内蒙古固阳地区角闪石等矿物分离结晶形成的新太古代TTG片麻岩<br/>——来自元素地球化学和热力学模拟的证据

内蒙古固阳地区角闪石等矿物分离结晶形成的新太古代TTG片麻岩
——来自元素地球化学和热力学模拟的证据

2023-12-19施建荣王惠初张家辉任云伟

吉林大学学报（地球科学版） 2023年6期

关键词：花岗质角闪石斜长石

佟鑫,施建荣,王惠初,张家辉,任云伟

1.中国地质调查局天津地质调查中心(华北地质科技创新中心),天津 300170

2.中国地质科学院地质研究所,北京 100037

0 引言

TTG岩石组合(英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩)是太古宙克拉通典型的岩石组合,代表了至少90%的太古宙新生大陆地壳[1-3]。对TTG岩石成因的约束是深入理解地球早期大陆地壳生长和演化的关键。

对于TTG岩石的成因,目前一个普遍的认识是来自含水变质玄武质岩石的部分熔融[3]。其全岩稀土元素(REE)组成和Sr/Y值等的差异则被认为是反映了不同的源区深度(熔融压力)和熔融残余,并可据此将TTG岩石进一步划分为高压、中压和低压TTG岩石3种类型[3-6]:高压型TTG岩石,具有低重稀土(HREE)质量分数,高Sr/Y值的特征,其源区发生部分熔融后的残余体为榴辉岩相岩石,其中有大量石榴子石,少量的金红石,不存在斜长石;低压型TTG岩石,具有较高的HREE质量分数,以及低的Sr/Y值,其源区残余体中斜长石稳定存在,石榴子石体积分数较小,不存在金红石,相当于角闪岩相岩石;中压型TTG岩石,其化学成分介于二者之间,其源区残余体相当于含石榴子石的角闪岩相岩石,贫斜长石,石榴子石体积分数较大。

同时也有研究表明,镁铁质岩浆的分异也可形成TTG岩石[7-11]。其中,具有高Sr/Y值等特征的“高压型”TTG岩石,同样可在中低压条件下由玄武质/闪长质熔体通过以角闪石为主的矿物分离结晶形成,增厚的岩石圈及石榴子石稳定条件(源区石榴子石的残留)等的高压条件并非是形成所谓“高压型”TTG岩石的必要条件[7, 11-12]。

内蒙古固阳地区位于华北克拉通西部,是华北克拉通西部前寒武纪基底出露较完整的地区[13-14],区域内发育大量的新太古代DTTG片麻岩组合。然而相比华北克拉通东部的基底岩石,这些岩石组合的研究程度较低,仅有锆石U-Pb年龄和基本的岩石地球化学数据的报道[15-19]。对于固阳地区DTTG片麻岩组合的成因,前人根据其全岩主、微量元素,Nd同位素组成和锆石Hf同位素组成,认为其中TTG岩石来自俯冲板片的部分熔融并受到了上覆地幔楔的交代,闪长质岩石(D)则来自下地壳的部分熔融并有幔源熔体的参与[16,18]。然而前人的这些结论均是根据实验测试数据本身以及几个构造-成因判别图投图获得的,缺少对这些岩石地球化学数据深入的分析和模拟。

基于此,本研究以内蒙古固阳地区新太古代英云闪长质-奥长花岗质(TT)片麻岩为主要研究对象,结合区域内的(石英)闪长质(D)岩石,对其进行了系统的岩石学、锆石U-Pb年代学研究以及全岩元素地球化学分析。同时利用Perple_X和rhyolite-MELTS程序[20-21],对这些岩石开展了热力学模拟研究,以限定岩浆体系的矿物、化学组成以及物理条件。结合前人数据,重新约束了固阳地区新太古代TTG岩石的形成过程,为进一步约束华北克拉通西部新太古代地球动力学背景和地球早期大陆地壳的生长与演化提供了新的依据。

