光礦物,可見其靛藍(lán)色異常干涉色(圖3h)。

3 分析測(cè)試方法和結(jié)果

3.1 鋯石U-Pb測(cè)年

本文分別對(duì)1件英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖(GY2201)和1件石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖(GY2211)樣品進(jìn)行了鋯石U-Pb測(cè)年。鋯石顆粒的挑選在廊坊市宇能巖石礦物分選技術(shù)服務(wù)有限公司完成,鋯石制靶和反射光、透射光、陰極發(fā)光(CL)的拍照在北京中科礦研檢測(cè)技術(shù)有限公司完成。鋯石詳細(xì)制靶過程參考文獻(xiàn)[28]。制靶后,對(duì)鋯石顆粒進(jìn)行反射光、透射光和陰極發(fā)光的拍照,陰極發(fā)光拍照是利用TESCAN MIRA3場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡完成,掃描電壓為7 kV。

鋯石U-Pb測(cè)年分析在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心利用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MA)完成。激光剝蝕系統(tǒng)和等離子質(zhì)譜系統(tǒng)詳細(xì)的操作條件與數(shù)據(jù)處理方法參考文獻(xiàn)[29]。對(duì)鋯石分析數(shù)據(jù)的處理利用ICPMSDataCal程序完成[29],對(duì)鋯石數(shù)據(jù)的計(jì)算和作圖則通過Isoplot/Ex_ver4.15程序完成[30]。鋯石測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

2件樣品中的鋯石均呈半自形—自形,鋯石顆粒長(zhǎng)寬比為2∶1,鋯石長(zhǎng)軸在150～200 μm之間。在CL圖像中,均可見巖漿成因鋯石的振蕩環(huán)帶[31](圖4)。對(duì)于英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖樣品(GY2201)中的鋯石,多數(shù)顆粒可見增生邊(圖4a)。該樣品鋯石測(cè)點(diǎn)的Th/U值在0.36～2.69之間,去掉3個(gè)不諧和的年齡測(cè)點(diǎn)后,得到鋯石207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為(2 504±11)Ma(圖5a)。石英閃長(zhǎng)片麻巖樣品(GY2211)中可見較多的繼承鋯石核(圖4b)。該樣品鋯石測(cè)點(diǎn)的Th/U在0.20～1.16之間,去掉3個(gè)不諧和的年齡測(cè)點(diǎn),在諧和線附近的27個(gè)年齡測(cè)點(diǎn)的鋯石207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為(2 514±7)Ma(圖5b)。另外有2個(gè)繼承鋯石核的年齡測(cè)點(diǎn),分別得到了(2 585±21)和(2 600±16)Ma的表面年齡。

圖中圓圈和數(shù)字代表鋯石U-Pb測(cè)年中的打點(diǎn)位置和年齡值。

圖5 固陽新太古代末英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖(GY2201)(a)和石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖(GY2211)(b)鋯石U-Pb年齡諧和圖

3.2 全巖主、微量元素分析

本文樣品的主、微量元素均是在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心完成。主量元素氧化物分析是通過X射線熒光光譜分析(XRF)完成,分析儀器為ZSX Primus IV波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜儀,分析精度優(yōu)于±3%。其中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀滴定濕化學(xué)法分析完成。燒失量(LOI)則是通過將樣品放入1 000 ℃的馬弗爐中,干燥后重新稱重得到。微量元素分析通過電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)分析完成,分析儀器為X SeriesII電感耦合等離子體質(zhì)譜儀,分析精確度和準(zhǔn)確度均優(yōu)于±5%。詳細(xì)的全巖主、微量元素測(cè)試步驟參考文獻(xiàn)[32]。分析測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

本文奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖相比英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖具有較高的石英體積分?jǐn)?shù)(圖6a);在標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算后的An-Ab-Or圖解(圖6b)中,英云閃長(zhǎng)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖除1件樣品落于花崗閃長(zhǎng)巖區(qū)域,其余樣品均落于英云閃長(zhǎng)巖和奧長(zhǎng)花崗巖區(qū)域內(nèi)。

