2021, Vol. 37
2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 岩石圈演化国家重点实验室, 北京 100029;
3. 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049;
4. 中国地质科学院矿产资源研究所, 自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037
2. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. MNR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Resource Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
TTG是英文单词Tonalite-Trondhejmite-Granodiorite首字母的缩写，最早由Jahn et al. (1981)提出。TTG又称太古宙灰色片麻岩，是指一套英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩的岩石组合，主要组成矿物为：石英、斜长石、角闪石和黑云母，几乎不含钾长石，副矿物有褐帘石、绿帘石、磷灰石、钛铁矿等。TTG的主要地球化学特征如下：SiO2含量为64%~70%，高Na2O>3%，低K2O/Na2O < 0.5，高La/Yb>30，Sr和Ba>500×10-6，低Yb < 1.9×10-6，Mg# < 40，低Cr和Ni含量，以及明显的Nb-Ta-Ti的负异常(Martin et al., 2005)。在K-Na-Ca离子三角图中，现代陆壳的花岗岩类显示富K的演化趋势，而太古宙TTG岩显示富Na的演化趋势。TTG是太古宙大陆地壳最重要的组成部分，它的成因关系到地球早期地壳的形成及演化(Condie, 2005; Martin, 1986; Smithies, 2000)。相平衡模拟和微量元素模拟计算结果显示，TTG是由含水变质基性岩部分熔融形成，残留相为石榴石角闪岩或者榴辉岩(Foley et al., 2002, 2003; Moyen and Stevens, 2006; Rapp et al., 1991; Wei et al., 2017)。关于TTG形成的构造环境，代表性的观点为：(1)形成于俯冲带，来自蚀变洋壳发生高压部分熔融形成(Defant and Drummond, 1990; Foley et al., 2002; Martin, 1986, 1999)；(2)形成于含水的加厚的镁铁质地壳部分熔融，大部分学者认为其产于地幔柱的垂向构造环境(Bédard, 2006; Condie, 2005; Smithies, 2000)；Nagel et al. (2012)对于微量元素模拟计算结果显示，弧性质的拉斑玄武岩在10~14kbar发生部分熔融形成的熔体与TTG成分非常契合，并提出岛弧加厚地壳产生早期TTG；(3)下地壳麻粒岩相部分熔融，来自初始物质为下地壳成分的实验岩石学研究结果表明，下地壳发生部分熔融形成TTG质熔体，最适合的温压条件是800~950℃、10~12.5kbar(对应的地壳深度为30~40km)(Qian and Hermann, 2013)，正常的地壳厚度即可以满足产生TTG的条件，并不一定需要加厚环境。
由于TTG具有明显的Nb-Ta-Ti的负异常，因此，有学者提出TTG的残留相为金红石、磁铁矿或者榍石，这些矿物具有高Ti含量的矿物也是俯冲带Nb和Ta的最主要的储库(Green, 1995; Klemme et al., 2005; Rapp et al., 2003; Schmidt et al., 2004)。Ta在金红石、钛铁矿中的配分系数高于Nb，说明金红石残留，使得对应的熔体具有高Nb/Ta比值。而另一方面，有些学者提出角闪石也是Nb-Ta主要的赋存矿物(Foley et al., 2002; Tiepolo et al., 2000)。不同成分的角闪石具有不同的Nb-Ta的分配系数。当富Nb-Ta的低镁角闪石作为残留相时，也可以造成对应的熔体具有Nb-Ta的亏损。在TTG形成过程中，不同残留相的存在，可能对应于不同的构造环境。因此，有关TTG的Nb/Ta比值与其成因的联系，对于判断TTG形成的构造环境有重要意义。
Nb和Ta这对孪生地球化学元素，两者具有相似的地球化学性质。球粒陨石的Nb/Ta比值为18~20，亏损地幔的Nb/Ta比值略低为11~16，大陆地壳的Nb/Ta比值更低为8~14(Münker et al., 2003; Rudnick et al., 2000)。因此，需要一个高于球粒陨石端元的储库来平衡，这一现象也被称为“Nb-Ta paradox”。有学者提出，富Nb端元存在于地核(Münker et al., 2003)；另外一些学者提出，榴辉岩具有高Nb/Ta比值，大部分榴辉岩会返回到地幔中，因此，深部地幔是高Nb/Ta的重要储库(Rudnick et al., 2000)。而Aulbach et al.(2008)提出榴辉岩本身具有低Nb/Ta比值，金红石的Hf同位素研究结果表明，高Nb/Ta比值的榴辉岩是在岩石圈地幔中被交代的结果。Hoffmann et al. (2011)根据TTG的主微量元素与同位素变化的关系，提出地壳分异是造成全球Nb/Ta比值循环的一个可能因素。他认为，太古宙下地壳麻粒岩相部分熔融形成高Nb/Ta比值的TTG，而中地壳部分熔融形成低Nb/Ta比值的TTG。随后，Stepanov and Hermann (2013)通过黑云母和多硅白云母的实验岩石学工作，提出中下地壳的麻粒岩具有高Nb/Ta比值，可能是重要的富Nb储库端元。
