2012, Vol. 28
2. 中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室, 广州 510640;
3. 中国科学院研究生院, 北京 100049;
4. 中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 100083
2. Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;
3. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. School of the Earth Science and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
透过花岗质岩石的成因类型细化了解特定时空条件下的深处壳幔信息，使岩石学界迎来了一个岩石新名称倍出的高峰时代。如东Yilgarn克拉通的中晚太古代，可分出基性花岗岩等5种花岗质岩石(Czarnota et al., 2010), Oman新生代蛇绿岩套中可分出3种类型的斜长花岗岩(Rollinson, 2009), 太古宙灰色片麻岩系分出了4个组合和模式(Moyen, 2011)等等，这些名词未必都有普世价值，但确可提供若干重要的信息。
Wang et al. (2009) 已初步厘定由堆晶辉长岩、富铌和非富铌玄武岩、硅质岩以及低铝型TTG等组成的尚义杂岩是一个晚太古代的古洋壳残片(图 1)，近期在低铝型TTG岩体近旁及其延长线上又发现了多处高铬花岗岩岩体，岩性上类似于西澳Yilgarn的基性花岗岩，或者南印度Dharwar的Closepet花岗岩，既含有地壳元素又含有地幔元素成分，按其成因和特殊的地质产状，目前认为是一种太古代末期所特有并与俯冲带地幔楔有密切联系的罕见岩类(Moyen and Martin, 2003)，这为尚义-崇礼古缝合带又增添了新的证据。本文先从与之密切相关的低铝型TTG谈起，如果没有相应的熔融产物，便不足以证明古洋壳曾发生过俯冲的过程。
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图 1 尚义杂岩地质简图(据中国地质大学(北京)，1994①修改 Fig. 1 The geological sketch of Shangyi complex |
①修改自中国地质大学(北京).1994. 1∶5万土木路幅区域地质图
2 厂汗营低铝型TTG岩体主要岩体出露于古洋壳残片的南侧厂汗营村附近，面积不大，仅约4km2左右，不过向南被侏罗系覆盖。残片北侧还有些更小的岩体。岩体呈灰色-灰黄色，中-细粒，块状构造，由石英的定向略显不清楚的片麻构造。主要由斜长石和石英组成，暗色矿物极少。岩体之中脉岩和包体也极少。岩体中所见唯一的包体是围岩没有见到的角闪二辉麻粒岩，灰黑色，细粒，主要由斜长石、角闪石、两种辉石和少量石英所组成，不含石榴石。如果这就是熔融残余的包体，说明本岩体发源于不太深的角闪麻粒岩亚相的深度。岩体北侧地表与角闪岩相变质的变辉长岩侵入接触(图 2a)，残片北侧的小岩体则侵入于变玄武岩之中。
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图 2 低铝型TTG、高铬花岗岩和基性脉岩照片 (a)-低铝型TTG与变质辉长岩侵入接触；(b)-含石英的二长岩呈脉状存在于富钾高铬花岗岩中；(c)-基性脉灌入到高铬花岗岩中；(d)-基性脉岩的煌斑结构；(e)-花岗质成分侵入到煌斑岩脉中；(f)-高铬花岗岩中的微细煌斑岩脉 Fig. 2 Photographs of low Al2O3 TTG, high-Cr granite and mafic dike |