該套DTT質(zhì)巖石均顯示低鉀—中鉀鈣堿性系列巖石特征,K2O/Na2O值在0.22～0.74之間(圖6c、d)。其中,石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖具有相對(duì)較低的w(SiO2)(62.08%～62.62%)和相對(duì)較高的w(MgO)(2.08%～3.06%)與w(TFe2O3)(5.43%～6.01%),鋁飽和指數(shù)均小于1(A/CNK=0.90～0.99),不具有或具有弱的Eu負(fù)異常(Eu/Eu*=0.91～0.98),輕、重稀土元素分異較弱,其(La/Yb)N值在7.59～21.60之間(圖6e、f,7a)。

英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖相比具有中等的w(SiO2)(67.95%和69.72%)、w(MgO)(1.29%和1.13%)和w(TFe2O3)(2.66%和2.58%),鋁飽和指數(shù)為0.92和1.06,具有明顯的Eu正異常(Eu/Eu*為1.48和2.46),輕、重稀土元素發(fā)生分異((La/Yb)N為29.70和43.20)(圖6e、f,7a)。

奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖則具有較高的w(SiO2)(73.11%和77.01%)和相對(duì)低的w(MgO)(0.34%和0.14%)和w(TFe2O3)(0.63%和0.75%),鋁飽和指數(shù)均大于1(A/CNK為1.05和1.09),具有顯著的Eu正異常(Eu/Eu*為8.39和8.73),輕、重稀土元素分異明顯((La/Yb)N為128.00和140.00)(圖6e、f,7a)。

結(jié)合前人已發(fā)表的數(shù)據(jù),顯示固陽縣城北的這套DTT質(zhì)巖石,鋁飽和指數(shù)變化不大,從石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖、英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖到奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖,隨著全巖w(SiO2)的升高,分異指數(shù)升高(圖6f),輕、重稀土元素分異程度增大,重稀土元素與Nb、Ta等高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損程度增加(圖7b)。

標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[36];紅色數(shù)字代表角閃石巖混合比例。

4 討論

4.1 石英閃長(zhǎng)質(zhì)巖石成因

固陽地區(qū)的新太古代石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖具有相對(duì)低的w(SiO2),Sr/Y值(23.3～39.8)和輕、重稀土分異程度,w(MgO)和w(TFe2O3)較高,不具有或具有弱的Eu負(fù)異常,其Mg#在41～53之間(圖8)。鋯石U-Pb同位素測(cè)年顯示其具有約2.6 Ga的古老的繼承鋯石,指示了源區(qū)古老地殼物質(zhì)的存在。實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究表明,水化玄武巖部分熔融產(chǎn)生的熔體,其Mg#小于45[37-39]。而固陽地區(qū)閃長(zhǎng)質(zhì)巖石的Mg#變化范圍較大,同時(shí)具有較大的w(Cr)((5～278)×10-6)、w(Ni)((2～76)×10-6) 變化范圍,另外其鋯石εHf(t)值在-7.2～1.2之間,變化范圍大于8[16,18-19],說明其源區(qū)地幔物質(zhì)的加入。

變玄武質(zhì)及榴輝巖實(shí)驗(yàn)熔體數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[37]。

Ma等[18]認(rèn)為固陽地區(qū)(石英)閃長(zhǎng)質(zhì)巖石的w(Sr+Ba)相對(duì)較高,認(rèn)為其來自增厚下地殼的部分熔融。大量的研究表明,增厚下地殼的部分熔融產(chǎn)生的熔體是具有埃達(dá)克質(zhì)巖石地球化學(xué)特征的,即具有高的Sr/Y值和強(qiáng)烈的輕、重稀土元素分異[32,40]。固陽地區(qū)閃長(zhǎng)質(zhì)巖石并不具有明顯的上述埃達(dá)克質(zhì)巖石特征,而是顯示典型的島弧鈣堿性巖石特征(圖9)。

埃達(dá)克質(zhì)巖石和島弧鈣堿性巖石數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[41-42];圖b中紅色箭頭代表了不同源區(qū)殘留下批式熔融的趨勢(shì)[42]。

因此,本文認(rèn)為固陽地區(qū)新太古代末期的石英閃長(zhǎng)質(zhì)巖石是來自相對(duì)低壓較淺層次古老下地殼(非增厚下地殼)的部分熔融,同時(shí)存在幔源熔體的加入。

4.2 英云閃長(zhǎng)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石成因

4.2.1 高壓條件下的部分熔融?

