TTG巖套的成因及其形成環(huán)境

吳鳴謙,左夢璐,張德會,趙國春

中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京, 100083

內(nèi)容提要: TTG巖套是一類包含了三種巖性的巖石組合, 即英云閃長巖(tonalite)-奧長花崗巖(trondhjemite)-花崗閃長巖(granodiorite)。TTG巖套的規(guī)模在太古宙最大,是早期陸殼的主體且在各地質(zhì)歷史時期均有發(fā)育。該巖石組合是巖石學(xué)定名,多數(shù)樣品的地球化學(xué)特征相似: 富Na,高Al2O3(平均>15%),低Mg、Ni、Cr,富集LREE、虧損HREE、高Sr、低Y、低Yb且無明顯的負(fù)Eu異常。其微量元素特征與Adakite(高鍶低釔中酸性巖,“埃達(dá)克巖”)類似。目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)同其為變玄武質(zhì)巖石部分熔融后的熔體,主要爭論在于其源巖的變質(zhì)程度。筆者認(rèn)為TTG巖套的源區(qū)不應(yīng)局限于某個變質(zhì)相,而是涵蓋了較大的P-T范圍。對于其形成環(huán)境的探討,筆者認(rèn)為應(yīng)該以地球演化不同時期的地球動力學(xué)背景為前提,盲目地“將今論古”是不合理的。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上提出3.8Ga之前的TTG巖套可能是在板塊構(gòu)造未啟動的非俯沖條件下形成的；3.8～1.9Ga的TTG巖套產(chǎn)生在發(fā)育俯沖式板塊構(gòu)造且板塊構(gòu)造具有間歇式特點的背景下,此時可能既存在非俯沖環(huán)境下產(chǎn)出的TTG巖套也存在俯沖環(huán)境下產(chǎn)出的TTG巖套,而且其產(chǎn)出應(yīng)該具有幕式特征；古元古代之后的TTG巖套可能無一例外均是俯沖板片熔融的產(chǎn)物。

TTG巖套是一類包含了三種巖性的巖石組合, 即英云閃長巖(tonalite)—奧長花崗巖(trondhjemite)—花崗閃長巖(granodiorite)。TTG巖套的系統(tǒng)研究工作始于上世紀(jì)70年代(Anhaeusser et al., 1969; Bliss and Stidolph, 1969),因為這類巖石構(gòu)成了地球早期陸殼的主體,所以,TTG巖套成因研究是揭示早期地球演化特點的鑰匙(Condie, 2005a,b; Rollinson, 2009;張旗和翟明國, 2012)。

太古宙陸殼主要包括兩類巖石：高級變質(zhì)巖區(qū)內(nèi)的灰色片麻巖以及普遍變質(zhì)到綠片巖相的綠巖帶(郭安林, 1988; Windley, 1995)。古老克拉通(如南非Kaapvaal克拉通；澳大利亞Pilbara克拉通等)內(nèi)的TTG巖套產(chǎn)于高級變質(zhì)巖區(qū),是區(qū)內(nèi)最主要的巖石類型(Gill,2011),巖石普遍遭受強變質(zhì),并發(fā)生揉皺和混合巖化。據(jù)統(tǒng)計,在南非Kaapvaal克拉通,太古宙TTG巖套約占74%,在澳大利亞Yilgarn克拉通,太古宙TTG出露面積超過克拉通總面積的50%(張旗和翟明國,2012)。然而,早先從事前寒武紀(jì)研究的學(xué)者把主要精力放在對綠巖帶的研究上(綠巖帶中的科馬提巖與Ni—Cu鉑族元素礦床以及條帶狀硅鐵建造密切相關(guān)),故而長時間地忽略了這類與成礦關(guān)系不密切的巖石組合。直到Jahn 等 (1981)正式命名這類巖石學(xué)上由英云閃長巖(Tonalite)—奧長花崗巖(Trondhjemite)—花崗閃長巖(Granodiorite)組成的巖套為TTG之前,各國學(xué)者習(xí)慣稱其為“灰色片麻巖海(Sea of grey gneisses)”。值得一提的是,TTG巖套的出露并不局限于太古宙或冥古宙,其在元古宙和顯生宙也具有一定規(guī)模,這意味著TTG巖套是十分“長壽”的一類巖石組合,其演化特征可以反映地球的演化史。然而,關(guān)于其成因和形成環(huán)境等問題的解釋仍存在爭議,尤其是太古宙或冥古宙的TTG巖套更是被視為地球演化的一大謎團。TTG巖套的研究至今已四十多年,本文在總結(jié)前人豐碩成果的基礎(chǔ)上,探討其成因及可能的形成環(huán)境,并聯(lián)系板塊構(gòu)造的起源分析二者之間的關(guān)系,希望能為TTG以及地球演化歷史的研究提供一些新的思路。