1 区域地质背景与样品采集

内蒙古固阳地区位于华北克拉通西部(图1a),出露的新太古代变质基底包括绿岩组合、麻粒岩相变质岩-紫苏花岗岩组合和DTTG片麻岩组合等[16,18,22]。

绿岩组合是指一套绿片岩相—低角闪岩相的变质火山-碎屑岩,以残留向形盆地的形式沿东西向展布[13,16-18,23-24]。这些岩石由底部到顶部可以划分为3个岩组,分别为:底部的镁铁质变质火山岩,存在变形的燧石岩、角闪石岩和条带状铁建造(BIF)透镜体,部分岩石可见残留的枕状构造;互层的变质镁铁质和长英质火山岩,在这一岩组中,已识别出了富Nb玄武岩和高Mg安山岩;顶部的石英岩与不纯大理岩互层的沉积岩系。这些绿岩组合中的变质镁铁质岩石被认为是来自受俯冲板片熔体/流体交代富集地幔的部分熔融[25-26]。

麻粒岩相变质岩-紫苏花岗岩岩石组合包括了一系列镁铁质-长英质变质岩,是一套经历了高级变质作用和深熔作用的岩石组合,主要分布于武川西部的西乌兰不浪一带,以穹窿构造形式产出[13]。其原岩被认为是形成于活动大陆边缘的一系列基性—酸性火山岩[27]。其中,紫苏花岗岩被认为其原岩来自下地壳角闪岩的部分熔融,同时有来自富集地幔熔体的参与[22]。

DTTG片麻岩组合呈带状、舌状侵入到绿岩地体中,与麻粒岩相变质岩-紫苏花岗岩岩石组合呈断层接触;这些DTTG片麻岩几乎都经历了绿片岩相变质作用,并发生了变形,其原岩组合包括闪长岩、石英闪长岩、英云闪长岩、奥长花岗岩和花岗闪长岩等岩石类型,其中同时存在定向排列的角闪石岩和斜长角闪岩等岩石包体[13,16]。其原岩组合中的闪长岩、石英闪长岩等被认为是来自增厚下地壳的部分熔融并有少量来自富集地幔熔体的参与[16,18]。而TTG岩石组合则被认为是来自受上覆地幔楔交代的俯冲板片的部分熔融[16]。

固阳地区DTTG片麻岩主要分布于固阳县城北部的仁太和、合教、圐圙点力素及东北部的奎素、二分子一带(图1b)。本研究所涉及的7件岩石样品,包括2件英云闪长质片麻岩(TTG片麻岩)、2件奥长花岗质片麻岩(TTG片麻岩)和3件石英闪长质片麻岩,分别采集自固阳县城北部的合教和仁太和地区(图1b)。

2 岩石学特征

本文7件岩石样品的采样位置和矿物组合特征见表1。

表1 研究区采样位置及矿物组合

英云闪长质片麻岩宏观上呈浅灰色,具有变余花岗结构,片麻状构造(图2a);奥长花岗质片麻岩呈灰白色,变余花岗结构,露头上可见明显的片麻状构造(图2b);石英闪长质片麻岩露头上整体呈深灰色,变余等粒结构,片麻状构造,节理发育,可见暗色包体,包体主要组成矿物为角闪石,含有少量的斜长石(图2c、d)。

a. 英云闪长质片麻岩;b. 奥长花岗质片麻岩;c、d. 石英闪长质片麻岩。

英云闪长质片麻岩主要组成矿物为斜长石和石英。斜长石多数发生绢云母化,偶见碱性长石;暗色矿物为透闪石和绿帘石等,同时可见具有锈褐色异常干涉色的绿泥石,以及少量的磷灰石等副矿物(图3a、b、c)。

奥长花岗质片麻岩主要矿物组成同样为石英和绢云母化的斜长石(图3d、e、f);暗色矿物相比英云闪长质片麻岩体积分数较少,主要由细小的黑云母和绿帘石组成,同样可见绿泥石的异常干涉色,以及少量的磷灰石(图3d、e)。

石英闪长质片麻岩主要组成矿物为斜长石和角闪石,含有少量的石英,局部可见石英亚颗粒。其中:斜长石可见聚片双晶;角闪石在垂直c轴切面上可见两组典型的角闪石式解理(图3g、h);部分角闪石转变为黑云母,可见具有角闪石假象的黑云母集合体;同时可见绿帘石和斜黝帘石等变质矿物,绿帘石具有鲜艳明亮的干涉色,斜黝帘石为柱状斜消光矿物,可见其靛蓝色异常干涉色(图3h)。