如前文所述,對(duì)于TTG巖石的成因,普遍的認(rèn)識(shí)是來自含水變質(zhì)玄武質(zhì)巖石的部分熔融[3]。固陽地區(qū)TTG巖石主要包括英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖和奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖2種巖石類型。結(jié)合前人已發(fā)表數(shù)據(jù)[16, 18-19],可見這些巖石具有極高Sr/Y值(70.0～941.0),顯著的輕、重稀土元素分異((La/Yb)N=7.85～140.00)和Eu正異常 (Eu/Eu*=1.48～11.30)。雖然在高壓條件下(>1.5 GPa)變質(zhì)玄武巖的部分熔融可產(chǎn)生具有高Sr/Y、(La/Yb)N值的高壓TTG巖石[2],然而通過這一模式形成的TTG巖石其Sr/Y值通常是小于500的,變質(zhì)玄武巖的部分熔融也很難產(chǎn)生如固陽TTG巖石這樣極端高的Sr/Y值[11, 43-45]。另一方面,在華北克拉通西部尚未發(fā)現(xiàn)如榴輝巖、高壓麻粒巖等指示高壓條件的變質(zhì)巖,也就是說,新太古代末在華北克拉通西部是否存在高壓條件下的部分熔融也是存疑的。

對(duì)于Eu的正異常,同樣有研究認(rèn)為是指示了高壓條件下的部分熔融,熔體結(jié)晶形成富斜長(zhǎng)石的巖石,熔融殘余中則缺少斜長(zhǎng)石[46-50]。這是由于斜長(zhǎng)石屬含Ca礦物,Eu2+與Ca2+的晶體化學(xué)性質(zhì)相似,可以類質(zhì)同像的方式進(jìn)入斜長(zhǎng)石等含Ca礦物的晶格,巖石中斜長(zhǎng)石的富集可造成全巖Eu元素的正異常。雖然本研究中的TTG巖石具有較多的斜長(zhǎng)石,然而具有更多斜長(zhǎng)石的石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖(近70%,表1)則并不顯示Eu的正異常。另外,對(duì)于固陽DTT質(zhì)巖石組合來說,從石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖、英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖到奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖,隨著其Eu/Eu*值的升高,全巖w(CaO)以及標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算的鈣長(zhǎng)石摩爾百分?jǐn)?shù)則是降低的(圖10a、b)。同時(shí),由于Sr元素與Ca元素屬同一主族元素,二者具有相似的地球化學(xué)行為,一般來說,斜長(zhǎng)石的富集也會(huì)造成全巖w(Sr)的升高。然而隨著Eu/Eu*值的升高,固陽DTT質(zhì)巖石全巖w(Sr)并沒有明顯的變化(圖10c)。

圖10 固陽DTT質(zhì)巖石Eu/Eu*和w(CaO (a)、x(An) (b)、w(Sr) (c)變異圖解

因此,本文認(rèn)為固陽地區(qū)DTT質(zhì)巖石的Eu正異常并非受斜長(zhǎng)石控制,其“高壓”型巖石地球化學(xué)特征,并非是通過高壓條件下變質(zhì)玄武巖部分熔融形成的。

4.2.2 角閃石等礦物的分離結(jié)晶

固陽新太古代DTT質(zhì)巖石相似的鋯石Hf同位素組成同樣指示了其同一的巖漿源區(qū)[18]。對(duì)固陽地區(qū)DTT片麻巖組合,其Eu/Eu*值與分異指數(shù)和全巖w(SiO2)呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)(圖11a、b);其全巖w(SiO2)與w(Al2O3)、w(CaO)則呈明顯的負(fù)相關(guān)(圖8c、d),隨著w(SiO2)的升高,全巖稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,(La/Yb)N值升高(圖11c、d)。同時(shí),通過其Eu/Eu*值與全巖w(CaO)、w(Sr)及標(biāo)準(zhǔn)礦物計(jì)算的x(An)的變化關(guān)系來看,結(jié)合其連續(xù)的輕、重稀土元素分異變化(圖7,10),固陽地區(qū)的英云閃長(zhǎng)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石更可能是通過閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿的分異形成的。

