內蒙古固陽地區角閃石等礦物分離結晶形成的新太古代TTG片麻巖
——來自元素地球化學和熱力學模擬的證據

佟 鑫,施建榮,王惠初,張家輝,任云偉

1.中國地質調查局天津地質調查中心(華北地質科技創新中心),天津 300170

2.中國地質科學院地質研究所,北京 100037

0 引言

TTG巖石組合(英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖)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TTG巖石成因的約束是深入理解地球早期大陸地殼生長和演化的關鍵。

對于TTG巖石的成因,目前一個普遍的認識是來自含水變質玄武質巖石的部分熔融[3]。其全巖稀土元素(REE)組成和Sr/Y值等的差異則被認為是反映了不同的源區深度(熔融壓力)和熔融殘余,并可據此將TTG巖石進一步劃分為高壓、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)質量分數,高Sr/Y值的特征,其源區發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,不存在斜長石;低壓型TTG巖石,具有較高的HREE質量分數,以及低的Sr/Y值,其源區殘余體中斜長石穩定存在,石榴子石體積分數較小,不存在金紅石,相當于角閃巖相巖石;中壓型TTG巖石,其化學成分介于二者之間,其源區殘余體相當于含石榴子石的角閃巖相巖石,貧斜長石,石榴子石體積分數較大。

同時也有研究表明,鎂鐵質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/閃長質熔體通過以角閃石為主的礦物分離結晶形成,增厚的巖石圈及石榴子石穩定條件(源區石榴子石的殘留)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]。

內蒙古固陽地區位于華北克拉通西部,是華北克拉通西部前寒武紀基底出露較完整的地區[13-14],區域內發育大量的新太古代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數據的報道[15-19]。對于固陽地區DTTG片麻巖組合的成因,前人根據其全巖主、微量元素,Nd同位素組成和鋯石Hf同位素組成,認為其中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,閃長質巖石(D)則來自下地殼的部分熔融并有幔源熔體的參與[16,18]。然而前人的這些結論均是根據實驗測試數據本身以及幾個構造-成因判別圖投圖獲得的,缺少對這些巖石地球化學數據深入的分析和模擬。

基于此,本研究以內蒙古固陽地區新太古代英云閃長質-奧長花崗質(TT)片麻巖為主要研究對象,結合區域內的(石英)閃長質(D)巖石,對其進行了系統的巖石學、鋯石U-Pb年代學研究以及全巖元素地球化學分析。同時利用Perple_X和rhyolite-MELTS程序[20-21],對這些巖石開展了熱力學模擬研究,以限定巖漿體系的礦物、化學組成以及物理條件。結合前人數據,重新約束了固陽地區新太古代TTG巖石的形成過程,為進一步約束華北克拉通西部新太古代地球動力學背景和地球早期大陸地殼的生長與演化提供了新的依據。

1 區域地質背景與樣品采集

內蒙古固陽地區位于華北克拉通西部(圖1a),出露的新太古代變質基底包括綠巖組合、麻粒巖相變質巖-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個巖組,分別為:底部的鎂鐵質變質火山巖,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造;互層的變質鎂鐵質和長英質火山巖,在這一巖組中,已識別出了富Nb玄武巖和高Mg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鎂鐵質巖石被認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]。

麻粒巖相變質巖-紫蘇花崗巖巖石組合包括了一系列鎂鐵質-長英質變質巖,是一套經歷了高級變質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,以穹窿構造形式產出[13]。其原巖被認為是形成于活動大陸邊緣的一系列基性—酸性火山巖[27]。其中,紫蘇花崗巖被認為其原巖來自下地殼角閃巖的部分熔融,同時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片麻巖幾乎都經歷了綠片巖相變質作用,并發生了變形,其原巖組合包括閃長巖、石英閃長巖、英云閃長巖、奧長花崗巖和花崗閃長巖等巖石類型,其中同時存在定向排列的角閃石巖和斜長角閃巖等巖石包體[13,16]。其原巖組合中的閃長巖、石英閃長巖等被認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DTTG片麻巖主要分布于固陽縣城北部的仁太和、合教、圐圙點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件英云閃長質片麻巖(TTG片麻巖)、2件奧長花崗質片麻巖(TTG片麻巖)和3件石英閃長質片麻巖,分別采集自固陽縣城北部的合教和仁太和地區(圖1b)。