1 什么是TTG？

1.1 TTG巖套的巖石—礦物學(xué)特征

英云閃長巖(Tonalite)：主要由石英和中性斜長石組成,含有少量黑云母和角閃石,在QAP圖解中的投影點落入圖1中的區(qū)域5。 奧長花崗巖(Trondhjemite)：即淡色英云閃長巖(leucotonalite),主要由鈉質(zhì)斜長石和石英組成,正長石含量低,幾乎不存在黑云母以及角閃石等暗色礦物,在QAP圖解中的投影點落入?yún)^(qū)域5。 花崗閃長巖(Granodiorite)：主要由石英和鈉質(zhì)斜長石組成,堿性長石以及暗色礦物含量較少,在QAP圖解中的投點落入?yún)^(qū)域4(Gill, 2011; Le Maitre and Walter, 2002)。

圖2 (a) 標(biāo)準(zhǔn)化An(鈣長石)—Ab(鈉長石)—Or(正長石)圖解；(b) TTG巖套在K—Na—Ca三角圖上的投點位置Fig. 2 Normalized An(anorthite)—Ab(albite)—Or(orthoclase) diagram (a) and plot positions of TTG suites in K—Na—Ca triangular chart (b) 圖中灰色區(qū)域為全球TTG巖套的平均投影點位置(原圖據(jù)O’Connor, 1965),轉(zhuǎn)引自Rollinson, 2009)。To—英云閃長巖；Tdh—奧長花崗巖；Gd—花崗閃長巖；Gr—花崗巖 CA為鈣堿性曲線,演化的巖漿會越來越富鉀,而TTG巖套沒有表示出此特點(數(shù)據(jù)引自Martin et al., 2005; Condie, 2005b) grey zones are average plot positions of TTG suites (after O’Connor, 1965, modified by Rollinson, 2009). To—tonalite; Tdh—trondhjemite; Gd—granodiorite; Gr—granite CA trend is a calc—alkaline line indicating evolved magma showing a K-rich trend but that trend is not obvious in TTG suites(Data from Martin et al., 2005; Condie, 2005b)

圖1 QAP圖解,TTG巖套的礦物學(xué)投圖主要落入 4和5兩個區(qū)域(據(jù)Le Maitre and Walter, 2002)Fig. 1 TTG suites are primarily in zone 4 and zone 5 according to QAP classification graph (after Le Maitre and Walter, 2002)

圖2a是O’Connor (1965)對TTG巖套按照CIPW—標(biāo)準(zhǔn)礦物的分類,也是判斷該巖套的最有效方法( 鄧晉福等, 2004; Rollinson, 1993; Rollinson, 2009)。有意義的是,TTG巖套中往往出現(xiàn)巖漿成因的綠簾石,指示巖漿的結(jié)晶作用在中—下地殼部位就已經(jīng)開始(Schimidt, 1996, 2004)。鑒于TTG巖套在命名時強調(diào)其為巖石學(xué)分類,因此,筆者認(rèn)為在判斷樣品是否為TTG巖套時,首先應(yīng)進行巖石—礦物學(xué)判別。

1.2 TTG巖套的地球化學(xué)特征

由表1和表2可以看出, TTG巖套的SiO2含量多數(shù)高于65%,且全部為鈉質(zhì)(圖2b),Na2O含量多數(shù)在3.0%～7.0%之間,K2O/Na2O比值<0.5,而且具有高Al2O3(平均>15%),低MgO、Ni、Cr等元素的特點。TTG巖套的微量元素蛛網(wǎng)圖(圖3a)和稀土元素配分曲線(圖3b)顯示其富集LREE、虧損HREE、高Sr、低Y、低Yb、且無明顯負(fù)Eu異常,暗示在巖漿分異過程中斜長石不作為殘留礦物存在,殘留礦物主要為角閃石和石榴子石。這樣的殘留相礦物組合為其打上了高壓的“烙印”(Martin et al., 2005; Moyen and Martin, 2012; Kay, 1978; Defant and Drummond, 1990; Peacock et al., 1994; Rollinson and Martin, 2005)。需要注意的是,Moyen (2011)在系統(tǒng)整理部分學(xué)者有關(guān)TTG巖套的地球化學(xué)數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)“TTG巖套”一詞的使用存在被擴大化的現(xiàn)象,不同學(xué)者對其認(rèn)識也存在差異。部分學(xué)者認(rèn)為高級變質(zhì)區(qū)內(nèi)的花崗質(zhì)片麻巖全部是TTG,然而,強烈的變質(zhì)變形以及片麻巖的深熔作用導(dǎo)致這些片麻巖是多種巖石類型的混合產(chǎn)出,其中包括部分鉀質(zhì)花崗巖和斜長巖,甚至一些角閃巖和變泥質(zhì)巖都被籠統(tǒng)地劃歸為TTG(Anhaeusser and Robb, 1983; Martin and Moyen, 2002; Steenfelt et al., 2005; Champion and Smithies, 2007),然而這些“假TTG”并不具有上述地球化學(xué)特征。此外,存在少量TTG樣品(10%左右)未表現(xiàn)出上述典型的地球化學(xué)特征,主要表現(xiàn)為Al2O3<15%、輕重稀土分異不明顯且具有負(fù)Eu異常。Arth and Hanson(1975)稱這樣的“非典型TTG”為“低Al2O3型TTG”,而具有典型地球化學(xué)特征的TTG則為“高Al2O3型TTG”。關(guān)于這類特殊的“低Al2O3型TTG”將在下一節(jié)繼續(xù)討論。筆者等在此說明,除特別標(biāo)注外,后文中提到的TTG巖套都是符合巖石學(xué)—礦物學(xué)特征的高Al2O3型TTG。