a. Eu/Eu*-ID圖解;b. Eu/Eu*-w(SiO2)圖解;c. w(ΣREE)-w(SiO2)圖解;d. (La/Yb)N-w(SiO2)圖解;e. Dy/Dy*- w(SiO2)圖解;f. Dy/Dy*-Dy/Yb圖解;g. w(Y)-w(SiO2)圖解;h. w(Y)-ID圖解。

研究表明,角閃石等富重稀土礦物的分離結(jié)晶同樣可形成具有高Sr/Y、(La/Yb)N值的巖石[7,11,51]。對(duì)于角閃石來說,相比重稀土元素,角閃石是更富集中稀土元素,角閃石的分離結(jié)晶可造成中、重稀土元素的分異,通過角閃石分離結(jié)晶形成的巖石具有上凹的稀土元素配分模式曲線。固陽地區(qū)新太古代末的奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石和部分英云閃長(zhǎng)質(zhì)巖石則顯示這種上凹的稀土元素配分模式(圖7a)。

固陽地區(qū)的新太古代英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石具有顯著的Eu正異常。角閃石中的Eu元素可以Eu2+或Eu3+的形式存在,其中Eu2+相比Eu3+更不相容,因此變價(jià)的Eu元素相比Sm、Nd等三價(jià)稀土元素在角閃石中是相對(duì)虧損的[53],巖漿演化過程中,角閃石等礦物的分離結(jié)晶可造成殘余熔體的Eu正異常。對(duì)于固陽地區(qū)新太古代末DTT片麻巖組合,隨著Dy/Dy*值的降低,Eu/Eu*值升高,與此同時(shí)全巖Sr/Y、(La/Yb)N值也顯著升高(圖12),這同樣反映了角閃石的分離結(jié)晶作用過程。

藍(lán)色、綠色和紅色小球分別代表(石英)閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖、英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖和奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖數(shù)據(jù)點(diǎn),其中淺藍(lán)色小球?yàn)槲墨I(xiàn)[18]數(shù)據(jù),淺綠色小球?yàn)槲墨I(xiàn)[16]數(shù)據(jù),淺紅色小球?yàn)槲墨I(xiàn)[16, 19]數(shù)據(jù)。

在固陽地區(qū)新太古代DTT質(zhì)巖石中均存在有角閃石巖包體(圖2d),其主要由角閃石組成,含有少量的斜長(zhǎng)石。在中下地殼巖石發(fā)生部分熔融的過程中,角閃石是很難保留下來的,一般會(huì)快速地消失,并產(chǎn)生與不含角閃石的麻粒巖相巖石組合平衡的熔體[54]。因此,這些角閃石巖包體更可能是代表了巖漿分異過程中角閃石的堆晶。這些角閃石巖包體富集稀土元素(w(ΣREE)=(237～984)×10-6),具有明顯的Eu負(fù)異常[17](Eu/Eu*值為0.22～0.51)。我們對(duì)固陽地區(qū)的奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖(GY2217)和角閃石巖包體(08XM32)[17]做了稀土元素的混合模擬計(jì)算,結(jié)果顯示通過20%～30%的角閃石巖與奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖混合,可較完好地復(fù)現(xiàn)出固陽地區(qū)新太古代末(石英)閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖的稀土元素配分曲線(圖7a)。因此,我們可以認(rèn)為固陽地區(qū)奧長(zhǎng)花崗質(zhì)-英云閃長(zhǎng)質(zhì)巖石的形成是受角閃石分離結(jié)晶過程控制的,分離結(jié)晶程度為20%～30%。