2 巖石學特征

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 研究區采樣位置及礦物組合

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

a. 英云閃長質片麻巖;b. 奧長花崗質片麻巖;c、d. 石英閃長質片麻巖。

英云閃長質片麻巖主要組成礦物為斜長石和石英。斜長石多數發生絹云母化,偶見堿性長石;暗色礦物為透閃石和綠簾石等,同時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)。

奧長花崗質片麻巖主要礦物組成同樣為石英和絹云母化的斜長石(圖3d、e、f);暗色礦物相比英云閃長質片麻巖體積分數較少,主要由細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)。

石英閃長質片麻巖主要組成礦物為斜長石和角閃石,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);部分角閃石轉變為黑云母,可見具有角閃石假象的黑云母集合體;同時可見綠簾石和斜黝簾石等變質礦物,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,可見其靛藍色異常干涉色(圖3h)。

3 分析測試方法和結果

3.1 鋯石U-Pb測年

本文分別對1件英云閃長質片麻巖(GY2201)和1件石英閃長質片麻巖(GY2211)樣品進行了鋯石U-Pb測年。鋯石顆粒的挑選在廊坊市宇能巖石礦物分選技術服務有限公司完成,鋯石制靶和反射光、透射光、陰極發光(CL)的拍照在北京中科礦研檢測技術有限公司完成。鋯石詳細制靶過程參考文獻[28]。制靶后,對鋯石顆粒進行反射光、透射光和陰極發光的拍照,陰極發光拍照是利用TESCAN MIRA3場發射掃描電子顯微鏡完成,掃描電壓為7 kV。

鋯石U-Pb測年分析在中國地質調查局天津地質調查中心利用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀(LA-ICP-MA)完成。激光剝蝕系統和等離子質譜系統詳細的操作條件與數據處理方法參考文獻[29]。對鋯石分析數據的處理利用ICPMSDataCal程序完成[29],對鋯石數據的計算和作圖則通過Isoplot/Ex_ver4.15程序完成[30]。鋯石測試數據見表2。

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

圖中圓圈和數字代表鋯石U-Pb測年中的打點位置和年齡值。

圖5 固陽新太古代末英云閃長質片麻巖(GY2201)(a)和石英閃長質片麻巖(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地質調查局天津地質調查中心完成。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波長色散X射線熒光光譜儀,分析精度優于±3%。其中FeO質量分數采用重鉻酸鉀滴定濕化學法分析完成。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譜(ICP-MS)分析完成,分析儀器為X SeriesII電感耦合等離子體質譜儀,分析精確度和準確度均優于±5%。詳細的全巖主、微量元素測試步驟參考文獻[32]。分析測試數據見表3。

本文奧長花崗質片麻巖相比英云閃長質片麻巖具有較高的石英體積分數(圖6a);在標準礦物計算后的An-Ab-Or圖解(圖6b)中,英云閃長-奧長花崗質片麻巖除1件樣品落于花崗閃長巖區域,其余樣品均落于英云閃長巖和奧長花崗巖區域內。

該套DTT質巖石均顯示低鉀—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,石英閃長質片麻巖具有相對較低的w(SiO2)(62.08%～62.62%)和相對較高的w(MgO)(2.08%～3.06%)與w(TFe2O3)(5.43%～6.01%),鋁飽和指數均小于1(A/CNK=0.90～0.99),不具有或具有弱的Eu負異常(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)。

英云閃長質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、重稀土元素發生分異((La/Yb)N為29.70和43.20)(圖6e、f,7a)。

奧長花崗質片麻巖則具有較高的w(SiO2)(73.11%和77.01%)和相對低的w(MgO)(0.34%和0.14%)和w(TFe2O3)(0.63%和0.75%),鋁飽和指數均大于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)。

結合前人已發表的數據,顯示固陽縣城北的這套DTT質巖石,鋁飽和指數變化不大,從石英閃長質片麻巖、英云閃長質片麻巖到奧長花崗質片麻巖,隨著全巖w(SiO2)的升高,分異指數升高(圖6f),輕、重稀土元素分異程度增大,重稀土元素與Nb、Ta等高場強元素虧損程度增加(圖7b)。