表1 不同時代的TTG巖套與高鍶低釔中酸性巖(Adakite)的地球化學(xué)特征(據(jù)Martin et al., 2005)

Table 1 Geochemical features of TTG suites during different geological periods and Adakites(after Martin et al., 2005)

TTG>3.5Ga3Ga

表2 不同時代的TTG巖套與高鍶低釔中酸性巖(adakite)的地球化學(xué)特征(據(jù)Condie, 2005b)

Table 2 Geochemical features of TTG suites during different geological periods and adakites (after Condie, 2005b)

古太古代TTG新太古代TTG元古宙TTG顯生宙TTGAdakiteSiO270.468.367.365.962.43TiO20.310.420.470.470.67Al2O315.215.515.816.517.05Fe2O3T2.793.424.044.113.99MgO0.961.391.481.673.31CaO2.743.263.424.366.53Na2O4.714.514.3344.25K2O2.222.22.32.141.42P2O50.10.140.140.120.26MnO0.060.070.080.090.08Th4.18.16.17.63.9U1.21.52.11.91.2Ni1722231264Cr4535553282Y8.59.117.314.59.7Zr152154152122117Nb6.16.27.16.79.7Hf3.84.74.33.43.3Ta0.410.840.720.750.6La2236261724Ce4065453465Nd1625181626Sm2.94.23.53.14.7Eu0.821.070.950.841.37Gd2.22.932.82.3Tb0.310.380.490.40.4Yb0.820.711.331.160.81Lu0.140.110.230.180.09Rb7667636315Ba500769717716309Sr3625154734931550(La/Yb)N253614.211.318.2Sr/Y72893756160Nb/Ta12139.912.216.1Mg#40.846.243.245.460.4K2O/Na2O0.510.510.560.680.33N(樣品數(shù)量)212831752698221

圖3 (a) TTG巖套和高鍶低釔中酸性巖(Adakite)的微量元素蛛網(wǎng)圖；(b) TTG巖套和高鍶低釔中酸性巖 (Adakite)的稀土元素配分圖解(數(shù)據(jù)引自表2,原始地幔和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)值引自Sun and McDonough, 1989)Fig. 3 (a)Normalized characteristics of trace elements in TTG Suites during different geological periods with modern adakites as a comparison;(b)Normalized characteristics of rare earth elements in TTG Suites during different geological periods with modern adakites as a comparison (Data from Table 2, primitive mantle and chondrite standards after Sun and MnDonough, 1989)

1.3 TTG巖套的成因模型

從20世紀(jì)70年代開始,一些學(xué)者嘗試探討TTG巖漿的成因,其中有影響力的是以下4種假說：

(1) 認(rèn)為TTG是含水變玄武巖部分熔融后的殘留相(Arth and Hanson, 1975; Arth, 1979)。這種觀點建立在太古宙地球比現(xiàn)在更熱,地溫梯度更高,以至于玄武質(zhì)巖漿達(dá)到75%以上的熔融程度,并形成大面積的TTG質(zhì)堆晶。但是自然條件下很難達(dá)到如此高的熔融程度,因此該假說在日后逐漸被摒棄(Martin et al., 2005)。

(2)認(rèn)為TTG巖漿可以是地幔直接部分熔融形成的,并普遍遭受了后期流體的交代(Peterman and Barker; 1976),然而這一過程無法形成TTG巖套普遍具有的高La/Yb比值和低HREE的稀土元素配分特征(Jahn et al., 1981, 1984)。

(3)認(rèn)為太古宙雜砂巖部分熔融可以形成TTG質(zhì)巖漿(Arth and Hanson, 1975),然而這一假說卻無法解釋為何TTG巖套全部富鈉。

(4) 認(rèn)為TTG熔體來自變質(zhì)到榴輝巖相或石榴角閃巖相的含水玄武質(zhì)巖石的部分熔融(Arth and Hanson, 1975; Condie and Hunter, 1976; Condie, 1981; Jahn et al., 1981, 1984; Martin, 1986, 1987; Ellam and Hawkesworth, 1988)。Martin (1993)在此基礎(chǔ)上提出TTG巖套的三階段成因模型(圖4)被認(rèn)為是目前最合理的成因模型。從圖5可以看出,這一模型把TTG熔體的產(chǎn)生條件限制在1、2和3三個區(qū)域,這三個相區(qū)域都可以滿足殘留相中石榴子石穩(wěn)定存在,斜長石不存在或微量存在的條件。