另外,榍石(Sph)也是巖漿演化過程中一種重要的副礦物,是鈦和鈣的硅酸鹽礦物[CaTi(SiO4)O],富集Y及重稀土元素。固陽DTT片麻巖組合的全巖w(SiO2)與w(CaO)、w(TiO2)、w(ΣREE) 均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖8d、e,11c),而且全巖w(Y)與w(SiO2)和分異指數(shù)亦存在明顯的負(fù)相關(guān)(圖11g、h),這些特征指示了榍石等副礦物在分離結(jié)晶過程中的存在。

綜合以上分析,本研究認(rèn)為固陽地區(qū)新太古代末期英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石,是以(石英)閃長(zhǎng)質(zhì)巖石成分為代表的閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿通過角閃石、榍石等礦物的分離結(jié)晶形成的。

5 熱力學(xué)和微量元素模擬

5.1 熱力學(xué)模擬

在巖漿演化過程中,角閃石的分離結(jié)晶通常都伴隨著斜長(zhǎng)石[43]。一般來說,在巖漿體系發(fā)生角閃石20%～30%分離結(jié)晶時(shí),同時(shí)不受斜長(zhǎng)石的控制,這是很少見的。然而,在含水條件下巖漿體系則會(huì)結(jié)晶出大量的角閃石,斜長(zhǎng)石的結(jié)晶則會(huì)受到抑制[55]。為了更好地約束固陽地區(qū)新太古代末英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石形成的巖漿作用過程,我們選取1件石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖樣品(GY2208)對(duì)其進(jìn)行了定量的熱力學(xué)模擬計(jì)算,旨在揭示閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿分異過程中體系礦物、物理、化學(xué)條件的變化。

熱力學(xué)模擬利用Perple_X/ver7.1.0程序[20],在Na2O-MgO-Al2O3-SiO2-K2O-CaO-TiO2-MnO-FeO-O2-H2O體系下完成。由于在全巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)中已分別給出了FeO和Fe2O3的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),在模擬過程中則無需再對(duì)體系O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行估計(jì),可根據(jù)樣品全巖FeO和Fe2O3的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接換算出模擬體系中FeO和O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

在巖漿演化過程中,體系的礦物組成主要受溫度(T)控制,體系壓力的變化并不會(huì)明顯改變體系的礦物組成[56]。因此,本研究?jī)H設(shè)定體系壓力(p)為12×108Pa,在T-w(H2O) 視剖面圖中對(duì)體系水質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行估計(jì)(圖13a)。在圖13a中可見,在體系水質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.3%時(shí),固相線之下水飽和;在體系水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3.8%時(shí),隨著體系溫度的降低,熔體中首先結(jié)晶出斜長(zhǎng)石;而在體系水質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3.8%時(shí),體系溫度降低則首先結(jié)晶出角閃石,斜長(zhǎng)石的結(jié)晶受到抑制(圖13a)?？紤]到固陽地區(qū)TTG巖石形成過程中發(fā)生了20%～30%角閃石的分離結(jié)晶,同時(shí)并不受斜長(zhǎng)石的控制,本研究設(shè)定其閃長(zhǎng)質(zhì)母巖漿體系水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.4%(圖13a)。

圖13 固陽地區(qū)(石英)閃長(zhǎng)質(zhì)巖石(GY2208)T-w(H2O) (a) 和p-T (b) 視剖面圖

在體系水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.4%條件下的p-T視剖面圖(圖13b)中,可見各礦物相出現(xiàn)的曲線均為近垂直的,同樣說明了溫度是控制體系礦物組成的主要條件,而非壓力。通過熱力學(xué)模擬,可以得到在不同溫度、壓力條件下體系內(nèi)的物相組成和含量。圖14比較清楚地反映了體系中不同溫度、壓力條件下,熔體以及角閃石、斜長(zhǎng)石和石英等礦物相相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化,在p-T平面上則為熔體及各礦物相質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲面的投影。我們可以清晰地看到,在絕大多數(shù)壓力條件下,固相線之下水飽和(圖13b);在12×108Pa條件下,隨著體系溫度的降低,首先結(jié)晶出角閃石,溫度降低至約970 ℃時(shí),體系中開始出現(xiàn)斜長(zhǎng)石,隨著溫度的繼續(xù)降低則開始出現(xiàn)石英等礦物(圖13b,14)。