低铝型TTG岩体的岩石化学测试数据见表 1。其突出的特征是含Al2O3较低和稀土形式较为平坦(图 3)。当岩石SiO2在70%左右时，Al2O3﹤15%，Arth (1979) 划分出低铝型TTG。但当时他所采用低铝TTG数据却是来自中新生代的蛇绿岩套和岛弧区。Condie(1981) 曾列出太古宙少数低铝型TTG岩石的平均值：SiO2 74.5%、Al2O3 14.2%、CaO 2.43%、Na2O 4.08%、K2O 1.95%、K2O/Na2O 0.48、Cr 8×10-6、Zr 290×10-6、Ba 420×10-6、La 45×10-6、Eu 1.0×10-6、Yb 4.0×10-6。本区SiO2 65.55~73.35%、Al2O3 低12.70~13.77%、CaO 2.92~4.59%、Na2O 2.50~3.63%、K2O 1.80~2.01%、K2O/Na2O 0.51~0.80、Cr 变化大6.56×10-6~145×10-6、Zr变化大20.4×10-6~167×10-6、Ba 444×10-6~580×10-6，REE型式较平缓：La 6.76×10-6~22.3×10-6、Eu 0.474×10-6~0.99×10-6、Yb 0.21×10-6~2.76×10-6。以上特征无疑表明其属于太古宙罕见的低Al2O3型TTG，经锆石SHRIMP法测定为2512±19Ma，这在我国太古宙尚属首次发现。紧随其后，在时间上空间上都与低铝型TTG岩体关系十分密切的便是我们新近所发现的对早期地壳演化具有十分重要意义的高铬花岗质岩系列。
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表 1 岩石样品的主量元素(wt%)和微量元素(×10-6)分析结果 Table 1 Major element (wt%) and trace element (×10-6) compositions of the samples |
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图 3 葛令夭高铬花岗岩和低铝型TTG的稀土元素球粒陨石标准化配分图解 Fig. 3 Chondrite-normalized REE patterns of Gelingyao high-Cr granite and low Al2O3 TTG |
沿着尚义古洋壳残片南北两侧的古断裂带，伴随低铝型TTG岩系，发现多处高铬花岗质岩体，面积都很小，不过向南被第三纪玄武岩所覆盖。岩性可分为两类：一类是富钾的花岗岩类，在葛令夭村东北出露较好，另一类是含石英的二长岩类，在西梁村附近发育较好。二长岩在花岗岩之中可呈脉状(图 2b)，表明含石英的二长岩比富钾花岗岩稍晚。
富钾花岗岩类，呈肉红色或灰白色，葛令夭村北出露约0.5km2，其它还有些更小的岩体，具明显的眼球状深熔花岗岩的外貌。葛令夭岩体之中常被北西向小断裂所细粒化和糜棱岩化。镜下呈眼球状碎斑结构，主要由钾长石、斜长石、石英、黑云母和绿帘石所组成。化学成分见表 1：SiO2 70.9%~76.37%、Al2O3 11.84%~13.58%、K2O 5.82%~6.65%、K2O/Na2O高达1.75~2.68，属于富钾花岗岩类，但保持了TTG低铝、低钛的特征。
含石英的二长岩类，呈淡灰色，在西梁岩体之中居主体地位。西梁岩体也常被北西向小断裂所糜棱岩化，岩石也常呈眼球状碎斑结构，二长岩中也含有不均匀的钾长石眼斑，但比花岗岩中要少得多。从花岗岩类到二长岩类再到基性脉岩，整个岩系在时间上经历一个不断基性化的历程，这一点很特殊，不符合结晶分异的岩浆演化模式。含石英的二长岩类，矿物组合与花岗岩类似，化学成分见表 1：SiO2 61.74%~69.45%、Al2O3 14.54%~16.45%、K2O 2.54%~3.31%、K2O/Na2O 0.57~0.85，和花岗岩相比，硅、钾降低，而铝、钛略有增高。
无论富钾花岗岩还是含石英的二长岩类，二者在稀土和微量元素方面则没有什么显著区别(图 3)，共同表现了突出的特色：皆以高铬(Cr 97.8×10-6~308×10-6)、高铌(Nb 10.6×10-6~13.3×10-6)、高锆(Zr 46.6×10-6~138×10-6)、高钡(Ba 791×10-6~1606×10-6)和REE型式平缓，HREE较高(Yb 0.83×10-6~1.37×10-6)为特征。特别是铬属地幔元素在一般花岗岩中均小于20×10-6，而这里高达300×10-6，这是很罕见的，但不是偶然的。类似的岩石在印度称为Closepet花岗岩，时代上也是2.5Ga左右，空间上也在板块缝合带上，被认为是晚太古代与俯冲板片有关的特殊岩类(Moyen and Martin, 2003)。但是，Closepet岩体非常巨大，岩性变化较大，甚至包有金刚石产地，所以有的学者反对将Closepet作为一种特殊构造环境标志性的名词(Chadwick et al., 1997)。我们葛令夭岩体虽小，但与古洋壳和低铝TTG关系密切，含铬比Closepet高得多，未必与Closepet完全相同，故建议详细研究的基础上建立葛令夭花岗质岩系。