3 分析测试方法和结果

3.1 锆石U-Pb测年

本文分别对1件英云闪长质片麻岩(GY2201)和1件石英闪长质片麻岩(GY2211)样品进行了锆石U-Pb测年。锆石颗粒的挑选在廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司完成,锆石制靶和反射光、透射光、阴极发光(CL)的拍照在北京中科矿研检测技术有限公司完成。锆石详细制靶过程参考文献[28]。制靶后,对锆石颗粒进行反射光、透射光和阴极发光的拍照,阴极发光拍照是利用TESCAN MIRA3场发射扫描电子显微镜完成,扫描电压为7 kV。

锆石U-Pb测年分析在中国地质调查局天津地质调查中心利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MA)完成。激光剥蚀系统和等离子质谱系统详细的操作条件与数据处理方法参考文献[29]。对锆石分析数据的处理利用ICPMSDataCal程序完成[29],对锆石数据的计算和作图则通过Isoplot/Ex_ver4.15程序完成[30]。锆石测试数据见表2。

2件样品中的锆石均呈半自形—自形,锆石颗粒长宽比为2∶1,锆石长轴在150～200 μm之间。在CL图像中,均可见岩浆成因锆石的振荡环带[31](图4)。对于英云闪长质片麻岩样品(GY2201)中的锆石,多数颗粒可见增生边(图4a)。该样品锆石测点的Th/U值在0.36～2.69之间,去掉3个不谐和的年龄测点后,得到锆石207Pb/206Pb加权平均年龄为(2 504±11)Ma(图5a)。石英闪长片麻岩样品(GY2211)中可见较多的继承锆石核(图4b)。该样品锆石测点的Th/U在0.20～1.16之间,去掉3个不谐和的年龄测点,在谐和线附近的27个年龄测点的锆石207Pb/206Pb加权平均年龄为(2 514±7)Ma(图5b)。另外有2个继承锆石核的年龄测点,分别得到了(2 585±21)和(2 600±16)Ma的表面年龄。

图中圆圈和数字代表锆石U-Pb测年中的打点位置和年龄值。

图5 固阳新太古代末英云闪长质片麻岩(GY2201)(a)和石英闪长质片麻岩(GY2211)(b)锆石U-Pb年龄谐和图

3.2 全岩主、微量元素分析

本文样品的主、微量元素均是在中国地质调查局天津地质调查中心完成。主量元素氧化物分析是通过X射线荧光光谱分析(XRF)完成,分析仪器为ZSX Primus IV波长色散X射线荧光光谱仪,分析精度优于±3%。其中FeO质量分数采用重铬酸钾滴定湿化学法分析完成。烧失量(LOI)则是通过将样品放入1 000 ℃的马弗炉中,干燥后重新称重得到。微量元素分析通过电感耦合等离子质谱(ICP-MS)分析完成,分析仪器为X SeriesII电感耦合等离子体质谱仪,分析精确度和准确度均优于±5%。详细的全岩主、微量元素测试步骤参考文献[32]。分析测试数据见表3。

本文奥长花岗质片麻岩相比英云闪长质片麻岩具有较高的石英体积分数(图6a);在标准矿物计算后的An-Ab-Or图解(图6b)中,英云闪长-奥长花岗质片麻岩除1件样品落于花岗闪长岩区域,其余样品均落于英云闪长岩和奥长花岗岩区域内。

该套DTT质岩石均显示低钾—中钾钙碱性系列岩石特征,K2O/Na2O值在0.22～0.74之间(图6c、d)。其中,石英闪长质片麻岩具有相对较低的w(SiO2)(62.08%～62.62%)和相对较高的w(MgO)(2.08%～3.06%)与w(TFe2O3)(5.43%～6.01%),铝饱和指数均小于1(A/CNK=0.90～0.99),不具有或具有弱的Eu负异常(Eu/Eu*=0.91～0.98),轻、重稀土元素分异较弱,其(La/Yb)N值在7.59～21.60之间(图6e、f,7a)。

英云闪长质片麻岩相比具有中等的w(SiO2)(67.95%和69.72%)、w(MgO)(1.29%和1.13%)和w(TFe2O3)(2.66%和2.58%),铝饱和指数为0.92和1.06,具有明显的Eu正异常(Eu/Eu*为1.48和2.46),轻、重稀土元素发生分异((La/Yb)N为29.70和43.20)(图6e、f,7a)。