本文选择了华北克拉通阴山地块高级区出露的角闪岩-麻粒岩相变质的太古宙TTG片麻岩及镁铁质包体，对两者开展了黑云母和角闪石的微量元素分析及全岩地球化学分析，探讨太古宙高级变质地体中高Nb/Ta比值TTG岩石的成因及下地壳Nb/Ta比值变化的原因。
1 阴山地块区域地质背景华北克拉通基底由三个太古宙微陆块(东部陆块、阴山陆块和鄂尔多斯陆块)和三个古元古代构造带(孔兹岩带、中部带和胶-辽-吉带)构成(图 1a)。阴山地块位于华北克拉通西北部，是华北克拉通典型的太古宙变质基底之一。阴山地块太古宙基底岩石主要由固阳绿岩带、新太古代TTG、Sanukitoids、紫苏花岗岩、麻粒岩组成、镁铁质-超镁铁质岩石和变质沉积岩等组成(图 1b, Chen, 2007; Jian et al., 2012; Ma et al., 2013a; Wang et al., 2015)。前人在阴山地块识别出不同期次的岩浆活动，研究区出露的最古老的TTG岩石为2.70Ga的奥长花岗岩，位于西乌兰不浪以西的头号铁库地区(Dong et al., 2012; Ma et al., 2013)。在酒馆-下湿壕以北、西红山子地区、固阳以北地区出露有2.56~2.50Ma的TTG岩石组合(Jian et al., 2012)。Sanukitoids或高级变质的TTG片麻岩主要出露在西乌兰不浪和固阳一带，其形成时代介于2.56~2.52Ga之间(Jian et al., 2005; Ma et al., 2013b; Zhang et al., 2014; Wang et al., 2018)。Sanukitoids或高级变质的TTG片麻岩中的暗色矿物为角闪石、单斜辉石和少量黑云母，野外可以观察到内部含有大量的基性包体(Wang et al., 2018)。麻粒岩-紫苏花岗岩组合主要位于西乌兰不浪、阳泰沟和纳令沟地区，原岩形成时代为2.70~2.52Ga(Dong, 2012; Jin et al., 1991)。阴山地块出露的太古宙岩石普遍记录了晚太古代末期的区域角闪岩相-麻粒岩相变质作用。对西乌兰不浪、东伙房和纳令沟地区的紫苏花岗岩-麻粒岩记录的近峰期麻粒岩相变质作用时代为2.50~2.45Ga，变质的温压条件是T=600~900℃，P=5~10kbar，并获得了一条逆时针的P-T轨迹(Jin et al., 1991, 2002; Zhao et al., 2001, 2006)。在西乌兰不浪地区的含蓝晶石-石榴石的变泥质沉积岩的相平衡模拟计算结果获得，蓝晶石-石榴石变质沉积岩的峰期的压力是>14kbar，温度是~850℃，以及峰期后近等温降压的P-T轨迹。含蓝晶石-石榴石变泥质沉积岩的独居石SIMS年龄获得的变质年代为2520Ma(Wang and Guo, 2017)，说明阴山地块在晚太古代末期经历了强烈的区域变质作用。
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图 1 华北克拉通构造单元划分图(a, 据Zhao et al., 2005改编)和阴山地块固阳-武川地区地质简图及采样位置(b，据Ma et al., 2013b修改) 锆石U-Pb年龄数据来源：Chen (2007); Dong et al. (2012); Jian et al.(2005, 2012); Ma et al.(2013a, b); Wang et al.(2015, 2018)和Wang and Guo (2017) Fig. 1 Tectonic subdivision of the North China Craton (a, after Zhao et al., 2005) and simplified geological map of the Yinshan Block in the Guyang and Wuchuan areas and sampling locations (b, modified after Ma et al., 2013b) Zircon U-Pb data were compiled based on Chen (2007); Dong et al. (2012); Jian et al.(2005, 2012); Ma et al.(2013a, b); Wang et al.(2015, 2018); Wang and Guo (2017) |