圖4 形成TTG巖套的三階段模型(據(jù)Moyen and Martin, 2012)Fig. 4 The 3-step model of forming TTG Suites (after Moyen and Martin, 2012) 第一階段：地幔部分熔融形成拉斑玄武質(zhì)巖石; 第二階段：變質(zhì)到榴輝角閃巖相或榴輝巖相的玄武巖部分熔融形成英云閃長質(zhì)母巖漿,殘留相為角閃石+石榴子石+單斜輝石+鈦鐵礦±斜長石; 第三階段：母巖漿分離結(jié)晶形成TTG巖套,堆晶為角閃石+鈦鐵礦±斜長石 Stage1: partial melting of mantle to produce tholeiitic rocks; Stage 2: partial melting of metamorphosed to garnet amphibolites or eclogites to produce tonalitic magma, with the residue composed of hornblende +garnet +clinopyroxene +ilmenite+plagioclase; Stage3: parental magmas undergo fractional crystallization to form TTG suites with the accumulation of hornblende +ilmenite+plagioclase

圖5 含水玄武巖部分熔融溫度—壓力相圖 (據(jù)Xiong Xiaolin et al., 2005)Fig. 5 The P—T phase graph of partial melting of wet basaltic protoliths(after Xiong Xiaolin et al.,2005)

本世紀(jì)初,眾多學(xué)者開始關(guān)注TTG巖套中普遍出現(xiàn)的Nb/Ta比值的負(fù)異常,并通過大量巖石學(xué)模擬實驗來探尋形成這一特征的根本原因。Nb—Ta是“孿生兄弟”,具有相同的電價(+5)和離子半徑(0.064 nm)以及相似的電負(fù)性(Nb為1.6,Ta為1.5),故在地質(zhì)過程中具有非常相似的地球化學(xué)行為(Shannon and Prewitt, 1969)。Foley 等 (2002)認(rèn)為TTG巖套出現(xiàn)的Nb/Ta負(fù)異常一定發(fā)映出殘留相中的某種或某幾種礦物具有DNb>DTa的特點,并提出角閃石(DNb>DTa)是必要的殘留礦物而金紅石(DNb

筆者認(rèn)為,Nb—Ta對于約束源區(qū)性質(zhì)的重要性毋庸置疑,但是,并不是每一件TTG樣品都表現(xiàn)出Nb—Ta的強烈解耦,從根本上說,決定Nb/Ta比值的最重要因素是源區(qū)的Nb—Ta含量,Foley和Rapp等學(xué)者在實驗中選用的物質(zhì)本身在Nb—Ta含量和Nb/Ta比值上就頗為不同,其結(jié)果的差異可能也是源區(qū)性質(zhì)的反應(yīng)(張旗等, 2008a)。

此外,上述研究都沒有充分重視TTG巖套的巖石學(xué)本意,且忽略了上文提到的低Al2O3型TTG的存在。雖然這類樣品是少數(shù),但是其對源區(qū)的約束仍十分重要：只有當(dāng)TTG熔體與以斜長石為主的殘留礦物平衡時,熔體才會表現(xiàn)出低Al2O3、Eu負(fù)異常以及不明顯的輕重稀土分餾等特點(Rapp and Watson, 1995)。因此,有10%左右的TTG熔體起源于更淺的深度,在該深度下,斜長石穩(wěn)定存在,且殘留相中缺乏石榴子石。這意味著TTG巖套的源區(qū)可能涵蓋了很大的P—T范圍。同時,筆者認(rèn)為Moyen(2011)的分類方案應(yīng)得到重視：劃分TTG巖套為高壓、中壓和低壓三個系列,高壓系列顯示出的地球化學(xué)特征是重稀土(HREE)非常虧損,低Nb、Ta以及高Sr,指示其殘留相中含有大量石榴子石、少量金紅石、但不含斜長石；低壓系列顯示出的地球化學(xué)特征是重稀土(HREE)相對富集,Nb、Ta含量也較高,Sr含量相對低于高壓系列,指示其殘留相中仍然存在斜長石,石榴子石含量不高(或不存在)且一定沒有金紅石；中壓系列的地球化學(xué)特征介于前兩者之間。這樣的分類比之前的按照Al2O3含量進行的分類更為直觀、全面。

2 TTG巖套的“親戚”—Adakite

近年來,一些學(xué)者開始探討TTG巖套與Adakite(具高鍶低釔等特征的中酸性巖類, 亦有音譯為埃達(dá)克巖)的關(guān)系,圍繞“是否可以用Adakite反演TTG巖套”的討論至今仍無共識(Martin, 1999; Condie, 2005; Smithies, 2000, 2003, 2007, 2009; Martin et al., 2005; Rollinson and Tarney, 2005; Rollinson, 2009)。