圖14 固陽地區(qū)(石英)閃長(zhǎng)質(zhì)巖石(GY2208)模擬熔體(a)及角閃石(b)、斜長(zhǎng)石(c)和石英(d)等礦物相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的三維曲面圖

該模擬結(jié)果表明,閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿在相對(duì)低壓含水條件下,首先結(jié)晶出大量角閃石,斜長(zhǎng)石的結(jié)晶受到抑制。在這樣的結(jié)晶條件下,巖漿體系可發(fā)生以角閃石為主的分離結(jié)晶,不存在或存在極少的斜長(zhǎng)石分離結(jié)晶。為進(jìn)一步揭示巖漿體系隨溫度降低體系礦物組成的變化,我們利用rhyolite-MELTS程序[21],進(jìn)一步模擬了由石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖樣品(GY2208)成分代表的閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿體系在12×108Pa條件的一維路徑下,隨溫度的降低體系礦物組成的變化。同樣地,由于在全巖地球化學(xué)組成中已給出了樣品的全巖FeO和Fe2O3的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù),我們無需再在程序中設(shè)定體系的初始氧逸度,僅設(shè)定體系壓力為12×108Pa,初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.4%。

我們?cè)趓hyolite-METLS程序中分別模擬了平衡分離結(jié)晶和多階段分離結(jié)晶2種巖漿作用過程中體系礦物相組成的變化(圖15a、b,表4)。其中,平衡分離結(jié)晶是指當(dāng)?shù)V物從熔體中結(jié)晶時(shí),礦物晶體與熔體自始至終保持化學(xué)平衡,產(chǎn)生的礦物晶體化學(xué)成分均一且沒有分帶性;多階段分離結(jié)晶是指一旦有少量礦物結(jié)晶,其立即脫離熔體,不再與熔體平衡,在礦物結(jié)晶過程中體系內(nèi)的礦物相組成也在不斷地變化。模擬結(jié)果顯示,平衡分離結(jié)晶和多階段分離結(jié)晶這2種結(jié)晶過程產(chǎn)生的固相礦物種類和比例整體上基本一致,在斜長(zhǎng)石出現(xiàn)之前,體系主要結(jié)晶礦物相為角閃石,溫度與結(jié)晶度(體系中固相礦物所占質(zhì)量分?jǐn)?shù))相關(guān)曲線斜率較小,巖漿體系結(jié)晶速率較緩,更有利于角閃石的分離結(jié)晶;隨著溫度的降低斜長(zhǎng)石等礦物開始結(jié)晶,溫度與結(jié)晶度相關(guān)曲線斜率突變,結(jié)晶速率顯著升高(圖15a、b)。

表4 研究區(qū)閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿(GY2208)在不同結(jié)晶過程中結(jié)晶礦物相組成的變化

a和b中藍(lán)色與紅色曲線分別代表平衡分離結(jié)晶與多階段分離結(jié)晶過程中體系溫度隨體系結(jié)晶度的變化;c中的虛線與實(shí)線分別代表平衡分離結(jié)晶和多階段分離結(jié)晶過程中各元素晶體-熔體總分配系數(shù)(D)隨體系結(jié)晶度的變化。Sph.榍石;Ms.白云母。

然而這2種結(jié)晶過程在細(xì)節(jié)上依然存在差別。平衡分離結(jié)晶過程中結(jié)晶度接近19%時(shí),體系中開始出現(xiàn)少量的斜長(zhǎng)石和榍石;而在多階段分離結(jié)晶過程中,結(jié)晶度在16%時(shí),即開始出現(xiàn)相對(duì)較多的斜長(zhǎng)石,同時(shí)伴隨有榍石的結(jié)晶。

5.2 微量元素定量模擬

(1)