本次研究的TTG岩石及包体主要采自阴山地块固阳-武川的朱拉沟地区、前脑包村、福顺店及大水卜洞地区(图 1b)，从岩石类型上包括了奥长花岗岩-花岗闪长岩-英云闪长岩(图 2)。这些富Na的TTG质岩石主要形成于2.70~2.52Ga(待发表)，在TTG岩浆结晶后又叠加了晚太古代2.50~2.49Ga的角闪岩-麻粒岩相的区域变质作用。
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图 2 阴山地块高级变质地体中TTG的An-Ab-Or分类图 Group 1：代表TTG具有明显正Eu异常，明显亏损重稀土，强烈轻重稀土分异；Group 2：微弱正Eu异常TTG，轻重稀土分异较大；Group 3：无正Eu异常的TTG，轻重稀土分异较大；Group 4：微弱正Eu异常TTG，轻重稀土分异较弱.数据待发表 Fig. 2 An-Ab-Or diagram for the TTG from the high-grade metamorphic terrane in the Yinshan Block Group 1: TTGs show clearly positive Eu anomaly with strongly depleted HREE; Group 2: TTGs show slightly positive Eu anomaly with high (La/Yb)N ratios; Group 3: TTGs show none Eu anomaly with high (La/Yb)N ratios; and Group 4: TTGs show slightly positive Eu anomaly with slightly high (La/Yb)N ratios |
朱拉沟岩体在野外呈粗粒，内部发育有非常丰富的包体类型，包括：同源的角闪辉石岩(图 3a-c)，非同源捕获的麻粒岩、片麻岩、橄榄岩、蛇纹岩和纤闪石岩包体等(Wang et al., 2020)。同源包体主要表现为朱拉沟岩体与包体之间界限不规则，两者过渡地区发育有石榴石的冠状体(图 3d)。两者之间的成因关系详见2.3节。前脑包地区的TTG岩类发生了明显的变形(图 3e, f)，大水卜洞和壕赖沟岩体为弱变形。前脑包和大水卜洞地区出露的包体呈团块状出露在TTG片麻岩中，包体的岩石类型主要为斜长角闪岩(图 3g)。
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图 3 阴山地块TTG及镁铁质包体的野外照片 (a-d)朱拉沟地区高级变质花岗闪长岩及内部镁铁质包体的野外地质特征(改自Wang et al., 2018)；(e、f)前脑包地区TTG发生强烈变形；(g、h)大水卜洞地区TTG岩类及包裹的石榴石斜长角闪岩包体的野外地质特征 Fig. 3 Field photographs of TTG and mafic enclaves from the Yinshan Block (a-d) outcrop photographs of the Zhulagou granodiorites and mafic enclaves (modified after Wang et al., 2018); (e, f) Qiannaobao TTG were strongly deformed in the field; (g, h) outcrop photographs of the Dashuibudong TTG and garnet-bearing amphibolite |
朱拉沟花岗闪长岩在显微镜下具有典型的花岗变晶结构，主要由石英、斜长石、钾长石、斜方辉石、单斜辉石、角闪石、黑云母、石榴石和少量的副矿物(锆石、磷灰石和磁铁矿)组成(图 4a, b)。角闪辉石岩包体与朱拉沟花岗闪长岩具有相似的矿物组成，但是矿物比例明显不同，包体主要由单斜辉石、斜方辉石、角闪石、黑云母和少量的钾长石、斜长石和磁铁矿组成(图 4c, d)。前期工作结果表明，包体中的单斜辉石、斜方辉石、角闪石和黑云母与寄主花岗闪长岩中的矿物成分相似(Wang et al., 2018)。不同点在于镁铁质包体中的矿物具有较高的Cr含量(Opx: 267×10-6~827×10-6; Bt: 867×10-6~1988×10-6; Cpx: 552×10-6~1690×10-6; Amp: 926×10-6~3511×10-6)，而寄主花岗闪长岩中矿物的Cr含量相比较低(Opx: 180×10-6~261×10-6; Bt: 455×10-6~811×10-6; Cpx: 236×10-6~364×10-6; Amp: 412×10-6~999×10-6)(Wang et al., 2018)。