標準化數據來自文獻[36];紅色數字代表角閃石巖混合比例。

4 討論

4.1 石英閃長質巖石成因

固陽地區的新太古代石英閃長質片麻巖具有相對低的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負異常,其Mg#在41～53之間(圖8)。鋯石U-Pb同位素測年顯示其具有約2.6 Ga的古老的繼承鋯石,指示了源區古老地殼物質的存在。實驗巖石學研究表明,水化玄武巖部分熔融產生的熔體,其Mg#小于45[37-39]。而固陽地區閃長質巖石的Mg#變化范圍較大,同時具有較大的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],說明其源區地幔物質的加入。

變玄武質及榴輝巖實驗熔體數據參考文獻[37]。

Ma等[18]認為固陽地區(石英)閃長質巖石的w(Sr+Ba)相對較高,認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生的熔體是具有埃達克質巖石地球化學特征的,即具有高的Sr/Y值和強烈的輕、重稀土元素分異[32,40]。固陽地區閃長質巖石并不具有明顯的上述埃達克質巖石特征,而是顯示典型的島弧鈣堿性巖石特征(圖9)。

埃達克質巖石和島弧鈣堿性巖石數據來自文獻[41-42];圖b中紅色箭頭代表了不同源區殘留下批式熔融的趨勢[42]。

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

4.2 英云閃長-奧長花崗質巖石成因

4.2.1 高壓條件下的部分熔融?

如前文所述,對于TTG巖石的成因,普遍的認識是來自含水變質玄武質巖石的部分熔融[3]。固陽地區TTG巖石主要包括英云閃長質片麻巖和奧長花崗質片麻巖2種巖石類型。結合前人已發表數據[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)變質玄武巖的部分熔融可產生具有高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,變質玄武巖的部分熔融也很難產生如固陽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現如榴輝巖、高壓麻粒巖等指示高壓條件的變質巖,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。

對于Eu的正異常,同樣有研究認為是指示了高壓條件下的部分熔融,熔體結晶形成富斜長石的巖石,熔融殘余中則缺少斜長石[46-50]。這是由于斜長石屬含Ca礦物,Eu2+與Ca2+的晶體化學性質相似,可以類質同像的方式進入斜長石等含Ca礦物的晶格,巖石中斜長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石,然而具有更多斜長石的石英閃長質片麻巖(近70%,表1)則并不顯示Eu的正異常。另外,對于固陽DTT質巖石組合來說,從石英閃長質片麻巖、英云閃長質片麻巖到奧長花崗質片麻巖,隨著其Eu/Eu*值的升高,全巖w(CaO)以及標準礦物計算的鈣長石摩爾百分數則是降低的(圖10a、b)。同時,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行為,一般來說,斜長石的富集也會造成全巖w(Sr)的升高。然而隨著Eu/Eu*值的升高,固陽DTT質巖石全巖w(Sr)并沒有明顯的變化(圖10c)。

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

因此,本文認為固陽地區DTT質巖石的Eu正異常并非受斜長石控制,其“高壓”型巖石地球化學特征,并非是通過高壓條件下變質玄武巖部分熔融形成的。

4.2.2 角閃石等礦物的分離結晶

固陽新太古代DTT質巖石相似的鋯石Hf同位素組成同樣指示了其同一的巖漿源區[18]。對固陽地區DTT片麻巖組合,其Eu/Eu*值與分異指數和全巖w(SiO2)呈現明顯的正相關(圖11a、b);其全巖w(SiO2)與w(Al2O3)、w(CaO)則呈明顯的負相關(圖8c、d),隨著w(SiO2)的升高,全巖稀土元素質量分數降低,(La/Yb)N值升高(圖11c、d)。同時,通過其Eu/Eu*值與全巖w(CaO)、w(Sr)及標準礦物計算的x(An)的變化關系來看,結合其連續的輕、重稀土元素分異變化(圖7,10),固陽地區的英云閃長-奧長花崗質巖石更可能是通過閃長質巖漿的分異形成的。

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

固陽地區的新太古代英云閃長質-奧長花崗質巖石具有顯著的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,因此變價的Eu元素相比Sm、Nd等三價稀土元素在角閃石中是相對虧損的[53],巖漿演化過程中,角閃石等礦物的分離結晶可造成殘余熔體的Eu正異常。對于固陽地區新太古代末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晶作用過程。