奥长花岗质片麻岩则具有较高的w(SiO2)(73.11%和77.01%)和相对低的w(MgO)(0.34%和0.14%)和w(TFe2O3)(0.63%和0.75%),铝饱和指数均大于1(A/CNK为1.05和1.09),具有显著的Eu正异常(Eu/Eu*为8.39和8.73),轻、重稀土元素分异明显((La/Yb)N为128.00和140.00)(图6e、f,7a)。

结合前人已发表的数据,显示固阳县城北的这套DTT质岩石,铝饱和指数变化不大,从石英闪长质片麻岩、英云闪长质片麻岩到奥长花岗质片麻岩,随着全岩w(SiO2)的升高,分异指数升高(图6f),轻、重稀土元素分异程度增大,重稀土元素与Nb、Ta等高场强元素亏损程度增加(图7b)。

标准化数据来自文献[36];红色数字代表角闪石岩混合比例。

4 讨论

4.1 石英闪长质岩石成因

固阳地区的新太古代石英闪长质片麻岩具有相对低的w(SiO2),Sr/Y值(23.3～39.8)和轻、重稀土分异程度,w(MgO)和w(TFe2O3)较高,不具有或具有弱的Eu负异常,其Mg#在41～53之间(图8)。锆石U-Pb同位素测年显示其具有约2.6 Ga的古老的继承锆石,指示了源区古老地壳物质的存在。实验岩石学研究表明,水化玄武岩部分熔融产生的熔体,其Mg#小于45[37-39]。而固阳地区闪长质岩石的Mg#变化范围较大,同时具有较大的w(Cr)((5～278)×10-6)、w(Ni)((2～76)×10-6) 变化范围,另外其锆石εHf(t)值在-7.2～1.2之间,变化范围大于8[16,18-19],说明其源区地幔物质的加入。

变玄武质及榴辉岩实验熔体数据参考文献[37]。

Ma等[18]认为固阳地区(石英)闪长质岩石的w(Sr+Ba)相对较高,认为其来自增厚下地壳的部分熔融。大量的研究表明,增厚下地壳的部分熔融产生的熔体是具有埃达克质岩石地球化学特征的,即具有高的Sr/Y值和强烈的轻、重稀土元素分异[32,40]。固阳地区闪长质岩石并不具有明显的上述埃达克质岩石特征,而是显示典型的岛弧钙碱性岩石特征(图9)。

埃达克质岩石和岛弧钙碱性岩石数据来自文献[41-42];图b中红色箭头代表了不同源区残留下批式熔融的趋势[42]。

因此,本文认为固阳地区新太古代末期的石英闪长质岩石是来自相对低压较浅层次古老下地壳(非增厚下地壳)的部分熔融,同时存在幔源熔体的加入。

4.2 英云闪长-奥长花岗质岩石成因

4.2.1 高压条件下的部分熔融?

如前文所述,对于TTG岩石的成因,普遍的认识是来自含水变质玄武质岩石的部分熔融[3]。固阳地区TTG岩石主要包括英云闪长质片麻岩和奥长花岗质片麻岩2种岩石类型。结合前人已发表数据[16, 18-19],可见这些岩石具有极高Sr/Y值(70.0～941.0),显著的轻、重稀土元素分异((La/Yb)N=7.85～140.00)和Eu正异常 (Eu/Eu*=1.48～11.30)。虽然在高压条件下(>1.5 GPa)变质玄武岩的部分熔融可产生具有高Sr/Y、(La/Yb)N值的高压TTG岩石[2],然而通过这一模式形成的TTG岩石其Sr/Y值通常是小于500的,变质玄武岩的部分熔融也很难产生如固阳TTG岩石这样极端高的Sr/Y值[11, 43-45]。另一方面,在华北克拉通西部尚未发现如榴辉岩、高压麻粒岩等指示高压条件的变质岩,也就是说,新太古代末在华北克拉通西部是否存在高压条件下的部分熔融也是存疑的。