在此,筆者強調(diào)Adakite與TTG巖套的兩點最為顯著的區(qū)別： ① Adakite可以是火山巖也可以是與火山巖地球化學(xué)性質(zhì)等同的侵入巖(plutonic equivalents),而TTG巖套只能是侵入巖；② Adakite可以是鉀質(zhì)巖石也可以是鈉質(zhì)巖石,而TTG巖套只能是鈉質(zhì)。

2.1 Adakite的地球化學(xué)特征

Castillo (2006,2012)在其文章中明確指出Adakite應(yīng)該具有：SiO2≥56%,Al2O3≥15%,Na2O>3%,Sr>300μg/g,Y<10μg/g,Sr/Y>20,Yb<1μg/g,La/Yb>20等地球化學(xué)特點。從表1、2和Castillo的定義可以看出,Adakite和TTG巖套均表現(xiàn)出富鋁、富鈉、富大離子親石元素和虧損高場強元素等特點。

Smithies (2000)率先質(zhì)疑Adakite與TTG的“親緣關(guān)系”,認(rèn)為TTG巖套缺乏低硅樣品,而Adakite的SiO2變化范圍較大,此外,Adakite在Mg#、Ni、Cr等元素指標(biāo)上的變化也很大,二者在上述元素的地球化學(xué)特征上出現(xiàn)解耦。然而,Martin 等(2005)把Adakite劃分為高硅(HAS)和低硅(LSA)兩個系列(表1),并認(rèn)為高硅Adakite的地球化學(xué)特征與TTG巖套類似而低硅Adakite是高硅Adakite熔體與地幔楔平衡后的熔體,顯示出更多的幔源巖漿特征,與TTG巖套差別較大。這樣的分類很好地回應(yīng)了Smithies的質(zhì)疑。然而張旗等(2008a)指出Martin等人的分類混淆了Adakite與Sanukitoids(富鎂火山巖,贊岐巖),并指出低硅Adakite就是Sanukitoids,而所謂的高硅Adakite才是Adakite,且Adakite與TTG巖套是完全可以進行對比的。有關(guān)上述問題的爭論至今仍未能達(dá)成共識。筆者等在此注明,接下來的討論中,我們談到的Adakite是指在地球化學(xué)特征上符合Castillo(2006, 2012)定義的Adakite,它們在地球化學(xué)特征上與TTG巖套十分相似,二者完全可以進行對比。本文的討論并不涉及上述爭論。

2.2 Adakite的源區(qū)和形成環(huán)境

Adakite最初的定義明確指出了其產(chǎn)出環(huán)境為弧環(huán)境(島弧或大陸邊緣弧)(Defant and Drummond, 1990),嗣后卻爭議不斷：先是有學(xué)者陸續(xù)報道了北美、南美以及新西蘭地區(qū)的中生代和新生代花崗類巖石具有類似Adakite的地球化學(xué)特征,而同位素地球化學(xué)的研究結(jié)果揭示其源區(qū)為加厚地殼底部的含水玄武質(zhì)巖漿(Kay et al., 1991; Atherton and Ptford, 1993; Petford and Atherton, 1996)；隨后在中國華北地區(qū)也報道了大量非俯沖成因的卻具有Adakite地球化學(xué)特征的侵入巖和火山巖(陳斌, 2002; 劉紅濤等, 2002; Yang et al., 2004; Guo et al., 2006;李伍平, 2006; Jiang et al., 2007; 張旗等, 2008b; 吳鳴謙等, 2014)。各國學(xué)者逐漸意識到具有此類獨特地球化學(xué)特征的巖石并不僅僅局限于俯沖環(huán)境。因此,Adakite并不囿于其被首次提出時的構(gòu)造環(huán)境,轉(zhuǎn)而表現(xiàn)出僅僅被地球化學(xué)特征約束的特點。

張旗等(2008a)認(rèn)為Adakite的形成環(huán)境主要有兩種：俯沖環(huán)境下俯沖板片熔融(包括板片初始熔體和流體與地幔楔發(fā)生交代后平衡的熔體)以及擠壓造山環(huán)境下的下地殼熔融(包括古老的加厚下地殼熔融和拆沉后新生的下地殼熔體)。縱然此分類被很多學(xué)者認(rèn)為是對Adakite含義的擴大化(董申保和田偉, 2004; Moyen, 2011; Castillo, 2012; Moyen and Martin, 2012),但其幾乎囊括了所有可能產(chǎn)生Adakitic熔體的構(gòu)造環(huán)境,是目前相對全面的分類。