藍色、綠色和紅色小球分別代表(石英)閃長質片麻巖、英云閃長質片麻巖和奧長花崗質片麻巖數據點,其中淺藍色小球為文獻[18]數據,淺綠色小球為文獻[16]數據,淺紅色小球為文獻[16, 19]數據。

在固陽地區新太古代DTT質巖石中均存在有角閃石巖包體(圖2d),其主要由角閃石組成,含有少量的斜長石。在中下地殼巖石發生部分熔融的過程中,角閃石是很難保留下來的,一般會快速地消失,并產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負異常[17](Eu/Eu*值為0.22～0.51)。我們對固陽地區的奧長花崗質片麻巖(GY2217)和角閃石巖包體(08XM32)[17]做了稀土元素的混合模擬計算,結果顯示通過20%～30%的角閃石巖與奧長花崗質片麻巖混合,可較完好地復現出固陽地區新太古代末(石英)閃長質片麻巖的稀土元素配分曲線(圖7a)。因此,我們可以認為固陽地區奧長花崗質-英云閃長質巖石的形成是受角閃石分離結晶過程控制的,分離結晶程度為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) 均呈現負相關關系(圖8d、e,11c),而且全巖w(Y)與w(SiO2)和分異指數亦存在明顯的負相關(圖11g、h),這些特征指示了榍石等副礦物在分離結晶過程中的存在。

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

5 熱力學和微量元素模擬

5.1 熱力學模擬

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

熱力學模擬利用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數據中已分別給出了FeO和Fe2O3的相對質量分數,在模擬過程中則無需再對體系O2質量分數進行估計,可根據樣品全巖FeO和Fe2O3的相對質量分數直接換算出模擬體系中FeO和O2的質量分數。

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明顯改變體系的礦物組成[56]。因此,本研究僅設定體系壓力(p)為12×108Pa,在T-w(H2O) 視剖面圖中對體系水質量分數進行估計(圖13a)。在圖13a中可見,在體系水質量分數大于1.3%時,固相線之下水飽和;在體系水質量分數小于3.8%時,隨著體系溫度的降低,熔體中首先結晶出斜長石;而在體系水質量分數大于3.8%時,體系溫度降低則首先結晶出角閃石,斜長石的結晶受到抑制(圖13a)。考慮到固陽地區TTG巖石形成過程中發生了20%～30%角閃石的分離結晶,同時并不受斜長石的控制,本研究設定其閃長質母巖漿體系水質量分數為6.4%(圖13a)。

圖13 固陽地區(石英)閃長質巖石(GY2208)T-w(H2O) (a) 和p-T (b) 視剖面圖

在體系水質量分數為6.4%條件下的p-T視剖面圖(圖13b)中,可見各礦物相出現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。通過熱力學模擬,可以得到在不同溫度、壓力條件下體系內的物相組成和含量。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、斜長石和石英等礦物相相對質量分數的變化,在p-T平面上則為熔體及各礦物相質量分數曲面的投影。我們可以清晰地看到,在絕大多數壓力條件下,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,首先結晶出角閃石,溫度降低至約970 ℃時,體系中開始出現斜長石,隨著溫度的繼續降低則開始出現石英等礦物(圖13b,14)。

圖14 固陽地區(石英)閃長質巖石(GY2208)模擬熔體(a)及角閃石(b)、斜長石(c)和石英(d)等礦物相對質量分數變化的三維曲面圖

該模擬結果表明,閃長質巖漿在相對低壓含水條件下,首先結晶出大量角閃石,斜長石的結晶受到抑制。在這樣的結晶條件下,巖漿體系可發生以角閃石為主的分離結晶,不存在或存在極少的斜長石分離結晶。為進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],進一步模擬了由石英閃長質片麻巖樣品(GY2208)成分代表的閃長質巖漿體系在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組成中已給出了樣品的全巖FeO和Fe2O3的相對質量分數,我們無需再在程序中設定體系的初始氧逸度,僅設定體系壓力為12×108Pa,初始水質量分數為6.4%。