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图 4 阴山地块TTG及镁铁质包体的显微镜下照片 (a、b)朱拉沟花岗闪长岩具有花岗变晶结构，主要由石英、斜长石、钾长石、斜方辉石、单斜辉石、角闪石和黑云母组成；(c)朱拉沟花岗闪长岩与包体接触界限不规则；(d)朱拉沟镁铁质包体主要由与寄主岩石主要成分相近的单斜辉石、斜方辉石、角闪石和黑云母组成(a-d, 改自Wang et al., 2018)(e、f)大水卜洞花岗闪长岩中的斜长角闪岩包体，主要由角闪石、斜长石、黑云母和少量石榴石组成。矿物缩写：Cpx-单斜辉石；Opx-斜方辉石；Bt-黑云母；Amp-角闪石；Grt-石榴子石；Pl-斜长石；Kfs-钾长石；Qtz-石英 Fig. 4 Photomicrographs of TTG and mafic enclaves from the Yinshan Block (a, b) the Zhulagou granodiorites mainly consist of quartz, plagioclase, K-feldspar, orthopyroxene, clinopyroxene, amphibole and biotite; (c) irregular contact boundary between Zhulagou granodiorite and mafic enclave; (d) Zhulagou mafic enclaves are mainly composed of clinopyroxene, orthopyroxene, amphibole and biotite (a-d, modified after Wang et al., 2018); (e, f) the garnet-bearing amphibolite within the Dashuibudong granodiorite, which is mainly composed of amphibole, plagioclase, biotite and minor garnet. Mineral Abbreviations: Cpx-clinopyroxene; Opx-orthopyroxene; Bt-biotite; Amp-amphibole; Grt-garnet; Pl-plagioclase; Kfs-K-feldspar; Qtz-quartz |
大水卜洞地区的TTG片麻岩主要由石英、斜长石、角闪石和黑云母组成。包体类型为石榴石斜长角闪岩，显微镜下具有粒状变晶结构，主要组成矿物为角闪石、斜长石、黑云母和少量石榴子石(图 4e, f)。黑云母呈暗红色，呈残片状存在于角闪石的内部，指示岩石经历了高角闪岩相变质作用。
2.3 TTG与包体的成因联系前期通过对朱拉沟地区的花岗闪长岩和镁铁质包体进行的详细的全岩地球化学、矿物微量元素、锆石U-Pb定年和Hf-O同位素的研究，揭示出镁铁质包体属于同源包体，更可能代表了岩浆结晶分异的析离体，而非围岩的捕虏体(Wang et al., 2018)。主要证据如下：第一，对镁铁质包体中的岩浆锆石进行了SIMS U-Pb定年，得到的207Pb/206Pb加权平均年龄为2524±3Ma。寄主花岗闪长岩的形成时代为2518±3Ma，两者在误差范围内一致(图 5)，说明镁铁质包体与寄主闪长岩近同时形成。第二，两者具有相似的全岩Nd同位素εNd(t)组成(图 6a)，此外，尽管镁铁质包体部分岩浆锆石受到变质作用的影响导致δ18OZrc值降低，但是两者的岩浆锆石氧同位素δ18OZrc变化范围整体在8‰~9‰之间(图 6b)，说明两者来源于同源岩浆演化。在镁铁质包体中发育的长柱状、板状的岩浆锆石，边部存在一个窄的变质增生边，另一类锆石为浑圆状的，阴极发光具有冷杉叶状结构或扇形结构的变质锆石(图 5b)。两类变质锆石给出的变质时代为2490±8Ma，晚于岩浆结晶时代，说明岩石是在成岩后又叠加了晚期的变质作用，即岩浆作用在前，变质作用在后。岩石中的角闪石、黑云母和辉石应该代表了麻粒岩相平衡后的产物。由于朱拉沟地区的岩石与包体同源关系清楚，因此，选择朱拉沟地区的花岗闪长岩和包体中的暗色矿物进行微区原位微量元素分析，来探讨麻粒岩相过程中，矿物在寄主岩石和同源包体的Nb-Ta变化关系。
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图 5 朱拉沟花岗闪长岩(a)和镁铁质包体(b)的锆石SIMS U-Pb年龄协和图(据Wang et al., 2018修改) Fig. 5 Zircon SIMS U-Pb dating results for the Zhulagou diorites (a) and mafic enclaves (b) (modified after Wang et al., 2018) |
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图 6 朱拉沟花岗闪长岩和镁铁质包体的岩浆形成年龄-εNd(t)图(a)及岩浆锆石δ18OZrc (‰)值(b)(据Wang et al., 2018修改) Fig. 6 Plot of formation age vs. εNd(t) (a) and plots of magmatic zircon oxygen isotope compositions (b) for the Zhulagou granodiorites and mafic enclaves (modified after Wang et al., 2018) |