2.3 用Adakite的形成環(huán)境反演TTG巖套

一些學(xué)者認(rèn)為TTG巖套與俯沖成因的Adakite相同,也是俯沖板片熔融的產(chǎn)物(e.g. Martin, 1999; Defant and Drummond, 1990; Drummond et al., 1996; Foley et al., 2002)；另一些學(xué)者則認(rèn)為TTG巖漿并非俯沖成因,而是鎂鐵質(zhì)下地殼部分熔融形成,其成因與加厚地殼底部巖石部分熔融形成的Adakite熔體類似(e.g. Smithies, 2000; Smithies et al., 2003, 2009)。這些假說的成立都要建立在地球體系是幾乎一成不變的基礎(chǔ)上。眾多的地質(zhì)事實讓我們意識到,只存在均變的地球系統(tǒng)是不存在的。近年來很多學(xué)者開始質(zhì)疑：在板塊構(gòu)造的啟動時間尚不明確的前提下,能否簡單地使用“將今論古”反演TTG巖套的形成環(huán)境呢(張旗和翟明國, 2012; Stern, 2005, 2008; Witze, 2006; Condie and Kroner, 2008)？因此,在思考這類問題時必須深刻了解不同時期的地球動力學(xué)背景,以明確TTG巖套在地球演化不同時期的不同的形成環(huán)境。

3 討論：TTG巖套具有多樣的形成環(huán)境？

3.1 板塊構(gòu)造的啟動時間

Defant and Drummond (1990)認(rèn)為太古宙地溫梯度更高,板片俯沖并發(fā)生熔融所需要的條件更易達(dá)到,因此太古宙具備形成大面積TTG巖套的絕佳條件；Martin (1999)認(rèn)為TTG巖套出現(xiàn)的相對于Adakite更貧Mg、Ni、Cr的現(xiàn)象代表其形成深度比Adakite更淺,間接反映出太古宙地?zé)崽荻雀?這同時可以解釋為何TTG巖套普遍比Adakite更貧Sr。然而,僅僅通過地球化學(xué)特征來推測巖石的形成環(huán)境是有風(fēng)險的。譬如,富集大離子親石元素(LILE)和虧損高場強元素(HFSE)是弧巖漿的典型特征,而這樣的地球化特征并不具有弧環(huán)境的專屬性(e.g. Pearce and Peate, 1995; Moyen and Martin, 2012)。因此,TTG巖套的形成環(huán)境是否和Adakite一樣,不局限于弧環(huán)境呢？回答這一問題,我們必須要明確板塊構(gòu)造的啟動時間。

目前已知最古老的TTG巖套是在加拿大北部地區(qū)出露的Acasta花崗質(zhì)片麻巖,鋯石U-Pb年齡為4.031±0.003Ga(Bowring and Williams, 1999)。Wilde 等 (2001)在澳大利亞西部Jack Hill地區(qū)測得年齡為4.404±0.008Ga的碎屑鋯石,這些碎屑鋯石中含有一些鉀長石、斜長石、黑云母和白云母的礦物包裹體,而且鋯石的稀土元素配分曲線指示其最可能為花崗類巖石中的鋯石,其母巖漿很可能為TTG質(zhì)。因此,很可能在4.4 Ga以前,TTG巖套已經(jīng)在地球產(chǎn)出。4.4Ga之前,地球會存在板塊構(gòu)造嗎？

地球是太陽系四個硅酸質(zhì)行星 (地球、金星、水星和火星) 中唯一發(fā)育板塊構(gòu)造的星球,其它三個行星的巖石圈目前處于靜止蓋層模式下(stagnant lid) (Moresi and Solomatov, 1998; O’Neill et al., 2007)。在靜止蓋層模式下,板塊同樣會發(fā)生平錯和分離,并伴隨著地幔柱的活動發(fā)育大量巖漿巖(金星現(xiàn)在正處在這樣的過程中),然而這種過程并不能導(dǎo)致俯沖作用的發(fā)生。我們必須明確板塊俯沖和板塊分離/平錯是迥然不同的,也正因為如此,Stern(2007,2008)認(rèn)為地球目前的板塊構(gòu)造被稱作“俯沖式板塊構(gòu)造”更為合適。俯沖的必備條件是巖石圈重力失穩(wěn),即只有當(dāng)巖石圈足夠冷并產(chǎn)生足夠的反向浮力,板塊才能發(fā)生俯沖。以目前對冥古宙地球的了解程度,我們根本無法確定俯沖式板塊構(gòu)造確切的啟動時間,但基于上述理論認(rèn)識,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為板塊俯沖的發(fā)生不會早于3.8Ga(Condie and Pease, 2008),所以年齡大于3.8Ga的TTG巖套可能不是弧巖漿巖。在一個星球形成的初期,一定會經(jīng)歷一段巖漿海時期,這個階段會導(dǎo)致星球的散熱極快,在幾個百萬年內(nèi)就可以通過結(jié)晶作用固結(jié)形成一個初始?xì)げ⒖赡苄纬晌鍓K(platelet)(Ernst, 2007, 2009)。筆者認(rèn)為,如果地球在約4.5Ga之前經(jīng)歷了一次“造月事件”(Stevenson, 2008),那么這次事件結(jié)束之后,地球會在4.5～4.4 Ga由巖漿海演化形成初始陸殼,如果此結(jié)論正確,年齡為4.4Ga的碎屑鋯石很可能是初始陸殼中的鋯石。上述結(jié)論同時與鋯石Ti溫度計的計算結(jié)果吻合(Watson and Harrison, 2005)。因此,在4.35～4.0Ga形成的原始地殼與現(xiàn)在類似,也是通過源巖低程度部分熔融形成的。那么,在俯沖式板塊構(gòu)造尚未發(fā)生的前提下,陸殼又是如何產(chǎn)生的呢？