对于Eu的正异常,同样有研究认为是指示了高压条件下的部分熔融,熔体结晶形成富斜长石的岩石,熔融残余中则缺少斜长石[46-50]。这是由于斜长石属含Ca矿物,Eu2+与Ca2+的晶体化学性质相似,可以类质同像的方式进入斜长石等含Ca矿物的晶格,岩石中斜长石的富集可造成全岩Eu元素的正异常。虽然本研究中的TTG岩石具有较多的斜长石,然而具有更多斜长石的石英闪长质片麻岩(近70%,表1)则并不显示Eu的正异常。另外,对于固阳DTT质岩石组合来说,从石英闪长质片麻岩、英云闪长质片麻岩到奥长花岗质片麻岩,随着其Eu/Eu*值的升高,全岩w(CaO)以及标准矿物计算的钙长石摩尔百分数则是降低的(图10a、b)。同时,由于Sr元素与Ca元素属同一主族元素,二者具有相似的地球化学行为,一般来说,斜长石的富集也会造成全岩w(Sr)的升高。然而随着Eu/Eu*值的升高,固阳DTT质岩石全岩w(Sr)并没有明显的变化(图10c)。

图10 固阳DTT质岩石Eu/Eu*和w(CaO (a)、x(An) (b)、w(Sr) (c)变异图解

因此,本文认为固阳地区DTT质岩石的Eu正异常并非受斜长石控制,其“高压”型岩石地球化学特征,并非是通过高压条件下变质玄武岩部分熔融形成的。

4.2.2 角闪石等矿物的分离结晶

固阳新太古代DTT质岩石相似的锆石Hf同位素组成同样指示了其同一的岩浆源区[18]。对固阳地区DTT片麻岩组合,其Eu/Eu*值与分异指数和全岩w(SiO2)呈现明显的正相关(图11a、b);其全岩w(SiO2)与w(Al2O3)、w(CaO)则呈明显的负相关(图8c、d),随着w(SiO2)的升高,全岩稀土元素质量分数降低,(La/Yb)N值升高(图11c、d)。同时,通过其Eu/Eu*值与全岩w(CaO)、w(Sr)及标准矿物计算的x(An)的变化关系来看,结合其连续的轻、重稀土元素分异变化(图7,10),固阳地区的英云闪长-奥长花岗质岩石更可能是通过闪长质岩浆的分异形成的。

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

研究表明,角闪石等富重稀土矿物的分离结晶同样可形成具有高Sr/Y、(La/Yb)N值的岩石[7,11,51]。对于角闪石来说,相比重稀土元素,角闪石是更富集中稀土元素,角闪石的分离结晶可造成中、重稀土元素的分异,通过角闪石分离结晶形成的岩石具有上凹的稀土元素配分模式曲线。固阳地区新太古代末的奥长花岗质岩石和部分英云闪长质岩石则显示这种上凹的稀土元素配分模式(图7a)。

固阳地区的新太古代英云闪长质-奥长花岗质岩石具有显著的Eu正异常。角闪石中的Eu元素可以Eu2+或Eu3+的形式存在,其中Eu2+相比Eu3+更不相容,因此变价的Eu元素相比Sm、Nd等三价稀土元素在角闪石中是相对亏损的[53],岩浆演化过程中,角闪石等矿物的分离结晶可造成残余熔体的Eu正异常。对于固阳地区新太古代末DTT片麻岩组合,随着Dy/Dy*值的降低,Eu/Eu*值升高,与此同时全岩Sr/Y、(La/Yb)N值也显著升高(图12),这同样反映了角闪石的分离结晶作用过程。

蓝色、绿色和红色小球分别代表(石英)闪长质片麻岩、英云闪长质片麻岩和奥长花岗质片麻岩数据点,其中浅蓝色小球为文献[18]数据,浅绿色小球为文献[16]数据,浅红色小球为文献[16, 19]数据。

在固阳地区新太古代DTT质岩石中均存在有角闪石岩包体(图2d),其主要由角闪石组成,含有少量的斜长石。在中下地壳岩石发生部分熔融的过程中,角闪石是很难保留下来的,一般会快速地消失,并产生与不含角闪石的麻粒岩相岩石组合平衡的熔体[54]。因此,这些角闪石岩包体更可能是代表了岩浆分异过程中角闪石的堆晶。这些角闪石岩包体富集稀土元素(w(ΣREE)=(237～984)×10-6),具有明显的Eu负异常[17](Eu/Eu*值为0.22～0.51)。我们对固阳地区的奥长花岗质片麻岩(GY2217)和角闪石岩包体(08XM32)[17]做了稀土元素的混合模拟计算,结果显示通过20%～30%的角闪石岩与奥长花岗质片麻岩混合,可较完好地复现出固阳地区新太古代末(石英)闪长质片麻岩的稀土元素配分曲线(图7a)。因此,我们可以认为固阳地区奥长花岗质-英云闪长质岩石的形成是受角闪石分离结晶过程控制的,分离结晶程度为20%～30%。