对于脑包村、福顺店及大水卜洞地区出露的斜长角闪岩是否代表部分熔融残留相或者围岩捕获的包体，仍需要进一步的年代学和同位素工作的制约。从显微镜下观察，大水卜洞地区的斜长角闪岩中黑云母呈暗红色、残片状、他形分布，指示黑云母发生了脱水熔融，并且峰期仅有少量黑云母残留。斜长角闪岩中，单斜辉石发育较少，斜方辉石未出现，说明角闪石脱水熔融反应发生有限，因此，峰期变质过程应该有大量角闪石残留，估算变质峰期温度不超过850℃。该地区发育的斜长角闪岩包体与朱拉沟地区的镁铁质包体明显不同，更可能代表了高角闪岩相的熔融残留体或捕虏体，下文将分别就这两方面成因进行讨论。
3 分析方法矿物微量元素分析在中国科学院地质与地球物理研究所的应用多接收-电感耦合等离子体质谱实验室完成，型号为美国Agilent公司生产的Agilent7500a四极杆电感耦合等离子体质谱仪(Q-ICP-MS)，配备有193nm ArF准分子激光剥蚀系统。本次实验的激光剥蚀束斑直径为44~60μm，频率为8~10Hz，电压为26kV，激光能量密度约为10J/cm2。实验采用点剥蚀模式，每个分析点的气体背景采集时间约为10~15s，信号采集时间为65s。质量歧视和元素分馏效应校正采用外部标准校正方法。每测定8~10个样品点测定1个NIST SRM610。各元素浓度的计算同样采用GLITTER程序，以NIST SRM610作外标，分析不同矿物的内标元素不同。黑云母以29Si为内标，角闪石以43Ca为内标，对应的数值为电子探针分析所得。本文涉及的角闪石和黑云母的微量元素数据详见表 1及Wang et al. (2018)。
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表 1 阴山地块固阳朱拉沟地区花岗闪长岩和麻粒岩/镁铁质包体中角闪石微量元素含量(×10-6)分析结果 Table 1 Trace element compositions (×10-6) for the amphibole in the granodiorite and granulite/mafic enclave from the Yinshan Block |
朱拉沟镁铁质包体中的角闪石Ta含量介于0.4×10-6~1.1×10-6之间，Nb的变化范围15×10-6~35×10-6之间，Nb/Ta比值变化范围为30~50之间(图 7a)。与之相对比，寄主花岗闪长岩中的角闪石具有更低的Ta含量(< 0.7×10-6)，略低的Nb含量(11×10-6~30×10-6)，Nb/Ta比值变化范围在38~70(图 7b)。花岗闪长岩和镁铁质包体中的角闪石具有相似的Mg#值，变化范围在56~63，由于角闪石的Mg#值变化非常小，因此，角闪石的Mg#与Nb/Ta比值没有相关性。角闪石的Ta和Cr呈正相关关系，Nb/Ta与Cr含量呈负相关关系(图 7c, d)。此外，无论是包体还是寄主岩石中的角闪石Nb/Ta比值与Ti含量变化关系不明显(图 7e, f)。例如，在镁铁质包体中随着角闪石Ti含量的升高，Nb/Ta比值没有发生明显的改变(图 7f)。
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图 7 朱拉沟地区花岗闪长岩中角闪石或黑云母的微量元素含量与比值图 (a) Ta-Nb/Ta; (b) Ta-Nb; (c) Cr-Ta; (d) Cr-Nb/Ta; (e) Ti-Ta; (f) Ti-Nb/Ta Fig. 7 Selected trace element compositional variations for the amphibole and biotite in the Zhulagou granodiorite |
朱拉沟地区花岗闪长岩中黑云母的Nb含量为13.6×10-6~21.4×10-6，Ta含量为0.306×10-6~0.492×10-6。镁铁质包体中的Nb含量比寄主岩石略高，变化范围为17.1×10-6~27.0×10-6，Ta含量为0.344×10-6~0.63×10-6。寄主花岗闪长岩和镁铁质包体具有相似的Nb/Ta比值，变化范围均为40~50。包体中的黑云母Cr含量(867×10-6~1988×10-6)明显高于寄主岩石(455×10-6~710×10-6)。黑云母中的其他微量元素如V、Ni、Zn、Ba和Rb等在在包体和寄主岩石中变化范围接近。
阴山地块太古宙TTG片麻岩全岩的Nb和Ta的含量分别为0.15×10-6~14.8×10-6和0.01×10-6~0.6×10-6，Nb/Ta比值变化为13~65，平均值为31；斜长角闪岩/麻粒岩包体全岩的Nb和Ta的含量分别为1.86×10-6~12.2×10-6和0.16×10-6~0.6×10-6，Nb/Ta比值变化为10~56，平均值为20。