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

表4 研究區閃長質巖漿(GY2208)在不同結晶過程中結晶礦物相組成的變化

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

然而這2種結晶過程在細節上依然存在差別。平衡分離結晶過程中結晶度接近19%時,體系中開始出現少量的斜長石和榍石;而在多階段分離結晶過程中,結晶度在16%時,即開始出現相對較多的斜長石,同時伴隨有榍石的結晶。

5.2 微量元素定量模擬

(1)

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

(2)

據此,本研究以1件石英閃長質片麻巖樣品(GY2208)代表初始閃長質巖漿的組成,模擬計算了上述7種微量元素在經歷不同程度的分離結晶后,其在殘余熔體中的質量分數及相關的地球化學比值和參數,如Sr/Y、(La/Yb)N、Eu/Eu*值等(圖16),不同分離結晶程度下分離礦物相的組成和質量分數參考表4。模擬結果顯示,閃長質巖漿通過平衡分離結晶過程,即使分離結晶程度達到極端的70%時,也無法如固陽新太古代末英云閃長質-奧長花崗質巖石一樣顯示較高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,本研究認為固陽地區的英云閃長質-奧長花崗質巖石并非是閃長質巖漿通過平衡分離結晶這一理想化的結晶過程形成的。

圖中數字代表分離結晶程度。

(3)

對第二階段,

(4)

那么對第n階段(n>1),

(5)

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

模擬計算的結果表明,在多階段分離結晶過程中,閃長質巖漿在經歷20%～30%礦物相分離結晶作用后,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:分離結晶程度小于15%時,分離礦物相均為角閃石;達到20%左右時,分離礦物相組成和比例為75%Amp+15%Pl+2%Sph;分離結晶程度達到30%時,分離礦物相組成和比例則為59%Amp+20%Pl+2%Sph。詳細的各階段分離礦物相的組成和比例見表4。

基于上述對固陽地區新太古代末DTT質巖石組合的元素地球化學分析和相關模擬計算,本研究認為固陽地區的英云閃長質-奧長花崗質巖石,是在含水且相對低壓條件下,閃長質巖漿經過多階段分離結晶后形成,主要的分離結晶礦物相為角閃石,同時伴有少量斜長石和榍石的分離結晶。高的全巖Sr/Y、(La/Yb)N、Eu/Eu*值等并非是指示高壓源區的充分條件。

6 地球動力學及構造意義

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

前人[26]對固陽地區東五分子同時代綠巖組合中的角閃石巖進行了元素地球化學和Os同位素研究,不同于本研究中DTT質巖石組合中的包體,其認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,揭示了固陽地區新太古代末—古元古代的俯沖背景。前人[22]對固陽地區同時代紫蘇花崗巖的研究結果也同樣揭示了這一俯沖背景。另外,根據前人[67-70]對華北克拉通中北部區域地質調查及研究成果,在新太古代末期,華北克拉通的中北部,包括固陽地區,也是處于俯沖背景的。

考慮到固陽地區閃長質巖石具有島弧巖石的地球化學屬性(圖9),而閃長質巖漿分異形成TTG巖石也需要有水的參與,因此本研究更傾向于認為固陽地區的DTT質巖石形成于俯沖帶島弧環境。

根據固陽英云閃長質-奧長花崗質巖石顯示的高Sr/Y、Eu/Eu*值等特征,部分學者認為其形成于板片深俯沖的高壓條件[16]。然而本研究表明,其形成于相對低壓條件下閃長質巖漿的分異。基于此,在排除了固陽英云閃長質-奧長花崗質巖石形成于高壓條件后,本研究認為產生固陽DTT質巖石組合的一個可能的地球動力學過程為: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,使古老下地殼發生部分熔融;殼源熔體混入少量地幔物質后形成的閃長質巖漿即為固陽英云閃長質-奧長花崗質巖石的母巖漿;該閃長質巖漿在含水且相對低壓的條件下發生以角閃石為主要礦物相的多階段分離結晶,形成固陽英云閃長質-奧長花崗質巖石。

7 結論

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

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

3)固陽地區新太古代末期英云閃長質-奧長花崗質片麻巖具有相對較高的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,來自同時代閃長質巖漿在含水且相對低壓條件下以角閃石為主要礦物相的多階段分離結晶。

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