另外,榍石(Sph)也是岩浆演化过程中一种重要的副矿物,是钛和钙的硅酸盐矿物[CaTi(SiO4)O],富集Y及重稀土元素。固阳DTT片麻岩组合的全岩w(SiO2)与w(CaO)、w(TiO2)、w(ΣREE) 均呈现负相关关系(图8d、e,11c),而且全岩w(Y)与w(SiO2)和分异指数亦存在明显的负相关(图11g、h),这些特征指示了榍石等副矿物在分离结晶过程中的存在。

综合以上分析,本研究认为固阳地区新太古代末期英云闪长质-奥长花岗质岩石,是以(石英)闪长质岩石成分为代表的闪长质岩浆通过角闪石、榍石等矿物的分离结晶形成的。

5 热力学和微量元素模拟

5.1 热力学模拟

在岩浆演化过程中,角闪石的分离结晶通常都伴随着斜长石[43]。一般来说,在岩浆体系发生角闪石20%～30%分离结晶时,同时不受斜长石的控制,这是很少见的。然而,在含水条件下岩浆体系则会结晶出大量的角闪石,斜长石的结晶则会受到抑制[55]。为了更好地约束固阳地区新太古代末英云闪长质-奥长花岗质岩石形成的岩浆作用过程,我们选取1件石英闪长质片麻岩样品(GY2208)对其进行了定量的热力学模拟计算,旨在揭示闪长质岩浆分异过程中体系矿物、物理、化学条件的变化。

热力学模拟利用Perple_X/ver7.1.0程序[20],在Na2O-MgO-Al2O3-SiO2-K2O-CaO-TiO2-MnO-FeO-O2-H2O体系下完成。由于在全岩地球化学数据中已分别给出了FeO和Fe2O3的相对质量分数,在模拟过程中则无需再对体系O2质量分数进行估计,可根据样品全岩FeO和Fe2O3的相对质量分数直接换算出模拟体系中FeO和O2的质量分数。

在岩浆演化过程中,体系的矿物组成主要受温度(T)控制,体系压力的变化并不会明显改变体系的矿物组成[56]。因此,本研究仅设定体系压力(p)为12×108Pa,在T-w(H2O) 视剖面图中对体系水质量分数进行估计(图13a)。在图13a中可见,在体系水质量分数大于1.3%时,固相线之下水饱和;在体系水质量分数小于3.8%时,随着体系温度的降低,熔体中首先结晶出斜长石;而在体系水质量分数大于3.8%时,体系温度降低则首先结晶出角闪石,斜长石的结晶受到抑制(图13a)。考虑到固阳地区TTG岩石形成过程中发生了20%～30%角闪石的分离结晶,同时并不受斜长石的控制,本研究设定其闪长质母岩浆体系水质量分数为6.4%(图13a)。

图13 固阳地区(石英)闪长质岩石(GY2208)T-w(H2O) (a) 和p-T (b) 视剖面图

在体系水质量分数为6.4%条件下的p-T视剖面图(图13b)中,可见各矿物相出现的曲线均为近垂直的,同样说明了温度是控制体系矿物组成的主要条件,而非压力。通过热力学模拟,可以得到在不同温度、压力条件下体系内的物相组成和含量。图14比较清楚地反映了体系中不同温度、压力条件下,熔体以及角闪石、斜长石和石英等矿物相相对质量分数的变化,在p-T平面上则为熔体及各矿物相质量分数曲面的投影。我们可以清晰地看到,在绝大多数压力条件下,固相线之下水饱和(图13b);在12×108Pa条件下,随着体系温度的降低,首先结晶出角闪石,温度降低至约970 ℃时,体系中开始出现斜长石,随着温度的继续降低则开始出现石英等矿物(图13b,14)。