5 讨论 5.1 太古宙TTG和同源镁铁质包体中角闪石的Nb/Ta分馏通过对固阳朱拉沟地区出露的TTG和镁铁质包体中的角闪石微量元素分析结果显示，镁铁质包体中的角闪石具有更高的Ta和Nb含量，Nb/Ta比值变化范围为30~50之间(图 7a)。与之相对比，TTG岩石中的角闪石具有更低的Ta和Nb含量，但明显更高的Nb/Ta比值(38~70)(图 4b)，说明角闪石在TTG和包体中发生了明显的分馏。TTG和包体中的黑云母具有相近的Nb/Ta比值，变化范围在40~50之间，说明黑云母的Nb/Ta在TTG和包体之间不存在明显的分馏(图 7a, b)。由于单斜辉石和斜方辉石中的Nb和Ta含量都很低，因此，角闪石和黑云母是TTG和包体中最重要的Nb和Ta的载体。黑云母在包体和寄主岩石没有发生明显分馏，但是，角闪石在TTG岩体中具有明显更高的Nb/Ta比值，因此，角闪石可能是控制两类岩石全岩Nb/Ta分馏的主要矿物。
前人实验岩石学结果显示，角闪石/熔体的Nb、Ta和Nb/Ta分配系数分别是DNb=0.16~0.9，DTa=0.13~0.68，DNb/Ta=0.76~2.81(Li et al., 2017; Tiepolo et al., 2000; Foley et al., 2002)。角闪石/熔体的Nb/Ta分馏明显受控于角闪石的结构和熔体的成分(Foley et al., 2002; Tiepolo et al., 2000)。Tiepolo et al. (2000)开展的实验岩石学结果揭示，Ti主要占据角闪石的M1位置，角闪石/熔体的DNb与M1位置的DTi具有强烈的正相关性，而与M2位置的DTi关系不明显。M1位置的Ti可以与Fe2+或者Mg2+进行类质同象的替换，从而建立了角闪石的Mg#与Nb/Ta的协变关系。角闪石/熔体的Nb/Ta随Mg#的升高而降低，当Mg#超过80时，角闪石的Nb/Ta不再发生分馏(Foley et al., 2002)。最近，Li et al. (2017)开展的有关含水玄武质岩石中角闪石的实验岩石学研究表明，角闪石/熔体的Nb/Ta分馏与全岩的TiO2含量和fO2关系不明显，主要与温度、熔体成分和H2O含量相关。角闪石的/熔体的DNb/Ta随着温度的降低和熔体H2O含量的降低而不断升高(Linnen and Keppler, 1997)。在岩浆结晶过程中，随着含水量的不断演化，使得角闪石/熔体之间的Nb/Ta分配系数也随之升高(Li et al., 2017; Tiepolo and Vannucci, 2014)。
固阳-武川朱拉沟地区晚太古代2.52Ga花岗闪长岩中的镁铁质包体代表了同源岩浆过程中的堆晶产物，两者具有相似的形成年龄和锆石氧同位素组成(图 5、图 6, Wang et al., 2018)。花岗闪长岩和镁铁质包体共同经历了约2.50~2.49Ga的麻粒岩相变质作用(图 5b)，变质温度在>800℃。花岗闪长岩和镁铁质包体中的角闪石具有相似的Mg#值，变化范围在56~63(Wang et al., 2018)，这反映了寄主岩石与包体中的角闪石Nb/Ta分馏与Mg#没有明显的相关性。花岗闪长岩和镁铁质包体中角闪石的Cr与Nb、Ta的含量呈正相关关系(图 7c)，Cr与Nb/Ta比值呈负相关关系(图 7d)，说明角闪石的Cr含量会影响Nb/Ta的分配系数，越富Cr的角闪石，DNb/Ta越低。无论是花岗闪长岩和镁铁质包体中的角闪石Ti含量与Nb/Ta比值之间没有良好的相关性，说明角闪石Mg#相近的情况下，Nb/Ta比值与Ti含量之间的协变关系较弱。此外，花岗闪长岩中的角闪石具有明显高于球粒陨石的Nb/Ta比值(40~70 vs. 18~20)，说明含高Nb/Ta比值角闪石的母岩浆可能形成于源区具有高Nb/Ta比值的岩石发生部分熔融或由麻粒岩相再平衡导致的。
5.2 高Nb/Ta的TTG的成因太古宙的TTG岩石在地球化学特征上表现为具有高Na2O特征，明显的Nb、Ta和Ti的负异常，以及高Sr/Y比值和亏损HREE的特征(Martin, 1999; Martin et al., 2005)。有关TTG的Nb/Ta比值与其成因之间的联系，一直被受关注。早期，Foley et al. (2002)发现大部分TTG具有低于球粒陨石的Nb/Ta比值，因此，提出含金红石的榴辉岩不是产生TTG的主要源区，而更可能是加厚地壳的石榴石角闪岩发生部分熔融形成TTG。Rapp et al.(1999, 2003)通过实验岩石学的研究，证实了低Nb/Ta比值的含水玄武岩在榴辉岩相发生部分熔融可以产生TTG熔体，并且角闪石的残留不能造成明显的Nb和Ta的负异常。因此，他认为太古代TTG片麻岩是由具有低Nb/Ta比值的含水玄武质岩石在榴辉岩相部分熔融产生的。实验岩石学研究表明，无水的洋壳发生榴辉岩相部分熔融不能产生高Nb/Ta的TTG岩浆(Xiong et al., 2005, 2011)。Li et al. (2017)进一步提出，高Nb/Ta比值的TTG是由含金红石的榴辉岩部分熔融形成，低Nb/Ta比值的TTG为石榴角闪岩部分熔融形成。第二种观点认为，具有与岛弧性质相似的绿岩带中的玄武质岩石发生部分熔融可以产生TTG(Adam et al., 2012)，TTG的Nb-Ta的负异常特征是继承了源区的性质。太古宙下地壳发生麻粒岩相部分熔融，主要受金红石或者磁铁矿控制，金红石和磁铁矿这些矿物相比Nb，更富Ta，金红石、磁铁矿作为残留相，使得残留体具有低Nb/Ta比值，而对应的熔体具有高Nb/Ta比值(Hoffmann et al., 2011)。总结以上观点，高Nb/Ta比值的TTG的成因可能有：(1)来源于含有金红石榴辉岩的部分熔融；(2)下地壳麻粒岩相部分熔融，副矿物金红石和磁铁矿作为主要残留相。