西梁岩体的另一个重要特征是其中含有大量的密集的基性脉岩。鉴于西梁岩体和TTG岩体之中含Cr的不均匀性，使我们联想到可能与基性脉岩的活动有关。
4 基性脉岩基性脉岩在西梁高铬花岗质岩系之中局部十分密集，一般为几公分到十几公分宽(图 2c)，最宽者约1m左右，很不规整，树枝状，手指状，串珠状等，穿插在花岗岩和二长岩体之中，有时相反，可见花质质细脉又穿插在基性岩脉之中。按矿物成分可分两种：一种以黑云母-单斜辉石的共生为特色，另一种以黑云母-角闪石为主，二者均含斜长石、绿帘石和榍石、磷灰石、褐帘石等多种副矿物，含(OH)矿物在暗色矿物中占绝对优势，烧失量可达3.92%，大多为半自形，个别具良好的煌斑结构(图 2d)，故统称为煌斑岩类。不限于岩体之中，岩体之外的变辉长岩和变玄武岩之中也有煌斑岩脉，但数量较少。而且，岩体之外的煌斑岩和古洋壳一起遭受到角闪岩的变质作用，岩体之内的煌斑岩则未经变质，显然，煌斑岩脉具穿时性，长时间内不断有基性岩脉活动。
煌斑岩脉的化学成分变化不大，总体为中偏基性：SiO2 51.32%~56.64%，详细的化学特征可见表 1，以高钛(TiO2 1.06%~1.51%)、高铬(Cr 100×10-6~110×10-6)、高钡(Ba 1105×10-6~2472×10-6)为特征，MgO中等(Mg# 45~51)、钾偏高(K2O/Na2O 0.71~1.03)，REE型式也较缓，HREE高(Yb 0.9×10-6~2.0×10-6)(图 4)，和赞岐岩大致可以类比，可能源于受到俯冲洋壳的强烈影响和交代改造而再富集的地幔楔。
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图 4 基性脉岩的稀土元素球粒陨石标准化配分图解 Fig. 4 Chondrite-normalized REE patterns of mafic dikes |
这些岩脉是否改造了围岩的成分，是一个值得深入研究的问题。大量密集的幔源高热岩脉无孔不入地进入围岩事实上首先是引起了TTG和花岗岩质岩石的再熔化，它反过来又侵入到煌斑岩脉之中(图 2e)，同时在花岗岩和二长岩体之中我们都发现了不少显微等级的由黑云母-绿帘石细小颗粒组成的奇形怪状的微细煌斑岩脉(图 2f)。同时，大规模的幔源岩脉活动会伴随有地幔脱气或者幔汁过程，也应当是可以推想并值得进一步研究的。初步观察，煌斑岩脉的含Cr量不如高铬花岗岩，且Cr主要赋存于黑云母之中，所以高铬花岗岩中Cr的来源若仅仅考虑煌斑岩脉的固体扩散是远远不够的。
5 成因讨论 5.1 低铝型TTG在太古宙独立的低铝型TTG比较少见，一般都公认是在当时相对较低的地热梯度下地壳较浅处，一大套基性岩石俯冲并发生部分熔融，斜长石作为残渣时的熔融产物。在印度Closepet花岗岩体的北端，Dey et al.(2009) 曾报导有低铝型TTG，认为是来源于受到地壳混染的亏损型的俯冲滑片的部分熔融，含Y和Rb较高，而Ca和Sr低，受斜长石残余的控制，含Cr 53×10-6~89×10-6，属较高，作者未作解释。
在本区低铝TTG出露于古洋壳残片两侧，同时发现了角闪二辉麻粒岩残渣包体，证明是古洋壳俯冲至角闪麻粒岩亚相条件下部分熔融的产物。尽管全部属于低铝型，但有的样品HREE高，负Eu异常；也有的样品HREE较低，出现正Eu异常，反映源区俯冲深度并不完全相同，受斜长石、角闪石和辉石熔融比例的控制，从包体看与石榴石无关。尚义TTG含Cr变化大(6.56×10-6~145×10-6)，应与固结后的地幔流体交代有关。阿曼新生代蛇绿岩套中也发现了高铬的受到地幔流体交代混合的地幔斜长花岗岩(Rollinson, 2009)。
5.2 富钾高铬花岗岩(Closepet-like)Closepet花岗岩是一个使用很早的名称，Allen et al. (1986) 首先推出，起先只认为是个一般的混合花岗岩。后来发现含单斜辉石，不可能由TTG简单地部分熔融而形成，于是出现了壳幔混合成因说(Jayananda et al., 1995)。