图14 固阳地区(石英)闪长质岩石(GY2208)模拟熔体(a)及角闪石(b)、斜长石(c)和石英(d)等矿物相对质量分数变化的三维曲面图

该模拟结果表明,闪长质岩浆在相对低压含水条件下,首先结晶出大量角闪石,斜长石的结晶受到抑制。在这样的结晶条件下,岩浆体系可发生以角闪石为主的分离结晶,不存在或存在极少的斜长石分离结晶。为进一步揭示岩浆体系随温度降低体系矿物组成的变化,我们利用rhyolite-MELTS程序[21],进一步模拟了由石英闪长质片麻岩样品(GY2208)成分代表的闪长质岩浆体系在12×108Pa条件的一维路径下,随温度的降低体系矿物组成的变化。同样地,由于在全岩地球化学组成中已给出了样品的全岩FeO和Fe2O3的相对质量分数,我们无需再在程序中设定体系的初始氧逸度,仅设定体系压力为12×108Pa,初始水质量分数为6.4%。

我们在rhyolite-METLS程序中分别模拟了平衡分离结晶和多阶段分离结晶2种岩浆作用过程中体系矿物相组成的变化(图15a、b,表4)。其中,平衡分离结晶是指当矿物从熔体中结晶时,矿物晶体与熔体自始至终保持化学平衡,产生的矿物晶体化学成分均一且没有分带性;多阶段分离结晶是指一旦有少量矿物结晶,其立即脱离熔体,不再与熔体平衡,在矿物结晶过程中体系内的矿物相组成也在不断地变化。模拟结果显示,平衡分离结晶和多阶段分离结晶这2种结晶过程产生的固相矿物种类和比例整体上基本一致,在斜长石出现之前,体系主要结晶矿物相为角闪石,温度与结晶度(体系中固相矿物所占质量分数)相关曲线斜率较小,岩浆体系结晶速率较缓,更有利于角闪石的分离结晶;随着温度的降低斜长石等矿物开始结晶,温度与结晶度相关曲线斜率突变,结晶速率显著升高(图15a、b)。

表4 研究区闪长质岩浆(GY2208)在不同结晶过程中结晶矿物相组成的变化

a和b中蓝色与红色曲线分别代表平衡分离结晶与多阶段分离结晶过程中体系温度随体系结晶度的变化;c中的虚线与实线分别代表平衡分离结晶和多阶段分离结晶过程中各元素晶体-熔体总分配系数(D)随体系结晶度的变化。Sph.榍石;Ms.白云母。

然而这2种结晶过程在细节上依然存在差别。平衡分离结晶过程中结晶度接近19%时,体系中开始出现少量的斜长石和榍石;而在多阶段分离结晶过程中,结晶度在16%时,即开始出现相对较多的斜长石,同时伴随有榍石的结晶。

5.2 微量元素定量模拟

(1)

本研究计算了该闪长质岩浆体系在上述2种结晶过程中Sr、Y、La、Sm、Eu、Gd和Yb等7种元素的晶体-熔体总分配系数(图15c),其中不同矿物相对各元素的矿物-熔体分配系数参考文献[32,57-59]。计算结果显示:随着斜长石和富重稀土元素的榍石等矿物的出现,体系中Eu、Yb、Y等稀土元素的总分配系数显著升高;随着结晶程度的增加各元素的总分配系数缓慢降低;对比平衡分离结晶,在多阶段分离结晶过程中,在结晶度较低时即出现各元素总分配系数的显著升高(图15c)。

(2)

据此,本研究以1件石英闪长质片麻岩样品(GY2208)代表初始闪长质岩浆的组成,模拟计算了上述7种微量元素在经历不同程度的分离结晶后,其在残余熔体中的质量分数及相关的地球化学比值和参数,如Sr/Y、(La/Yb)N、Eu/Eu*值等(图16),不同分离结晶程度下分离矿物相的组成和质量分数参考表4。模拟结果显示,闪长质岩浆通过平衡分离结晶过程,即使分离结晶程度达到极端的70%时,也无法如固阳新太古代末英云闪长质-奥长花岗质岩石一样显示较高Sr/Y值和轻、重稀土元素分异程度(图16a、b),以及显著的Eu正异常(图16c)。因此,本研究认为固阳地区的英云闪长质-奥长花岗质岩石并非是闪长质岩浆通过平衡分离结晶这一理想化的结晶过程形成的。

图中数字代表分离结晶程度。

(3)

对第二阶段,

(4)

那么对第n阶段(n>1),

(5)

式中:Fn为第n阶段相对体系初始熔体的结晶程度,并非是指第n阶段相对第n-1阶段残余熔体的结晶程度;Fα代表第α阶段相对体系初始熔体的结晶程度,α=1～(n-1)。