对于阴山地块出露的高Nb/Ta比值的TTG岩石的成因分以下两种可能性做讨论。第一种可能性，斜长角闪岩包体作为捕虏体，则应该与阴山地块大陆下地壳的成分相近，即与TTG源区成分接近。我们汇总了全球TTG岩石的高精度ICP-MS数据结果，得到TTG具有变化的Nb/Ta比值为1~85，平均值为15.48(数据来源于Johnson et al., 2019, N =304)。对于全球范围内的绿岩带中的科马提质玄武岩分析结果显示，它们具有与TTG相近的Nb/Ta比值(平均值为14)(Jochum et al., 2001)。这些科马提质岩石是太古宙地幔发生高程度部分熔融的产物，而地幔部分熔融过程，岩浆不会发生明显的Nb/Ta分馏，因此，说明太古宙科马提质玄武岩与地幔具有相似的Nb/Ta比值(Li et al., 2017)。阴山地块固阳地区的斜长角闪岩/基性麻粒岩包体具有变化的Nb/Ta比值，变化范围为10~56(图 8)。通常情况下，地幔部分熔融形成基性岩石，会继承地幔的Nb/Ta比值，例如，科马提质玄武岩的Nb/Ta平均值为15左右。阴山地块出露的斜长角闪岩和麻粒岩Nb/Ta比值明显偏高，这些岩石作为下地壳的主要岩石载体，说明它们受到了后期的改造，导致Nb/Ta发生变化。当它们再次发生部分熔融时，会产生Nb/Ta比值变化的TTG熔体。阴山地块斜长角闪岩/麻粒岩的Nb/Ta比值变化为10~56，而TTG岩石的Nb/Ta比值变化范围为13~65，平均值为31(图 8)。因此，我们认为TTG熔体中变化的Nb/Ta比值是继承了源区斜长角闪岩或者麻粒岩具有变化的Nb/Ta比值的特征。
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图 8 阴山地块TTG与镁铁质包体的全岩主量元素和微量元素比值图 (a) Zr/Sm-Nb/Ta；(b) SiO2-Nb/Ta. 数据待发表. ZLG-朱拉沟; DM-亏损地幔；CC-大陆地壳；CHUR-球粒陨石均一化储库 Fig. 8 Selected whole-rock major and trace element ratios for TTG and mafic enclaves from the Yinshan Block (a) Zr/Sm vs. Nb/Ta; (b) SiO2 vs. Nb/Ta. Data were under review. ZLG-Zhulagou; DM-depleted mantle; CC-continental crust; CHUR-chondritic uniform reservoir |
第二种可能性，斜长角闪岩或麻粒岩包体作为部分熔融的残留体。在发生部分熔融时，残留体中通常含有金红石或者磁铁矿，金红石和磁铁矿相对于Nb更富集Ta，因此，Ta会全部进入残留体，进入熔体中的Ta会非常低，导致熔体中具有高Nb/Ta比值，而残留体具有低Nb/Ta比值，也就是说部分熔融过程，会使得麻粒岩残留体具有更低的Nb/Ta比值。目前，阴山地块的斜长角闪岩/麻粒岩具有变化的Nb/Ta比值(10~56)。鉴于它们本身具有较高Nb/Ta比值，当斜长角闪岩/麻粒岩作为残留体存在，说明在熔体抽取之前，原始的斜长角闪岩/麻粒岩应该具有更高的Nb/Ta比值。也支持上述观点，即高Nb/Ta比值的TTG岩石源于高Nb/Ta比值的斜长角闪岩/麻粒岩部分熔融。
通过上述研究结果，我们认为，高Nb/Ta比值的TTG具有多种成因，并不能与含金红石的榴辉岩相部分熔融建立直接的成因联系。也就是说高Nb/Ta比值TTG并不一定来自含金红石的榴辉岩部分熔融形成，高Nb/Ta的TTG可以由被改造的具有高Nb/Ta比值的下地壳斜长角闪岩/麻粒岩发生部分熔融形成。
5.3 下地壳岩石Nb/Ta变化的可能原因在太古宙低级变质的TTG片麻岩中，黑云母和角闪石通常作为主要的暗色矿物。最新的实验岩石学研究结果显示，在熔体与黑云母/多硅白云母中，黑云母/多硅白云母、低镁角闪石会优先富集Nb，使得DNbmineral-melt/DTamineral-melt>1(图 9a, Stepanov and Hermann, 2013)。因此，由黑云母和角闪石参与的地壳部分熔融会导致Nb/Ta的分馏。假设初始部分熔融的岩石具有与球粒陨石相似的Nb/Ta比值为18，岩石在中部地壳发生部分熔融，形成的富黑云母的残留体具有高Nb/Ta比值(30)，对应的熔体则具有低Nb/Ta比值(10)。当富黑云母的残留体在下地壳再次发生角闪岩-麻粒岩相部分熔融时，黑云母发生分解，富Ta的金红石或者磁铁矿作为残留体，Ta进入金红石或磁铁矿，进入熔体的Ta含量非常低，导致熔融形成的熔体则具有高Nb/Ta比值(图 9b)。因此，太古宙富黑云母的岩石发生部分熔融，可以形成高Nb/Ta比值的TTG熔体。同样，部分低镁的角闪石也具有高的DNbmineral-melt/DTamineral-melt>1，富角闪石的残留体再次发生部分熔融时候，当辉石、金红石或磁铁矿作为残留相的时候，大部分Ta会进入残留相，而导致熔体中Nb-Ta分馏，使得熔体具有高Nb/Ta比值。这说明由黑云母和角闪石参与的地壳分异过程会导致Nb/Ta的分馏，中下地壳富集黑云母和角闪石的残留体及高级变质的TTG可能是硅酸盐地球中一个重要的高Nb/Ta的储库(Stepanov and Hermann, 2013; Tiepolo and Vannucci, 2014)。