圖6 形成TTG巖套的巨厚洋殼平板俯沖環(huán)境卡通示意圖(據(jù)Smithies et al., 2003,修改)Fig. 6 The cartoon of flat—thrust related thick oceanic crust forming TTG suites (modified after Smithies et al., 2003)

Smithies 等 (2003) 認(rèn)為在俯沖式板塊構(gòu)造發(fā)生之前,TTG巖套的產(chǎn)出環(huán)境為“巨厚洋殼平板俯沖環(huán)境”(圖6)。該理論的核心在于冥古宙和太古宙早期,地幔潛能溫度高,洋脊玄武巖溢流速度更快,形成巨厚的洋殼,然而相對熱的洋殼具有更小的密度,不能產(chǎn)生反向浮力并發(fā)生俯沖,因此新生洋殼對古老洋殼進行長時間水平方向擠壓,并伴隨著底部流變發(fā)生大規(guī)模熔融,這一模型與現(xiàn)在的加厚下地殼巖石部分熔融相似而且能夠很好地解釋地球早期TTG巖套表現(xiàn)出的低Mg#(組分中沒有地幔楔的貢獻)特征與TTG巖套大規(guī)模產(chǎn)出的地質(zhì)事實相符。因此可能是TTG巖套早期產(chǎn)出環(huán)境的真實寫照。

3.2 板塊構(gòu)造是持續(xù)性的還是間歇性的

俯沖式板塊構(gòu)造本質(zhì)上是地球的一種特殊的散熱方式,之后的地球會通過殼—幔循環(huán)而不斷降溫。地幔的不斷降溫會導(dǎo)致洋中脊的噴溢速度減慢,當(dāng)新生的玄武質(zhì)巖漿在其噴口處固結(jié)后,洋中脊就會發(fā)生閉合,并導(dǎo)致板塊構(gòu)造運動的停滯,地球會進入靜止蓋層階段(Sleep, 2000)。但是這樣的狀態(tài)可能不是永久性的,因為地幔中的放射性元素(U、Th、40K等)會通過衰變產(chǎn)生大量的熱,并導(dǎo)致地球不斷升溫,板塊構(gòu)造可能會再次發(fā)生(Stern, 2007)。這意味著板塊構(gòu)造理論上可以是間歇性的,而可持續(xù)發(fā)生的板塊構(gòu)造要求地球處于產(chǎn)—放熱平衡狀態(tài)?，F(xiàn)代的大洋巖石圈年齡約100Ma(Parsons, 1982),且現(xiàn)在的大洋巖石圈板塊產(chǎn)生反向浮力的時間大概為20～40Ma(Stern, 2002),因此板塊俯沖可以持續(xù)發(fā)生。

鉀質(zhì)花崗巖的出現(xiàn)標(biāo)志著地殼的成熟,指示俯沖的發(fā)生,鑒于地球自3.1Ga開始就已經(jīng)出現(xiàn)鉀質(zhì)花崗巖(鄧晉福等, 2004; Goldfarb et al., 2010),我們更愿意相信自3.1Ga開始,俯沖式板塊構(gòu)造已經(jīng)在地球出現(xiàn)。然而俯沖的直接證據(jù)是蛇綠巖套、藍(lán)片巖以及超高壓變質(zhì)地體,但在該時期,我們?nèi)狈@些切實證明俯沖式板塊構(gòu)造已經(jīng)發(fā)生的證據(jù),因此,板塊構(gòu)造的發(fā)生很可能是區(qū)域性的,小規(guī)模的甚至是間歇式的(Stern, 2005; 與Stern私人交流, 2013)。

事實上,已經(jīng)有一系列證據(jù)表明俯沖式板塊構(gòu)造可能具有幕式特征：Moyen and van Hunen(2012)報道的加拿大Abitibi地區(qū)的TTG巖套可以分為三期,年齡為2740Ma的一期顯示出“低壓”TTG的特點,且與該地區(qū)發(fā)育的玄武巖和科馬提巖為同期,暗示其成因可能與地幔柱相關(guān)；年齡為2710Ma的一期顯示出“高壓”TTG的特點,巖石為鈣堿性系列,推測其熔融深度大,產(chǎn)出環(huán)境可能為俯沖環(huán)境；年齡在2710～2740Ma的一期TTG巖套既有“高壓”系列也存在“低壓”系列,推測在這段時期內(nèi),該區(qū)域出現(xiàn)“幕式俯沖構(gòu)造”,且一次俯沖可能只能維持5～10Ma；Rollinson(2011)報道的Zimbabwe克拉通內(nèi)的年齡為2740～2620Ma的TTG巖套具有類似的特征,可能反映了相似的“幕式俯沖”事件；Condie 等 (2009)通過測定大量碎屑鋯石年齡數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)2.45Ga～2.2Ga沒有碎屑鋯石出現(xiàn),認(rèn)為在長達(dá)250Ma的時間段內(nèi)沒有板塊構(gòu)造。