不顾Chadwick et al. (1997) 对该术语的反对，Moyen and Martin(2001, 2003)仍使用Closepet granite但限于高HFSE(高场强元素较高)同时富K和LILE，既富地壳元素，又含地幔元素的花岗岩，认为是上升的幔源流体引起饱和水的TTG岩石的部分熔融并与之混合便可生成Closepet花岗岩，他将幔源流体称为Closepet primitive liquid(原液)，过份强调了Closepet花岗岩成因上的幔源性。也有的学者(如Dey et al., 2009)在南印度不称其为Closepet花岗岩，而称为anatectic granits(深熔花岗岩)。南印度Closepet花岗岩含铬不是太高(Cr 20×10-6~50×10-6)，故未称之为高铬花岗岩。南印度也有幔源的赞岐岩，含铬高一点可达150×10-6。
5.3 基性脉岩在南印度古缝合带附近，从TTG到Closepet岩体之中也存在大量的基性岩脉，而且是真正的基性岩脉，可以从岩浆房到冷凝后划分为若干期注入的基性岩脉(Prabhakar et al., 2009; Jayananda et al., 2009)，和我国尚义杂岩相比，南印度基岩脉岩更低硅(SiO2 46%~51%)，而更富铬(Cr 104×10-6~564×10-6)，显然来源于地幔，印度学家们都称其为同步侵入的(Synplutonic)，还认为壳源花岗岩体的结晶引起了地幔的减压熔融。笔者觉得反过来幔源熔体引起了壳源TTG的再熔化似乎更符合逻辑。
在中部Karelia地区，俄罗斯学者们报导了在晚太古代赞岐岩体之中也有大量的煌斑岩脉(Kovalenko, 2008; Lobach-Zhuchenko et al., 2008)。他们认为二者在地化性质上很类似，无论赞岐岩还是煌斑岩都是幔源同源的，都可以从超镁铁-镁铁质一直到石英二长岩的成分，并推断源区地幔曾受到俯冲滑片及其熔体的强烈交代作用。对于赞岐岩和大量煌斑岩的出现，Halla and Hunen (2009) 和Heilimo and Halla (2010) 特别强调是起因于俯冲带的夭折中断。
在我国尚义杂岩中，含石英的二长岩及其中大量的基性脉岩在化学成分上大致可以与赞歧岩相类比。它们源于地幔，理应含Cr最高，而实际并非如此。本区含Cr最高的是富钾高铬的类似于Closepet的深熔花岗岩。因此初步推断：Cr不完全属于难熔的相容元素，也不是固体扩散，在特定条件下可能会变为易熔的幔源元素，在深熔花岗岩的液态阶段便与幔源岩浆发生了混合和复杂的交代反应。
6 结论综合来看，我们对高铬花岗岩提出三阶段的成因模式：
(1) 新太古代大约在20℃/km相对较高的地热条件下，俯冲滑片埋深不大，仅到角闪麻粒岩亚相并未充分脱水时便开始部分熔融而形成低铝型的TTG岩浆。当然在更深时亦发生部分熔融，因受石榴石残渣的控制，便生成各种高铝型TTG岩石。
(2) TTG岩浆及伴随的流体在上升过程中有相当一部分可能被地幔楔吸收同化。当然俯冲的洋壳和洋幔也会对地幔楔产生重大影响，特别是与洋底蚀变了的蛇纹石俯冲过程中二次脱水时，某些相容元素在俯冲流体中便可能变成可熔性的(Scambellari et al., 2001)。不均一的交代地幔部分熔融和上涌，便形成赞歧岩浆，各种基性岩脉和煌斑岩活动，这是俯冲带夭折和中断的信号(Halla and Hunen, 2009, Heilimo et al., 2010)。
(3) 由于太古代滑片的软弱性，俯冲滑片由于斜长角闪岩变成榴辉岩，比重加大下沉增快，以及上部斜长角闪岩受到混合岩化而浮力变大等因素的影响，便极易发生俯冲滑片被拉断。尚义洋壳残片未经高压变质，的确系被拉断的残余。地幔楔的温度会随之提高，导致幔源赞歧岩浆的上涌，上涌的地幔物质势必引起已生成的TTG岩石的再熔融和复杂的交代反应。富钾高铬的深熔花岗岩及高铬的石英二长岩就是在这样的背景下形成的。
同时可见，低铝型TTG，富钾高铬花岗岩、高铬赞歧岩系列和煌斑岩脉等都与新太古代的热俯冲过程在成因上密切相关，它们自身的年龄可能较晚但都可以作为新太古代板片俯冲过程的重要佐证。
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