本研究計(jì)算了該閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿體系在上述2種結(jié)晶過程中Sr、Y、La、Sm、Eu、Gd和Yb等7種元素的晶體-熔體總分配系數(shù)(圖15c),其中不同礦物相對(duì)各元素的礦物-熔體分配系數(shù)參考文獻(xiàn)[32,57-59]。計(jì)算結(jié)果顯示:隨著斜長(zhǎng)石和富重稀土元素的榍石等礦物的出現(xiàn),體系中Eu、Yb、Y等稀土元素的總分配系數(shù)顯著升高;隨著結(jié)晶程度的增加各元素的總分配系數(shù)緩慢降低;對(duì)比平衡分離結(jié)晶,在多階段分離結(jié)晶過程中,在結(jié)晶度較低時(shí)即出現(xiàn)各元素總分配系數(shù)的顯著升高(圖15c)。

(2)

據(jù)此,本研究以1件石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖樣品(GY2208)代表初始閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿的組成,模擬計(jì)算了上述7種微量元素在經(jīng)歷不同程度的分離結(jié)晶后,其在殘余熔體中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及相關(guān)的地球化學(xué)比值和參數(shù),如Sr/Y、(La/Yb)N、Eu/Eu*值等(圖16),不同分離結(jié)晶程度下分離礦物相的組成和質(zhì)量分?jǐn)?shù)參考表4。模擬結(jié)果顯示,閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿通過平衡分離結(jié)晶過程,即使分離結(jié)晶程度達(dá)到極端的70%時(shí),也無法如固陽新太古代末英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石一樣顯示較高Sr/Y值和輕、重稀土元素分異程度(圖16a、b),以及顯著的Eu正異常(圖16c)。因此,本研究認(rèn)為固陽地區(qū)的英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石并非是閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿通過平衡分離結(jié)晶這一理想化的結(jié)晶過程形成的。

圖中數(shù)字代表分離結(jié)晶程度。

(3)

對(duì)第二階段,

(4)

那么對(duì)第n階段(n>1),

(5)

式中:Fn為第n階段相對(duì)體系初始熔體的結(jié)晶程度,并非是指第n階段相對(duì)第n-1階段殘余熔體的結(jié)晶程度;Fα代表第α階段相對(duì)體系初始熔體的結(jié)晶程度,α=1～(n-1)。

模擬計(jì)算的結(jié)果表明,在多階段分離結(jié)晶過程中,閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿在經(jīng)歷20%～30%礦物相分離結(jié)晶作用后,可形成具有較高Sr/Y、(La/Yb)N、Eu/Eu*值的殘余熔體(圖16d、e、f)。其中:分離結(jié)晶程度小于15%時(shí),分離礦物相均為角閃石;達(dá)到20%左右時(shí),分離礦物相組成和比例為75%Amp+15%Pl+2%Sph;分離結(jié)晶程度達(dá)到30%時(shí),分離礦物相組成和比例則為59%Amp+20%Pl+2%Sph。詳細(xì)的各階段分離礦物相的組成和比例見表4。

基于上述對(duì)固陽地區(qū)新太古代末DTT質(zhì)巖石組合的元素地球化學(xué)分析和相關(guān)模擬計(jì)算,本研究認(rèn)為固陽地區(qū)的英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石,是在含水且相對(duì)低壓條件下,閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿經(jīng)過多階段分離結(jié)晶后形成,主要的分離結(jié)晶礦物相為角閃石,同時(shí)伴有少量斜長(zhǎng)石和榍石的分離結(jié)晶。高的全巖Sr/Y、(La/Yb)N、Eu/Eu*值等并非是指示高壓源區(qū)的充分條件。

6 地球動(dòng)力學(xué)及構(gòu)造意義

對(duì)于TTG巖石,一般是認(rèn)為其來自含水變質(zhì)玄武質(zhì)巖石的部分熔融[3]。本研究則給出了形成TTG巖石的另一種成因模式,即閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿發(fā)生角閃石為主要礦物相的分離結(jié)晶。與此同時(shí),實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究結(jié)果也同樣證實(shí)了,含水熔體在經(jīng)歷角閃石伴隨少量斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶后可形成具有TTG地球化學(xué)性質(zhì)的熔體[10, 60]。巴基斯坦北部Kohistan島弧地區(qū)的TTG巖石,也同樣被認(rèn)為可形成于含水條件下原始島弧巖漿的分異[8]。前人通過對(duì)華北克拉通東部冀東地區(qū)TTG巖石的元素地球化學(xué)和Fe同位素地球化學(xué)研究,也同樣揭示了閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿在相對(duì)低壓條件下分異形成TTG巖石的可能性[11-12]。然而對(duì)于TTG巖石形成的背景一直以來也是存在著爭(zhēng)議,主要有兩種觀點(diǎn):一是認(rèn)為其形成于地幔柱活動(dòng)背景[61-63];另一觀點(diǎn)則認(rèn)為其形成于俯沖帶島弧背景[16,45, 64-65]。一般來說,地幔柱活動(dòng)是很少有水參與的[66]。然而對(duì)于TTG巖石的形成,無論水化變質(zhì)玄武巖的部分熔融[3],還是本研究中閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿的分異都需要水的參與。因此,本研究認(rèn)為固陽地區(qū)的DTT質(zhì)巖石組合并非形成于地幔柱活動(dòng)背景。