Stern(2005)和Moyen and Stevens(2006)認(rèn)為1.9Ga之后發(fā)育的TTG巖套應(yīng)該是俯沖環(huán)境下形成的,其源巖的熔融溫度在900～1100℃左右,壓力>1.5 GPa(深度為50km左右),指示地?zé)崽荻仍?0℃/km上下。這樣的地球動力學(xué)條件在目前的俯沖背景下最易達(dá)到。這樣的結(jié)論也能很好地解釋了為何自元古宙以來,TTG巖套的規(guī)模越來越小,且其形成年代與俯沖發(fā)生的時間十分接近的地質(zhì)事實。然而,此時的TTG巖套能否在加厚下地殼環(huán)境下產(chǎn)出呢？筆者認(rèn)為隨著地球的成熟,地殼的成分也變得復(fù)雜,雖然仍以玄武質(zhì)巖石為主,但是變質(zhì)雜砂巖、變質(zhì)泥巖以及長英質(zhì)(TTG巖套)組分也存在于源區(qū)中,這造成多數(shù)加厚下地殼底部巖石的部分熔融已經(jīng)不是單純的變玄武質(zhì)巖石的部分熔融,源區(qū)的多樣性導(dǎo)致具有原始的、富鈉特征的TTG巖套很難繼續(xù)在加厚下地殼條件下形成。因此,古元古代之后的TTG巖套可能歸功于俯沖式板塊構(gòu)造。不可否認(rèn),在源區(qū)溫壓條件合適,且成分單一的非俯沖條件下,TTG巖套仍然可以產(chǎn)出。但是,目前沒有古元古代之后的非俯沖成因的TTG巖套的報道。有關(guān)這方面的研究有待進一步工作的揭示。

4 結(jié)論

(1) TTG巖套英云閃長巖(tonalite)—奧長花崗巖(trondhjemite)—花崗閃長巖(granodiorite)是通過巖石學(xué)方法判定的一類深成侵入巖組合,并構(gòu)成早期陸殼的主體,該巖石組合沒有特定的年代學(xué)約束,在地球的各個時期均有發(fā)育。在地球化學(xué)特征上多數(shù)樣品具有富Na、(K2O/Na2O比值<0.5),高Al2O3(平均>15%),低MgO、Ni、Cr,富集LREE、虧損HREE、高Sr、低Y、低Yb以及無明顯負(fù)Eu異常等特點。其微量元素特征與Adakite(高鍶低釔中酸性巖,埃達(dá)克巖)類似。

(2) TTG巖套為含水變玄武質(zhì)巖石部分熔融形成,其源巖所達(dá)到的變質(zhì)相目前仍有爭論。筆者認(rèn)為其地球化學(xué)特征應(yīng)該反映了一個較大的的熔融壓力范圍,Moyen的低壓—中壓—高壓分類較為合理,可以作為TTG巖套的分類方案。

(3) 基于其在地球演化各個階段均有發(fā)育的地質(zhì)事實,應(yīng)該結(jié)合不同地質(zhì)歷史時期的地球動力學(xué)條件來討論它的形成環(huán)境,由于俯沖式板塊構(gòu)造的啟動時間無法確定,筆者認(rèn)為年齡大于3.8 Ga的TTG應(yīng)該在“巨厚洋殼平板俯沖環(huán)境”下產(chǎn)出；自3.1Ga開始大量發(fā)育的鉀質(zhì)花崗巖可能代表俯沖式板塊構(gòu)造已經(jīng)具有一定規(guī)模,直到1.9Ga之前,板塊俯沖機制仍然不成熟,地球可能出現(xiàn)了多次俯沖式板塊構(gòu)造—靜止蓋層之間的模式轉(zhuǎn)換,直到地球的產(chǎn)—放熱達(dá)到平衡,板塊俯沖才可以持續(xù)發(fā)生；古元古代之后的TTG巖套發(fā)育在俯沖式板塊構(gòu)造可以持續(xù)發(fā)生的大背景下,多數(shù)應(yīng)該是俯沖事件的產(chǎn)物,加厚下地殼的環(huán)境應(yīng)該很難形成TTG巖套。

致謝:鄧晉福教授對初稿提出修改意見; 李旭平教授審閱了全文并提出修改建議; 筆者在此表示衷心的感謝。