模拟计算的结果表明,在多阶段分离结晶过程中,闪长质岩浆在经历20%～30%矿物相分离结晶作用后,可形成具有较高Sr/Y、(La/Yb)N、Eu/Eu*值的残余熔体(图16d、e、f)。其中:分离结晶程度小于15%时,分离矿物相均为角闪石;达到20%左右时,分离矿物相组成和比例为75%Amp+15%Pl+2%Sph;分离结晶程度达到30%时,分离矿物相组成和比例则为59%Amp+20%Pl+2%Sph。详细的各阶段分离矿物相的组成和比例见表4。

基于上述对固阳地区新太古代末DTT质岩石组合的元素地球化学分析和相关模拟计算,本研究认为固阳地区的英云闪长质-奥长花岗质岩石,是在含水且相对低压条件下,闪长质岩浆经过多阶段分离结晶后形成,主要的分离结晶矿物相为角闪石,同时伴有少量斜长石和榍石的分离结晶。高的全岩Sr/Y、(La/Yb)N、Eu/Eu*值等并非是指示高压源区的充分条件。

6 地球动力学及构造意义

对于TTG岩石,一般是认为其来自含水变质玄武质岩石的部分熔融[3]。本研究则给出了形成TTG岩石的另一种成因模式,即闪长质岩浆发生角闪石为主要矿物相的分离结晶。与此同时,实验岩石学研究结果也同样证实了,含水熔体在经历角闪石伴随少量斜长石的分离结晶后可形成具有TTG地球化学性质的熔体[10, 60]。巴基斯坦北部Kohistan岛弧地区的TTG岩石,也同样被认为可形成于含水条件下原始岛弧岩浆的分异[8]。前人通过对华北克拉通东部冀东地区TTG岩石的元素地球化学和Fe同位素地球化学研究,也同样揭示了闪长质岩浆在相对低压条件下分异形成TTG岩石的可能性[11-12]。然而对于TTG岩石形成的背景一直以来也是存在着争议,主要有两种观点:一是认为其形成于地幔柱活动背景[61-63];另一观点则认为其形成于俯冲带岛弧背景[16,45, 64-65]。一般来说,地幔柱活动是很少有水参与的[66]。然而对于TTG岩石的形成,无论水化变质玄武岩的部分熔融[3],还是本研究中闪长质岩浆的分异都需要水的参与。因此,本研究认为固阳地区的DTT质岩石组合并非形成于地幔柱活动背景。

前人[26]对固阳地区东五分子同时代绿岩组合中的角闪石岩进行了元素地球化学和Os同位素研究,不同于本研究中DTT质岩石组合中的包体,其认为东五分子角闪石岩来自受俯冲板片熔体/流体交代地幔的部分熔融,揭示了固阳地区新太古代末—古元古代的俯冲背景。前人[22]对固阳地区同时代紫苏花岗岩的研究结果也同样揭示了这一俯冲背景。另外,根据前人[67-70]对华北克拉通中北部区域地质调查及研究成果,在新太古代末期,华北克拉通的中北部,包括固阳地区,也是处于俯冲背景的。

考虑到固阳地区闪长质岩石具有岛弧岩石的地球化学属性(图9),而闪长质岩浆分异形成TTG岩石也需要有水的参与,因此本研究更倾向于认为固阳地区的DTT质岩石形成于俯冲带岛弧环境。

根据固阳英云闪长质-奥长花岗质岩石显示的高Sr/Y、Eu/Eu*值等特征,部分学者认为其形成于板片深俯冲的高压条件[16]。然而本研究表明,其形成于相对低压条件下闪长质岩浆的分异。基于此,在排除了固阳英云闪长质-奥长花岗质岩石形成于高压条件后,本研究认为产生固阳DTT质岩石组合的一个可能的地球动力学过程为:在俯冲带岛弧背景下,来自俯冲板片的熔体/流体在俯冲通道交代了上覆地幔并使其发生部分熔融;幔源熔体侵入或底垫于下地壳,使古老下地壳发生部分熔融;壳源熔体混入少量地幔物质后形成的闪长质岩浆即为固阳英云闪长质-奥长花岗质岩石的母岩浆;该闪长质岩浆在含水且相对低压的条件下发生以角闪石为主要矿物相的多阶段分离结晶,形成固阳英云闪长质-奥长花岗质岩石。