前人[26]對(duì)固陽地區(qū)東五分子同時(shí)代綠巖組合中的角閃石巖進(jìn)行了元素地球化學(xué)和Os同位素研究,不同于本研究中DTT質(zhì)巖石組合中的包體,其認(rèn)為東五分子角閃石巖來自受俯沖板片熔體/流體交代地幔的部分熔融,揭示了固陽地區(qū)新太古代末—古元古代的俯沖背景。前人[22]對(duì)固陽地區(qū)同時(shí)代紫蘇花崗巖的研究結(jié)果也同樣揭示了這一俯沖背景。另外,根據(jù)前人[67-70]對(duì)華北克拉通中北部區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及研究成果,在新太古代末期,華北克拉通的中北部,包括固陽地區(qū),也是處于俯沖背景的。

考慮到固陽地區(qū)閃長(zhǎng)質(zhì)巖石具有島弧巖石的地球化學(xué)屬性(圖9),而閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿分異形成TTG巖石也需要有水的參與,因此本研究更傾向于認(rèn)為固陽地區(qū)的DTT質(zhì)巖石形成于俯沖帶島弧環(huán)境。

根據(jù)固陽英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石顯示的高Sr/Y、Eu/Eu*值等特征,部分學(xué)者認(rèn)為其形成于板片深俯沖的高壓條件[16]。然而本研究表明,其形成于相對(duì)低壓條件下閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿的分異?；诖?在排除了固陽英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石形成于高壓條件后,本研究認(rèn)為產(chǎn)生固陽DTT質(zhì)巖石組合的一個(gè)可能的地球動(dòng)力學(xué)過程為:在俯沖帶島弧背景下,來自俯沖板片的熔體/流體在俯沖通道交代了上覆地幔并使其發(fā)生部分熔融;幔源熔體侵入或底墊于下地殼,使古老下地殼發(fā)生部分熔融;殼源熔體混入少量地幔物質(zhì)后形成的閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿即為固陽英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石的母巖漿;該閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿在含水且相對(duì)低壓的條件下發(fā)生以角閃石為主要礦物相的多階段分離結(jié)晶,形成固陽英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)巖石。

7 結(jié)論

1)固陽地區(qū)新太古代末期(石英)閃長(zhǎng)質(zhì)-英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖形成于約2.5 Ga,石英閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖和英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖分別具有(2 504±11)和(2 514±7)Ma的鋯石U-Pb年齡。

2)固陽地區(qū)新太古代末期(石英)閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖具有相對(duì)較低的w(SiO2)和Sr/Y值,不具有或具有弱的Eu負(fù)異常,輕、重稀土元素分異程度較低,來自俯沖帶島弧環(huán)境下古老地殼的部分熔融。

3)固陽地區(qū)新太古代末期英云閃長(zhǎng)質(zhì)-奧長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖具有相對(duì)較高的w(SiO2)和Sr/Y值,具有顯著的Eu正異常,輕、重稀土元素分異明顯,來自同時(shí)代閃長(zhǎng)質(zhì)巖漿在含水且相對(duì)低壓條件下以角閃石為主要礦物相的多階段分離結(jié)晶。

4)高的全巖Sr/Y、(La/Yb)N、Eu/Eu*值等并非是指示其具有相對(duì)高壓源區(qū)的充分條件。