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图 9 不同矿物Nb-Ta的分配系数(a)与地壳富黑云母/角闪石的残留体发生部分熔融形成高Nb/Ta比值熔体(b, 据Stepanov and Hermann, 2013修改) 矿物缩写：Cpx-单斜辉石；Phl-金云母；Amp-角闪石；Bt-黑云母；Phe-多硅白云母；Rt-金红石；Ilm-钛铁矿 Fig. 9 Partition coefficients for Nb and Ta for minerals (a) and partial melting of biotite/amphibole-rich residues would like to produce melts with high Nb/Ta ratios (b, modified after Stepanov and Hermann, 2013) Mineral abbreviation: Cpx-clinopyroxene; Phl-phlogopite; Bt-biotite; Phe-phengite; Rt-rutile; Ilm-ilmenite |
另一方面，由于富Ti的多硅白云母相对于Ta会优先富集Nb(图 9a)，因此，俯冲带的沉积物或者蚀变洋壳在发生不断脱水的过程中，Nb会优先进入到多硅白云母中，使得含多硅白云母的残留的片岩或榴辉岩具有高Nb/Ta比值。含有金红石的榴辉岩是在多硅白云母脱水之后另外一个富Nb-Ta的储库，可以进入到地幔更深处(Chen and Zheng, 2015)。含多硅白云母的变质沉积岩或者洋壳俯冲至较深的地幔，并发生多硅白云母脱水部分熔融时，形成的熔体/流体会继承多硅白云母高Nb/Ta比值的特点，可以解释部分岛弧岩浆具有富K和富Nb的特征(Liu and Gao, 2007; Stepanov and Hermann, 2013)。上述过程表明，含多硅白云母的变质沉积岩或榴辉岩在深俯冲过程发生脱水熔融，会释放高Nb/Ta的熔体或者流体。无论这些熔体是直接进入地壳，或者先进入地幔，地幔再发生部分熔融进入地壳，都会携带高Nb/Ta比值的熔体和流体。这些熔/流体不断交代和改造下地壳麻粒岩或斜长角闪岩的成分，使其具有高Nb/Ta比值。当被改造的下地壳岩石再次发生部分熔融，会形成具有高Nb/Ta比值的熔体。综上，我们提出，大陆中下地壳的Nb/Ta比值不仅明显受到黑云母和角闪石脱水过程的影响，也可能受到来自俯冲带释放的熔/流体的交代作用影响。不断分异并被改造的中下地壳可能是作为高Nb/Ta比值的一个重要的端元。黑云母和角闪石在大陆地壳部分熔融过程中的Nb-Ta变化行为，及其与残留相之间Nb-Ta分配系数是控制大陆下地壳Nb/Ta比值发生变化的关键。
6 结论本文通过对于华北克拉通阴山地块角闪岩-麻粒岩相变质TTG及镁铁质包体的全岩主微量元素分析，及同源镁铁质包体与寄主岩石的暗色矿物黑云母和角闪石的微量元素分析结果，得到以下结论：
(1) 阴山地块朱拉沟地区的花岗闪长岩及镁铁质包体中的角闪石具有相近的Mg#值，岩体中的角闪石具有较低的Cr和Ta含量和高Nb/Ta比值，而同源的镁铁质包体中的角闪石更富Cr和Ta，具有略低Nb/Ta比值。角闪石的Nb/Ta比值与Cr含量具有较好的相关性。
(2) 阴山地块TTG片麻岩普遍具有高Nb/Ta比值，斜长角闪岩和麻粒岩包体具有变化的Nb/Ta比值。阴山地块高Nb/Ta的TTG片麻岩可能来自高Nb/Ta比值的下地壳斜长角闪岩或麻粒岩的部分熔融，从而继承了源区高Nb/Ta的特征。
(3) 下地壳富角闪石或黑云母的岩石及部分TTG岩石可能是硅酸盐地球中高Nb/Ta比值的一个重要储库。下地壳富黑云母/角闪石的岩石部分熔融是会导致地壳Nb/Ta比值分异，并形成高Nb/Ta比值的熔体；含多硅白云母的变质沉积岩或榴辉岩在俯冲过程发生脱水熔融，释放高Nb/Ta的熔/流体可以进入下地壳并使其Nb/Ta比值升高。
致谢 感谢北京大学刘树文教授和中国地质科学院地质研究所万渝生研究员对文章提出的专业性评审意见，使得文章具有更清晰的研究思路和更深入的思考。感谢中国科学院地质与地球物理研究所钱青研究员与作者有益的交流和讨论，并对本文提出了建设性的修改意见。文章是基于现有数据结果得到的认识，文中仍有很多问题值得在今后的工作中不断更正和突破。实验室工作得到中国科学院地质与地球物理研究所杨岳衡、吴石头的帮助，野外工作得到中国科学院地质与地球物理研究所黄广宇、刘鹏和欧阳东剑的帮助，在此一并表示最诚挚的感谢。
祝贺沈其韩院士百年华诞，福寿无疆！
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